JP2516192B2

JP2516192B2 - 絶縁表面を有する測定ユニットの電圧の無接触測定の方法および装置

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Publication number: JP2516192B2
Application number: JP4502755A
Authority: JP
Inventors: ライナーラックマン; ゲルハルトヴァイヘルト
Original assignee: FURAUNHOOFUAA G TSUA FUORUDERUNGU DEA ANGEUANTEN FUORUSHUNGU EE FUAU
Current assignee: FURAUNHOOFUAA G TSUA FUORUDERUNGU DEA ANGEUANTEN FUORUSHUNGU EE FUAU
Priority date: 1991-02-05
Filing date: 1992-01-10
Publication date: 1996-07-10
Anticipated expiration: 2011-07-10
Also published as: WO1992014162A1; US5444384A; EP0570389A1; EP0570389B1; DE4103410C1; DE59200508D1; JPH06504373A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、請求項１および14の一般的な条項による
絶縁表面と前記絶縁表面の下に形成される少なくとも１
つの導電帯とを含む測定ユニットの無接触測定の方法お
よび装置に関する。

特に、この発明は、不動態化した集積回路内の導電帯
の電圧の非破壊測定方法としての無接触測定とこのよう
な方法を実行するのに適した測定装置とに関する。

不動態表面を有する集積回路内の電圧の無接触測定の
方法としては、たとえば1985年12月発行の固体技術の63
頁から70頁のイー・メンゼル，アール・ブッチァナン著
の「集積回路の電子ビームプローブ」の技術文献に記載
されている。知られている無接触電圧測定方法を実行す
るための測定装置は、修正走査電子顕微鏡と電子制御ユ
ニットとから成る。試験される集積回路は、排気測定室
内に位置する。１次電子ビーム発生装置は、１次電子ビ
ームをいわゆるスポットモードで集積回路の表面に向け
る。この放射は、２次電子が集積回路の表面から解放さ
れるという効果を有し、前記２次電子のエネルギーは、
集積回路内の測定地点の電位に依存する。２次電子のこ
のエネルギーは、分光器を使って測定される。測定地点
の電圧に関しての結論は、２次電子の測定されたエネル
ギーから得られる。しかし、この知られている測定装置
とこの知られている測定を実際に使用すると、さまざま
な測定エラーが生じていた。これらの測定エラーの本質
的な原因は、いわゆる軌跡コントラストであり、それは
集積回路の導電軌道上の不均一なフィールド配電によっ
て起こる。そのような不均一なフィールド配電は、たと
えばボンディングワイヤまたは近くの導電軌道からの信
号の漏話のために起こる。

前記軌跡コントラストによって生じる測定エラーを減
らすために、吸収ネットを使用することが知られてお
り、それは集積回路の上に配置され、1000ボルトから20
00ボルトのオーダーの高い正電圧がそれに加えられる。

1986年発行の走査電子微視の２巻の447頁から464頁の
エス・ゴーリッヒ，ケー・ディー・ヘルマン，ダブル・
レイナース，イー・グバレク著の「容量性結合電圧コン
トラスト」の技術文献には、上述の無接触電圧測定の原
理は、保護のためにガラス性不動態層で覆った集積回路
に関しても使用されることが開示されている。この不動
態層は、集積回路の導電層を覆う絶縁表面を定める。上
述の測定方法が不動態化した集積回路に適用されると、
２次電子が絶縁表面に発生する。絶縁表面の下の導電帯
の電位の測定は、導電帯と不動態層の絶縁層との間の容
量性結合によって可能となる。

しかし、容量性結合を使っての導電軌跡の電位偏差の
測定は、吸収ネットが低い正電圧である場合のみ可能で
ある。高い吸収電圧の使用は、絶縁表面を充電する結果
となり、そのために回路上に高い電位バリヤが生じる原
因となる。その結果、1989年発行のディスバーグ大学の
電気工学部のダブル・レイナース著の「容量性電位コン
トラスト−理論的意義と不動態化した高集積回路パッケ
ージの電子ビームテストへの技術的利用」の論文に記載
されているような容量性結合によって生じる測定エラー
に加えて、不動態表面を有する集積回路内の電圧の測定
のための無接触測定方法で使用される唯一の低く可能な
吸収電圧のために起こる軌跡コントラストを原因とする
エラーが生じる。

