JP2008157650A

JP2008157650A - 試料検査装置及び試料検査方法

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Publication number: JP2008157650A
Application number: JP2006343877A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Suzuki; 浩之鈴木; Masahiro Sasajima; 正弘笹島
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: US20080149848A1; JP4474405B2

Abstract

【課題】試料をヒータで加熱する時、試料及びプローブへのリーク電流を抑制して高感度の電気特性を測定する。
【解決手段】試料２を加熱する試料加熱部を、ヒータ２３と、ヒータを電気絶縁した状態で覆う接地された金属シールド２２と、金属シールドの試料載置側に設けられた絶縁シート２１で構成する。プローブ加熱部も、同様に、ヒータ２８と、ヒータを電気絶縁した状態で覆う接地された金属シールド２７と、絶縁シート２６で構成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、電子素子の微細領域の電気的特性を計測する検査装置及び検査方法に関する。

半導体チップ上に形成された微細な電子回路の電気的欠陥を検出するための検査装置として、従来、電子ビームテスタ（ＥＢテスタ）やプローブ検査装置等の検査装置が知られている。ＥＢテスタとは、被測定点に電子ビームを照射し、測定点より発生する２次電子放出量が測定点の電圧値によって変化することを利用して、ＬＳＩの電気的不良箇所を検出する装置である。また、プローブ検査装置とは、ＬＳＩの特性測定用パッドの位置に合わせて配置された複数のプローブ、あるいはメカニカルプローブを測定パッドやプラグに触針させて、ＬＳＩの電気特性を測定する装置である。これらＥＢテスタやプローブ検査装置においては、装置オペレータが、配線の光学顕微鏡像や走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像等の画像を見ながら、プローブの触針位置をマニュアル作業で確認している。

近年、ＬＳＩ等の半導体素子上に形成される回路パターンは複雑化し、高性能化によって動作周波数が上がり、また使用環境範囲が広がることで、熱への対応に迫られている。そのため、ＬＳＩ試料を加熱し、プローブで直接検査対象に触針してその温度における電気特性を解析することが半導体素子の設計開発時に必要とされている。例えば特開２０００−２５８４９１号公報には、真空内で加熱冷却機構によって試料を加熱しながらプローブ移動機構でプローブを移動させ、試料の電気特性を測定する方法が記載されている。特開平６−７４８８０号公報では、試料を加熱ヒータと間に挟まれる絶縁板との一体構成とすることにより、断熱効率と電気絶縁性を高め、温度制御を容易にしている。絶縁板の厚みを１００μｍ以上とすることで、ヒータからのリーク電流は数十ｐＡオーダーになると記載されている。特開２００４−２２７８４２号公報には、試料を加熱するとともにプローブも加熱し、両者をほぼ同じ温度にすることが記載されている。

特開２０００−２５８４９１号公報特開平６−７４８８０号公報特開２００４−２２７８４２号公報

近年のＬＳＩ等の半導体素子上に形成される回路パターンは微細化また複雑化し、セル単位での高感度の不良解析が必須となっている。特開２０００−２５８４９１号公報に記載の方法では、ヒータなどの加熱冷却機構に試料を直接設置するだけでは、ヒータからのリーク電流によりｐＡ（ピコアンペア）以下の高精度の電気特性を測定することは困難である。また、この方法に従ってＳＥＭなどで観察する数十ｎｍオーダーの試料上の微細な領域にプローブを接触させようとすると、加熱による温度変化や温度差によりドリフトが発生し、触針位置がずれる問題やプローブ先端に損傷を与える危惧があり、目的とする電気特性を正しく測定することはできなかった。また、被検ＬＳＩなどにプローブを直接接触させ、被検ＬＳＩを高クロックで動作させると、素子から大量の熱が発生する場合があり、この温度差により数百ｎｍ（ナノメートル）のドリフトが発生し、プローブ先端が破損することが多かった。特開平６−７４８８０号公報の方法は、試料、ヒータ、絶縁板が一体形成であるため、試料毎に一体形成したヒータ部を製作しなければならない。また、近年の微細化した半導体回路パターンでは、高感度測定を行うための許容されるリーク電流はｐＡ以下になっている。絶縁板の厚みを増やすことでリーク電流を抑えることも考えられるが、その場合には、熱効率が劣化し、さらに温度制御が困難となり、高感度の電気特性を測定できなくなる。また、特開２００４−２２７８４２号公報では、プローブに電気的特性を測る部材としての電気的な絶縁対策がされていないので、温度可変機構にヒータを使用した場合、高精度に電気特性を測定することができない。

