JP2006319022A - Inspection method and inspection device for semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の検査技術に係り、特に、半導体装置における電気的特性不良となる結晶欠陥箇所を検査、解析する検査技術に関する。 The present invention relates to an inspection technique for a semiconductor device, and more particularly to an inspection technique for inspecting and analyzing a crystal defect portion that causes an electrical characteristic defect in a semiconductor device.
半導体デバイスにおいて、素子の微細化、高集積化に伴い、デバイス内部での応力集中が増大する傾向にある。これに伴い、デバイス内部の異種材質の界面では熱膨張率が異なるために、応力集中により結晶欠陥が入りやすくなっている。また、新材料の導入に伴い、例えば、歪Si/SiGe系のデバイスではSiGe層の格子間隔の違いを利用しSi層を歪ませることでキャリアの移動度を上げて高性能化を図っているが、歪応力起因で結晶欠陥が発生しやすくなっている。半導体デバイスの面内に広がるミスフィット転位である結晶欠陥がpn接合の近傍にある場合には、ソースとドレイン間でのリーク電流を誘発し、また、半導体Si基板から半導体デバイスの表面まで伸びた貫通転位である欠陥は、リーク電流を著しく増大させ、半導体デバイスの特性を劣化させる原因と考えられている。 In semiconductor devices, stress concentration inside the device tends to increase with the miniaturization and high integration of elements. Along with this, the thermal expansion coefficient differs at the interface of different materials inside the device, so that crystal defects are likely to occur due to stress concentration. In addition, with the introduction of new materials, for example, strained Si / SiGe-based devices use the difference in lattice spacing of the SiGe layer to distort the Si layer to increase carrier mobility and improve performance. However, crystal defects are likely to occur due to strain stress. When a crystal defect, which is a misfit dislocation extending in the plane of the semiconductor device, is in the vicinity of the pn junction, a leakage current between the source and the drain is induced, and it extends from the semiconductor Si substrate to the surface of the semiconductor device. Defects that are threading dislocations are considered to cause a significant increase in leakage current and deteriorate the characteristics of semiconductor devices.
従来、半導体デバイスの電気特性不良となる結晶欠陥を非破壊で検出する手段として、OBIRCH(Optical Beam Induced Resistance Change)法やEBIC(Electron Beam Induced Current)法がある。OBIRCH法については、「特開平8−255818号」や「特開平9−145795号」に記載されており、光を用い、主に配線の抵抗不良を検査・解析する手法である。 Conventionally, there are an OBIRCH (Optical Beam Induced Resistance Change) method and an EBIC (Electron Beam Induced Current) method as means for non-destructively detecting a crystal defect that causes a defective electrical characteristic of a semiconductor device. The OBIRCH method is described in “JP-A-8-255818” and “JP-A-9-145795”, and is a method of mainly inspecting and analyzing wiring resistance defects using light.
EBIC法は、「電子・イオンビームハンドブック(第3版)、第87〜94頁(平成10年)」に記載されているように、電子ビームによって半導体内に誘起された電流を測定し、結晶欠陥を評価する手法である。電子線をpn接合部に照射した場合、空乏層内で生成した電子・正孔対が接合部の内部電界によってそれぞれ反対の導電型領域に別れて電流が発生し、欠陥部では発生したキャリアが欠陥部で吸収するために、電流が減少する。この電流減少分を評価することにより欠陥を評価している。 The EBIC method measures the current induced in a semiconductor by an electron beam as described in “Electron / Ion Beam Handbook (3rd edition), pp. 87-94 (1998)” This is a method for evaluating defects. When an electron beam is irradiated to the pn junction, an electron / hole pair generated in the depletion layer is divided into opposite conductivity type regions by the internal electric field of the junction, and a current is generated in the defect portion. The current decreases due to absorption at the defect. Defects are evaluated by evaluating the current decrease.
上記のOBIC法も、EBICと同様に、電流変化量を評価することにより結晶欠陥を評価することが出来る。しかしながら、光の光源を用いているために分解能が100nm程度となり、微細な結晶欠陥を評価するには不十分であった。 Similarly to EBIC, the above OBIC method can also evaluate crystal defects by evaluating the amount of current change. However, since a light source is used, the resolution is about 100 nm, which is insufficient for evaluating fine crystal defects.