この従来技術を基礎として、この発明の目的は、最初
に述べたタイプの方法および装置をさらに発展させ、絶
縁表面を有する測定ユニットの電圧をより正確に測定す
ることである。

絶縁表面を有する測定ユニットに関して、特に、不動
態化した集積回路に関して、最初に述べたタイプの無接
触電圧測定方法および無接触電圧測定装置が使用された
としても、吸収ネットに加えられる吸収電圧は、従来技
術で先行条件として必要だと考えられていた一定値を有
さなければならないという考えを捨てるなら、不動態表
面の充電の妨害を防ぐために、軌跡コントラストを原因
とする測定エラーを必然的に起こすほどに、吸収電圧を
減じる必要は必ずしもないという事実の発見にこの発明
は基づいている。

この発明によれば、最初に述べたタイプの方法を用い
て、電気吸収フィールドは交流フィールドの形で供給さ
れなければならず、２次電子流の電子のエネルギーの測
定は、交流フィールドがそれと同期している周期にのみ
行われる。

したがって、この発明によれば、最初に述べたタイプ
の装置で、吸収電圧源は交流電圧源の形で供給されなけ
ればならず、２次電子流の電子エネルギーを決定するの
に使用される測定装置は、吸収電圧源の交流電圧信号と
同期して働く。

この発明にかかる方法およびこの発明にかかる装置の
好ましい実施例によれば、方形電気吸収フィールドが使
用され、それは一時的な方形吸収ネット電圧によって生
じる。吸収ネットの電圧は、好ましくは、１次周期継続
時間の間の１〜2kVのオーダーの高い正電圧と−１〜100
Vの２次の低い負電圧との間で変化し、周期継続時間
は、集積回路の不動態層の表面充電のための充電逆電圧
時間定数より小さくなるように選ばれる。

この発明にかかる測定方法およびこの発明にかかる測
定装置では、信号の評価は吸収電圧の周期の間にのみ行
われ、高い正電圧は吸収ネットにその周期の間のみ加え
られる。この発明によれば、集積回路の不動態表面の充
電は妨害されるが、軌跡コントラストによって生じる測
定エラーを大きく減らすことができる。

この発明にかかる測定方法およびこの発明にかかる測
定装置の一層の発展は、従属項に開示されている。

この発明にかかる測定装置の好ましい実施例を図面を
参照して以下に詳細に説明するが、図は絶縁表面を有する測定ユニットの電圧の無接触測
定に使用されるこの発明にかかる装置の一実施例の概略
図を示す。

図に示すように、参照番号１で示される電圧無接触測
定装置は、排気測定室３内の集積回路５の不動態層４の
形の絶縁表面に１次電子ビームを向ける１次ビーム発生
装置２を含み、１次電子ビームが前記不動態層４にぶつ
かる地点は、集積回路５の部分を定めてその電圧を測定
されるべき導電層６の上に位置する。集積回路５の上、
すなわち、入射１次ビームの方向から見たときに、前記
集積回路５の表面と間隔をあけて、吸収ネット７は位置
し、前記吸収ネット７には、吸収源８から吸収電圧が加
えられている。入射１次電子ビームによって不動態層４
の表面に発生する２次電子流は、２次電子流の電子のエ
ネルギーを測定するために装置９によって評価される。
示した好ましい実施例では、このエネルギー測定装置９
は分光器であり、検出器11とともに抑制グリッド10を含
む。抑制グリッド10は、十分に高いエネルギーを有する
２次電子のみを検出器11へ通し、２次電子のエネルギー
選択を行うために使用される。検出器信号は高域パス12
を経由して、分光器特性を直線化するように抑制グリッ
ド電圧を再調整する制御装置13へ供給される。高域パス
12および制御装置13は、この電圧測定装置１と接続し
て、パーセー（per se）として知られており、これらの
構成部分の構造の詳細な説明に不要である。さらに、制
御装置13は出力側で測定信号Ｍを作り出し、前記測定信
号Ｍは、２次電子のエネルギーに依存し、その結果、そ
の電圧を測定されるべき導電帯６の電圧の基準となる。

