JPH01229977A - 電子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 電子ビームを用いて被検試料の電位を定量的に検出する
エネルギ分析器を対物レンズ内に組み込んだ電子ビーム
装置に関し、 被検試料からの２次電子の放出角度依存性による分析電
極への斜め入射を防止して被検試料の電圧測定精度を向
上することを目的とし、被検試料から放出される２次電
子により被検試料電位を定量的に検出するエネルギ分析
器を対物電子レンズ系内に組み込んだ電子ビー１．装置
におい°ζ、対物電子レンズ系はその先軸上に少なくと
も２個のるｎ界極大値を有し、被検試料側に位置する磁
界極大値を挟むようにしてその両側に一対の引き出し電
極が配設され、旧つ他方の磁界極大値の近傍にバッファ
電極が配設されるように）Ｉ）成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体装置の集積回路の診断（回路の動作の良
否等を検出）等に用いられる電子ビーＪ、装置（電子ビ
ームプローハ）に関し、特にその対物電子レンズ内にエ
ネルギ分析器を組み込んだインレンズ分析器型の電子ビ
ーム装置に関する。

近年、半導体装置における集積回路の集積度の高密度化
に伴いそのパターンの微細化が著しい。

従来から、集積回路の診断として機械的触針法が用いら
れてきたが、大規模、高密度化された集積回路の診断に
は空間的分解能が不十分であり適用出来なくなってきた
。

そこで、これに代わる微細パターンの診断法として電子
ビームプローブを用いる電子ビーム装置が開発された。

その詳細は古川、後藤、稲垣、共著ｒＬｓＩの診断に威
力を発揮する電子ビーム・ブロービング」日経エレクト
ロニクス、１９８２年３月１５日号、Ｐ１７２〜２０１
に記載されている。

〔従来の技術〕

電子ビームプローバは基本的には、動作中の集積回路に
電子ビームを照射した時発生する２次電子が表面の電圧
の情報を含んでいることを利用するもので、電子ビーム
を照射した試料から発生する２次電子は２次電子検出器
により電気信号となる。検出２次電子信号は試料表面の
形状や材料に応して変化する。

第７図において、試料１５の電位を定量的に測定するた
めのエネルギ分析器４０は従来、対物レンズＩ８の下方
に設けられていたが、その場合、対物レンズ１８と被検
試料１５までの距離、所謂ワーキングデイスタンス（作
動距離）が長くなる。

ワーキングデイスタンスが長くなると電子ビームプロー
バの空間分解能が低下するため、エネルギ分析器４０を
対物レンズ１８内（もしくは対物レンズ１８の上方）に
組み込んだ所謂インレンズ分析器が開発された。このイ
ンレンズ分析器は、３枚構成の平面メソシュ（グリッド
）から構成される電界阻止型であり、被検試料側から順
に、被検試料１５からの２次電子を加速して強制的に引
き出す引き出し電極（第１グリツド）４３、引き出し電
極４３の高電圧による分析電極４７　（後述）への影響
を緩和すべく２次電子の速度を制御するバッファ電極（
第２グリツド）４５、及び２次電子の工♀ルギを分析す
る分析電極（第３グリソト）４７を有する。分析電極４
７を通過した２次電子が２次電子検出器２３により検出
される。尚、インレンズ分析器においては２次電子検出
器２３は当然のことながら分析電極４７の上方に配置さ
れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに−ヒ述の如きインレンズ分析器においては、被
検試料の電位の測定精度が不十分であると言う問題があ
った。電位の測定精度は分析電極、即ち、エネルギ分析
器への２次電子の入射角に起因することが知られている
。即ち、２次電子が分析電極４７へ（平行コリメート光
として）出来るだけ垂直に入射することが測定精度を確
保する上で極めて重要な要件である。

