JP4990556B2 - 半導体検査装置および半導体装置の検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体検査装置および半導体装置の検査方法に関わり、特に、製造工程途中の半導体装置におけるｐｎ接合部などの電気的特性検査の評価技術に関する。

ＤＲＡＭ半導体装置は、トランジスタに書き込んだデータを保持する必要があるため、半導体基板にｐｎ接合を形成して所定の電位以外の条件ではトランジスタの蓄積電荷がリークしないようにしている。リーク不良が発生すると、例えばメモリ製品では書き込んだデータが消えてしまう。このようなリーク不良を検査する方法として、完成した半導体製品に電気テストを実施し、電気テストを直接評価する手法が知られている。しかし、この手法では、接合形成のためのイオン注入や熱処理を行った段階といった製造初期段階で検査を行うことが出来ない。

工程途中段階で、リーク不良を評価する方法として電子ビームを利用した検査方法が知られている。たとえば特開平６−３２６１６５号公報（特許文献１）には、基板吸収電流を計測することによりリーク不良を評価する方法について記載されている。また、特開平１１−１２１５６１号公報（特許文献２）および特開平１１−８２７８号公報（特許文献３）には、電位コントラストを利用して半導体回路の電気的欠陥を検査する方法が記載されている。

特許文献１では、基板吸収電流を計測することによりリーク不良を評価する方法について記載されているが、基板吸収電流は微弱であるため、電子ビームを遅くしてスキャンする必要が有り、高速に広範囲の領域について評価することは出来ない。また、接合リーク不良を検査する方法については記載がない。特許文献２および特許文献３では、接合を有するトランジスタについて、二次電子量より穴パターンの開口／非開口や配線ショート等を検査する方法について記載されているが、接合リークを検査する方法については一切記載がない。

これに対して、高速に広範囲領域の接合リークを検査する技術として、特開２００２−９１２１号公報（特許文献４）および特開２００３−１２４２８０号公報（特許文献５）が知られている。これら特許文献４および特許文献５では、半導体ウエハ表面に電子ビームを複数回照射することで接合部に逆バイアス状態を形成し、リーク電流の違いによって生じる異なる帯電状態を顕在化し、電位コントラストの像の輝度信号からリーク特性を評価する技術が記載されている。

また、特開２００４−３１９７２１号公報（特許文献６）には、装置の誤差によって生じた電位コントラストの変動を補正する手法が示されている。具体的には、標準試料のウエハを用いて同一のコントラストとなるように、半導体ウエハ上面に設置された電極電位を用いて半導体ウエハ近傍の電界を変えてウエハから発生する二次電子量を変化させるといった技術が記載されている。
特開平６−３２６１６５号公報 特開平１１−１２１５６１号公報 特開平１１−８２７８号公報 特開２００２−９１２１号公報 特開２００３−１２４２８０号公報 特開２００４−３１９７２１号公報

前述したように、半導体装置で発生する接合リークは製品完成後の電気プローブを用いた電気測定で検知するため、イオン打ち込み熱処理工程の製造工程初期段階で検知することが出来ず、不良発生から対策実施まで時間を要していた。また、半導体装置の開発段階では各プロセスで微細パターン形成上の不良が発生しやすく、このような不良が発生した場合、リーク不良は電気テストにおいて検知することが出来なかった。すなわち、微細パターン形成のプロセス開発を完了し、この加工プロセスで不良が発生しなくなってから、この完成後のウエハを用いてようやく製造初期段階の不良が検知されるため、対策に数ヶ月レベルの膨大な時間を費やし、半導体装置の開発期間を遅らせる要因となっていた。

また、特許文献１のように、電子ビームをトランジスタに照射し、吸収電流によりリーク量を計測する検査方法では、吸収電流が微弱であるために、１箇所測定するのに膨大な時間を要してしまい、ウエハの中の広い領域に対して実用的な時間でリーク特性を評価するには不適切であるという問題があった。また、特許文献２および特許文献３のように、電子ビームを工程途中のウエハに照射して、電位コントラストから半導体デバイスの電気特性を検査する技術においては、接合リークの不良検査は出来ないという問題があった。

一方、特許文献４および特許文献５のように、ウエハに電子ビームを照射して、接合リーク等の電気特性のばらつきを顕在化させ、このばらつきを反映させた二次電子画像（電位コントラスト像）を取得する技術では、接合リークの評価は行えるが、その精度に問題が生じる恐れがある。すなわち、仮に同一の半導体ウエハに対して評価を行った場合でも、半導体検査装置の一次電子線の変動や二次電子検出系の増幅率が変動するといった半導体検査装置の照射系または検出系の状態が変化した時には電位コントラストの輝度強度が変化するため、特性を正確に評価できない場合がある。

このような場合、例えば、特許文献６のような技術を用いて電位コントラストの補正を行うことが考えられる。しかしながら、半導体ウエハ近傍の電界変えて発生する二次電子の量を変える手法では、二次電子が変化するために半導体ウエハの帯電状態も変化することとなり、正確な電気特性を評価できない恐れがある。

そこで、本発明の目的は、半導体装置の高精度な評価を実現する半導体検査装置および検査方法を提供することにある。本発明の前記ならびにそれ以外の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明による半導体検査装置は、ｐｎ接合やプラグが形成された段階の被検査試料に対して一次電子線を複数回照射する電子工学系と、これに応じて被検査試料が発生した二次電子信号を検出する検出器と、この検出信号を増幅およびＡ／Ｄ変換する二次電子検出系回路部とを含んだものとなっている。そして、このような構成に対して、更に、一次電子線の大きさの変動量を計測する手段と、二次電子検出系回路部の増幅率の変動量およびオフセット電位の変動量を計測する手段と、これらの計測した変動量に基づいて二次電子検出系回路部の出力データに対して補正を行う手段とを備えたことが特徴となっている。

