JP2009277953A

JP2009277953A - 測定方法および検査装置

Info

Publication number: JP2009277953A
Application number: JP2008129011A
Authority: JP
Inventors: Junichi Fuse; 潤一布施; Koichi Kurosawa; 浩一黒澤; Takeshi Sunaoshi; 毅志砂押; Masahiro Sasajima; 正弘笹島
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2009-11-26

Abstract

【課題】
試料の温度を変化させて試料検査を行う場合、チャンバー内にあるホルダ，試料ステージ，プロービング機構全体，試料台などの熱膨張によるドリフトが生じてしまう。この試料ドリフトの影響は、プローブを測定箇所へ接触させる際の大きな障害となる。一方、荷電粒子線を用いた観察では、コンタミネーションが生じることがあり、目的とする測定領域を埋没させてしまうため、プローブによる電気特性測定が困難となる。特に、試料を加熱する場合、試料表面や試料内部に内在するガス分子が発生しやすくなり、コンタミネーションが生じやすくなる。さらに、荷電粒子線を用いた観察では、荷電粒子線照射による熱ダメージの影響で試料の構造が破壊されてしまう場合がある。
【解決手段】
上述の問題点に鑑み、本発明では、局所加熱および冷却を実現出来る機能を有する微小ブロックの集合体を特徴とする試料台を用いて、所望箇所の温度調整を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体等の試料の解析を行う試料検査装置に関し、特に試料の加熱及び冷却を行う試料検査装置に関する。

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、従来は、電子線テスタやプローバテスタ等の検査装置が知られている。

電子線テスタは、被測定点に電子線を照射し、測定点より発生する二次電子の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、プローバテスタは、ＬＳＩの電気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。

例えば特許文献１には、走査形電子顕微鏡（ＳＥＭ）の試料室内にプローブを設置して、微細な電気回路の電気特性を計測することが開示されている。

ところで近年、半導体デバイスの電気特性評価においては、半導体デバイスが温度変化により電気特性を変化するかを評価する信頼性評価が重要となっている。

特許文献２には、ステージにヒーターの機能を持たせ、半導体ウェハ全体を加熱するステージについて開示されている。

特開平９−３２６４２５号公報特開２００１−２２３２４８

しかし、特許文献２の方法では、試料の測定部以外も同様に加熱しているために、チャンバー内にあるホルダ，試料ステージ，プロービング機構全体，試料台などの熱膨張によるドリフトが生じてしまう。この試料ドリフトの影響は、プローブを測定箇所へ接触させる際の大きな障害となる。

一方、荷電粒子線を用いた観察では、試料表面や試料内部に内在しているガス分子および真空中の残留ガス分子が、荷電粒子線照射により重合し試料表面に炭化物が付着する、コンタミネーションと呼ばれる現象がある。コンタミネーションが生じると、目的とする測定領域を埋没させてしまうため、プローブによる電気特性測定が困難となる。

特に、試料を加熱する場合、試料表面や試料内部に内在するガス分子が発生しやすくなる。

さらに、荷電粒子線を用いた観察では、荷電粒子線照射による熱ダメージの影響で試料の構造が破壊されてしまう場合がある。

上述の問題点に鑑み、本発明では、局所加熱および冷却を実現出来る機能を有する微小ブロックの集合体を特徴とする試料台を用いて、所望箇所の温度調整を実現する。

局所加熱および冷却を実現出来る機能を有する微小ブロックを使用することにより、試料ドリフトを低減し、測定箇所へのプローブの触針を容易にする。

また、微小ブロックを加熱または冷却することによりコンタミネーションによる試料汚染や荷電粒子線による熱ダメージの影響を低減する。

図１は、本発明の一実施形態に係る検査装置の模式図である。

電子光学系１０１は、一次電子線１０３を試料に照射し、かつ走査するための照射光学系で形成される。よって、本実施例の電子光学系１０１は、電子線を発生する電子源，電子線を走査するための偏向装置，電子線を収束するためのレンズ等、電子光学系に必要な構成要件を含んでいる。

