JP2012079939A - 解析装置、解析方法、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】静電解析装置、静電解析方法、及び半導体装置の製造方法において、解析時の空間分解能を向上させること。
【解決手段】半導体装置３に電子線EBを照射し、半導体装置３の周囲に静電界Eを発生させるステップP1と、半導体装置３の表面から間隔をおいてセンサ１３を配し、半導体装置３とセンサ１３とを相対的に移動させることにより、センサ１３により静電界Eの強度の空間分布を取得ステップP2と、上記の空間分布を画像化することにより、静電界Eの画像IM_Eを作成するステップP3とを有する解析方法による。
【選択図】図７

Description

本発明は、解析装置、解析方法、及び半導体装置の製造方法に関する。

LSI等の半導体装置の製造工程では、製造途中や製造後において半導体装置の欠陥が解析される。

欠陥の解析に使用される手法としては、レーザ光により半導体装置を加熱したときに配線の抵抗が変化する様子を可視化するOBIRCH (Optical Beam Induced Resistance Change)法がある。

また、半導体装置にレーザ光を照射し、それにより発生した電子・正孔対を電流として観測することで欠陥を解析する方法もある。この方法は、OBIC (Optical Beam Induced Current)法とも呼ばれる。

更に、レーザの照射により配線の閉ループから発生する磁場を検出するレーザスクイッド（Laser SQUID）法や、半導体装置にパルス状のレーザ光を照射した際に生じる電磁波を検出するテラヘルツ解析法等もある。

そのような解析方法では、半導体装置にダメージを与えないために非接触で欠陥を発見し、かつ、空間分解能を向上させて微細な欠陥を見逃さないようにするのが好ましい。

特開平６−３００８２４号公報 特開平５−２０３８７７号公報

二川 清、「光を用いたLSIの故障解析技術」、日本信頼性学会誌「信頼性」、Vol. 26, No. 1, pp. 28-36, 2004

解析装置、解析方法、及び半導体装置の製造方法において、解析時の空間分解能を向上させることを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、検査対象物に電子線を照射し、前記検査対象物の周囲に静電界を発生させるステップと、前記検査対象物の表面から間隔をおいてセンサを配し、前記検査対象物と前記センサとを相対的に移動させることにより、前記センサにより前記静電界の強度の空間分布を取得ステップと、前記空間分布を画像化することにより、前記静電界の画像を作成するステップとを有する解析方法が提供される。

また、その開示の別の観点によれば、半導体装置に電子線を照射し、前記半導体装置の周囲に静電界を発生させるステップと、前記半導体装置の表面から間隔をおいてセンサを配し、前記半導体装置と前記センサとを相対的に移動させることにより、前記センサにより前記静電界の強度の空間分布を取得ステップと、前記空間分布を画像化することにより、前記静電界の画像を作成するステップとを有する半導体装置の製造方法が提供される。

更に、その開示の他の観点によれば、検査対象物に電子線を照射する電子線源と、前記検査対象物を載置するステージと、前記検査対象物の表面から間隔をおいて設けられ、前記電子線の照射で前記検査対象物の周囲に発生した静電界の強度を測定するセンサと、前記静電界の前記強度を画像化し、前記静電界の画像を作成する画像化部とを備え、前記検査対象物と前記センサとを相対的に移動させることにより、前記画像化部で前記静電界の前記強度の空間分布を画像化する解析装置が提供される。

以下の開示によれば、電子線の照射により検査対象物の周囲に静電界を発生させる。電子線は、検査対象物の深い部分に侵入するので、検査対象物の内部に十分な大きさの電子線励起電流を誘起する。そのため、電子線励起電流が原因の電気双極子から十分な大きさの静電界が発生するようになり、その静電界を捉えることで検査対象物の内部の様子を高い空間分解能で把握することができる。

