JP2004053550A

JP2004053550A - 半導体デバイス検査装置

Info

Publication number: JP2004053550A
Application number: JP2002214841A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Haraguchi; 原　口　康　史
Original assignee: Suruga Seiki Co Ltd
Current assignee: Suruga Seiki Co Ltd
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-02-19
Also published as: US20040016888A1; US6714289B2

Abstract

【課題】鮮明な切削断面を生成することができる半導体デバイス検査装置を提供する。
【解決手段】半導体デバイス検査装置１は、半導体デバイス（試料Ｓ）をセットする真空チャンバー１１内に配設されたステージ１４１と、半導体デバイスを切削するフェムト秒レーザビームＦＳＬＢを生成するフェムト秒レーザ装置１２と、当該レーザビームにより切削した半導体デバイスの切削面Ｗを観察する電子顕微鏡（ＳＥＭ１７）とを備えている。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
本発明は、半導体デバイスの切削を行い、その切削断面を電子顕微鏡により観察することで不良個所の解析、構造観察等を行なう半導体デバイス検査装置にかかり、特に鮮明な切削断面を生成することができる半導体デバイス検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体デバイス（ＬＳＩ等）の開発課程における不良個所の解析等を行なうための装置として、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ）装置と走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）とを組み合わせた半導体デバイス検査装置が知られている（例えば、特開平１１−２７３６１３号公報参照）。
この検査装置では、半導体ウェハ等の半導体デバイスの表面にＦＩＢを照射することで、表面にサブミクロンからミクロンサイズの微小な溝ないし穴を切削し、あるいはウェハを切断し、その断面をＳＥＭにより観察することで、不良個所の解析や、高分解能観察による解析を行なうことができる。
また、ＦＩＢ装置と透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）とを組み合わせた半導体デバイス検査装置も知られている。この検査装置でも、半導体ウェハ等の半導体デバイスにＦＩＢを照射して薄膜の試料を作成し、これをＴＥＭにより観察することで、半導体デバイスの評価あるいは不良個所の解析等を行なうことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記した従来の半導体デバイス検査装置では、ＦＩＢによる加工（切削や切断）精度が、チャンバー内雰囲気（例えば、温度，圧力）等に影響されるため、加工面（切削面や切断面）が鮮明に表われないことがある。また、ウェハのＦＩＢによる加工操作には経験等が必要であることがある。さらに、ＦＩＢによる加工では、時間がかかり、結果として半導体デバイスの評価，解析等の効率が悪くなる。
また、上記した従来の半導体デバイス検査装置では、ＦＩＢ装置のビーム発生源をチャンバー内に設けなければならないため、装置全体の構造が複雑になり製造コストが高くなる。
加えて、ＦＩＢ装置の駆動中においては、加工中はイオンビームが試料（半導体デバイス）に照射されているため、ＦＩＢで微小欠陥箇所を加工しながら、ＳＥＭでリアルタイムに観察することができないことがある。
また、ＦＩＢ装置では、同一出力であっても、切削深さはチャンバー内雰囲気、電磁レンズの特性等に影響されるため、切削深さの調整が容易ではない。
【０００４】
本発明の第１の目的は、鮮明な加工面を形成することで、正確な検査を行なうことができる半導体デバイス検査装置を提供することにある。
