JP3343421B2 - 荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

荷電粒子ビーム装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体集積回路(以
下「IC」という)の設計開発時に利用される荷電粒子
ビーム装置に関し、特に被測定デバイスである被測定I
Cの表面帯電の防止技術に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、試作されたICの内部を解析す
るのに、荷電粒子ビーム装置を作動させて試作した素子
の各部を流れる電圧波形を参照して不良個所を特定して
いる。
【0003】図3に従来のEBテスタの鏡筒100の一
例を示す。鏡筒100の内部は真空チャンバとなってお
り、ターボ・モレキュラ・ポンプやイオン・ゲッタ・ポ
ンプによって真空化され、その真空度は10-4Paから
10-5Paのオーダである。荷電粒子銃101から放射
されたエネルギーの高いパルス化された荷電粒子ビーム
102は、静電レンズ103と電磁レンズ104で明る
さを失わずに減速される。そして、対物レンズ105で
被測定IC110上に0.1μm径のスポットで焦点が
合わされる。また、荷電粒子ビーム102はスキャンニ
ングによって、2mm×2mmの範囲で偏向され、被測
定IC110上を掃引照射する。
【0004】被測定IC110はパルス化された荷電粒
子ビーム102の掃引照射により2次電子を放出する。
2次電子の量は、照射された地点の電位の大小によって
異なる。この2次電子を2次電子引出電極106によっ
て効率よく捕捉し、2次電子検出器107によって検出
する。2次電子検出器107は、2次電子を一度光の信
号に変換し、その後に電位コントラスト像(SEM像:
Scanning ElectronMicroscope、SIM像:Scanning I
on Microscope)として表示するための電気信号に変換
する。電位コントラスト像の明るさは、2次電子流の量
に従って変化する。
【0005】波形を観測するには、サンプリング・オッ
シロスコープと同様に、被測定IC110の信号と同期
して作られるパルス・ビームによって電圧をサンプリン
グする。このパルス・ビームの発生タイミングを被測定
波形の位相上で変化させることで、波形として測定され
る。
【0006】図4に、被測定IC110と2次電子引出
電極106と対物レンズ105の拡大図を示す。被測定
IC110は、電極111を保護するためにSiO
2 (酸化シリコン)等の絶縁膜にてカバーされている。
この絶縁膜112に荷電粒子ビーム102を照射する
と、2次電子108を放出する。2次電子108の放出
電荷が入射した荷電粒子ビーム102の電荷と等しくて
相殺すると絶縁物112の表面は帯電しないが、荷電粒
子銃101の加速電圧を1KV程度で、絶縁膜112が
SiO2 やSiN等の場合は2次電子放出率が1以上に
なるため、絶縁膜112の表面は正に帯電する。帯電し
た被測定IC110を観察、測定すると、2次電子の放
出が変動して、定量的な特性試験はもとより定性的な試
験でも多くの困難を伴う。この絶縁膜112表面の帯電
量は入射する荷電粒子ビーム量、加速電圧、照射面積、
照射の走査スピード、2次電子引出電界強度や絶縁物の
種類等に依存して複雑に変化する。
【0007】荷電粒子ビーム装置は、この表面電荷11
3の帯電を最小にするために、照射面積(倍率に相当)
と2次電子引出電界強度に着眼し、その他の緒元を一定
にしていた。つまり、倍率を変えたときは2次電子引出
電極106の電圧を自動的に変化させて、2次電子引出
電界強度を最適値に設定していた。ところが、2次電子
引出電極106の電圧を変化させると、図4に示すよう
に荷電粒子ビーム102の焦点が、b及びcのようにず
れてしまう不都合が存在した。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、倍率を変
更した場合、それに基づき引出電極の電圧を変化させて
も、荷電粒子ビームの焦点が被測定ICの表面に結ばれ
る荷電粒子ビーム装置を提供することを目的とする。
【0009】ここで、荷電粒子ビームが被測定ICに照
射されたときの、被測定IC前面の電位分布について今
一度考察する。当初、引出電極の2次電子引出電圧Ve