さらに、検出器信号は、正吸収電圧の周期に対して検
出器出力信号の時間平均値を形成する低減パス14に供給
される。

吸収電圧源８は方形波電圧である。吸収電圧源８の出
力電圧は、１〜2kVの高い正電圧と−１ボルト〜−100ボ
ルトの低い負電圧との間で変化する。高い正電圧が発生
する周期の間、ほとんどすべての２次電子は吸収され
る。この結果、１ミリ秒と約１秒との間の範囲の表面充
電の充電逆電圧時間定数で、集積回路５の不動態層４の
表面の正充電が行われる。

低い負電圧が発生する周期の間、ほとんどすべての２
次電子は不動態層４の表面に復帰するので、正充電余剰
は再び減少する。方形波の吸収電圧源８の周期継続時間
は、表面充電の充電逆電圧時間定数より小さくなるよう
に選択される。このように、表面電位の時間変動は、十
分に小さく保たれる。

低域パス14の出力信号は、時間平均で、低い正表面電
位が集積回路５の不動態層４に生じるように、高い正電
圧および低い負電圧の各々の発生の周期のパルスデュー
ティ比を制御するために使用される。

さらに、高い正電圧が吸収ネット７に加えられるとき
はいつでも、方形波の吸収電圧源８は同期信号Ｓを作り
出し、それによって、評価装置（図示せず）による測定
信号Ｍの評価は、高い吸収電位の各々の周期に制限され
る。

そのため、２次電子のエネルギーの測定は、高い正電
圧が吸収ネットに加えられる時間周期の間にのみ行わ
れ、軌跡コントラストによって生じるエラーは最小限と
なる。

吸収ネット電圧が低い負電圧に減じられている時間周
期の間、１次電子ビームの発生は、変化することなく続
けられる。しかし、測定信号Ｍの信号評価は、この時間
周期の間中断される。

さらに、測定位相の間に形成される表面充電を等化す
るために、測定ユニットの絶縁表面４は、補償位相の間
照射される。この関係では、測定位相の語は、吸収フィ
ールドが、その第１の周期内に、測定ユニットの絶縁表
面から２次電子を吸収する極性をもつ高いフィールド強
度を有する時間について使用される。この時間周期の
間、１次電子ビームは、測定の目的のために、スポット
モードで操作される。補償位相の語は、吸収フィールド
の第２の周期に対応し、前記吸収フィールドが、測定ユ
ニット５の絶縁表面４に２次電子を戻す間の時間周期に
ついて使用される。吸収電圧の変化のために、１次電子
ビームは、補償位相の間、測定ユニット５の絶縁表面４
に収束されないという事実から見て、照射の地点の拡大
は、補償位相の間の吸収電圧の前記変化によって既に達
成されている。しかし、そのほかにも、測定ユニット５
の絶縁表面４の局所の充電の分布を意図的に誘導するた
めに、補償位相の間、すなわち、吸収フィールドの第２
の周期の間、放射にさらされる領域のサイズおよび位置
は、１次電子ビームのラスタの偏向によって誘導でき
る。

１次電子ビームの運転休止時間，ビーム流またはラス
タ領域を制御することによって、測定位相の間、すなわ
ち、吸収フィールドの第１の周期の間に、１次電子ビー
ムがぶつかる地点は、補償位相の間、すなわち、吸収フ
ィールドの第２の周期の間に、２次電子が減速する領域
内にあるように、測定ユニット５の絶縁表面４の表面電
位の局所的に不均一なシフトを達成することができる。
このようにして、充電が制御される。

１次電子の照射を変化させることによる表面充電の各
々の上述の制御および補償とは別に、吸収フィールドの
各々の第２の周期の間、すなわち、補償位相の間に、２
次電子の意図的な偏向を行うこともできる。最初に述べ
た測定の場合に適用されるのと同様に、吸収フィールド
の第１の周期の間、すなわち、測定位相の間に照射され
る領域が、吸収フィールドの第２の周期の間、すなわ
ち、補償位相の間に、十分な数の２次電子にヒットされ
るという目的を達成することができる。２次電子の軌跡
は、吸収フィールドの形状および強度を適当な方法で誘
導することによって制御される。フィールドの形状を誘
導する要因の一つは、吸収ネット７のたとえば半球構造
設計などの適当な形状にある。同様に、吸収ネット７の
下に、たとえばセグメント電極または機械的に調整可能
な付加アニュラ電極として構成できる付加電界偏向電極
を備えることもできる。

