(57)【要約】微小デバイスの不良解析において高感度に異常を検出できる半導体検査装置を提供する。半導体検査装置は、試料を載置する試料台６と、試料に電子線を照射する電子光学系１と、試料に接触される測定探針３と、測定探針からの出力を測定する測定器８と、試料への電子線の照射に応答した測定探針からの出力の測定値を取得する情報処理装置９とを有し、情報処理装置は、試料に対して電子線の照射を開始するタイミング及び電子線の照射をフリーズするタイミングと、電子線が試料に照射された状態で測定器が測定探針からの出力を測定する第１の測定期間と、電子線の照射がフリーズされた後に測定器が測定探針からの出力を測定する第２の測定期間とを設定し、試料への電子線の照射に応答した測定探針からの出力の測定値を、第１の測定期間に測定された第１の測定値と第２の測定期間に測定された第２の測定値との差から求める。
2020003458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を載置する試料台と、
前記試料に電子線を照射する電子光学系と、
前記試料に接触される測定探針と、
前記測定探針からの出力を測定する測定器と、
前記試料への前記電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力の測定値を取得する情報処理装置とを有し、
前記情報処理装置は、前記試料に対して前記電子線の照射を開始するタイミング及び前記電子線の照射をフリーズするタイミングと、前記電子線が前記試料に照射された状態で前記測定器が前記測定探針からの出力を測定する第１の測定期間と、前記電子線の照射がフリーズされた後に前記測定器が前記測定探針からの出力を測定する第２の測定期間とを設定し、
前記試料への前記電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力の測定値を、前記第１の測定期間に測定された第１の測定値と前記第２の測定期間に測定された第２の測定値との差から求める半導体検査装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記情報処理装置は、前記試料に対して前記電子線を照射したときの前記測定探針からの出力の時間変化を検出し、前記第１の測定期間及び前記第２の測定期間が前記時間変化の少ない時間帯に含まれるように設定する半導体検査装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記第１の測定値は、前記測定器が前記第１の測定期間において測定した測定値を積算処理した値であり、前記第２の測定値は、前記測定器が前記第２の測定期間において測定した測定値を積算処理した値である半導体検査装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記測定器は、前記電子線の照射に応答して前記測定探針に生じる電圧信号を測定する半導体検査装置。
【請求項５】
請求項３において、
前記試料に接触される第１の測定探針及び第２の測定探針と、
前記第１の測定探針からの出力が第１の入力端子に接続され、前記第２の測定探針からの出力が第２の入力端子に接続される差動アンプとを有し、
前記測定器は、前記差動アンプから出力される電圧信号を測定する半導体検査装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記情報処理装置は、前記差動アンプのゲインを制御する半導体検査装置。
【請求項７】
請求項３において、
前記測定器は、前記電子線の照射に応答して前記測定探針に生じる電流信号を測定する半導体検査装置。
【請求項８】
請求項３において、
前記電子光学系は前記試料上を２次元に走査し、
前記情報処理装置は、前記電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力の測定値を、前記電子線の照射位置と対応付けて記憶する半導体検査装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記情報処理装置は、前記電子線の照射位置に対応する画素の画素値を、前記電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力の測定値に基づき決定した数値マッピング画像を作成する半導体検査装置。
【請求項１０】
請求項８において、
前記電子線と前記試料との相互作用により放出される信号電子を検出する検出器を有し、
前記情報処理装置は、前記検出器から検出された信号からＳＥＭ像を作成し、前記ＳＥＭ像に基づき仮想座標を設定する半導体検査装置。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記情報処理装置は、前記仮想座標により指定された位置に前記測定探針を移動させる半導体検査装置。
【請求項１２】
試料を載置する試料台と、
前記試料に電子線を照射する電子光学系と、
前記試料に接触される測定探針と、
前記測定探針からの出力を測定する測定器と、
前記電子線と前記試料との相互作用により放出される信号電子を検出する検出器と、
前記試料への前記電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力の測定値を取得する情報処理装置とを有し、
前記電子光学系は第１の撮像条件により前記試料上を２次元に走査し、前記情報処理装置は、前記検出器から検出された信号からＳＥＭ像を作成し、前記ＳＥＭ像に基づき仮想座標を設定し、
前記電子光学系は第２の撮像条件により前記試料上を２次元に走査し、前記情報処理装置は、前記測定器により測定された前記測定探針からの出力の測定値に基づき電気特性マップ像を作成し、
前記情報処理装置は、前記仮想座標を前記第１の撮像条件及び前記第２の撮像条件に基づき座標変換することにより、前記仮想座標により指定された位置を前記電気特性マップ像上で特定する半導体検査装置。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記情報処理装置は、前記電気特性マップ像の画素値を、前記電気特性マップ像の画素に対応する位置への前記電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力の測定値に基づき決定する半導体検査装置。
【請求項１４】
請求項１２において、
前記電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力より、前記電子線の照射位置における吸収電流量を示す信号を出力するＥＢＡＣ（Electron Beam Absorbed Current）制御装置を有し、
前記電子光学系は第３の撮像条件により前記試料上を２次元に走査し、前記情報処理装置は、前記ＥＢＡＣ制御装置が出力した信号からＥＢＡＣ像を作成し、前記仮想座標を前記第１の撮像条件及び前記第３の撮像条件に基づき座標変換することにより、前記ＥＢＡＣ像上の位置を前記仮想座標上の位置に変換する半導体検査装置。
【請求項１５】
請求項１２において、
前記測定器が測定する前記測定探針からの出力の測定値は電圧値または電流値である半導体検査装置。
【請求項１６】
請求項１２において、
前記電子光学系は、前記試料にパルス電子線を照射し、
前記測定器が測定する前記測定探針からの出力の測定値はパルス応答特性である半導体検査装置。
【請求項１７】
請求項１６において、
前記パルス電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力より、前記パルス電子線と同期して、前記パルス電子線の照射位置における吸収電流量を示す信号を出力するＥＢＡＣ（Electron Beam Absorbed Current）制御装置を有し、
