JP2005062132A - 半導体装置の検査方法および検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の半導体解析において外観形状観察だけでは検出することが不可能な、半導体装置内部の欠陥に基づくリーク等の不良箇所を、二次電子像の電位コントラスト差から検出する、荷電粒子ビームおよび集束イオンビームによる半導体装置の検査方法および検査装置を提供する。
【解決手段】 試料表面に荷電粒子ビームを照射して試料表面の各部位の二次電子画像を得る工程と、その画像に基づいて電気特性の不良なパターンを検出する工程を含む。試料のPN特性に応じて選択した荷電粒子ビーム照射によって得られた二次電子像の電位コントラスト差から、半導体装置内部の欠陥に基づくリーク不良箇所を検出する。荷電粒子ビームを選択した場合は入射深度を加速電圧等によって最適化することによって検出が可能になる。集束イオンビームを用いることも可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば荷電粒子ビームおよび集束イオンビームによる半導体装置の検査方法および検査装置に関し、詳しくは半導体装置の製造途中の工程あるいは製造後の評価工程において、プローブの接触なしに、半導体装置上に存在する電気特性の不良なパターンを検出する方法およびその装置に関するものである。

半導体装置の製造工程における解析方法としては、光学顕微鏡あるいは走査型電子顕微鏡を用いて半導体装置の形状異常を検出する方法がある。本方法を用いることによって、製造コストの比較的少ない早期段階で不良半導体装置を除去することが可能になる。

また半導体装置製造後の解析方法としては、まずプローブ接触を伴う電気的測定を行い半導体装置の正常動作を確認することが一般的である。さらに電気的測定で不良が検出された場合は、走査型顕微鏡等を用いて形状観察や二次電子像の電位コントラスト比較を行い不良原因の解明を行う。

半導体装置内部のコンタクト不良を、走査型電子顕微鏡等の二次電子像の電位コントラストの比較によって検出する方法はよく知られている（例えば特許文献１参照）。半導体試料表面に荷電粒子ビームを照射し、得られた二次電子像を比較するものである。この際二次電子放出効率の差によって電位コントラスト差が生じ、電位の低い箇所では二次電子の観測量が多く、白く明度の高い電位コントラストが得られ、電位の高い箇所では二次電子の観測量が少なく、暗く明度の低い電位コントラストが得られるため、良品コンタクトと不良コンタクトとを見分けることができる。
特開平１１−8278号公報（第３頁）

しかし製造工程で検出された形状異常が、最終的な半導体装置の電気的特性不良と必ずしも一致するわけではない。また電気的測定で異常が検出された場合の物理的解析においても同様のことが言える。

走査型電子顕微鏡を用いた物理的不良解析は半導体装置の各部位の形状異常を検出するには適切であるが平面的な解析に偏りがちであり、立体構造に起因した不良の検出は困難である。

試料表面の電位コントラスト差を得るためには、荷電粒子ビームの加速電圧を1kV以下に下げて二次電子放出効率を高めるほうが有利である。しかし、試料表面に酸化膜の層間絶縁膜が露出している場合ではチャージアップが激しく、また試料内部の情報が得にくい。しかしチャージアップを防止するために荷電粒子ビームの加速電圧を15kV程度に上げて二次電子像を得ると、図８(a)に示したように荷電粒子ビームは試料に深く注入されて導電性を帯びてしまい表面の帯電が抑制される。１は層間絶縁膜（酸化膜）、２はコンタクト（正常）部、３はコンタクト（異常）部、５はウエル領域、６は基板、７は素子分離領域、８はリーク箇所、１４はｐ＋活性領域である。

そのため、図８(b)に示したように接合リーク等の基板起因の不良起因の電位コントラストの差の検出は困難であった。

したがって、この発明の目的は、外観形状観察だけでは検出することが不可能な、半導体装置内部の欠陥に基づくリーク等の不良箇所を、二次電子像の電位コントラスト差から検出することができる半導体装置の検査方法および検査装置を提供することである。

請求項１記載の半導体装置の検査方法は、試料表面に荷電粒子ビームあるいは集束イオンビームを照射して試料表面の各部位の二次電子画像を得る工程と、画像に基づいて電気特性の不良なパターンを検出する工程を含むものである。

