JPH0722012B2 - ストロボ方式の電位波形測定装置 - Google Patents

ストロボ方式の電位波形測定装置

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JPH0722012B2
JPH0722012B2 JP60080162A JP8016285A JPH0722012B2 JP H0722012 B2 JPH0722012 B2 JP H0722012B2 JP 60080162 A JP60080162 A JP 60080162A JP 8016285 A JP8016285 A JP 8016285A JP H0722012 B2 JPH0722012 B2 JP H0722012B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、電子ビームによる電位波形測定装置に係り、
特に、走査形電子顕微鏡等の粒子線装置を用いて、試料
上の微細箇所あるいは微小試料の電位の時間変化(電位
波形)を測定する電位測定装置に関する。
〔発明の背景〕
第1図は、電子ビームをパルス化し、電位波形を測定す
るストロボ走査形電子顕微鏡の基本構成図である。電子
銃1から射出された電子ビーム2を電子レンズ6を用い
て検鏡試料10上に焦点を結ばせ、かつ電磁コイル又は静
電偏向板8でテレビジヨンの撮像管と同じ要領で走査す
る。電子ビームは固体に衝突すると反射電子又は二次電
子を放出する。これを検出器9で検知し、その像をデイ
スプレイ装置7上に表示する。これが走査形電子顕微鏡
の原理である。
ところが、この走査形電子顕微鏡で高速変化する試料を
観察すると静電偏向板8による電子ビームの走査速度が
試料の変化速度に追従できず、全変化が重複して表示さ
れてしまう。そこで、試料変化を与えている駆動装置11
と同期したパルス回路12によりビームのチヨツプピング
を行うパルスゲート(偏向板3とアパーチヤ4との組合
わせ)を付加する。このような構成にすると、試料上を
走査する電子ビームを、試料の変化内のある一定の位相
のときにのみ照射するように制御でき、照射の瞬間の試
料状態のみを検知できる。第2図はこれを説明する図で
ある。グラフ(A)のたて軸は、試料の状態の変化を示
したもので、ここでは物点がAとCの間で往復運動する
ものとした。横軸は時間である。電子ビームを照射する
位相(タイミング)をaの時点に合わせると、デイスプ
レイ装置7には、(B)図(a)のように、bの時点に
すると(b)のように、cの時点にすると(c)のよう
に状態を分離して観察できる。どの位相で観察するか
は、第1図に示した位相調整器5で行う。一般にはこの
位相調整器5は、遅延線の組合せで構成されている。
このストロボ走査形電子顕微鏡の主な応用は、LSI内で
高速変化する電圧変化の観察である。この場合には、検
出器9と試料10の間に2次電子のエネルギーアナライザ
を付加する(特公昭47−51024号参照)。
第3図(a)にこの原理を示す。検鏡試料10に対向して
置かれた検出器9の中間に制御電極13が配置されてい
る。制御電極13は、電子ビーム2の照射により試料10か
ら放出された2次電子eのエネルギーを区別するための
電位障壁を形成する。第3図(b)はこの電位障壁の動
作を説明する図である。試料上に制御電極13が配置され
ていない場合にはすべての2次電子が検出器9で検出さ
れる。零電位の試料10から放出される2次電子のエネル
ギー分布は、第3図(b)のAで示すような分布をして
いる。試料10の電位が−5Vであるとその分布はBのよう
になる。制御電極13を設け、これに−5Vを印加すると、
検出される2次電子は5eV以上のものに制限されるの
で、試料10の電位によつて、2次電子の検出量に変化が
生じる。このように検出量が試料電位に関係するので、
逆に検出2次電子量から試料10の電位を知ることができ
る。
しかし、上記の制御電極13を配置したのみによる電位測
定では、試料10の電位と検出される2次電子量との関係
は直線的でなく、電位の定量的な測定は難しい。
そこで、これに直線性をもたせるため、検出2次電子量
を常に一定に保つように制御電極の電位を回路的に調整
するフイードバツク法を用いる(参照:アイ・イー.イ
ー・イー,ジヤーナル・オブ・ソリツド・ステート・サ
ーキツツ(IEEE,Journal of solid state circuits),v
