JPH0317579A - ストロボ電子ビーム装置 - 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】 〔目次〕 概要 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする課題 課題を解決するための手段 作用 実施例 本発明の原理説明　　　　（第１〜３図〉本発明の一実
施例　　　　（第４〜６図）発明の効果 〔概要〕 ストロボ電子ビーム装置に関し、 マルチストロボ法を使用して電圧波形を定量的に測定す
ることのできるストロボ電子ビーム装置を提供すること
を目的とし、 ＩＣクロックを基準として電子ビームの照射タイミング
を制御する照射タイミング制御手段と、前記照射タイミ
ング制御手段の出力に基づいて前記ＩＣクロックに同期
して周期動作するＩＣ表面上にパルス状の電子ビームを
該ＩＣの各繰り返し動作周期毎に複数個照射する照射手
段と、前記電子ビームを前記ＩＣ表面上に照射すること
によって得られる２次電子信号に基づいて該ＩＣの各測
定点の電圧を測定する測定手段と、前記２次電子信号の
測定データを前記ＩＣクロックに対応したアドレスに記
憶する記憶手段と、速電界型エネルギを分析するための
減速電界型エネルギ分析器と、を備えたストロボ電子ビ
ーム装置であって、前記減速電界型エネルギ分析器は、
複数の離散的な分析電圧に基づいて２次電子信号をサン
プリングするサンプリング手段と、サンプリングしない
２次電子信号は前記分析電圧に対応して補完して求める
とともに、補完後の２次電子信号と所定のスライスレベ
ルとが一致する分析電圧を測定値として算定する分析電
圧算定手段と、を備えて構威している。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、ストロボ電子ビーム装置に係り、詳しくは、
長周期の繰り返し動作を行うＩＣ内部の電圧、あるいは
、論理変化を、ストロボ電子ビームをＩＣの動作クロッ
クに同期させることによって、ＩＣ内部配線の電圧波形
を測定し動作状態の診断を行う電子ビーム（ＥＢ）プロ
ーバの改良に関する。

高速動作するＩＣ内部の電圧を測定する手段としては、
ＩＣを繰り返し動作させ、これに同期してパルス化した
電子ビームをＩＣ表面に照射して２次電子信号を取得す
るストロボ電子ビーム装置が注目を集めている。これに
よれば、ＩＣの繰り返し動作周期中における任意の位相
での電圧分布像や、ＩＣ配線上の特定点の電圧の時間的
な変化波形を得ることが可能である。

〔従来の技術〕

従来のストロボ電子ビーム装置の動作概念は以下のよう
なものである．まず、ある電圧状態にあるＩＣ配線上の
特定部分に電子ビームパルス（以下、適宜ＥＢバルスと
いう）を照射すると、その表面部分から２次電子が放射
される。そして、それによって得られる２次電子信号量
は該特定部分が低電圧状態であれば多く、高電圧状態で
あれば少ない。したがって、２次電子信号量を測定する
ことによって、ＥＢパルスを照射した瞬間におけるＩＣ
表面の特定部分の電圧状態を測定することができる。

さらに、ＩＣを特定のクロック（例えば、ＩＭＨｚのク
ロック）によって動作させた場合、該ＩＣが例えばｌＯ
Ｏクロックで一連の動作を行うとすると、クロックが進
むにつれてＩＣの各部分はｌＯＯクロック毎に同じ電圧
状態を繰り返す。そこでＩＣ配線上の特定部分の電圧状
態のクロックによる時間変化をＥＢパルスによって測定
するために、ＩＣが１繰り返し動作周期毎に同じ動作を
繰り返すことを利用し、各繰り返し動作周期毎のＥＢバ
ルスの照射タイミングを少しずつずらしてゆくことによ
って、電圧状態の時間的な変化を測定することが可能で
ある（これを波形モードと呼ぶ）。