図１は、本実施形態に係る解析装置の構成図である。 図２は、電子線が照射された半導体装置を模式的に示す断面図である。 図３は、ダイオードを設けた場合のセンサの回路図である。 図４は、プローブの電子顕微鏡像を基にして描いた図である。 図５は、上記の静電界の発生原理を説明するための模式図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、酸化シリコン膜への電子線の侵入深さが電子線の加速電圧にどのように依存するのかについてのシミュレーション結果を示す図である。 図７は、本実施形態に係る解析方法について示すフローチャートである。 図８は、静電界の強度の画像の一例である。 図９は、電子顕微鏡像の一例である。 図１０は、静電界の強度の画像と電子顕微鏡像とを重ね合わせて得られた像の一例である。 図１１は、プローブと半導体装置との間隔により、画像がどのように変わるかを調査して得られた図である。 図１２は、電子線の照射位置とプローブとの距離により、画像がどのように変わるかを調査して得られた図である。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る解析装置の構成図である。

この解析装置１は、内部が減圧されたチャンバ２を備える。チャンバ２内には、電子線EBを発生する電子線源６と、集束レンズ７と、対物レンズ８とが設けられる。

電子線EBは、各レンズ７、８によってその径が縮小され、ステージ５の上に載置された半導体装置３の表面に焦点が合わせられる。半導体装置３は、解析装置１による検査対象となるものであり、半導体ウエハの状態であってもよいし、半導体チップを樹脂封止してなるパッケージの状態であってもよい。

ステージ５は、不図示のステッピングモータ等の駆動部によって水平面内を移動することができ、それにより半導体装置３の任意の位置に電子線EBを当てることができる。なお、ステージ５の移動量や移動方向等は、ステージ制御部１６によって制御される。

また、ステージ制御部１６は、ステージ５の現在の位置座標を把握し、当該位置座標を含むステージ位置信号S_sを後述の画像化部１４に出力する。

なお、電子線EBを照射した半導体装置３の表面からは二次電子e_sが発生することになるが、その二次電子e_sの強度を測定するための検出器２２がチャンバ２内に固定される。その検出器２２は、第１の信号線１９を介して、二次電子の強度を示す二次電子信号S₁を後述の画像化部１４に出力する。

また、電子線EBは、後述のように半導体装置３の周囲に静電界を発生させるために照射されるものであるが、その静電界の発生が阻害されないように、ステージ５を接地すると共に、ステージ５と半導体装置３との間に絶縁体４を介在させるのが好ましい。そのような絶縁体４としては、例えば、絶縁ワックスや紙等の絶縁シートがある。

更に、チャンバ２の内部には、半導体装置３の周囲に発生する静電界の強度を測定するためのセンサ１３が設けられる。そのセンサ１３は、チャンバ２内に固定されており、半導体装置３の表面から間隔をおいて設けられたプローブ１３ａを備える。

センサ１３は、後述のようにFET (Field Effect Transistor)であって、当該FETのゲート電極がプローブ１３ａに接続される。そして、プローブ１３ａが曝される静電界の強度に応じ、当該FETのソースドレイン電流Isが変化する。そのソースドレイン電流Isは、第２の信号線１０と第３の信号線１１を介して後段のアンプ１２に入力される。その後、アンプ１２は、ソースドレイン電流Isを増幅することにより電界信号S₂を生成し、当該電界信号S₂を第４の信号線２０を介して画像化部１４に出力する。

なお、画像化部１４は、第５の信号線２１を介してステージ制御部１６から既述のステージ位置信号S_sを取得する。ステージ位置信号S_sにはステージ５の位置座標が含まれているため、画像制御部１４は、当該位置座標と各信号S₁、S₂とを対応付けることで、静電界Eの強度の空間分布と二次電子e_sの強度の空間分布とを把握することができる。

図２は、電子線EBが照射された半導体装置３を模式的に示す断面図である。なお、図２において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図２に示すように、電子線EBを照射すると、半導体装置３の周囲には静電界Eが発生する。

その静電界Eを検知すべく、半導体装置３の表面から間隔W_Dをおいてプローブ１３ａが設けられる。そして、プローブ１３ａ接続されたFET２５のゲート電圧が静電界Eによって変化し、それにより既述のようにソースドレイン電流Isが変化する。なお、第１の信号線１０の途中には、FET２５のソース−ドレイン間に電圧を印加し、上記のソースドレイン電流Isを発生させるための直流電源９が設けられる。