本発明の第２の目的は、短時間での半導体デバイスの加工を行なうことで、検査効率を高めることができる半導体デバイス検査装置を提供することにある。
本発明の第３の目的は、装置構成が複雑とはならない半導体デバイス検査装置を提供することにある。
本発明の第４の目的は、切削加工と同時に加工面の観測等が可能な半導体デバイス検査装置を提供することにある。
本発明の第５の目的は、チャンバー内雰囲気の影響が少なく、常に均一な切削状態を実現できる半導体デバイス検査装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体デバイス検査装置は、ＬＳＩ等の半導体デバイスをセットするチャンバー内に配設されたステージと、前記半導体デバイスを切削するレーザビームを生成するフェムト秒レーザ装置と、当該レーザビームにより切削した前記半導体デバイスの切削面を観察する電子顕微鏡とを備えたことを特徴とする。
フェムト秒レーザ装置として、例えば、数十〜数百ｆｓｅｃの時間幅のレーザビーム（チタンサファイアレーザ）が使用される。本発明において、「切削」には、ＬＳＩ等の半導体デバイス表面への溝の形成、穴の穿設、および半導体デバイスの切断が含まれる。
【０００６】
本発明では、フェムト秒レーザ装置を使用しているので、半導体デバイス等の切削を高速で行なうことができ、また深い距離を切削できるとともに、深さを一定にすることはもちろん、レーザビームのフォーカス距離を走査中に変化させることで所望の距離で深さが変化する溝を形成することが可能となる。また、一次元，２次元の切削ラインをレーザ光路に設けたミラーで制御できるので、切削に要する時間を極めて短くできる。
また、切削加工と同時に加工面の観測等が可能であり、しかもチャンバー内雰囲気の影響が少なく、常に均一な切削状態を実現できる。
本発明の半導体デバイス検査装置では、電子顕微鏡として走査型のもの（ＳＥＭ）が使用されることもあるし、透過型のもの（ＴＥＭ）が使用されることもある。
本発明の半導体デバイス検査装置では、レーザ光源としてフェムト秒レーザ装置を使用しているので（すなわち、イオンビームレーザを使用していないので）、少なくともレーザ生成部をチャンバーの外部に設けることができる。これにより、半導体デバイス検査装置の構成が複雑とはならない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の半導体デバイス検査装置の外観例を示す図である。図１において、半導体デバイス検査装置１は、真空チャンバー１１と、フェムト秒レーザ装置１２と、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）１３とを備えている。
図１において、真空チャンバー１１内には、試料である半導体デバイスが収納されている（図２参照）。この半導体デバイスは、例えば、回路を形成する途中のウェハ、あるいは回路形成後のダイシング前のウェハである。
【０００８】
真空チャンバー１１には、試料前室１１ｂが設けられ、当該試料前室１１ｂを介して試料が真空チャンバー１１内にセットされる。本実施形態では、真空チャンバー１１の下部に真空ポンプ１１ｃが設けられており、上部にはレーザビーム導入用のガラス窓１１ａが設けられている。ガラス窓１１ａの上部には、フェムト秒レーザ装置１２の一部を構成するｘ−ｙ走査用のガルバノメータミラー１２１が設けられている。
図１では、説明の便宜上ガルバノメータミラー１２１を２つのミラー要素１２１ａ，１２１ｂで示す。これらミラー要素１２１ａ，１２１ｂの角度を調整により、フェムト秒レーザ生成部１２２が生成するフェムト秒レーザビームＦＳＬＢの光路の微調整を行い、試料表面上の所定位置にレーザビームＦＳＬＢを照射することができる。
【０００９】
真空チャンバー１１には、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）１３が取り付けられている。このＳＥＭ１３により、レーザビームＦＳＬＢで切削された試料の断面を観察することができる。
図２は、図１に示した半導体デバイス検査装置１を詳細に示すシステムブロック図である。
