JP2008304274A - 検査装置、検査方法及び検査装置に用いるプローブユニット - Google Patents

Abstract

【課題】試料の温度調整を局所的に行うことにより、試料ドリフトを抑制することができる検査装置及び検査方法を提供する。
【解決手段】半導体試料１１８を保持する試料ステージ１０９と、半導体試料１１８上の半導体素子の電気特性測定に用いる複数のプローブ１０６と、プローブ１０６に通電する通電手段と、通電手段によりプローブ１０６を介して通電された半導体試料１１８上の半導体素子の電気特性を測定する電気特性測定器１１３と、半導体試料１１８の部分温度を調整するプローブ２０６と、半導体試料１１８に相対してプローブ２０６を駆動するプローブ駆動手段１０８と、プローブ２０６に電流を流して加熱する通電手段とを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体素子の電気特性をプローブを用いて検査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電子ビームテスタや、ＬＳＩ上に形成した特性測定用パッドの位置に合わせて配置された複数のメカニカルプローブ（探針）をその測定用パッドに触針させて、ＬＳＩの電気特性を測定するプローバ装置等の検査装置が知られている。このようなプローバ装置に関わる技術としては、例えば、特許文献１，２及び３に記載のものがある。

特許文献１には、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）の試料室内にプローブ（探針）を設置し、走査電子顕微鏡で測定対象試料である電子素子を観察しながら、プローブの先端をその電子素子の所望箇所に触針させることにより、微細な電子素子の電気特性を計測する不良検査装置が記載されている。

特許文献２には、走査電子顕微鏡を用いた不良検査装置において、プローブ及び試料を載置する試料台のそれぞれを駆動する独立の駆動手段と、プローブと試料台を一体的に駆動するベースステージ駆動手段とを備え、さらに、走査電子顕微鏡画像と配線レイアウトのデータを用いたＣＡＤナビゲーション方式を採用することにより、触針所望箇所の走査電子顕微鏡画像を取得し、プローブの触針を行う不良検査装置が記載されている。

また、特許文献３には、独立して駆動できる複数のプローブの位置や動作等を容易に制御するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を有する不良検査装置が記載されている。

特開平９−３２６４２５号公報 特開２００５−２１００６７号公報 特開２００６−１２５９０９号公報

近年、半導体素子の電気特性評価技術においては、電気回路としての電気特性評価やトランジスタ単体の電気特性評価に加えて、半導体素子の信頼性及び安全性評価のための温度特性評価技術に関するニーズが高まっている。

従来技術による温度特性評価では、測定対象である半導体試料を試料台に固定し、まず、常温時に、先端を半導体試料の測定用パッドに触針させて電気特性を測定した後、プローブ先端を少し離し、次いで、試料全体の温度を調整（加熱又は冷却）して、試料が熱平衡に達した後、プローブの先端を半導体試料の測定用パッドに触針させて電気特性を測定し、その後、プローブ先端を少し離すという作業を繰り返す。

このような温度特性評価においては、温度調整時に、試料台及びプロービング機構等を含む試料室全体の温度を変化させており、この温度変化による試料台及びプロービング機構等の伸縮により試料ドリフトが発生していた。このため、温度調整の度にプローブの触針位置を調整する必要があり非常に手間がかると共に、温度調整から熱平衡に達し試料ドリフトが収束するまでの時間は非常に長く、スループットの悪化を招いていた。スループットを改善するために、試料ドリフト中にプローブを測定用パッドに触針し電気特性を測定することも考えられるが、試料ドリフト中の無理な触針動作は、プローブ先端や試料の測定用パッドの破損や磨耗を引き起こし、プローブ及び測定対象試料の寿命低下の原因となる。また、試料台及びプロービング機構等の加熱による電気的ノイズの増加は、測定精度や測定安定性に悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、試料の温度調整を局所的に行うことにより、試料ドリフトを抑制することができる検査装置及び検査方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、試料を保持する試料ステージと、前記試料の特性測定に用いる１つ又は複数のプローブと、前記プローブを駆動する駆動手段とを備え、前記プローブの温度を調整することにより、前記試料の温度を調整するものとする。

本発明によれば、プローブを加熱または冷却することにより、測定対象試料の温度調整を行うので、その試料の局所的な温度調整が可能となり、試料ドリフトを抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

本発明の第１の実施の形態を図１〜図４を用いて説明する。

図１は、本実施の形態の半導体試料測定方法を用いた不良検査装置の構成例を示した図である。

図１において、本実施の形態の不良検査装置１００は、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：以下ＳＥＭと記載する）１と、試料駆動装置２と、試料測定装置３と、制御システム４と、ＳＥＭ制御用ＰＣ１１７とを備えている。

ＳＥＭ１は、１次電子線１０３を測定対象試料である半導体試料１１８に照射する電子銃を含む電子ビーム光学系１０１と、１次電子線１０３の照射により半導体試料１１８から発生した２次電子１０５を検出する２次電子検出器１０４と、電子ビーム光学系１０１の動作、例えば、電子源の電子ビーム引出し電圧や偏向レンズへの印加電圧などを制御する電子ビーム光学系制御装置１１６とを備えている。本実施の形態の電子ビーム光学系１０１は、１次電子線１０３を測定対象試料上に照射し、かつ走査する照射光学系を形成しており、電子ビームを発生する電子源やビームを走査するための偏向装置、電子ビームを収束するためのレンズ等を含んでいる。

