(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が絶縁材料で形成されていて、前記絶縁材料内部に複数の配線を有する試料の基板及び前記複数の配線の各端子をアースした状態で、前記試料表面に荷電粒子のビームを照射することにより所定量の電荷を注入して該試料表面に各照射部位とアース間のキャパシタンスの差に基づく電位差分布を発生させ、該電位差分布を検出して下層配線構造を推定する方法。
【請求項２】
前記試料表面上に照射する荷電粒子のビームを飛び越し方式で走査して近傍観察領域間の干渉を防止することを特徴とする請求項１に記載の下層配線構造を推定する方法。
【請求項３】
配線の深さが既知である第二の試料を用い、その表面電位差分布像を得た上で前記既知の配線の深さ情報とつきあわせ、表面電位に対応した深さ情報を基準値として得ておくことにより、前記試料の配線の深さを割り出すことを特徴とする請求項１または２に記載の下層配線構造を推定する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査イオン顕微鏡や走査型電子顕微鏡を用いて試料の下層構造を推定する方法に関し、特に半導体素子の下層構造を推定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集束イオンビームを用いた走査イオン顕微鏡や走査型電子顕微鏡は基本的に試料表面の顕微鏡像しか得られない。したがって平坦化が進んだ半導体デバイスの内部の配線位置や断線個所などをこれらによって観察することは出来ない。従来は特開昭６１−２４１３６号公報に提案されているような、下層構造情報を持った光学顕微鏡画像やＣＡＤの設計図面等の異種画像を走査イオン顕微鏡や走査型電子顕微鏡の像と重ね合わせることで、内部構造を表示させる技術手段があった。しかしこの方法は異種画像を走査顕微鏡像の倍率と一致させるように適宜変倍し、目印を参考にするなりして位置合わせをして合成画像を得る必要があり、厄介な手間を要するものであった。そしてこの方法は事前に下層構造情報を持った光学顕微鏡画像やＣＡＤの設計図面等の画像を準備しなくてはならず、その画像は観察位置の移動に対処するため継ぎ目のない画像を準備する必要があった。たとえば、その画像が光学顕微鏡像であったとして、それを走査顕微鏡像の倍率と一致させるように適宜変倍して重ね合わせる際に画像の端に当たってしまった場合には、隣接領域画像と合成し継ぎ目を画像処理する必要があった。また、その画像がＣＡＤデータであった場合も、そのＣＡＤデータの形式が走査顕微鏡像の表示データ形式が同一であるとは限らず、形式が異なる場合にはデータを変換処理して一致させる必要があった。このように従来の方法は厄介な手間を要するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するものであって、表面画像を得る外観検査からでは発見することができない半導体素子の内部配線状態などの内部構造の推定を、異種画像の準備等に厄介な手間をかけずに簡便に実施できる方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、表面が絶縁材料で形成された試料の基板や配線端子をアースした状態で、前記試料表面に荷電粒子のビームを照射することにより所定量の電荷を注入して該試料表面に各照射部位とアース間のキャパシタンスの差に基づく電位差分布を発生させ、該電位差分布を検出して表面下の配線等導電材の存在の有無と位置といった下層構造を推定するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