ol,SC−13,No.3,1978)。
第4図は、このフイードバツク法を説明するブロツク図
である。検出器9の出力を基準電圧15と比較し、その差
を増幅器14で増幅し、その出力を制御電極13に与える。
2次電子検出量が増加すると、制御電極13の電位が低下
し、検出量の増加を抑えるように構成されているので、
試料1の電位がどのように変化しても2次電子検出量は
一定に保たれる。このとき試料電位の変化量と制御電極
13の変化量は一対一になるので、制御電極13の電位を測
定することで、未知の試料の電位変化を定量的に知るこ
とができる。
前述した定量的な電位測定を行いながら、位相調整器5
の位相を0〜360゜ゆつくりと変化させると、位相に対
応して、電位波形が得られる。位相の調整は、すでに述
べたように遅延線を用いる。そこで、ストロボ走査形電
子顕微鏡では、サンブリングオツシロスコープのように
電位波形を測定することができる。
以上、詳述した方式を用いると電子ビームにより、電位
波形を測定することが可能となる。このストロボ走査形
電子顕微鏡の主な応用は、LSI内の電位波形の測定であ
る。LSIは多くの場合、半導体回路を汚れや湿気から防
ぐために、パツシベーシヨンと呼ばれる絶縁膜を被覆さ
れている。この場合、パツシベーシヨン膜は電子ビーム
とLSI内の金属電極との間に介在するので、等価的にコ
ンデンサとして作用する。このコンデンサの介在は、定
常的な電圧(例えば直流電圧)の測定ができないことを
意味する。そこで、前述した順次にかつ緩やかに位相を
調整する方式では、電位波形は得られない。この様子を
図をもつて以下に説明する。パツシベーシヨン膜が作る
コンデンサ作用と、得られる信号との関係をモデルにす
ると第5図のようになる。電子ビームを照射した場合18
とLSIの配線19との間で作られる静電容量20を通して交
流電圧21の電流(I)17が抵抗16を流れる。抵抗16は等
価的な検出抵抗である。このモデル内での交流電圧21の
振幅は、LSI内の電圧と等しいが、周波数は、LSI内の実
際の周波数でなく、位相(360゜)を変える周期であ
る。位相を固定している場合には、直流となる。この等
価回路からわかるように、位相を変える周期をできるか
ぎり速くすれば、原波形(LSI内の測定したい波形)を
測定できるようになる。そこで、本発明では、一般に行
なわれている全位相(360゜)を10〜40秒で走査する方
式を改良し、全位相を10〜40msで走査し、この測定量を
1000回重ね合わせる方式を行なつてきた(参照:スキヤ
ニング・エレクトロン・マイクロスコピイ(Scanning E
lectron Microscopy),1983,vol.II,561〜568)。しか
しこの方法でも、バツシベーシヨンが厚く、LSIの配線
が細くなるとやはり問題になる。さらに位相を変える周
期を速くしようとすると、位相の分割、すなわち時間の
分割が粗くなり、詳細な電位波形が測定できなくなる。
〔発明の目的〕
本発明は、前記問題を位相の走査方式を工夫することに
り解決し得るストロボ方式の電位波形測定装置を提供す
ることにある。
〔発明の概要〕
第6図は、パツシベーシヨンを被つたLSI内の電位波形
の測定例を示したものである。のような原波形を従来
方式で測定すると、で示すようなA波形を微分した波
形になつてしまう。この測定は400nsの周期を1000分割
している。1点の位相に10μsのデータ取込み時間を要
するので、全位相の走査には10msを要する。この測定を
4000回行ない平均値をとつている。は分割を約20とし
た測定である。全位相の走査は200μsで、の1/50で
ある。この結果、原波形に近い波形が得られる。ただ
し、分割が粗いため、波形の概要を知り得るのみであ
る。
本発明の主眼点は、少しずつ位相のずれたの波形を多
数作り、これを重ねようというものである。例えば、
のデータのない部分を補完する波形を、組合せれば、精
度がよくかつ微分波形にならない原波形に近い波形を測
定できる。
すなわち、本発明の要点は、パツシベーシヨンを被つた
LSIを測定するに好都合な位相の走査法を提供するもの
である。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を図を用いて、詳述する。第7
図は、実施例の位相走査方法を示している。このグラフ
の縦軸は測定電位、横軸は位相分割で、メモリーのチヤ
ンネル数になる。1チヤンネル当たりの位相変化量が0.