試料室は、真空チャンバー隔壁１０２により大気圧の領域と真空領域が隔てられている。

電子光学系１０１の各構成要素、例えば電子源の電子線引出し電圧や偏向装置，レンズへの励磁電流などは、電子光学系制御装置１１６により制御される。

一次電子線１０３の照射により試料１１８から発生した二次電子１０５は、二次電子検出器１０４で検出される。

試料の所定領域に触針されるプローブ１０６は、プローブホルダであるアタッチメント１０７によって保持されている。プローブ１０６，アタッチメント１０７は、プローブ駆動手段１０８で特定の位置に移動することができる。

実際に不良検査の対象となる試料１１８は、試料台１０９上に保持される。試料台１０９は、更に試料台駆動手段１１０に保持されており、試料台１０９と試料台駆動手段１１０と合わせて試料ステージと称される。

試料ステージとプローブ駆動手段１０８は、ベースステージ１１１上に形成されている。ベースステージ１１１は、Ｘ，Ｙ（面内），Ｚ（垂直）方向への駆動手段を備えており、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。

このように、ベースステージ１１１上に試料ステージとプローブ駆動手段１０８とを一体形成しており、試料１１８とプローブ１０６の両者を、独立的にも一体的にも移動できるように装置を構成している。

ベースステージ１１１は、更にベース１１２上に配置されている。

試料台１０９およびアタッチメント１０７は電気特性計測器１１３に電流が流れるようになっている。電気特性計測器１１３は、主としてプローブ１０６により検出された試料の電流電圧特性を計測して、そこから特定の特性値を算出する。

例えば、プローブ１０６の触針箇所の抵抗値や電流値，電圧値などである。半導体素子の解析の場合には、電気特性計測器１１３として、例えば半導体パラメータアナライザが用いられる。

電気特性計測器１１３で計測された特性値は、伝送線を介して制御コンピュータ１１４に伝送される。

制御コンピュータ１１４には、光学ディスクやハードディスク，メモリなどの記憶手段が備えられており、測定した電気特性を格納しておくことができる。

また、制御コンピュータ１１４は、不良検査装置全体の動作を制御する役割も持たせることができる。そのため、制御コンピュータ１１４は、接続された各構成部品を制御するソフトウェアを格納するためのメモリ１１５と、装置ユーザが装置の設定パラメータを入力するための入力手段（図示しない）を備える。

入力装置１１７は、電子光学系の光学条件，倍率，フォーカス，イメージシフト，像の明るさ，スキャンスピード，アライメント，画像の記録，ステージおよびプローブの移動等を、Graphic User Interface （ＧＵＩ）操作やコマンド入力により実現する。

試料台１０９は、温度制御装置１１９により温度制御されており、試料１１８の温度を加熱および冷却する動作を制御する役割を果たしている。試料台１０９には、図３に示す機構が設けられている。

図２は、複数のプローブを測定箇所に触針させた模式図である。

電気特性を測定する試料２０１は、例えば半導体素子であり、通常ソース２０３，ドレイン２０４，ゲート２０５，ウェル２０６を有する。これらにつながるプラグにプローブ２０２を接触させ、半導体パラメータアナライザで測定プラグへ電圧を掃引することにより電流電圧特性を検知する。電流電圧特性の波形は半導体パラメータアナライザのディスプレイにデータ値と共に表示される。

図３は本発明における温度調整を行うための試料台３０１を示す模式図であり、図３（ａ）は試料台３０１の上面からの図を示し、図３（ｂ）は試料台３０１の側面からの図である。

試料台はいくつかの微小ブロック３０２に分かれている。微小ブロック同士の熱伝導を抑制するには、微小ブロック３０２で試料台３０１を形成し微小ブロック間に隙間３０３を作ることや、隙間の変わりに断熱材３０４が入る。

これにより隣同士の微小ブロックがそれぞれ加熱および冷却と異なった温度に設定した場合でも、微小ブロック同士が接している場合と比較し微小ブロック間の熱伝導を抑制することが可能となり、各微小ブロックの温度調整を迅速に行うことが可能となる。

