JPH0312772B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 以下の順序で本発明を説明する。

Ａ 産業上の利用分野 Ｂ 従来技術 Ｃ 発明が解決しようとする問題点 Ｄ 問題点を解決するための手段 Ｅ 実施例 e1 本発明の装置（第１図） e2 他の実施例の装置（第２図） e3 さらに他の実施例の装置（第３図） Ｆ 発明の効果 Ａ 産業上の利用分野 この発明は、電子の衝撃によつて生じた正孔・
電子対の分布を表示するための方法及び装置に関
するものである。そのようなものの最も良く知ら
れた例は、電子ビーム誘導導電率（electron
beam induced conductivity：EBIC）方法であ
り、これは一般に電荷収集影像化とも呼ばれる。
このタイプの方法及び装置は、例えば集積回路や
発光ダイオードなどの半導体物質及びデバイスの
ような非金属試料の構造的及びその他の特性を検
査するために使用される。この発明は特に、衝撃
電子が低エネルギーであるタイプの高解像度の方
法及び装置に関するものである。

Ｂ 従来技術 従来のEBIC方法においては、半導体デバイス
のような非金属サンプルが内部電界によりバイア
スされ、走査電子顕微鏡中で集束された電子ビー
ムにより走査される。入射電子ビームはサンプル
物質中に正孔・電子対または荷電担体をつくり出
し、それらは内部電界の作用で電気接点に対して
反対方向に流れてゆき凝集しまたは集結して、外
部回路中の電流をなす。この正孔・電子対は典型
的にはｐ−ｎ接合、シヨツトキー障壁または収集
電極（すなわち、それらによつてつくり出される
内部電界）によつて集められる。外部回路につく
り出された電子ビーム誘導電流は、次に電子ビー
ムによるサンプル表面の走査と同期して表示さ
れ、これにより検査中のサンプルの影像がつくり
出される。正孔・電子対がサンプル中で発生され
る効率と、それらが集められる効率は、電子ビー
ムによつて照射される物質の局所的な特性に依存
するので、この表示は、サンプルの空間的な特性
または構造についての情報を開示する影像を形成
する。

EBIC方法は、例えば、半導体物質中へのｐ型
またはｎ型不純物拡散の結果として、しばしばｐ
−ｎ接合の近傍に形成される転位を影像化するた
めに使用することができる。すなわち、ｐ型また
はｎ型不純物の拡散は、ｐ−ｎ接合が形成された
ときに半導体の表面につくり上げられた高不純物
濃度の領域によつてひき起こされた格子の歪みに
起因する局所的な可塑変形をもたらす。EBIC方
法はまた、結晶欠陥、反転層、デプリーシヨン領
域等を影像化するためにも使用することができ
る。

EBIC方法についての記載は、H.J.リーミー
（Leamy）による、J.Appl.Phys.Vol.53、No.、
6R51−R80（1982）の“電荷収集走査電子顕微鏡
検査（Charge Collection Scanning Electron
Microscopy）”と題する論文及び、プレナム・プ
レス（Plenum Press）ニユーヨーク及びロンド
ン、1975刊のJ.I.ゴールドシユタイン
（Goldstein）及びH.ヤコウイツツ（Yakowitz）
著の“実用走査電子顕微鏡検査（Practical
Scanning Electron Microscopy）”と題する刊
行物の202ページ以下にある。

従来のEBIC方法は十分な価値を有するもので
あるが、その欠点は入射電子が試料に深く貫入す
るため解像度が限定されてしまうことである。す
なわち、その貫入の間に、電子はあらゆる可能な
方向に散乱し、以て電子ビームが拡がつてしまう
のである。このとき弾性散乱のみならず非弾性散
乱も生じ、これにより正孔・電子対が生成され
る。

半導体素子は小型化されてゆく傾向にあるの
で、物質やデバイスの検査は一層微細なスケール
で行なわれることが要望されている。その結果、
電子衝撃により生じた正孔・電子対の分布を表示
するためのより高解像度の方法が必要となる。

理論的には、電子ビームのエネルギーを低下さ
せることにより電子散乱効果が低減することが分
かつているのだが、従来の電子ビーム装置におけ
る達成可能な最小の直径は、電子ビームのエネル
ギーが低下するにつれて増大する。これはとりわ
け磁気または電子レンズにおける色収差に起因す
る。その結果、従来の電子ビーム装置において電
子のエネルギーを低下させるについて、電子の散
乱自体は問題ではなくなるけれども、ビームの直
径が増大する結果として解像度は改善されずむし
ろ低下するのである。

