JPH0758297B2 - 非接触電位測定装置 - Google Patents

非接触電位測定装置

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JPH0758297B2
JPH0758297B2 JP63040507A JP4050788A JPH0758297B2 JP H0758297 B2 JPH0758297 B2 JP H0758297B2 JP 63040507 A JP63040507 A JP 63040507A JP 4050788 A JP4050788 A JP 4050788A JP H0758297 B2 JPH0758297 B2 JP H0758297B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、LSIチップ等の細い配線の電位を測定する非
接触電位測定装置に関する。
〔従来の技術〕
第7図は従来の非接触電位測定装置の例を示す図であ
る。
LSIチップ等の細い配線の電位を測定する装置として、
1μm以下の細い針の先端を被測定電極に接触させてそ
の被接触電極の電位を測定し、オシロスコープに表示す
るものがある。この装置は、測定する容量や機械的ダメ
ージ等の問題があると共に、被測定電極の幅が針の先端
より細くなると、忠実な波形を計測することが難しくな
るという問題を有している。そこで、近年は、電子ビー
ムを使った非接触のEBテスタ(非接触電位測定装置)が
用いられるようになってきた。
従来の非接触電位測定装置は、第7図に示すようにメッ
シュ状のエネルギー分析器31、二次電子検出器35、比較
器36等からなり、フォーカスされた電子ビーム33を試料
32の測定面に照射し、発生した二次電子34のエネルギー
分布を測定することによって電子ビーム照射部の電位を
測定するものである。この場合、エネルギー分析器31の
バイアス電位VGは、電子ビーム照射部の電位Vsが変化し
ても二次電子検出器35における検出電流ISが一定となる
ように比較器36を通しフィードバックをかけて制御して
いる。このとき、 VG−Vs=一定 となるから、 ΔVG=ΔVs となり、試料電位の変化ΔVsをVG電位の変化ΔVGとして
読み取ることができる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
ところで、エネルギー分析器31は、減速電界型が普通で
あり、減速メッシュに二次電子が垂直に入射しないとエ
ネルギー分解能が悪くなる。
しかし、LSIチップ等を試料とする場合、測定しようと
する電極が細くなっているため、上記の如き従来の非接
触電位測定装置では、隣接電極との間で強い電界が生
じ、エネルギー分析器31に入る二次電子34の軌道を曲げ
たり二次電子を引き戻したり(図示37)する。その結
果、積分曲線が第8図の実線から点線で示すように変形
する。すなわち、第8図は二次電子ISとエネルギー分析
器のバイアス電位VGとの関係を示す図であり、比較器の
一方の入力となる基準電圧Vrefにより、ISfがフィード
バックの動作点として設定される。従って、実線で示す
真のエネルギー分布(積分曲線)に対して分解能の悪い
分析器による曲線が点線で示すように変化すると、ΔV
erが電位測定誤差となる。
また、上記従来の非接触電位測定装置は、フォーカスさ
れた電子ビームを測定面に照射するため、試料損傷が生
じるという問題もある。
本発明は、上記の問題点を解決するものであって、隣接
電極の影響による測定誤差がなく、且つ試料損傷のない
非接触電位測定装置を提供することを目的とするもので
ある。
〔問題点を解決するための手段〕
そのために本発明の非接触電位測定装置は、試料電位の
変化を非接触で読み取る非接触電位測定装置であって、
先端が尖った金属針、該金属針を通してフィールドエミ
ッション電流又はトンネル電流を検出し該電流が一定に
なるように金属針に電圧を印加するフィードバック回
路、及び金属針電圧を読み出す回路を備え、被測定電極
に接近させて金属針を保持し試料電位の変化を読み取る
ように構成したことを特徴とするものである。
〔作用〕
本発明の非接触電位測定装置では、先端が尖った金属
針、該金属針を通してフィールドエミッション電流又は
トンネル電流を検出し該電流が一定になるように金属針
に電圧を印加するフィードバック回路、及び金属針電圧
を読み出す回路を備えているので、被測定電極(試料)
に接近させて金属針を保持すると、フィードバック回路
によりフィールドエミッション電流又はトンネル電流が
一定に制御される。このときの金属針電圧は、被測定電
極の電位に追従するので、この電圧を読み取ることによ
り試料電位の変化を読み取ることができる。
〔実施例〕
以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。
第1図は本発明の非接触電位測定装置の1実施例を示す
図、第2図は金属針を使って取り出されるフィールドエ
ミッション電流特性を示す図である。
第1図において、1は金属針、2は被測定電極、3は電
流電圧変換器、4は比較器を示す。金属針1は、曲率半
径が0.1μm程度の先端が尖った電極であり、被測定電
極2に極めて接近させて保持される。そこで、この金属
針1にVeなる負電圧を印加すると、被測定電極2の印加
電圧Vsとの間の電位差 Vs−Ve によって金属針1の先端に強い電界Eを生ずる。この電
界がE>107V/cm程度になるように金属針1の先端と被
測定電極2とのギャツプdを小さくしていくと、金属針
1の先端よりフィールドエミッション電子が放出される
ようになる。このフィールドエミッション電流をIFとす
ると、電流IFは、(Vs−Ve)に対して第2図に示すよう
に変化する。
第1図において、まず、Vs=0として基準電圧Vrefを+
方向に変化させていくと、電流電圧変換器3の金属針1
に接続された側の入力端子の電圧Veは降下していく。そ
して、Veが第2図に示す−Vthを越えると、フィールド
エミッション電流が流れ始める。この電流がアンプのダ
