JP2004020404A - Method for measuring and observing semiconductor device and apparatus therefor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を用いて半導体デバイスの解析を行う技術に関して、これを高解像度で行うための技術およびその装置に関する。解析技術としては、半導体デバイスに信号を加えた状態で、発光の分布を観測する技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する光誘起電流の分布を観測する技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する配線抵抗の変化の分布を観測する技術、半導体デバイスのトランジスタ部等に、スポット光を集光し反射光の変化を観察することによってトランジスタの動作状態の変化を非接触で観察する技術が含まれる。
【0002】
【従来の技術】
半導体ウェハなどに形成された微細回路を解析するためのシステムとして、光を用いてデバイスの表面より内側の形状や、物理的な性質、動作状態等を観察する技術が多用されている。たとえば、半導体デバイスに信号を加えた状態で、発光の分布を観測する技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する光誘起電流の分布を観測するOBIC(Optical Beam Induced Current)技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する配線抵抗の変化の分布を観測するOBIRCH(Optical Beam Induced Resistance Change)技術、半導体デバイスのトランジスタ部等に、スポット光を集光し反射光の変化を観察することによってトランジスタの動作状態の変化を非接触で観察する技術が含まれる。
【0003】
例えば、特開平10−326817号公報には、半導体デバイスの裏面を研磨した試料を用いて、裏面から赤外光でデバイスを観察することによって、解析したいパターンを探し、ここをイオンビームなどで削って所望の回路を露出させる方法が示されている。本公知例のなかには試料に動作信号を加えた状態で、裏面から赤外光のビームを回路素子に集光して反射光の強度を計測することで、回路素子の電圧状態をモニターし、これによって非接触で回路の動作を観察するレーザ裏面電位観測技術も公知例として記述されている。
【0004】
また、OBIRCH技術については、たとえば、LSIテスティングシンポジウム2000会議録、pp191−196に記載されている。
【0005】
また、LSIテスティングシンポジウム2000会議録、pp203−208にはOBIC電流による微弱な磁界の変化を高感度の磁界検出SQUID素子を用いて検出する走査レーザSQUID顕微鏡が報告されている。
【0006】
半導体の回路パターンが近年縮小を重ね0.2マイクロメータ以下の線幅が使われるようになり、深紫外光を用いた露光装置で形成されるようになってくると、上記説明した技術では解像度が足りなくなってくる。これは、光の解像度は略λ/2NAによって限界が決まるため、波長の短い0.2マイクロメータ前後の紫外光を用いて形成した微細パターンは同じく波長の短い光で観察しないと十分な解像度が得られないためである。ここで、λは光の波長、NAはレンズの開口数であり、NA=n・sinθであらわされる。nはレンズと試料の間の空気の屈折率で、略1である。θは開口角で、レンズによって決まる集光角である。高倍率の顕微鏡対物レンズでは、NA=0.9前後、半導体パターンを露光するための露光レンズでは、NA=0.7前後である。
【0007】
ところが、前述した半導体のデバイスの内部を観察する技術では、従来、表面の絶縁膜の素材である酸化シリコンが透明であることを利用して、半導体デバイスの表側の面から観察することが広く行われていた。しかし近年半導体の高集積化に伴なって配線の総数が増し、電気特性の向上のために電源・グランドパターンを密に配置し、また、CMP(ケミカル・メカニカル・ポリッシング)のために、ダミーの配線パターンを配置したりするようになっている。このため、表面から内部を光で観察する場合に不透明な金属の配線パターンにさえぎられて、内部が見えにくくなってきている。このため、上層配線に邪魔されずにトランジ スタや下層配線を観察できる半導体デバイスの裏面からの観察が重要になってきている。
【0008】
半導体デバイスの裏側を構成するシリコン基板を透過する光として波長が0.7マイクロメータより大きい赤外光、たとえば1.3マイクロメータの光を用いる必要がある。一般にシリコンは波長0.9マイクロメートルから1.9マイクロメートルの波長範囲の光に対して透明である。また、光誘起の配線抵抗の変化を検出する技術においては、光子のエネルギーの大きい可視光を用いると配線抵抗の変化だけでなく、半導体素子のPN接合部で生じる光誘起電流効果も生じてしまうので赤外光を用いる必要がある。このため、λ/2NAで定まる解像度は、たとえばNA=0.65、λ=1.3マイクロメータのレンズと光を用いると、1マイクロメータとなってしまいパターンサイズに対して十分な解像度が得られない。このため、発光の分布観測、OBIC、OBIRCH技術において、問題の箇所が微細パターン上にある場合に回路上で絞り込むことが困難である、光プローブによるトランジスタ動作状態モニターを行う場合に、必要なトランジスタ以外の箇所にも光があたってしまって、所望の部分の動作状態をモニターすることができないといった問題があった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記説明したように、従来技術では半導体の内部を光を用いて観察・計測する場合に、光の波長によって定まる解像限界に阻まれ、必要な解像度が得られないという問題があった。これを解決するために、使用光の波長を短くする方法が半導体パターンの露光技術の類推から考えられるが、半導体に多用されるシリコンは赤外光は透過するが、波長が短くなると急激に透過率が悪くなる、デバイスを動作させたときの発光強度が赤外光ほど強いので、短波長ででは感度が悪くなる、デバイスに光を照射したときの物理現象の起こり方が変わってしまい所望のものではなくなる、等の問題があった。
【0010】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、光の波長を短くすることなく光の波長と対物レンズの仕様で定まる解像度よりも微細なパターンを光学的に計測・観察できる高解像度解析方法および装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
図1は、従来法における半導体デバイスの光学的計測・観察の問題点を示す図である。このように対物レンズ100によって半導体デバイス900の内部、たとえば、トランジスタのソースあるいはドレイン部901を観察する場合、検出光200を対物レンズ200によって絞り込もうとしても、試料900の表面で屈折率が空気の1から材料によって定まる高屈折率の領域に入るために屈折する。図の場合はシリコン基板905で、屈折率は約3.4と高いので、臨界角はarcsin(1/3.4)=17度となり、対物レンズで絞り込んでも、シリコン基板905に入射する時点で並行光に近くなって絞り込めなくなる。また、逆に試料内部からの光を結像する場合も同様に、図示した角度よりも外側に広がった光は対物レンズ100に取り込むことができず、解像度を上げることができなくなる。
【0012】