また、繰り返し動作周期中の特定のタイミングにおける
【Ｃ表面の電圧分布像（これを像モードと呼ぶ）を測定
するためには、例えば、まず、繰り返し動作第ｌ周期目
の特定位相でＥＢパルスを特定部分に照射し、その部分
の電圧を測定する。次に、繰り返し動作第２周期目の同
じ位相で他の部分にＥＢパルスを照射し、その部分の電
圧を測定する。以上のように、ＥＢバルス照射タイミン
グを特定位相に固定してＥＢバルスをＩＣ表面上で走査
することにより、繰り返し動作周期中の該特定位相にお
けるｉｃ表面の電圧分布像を得ることができる。

ＥＢブロービングで用いられる電圧定量化技術としては
、閉ループ法が知られている。閉ループ法は、あるスラ
イスレベルと２次電子信号が一敗するように減速電界型
エネルギ分析器の分析電圧を更新し、２次電子信号がス
ライスレベルと等しくなる分析電圧を測定電圧とするも
のである。分析電圧の更新方法としては、ハードウエア
を用いる方式、ソフトウエアを用いる方式等が知られて
いる。

閉ループ法には、■開ループ法に比べてＥＢ照射量が少
ない、■ストロボ測定では周波数応答の悪いエネルギ分
析器でも適用可能という利点がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来のストロボ電子ビーム装
置にあっては、例えばＩＯＭＩ｛ｚのサンプリングレー
トでマルチストロボ測定を行う場合に上記閉ループ法を
適用すると、２次電子信号が所定のスライスレベルと一
致するように分析電圧を求めるにはエネルギ分析器の周
波数応答として１００ＭＨｚ程度（分析電圧の静定時間
としてｌＱｎｓのオーダー）が要求されることになるが
、実際のエネルギ分析器の周波数応答はＩＭｌｌｚ以下
にすぎず、所望の電圧波形を定量的に測定することが不
可能であった。

そこで本発明は、マルチストロボ法を使用して電圧波形
を定量的に測定することのできるストロボ電子ビーム装
置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によるストロボ電子ビーム装置は上記目的達成の
ため、ｔＣクロックを基準として電子ビームの照射タイ
ミングを制御する照射タイミング制御手段と、前記照射
タイミング制御手段の出力に基づいて前記ＩＣクロック
に同期して周期動作するＩＣ表面上にパルス状の電子ビ
ームを該ＩＣの各繰り返し動作周期毎に複数個照射する
照射手段と、前記電子ビームを前記ｒｃ表面上に照射す
ることによって得られる２次電子信号に基づいて該ＩＣ
の各測定点の電圧を測定する測定手段と、前記２次電子
信号の測定データを前記ＩＣクロフクに対応したアドレ
スに記憶する記憶手段と、速電界型エネルギを分析する
ための減速電界型エネルギ分析器と、を備えたストロボ
電子ビーム装置であって、前記減速電界型エネルギ分析
器は、複数の離散的な分析電圧に基づいて２次電子信号
をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリング
しない２次電子信号は前記分析電圧に対応して補完して
求めるとともに、補完後の２次電子信号と所定のスライ
スレベルとが一致する分析電圧を測定値として算定する
分析電圧算定手段と、を備えて構威している。

〔作用〕

本発明では、電子ビ゜−ム照射タイミングにおけるｒｃ
測定点から放出した２次電子信号が複数の異なる離散的
な分析電圧でサンプリングされ、サンプリングされた２
次電子信号は前記分析電圧に対して補完され、補完後の
２次電子信号が、与えられたスライスレベルと一致する
ように分析電圧が算定される。

したがって、予め全部データを取り込み、その後分析電
圧を測定値として算定することから、フィードバック方
式によるような周波数応答による制限がなくなり、現行
のエネルギ分析器によって所望の電圧波形が定量的に測
定される。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

凰理説皿 従来の電圧測定方式は２次電子信号が所定のスライスレ
ベルと一致するようにエネルギ分析器の分析電圧を更新
するフィードバック方式（閉ループ法）を採用していた
。しかし、この方式では前述したようにサンプリングレ
ートが高くなるとエネルギ分析器の能力が対応できず、
将来要求される高速の電圧波形を測定することができな
い。

そこで本発明は、フィードバック方式を用いずに予めデ
ータを全部とり、その後判定するオープンループ方式を
採用する。以下、オープンループ方式で分析電圧を求め
るにあたっての原理作用を述べる。