また、本実施の形態の不良検査装置１００は、真空チャンバ１０２内に設けられた試料台１０９に保持された半導体試料１１８の上側及び横側からの画像を取得するための複数の光学顕微鏡又はＣＣＤカメラ（図示せず）等を備えている。

真空チャンバ隔壁１０２は、大気圧の領域と真空の領域を隔てる隔壁である。ＳＥＭ１の電子ビーム光学系１０１の照射部及び２次電子検出器１０４の電子を検出するセンサ部は、真空チャンバ隔壁１０２内に配置されているが、電源及び伝送線が接続される部分は、真空チャンバ隔壁１０２の外部に突き出て配置されている。つまり、ＳＥＭ１の電子ビーム光学系１０１及び２次電子検出器１０４は、真空チャンバ隔壁１０２を貫通するように配置されている。

試料駆動装置２は、半導体試料１１８を保持する試料台１０９と、試料台１０９を保持し、この試料台１０９をＸ，Ｙ（水平）方向へ駆動する試料台駆動手段１１０と、試料台駆動手段１１０を保持し、Ｘ，Ｙ（水平），Ｚ（垂直）方向へ駆動する駆動手段を有するベースステージ１１１と、ベースステージ１１１を保持するベース１１２を備えている。試料台１０９と試料台駆動手段１１０とを合わせて試料ステージと呼ぶ。ベースステージ１１１上には、試料ステージと共にプローブ駆動手段（後述）１０８が保持されており、ベースステージ１１１をベース１１２に対して相対的に駆動することにより、試料ステージとプローブ駆動手段１０８を一体的に駆動することができる。試料ステージ、ベースステージ１１１及びベース１１２は、真空チャンバ隔壁１０２内に配置されている。

試料測定装置３は、半導体試料１１８の所定箇所に触針される複数（例えば６つ）のメカニカルプローブ（図１では２つのみ図示）１０６，２０６（後の図３参照）と、この複数のメカニカルプローブ（以下、単にプローブと記載する）１０６，２０６のそれぞれを保持するプローブホルダである複数（例えば６つ）のアタッチメント１０７と、このアタッチメント１０７のそれぞれを保持し、プローブ１０６，２０６をアタッチメント１０７と共に所望の位置に移動する複数（例えば６つ）のプローブ駆動手段１０８と、プローブ１０６，２０６を介して半導体試料１１８の電気特性を計測する電気特性測定器１１３とを備えている。ここで、プローブ１０６は半導体試料２０１への通電、プローブ２０６は半導体試料２０１の加熱に夫々用いるプローブであり、プローブ２０６は加熱専用のものを用意しても良いが、プローブ１０６と同一構成のものでも良い（プローブ１０６をプローブ２０６として利用することもできる）。本例ではプローブ１０６が４本、プローブ２０６が２本の場合を例示説明するが、本実施の形態では、プローブ１０６，２０６とも複数であれば本数は問わない。即ち、プローブ１０６として２本、３本、或いは５本以上のプローブを用意しても良いし、プローブ２０６として３本以上のプローブを用意しても良い。

プローブ１０６，２０６は、半導体試料１１８の測定用パッド２０２，２０３，２０４，２０５（後の図２参照）などの所定箇所に触針するものであり、このプローブ１０６，２０６を介して半導体試料１１８の電気特性測定を行う（後述）。また、プローブ１０６，２０６は、アタッチメント１０７の全部又は一部と共に取り外し可能となっており、形状や素材の異なる種々のプローブと交換可能である。

プローブ駆動手段１０８は、試料駆動装置２の試料ステージと共に、ベースステージ１１１に保持されている。６つのプローブ駆動装置１０８は、それぞれ、プローブ１０６，２０６をアタッチメント１０７ごとＸ，Ｙ（水平），Ｚ（垂直）方向に駆動する駆動手段である。

試料ステージは、試料台１０９を駆動することにより半導体試料１１８を駆動することができ、プローブ駆動手段１０８は、複数のプローブ１０６，２０６を個別に駆動することができ、ベースステージ１１１は、試料ステージとプローブ駆動手段１０８とを一体的に駆動することができるので、従って、半導体試料１１８とプローブ１０６，２０６の両者を、独立的にも一体的にも駆動することができる。また、試料台１０９を試料台駆動手段１１０によりベースステージ１１１に対して相対的に駆動することにより、６つのプローブ１０６，２０６同士の相対位置を変えることなく半導体試料１１８に対する相対位置を変えることが出来る。

試料測定装置３の電気特性測定器１１３は、真空チャンバ隔壁１０２の外部に設置されており、プローブ１０６，２０６、アタッチメント１０７及び駆動手段１０８は、真空チャンバ隔壁１０２の内部に設置されている。

