(57)【要約】【課題】簡単な手法によりプローブ先端と試料の間の距離及び接触を正確に検出することができる技術を提供する。【解決手段】試料に電子ビームを照射する電子光学系と、試料に触針させる少なくとも１つのプローブと、試料からの２次電子又は反射電子を検出する複数の検出器と、を有する不良検査装置を用いて、試料上に形成された検査対象の電気特性を測定する。先ず、試料上の検査対象にプローブを接近させる。次に、複数の検出器からの信号を入力して、プローブの先端の像を含むように検査対象の画像を生成する。複数の検出器のうち、ユーザによって選択された検出器からの信号に基づいて、検査対象の画像を生成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に電子ビームを照射する電子光学系と、試料に触針させる少なくとも１つのプローブと、試料からの２次電子又は反射電子を検出する複数の検出器と、を有する不良検査装置を用いて、試料上に形成された検査対象の電気特性を測定する不良検査方法において、
試料上の検査対象にプローブを接近させるプローブ移動ステップと、
前記複数の検出器からの信号を入力して、それぞれ、前記プローブの先端の像を含むように前記検査対象の画像を生成する画像生成ステップと、
前記検査対象の画像を画像表示部に表示する画像表示ステップと、
前記複数の検出器のうち、ユーザによって選択された検出器からの信号に基づいて前記検査対象の画像を生成するステップと、
を有する不良検査方法。
【請求項２】
請求項１記載の不良検査方法において、
ユーザによって選択された複数の検出器からの画像信号を合成して１つの合成画像信号を生成するステップと、
前記合成画像信号に基づいて、前記検査対象の画像を生成するステップと、
を有することを特徴とする不良検査方法。
【請求項３】
請求項１の記載の不良検査方法において、
前記試料に対する前記検出器の中心軸線のなす角度をθとするとき、該角度θは１０°以下であることを特徴とする不良検査方法。
【請求項４】
請求項１の記載の不良検査方法において、
前記試料に対する前記検出器の中心軸線のなす角度をθ、前記試料に対する前記プローブの中心軸線のなす角をαとするとき、０°＜θ＜αであることを特徴とする不良検査方法。
【請求項５】
請求項１記載の不良検査方法において、
前記不良検査装置を用いて、前記プローブの像と該プローブの像に隣接して生じる影の間の距離を測定し、該プローブの像と影の間の距離と実際のプローブと試料の間の距離の関係を求め、該２つの距離の関係を保存するステップと、
前記検査対象の画像において、前記プローブの像と該プローブの像に隣接して生じる影の間の距離を求めるステップと、
前記検査対象の画像において求めた前記プローブの像と影の間の距離から、前記保存された２つの距離の関係を用いて、前記プローブと前記試料の間の距離を求めるステップと、
を有することを特徴とする不良検査方法。
【請求項６】
試料を載置する試料ステージと、試料に電子ビームを照射する電子光学系と、試料に少なくとも１つのプローブを触針させるプローブユニットと、試料からの２次電子又は反射電子を検出する複数の検出器と、前記プローブ毎に前記複数の検出器からの信号を入力して前記試料の画像を生成する信号処理システムと、前記画像を表示する画像表示部と、を備え、前記プローブからの電気信号により試料上に形成された配線パターンの電気特性を測定する不良検査装置において、
前記信号処理システムは、試料上の検査対象にプローブを接近させるとき、前記複数の検出器のうち、ユーザによって選択された検出器からの信号に基づいて前記プローブの先端の像を含むように前記検査対象の画像を生成し、前記画像表示部に表示することを特徴とする不良検査装置。
【請求項７】
請求項６の記載の不良検査装置において、
前記信号処理システムは、ユーザによって選択された所定の複数の検出器からの信号を加算して得られた合成信号を用いて前記検査対象の画像を生成し、前記画像表示部に表示することを特徴とする不良検査装置。
【請求項８】
請求項６の記載の不良検査装置において、
前記試料に対する前記検出器の中心軸線のなす角度をθとするとき、該角度θは１０°以下であることを特徴とする不良検査装置。
【請求項９】
請求項６の記載の不良検査装置において、
前記試料に対する前記検出器の中心軸線のなす角度をθ、前記試料に対する前記プローブの中心軸線のなす角をαとするとき、０°＜θ＜αであることを特徴とする不良検査装置。
【請求項１０】
請求項６の記載の不良検査装置において、
前記信号処理システムは、前記プローブの像と該プローブの像に隣接して生じる影の間の距離と、前記プローブと試料の間の実際の距離の関係を保存しており、
前記検査対象の画像において、前記プローブの像と該プローブの像に隣接して生じる影の間の距離が求められたとき、該プローブの像と影の間の距離から、前記保存された２つの距離の関係を用いて、前記プローブと前記試料の間の距離を求めることを特徴とする不良検査装置。
【請求項１１】