第１〜３図は本発明の基本原理を説明するための図であ
る。第１図および第２図は２次電子信号量と分析電圧の
関係を示す図であり、図示のようにＳカープとして表さ
れる。この図において、振り初めの分析電圧をＶ０、分
析電圧を振る幅を示す分析電圧測定値をｄＶ、分析電圧
の最大値一最小値間の離散的な信号の個数をｎ（後述す
る第５図にあってはｎ＝６、第６図にあってはｎ＝４で
ある）とし、ｖ０からｙ０＋ｄＶ　（ｎ−１）までのｎ
個の離散的な分析電圧で２次電子信号の測定を行うと、
各分析電圧に応じた２次電子信号量Ｓ（ｉ，ｊ）が得ら
れる。ここで、ｉはステートを指定する添字でＱ−ｍ−
１（但し、ｍはパターン長）の値をとる。後述する第５
、６図にあってはｍ＝３２であり、ステートはＯから３
１までｉ＝３１となる。ｊは分析電圧を指定する添字で
、０〜ｎｌまでの値をとる。また、分析電圧の可変範囲
はスライスレベルＳＬに対して全てのステートｉでＳ　
（ｉ，０）＜ＳＬ，かつ、Ｓ（ｉ，ｎ−１）＞ＳＬとな
るように定め、この範囲で必ずスライスレベルＳＬと一
致するような分析電圧が存在するようにする。分析電圧
の更新量ｄＶは第１図に示すようにスライスレベル近傍
で２次電子信号と分析電圧がリニアに変化する範囲であ
り、スライスレベルに対してｄＶを動かしてもＳカーブ
と直線が殆ど一致する範囲を示す。したがって、この範
囲内であればサンプリングされた２次電子信号から内挿
してその範囲内の２次電子信号を求めても不都合は生じ
ない。

第２図は電圧定量化方式を説明するための図であり、ｉ
番目のパターンに着目したものである。

第２図に示すように、２次電子信号は分析電圧が上がる
につれて増加する。２次電子信号は、ｎ個の離散的な分
析電圧で取得（サンプリング〉しているため、電圧Ｖ。

＋ｄＶ（ｊ−１）からＶ。＋ｄＶＸｊまでの間の２次電
子信号量は、離散的に取得した２次電子信号量で内挿し
て求める。すなわち、分析電圧ｖ．−＋−ｄｖ　（ｊ−
ｉ）からｖ０＋ｄＶＸｊまでの範囲では、分析電圧■の
場合の２次電子信号量Ｓ　（Ｖｌ　を次式のに従って定
める。

Ｓ（Ｖｌ　　＝Ｓ　（ｉ，　　ｊ　　１）　＋　（Ｖ−
ＶｏｄＶ　（ｊ−１））ｘ　（Ｓ　Ｎ，ｊ）一Ｓ　（ｉ
．　　ｊ−１）　）　／ｄＶ・・・・・・■第■式を用
いて２次電子信号がスライスレベルと一致する分析電圧
を求めることができる。これが、間ループ法による測定
の原理である。測定を繰り返して行い、測定値の加算平
均を行うことにより任意の電圧分解能の電圧波形が得ら
れる。電圧分解能の算定方式としては、例えば特願昭６
３−３１２５２９ｒサンプリングオシロスコープ」に示
した方式を用いることが可能である。

ところで、実際に上記方式を電圧波形測定に適用する場
合に、測定時間に関する問題が生じる。

すなわち、試料ＬＳＩの配線電圧がわからないために、
電圧測定値がどの範囲になるか不明である。

そのため、電圧測定値を含む充分に広い範囲で分析電圧
をスキャンする必要があるが、常に大きな範囲で分析電
圧を振ると測定信号の数が多くなり、それに比例して時
間がかかる．したがって、測定を高速化するためには、
分析電圧の可変範囲を最小限に抑えて、２次電子信号の
取得回数を抑える必要がある。以下で分析電圧の可変範
囲を決定する決定アルゴリズムについて述べる。