すなわち、被検査試料に対して一次電子線を複数回照射する際には、被検査試料のｐｎ接合に実動作時と同程度の逆バイアス電圧が印加されるような一定条件で一次電子線が照射されるが、この一次電子線の大きさは、検査装置の使用環境などに起因して変動することがある。また、同様に、二次電子検出系回路部の増幅率やオフセット電位も変動することがある。被検査試料のｐｎ接合の電気特性は、二次電子検出系回路部の出力（画像の輝度信号となる）に基づいて評価されるが、前述したような変動が生じると輝度信号の大きさに誤差が生じ、高精度な評価ができなくなる。そこで、この輝度信号の大きさに対して前述した変動分に相当する補正を加え、この補正後の輝度信号を元にして被検査試料の電気特性を評価する。これにより、検査装置起因の画像輝度信号ばらつきを無くし、輝度信号を絶対値として定量的に評価することが出来るため、半導体装置の電気特性を高精度に評価することが可能となる。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、半導体装置の高精度な評価が実現可能となる。

以下の実施例においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施例において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。

さらに、以下の実施例において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施例において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施例１）
本実施例１では、半導体製造工程内でｐｎ接合が形成された半導体装置に対して、その接合リークの電気特性を検査する方法とその検査装置について述べる。図１は、検査対象となる半導体装置の構成例を示す断面図である。図１に示す半導体装置４８は、半導体基板４３上に素子分離層４４が形成され、この素子分離層４４により各トランジスタが分離及び孤立した構成となっている。トランジスタ部には、プラグ４６が埋め込まれた穴パターンが存在し、プラグ４６は、層間絶縁膜４７で囲まれている。また、プラグ４６の下部には、ｎ型の拡散層４５が形成され、拡散層４５と半導体基板４３（ここではｐ型基板を用いた）との間にｐｎ接合が形成される。なお、本実施例１では、プラグ埋め込み材料としてｎ型イオンをドープしたポリシリコン膜を用いた。

次に、図１および図２〜図４を用いて、本実施例１による半導体装置の検査方法の原理について簡単に説明する。まず、図１に示すように、半導体装置４８の表面に一次電子線１７を照射すると、半導体装置４８表面から発生する二次電子線（二次電子信号）１８の量と注入される一次電子線１７の量の総和により、半導体装置４８の表面は正もしくは負に帯電する。この正もしくは負帯電は、入射する一次電子線１７のエネルギーと照射される半導体装置４８の材質およびウエハ表面の電界により決まる。例えば、ｎ型の拡散層４５上のプラグ４６に正帯電となる電子光学条件で一次電子線１７を照射した場合、拡散層４５のｐｎ接合部では逆バイアス電位状態となり、リークのない正常なｐｎ接合上のプラグは正に帯電する。一方で、リークにより不良となるｐｎ接合上のプラグは、電荷が半導体基板４３へ逃げるため、正に帯電しない。

この帯電状態を反映した半導体ウエハ近傍の電界強度と二次電子線軌道の断面図を図２，図３に示す。図２に示すように、正常プラグ４９の表面は正帯電するために、発生する二次電子線１８が再度半導体ウエハ表面に戻されるような電界および等電位線６０が形成される。一方、ｐｎ接合部のリーク電流６１に伴う不良プラグ５０の表面は、図３に示すように、正帯電しないために、二次電子線１８が戻されるような電界は形成されない。つまり、一次電子線１７を正常プラグ４９に照射した場合には、二次電子線１８の多くがウエハ表面に戻されるため後述する検出器１１での検出量が小さくなり、一次電子線１７を不良プラグ５０に照射した場合には、二次電子線の多くがウエハ表面に戻されずに検出器１１に向かうため、その検出量が大きくなる。

そうすると、図４に示すように、正常プラグ４９と不良プラグ５０が混在する半導体ウエハ２２面に対し、検出器１１で取得した二次電子画像５１は、正常プラグ４９の領域では暗く、不良プラグ５０の領域では明るくなる。帯電状態はｐｎ接合部のリーク量の程度によって変化するため、明るい部分の信号強度を詳細に解析することでリーク電流６１の量を求めることも可能となる。この電位状態を反映した二次電子画像を電位コントラスト像と呼ぶ。

また、一次電子線１７をウエハ内の複数箇所に照射して得られる複数の電位コントラスト像からプラグ領域の信号強度を抽出し統計処理を行うことで、図５に示すような累積度数分布が得られる。累積度数分布の横軸は、プラグの電荷を保持する時間であるリテンション時間を表し、主分布５３は、ｐｎ接合部でのリーク電流のない正常プラグを反映し、裾分布５４は、リーク電流がある不良プラグを反映している。電子線による半導体装置４８のリーク特性は、上記複数枚の電位コントラスト像から得られる累積度数分布によって評価することができる。

図６は、本実施例１における半導体検査装置の構成例を示す概略図である。半導体検査装置１は、電子光学系２、ステージ機構系３、ウエハ搬送系４、真空排気系５、制御系６、情報処理部７、二次電子検出系回路部３４、一定レベル信号送信部３５により構成されている。電子光学系２は、電子銃８、コンデンサレンズ９、対物レンズ１０、検出器１１、ウエハ上面の電界制御電極１２、走査偏向器１３、一次電子線量検出器１４、絞り１５、ブランキング用偏向器１６、ウエハ高さセンサ１９より構成されている。ステージ機構系３は、ＸＹステージ２０およびウエハ２２を載置するためのウエハホルダ（試料台）２１、ウエハホルダ２１およびウエハ２２に負の電圧を印加するためのリターディング電源２３より構成されている。ＸＹステージ２０には、レーザ測長による位置検出器が取り付けられている。

