JP5156767B2 - 試料検査装置及び吸収電流像の作成方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体試料等の解析を行う試料検査装置及び、それを用いた吸収電流像の作成方法に関し、例えば、半導体試料等の配線における電気不良箇所を特定する技術に関する。

半導体表面に回路が形成された半導体試料において、欠陥箇所の特定はデバイスの微細化にともない困難となってきており、その不良解析には膨大な時間を要している。そのため、ＯＢＩＲＣＨ（Optical Beam Induced Resistance Change）やＥＢテスタなど解析装置が現在使われている。

上記半導体試料の不良解析において、配線に関する不良解析として、近年電子線を半導体試料表面に照射し、配線から吸収された電流あるいは半導体試料から放出された二次的な信号を解析／画像化する技術が注目されている。

例えば、特許文献１には、配線パターンが形成された半導体試料において、配線パターンの両端あるいは片側に探針を接触させ、電子線を上記半導体試料上の配線パターンに走査させ、探針に流れる電流を測定／画像化することにより不良箇所を特定する技術が開示されている。

また、特許文献２には、複数の探針からの信号を増幅させ、それらの信号の差を取り、その差動増幅信号を走査させ像表示させる技術、及び照射電子線を変調させ走査し、前記同様差動増幅信号を走査させ像表示させる技術が開示されている。

特開２００２−３６８０４９号公報 特開２００３−８６９１３号公報

上記従来技術に記載した通り、探針より入力された電流の測定において、試料に接触させる探針を一方は電流増幅器に、もう一方を接地させる接続とし、その探針からの信号を電流増幅器にて測定した場合、以下のような状況となる。

配線の両端に探針を接触させ、この状態で電子線を半導体試料上に照射／走査させると、配線に入力された電流（吸収電流）は、電子線が当たった点から一端は接地に、もう一端は電流増幅器に向かって電流（吸収電流）が流れる。この際、電子線が当たった点から上記各探針の接触させた点まで、もともと配線が持っている抵抗を分割することになる。電子線から配線に入力された吸収電流はその抵抗値によって分流され、接地側あるいは電流増幅器側に入力される。この測定方法を用いると、配線に以上があった場合、抵抗値の異状による差が観察できるため、不良箇所の特定が可能となる。しかし、配線の抵抗値が電流増幅器の入力インピーダンスと比較し小さいと、電流増幅器よりも接地側に吸収電流が流れる。この差が大きければ両者に流れる吸収電流の差はその分広がることとなり、電流増幅器側に吸収電流が流れ難くなる。このため、抵抗値が小さい配線の測定ができなくなり、不良箇所の特定が出来ない。

同じく２本の探針を使用した測定の場合、従来の構成だと差像増幅器に入力される前段に増幅器が構成されており、探針から入力された電流が、異なる増幅器にて増幅された後に差動増幅器に入力される。この場合、前記差動増幅器の前段の増幅器間機差による増幅率の差を含んだ状態で増幅された信号が差動増幅器に入力されるため、結果各探針より入力された電流がそれぞれ異なった増幅率で増幅された信号間の差信号を差動増幅器にて増幅し、実際の電流と異なる値を測定する結果となる場合がある。

また、差動増幅器への入力信号の内、片側の信号がもう一方に比べて極端に大きく増幅された場合、出力が正負どちらか片方に振切れてしまう場合がある。この状態を回避する為に、それぞれの増幅器を調整する同一増幅率，同一オフセットに正確に調整するという必要があり、測定自体も煩雑なものとなる。

さらに、差動増幅器を使用する為、探針を配線の両端に接触させると、探針から差動増幅器の入力までの接続ケーブルで、入力端子間にループが出来る。このループが磁場の影響を受けるため、磁場に対する遮蔽をしない場合、探針からの入力電流による信号に、磁場による誘導起電力と配線のインピーダンスによって、ノイズとして直接重畳されてしまう場合がある。

本発明の目的は、複数本の探針を用いて検出された吸収電流から、入力間の増幅率の差を含むことなく鮮明な吸収電流像を取得し、測定効率を向上させることに関する。

本発明では、複数の探針を試料に接触させ、試料に電子線を照射しつつ、探針に流れる電流を測定し、少なくとも２本の探針からの信号を差動増幅器に入力する。そして、差動増幅器からの出力を増幅し、これと電子線の走査情報に基づいて吸収電流像を作成することに関する。

