JP5324534B2 - 検査方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、検査対象にプローブを接触させることにより検査対象を検査する検査方法及び装置に関する。

特許文献１には、半導体素子の配線の欠陥を検出するために、プローブを半導体素子に接触させ、その電気特性を測定する技術が記載されている。半導体素子の電気特性を正確に測定するには、プローブを半導体素子の所定の位置に正確に接触させる必要がある。そこで、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によるＳＥＭ画像が用いられる。

近年、３０ｎｍ、２０ｎｍデバイスのように、半導体素子の配線パターンの微細化が進んでいる。例えば、最先端の半導体素子では、２〜３万倍の倍率でないとトランジスタのコンタクトの観察することができない。そのために、高倍率及び高分解能のＳＥＭ画像が必要である。

ＳＥＭ画像の高倍率化及び高分解能化には、電子光学条件（電子線の加速電圧、エミッション電流等）の変更が必要である。しかしながら、電子光学条件を変更すると、試料がダメージを受け、半導体素子の電気特性に影響を与えることがある。従って、ＳＥＭ画像の高倍率化及び高分解能化と同時に、半導体素子の電気特性に影響を与えることは避けなければならない。しかしながら、これらの２つの課題は、トレードオフの関係にある。

プローブを半導体素子に接触させる工程（プローブの針当て）では、プローブの現在位置を取得する必要がある。即ち、ＳＥＭ画像のリアルタイム性が必要である。

特開２００２−３４３８４３号公報

上述のように、プローブを半導体素子に接触させる工程（プローブの針当て）では、ＳＥＭ画像の高倍率化及び高分解能化ばかりでなく、リアルタイム性が必要である。しかしながら、従来の技術では、半導体素子の電気特性に影響を与えることなく、ＳＥＭ画像の高倍率化、高分解能化及びリアルタイム性を同時に満たすことは困難であった。

本発明の目的は、検査対象の電気特性を測定する場合に、検査対象の電気特性に影響を与えることなく、ＳＥＭ画像の高倍率化、高分解能化及びリアルタイム性を満たすことができる技術を提供することにある。

本発明によると、先ず、試料上の検査対象における目標位置の像を含む高画質且つ高倍率の第１の画像を取得する。次に、試料上の検査対象における目標位置の像とプローブの像を含む低画質且つ低倍率の第２の画像を取得する。次に、第２の画像に第１の画像データを組み込むことによって、第２の画像の倍率と同一の倍率の粗寄せ観察用の画像を生成する。プローブが検査対象における目標位置に近接するまで、粗寄せ観察用画像の生成を繰り返す。

更に、試料上の検査対象における目標位置の像とプローブの像を含む低画質且つ低倍率の第３の画像を取得する。次に、第３の画像データと第１の画像を合成することによって、第１の画像の倍率と同一の倍率の精密寄せ観察用の画像を生成する。プローブが検査対象における目標位置に接触するまで、精密寄せ観察用画像の生成を繰り返す。

本発明によると、検査対象の電気特性を測定する場合に、検査対象の電気特性に影響を与えることなく、ＳＥＭ画像の高倍率化、高分解能化及びリアルタイム性を満たすことができる。

本発明の検査装置の構成例を示す図である。 半導体素子内のトランジスタに対する電子線照射の影響を表す図である。 本発明の検査方法におけるプローブの移動方法を説明する図である。 本発明の検査方法において低倍率の粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像を生成する方法を説明する図である。 本発明の検査方法において高倍率の精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像の生成方法の第１の例を説明する図である。 本発明の検査方法において高倍率の精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像の生成方法の第２の例を説明する図である。 本発明の検査方法において高倍率の精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像の生成方法の第３の例を説明する図である。 本発明の検査方法において高画質且つ高倍率のＳＥＭ画像の再取得（リフレッシュ）を説明する図である。

図１を参照して、本発明による検査装置の例として半導体検査装置を説明する。半導体検査装置では、試料である半導体素子上に形成された回路パターンに直接プローブを触針させ、回路の論理的な動作や電気特性を測定する。試料とプローブの間の接触状態及び接触位置を確認するために、走査型顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）が設けられている。ここでは、走査型顕微鏡を備えたＳＥＭ式半導体検査装置の例を説明するが、本発明の半導体検査装置は、他の荷電粒子線装置を用いた半導体検査装置であってもよい。

本例の半導体検査装置は、電子ビーム光学系１１８と試料室１０５を有する。電子ビーム光学系１１８は試料室１０５の筐体に設けられている。試料室１０５には、試料１０３を載置する試料台１２４と、試料台１２４を駆動する試料台駆動装置１２３と、プローブ１２７Ａ、１２７Ｂを支持するプローブ用アタッチメント１２６Ａ、１２６Ｂと、プローブ用アタッチメント１２６Ａ、１２６Ｂを駆動するプローブ駆動装置１２５Ａ、１２５Ｂと、試料台駆動装置１２３及びプローブ駆動装置１２５Ａ、１２５Ｂを支持する大ステージ１２２と、大ステージ１２２を支持するベース１２１が設けられている。試料室１０５の筐体には更に、検出器１０４が設けられている。

本例のＳＥＭ式半導体検査装置は、更に、画像処理装置１３１、記憶装置１３２、表示装置１３３、及び、制御コンピュータ１３４を有する。画像処理装置１３１によって、以下に説明するように、粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像及び精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像を生成する。

制御コンピュータ１３４は、画像処理装置１３１、記憶装置１３２、表示装置１３３を利用して、倍率切り替え、ステージ移動、ＳＥＭ画像の生成等、半導体検査装置全体の動作制御を行う。

