JPH09298226A - Test device for semiconductor - Google Patents

Test device for semiconductor

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JPH09298226A
JPH09298226A JP8112661A JP11266196A JPH09298226A JP H09298226 A JPH09298226 A JP H09298226A JP 8112661 A JP8112661 A JP 8112661A JP 11266196 A JP11266196 A JP 11266196A JP H09298226 A JPH09298226 A JP H09298226A
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JP
Japan
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ion
ion beam
sample
hole
semiconductor
Prior art date
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Application number
JP8112661A
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Japanese (ja)
Inventor
Takumi Nakahata
匠 中畑
Taisuke Furukawa
泰助 古川
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Publication of JPH09298226A publication Critical patent/JPH09298226A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a test device which is capable of checking even the base of a deep hole such as a contact hole provided to a semiconductor device of IG bit class by a method wherein the test device is capable of controlling the orientation of a semiconductor substrate toward an ion beam by the displacement of a piezoelectric device. SOLUTION: A specimen holder holds a specimen 1, and an ion source emits an ion beam which serves as a probe. The support leg 21 of the specimen holder equipped with a precision orientation control mechanism is formed of a piezoelectric device or the like and composed of three legs. The three support legs are made to extend from the apexes of a regular triangle on a lower plate 23 to support an upper plate 22. Pawls 24 which press down the specimen 1 are provided to the upper plate 22. Therefore, when a voltage is applied to the support leg 21 formed of piezoelectric devices, the support leg 21 has such a function that it extends or shrinks to an accuracy of the order of 10nm or so, so that the orientation of the specimen 1 can be optionally determined by controlling the three legs of piezoelectric devices separately.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体基板等に
微細加工により形成されたホール、特に1Gビット級の
高度集積回路の約0.1μm、アスペクト比10のコン
タクトホール内の不純物質等を直接的に分析するに適す
る半導体用検査装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates directly to the holes formed in a semiconductor substrate or the like by microfabrication, in particular, impurities in contact holes of about 0.1 .mu.m and aspect ratio 10 of highly integrated circuits of 1 Gbit class. The present invention relates to a semiconductor inspection device suitable for analytical analysis.

【0002】[0002]

