JP5315076B2

JP5315076B2 - 電子線の影響を考慮した半導体検査方法及び装置

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Publication number: JP5315076B2
Application number: JP2009025496A
Authority: JP
Inventors: 徹安藤; 正弘笹島
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-02-06
Also published as: US20110291009A1; JP2010182897A; US8309922B2; WO2010089960A1

Description

本発明は、半導体検査装置及び方法に関し、特に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の電子線によって半導体に与えるダメージを低減しながら半導体の電気特性を取得するための検査又は不良解析を行う半導体検査方法及び装置に関する。

近年、４５ｎｍデバイスと半導体の微細化が進み、トランジスタのコンタクト間の距離や高さが非常に短くなってきた。そのため、特許文献１のような装置で半導体を検査する場合、半導体に吸収された電子線の影響により、正しいトランジスタ特性を取ることが困難になりつつある。

そこで、半導体の前処理において、酸化膜をできるだけ残し、酸化膜を厚くすることで、少しでも電子線の影響から逃れるように処理してきた。また、電子線の加速電圧を下げること、および、エミッション電流を下げることにより、コントラストの無い判り難い像になるが、電子線の影響を少なくしてきた。

特開２００２−３４３８４３号公報

しかし、微細化によって、電子線の帯電の影響により侵入領域がコンタクト，酸化膜，ゲート，ソース，ドレインに影響を与え、電気特性が正しく取得できなくなってきている（第２図参照）。正確に電気特性を取得するためには、高倍率で詳しくＳＥＭ像で観察しながら正確にコンタクトへプロービングする必要があるが、このことは、試料へのダメージを多く与え、トレードオフの関係にある。

正しい電気特性が取得できないと、いくつかのトランジスタの電気特性を取得して、１つの不良を見つけるときにどの特性が不良なのか判らなくなるため、問題となる。また、相対的な電気特性は取得できても絶対的に正しい電気特性が取得できないことになりかねない。

また、電子線の影響を少なくすると言う事は、すなわち、コンタクトを見ることに何らかの制限が必要となる。正しいコンタクトにプローブを当てられなければ、当然正しい電気特性は計測できなくなる。針当てが必要な装置として特許文献１などがある。

ここで、微細化に伴って、最先端のコンタクトは、２〜３万倍の倍率でないとコンタクトの影さえ見えず、当然、針当てもできない。また、電子線の影響を少なくするために加速電圧を０.５ｋＶまで落としたり、エミッション電流を５μＡに下げたりする。明確なＳＥＭ像にはならずコンタクトがぼんやり見えている状態で針当てを行っているのが現状である。また、電子線のスキャンモードが遅いと電子線の電荷が溜まり易いので、できるだけＴＶモード（１画面２０ｍ秒程度）を利用する。

本発明は、この電子線の影響を少なくし、正しい電気特性を取得することによって、不良位置を明確にすることを目的とする。また、電子線の制限をしても、コンタクトが十分見えて、かつ、コンタクトにプローブを十分当てられることを目的とする。

上記の課題を解決する手段として、ステージを固定し針当てするコンタクトを決めて、１度高倍にてコンタクトの画像を取得する。また、低倍でプローブが何処にあるかをリアルタイムに表示する。１回で取得した高倍のコンタクト画面と低倍のプローブをリアルタイムに表現したものを合わせた画面で表現する。

低倍の画像からプローブの針先位置が判れば高倍の画面のどの位置にくるか計算上求められる。このことより、１回取得した高倍の画面に低倍の画面から計算で求めたプローブ位置をリアルタイムで表現することで試料へのダメージは少なくなる。

電子線の影響を多面から分析すると、一番操作の掛かる針当て時に試料ダメージを与えている。また、試料のコンタクトは、数万倍にしないと見えないが、針当て中にステージ移動する必要はない。更に、プローブは大きいため数倍から見えるが、針当て時にはリアルタイムで見えていないと隣のプローブとぶつけたりすることによって、プローブを損傷してしまう。

ステージを固定し針当てするコンタクトを決めて、１度高倍にてコンタクトの画像を取得する。また、低倍でプローブが何処にあるかをリアルタイムに表示する。要は、１回で取得した高倍のコンタクト画面と低倍のプローブをリアルタイムに表現したものを合わせた画面で表現することで、静的なコンタクトと動的なプローブの両方を表現でき、通常低倍で処理できるため試料にダメージを与えない。

本発明によると、迅速かつ、正確に不良位置に針当てができ、しかも電子線の影響が少なく抑えられるので、半導体の電気特性等の測定ができ、及び半導体検査装置を実現することでき、装置ユーザーの使い勝手が向上する。