これに対して、光を試料内部に広角度で導くことができれば、解像度を向上することができる。即ち、光の波長をλ、対物レンズの開口数をNA(Numerical Aperture)で表すと、λ/(2・NA)で表される解像度に対して、見かけ上のNAを大きくすることにより、解像度を向上させることができる。図2に示すようにレンズ101を試料900に密着させて、対物レンズ100との間におく。レンズ101をたとえば半球状のものとして、屈折率が試料900の表面905を構成する材質に近いものを選ぶ。すると、対物レンズ100より発した光200は、レンズ101に垂直に近い状態で入射するので、方向をあまり変えないでレンズ101内部に入り、レンズ101と試料表面905が類似の屈折率を持つように選んであるので、101と905の界面で入射光200はあまり屈折せずに905内部に入射する。そのため、被観察面901に大きい角度で入射光200を絞り込むことができ、見掛け上、レンズ101のNAが大きくなる。このため、図1に対して解像度が向上する。
【0013】
試料に半球状のレンズを密着させる方法は固体含浸レンズとして一般に知られている。これは、半球状のレンズの表面に結像するように対物レンズと半球状レンズを配置することによって、試料の表面の微細パターンを観察する方法である。解像度は開口数:NA=n・sinθに反比例するので、半球状のレンズの屈折率に反比例して、解像度が向上することになる。とことが、半導体デバイスでは観察・計測したい対象は、デバイスの内部のパターンであるため、一般に知られた固体含浸レンズは用いることができない。
【0014】
このため、本発明では、固体含浸レンズを試料の屈折率に類似の屈折率をもつ含浸レンズをもちいて、レンズと試料を一体化して含浸レンズとして働くように設計し、試料の内部に像を絞り込むことができるようにした。これによって解像度を向上し、光の波長で定まる解像度よりも微細なパターンの光学的な計測・観察ができることを特徴とする高解像度解析方法及びその装置を実現した。
【0015】
また、固体レンズと試料の間の界面による反射を防ぐために、本発明は、屈折率の高い液体を固体レンズと試料の間に浸した状態で用いる高解像度解析方法及びその装置である。
【0016】
また、固体レンズと試料の間の界面による反射を防ぐために、本発明は、平面状で弾性のある回折レンズをもちいてレンズを試料に密着させることを特徴とする高解像度解析方法及びその装置である。
【0017】
また、まず視野の広い従来の方法で光学的な計測・観察を行い、解析個所を絞り込んでから固体含浸レンズを挿入して、高解像度での光学的な計測・観察をおこなうことを特徴とする高解像度解析方法及びその装置である。
【0018】
また、固体含浸の代わりに高屈折率の液体を用いることにより、高解像度での光学的な計測・観察をおこなうことを特徴とする高解像度解析方法及びその装置である。
【0019】
【発明の実施の形態】
図2は本発明にかかわる、半導体デバイスの高解像計測・観察の原理を示す図である。レンズ101を試料900に密着させて、対物レンズ100との間におく。レンズ101をたとえば半球状のものとして、屈折率が試料900の表面905を構成する材質に近いものを選ぶ。すると、対物レンズ100より発した光200は、レンズ101に垂直に近い状態で入射するので、方向をあまり変えないでレンズ101内部に入り、レンズ101と試料表面905が類似の屈折率を持つように選んであるので、101と905の界面で入射光200はあまり屈折せずに905内部に入射する。そのため、被観察面901に大きい角度で入射光200を絞り込むことができる。
【0020】
ここで、レンズ101はシリコン基板905の厚みを考慮して、101と905が組み合わさって結像するように設計する。すなわち、たとえば、レンズ101として半球状レンズを用い、905と同じ材質を用いる場合には、レンズ101の曲率中心と被観察面901が一致するように構成しておく。これは、905の厚みにあわせてレンズ101を設計するか、あるいは、レンズ101の曲率に合わせて、試料900を研磨処理し厚みをそろえておくことによって、レンズと試料が一体となって解像度向上のために働くようになる。なお、レンズの材質は試料と同じである必要はなく、略同じ屈折率を持つものであればいい。または、材料の屈折率と空気の屈折率1の中間の値を持った材料のレンズ101を用いてもよい。いずれにしても、レンズ101の屈折率に反比例して、解像度は向上する。ここで、905の厚みが想定と異なると焦点を結ぶ位置が変わってしまうので、焦点をあわせる必要がある。これは、対物レンズ100とレンズ101との距離を調整することで可能である。
【0021】
また、レンズ101と試料900の間の界面の接合が悪いとここで光が反射して解像度向上の効果が落ちる。このため、レンズ101と試料900の間に屈折率の高い液体を満たすことによって、界面の反射を押さえることも実施例の別の形態として可能である。
【0022】
また、レンズ101と試料900の間の界面の接合が悪いとここで光が反射して解像度向上の効果が落ちる課題に対して、レンズ101と試料900の少なくとも一方に反射防止用コーティングを施すことにより、界面の反射を押さえることも実施例の別の形態として可能である。
また、別の実施例として、900を平坦に研磨する代わりに、レンズ101の形状を研磨によって試料に作りこんでしまい、試料自体をレンズとして用いて、上記界面の問題を避けて高解像度で試料の内部を観察・計測することも可能である。
【0023】
また、別の実施例として、レンズ101を用いずに対物レンズ100と試料900の間に高屈折率の液体を満たすことによって、この液体の屈折率に反比例して解像度を向上させて試料の内部を観察・計測することも可能である。
【0024】
図3は、本発明において、回折レンズを用いた場合の構成の例を示す図である。球面状のレンズの代わりに回折レンズ111を用いる。これも、図2で示した実施例におけるレンズ101と同様に作用して、高解像度で試料900の内部を観察・計測するために作用する。回折レンズ111を用いる利点は、レンズが薄いため弾力性を持たせることが容易で、このためにこれを変形させて試料900に密着させることが容易であることである。
【0025】
試料との密着性を高めるための別の実施例を図4に示す。半球状レンズの平坦面のうち、平坦なことが必要な部分は光線200が通る中心部分だけである。そのため、平坦面の中心部を残して削り落として試料との密着性をよくしたレンズ112を用いることも可能である。
【0026】
また、本発明において、レンズと試料の密着性と取り外しやすさの両方を得るために、エアーを出し入れする口を設けた別の構成の例を図5に示す。半球状レンズ101、あるいは回折レンズ111において、エアーを出し入れするための管120を設け、ここからエアーを引くことでレンズを試料900に密着させ、また、観察・計測が終わったあとにここからエアーを注入することで、レンズを試料900から外れやすくすることが可能である。あるいは、はずす代わりにエアーを吹き込みながらレンズ101あるいは111を試料900に対して滑らせて次の観測視野に移動させることが可能になる。あるいは、エアーの代りに管120から、界面での反射を抑え、また、レンズ101あるいは111と試料900の間のすべりをよくするための高屈折率の液体を注入することも可能である。
【0027】
本発明において、対物レンズと試料に密着するレンズを弾性結合して、対物レンズを試料に押し付ける場合のとりまわしを容易にする実施例を図6に示す。この図で130は対物レンズに対してレンズ101あるいは111を弾性的に支持するための部材で、これによって、対物レンズ100を試料900に押し付けることによって、簡単にレンズ101または111を試料900に対して密着させることが可能になる。弾性支持部材130はばね状の部材を用いて構成してもよいし、ゲル状の物質で対物レンズ100とレンズ101あるいは111との間を満たすことで構成してもよい。