本例のＳＥＭ式半導体検査装置は、プローブ１２７Ａ、１２７Ｂを自動的に移動させて試料１０３に接触させる自動プロービング機能が設けられてよい。しかしながら、手動により、プローブ１２７Ａ、１２７Ｂを移動させて試料１０３に接触させてもよい。

電子ビーム光学系１１８は、電子銃１１１、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、及び、対物レンズ１１７を有する。スキャン偏向器１１５によって、スキャンの方向や倍率を決められる。コンデンサレンズは１つであってもよい。

本例の半導体検査装置の動作を説明する。先ず、制御コンピュータ１３４からの制御信号は、試料台駆動装置１２３及びプローブ駆動装置１２５Ａ、１２５Ｂに送信される。それによって、プローブ１２７Ａ、１２７Ｂと試料１０３の間の相対的位置が変化し、プローブ１２７Ａ、１２７Ｂが試料１０３に接触する。プローブ１２７Ａ、１２７Ｂからの電気信号は制御コンピュータ１３４へ送られる。制御コンピュータ１３４はプローブからの信号を解析する。表示装置１３３は、解析結果を示すグラフ又は表を表示する。

一方、電子ビーム光学系１１８では、電子銃１１１からの１次電子ビーム１０１は、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、及び、対物レンズ１１７を経由して試料１０３に照射される。試料１０３からの２次電子信号又は反射電子信号は、検出器１０４によって検出され、画像処理装置１３１によってＳＥＭ画像が生成される。このＳＥＭ画像は、表示装置１３３によって表示され、記憶装置１３２に記憶される。このＳＥ画像は、試料１０３にプローブ１２７Ａ、１２７Ｂを接触させるときに利用する。

本発明によると、２次電子信号又は反射電子信号によって生成した画像を用いて、プローブの針当てを行なうが、プローブによる吸収電流画像を用いることもできる。それにより、材質の違いを顕在化することができる。また、内部の電気的な導通性を示す画像を用いて、プローブの針当てを行なうことも可能である。

本例の半導体検査装置は、電子ビーム光学系１１８を用いるが、荷電粒子ビーム光学系を用いる場合には、イオン画像を用いてプローブの針当てを行なうことができる。それによって、プローブの針当ての操作性が向上する。

本発明による半導体検査装置は、基本的には１次粒子ビームの加速電圧を変更することが可能であり、且つ、プローブ電流量の変更が可能であり、画像の編集ができるプローブ付きの検査装置であればよい。

図２を参照して、試料１０３の例として、一般的な半導体素子の場合を説明する。半導体素子は、基板２０３とその上の酸化膜２０４を有する。尚、半導体素子の表面は研磨され、酸化膜２０４の最上層部は削られている。半導体素子には、トランジスタの構成要素であるドレイン２０５、ソース２０６、及び、ゲート２０７が形成され、それぞれコンタクト２０８が接続されている。コンタクト２０８の上端は、酸化膜２０４を介して露出している。コンタクト２０８にプローブを接触させることにより、トランジスタの電気特性を検査することできる。それによって、どのトランジスタが不良であるのか判る。

走査型顕微鏡において半導体素子の表面に１次電子ビーム１０１を照射すると、半導体素子の内部の所定の領域２０９まで電子ビームが進入する。この電子線侵入領域２０９内に、ドレイン２０５、ソース２０６、ゲート２０７の一部が存在すると、トランジスタの電気特性に影響を与える。即ち、トランジスタの不良の検出に誤差が生じる。例えば、トランジスタでは、ゲート電圧がある値Ｖｔｈを超えると急激にドレイン電流が流れる現象がある。電子線侵入領域２０９が存在すると、このＶｔｈ特性の立ち上がりに影響を与える。近年、半導体素子の微細化が進み、コンタクト間の距離が短くなっている。更に、酸化膜２０４の厚さも、徐々に薄くなっている。従って、電子線侵入領域が同一の大きさであっても、酸化膜２０４が薄くなると、ドレイン２０５、ソース２０６、ゲート２０７に対する影響を与え易くなってきている。

ドレイン２０５、ソース２０６、ゲート２０７に対する１次電子ビーム１０１の影響を小さくするには、電子線侵入領域２０９をできるだけ小さくすればよい。電子線侵入領域２０９を小さくするには、１次電子ビーム１０１の加速電圧を（例えば、１.０ｋＶ以下に）下げるか、又は、１次電子ビーム１０１のエミッション電流を（例えば５μＡ以下に）下げればよい。

更に、できるだけ低倍率で観察し、できるだけ焦点を半導体素子の表面に合わせないことでもよい。更に、スキャン速度（走査速度）を大きくすることにより、半導体素子の表面に電荷が蓄積することを回避してもよい。また、できるだけ短い時間内に観察を行うことも有効である。更に、半導体素子の前処理において、酸化膜を削る量を少なくし、酸化膜をできるだけ残すとよい。

しかしながら、これらの対策は、ＳＥＭ画像の画質又は分解能を低下させる。従って、半導体素子の表面にプローブを正確に且つ確実に接触させるために有効ではない。ＳＥＭ画像の画質を高品質化すると、プローブの針当てを正確に且つ確実に行なうことができるが、電子線侵入領域２０９が大きくなり、半導体素子の電気特性に影響を与える。したがって、不良検査に誤差が生じ易くなる。

一般に、電子線侵入領域２０９を小さくすることと、高画質のＳＥＭ画像を得ることは、トレードオフの関係にある。即ち、半導体素子の電気特性の評価を正確に行なうことと、高品質のＳＥＭ画像を得ることは、トレードオフの関係にある。

そこで、本発明によると、高画質且つ高倍率の画像と低画質且つ低倍率の画像の２種類の像を使ってプローブの針当ての操作性を向上させ、同時に、電子線によるダメージの発生を回避する。尚、低画質の画像を得るのは、電子線によるダメージの発生を回避するためである。従って、スキャン速度（走査速度）を大きくする。