図２において、真空チャンバー１１内には、試料Ｓがセットされたステージ１４１が設けられている。ステージ１４１は、アクチュエータ１４２により粗な精度でｘ−ｙ平面を移動（＋ｘ，−ｘ方向、＋ｙ，−ｙ方向に移動）することができる。なお、このアクチュエータ１４２は、ピエゾアクチュエータとすることができ、ｚ方向（すなわち、図２では上下方向）への位置制御を行なえるようにしてもよい。アクチュエータ１４２はステージ駆動回路１４３により駆動される。
【００１０】
真空チャンバー１１の、ステージ１４１の垂直上方には、ガラス窓１１ａが設けられており、ガラス窓１１ａと、ステージ１４１間にはフェムト秒レーザビームＦＳＬＢの焦点調整レンズ系１２３が設けられている。なお、焦点調整レンズ系１２３は、図２では真空チャンバー１１内部に設けてあるが、その一部または全部を真空チャンバー１１外部に設けることもできる。ガラス窓１１ａの外部には、ガルバノメータミラー１２１（図２では、１枚のミラーで示す）が設けられている。ガルバノメータミラー１２１は、ｘ−ｙファイン制御系を構成するもので、焦点調整レンズ系１２３とともにレーザ光学系１２４を構成している。
また、本実施形態では、真空チャンバー１１外部にはフェムト秒幅のパルスのレーザを発生するフェムト秒レーザ生成部１２２が設けられており、このフェムト秒レーザ生成部１２２とレーザ光学系１２４とがフェムト秒レーザ装置１２を構成している。
このフェムト秒レーザ装置１２は、レーザ駆動回路１５により駆動される。フェムト秒レーザビームＦＳＬＢの密な精度での制御は、照射点制御回路１６により行なわれる。照射点制御回路１６は、ガルバノメータミラー１２１にｘ−ｙ制御信号を送出することでレーザ照射点のｘ−ｙ制御（平面制御）を行い、焦点調整レンズ系１２３にｚ制御信号を送出することで照射点のｚ制御（深さ制御）を行なうことができる。
【００１１】
また、ステージ１４１の斜め上方には、ＳＥＭ１３の本体部が設けられている。ＳＥＭ１３の本体部は、電子銃系１３１と、電子レンズ系１３２とからなる。ＳＥＭ１３は、ＳＥＭ駆動回路１７により駆動される。
電子銃系１３１は、図示はしないが、熱電界放出電子源、サプレッサー、引き出し電極、制御レンズ、グランドから構成される。また電子レンズ系１３２は、ビーム軸調整用２段静電型４極子レンズ、静電型コンデンサーレンズ、走査・非点収差補正用２段静電型８極子レンズ、静電型対物レンズ等から構成される。
【００１２】
ステージ１４１のＳＥＭ１３の本体部とは反対側の斜め上方には、検出系１３３が設けられている。検出系１３３は、シンチレーターと光電子増倍管とにより構成されるもので、電子銃系１３１が発射した電子ビームの、試料Ｓからの反射ビームを検出することができる。検出系１３３により検出された検出信号は、検出信号処理回路１８１に送られ、検出信号処理回路１８１（Ａ／Ｄ変換回路・画像情報生成回路等からなる）からの信号は、表示信号生成回路１８２に送られ、表示信号生成回路１８２は試料Ｓの断面画像をディスプレイ１８３に表示することができる。
【００１３】
図２において、ホストコンピュータ２は照射点制御回路１６、レーザ駆動回路１５、ＳＥＭ駆動回路１７、ステージ駆動回路１４３を統括制御し、検出信号処理回路１８１からの検出信号（検出データ）を適宜の記憶装置（ハードディスク等）に記録することができる。
図２のシステムにおいて、真空チャンバー１１内のステージ１４１に試料Ｓをセットし、フェムト秒レーザ装置１２により試料Ｓの所定個所の切削を行なう。
本実施形態では、このＳＥＭ１３は、倍率を調整することにより切削に際しての位置制御用モニタ手段としても使用される。切削位置の制御をアクチュエータ１４２とガルバノメータミラー１２１により行ない、所定個所の切削を行なうとともに、ＳＥＭ１３により電子ビームを切削面に照射して切削面の観察を行なう。このときの切削の様子を図３（Ａ），（Ｂ）に示す。このとき、図３（Ａ）に示すように、フェムト秒レーザビームＦＳＬＢの焦点調整により切削深さを一定にすることもできるし、図３（Ｂ）に示すように、切削深さを変化させることもできる。
【００１４】
また、図４は、ＳＥＭ１３により切削壁面を検出する様子を示す図である。図４では、図２に示したフェムト秒レーザ装置１２からのレーザビームＦＳＬＢにより、回路Ｃが形成された試料Ｓに矩形溝Ｇを形成し、壁面Ｗを、ＳＥＭ１２の本体からの電子ビームＥＢを用いて観察している様子が示されている。