【0028】
本発明において、半導体デバイスの表面側から計測・観察を行う場合の実施例を図7にしめす。表面側の材質904は通常、酸化シリコンあるいは窒化シリコンからなっている。これらの屈折率は1.5乃至2.0程度であり、シリコンほどは高くない、このため、試料に密着させるレンズ112として、シリコンレンズを用いても良いが、酸化シリコンや窒化シリコンのレンズを用いても十分である。
【0029】
以下に実際の観察・計測に本発明を適用した場合の実施例を示す。
【0030】
図8に、OBIRCH(Optical Beam Induced Resistance Change)およびOBIC(Optical Beam Induced Current)の原理を示す。
【0031】
OBIRCHでは、図8(a)のように半導体デバイスに探針を当て、電圧をかけた状態で端子間に流れる電流をモニターする。この状態でレーザ光を矢印で示すようにスキャンし、スキャン位置に対応する電流の変化を画像として取得する。電流は回路の抵抗に対応するのでこのようにすることで、光があたることによって抵抗が変化する部位が明らかになる。光があたることによって抵抗が変わりやすい点は、配線が細くなっているところなど、回路の異常な点に対応する。
【0032】
OBICでは、図8(b)のように半導体デバイスに探針を当て、流れる電流をモニターする。この状態でレーザ光をスキャンし、スキャン位置に対応する電流の変化を画像として取得する。半導体回路ではPN接合部など光の照射によって光誘起電流が出やすい箇所がある。このOBIC画像が正常と異なっている場合は異なった箇所およびそこに接続している箇所に異常がある事が多い。なお、OBICでは光誘起電流を発生するために半導体のバンドギャップよりもエネルギーの大きい短波長の光を当てる必要があるが、OBIRCHではOBIC現象を起こさないように半導体のバンドギャップよりもエネルギーの小さい光、多くの場合は赤外光、を当てる必要がある。
【0033】
本発明をOBIRCHおよびOBICを高解像度で実行するために用いた実施例を、図9に示す。レーザ光源150から出射した光線は偏向手段151で向きを変えられてミラー153で反射してから、対物レンズ100をとおり、密着レンズ101を通って試料900に照射される。電流像形成装置303は偏向手段151をコントロールすると同時に電流アンプ304でプローブ310より得られた、電流変化を偏向位置にたいする画像として取得する。この構成によって高解像度でOBIC像あるいはOBIRCH像を取得することが可能となる。この像は全体制御装置302を介してユーザインターフェース307に表示される。
【0034】
また、上記画像取得を行う前に信号印加装置306によって半導体デバイス900を所定の回路動作状態にセットすることもある。また、イメージセンサ152によって通常の光学観察像を得ることも可能となる。本画像、および、OBIC像あるいはOBIRCH像は、画像解析装置301によって解析される。また、広視野画像によってまず観察場所の絞込みを行うために、レンズ101を用いないで通常の対物レンズ100のみによる観察を行ったあと、観察場所を絞り込んで狭視野・高解像で観察を行うために、レンズハンドリング装置309を持ち、レンズ101の挿入・取り外しが容易にできるようになっている。あるいは、レンズ101つき対物レンズ100と通常の対物レンズ100をリボルバーで切り替えられるようにしても良い。この切り替えはレンズハンドリング装置309に全体制御装置302が指令を出すことによって実現される。また、試料の観察位置出し、焦点調整のため、X、Y、Zステージ350を持ちこれはステージ制御装置305を介して全体制御装置302によって制御される。
【0035】
本発明において、走査レーザSQUID顕微鏡の高解像化を実現するための実施例を図10に示す。レーザ光源150から出射した光線は偏向手段151で向きを変えられてミラー153で反射してから、対物レンズ100をとおり、密着レンズ101を通って試料900に照射される。電流像形成装置303は偏向手段151をコントロールすると同時に磁界センサアンプ314で磁界センサ364によって得られた、微弱磁界信号すなわち電流信号を偏向位置にたいする画像として取得する。この構成によって高解像度で走査レーザSQUID像を取得することが可能となる。この像は全体制御装置302を介してユーザインターフェース307に表示される。
【0036】
また、イメージセンサ152によって通常の光学観察像を得ることも可能となる。本画像、および、走査レーザSQUID像は画像解析装置301によって解析される。また、広視野画像によってまず観察場所の絞込みを行うために、レンズ101を用いないで通常の対物レンズ100のみによる観察を行ったあと、観察場所を絞り込んで狭視野・高解像で観察を行うために、レンズハンドリング装置309を持ち、レンズ101の挿入・取り外しが容易にできるようになっている。あるいは、レンズ101つき対物レンズ100と通常の対物レンズ100をリボルバーで切り替えられるようにしても良い。この切り替えはレンズハンドリング装置309に全体制御装置302が指令を出すことによって実現される。また、試料の観察位置出し、焦点調整のため、X、Y、Zステージ350を持ちこれはステージ制御装置305を介して全体制御装置302によって制御される。
【0037】
本発明を発光マップを高解像度で得るために用いた実施図を、図11に示す。イメージセンサ152によって試料900の光学像を得る。このときに、信号印可装置306によって半導体デバイス900を所定の回路動作状態にセットした状態の画像を得て画像解析装置301によって、別の状態における基準画像に対する差画像を求めることによって、回路動作に伴う発光の分布状態が得られる。以上動作は全体制御装置302によって制御され、結果はユーザインターフェース307に表示される。これによって、高解像度で発光マップの解析が可能となる。特に、発光マップの感度は赤外光を用いたときに高いために、波長の長い赤外光を用いながら、高解像度で試料の内部の発光状態の観察ができる本発明は特に効果が大きい。
【0038】
また、広視野画像によってまず観察場所の絞込みを行うために、レンズ101を用いないで通常の対物レンズ100のみによる観察を行ったあと、観察場所を絞り込んで狭視野・高解像で観察を行うために、レンズハンドリング装置309を持ち、レンズ101の挿入・取り外しが容易にできるようになっている。あるいは、レンズ101つき対物レンズ100と通常の対物レンズ100をリボルバーで切り替えられるようにしても良い。この切り替えはレンズハンドリング装置309に全体制御装置302が指令を出すことによって実現される。また、試料の観察位置出し、焦点調整のため、X、Y、Zステージ350を持ちこれはステージ制御装置305を介して全体制御装置302によって制御される。
【0039】
本発明において、レーザ裏面電位観測のプロービングを高解像度で実行するための実施例を、図12に示す。レーザ光源150から出射した光線は偏向手段151で向きを変えられてハーフミラー163で反射してから、対物レンズ100をとおり、密着レンズ101を通って試料900に照射される。照射位置制御手段340は偏向手段151をコントロールすることによって、試料900内の任意の箇所にビームを照射したり、試料900を2次元的にスキャンしたりすることが可能である。密着レンズ101を用いているので上記ビーム照射およびビームスキャンを高解像度で行うことができる。試料で反射されたレーザ光は密着レンズ101をとおり、対物レンズ100をとおりハーフミラー163を通過して、波長選択ミラー169によってレーザ光の波長が反射され、光量センサ165で検出される。対物レンズ100の上に四分の一波長板を置いて、163を偏向ビームスプリッタ−に置き換えることによって、レーザ光の利用効率と検出信号のS/N比を向上することも可能である。