この目的のため、従来から、被検試料から放出される２
次電子を発散させないようにするために被検試料の極く
近傍に強い引き出し電圧を印加したり、あるいはいは対
物レンズから漏れた弱い磁界の収束作用を利用したりし
ていた。

第７図の右側に光軸（Ｚ方向）上での対物レンズ１８内
の磁界分布（磁束密度）Ｂｚ及び電位分布ψを示す。磁
界分布は同図から明らかな如く、対物レンズ（筒状）１
８の磁気回路のギャップく断面円形のドーナソツ状非磁
性部分）１８ａに略対応する位置に単一の極大値を有す
る。尚、印加電圧は上述の如く引き出し電極４３の部分
がもっとも大きい。

第６図に第７図に示すインレンズ分析器における分析電
極電圧Ｖ　ＲＴと２次電子信号の関係（分析カーブと呼
ばれる）を示す。分析電極電圧Ｖ、アを変化させると、
理想的には放出角度（入力１次電子ビームｌＯに対する
放出２次電子２０の成す接線角度）αがα−０＠　（光
軸に一致）で示されるような２次電子信号出力が得られ
るが、αが大きくなると分析カーブが理想カーブからず
れてくることが判る。もともと、エネルギ分析法は１次
電子ビームの照射点の電位が変化すればその分だけ２次
電子の工皐ルギ分布曲線（分析カーブ）が移動すること
を利用したものである。電圧測定精度は周知の如くこの
ずれ量（図中のδＶ　Ｔｌ７）により表される。第６図
において、δＶ　ＮＴ≠３■にも達することが判る。

分析器に関する理論と実験的検討によれば、集積回路表
面の電界障壁以上の電界強度を引き出し電極で形成して
も局所電界効果による誤差を抑えることは困難である。

ここに、局所電界効果とは集積回路の所定部位の配線を
診断するに際し、す、シ（耐部分から放出される２次電
子が隣接配線の電位変化の影響を受けることである。即
ち、上記の誤差δシ、ｌＴ嬌３Ｖは局所電界の作用によ
り、２次電子が曲げられ、放射角αを持ち、分析電極へ
の２次電子の入射角が変化し、斜めに入射することに起
因する。

本発明が解決すべき課題はこのような局所電界の作用に
よる２次電子の曲がりを抑制し、分析電極へ２次電子を
略垂直に入射せしめ得るようにすることにより被検試料
の電圧測定精度を向上させることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題を解決するために、第１図に示す如く、被検
試料（１５）から２次電子（２０）を強制的に引き出す
引き出し電極（４３）と、２次電子の速度を制御するバ
ッファ電極（４５）と、２次電子のエネルギを分析する
分析電極（４７）とを有し、電子ビーム源からの１次電
子ビームを被検試料に収束する対物電子レンズ系内に、
被検試料から放出される２次電子により被検試料電位を
定量的に検出するエネルギ分析器（４０）力＜　Ｙｌｌ
み込まれた電子ビーム装置において、本発明によれば、
対物電子レンズ系はその光軸上に少なくとも２個の磁界
極大値＜８２１＋　Ｂ　ｚ□）を有し、被検試料電位に
位置する磁界極大値（Ｂ　ｚ、）を挟むようにしてその
両側に一対の引き出し電極（４３Ａ、４３Ｂ）が配設さ
れ、且つバッファ電極は他方のＬｉｄ界極大値（Ｂ２２
）の近傍に配設される。

また、好ましくは２個の磁界極大値の大きさは被検試料
側に位置する磁界極大値が他方の磁界極大値の１．５〜
３倍となっている。

一対の引き出し電極は同一の対物電子レンズ系（１８）
内に形成することも、あるいは夫々異なる対物電子レン
ズ系（１６，１８）内に形成することも可能である。

〔作　用〕

被検試料から放出される２次電子は第１の引き出し電極
により引き出された後も第２の引き出し電極により略等
電界中を略真っ直ぐに進む。そして速度を調整するバッ
ファ電極の近傍で収束するが、その近傍に磁界極大値が
あるので第１の磁界極大値との差はなだらかとなり、従
って、コリメートされ、分析電極に略垂直に入射する。