【００１５】
図５および図６により、本発明の他の実施形態を説明する。図５は、電子顕微鏡としてＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いた半導体デバイス検査装置を詳細に示すシステムブロック図である。なお、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いた半導体デバイス検査装置の外観は、図１に示したＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いた半導体デバイス検査装置１の外観とほぼ同様であるので説明はしない。
【００１６】
図５において、真空チャンバー３１内には、試料Ｓがセットされたステージ３４１が設けられている。ステージ３４１およびこれを駆動するアクチュエータ３４２は、図２のステージ１４１およびアクチュエータ１４２同じであり、ステージ駆動回路３４３により駆動される。
真空チャンバー３１のステージ３４１の垂直上方には、図２の真空チャンバー１１の場合と同様、ガラス窓３１ａが設けられており、ガラス窓３１ａと、ステージ３４１と間にはフェムト秒レーザビームＦＳＬＢの焦点調整レンズ系３２３が設けられている。ガラス窓３１ａの外部には、ガルバノメータミラー３２１が設けられており、焦点調整レンズ系３２３とともにレーザ光学系３２４を構成している。
【００１７】
また、本実施形態でも、図２のシステムと同様、真空チャンバー３１外部にはフェムト秒レーザ生成部３２２が設けられており、このフェムト秒レーザ生成部３２２とレーザ光学系３２４とがフェムト秒レーザ装置３２を構成している。このフェムト秒レーザ装置３２は、レーザ駆動回路３５により駆動される。フェムト秒レーザビームＦＳＬＢの密な精度での制御は、照射点制御回路３６により行なわれる。照射点制御回路３６は、ガルバノメータミラー３２１にｘ−ｙ制御信号を送出することでレーザ照射点のｘ−ｙ制御（平面制御）を行い、焦点調整レンズ系３２３にｚ制御信号を送出することで照射点のｚ制御（深さ制御）を行なうことができる。本実施形態のフェムト秒レーザ装置３２の構成は、図２のフェムト秒レーザ装置１２の構成と同じである。
【００１８】
本実施形態では、ステージ３４１の近傍には、マニピュレータ３９が設けられており、マニピュレータ３９は、フェムト秒レーザビームＦＳＬＢにより切り取った試料Ｓの一部（試料片Ｓ′）を、プローブ３９１でピックアップして、ＴＥＭ３３による観察位置に移動することができる。ＴＥＭ３３は、電子銃系３３１と、電子レンズ系３３２と、検出系３３３とからなる。検出系３３３は、試料Ｓを透過する電子レンズ系３３２からの電子ビームを検出することができる。
検出系３３３により検出された検出信号は、検出信号処理回路３８１に送られ、検出信号処理回路３８１（Ａ／Ｄ変換回路・画像情報生成回路等からなる）からの信号は、表示信号生成回路３８２に送られ、表示信号生成回路３８２は試料片Ｓ′の組織画像をディスプレイ３８３に表示することができる。
【００１９】
図５において、ホストコンピュータ２は照射点制御回路３６、レーザ駆動回路３５、ＴＥＭ駆動回路３７、ステージ駆動回路３４３を統括制御し、検出信号処理回路３８１からの検出信号（検出データ）を適宜の記憶装置（ハードディスク等）に記録することができる。
【００２０】
図５のシステムの動作を、図６（Ａ）〜（Ｄ）を参照して説明する。
まず、真空チャンバー３１内のステージ３４１に試料Ｓをセットし、図６（Ａ）に示すように、フェムト秒レーザ装置３２により試料Ｓの所定個所の取り出しのための切削を行なう。本実施形態では、フェムト秒レーザ装置３２には図示しない位置制御用モニタ手段を設けることができる。切削位置の制御をアクチュエータ３４２とガルバノメータミラー３２１により行なうことで、上述した試料Ｓの切削が行なわれる。
次に、図６（Ｂ）に示すようにマニピュレータ３９のプローブ３９１により、試料片（Ｓ１）をピックアップする。この後、図６（Ｃ）に示すようにサンプルフィクサ４に試料片Ｓ１をセットして、フェムト秒レーザビームＦＳＬＢにより試料片Ｓ１の薄膜加工を行い、薄膜試料片Ｓ２を作成する。