ウエハ搬送系４は、カセット載置部２４とウエハローダ２５より構成されており、ウエハホルダ２１は、ウエハ２２を載置した状態でローダ２５とＸＹステージ２０を行き来するようになっている。なお、ウエハホルダ２１には、ウエハ２２を加熱するための加熱ホルダ６９が備わっている。制御系６は、電子銃制御部２６、ブランキング制御部２７、一次電子線量検出系制御部２８、ビーム偏向補正部２９、電子光学系制御部３０、電界制御電極制御部３１、ウエハ高さセンサ検出系３２、ステージ制御部３３より構成されている。情報処理部７は、一次電子線量モニタ部３６、一定レベル信号モニタ部３７、画像処理部３８、記憶部３９、演算処理部４０、表示画面４１より構成され、外部サーバ４２との間で通信可能となっている。

電子銃８から出力された一次電子線１７は、ブランキング用偏向器１６によって、ウエハ２２に照射するタイミングが制御され、かつウエハ２２に照射する際には偏向器１３によって走査スピードおよび走査領域が制御される。半導体ウエハ２２は、この一次電子線１７を受けて二次電子線１８を発生し、この二次電子線１８が検出器１１で検出される。この際に、半導体装置４８の各プラグ４６には、一次電子線１７がその走査スピードに応じた一定の時間間隔で複数回照射される。そうすると、正常プラグ４９は、徐々に帯電が進み、これに伴い発生する二次電子線１８が減少するが、異常プラグ５０は、一定の時間間隔の間に電荷がリークするため帯電せず、これに伴い多くの二次電子線１８が発生することになる。

図７は、図６の二次電子検出系回路部とその主な関連部分の構成例を示すブロック図である。図７に示すように、二次電子検出系回路部３４は、検出器１１の一部であるフォトマル６７で検出した微量の二次電子信号を増幅するためのアンプ６２，６３や、その出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器６６や、アンプ６３の出力信号に対してオフセットを調整するオフセット調整機構６８などを有している。そして、Ａ／Ｄ変換器６６の出力信号に基づいて二次電子画像５１が得られる。この二次電子画像５１のコントラストとなる増幅率は、フォトマル６７の印加電圧やアンプ６２，６３の増幅率により調整でき、二次電子画像５１の全体の輝度信号を増減させるには、オフセット調整機構６８によるオフセット電位を調整すればよい。

フォトマル６７の印加電圧やアンプ６２，６３の増幅率およびオフセット電位が固定であった場合、試料からの二次電子信号の大きさが同一ならば、当然ながら同じ輝度信号となる二次電子画像５１が得られる。しかしながら、フォトマル６７の印加電圧の変動または二次電子検出系回路部３４内での温度変動などによって、回路系の増幅率やオフセット電位が変動するといった問題があった。図８に示すように、増幅率が変動した場合、例えば増幅率が小さい場合５５には、二次電子画像５１における正常プラグの輝度信号と不良プラグの輝度信号の差は小さくなる。一方で、増幅率が大きい場合５６には、二次電子画像５１における正常プラグの輝度信号と不良プラグの輝度信号の差は大きくなる。そして、二次電子画像５１の輝度信号が変わると、勿論、図５のような累積度数分布の形状も異なってしまう。

このように、二次電子検出系回路部３４の増幅率等が変動することで、同一のウエハから得られる累積度数分布の形状が異なってしまう。また、二次電子検出系回路部３４のオフセット電位が変動した場合や、電子光学系２の一次電子線１７の量が変動した場合でも、二次電子画像５１の輝度信号が変化し、電気特性不良を評価する累積度数分布の形状が変化する。すなわち、このような事態が生じると、ｐｎ接合のリーク電流を高精度に評価することが困難となる。

そこで、半導体ウエハ２２に一次電子線１７を照射して二次電子画像５１を取得する際に、画像取得ごとに一次電子線１７の変動量、二次電子検出系回路部３４での増幅率およびオフセット電位の変動量をモニタし、各画像に対して変動量の補正を加えることで、前述したような問題を解決する。図７において、一次電子線１７の変動量のモニタは、情報処理部７の一次電子線量モニタ部（例えば電流計）３６を用いて、電子光学系２の一次電子線量検出器１４の出力信号を計測することで実現する。また、二次電子検出系回路部３４の増幅率およびオフセット電位の測定は、情報処理部７の一定レベル信号モニタ部（例えば電圧計）３７を用いて、二次電子検出系回路部３４のアンプ６３の前段信号６４と、後段信号（Ａ／Ｄ変換器６６直前の信号）６５を計測することで実現する。

また、情報処理部７は、前段信号６４と後段信号６５の基準電位の差分からオフセット電位を読み取り、二次電子検出系回路部３４のオフセット調整機構６８を用いて、オフセット電位を０に調整する。更に、情報処理部７は、画像取得毎に、この前段信号６４の振幅Ｖ１と後段信号６５の振幅Ｖ２との比率である増幅率Ｇ（＝Ｖ２／Ｖ１）を算出する。そして、画像取得毎の増幅率Ｇの変動量や一次電子線１７の変動量を、それに対応する二次電子画像５１のデータと共に記憶部３９に保存する。