試料に電子ビームを照射する電子光学系と、試料に触針させる少なくとも１つのプローブと、試料からの２次電子又は反射電子を検出する複数の検出器と、を有する不良検査装置を用いて、試料上に形成された検査対象の電気特性を測定する不良検査方法において、
前記不良検査装置を用いて、前記プローブの像と該プローブの像に隣接して生じる影の間の距離ｘを測定し、該プローブの像と影の間の距離と実際のプローブと試料の間の距離ｙの関係を求め、該２つの距離ｘ・ｙの関係を保存するステップと、
試料上の検査対象にプローブを接近させるプローブ移動ステップと、
前記複数の検出器からの信号を入力して、前記プローブの先端の像を含むように前記検査対象の画像を生成する画像生成ステップと、
前記検査対象の画像において、前記プローブの像と該プローブの像に隣接して生じる影の間の距離を求めるステップと、
前記検査対象の画像において求めた前記プローブの像と影の間の距離から、前記保存された２つの距離の関係を用いて、前記プローブと前記試料の間の距離を求めるステップと、
を有することを特徴とする不良検査方法。
【請求項１２】
請求項１１の記載の不良検査方法において、
前記検査対象の画像は、前記複数の検出器のうち、ユーザによって選択された検出器からの信号に基づいて生成することを特徴とする不良検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブを試料に触針させて試料の電気特性を測定するプローブ式不良検査方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体チップ上に形成された微細な配線の欠陥を検出するために、複数のプローブを半導体チップ上に形成された配線に接触させて、電気特性を測定する技術が記載されている。プローブを試料に接触させるとき、プローブと試料の間の距離を正確に検出しないと、プローブ先端が試料に衝突し、破損する。そこで、プローブを試料に接触させるとき、光学式カメラ像やＳＥＭ画像を用いて、プローブと試料の相対位置を確認している。例えば、プローブと試料間が数百μｍ程度になるまでは、光学式カメラを用い、その後はＳＥＭ画像を用いる。ＳＥＭ画像を観察しながら、プローブ先端と試料表面の電子光学系のフォーカス値を利用してプローブと試料の間の距離が50から100μｍ程度になるまで、プローブを移動させる。その後、更に微小な単位（数マイクロメートルから数ナノメートル）でプローブの移動を繰り返す。プローブ先端が試料に接触した時に、プローブ位置の移動が発生する。これをＳＥＭ画像により観察することで、プローブと試料の接触を確認することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４３８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、ＬＳＩ等の半導体素子上に形成される回路パターンが複雑化及び微細化し、プローブ先端も微細化している。それに伴い、観察画像の高倍率化が必須となっている。プローブ先端の曲率半径が数十nm程度となると、プローブ先端の形状を維持可能な許容圧力は小さくなる。そのため、プローブを接触させる最終工程において、プローブ先端の破損が多発する傾向にある。
【０００５】
本発明の目的は、簡単な手法によりプローブ先端と試料の間の距離及び接触を正確に検出することができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、試料に電子ビームを照射する電子光学系と、試料に触針させる少なくとも１つのプローブと、試料からの２次電子又は反射電子を検出する複数の検出器と、を有する不良検査装置を用いて、試料上に形成された検査対象の電気特性を測定する。
【０００７】
先ず、試料上の検査対象にプローブを接近させる。次に、複数の検出器からの信号を入力して、プローブの先端の像を含むように検査対象の画像を生成する。ここで、複数の検出器のうち、ユーザによって選択された検出器からの信号に基づいて、検査対象の画像を生成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、簡単な手法によりプローブ先端と試料の間の距離及び接触を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明による不良検査装置の例を説明する図である。
【図２】本発明による不良検査装置により、プローブと試料のＳＥＭ画像の例を説明する図である。
【図３】本発明による不良検査装置におけるプローブと検出器の配置の例を説明する図である。