Ｃ 発明が解決しようとする問題点 この発明の目的は、高解像度を達成できる
EBIC方法及び装置を提供することにある。

Ｄ 問題点を解決するための手段 本発明によれば、上記の目的は、試料の表面の
きわめて小さい領域に高エネルギーではなく低エ
ネルギーの電子を衝撃し、試料に対して電子ビー
ムのみならず電子源自体も物理的に走査（すなわ
ち移動）させることにより達成される。

前にも述べたように、低エネルギーで高解像度
の電子ビームは従来の電子ビーム装置では達成す
ることができない。なぜなら、低エネルギーの電
子は、実用的な電子密度の適当に小さい直径（高
解像度）のビームを形成するように集束させるこ
とができないからである。しかし、この発明によ
れば、試料のきわめて小さい領域が低エネルギー
電子によつて衝撃され、この際、電子によつて衝
撃される面にきわめて近接して鋭く尖つた電極か
ら低エネルギーの電子を放出することにより、電
子の集束手段は必要でない。

電子を放出する尖つた電極は、試料の面にきわ
めて近接して物理的に走査される。そして、その
先端から電子を放出させ試料面に衝撃させるため
に、尖つた電極と試料面との間に電圧が加えられ
る。高解像度は、尖つた電極の先端の直径と、そ
の先端と試料面の間の距離とを小さく保つことに
より達成される。試料面と電子放出端との間の電
圧は100V以下（好ましくは10V以下）であり、
これにより試料面に衝撃される電子のエネルギー
は低く、散乱は低減されもしくは解消される。

尖つた電極は、検査すべき試料の面上を（好ま
しくは実質的にその面から等距離で）走査され、
電子の衝撃によつて生成された正孔・電子対が感
知され、そのような正孔・電子対の感知された数
の測定値が電極の走査と同期して表示される。こ
れにより、電子衝撃により引き起こされた正孔・
電子対の分布が表示され、以て試料面の構造的ま
たはその他の特性が開示される。尖つた電極と試
料平面の間の距離、及び電極チツプの直径は、と
もに好適には0.1ないし10nmであり、尖つた電極
と試料面の間の電圧は、好適には１ないし10ボル
トである。

尖つた電極と衝撃される面との間の間隔が1nm
以下であるときは、尖つた電極の先端の原子の電
子雲が、対向する試料面の原子の電子雲に接触
し、尖つた電極と試料面の間にはトンネル電流経
路が形成される。その間隔が3nm以上になると、
電子は電界放出により尖つた電子源から離れなく
てはならない。その間隔が約1nmと3nmの間にあ
る場合は、その両方の電流効果が経験される。い
かなる場合でも、電子を受容する面の領域は、尖
つた電子源とターゲツト面の間の距離にほぼ等し
い直径を有する。

走査電子顕微鏡において、平面に近接配置され
た尖つた電子源から低エネルギー電子を放出する
ことは、次の文献に記載されている。

(i) 49Phys.Rev.Lett.57−61（1982）、ビニング
（Binning）らによる“走査トンネル顕微鏡検
査による表面検査（Surface Studies by
Scanning Tunneling Microscopy）”と題する
論文。

(ii) 40Phys.Lett.178−180（1982）、ビニングらに
よる“制御可能な真空ギヤツプ（Tunneling
Through ａ Controllable Vacuum Gap）”
と題する論文。

(iii) ビニングらの米国特許第4343993号。

低エネルギー電子はまた、37Rev.Sci.
Instrum.275−278（1966）のR.D.ヤング
（Young）による“電界放出超マイクロメータ
（Field Emission Ultra−micrometer）”と題
する論文に記載された装置によつて、表面に近
接配置された尖つた電子源から発生される。

上記従来技術の装置が微小表面領域を低エネル
ギー電子で衝撃するものであることが窺われるけ
れども、これらの装置は、電子衝撃によつて引き
起こされた正孔・電子対を表示しまたは電荷収集
影像を形成するために使用されず、距離または高
さを測定し幾何的な影像を形成するために使用さ
れるものであつた。すなわち、この従来技術の装
置は正孔・電子対を生成するために使用されず、
また従来技術の装置をそのために使用することは
何ら示唆されていない。さらに、従来技術の装置
は、正孔・電子対を感知せず、それを行う能力も
有していない。

本発明においては、試料の表面は、輻射された
領域に正孔・電子対をつくり出すために低エネル
ギー電子で走査される。従来技術の装置において
は、近接面が電子源の放出特性に与える効果は、
試料面に対する電子源の位置を制御しまたは測定
するために使用された。それは、近接面の位置ま
たは高さを測定しその幾何形状を表示するためで
あつて、試料に正孔・電子対の分布をつくり出し
その分布を表示するためではなかつた。