次に、前述したような半導体検査装置１を用いて、例えば、ＤＲＡＭ等の半導体装置４８に対するリーク特性（リフレッシュ特性）を評価する際の検査方法について説明する。図９は、本実施例１における半導体装置の検査方法の一例を示す処理フロー図である。図９においては、まず、検査対象となるｐｎ接合およびプラグが形成された段階の半導体装置（被検査半導体ウエハ）４８と、例えば、パターンが形成されていないベアＳｉウエハ等の校正用の半導体ウエハ（校正用ウエハ）とを半導体検査装置１のウエハカセットにセットする（Ｓ９０１）。次いで、被検査半導体ウエハ４８を半導体検査装置１内に搬入する（Ｓ９０２）。

続いて、電子ビーム校正用パターンを用いて、電子ビームの校正やアライメントといった光軸調整（つまり装置自体の初期設定）を行う（Ｓ９０３〜Ｓ９０５）。この電子ビーム校正用パターンは、図１０に示すように、ウエハホルダ２１上に備わったパターンである。すなわち、ウエハホルダ２１上には、電子ビーム校正用パターン７０と、搬入した半導体ウエハ２２が搭載されており、ここでの処理は、電子ビーム校正用パターン７０を対象として行う。

電子ビームの光軸調整が終了すると、今度は、被検査半導体ウエハ４８（図１０の半導体ウエハ２２に該当）を対象として、そのｐｎ接合に印加される電圧が、半導体装置の実動作時と同程度になるような光学条件の探索を行う（Ｓ９０６，Ｓ９０７）。具体的には、被検査半導体ウエハ４８の表面電位を計測しながら、それが所望の値となるように電子光学条件の各パラメータを探索すればよい。ここで、表面電位を計測するためには、検出器１１に含まれる図１６に示すようなエネルギーフィルタを用いて、図１７のような処理を行う。図１６は、図９の光学条件の探索処理において用いられる検出器関連の構成例を示す概略図である。図１７は、図１６の構成例を用いた処理内容の一例を説明する図である。

図１６では、二次電子線１８の放出元となる半導体ウエハ２２周りと、その二次電子線１８を検出する検出器１１の構成例が示されている。半導体ウエハ２２周りの構成は、半導体ウエハ２２の上部に設けられた電界制御電極１２と、更にその上部に設けられたアース電極７７からなり、アース電極７７と電界制御電極１２の間には電界制御電源７６が接続され、アース電極７７と半導体ウエハ２２（正確にはウエハホルダ２１）の間には、リターディング電源２３が接続されている。検出器１１の構成は、二次電子線１８の進行方向に向かって順に設けられたアース電極７１、フィルタ電極７２、アース電極７３と、その先に設けられた検出回路７４からなり、半導体ウエハ２２とフィルタ電極７２の間にはフィルタ電源７５が接続されている。

このような構成を用いて表面電位を計測する際は、まず、半導体ウエハ２２としてベアＳｉウエハ等を用い、フィルタ電源７５によりフィルタ電極７２の電位を変えながら、ステージを移動させ、場所を変えてベアＳｉウエハ等に一次電子線を照射して画像を取得する。次に、半導体ウエハ２２として被検査半導体ウエハ４８を用い、これに対しても前述したベアＳｉウエハ等と同様にフィルタ電位毎の複数箇所からの画像を取得する。その後、これらのフィルタ電位毎の画像から輝度信号を抽出して、図１７のように、横軸にフィルタ電位、縦軸に輝度信号を表したＳ字カーブ７８，７９のグラフ８０を作成する。

図１７において、Ｓ字カーブ７８は、ベアＳｉウエハ等によるものであり、Ｓ字カーブ７９は、被検査半導体ウエハ４８によるものである。Ｓ字カーブ７９の輝度信号は、画像中の複数のプラグ領域の信号強度を抽出し、平均したものを用いる。プラグ領域で正の帯電が生じた場合には、表面電界とプラグ領域から発生する二次電子線のエネルギーの関係により、Ｓ字カーブは帯電しないベアＳｉウエハ等のＳ字カーブ７８よりフィルタ電位の高い方へシフトする。このシフト量が、表面電位Ｖｓとなる。そこで、電子光学条件の各パラメータを変化させながら、このような一連の処理を繰り返すことで、所望の表面電位Ｖｓとなるような各パラメータの値を探索する。

ここで、電子光学条件を決定する各パラメータは、例えば、被検査半導体ウエハ４８に一次電子線１７を照射するときの照射エネルギー、一次電子線の電子量、および被検査半導体ウエハ４８表面の電界強度が挙げられる。本実施例１において、照射エネルギーは、電子銃８で数ｋＶに加速した電子線を、リターディング電位と呼ばれるウエハホルダ２１に印加した負の電位により、ウエハ近傍で急激に減速させることで調整する。このように照射エネルギーは、加速電圧とリターディングの電位を調整すればよい。ここでは、例えば、照射エネルギーが５００ｅＶになるように調整した。一次電子線１７の電子量は、電子銃８の引き出し電圧によって、ここでは例えば数１００ｐＡ程度に調整した。電子量の調整には、電子源の温度または電子線が通過する絞り１５の孔径またはコンデンサレンズ９の励磁を用いても構わない。ウエハ近傍の電界は、ウエハ上面に設置した電界制御電極１２の印加電圧変化により調整した。なお、他の電子光学条件である一次電子線１７の照射時間、照射面積、照射回数は偏向器１３，１６によって調整できる。