充電を等化するために必要な時間周期は、他の要因と
ともに、補償位相の間、すなわち、吸収フィールドの第
２の周期の間の１次電子ビーム流の時間平均に依存す
る。充電を等化するために必要な時間周期は、測定位
相、すなわち、吸収フィールドの第１の周期と比較し
て、補償位相、すなわち、吸収フィールドの第２の周期
の間の平均１次電子ビーム流を増加させることによって
減少する。これは、特にストロボスコープ測定では、帰
線消去ビームと試料にぶつかる１次電子ビームとの間で
調整されるパルスデューティ比を変化させることによっ
てなされる。１次電子ビームのそのような輝度変調によ
って、ラスタモード測定では、非常に短い補償位相が達
成され、回路の形での測定ユニット５の観測が簡素化さ
れる一方、スポットモードでは、測定時間が減少する。

補償位相の間に絶縁表面４の表面電位のシフトに応じ
て、測定ユニット５に、より大きいまたはより小さい１
次電子ビームを供給することによって、充電補償を制御
する目的のために、補償位相の間に１次電子ビームの輝
度制御を使用することも本質的に可能である。このよう
にして、測定の間の同期プロセスを促進するために、補
償位相の一定の継続時間を前もって定めることができ
る。さらに、１次電子ビームのこのタイプの輝度変調
は、補償位相で測定ユニット５が照射されるときの意図
的な変化である表面電位の局所定な変化を支持するため
にも使用される。

上記変化は別にして、測定ユニット５の絶縁表面４の
充電状態の制御は、第２の周期の間に使用される吸収ネ
ット７での電圧を変化させることによっても達成され
る。そのような吸収フィールド制御の操作地点は、吸収
フィールドの第２の周期の間に、２次電子の部分だけが
減速されるように選ばれる。第２の周期の間の吸収フィ
ールド電圧を変化させることによって、減速された２次
電子の部分が誘導される。表面電位のシフトの結果、吸
収ネット７と試料の表面との電位差の変化のために、減
速された２次電子の部分の反対のシフトが起こる。この
制御方法の結果、測定ユニット５の表面電位の付加的な
独立した安定化がもたらされる。

最初に述べた好ましい測定方法の場合には、２次電子
ビームの低周波数の構成部分が、測定ユニット５の表面
電位の制御のために使用される一方、高い通過域の２次
電子信号が、反対のフィールドネット電圧の制御のため
に使用される。

たとえば表面充電の等化の誤動作のために、または、
充電補償のための閉ループ制御回路の操作地点の変化の
ために、測定地点の電位の緩やかなシフトが起これば、
反対のフィールドネット10と測定ユニット５との間の電
圧の時間平均はシフトする。このシフトのために、反対
のフィールド分光器の操作地点は、２次電子のエネルギ
ー分布に関する最適の操作地点から移動する。そのた
め、さらに、２次電子信号の低周波数の構成部分は、た
とえばコンピューター管理制御に含まれるべきであり、
それは、もしそのような誤動作が起こったら、反対のフ
ィールド分光器の操作地点が、２次電子のエネルギー分
布に関する最適の操作地点から過度に偏移するとすぐ、
反対のフィールド電圧の時間平均値を再調整する。

表面電位の変化と関連して起こる比較的大きな時間定
数は、反対のフィールドネットでの電圧の平均値のこの
ようにして作られたシフトを、いくつかの測定周期を平
均することによって、または、続いて起こるアナログろ
波によって、または、測定信号のディジタル後処理によ
って、測定信号から除去する。