半導体検査装置の概略構成図。半導体内にあるトランジスタの電子線への影響を表す図。本発明の一実施例を説明する図。本発明の一実施例を説明する図。本発明の一実施例を説明する図。本発明の一実施例を説明する図。本発明の一実施例を説明する図。

以下、添付図面を参照して本発明の一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半導体検査装置の概略構成図である。
図１において、半導体検査装置は、真空チャンバ隔壁１０５内の薄片の試料１０３に対してＳＥＭ（走査電子顕微鏡：Scanning Electron Microscope）の１次電子ビーム１０１を当てる。そして、２次電子ビーム１０２を２次電子検出器１０４で検出して、制御コンピュータ１３４を介して表示装置１３３に半導体のＳＥＭ像を表示する。このＳＥＭ像は、試料１０３にプローブ１２７を当てるときに利用する。

制御コンピュータ１３４は、第１の画像処理システム１３１，記憶手段１３２，表示装置１３３を利用して、ＳＥＭ像，ステージ移動，倍率切り替え等、半導体検査装置全体の動作制御を行う。

電子ビーム照光学系１１８は、電子銃１１１からコンデンサレンズ１１２，１１３，絞り１１４，スキャン偏向器１１５，イメージシフト偏向器１１６，対物レンズ１１７を経由して１次電子ビーム１０１を発生させる。コンデンサレンズは１つしかない場合もある。スキャン偏向器１１５にて、スキャンの方向や倍率を決める。

ステージは、ベース１２１の上に大ステージ１２２，試料台駆動手段１２３，試料台１２４とプローブ駆動手段１２５，プローブ用アタッチメント１２６，プローブ１２７を搭載している。

本発明では、基本的に倍率を変更でき、画像の編集ができるプローブ付きのＳＥＭであれば可能である。

図２は、一般的な半導体内にあるトランジスタの電子線の影響を示している。１次電子ビーム２０１を試料２０２に当てる。試料は、研磨を行い、上層部は削られている状態で、基板２０３の上側に酸化膜２０４があり、トランジスタの構成となるドレイン２０５，ソース２０６，ゲート２０７にそれぞれコンタクト２０８が接続されている。コンタクト部分にプローブを当てトランジスタの電気特性を取得することで、どのトランジスタが不良であるのか判る。

しかし、１次電子ビームを当てると多かれ少なかれ電子線侵入領域２０９ができる。この電子線侵入領域２０９がドレイン２０５，ソース２０６，ゲート２０７に掛かると、肝心の電気特性に影響が出て、どのトランジスタが不良であるのか判らない結果となってしまう。例えば、ゲート電圧がある値を超えると急激にドレイン電流が流れる電圧を示すＶｔｈ特性の立ち上がりに影響がでる。近年の微細化により、コンタクト間の距離が近くなったこともあるが、酸化膜の厚さも段々と薄くなりこの電子線侵入領域が同じ大きさでも酸化膜が薄くなることで影響を受け易くなってきている。

ここで、この電子線侵入領域２０９をできるだけ小さくしてドレイン２０５，ソース２０６，ゲート２０７に掛からないようにするためには、１次電子ビーム２０１の加速電圧（１.０ｋＶ以下）を下げることや、１次電子ビーム２０１のエミッション電流（５μＡ以下）を下げることが考えられる。また、できるだけ低倍で観察すること、できるだけ焦点を試料に合わせないことや、速いスキャンモードで電荷をためにくくすること、できるだけ短い時間内に観察を行うこと等の対策がある。

しかし、どれも針当てをするためには不要な項目であり、針当てをするために明確なＳＥＭ像で行うと試料へのダメージも多くなる。針当てと低ダメージはとはトレードオフの関係にある。

そこで、高倍と低倍の２種類の像を使って針当てと低ダメージを解決する。図３〜図７を用いて説明する。高倍の画面３０１の中には、目標のコンタクト３０２とプローブ３０３が表示されている状態で、現在、複数のプローブを目標のコンタクト３０２の位置へ集めようとするとき、高倍の画面３０１の画像を１度取得する。

次に低倍４０１の画面へ倍率を変える。このとき、試料からプローブに焦点を合わせて直すことも有効である。低倍にすると、中心から離れたプローブ４０４は見えるが、コンタクト全体が見えないこともある。また、目標とするコンタクト４０２の位置も不明確となる。