次に、図９において、被検査半導体ウエハ４８を半導体検査装置１から搬出し、校正用ウエハを半導体検査装置１に搬入する（Ｓ９０８）。これによって、図１０の半導体ウエハ２２の部分に校正用ウエハが置かれる。その後、前述したＳ９０３と同様に電子ビーム校正用パターン７０に移動し（Ｓ９０９）、前述したＳ９０７で探索した光学条件に設定後（Ｓ９１０）、Ｓ９０４，Ｓ９０５と同様に電子ビーム校正用パターン７０を用いた光軸調整が行われる（Ｓ９１１，Ｓ９１２）。

続いて、校正用ウエハに移動して（Ｓ９１３）、各種校正用信号を取得する（Ｓ９１４）。この校正用信号の取得に際しては、Ｓ９１０で設定した所望の電子光学条件下で、一次電子線１７の量、二次電子検出系回路部３４の前段信号６４およびＡ／Ｄ変換直前の後段信号６５を計測する。この際に、一次電子線１７の量を複数変化させ、その都度二次電子画像１７や増幅率Ｇを取得しておく。そして、これらの情報は、記憶部３９に保存される。また、オフセット電位が生じている際には、オフセット調整機構６８を用いて補正を行う。なお、ここでは、増幅率Ｇの計測やオフセット電位の補正は、校正用ウエハに一次電子線１７を照射することで行ったが、その代わりに、図２の一定レベル信号送信部３５から二次電子検出系回路部３４に固定信号を入力し、前段信号６４および後段信号６５をモニタする方法を用いてもよい。

その後は、校正用ウエハを半導体検査装置１から搬出し、再度、被検査半導体ウエハ４８を半導体検査装置１に搬入し（Ｓ９１５）、Ｓ９１０で設定してある所望の電子光学条件下で、被検査半導体ウエハ４８の二次電子画像を取得する（Ｓ９１６）。この際には、被検査半導体ウエハ４８に対して、一次電子線１７を一定の時間間隔で複数回照射して二次電子画像を取得する。更に、この画像取得する際の一次電子線１７の量を、一次電子線量検出器１４および一次電子線量モニタ部３６で計測し、増幅率Ｇの大きさを、一定レベル信号モニタ部３７のデータに対して演算（Ｖ２／Ｖ１）を行うことで計測する。これらの情報は、取得した二次電子画像と共に記憶部３９に保存される。また、前段信号６４と後段信号６５の間にオフセット電位が生じていた場合は、オフセット調整機構６８により補正を行う。なお、一次電子線１７の量を計測するタイミングは、二次電子画像の取得に伴い一次電子線１７を一定の時間間隔で複数回照射する際のその前後や、または、この一定の時間間隔の間（ブランキング時間の間）や、あるいは複数の二次電子画像を取得する際のその前後であってもよい。

このような一連の画像取得とそれに伴う一次電子線１７、増幅率Ｇおよびオフセット電位のモニタおよび保存を、ＸＹステージ２０を移動させながら行い、複数の二次電子画像を取得する。この際に、情報処理部７の演算処理部４０では、一次電子線１７、増幅率Ｇおよびオフセット電位の時系列的な変動量が逐次演算され、これらの変動量が所望の変動量よりも大きい場合が生じたときには、表示画面４１に警告を表示するようにしておく。また所望の変動量より大きい時に取得した画像は、評価用のデータとして使用しないよう記憶部３９に記憶させておく。

そして、このようにして取得された複数の二次電子画像は、その取得した際の一次電子線１７の変動量や増幅率Ｇの変動量を基に補正され、その補正された複数の二次電子画像を基に累積度数分布のグラフが生成され、表示画面４１上に表示される（Ｓ９１７）。このＳ９１７での処理は、具体的には例えば図１１のようにして行われる。図１１は、図９における二次電子画像の補正および累積度数分布のグラフを表示する際の詳細な処理の一例を示すフロー図である。なお、ここでの処理は、図６および図７に示した情報処理部７で行われ、記憶部３９に保存されたデータを用いて画像処理部３８や演算処理部４０がソフトウエア処理を行い、その結果を表示画面４１に表示するというものである。

図１１では、まず、前述した図９のＳ９１４において校正用ウエハで取得した一次電子線量毎の二次電子画像と、その際の増幅率Ｇをソフトウエアに取り込む処理を行う（Ｓ１１０１）。そして、この取り込んだデータから、一次電子線の変動量と二次電子画像の輝度との相関関係を算出し、また、取り込んだ増幅率Ｇ（短時間の取得データであるため通常は殆ど変動しない）を例えば平均化するなどで基準増幅率Ｇ１を算出して保存する（Ｓ１１０２）。

次いで、前述した図９のＳ９１６において被検査半導体ウエハで取得した各二次電子画像毎に、当該画像データとその際の一次電子線の量および増幅率Ｇをソフトウエアに取り込む（Ｓ１１０３）。また、取り込んだ画像毎に、一次電子線の変動量と増幅率Ｇの変動量を算出する（Ｓ１１０４）。その後、前述したＳ１１０２で算出した一次電子線の変動量と輝度との相関関係および基準増幅率Ｇ１を用い、取り込んだ各画像の輝度信号に対してその一次電子線の変動量分および増幅率Ｇの変動量分の補正を行う（Ｓ１１０５）。具体的には、例えば、取り込んだ画像の輝度信号をＫ、その際の増幅率をＧ２とすると、補正後の輝度信号Ｋ’は、例えばＫ’＝ΔＸ＋（Ｇ１／Ｇ２）×Ｋとなる。ここで、ΔＸは、一次電子線の変動量分の輝度信号の補正値であり、この値は、前述した校正用ウエハで取得した一次電子線の変動量と輝度との相関関係を参照することで算出することができる。