前記電子光学系は第４の撮像条件により前記試料上を２次元に走査し、前記情報処理装置は、前記ＥＢＡＣ制御装置が出力した信号から動的ＥＢＡＣ像を作成し、前記仮想座標を前記第１の撮像条件及び前記第４の撮像条件に基づき座標変換することにより、前記動的ＥＢＡＣ像上の位置を前記仮想座標上の位置に変換する半導体検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の検査装置に関するものであり、特に、電子顕微鏡を用いた微小デバイス特性評価装置による半導体デバイスの故障解析技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細化により、大規模集積回路（ＬＳＩ：Large-Scale Integration）の高速化、高性能化が進んでいる。このような半導体デバイスの微細化に伴って、トランジスタ数、配線数、コンタクト数が増大し、故障デバイスの不良解析は複雑化するとともに、微小デバイスにおける故障検出技術に対しては、より高感度化が求められている。なお、微小デバイスとはＬＳＩに集積される素子やＬＳＩに形成される配線等の微細構造を指す。現在、この故障検出技術として、微細な領域に測定探針を直接接触させて電気特性を測定するナノプロービング装置が注目されている。これによれば、10ｎｍ世代プロセスのトランジスタなどのナノデバイスの端子に直接、測定探針を接触させ、その電気特性を評価でき、他の解析技術にはない大きな特徴となっている。【０００３】
ナノプロービング装置を用いたデバイス故障解析手法として、このような電気特性の測定の他に、特許文献１等に示されるＥＢＡＣ（電子ビーム吸収電流：Electron Beam Absorption Current）観察と呼ばれる故障解析手法が知られている。通常のＳＥＭ観察では、試料に電子線（１次電子）を入射することにより発生する２次電子を検知して試料表面の構造観察を行うが、このとき入射した１次電子の一部は２次電子の発生に寄与することなく、エネルギーを失って、試料中に流れる微弱な電流（吸収電流）となる。ＥＢＡＣ観察では、電子線の照射位置と測定探針との間に局所的に流れる吸収電流を検出し、得られた信号量の変化をコントラストとして電子線の走査に対応付けることにより、画像（ＥＢＡＣ像）として表示する。ＥＢＡＣ像では、測定試料の内部情報、例えば、試料の深さ方向に形成された配線の形状を含めて可視化することができる。配線に断線箇所があると、測定探針の接触箇所からみて、電子線照射位置が断線箇所の手前の配線上にあるか、断線箇所の先の配線上にあるかによって、吸収電流の検出量が異なり、ＥＢＡＣ像では異なるコントラストで表現される。これにより、欠陥部分を破壊することなく、簡便にデバイスの故障箇所を把握することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１３５６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなＥＢＡＣ観察であるが、以下のような課題がある。
（１）低抵抗性の欠陥に対してＥＢＡＣ像のコントラストが弱く、欠陥箇所の検知が難しい。例えば、配線不良を例にとると、断線のようなオープン障害の場合は欠陥箇所が高抵抗となり強いコントラストを得られるが、配線ショートの場合はＥＢＡＣ像に強いコントラストが得られない場合が多く、検知が難しい。
（２）ＥＢＡＣ像の画像処理において、コントラストの黒潰れなど、映像信号のデジタル処理やアンプの特性に起因してＥＢＡＣ情報の欠損が生じることがある。【０００６】
まず、第１の課題に関し説明する。ＥＢＡＣ観察では、低抵抗体の場合、入射する電子線量（以降、プローブ電流と表記）に対して、試料中の抵抗体が発する電圧信号は、極めて小さくなる。このため、低抵抗の材料同士の場合、電圧信号の違いとしてほとんど表れず、その結果ＥＢＡＣ像のコントラストから異常個所の検出が困難となることが多い。【０００７】
ＥＢＡＣ像のコントラストを高めるため、ショットキー電子銃などの大きなプローブ電流が得られる電子銃を用いることで、より大きな反応信号（電圧信号）を得ることは可能である。しかし、過度のプローブ電流の照射は、それにより欠陥部を変質させることがあり、故障解析の観点からは好ましくない。このため、ＥＢＡＣ（ＥＢＩＣ）測定システムの高感度化、例えば、ロックインアンプの導入や、映像信号の階調数増加によるＥＢＡＣ像の高感度化などが、報告されている。しかし、測定対象とする微小デバイスには、容量性の時定数をもつ部分が存在することがある。ロックインアンプによるノイズの除去には、最適な参照周波数を設定する必要があるが、測定箇所が容量性の時定数を有していると、測定信号がなだらかに減衰し、ノイズが十分に除去できないことがある。半導体検査装置としては、試料が容量性の時定数をもつ部分を有していても、低ノイズ・高感度測定が可能な装置が望ましい。【０００８】
次に、第２の課題に関し説明する。半導体層と金属層とが混在する試料を、電流アンプを用いてＥＢＡＣ観察すると、ＥＢＡＣ像に半導体層の特有の反応であるＥＢＩＣ（電子線励起電流：Electron Beam Induced Current）反応が現れることがある。ＥＢＩＣは、電子線が接合近傍に入射した際に発生する電子と正孔によるドリフト電流であり、ＥＢＩＣ反応による信号は、極めて強い電流信号となる。このため、半導体層と金属層とが混在する試料を観察する場合にＥＢＡＣ装置に流れ込む電流信号は、ＥＢＩＣ反応による10ｎＡ程度から、電流のあまり流れない構造部による0.001ｎＡ程度までと広範囲となる。このような広範囲の信号を、例えば、256階調に振り分けて映像の濃淡を表示しても、情報のきめ細やかさは損なわれ、情報が欠損しやすい状態となる。あるいは、過度の電流が流れるとことでＥＢＡＣ観察に使用するアンプが飽和してしまうことがあり、飽和領域ではコントラストの違いを表示することができない。このような場合、本来得られるべき電流分布情報が欠損しており、結果、微小デバイスに生じている現象に対する物理的な解釈を行う上での妨げになってしまう。【０００９】
このように、検出信号の変化を画像化するＥＢＡＣ観察は簡便であるものの、測定内容によっては本来得られるべき情報を見逃してしまうことがある。本発明者らは、ナノプロービング装置を用いて計測した電気特性を画像化する（電気特性マッピング）にあたり、信号処理を高感度化することで従来のＥＢＡＣ観察では観察できなかったデバイス情報が得られることを確認した。加えて、ナノプロービング装置を用いる利点は微小デバイスの様々な電気特性を計測することができることにより、多様な観点からデバイス故障解析が行えることにある。このため、複数の電気特性マップ像による解析、あるいは電気特性マップ像による解析と他の解析手法による解析とを連携して実行可能な半導体検査装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施の態様である半導体検査装置は、試料を載置する試料台と、試料に電子線を照射する電子光学系と、試料に接触される測定探針と、測定探針からの出力を測定する測定器と、試料への電子線の照射に応答した測定探針からの出力の測定値を取得する情報処理装置とを有し、情報処理装置は、試料に対して電子線の照射を開始するタイミング及び電子線の照射をフリーズするタイミングと、電子線が試料に照射された状態で測定器が測定探針からの出力を測定する第１の測定期間と、電子線の照射がフリーズされた後に測定器が測定探針からの出力を測定する第２の測定期間とを設定し、試料への電子線の照射に応答した測定探針からの出力の測定値を、第１の測定期間に測定された第１の測定値と第２の測定期間に測定された第２の測定値との差から求める。【００１１】
また、本発明のさらに別の一実施の態様である半導体検査装置は、試料を載置する試料台と、試料に電子線を照射する電子光学系と、試料に接触される測定探針と、測定探針からの出力を測定する測定器と、電子線と試料との相互作用により放出される信号電子を検出する検出器と、試料への電子線の照射に応答した測定探針からの出力の測定値を取得する情報処理装置とを有し、電子光学系は第１の撮像条件により試料上を２次元に走査し、情報処理装置は、検出器から検出された信号からＳＥＭ像を作成し、ＳＥＭ像に基づき仮想座標を設定し、電子光学系は第２の撮像条件により試料上を２次元に走査し、情報処理装置は、測定器により測定された測定探針からの出力の測定値に基づき電気特性マップ像を作成し、情報処理装置は、仮想座標を第１の撮像条件及び第２の撮像条件に基づき座標変換することにより、仮想座標により指定された位置を電気特性マップ像上で特定する。