また、微小ブロックのベース部分３０５での熱伝導を抑制するために、ベース部分３０５では導電性のある断熱材を使用する。例えば、導電性物質を練りこんだ樹脂などを用いることができる。

図３で表されているブロックは立方体となっているが、ブロックの高さが一定であれば
立方体以外のブロックに代替することも可能である。

微小ブロックの大きさは、半導体の温度特性評価を行う箇所に依存する。半導体特性評価を行う箇所はおおよそ２００μｍの範囲内であるため、微小ブロックは２００〜３００μｍ角のものを使用する。例えば、ペルチェ素子では、ダイシングブレードを用いると、μｍオーダーの熱伝材料の作成が可能である。

図４（ａ）（ｂ）は試料を冷却および加熱させる試料台を示した模式図であり、図４（ａ）は上面図と断面図である。微小ブロックの温度調整にはペルチェ素子を用いる。

微小ブロックはペルチェ素子を断熱材４０１で取り囲んだ状態で形成される。

温度制御装置４０５の命令により配線４０４へ電流を流して、微小ブロックに接触しているペルチェ素子上面４０２を冷却する。その際、放熱側のペルチェ素子下面４０３の影響は断熱材４０１により試料へ直接影響を及ぼすことを抑制している。ペルチェ素子は電流の極性を切り替えることにより加熱および冷却が可能であるため、冷却と同様に微小ブロックを加熱させる際は、ペルチェ素子に流す電流の極性を切り替えてペルチェ素子上面４０２を加熱させる。

図４（ｂ）は、試料を冷却および加熱させる試料台を示した別の実施例の模式図であり、上面図と断面図である。上面から見ると加熱ユニット４０６を断熱材４０８および冷却ユニット４０７で取り囲んだような構造となる。

加熱ユニット４０６および冷却ユニット４０７内には熱を伝えるための配線が組み込まれている。加熱ユニット４０６を加熱する際は、ヒーター線４０９を加熱させることにより行う。その際、ヒーター線４０９の温度管理は温度制御装置４０５で行う。

また冷却ユニット４０７を冷却する際は、液体窒素を液体窒素容器４１１へ注ぎ、冷却ユニット４０７から伸びている熱伝導線４１０を、液体窒素により直接冷却する。若しくは、液体窒素の代わりに、温度制御装置４０５を用いて（加熱用とは別に設けても良い）、温度管理することもできる。

図５は試料に対する局所加熱を示した模式図である。試料台５０１の中にある一つの微小ブロックを加熱することにより、試料５０２へ局所加熱を行った状態でプローブ触針動作が行える。また、図５（ｂ）のように試料台５０１の加熱ブロック５０３と冷却ブロック５０４を組み合わせることにより、加熱ブロックの熱散乱を抑制しながら試料５０２への局所加熱が可能となる。

試料５０２の局所加熱を実現することにより、熱ドリフトを低減し、測定箇所へのプローブ触針動作を容易にし、温度特性評価をスムーズに行うことが可能となる。また、微小ブロックのみを加熱しているため、試料交換の際に試料が冷めるまでの時間を必要とせず、温度特性測定後、直ちに試料の取り出しが可能となり、試料加熱を繰り返すデバイスのサイクル試験や、試料加熱における加速度試験等において、本発明により測定スループットが飛躍的に向上する。

プローブ機能を備えた走査形電子顕微鏡を用いた測定では、電子線が試料へ照射されると、試料表面や試料内部から脱離したガス分子が試料室内へ出てきて試料汚染してしまう現象（コンタミネーション）が起こる。すると、目的とする測定領域を埋没させてしまい電気特性測定が困難となる。

そこで、試料を加熱・冷却機能を有する微小ブロックから成る試料台へ搭載し、試料台の各微小ブロックを冷却することにより、電子線照射時に生じる試料内部から脱離したガス分子を吸着することが可能となり、試料汚染を低減することが出来る。