以上のことは計算機シミュレーションにより確認されて
いる。

被検試料側に位置する第１の磁界極大値を他方の第２磁
界極大値の略１．５〜３倍にするとコリメート効果が最
も良く発揮されることが計算機シミュレーションにより
確認されており（第４図）、実験的には、第５図に示す
電圧測定精度δＶ、アの測定結果より実証されている。

２個の引き出し電極を同一の対物レンズにより形成すれ
ば構造の闇路化がはかれるが、他方、別々の対物レンズ
に形成するようにすれば既存の女、ｌ物しンズに外部レ
ンズを付設するだけで実現出来る。

〔実施例］ 以下、本発明の好ましい実施例につき詳細に説明する。

第１図は本発明に係る電子ビーム装置の１実施例を示す
。同図において、第７図と対応する部品は同一番号を付
しである。

この実施例によれば、電子レンズ系はその光軸上に２個
の磁界極大値８２２Ｂ２２を有する。そして、被検試料
１５側に位置する第１の磁界極大値Ｂ２１を挾むように
してその両側に一対の引き出し電極４３Ａ、４３Ｂが配
置される。これら両引き出し電極４３Ａ、４３Ｂには好
ましくは同一の電圧ψが印加され、その電掻間に等電位
空間を形成する。その結果、第１の引き出し電極４３Ａ
により引き出された２次電子２０は第２の引き出し電極
４３Ｂまで等電界中を進むので２次電子の発散は有効に
防止され、略コリメート光となる。

その後、２次電子はバッファ電極４５により減速されそ
の近傍で収束する。この時、バッファ電極４５の近傍に
は第２の磁界極大値Ｂ２２が存在するので、その収束度
は第７図の場合に比較しはるかに小さく、従ってバッフ
ァ電極４５を通過した２次電子は略コリメート状態を維
持する。即ち、略平行光である。その結果、分析電極４
７には略垂直に入射し、従来の“斜め入射”という間」
は解消される。尚、第１の引き出し電極４３Ａは被検試
料１５に出来るだけ近接して配置するのが好ましい。

２個の磁界極大値は対物レンズ１８に２個の磁気回路の
ギャップ１８ａ、１８ｂを設けることにより簡単に実現
出来る。この場合、第１図に示す如く、単一の対物レン
ズ１８（即ち１つのコイル）に対し２個の磁気回路のギ
ャップ１８ａ、１８ｂを形成してもよく、あるいは第２
図に示す如く、１つのコイルを有する対物レンズ１８　
（例えば、既存の対物レンズ）に引き出し電極４３Ａを
有する別の外部対物レンズ１６を付加してもよい。第１
の磁気回路のギャップ１６ａは第１の対物レンズ１６に
形成され、第２の６１１気回路のギャップ１８ａは第２
の対物レンズ１８に形成される。第２の引き出し電極４
３Ｂは第１、第２対物レンズ１６．１８の間に配設する
ことが出来る。

第１、第２図におけるその他の構成は同一である。

尚、対物レンズは２個以上の磁界極大値を有するように
しても上記と全く同様の効果を奏することが出来る。

第３図は第１．２図に示す電子ビーム装置のエネルギ分
析カーブ（計算機シミュレーション結果）を示す。これ
によれば、分析カーブは２次電子の放出部位や放出角度
の影響を殆ど受けず、δＶ　ＲＴにより表される電圧測
定精度はδＶＲｒ”０．３Ｖであり、第６図に示す従来
技術（δＶＩＩＴ−，３Ｖ）の１／１０に向上している
ことが理解される。