従来のEBIC法では、試料内部で発生する電流を計測するために、被検査物の表面に金属膜を蒸着させる必要があった。そのため、評価までにおよそ1時間程度を要していた。また、金属膜を透過して半導体デバイスの内部に電子線を到達させる必要があるため、加速電圧を高くしなければならなかった。加速電圧を高く設定した場合、例えば加速電圧5kVの電子ビームを用いた場合には、電子ビームが試料内部で広がるために、分解能は数μmとなる。このように、従来のEBIC法では、微小結晶欠陥を十分に評価することが出来なかった。 In the conventional EBIC method, it is necessary to deposit a metal film on the surface of the object to be inspected in order to measure the current generated inside the sample. Therefore, it took about 1 hour to evaluate. Further, since it is necessary to allow the electron beam to reach the inside of the semiconductor device through the metal film, the acceleration voltage has to be increased. When the acceleration voltage is set high, for example, when an electron beam with an acceleration voltage of 5 kV is used, the resolution becomes several μm because the electron beam spreads inside the sample. As described above, the conventional EBIC method cannot sufficiently evaluate the microcrystal defects.
そこで、本発明の目的は、半導体デバイス内部の電気不良となりうる微小結晶欠陥を、試料作成の時間を短縮して、高い空間分解能で評価できる半導体装置の検査技術を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device inspection technique capable of evaluating a microcrystal defect that may be an electrical failure inside a semiconductor device with a high spatial resolution by shortening a sample preparation time.
上記目的を達成するために、本発明は、下記に示すような特徴を有する。 In order to achieve the above object, the present invention has the following characteristics.
本発明は、電子ビームを試料に照射及び走査し、1本以上の電流検出プローブを用いて、検出用プローブを試料表面に接触することで、従来電流検出のための試料表面の金属膜作成を不要にし、該試料内部で発生する電流を検出する。 The present invention irradiates and scans a sample with an electron beam, and uses one or more current detection probes to make a metal film on the sample surface for current detection by contacting the detection probe with the sample surface. The current generated inside the sample is detected without being required.
このために、数分から数十分での評価が可能となる。さらに、試料表面の金属膜がないために低加速の電子ビームによる評価を可能にし、試料内部の電子ビーム広がりを数十nmに抑制でき、高い空間分解能で微小欠陥を評価できる。 For this reason, evaluation in a few minutes to several tens of minutes is possible. Furthermore, since there is no metal film on the sample surface, evaluation with a low-acceleration electron beam is possible, the electron beam spread inside the sample can be suppressed to several tens of nm, and minute defects can be evaluated with high spatial resolution.
以下、本発明の代表的な構成例を列挙する。 Hereinafter, typical configuration examples of the present invention will be listed.
(1)本発明の半導体装置の検査方法は、半導体装置に電子ビームを照射し走査する工程と、前記電子ビームにより前記半導体装置から二次的に発生する信号を検出する工程と、検出された信号を画像化して、第1の画像として表示する工程と、前記半導体装置内部に前記電子ビームを照射することによりキャリアを発生させる工程と、探針プローブを前記半導体装置に接触させ、前記探針プローブにより前記半導体装置内部で発生したキャリア電流を検出する工程と、検出されたキャリア電流を前記電子ビームの走査と同期させて画像化し、第2の画像として表示する工程とを有し、前記第1の画像および前記第2の画像をもとに、前記半導体装置の欠陥部を評価することを特徴とする。 (1) A method for inspecting a semiconductor device according to the present invention includes: a step of irradiating and scanning an electron beam to the semiconductor device; a step of detecting a signal secondarily generated from the semiconductor device by the electron beam; A step of imaging a signal and displaying it as a first image; a step of generating carriers by irradiating the inside of the semiconductor device with the electron beam; and a probe in contact with the semiconductor device; A step of detecting a carrier current generated inside the semiconductor device by a probe, an image of the detected carrier current in synchronization with scanning of the electron beam, and displaying as a second image. The defect portion of the semiconductor device is evaluated based on the first image and the second image.