図６（ａ）はガス分子６０２が微小ブロック６０１に吸着されている様子を示した模式図である。本発明では図６（ａ）のような微小ブロック６０１を使用しているので、微小ブロック６０１の上面だけでなく微小ブロック６０１の側面にもガス分子６０２を吸着することが可能となる。本試料台はいくつもの微小ブロック６０１により形成されているので、表面積が大きく、より多くのガス分子６０２を吸着することが出来る。

また、プローブ機能を備えた走査形電子顕微鏡を用いた測定では、試料へ電子線を照射した際に熱ダメージを生じることがある。

そこで試料台を冷却することにより、電子線による熱ダメージを軽減出来る。図６（ｂ）は電子線６０３を試料に照射した際に生じる熱ダメージ軽減方法を示した模式図である。冷却前の試料台６０５に取り付けた試料６０７は、電子線６０３が照射されると熱ダメージ６０４を生じるが、冷却後の試料台６０６に試料を取り付けて同様に電子線６０３を照射すると熱ダメージ６０４の影響を抑制することが可能となる。

なお、本実施例は、図４（ｂ）のようなブロックを用いることで実現することが可能である。また、測定箇所以外の部分のブロックも冷却すると、ガス分子をより多く吸着することができる。

上記により試料の表面汚染を低減し、また電子線による熱ダメージの影響を抑制することでプローブユニットを備えた走査形電子顕微鏡で安定に電気特性測定を行うことが可能となる。

検査装置の構成を示した模式図。プローブを用いた測定法を示す模式図。温度変化を行うための試料台を示す模式図１。温度変化を行うための試料台を示す模式図２。本試料台における温度変化方法を示す模式図。温度変化を行うための試料台を示す模式図。

符号の説明

１０１電子光学系
１０２真空チャンバー隔壁
１０３一次電子線
１０４二次電子検出器
１０５二次電子
１０６，２０２，５０５プローブ
１０７アタッチメント
１０８プローブ駆動手段
１０９，３０１，５０１試料台
１１０試料台駆動手段
１１１ベースステージ
１１２ベース
１１３電気特性計測器
１１４制御コンピュータ
１１５メモリ
１１６電子光学系制御装置
１１７入力装置
１１８，２０１，５０２，６０７試料
１１９，４０５温度制御装置
２０３ソース
２０４ドレイン
２０５ゲート
２０６ウェル
３０２，６０１微小ブロック
３０３ブロックの隙間
３０４，４０１，４０８断熱材
３０５ベース部分
４０２ペルチェ素子上面
４０３ペルチェ素子下面
４０４配線
４０６加熱ユニット
４０７冷却ユニット
４０９ヒーター線
４１０熱伝導線
４１１液体窒素容器
５０３加熱ブロック
５０４冷却ブロック
６０２ガス分子
６０３電子線
６０４熱ダメージ
６０５冷却前の試料台
６０６冷却後の試料台

Claims

荷電粒子源と、
該荷電粒子源から放出された荷電粒子線を試料に照射する照射装置と、
前記試料を搭載する試料ステージと、
試料室内で試料に触針するプローブと、
前記プローブを保持するプローブ保持機構と、
を有する検査装置において、
前記試料ステージは、複数のブロックから構成され、
当該検査装置は、各ブロックの温度を変化させる機構を有すること
を特徴とする検査装置。
請求項１において、
前記複数のブロックの温度を調整する温度調整機構を有すること
を特徴とする検査装置。
請求項１において、
前記荷電粒子線を照射する領域に近いブロックの温度が、該ブロックに隣接するブロックの温度より高く、若しくは低くすることを特徴とする。
請求項１において、
複数のブロックの間に断熱部材を配置することを特徴とする検査装置。
請求項１において、
前記ブロックは、上面に加熱若しくは冷却する機構を有し、側面が断熱部材で覆われていることを特徴とする検査装置。
請求項５において、
前記ブロックの上面にペルチェ素子を配置したことを特徴とする検査装置。
請求項１において、
前記ブロックは、第１の部材を断熱部材を介して第２の部材が取り囲むように構成され、
前記第１の部材の温度が前記第２の部材の温度と異なることを特徴とする検査装置。