請求項１記載の半導体装置の検査方法によれば、加速電圧等の調整によって荷電粒子ビームの注入深さを最適化し、試料表面の二次電子像の電位コントラスト差から結晶欠陥起因等のリーク不良箇所の特定が可能になる。あるいは集束イオンビームの照射によって得られた二次電子像の電位コントラスト差からリーク箇所の特定が可能になる。その際に、不良箇所のPN特性に応じて、最適ビームの選択、ビームの加速電圧や試料への印加電圧を調整するのが好ましい。

この結果、外観形状観察だけでは検出することが不可能な、半導体装置内部の欠陥に基づくリーク等の不良箇所を、荷電粒子ビームや集束イオンビームの照射によって得られた二次電子像の電位コントラスト差から検出することができ、荷電粒子ビームの注入深さを最適化することによってリーク箇所起因等のリーク不良箇所の特定を可能にする効果を有する。またプローブを当てることなく不良の検出ができるため、製造中の検査に使用することも可能である。

請求項２記載の半導体装置の検査方法は、請求項１において、荷電粒子ビームが、その注入深さを変化させるものである。

請求項２記載の半導体装置の検査方法によれば、請求項１と同様な効果がある。

請求項３記載の半導体装置の検査方法は、請求項２において、荷電粒子ビームの注入深さを、荷電粒子の加速電圧によって変化させるものである。

請求項３記載の半導体装置の検査方法によれば、請求項２と同様な効果がある。

請求項４記載の半導体装置の検査方法は、請求項１において、試料のＰＮ特性に応じて荷電粒子ビームの注入深さを変化させるものである。

請求項４記載の半導体装置の検査方法によれば、請求項１と同様な効果がある。

請求項５記載の半導体装置の検査方法は、請求項１において、電気特性の不良なパターンが微小リークに起因するものである。

請求項５記載の半導体装置の検査方法によれば、請求項１と同様な効果がある。

請求項６記載の半導体装置の検査方法は、請求項１において、集束イオンビームがガリウムイオンビームである。

請求項６記載の半導体装置の検査方法によれば、請求項１と同様な効果がある。

請求項７記載の半導体装置の検査方法は、請求項１において、Ｐｃｈ特性をもつ試料に対して、荷電粒子ビームを選択することを特徴とするものである。

請求項７記載の半導体装置の検査方法によれば、請求項１と同様な効果のほか、
特にＰｃｈ特性をもつ試料に対しては荷電粒子ビームが有効であり、より明確な不良箇所の特定が可能になる。

請求項８記載の半導体装置の検査方法は、請求項１において、Ｎｃｈ特性をもつ試料に対して、荷電粒子ビームあるいは集束イオンビームを選択することを特徴とするものである。

請求項８記載の半導体装置の検査方法によれば、請求項１と同様な効果のほか、
Ｎｃｈ特性をもつ試料に対しては集束イオンビームが有効であるが、荷電粒子ビームも可能である。

請求項９記載の半導体ウエハの検査装置は、試料表面に荷電粒子ビームあるいは集束イオンビームを照射する手段と、試料表面の各部位の二次電子画像を得る手段と、画像に基づいて電気特性の不良なパターンを検出する手段とを備えたものである。

請求項９記載の半導体装置の検査装置によれば、請求項１と同様な効果がある。

請求項１０記載の半導体ウエハの検査装置は、請求項９において、荷電粒子を照射する手段は荷電粒子ビームの注入深さを変化させるものである。

請求項１０記載の半導体装置の検査装置によれば、請求項９と同様な効果がある。

請求項１１記載の半導体ウエハの検査装置は、請求項９または請求項１０において、荷電粒子ビームの注入深さを、荷電粒子の加速電圧によって変化させるものである。

請求項１１記載の半導体装置の検査装置によれば、請求項９または請求項１０１と同様な効果がある。

請求項１２記載の半導体ウエハの検査装置は、請求項９において、荷電粒子ビームあるいは集束イオンビームを照射する手段が、荷電粒子ビームと集束イオンビームの発生源を併せ持つものである。