また、センサ１３により静電界Eの強度を高感度に検出するには、FET２５のソース−ゲート間の容量をなるべく低容量にし、静電界Eの強度変化に対してソースドレイン電流Isが敏感に反応するようにするのが好ましい。

例えば、FET２５のソース−ゲート間の容量を２．０pF以下とすると、静電界Eの強度変化を実用上十分な感度で検出することができる。

なお、図３に示すように、FET２５のゲートとソースの間にダイオードDを設けてもよい。図３の例では、FET２５のゲートにダイオードDのカソードを接続し、FET２５のソースにダイオードDのアノードを接続している。

このようにすると、ゲートに帯電した電子をFET２５のソースに逃がすことができ、帯電が原因でFET２５のゲート絶縁膜等が破壊されるのを防止できる。

また、図４は、プローブ１３ａの電子顕微鏡像を基にして描いた図である。

図４に示すように、プローブ１３ａの先端は針状になっており、空間内の微小領域における静電界Eの強度をプローブ１３ａの先端で検出することができる。

図５は、上記の静電界Eの発生原理を説明するための模式図であって、半導体装置３の拡大断面図に相当する。

図５に示すように、半導体装置３は、シリコン基板３０やゲート電極３３を備えたトランジスタTRを有する。

そのトランジスタTRのソースドレイン領域３１に酸化シリコン膜等の層間絶縁膜３２を介して電子線EBが入射すると、電子はn型領域である基板３０側に移動し、ホールはp型領域であるソースドレイン領域３１に移動する。このようなキャリアの移動は、電子線励起電流（EBIC）とも呼ばれる。

そして、このキャリアの移動により、ソースドレイン領域３１とシリコン基板３０の界面のpn接合では電子双極子が形成されることになる。その電子双極子が距離rの所に生成する電界E(r)は、次の式（１）で表される。

E(r) = A(1／r³＋jk／r²＋k²／r) ・・・（１）
なお、Aは定数であり、j、kは電子の波数である。

式（１）の右辺第１項は準静電界と呼ばれる。準静電界は、距離rの３乗に逆比例するため、距離rが小さい半導体装置３の表面近傍において支配的となり、上記のプローブ１３ａが主に測定する電界である。

なお、式（１）の右辺第２項は誘導電界と呼ばれ、右辺第３項は放射電界と呼ばれる。これらの電界は、距離rの２乗に逆比例したり、距離rに比例したりするので、距離rが小さい半導体装置３の表面近傍では、準静電界と比べて小さな強度となる。

このように、上記のプローブ１３ａが測定するのは主に準静電界である。そして、準静電界の発生原因は主にpn接合にあるから、準静電界の強度の空間分布を可視化すれば、pn接合の画像が得られることになる。

なお、準静電界の発生原因は、pn接合だけでなく、電子線EBの照射によって半導体装置３内部に生じた熱電力、磁場又は電場の勾配もある。よって、準静電界を利用すれば、熱電力等の発生部位も可視化できる。

ところで、十分な大きさの準静電界を発生させるには、シリコン基板２０のpn接合に電子線EBを到達させ、準静電界の発生原因である電子線励起電流を確実に発生させるのが好ましい。

本願発明者は、酸化シリコン膜への電子線EBの侵入深さが、電子線EBの加速電圧にどのように依存するのかについて、モンテカルロ・シミュレーションを行った。

そのシミュレーション結果を図６（ａ）、（ｂ）に示す。

図６（ａ）は加速電圧が３．５keVのときの結果であり、図６（ｂ）は加速電圧が３０．０keVのときの結果である。

図６（ａ）に示すように、加速電圧が３．５keVのときは、電子線EBの進入深さは約０．２μmである。

これに対し、加速電圧が３０．０keVのときは、図６（ｂ）に示すように、電子線EBの進入深さは約１０μmである。

このように、電子線EBの進入深さは加速電圧に依存するので、加速電圧を調節することにより半導体装置３のpn接合に電子線EBを到達させることができ、当該pn接合の画像を得ることができる。