なお、ここでは、図７の前段信号６４と後段信号６５の間にオフセット電位が生じていた場合は、オフセット調整機構６８により補正を行ったが、例えばオフセット調整機構６８を備えないような場合には、情報処理部７によるソフトウエア処理によって補正を行うことも可能である。この場合、補正後の輝度信号Ｋ’は、Ｋ’＝ΔＸ＋（Ｇ１／Ｇ２）×Ｋ＋ΔＯＦとなる。ここで、ΔＯＦは、オフセット電位の変動量に伴う輝度信号の補正値であり、オフセット電位の変動量に対して一義的に定めることができる。

続いて、補正された複数の二次電子画像からプラグ領域での輝度信号を抽出して統計処理を行い、累積度数分布グラフを作成する（Ｓ１１０６）。また、予め判っているリーク電流と二次電子画像の輝度信号との相関関係や、リーク電流とリテンション時間（データ保持時間）との相関関係から、輝度信号をリテンション時間に変換する（Ｓ１１０７）。これによって、図５のようなリフレッシュ特性評価のグラフが得られ、このグラフが表示画面４１に表示される（Ｓ１１０８）。なお、ここでは、二次電子画像の輝度信号に対する補正を元画像全体に対して行うように表記したが、元画像でプラグを抽出した後に、抽出したプラグの輝度信号のみを補正してもよい。これによって、プラグ領域以外の信号を補正せずに済むため、処理時間および解析時間が減り、効率化が図れる。

図１２は、本実施例１の半導体検査装置を用いて一次電子線の変動量を補正した結果の一例を示すグラフである。図１３は、本実施例１の半導体検査装置を用いて増幅率の変動量を補正した結果の一例を示すグラフである。図１２では、例えば一次電子線の変動量が＋１５％であった場合のリフレッシュ特性１２０ａと−２０％であった場合のリフレッシュ特性１２１ａとが示されている。このように、一次電子線の量が変動するとリフレッシュ特性が大きく異なる結果となってしまう。そこで、このようなリフレッシュ特性１２０ａ，１２１ａに対して、図１１のような処理によって一次電子線の変動量分の補正を行った結果、ほぼ同一となるリフレッシュ特性１２０ｂ，１２１ｂを得ることが可能となった。

一方、図１３では、例えば増幅率の変動量が−１５％であった場合のリフレッシュ特性１３０ａと＋３０％であった場合のリフレッシュ特性１３１ａとが示されている。このように、増幅率Ｇの値が変動するとリフレッシュ特性が大きく異なる結果となってしまう。そこで、このようなリフレッシュ特性１３０ａ，１３１ａに対して、図１１のような処理によって増幅率Ｇの変動量分の補正を行った結果、ほぼ同一となるリフレッシュ特性１３０ｂ，１３１ｂを得ることが可能となった。

以上、本実施例１の半導体検査装置および検査方法を用いることで、半導体装置を高精度に評価することが可能となる。また、特に、ＤＲＡＭなどの半導体ウエハにおけるｐｎ接合形成段階で、そのリフレッシュ特性を高精度に取得することが可能となる。

（実施例２）
本実施例２では、前述した実施例１の半導体検査装置および検査方法を、半導体装置の製造工程（前工程プロセス段階）に適用した例を説明する。ここでは、例えば、ＤＲＡＭの開発段階において、イオン注入後のアニール処理条件を最適化する場合を例とする。図１４は、本実施例２で用いた各種アニール処理条件の一例を示す説明図である。図１４に示すように、最適なアニール処理条件を見つけるため、アニール温度とアニール時間を変えた４条件（条件Ａ〜条件Ｄ）を設定した。そして、この４条件下でアニール処理した半導体装置の性能比較をするため、各条件で接合形成およびアニ−ル処理されたウエハをプロセスラインから抜き取り、実施例１で述べた図９および図１１の処理フローを用いてそれぞれのウエハを評価した。

図１５は、図１４の各種アニール処理条件に対応する評価結果の一例を示すグラフである。図１５に示すように、条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの順にリテンション時間が改善している結果が得られた。裾分布から、条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの順に従い、リークがあるプラグ数が減少していることがわかった。さらに、図６の加熱ホルダ６９により４条件のウエハを加熱し、温度を上げて画像を取得して検査した結果、累積度数分布の裾分布がより顕在化し、条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの順に従いリークがあるプラグ数が減少することがより正確に分かった。これらの結果から、条件Ｄのアニール処理条件が最適であるとした。なお、実際上、各ウエハの測定時毎に一次電子線や増幅率などが変動する恐れが十分にあり、この変動量を補正しない場合には、必ずしもこのような結果が得られるとは限らない。ここでは、図９および図１１の処理フローによって変動量の補正を行っているため、高精度な結果が得られ、正確に条件出しを行うことが可能となった。

以上、本実施例による半導体検査装置および検査方法を半導体装置の前工程プロセス段階に適用することにより、従来では前工程プロセスへのフィードバックに半導体装置完成後のプローブテストの結果が必要なため数ヶ月程度を要していたが、この期間を大幅に短縮できるようになる。さらに、高精度な評価結果に伴い、正確なフィードバックを行える点からも、半導体装置の評価期間を短縮可能となる。なお、このような効果は、特に半導体装置の開発段階に適用した場合により顕著に現れる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明による半導体検査装置および検査方法は、特に、ＤＲＡＭ等におけるｐｎ接合のリフレッシュ特性を評価する場合に適用して有益な技術であり、これに限らず、ｐｎ接合を含む各種半導体装置に対して、そのｐｎ接合のリーク特性を高精度に評価する技術として広く適用可能である。