【発明の効果】
【００１２】
微小デバイスの不良解析において高感度に異常を検出できる電気特性マッピング測定可能な半導体検査装置を提供することができる。【００１３】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】微小デバイス特性評価装置の概略図である。
【図２】電圧マップ像を作成するフローチャートである。
【図３】積算処理による平均化を説明するための図である。
【図４Ａ】電圧信号の時間変化とその場合の測定タイミングを示す図である。
【図４Ｂ】電流信号の時間変化とその場合の測定タイミングを示す図である。
【図５】電圧マッピング測定における測定値の算出方法を説明するための図である。
【図６】試料の例である。
【図７Ａ】図６に示した試料のＥＢＡＣ像の模式図である。
【図７Ｂ】ＥＢＡＣ像における階調差の抵抗依存性を示す図である。
【図８】図１の計測回路による測定例である。
【図９】ＥＢＡＣ像の例である。
【図１０】図９に示したＥＢＡＣ像に対応する電流分布データである。
【図１１】図１の計測回路による測定例である。
【図１２】第１実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。
【図１３】第２実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。
【図１４】第３実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。
【図１５】第４実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。
【図１６】第５実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。
【図１７】第６実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。
【図１８】第７実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。
【図１９】第８実施例におけるプロービング位置設定動作を説明する図である。
【図２０】第９実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。
【図２１】第１０実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。
【図２２】第１１実施例における仮想２次元座標の設定方法を説明するための図である。
【図２３】第１１実施例における仮想２次元座標の設定方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に本発明の実施の形態にかかる微小デバイス特性評価装置の概略図を示す。走査型電子顕微鏡は、その主要な構成として電子光学系１、検出器２、真空チャンバ４を有し、通信ケーブル１４で接続される制御装置１２により制御される。真空チャンバ４中の試料台６に測定試料５が載置され、測定試料５には測定探針３が接触されている。なお、測定探針３は、測定試料５の試料表面を移動させるための駆動装置（図示せず）に接続されており、この駆動装置の動作により、測定試料５に接触される。測定探針３の出力は、測定ケーブル１３を通して差動アンプ７に接続され、差動アンプ７の出力信号が、半導体パラメータアナライザ８に入力されている。半導体パラメータアナライザ８は、電流−電圧測定、キャパシタンス測定など半導体デバイスのパラメトリックテストのための測定器である。測定対象、測定内容に応じた測定器を用いても構わない。半導体パラメータアナライザ８は、通信ケーブル１４を通して情報処理装置９に接続される。なお、ここではアナログ信号を伝達するケーブルを測定ケーブル１３（実線）と称し、デジタル信号を伝達するケーブルを通信ケーブル１４（実線）と称している。伝達特性や通信プロトコルなどは接続される装置間ごとに異なっていて構わない。情報処理装置９は電子顕微鏡を制御し、検出器２から検出された信号からＳＥＭ像、あるいは測定探針３から検出された信号からＥＢＡＣ像、本実施例の電気特性マップ像を作成、表示するための装置であり、例えば、パーソナルコンピュータなどが適用できる。検出器２は電子光学系１からの電子線と測定試料５との相互作用により放出される信号電子を検出するものである。検出する信号電子のエネルギー等の相違に応じた複数の検出器を備えていてもよい。差動アンプ７は、情報処理装置９よりその増幅率が制御される。これにより、差動アンプ７の出力信号が過大となっている場合には、増幅率を小さくすることができる。
【００１６】
なお、図１の測定回路は、電気特性として電圧を測定し、電気特性マップ像として電圧マップ像を作成するのに適した構成である。また、本実施例における電圧マップ像は後述するように低抵抗性の欠陥に対して高い検出感度を得ることができるため、低抵抗性の金属配線等の欠陥検出や故障解析に適している。
【００１７】
差動アンプ７は、プローブ電流によって測定探針３に生じる極めて微弱な試料からの信号を増幅して電圧信号を出力するが、その出力信号には様々なノイズがのっている。正確な電圧マップ像を得るには、このようなノイズは可能な限り除去する必要がある。図１の微小デバイス特性評価装置により、電圧マップ像を作成するフローを図２に示す。フローは、主に、測定のための条件出し（Ｓ１０）、測定（Ｓ２０）、測定値の画像化（Ｓ３０）を含む。まず、装置に測定試料５を設置し、測定探針３を、試料表面に接触させる（Ｓ０１）。続いて、条件出しを行う。除去すべきノイズは大きく、高周波数のランダムノイズと低周波数ノイズとに分けられる。まず、試料表面の任意の１カ所に電子線を照射する（Ｓ１１）。この結果得られた測定探針の信号を差動アンプ７で増幅し、この電圧信号を半導体パラメータアナライザ８の積算処理を用いて、高周波数のランダムノイズを除去する（Ｓ１２）。積算処理とは、図３に示すようにランダムノイズが混入する信号を、所定の期間加算し、平均化するものである。これにより、ランダムノイズの影響を除去できる。
【００１８】
次に、高周波数のランダムノイズが除去された電圧信号データの時間変化を検出する（Ｓ１３）。出力信号は低周波数ノイズの影響を受けて時間変化する。図４Ａは電圧測定時にみられるパターンであり、微小デバイス特性評価装置に固有の低周波数ノイズである。真空チャンバ４を排気する排気ポンプの振動や評価装置の電気ノイズなどの影響により出力信号（電圧信号）がドリフトするものである。なお、このような低周波ノイズの影響を受けるのは電圧信号のみではない。電気特性マップ像として電流マップ像を作成する場合には電流信号を検出することになるが（その場合の装置構成等については後述する）、電流信号においても低周波数ノイズが存在している。図４Ｂは電流測定時にみられるパターンであり、測定試料５が高抵抗試料（半導体など）である場合に、その容量に起因して出力信号（電流信号）が時定数を有する変化を示す。
【００１９】
そこで、情報処理装置９は、測定試料５のランダムノイズが除去された電圧信号データ（あるいは電流信号データ）の時間変化から、時間変化の最も少ない時間帯を、例えば、微分解析によって求める。具体的には、図４Ａ、Ｂの信号波形４０１，４０２において、時間変化の少ない時間帯として時間帯ｔ１〜ｔ３が検出できる。そこで、測定が時間帯ｔ１〜ｔ３の間で行われるよう、測定タイミングを設定する（Ｓ１４）。信号波形４０１の場合の測定タイミングチャートが４０３であり、信号波形４０２の場合の測定タイミングチャートが４０４である。いずれの場合も、時間帯ｔ１〜ｔ３の間のｔ２において、電子線の測定試料５への照射をフリーズさせ、その直前の時間帯ｔ１〜ｔ２、及びその直後の時間帯ｔ２〜ｔ３の時間帯において出力信号の計測を行う。時間帯ｔ１〜ｔ２、時間帯ｔ２〜ｔ３がそれぞれ高周波数のランダムノイズを除去するための積算処理を行うための時間を有していなければならない。なお、電圧信号の測定の場合は、低周波ノイズの原因は電子線の照射ではないので、低周波ノイズの周期性を抽出し、基準時間（ｔ＝０）は低周波ノイズ波形をモニタして定められることになる。一方、電流信号の測定の場合は、低周波ノイズの原因が電子線の照射であるので、基準時間（ｔ＝０）は電子線の照射開始時間と一致する。以上により、ノイズの影響を抑えて測定するための条件出しが完了する。