従来技術は、正孔・電子対を試料の微小な領域
に正孔・電子対をつくり出すという直接の目的で
尖つた電子源を試料面にきわめて近接させて使用
するということを行なつていないように思われ
る。

Ｅ 実施例 e1 本発明の装置 第１図を参照すると、半導体デバイスなどの
ような検査されるべき試料３が、その上面５を
電子放出用電極７にきわめて近接するように
（好ましくは真空槽１２内に）配置されている。
電極７は、表面５にきわめて近接するが接触し
ない鋭く尖つた先端またはチツプ１を有してい
る。電極７のチツプ１の先端の直径は好ましく
は10nmまたはそれ以下である。

本発明の方法を実施するに際しては、電子放
出用の尖つたチツプ１が表面５からは実質的に
等距離で１次元または２次元に沿つて試料３と
は相対的に物理的に走査（移動）される。この
ときのチツプ１の先端と表面５との間の距離は
１〜10nm程度である。このことを実施するた
めに、チツプ１と表面５間のギヤツプは、好適
には走査処理のの間に動的に制御されなくては
ならない。そこで、ギヤツプＺ方向の調節を行
うためと、走査Ｘ及びＹ方向の位置決めを行う
ために、個別の粗及び微小機械的位置決め装置
を使用することができる。このとき、チツプ１
と平面５の一方または双方を動かすことができ
る。好適には、機械的な位置決め装置はチツプ
１を表面５上で1nm程度の解像度で走査し、ま
たチツプ１と表面５の間の間隔を0.1nmの精度
で制御し得るものでなくてはならない。このこ
とを実行するのに適した機械的駆動装置はよく
知られており、本発明の部分を構成しない。例
えば、IBMテクニカル・デイスクロジヤ・ブ
ルテイン（Technical Disclosure Bulletin）
Vol.26、No.10A、1984年３月の4898−99ページ
及び前述のビニングの論文に適当な位置決め装
置について記載されている。

第１図において、尖つた電極７はフレーム１
０上に載置された位置決め機構１４，１６によ
つて、Ｘ、Ｙ及びＺ方向に位置決めされまたは
移動される。電極のチツプ１と表面５の間に
は、チツプ１から表面５へ低エネルギー電子の
流れが生じるように、電源１８によつて電位差
が維持される。第１図において、電源１８は電
圧源１９をもち、電圧源１９は電極７をほぼ一
定の（しかし調節可能な）電位に保ち、一方試
料３はアースに接続される。チツプ１から表面
５への電子の流れは、試料３中における正孔・
電子対の形成をもたらす。それにより形成され
た正孔・電子対の数は（直接的または間接的
に）第１図で図式的に示された装置２０によつ
て感知される。生成された正孔・電子対の個数
または振幅をあらわす信号２２が次に、試料３
に対する電極７のＸ−Ｙ位置の関数として、
CRTデイスプレイまたはグラフ記録装置など
の適当な装置２４上に記録される。走査発生装
置２６は、Ｘ−Ｙ位置決め機構を同時に駆動
し、それに同期して表示（または記録）装置２
４を作動させる。

チツプ１のすぐ近くには比較的高い電界強度
がが発生される。そのような強い電界にさらさ
れることによつてある種の試料が悪影響を受け
るということが有り得る。もし、そのような高
い電界強度に対して試料を保護する必要がある
なら、試料の表面を薄い金属層で覆うことも可
能である。すると、入射した電子は薄い金属層
を通過して下層の試料中に正孔・電子対を生成
し、一方その薄い金属層が下層の試料を、チツ
プ１の近傍の強い電界から保護する。

正孔・電子対を検出するには、知られている
任意の方法を使用することができる。理論的に
は、このことは、正孔・電子対を分離させるた
めに試料に内部電界を加えなくとも、すなわち
正孔・電子対が再結合するときに発生する光を
感知することにより行うことができる。荷電担
体を収集するための電界を用いることなく正
孔・電子対を感知する別の方法は、例えば次の
文献に記載されているように、うず電流を感知
することである： SCANNING ELECTRON
MICROSCOPY／1976（Part ）、Proc.of
the Workshop on Microelectronics Dev.
Fabr.＆ Qual、Control with the SEM、
pp.539−542、IIT Research Inst.、Chicago、
I11、1976年８月の“SEMにおけるうず電流技
術を用いて測定された導電率の偏差
（Conductivity Variations Measured with
an Eddy−Current Technique in an SEM）”
と題するE.ブランデイス（Brandis）及びW.ウ
エストドープ（Westdorp）の論文。