第３図は測定電圧値のヒストグラムを示す図である。分
析電圧の可変範囲は、測定電圧の最小値Ｖｍｉｎと最大
値Ｖ　ｔａａｘと電圧測定値の持つばらつきから求まる
。加算平均を行わない場合の電圧分解能をＶｒｅｓｏｌ
　とすると、分析電圧をＶｍｉｎ　　Ｖｒｅｓｏｌから
Ｖ　ＩＩＩａｘ　＋　Ｖ　ｒｅｓｏｌの範囲で可変すれ
ば、充分なノイズに対するマージンが得られる。上記の
Ｖｏ、ｎは次式■に従って求まる。

もし、Ｖｍａｘ　−　Ｖｍｉｎ　＋　２　Ｘ　Ｖｒｅｓ
ｏｌがｄＶの整数倍であれば、 となる。その場合は、（Ｖｍａｘ　−　Ｖｍｉｎ　＋　
２　Ｘ　Ｖｒｅｓｏｌ）　／　ｄ　Ｖの整数部分をｎ′
とすると、第■式は次式■で示される。

例えば、電圧波形の振幅が５　Ｖ，　Ｖｒｅｓｏｌが１
，５Ｖ，ｄＶが２■とすると、分析電圧の可変範囲は８
ｖとなり、したがって、１回電圧波形を求めるのに必要
な分析電圧の更新回数は５回となり、閉ループ法と比較
した場合の効率の低下（測定時間の増加）を５倍にとど
めることが可能である。

二大施斑 以下、上記基本原理に基づいて実施例を説明する。第４
〜６図は本発明に係るストロボ電子ビーム装置の一実施
例を示す図であり、第４図はその全体構戒図である。第
４図において、１はストロボ電子ビーム装置、２は電子
ビーム鏡筒であり、電子ビーム鏡筒２には試料室３が接
続され、試料室３の内部には被検ＩＣ４が配置される。

被検■Ｃ４には電子ビーム鏡筒２からＥＢバルス５が照
射され、分析グリッド６を介して２次電子７が得られる
。分析グリッド６には分析電圧設定回路（減速電界型エ
ネルギ分析器、サンプリング手段、分析電圧算定手段、
分析電圧更新範囲設定手段〉８から所定の分析電圧が印
加され、分析電圧設定回路８は制御用計算機（測定手段
）９からの出力データ（分析電圧データ）に基づいてあ
る分析電圧で２次電子信号のサンプリングを行うための
分析電圧を設定し、設定後制御用計算機９に設定完了信
号を出力する。２次電子７は試料室３に接続された検出
器１０によって検出され、その出力は２次電子信号とし
て２次電子信号処理回路（記憶手段〉１１に入力する。

また、被検ＩＣ４はパターンジエネレータ（Ｐ　Ｃ）あ
るいはＬＳＩテスタからなるＩＣドライバ１２によって
動作され、２次電子信号処理回路１１にはＩＣドライバ
ｌ２からのクロックおよび周期トリガが入力されるとと
もに、制御用計算機９からの初期化信号および後述する
遅延回路ｌ４からのストローブ信号が人力され、２次電
子信号処理回路ｌ１からは制御用計算機９に出力データ
およびシーケンスコントロールに必要な動作終了信号等
が出力される。一般に、検出器１０で検出された２次電
子信号は非常に微弱であり、ｌショットで確実に見るこ
とはできず、特定箇所に何度（例えば、１０００回）も
ＥＢパルスを照射してその加算結果を得る必要がある。

２次電子信号処理回路１１はＩＣドライバｌ２からのク
ロフク、周期トリガおよび制御用計算機９からの初期化
信号に従って検出された２次電子信号をディジタル化す
るとともに、そのディジタル信号を加算平均してそのデ
ータを制御用計算機９に出力する。一方、ｌ３はＥＢパ
ルストリガ発生回路（照射タイミング制御手段）であり
、ＥＢパルストリガ発生回路１３はｌ動作周期中に複数
個のＥＢパルストリガを発生する。ＥＢバルストリガ発
生回路１３にはＩＣドライバｌ２からクロック、周期ト
リガが入力されるとともに、制御用計算機９から起動信
号が入力され、ＥＢパルストリガ発生回路１３からは制
御用計算機９に終了ストローブが遅延回路ｌ４にＥＢバ
ルストリガがそれぞれ出力される．遅延回路１４にはさ
らに制御用計算機９から指定信号が入力され、遅延回路
１４からは２次電子信号処理回路１１およびＥＢパルス
ゲートドライバｌ５にストローブ信号が出力される．Ｅ
Ｂパルスゲートドライバｌ５にはさらに制御用計算機９
からＥＢパルスゲートドライバ制御信号が入力され、Ｅ
Ｂバルスゲートドライバ１５の出力は電子ビーム鏡筒２
の内部に配置されたＥＢパルスゲートｌ６に接続される
。ＥＢパルスゲートドライバ１５はＥＢバルスゲート１
６に電気的なパルスを印加することにより電子ビームを
振ってパルス化させる．また、制御用計算機９には表示
装置１７が接続される． 次に、作用を説明する。