【００２０】
条件出し（Ｓ１０）において定められた測定タイミングにしたがって、測定試料５の測定を開始する（Ｓ２０）。図５に測定の様子を示す。試料表面５０１の１点５０２に測定探針３が接触させられており、試料表面５０１上を電子線５００がＸ方向及びＹ方向に走査される。試料表面５０１に仮想的に示したマス目は電子線５００の照射位置を表しており、電圧マップ像の１画素に対応する。まず、照射位置を例えば、位置５０３に移動し（Ｓ２１）、電子線５００の照射を開始する（Ｓ２２）。条件出しにおいて定められた測定タイミングｔ１〜ｔ２において、出力信号の測定を行う（Ｓ２３）。この測定においては、半導体パラメータアナライザ８による積算処理が行われている。積算処理が行われた出力データ（ここでは「電子線照射データ」と呼ぶ）を、情報処理装置９は、データベース１１に保存する（Ｓ２４）。続いて、時間ｔ２において、電子線５００の位置５０３への照射をフリーズさせ（Ｓ２５）、条件出しにおいて定められた測定タイミングｔ２〜ｔ３において、出力信号の測定を行う（Ｓ２６）。この測定においても、半導体パラメータアナライザ８による積算処理が行われている。積算処理が行われた出力データ（ここでは「電子線非照射データ」と呼ぶ）を、情報処理装置９は、データベース１１に保存する（Ｓ２７）。情報処理装置９はすべての照射位置で照射と計測が完了したかどうかを判定し（Ｓ２８）、未完了の場合には次の照射位置に移動する。例えば、位置５０３にＸ方向に隣接する位置５０４に照射位置を移動し（Ｓ２１）、電子線５００の照射を開始する（Ｓ２２）。全ての照射位置への電子線の照射と計測が完了している場合には計測を終了し、全ての照射位置での測定結果がデータベース１１に保存される。
【００２１】
なお、図２の測定（Ｓ２０）のフローは大きな流れを示すものであり、これに限定されるものではない。例えば、電子線照射データや電子線非照射データは照射ごとにデータベース１１に保存する必要はなく、よりまとまった単位で保存する、例えば計測中は情報処理装置９が一時的に保存し、計測完了後にデータベース１１に保存するようにしてもよい。また、情報処理装置９は半導体パラメータアナライザ８の計測が適切に行えるように差動アンプ７のゲインを制御しているので、出力データを半導体パラメータアナライザ８の出力値そのままでなく、差動アンプ７のゲインを補正した値を出力データとして保存しておくことが望ましい。出力データと差動アンプ７のゲインとを組として保存してもよい。
【００２２】
測定（Ｓ２０）で得られた電子線照射データ、電子線非照射データを用いて画像化（Ｓ３０）を行う。図５の５１０に示すように、電子線照射データと電子線非照射データとの差を測定値として算出する（Ｓ３１）。この演算により、測定値から低周波数ノイズの影響が除去される。この測定値の値に基づき各画素の画素値を決定し、数値マッピング画像（＝電圧マップ像）として表示する（Ｓ３２）。このとき、本実施の装置では、各画素に対応する位置に電子線を照射して計測した測定値（数値データ）を保有しているため、測定者はその解析視点に応じて、表示する数値の範囲を設定して、すなわち測定レンジを切り替えて、数値マッピング画像を作成、表示することができる。設定された数値の範囲で色や濃淡が識別可能となるように画素値を割り当てることにより、黒潰れなどの情報の欠損を回避し、ワイドレンジの解析が可能になる。
【００２３】
以下、図１の微小デバイス特性評価装置を用いた解析例に基づき、第１の課題の解決について説明する。図６に解析対象として使用した試料の例を示す。絶縁体層６００上に抵抗体６０２を形成し、抵抗体６０２を挟んで電極６０３，６０４を設けている。電極６０３に差動アンプ７の＋端子に接続される測定探針３ａが接触され、電極６０４に差動アンプ７の−端子に接続される測定探針３ｂが接触される。ここでは、絶縁体層６００をＳｉＯ２層、抵抗体６０２をＳｉ、電極６０３，６０４をＡｌで形成している。抵抗体６０２の抵抗値として、異なる抵抗値を有する複数の試料を用意した。
【００２４】
図６に示す試料をＥＢＡＣ観察した場合、抵抗体６０２の抵抗値が高い場合（例えば、数十ｋΩオーダー）には、図７Ａに示すように、ＥＢＡＣ像６１０は、抵抗体６０２を境にして強いコントラストが表示される。これより、コントラストの変化点に抵抗体があると判断できる。これは、半導体デバイスの不良解析において、オープン障害の欠陥検出を行うことに相当する。しかしながら、抵抗体６０２の抵抗値が小さくなるにつれて高コントラスト部分６１１と低コントラスト部分６１３との差が小さくなっていく。図７ＢはＥＢＡＣ像６１０における階調差の抵抗依存性を示す図である。横軸に抵抗体６０２の抵抗値を、縦軸に低コントラスト部分６１３と絶縁体層６００に相当するバックグラウンド部分６１２との階調差を示したものである。なお、ＥＢＡＣ観察条件として、試料に照射した電子線量（プローブ電流）は、1ｎＡである。このように、抵抗体６０２の抵抗値が小さくなるとバックグラウンド部分６１２との階調差も乏しくなり、抵抗体６０２の抵抗値が数100Ωのオーダーである場合、抵抗体６０２の抵抗値が変化しても、階調差６２０はごく小さなものとなる。このため、ＥＢＡＣ像からそのコントラスト差を視認することは不可能である。配線ショートのような低抵抗性の欠陥をＥＢＡＣ像で検知するのが困難であるのはこのことに起因する。100Ωの抵抗体に対して、電子線量1ｎＡの電子線を照射したときに発生する電圧は0.1μＶであるから、配線ショートのような欠陥を検出可能にするためには、約0.1μＶという微小な電圧信号の違いを判別する必要がある。
【００２５】
同じ試料に対して、図１の微小デバイス特性評価装置における計測回路を用いて測定した結果を図８に示す。図８には、図６に示す試料において、電極６０３または電極６０４の領域に電子線を照射した時に、図１の計測回路における半導体パラメータアナライザ８で測定された電圧信号量を示している。抵抗体６０２の抵抗値がそれぞれ、803Ω、290Ω、186Ωの３種類の試料について測定を行った。本測定に際し、測定探針３の位置は、図６に示した通りであり、電子線の照射電流も、前述のＥＢＡＣ観察と同じ1ｎＡとした。差動アンプ７のゲインは1000倍とし、測定方法は、図２及び図５で説明した通りである。この電圧信号量の大小を濃淡化し、電子線照射位置の画素値とすることで、本実施例の電圧マップ像が形成できる。比較例として、差動アンプ７に代えて電圧アンプ（ゲイン100000倍）を用いた結果も示している。
【００２６】
これより、抵抗体６０２の抵抗値の減少に伴い、差動アンプ７が出力する電圧値の絶対値が減少傾向にあることが確認できる。本実施例の測定回路により、この程度の抵抗の違いが検知できることは、低抵抗不良の異常検知が可能となったことを意味する。なお、比較例として示した電圧アンプでは、ノイズにデータが埋れ、値を取得することができなかった。
【００２７】
現時点で半導体デバイスのパラメトリックテスト向けに使用される一般的な測定器の最小可能測定電圧は、0.5μＶ程度である。これに対して、本実施例の測定回路では約0.1μＶという、微小な電圧信号の違いを可能とする。このため、本実施例の測定回路では徹底的にノイズ除去を行った。差動アンプ７は２本の測定ケーブルの差分を増幅するため、両方の測定ケーブルに同じように加わるノイズを除去できる。次に上述したように、測定器により積算処理を行い、差動アンプ７では除去できなかったランダムノイズを除去する。さらに図２で説明した条件出しによって定めた測定タイミングにより計測し、電子線の照射時、非照射時の測定値の差分を測定値とすることにより、低周波数ノイズが除去される。ノイズの除去手法には、それぞれ対応できるノイズの種類が決まっており、幅広い手法を活用することで、高感度検出を実現する。