請求項１２記載の半導体装置の検査装置によれば、請求項９と同様な効果がある。

請求項１記載の半導体装置の検査方法によれば、加速電圧等の調整によって荷電粒子ビームの注入深さを最適化し、試料表面の二次電子像の電位コントラスト差から結晶欠陥起因等のリーク不良箇所の特定が可能になる。あるいは集束イオンビームの照射によって得られた二次電子像の電位コントラスト差からリーク箇所の特定が可能になる。その際に、不良箇所のPN特性に応じて、最適ビームの選択、ビームの加速電圧や試料への印加電圧を調整するのが好ましい。

この結果、外観形状観察だけでは検出することが不可能な、半導体装置内部の欠陥に基づくリーク等の不良箇所を、荷電粒子ビームや集束イオンビームの照射によって得られた二次電子像の電位コントラスト差から検出することができ、荷電粒子ビームの注入深さを最適化することによってリーク箇所起因等のリーク不良箇所の特定を可能にする効果を有する。またプローブを当てることなく不良の検出ができるため、製造中の検査に使用することも可能である。

請求項２から請求項６および請求項８記載の半導体装置の検査方法によれば、請求項１と同様な効果がある。

請求項７記載の半導体装置の検査方法によれば、請求項１と同様な効果のほか、
試料のＰＮ特性に応じて荷電粒子ビームと集束イオンビームとを選択することで、より明確な不良箇所の特定が可能になる。

請求項９から請求項１２記載の半導体装置の検査装置によれば、請求項１と同様な効果がある。

本発明は、外観形状から検出することが困難な、半導体装置のリークによる不良発生箇所を半導体装置表面の二次電子像の電位コントラスト差から検出しようとするものであり、半導体装置の製造中の欠陥検査や、製造後の不良箇所検出等いずれでも使用が可能である。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態は一つのｐ＋活性領域に接続している孤立のコンタクトを有する試料の解析に本発明を実施した場合について説明する。本実施の形態では荷電粒子ビームを使用する。試料の断面構造を図１(a)に示す。図１(a)はLSIの配線の一部を断面観察したところで、１は層間絶縁膜（酸化膜）、２はコンタクト（正常）部、３はコンタクト（異常）部、４はｐ＋活性領域、５はウエル領域、６はｐ＋基板、７は素子分離領域、８はリーク箇所である。コンタクト２は正常にウエハ導電層と接続しているが、コンタクト３直下には活性領域４にリーク箇所８が存在しているために、ウエル領域５へのリークパスが生じているとする。

試料は製造工程中、製造後のいずれでもよいが、図１（a）に示したように、コンタクト表面が露出した状態で観察する必要がある。

荷電粒子ビームの試料への進入深さは、加速電圧等によって決定される。該当試料表面に高加速電圧15kVの荷電粒子ビームを照射して電荷を注入すると、図８(a)に示したように電荷はウエル領域５をはるかに越えて進入し、電荷が進入した部分は導電性を帯び表面の帯電は抑制されるため、図８(b)のような二次電子像が得られ、リーク不良箇所を検出することができない。

しかし該当試料表面に中加速電圧5kVの荷電粒子ビームを照射して電荷を注入すると、電子の進入深さは500nm以下となり、層間絶縁膜１の表面は電子により帯電を始める。ｐ＋活性領域４は荷電粒子ビームの入射に対して逆バイアスとなるため、層間絶縁膜１表面の負の帯電は加速され白く明度の高い電位コントラストで観察される。

ところが図１（a）に示したように、ｐ＋活性領域４からウエル領域５に至るリーク箇所8があると、コンタクト３を解してウエル領域５に電子が流出する。ウエル領域５はフローティングな状態であり、基板６から試料台へと電子が逃れるため、図１（ｂ）に示したような層間絶縁膜１表面の負の帯電は解消され黒く明度の低い電位コントラストで観察され、不良箇所を検出することが可能になる。

確実にウエル領域５から電子を逃すためには、あらかじめ集束イオンビーム等でウエル領域５を基板６に接地させればよい。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態として、一つのｐ＋活性領域４に接続している二つのコンタクトを有する試料の解析に本発明を実施した場合について説明する。本実施の形態では荷電粒子ビームを使用する。断面構造図２(a)を参照して、ウエハへのリークによる不良発生箇所を半導体装置の表面の二次電子像の電位コントラスト差から検出する方法について説明する。