(2)本発明の半導体装置の検査方法は、半導体装置に電子ビームを照射し走査する工程と、前記電子ビームにより前記半導体装置から二次的に発生する信号を検出する工程と、検出された信号を画像化して、第1の画像として表示する工程と、前記半導体装置内部に前記電子ビームを照射することによりキャリアを発生させる工程と、前記半導体装置表面に第一の探針プローブを接触させ、前記半導体装置裏面に第二の探針プローブを接触させる工程と、前記第二の探針プローブを接地して、第一の探針プローブにより前記半導体装置内部で発生した第一のキャリア電流を検出するか、または前記第一の探針プローブを接地して、第二の探針プローブにより前記半導体装置内部で発生した第二のキャリア電流を検出する工程と、検出された前記第一または第二のキャリア電流を前記電子ビームの走査と同期させて画像化し、第2の画像として表示する工程とを有し、前記第1の画像および前記第2の画像をもとに、前記半導体装置の欠陥部を評価することを特徴とする。 (2) A method for inspecting a semiconductor device according to the present invention includes: a step of irradiating and scanning an electron beam to the semiconductor device; a step of detecting a signal secondarily generated from the semiconductor device by the electron beam; A step of imaging a signal and displaying it as a first image, a step of generating carriers by irradiating the inside of the semiconductor device with the electron beam, and a first probe probe contacting the surface of the semiconductor device A step of bringing a second probe probe into contact with the back surface of the semiconductor device; and grounding the second probe probe to generate a first carrier current generated inside the semiconductor device by the first probe probe. Detecting or grounding the first probe probe and detecting a second carrier current generated in the semiconductor device by the second probe probe; and Recording the first or second carrier current in synchronization with the scanning of the electron beam and displaying it as a second image, based on the first image and the second image The defect portion of the semiconductor device is evaluated.
(3)前記構成の検査方法において、前記半導体装置を温度可変に制御する工程を含み、前記半導体装置の温度変化に応じて得られる前記第2の画像と前記第1の画像をもとに、前記半導体装置の欠陥部とその欠陥部における欠陥の準位を評価するようにしたことを特徴とする。 (3) In the inspection method having the above configuration, the method includes a step of controlling the temperature of the semiconductor device to be variable, and based on the second image and the first image obtained according to a temperature change of the semiconductor device. A defect portion of the semiconductor device and a defect level in the defect portion are evaluated.
(4)前記構成の検査方法において、前記半導体装置は、半導体基板にpn接合部またはショットキー接合部が形成され、基板内部に電界が形成された構造を有することを特徴とする。 (4) In the inspection method having the above structure, the semiconductor device has a structure in which a pn junction or a Schottky junction is formed in a semiconductor substrate, and an electric field is formed in the substrate.
(5)前記構成の検査方法において、前記第1の画像と前記第2の画像をディスプレイ上で同時に表示するか、または、前記第1の画像と前記第2の画像をディスプレイ上で切り替えて表示するようにしたことを特徴とする。 (5) In the inspection method having the above configuration, the first image and the second image are simultaneously displayed on the display, or the first image and the second image are switched and displayed on the display. It was made to do.
(6)本発明の半導体装置の検査装置は、電子ビームを生成する電子銃と、半導体装置に前記電子ビームを照射し走査する電子光学系と、前記半導体装置を搭載するための試料台と、前記電子ビームの照射により前記半導体装置から二次的に発生する信号を検出するための検出器と、前記半導体装置の表面または裏面に接触させる探針プローブと、前記電子ビームの照射により前記半導体装置内部で励起されて発生するキャリア電流を前記探針プローブで検出し、画像化する手段とを有し、前記二次的に発生する信号による画像および前記キャリア電流量による画像をもとに、前記半導体基板の欠陥部を評価することを特徴とする。 (6) A semiconductor device inspection apparatus according to the present invention includes an electron gun that generates an electron beam, an electron optical system that irradiates and scans the semiconductor device with the electron beam, a sample stage for mounting the semiconductor device, A detector for detecting a signal that is secondarily generated from the semiconductor device by irradiation of the electron beam, a probe probe that is brought into contact with the front or back surface of the semiconductor device, and the semiconductor device by irradiation of the electron beam Means for detecting and imaging a carrier current generated by being excited inside by the probe probe, and based on the image by the signal generated secondarily and the image by the carrier current amount, It is characterized by evaluating a defective portion of a semiconductor substrate.