同様に、種々の測定モードに関して、補正プロセスを
最適化するために、表面充電の等化の上述の制御の可能
性を組み合わせることも可能である。

電子光またはビームの発生における障害のための１次
電子ビーム流における変化の結果、測定ユニット５を出
る２次電子流が変化する。測定の間に時々起こる１次電
子ビームの緩やかな偏差は、制御による表面電位のシフ
トとして解釈される。反対のフィールド分光器の操作地
点の望ましくないシフトをもたらす２次電子信号の望ま
しくない再調整を避けるために、１次電子流の変動の情
報が制御に含められる。ビーム経路において噴霧開口に
よってトラップされる流れは、たとえば１次電子ビーム
の測度として使用できる。この信号を使用することによ
って、測定される２次電子信号は、反対のフィールド分
光器の操作地点と測定ユニットの表面電位との誘導が大
きく減少するように補正することができる。

この発明にかかる測定方法を、不動態層を有する集積
回路で行われる測定に言及しながら説明してきた。しか
し、この発明にかかる測定方法およびこの発明にかかる
測定装置は、絶縁表面と、前記絶縁表面の下に配置さ
れ、その電圧を測定する導電帯とを有する他のユニット
を測定するのにも適している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ヴァイヘルトゲルハルトドイツ連邦共和国4600ドルトムントプロヴィンツイアルシュトラーセ 156 (56)参考文献特開昭57−86723（ＪＰ，Ａ) ＥＭｅｈｚｅｌｅｔａｌ″ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＰｒｏｂｉｎｇｏｆＩｎＴｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓ″，1985，ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．, Ｐ．63−Ｐ．70