【図４】本発明による不良検査装置により、プローブと試料の間の距離を計測する方法の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１を参照して、本発明による不良検査装置の例を説明する。不良検査装置では、試料である半導体素子上に形成された回路パターンにプローブを直接触針させ、回路の論理的な動作や電気特性を測定する。試料とプローブの間の接触状態及び接触位置を確認するために、走査型顕微鏡（ＳＥＭ）、又は、フォーカスイオンビーム（ＦＩＢ）装置が設けられている。ここでは、走査型顕微鏡を備えたＳＥＭ式不良検査装置の例を説明するが、本発明の不良検査装置は、他の荷電粒子線装置を用いた不良検査装置であってもよい。
【００１１】
本例のＳＥＭ式不良検査装置は、ＳＥＭ式電子光学系100と試料室108を有する。電子光学系100は試料室108の筐体に設けられている。試料室108には、試料101を載置する試料ホルダ102と、試料ホルダ102を支持する試料ステージ103と、プローブ107A、107Bを支持するプローブホルダ106A、106Bと、プローブホルダ106A、106Bを支持するプローブステージ105A、105Bと、試料ステージ103及びプローブステージ105A、105Bを支持するベースステージ104と、が設けられている。試料室108の筐体は、一点鎖線で示す除振機能を有する架台117によって支持されている。試料室108の筐体には更に、検出器109A、109Bが設けられている。
【００１２】
プローブ107A、107B、プローブホルダ106A、106B、及び、プローブステージ105A、105Bをプローブユニットと称する。図１では、１対のプローブユニットが図示されているが、本例のＳＥＭ式不良検査装置では、３つ以上のプローブユニットを設けることができる。図１では、１対の検出器109A、109Bが図示されているが、本例のＳＥＭ式不良検査装置では、３つ以上の検出器109を設けることができる。
【００１３】
プローブステージ105A、105Bを移動させることにより、プローブホルダ106A、106Bに支持されたプローブ107A、107Bを３次元方向に移動させることができる。試料ステージ103を移動させることにより、試料ホルダ102に搭載された試料101を３次元方向に移動させることができる。更に、ベースステージ104を移動させることにより、プローブステージ105A、105Bと試料ステージ103を同時に移動させることができる。即ち、プローブ107A、107Bと試料101の間の相対位置を変化させることなく、プローブ107A、107Bと試料101を同時に３次元方向に移動させることができる。
【００１４】
本例のＳＥＭ式不良検査装置は、更に、信号処理システム113と電源部114を有する制御部112、画像表示部115、及び、電気特性評価部116を有する。
【００１５】
試料室108には、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）110およびこれに連結されたドライポンプ（ＤＲＰ）111が接続されている。これらのポンプ110、111は、制御部112からの信号によって駆動され、試料室108の内部が真空排気される。
【００１６】
本例のＳＥＭ式不良検査装置の動作を説明する。先ず、制御部112に操作情報が供給される。制御部112は操作情報を制御信号に変換し、それをプローブステージ105A、105B、試料ステージ103及びベースステージ104に送信する。それによって、プローブ107A、107Bと試料101の間の相対的位置が変化し、プローブ107A、107Bが試料101に接触する。プローブ107A、107Bからの電気信号は電気特性評価部116へ送られる。電気特性評価部116はプローブからの信号を解析し、電気特性を評価し、評価結果を制御部112に送信する。評価結果を示すグラフ又は表は、画像表示部115又は電気特性評価部116によって表示される。
【００１７】
一方、電子光学系100では、荷電粒子ビームを試料101に照射する。試料101から発生する２次電子信号又は反射電子信号は、検出器109A、109Bによって検出され、制御部112の信号処理システム113に送られる。信号処理システム113によって生成された画像信号は画像表示部115に送られ、ＳＥＭ画像が表示される。
【００１８】
本例のＳＥＭ式不良検査装置では、信号処理システム113は、複数の検出器からの信号から所望の信号を選択して１つのＳＥＭ画像を生成し、更に、複数の検出器からの信号から所望の信号を選択して合成（積算）して１つのＳＥＭ画像を生成する。こうして所望のＳＥＭ画像を生成することによって、試料とプローブの接触を正確に且つ的確に確認することができるが、これについては以下に詳細に説明する。
【００１９】
図２を参照して、本発明によるＳＥＭ式不良検査装置において、検出器の位置及び方向とＳＥＭ画像の関係を説明する。図２は、試料101を上から見た状態を示す。試料101の上方に、プローブ107と検出器109A、109B、109Cが配置されている。試料101から発生する２次電子信号又は反射電子信号は検出器109A、109B、109Cによって検出され、ＳＥＭ画像が生成される。左側の第１の検出器109Aによって第１のＳＥＭ画像201が生成され、右側の第２の検出器109Bによって第２のＳＥＭ画像202が生成され、上側の第３の検出器109Cによって第３のＳＥＭ画像203が生成されたものとする。