【0040】
また、光量センサ165によって得られた信号は回路の動作状態によって変化するので、信号観察装置341によって観察することで回路の動特性を計測することが可能である。また、試料位置制御装置340によってスキャンを行いながら、信号観察装置341で光量センサ165の信号をスキャン位置の関数として像を得ることによって、レーザ顕微鏡として、働かせることが可能となる。また、試料900の内部の像は、密着レンズ101、対物レンズ100、ハーフミラー163を通して、さらに波長選択ミラー169を通過してイメージセンサ152に到達する。この像を画像解析装置301によって得ることによって、プローブ箇所の画像観測が同時に可能となる。
【0041】
信号印可装置306は半導体デバイス900に対して信号を与え、このときに上記説明した操作を行い、回路の動作測定をおこなう。また、広視野画像によってまず観察場所の絞込みを行うために、レンズ101を用いないで通常の対物レンズ100のみによる観察を行ったあと、観察場所を絞り込んで狭視野・高解像で観察を行うために、レンズハンドリング装置309を持ち、レンズ101の挿入・取り外しが容易にできるようになっている。あるいは、レンズ101つき対物レンズ100と通常の対物レンズ100をリボルバーで切り替えられるようにしても良い。この切り替えはレンズハンドリング装置309に全体制御装置302が指令を出すことによって実現される。また、試料の観察位置出し、焦点調整のため、X、Y、Zステージ350を持ち、これはステージ制御装置305を介して全体制御装置302によって制御される。
【0042】
以上、レンズと試料を一体化して含浸レンズとして働くように密着レンズをもちいることにより、試料の内部に像を絞り込むことができるようにした。これによって解像度を向上し、光の波長で定まる解像度よりも微細なパターンの光学的な計測・観察ができる実施例を半導体デバイスに信号を加えた状態で、発光の分布を観測する技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する光誘起電流の分布を観測するOBIC(Optical Beam Induced Current)技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する配線抵抗の変化の分布を観測するOBIRCH(Optical Beam Induced ResistanceChange)技術、半導体デバイスのトランジスタ部等に、スポット光を集光し反射光の変化を観察することによってトランジスタの動作状態の変化を非接触で観察する技術を例にして説明してきたが、本発明はこれにとどまらず、半導体デバイス内部を光を用いて高解像度で観察・計測する場合に広く適用できることは言うまでもない。
【0043】
【発明の効果】
本発明によれば、レンズと試料を一体化して含浸レンズとして働くように密着レンズを用いたことにより、試料の内部に像を絞り込むことができるようになった。これによって解像度を向上し、光の波長で定まる解像度よりも微細なパターンの光学的な計測・観察ができるようになった。ここでいう光学的な計測・観察には、半導体デバイスに信号を加えた状態で、発光の分布を観測する技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する光誘起電流の分布を観測するOBIC(Optical Beam Induced Current)技術、半導体デバイスにスポット光を集光してスキャンすることによって発生する配線抵抗の変化の分布を観測するOBIRCH(Optical Beam Induced Resistance Change)技術、半導体デバイスのトランジスタ部等にスポット光を集光し反射光の変化を観察することによってトランジスタの動作状態の変化を非接触で観察する技術等が含まれる。
【0044】
また、本発明によれば、屈折率の高い液体を固体レンズと試料の間に浸した状態で用いることにより、固体レンズと試料の間の界面による反射を防いで微細なパターンの光学的な計測・観察が安定してできるという効果も得られる。
【0045】
また、本発明によれば、平面状で弾性のある回折レンズをもちいてレンズを試料に密着させることにより、固体レンズと試料の間の界面による反射を防いで微細なパターンの光学的な計測・観察が安定してできるという効果も得られる。
【0046】
また、本発明によれば、固体含浸レンズを脱着する機構を設けたことにより、先ず、固体含浸レンズを外した状態で視野の広い従来の方法で光学的な計測・観察を行い、次に固体含浸レンズを装着した状態で解析個所を絞り込んでから高解像度での光学的な計測・観察を行うことが可能になり、比較的広い視野の中から高解像度での光学的な計測・観察を行う個所を比較的容易に行えるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来法における半導体デバイスの光学的計測・観察の原理を示す正面の断面図である。
【図2】本発明にかかわる、半導体デバイスの高解像計測・観察の原理を示す正面の断面図である。
【図3】本発明における回折レンズを用いた場合の半導体デバイスの高解像計測・観察の原理を示す正面の断面図である。
【図4】本発明による、半球状レンズの平坦面を中心部を残して削り落として試料との密着性をよくしたした場合の半導体デバイスの高解像計測・観察の原理を示す正面の断面図である。
【図5】(a)、(b)ともに、本発明による、レンズと試料の密着性と取り外しやすさの両方を得るために、エアーを出し入れする口を設けた構成の半導体デバイスの高解像計測・観察の原理を示す正面の断面図である。
【図6】(a)、(b)ともに、本発明による、対物レンズと試料に密着するレンズとを弾性結合させた構成を用いて半導体デバイスの高解像計測・観察の原理を示す正面の断面図である。
【図7】本発明において、半導体デバイスの表面側から計測・観察を行う場合の半導体デバイスの高解像計測・観察の原理を示す正面の断面図である。
【図8】(a)OBIRCHの原理を示す図、(b)OBICの原理を示す図である。
【図9】本発明による、OBIRCHおよびOBICを高解像度で実行するための装置の概略構成を示す正面図である。
【図10】本発明による、走査レーザSQUID顕微鏡の高解像化を実現するための装置の概略構成を示す正面図である。
【図11】本発明による、発光マップを高解像度で得るための装置の概略構成を示す正面図である。
【図12】本発明による、レーザ裏面電位観測のプロービングを高解像度で実行するための装置の概略構成を示す正面図である。
【符号の説明】