電気特性測定器１１３は、プローブ１０６，２０６を介して半導体試料１１８の所望の箇所、例えば、測定用パッド２０２，２０３，２０４，２０５（後の図２参照）に電流、電圧を印加する通電手段（図示せず）と、半導体試料１１８の所望の箇所の電流、電圧を検出する検出手段（図示せず）とを有している。試料台１０９及びアタッチメント１０７は、この電気特性測定器１１３に接続されており、電気特性測定器１１３は、通電手段及び検出手段を用いて、主としてプローブ１０６，２０６及びアタッチメント１０７を介して半導体試料１１８の電流電圧特性を計測し、その電流電圧特性を元に所望の特性値を算出する。この特性値は、例えば、プローブ１０６の触針箇所の電流値、電圧値及び抵抗値などである。本実施の形態のように、測定対象試料として半導体試料を用いる場合には、電気特性測定器１１３として、例えば、半導体パラメータアナライザなどが用いられる。電気特性測定器１１３により得られた半導体素子１１８の電流電圧特性の波形及び各特性値（以下、単に電気特性データと記載する）は、伝送線を介して制御システム４の制御コンピュータ１１４に伝送される。

制御システム４は、制御コンピュータ１１４と、記憶手段１１５とを備えている。電気特性測定器１１３で計測され、制御コンピュータ１１４に伝送された半導体試料１１８の電気特性データは、制御コンピュータ１１４に備えられた光学ディスク、ハードディスク又はメモリなどの記憶手段１１５に格納され、制御コンピュータ１１４は、この電気特性を解析することにより半導体試料１１８の測定箇所が不良か正常かなどの判定を行う。また、制御コンピュータ１１４は、不良検査装置１００の全体の動作を制御する役割も果たしており、入力手段により各装置の設定パラメータが設定されたら、記憶手段１１５に記憶したソフトウェアに従って、電子銃制御装置１１６、２次電子検出器１０４、試料ステージ及びベースステージ１１１等の各構成装置を制御する。

ＳＥＭ制御用ＰＣ１１７は、ＳＥＭ１の光学条件、倍率、フォーカス、イメージシフト、ＳＥＭ画像の明るさ、スキャンスピード、アライメント、画像の記録、試料駆動装置２の試料ステージ及び試料測定装置３のプローブ１０６，２０６の位置等をＧＵＩ（Graphical User Interface）操作やキーボードへのコマンド入力により制御するものであり、制御コンピュータ１１４を介して電子銃制御装置１１６に制御信号を伝送することで電子銃１０１を制御し、２次電子検出器１０４で検出した検出信号を取得すると共に、試料台駆動手段１１０、ベースステージ１１１、プローブ駆動手段１０８、光学顕微鏡、ＣＣＤカメラ等の動作を制御する。

図２は、一例として、半導体試料２０１の常温での電気特性を測定する場合のＳＥＭ画像を示す模式図である。

図２において、半導体試料２０１は、ゲート、ソース、ドレイン、ウェルのそれぞれに繋がる測定用パッド２０２，２０３，２０４，２０５を有しており、プローブ１０６は、プローブ駆動手段１０８等により、それぞれの測定用パッドに触針されている。

この状態で、電気特性測定器１１３により測定用プローブ１０６を介して所望の測定用パッドに電圧を印加し、測定用プローブ１０６を介して所望の測定用パッドの電圧や電流を測定することにより、半導体試料２０１の電気特性データを取得する。例えば、ソースに繋がる測定用パッド２０３とドレインに繋がる測定用パッド２０４間に電圧を印加した状態でゲートに繋がる測定用パッド２０２に電圧を掃引し、測定用パッド（ソース）２０３と測定用パッド（ドレイン）２０４の間を流れる電流を測定することにより、あるソース、ドレイン間電圧における、ゲート電圧とドレイン電流の関係を示す波形（電流電圧特性）を得ることが出来る。この電流電圧特性の波形や各特性値などの電気特性データは、電気特性測定器１１３のディスプレイ（図示せず）に表示されると共に、制御コンピュータ１１４に伝送される。

図３は、本実施の形態における温度特性測定時のＳＥＭ画像を示す図である。

図３に示すＳＥＭ画像中には、測定対象である半導体試料２０１の一部と、電気特性測定用の６つのプローブ１０６，２０６とが映されている。このうち、４つのプローブ１０６は、それぞれ、半導体試料２０１の所望の測定用パッドに対して触針されており、その他２つのプローブ２０６は、半導体試料２０１の測定対象部分の近傍において、互いに接して配置されている。このように、２つのプローブ２０６を互いに接する場合、例えば、一方のプローブ２０６の側部に他方のプローブ２０６の先端部を接触させた場合において、電気特性測定器１１３の通電手段により、プローブ２０６に電流を流すと、電流路の断面積が最も小さくなる他方のプローブ２０６の先端部を中心に発熱し、その発熱部からの放射熱により試料２０１の測定対象部分が加熱される。