試料表面に荷電粒子のビームを照射すると、荷電粒子の電荷が試料に注入されるとともに二次荷電粒子を放出しその差引電荷が帯電する。一般にこの現象をチャージアップと称し、試料表面のチャージアップの状況によってビーム照射に起因する二次荷電粒子の放出量が変化する。例えば、今荷電粒子のビームが正電荷をもつ集束イオンビームであったとし、該イオンビームを試料面に照射することによって該試料面が正電荷でチャージアップされたとする。するとそのことによって試料表面の電位が上がりそこから放出される負電荷の二次電子を拘束するように作用し、正電荷の二次イオンの場合には反対に反発して放出しやすくなるように作用する。そのため、二次電子や二次イオンを検出して表面画像を得る走査顕微鏡の分野ではこのチャージアップ現象というのは、二次荷電粒子の放出量が試料表面の材質とは無関係の表面の物理状況による影響を受けてしまい、ノイズとなるため好ましからざるものとされている。
【０００６】
本発明は、このチャージアップ現象を逆に利用して半導体デバイスのような試料の内部構造の推定を行おうというものである。すなわち、試料表面に荷電粒子のビームが照射されると、その荷電粒子が試料内に注入されその電荷が与えられるが、その表面のチャージアップは必ずしも一様ではなく、例えば試料表面下に導電材が存在している部分と何も存在しない均質材料部分とではチャージアップの程度に差が生じることは知られていた。そこで、本発明では図１に示すように試料7の基板ｂならびに導線p1，p2の各端子をアースした状態で電荷ビームを照射し、積極的にチャージアップを生じさせるようにする。チャージアップされる電荷量Ｑはビーム電流の積算値となるので、Ｑ＝∫ｉｄｔとなる。すると表面近傍に導電材（導線p1）のある部分と深い位置に導電材（導線p2）がある部分と下層に導電材が存在しないところでは表面電位に差が生じ、その電位差像から下層構造の推定ができるとの知見を得た。これは導電部分と表面間で一種のコンデンサを構成する形となり表面に近いところに導電材が存在する部分は容量が大きな性質を示すためと解させる。電荷量ＱはキャパシタンスＣと電圧Ｖとの関係で  Ｑ＝ＣＶ  となり、基板と端子が接地されていればキャパシタンスＣに依存して表面電位が変わることになる。すなわち、接地された導電体が表面に近いところに存在していればその部分のキャパシタンスは大きな値となり、表面電位は低くなる。従って、一定の集束イオンビームを照射した表面部分の電位の低いところは浅い部分に導電体が存在していると推定することができるので、試料の観察領域の各部位についての表面電位情報を集約して得た表面電位分布像を観察することで、試料内部の配線パターンや断線等を把握することができる。ちなみに配線パターンは１００ｎｍオーダーであり、ビーム径は数ｎｍであるので十分な画像分解能を得ることができる。図1中Ａは試料を上面から見た透視図であり、Ｂは断面図そしてＣは正電荷のイオンビームを照射し二次電子を検出した場合の観察顕微鏡像を示している。
【０００７】
なお。荷電粒子の入射角度や試料表面の材質が異なると二次荷電粒子の放出条件が変わってしまうため、本発明の推定方法はその影響がない表面が材質的に均一でかつ平坦な試料に対する観察に適している。
【０００８】
この電位コントラスト像は表面の絶縁材料部への電荷ビームの照射に基づいて得るものであって、絶縁部分のチャージはその材質や表面状態により拡散する時間に違いがあるが、隣接する照射点間で干渉を生じることがあるため、ビーム走査は照射点を飛び越し形態で行うことが望ましい。拡散速度の速いものの場合にはある点の照射を一定時間実施してその点の電位を検出したら、主走査方向に所定距離離れた点への照射を実施するというようにステップ状に走査するようにして干渉を避ける。そのようにすることで後の走査で実行する隣接点の照射はその点のチャージが十分に拡散した後に行われるようにする。テレビのインターレース走査は走査線を副走査方向に飛ばすがこの場合は主走査方向に飛ばすようにするのである。これに対し拡散速度が遅いものの場合には主走査方向の隣接点に照射が移ったときにはまだ拡散は進んでおらず干渉は少ないが副走査方向の隣接点については影響を及ぼすことがある。そのような場合には副走査方向に飛ばすテレビ走査のインターレース方式が適することになる。要するに隣接点のビーム照射はその点のビーム照射による注入電荷が拡散する前か拡散しきった後で実行されるように設定することが肝要となる。この要件を満たすならば理屈上はランダムな走査であってもよいのであるが、観察領域を満遍なく走査するには規則性を持った走査の方が設計上簡便であり、例えば特開平6-38329号公報に紹介されているような主走査方向にも副走査方向にも所定間隔（ドット幅）を空けて行うビーム走査が広い拡散速度に対応できる走査方式として採用できる。