高画質の画像を得る条件として、様々なパラメータの選択が可能である。これらのパラメータには、電子線の加速電圧、電子線の照射電流、プローブ電流、スキャン時間、フレームの積算回数、画素数、倍率、等がある。更に、２次電子像の代わりに荷電粒子像、反射電子像等を用いても、高画質の画像を得ることはできる。

プローブの針当てにおいて、試料の表面についての情報が必要な場合は、加速電圧を比較的低くすればよく、試料の下部の情報が必要な場合には、加速電圧を比較的大きくすればよい。更に、プローブ電流量を変化させることにより、ボルテージコントラストのある画像を取得することができる。いずれにしても、高画質の画像を得る条件を選択することにより、所望の情報が得られるから、それを利用してプローブの針当てを行なえばよい。

図３を参照して、本発明による半導体素子の検査方法におけるプローブの移動方法を説明する。検査対象は半導体素子のトランジスタであるとして説明する。トランジスタの電気的特性を検査するには、トランジスタのコンタクトにプローブを接触させる。

走査電子顕微鏡の視野に、トランジスタの目標のコンタクト像が現れると、視野の中心に、目標のコンタクト像が配置されるように、試料ステージを移動させる。それ以後は、試料ステージを移動させない。以後、試料は移動させないが、プローブは移動させる。従って、目標のコンタクト像を観察するには、高画質の静止画でよいが、プローブ像を観察するには、リアルタイム画像が必要である。

プローブの移動方法は、粗寄せモードと精密モードの２つのモードを含む。粗寄せモードでは、プローブが目標のコンタクトより比較的離れている場合に、低倍率のＳＥＭ画像によってプローブの位置を確認しながら、プローブを移動させる。精密モードでは、プローブが目標のコンタクトより比較的接近している場合に、高倍率のＳＥＭ画像によってプローブの位置を確認しながら、プローブを移動させる。プローブの移動方法は、自動でもよいが手動でもよい。粗寄せモードでは、プローブの移動速度、又は、移動ストロークを比較的大きくし、精密モードでは、プローブの移動速度、又は、移動ストロークを比較的小さくするとよい。

本例によると、ステップＳ１０１にて、高画質且つ高倍率の第１のＳＥＭ画像を取得し、それを記憶装置１３２に保存する。高画質のＳＥＭ画像を得るには、上述のように、電子線の加速電圧又は照射電流を上げてもよいが、スキャン速度を小さくしてもよい。この時点では、移動対象のプローブは目標のコンタクトより比較的離れている。従って、第１のＳＥＭ画像には、目標のコンタクト像が表示されているが、移動対象のプローブ像は表示されていない。ステップＳ１０２にて粗寄せモードを開始する。即ち、粗寄せモードにて、プローブを移動させる。

ステップＳ１０３にて、低画質且つ低倍率の第２のＳＥＭ画像を取得し、それを記憶装置１３２に保存する。低画質のＳＥＭ画像を得るには、例えば、スキャン速度を大きくすればよい。第２のＳＥＭ画像には、目標のコンタクト像と移動中のプローブ像の双方が表示されている。高画質の第１のＳＥＭ画像では、試料上に焦点が合わされていたが、低画質の第２のＳＥＭ画像では、プローブに焦点を合わせてもよい。それによって、目標のコンタクト像は不鮮明となるが、プローブ像は鮮明に表示される。

ステップＳ１０４にて、低倍率の粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像を生成する。粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像は、ステップＳ１０１にて取得した第１のＳＥＭ画像をステップＳ１０３にて取得した第２のＳＥＭ画像に組み込むことにより生成する。粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像の生成方法は、後に図４を参照して詳細に説明する。粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像には、目標のコンタクト像と移動対象のプローブ像の双方が表示されている。

ステップＳ１０５にて、粗寄せモードを終了させるか否かを判定する。粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像を観察して、プローブ像が目標のコンタクト像に近接していないと判定できる場合には、粗寄せモードを継続させるために、ステップＳ１０３に戻る。プローブ像が目標のコンタクト像に近接している判定できるまで、ステップＳ１０３〜ステップＳ１０４を繰り返す。粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像を観察して、プローブ像が目標のコンタクト像に近接していると判定できる場合には、粗寄せモードを終了させる。この場合、ステップＳ１０６にて、精密寄せモードを開始する。即ち、精密寄せモードにて、プローブを移動させる。

ステップＳ１０７にて、低画質且つ低倍率の第３のＳＥＭ画像を取得し、それを記憶装置１３２に保存する。第３のＳＥＭ画像には、目標のコンタクト像と移動対象のプローブ像の双方が表示されている。尚、ステップＳ１０７の第３のＳＥＭ画像の取得における走査電子顕微鏡の光学条件は、ステップＳ１０３の第２のＳＥＭ画像の取得における走査電子顕微鏡の光学条件と同一である。即ち、粗寄せモードにおける走査電子顕微鏡の光学条件は、精密寄せモードでもそのまま維持されている。

ステップＳ１０８にて、高倍率の精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像を生成する。精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像は、ステップＳ１０１にて取得した第１のＳＥＭ画像とステップＳ１０７にて取得した第３のＳＥＭ画像を合成することにより生成する。尚、精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像の生成方法は、後に図５、図６及び図７を参照して詳細に説明する。精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像には、目標のコンタクト像と移動対象のプローブ像の双方が表示されている。