【００２８】
加えて、信号量が大きくノイズの影響が小さくなった場合には、情報処理装置９によりは差動アンプ７の増幅率あるいは測定器による積算量などを調整する。このように、情報処理装置９は、測定データを取得、加工するだけでなく、測定データに含まれるノイズの種類に応じて最適なノイズ除去工程を提供する役割も果たしている。
【００２９】
次に、第２の課題の解決について説明する。図９は半導体層を観察したＥＢＡＣ像の例である。黒つぶれした部分９００が半導体層からの反応である。これに対し、図１の微小デバイス特性評価装置における計測回路を用いて測定を行った結果を図１０に示す。黒つぶれした部分９００の部分の電流値を測定してグラフ化したものである。これより、ＥＢＡＣ像では、黒潰れしてしまっているが、その領域に電流変化が存在していることが認識できる。このように、ＥＢＡＣ像では情報の得られない領域についても、詳細な情報を得ることができ、このような領域における物理的な解釈を行うことが可能となる。
【００３０】
ＥＢＡＣ像のコントラストは吸収電流量に基づく。ここで吸収電流量は、測定試料のナノスケールの内部構造と入射した電子の複雑な挙動に影響されて変化するため、コントラストを視覚で観察するのみでは、得られる情報に限界がある。これに対して、図１の微小デバイス特性評価装置によって電圧値を精密に測定することが可能になるため、本実施例は従来のＥＢＡＣ像では得られなかった情報が得られるポテンシャルを有している。
【００３１】
図６で示した試料の例で説明する。抵抗体６０２の抵抗値として、異なる抵抗値を有する６つの試料を用意して解析を行った。試料は、図６に示すように、電極６０３（Ａｌ）と抵抗体６０２（Ｓｉ）という異なる材料が接触している。このため、ＥＢＡＣ像では、電極６０３と抵抗体６０２の境界をまたいだコントラストが、ゼーベック反応によって大きくなり、境界を境に白と黒の像が表示される。ただし、先に述べたように抵抗体６０２の抵抗値が小さくなるほどＥＢＡＣ像のコントラストは小さくなり、ゼーベック反応によるコントラストも小さくなる。このため、抵抗体６０２の抵抗値が数100Ωになってくると、ＥＢＡＣ像においてはゼーベック効果によるコントラストの存在が視認できる程度の情報しか得られない。これに対して、図１１は、それぞれの試料について、図６に示す位置６０５に電子線を照射して測定された電圧値を示している。横軸に抵抗体６０２の抵抗値、縦軸に電圧値（ただし、本電圧値は差動アンプで増幅後の値となっている）を示す。図１１に示すように、電圧値という数値に着目してグラフ化することにより、６つの試料は、２つのグループに分かれることが見出された。この２つのグループは、抵抗体６０２の大きさが違っており、グループ７０１は抵抗体幅が10μｍ、グループ７０２は抵抗体幅が1μｍとなっていた。このように、精密な数値データが得られることにより、微小デバイスの内部構造や現象に対する知見を深めることが可能になる。
【実施例１】
【００３２】
微小デバイス特性評価装置の第１実施例を図１２に示す。本実施例では、ＥＢＡＣ像に基づくＥＢＡＣ解析と電気特性マップ像に基づく電気特性マップ解析の連携解析が可能となる。具体的には、試料表面の広範囲の観察を高速で行えるＥＢＡＣ解析によりおおよその異常個所を確認し、検査箇所を絞り込んだ後に、測定処理に時間を有する電気特性マップ解析により、詳細を解析する。【００３３】
図１の微小デバイス特性評価装置と共通する構成については、同じ符号を用い、重複する説明については省略するものとする。以下の実施例においても同様である。本実施例では、差動アンプ７は切り替え器２０を通して、半導体パラメータアナライザ８と、ＥＢＡＣ制御装置２１とに接続されている。この切り替えにより、電気特性マップ観察とＥＢＡＣ観察とを切り替えることができる。ＥＢＡＣ制御装置２１は、差動アンプ７の出力を電子線の照射位置における吸収電流量を示す信号として出力し、情報処理装置９によりＥＢＡＣ像２２を画像化する。【００３４】
図１２の微小デバイス特性評価装置における測定回路は、先に説明したようにＥＢＡＣ像では検出の難しい低抵抗性の不良解析に適合するものとなっており、ＬＳＩデバイスの配線構造における欠陥検出、解析などに使用できる。はじめに、ＬＳＩデバイスの測定コンタクトが表面に出るまで、研磨する。このように研磨されたＬＳＩデバイスを測定試料５とし、表面に露出したコンタクトに対し、測定探針３を接触させ、まずＥＢＡＣ制御装置２１に差動アンプ７の出力を切り替え、ＥＢＡＣ像２２により所望の配線部を探索する。その後、半導体パラメータアナライザ８に差動アンプ７の出力を切り替え、電圧マップ観察に切り替え、電圧マップ像１５により詳細解析を行う。これにより、効率的にＬＳＩデバイスの配線構造における異常の検出、解析を行うことができる。
【実施例２】
【００３５】
微小デバイス特性評価装置の第２実施例を図１３に示す。本実施例は、微小デバイス特性評価装置のＧＵＩ（Graphical User Interface）に関し、電気特性マップ像を詳細解析するために、電気特性マップ像の一部をユーザインターフェースから指定し、指定された箇所の測定値をグラフ表示する。これにより、着目箇所の詳細を数値データとして即座に把握できるようになり、試料に起こっている電気的な現象を解析するのに役立つ。【００３６】
特に限定されないが、本実施例の解析データは２画面モニタ１０ａ，１０ｂに表示される。モニタ１０ｂに表示された電圧マップ像１５に、線状のマーク２５をＧＵＩ上で引くことができる。情報処理装置９は、電圧マップ像１５にマーク２５により指定された位置を特定し、その位置の測定値をモニタ１０ｂにグラフ２６として表示する。グラフ２６は、横軸にマーク２５により指定された位置、縦軸にその位置の測定値（この場合は電圧値）を表示するものである。
【実施例３】
【００３７】
微小デバイス特性評価装置の第３実施例を図１４に示す。本実施例も、微小デバイス特性評価装置のＧＵＩに関し、複数の試料に対して電気特性マップ観察を行い、この観察結果（電気特性マップ像）を並べて比較することを可能にする。さらに、電気特性マップ像の所定箇所をユーザインターフェースから指定し、この部分の測定値をグラフ化して表示する。【００３８】
特に限定されないが、本実施例の解析データも２画面モニタ１０ａ，１０ｂに表示される。画面モニタ１０ｂに表示された電圧マップ像１５ａ〜ｄに対して、それぞれユーザが比較したい位置を指定するための点状のマーク３０ａ〜ｄをＧＵＩ上で指定できる。各試料に対して、この指定位置の測定値をデータベース１１から抽出し、モニタ１０ａに、縦軸を指定位置の測定値（この場合は電圧値）とし、横軸を比較対象としている試料名のグラフ３１として表示する。
【実施例４】
【００３９】
微小デバイス特性評価装置の第４実施例を図１５に示す。本実施例では、測定探針３から電流信号を取得し、電流マップ像３５を作成する。測定探針３の出力は、測定ケーブル１３を通して半導体パラメータアナライザ８に接続されている。電圧マップ像による観察が、ＬＳＩデバイスの低抵抗性の配線構造における異常検出などを想定するのに対して、電流マップ像による観察はＬＳＩデバイスの半導体層のＰＮ接合における異常検出などを想定する。半導体パラメータアナライザ８など一般的な半導体デバイスのパラメトリックテスト用途の測定器の測定精度は本用途に対して十分な精度を有していることから、本実施例の測定回路では測定探針３からの出力をそのまま半導体パラメータアナライザ８に接続している。【００４０】
電流マップ像を作成するための計測方法は図２のフローチャートに従う（電圧信号を電流信号に読み替える）。電流測定の場合も高周波数のランダムノイズを除去する必要があり、また図４Ｂに示したように低周波数のノイズが存在し、この影響を除去する必要があるためである。【００４１】
図１５の微小デバイス特性評価装置により、半導体層の電流マップ像を観察することにより半導体層の電流の分布量が観察できる。これを半導体シミュレーションなどと比較することにより、ドーピング量などの半導体構造を推測することができる。