また、本発明では、複数の探針を試料に接触させ、試料に電子線を照射しつつ、探針に流れる電流を測定し、一の探針に流れる電流に依存する信号が増幅器の入力側に入力し、他の探針に流れる電流に依存する信号を増幅器のＧＮＤに入力する。そして、増幅器からの出力と、電子線の走査情報と、に基づいて吸収電流像を作成することに関する。

また、本発明は、探針を試料から離し、試料に電子線を照射し、ノイズ情報を作成し、探針を試料に接触させ、試料に電子線を照射し、吸収電流情報を作成し、吸収電流情報とノイズ情報とに基づいて吸収電流像を作成することに関する。

本発明により、入力間の増幅率の差を含むことなく鮮明な吸収電流像を取得でき、半導体試料の不良解析の測定効率を向上できる。

本発明の一実施形態が適用される試料検査装置の概略構成図である。 図１に示した構成を含んだ本実施の半導体検査装置の構成を示した図である。 外乱ノイズによる吸収電流像７への影響を軽減する方法の実施例を示す。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態が適用される試料検査装置の概略構成図である。

一次電子線１が試料２に照射される。試料２の表面には配線パターン３が有り、探針４をこの配線パターン３の両端あるいはパッドに接触させる。この状態で、上記配線パターン３を含めた試料２の表面に、電子線源５より一次電子線１を走査させる。照射された一次電子線１のうち、配線パターン３に入り込んだ電子が電流として探針４から検出され、差動増幅器６に入力され増幅される。差動増幅器６は、この入力された信号に対し、差信号を生成し出力する。この差信号を、一次電子線１の走査に同期させ、吸収電流像７として、表示部８に表示させる。

配線パターン３より入り探針４で検出された電流は、一次電子線１が当たった箇所から探針４の間での、配線パターン３の抵抗値によって分流され、差動増幅器６の＋入力、あるいは−側入力に入力される。このため、配線パターン３において、探針４に接触された間で抵抗値の変化にしたがって、吸収電流像７に明暗の差ができる。配線パターン３上での不具合部では、抵抗値が均一ではない為、他の正常なところと比較し明暗の変化が異なって表示される。この為、配線パターン３上で、他と異なる状態つまり不良箇所が、吸収電流像７として容易に判断することができる。

図２は、図１に示した構成を含んだ本実施の半導体検査装置の構成を示した図である。

図２において、試料検査装置は、電子線を照射できる電子線照射光学系を備える。つまり、電子線源５より照射された一次電子線１が、コンデンサレンズ９，１０，絞り１１，スキャン偏向器１２，イメージシフト偏向器１３，対物レンズ１４を経由して試料２に照射される。この際、一次電子線１は、スキャン偏向器１２等により、試料２の表面上を走査する。

一次電子線１を照射された試料２より、二次電子線１５が放出され、二次電子線検出器１６により検出される。

試料から発生する二次電子を検出できる検出器である二次電子線検出器１６は、ＳＥＭ制御部１７により制御されている。また、ＳＥＭ制御部１７はビデオボード１８および記録部１９を有している。二次電子線検出器１６より入力された信号をビデオボード１８にてデジタル信号に変換され、一次電子線１の走査に同期させて表示部８により画像を表示する。走査された一次電子線１に同期して表示部８に表示される為、二次電子線１５がＳＥＭ像として表示される。また、この信号及びＳＥＭ像は記録部１９に記録される。なお、試料検査装置全体も、ＳＥＭ制御部１７によって制御されている。

試料２は試料ホルダ２０に固定され、試料を載置できる試料台である試料ステージ２１によってＸ，Ｙ，Ｚの３軸方法に移動可能な手段を持つ構造となっている。試料に接触できる探針４は探針ステージ２２によって、試料ステージ２１と同様Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方法に移動可能な手段を持つ構造となっている。

試料ステージ２１と探針ステージ２２をそれぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向に移動／制御し、試料２の表面に探針４を接触させる。