【０００９】
上記の方法により得られた電位差コントラスト像から導電材の有無や深さに応じた差を観察することはできるが、その差はいわば相対量として把握することが出来るだけで、絶対量として深さを捉えることは出来ない。そこで、既に試料の下層構造すなわち導電材の深さが既知であるサンプルを用い、そのコントラスト像を得た上で既知の深さ情報をつきあわせ、コントラストに対応した深さ情報を基準値として得ておくことにより、未知の試料のコントラスト像についても、内部導電体の深さを割り出すことができ、観察精度を高めることができる。
【００１０】
（実施例１）
図２は本発明の第１実施例の全体構成を示す図である。観察用兼電荷注入用集束イオンビーム２の照射鏡筒はイオン銃１，集束イオンビームの加速、集束の他にブランキング手段とを含むイオン光学系３、偏向走査手段４とからなっている。試料５が載置される試料ステージ６の面に対し、観察用兼電荷注入用集束イオンビーム２が照射されるように鏡筒が配置される。８は二次荷電粒子検出器として二次電子検出器を採用し、７は二次電子のエネルギーフィルターである。20は検出した二次電子の情報を信号処理する信号処理部であり、22は観察画像等を表示するディスプレイそして21はシステムを制御するコントローラである。
【００１１】
試料ステージ６に図２に示したような半導体素子５を載置し、該半導体素子の表面の１点に低加速大電流の電荷注入用電子ビーム２を照射鏡筒より照射する。該試料の基板並びに配線端子がアースされた状態で行われる照射は半導体表面に帯電を起こさせその状態での二次電子顕微鏡像を得るためであり、イオン源としてＧａイオンを使用すると、電気的には正の電荷が注入されることになる。本発明は電荷量Ｑ、容量Ｃと電圧Ｖとの関係で  Ｑ＝ＣＶ  となる関係を基に電位を測定するものであるから、表面が平坦で均一である試料を対象とし、表面に注入される電荷Ｑは一定となるように加速電圧、照射時間、照射角度が等しくなるように制御する必要がある。試料表面に均一に電荷Ｑが注入されたとすると、集束イオンビームが照射された試料表面は該照射部分とアースされた導電体間の容量値に応じた電位を示すことになる。
【００１２】
電荷注入用集束イオンビーム２は最初のｔ１時間照射点を照射し所定量の電荷が注入されたところで、ビーム照射位置の表面電位を測定するのであるがこの実施例ではグリッド状のエネルギーフィルタ7を前置した二次電子検出器８により表面電位が測定される。該エネルギーフィルタ7にはアースに対し所定の電圧がかけられることにより、二次荷電粒子に対し同極性であれば反発して排除するように、異極性であれば引き合って引き込むように作用する。この場合にはこのフィルター７を介して二次電子検出器８に取り込まれる二次電子の量が一定値となるようにコントローラ21によって該フィルター7への印加電圧を負帰還制御する。その際のフィルタ印加電圧は照射面の電位に感度よく依存するものとなる。照射点における電位の測定が終了したら、インターレース方式等で次の照射点にビームを偏向走査して同様の測定を実行する。観測領域についてすべての位置の検出値が得られたならば、これをコントローラ21によって各画素を総合して顕微鏡像を合成しディスプレイ22に表示する。この場合の顕微鏡像は図１Ｃに示したように、導電体が存在しない部分は暗く、浅い部分に導電体が存在する部分は明るく、深い部分に導電体が存在する部分は中間の明るさとなる表面電位のコントラスト像である。
【００１３】