【実施例５】
【００４２】
微小デバイス特性評価装置の第５実施例を図１６に示す。本実施例は、電気特性マップ像としてパルス応答マップ像４１を作成する微小デバイス特性評価装置である。測定探針３の出力は、測定ケーブル１３を通してオシロスコープ４０に接続されている。オシロスコープ４０は、通信ケーブル１４を通して情報処理装置９に接続される。【００４３】
本実施例では、電子線の照射、非照射の際に、照射する入射電子線を、所定の間隔、パルス幅で入射する。オシロスコープ４０は、パルス電子線によりパルス状に生じるプローブ電流４２を計測し、パルスの立ち上がり時間４３を計測し、数値データとして情報処理装置９に送信する。情報処理装置９はオシロスコープ４０で計測されたパルス立ち上がり時間４３を、例えば２５６階調に区分して各画素の画素値を決定し、数値マッピング画像として、パルス応答マップ像４１を作成する。【００４４】
図１６に示すパルス応答マップ像４１では、ＬＳＩデバイスの配線構造について観察した像を模式的に示している。金属配線部分はパルスプローブ電流が急速に立ち上がるため黒で表示されるのに対して、絶縁層部分は基本的には白で表示される。ただし、金属配線同士が近接している領域４４は容量成分をもつことにより、その容量成分の大きさに応じたコントラストが表れる。【００４５】
このように、信号遅延やノイズの原因となる配線間容量を、パルス応答マップ像４１により観察することができる。パルス応答マップ像にあらわれたコントラストから異常を解析することもでき、正常なデバイスサンプルと不良デバイスサンプルとを比較することで異常を解析することもできる。【００４６】
なお、ここではパルス電流の立ち上がり時間を電気特性として計測する例を説明したが、これに限られず、パルス電子線の照射に応答するパルス応答特性を広く、電気特性として測定することが可能である。例えば、パルス電圧値の変化から高周波損失に関する解析を行うことが考えられる。この他にも、パルス幅、パルス電流値などの測定が考えられる。
【実施例６】
【００４７】
微小デバイス特性評価装置の第６実施例を図１７に示す。本実施例では、断面電圧マップ像を作成する。【００４８】
ここでは、測定試料を、酸素イオンを注入したベアシリコンウエハを斜め研磨した試料４５とする例を示す。試料台６の表面には、試料４５の裏面から電気特性を測定するための電極４６が設けられ、試料４５は電極４６上に載置される。電極４６に測定探針３が接触されることにより、試料４５の裏面の電位変化を半導体パラメータアナライザ８で、計測することができる。本実施例では、ベアシリコンウエハという高抵抗試料を計測対象とするため、測定探針３の出力は、測定ケーブル１３を通してそのまま半導体パラメータアナライザ８に接続されている。差動アンプは使用しないが、高周波数のランダムノイズ及び低周波数のノイズの影響を除去するため図２のフローチャートにしたがって計測を行う。ただし、真空チャンバ４の基準電位と半導体パラメータアナライザ８の基準電位とを共通化することで測定精度を高めている。【００４９】
斜め研磨した試料４５表面に電子線を照射する。最初の電子線の照射位置Ｐ１に、電子線が照射されることにより、測定探針３から電位Ｖ１が計測される。続いて電子線を走査し、照射位置Ｐ２に電子線が照射されることにより電位Ｖ２が計測される。ここで、電位Ｖ２から電位Ｖ１を差し引いた値は、深さ位置Ｐｄ２（照射位置Ｐ２の深さ方向の位置をいう、以下同様）と深さ位置Ｐｄ１の間の電位差Ｖｍａｐ１となり、電位差Ｖｍａｐ１を位置データ（Ｐｄ１，Ｐｄ２）とともにデータベース１１に保存する。次に、照射位置Ｐ３に電子線が照射されることにより電位Ｖ３が計測される。電位Ｖ３から電位Ｖ２を差し引いた値は、深さ位置Ｐｄ２と深さ位置Ｐｄ３の間の電位差Ｖｍａｐ２となり、電位差Ｖｍａｐ１を位置データ（Ｐｄ２，Ｐｄ３）とともにデータベース１１に保存する。同様の操作を斜め研磨された表面に沿って繰り返す。これらの、電子線のスキャン、電位測定、深さ位置の算出は自動的に行われる。例えば、深さ位置は、研磨開始位置と電子線照射位置との水平方向の距離及び研磨面の傾斜角に基づき、算出することができる。【００５０】
データベース１１に蓄えられた位置データ（Ｐｄ１，Ｐｄ２），（Ｐｄ２，Ｐｄ３）等は、シリコン断面の深さを示し、この位置に対応する電位差データＶｍａｐ１，Ｖｍａｐ２等を、濃淡表示として画像化することにより、断面電圧マップを作成できる。
【実施例７】
【００５１】
微小デバイス特性評価装置の第７実施例を図１８に示す。本実施例では、シミュレータを併用する。電気特性マップ像と当該電気特性についてシミュレーションで得られるシミュレーション像とを比較することにより、異なる部分を不良個所として推定することができる。図１８では電気特性マップ像として電圧マップ像を作成する例を示しており、微小デバイス特性評価装置の測定回路の構成は図１と同じである。なお、電気特性マップ像を作成する電気特性に応じて測定回路を構成することができる。また、電気特性の測定に用いる測定器の例として半導体パラメータアナライザ８の例を示しているが、測定する電気特性に応じて、オシロスコープ、インピーダンスアナライザ、ＬＣＲメータなどを用いることができる。【００５２】
シミュレーションは一般に高い演算負荷が生じるため、本実施例での情報処理装置９は、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）による並列処理計算を可能とする。ＧＰＵの並列処理機能を用いて、測定試料の構造から予想される電圧マッピングの２次元シミュレーションを実行するとともに、電圧マップ像作成のためのデータ収集及び画像処理を行う。この場合、ＧＰＵのプロセッサの一部を、電圧測定及び、電圧マップ像作成・表示用に確保する。一方で、理論上、どのような電圧マップ像が表示されるかを、測定と並行して把握するため、測定試料５の構造をシミュレーションモデルとし、本構造に電子線が入射されたときに発生する電圧を、試料表面の各位置に対して計算する。【００５３】
測定試料５の実測によって得られる電圧マップ像１５をモニタ１０ｂに、上述のシミュレーションにより予想されたシミュレーション像５０をモニタ１０ａに表示し、両者を比較することにより、異常の有無を推測することができる。なお、他の実施態様においても、すなわち、シミュレータの併用に関わらず、ＧＰＵによる並列処理計算処理可能な情報処理装置９を適用することは、電気特性マップの作成は演算負荷が大きいために有効である。
【実施例８】
【００５４】
微小デバイス特性評価装置の第８実施例を図１９に示す。本実施例では、自動的に測定探針３を試料表面の複数のコンタクトに接触させ、自動的に複数の配線構造の電気特性マッピング測定（例えば、電圧マッピング測定）を可能にする。微小デバイス特性評価装置の構成は、電圧マッピング測定を行う場合は、図１の構成と同じである。自動測定を行うため、情報処理装置９は、測定探針３を所望のコンタクト上に移動させ、接触させるよう、測定探針３の駆動装置を制御する。図１９を用いて第８実施例におけるプロービング位置設定動作を説明する。【００５５】
図１９において、試料５の表面に３つのコンタクト５５ａ〜ｃが形成されており、測定探針３ａが第１のコンタクト５５ａに、測定探針３ｂが第３のコンタクト５５ｃに接触されている状態を示している。自動測定として、測定探針をコンタクト５５ａ，５５ｃに接触させて電気特性マッピング測定を実施後に、測定探針３ａをコンタクト５５ｂに移動させ、測定探針をコンタクト５５ｂ，５５ｃに接触させた状態で電気特性マッピング測定を行う場合を想定する。情報処理装置９はＸ，Ｙ，Ｚ方向の３次元の仮想座標５６を設定し、仮想座標５６に従って測定探針３の移動を制御する。【００５６】
仮想座標５６のＸ方向及びＹ方向の仮想座標は、微小デバイス特性評価装置により取得するＳＥＭ像に基づき設定する（その詳細については第１１実施例として後述する）。図１９では説明の都合により、測定試料５に対して、情報処理装置９により設定されるＸ，Ｙ方向の仮想座標及びＺ方向の仮想座標を重ね合わせた状態を表示している。Ｘ，Ｙ方向の仮想座標は、ＳＥＭ像において適宜設定することができ、図１９の例では、第１のコンタクト５５ａの位置座標を（０，０）であり、移動先となる第２のコンタクト５５ｂの位置座標が（７，５）である。【００５７】