が正で、被測定ICの絶縁膜電位Vsが零である場合、
被測定IC表面の前面には2次電子に対する加速電界の
みが存在する。ここで荷電粒子ビームの照射を行うと、
前述の理由により絶縁膜上の被照射領域は正に帯電す
る。この帯電量が増大するに従い、照射領域前面の電界
は正から負に逆転する。しかしながら、更に照射領域か
ら前面により離れると、電界は再び正になる。つまり、
ここに電位鞍点が生じる。この電位鞍点の位置及び電位
は、照射領域とその帯電量及び引出電界強度の大きさに
強く依存する。
【0010】図5は、電極の幅が2aで、電位Vsが5
V(ボルト)で、電極以外は0Vの場合の、電位分布図
の一例である。この電位分布図について考察する。表面
帯電により、照射領域の電位Vsは正になり、引出電界
強度がE[V/mm]の場合のZ,X平面での電位は次式で
表現できる。[日本学術振興会荷電粒子ビームの工業へ
の応用第132委員会:電子ビームテスティングハンド
ブック電子ビーム研究第7巻:昭和62年5月] Φ(z,x )=E*z+Vs/π*[tan-1{(a-x)/z}+tan
-1{(a+x)/z}] ここで、電位鞍点の位置座標を(0,Zm)、電位をΦ
mとすると、 Zm={(2aVs/πE)−a2 1/2 Φm=E*Zm+(2Vs/π)*tan-1(a/Zm) となり、これをグラフに表すと図6となる。ΦmとVs
の差分は電位障壁となり、2次電子を抑制するように働
く。
【0011】図6より次のことが自明である。2次電子
引出電界強度が一定の場合は、照射面積が大きくなるほ
ど電位障壁の高さは小さくなっている。つまり、低倍率
になるほど電位障壁の高さが小さい。電位障壁の高さが
小さいほど、照射領域から放出された2次電子は引出電
界に取り込まれやすいので、照射領域の表面は更に帯電
量が増加することになる。つまり、2次電子引出電界強
度が一定の場合は、電位障壁の高さが照射面積に依存す
るために、照射面積が大きくなるほど(低倍率になるほ
ど)表面帯電量が増加することになる。
【0012】低倍率ほど表面帯電が増加する不具合を避
けるには、倍率変化に自動的に連動して低倍率ほど2次
電子引出電界を小さくすればよい。このことにより、電
位障壁の高さを同一レベルに保ちながら、照射面積の増
大に伴う帯電量増加を防止することが可能である。ただ
し、特定倍率以上の高倍率では、引出電界強度を変化さ
せたときに生じる不具合(CADレイアウトとSEM像
とのマッチングずれやプローブ点のシフト等)を避ける
ために、引出電界強度を一定値に保つことが現実的であ
る。
【0013】この引出電界強度の変更に伴い、電界によ
るレンズ作用が変化し、荷電粒子ビームの焦点が定まら
なくなる問題が新しく生じた。焦点の合う度合いによっ
て、照射領域表面の帯電量に変化をもたらすから問題で
ある。この発明は、この引出電極の電圧を変えても焦点
を結ぶ荷電粒子ビーム装置を提供するものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、倍率(照射面積に相当)の変化に対応し
て自動的に引出電極の電圧を変化させ、引出電界強度の
変更と同時に、その引出電極の電圧に連動して荷電粒子
ビームが焦点を結ぶように対物レンズのコイル電流を制
御する構成とする。
【0015】この発明の構成によれば、2次電子引出電
極の電圧と、荷電粒子ビームの焦点が合う対物レンズの
コイル電流との関係を明確にし、2次電子引出電極の電
圧に連動して対物レンズのコイル電流を制御するので、
常に荷電粒子ビームの焦点が合い、従って、表面電荷は
常に最小状態で一定となり、測定誤差はほとんど無くな
る。
【0016】
【実施例】本発明の一実施例を図1に示す。図4と対応
する部分には同一符号を付して示す。本発明は従来の荷
電粒子ビーム装置に加えて、対物レンズ105用の対物
レンズ用電流源60と、対物レンズ用電流源60を制御
する電流制御部50と、電流制御部50に引出電極10
6の変更電圧を指示する引出電極用制御電圧源40によ
って構成される。
【0017】図1に示すように、荷電粒子ビームは荷電
粒子銃から放射されて、被測定IC110を照射する直
前に対物レンズ105と引出電極106の内を通過す
る。
【0018】図2(A)に示すように、2次電子引出電
極106は、前述のように、照射面積を変えても被測定
IC110の表面の帯電を最小にするために、照射面積