ステップＳ１０９にて、精密寄せモードを終了させるか否かを判定する。精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像を見て、プローブ像が目標のコンタクト像に接触していないと判定できる場合には、精密寄せモードを継続させるために、ステップＳ１０７に戻る。プローブ像が目標のコンタクト像に接触したと判定できるまで、ステップＳ１０７〜ステップＳ１０８を繰り返す。精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像を観察して、プローブ像が目標のコンタクト像に接触したと判定できる場合には、精密寄せモードを終了させる。即ち、プローブの移動を停止する。

尚、ステップＳ１０５及びステップＳ１０９の判定は、ユーザが目視によって行なってよいが、画像処理装置１３１が画像処理によって自動的に行なってもよい。例えば、ステップＳ１０５の処理では、プローブ像と目標のコンタクト像の間の距離が所定の距離より小さくなったときに、粗寄せモードを終了させる。ステップＳ１０９の処理では、プローブ像の先端の位置と目標のコンタクト像の位置が略一致したときに、精密寄せモードを終了させる。

本例では、低倍率の粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像を生成する毎に、ステップＳ１０３にて第２のＳＥＭ画像を取得する。高倍率の精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像を生成する毎に、ステップＳ１０７にて第３のＳＥＭ画像を取得する。しかしながら、第２及び第３のＳＥＭ画像を繰り返し生成しても、これらの画像は、低画質且つ低倍率であるから、試料の表面にダメージを与える可能性は低い。一方、第１のＳＥＭ画像を取得するのは、ステップＳ１０１の１回のみである。第１のＳＥＭ画像は高画質且つ高倍率であるが、それを取得するのは１回のみであるから、試料の表面にダメージを与える可能性は低い。

更に、第２及び第３のＳＥＭ画像を取得する場合、コンタクトではなくプローブに電子線の焦点を合わせる。従って、試料である半導体素子の表面では、電子線の焦点が合っていない。そのため、電子線の照射により、試料に与えるダメージを減少させることができる。

ステップＳ１０１にて取得した第１のＳＥＭ画像と、ステップＳ１０３及びステップＳ１０７にて取得した第２及び第３のＳＥＭ画像を識別するために、ＳＥＭ画面に対して、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なってよい。それによって、ユーザは、表示装置に表示されたＳＥＭ画像を見て、それが当初に取得した第１のＳＥＭ画像であるか、後に取得した第２又は第３のＳＥＭ画像であるかが容易に判る。

このような画像編集は、第１のＳＥＭ画像に対して行なうとよい。画像編集を行なった後の第１のＳＥＭ画像を記憶装置１３２に保存する。第１のＳＥＭ画像と第２及び第３のＳＥＭ画像を合成する場合には、記憶装置１３２に保存された画像編集を行なった後の第１のＳＥＭ画像を利用すればよい。

また、粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像、及び、精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像において、最新の位置にあるプローブ像を強調表示し、過去の位置にあるプローブ像を強調表示しないように画像編集を行なってもよい。

トランジスタのコンタクトは、高画質且つ高倍率のＳＥＭ画像でなければ、正確に観察することはできない。従って、ステップＳ１０１にて、目標のコンタクトの位置情報を得るために、高画質且つ高倍率のＳＥＭ画像を取得している。しかしながら、プローブの針当て中に試料ステージ移動する必要はないから、この高画質且つ高倍率のＳＥＭ画像を取得するのは１回のみであってもよい。

一方、プローブは大きいため低画質且つ低倍率のＳＥＭ画像でも観察が可能である。しかしながら、針当て時にはプローブが移動するため、リアルタイムにて観察しないと、隣のプローブと衝突してプローブが損傷する可能性がある。従って、プローブの位置情報を得るために、低画質且つ低倍率の第２及び第３のＳＥＭ画像は、所定に時間間隔にて定期的に取得する。従って、第２及び第３のＳＥＭ画像はリアルタイム像である。

半導体素子の検査では、プローブの針当て工程にて、電子線の照射により、試料にダメージを与える可能性がある。しかしながら、本発明によると、電子線の照射による試料へのダメージが最小化される。更に、本発明によると、粗寄せモードの後に精密寄せモードを行なうから、プロービング時間の短縮化が可能となる。

図４を参照して、図３のステップＳ１０４の低倍率の粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像の生成方法を説明する。図４の左上のＳＥＭ画像２０１０は、図３のステップＳ１０３にて取得した、低画質且つ低倍率の第２のＳＥＭ画像２０１０の例を示す。図４の右上のＳＥＭ画像１０１０は、図３のステップＳ１０１にて取得した高画質且つ高倍率の第１のＳＥＭ画像１０１０の例を示す。

第１のＳＥＭ画像１０１０において、整列して配置された複数の円形は、トランジスタのコンタクト像を表す。第１のＳＥＭ画像１０１０は、高画質であるから、目標のコンタクト像１０２０が鮮明に表示されている。第１のプローブ像１０３０は既に所定の位置に配置されており、この位置に静止している。移動対象の第２のプローブ像は、このＳＥＭ画像１０１０には現れていない。

第２のＳＥＭ画像２０１０は、低倍率であるから、２つのプローブ像２０３０、２０４０が表示されている。第１のＳＥＭ画像１０１０では、試料上に焦点が合わされていたが、第２のＳＥＭ画像２０１０では、プローブに焦点を合わせてもよい。それによって、第２のＳＥＭ画像２０１０では、プローブ像２０３０、２０４０が比較的鮮明に表示される。一方、第２のＳＥＭ画像２０１０では、全てのコンタクト像を特定することが困難である。また、目標のコンタクト像２０２０は不鮮明であり、その位置を正確に特定することができない。粗寄せモードにて、第２のプローブ像２０４０は矢印方向に移動する。