ここで、単に電子線励起電流を発生させるだけなら、電子線EBに代えてレーザ光を半導体装置３の表面に照射することも考えられる。

しかし、レーザ光は、その大部分が半導体装置３の表面で反射してしまうので、電子線EBのように半導体装置３の奥深くまで進入しない。そのため、レーザ光を観察対象のpn接合に到達させて電子線励起電流を発生させるのは困難であり、電子線EBを照射する場合と比較して電子線励起電流の大きさが小さくなってしまう。

電子線励起電流の大きさは、pn接合の画像の空間分解能に影響する。

本願発明者が調査したところ、波長が１３４０nmの近赤外レーザ光の照射で得られた画像の空間分解能は０．７μm程度であった。また、波長が２００nmの紫外レーザ光を使用した場合でも、空間分解能は０．１μm程度であった。

これに対し、本実施形態のように電子線EBを照射する場合には、プローブ１３ａと半導体装置３との間隔W_D（図２参照）が１０mmで加速エネルギが１keVのとき、空間分解能は８nmとなった。

更に、これと同じ間隔W_Dで加速エネルギを１５keVに高めると、空間分解能は３nmとなった。

このことから、電子線EBを照射して静電界Eを発生させると、レーザ光を照射する場合と比較して、得られる画像の空間分解能が飛躍的に向上することが明らかとなった。

次に、図１で説明した解析装置１を用いた解析方法について説明する。

図７は、その解析方法について示すフローチャートである。

最初のステップP1では、半導体装置３に電子線EBを照射する。これにより、既述のように半導体装置３に準静電界を主とする静電界Eが発生すると共に、半導体装置３から二次電子e_sが発生する。

なお、電子線励起電流に起因した十分な大きさの準静電界を発生させるために、電子線EBの加速電圧を、当該電子線EBが半導体装置３内のpn接合に到達する大きさに設定するのが好ましい。

次に、ステップP2に移り、ステージ制御部１６の制御下において、水平面内でステージ５を移動させることにより半導体装置３上で電子線EBを走査する。これにより、半導体装置３とセンサ１３とが相対的に移動し、かつ、半導体装置３と検出器２２とが相対的に移動することになる。

更に、電子線EBの走査と同期して、画像化部１４は、既述の二次電子信号S₁、電界信号S₂、及びステージ位置信号S_sを取り込み、静電界Eの強度の空間分布と二次電子e_sの強度の空間分布とを同時に取得する。

続いて、ステップP3に移り、画像化部１４が、ステップP2で取得した静電界Eの強度の空間分布に基づき、当該静電界Eの画像IM_Eを作成する。本ステップは、例えば、画像IM_E内の位置と、当該位置における輝度とを含む画像データを画像化部１４が作成することで行われる。その場合、画像IM_E内の特定の位置での輝度は、その位置での静電界Eの強度に対応するように設定される。

図８は、このようにして作成された画像IM_Eの一例である。

既述のように、プローブ１３ａで検出する静電界Eは、半導体装置３内のpn接合等から生じた準静電界であるから、画像IM_Eには主にpn接合が現れる。このような画像IM_Eは、半導体装置３の実像と区別するために、反応像とも呼ばれる。

図８の例では、半導体装置３のn型領域４１が白く、p型領域４２が黒く見えている。

次に、ステップP4に移り、画像化部１４が、ステップP2で取得した二次電子e_sの強度の空間分布に基づき、半導体装置３の電子顕微鏡像IM_esを作成する。

本ステップも上記のステップP3と同様に行われ、電子顕微鏡像IM_es内の位置と、当該位置における輝度とを含む画像データを画像化部１４が作成することで行われる。そして、電子顕微鏡像IM_es内の特定の位置での輝度は、その位置での二次電子e_sの強度に対応するように設定される。