(7)前記構成の検査装置において、前記半導体装置を温度可変に制御する手段をさらに設けてなることを特徴とする。 (7) The inspection apparatus having the above-described configuration further includes means for controlling the temperature of the semiconductor device to be variable.
(8)前記構成の検査装置において、前記半導体装置は、半導体基板にpn接合部またはショットキー接合部が形成され、基板内部に電界が形成された構造を有することを特徴とする。 (8) In the inspection apparatus having the above configuration, the semiconductor device has a structure in which a pn junction or a Schottky junction is formed in a semiconductor substrate, and an electric field is formed in the substrate.
本発明によれば、半導体デバイス内部の電気不良となりうる微小結晶欠陥を、試料作成の時間を短縮して、高い空間分解能で評価できる。 According to the present invention, it is possible to evaluate a microcrystal defect that may cause an electrical failure inside a semiconductor device with a high spatial resolution by shortening a sample preparation time.
以下、本発明の実施例について、図面に参照して詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof is omitted.
(実施例1)
本実施例では、半導体基板にpn接合トランジスタが形成された半導体装置において、電気特性不良箇所を特定および不良箇所の汚染準位を評価するための検査方法および検査装置について説明する。
Example 1
In this example, an inspection method and an inspection apparatus for identifying a defective portion of electrical characteristics and evaluating a contamination level of the defective portion in a semiconductor device in which a pn junction transistor is formed on a semiconductor substrate will be described.
図2は、本実施例における半導体装置の検査装置の主要部の構成を示す。半導体検査装置は、電子銃1、コンデンサレンズ2ブランキング制御電極3、可動絞り4、偏向器5、対物レンズ6、二次電子検出器7、試料台8、温度制御試料ホルダー9、X−Yステージ10、電流測定探針プローブ11、探針プローブ保持ユニット12、プリアンプ13、アンプ14、信号入力切替スイッチ15、AD変換器16、SEMディスプレイ17、パソコン18、試料交換室(図示していない)、真空排気系20より構成されている。
FIG. 2 shows the configuration of the main part of the semiconductor device inspection apparatus according to this embodiment. The semiconductor inspection apparatus includes an
図2における被検査試料21、探針プローブ11、および探針プローブ電流検出系の拡大図を、図1に示す。
FIG. 1 shows an enlarged view of the
電子ビーム22は、ブランキング制御電極3によって、被検査試料21(ここでは、半導体装置)に照射するタイミングを制御しており、検査を実施する以外の時間には、電子ビームは被検査試料21に照射されないようになっている。被検査試料21に電子ビーム22が照射する際には、偏向器5によって走査スピードや走査領域を制御している。電子ビームの照射エネルギーは1.5kVとした。これにより、電子ビーム22は被検査試料21内部の空乏層までに達し、同時に、被検査試料21内部の電子ビーム飛程は数十nm程度に抑えることが出来る。また、照射する電子ビーム22の電流は、pAオーダーからnAオーダーであり、ここではおよそ300pAの電流に設定した。