【００２０】
本例では、プローブ107と試料101の間の間隔は、10μｍ程度である。この場合、試料101から発生する２次電子信号又は反射電子信号は、検出器に到達する前にプローブ107によって遮蔽される。従って、プローブ107の両側に検出器を配置する。第１及び第２の検出器109A、109Bは、プローブ107の横側に配置されている。第１及び第２のＳＥＭ画像201、202では、プローブの像2011、2021とその影2012、2022が現れている。影2012、2022は、検出器からの信号が減少していることを示す。影2012、2022の形状及び大きさは、プローブ107の高さ、即ち、プローブ107と試料101の間の間隔によって変化する。プローブ107と試料101の間の間隔が小さいほど、影2012、2022は濃くなり、プローブ107と試料101の間の間隔が大きいほど、影2012、2022は薄くなる。プローブ107と試料101の間の間隔が、数十マイクロメートル程度では、検出器の方向による信号差は無くなる。
【００２１】
第３の検出器109Cは、プローブ107の先端側に配置されている。この場合、試料101から発生する２次電子信号又は反射電子信号は、プローブ107によって遮蔽されない。従って、第３のＳＥＭ画像203では、プローブの像2031のみが現れ、その影が現れていない。
【００２２】
このように、プローブ107と試料101の間の間隔が10μｍ程度のとき、ＳＥＭ画像は、検出器の位置及び方向によって、異なる。即ち、異なる位置及び方向に配置された複数の検出器を用いることによって、異なるＳＥＭ画像が得られる。これらのＳＥＭ画像から、観察目的及び観察対象に応じて、所望のＳＥＭ画像を選択することができる。即ち、ユーザは複数の検出器のうち、所望の検出器を選択して用いることができる。
【００２３】
（１）プローブと試料が近接すると、検出器によって検出する信号が変化する。図２の例では、第１及び第２の検出器109A、109Bからの信号によって得られた第１及び第２のＳＥＭ画像201、202では、プローブの像2011、2021に隣接して影2012、2022が現れている。このように、影2012、2022が現れると、プローブが試料に近接していると判定することができる。
【００２４】
（２）ＳＥＭ画像201、202に影2012、2022が現れると、試料の像が不鮮明となる。そこで、影が生じないＳＥＭ画像を生成するには、第３の検出器109Cからの信号によって得られた第３のＳＥＭ画像203を用いればよい。しかしながら、第３の検出器109Cが設けられていない場合には、第１及び第２の検出器109A、109Bからの信号を加算することによって合成信号を生成し、この合成信号によってＳＥＭ画像を生成すればよい。それによって影が消去され、影が無い像が得られる。
【００２５】
図３を参照して、プローブと検出器の配置の例を説明する。本発明の不良検査装置では、互いに異なる位置及び方向に配置された複数のプローブ107A、107B、107C、107D及び複数の検出器109A、109B、109Cが装着されている。図示のプローブの中心軸線と検出器の中心軸線の方向は、例示であり、実際には、プローブの中心軸線と検出器の中心軸線の方向は任意の方向を向いている。電気特性の評価に使用するプローブの数は、検査対象によって異なる。例えば、半導体素子のトランジスタを検査対象とする場合には、４本のプローブを用いる。ＬＳＩ等の半導体素子の配線パターンを検査対象とする場合には、１又は２本のプローブを用いる。使用するプローブの数と検出器の数は同一であるとは限らない。
【００２６】
ユーザは、プローブ毎に、複数の検出器からの信号のうち所望の検出器からの信号を選択的に用いることによって、所望のＳＥＭ画像を生成することができる。例えば、第１のプローブ107Aの接触を検出する場合には、３つの検出器109A、109B、109Cからの信号のうち所望の検出器からの信号を選択して、ＳＥＭ画像を生成する。第１のプローブ107Aが試料に接近すると、３つの検出器109A、109B、109Cからの信号より得たＳＥＭ画像のうちいずれかのＳＥＭ画像にて、プローブの像に隣接して影が現れる。それによって、プローブ107Aの接触を確認することができる。同様に、第２のプローブ107Bの接触を確認するには、３つの検出器109A、109B、109Cからの信号のうち所望の検出器からの信号を選択して、ＳＥＭ画像を生成する。
【００２７】
次に、第１のプローブ107Aの接触を検出する場合において、影が生じないＳＥＭ画像が必要となることがある。この場合には、３つの検出器109A、109B、109Cからの信号のうち所望の検出器からの信号を選択して、ＳＥＭ画像を生成すればよい。これらのＳＥＭ画像において、影が生じないＳＥＭ画像がある場合には、それを用いる。影が生じないＳＥＭ画像が無かった場合には、３つの検出器109A、109B、109Cからの信号のうち所望の複数の検出器からの信号を加算することにより、影が消失し、影が無いＳＥＭ画像を生成することができる。