本実施例の測定シーケンスは、制御用計算機９により制
御される．ある分析電圧で２次電子信号のサンプリング
を行うためのシーケンスは、以下のようになる。

？ず、制御用計算機９からの出力データに基づいて分析
電圧設定回路８で分析電圧の設定を行う．次いで、分析
電圧が設定された後に、始めに制御用計算機９から２次
信号処理回路１１に初期化信号を発する。２次信号処理
回路１ｌは、初期化信号を受けると、ステートを示すカ
ウンタを初期化し、２次電子信号格納領域をクリアする
。そして、２次信号処理回路１１の初期化が終了すると
、制御用計算機９は、ＥＢバルストリガ発生回路ｌ３に
起動信号を発する．ＥＢバルストリガ発生回路１３は、
起動信号を受けた後で、テストパターンの先頭を示すト
リガパルスを検出するとクロックに同期したパルス列を
指定回数だけ発生する。ＥＢパルストリガ発生回路１３
は、同時に遅延回路１４を介してクロック信号に適当な
遅延をかけ２次信号処理回路１１のサンプリングストロ
ーブを発生する。２次信号処理回路１１は、サンプリン
グストローブを検出すると、２次電子信号をＡＤ変換し
、該ＡＤ変換値をカウンタで指定される２次電子信号格
納領域に加算した後に■カウンタをインクリメントする
．２次電子信号のサンプリングが終了すると、ＥＢパル
ストリガ発生回路ｌ３は、制御用計算機９に対して終了
ストローブを発する。制御用計算機９は、終了ストロー
ブを受け取ると２次信号処理回路１１から２次電子信号
を読み込む。そして、制御用計算機９は、全ての分析電
圧に対する２次電子信号の読み込みを終了すると前述し
たアルゴリズムに従って、電圧測定値を求める． 以上述べたように、ＩＣ｝リガとクロックによリトリガ
を基点としてクロックに同期して電子ビームを照射し、
２次電子信号を取り込む。そのときに本実施例では分析
電圧を複数個の分析電圧に対して２次電子信号のサンプ
リングを行い、サンプリングされた２次電子信号に基づ
いてサンプリングしなかった分析電圧の２次電子信号は
内部を補完することにより求める。そして、補完して求
めた２次電子信号量とスライスレベルＳＬの交点から測
定電圧を算出する。

第５、６図は表示装置１７の出力画面を示す図であり、
第５図はラフ収束１回目の画面、第６図はラフ収束２回
目の画面を示している。第５、６図の縦軸は分析電圧を
、横軸は時間軸を示し、第５図の分析電圧は±２０Ｖの
範囲であり、第６図の分析電圧は−２．５〜１．８Ｖの
範囲である。時間軸を示すものとしてトリガと３２個の
クロックを示している。第５、６図の画面表示において
、直線近似されたＳカーブは画面左側に倒立して表示さ
れ、Ｓカーブ部分の横軸は画面左側の方の信号量が大き
く、また、画面右側には論理波形が表示されている。Ｓ
カーブ部分の縦の破線は２次電子信号のスライスレベル
であり、離散的にとったＳカーブの信号量を輝度情報と
して示しており、高い信号レベルの場合は明るく、低い
信号レベルの場合は暗くなる．画面右側はクロック毎に
輝度の等高線をつないだものとなっている。