The timing of irradiating the sample 21 (in this case, the semiconductor device) with the
探針プローブ11(例えば、同軸シールドプローブ)を被検査試料21の表面に接触させ、電子ビーム22を被検査試料21に照射する。電子線照射により被検査試料21の内部では電子23とホール24とのペアが形成され、空乏層25の電界により電子23はn領域26へ流れ、ホール24はp層27をとおり被検査試料21の基板裏面側へと流れる。被検査試料21の裏面をアースに接地した場合には、閉ループが形成されるために、発生した電子23とホール24のペアのドリフトを電流として検出できる。n層26へドリフトしてきた電子23を探針プローブ11で検出し、探針プローブ11とプリアンプ13を接続するシールドプローブ39を通過して、探針プローブ11直後のプリアンプ13で電圧に変換すると同時に増幅し、フィードスルー28を介して真空チャンバの外へ取り出し、さらに、アンプ14により増幅した後にAD変換器16に入力される。そして、ディスプレイ17またはパソコンモニタ18に表示される。
The probe 11 (for example, coaxial shield probe) is brought into contact with the surface of the
ここでは、被検査試料21をn型の半導体試料として説明しているが、p型の半導体試料であっても検査の対象となる。
Here, although the
電子線画像を表示する場合、電子線ビーム22を被検査試料21に照射して発生する二次電子29を二次電子検出器7で検出し、検出された信号を増幅して、AD変換器16によりデジタル信号に変換し、ディスプレイ17またはパソコンモニタ18に表示する。本装置では、二次電子信号と電気測定探針プローブ11に流れる信号を切り替えるためのスイッチ15をAD変換器16の前に設置し、二次電子信号と探針プローブ11に流れる信号のどちらかを表示するかを、スイッチの切り替えにより、任意に選択できるようにしている。そのため、同一箇所に対して、電子ビーム22を走査しながら二次電子29の信号であるSEM像35と探針プローブ11に流れる信号、すなわち探針電流像36を交互に観察することが可能である。ここでは、探針プローブ11に流れる信号を増幅するプリアンプ13、アンプ14は、応答速度400kHz以上の高速なアンプを用いることで、通常のSEMの走査速度と同等の速度で信号を増幅させることが出来るため、探針電流画像36を表示できる。
When displaying an electron beam image, the
図1に示すように、非検査試料21に電子ビーム22照射すると、非検査試料21内部でキャリア(電子23・ホール24)が発生し電流が流れる。欠陥がある場合には、発生したキャリア(電子23・ホール24)は欠陥部30で再結合する。そのため、探針プローブ11で検出する電流は減少する。この電流信号量の違いにより、正常部31では明るく欠陥部30では暗い画像となる。入力信号のスイッチ15の切り替えをすることにより、SEM画像35と探針電流画像36を表示させ、探針電流像36の暗い箇所をSEM画像35の場所と比較することで、欠陥部30の箇所を特定することが可能となる。
As shown in FIG. 1, when the
本手法では、電子ビーム22の加速電圧を1.5kVの条件に設定し、被検査試料21の内部での電子線の広がりを数十nm程度に制御している。そのため、探針電流像36において欠陥箇所を数十nmオーダーで評価できるようになった。また、従来必要であった被検査試料21表面の金属蒸着をする工程を省き、探針プローブ11の接触で電流信号を計測できるために、数分オーダーでの評価が可能になった。
In this method, the acceleration voltage of the
(実施例2)
本発明の第2の実施例は、上述した実施例1において、電流計測用の探針プローブを2本設けたものである。図3に、電流計測用の探針プローブが2本の場合の概略図を示す。
(Example 2)
In the second embodiment of the present invention, two probe probes for current measurement are provided in the first embodiment described above. FIG. 3 shows a schematic diagram when there are two probe probes for current measurement.