100…対物レンズ、101…固体含浸レンズ、111…回折型固体含浸レンズ、112…表面から観察すための固体含浸レンズ、120…エアーパイプ、130…弾性支持部、150…レーザ光源、151…偏向手段、152…イメージセンサ、153…ハーフミラー、163…偏向ビームスプリッタ、164…λ/4板、165…光量センサ、301…画像解析装置、302…全体制御装置、303…電流像形成装置、304…暖流アンプ、305…ステージ制御装置、306…信号印加装置307…端末、340…照射位置制御装置、341…信号観察装置、309…レンズハンドリング装置、900…半導体デバイス試料、901…ドレイン、ソース部、902…ゲート部、903…配線部、904…酸化絶縁膜部、906…シリコン基板部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for analyzing a semiconductor device using light and a technique for performing the analysis at high resolution, and an apparatus therefor. Analysis techniques include the technique of observing the distribution of light emission with a signal applied to the semiconductor device, the technique of observing the distribution of photoinduced current generated by condensing and scanning spot light on the semiconductor device, Technology for observing the distribution of changes in wiring resistance caused by focusing and scanning spot light on a device. Transistor by focusing spot light on a transistor section of a semiconductor device and observing the change in reflected light. A technique for observing a change in the operating state of the device without contact is included.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art As a system for analyzing a fine circuit formed on a semiconductor wafer or the like, a technique of observing a shape inside a device surface, a physical property, an operation state, and the like using light is often used. For example, a technique for observing the distribution of light emission while a signal is being applied to a semiconductor device, and an OBIC (Optical Beam Induced Current) for observing the distribution of a photoinduced current generated by condensing and scanning a spot light on the semiconductor device. ) Technology, OBIRCH (Optical Beam Induced Resistance Change) technology for observing distribution of change in wiring resistance caused by condensing and scanning spot light on a semiconductor device, and collecting spot light on a transistor portion of a semiconductor device. A technique for observing a change in the operating state of a transistor in a non-contact manner by observing a change in reflected light is included.
[0003]
For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-326817, a pattern to be analyzed is searched for by observing the device from the back surface with infrared light using a sample in which the back surface of a semiconductor device is polished, and this is cut with an ion beam or the like. A method for exposing a desired circuit is shown. In this known example, while an operation signal is applied to the sample, a beam of infrared light is focused on the circuit element from the back surface and the intensity of the reflected light is measured to monitor the voltage state of the circuit element. A technique of observing the laser back surface potential for observing the operation of the circuit in a non-contact manner is described as a known example.
[0004]
Further, the OBIRCH technology is described in, for example, the proceedings of the LSI Testing Symposium 2000, pp 191-196.
[0005]
Further, in the proceedings of the LSI Testing Symposium 2000, pp. 203-208, a scanning laser SQUID microscope that detects a small change in a magnetic field due to an OBIC current using a highly sensitive magnetic field detecting SQUID element is reported.
[0006]
In recent years, semiconductor circuit patterns have been shrinking, and line widths of 0.2 micrometers or less have been used. Is running out. This is because the resolution of light is limited by approximately λ / 2NA, so that a fine pattern formed using ultraviolet light having a short wavelength of about 0.2 micrometer has a sufficient resolution unless observed with light having the same short wavelength. This is because they cannot be obtained. Here, λ is the wavelength of light, NA is the numerical aperture of the lens, and is expressed as NA = n · sin θ. n is the refractive index of air between the lens and the sample, which is approximately 1. θ is the aperture angle, which is the converging angle determined by the lens. For a high-power microscope objective lens, NA is around 0.9, and for an exposure lens for exposing a semiconductor pattern, NA is around 0.7.