加熱時の測定対象部分の温度は、例えば、測定箇所の付近に予め設置した熱伝対等の温度測定手段（図示せず）により取得した温度データを基に制御コンピュータ１１４で算出される。このとき、制御コンピュータ１１４は、算出した測定対象部分の温度を温度測定手段と測定対象部分の距離に応じて補正する。プローブ２０６の発熱量の調整は、このようにして算出された実際の測定対象部分の温度と設定の目標温度との偏差が小さくなるようにプローブ２０６に印加する電流量を調整することにより行う。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、図３に示した温度特性評価時の様子を横方向から見た光学顕微鏡像を示す模式図である。

図４（ａ）において、４つのプローブ１０６は、それぞれ、半導体試料２０１の所望の測定用パッドに対して触針されており（図３参照）、その他２つのプローブ２０６は、半導体試料２０１の測定対象部分の近傍において、互いに接し、かつ、一方のプローブ２０６が半導体試料２０１に触針して配置されている。図４（ｂ）においても、図４（ａ）と同様に、４つのプローブ１０６は、それぞれ、半導体試料２０１の所望の測定用パッドに対して触針されており、その他２つのプローブ２０６は、半導体試料２０１の測定対象部分の近傍において、互いに接して配置されているが、２つのプローブ２０６の配置に関しては図４（ａ）と異なり、２つのプローブ２０６のいずれも半導体試料２０１には触針されていない。

以上のように構成した本実施の形態の動作を説明する。

本実施の形態の不良検査装置１００において、測定対象試料の一例として半導体試料２０１を測定する場合、この半導体試料２０１は試料台１０９に保持される。

まず、ＳＥＭ制御用ＰＣ１１７を操作し、光学顕微鏡の低倍率の観察像により半導体試料２０１の測定対象部分と６つのプローブ１０６，２０６を水平方向及び垂直方向の位置関係を観察しながら、６つのプローブ１０６，２０６を水平方向及び垂直方向に駆動し、半導体試料２０１の測定対象部分と６つのプローブ１０６，２０６の相対位置をＳＥＭ１で観察可能な範囲まで近づける。

次に、ＳＥＭ１を用いて、半導体試料２０１の測定対象部分及び６つのプローブ１０６，２０６を観察しながら、例えば、４つのプローブ１０６を半導体試料２０１の所望の測定用パッドに触針させ、２つのプローブ２０６を測定対象部分の近傍において互いに触針させる。このときの２つのプローブ２０６の半導体試料２０１に対する位置は、図４（ａ）で示したように、２つのプローブ２０６のうち一方を半導体試料２０１に触針するか、あるいは、図４（ｂ）で示したように、いずれも触針させないかの何れかである。

この状態で、例えば半導体パラメータアナライザ等の電気特性測定器１１３が有する通電手段により、所望のプローブ１０６を介して半導体試料２０１の測定用パッドに電圧、電流を掃引し、それと同時に所望のプローブ１０６を介して半導体試料２０１の測定用パッドの電圧、電流を測定することにより、常温における半導体試料２０１の電流電圧特性の波形を得る。電気特性測定器１１３は、この電流電圧特性を元に、電流値、電圧値及び抵抗値等の所望の特性値を算出し、この特性値と電流電圧特性の波形を図示しないディスプレイに表示すると共に、伝送線を介して制御コンピュータ１１４に伝送する。制御コンピュータ１１４は、電気特性測定器１１３から伝送された特性値を記憶手段１１５に格納すると共に、この特性値を解析することにより半導体試料２０１の測定箇所が不良か正常かなどの判定を行う。常温における半導体試料２０１の電流電圧特性の測定が終了したら、半導体試料２０１の測定用パッドへの電流、電圧の掃引を停止する。

次に、制御コンピュータ１１４の入力手段を用いて、半導体試料２０１の測定対象部分の温度を設定する。制御コンピュータ１１４は、電気特性測定器１１３の通電手段を制御して、２つのプローブ２０６に通電し、プローブ２０６をジュール熱により加熱させ、その放射熱により半導体試料２０１の測定対象部分を局所的に加熱する。そして、半導体試料２０１の測定対象部分が所望の設定温度に達して安定したら、電気特性測定器１１３は、所望のプローブ１０６を介して半導体試料２０１の測定用パッドに電圧、電流を掃引すると共に、所望のプローブ１０６を介して半導体試料２０１の測定用パッドの電圧、電流を測定することにより、所望の高温時における半導体試料２０１の電流電圧特性の波形を得る。電気特性測定器１１３は、この電流電圧特性を元に特性値を算出し、この特性値と電流電圧特性をディスプレイに表示すると共に、伝送線を介して制御コンピュータ１１４に伝送する。制御コンピュータ１１４は、電気特性測定器１１３から伝送された特性値を記憶手段１１５に格納すると共に、この特性値を解析することにより半導体試料２０１の測定箇所が不良か正常かなどの判定を行う。

このように、半導体試料２０１を局所的に加熱するので、試料全体を加熱する場合と異なり試料駆動装置２及び試料測定装置３の熱膨張による試料ドリフトが抑制される。したがって、プローブ１０６を測定用パッドに触針した状態での温度変調において、試料ドリフトによりプローブ１０６が受ける曲げ力を抑えることができる。よって、プローブ１０６を測定用パッドに触針した状態での温度変調においても、プローブ１０６及び測定用パッドへの負荷を抑制することができる。