このように、本実施例ではフィードバック方式を用いず
に、予め全部データを取り込み、その後測定電圧を算定
するオーブンループ方式を用いている．したがって、現
行のエネルギ分析器の周波数応答の能力内で所望の電圧
波形を定量的に測定することが可能になる。また、本実
施例ではオープンループ方式を採用する際、第■式に示
すように測定により得られた分析電圧とノイズマージン
（ＳＮ）から分析電圧を可変する最適な範囲を算定して
いるので充分な測定精度を確保しながら測定速度を大幅
に向上させることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、マルチストロボ法を使用して電圧波形
を定量的に測定することのできるストロボ電子ビーム装
置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明の基本原理を説明するための図であ
り、 第１図はその２次電子信号量と分析電圧の関係を示す図
、 第２図はその電圧定量化方弐を説明するための図、 第３図はその電圧測定値のヒストグラム、第４〜６図は
本発明に係るストロボ電子ビーム装置の一実施例を示す
図であり、 第４図はその全体構戒図、 第５図はそのラフ収束１回目の表示装置ｌ７の出力画面
を示す図、 第６図はそのラフ収束２回目の表示装置ｌ７の出力画面
を示す図である． ・・・・・・ストロボ電子ビーム装置、・・・・・・電
子ビーム鏡筒、 ・・・・・・試料室、 ・・・・・・被検ＩＣ、 ・・・・・・ＥＢパルス、 ・・・・・・分析グリッド、 ・・・・・・２次電子、 ・・・・・・分析電圧設定回路（減速電界型エネルギ分
析器、サンプリング手段、分 析電圧算定手段、分析電圧更新範 囲設定手段）、 ９・・・・・・制御用計算機（測定手段）、ＩＯ・・・
・・・検出器、 １１・・・・・・２次電子信号処理回路（記憶手段）、
１２・・・・・・ＩＣドライバ、 １３・・・・・・ＥＢバルストリガ発生回路〈照射タイ
ミング制御手段〉、 ｌ４・・・・・・遅延回路、 １５・・・・・・ＥＢパルスゲートドライバ、１６・・
・・・・ＥＢバルスゲート、 １７・・・・・・表示装置。 原理説明の２次電子信号量と分析電圧の関係を示す図第
ｌ図 原理説明の電圧定量化方式を説明するための図原理説明
の電圧測定値のヒストグラム

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＩＣクロックを基準として電子ビームの照射タイ
   ミングを制御する照射タイミング制御手段と、 前記照射タイミング制御手段の出力に基づいて前記ＩＣ
   クロックに同期して周期動作するＩＣ表面上にパルス状
   の電子ビームを該ＩＣの各繰り返し動作周期毎に複数個
   照射する照射手段と、 前記電子ビームを前記ＩＣ表面上に照射することによっ
   て得られる２次電子信号に基づいて該ＩＣの各測定点の
   電圧を測定する測定手段と、前記２次電子信号の測定デ
   ータを前記ＩＣクロックに対応したアドレスに記憶する
   記憶手段と、 速電界型エネルギ分析器と、を備えたストロボ電子ビー
   ム装置であって、 前記減速電界型エネルギ分析器は、複数の離散的な分析
   電圧に基づいて２次電子信号をサンプリングするサンプ
   リング手段と、 サンプリングしない２次電子信号は前記分析電圧に対応
   して補完して求めるとともに、補完後の２次電子信号と
   所定のスライスレベルとが一致する分析電圧を測定値と
   して算定する分析電圧算定手段と、 を備えたことを特徴とするストロボ電子ビーム装置。
2. （２）前記減速電界型エネルギ分析器は、分析電圧更新
   範囲内で複数の離散的な分析電圧に基づいて２次電子信
   号をサンプリングするサンプリング手段と、 サンプリングしない２次電子信号は前記分析電圧に対応
   して補完して求めるとともに、補完後の２次電子信号と
   所定のスライスレベルとが一致する分析電圧を測定値と
   して算定する分析電圧算定手段と、 前記分析電圧算定手段の出力と所定のノイズマージンか
   らサンプリングのための分析電圧の更新範囲を設定する
   分析電圧更新範囲設定手段と、 を備えたことを特徴とする請求項（１）記載のストロボ
   電子ビーム装置。