イナミックレンジ内の任意に定めた点IFOに達したとこ
ろで基準電圧Vrefを固定する。
次に、被測定電極2をLSIの駆動回路に接続し、印加電
圧Vsを駆動回路によって制御する。このとき、フィード
バックループは、IF=IFOとなるように変化させ、Vs−V
e=一定となる。従って、ΔVs=ΔVeが成り立ち、被測
定電極2における試料電圧の変化分を金属針1の電位の
変化として読み出すことができる。つまり、比較器4の
出力電圧をオシロスコープ等で観察することによって、
被測定電極2における試料電圧の変化分を観察すること
ができる。
第2図に示す特性は、Vs−Veが変化したときにIFが変化
すればよいので、長時間にわたって安定である必要はな
い。従って、従来法では、隣接電極の影響でVs−Veが一
定であっても、Vsによってカーブの形が変わったのに比
べ、上記本発明の方法ではこのような変化はない。
第3図は本発明の非接触電位測定装置における金属針と
被測定電極の具体的な構成例 を示す図である。この第
3図に示すように 金属針1の先端をr=0.1μm、 被測定電極2とのギャップd=10nm とすると、Ve=−10Vで E≒Ve/d=107V/cm となってフィールドエミッション電流が得られる。被測
定電極2の幅、間隔に比べてdが非常に小さいので、IF
は隣接電極の電圧の影響を受けない。さらに、図示の如
く先端のみを残して金属針1を絶縁体5やシールドパイ
プ6によりシールドすると、静電容量による電圧の誘導
を防ぐことができる。
また、d=1nmとすると、Ve=−1V程度でフィールドエ
ミッション電流あるいはトンネル電流を得ることができ
る。この場合には、 dIF/dVe が大きくなるので、電圧測定感度が向上する。
一方、IFは、走査トンネル顕微鏡と同様に金属針と試料
間の微少振動による間隔の変化で大きな影響を受けるの
で、防振処理を厳重に行う必要がある。
第4図は被形測定を行う場合の構成例を示す図、第5図
は第4図に示す回路の動作を説明するための波形図であ
る。
第4図において、11はドライブ回路、12は被測定電極、
13は針電極、14は電流電圧変換器、15は比較器、16はボ
ックスカーアベレージャーを示す。ボックスカーアベレ
ージャー16は、ドライブ回路11からのトリガーパルスを
入力とするディレイ回路、フィードバックループに挿入
接続されるゲート、積分回路、増幅器からなる。そし
て、第5図に示すようにドライブ回路11から被測定電極
12に印加する試料電圧の立ち上がりで発生するトリガー
パルスをディレイ回路に入力して信号取り込みゲートを
制御する。このように電位測定のフィードバックループ
内にボックスカーアベレージャー16を組み込み、駆動回
路11が被測定電極12を高周波で駆動する場合にも、ゲー
トのディレイτdをゆっくりスキャンすることにより、
被測定電極12における原波形を再現することができる。
第6図は走査電子顕微鏡により金属針の位置を設定する
例を示す図であり、21は試料、22は金属針、23は試料駆
動機構、24は金属針微動機構を示す。試料の測定点に金
属針22を正確に位置決めするには、高い位置決め精度を
必要とする。そこで、第6図に示す例は、走査電子顕微
鏡(SEM)により試料面を走査して測定点を設定し、試
料駆動機構23を使って試料のX,Y方向及び回転(R)の
平面的な移動を行うと共に、金属針微動機構24を使って
試料とは独立に金属針22を動かすようにしたものであ
る。
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、先端
の尖った金属針を被測定電極に接近させて電界をかけ、
フィールドエミッション電流を検出することによって被
測定電極の電位を測定するので、隣接電極の影響による
測定誤差をなくすことができる。また、その加速電圧Ve
はSEM電子ビームより2桁小さいエネルギーとなり、試
料の損傷をなくすことができる。しかも、非接触測定で
あるので、試料に機械的な損傷を与えることもない。ま
た、エミッターのワークファンクションの変化により加
速電圧とフィールドエミッション電流との特性が変化し
ても、それが測定中の変化でなければ測定誤差になら
ず、測定精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の非接触電位測定装置の1実施例を示す
図、第2図は金属針から取り出されるフィールドエミッ
ション電流特性を示す図、第3図は本発明の非接触電位
測定装置における金属針と被測定電極の具体的な構成例
を示す図、第4図は波形測定を行う場合の構成例を示す
図、第5図は第4図に示す回路のに動作を説明するため
の波形図、第6図は走査電子顕微鏡により電極針を設定
する例を示す図、第7図は従来の非接触電位測定装置の
例を示す図、第8図は二次電子ISとエネルギー分析器の
バイアス電位VGとの関係を示す図である。 1……金属針、2……被測定電極、3……電流電圧変換
器、4……比較器。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料電位の変化を非接触で読み取る非接触
    電位測定装置であって、先端が尖った金属針、該金属針
    を通してフィールドエミッション電流又はトンネル電流
    を検出し該電流が一定になるように金属針に電圧を印加
    するフィードバック回路、及び金属針電圧を読み出す回
    路を備え、被測定電極に接近させて金属針を保持し試料
    電位の変化を読み取るように構成したことを特徴とする
    非接触電位測定装置。
  2. 【請求項2】走査型電子顕微鏡の試料ステージ上に試料
    とは独立に3次元駆動可能にしたチップステージを構築
    して金属針を保持するようにしたことを特徴とする請求
    項1記載の非接触電位測定装置。
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応用物理Vol.56No.9(1987)p1126−1137

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