以上のように構成した本実施の形態においては、半導体試料２０１の測定対象部分を局所的に加熱することにより、試料駆動装置２及び試料測定装置３の伸縮を抑制することができ、試料ドリフトを抑制しつつ温度変調を行うことができる。これにより、半導体試料２０１の温度変調を行う場合、従来のように試料ドリフトが収束するまでの間に測定を中断する必要が無くなり、試料ドリフトの収束を待っていた従来と比較して、スループットを大幅に改善することができる。

また、試料駆動装置及び試料測定装置などの加熱による電気的ノイズの増加を防止することができ、測定精度や測定安定性を確保することができる。

さらに、半導体試料２０１の所望の箇所を所望の温度で加熱することができるので、半導体試料２０１の所望の箇所に付着したカーボンなどの吸着物を加熱することにより除去することができる。

なお、本実施の形態においては、２つのプローブ２０６を互いに直接接触させ、通電することにより、プローブ２０６を加熱させたが、これに限られず、例えば、２つのプローブ２０６の触針箇所に、プローブ２０６よりも抵抗値の高い抵抗物質を挟みこんでも良い。この場合においても、測定対照資料の測定対象部分を局所的に加熱して温度調整することができ、試料ドリフトを抑制することができる。

本発明の第２の実施の形態を図５を用いて説明する。図中、図３に示した部材と同等の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。本実施の形態は、試料の測定対象部分を加熱する２本のプローブのうちの一方に円環状の先端部を設けたものである。

図５は、本実施の形態における温度特性測定時のＳＥＭ画像を示す図である。図５に示すＳＥＭ画像中には、測定対象である半導体試料２０１の測定対象部分の近傍と、電気特性測定用の４つのプローブ１０６と、加熱用のプローブ２０７とが映されている。図５において、第１の実施の形態と異なる点は、互いに接触させた２本のプローブ２０６の一方を先端部の形状が異なるプローブ２０７に交換した点である。本例では、プローブ２０６，２０７を一対設けた場合を例示するが、プローブ２０６，２０７を複数対設けても良い。

プローブ２０７は、円環状の先端部２０７ａを有している。この先端部２０７ａは、プローブ２０６と比較して高い電気抵抗を有しており、プローブ２０７を試料表面に沿う方向に曲成して形成されている。温度特性測定時、プローブ２０７の先端部２０７ａは、図５に示したようにプローブ２０６の先端と半導体試料２０１の測定対象部分の近傍で互いに接した状態で配置される。このようにプローブ２０６とプローブ２０７を互いに接触させ、電気特性測定器１１３の通電手段によりプローブ２０６及びプローブ２０７に電流を流すと、電気抵抗の大きいプローブ２０７の先端部２０７ａを中心に発熱し、その放射熱により試料２０１の測定対象部分の所望の範囲が加熱される。

その他の構成や電気特性及び温度特性の測定方法は第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。特に本実施の形態においては、プローブ２０７の電気抵抗が高い先端部２０７ａ（つまり発熱部）を試料表面に沿って円環状に延在させたので、第１の実施の形態のように針状のプローブ２０６を複数接触させて発熱させる場合に比べて広い範囲を加熱することができる。これにより、半導体試料２０１の試料ドリフトを抑制しつつも、半導体試料２０１の所望の範囲を平均的に加熱することができる。

なお、本実施の形態においては、プローブ２０７の先端部２０７ａの形状を試料表面に沿った円環状としたがこれに限られず、例えば、試料表面に沿って他の二次元形状に形成しても良い。この場合、他の二次元形状の一例としては、楕円形状、矩形状、或いは特定の測定対象部分の形状（外形線等）に沿った形状等が考えられる。場合によっては、二次元形状に限らず、先端部２０７ａを三次元形状（球状等）に形成することも考えられる。先端部２０７ａを全体に発熱する三次元形状とした場合も、試料表面に対向する発熱面積が第１の実施の形態に比べて大きくなるので、第１の実施の形態に比べて試料の広い範囲を加熱することができる。

本発明の第３の実施の形態を図６を用いて説明する。図中、図３に示した部材と同等の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。本実施の形態は、試料の測定対象部分を冷却するプローブを設けたものである。

図６は、本実施の形態における温度特性測定時のＳＥＭ画像を示す図である。図６に示すＳＥＭ画像中には、測定対象である半導体試料２０１の測定対象部分の近傍と、電気特性測定用の４つのプローブ１０６と、冷却用のプローブ２０８とが映されている。図６において、第１の実施の形態と異なる点は、互いに接触させた２本のプローブ２０６に代えて冷却装置（図示せず）を有するプローブ２０８を備えた点である。

プローブ２０８は、図示しない冷却装置を有しており、半導体試料２０１の測定対象部分の近傍に配置され、或いはその測定対象部分に接して配置されている。この冷却装置は、例えば、ペルチェ素子を用いたものであり、このペルチェ素子に決められた方向の電流を流すことでプローブ２０８を冷却する。ペルチェ素子への通電手段は専用のものを用意しても良いが、プローブ１０６への通電手段で兼用することができる。このプローブ２０８を半導体試料２０１の測定対象部分の近傍に配置、或いはその測定対象部分に接して配置し、電気特性測定器１１３の通電手段により、プローブ２０８の冷却装置のペルチェ素子に電流を流すと、ペルチェ素子によりプローブ２０８が冷却され、このプローブ２０８が接している半導体試料２０１の測定対象部分の近傍が局所的に冷却される。