一方、測定探針３は、弾性を有する先端が所定の接触圧でコンタクト５５に接触することで適切な接触を得ることができる。このため、接触するコンタクトを移動させるには、先端がコンタクトから一旦、完全に離れた状態になるまでＺ方向に移動させ（引き上げ）、その後（Ｘ，Ｙ）方向に移動し、再度所定の接触圧で移動先のコンタクトに接触するようＺ方向に移動させる（引き下げる）必要がある。このため、コンタクトに適切に接触した状態から完全に離れた状態になるまでの駆動装置によるＺ方向の駆動量を把握しておく必要があり、これをＺ方向の仮想座標の目盛りにより特定する。【００５８】
具体的には、まず測定探針３をコンタクト５５ａ，５５ｃに接触させた状態で測定試料５に電子線を照射して電圧を測定する。次に、電子線を照射したまま、測定探針３ａをＺ方向に引き上げていく。Ｚ方向の目盛り５において、測定電圧が０になったとする。この場合、情報処理装置９は、５目盛り分、測定探針３を上下させるよう駆動装置を駆動させることにより、測定探針３のコンタクト５５への接触／非接触を制御できることになる。ここで、Ｚ方向の目盛りは、一例として、Ｚ方向への測定探針３の駆動時間を基準にして、任意の時間で等分割し、仮想的に、この時間間隔をＺ方向の目盛りとして対応付けることによって実現できる。例えば、Ｚ方向の１目盛りを、駆動装置による測定探針３の5秒間のＺ方向への駆動として設定することができる。【００５９】
測定者は、仮想座標を用いて、複数のコンタクトの位置を指定することにより、順次、情報処理装置９は指定された仮想座標（Ｘ，Ｙ）を目指して自動的に測定探針３を移動させ、測定試料５のコンタクトに接触させることにより、自動計測を行うことができる。これにより、情報処理装置９は、複数の場所で触診した電圧マップ像をモニタに表示することができ、高い測定スループットを得ることができる。【００６０】
なお、本実施例の仮想座標は、プロービング位置の設定だけでなく、その他、電子線の照射位置の設定にも使用できることができる。
【実施例９】
【００６１】
微小デバイス特性評価装置の第９実施例を図２０に示す。本実施例は、実施例５として説明した微小デバイス特性評価装置において、パルス電子線を入射して得られる動的ＥＢＡＣ像との連携解析を可能とする。本実施例の微小デバイス特性評価装置は、動的ＥＢＡＣ像６２を取得するため、ＥＢＡＣ制御装置２１を有している。測定探針３の出力は切り替え器６０により、ＥＢＡＣ制御装置２１またはオシロスコープ４０に入力される。また、切り替え器６０とＥＢＡＣ制御装置２１との間には、測定探針３の出力を増幅するための電圧アンプ６１が設けられている。【００６２】
測定試料５に対してパルス電子線を照射し、ＥＢＡＣ制御装置２１はパルス電子線と同期して吸収電流量を測定し、情報処理装置９が測定された吸収電流量に基づきＥＢＡＣ像を作成することにより、通常のＥＢＡＣ像とは異なる、測定試料における容量成分が反映された動的ＥＢＡＣ像を得ることができる。ＥＢＡＣ観察は試料表面の広範囲の観察を高速で行えるため、動的ＥＢＡＣ観察でおおよその異常個所を確認し、測定処理に時間を有する電気特性マッピング測定については、測定領域を絞り込んでパルス応答マップ像４１を作成、解析することにより、効率的に異常検出、解析を行うことが可能になる。
【実施例１０】
【００６３】
微小デバイス特性評価装置の第１０実施例を図２１に示す。本実施例では、電気特性マップ像を取得するための探針とは別の探針から測定試料５に対して電圧信号を印加し、このときに得られるボルテージコントラスト像６６と電気特性マップ（電圧マップ）像とを比較可能とするものである。ここで、ボルテージコントラスト像を得るため、探針に印加する信号は、静的な直流信号のみならず、動的な高周波信号など、信号の形態については限定しない。【００６４】
測定探針３は、それぞれ電圧信号印加ケーブル６５及び測定ケーブル１３を通して、半導体パラメータアナライザ８に接続されている。なお、電圧信号印加ケーブル６５は機能として測定ケーブル１３と区別しているに過ぎず、アナログ信号を伝達するケーブルであり、測定ケーブル１３と同じケーブルを使用して構わない。【００６５】
測定探針３ａを通じて、半導体パラメータアナライザ８から所定の電圧信号が測定試料５に対して印加される。情報処理装置９は、検出器２からの検出信号に基づきボルテージコントラスト像６６を作成する。一方で、測定探針３ｂからの出力電圧を半導体パラメータアナライザ８により計測し、電圧マップ像を作成する。電圧マップ像を作成するための測定方法は図２のフローにしたがうが、図２１の例ではオープン障害のような欠陥検出、解析を目的とし、得られる信号が比較的大きいため、図１の微小デバイス特性評価装置におけるような差動アンプによる増幅は行なわず、半導体パラメータアナライザ８が測定探針３ｂからの出力電圧をそのまま測定している。
【実施例１１】
【００６６】
微小デバイス特性評価装置の第１１実施例を図２２〜２３を用いて説明する。本実施例では、電気特性マッピング測定における仮想座標の設定方法を説明する。第１実施例、第９実施例、第１０実施例において他の評価手法との連携解析する例を説明した。このような連携解析においては、他の評価手法により得られる像と電気特性マップ像とを比較したい場合があり、このときに位置関係の整合がとれなければ、複数の評価手法によって得られた結果を比較、照合することが難しくなる。あるいは、他の評価手法により得られる像から測定領域を特定して電気特性マップ像を作成するにも位置関係の整合をとる必要がある。さらには、第２実施例（図１３参照）では電気特性マップ像において領域を指定して測定値をグラフ化しているが、ＳＥＭ像や他の評価手法により得られる像、例えばＥＢＡＣ像から領域を指定して電気特性を測定し、測定値をグラフ化するようなＧＵＩも考えられる。このため、第１１実施例では、情報処理装置９が検出器２からの検出信号に基づき作成するＳＥＭ像を基準として、各種電気特性マップ像、ＥＢＡＣ像、ボルテージコントラスト像との位置関係を整合させる。ＳＥＭ像を基準とするのは、ＳＥＭ像には試料の構造が詳細に表れており、仮想座標を設定するための基準位置の設定が容易であるためである。微小デバイス特性評価装置の構成は図１の構成と同様であるが、測定する電気特性、及び適用する評価手法に応じて測定回路が構成される。【００６７】
図２２は、微小デバイス特性評価装置が取得したＳＥＭ像７０の例である。ＳＥＭ像の視野は、評価対象とする領域に応じて設定する。この例では試料表面に２本の配線７１，７２が観察できる。そこで、配線７１，７２の角のうち、３カ所を第１のマーカ７３、第２のマーカ７４、第３のマーカ７５とそれぞれ合わせ、これらを基準位置として情報処理装置９に登録する。なお、マーカは後述するように仮想２次元座標の基準となるものであるから、最低３つ必要であり、マーカの位置はＳＥＭ像７０において互いにできるだけ離れた位置に設定することが望ましい。また、この例では配線の角を目印としてマーカを設定したが、目印とする試料の構造は配線には限定されない。試料の構造に限らず、異物のようなものであってもよい。また、マーカ７３〜７５の形状も図示のものに限定されない。【００６８】
次に、仮想座標（Ｘ，Ｙ）を設定する。例えば、図２３に示すように、第１のマーカ７３を原点（０，０）として、仮想２次元座標７６を情報処理装置９により設定する。このＳＥＭ像に基づき設定した仮想座標に基づき、ＥＢＡＣ像、電気特性マップ像と位置関係を対応づける。【００６９】