荷電担体を収集するための電界を用いること
なく正孔・電子対を感知するさらに別の方法は
次の文献に記載されている光スポツトとマイク
ロ波吸収を用いることによるものである。

Jap.J.Appl.Phys.Vol.18、pp.2171−2172、
1979の“シリコン・ウエーハ中の少数キヤリア
寿命の空間的分布を測定するための非破壊方法
（Ａ nondestructive method for measuring
the spatial distribution of minoity carrier
lifetime in silicon wafer）”と題する論文。

しかし、電界発生源（第２図及び第３図参
照）２６により試料の一部または全体に電界を
加えることによつて正孔・電子対の検出を容易
ならしめることが好ましく、これにより正孔と
電子は互いに逆方向に流れてオーム性の電荷収
集接点の方向へ移動し、外部回路中の電流とな
り、これは容易に測定される。第２図及び第３
図には、この手段が実行される実施例について
詳細に示されている。

電極７と試料３の間に加えられた電圧によ
り、チツプ１と表面５の間のギヤツプに、その
間隔に応じて電界放出電流またはトンネル電流
の一方または両方が流れる。この電流は、ギヤ
ツプが狭くなるにつれて（ギヤツプ間の電圧が
一定であるとして）大きくなり、従つて、その
電流を検出することによりギヤツプがほぼ一定
であるようにサーボ制御することが可能であ
り、これは好都合である。

試料に入射する電流（この電流を、正孔・電
子対の生成により発生する電流と混同してはい
けない）は、電極７に電流を供給する外部回路
中で測定され、または試料自体に接続した外部
回路により検出することができる。その前者の
例は第１及び２図に示されており、後者の例は
第３図に示されている。

第１図において、電極７に供給された電流
は、電流アンプ３６のような適当な手段３４に
よつて測定される。電極７によつて表面５に供
給されている電流の振幅をあらわすライン３８
上の信号は、サーボ制御（離隔制御）ユニツト
４２によつて、所望の間隔Z₀に対応するライン
４０上の基準振幅信号と比較される。サーボ・
ユニツト４２は、ライン３８及び４０上の信号
の間の差を低減するようにＺ方向駆動装置１４
を制御し、以て電極７と表面５の間の間隔をほ
ぼ一定に保つ働きをする。

e2 他の実施例の装置 第２図において、試料３は水平方向に向けら
れたｐ−ｎ接合４４をもつ半導体デバイスであ
り、電極４８，５０を介して電圧源４６により
バイアスされている。このｐ−ｎ接合は、横断
方向に向けられた接合であつてもよい。電源４
６はｐ−ｎ接合の近傍（特にデプリーシヨン帯
域）に電界をつくり出す。正孔・電子対の検出
は、電流アンプ５２によつて行なわれる。尚、
この実施例では、電極７から接点４８への入射
電流の流れは、接点５０を介してアンプ５２へ
至るのではなく、接点４８へ至りライン５４を
介してアース・フレーム１０へ流入することに
注意されたい。その結果、電極７からの入射電
流と、生成された正孔・電子対によつてもたら
された電流とが自動的に分離され、これらの２
つの電流を分離するための特別の回路は必要で
はない。

第１図においては、電極７は電圧源１９によ
つてほぼ一定の電位に保たれ、それによつて電
極７に供給された電流の振幅は差動電流アンプ
３６によつて測定されていた。第２図において
は、電極７は電流源５６からほぼ一定の電流を
受け取るが、そのような電流を供給するのに必
要な電圧の振幅は、差動電圧アンプ５８によつ
て測定される。表面５の電位はライン５４を介
してアース電位に保たれるので、アンプ５８が
ギヤツプ２の両端の電圧を測定する。その電圧
は、（ギヤツプ間の電流が一定であるとして）
ギヤツプ２の大きさが増大するにつれて増加す
る。こうしてライン３８上の信号は再び間隔
（ギヤツプ２）の測定値をあらわし、その信号
の値はサーボ・ユニツト４２によつてライン４
０上の基準電圧と比較され、こうしてギヤツプ
２をほぼ一定に保つようにギヤツプ２が自動的
に制御される。アンプ５２によつて感知された
正孔・電子対の数は、走査に同期してCRTデ
イスプレーまたはグラフ記録装置などの装置２
４によつて記録される。