第４図は２個の磁界極大値の比（Ｂ　、、／Ｂ　、□）
を示す（計算機シミュレーション結果）もので、特に、
Ｂ　ｚ、／Ｂ　２２−１，５〜３のときに電圧測定精度
δＶ　ＲＴが良好である。磁界極大値の比がこの範囲を
外れると、その差が大きすぎ、コリメート効果が減少す
るためである。これは第５図に示す実験結果により確認
されている。

また、この比率の範囲では２次電子の速度を調整するバ
ッファ電極４５の印加電圧は引き出し電極４３Ａ、４３
Ｂの印加電圧の約１／１５〜ｌ／３とするのが電圧精度
向上の上でこのましいことが計算機シミュレーションに
より確かめられている。

〔発明の効果〕

以上に記載の通り、本発明によれば、対物電子レンズ系
はその光軸上に少なくとも２個の磁界極大値を有し、被
検試料側に位置する磁界極大値を挟むようにしてその両
側に一対の引き出し電極を配設し、且つバッファ電極を
他方の磁界極大値の近傍に配設することにより、２次電
子の放出角度依存性による分析電極への斜め入射が大幅
に抑制され、従って、２次電子は分析電極に略垂直に入
射することになり、２次電子の垂直入射度に左右される
電圧測定精度の向上が図れる。

また、２個の磁界掘大値の比率を１．５〜３とすること
により、２次電子の分析電極への垂直入射度は一層向上
する。

更に、一対の引き出し電極を同一の対物電子レンズ系内
に形成すれば構造の簡略化が図れ、また一対の引き出し
電極を夫々異なる対物電子レンズ系内に形成する場合に
は既存の対物レンズに外部対物レンズを付加するだけで
本発明装置を実現出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電子ビーム装置の１実施例を示す
図解断面図、第２図は第１図とは別の実施例を示す図、
第３図は第１．２図に示す装置のエネルギ分析カーブを
示すグラフ、第４図は２個の磁界極大値の比率（計算機
シミュレーション）を示す線図、第５図は同しく実験結
果を示す図、第６図は従来のエネルギ分析カーブを示す
グラフ、第７図は従来の電子ビーム装置を示す図解断面
図。 １５・・・被検試料、　　　１６．１８・・・対物レン
ズ、２０・・・２次電子、　　　４０・・・エネルギ分
析器、４３Ａ、、４３Ｂ・・・引き出し電極、４５・・
・バッファ電極、 ４７・・・分析電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被検試料（１５）から２次電子（２０）を強制的に
   引き出す引き出し電極（４３）と、該２次電子の速度を
   制御するバッファ電極（４５）と、該２次電子のエネル
   ギを分析する分析電極（４７）とを有し、電子ビーム源
   からの１次電子ビームを被検試料に収束する対物電子レ
   ンズ系内に、被検試料から放出される２次電子により被
   検試料電位を定量的に検出するエネルギ分析器（４０）
   が組み込まれた電子ビーム装置において、上記対物電子
   レンズ系はその光軸上に少なくとも２個の磁界極大値（
   Ｂ＿ｚ＿１、Ｂ＿ｚ＿２）を有し、被検試料側に位置す
   る磁界極大値（Ｂ＿ｚ＿１）を挟むようにしてその両側
   に一対の引き出し電極（４３Ａ、４３Ｂ）が配設され、
   且つ上記バッファ電極は他方の磁界極大値（Ｂ＿２＿２
   ）の近傍に配設されることを特徴とする電子ビーム装置
   。 ２、上記２個の磁界極大値の大きさは、被検試料側に位
   置する磁界極大値が他方の磁界極大値の１．５〜３倍で
   あることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム装置。 ３、上記一対の引き出し電極は同一の対物電子レンズ系
   （１８）内に形成されることを特徴とする請求項１また
   は２記載の電子ビーム装置。 ４、上記一対の引き出し電極は夫々異なる対物電子レン
   ズ系（１６、１８）内に形成されることを特徴とする請
   求項１または２記載の電子ビーム装置。