これは、被検査試料21表面に第一の探針プローブ11を接触させ、第二の探針プローブ32を被検査試料21の裏面に接触させる。第一の探針プローブ電流を計測する際には第二の探針プローブ32を接地し、第二の探針プローブ32で電流を計測する場合には第一の探針プローブ11を接地する。また、探針プローブ11とその他の構成については、第1の実施例と同様である。
In this case, the first probe probe 11 is brought into contact with the surface of the
この状態で、第二の探針プローブ32で電流を計測する場合、被検査試料21の裏面から第二の探針プローブ32で検出し、プローブ直後のプリアンプ13で増幅するためにノイズの低い電流を得ることができる。これによって、SNの高い探針電流画像36を得ることが可能となる。従来、被検査試料21の裏面にある試料台8を通して計測した場合には、アンプで増幅されるまでの経路が長いためにノイズがのりやすく、探針電流像36のSNは低いものであった。また、試料台8にノイズがのっている場合にもそのノイズのために、SN比の低い探針電流像36となった。しかし、本実施例によりノイズを減少させることでSNの高い探針電流像36を得ることができ、欠陥検出の感度向上において非常に有効となった。
In this state, when the current is measured by the second probe probe 32, a current with low noise is detected by the second probe probe 32 from the back surface of the
なお、本実施例では、被検査試料である半導体基板を搭載するための試料台において、半導体基板の裏面にプローブを接触させるよう、試料台は凹状の形状、または試料台と半導体基板裏面に非接触領域を有する。また、複数のプローブは、各々独立に駆動可能な保持駆動制御ユニットを有する。 In this embodiment, in the sample stage for mounting the semiconductor substrate which is the sample to be inspected, the sample stage has a concave shape, or the sample stage and the back side of the semiconductor substrate are not in contact so that the probe is brought into contact with the back side of the semiconductor substrate. It has a contact area. Each of the plurality of probes has a holding drive control unit that can be driven independently.
(実施例3)
本発明の第3の実施例は、上述した実施例1、2において、温度制御試料ホルダ9で被検査試料21の温度を可変制御(加熱または冷却)するようにしたものである。その概略図を、図4に示す。
(Example 3)
In the third embodiment of the present invention, the temperature of the
実施例1で説明したように、探針電流像36において正常部では31では明るく欠陥部30では暗い画像になる。低温に冷却した条件下では発生したキャリアの電子23またはホール24は、熱による励起エネルギーが小さいために、深い準位の欠陥34にトラップされる確立は低く、浅い準位の欠陥33にトラップされる確立は高くなる。このため、低温時では、準位の浅い欠陥部33によるキャリアの吸収が大きくなり、低温時の探針電流像37において浅い準位の欠陥部33のコントラストは高く、一方で準位の深い欠陥部34のコントラストは低くなる。高温時では、キャリアの電子23・ホール24の熱エネルギーは高いために、深い準位の欠陥34に吸収される確立が高く、浅い準位の欠陥33に吸収される確立は低くなる。この結果、高温時の探針電流像38において浅い準位の欠陥33のコントラストは小さく、深い準位の欠陥34のコントラストは大きくなる。
As described in the first embodiment, in the probe
この温度特性による探針電流像37、38の評価と二次電子画像35を用いることにより、欠陥箇所とその欠陥箇所における欠陥の準位を把握することが可能となる
なお、上述した実施例1乃至3では、pn接合トランジスタが形成された半導体装置を被検査試料の一例として説明したが、本発明は、これに限らず、ショットキー接合が形成された半導体装置に対しても適用可能である。
By using the evaluation of the probe
以上詳述したように、本発明によれば、半導体デバイス内部の電気不良となりうる微小結晶欠陥を、試料作成の時間を短縮して、高い空間分解能で評価できる。 As described above in detail, according to the present invention, it is possible to evaluate a microcrystal defect that may be an electrical failure inside a semiconductor device with a high spatial resolution by shortening the sample preparation time.
1…電子銃、2…コンデンサレンズ、3…ブランキング制御電極、4…可動絞り、5…偏向器、6…対物レンズ、7…二次電子検出器、8…試料台、9…温度制御試料ホルダ、10…X−Yステージ、11…電流測定探針プローブ、12…探針プローブ保持ユニット、13…プリアンプ、14…アンプ、15…信号切替スイッチ、16…AD変換器、17…SEMディスプレイ、18…パソコン、20…真空排気系、21…被検査試料、22…電子ビーム、23…電子、24…ホール、25…空乏層、26…n層、27…p層、28…フィードスルー、29…二次電子、30…欠陥部、31…正常部、32…第二電流測定探針プローブ、33…準位の浅い欠陥、34…準位の深い欠陥、35…二次電子画像、36…二次電子画像、37…低温時の探針電流像、38…高温時の探針電流像。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
8. The semiconductor device inspection apparatus according to claim 6, wherein the semiconductor device has a structure in which a pn junction or a Schottky junction is formed in a semiconductor substrate, and an electric field is formed inside the substrate. Inspection equipment for semiconductor devices.
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