以上のように構成した本実施の形態においては、半導体試料２０１の測定対象部分を局所的に冷却することにより、試料駆動装置２及び試料測定装置３の伸縮を抑制することができ、試料ドリフトを抑制しつつ温度変調を行うことができる。これにより、半導体試料２０１の温度変調を行う場合、従来のように試料ドリフトが収束するまでの間に測定を中断する必要が無くなり、スループットを大幅に改善することができる。

また、半導体試料２０１の所望の箇所を所望の温度で冷却することができるので、ＳＥＭによる観察中において、電子線１０３により半導体試料２０１の表面や内部から脱離したガス分子をプローブ２０８でトラップすることが可能となる。これにより、ＳＥＭによる観察中において、半導体試料２０１の表面汚染を低減することができ、より長時間の観察を行うことができる。

なお、本実施の形態においては、半導体試料２０１の電気特性測定に４つのプローブ１０６を、半導体素子２０１の冷却に１つのプローブ２０８を用いたがこれに限られず、試料測定装置３で駆動可能な数のプローブの範囲内において、それぞれ、いくつのプローブを用いても良い。また、複数のプローブ２０８を用いて２０１を冷却しても良い。

また、本実施の形態においては、ペルチェ素子をプローブ２０８の冷却に用いたがこれに限られず、例えば、ペルチェ素子に流す電流の方向をプローブ２０８の冷却に使用する場合と逆方向とすれば、プローブ２０８を加熱することができ、この場合は、本発明の第１の実施の形態と同様の効果を得ることが出来る。

本発明の第４の実施の形態を図７を用いて説明する。図中、図６に示した部材と同等の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。本実施の形態は、半導体試料の測定対象部分を冷却するプローブに円環状又は方形状の先端部を設けたものである。

図７は、本実施の形態における半導体素子２０１の測定対象部分の冷却に用いるプローブをＳＥＭ画像中に配置した場合の図である。図７に示すＳＥＭ画像中には、半導体試料２０１、上記第３の実施の形態で説明したプローブ２０８と共に、プローブ２０９及びプローブ２１０とが映されている。プローブ２０９は、半導体試料２０１の測定対象部分を囲むような円環状の先端部２０９ａを有しており、プローブ２０９を試料表面に沿う方向に曲成して形成されている。プローブ２１０は、測定対象部分の形状に沿うような方形状の先端部２１０ａを有しており、プローブ２１０を試料表面に沿う方向に曲成して形成されている。プローブ２０９及びプローブ２１０は、上記第３の実施の形態と同様に、図示しない冷却装置を有しており、この冷却装置は、例えばペルチェ素子を用いたものである。本実施の形態において、第３の実施の形態と異なる点は、プローブ２０８に代えて、プローブ２０９又はプローブ２１０を備えた点である。本例では、プローブ２０９又はプローブ２１０のいずれか一方を設けた場合を例示するが、プローブ２０９とプローブ２１０を同時に設けても良い。

半導体素子２０１の測定対象部分の近傍にプローブ２０９を配置し、或いはその測定対象部分の近傍にプローブ２０９を接して配置し、電気特性測定器１１３の通電手段によりプローブ２０９の冷却装置のペルチェ素子に電流を流すと、ペルチェ素子によりプローブ２０８は冷却され、このプローブ２０９を接している半導体試料２０１の測定対象部分の所望の範囲が局所的に冷却される。また、プローブ２０９に代えてプローブ２１０を半導体素子２０１の測定対象箇所の近傍に接して配置し、電気特性測定器１１３の通電手段によりプローブ２１０の冷却装置のペルチェ素子に電流を流す場合も同様であり、半導体試料２０１の測定対象部分の所望の範囲が局所的に冷却される。

その他の構成や電気特性及び温度特性の測定方法は第３の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。特に本実施の形態においては、プローブ２０９の先端部２０９ａ試料表面に沿って円環状に、プローブ２１０の先端部２１０ａを試料表面に沿って方形状にそれぞれ延在させたので、第３の実施の形態のように針状のプローブ２０８を冷却する場合に比べて広い範囲を冷却することができる。これにより、半導体試料２０１の試料ドリフトを抑制しつつ、半導体試料２０１の所望の範囲を平均的に冷却することができる。

なお、本実施の形態においては、プローブ２０９の先端部２０９ａの形状を円環状とし、プローブ２１０の先端部２１０ａの形状を方形状としたがこれに限られず、例えば、試料表面に沿って他の二次元形状に形成しても良い。この場合、他の二次元形状の一例としては、楕円形状、矩形状、或いは特定の測定対象部分の形状（外形線等）に沿った形状等が考えられる。場合によっては、二次元形状に限らず、先端部２０９ａ、或いは先端部２１０ａを三次元形状（球状等）に形成することも考えられる。先端部２０９ａ、或いは先端部２１０ａを全体に冷却される三次元形状とした場合も、試料表面に対向、或いは接する面積が第３の実施の形態に比べて大きくなるので、第３の実施の形態に比べて試料の広い範囲を冷却することができる。