本発明の目的は、プローブ検査装置などの、ＬＳＩ等に直接触針して電気特性を高感度に測定する検査装置において、試料及びプローブをヒータで加熱した場合に、ヒータから試料又はプローブへのリーク電流を抑制して高感度の電気特性を測定することを可能にすることにある。本発明の他の目的は、熱によって試料位置の変化が生じてもプローブを破損することなく、操作性よく信頼性の高い測定を行うことのできる検査装置を提供することである。

本発明では、試料ステージに設けられたヒータの発熱を、ヒータを電気絶縁した状態で覆う接地された金属シールドと、金属シールドの試料載置側に設けられた絶縁シート等の絶縁部材とを介して伝熱することによって、試料の加熱を行う。また、ヒータの発熱を、ヒータを電気絶縁した状態で覆う接地された金属シールド、及び金属シールドのプローブ側に設けられた絶縁シート等の絶縁部材を介して伝熱することによってプローブを、加熱する。

また、微細な回路配線パターンを有する試料の自己発熱による膨張を試料の高さを監視することによって検出し、自己発熱による試料の高さ変化が検出されたとき、プローブを退避させる制御を行うことによってプローブの損傷を防ぐ。

本発明によれば、試料を加熱して試料の温度電気特性を測定する場合に、ヒータから試料へのリーク電流を抑制することができ高感度な検査を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。検査装置の一例として、ここでは電子線を用いたＳＥＭ式検査装置の例を述べる。

図１に、ＳＥＭ式検査装置の主要部の縦断面図を示す。この検査装置は、半導体素子上に形成される回路パターンに直接プローブを接触させ、回路の論理的な動作や電気特性を測定する。図１に示すＳＥＭ式検査装置１は、試料室７内に、試料２を載置するステージ５とプローブユニット３３を載置するプローブステージ６を備える。本実施例では、プローブステージ６は３個以上のプローブユニット３３を搭載できる。試料室７の筐体には、試料２の検査のために、試料２に対向してＳＥＭ（走査型顕微鏡）あるいはフォーカスイオンビーム（ＦＩＢ）などのイオンポンプ４４を備えた電子光学系（荷電粒子装置）４が設けてある。ＳＥＭなどの電子光学系４で取得した電気信号は、制御系１６を介してディスプレイ装置１４の画像表示部１５に画像が表示される。

ステージ５は、試料を載置する３軸（ｘｙｚ）の移動方向を持った小ステージ３７と、これを載置する２軸（ＸＹ）の移動方向を持った大ステージ３６を備える（図２参照）。プローブユニット３３は、３軸（ｐｘ，ｐｙ，ｐｚ）の移動方向を持つピエゾ素子を動力としたプローブステージ６と、プローブ３を把持するプローブホルダ３１と、これを保持すると共に加熱を行うプローブ加熱部３０を備え、プローブユニットベース３８を介して大ステージ３６に連結されている。プローブユニット３３は、図示しないｐｘ，ｐｙ，ｐｚテーブルを備え、三次元方向へプローブ３を移動させることができる。同様に、小ステージ３７も図示しないｘ，ｙ，ｚテーブルを備え、三次元方向へ試料２を移動させることができる。また大ステージ３６を、Ｘ，Ｙの二次元方向へ移動することで、プローブステージ６と小ステージ３７も同時にＸ，Ｙ方向に移動できる。

試料室７の上面には、電子光学系４と試料２上の焦点位置（高さ）を測定するように配置されたレーザフォーカス式のＺセンサ９が設けられている。試料室７には、制御部１６又は電源部１３からのプローブステージ６の動作を制御する信号及び動力と、小ステージ３７の動作を制御する信号と動力を外部から送るために、フィールドスルー３４が設けられている。試料室７はターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）１１及びこれに連結されたドライポンプ（ＤＰ）１２に接続され、ディスプレイ装置１４のユーティリティにより制御部１６からの信号により真空排気がなされる。試料室７の筐体は、一点鎖線で示す除振機能を有した架台３５によって支持される。

検査装置１は、画像表示部１５及び制御部１６を備えたディスプレイ装置１４を備え、操作情報が制御部１６で制御信号に変換され、プローブ及びステージ操作信号としてプローブステージ６及びステージ５の制御がなされる。