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁表面（４）と、前記絶縁表面（４）の
下に形成される少なくとも１つの導電帯（６）とを含む
測定ユニット（５）における、特に、不動態表面を有す
る集積回路（５）における、電圧の無接触測定の方法で
あって、排気測定室（３）内のその電圧を測定すべき測定ユニッ
ト（５）の帯（６）の上の絶縁表面（４）の上に１次電
子ビームを向ける工程、前記ユニット（５）の絶縁表面（４）に２次電子流を発
生させる工程、測定ユニット（５）の上に電気吸収フィールドを発生さ
せる工程、および２次電子流の電子のエネルギーを測定することによっ
て、導電帯（６）の電位を決定する工程を含む方法にお
いて、電気吸収フィールドは交流フィールドであり、２次電子流の電子のエネルギーの測定は、正の吸収電圧
が加えられる交流フィールドの周期と同期して行われる
ことを特徴とする、方法。
【請求項２】吸収フィールドは、測定ユニット（５）の
絶縁表面（４）での表面充電のための充電逆電圧時間定
数より小さい周期継続時間を有することを特徴とする、
請求項１の方法。
【請求項３】吸収フィールドは、時間に方形の偏差を有
し、第１の周期の間に、吸収フィールドは、測定ユニット
（５）の絶縁表面（４）から２次電子を吸収する極性を
もつ高いフィールド強度を有し、第２の周期の間に、吸収フィールドは、第１の周期の間
のフィールド強度と比較して、測定ユニット（５）の絶
縁表面（４）へ２次電子を戻す極性をもつ低いフィール
ド強度を有することを特徴とする、請求項１または請求
項２の方法。
【請求項４】第１の周期の第２の周期への比は、測定ユ
ニット（５）の絶縁表面（４）の表面電位に応じて、時
間平均では、低い表面電位が測定ユニット（５）の絶縁
表面（４）で起こるように制御されることを特徴とす
る、請求項３の方法。
【請求項５】時間平均の表面電位の値は０ボルトと10ボ
ルトとの間であることを特徴とする、請求項４の方法。
【請求項６】吸収フィールドの第１の周期の間、１次電
子ビームは、測定ユニット（５）の絶縁表面（４）へ、
前記測定ユニット（５）の電圧を測定するために集束さ
れ、第２の周期の間、１次電子ビームは、絶縁表面（４）の
領域へ、測定位相で前記絶縁表面（４）に形成された表
面充電の等化の支持のために向けられることを特徴とす
る、請求項３または請求項４の方法。
【請求項７】吸収フィールドの第２の周期の間、１次電
子ビームに照射される絶縁表面（４）のサイズおよび位
置は、１次電子ビームのラスタの偏向によって制御され
ることを特徴とする、請求項６の方法。
【請求項８】吸収フィールドの第２の周期の間の広い１
次電子ビームの運転休止時間，流れまたはラスタ領域を
制御することによって、第１の周期の間に、点状の１次
電子ビームがぶつかる地点は、第２の周期の間に２次電
子が減速する領域内にあるように、絶縁表面（４）の表
面電位の局所的に不均一なシフトが達成されることを特
徴とする、請求項６または請求項７の方法。
【請求項９】第１の周期の間に１次電子ビームによって
照射される領域が、第２の周期の間に十分な数の２次電
子にヒットされるように、第２の周期の間に吸収フィー
ルドの形状および／又は強度で２次電子の軌跡を誘導す
ることによって、測定ユニット（５）の絶縁表面（４）
の表面充電の補償が達成されることを特徴とする、請求
項３の方法。
【請求項１０】吸収フィールドの形状は、第２の周期の
間に、半球形の吸収ネット（７）によって、または、平
らな吸収ネット（７）の下に付加的に配置された電界偏
向電極によって誘導されることを特徴とする、請求項９
の方法。
【請求項１１】吸収フィールドの第２の周期の間に起こ
る１次電子ビームの平均ビーム流は、吸収フィールドの
第１の周期の間に起こる１次電子ビームのビーム流の平
均輝度と比較して増加することを特徴とする、請求項３
ないし請求項10のいずれかの方法。
【請求項１２】吸収フィールドの第２の周期の間、１次
電子ビームは、絶縁表面（４）の電位のシフトに応じて
制御されることを特徴とする、請求項11の方法。
【請求項１３】第２の周期の間、吸収フィールド電圧
は、２次電子の部分だけが減速されるように、測定ユニ
ット（５）の絶縁表面（４）の表面電位に応じて制御さ
れることを特徴とする、請求項３の方法。
【請求項１４】絶縁表面（４）と、前記絶縁表面（４）
の下に形成される少なくとも１つの導電帯（６）とを含
む測定ユニット（５）における、特に、不動態表面を有
する集積回路（５）における、電圧の無接触測定の装置
であって、排気測定室（３）内のその電圧を測定すべき導電帯
（６）の上の測定ユニット（５）の絶縁表面（４）の上
に１次電子ビームを向ける１次ビーム発生装置（２）、前記測定ユニット（５）の上に配置され、吸収電圧源
（８）によって吸収電圧を加える吸収ネット（７）、お
よび測定ユニット（５）の絶縁表面（４）で発生する２次電
子流の電子のエネルギーを測定する装置（９）を含み、前記吸収電圧は、前記測定ユニット（５）の上の領域内
に吸収フィールドを発生させるために使用される、装置
において、吸収電圧源（８）は交流電圧源であり、測定装置（９）は、２次電子流の電子のエネルギーを、
正の吸収電圧が加えられる交流電圧の周期と同期させて
測定し、前記交流電圧は吸収電圧源（８）によって作ら
れることを特徴とする、装置。
【請求項１５】吸収電圧源（８）は方形波電圧源である
ことを特徴とする、請求項14の装置。
【請求項１６】吸収電圧源（８）によって発生する方形
電圧信号の周期継続時間は、測定ユニット（５）の絶縁
表面（４）での表面充電のための充電逆電圧時間定数よ
り短いことを特徴とする、請求項15の装置。
【請求項１７】吸収電圧源（８）によって発生する時間
方形電圧信号は、第１の周期の間、測定ユニット（５）
の導電帯の電位と比較して、高い正電圧を有し、第２の周期の間、電圧信号は低い負電圧を有することを
特徴とする、請求項15または請求項16の装置。
【請求項１８】高い正電圧は1000ボルトと2000ボルトと
の間であり、低い負電圧は−１ボルトと−100ボルトとの間であるこ
とを特徴とする、請求項17の装置。
【請求項１９】２次電子流の電子のエネルギーを測定す
るための装置（９）は低域パス（14）を伴い、吸収電圧源（８）によって発生する方形電圧の比は、低
い正の表面電位が測定ユニット（５）の絶縁表面（４）
で起こるように、前記低域パス（14）の出力信号に応じ
て制御されることを特徴とする、請求項14ないし請求項
18のいずれかの装置。