試料２の表面上に形成された配線の一端あるいは両端に探針４を接触させる。この状態で、上記配線パターン３を含めた試料２の表面に、電子線源５より一次電子線１を走査させる。照射された一次電子線１のうち、配線パターン３に入り込んだ電子が電流として探針４から検出される。探針に流れる電流は計測器により計測される。この配線パターン３より入り探針４で検出された電流は、一次電子線１が当たった箇所から探針４の間での、配線パターン３の抵抗値によって分流され、差動増幅器６に入力される。計測器からの信号が入力される差動増幅器６は、この入力された信号に対し、差信号を生成し出力する。この差動増幅器６より出力された差信号を、増幅器２３にて探針４からの吸収電流による吸収電流像７の表示に必要な増幅率により増幅し、一次電子線１の走査に同期させ、吸収電流像７として、差動増幅器からの信号と、電子線照射光学系の走査に依存した信号とに基づいて吸収電流像を出力する画像装置である表示部８に表示させる。

前記の通り、ＳＥＭ制御部１７はビデオボード１８および記録部１９を有している。探針４より入力された信号は、ビデオボード１８にてデジタル信号に変換され、一次電子線１の走査に同期させて表示部８で表示される。これにより、探針から入力された電流（吸収電流）よりえられた信号（吸収電流信号）の分布を像として表示することが出来る（これを吸収電流像７とする）。また、この信号及び吸収電流像７は、記録部１９に記録される。

このため、配線パターン３において、探針４に接触された間で抵抗値の変化にしたがって、吸収電流像７に明暗の差ができる。配線パターン３上での不具合部では、抵抗値が均一ではない為、他の正常なところと比較し明暗の変化が異なって表示される。この為、配線パターン３上で、他と異なる状態つまり不良箇所が、吸収電流像７として容易に判断することができる。

ＳＥＭ制御部１７は像表示する為の信号入力系統を二次電子線検出器１６と、差動増幅器６とに切換える機能を有しており、探針４からの電流による吸収電流像７を表示する際は、探針４を差動増幅器６側に切換える。

入力された吸収電流像７を生成する為の信号を、一次電子線１の走査に同期させて表示部８にて表示させることにより、吸収電流像７が表示される。

差動増幅器６の前に、切換部２４が登載されている。一次電子線１が試料２に照射されている間、探針４に対しても一次電子線１は照射されるため、探針４が帯電する可能性がある。帯電した場合、探針４を試料２に近付けると放電する。探針４は直径が数１００ｎｍ程度と非常に細く、放電によるダメージで破損する可能性がある。また、試料２には静電気に弱いものが多く、放電による破損の可能性がある。つまり、帯電した探針４を試料２に近付けることにより、探針４および試料２が破損する可能性がある。切換部２４は、探針４を試料２に接触させるまで接地側に接続するようになっている。そして、探針４が試料２に接触した後に差動増幅器６側に切り替わるようになっている。これにより、探針４は帯電することなく試料２に接触することができる。

また、切換部２４は、差動増幅器６へ接続する状態と、電流増幅器２５への接続の状態のいずれかを選択可能な構成となっている。

配線パターン３の配線に対して探針をその両端に接触させて電流増幅器２５による測定を実施する場合、切換部２４にて、配線パターン３の両端に接触させた探針の一方を電流増幅器２５へ、もう片方を、抵抗を介して電流増幅器の電源ＧＮＤへ接続する。この抵抗は選択可能であり、試料の抵抗値にあわせて切換えることが出来る。

探針４を試料２表面上の配線パターン３の両端に接触させると、差動増幅器６の入力を繋いだループを構成する回路を生成する。これにより、外部磁場がこの周辺で発生した場合、差動増幅器６の入力間を接続した配線等のループで誘導起電力が発生する。このループのインピーダンスにより、誘導起電力で電流が流れ、それらが差動増幅器６の入力より入力される。これがノイズとして吸収電流像７に重畳される。本半導体検査装置では、探針４から差動増幅器６の入力の間を磁場シールド２６で覆っている。これにより、ループ部が磁場から受ける影響が大幅に軽減され、誘導起電力が軽減ざれる為、重畳されるノイズも大幅に軽減される。