図２(a)はLSIの配線の一部を断面観察したところで、１は層間絶縁膜（酸化膜）、２ａ、２ｂはコンタクト（正常活性領域上）部、３ａ、３ｂはコンタクト（異常活性領域上）部、４はｐ＋活性領域、５はウエル領域、６はｐ＋基板、７は素子分離領域、８はリーク箇所である。コンタクト２ａ、２ｂは正常な活性領域４と接続しているが、コンタクト３ａ、３ｂが接続している活性領域４にはリーク箇所８が存在しているために、ウエル領域５へのリークパスが生じているとする。

第１の実施の形態と同様に、該当試料表面に中加速電圧5kVの荷電粒子ビームを照射して電荷を注入すると、層間絶縁膜１の表面は電子により帯電を始める。しかしｐ＋活性領域４からウエル領域５に至るリーク箇所８があると２つのコンタクト３ａ、３ｂを介してウエル領域５に電子が流出する。そのため、図２ｂに示したような層間絶縁膜１の表面の負の帯電は解消されコンタクト３ａ、３ｂは黒く明度の低い電位コントラストで観察され、正常活性領域４上にあるコンタクト２ａ、２ｂとの電位コントラスト差が生じ、コンタクトが接続する同一活性領域内の不良箇所を検出することが可能になる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態として、ゲート電極で分離された一つのｐ＋活性領域４に接続している二つのコンタクトを有する試料の解析に本発明を実施した場合について説明する。本実施の形態では荷電粒子ビームを使用する。断面構造図３(a)を参照して、ウエハへのリークによる不良発生箇所を半導体装置表面の二次電子像の電位コントラスト差から検出する方法について説明する。

図３(a)はLSIの配線の一部を断面観察したところで、１は層間絶縁膜（酸化膜）、２ａ、２ｂはコンタクト（正常活性領域上）部、３ａ、３ｂはコンタクト（異常活性領域上）部、４はｐ＋活性領域、５はウエル領域、６はｐ＋基板、７は素子分離領域、８はリーク箇所、９はゲート配線、１０はチャネルである。コンタクト２ａ、２ｂは正常にウエハ導電層と接続しているが、コンタクト３ａ、３ｂが接続している活性領域４にはリーク箇所８が存在しているために、ウエル領域５へのリークパスが生じているとする。

第１の実施の形態と同様に、該当試料表面に中加速電圧5kVの荷電粒子ビームを照射して電荷を注入すると、層間絶縁膜１の表面は電子により帯電を始める。

しかしｐ＋活性領域４からウエル領域５に至るリーク箇所８があるとコンタクト３ｂを介してウエル領域５に電子が流出する。また同時にゲートがオンする状態になるため、コンタクト３ａと形成されたチャネル１０を介しても電子が流出する。その結果図３（ｂ）に示したような層間絶縁膜１表面の負の帯電は解消され黒く明度の低い電位コントラストで観察され、正常活性領域上にあるコンタクト２ａ、２ｂとの電位コントラスト差が生じ、不良箇所を検出することが可能になる。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態として、一つのｎ＋活性領域１１に接続している孤立のコンタクトを有する試料の解析に本発明を実施した場合について説明する。本実施の形態では荷電粒子ビームを使用する。断面構造図４(a)を参照して、ウエハへのリークによる不良発生箇所を半導体装置表面の二次電子像の電位コントラスト差から検出する方法について説明する。

図４(a)はLSIの配線の一部を断面観察したところで、１は層間絶縁膜（酸化膜）、２はコンタクト（正常）部、３はコンタクト（異常）部、５はウエル領域、６はｐ＋基板、７は素子分離領域、８はリーク箇所、１１はｎ＋活性領域である。コンタクト２は正常にウエハ導電層と接続しているが、コンタクト３が接続している活性領域１１にはリーク箇所８が存在しているために、ウエル領域５へのリークパスが生じているとする。