そして、図６（Ｄ）に示すように薄膜試料片（Ｓ２）を、試料片Ｓ′としてＴＥＭ３３の観察位置に送り、電子ビームを切削面に透過させて切削面の観察を行なう。
【００２１】
【発明の効果】
本発明では、鮮明な加工面を形成できるので、正確な検査を行なうことができ、短時間での半導体デバイスの加工を行なうことで、検査効率を高めることができる。
また、フェムト秒レーザのレーザ生成部をチャンバーの外部に設けることができるので、半導体デバイス検査装置の構成を簡素化できる。また、切削加工と同時に加工面の観測等を容易に実現できる。
さらに、試料の切削にレーザを用いるので（イオンビームを用いていないので）、チャンバー内雰囲気の影響が少なく、常に均一な切削状態を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の半導体デバイス検査装置の外観例を示す図である。
【図２】図２は、電子顕微鏡としてＴＥＭを用いた半導体デバイス検査装置を詳細に示すシステムブロック図である。
【図３】図３は、図２のシステムにおけるフェムト秒レーザビームによる切削の様子を示す図であり、（Ａ）はフェムト秒レーザビームの焦点調整により切削深さを一定にする場合を示し、（Ｂ）は同じく切削深さを変化させる場合を示す。
【図４】図４は、図２のシステムにおいて、ＳＥＭにより切削壁面を検出する様子を示す図である。
【図５】図５は、電子顕微鏡としてＴＥＭを用いた半導体デバイス検査装置を詳細に示すシステムブロック図である。
【図６】図６は、図５のシステムの動作の説明図であり、（Ａ）は、試料の所定個所の取り出しのための切削の様子を示す図、（Ｂ）はマニピュレータのプローブにより試料片をピックアップする様子を示す図、（Ｃ）はサンプルフィクサに試料片をセットして、フェムト秒レーザビームにより試料片の薄膜加工を行い薄膜試料片を作成する様子を示す図、（Ｄ）は薄膜試料片をＴＥＭの観察位置に送り電子ビームを切削面に透過させて切削面の観察を行なう様子を示す図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　　　半導体デバイス検査装置
２　　　　　　　　　ホストコンピュータ
４　　　　　　　　　サンプルフィクサ
１１，３１　　　　　真空チャンバー
１１ａ，３１ａ　　　ガラス窓
１１ｂ　　　　　　　試料前室
１１ｃ　　　　　　　真空ポンプ
１２，３２　　　　　フェムト秒レーザ装置
１３　　　　　　　　ＳＥＭ
１５，３５　　　　　レーザ駆動回路
１６，３６　　　　　照射点制御回路
１７　　　　　　　　ＳＥＭ駆動回路
３３　　　　　　　　ＴＥＭ
３９　　　　　　　　マニピュレータ
３７　　　　　　　　ＴＥＭ駆動回路
１２１，３２１　　　ガルバノメータミラー
１２１ａ，１２１ｂ　ミラー要素
１２２，３２２　　　フェムト秒レーザ生成部
１２３，３２３　　　焦点調整レンズ系
１２４，３２４　　　レーザ光学系
１３１，３３１　　　電子銃系
１３２，３３２　　　電子レンズ系
１３３，３３３　　　検出系
１４１，３４１　　　ステージ
１４２，３４２　　　アクチュエータ
１４３、３４３　　　ステージ駆動回路
１８１，３８１　　　検出信号処理回路
１８２，３８２　　　表示信号生成回路
１８３，３８３　　　ディスプレイ
１９１　　　　　　　プローブ
Ｃ　　　　　　　　　回路
ＥＢ　　　　　　　　電子ビーム
ＦＳＬＢ　　　　　　フェムト秒レーザビーム
Ｇ　　　　　　　　　矩形溝
Ｓ　　　　　　　　　試料
Ｓ１，　Ｓ２，Ｓ′　　試料片
Ｗ　　　　　　　　　試料の壁面

Claims

半導体デバイスをセットするチャンバー内に配設されたステージと、前記半導体デバイスを切削するレーザビームを生成するフェムト秒レーザ装置と、前記レーザビームにより切削した前記半導体デバイスの切削面を観察する電子顕微鏡とを備えたことを特徴とする半導体デバイス検査装置。
前記電子顕微鏡が、走査型であることまたは透過型であることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス検査装置。
フェムト秒レーザ装置の少なくともレーザ生成部が、前記チャンバーの外部に設けられてなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体デバイス検査装置。