4nsであれば、全横軸で409.5nsになる。まず、1−11−
2…1−32と32チヤンネルごとにデータを取り込む。通
常は、これを約4000回積算し、S/Nの良いデータを得
る。次に、2−1 2−2…2−32とやはり、32チヤン
ネルごとであるが、前回とは1チヤンネルだけ進んだチ
ヤンネルのデータの取り込みを行なう。これを順次32回
行なう。この結果、1024チヤンネルが全部埋まり、測定
が完了する。
第8図は本発明の一実施例である。試料10はLSIで、駆
動電源11で駆動される。駆動電源11からのトリガー出力
信号は、制御計算機23で制御される位相調整器5で遅延
(位相調整)をうけ、電子ビームをパルス化するパルス
発振器12に入力される。試料10内の電子ビーム照射箇所
から発生した2次電子は制御グリツド13を介して検出器
9で検出される。制御グリツド13の電位は増幅器14、基
準電圧15でフイードバツク制御されている。測定出力で
ある制御グリツド13の電位はA/D変換回路22を介して制
御計算機23に入力する。本実施例で用いられている位相
調整器5は第9図に示す構成になつている。駆動電源11
からのトリガー出力信号はバツフアアンプ24に入力され
る。バツフアアンプの後方には3列のマルチプレクサ2
5,26,27があり、マルチプレクサ間と出力にもバツフア
アアンプ28,29,30が設けられている。マルチプレクサ2
5,26,27は4ビツトで制御計算機のバスライン31を介し
て制御される。初段のマルチプレクサ25で0.1nsの遅延
線32を15本、中段のマルルチプレクサ26で1.6nsの遅延
線33を15本、終段のマルチプレクサ27で25.6nsの遅延線
34を15本を備え、これを組合わせて、総量で409.5nsの
遅延が得られる。以下、周期409.6nsの波形を測定する
例で説明する。メモリーのチヤンネル数は1024とする。
第7図で説明した走査方式の実施例である。制御計算機
内のメモリーの0チヤンネルでは全マルチプレサとも動
作せず、全遅延線は短絡されている。このときの測定デ
ータをメモリー(0チヤンネル)に取り込む。次に、32
チヤンネルに移る。このきには、マルチプレクサ26内の
遅延線33の8個が開となり、12.8nsの遅延が生じる。こ
のときのデータをメモリー(32チヤンネル)に取り込
み、次に64チヤンネルに移る。同様にして32チヤンネル
おきの測定とデータ取り込みが992チヤンネルまでの32
回行なわれる。これが粗い位相分割ピツチでの測定の第
1周期目に当たる。この第1周期目の測定を終了後、第
2周期目の先頭である1チヤンネルに移る。1チヤンネ
ルではマルチプレクサ25内の0.1nsの遅延線32の1個だ
けが開となる。このときの測定データを取り込んだら、
次に33チヤンネルに移る。ここでは、マルチプレクサ25
内の遅延線32の1個とマルチプレクサ26内の遅延線33の
8個とが開となる。同様にして32チヤンネルおきの測定
とデータ取り込みが993チヤンネルまでの32回行なわれ
る。これが第2周期目の測定である。以下、同様の粗い
位相分割ピツチでの測定が32周期まで繰り返され、1023
チヤンネルまでの総数1024のメモリーが全部埋められ
る。つまり、第1周期目の粗い位相分割ピツチでの測定
点間が、その後の第2周期目から第32周期目の測定点に
よつて補完されることになる。
第10図は、本発明の他の実施例である。この実施例で
は、遅延線による遅延と逓倍波のトリガーを選択する方
式とを組合わせたものである。第8図で説明した実施例
と同一の測定を行なうものとして説明する。制御計算機
23で制御された基本クロツク発生器36で基本となる周波
数(39MHz)が発振される。基本クロツク発生器36の出
力の一つは分周器35に入る。ここで、基本周波数は16倍
の周期(周期T:409.6ns,周波数:2.44MHz)に変換され
る。分周された周波数をトリガーとし駆動電源11が周期
動作し、試料10(LSIが動作される。基本クロツク発生