なお、この実施例では二次荷電粒子検出器８として二次電子検出器を用いたが、二次イオン検出器を用いて表面電位を観察することもできる。正電荷イオンの場合は、電位コントラストの像の明暗の関係が逆の形で得られることになる。また、飛び越し走査で所定量の電荷の注入を照射点毎に行い電位測定を実行したが、通常のラスター状の走査による走査顕微鏡像によっても試料表面の電位コントラスト像はそれなりに得ることが出来るので、簡便な方法としては有効である。また、本実施例で採用した二次荷電粒子検出器に取り込まれる二次荷電粒子の量が一定値となるようにフィルターへの印加電圧を負帰還制御することで得られるフィルタ印加電圧から照射面の電位を検出する方法はこの下層構造の推定にかぎらず、電位コントラスト像を得る手段等に広く応用できるものである。
【００１４】
（実施例２）
次に観察用兼電荷注入用ビームとして電子ビーム12を使用する電子顕微鏡を用いた実施例を図３に示す。装置としては通常の電子顕微鏡と差異はない。11は電子銃，電子ビームの加速、集束の他にブランキング手段とを含む電子光学系14と偏向走査手段14とからなっている。試料５が載置される試料ステージ６の面に対し、観察用兼電荷注入用電子ビーム12が照射されるように鏡筒が配置される。８は二次電子検出器であり、7は二次電子のエネルギーフィルターである。20は検出した二次電子の情報を信号処理する信号処理部であり、22は観察画像等を表示するディスプレイそして21はシステムを制御するコントローラである。
【００１５】
試料に電子ビームを照射すると電荷が注入されチャージアップ現象を起こす。絶縁体で被覆状態の試料の基板と配線端子をアースした状態で該試料表面に一様な電荷が注入されると、表面電位が下層の導電体の有無、位置に応じて電位差分布を生じることは先の実施例と同様である。電荷注入用電子ビーム12を所定時間照射し所定量の電荷が注入されたところで、ビーム照射位置の表面電位を測定するが、グリッド状のエネルギーフィルタ９を前置した二次電子検出器８を用いて表面電位を測定するのはこの実施例でも同様である。照射点における電位の測定が終了したら、インターレース方式等で次の照射点にビームを偏向走査して同様の測定を実行し、観測領域についてすべての位置の検出値が得られたならば、これをコントローラ21によって各画素を総合して顕微鏡像を合成しディスプレイ22に表示するのも同様である。
【００１６】
【発明の効果】
本発明は、表面画像を得た外観検査からでは発見することができない半導体素子の内部構造を電位コントラスト像で推定する方法に関するものであり、従来試料の表面しか観察できない走査顕微鏡像に、光学顕微鏡像やＣＡＤによる設計図などの異質の画像について倍率・位置合わせや情報の整合といった厄介な事前作業を行った上で合成し観察していたものを、特別の走査顕微鏡を要することなく、準備に厄介な手間をかけることもなくその試料の内部構造の検査を容易に実施できる方法を提供することができた。
【００１７】
また、試料の観察領域に対し飛び越し走査で照射点間の干渉を避けながら、各照射点に対し均一に所定量の電荷を注入した状態での電位分布を得るようにすれば、より精度の高い顕微鏡像を得ることが出来る。
更に、内部構造が既知であるサンプルについてのコントラスト値を基準としてもつことにより、相対的な位置判定ではなく絶対的な位置測定も精度よく行うことが出来る。
【００１８】
エネルキフィルター付きの荷電粒子検出器の負帰還制御測定方法を用いることで下層構造の推定に限らず広く試料の表面電位分布を求める技術への応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の動作原理を概念的に示す図であり、Ａは上面から見た透視図、Ｂは断面図、そしてＣは観察顕微鏡像である。
【図２】本発明の実施に際し使用する走査型イオンビーム顕微鏡。
【図３】本発明の実施に際し使用する走査型電子顕微鏡。
【符号の説明】
１  イオン銃
２  イオンビーム
３  イオン光学系
４  偏向走査手段
５  試料
６  試料ステージ
７  エネルギーフィルター
８  二次荷電粒子検出器
１１  電子銃
１２  電子ビーム
１３  電子光学系
１４  偏向走査手段
２０  信号処理部
２１  コントローラー
２２  ディスプレイ
ｂ  半導体基板
ｐ１，ｐ２  配線パターン
【図１】
0003784041.tif 000002
【図２】
0003784041.tif 000003
【図３】
0003784041.tif 000004