に連動して電圧を変化させ、引出電界強度を最適にす
る。2次電子引出電極106の電圧を変化させること
は、荷電粒子ビーム102の加速電圧を変化させること
になり、従って、荷電粒子ビームの速度変化となり、焦
点がずれてくるのである。
【0019】そこで、常に荷電粒子ビーム102の焦点
が合うように、荷電粒子ビーム102の各速度に対応し
た磁界、即ち、最適の屈折率を対物レンズ105で与え
るようにするとよい。つまり、図2(B)に示すよう
に、2次電子引出電極106の電圧変化に伴って、対物
レンズ105のコイル電流を制御して、常に焦点が合う
ようにする。
【0020】本発明は、電流制御部50で引出電極用制
御電圧源40の電圧を読み取り、その電圧に適した対物
レンズ105の電流を定め、その電流値を対物レンズ用
電流源60に指示し、対物レンズ用可変電流源60は指
示された電流を対物レンズ105に流すようにした装置
である。ここで、最適電流値は、装置の構造により異な
るのでその機種によって定める必要がある。即ち、対物
レンズ105のコイルの巻数、2次電子引出電極106
と被測定IC110の表面との距離や絶縁膜112の種
類によって異なる。また荷電粒子ビーム102のパルス
幅、掃引照射速度や加速電圧等によっても異なるので、
固定できるものは一定値として、可変数を少なくすると
よい。従って、最適電流値は、可変数に基ずきテーブル
化しそのテーブル表に従って制御してもよいし、あるい
は、その値は図2(B)のように区間内は線形であるの
で区間毎に数式化し、演算により制御してもよい。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は荷電粒子
ビーム装置において、被測定IC110の表面電荷11
3を最小化し、しかも常に荷電粒子ビーム102の焦点
が合うので、明瞭で高品質な画面が得られ、再現性に優
れているので、その測定効果は大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の図である。
【図2】図1に示した実施例の説明図である。
【図3】従来の主要技術を説明するための一例の図であ
る。
【図4】図3に示した従来例の一部の拡大図である。
【図5】電位分布図である。
【図6】電位障壁と照射領域との関係図である。
【符号の説明】
40 引出電極用制御電圧源 50 電流制御部 60 対物レンズ用電流源 100 鏡筒 101 荷電粒子銃 102 荷電粒子ビーム 103 静電レンズ 104 電磁レンズ 105 対物レンズ 106 2次電子引出電極 107 2次電子検出器 108 2次電子 110 被測定IC 111 電極 112 絶縁膜 113 表面電荷
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−343021(JP,A) 特開 昭51−72280(JP,A) 特開 昭63−218135(JP,A) 特開 昭59−842(JP,A) 特開 平1−239949(JP,A) 特開 昭63−301452(JP,A) 特開 昭59−40452(JP,A) 特開 昭59−2336(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 37/28 H01J 37/141 H01J 37/21 H01J 37/244 H01L 21/66

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 荷電粒子ビームを半導体集積回路の表面
    に掃引照射し、照射点毎に発生する2次電子を検出して
    半導体集積回路を解析する荷電粒子ビーム装置におい
    て、 掃引する照射面積の変更に連動して2次電子引出電極
    (106)の電圧を変更する引出電極用制御電圧源(4
    0)と、 引出電極用制御電圧源(40)の電圧変更に連動して対
    物レンズ(105)のコイル電流を制御する電流制御部
    (50)と、 電流制御部(50)の指示により対物レンズ(105)
    のコイル電流を変更する対物レンズ電流源(60)と、
    を具備することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
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