本発明の実施例１による半導体装置の検査方法において、その検査対象となる半導体装置の構成例を示す断面図である。 本発明の実施例１による半導体装置の検査方法において、その検査方法の原理を示す説明図である。 本発明の実施例１による半導体装置の検査方法において、その検査方法の原理を示す説明図である。 本発明の実施例１による半導体装置の検査方法において、その検査方法の原理を示す説明図である。 本発明の実施例１による半導体装置の検査方法において、その検査結果の一例を示すグラフである。 本発明の実施例１における半導体検査装置の構成例を示す概略図である。 図６の二次電子検出系回路部とその主な関連部分の構成例を示すブロック図である。 従来技術の問題点を示す説明図である。 本発明の実施例１による半導体装置の検査方法において、その処理の一例を示す処理フロー図である。 図６のウエハホルダの構成例を示す平面図である。 図９における二次電子画像の補正および累積度数分布のグラフを表示する際の詳細な処理の一例を示すフロー図である。 本発明の実施例１による半導体検査装置を用いて、一次電子線の変動量を補正した結果の一例を示すグラフである。 本発明の実施例１による半導体検査装置を用いて、増幅率の変動量を補正した結果の一例を示すグラフである。 本実施例２で用いた各種アニール処理条件の一例を示す説明図である。 図１４の各種アニール処理条件に対応する評価結果の一例を示すグラフである。 図９の光学条件の探索処理において用いられる検出器関連の構成例を示す概略図である。 図１６の構成例を用いた処理内容の一例を説明する図である。

符号の説明

１ 半導体検査装置
２ 電子光学系
３ ステージ機構系
４ ウエハ搬送系
５ 真空排気系
６ 制御系
７ 情報処理部
８ 電子銃
９ コンデンサレンズ
１０ 対物レンズ
１１ 検出器
１２ 電界制御電極
１３ 走査偏向部
１４ 一次電子線量検出器
１５ 絞り
１６ ブランキング用偏向器
１７ 一次電子線
１８ 二次電子線
１９ 高さセンサ
２０ ＸＹステージ
２１ ウエハホルダ
２２ 半導体ウエハ
２３ リターディング電源
２４ カセット載置部
２５ ウエハローダ
２６ 電子銃制御部
２７ ブランキング制御部
２８ 一次電子線量検出系制御部
２９ ビーム偏向補正部
３０ 電子光学系制御部
３１ 電界制御電極制御部
３２ 高さセンサ検出系
３３ ステージ制御部
３４ 二次電子検出系回路部
３５ 一定レベル信号送信部
３６ 一次電子線量モニタ部
３７ 一定レベル信号モニタ部
３８ 画像処理部
３９ 記憶部
４０ 演算処理部
４１ 表示画面
４２ 外部サーバ
４３ 半導体基板
４４ 素子分離層
４５ 拡散層
４６，４９，５０ プラグ
４７ 層間絶縁膜
４８ 半導体装置
５１ 二次電子画像
５３ 主分布
５４ 裾分布
５５ 増幅率が小さい場合
５６ 増幅率が大きい場合
６０ 等電位線
６１ リーク電流
６２ プリアンプ
６３ メインアンプ
６４ 前段信号
６５ 後段信号
６６ Ａ／Ｄ変換器
６７ フォトマル
６８ オフセット調整機構
６９ 加熱ホルダ
７０ 電子ビーム校正用パターン
７１，７３，７７ アース電極
７２ フィルタ電極
７４ 検出回路
７５ フィルタ電源
７６ 電界制御電源
７８，７９ Ｓ字カーブ
８０ グラフ
１２０ａ，１２１ａ，１２０ｂ，１２１ｂ，１３０ａ，１３１ａ，１３０ｂ，１３１ｂ リフレッシュ特性

Claims (12)