図９は、このようにして作成された電子顕微鏡像IM_esの一例である。

図８の反応像とは異なり、電子顕微鏡像IM_esは、半導体装置３の外観を現す実像である。図９の例では、その実像としてトランジスタのゲート電極４３が見えている。

次に、ステップP5に移り、上記の各像IM_E、IM_esを重ね合わせ、それをCRT等の表示部１５に表示する。

図１０は、このようにして重ねあわされた像の一例である。

図７の反応像だけでは白黒の境目で表されるpn接合が実像のどこに位置するのか分からないが、各像IM_E、IM_esを重ね合わせることで、実像におけるpn接合の位置をユーザが認識することができる。

また、ユーザは、これらの像IM_E、IM_esの重ね合わせに基づいて、半導体装置３内における欠陥の有無を判断することができる。

以上により、本実施形態に係る解析方法の基本ステップを終了する。

上記した本実施形態によれば、図７のステップP1において、電子線励起電流を発生させるために半導体装置３に電子線EBを照射する。既述のように、電子線EBを照射すると、レーザ光を照射する場合と比較して画像の空間分解能が飛躍的に高まる。そのため、半導体装置３内の微細な欠陥を発見でき、欠陥を見逃す危険性を低減できる。

更に、ステップP5のように反応像と電子顕微鏡像とを重ね合わせることで、反応像に現れたpn接合の像が電子顕微鏡像のどこに位置するのかが分かり、ユーザの便宜に資することができる。

以下に、この解析方法で実際に得られた画像について説明する。

図１１は、プローブ１３ａと半導体装置３との間隔W_Dにより、画像がどのように変わるかを調査して得られた図である。この調査では、電子線EBの加速電圧により画像がどのように変化するのかについても調査した。

図１１から明らかなように、明瞭が画像を得るには、間隔W_Dをなるべく小さくし、加速電圧を高めればよいことが分かる。

図１２は、電子線EBの照射位置とプローブ１３ａとの距離により、画像がどのように変わるかを調査して得られた図である。その距離として、水平面内における電子線EBの照射位置とプローブ１３ａとのX方向の距離（X座標）と、Y方向の距離（Y座標）とを採用した。

また、この調査では、電子線EBの加速電圧により画像がどのように変化するのかについても調査した。なお、間隔W_Dは０．３mmに固定してある。

図１２に示すように、X座標とY座標が小さいほど、反応像が明確に現れる。

以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１） 検査対象物に電子線を照射し、前記検査対象物の周囲に静電界を発生させるステップと、
前記検査対象物の表面から間隔をおいてセンサを配し、前記検査対象物と前記センサとを相対的に移動させることにより、前記センサにより前記静電界の強度の空間分布を取得ステップと、
前記空間分布を画像化することにより、前記静電界の画像を作成するステップと、
を有することを特徴とする解析方法。

（付記２） 前記検査対象物の表面から間隔をおいて検出器を配し、前記検査対象物と前記検出器とを相対的に移動させることにより、前記電子線の照射で前記検査対象物から発生した二次電子の強度の空間分布を前記検出器で取得するステップと、
前記二次電子の前記強度の前記空間分布を画像化することにより、前記検査対象物の電子線顕微鏡像を作成するステップと、
前記静電界の前記画像と前記電子顕微鏡像とを重ね合わせるステップと、
を更に有することを特徴とする付記１に記載の解析方法。

（付記３） 前記検出器による前記二次電子の前記強度の前記空間分布の取得を、前記センサによる前記静電界の前記強度の前記空間分布の取得と同期して行うことを特徴とする付記２に記載の解析方法。

（付記４） 前記検査対象物として、pn接合を備えた半導体装置を用い、
前記検査対象物に電子線を照射するステップにおいて、前記半導体装置の前記pn接合に到達する加速電圧で前記検査対象物に前記電子線を照射することを特徴とする付記１に記載の解析方法。

（付記５） 半導体装置に電子線を照射し、前記半導体装置の周囲に静電界を発生させるステップと、
前記半導体装置の表面から間隔をおいてセンサを配し、前記半導体装置と前記センサとを相対的に移動させることにより、前記センサにより前記静電界の強度の空間分布を取得ステップと、
前記空間分布を画像化することにより、前記静電界の画像を作成するステップと、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記６） 検査対象物に電子線を照射する電子線源と、
前記検査対象物を載置するステージと、
前記検査対象物の表面から間隔をおいて設けられ、前記電子線の照射で前記検査対象物の周囲に発生した静電界の強度を測定するセンサと、
前記静電界の前記強度を画像化し、前記静電界の画像を作成する画像化部とを備え、
前記検査対象物と前記センサとを相対的に移動させることにより、前記画像化部で前記静電界の前記強度の空間分布を画像化することを特徴とする解析装置。