[0007]
However, in the above-described technology for observing the inside of a semiconductor device, conventionally, it has been widely used to observe from the front side of a semiconductor device by utilizing the fact that silicon oxide, which is a material of an insulating film on the surface, is transparent. Had been However, in recent years, the total number of wirings has increased with the increase in the degree of integration of semiconductors, and power supply and ground patterns have been densely arranged to improve electrical characteristics. In addition, dummy wiring has been required for CMP (chemical mechanical polishing). A wiring pattern is arranged. For this reason, when observing the inside from the surface with light, the inside is interrupted by an opaque metal wiring pattern, and the inside becomes difficult to see. For this reason, it has become important to observe the transistor and the lower wiring from the back surface of the semiconductor device without obstructing the upper wiring.
[0008]
It is necessary to use infrared light having a wavelength of more than 0.7 micrometers, for example, light of 1.3 micrometers, as light transmitted through the silicon substrate constituting the back side of the semiconductor device. Generally, silicon is transparent to light in the wavelength range of 0.9 to 1.9 micrometers. Further, in the technology for detecting a light-induced change in wiring resistance, the use of visible light having large photon energy causes not only a change in wiring resistance but also a photoinduced current effect generated at a PN junction of a semiconductor element. Therefore, it is necessary to use infrared light. Therefore, the resolution determined by λ / 2NA is, for example, 1 micrometer when a lens and light of NA = 0.65 and λ = 1.3 micrometers are used, and a sufficient resolution for the pattern size is obtained. I can't. For this reason, it is difficult to narrow down on a circuit when a problematic part is on a fine pattern in observation of light emission distribution, OBIC, and OBIRCH technology. There is also a problem that the light shines on other places and that the operation state of a desired part cannot be monitored.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the related art, when observing and measuring the inside of a semiconductor using light, there is a problem that a required resolution cannot be obtained because of a resolution limit determined by a wavelength of light. In order to solve this problem, a method of shortening the wavelength of the light used can be considered by analogy with the semiconductor pattern exposure technology. Silicon, which is frequently used in semiconductors, transmits infrared light, but when the wavelength is shortened, it rapidly transmits. The light emission intensity when operating the device is higher as infrared light, so the sensitivity is worse at short wavelengths, and the way physical phenomena occur when the device is irradiated with light changes. There was a problem that it was not something.