図３に、プローブユニット３３及び試料ホルダ２０の周辺の詳細を示す。プローブユニット３３のプローブ加熱部３０は、熱的な絶縁を行う絶縁ベース２９と、熱伝導に優れた金属シールド２７と、その内部に組み込まれたヒータ２８、電気的な絶縁性と熱伝導に優れた絶縁シート２６の構成になっている。同じく試料加熱部８も、熱的な絶縁を行う絶縁ベース２４と、熱と電気伝導に優れた金属のシールド２２と、その内部に組み込まれたヒータ２３、さらに電気的な絶縁性と熱伝導に優れた絶縁シート２１の構成になっている。プローブ加熱部と試料加熱部の各ヒータ、シールド、絶縁ベース、絶縁シートはその熱容量により材質及び形状と厚さが最適化されている。

例えば絶縁シートに膜厚２５μｍのポリイミドシートを用いた場合、熱量４５Ｗのヒータに対して、厚さ２．５ｍｍの金属シールドが用いられる。プローブユニットヘッド２５及び試料ホルダ２０下部には温度センサ３２を含み、その温度情報はフィールドスルー３４を通して制御部１６へ伝達され、加熱部電源のヒータ制御に用いられる。制御部１６は、試料ホルダ２０に設けられた温度センサ３２からの情報と、プローブユニットヘッド２５に設けられた温度センサ３２からの情報を用いて、試料２とプローブ３の温度が同じになるようにヒーター２３，２８を制御する。

プローブ３からの電気信号はフィールドスルー３４を介して例えば半導体パラメータアナライザなどの電気特性評価部１０へ送られる。プローブからの信号はここで解析され、電気特性評価部１０又は画像表示部１５に結果がグラフや表として数値が表示される。検査装置１で、試料２の高感度の電気特性を測定するには、各プローブユニット３３のプローブ３の独立した電気的絶縁性と試料２の電気的絶縁性すなわち試料ホルダ２０をフローティングにする必要がある。

本発明では、図４にタイプＡとして示すように、例えば試料加熱部８の構造では、ヒータからのリーク電流を抑えるために、ヒータ２３を熱と電気伝導に優れた銅の金属シールド２２で覆い、このシールド電位を接地させリーク電流を遮断した。ヒータ２３と金属シールド２２の間は電気絶縁されている。また試料２と金属シールド２２の間に、電気的な絶縁性と熱伝導に優れたポリイミド系やシリコン系のシートなどの絶縁シート２１を介在させ、熱伝導は維持しながら試料３の絶縁性を確保し、ヒータ２３からのリーク電流を抑えている。また、プローブ加熱部と試料加熱部の各ヒータ、シールド、絶縁ベース、絶縁シートは、その熱容量やタイプにより材質及び形状と厚さが最適化されている。

例えば本実施例では、絶縁シート２１として膜厚２５μｍ、面積２０×２０ｍｍのポリイミドシートを用いた場合、熱量４５Ｗのヒータ２３に対して、厚さ２．５ｍｍの金属シールド２２を用いることで、リーク電流を１００ｆＡオーダーに抑えることに成功した。これは、プローブ加熱部３０でも同様である。

本実施例のリーク電流測定値を図５に示す。横軸が温度、縦軸がリーク電流を示す。本実施例をタイプＡとし、図４に示したように、絶縁材４５でヒータからのリーク電流を遮断した従来例の構造のものをタイプＢとして、比較実験を行ったものである。絶縁にはポリイミドの同一素材を使用した）。従来例であるタイプＢでは、温度が上昇すると、リーク電流がｐＡ（ピコアンペア）からｎＡ（ナノアンペア）のオーダーへ増えてしまうのに対し、本実施例であるタイプＡは、温度が上昇してもリーク電流は１００ｆＡ（フェムトアンペア）オーダーであり、ほとんど増えていない。

このように、本発明の構造の試料加熱部及びプローブ過熱部を用いることにより、試料をヒータで加熱した場合に、試料及びプローブへのリーク電流が無く、高感度の電気特性を測定することができる。