そこで、図５で示すように低倍の画面４０１の中心に高倍の画面３０１を高倍元画面領域５０４に収めるようにデータを縮小して表示する。

つまり、低倍基準画面５０１内に目標となるコンタクト５０２，プローブ５０３，５０５を表示して、高倍元画面領域５０４内のみが、より判り易い画像となる。勿論、この画像は高倍での取得は１回で、後は低倍で取得した像なので、ダメージは少ない。倍率を変更することによって、高倍元画面領域５０４のサイズが変動することで、高倍元画面の倍率よりも低倍で対応できる。このことにより、プローブが見える位置まで低倍に変更でき、目標のコンタクト５０２が何処にあるのか倍率に高倍元画面領域が連動していくため容易に操作できる。

また、フォーカスを試料ではなくて、プローブ側に当てることによって、プローブと試料の高さの違いにより電子線が試料に集中しないため試料ダメージの軽減ができ、低倍の画面ではプローブ情報のみが必要なので、より鮮明なプローブの情報を得ることができ一石二鳥である。図５の高倍元画面領域５０４内の画像編集は、積算をすることによって低倍のプローブと高倍の目標のコンタクト５０２の両方が判断できる。

今度は、図６に示すように低倍で処理中にも係わらず高倍をベースとして表示し、その画面内に低倍の画像データを拡大して重ね合わせる。新たに表示されるプローブ６０４は、低倍の画像を拡大している。多少荒い画像ではあるが、プローブの位置は明確に判る。

また、元々の高倍の画面３０１内にあるプローブ３０３を移動しても元画像にプローブ３０３があるため元位置のプローブ３０３表示と新規に移動したプローブ３０３，４０３の２本の表示となってしまう。しかし、中心から遠い方が以前にあった元画像のプローブだと容易に想像できるので、問題はない。

プロービングを行うに当たり、正しい像でプロービングをすることに意味は無く、プロービング後の電気特性を計測した結果が正しい方が有効であると考える。

また、図６の別の方法として、図４の低倍でリアルタイムに取得した画面からプローブの針先先端を画像処理にて検索し、その位置が高倍の画面３０１上では、何処にあるのかを計算して、プローブ６０４を表示する。この方法を図７に示す。

高倍の画面７０１を１度取得する。高倍の画面７０１の中には目標のコンタクト７０２とプローブ７０３を含んでいる。

次に低倍の画面７０４に変更する。高倍の目標のコンタクト７０２は、低倍の目標のコンタクト７０５に対応し、高倍のプローブ７０３は、低倍のプローブ７０６に対応する。

この時点で、ユーザーの画面切り替えによって、表示上高倍で見せるが、実際の電子ビーム照光学系は、低倍のままとする。ユーザーの操作によって、プローブ７０７を移動方向７０９に移動すると、装置は、予め動作するプローブと移動したことは判っているので、低倍の画像からプローブの針先位置７０８を検知する。低倍の画面７０４上で針先位置７０８は、高倍の画面７１０のどの位置にあるかを計算し、表示する。ユーザーには、７０１の高倍画面と７１０の針先を検知した画面を合成し、７１２の画面を表示する。

目標のコンタクト７１３とプローブ７１４，７１５を表示することで、試料に対しては低倍の照射を行っているにも係わらず、ユーザーにはあたかも高倍の画面を操作しているように見せることができる。

そのとき、プローブ７１５の表示方法として３つの方法がある。
１つ目として、システムとして予め用意したプローブの画像を重ね合わせる方法がある。

２つ目として、高倍の画面から切り抜いた画像を合成する方法がある。

３つ目として、針先の位置にプローブの絵を示すマーカーを表示する方法がある。この方法も効果は大きい。画像の重ね合わせによる場合は、画像の質を向上するために、高倍の約数に低倍の倍率を設定した方が画像の拡大／縮小結果が良く歪むことがない。

マーカーにしたときは、画像の拡大／縮小はしないため、高倍と低倍の倍率の違いによる影響は少ない。

上記説明では、簡単に説明するために１本のプローブを移動したときのことを説明したが、複数本プローブが移動しても考え方は同じで対応できる。

マーカーにした場合、高倍率で針の太さの表現が曖昧になり易いため、プローブどおしの接触によるプローブの破損が考えられる。しかし、マーカーの絵を４０３のようにプローブの先端から２本のラインで表現して十分安全なプローブの太さのラインを引くことにより、接触を避けることができる。