先ず、第１のＳＥＭ画像１０１０を縮小することによって、第２のＳＥＭ画像２０１０の倍率と同一倍率の高画質の縮小画像１０１０ａを生成する。ここで、第１のＳＥＭ画像１０１０の倍率は、第２のＳＥＭ画像２０１０の倍率の整数倍であると都合がよい。

この高画質の縮小画像１０１０ａに含まれる目標のコンタクト像１０２０ａ及び第１のプローブ像１０３０ａの画像上の寸法は、第２のＳＥＭ画像２０１０に含まれる目標のコンタクト像２０２０及び第１のプローブ像２０３０の画像上の寸法と同一となる。

次に高画質の縮小画像１０１０ａを第２のＳＥＭ画像２０１０に組み込むことにより、低倍率の粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像２２０１が生成される。縮小画像１０１０ａを第２のＳＥＭ画像２０１０に組み込むには、例えば、両画像の対応する画素値を積算してよい。

粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像２２０１では、目標のコンタクト像２１０２ａ及び第１のプローブ像２２０３（２１０３ａ）ばかりでなく、第２のプローブ像２２０４も表示されている。粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像２２０１のうち中心領域２１０１ａでは、鮮明な像が表示され、中心領域２１０１ａの外側では不鮮明な像が表示されている。目標のコンタクト像２１０２ａは、中心領域２１０１ａ内にあるため鮮明である。第１のプローブ像のうち、中心領域２１０１ａ内にある部分２１０３ａは鮮明であるが、中心領域２１０１ａの外側にある部分２２０３は不鮮明である。また、第２のプローブ像２２０４は中心領域２１０１ａの外側にあるため不鮮明である。しかしながら、第２のＳＥＭ画像２０１０では、第１及び第２のプローブに焦点が合っている。そのため、第１及び第２のプローブ像２０３０、２０４０は比較的鮮明に表示されているはずである。更に、第２のＳＥＭ画像２０１０を取得した時点では、第２のプローブ像２２０４は、目標のコンタクト像２１０２ａより離れている。従って、第２のプローブ像２２０４が多少不鮮明であっても、それが目標のコンタクト像２１０２ａに接近しているか否かを判定するには、不都合はない。

粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像２２０１では、第１のプローブ像２２０３（２１０３ａ）は、完全に正確に表示されているわけではない。しかしながら、粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像２２０１では、第２のプローブ像２２０４が目標のコンタクト像２１０２ａに近接していることを正確に確認することができればよく、必ずしも、第１のプローブ像が正確に表示される必要はない。

本例では、所定の周期にて、第２のＳＥＭ画像２０１０を取得し、低倍率の粗寄せモード観察用のＳＥＭ画像２２０１を生成する。それによって、第２のプローブ像２２０４が目標のコンタクト像２１０２ａに近接していることを確認することができる。

図５を参照して、図３のステップＳ１０８の高倍率の精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像の生成方法の第１の例を説明する。図５の左上のＳＥＭ画像３０１は、図３のステップＳ１０７にて取得した、第３のＳＥＭ画像３０１の例を示す。第３のＳＥＭ画像３０１では、図４の左上に示す第２のＳＥＭ画像２０１０を比較すると、第２のプローブ像３０４の先端は、第３のＳＥＭ画像３０１の中心領域３０５内まで移動している。

図５の右上のＳＥＭ画像１０１０は、図３のステップＳ１０１にて取得した第１のＳＥＭ画像１０１０の例を示す。

先ず、第３のＳＥＭ画像３０１の所定の領域３０５を切り取って拡大する。又は、第３のＳＥＭ画像３０１を拡大して、それより所定の領域３０５に相当する部分を切り取ってもよい。こうして、切り取り及び拡大を組み合わせることによって、第１のＳＥＭ画像１０１０の倍率と同一倍率の低画質の拡大画像３３０５を生成する。ここで、第１のＳＥＭ画像１０１０の倍率は、第３のＳＥＭ画像３０１の倍率の整数倍であると都合がよい。

この低画質の拡大画像３３０５には、目標のコンタクト像３３０２及び第１のプローブ像３３０３ばかりでなく、第２のプローブ像３３０４も表示されている。この低画質の拡大画像３３０５に含まれる目標のコンタクト像３３０２及び第１のプローブ像３３０３の画像上の寸法は、第１のＳＥＭ画像１０１０に含まれる目標のコンタクト像１０２０及び第１のプローブ像１０３０の画像上の寸法と同一となる。

次に低画質の拡大画像３３０５と第１のＳＥＭ画像１０１０を合成することにより、高倍率の精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像１１０１が生成される。２つの画像の合成では、例えば、両画像の対応する画素値を積算してよい。

精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像１１０１では、目標のコンタクト像１１０２及び第１のプローブ像１１０３ばかりでなく、第２のプローブ像１３０４も表示されている。目標のコンタクト像１１０２及び第１のプローブ像１１０３は、第１のＳＥＭ画像１０１０の画素データによって生成されたものであり、鮮明である。第２のプローブ像１３０４は、低画質の拡大画像３３０５の画素データによって生成されたものであり、少々不鮮明である。しかしながら、上述のように、第３のＳＥＭ画像３０１では、プローブに焦点が合っている。そのため、第２のプローブ像３３０４は比較的鮮明である。従って、精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像１１０１の第２のプローブ像１３０４は比較的鮮明である。

本例では、所定の周期にて、第３のＳＥＭ画像３０１を取得し、高倍率の精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像１１０１を生成する。それによって、第２のプローブ像１３０４が目標のコンタクト像１１０２に接触したことを確認することができる。

図６を参照して、図３のステップＳ１０８の高倍率の精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像の生成方法の第２の例を説明する。図６の左上のＳＥＭ画像３０１は、図３のステップＳ１０７にて取得した第３のＳＥＭ画像３０１の例を示す。図６の右上のＳＥＭ画像１０１０は、図３のステップＳ１０１にて取得した第１のＳＥＭ画像１０１０の例を示す。