撮像条件を変更しない、具体的には視野や倍率を変更しない場合には、電子線が操作される範囲がＳＥＭ像を作成した場合と同じであるため、ＳＥＭ像で作成した仮想２次元座標７６による試料表面の位置関係は、ＥＢＡＣ像や電気特性マップ像ともに同じものとして共有することができる。一方、視野や倍率を変更する場合は、ＳＥＭ像を取得したときとＥＢＡＣ像あるいは電気特性マップ像を取得したときの撮像条件（電子線の偏向制御量、倍率の変更量等）に基づき、仮想座標を座標変換することにより、ＥＢＡＣ像、電気特性マップ像それぞれについて仮想座標により指定した位置に対応するＥＢＡＣ像、電気特性マップ像の位置を特定することができる。これによって、例えば、ＥＢＡＣ像において指定された位置に対応する電気特性マップ像上の測定データを得たいときには、ＥＢＡＣ像において指定された位置を仮想座標上の位置に変換し、仮想座標により電気特性マップ像における位置を特定することで、その測定値を得ることができる。【００７０】
以上、本発明を複数の実施例を用いて説明した。本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１：電子光学系、 ２：検出器、３：測定探針、４：真空チャンバ、５：測定試料、６：試料台、７：差動アンプ、８：半導体パラメータアナライザ、９：情報処理装置、１０：モニタ、１１：データベース、１２：制御装置、１３：測定ケーブル、１４：通信ケーブル、１５：電圧マップ像、２１：ＥＢＡＣ制御装置、２２：ＥＢＡＣ像、４０：オシロスコープ、４１：パルス応答マップ像、５０：シミュレーション像、５５：コンタクト、５６：仮想座標、６２：動的ＥＢＡＣ像、６５：電圧信号印加ケーブル、６６：ボルテージコントラスト像、７０：ＳＥＭ像、７１，７２：配線、７３，７４，７５：マーカ、７６：仮想２次元座標。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年12月22日(2020.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
ナノプロービング装置を用いたデバイス故障解析手法として、このような電気特性の測定の他に、特許文献１等に示されるＥＢＡＣ（電子ビーム吸収電流：Electron Beam Absorbed Current）観察と呼ばれる故障解析手法が知られている。通常のＳＥＭ観察では、試料に電子線（１次電子）を入射することにより発生する２次電子を検知して試料表面の構造観察を行うが、このとき入射した１次電子の一部は２次電子の発生に寄与することなく、エネルギーを失って、試料中に流れる微弱な電流（吸収電流）となる。ＥＢＡＣ観察では、電子線の照射位置と測定探針との間に局所的に流れる吸収電流を検出し、得られた信号量の変化をコントラストとして電子線の走査に対応付けることにより、画像（ＥＢＡＣ像）として表示する。ＥＢＡＣ像では、測定試料の内部情報、例えば、試料の深さ方向に形成された配線の形状を含めて可視化することができる。配線に断線箇所があると、測定探針の接触箇所からみて、電子線照射位置が断線箇所の手前の配線上にあるか、断線箇所の先の配線上にあるかによって、吸収電流の検出量が異なり、ＥＢＡＣ像では異なるコントラストで表現される。これにより、欠陥部分を破壊することなく、簡便にデバイスの故障箇所を把握することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
図１に本発明の実施の形態にかかる微小デバイス特性評価装置の概略図を示す。走査型電子顕微鏡は、その主要な構成として電子光学系１、検出器２、真空チャンバ４を有し、通信ケーブル１４で接続される制御装置１２により制御される。真空チャンバ４中の試料台６に測定試料５が載置され、測定試料５には測定探針３が接触されている。なお、測定探針３は、測定試料５の試料表面を移動させるための駆動装置（図示せず）に接続されており、この駆動装置の動作により、測定試料５に接触される。測定探針３の出力は、測定ケーブル１３を通して差動アンプ７に接続され、差動アンプ７の出力信号が、半導体パラメータアナライザ８に入力されている。半導体パラメータアナライザ８は、電流−電圧測定、キャパシタンス測定など半導体デバイスのパラメトリックテストのための測定器である。測定対象、測定内容に応じた測定器を用いても構わない。半導体パラメータアナライザ８は、通信ケーブル１４を通して情報処理装置９に接続される。なお、ここではアナログ信号を伝達するケーブルを測定ケーブル１３（実線）と称し、デジタル信号を伝達するケーブルを通信ケーブル１４（破線）と称している。伝達特性や通信プロトコルなどは接続される装置間ごとに異なっていて構わない。情報処理装置９は電子顕微鏡を制御し、検出器２から検出された信号からＳＥＭ像、あるいは測定探針３から検出された信号からＥＢＡＣ像、本実施例の電気特性マップ像を作成、表示するための装置であり、例えば、パーソナルコンピュータなどが適用できる。検出器２は電子光学系１からの電子線と測定試料５との相互作用により放出される信号電子を検出するものである。検出する信号電子のエネルギー等の相違に応じた複数の検出器を備えていてもよい。差動アンプ７は、情報処理装置９よりその増幅率が制御される。これにより、差動アンプ７の出力信号が過大となっている場合には、増幅率を小さくすることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
特に限定されないが、本実施例の解析データは２画面モニタ１０ａ，１０ｂに表示される。モニタ１０ｂに表示された電圧マップ像１５に、線状のマーク２５をＧＵＩ上で引くことができる。情報処理装置９は、電圧マップ像１５にマーク２５により指定された位置を特定し、その位置の測定値をモニタ１０ａにグラフ２６として表示する。グラフ２６は、横軸にマーク２５により指定された位置、縦軸にその位置の測定値（この場合は電圧値）を表示するものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
図１６に示すパルス応答マップ像４１では、ＬＳＩデバイスの配線構造について観察した像を模式的に示している。金属配線部分はパルスプローブ電流が急速に立ち上がるため黒で表示されるのに対して、絶縁体層部分は基本的には白で表示される。ただし、金属配線同士が近接している領域４４は容量成分をもつことにより、その容量成分の大きさに応じたコントラストが表れる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
斜め研磨した試料４５表面に電子線を照射する。最初の電子線の照射位置Ｐ１に、電子線が照射されることにより、測定探針３から電位Ｖ１が計測される。続いて電子線を走査し、照射位置Ｐ２に電子線が照射されることにより電位Ｖ２が計測される。ここで、電位Ｖ２から電位Ｖ１を差し引いた値は、深さ位置Ｐｄ２（照射位置Ｐ２の深さ方向の位置をいう、以下同様）と深さ位置Ｐｄ１の間の電位差Ｖｍａｐ１となり、電位差Ｖｍａｐ１を位置データ（Ｐｄ１，Ｐｄ２）とともにデータベース１１に保存する。次に、照射位置Ｐ３に電子線が照射されることにより電位Ｖ３が計測される。電位Ｖ３から電位Ｖ２を差し引いた値は、深さ位置Ｐｄ２と深さ位置Ｐｄ３の間の電位差Ｖｍａｐ２となり、電位差Ｖｍａｐ２を位置データ（Ｐｄ２，Ｐｄ３）とともにデータベース１１に保存する。同様の操作を斜め研磨された表面に沿って繰り返す。これらの、電子線のスキャン、電位測定、深さ位置の算出は自動的に行われる。例えば、深さ位置は、研磨開始位置と電子線照射位置との水平方向の距離及び研磨面の傾斜角に基づき、算出することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
測定試料５の実測によって得られる電圧マップ像１５をモニタ１０ｂに、上述のシミュレーションにより予想されたシミュレーション像５０をモニタ１０ａに表示し、両者を比較することにより、異常の有無を推測することができる。なお、他の実施態様においても、すなわち、シミュレータの併用に関わらず、ＧＰＵによる並列処理計算処理可能な情報処理装置９を適用することは、電気特性マップ像の作成は演算負荷が大きいために有効である。
【国際調査報告】
2020003458.tif 000028
2020003458.tif 000029
2020003458.tif 000030
2020003458.tif 000031
2020003458.tif 000032