本発明の第５の実施の形態を図８（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図中、図５及び図７に示した部材と同等の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。本実施の形態は、プローブによる加熱と冷却を同時に用いるものである。

図８（ａ）は、本実施の形態における温度特性測定時のＳＥＭ画像を示す図である。図８に示すＳＥＭ画像中には、測定対象である半導体試料２０１の測定対象部分の近傍と、電気特性測定用の３つのプローブ１０６と、加熱に用いるプローブ２０６，２０７と、冷却に用いるプローブ２０９とが映されている。本実施の形態において、電気特性測定用のプローブ１０６のうちの１つを冷却用のプローブ２０９に交換した点以外は第２の実施の形態と同様の構成である。

プローブ２０７は、上記第２の実施の形態で説明したように、円環状の先端部２０７ａを有しており、プローブ２０７の先端部２０７ａとプローブ２０６の先端を半導体試料２０１の測定対象部分の近傍で互いに接して配置されている。

プローブ２０９は、上記第４の実施の形態で説明したように、円環状の先端部２０９ａを有しており、半導体素子２０１の測定対象部分の近傍に配置されている。

図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した温度特性評価時の様子を横方向から見た光学顕微鏡像を示す模式図である。図８（ｂ）において、プローブ２０６とプローブ２０７は、半導体試料２０１の特定対象部分の近傍で互いに接して配置されており、プローブ２０９は、半導体試料２０１の測定対象部分の近傍で、かつ、プローブ２０７の図示上方に他のプローブに接しないように配置されている。

このように、プローブ２０６、２０７、２０９を配置した場合において、電気特性測定器１１３の通電手段により、プローブ２０６，２０７に電流を流すと、電気抵抗の大きいプローブ２０７の先端部２０７ａを中心に発熱し、その放射熱により試料２０１の測定対象部分の所望の範囲が加熱される。これと同時に、プローブ２０９の冷却装置のペルチェ素子に電流を流すと、ペルチェ素子によりプローブ２０８は冷却され、ＳＥＭによる観察中において、電子線１０３により半導体試料２０１の表面や内部から脱離したガス分子をプローブ２０８でトラップすることが可能となる。

以上のように構成した本実施の形態においては、半導体試料２０１の測定対象部分を局所的に加熱することにより、試料駆動装置２及び試料測定装置３の伸縮を抑制することができ、試料ドリフトを抑制しつつ温度変調を行うことができると共に、ＳＥＭによる観察中において、電子線１０３により半導体試料２０１の表面や内部から脱離したガス分子をプローブ２０８でトラップすることができるので、半導体試料２０１の表面汚染を低減することができ、より長時間の観察を行うことができる。

なお、本実施の形態においては、プローブ２０７の先端部２０７ａ及びプローブ２０９の先端部２０９ａを半導体試料２０１に接しないように配置したがこれに限られず、先端部２０７ａ、先端部２０９ａの何れか片方、或いはその両方が半導体素子２０１の測定対象部分に接するように配置しても良い。

本発明の第１の実施の形態の半導体試料測定方法を用いた不良検査装置の構成例を示した図である。 半導体試料の常温での電気特性を測定する場合のＳＥＭ画像を示す模式図である。 半導体試料の温度特性測定時のＳＥＭ画像を示す図である。 図３に示した温度特性評価時の様子を横方向から見た光学顕微鏡像を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態における温度特性測定時のＳＥＭ画像を示す図である。 本発明の第３の実施の形態における温度特性測定時のＳＥＭ画像を示す図である。 本発明の第４の実施の形態における半導体素子の局所温調（冷却）に用いるプローブをＳＥＭ画像中に配置した場合の図である。 本発明の第５の実施の形態における温度特性測定時のＳＥＭ画像を示す図である。

符号の説明

１ ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）
２ 試料駆動装置
３ 試料測定装置
４ 制御システム
１００ 不良検査装置
１０１ 電子ビーム光学系
１０２ 真空チャンバ隔壁
１０３ １次電子線
１０４ ２次電子検出器
１０５ ２次電子
１０６ プローブ（メカニカルプローブ）
１０７ アタッチメント
１０８ プローブ駆動手段
１０９ 試料台
１１０ 試料台駆動手段
１１１ ベースステージ
１１２ ベース
１１３ 電気特性測定器
１１４ 制御コンピュータ
１１５ 記憶手段
１１６ 電子銃制御装置
１１７ ＳＥＭ制御用ＰＣ
１１８，２０１ 半導体試料
２０２〜２０５ 測定用パッド
２０６〜２１０ プローブ（メカニカルプローブ）

Claims (10)