先ず、第３のＳＥＭ画像３０１において、第２のプローブ像３０４の先端３０４Ａの位置を特定し、その座標を検出する。この処理は、画像処理装置１３１による画像処理によって行なわれる。画像処理装置１３１は、先ず、画像処理によって、第２のプローブ像３０４の外形を検出し、その先端の位置を特定する。こうして、低倍率画像の座標系における、第２のプローブ像３０４の先端の座標（ｘ１、ｙ１）が得られる。

次に、画像処理装置１３１は、低倍率画像の座標系における座標（ｘ１、ｙ１）を第１のＳＥＭ画像１０１０の座標系の座標（ｘ２、ｙ２）に変換する。それによって、高画質且つ高倍率の座標系における、第２のプローブ像の先端の座標（ｘ２、ｙ２）が得られる。

次に、第１のＳＥＭ画像１０１０の倍率と同一の高倍率画面４０１を生成する。高倍率画面４０１の生成方法は、ここでは詳細に説明しないが、例えば、図５に示したＳＥＭ画像３３０５を生成する方法と同一の方法を用いてもよい。この高倍率画面４０１において、第２のプローブ像４０４を付加する。高倍率画面４０１の座標系の座標（ｘ２、ｙ２）に相当する位置４０５に、プローブ像４０４の先端が配置されるように、付加すればよい。

プローブ像４０４は、画像処理装置１３１によって予め用意されたプローブの像であってもよいし、第３のＳＥＭ画像３０１のプローブ像３０４を切り出して生成したものであってもよい。

最後に、プローブ像４０４を有する高倍率画面４０１と第１のＳＥＭ画像１０１０を合成して、高倍率の精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像１１０１を生成する。この精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像１１０１には、目標のコンタクト像１１０２、第１のプローブ像１１０３及び第２のプローブ像１４０４が表示される。

図７を参照して、図３のステップＳ１０８の高倍率の精密寄せモード観察用のＳＥＭ画像の生成方法の第３の例を説明する。本例では、高倍率画面４０１を生成し、高倍率座標系における第２のプローブ像３０４の先端３０４Ａの座標（ｘ２、ｙ２）を取得するまでは、図６の例と同様である。本例では、高倍率画面４０１に第２のプローブ像を表示する代わりにマーカー４０６を生成する。第１のＳＥＭ画像１０１０において、第２のプローブ像を表示する代わりに、第２のプローブ像を表すマーカー１４０６を表示する。

マーカー１４０６を用いることによって、様々な利点が得られる。先ず、２つのＳＥＭ画像を合成する処理を省ける。一般に、２つの画像を合成する場合には、画像の歪を回避し、画像の質の低下を防止するために、２つの画像の倍率は整数倍であることが好ましい。即ち、２つの画像の倍率に制限がある。しかしながら、マーカー１４０６を用いると、２つの画像を合成する工程が無いため、２つのＳＥＭ画像１０１０、３０１の倍率を自由に選択することができる。

尚、マーカー１４０６を用いる場合には、プローブの先端の位置を特定することはできるが、プローブの外形は不明確となる。そのため、プローブ同士の接触によるプローブの破損が起きる可能性がある。それを防止するには、マーカー１４０６をプローブの外形と同一の形状にすればよい。プローブの外形は、２本の直線によって簡単に表すことができる。従って、プローブの外形と同様な形状のマーカーを生成することは容易である。

ここでは、説明を簡単化するために、第１のプローブは移動させないで第２のプローブのみを移動させる場合を説明した。しかしながら、複数本のプローブを移動させる場合も同様である。

図８を参照して、本発明による半導体検査装置における高画質且つ高倍率のＳＥＭ画像の再取得（リフレッシュ）を説明する。荷電粒子線画像やＳＥＭ画像は、時間の経過とともにドリフトにより変化する可能性がある。従って、図３のステップＳ１０１において、高画質且つ高倍率のＳＥＭ画像を取得してから所定の時間が経過すると、新たに高画質且つ高倍率のＳＥＭ画像を再取得することが好ましい。

図８は、高画質且つ高倍率のＳＥＭ画像を再取得（リフレッシュ）する時の、ユーザの選択バリエーションを表示する。半導体検査装置に設けられた再取得（リフレッシュ）機能８０１は、リフレッシュをするか否かの選択８０２と、リフレッシュをする場合には、自動で行なうか手動で行なうかの選択８０３が可能である。更に、リフレッシュを自動で行なう場合には、リフレッシュ時間間隔を設定することが可能である。リフレッシュする間隔は、高画質且つ高倍率のＳＥＭ画像の種類や試料の種類により変化させる必要がある。更に、リフレッシュ時に事前警告を行なうように設定できる。これらの設定は、試料毎にユーザが選択することができる。

以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは、当業者によって容易に理解されよう。

１０１…１次電子ビーム、１０３…試料、１０４…２次電子検出器、１０５…試料室、１１８…電子ビーム光学系、１１１…電子銃、１１２、１１３…コンデンサレンズ、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…試料台駆動装置、１２４…試料台、１２５Ａ、１２５Ｂ…プローブ駆動装置、１２６Ａ、１２６Ｂ…プローブ用アタッチメント、１２７Ａ、１２７Ｂ…プローブ、１３１…画像処理装置、１３２…記憶装置、１３３…表示装置、１３４…制御コンピュータ、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

Claims (20)