[0010]
An object of the present invention is to provide a high-resolution analysis method capable of optically measuring and observing a finer pattern than a resolution determined by the specifications of the light wavelength and the objective lens without shortening the light wavelength, in order to solve the above-described problems. It is to provide a device.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is a diagram showing a problem of optical measurement and observation of a semiconductor device in a conventional method. As described above, when the inside of the
[0012]
On the other hand, if light can be guided into the sample at a wide angle, the resolution can be improved. That is, when the wavelength of light is represented by λ and the numerical aperture of the objective lens is represented by NA (Numerical Aperture), the apparent NA is increased by increasing the apparent NA with respect to the resolution represented by λ / (2 · NA). Can be improved. As shown in FIG. 2, the
[0013]
The method of attaching a hemispherical lens to a sample is generally known as a solid immersion lens. This is a method of observing a fine pattern on the surface of a sample by arranging an objective lens and a hemispherical lens so as to form an image on the surface of a hemispherical lens. Since the resolution is inversely proportional to the numerical aperture: NA = n · sin θ, the resolution is improved in inverse proportion to the refractive index of the hemispherical lens. In a semiconductor device, a target to be observed / measured is a pattern inside the device, so that a generally known solid impregnated lens cannot be used.
[0014]
For this reason, in the present invention, the solid immersion lens is designed to use an immersion lens having a refractive index similar to the refractive index of the sample, and is designed so that the lens and the sample are integrated to function as an immersion lens, and an image is formed inside the sample. Now you can narrow down. As a result, the resolution is improved, and a high-resolution analysis method and device capable of optically measuring and observing a pattern finer than the resolution determined by the wavelength of light have been realized.
[0015]
In addition, in order to prevent reflection at the interface between the solid lens and the sample, the present invention is a high-resolution analysis method and apparatus using a liquid having a high refractive index in a state of being immersed between the solid lens and the sample.
[0016]
In addition, in order to prevent reflection at the interface between the solid lens and the sample, the present invention provides a high-resolution analysis method and a device therefor, wherein the lens is brought into close contact with the sample using a flat and elastic diffraction lens. is there.
[0017]
In addition, optical measurement / observation is first performed by the conventional method with a wide field of view, and after narrowing down the analysis point, a solid immersion lens is inserted to perform optical measurement / observation at high resolution. A high-resolution analysis method and apparatus.
[0018]
Further, there is provided a high-resolution analysis method and apparatus for performing high-resolution optical measurement and observation by using a liquid having a high refractive index instead of solid impregnation.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 2 is a diagram showing the principle of high-resolution measurement and observation of a semiconductor device according to the present invention. The
[0020]
Here, the
[0021]
If the interface between the
[0022]
In addition, if the interface at the interface between the
Further, as another embodiment, instead of polishing the 900 flat, the shape of the
[0023]
Further, as another embodiment, by filling a high-refractive-index liquid between the
[0024]
FIG. 3 is a diagram showing an example of a configuration when a diffractive lens is used in the present invention. A
[0025]
FIG. 4 shows another embodiment for improving the adhesion to the sample. Of the flat surface of the hemispherical lens, the only part that needs to be flat is the central part through which the
[0026]
FIG. 5 shows another example of the configuration of the present invention, in which an air inlet / outlet port is provided in order to obtain both the adhesion between the lens and the sample and the ease of removal. In the
[0027]
FIG. 6 shows an embodiment of the present invention in which the objective lens and the lens that is in close contact with the sample are elastically connected to each other to facilitate the arrangement when the objective lens is pressed against the sample. In this figure,
[0028]
FIG. 7 shows an embodiment in which measurement and observation are performed from the front surface side of the semiconductor device in the present invention. The
[0029]
An example in which the present invention is applied to actual observation and measurement will be described below.
[0030]
FIG. 8 illustrates the principle of OBIRCH (Optical Beam Induced Resistance Change) and OBIC (Optical Beam Induced Current).
[0031]
In OBIRCH, as shown in FIG. 8A, a probe is applied to a semiconductor device, and a current flowing between terminals is monitored while a voltage is applied. In this state, the laser beam is scanned as indicated by an arrow, and a change in current corresponding to the scan position is obtained as an image. Since the current corresponds to the resistance of the circuit, this reveals where the resistance changes when exposed to light. The point where the resistance is easily changed by light exposure corresponds to an abnormal point in the circuit such as a thin wiring.
[0032]
In the OBIC, a probe is applied to a semiconductor device as shown in FIG. 8B, and a flowing current is monitored. In this state, a laser beam is scanned, and a change in current corresponding to the scan position is obtained as an image. In a semiconductor circuit, there is a portion such as a PN junction where a photo-induced current is likely to be generated by light irradiation. When the OBIC image is different from the normal one, the different part and the part connected thereto often have an abnormality. Note that in OBIC, it is necessary to irradiate light of a short wavelength having energy larger than the band gap of the semiconductor in order to generate a photo-induced current, but in OBIRCH, energy is smaller than the band gap of the semiconductor so as not to cause the OBIC phenomenon. Light, often infrared, must be applied.