元画像となる高倍の画面３０１と低倍の画面４０１にコントラスト強調，カラー表示，輪郭強調等の画像編集を行うことでより、現在と過去のデータの違いが鮮明となる。また、高倍の画面３０１の画像編集は、１度行うとリアルタイムに低倍の画面との合成時に行う必要が無いため、処理時間が必要無く、コンタクトの強調ができる。また、過去の位置にあるプローブを強調しない編集を行うことも可能であり、低倍の画面４０１で表現される最新のプローブとの違いを表現でき有効である。

粗寄せ初期時に図５の方式を使い、離れたプローブを確認しながら操作でき、ある程度、プローブが集ってきたときに図６の方式で、的確な位置へプローブを寄せることができる。このように使い易いケースに合わせて使うことでより試料にダメージを与えずに針寄せを行うことができる。

１０１１次電子ビーム
１０２２次電子ビーム
１０３，２０２試料
１０４２次電子検出器
１０５真空チャンバ隔壁
１１０，１１８電子ビーム照光学系
１１１電子銃
１１２コンデンサレンズ１
１１３コンデンサレンズ２
１１４絞り
１１５スキャン偏向器
１１６イメージシフト偏向器
１１７対物レンズ
１２１ベース
１２２大ステージ
１２３試料台駆動手段
１２４試料台
１２５プローブ駆動手段
１２６プローブ用アタッチメント
１２７，３０３，４０３，４０４，５０３，５０５，６０３，６０４，７０３，７０６，７０７プローブ
１２８電気特性計測器
１３１第１の画像処理システム
１３２記憶手段
１３３表示装置
１３４制御コンピュータ
２０１１次電子ビーム
２０３基板
２０４酸化膜
２０５ドレイン
２０６ソース
２０７ゲート
２０８コンタクト
２０９電子線侵入領域
３０１，７０１高倍の画面
３０２，４０２，５０２，６０２，７０２，７０５目標のコンタクト
４０１，７０４低倍の画面
５０１低倍基準画面
５０４高倍元画面領域
６０１高倍基準画面
７０８針先位置
７０９プローブ移動方向
７１０低倍で計算した高倍の画面
７１１計算上のプローブ
７１２合成した高倍の画面
７１３合成した目標のコンタクト
７１４合成したプローブ
７１５移動計算後合成したプローブ

Claims

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、
倍率を変更できる偏向コイルと、
前記試料から発生する二次電子を検出できる検出器と、
前記検出器からの信号に基づいて取得した試料像を表示する表示装置と、
前記試料に接触できる１本以上の探針とを備え
前記試料に探針を当てる際、高倍率の試料の静止画像と低倍率で動作する探針のリアルタイム画像を組み合わせて前記表示装置に表示することを特徴とする半導体検査装置。
請求項１記載の半導体検査装置において、高倍率の１回の静止画像を取得し、低倍率の静止画を取得して探針を示し、低倍率の静止画を繰り返し高倍率の静止画と合成編集することを特徴とする半導体検査装置。
請求項１記載の半導体検査装置において、高倍率の１回の静止画像を取得し、探針の画像のみを切り抜き、低倍率の画像から探針の先端を検知し、切り抜いた探針の画像を検知した位置へ移動することで探針を移動することを特徴とする半導体検査装置。
請求項３記載の半導体検査装置において、探針の先端検知のみで、予め取得した画像、または、マーカーを移動する探針として表現することを特徴とする半導体検査装置。
請求項１記載の半導体検査装置において、高倍率と低倍率の静止画にカラー表示や輪郭強調の画像編集処理を加えてより判り易くすることを特徴とする半導体検査装置。
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、
倍率を変更できる偏向コイルと、
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１本以上の探針とを備える半導体検査装置における半導体検査方法であって、
前記試料に探針を当てる際、高倍率の試料の静止画像と低倍率でリアルタイムに動作する探針の画像を組み合わせて利用することを特徴とする半導体検査方法。
請求項６記載の半導体検査方法において、高倍率の１回の静止画像を取得し、低倍率の静止画を取得して探針を示し、低倍率の静止画を繰り返し高倍率の静止画と合成編集することを特徴とする半導体検査方法。
請求項６記載の半導体検査方法において、高倍率の１回の静止画像を取得し、探針の画像のみを切り抜き、低倍率の画像から探針の先端を検知し、切り抜いた探針の画像を検知した位置へ移動することで探針を移動することを特徴とする半導体検査方法。
請求項８記載の半導体検査方法において、探針の先端検知のみで、予め取得した画像、または、マーカーを移動する探針として表現することを特徴とする半導体検査方法。
請求項６記載の半導体検査方法において、高倍率と低倍率の静止画にカラー表示や輪郭強調の画像編集処理を加えてより判り易くすることを特徴とする半導体検査方法。