【００２８】
図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃを参照して、本発明によるＳＥＭ式不良検査装置において、プローブと試料の間の間隔を測定する方法を説明する。先ず、図４Ａを参照して、プローブ107と検出器109Aの相対的な位置を説明する。検出器109Aは、プローブ107の横側に配置されている。即ち、検出器109Aは、その中心軸線がプローブ107の軸線に対して直交するように、配置されている。本願の発明者は、試料に対する検出器の角度を変化させて、ＳＥＭ画像に現れる影を観察した。試料101上面に対する検出器109Aの中心軸線のなす角度をθ、試料101上面に対するプローブ107の中心軸線のなす角をαとする。一般には、０°＜θ＜αである。プローブの取り付け角αは予め決まっているものとする。たとえば、α＝３０〜６０°である。ここでは、α＝４５°であるとする。
【００２９】
本願の発明者は、検出器109Aの取り付け角θは、できるだけ小さいほうがよいことを見出した。即ち、検出器109Aの取り付け角θを小さくすると、ＳＥＭ画像に現れる影が明確化することを見出した。検出器109Aの取り付け角θは、θ＝０〜４５°であることが好ましく、更に、θ＝０〜１０°であるとより好ましいことが見出された。次に、プローブを試料の表面に近づけながら、ＳＥＭ画像を観察した。
【００３０】
図４Ｂは、プローブが試料に接触していないときのＳＥＭ画像301の例を示し、図４Ｃは、プローブが試料に接触しているときのＳＥＭ画像302の例を示す。図４Ｂに示すように、プローブが試料に接触していないとき、影の像3012はプローブの像3011より離れている。図４Ｃに示すように、プローブが試料に接触しているとき、影の像3022はプローブの像3021に隣接している。従って、影の像3012とプローブの像3011の間の距離ｘを測定することにより、プローブが試料に接触しているか否かを判定することができる。
【００３１】
例えば、先ず、プローブと試料の間の実際の距離ｙを、適当な方法によって正確に測定する。同時に、影の像とプローブの像の間の距離ｘを測定する。こうして、影の像とプローブの像の間の距離ｘと、プローブと試料の間の距離ｙの関係を予め求め、それを信号処理システム113に保存する。そこで、影の像とプローブの像の間の距離ｘを測定したら、信号処理システム113に保存された２つの距離ｘ・ｙの関係より、プローブと試料の間の距離ｙが正確に得られる。
【００３２】
本発明によると、ＳＥＭ画像を用いてＬＳＩ等に直接触針して電気特性を高感度に測定する不良検査装置において、検出器によって試料からの２次電子信号又は反射電子信号を検出する。この信号量は、プローブが試料に接触する直前にて変化する。この信号量の変化を検出することによって、プローブを試料に接触させる最終工程の繰り返し作業を減らすことができる。また、本発明によると、プローブの接触過程が容易化されるので、信頼性の高い測定と、操作性のよい不良解析装置を提供することができる。
【００３３】
更に、本発明によれば、複数のメカニカルプローブを直接触針して電気特性を測定するＳＥＭ式プロービング装置において、プローブを試料に接触させる場合に、ＳＥＭ画像において、プローブの像とプローブの影の像との間の距離を測定することにより、プローブと試料の間の距離を測定することができる。即ち、本発明によると、プローブの配置に関係なくの中にプローブと試料の接触直前の相対位置を定量化することができる。そのため、プローブ先端が試料に衝突して変形することを回避することが可能であり、安定した不良解析をすることができる。更に、プローブを試料に接触させることなくプローブと試料の間の相対的位置を知ることができるから、プローブ先端を破損することなく、プローブの自動移動が可能となる。
【００３４】
以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは、当業者によって容易に理解されよう。
【符号の説明】
【００３５】
100・・・電子光学系、101・・・試料、102・・・試料ホルダ、103・・・試料ステージ、104・・・ベースステージ、105・・・プローブステージ、106・・・プローブホルダ、107・・・プローブ、108・・・試料室、109・・・検出器、110・・・ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）、111・・・ドライポンプ（ＤＲＰ）、112・・・制御部、113・・・信号処理システム、114・・・電源部、115・・・画像表示部、116・・・電気特性評価部、117・・・架台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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