1. 一次電子線を放出する電子源と、
   拡散層およびプラグが形成された段階の被検査試料が搭載される試料台と、
   前記試料台に搭載された前記被検査試料の同一箇所に前記一次電子線を照射するためのレンズおよび偏向器と、
   前記一次電子線を所定の間隔で複数回照射するよう制御する制御部と、
   前記一次電子線の大きさの変動量を計測する第１手段と、
   前記被検査試料のプラグの表面電位を計測する第２手段と、
   前記一次電子線の複数回照射に応じて前記被検査試料が発生した二次電子信号を検出する検出器と、
   前記検出器で検出された二次電子信号を増幅し、この増幅した二次電子信号をＡ／Ｄ変換し、このＡ／Ｄ変換後の信号を輝度信号として出力する二次電子検出系回路部と、
   前記二次電子検出系回路部で出力された輝度信号の大きさを、前記第１手段で計測された前記一次電子線の大きさの変動量に基づいて補正する第３手段と、
   前記第３手段で補正された輝度信号を用いて、前記被検査試料の拡散層の電気特性を算出する第４手段と、
   前記二次電子検出系回路部で増幅される前の二次電子信号と増幅された後の二次電子信号とを計測することで前記二次電子検出系回路部の増幅率の変動量およびオフセット電位の変動量を計測する第５手段と、
   前記二次電子検出系回路部で出力された輝度信号の大きさを、前記第１手段で計測された前記一次電子線の大きさの変動量に加えて、前記第５手段で計測された前記二次電子検出系回路部の増幅率の変動量およびオフセット電位の変動量に基づいて補正する第６手段とを有することを特徴とする半導体検査装置。
2. 請求項１記載の半導体検査装置において、
   さらに、固定電圧または固定電流などの一定レベルの外部信号を前記二次電子検出系回路部に入力する第７手段を備え、
   前記一定レベルの外部信号を前記二次電子検出系回路部で増幅する処理を行うことで、前記二次電子検出系回路部の増幅率の変動量およびオフセット電位の変動量を計測することが可能となっていることを特徴とする半導体検査装置。
3. 請求項１記載の半導体検査装置において、
   さらに、前記一次電子線の大きさの変動量、又は前記二次電子検出系回路部の増幅率の変動量、或いは前記二次電子検出系回路部のオフセット電位の変動量のいずれかが所定の変動量以上となった際に警告を発生する第８手段を有することを特徴とする半導体検査装置。
4. 請求項１記載の半導体検査装置において、
   さらに、前記被検査試料の温度を可変制御するための加熱機構を有することを特徴とする半導体検査装置。
5. 一次電子線を放出する電子源と、
   拡散層およびプラグが形成された段階の被検査試料が搭載される試料台と、
   前記試料台に搭載された前記被検査試料の同一箇所に前記一次電子線を照射するためのレンズおよび偏向器と、
   前記一次電子線を所定の間隔で複数回照射するよう制御する制御部と、
   前記被検査試料のプラグの表面電位を計測する第１手段と、
   前記一次電子線の複数回照射に応じて前記被検査試料が発生した二次電子信号を検出する検出器と、
   前記検出器で検出された二次電子信号を増幅し、この増幅した二次電子信号をＡ／Ｄ変換し、このＡ／Ｄ変換後の信号を輝度信号として出力する二次電子検出系回路部と、
   前記二次電子検出系回路部で増幅される前の二次電子信号と増幅された後の二次電子信号とを計測することで前記二次電子検出系回路部の増幅率の変動量およびオフセット電位の変動量を計測する第２手段と、
   前記二次電子検出系回路部で出力された輝度信号の大きさを、前記第２手段で計測された前記二次電子検出系回路部の増幅率の変動量およびオフセット電位の変動量に基づいて補正する第３手段と、
   前記第３手段で補正された輝度信号を用いて、前記被検査試料の拡散層の電気特性を算出する第４手段とを有することを特徴とする半導体検査装置。
6. 請求項５記載の半導体検査装置において、
   さらに、固定電圧または固定電流などの一定レベルの外部信号を前記二次電子検出系回路部に入力する第５手段を備え、
   前記一定レベルの外部信号を前記二次電子検出系回路部で増幅する処理を行うことで、前記二次電子検出系回路部の増幅率の変動量およびオフセット電位の変動量を計測することが可能となっていることを特徴とする半導体検査装置。
7. 拡散層およびプラグが形成された段階の被検査試料に対して、前記被検査試料の同一箇所に一次電子線を複数回照射する第１工程と、
   前記第１工程の際の前記一次電子線の大きさの変動量を計測する第２工程と、
   前記第１工程に応じて前記被検査試料が発生する二次電子信号を検出する第３工程と、
   前記第３工程で検出された二次電子信号を増幅する第４工程と、
   前記第４工程で増幅された後の二次電子信号を輝度信号として出力する第５工程と、
   前記第４工程の際の増幅率の変動量およびオフセット電位の変動量を計測する第６工程と、
   前記第５工程で出力された輝度信号を、前記第２工程で計測された前記一次電子線の大きさの変動量と前記第６工程で計測された前記増幅率の変動量およびオフセット電位の変動量に基づいて補正する第７工程と、
   前記第７工程で補正された輝度信号から前記被検査試料の拡散層の電気特性を算出する第８工程とを有することを特徴とする半導体装置の検査方法。
8. 請求項７記載の半導体装置の検査方法において、
   前記第１工程は、
   前記被検査試料のプラグの表面電位を計測する第１処理と、
   前記第１処理で計測された表面電位が所定の値となるように一次電子線の照射条件または前記被検査試料近傍の電界を設定する第２処理と、
   前記第２処理で照射条件が設定された一次電子線を、前記被検査試料の同一箇所に複数回照射する第３処理とを含むことを特徴とする半導体装置の検査方法。
9. 請求項７記載の半導体装置の検査方法において、
   前記被検査試料は、ＤＲＡＭであることを特徴とする半導体装置の検査方法。
10. 請求項７記載の半導体装置の検査方法において、
    前記第７工程は、
    前記第５工程で出力された輝度信号から前記被検査試料のプラグに該当する箇所の輝度信号を抽出する第４処理を含み、
    前記第４処理で抽出された輝度信号を対象として、前記第２工程で計測された前記一次電子線の大きさの変動量と前記第６工程で計測された前記増幅率の変動量およびオフセット電位の変動量に基づいた補正を行うことを特徴とする半導体装置の検査方法。
11. 請求項７記載の半導体装置の検査方法において、
    前記第７工程は、予め校正用の半導体ウエハを用いて、前記一次電子線の大きさを変化させた際に必要となる輝度信号の補正量を調査しておき、この調査結果を参照することで、前記第２工程で計測された前記一次電子線の大きさの変動量に基づく補正を行うことを特徴とする半導体装置の検査方法。
12. 請求項９記載の半導体装置の検査方法において、
    前記第８工程は、前記第７工程で補正された輝度信号から前記ＤＲＡＭのリテンション時間を算出し、更に、前記リテンション時間を統計処理して前記ＤＲＡＭのリフレッシュ特性の累積度数分布を算出することを特徴とする半導体装置の検査方法。

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