1. 試料を保持する試料ステージと、
   前記試料上の半導体素子の電気特性測定に用いる複数の検査プローブと、
   前記試料に相対して前記検査プローブを駆動する駆動手段と、
   前記検査プローブに通電する通電手段と、
   前記通電手段により前記検査プローブを介して通電された前記試料上の半導体素子の電気特性を測定する測定手段と、
   前記試料の部分温度を調整する少なくとも１つの変温プローブと、
   前記試料に相対して前記変温プローブを駆動する駆動手段と、
   前記変温プローブの温度を調整する温度調整手段とを備えたことを特徴とする検査装置。
2. 請求項１記載の検査装置において、
   前記温度調整手段は互いに接触させた複数の前記変温プローブに通電する通電手段であることを特徴とする検査装置。
3. 請求項２記載の検査装置において、
   前記複数の変温プローブのうち少なくとも１つは前記試料の表面と沿う方向に曲成された先端部を備えていることを特徴とする検査装置。
4. 請求項１記載の検査装置において、
   前記温度調整手段は、前記変温プローブに接続したペルチェ素子と、このペルチェ素子に通電する通電手段とを備えていることを特徴とする検査装置。
5. 試料を保持する試料ステージと、
   前記試料上の半導体素子の電気特性測定に用いる複数の検査プローブと、
   前記試料に相対して前記検査プローブを駆動する駆動手段と、
   前記検査プローブに通電する通電手段と、
   前記通電手段により前記検査プローブを介して通電された前記試料上の半導体素子の電気特性を測定する測定手段と、
   前記試料を部分的に加熱する少なくとも２つの加熱プローブと、
   前記試料を部分的に冷却する少なくとも１つの冷却プローブと、
   前記試料に相対して前記加熱プローブを駆動する駆動手段と、
   前記試料に相対して前記冷却プローブを駆動する駆動手段と、
   互いに接触させた前記加熱プローブに通電する通電手段と、
   前記冷却プローブに接続したペルチェ素子と、
   このペルチェ素子に通電する通電手段とを備えていることを特徴とする検査装置。
6. 請求項１記載の検査装置において、
   前記検査プローブの一部を前記変温プローブに用いることを特徴とする検査装置。
7. 試料の部分温度調整用の少なくとも１つの変温プローブと、
   前記試料に相対して前記変温プローブを駆動する駆動手段と、
   前記変温プローブの温度を調整する温度調整手段とを備えたことを特徴とするプローブユニット。
8. 試料を保持する試料ステージと、前記試料の半導体素子の電気特性測定に用いる複数の検査プローブと、前記試料に相対して前記検査プローブを駆動する駆動手段と、前記検査プローブに通電する通電手段と、前記通電手段により前記検査プローブを介して通電された前記試料上の半導体素子の電気特性を測定する測定手段とを備えた検査装置を用いた測定方法において、
   前記複数の検査プローブを前記試料の電気特性の測定対象箇所に接触させる手順と、
   前記複数の変温プローブを前記測定対象箇所の近傍で互いに接触させる手順と、
   互いに接触させた複数の前記変温プローブに通電し、前記変温プローブを発熱させ放射熱により前記測定対象箇所を加熱する手順と、
   前記複数の検査プローブを介して前記測定対象箇所に通電し、前記測定対象箇所の電気特性を測定する手順とを有することを特徴とする検査方法。
9. 試料を保持する試料ステージと、前記試料の半導体素子の電気特性測定に用いる複数の検査プローブと、前記試料に相対して前記検査プローブを駆動する駆動手段と、前記検査プローブに通電する通電手段と、前記通電手段により前記検査プローブを介して通電された前記試料上の半導体素子の電気特性を測定する測定手段とを備えた検査装置を用いた測定方法において、
   前記複数の検査プローブを前記試料の電気特性の測定対象箇所に接触させる手順と、
   前記複数の変温プローブを前記測定対象箇所又はその近傍に移動する手順と、
   前記変温プローブに接続したペルチェ素子に通電し、前記変温プローブを冷却することにより前記測定対象箇所を冷却する手順と、
   前記複数の検査プローブを介して前記測定対象箇所に通電し、前記測定対象箇所の電気特性を測定する手順とを有することを特徴とする検査方法。
10. 試料を保持する試料ステージと、前記試料の半導体素子の電気特性測定に用いる複数の検査プローブと、前記試料に相対して前記検査プローブを駆動する駆動手段と、前記検査プローブに通電する通電手段と、前記通電手段により前記検査プローブを介して通電された前記試料上の半導体素子の電気特性を測定する測定手段とを備えた検査装置を用いた測定方法において、
    前記複数の検査プローブを前記試料の電気特性測定対象箇所に接触させる手順と、
    前記試料を部分的に加熱する少なくとも２つの加熱プローブを前記測定対象箇所の近傍で互いに接触させる手順と、
    前記試料を部分的に冷却する少なくとも１つの冷却プローブを前記測定対象箇所の近傍に移動させる手順と、
    互いに接触させた前記加熱プローブに通電し、前記加熱プローブを発熱させ放射熱により前記測定対象箇所を加熱する手順と、
    前記冷却プローブに接続したペルチェ素子に通電し、前記冷却プローブを冷却する手順と、
    前記複数の検査プローブを介して前記測定対象箇所に通電し、前記測定対象箇所の電気特性を測定する手順とを有することを特徴とする検査方法。

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