該当試料表面に低加速電圧１kVの荷電粒子ビームを照射して電荷を注入すると、図５(a)に示したように二次電子発生効率が1以上になり、層間絶縁膜１の表面は正に帯電する。ｎ＋活性領域１１からウエル領域５への方向へは順バイアスとなるため、表面が負に帯電する条件では入射した電子はリーク箇所８の有無に関わらず基板６側へ移動してしまう。しかし低加速条件下で大電流を流せば、表面が正に帯電しているため基板６から欠陥８を介してコンタクト３に電荷が供給され、図４（ｂ）に示したように層間絶縁膜１表面の正の帯電は解消され白く明度の高い電位コントラストで観察され、正常活性領域上にあるコンタクト２との電位コントラスト差が生じ、不良箇所を検出することが可能になる。

この方法は荷電粒子ビームの加速電圧を低電圧にするため二次電子像の分解能が落ちることになる。そのため、ルールの厳しい微細デバイスの観察等には不適な場合がある。

（第５の実施の形態）
第５の実施の形態として、一つのｎ＋活性領域に接続している孤立のコンタクトを有する試料の解析に本発明を実施した場合について説明する。本実施の形態ではガリウムイオンの集束イオンビームを使用する。断面構造図６(a)を参照して、ウエハへのリークによる不良発生箇所を半導体装置表面の二次電子像の電位コントラスト差から検出する方法について説明する。

図６(a)はLSIの配線の一部を断面観察したところで、１は層間絶縁膜（酸化膜）、２はコンタクト（正常）部、３はコンタクト（異常）部、５はウエル領域、６はｐ＋基板、７は素子分離領域、８はリーク箇所、１１はｎ＋活性領域である。コンタクト２は正常にウエハ導電層と接続しているが、コンタクト３が接続している活性領域１１にはリーク箇所８が存在しているために、ウエル層へのリークパスが生じているとする。

しかし該当試料表面に集束イオンビームを照射すると、層間絶縁膜１の表面は照射されたガリウムイオンの影響で正に帯電する。ｎ＋活性領域１１からウエル領域５への方向へは逆バイアスとなるため層間絶縁膜１の表面の正の帯電は加速され黒く明度の低い電位コントラストで観察される。

ところが図６(a)に示したように、ｎ＋活性領域１１からウエル領域５に至るリーク箇所８があると、コンタクト３を解して基板６からコンタクト３に電子が供給される。そのため図６（ｂ）に示したように層間絶縁膜１表面の正の帯電は解消され白く明度の高い電位コントラストで観察され、不良箇所を検出することが可能になる。

なおこの際集束イオンビームの電流値を最適化することによって、優位な電位コントラスト差を得、また集束イオンビームの照射による表面破壊を最低限にする必要があるが、二次電子像の分解能は高いため、n＋活性領域１１に対する解析手法としては第４の実施の形態よりも適しているといえる。

また、ｎ+活性領域１１についても、第２の実施の形態および第３の実施の形態と同様のパターンでもリーク不良箇所の検出が可能であるが、ここでは詳細を記すことを省略する。

（第６の実施の形態）
第６の実施の形態として、本発明の荷電粒子ビームおよび集束イオンビームの発生装置を併設した半導体ウエハ検査装置の一実施形態の構成を示す。図７の検査装置において、電子銃21からウエハ２５に向かって荷電粒子ビームを照射しウエハ２５に電荷を注入した後、二次電子を二次電子検出器２３で検出し増幅器２４で増幅し二次電子像を得る。この際に第１の実施の形態、第２の実施の形態、第３の実施の形態および第４の実施の形態に示したように、荷電粒子ビームの加速電圧を変化させてPNそれぞれの特性に応じたリーク箇所の検出が可能になる。

同様に同一装置内のイオン銃２２からウエハ２５に向かって集束イオンビームを照射した後、得られた二次電子を二次電子検出器２３で検出し増幅器２４で増幅し二次電子像を得る。この際に第５の実施の形態に示したようにn＋活性領域１１でのリーク箇所８の検出が可能になる。２６はウエハステージである。

荷電粒子ビームの照射によって得られた二次電子像と集束イオンビームの照射によって得られた二次電子像の電位コントラストは、それぞれ別々に比較してもよいが、両方の差を比較することによって特にPN特性が混在している試料のリーク箇所の分布が明確になる。