図６は、本発明の検査装置の他の実施例を示す要部概略図である。本実施例の検査装置は、試料２とプローブ３を同一温度に制御する機構に加えて、プローブ退避機構を備える。試料に通電する等により試料２が急激に発熱し、試料２が熱膨張によりドリフトした場合、試料２の高さをＺセンサ９で検出し、また試料温度を放射温度計のような温度センサ４３で検出し、ステージ又はピエゾ素子を動力としたプローブステージ６で、プローブを矢印で示すように上方に高速移動させて退避させる。試料が発熱する場合、一般的に熱膨張で試料がドリフトするまでに時間的な遅れがあるため、本実施例では、単位時間当たり（１ｋＨｚ）の高さ変化と同じく単位時間当たり（１ｋＨｚ）の温度変化を制御部１６で監視し、まず予め設定された温度変化（０．１℃／０．００１秒）で退避シーケンス動作に入る。例えば、急激な高さ変化（０．１μｍ／０．００１秒）が起こると、プローブステージ６で、プローブを矢印で示すように上方にＺセンサ９で検出した高さ変化量分、０．１μｍづつ高速移動させて退避させる。また高さ変化が緩やか（０．１μｍ／０．１秒）な場合は、同様に試料ステージ３７で０．１μｍづつ退避する。

図６中の１９は試料中の発熱源を摸式的に示したものであり、１７は発熱による試料の熱膨張を摸式的に示したものである。なお、プローブステージ６を駆動する代わりに、試料ステージを矢印で示すように下方に駆動して試料２をプローブ３から離すようにしてもよい。Ｚセンサ９には、例えばレーザ光３９を試料表面に照射し、レーダと同じ原理によって試料表面までの距離を計測するセンサを用いることができる。

本実施例では、１ｋＨｚ（０．００１秒）の温度変化に追従することが可能である。このようにプローブ退避機構を備え、急激な温度変化による試料のドリフト変化を自動的に補正しキャンセルすることで、プローブの破損が無く、信頼性が高い測定が可能となり、検査装置の操作性を向上することができる。また、試料の温度が自己発熱で変化した場合、試料の加熱設定温度も制御部１６で自動的に補正されることは言うまでもない。

図７に、プローブ退避制御の一例のフローチャートを示す。温度センサ４３により試料２の温度を測定し（Ｓ１１）、試料の自己発熱に起因する温度上昇があるか否かを監視する（Ｓ１２）。試料の自己発熱による温度上昇は、急激な試料温度の上昇となって表れるので容易に判定することができる。試料の自己発熱に起因する温度上昇があった場合、Ｚセンサ９によって試料の高さ位置を測定し（Ｓ１３）、前記退避シーケンス動作を行う補正値を演算する（Ｓ１４）。演算された補正値は、高さ変化率によりステージ又はプローブステージを移動させることにより、プローブ３の過剰な接触を退避させる（Ｓ１５）。

ここで、ステップ１４における補正値の演算について説明する。本実施例では、試料温度上昇に対応するために２つの方式を用いる。それは、プローブステージでは高速退避が可能であるが、ストロークが５μｍ程度と少ないため、大きな変化に対応できないこと、一方、試料ステージはｍｍオーダーのストロークがあるがプローブステージに比べて応答が遅いためである。具体的には、試料高さに１ｋＨｚ（０．００１秒）当たり０．１μｍ以上の変化があったときには、プローブステージを移動し退避する。また、試料高さに１Ｈｚ（１秒）当たり１μｍ以上の変化があったときには、試料ステージを移動退避する。論理計算のサンプリング間隔（計算間隔）は１ｋＨｚである。補正値は、試料温度上昇のパターンにより論理計算される。

本実施例では、０．００１秒間隔でデータを取得し、監視しているが、試料高さに０．００１秒間に０．１μｍ以上の変化があったときに、プローブステージをその変化量に応じて退避する。また、その変化率が１秒あたり１μｍ以上変化したときは、試料ステージをその変化量に応じて退避する。

図８は、本発明の検査装置の他の実施例を示す概略図である。本実施例では、図１に示した実施例の電気特性評価部１０の代わりに微小信号増幅部４２を具備する。プローブ３からの電気信号は微小信号増幅部４２を介して制御部１６に送られ、画像表示部１５に電子光学系４からのＳＥＭ画像と同期して画像表示される。プローブ３からの電気信号に基づく画像は、電子光学系４による電子線走査に同期してプローブ３からの電気信号（電子線吸収電流）の強弱を画像化して表示することによって得られる。

その結果、図９に示すように、画像表示部１５に電子線吸収電流像４６が表示され、電気回路の不良箇所を、画像の濃紺（階調）により判別することができる。図９では、試料２のパッド部４５にプローブ３を接触させ、電子線４７で試料を走査したときの電子線吸収電流像４６が示されている。プローブからの電気信号を画像化して表示する方法については、例えば特開２００５−３４７７７３号公報に記載されている方法を用いることができる。