[0033]
An embodiment in which the present invention is used to implement OBIRCH and OBIC at high resolution is shown in FIG. The light beam emitted from the
[0034]
Further, the
[0035]
FIG. 10 shows an embodiment for realizing high resolution of the scanning laser SQUID microscope in the present invention. The light beam emitted from the
[0036]
Further, a normal optical observation image can be obtained by the
[0037]
FIG. 11 shows an embodiment in which the present invention is used to obtain an emission map with high resolution. An optical image of the
[0038]
In addition, in order to narrow down the observation place first by using the wide-field image, observation is performed only with the normal
[0039]
FIG. 12 shows an embodiment for executing the probing of the laser back surface potential observation at a high resolution in the present invention. The light beam emitted from the
[0040]
Since the signal obtained by the
[0041]
The
[0042]
As described above, by using the contact lens so that the lens and the sample are integrated and function as an immersion lens, an image can be narrowed down inside the sample. This technique improves the resolution and enables optical measurement and observation of patterns finer than the resolution determined by the wavelength of light. OBIC (Optical Beam Induced Current) technology for observing the distribution of photo-induced current generated by condensing and scanning spot light, and the wiring resistance generated by concentrating and scanning spot light on a semiconductor device. OBIRCH (Optical Beam Induced Resistance Change) technology for observing the distribution of change, non-contact observation of a change in the operating state of a transistor by focusing spot light on a transistor portion of a semiconductor device and observing a change in reflected light. Technology as an example Having described Te, the present invention is not limited to this, it is naturally applicable widely when observing and measuring at high resolution by using light inside the semiconductor device.
[0043]
【The invention's effect】
According to the present invention, an image can be narrowed down inside the sample by using the contact lens so that the lens and the sample are integrated and function as an immersion lens. As a result, the resolution has been improved, and optical measurement and observation of patterns finer than the resolution determined by the wavelength of light have become possible. The optical measurement / observation here refers to the technology of observing the distribution of light emission while a signal is applied to the semiconductor device, and the light-induced current generated by condensing and scanning a spot light on the semiconductor device. OBIC (Optical Beam Induced Current) technology for observing distribution, OBIRCH (Optical Beam Induced Resistance Change) technology for observing distribution of change in wiring resistance generated by condensing and scanning spot light on a semiconductor device, semiconductor device And the like, in which a change in the operating state of a transistor is observed in a non-contact manner by condensing spot light on a transistor portion or the like and observing a change in reflected light.
[0044]
Further, according to the present invention, by using a liquid having a high refractive index in a state of being immersed between the solid lens and the sample, reflection at an interface between the solid lens and the sample is prevented, and optical measurement of a fine pattern is performed. -The effect that observation can be performed stably is also obtained.
[0045]
Further, according to the present invention, the lens is brought into close contact with the sample by using a flat and elastic diffractive lens, thereby preventing reflection at an interface between the solid lens and the sample, thereby enabling optical measurement of a fine pattern. The effect that observation can be performed stably is also obtained.
[0046]
Further, according to the present invention, by providing a mechanism for attaching and detaching the solid immersion lens, first, optical measurement and observation are performed by a conventional method having a wide field of view with the solid immersion lens removed, and then the solid It is possible to perform high-resolution optical measurement and observation after narrowing down the analysis point with the impregnated lens attached, and perform high-resolution optical measurement and observation from a relatively wide field of view. The effect that the location can be relatively easily achieved is also obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front sectional view showing the principle of optical measurement and observation of a semiconductor device in a conventional method.
FIG. 2 is a front sectional view showing the principle of high-resolution measurement and observation of a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 3 is a front sectional view showing the principle of high-resolution measurement / observation of a semiconductor device when the diffraction lens according to the present invention is used.
FIG. 4 is a front sectional view showing the principle of high-resolution measurement / observation of a semiconductor device when the flat surface of a hemispherical lens is scraped off leaving a central portion to improve the adhesion to a sample according to the present invention. FIG.
5 (a) and 5 (b) show a high resolution of a semiconductor device according to the present invention, which is provided with an air inlet / outlet port in order to obtain both adhesion between a lens and a sample and ease of removal. It is front sectional drawing which shows the principle of measurement and observation.
6 (a) and 6 (b) are front views showing the principle of high-resolution measurement / observation of a semiconductor device using a configuration in which an objective lens and a lens which is in close contact with a sample are elastically coupled according to the present invention. It is sectional drawing.
FIG. 7 is a front sectional view showing the principle of high-resolution measurement and observation of a semiconductor device when measurement and observation are performed from the front surface side of the semiconductor device in the present invention.
8A is a diagram illustrating the principle of OBIRCH, and FIG. 8B is a diagram illustrating the principle of OBIC.
FIG. 9 is a front view showing a schematic configuration of an apparatus for executing OBIRCH and OBIC at high resolution according to the present invention.
FIG. 10 is a front view showing a schematic configuration of an apparatus for realizing high resolution of a scanning laser SQUID microscope according to the present invention.
FIG. 11 is a front view showing a schematic configuration of an apparatus for obtaining a light emission map with high resolution according to the present invention.
FIG. 12 is a front view showing a schematic configuration of an apparatus for performing probing for observing the laser back surface potential at a high resolution according to the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference numeral 100: objective lens, 101: solid immersion lens, 111: diffractive solid immersion lens, 112: solid immersion lens for observation from the surface, 120: air pipe, 130: elastic support, 150: laser light source, 151:
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