また二次電子観測量あるいは電位コントラストのいずれを用いて不良と正常の差を検出するかは、同一の効果をもたらすため、どちらの記述であっても同一の内容であるとする。

本発明の半導体装置の検査方法および検査装置は、外観形状観察だけでは検出することが不可能な、半導体装置内部の欠陥に基づくリーク等の不良箇所を、荷電粒子ビームや集束イオンビームの照射によって得られた二次電子像の電位コントラスト差から検出することができ、荷電粒子ビームの注入深さを最適化することによってリーク箇所起因等のリーク不良箇所の特定を可能にする効果を有する。またプローブを当てることなく不良の検出ができるため、製造中の検査に使用することも可能であるといった効果を有し、荷電粒子ビームおよび集束イオンビームによる半導体装置の検査方法および検査装置に有用である。

本発明の第１の実施の形態を示し、（ａ）は断面模式図、（ｂ）は表面図である。 本発明の第２の実施の形態を示し、（ａ）は断面模式図、（ｂ）は表面図である。 本発明の第３の実施の形態を示し、（ａ）は断面模式図、（ｂ）は表面図である。 本発明の第４の実施の形態を示し、（ａ）は断面模式図、（ｂ）は表面図である。 （ａ）は荷電粒子ビームの加速電圧と二次電子反射効率との関係を示す模式図、（ｂ）は加速電圧に対応する電子ビームの試料内部への飛程イメージ図である。 本発明の第５の実施の形態を示し、（ａ）は断面模式図、（ｂ）は表面図である。 本発明の第６の実施の形態を示す半導体ウエハ検査装置の模式図である。 従来例を示し、（ａ）は断面模式図、（ｂ）は表面図である。

符号の説明

１ 層間絶縁膜
２ コンタクト（正常活性領域上）
２ａ コンタクト（正常活性領域上）
２ｂ コンタクト（正常活性領域上）
３ コンタクト（異常活性領域上）
3ａ コンタクト（異常活性領域上）
3ｂ コンタクト（異常活性領域上）
４ ｐ＋活性領域
５ ウエル領域
６ 基板
７ 素子分離領域
８ リーク箇所
９ ゲート配線
１０ チャネル
１１ ｎ＋活性領域
２１ 電子銃
２２ イオン銃
２３ 二次電子検出器
２４ 増幅器
２５ ウエハ
２６ ウエハステージ

Claims (12)

1. 試料表面に荷電粒子ビームあるいは集束イオンビームを照射して前記試料表面の各部位の二次電子画像を得る工程と、前記画像に基づいて電気特性の不良なパターンを検出する工程を含む半導体装置の検査方法。
2. 荷電粒子ビームは、その注入深さを変化させる請求項１記載の半導体装置の検査方法。
3. 荷電粒子ビームの注入深さを、荷電粒子の加速電圧によって変化させる請求項２記載の半導体装置の検査方法。
4. 試料のＰＮ特性に応じて荷電粒子ビームの注入深さを変化させる請求項１記載の半導体装置の検査方法。
5. 電気特性の不良なパターンが微小リークに起因するものである請求項１記載の半導体装置の検査方法。
6. 集束イオンビームがガリウムイオンビームである請求項１記載の半導体装置の検査方法。
7. Ｐｃｈ特性をもつ試料に対して、荷電粒子ビームを選択することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の検査方法。
8. Ｎｃｈ特性をもつ試料に対して、荷電粒子ビームあるいは集束イオンビームを選択することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の検査方法。
9. 試料表面に荷電粒子ビームあるいは集束イオンビームを照射する手段と、前記試料表面の各部位の二次電子画像を得る手段と、前記画像に基づいて電気特性の不良なパターンを検出する手段とを備えた半導体ウエハの検査装置。
10. 荷電粒子を照射する手段は荷電粒子ビームの注入深さを変化させる請求項９記載の半導体ウエハの検査装置。
11. 荷電粒子ビームの注入深さを、荷電粒子の加速電圧によって変化させる請求項９または請求項１０記載の半導体ウエハの検査装置。
12. 荷電粒子ビームあるいは集束イオンビームを照射する手段は、前記荷電粒子ビームと前記集束イオンビームの発生源を併せ持つ請求項９記載の半導体ウエハの検査装置。

Images