1. 試料上の検査対象における目標位置にプローブを接触させることにより該検査対象の電気的特性を検査する検査方法において、
   走査電子顕微鏡によって前記試料上の検査対象における目標位置の像を含む高画質且つ高倍率の第１の画像を取得する第１の画像取得ステップと、
   走査電子顕微鏡によって前記試料上の検査対象における目標位置の像とプローブの像を含む低画質且つ低倍率の第２の画像を取得する第２の画像取得ステップと、
   前記第２の画像の倍率と同一の倍率になるように、前記第１の画像を縮小させて縮小画像を生成する第１の画像縮小ステップと、
   前記縮小画像と前記第２の画像を合成することによって、前記縮小画像に含まれる前記目標位置の像と前記第２の画像に含まれる前記プローブの像を含み前記第２の画像の倍率と同一の倍率の粗寄せ観察用の画像を生成する粗寄せ観察用画像生成ステップと、
   を有し、
   前記粗寄せ観察用の画像において、前記検査対象における目標位置の像と前記プローブの像の間の距離が所定の値より小さくなったと判定されるまで、前記第２の画像取得ステップ、前記第１の画像縮小ステップ、及び、前記粗寄せ観察用画像生成ステップを繰り返すことを特徴とする検査方法。
2. 請求項１記載の検査方法において、
   前記第１の画像は前記試料上の検査対象における目標位置に焦点を合わせて取得され、前記第２の画像は前記プローブに焦点を合わせて取得されることを特徴とする検査方法。
3. 請求項１記載の検査方法において、
   走査電子顕微鏡によって前記試料上の検査対象における目標位置の像とプローブの像を含む低画質且つ低倍率の第３の画像を取得する第３の画像取得ステップと、
   前記第３の画像より、前記目標位置の像と前記プローブの像を含む領域を切り取り、更に、前記第１の画像の倍率と同一の倍率になるように、拡大させて拡大画像を生成する第３の画像拡大ステップと、
   前記拡大画像と前記第１の画像を合成することによって、前記第１の画像に含まれる前記目標位置の像と前記拡大画像に含まれる前記プローブの像を含み前記第１の画像の倍率と同一の倍率の精密寄せ観察用の画像を生成する精密寄せ観察用画像生成ステップと、
   を有し、
   前記精密寄せ観察用の画像において、前記プローブが前記検査対象における目標位置に接触したと判定されるまで、前記第３の画像取得ステップ、前記第３の画像拡大ステップ、及び、前記精密寄せ観察用画像生成ステップを繰り返すことを特徴とする検査方法。
4. 請求項１記載の検査方法において、
   走査電子顕微鏡によって前記試料上の検査対象における目標位置の像とプローブの像を含む低画質且つ低倍率の第３の画像を取得する第３の画像取得ステップと、
   画像処理によって前記第３の画像より前記プローブの像の位置を検出し、前記第１の画像の座標系における、前記プローブの像の位置を検出する位置検出ステップと、
   前記第１の画像の倍率と同一の倍率の高倍率画像を生成する高倍率画像生成ステップと、
   前記高倍率画像に前記プローブの像を合成するプローブ像合成ステップと、
   前記プローブの像が合成された前記高倍率画像と前記第１の画像を合成することによって、前記第１の画像に含まれる前記目標位置の像と前記高倍率画像に含まれる前記プローブの像を含み前記第１の画像の倍率と同一の倍率の精密寄せ観察用の画像を生成する精密寄せ観察用画像生成ステップと、
   を有し、
   前記精密寄せ観察用の画像において、前記プローブが前記検査対象における目標位置に接触したと判定されるまで、前記第３の画像取得ステップ、前記位置検出ステップ、前記プローブ像合成ステップ、及び、前記精密寄せ観察用画像生成ステップを繰り返すことを特徴とする検査方法。
5. 請求項４記載の検査方法において、
   前記プローブ像合成ステップにおいて、前記高倍率画像に合成する前記プローブの像は、前記第３の画像に含まれる前記プローブの像を切り出すことによって生成されるか、又は、画像処理によって予め作られたものか、いずれかであることを特徴とする検査方法。
6. 請求項１記載の検査方法において、
   走査電子顕微鏡によって前記試料上の検査対象における目標位置の像とプローブの像を含む低画質且つ低倍率の第３の画像を取得する第３の画像取得ステップと、
   画像処理によって前記第３の画像より前記プローブの像の位置を検出し、前記第１の画像の座標系における、前記プローブの像の位置を検出する位置検出ステップと、
   前記第１の画像における前記プローブの像の位置にマーカーを表示することによって前記第１の画像に含まれる前記目標位置の像と前記マーカーを含み前記第１の画像の倍率と同一の倍率の精密寄せ観察用の画像を生成する精密寄せ観察用画像生成ステップと、
   を有し、
   前記精密寄せ観察用の画像において、前記プローブが前記検査対象における目標位置に接触したと判定されるまで、前記第３の画像取得ステップ、前記位置検出ステップ、及び、前記精密寄せ観察用画像生成ステップを繰り返すことを特徴とする検査方法。
7. 請求項３、４、６のいずれか１項記載の検査方法において、
   前記第１の画像は前記試料上の検査対象における目標位置に焦点を合わせて取得され、前記第３の画像は前記プローブに焦点を合わせて取得されることを特徴とする検査方法。
8. 請求項１記載の検査方法において、
   前記第１の画像は、所定の期間が経過後に再取得されることを特徴とする検査方法。
9. 請求項１記載の検査方法において、
   前記高画質の画像は、電子線の加速電圧、照射電流、プローブ電流、スキャン速度、フレーム積算回数、及び、画素数、の少なくとも１つを変更することによって、又は、２次電子像、反射電子像又は粒子ビーム像から１つを選択することによって、取得することを特徴とする検査方法。
10. 請求項１記載の検査方法において、