器36のもう一方の出力は、トリガー回路37に入る。トリ
ガー回路37では、第11図の(ハ)〜(ヘ)に図示するよ
うなトリガーを発生する。図中(イ)は基本周波数、
(ロ)は分周後の周波数である。トリガー回路37は制御
計算機の指定により、(ハ),(ニ),(ホ),…
(ヘ)と順次にトリガーを選択する。このトリガー信号
が位相調整器5に入る。位相を走査する順序を説明する
と、位相調整器5の遅延は0とし、トリガー回路37で
(ハ)〜(ヘ)と16ケのパルスを選択する。データは、
メモリーのチヤンネル、0,64,128…960に取り込む次に
位相調整器5で0.4nsの遅延を与え、同様にトリガーを
選択し、データをメモリーのチヤンネル、1,65,129,…9
61に入れる。
次に位相調整器5の遅延を0.8nsにし、同様にトリガー
を選択し、データをメモリーのチヤンネル2,66,130,…9
62に入れる。このようにして、チヤンネル63,127,…102
3まで走査し、全波形を得る。
〔発明の効果〕
本発明によれば、パツシベーシヨンを被つたLSIで生じ
ていた波形歪の問題を解決することができ、LSI開発に
与える効果は著しく大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図はストロボ走査形電子顕微鏡の構成を示す図、第
2図はストロボ法の原理を示す図、第3図は電子ビーム
による電位測定を説明する図、第4図は電位の定量測定
を説明する図、第5図は、パツシベーシヨン膜を被つた
LSIを測定した場合の等価回路を示す図、第6図はパツ
シベーシヨン膜を被つたLSIを測定したときに起る問題
点と本発明の原理を説明する図、第7図は本発明の位相
走査方式を説明する図、第8図及び第9図はそれぞれ本
発明の一実施例を説明する図、第10図および第11図は他
の実施例を説明する図である。 5……位相調整器、9……検出器、10……試料、11……
駆動電源、12……パルス発振器、13……制御グリツド、
14……増幅器、15……基準電圧、16……制御計算機、22
……A/D変換回路、24,28,29,30……バツフアアンプ、2
5,26,27……マルチプレクサ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料内の周期的電位変化に同期したパルス
    状の荷電ビームを試料に照射し、上記周期的電位変化と
    上記パルス状荷電ビーム照射との間の位相関係を変化さ
    せることにより、上記パルス状荷電ビームを照射した個
    所の周期的電位変化の波形を測定するストロボ方式の電
    位波形測定装置において、上記周期的電位変化に対する
    パルス状荷電ビーム照射の位相を粗いピッチで変化させ
    ながら各位相点での電位測定を行うための粗いピッチで
    の電位測定手段と、該粗いピッチでの電位測定手段によ
    る電位測定データ間を補完するために、上記粗いピッチ
    での電位測定の測定開始位相点を細かいピッチでずらせ
    る手段とにより、細かいピッチで位相を順次変えながら
    上記粗いピッチでの電位測定を繰り返し行うことを特徴
    とするストロボ方式の電位波形測定装置。
JP60080162A 1985-04-17 1985-04-17 ストロボ方式の電位波形測定装置 Expired - Lifetime JPH0722012B2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS59220940A (ja) * 1983-05-31 1984-12-12 Toshiba Corp 電子ビ−ムによる半導体装置の内部動作電圧波形の測定方法

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JPS61239556A (ja) 1986-10-24

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