e3 さらに他の実施例の装置 第３図において、試料３は、上面に水平方向
に向きづけられたシヨツトキー障壁６０をもつ
ものとして示されている。シヨツトキー障壁６
０の箇所では（特にデプリーシヨン領域におい
て）電源６２によつて電界が形成される。第３
図の実施例では、電極７は、第１図の実施例と
同様に、電源１９によつてほぼ一定の電位に保
たれる。しかし、ギヤツプ２を横切つて流れる
入射電流は、電極７ではなく試料３において測
定される。入射電流はギヤツプの大きさを制御
するために使用され、一方、正孔・電子対によ
つて生成された電流は、表示または記録装置に
よつて影像を形成するために使用されるので、
入射電流と正孔・電子対の生成電流とは、この
実施例では互いに分離されなくてはならない。
このことは、２つの電流アンプ６４，６５と、
２つの差動アンプ６６，６７によつて達成され
る。すなわち、電流アンプ６４が接点６８から
集められた電流を測定し、一方電流アンプ６５
は接点７０から集められた電流を測定する。次
に、差動アンプ６６は、表面５上に入射した電
流の量を決定するためにその２つの測定電流を
加え、一方差動アンプ６７は、２つの接点の間
に流れる電流の量を決定するために一方の測定
電流値から他方の測定電流値を差し引く。こう
して得られた信号は、第１図及び第２図の実施
例と同様に使用される。

電極７が好適にはナノ・メートルの範囲の間
隔で試料３の表面５上で走査され、圧電による
Ｘ−Ｙ移動機構によつて達成される解像度が同
様の大きさであることに鑑みると、電極７と試
料３は外部の騒音及び振動から隔絶されること
が重要である。このことは、例えば、真空チエ
ンバ１２内のすべての構成部品を減衰架設装置
７２上に載置することによつて達成することが
できる。この減衰架設装置７２は、弾性部材７
６によつて分離されたプレート７４の積層物か
ら成つている。さまざまの周波数の振動を吸収
するために、弾性部材７６の断面積及び弾性を
積層に沿つて異ならせることができる。

Ｆ 発明の効果 以上のように、この発明によれば、電子衝撃よ
り検査を行う装置において、電子のエネルギーの
小さくするとともに、走査を例えば圧電体により
機械的に行うようにしたので、検査の解像度を微
小にして正確な検査を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の構成を示す概要
図、第２図は、本発明の他の実施例の構成を示す
概要図、第３図は、本発明のさらに他の実施例の
構成を示す概要図である。 ３……試料、７……電極、１４……Ｚ方向駆動
装置、１８……電源、１６……Ｘ−Ｙ方向駆動装
置、２０……正孔・電子対を検出するための装
置、２４……表示装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 低エネルギー電子衝撃によつて半導体物質の
   試料中に形成された正孔・電子対の空間的な分布
   を表示するための方法であつて、 (a) 上記試料に接触しないように尖つた電極を近
   接配置し、 (b) 上記電極から上記試料に低エネルギーの電子
   の流れが生じて上記試料中に正孔・電子対が生
   じるように上記電極と上記試料間に電圧を印加
   し、 (c) 上記電極を上記試料に近接させた状態で機械
   的に走査し、 (d) 上記試料中に生じた正孔・電子対の個数を時
   間の関数として感知し、 (e) 上記感知された正孔・電子対の個数を上記走
   査と同期して表示する段階を含む、 半導体デバイスの検査方法。 ２ 上記感知が電荷担体を電界により収集するこ
   とによつてなされ、上記表示が上記試料の電荷収
   集影像によりなされる特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ３ (a) 先端が尖つた電極と、 (b) 上記電極に半導体物質からなる試料を接触し
   ないように近接配置するための手段と、 (c) 上記試料中に正孔・電子対を形成するため
   に、上記電極と上記試料の間に低エネルギーの
   電子の流れを生じさせるための手段と、 (d) 上記電極を上記試料に対し、上記近接関係を
   保つたままで機械的に走査するための手段と、 (e) 上記低エネルギーの電子の流れによつて、上
   記試料中に生成した正孔・電子対を検出してそ
   の正孔・電子対の個数をあらわす信号を発生す
   るための手段と、 (f) 上記試料における正孔・電子対の分布をあら
   わすために、上記機械的走査と同期して上記信
   号を表示するための手段、 とを具備する半導体デバイスの検査装置。 ４ 上記尖つた電極の先端の直径が、0.1ないし
   10nmである特許請求の範囲第３項記載の装置。 ５ 上記低エネルギーの電子の流れを生じさせる
   ための手段が、上記電極と上記試料の間に電圧を
   加える手段を含む特許請求の範囲第３項記載の装
   置。 ６ 上記加えられる電圧が100V以下である特許
   請求の範囲第５項記載の装置。