    前記粗寄せ観察用の画像に含まれる像のうち前記第１の画像に由来する像を他の画像と識別できるように、前記第１の画像に対して画像編集処理を行なうステップを有することを特徴とする検査方法。
11. 試料上の検査対象における目標位置にプローブを接触させることにより該検査対象の電気的特性を検査する検査方法において、
    走査電子顕微鏡によって前記試料上の検査対象における目標位置の像を含む高画質且つ高倍率の第１の画像を取得する第１の画像取得ステップと、
    前記プローブを第１の移動速度又は移動ストロークにて移動させる粗寄せモードを開始するステップと、
    走査電子顕微鏡によって前記試料上の検査対象における目標位置の像とプローブの像を含む低画質且つ低倍率の第２の画像を取得する第２の画像取得ステップと、
    前記第１の画像データを前記第２の画像に組み込むことによって、前記目標位置の像と前記プローブの像を含み前記第２の画像の倍率と同一の倍率の粗寄せ観察用の画像を生成する粗寄せ観察用画像生成ステップと、
    前記プローブを第２の移動速度又は移動ストロークにて移動させる精密寄せモードを開始するステップと、
    走査電子顕微鏡によって前記試料上の検査対象における目標位置の像とプローブの像を含む低画質且つ低倍率の第３の画像を取得する第３の画像取得ステップと、
    前記第３の画像データを前記第１の画像に組み込むことによって、前記第１の画像に含まれる前記目標位置の像と前記第３の画像データにより得られた前記プローブの像を含み、前記第１の画像の倍率と同一の倍率の精密寄せ観察用の画像を生成する精密寄せ観察用画像生成ステップと、
    を有する検査方法。
12. 請求項１１記載の検査方法において、
    前記粗寄せ観察用の画像において、前記検査対象における目標位置の像と前記プローブの像の間の距離が所定の値より小さくなったと判定されるまで、前記第２の画像取得ステップ、及び、前記粗寄せ観察用画像生成ステップを繰り返すことを特徴とする検査方法。
13. 請求項１１記載の検査方法において、
    前記精密寄せ観察用の画像において、前記プローブが前記検査対象における目標位置に接触したと判定されるまで、前記第３の画像取得ステップ、及び、前記精密寄せ観察用画像生成ステップを繰り返すことを特徴とする検査方法。
14. 請求項１１記載の検査方法において、
    前記第１の画像は前記試料上の検査対象における目標位置に焦点を合わせて取得され、前記第２及び第３の画像は前記プローブに焦点を合わせて取得されたものであることを特徴とする検査方法。
15. 請求項１１記載の検査方法において、
    前記第１の画像は、所定の期間が経過後に再取得されることを特徴とする検査方法。
16. 試料を載置する試料台と、該試料に電子線を照射する電子線照射光学系と、前記試料から発生する二次電子又は反射電子を検出する検出器と、前記検出器からの信号に基づいて試料像を生成する画像処理装置と、該試料像を保存する記憶装置と、前記試料像を表示する表示装置と、前記試料像の倍率を変更するための偏向コイルと、前記試料に接触させる１本以上のプローブと、該プローブを駆動するプローブ駆動装置と、を有し、試料上の検査対象における目標位置にプローブを接触させることにより該検査対象の電気的特性を検査する検査装置において、
    前記試料上の検査対象における目標位置の像を含む高画質且つ高倍率の第１の画像を取得し、前記試料上の検査対象における目標位置の像とプローブの像を含む低画質且つ低倍率の第２の画像を取得し、前記第２の画像の倍率と同一の倍率になるように、前記第１の画像を縮小させて縮小画像を生成し、前記縮小画像と前記第２の画像を合成することによって、前記縮小画像に含まれる前記目標位置の像と前記第２の画像に含まれる前記プローブの像を含み前記第２の画像の倍率と同一の倍率の粗寄せ観察用の画像を生成し、
    前記粗寄せ観察用の画像において、前記検査対象における目標位置の像と前記プローブの像の間の距離が所定の値より小さくなったと判定されるまで、前記第２の画像の取得、前記縮小画像の生成、及び、前記粗寄せ観察用の画像の生成を繰り返すことを特徴とする検査装置。
17. 請求項１６記載の検査装置において、
    前記試料上の検査対象における目標位置の像とプローブの像を含む低画質且つ低倍率の第３の画像を取得し、前記第３の画像より、前記目標位置の像と前記プローブの像を含む領域を切り取り、更に、前記第１の画像の倍率と同一の倍率になるように、拡大させて拡大画像を生成し、前記拡大画像と前記第１の画像を合成することによって、前記第１の画像に含まれる前記目標位置の像と前記拡大画像に含まれる前記プローブの像を含み前記第１の画像の倍率と同一の倍率の精密寄せ観察用の画像を生成し、
    前記精密寄せ観察用の画像において、前記プローブが前記検査対象における目標位置に接触したと判定されるまで、前記第３の画像の取得、前記拡大画像の生成、及び、前記精密寄せ観察用の画像の生成を繰り返すことを特徴とする検査装置。
18. 請求項１７記載の検査装置において、
    前記第１の画像は前記試料上の検査対象における目標位置に焦点を合わせて取得され、前記第２及び第３の画像は前記プローブに焦点を合わせて取得されたものであることを特徴とする検査装置。
19. 請求項１６記載の検査装置において、
    前記第１の画像は、所定の期間が経過後に再取得されることを特徴とする検査装置。
20. 請求項１６記載の検査装置において、
    前記高画質の画像は、電子線の加速電圧、照射電流、プローブ電流、スキャン速度、フレーム積算回数、画素数、の少なくとも１つを変更することによって、又は、２次電子像、反射電子像又は粒子ビーム像から１つを選択することによって、取得することを特徴とする検査装置。

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