（付記７） 前記電子線の照射で前記検査対象物から発生した二次電子の強度を検出する検出器を更に有し、
前記画像化部が、前記二次電子の強度に基づいて前記検査対象物の電子線顕微鏡像を作成し、前記電子線顕微鏡像と前記静電界の前記画像とを重ね合わせることを特徴とする付記６に記載の解析装置。

（付記８） 前記検査対象物と前記センサとの前記相対的な移動は、前記ステージを水平面内で移動させることにより行われることを特徴とする付記６に記載の解析装置。

（付記９） 前記センサは、前記静電界に曝されるプローブがゲートに接続されたFETを供え、前記静電界の強度を前記FETのソースドレイン電流の大きさで捉えることを特徴とする付記６に記載の解析装置。

（付記１０） 前記プローブの先端は針状であることを特徴とする付記９に記載の解析装置。

１…解析装置、２…チャンバ、３…半導体装置、４…絶縁体、５…ステージ、６…電子線源、７…集束レンズ、８…対物レンズ、９…直流電源、１０…第２の信号線、１１…第３の信号線、１２…アンプ、１３…センサ、１３ａ…プローブ、１４…画像化部、１５…表示部、１６…ステージ制御部、１９…第１の信号線、２０…第４の信号線、２１…第５の信号線、２２…検出器、３０…シリコン基板、３１…ソースドレイン領域、３２…層間絶縁膜、３３…ゲート電極、４１…n型領域、４２…p型領域、４３…ゲート電極、EB…電子線。

Claims (5)

1. 検査対象物に電子線を照射し、前記検査対象物の周囲に静電界を発生させるステップと、
   前記検査対象物の表面から間隔をおいてセンサを配し、前記検査対象物と前記センサとを相対的に移動させることにより、前記センサにより前記静電界の強度の空間分布を取得ステップと、
   前記空間分布を画像化することにより、前記静電界の画像を作成するステップと、
   を有することを特徴とする解析方法。
2. 前記検査対象物の表面から間隔をおいて検出器を配し、前記検査対象物と前記検出器とを相対的に移動させることにより、前記電子線の照射で前記検査対象物から発生した二次電子の強度の空間分布を前記検出器で取得するステップと、
   前記二次電子の前記強度の前記空間分布を画像化することにより、前記検査対象物の電子線顕微鏡像を作成するステップと、
   前記静電界の前記画像と前記電子顕微鏡像とを重ね合わせるステップと、
   を更に有することを特徴とする請求項１に記載の解析方法。
3. 前記検査対象物として、pn接合を備えた半導体装置を用い、
   前記検査対象物に電子線を照射するステップにおいて、前記半導体装置の前記pn接合に到達する加速電圧で前記検査対象物に前記電子線を照射することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の解析方法。
4. 半導体装置に電子線を照射し、前記半導体装置の周囲に静電界を発生させるステップと、
   前記半導体装置の表面から間隔をおいてセンサを配し、前記半導体装置と前記センサとを相対的に移動させることにより、前記センサにより前記静電界の強度の空間分布を取得ステップと、
   前記空間分布を画像化することにより、前記静電界の画像を作成するステップと、
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 検査対象物に電子線を照射する電子線源と、
   前記検査対象物を載置するステージと、
   前記検査対象物の表面から間隔をおいて設けられ、前記電子線の照射で前記検査対象物の周囲に発生した静電界の強度を測定するセンサと、
   前記静電界の前記強度の空間分布を画像化し、前記静電界の画像を作成する画像化部とを備え、
   前記検査対象物と前記センサとを相対的に移動させることにより、前記画像化部で前記静電界の前記強度の空間分布を画像化することを特徴とする解析装置。

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