本発明によるＳＥＭ式検査装置の主要部の概略図。大小ステージ、プローブステージの移動座標系の図。本発明によるＳＥＭ式検査装置の試料及びプローブ加熱部の構成を示す概略図。試料加熱部の構成を示した略図。本発明の実施例と従来例の電気特性を示す図。プローブ退避機構を示す断面図。プローブ退避制御のフローチャート。本発明の他の実施例の概略図。本発明の他の実施例の概略図。

符号の説明

１…検査装置
２…試料
３…プローブ
４…電子光学系
５…ステージ
６…プローブステージ
７…試料室
８…試料加熱部
９…Ｚセンサ
１０…電気特性評価部
１１…ターボ分子ポンプ
１２…ドライポンプ
１３…電源部
１４…ディスプレイ装置
１５…画像表示部
１６…制御部
２０…試料ホルダ
２１…絶縁シート
２２…シールド
２３…ヒータ
２４…絶縁ベース
２５…プローブユニットヘッド
２６…絶縁シート
２７…シールド
２８…ヒータ
２９…絶縁ベース
３０…プローブ加熱部
３１…プローブホルダ
３２…温度センサ
３３…プローブユニット
３５…架台
３６…大ステージ
３７…小ステージ
３８…プローブユニットベース
４２…微小信号増幅部
４３…温度センサ
４４…電子線
４５…絶縁材
４７…電子線

Claims

試料室と、
前記試料室内に設けられ、回路配線パターンを備えた試料を載置する試料ステージ及び前記試料ステージに載置された試料に触針するプローブを備えたプローブユニットと、
試料に電子ビームを照射する電子光学系とを有し、
前記試料ステージは、ヒータと、前記ヒータを電気絶縁した状態で覆う接地された金属シールドと、前記金属シールドの試料載置側に設けられた絶縁部材とを有し、試料を加熱する試料加熱部を有し、
前記試料ステージに載置された試料を前記試料加熱部によって加熱しながら前記プローブユニットのプローブを試料に触針させて試料の回路配線パターンの電気特性を測定することを特徴とする検査装置。
請求項１記載の検査装置において、前記プローブユニットは、ヒータと、前記ヒータを電気絶縁した状態で覆う接地された金属シールドと、前記金属シールドのプローブ側に設けられた絶縁部材とを有し、前記絶縁シートを介して前記プローブを加熱するプローブ加熱部を有することを特徴とする検査装置。
請求項１又は２記載の検査装置において、前記絶縁部材は絶縁シートであることを特徴とする検査装置。
請求項１又は２記載の検査装置において、前記絶縁部材はポリイミドからなることを特徴とする検査装置。
請求項１又は２記載の検査装置において、前記試料ステージに載置された試料の高さを測定するＺセンサ及び試料の温度を測定する温度センサを有し、試料の温度変化による試料の高さの変化を前記試料ステージ又は前記プローブユニットによるプローブの移動によりキャンセルすることを特徴とする検査装置。
請求項１又は２記載の検査装置において、前記電子光学系は電子ビームによって試料を走査し、前記プローブによって検出した電流強度を前記電子ビームの走査に同期して出力し、画像化して表示すること特徴とする検査装置。
請求項２記載の検査装置において、前記試料加熱部の温度と前記プローブ加熱部の温度を監視し、両者が同一温度になるように制御することを特徴とする検査装置。
試料ステージに設けられたヒータの発熱を、前記ヒータを電気絶縁した状態で覆う接地された金属シールド及び前記金属シールドの試料載置側に設けられた絶縁部材を介して伝熱することによって、試料ステージに載置された回路配線パターンを有する試料を加熱し、
前記試料にプローブを接触させ、
前記試料を電子ビームで走査し、
前記プローブによって検出された電流強度を前記電子ビームによる走査に同期して出力し、画像化して表示することを特徴とする試料検査方法。
請求項８記載の試料検査方法において、ヒータの発熱を前記ヒータを電気絶縁した状態で覆う接地された金属シールド、及び前記金属シールドの前記プローブ側に設けられた絶縁部材を介して伝熱することによって前記プローブを加熱することを特徴とする試料検査方法。
請求項８記載の試料検査方法において、所定のサンプリング間隔で試料の温度と高さを測定し、試料の自己発熱による温度上昇を検知したとき退避シーケンスを開始し、試料の高さ変化率が予め設定した値以上のときは前記プローブを退避方向に移動させ、前記高さ変化率が予め設定した値より小さいときは前記試料ステージを退避方向に移動させることにより、前記試料の自己発熱による試料の高さの変化を前記試料ステージ又は前記プローブの移動によりキャンセルすることを特徴とする試料検査方法。