本実施例では、各探針に流れる信号を直接差動増幅器で受けることにより、各入力系統間での信号増幅率の差が発生せず、入力信号そのものの差分を増幅させる事により、増幅／出力の偏りがない出力をえられる為、像質が飛躍的に向上する。また、各入力信号が受ける影響を従来と比較して小さくすることが出来、そのため入力信号自体が従来よりも小さいものに対して吸収電流像が観察できるようになる。この結果、被測定試料の抵抗値が従来よりも小さいものでも吸収電流像が観察できるようになる。また、増幅器の調整は初段の増幅が差動増幅器で、この増幅器によるオフセットへの影響が支配的であることから、各入力系統に対するオフセット調整が不要となり、一括での調整のみとなるため、調整は差動増幅器のみで十分となり、吸収電流像観察における装置調整の煩雑さを軽減でき、利便性が格段に向上する。

また、探針の一方を、抵抗を介して接地させ、もう一方の探針を電流増幅器に接続して探針からの入力信号を前記走査手段に同期させて像表示をすることにより、探針から流れ込んだ電流が接地側だけに流れることなく電流増幅器側にも流れる為、対接地間の抵抗値を選択することで測定可能な試料の抵抗値の幅広がり、従来よりも小さい抵抗値の試料の測定が可能になる。

実施例１の検出系では、増幅率を大きくする必要があるため、外乱ノイズ対して敏感な構成となっている。そこで、図３に、外乱ノイズによる吸収電流像７への影響を軽減する実施例を示す。以下、実施例１との主な相違点のみ記載する。

探針４を試料２に接触させる前に一旦１次電子線１を照射し、探針４からの吸収電流像を測定する。探針４より入力された信号をビデオボード１８にてデジタル信号に変換し、記録部１９にて記録する。この信号を、バックグラウンド信号とし、この信号による像はバックグラウンド像２７の通りとなる。一度記録部１９に記録されたバックグラウンド信号の信号データを、ＳＥＭ制御部１７にて極性を反転させた信号を生成し、記録部１９に記録する。この信号を、反転バックグラウンド信号とし、この信号による像は反転バックグラウンド像２８の通りとなる。この信号は、サンプルに依存されない周辺からの外乱ノイズの信号成分のみにより構成されることとなる。

次に、探針４を試料２に接触させ、その際の吸収電流を測定し、その際の探針４からの入力信号を、同様にビデオボード１８にてデジタル信号に変換し、記録部１９にて記録する。この信号を、吸収電流信号とし、この信号による像は、吸収電流像７の通りとなる。この吸収電流信号には、先に撮影した外乱のノイズも重畳されている。先ほど記録された反転バックグラウンド信号を記録部１９より読み出し、吸収電流信号に加算し、一次電子線１の走査に同期させて表示部８に表示する（吸収電流像＋反転バックグラウンド像２９）。この結果、外乱分となるバックグラウンドが相殺され、外乱ノイズを大幅に軽減することができる。

本実施例では、吸収電流像のバックグラウンドノイズを差し引くことにより、ノイズによる像質劣化が大幅に改善することが出来る。

１ 一次電子線
２ 試料
３ 配線パターン
４ 探針
５ 電子線源
６ 差動増幅器
７ 吸収電流像
８ 表示部
９，１０ コンデンサレンズ
１１ 絞り
１２ スキャン偏向器
１３ イメージシフト偏向器
１４ 対物レンズ
１５ 二次電子線
１６ 二次電子線検出器
１７ ＳＥＭ制御部
１８ ビデオボード
１９ 記録部
２０ 試料ホルダ
２１ 試料ステージ
２２ 探針ステージ
２３ 増幅器
２４ 切換部
２５ 電流増幅器
２６ 磁場シールド
２７ バックグラウンド像
２８ 反転バックグラウンド像
２９ 吸収電流像＋反転バックグラウンド像

Claims (2)

1. 試料を載置できる試料台と、
   電子線を照射できる電子線照射光学系と、
   前記試料から発生する二次電子を検出できる検出器と、
   前記試料に接触できる、少なくとも２本の探針と、
   前記探針とケーブルを介して接続された差動増幅器と、を備え、
   さらに、前記ケーブルに切換部を備え、当該切換部は
   前記探針が前記試料と接触するまでは前記探針が接地側に接続し、前記探針が前記試料と接触後に前記探針が前記差動増幅器に接続するように切り換え、当該差動増幅器には、前記電子線を試料に照射したときに各探針に流れる電流に基づく信号が入力されることを特徴とする試料検査装置。
2. 請求項１記載の試料検査装置において、
   前記試料が、配線パターンが形成された半導体試料であることを特徴とする試料検査装置。

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