【従来の技術】物質にイオンビームを照射すると弾性散
乱の原理に従い、物質表面近傍で散乱され、物質の質量
数に応じた運動エネルギーを持つ。たとえば、3.0K
eVに加速されたヘリウムイオンがシリコンで散乱され
た場合、180°散乱されたヘリウムは1.7KeV、
炭素で散乱された場合は0.8KeVである。よって、
未知な物質にイオンビームを照射し、散乱されたイオン
の運動エネルギーを調べれば、物質の元素組成を知るこ
とができる。このような原理を応用して半導体基板等に
微細加工により形成されたホール内の不純物質等を直接
的に分析する検査装置として、図4に示す装置が提案さ
れている。この装置では、真空チャンバ内でイオン源3
からのイオンビームを、パルス発生器12からのパルス
信号出力により作動するチョッピング偏向器6でチョッ
ピングした後、イオン加速電極4を通して所定の速度に
加速し、試料保持部2に保持された半導体基板1の表面
に、照射する。この時、イオンビーム走査電源10から
の電圧で作動する走査電極5を介してイオンビームの入
射位置を変更する。半導体基板表面で励起されて発生す
る二次電子を二次電子検出器8で検出し、その検出信号
を、上記イオンビーム走査電源10と同期回路15によ
り同調制御されるCRTディスプレイ14に送って二次
電子像を形成し、その二次電子像から所望のホールを探
索する。次いで、そのホール底部にイオンビームを集中
して照射し、該ホール内でイオンおよび中性原子を散乱
させる。これらのイオンおよび中性原子をイオン・中性
原子検出器7で検出し、その検出信号を時間デジタル変
換器13に送る。この時間デジタル変換器13には上記
パルス発生器12からスタート信号が入力されているの
で、時間−デジタル変換器13はスタート信号受信から
検知信号受信までの時間をデジタル信号に変換し、制御
用コンピュータ16へ転送する。この動作をパルス発生
器12のパルス毎に繰り返し、制御用コンピュータ16
で加算すれば試料1表面の元素組成を分析することがで
きるようになっている。
2. Description of the Related Art When a substance is irradiated with an ion beam, it is scattered near the surface of the substance according to the principle of elastic scattering and has a kinetic energy corresponding to the mass number of the substance. For example, 3.0K
When helium ions accelerated to eV are scattered by silicon, 180 ° scattered helium is 1.7 KeV,
It is 0.8 KeV when scattered by carbon. Therefore,
The elemental composition of a substance can be known by irradiating an unknown substance with an ion beam and examining the kinetic energy of scattered ions. An apparatus shown in FIG. 4 has been proposed as an inspection apparatus that directly analyzes impurities and the like in holes formed by fine processing on a semiconductor substrate or the like by applying such a principle. In this device, the ion source 3
The ion beam from the substrate is chopped by the chopping deflector 6 which operates by the pulse signal output from the pulse generator 12, and then accelerated to a predetermined speed through the ion acceleration electrode 4, and the semiconductor substrate 1 held by the sample holder 2 Irradiate the surface of. At this time, the incident position of the ion beam is changed via the scanning electrode 5 which is operated by the voltage from the ion beam scanning power source 10. Secondary electrons generated by being excited on the surface of the semiconductor substrate are detected by the secondary electron detector 8, and the detection signal is sent to the ion beam scanning power source 10 and the CRT display 14 which is tuned and controlled by the synchronizing circuit 15. A secondary electron image is formed, and a desired hole is searched from the secondary electron image. Next, the bottom of the hole is focused and irradiated with an ion beam to scatter the ions and neutral atoms in the hole. These ions and neutral atoms are detected by the ion / neutral atom detector 7, and the detection signal is sent to the time digital converter 13. Since the start signal is input from the pulse generator 12 to the time digital converter 13, the time-digital converter 13 converts the time from the start signal reception to the detection signal reception into a digital signal, and the control computer Transfer to 16. This operation is repeated for each pulse of the pulse generator 12, and the control computer 16
The elemental composition on the surface of the sample 1 can be analyzed by adding in.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来装置
には図5に示すような問題点がある。図中、1−1は試
料1表面に形成されたホール、1−2は分析すべきホー
ル底の不純物等を示す。散乱イオンおよび中性原子の軌
跡は主にb1〜b3の3通りに分類される。図5(a)
において軌跡b1をたどる散乱イオンは一回の散乱のみ
を受けるためイオンの状態のまま飛行する。したがっ
て、軌跡b1は特に問題はなく、ホール底で散乱され、
直接的に検出部に取り込まれる。それに対し、軌跡b2
はホール底で散乱されるが、側面に再度散乱され、複数
回の散乱を受けるためイオンは中性化し、検出部に取り
込まれる。この場合、側面での散乱時に再度運動エネル
ギーを失うため性格な組成の判別ができない。ホールの
深さが増すに従い、軌跡b2をたどる散乱イオン、中性
原子が増え、ホール底の組成の決定が困難になるという
問題点を惹起する。また、図5(b)に示すように、軌
跡b3はわずかに試料1面がイオンビームに対し傾くと
側面で散乱されてイオンビームがホール底に到達できな
いという問題点がある。ホールの深さが増すに従い、わ
ずかな試料1面の傾斜で増加する傾向にある。
The conventional device as described above has a problem as shown in FIG. In the figure, 1-1 is a hole formed on the surface of the sample 1, 1-2 is an impurity at the bottom of the hole to be analyzed. Trajectories of scattered ions and neutral atoms are mainly classified into three types b1 to b3. FIG. 5 (a)
Since the scattered ions following the locus b1 in (1) receive only one scattering, they fly in the ion state. Therefore, the locus b1 has no particular problem and is scattered at the hole bottom,
It is directly taken into the detection unit. On the other hand, the locus b2
Is scattered at the bottom of the hole, but is scattered again on the side surface and undergoes multiple scattering, so that the ions are neutralized and taken into the detector. In this case, since the kinetic energy is lost again at the time of scattering on the side surface, the characteristic composition cannot be determined. As the depth of the hole increases, the number of scattered ions and neutral atoms that follow the locus b2 increases, which makes it difficult to determine the composition of the hole bottom. In addition, as shown in FIG. 5B, when the surface of the sample 1 is slightly tilted with respect to the ion beam, the locus b3 is scattered by the side surface and the ion beam cannot reach the bottom of the hole. As the hole depth increases, it tends to increase with a slight inclination of the sample 1 surface.

【0004】特に、近年高度集積化が要求されるに伴
い、1Gビット級の半導体装置におけるコンタクトホー
ル内の不純物等を検査する必要があるが、このコンタク
トホールは約0.1μm、アスペクト比10というサイ
ズであるため、第1にイオンビームに対する試料保持部
の方位角を精密に調整しなければ、上記軌跡b2および
b3が増加し、正確に後方散乱イオンを測定することが
できない。第2に、上記軌跡b1の後方散乱イオンに基
づき、試料分析を正確に行うためには軌跡b2、b3で
発生する中性原子等を遮断する必要がある。
In particular, with the recent demand for high integration, it is necessary to inspect impurities and the like in contact holes in 1 Gbit class semiconductor devices. The contact holes have an aspect ratio of about 0.1 μm. Because of the size, first, unless the azimuth angle of the sample holder with respect to the ion beam is precisely adjusted, the trajectories b2 and b3 increase, and the backscattered ions cannot be accurately measured. Secondly, based on the backscattered ions on the locus b1, neutral atoms and the like generated on the loci b2 and b3 must be blocked in order to perform accurate sample analysis.

【0005】従来、イオンビームの入射方向に対し試料
表面の方向を変更する機構として一般にゴニオメータが
使用されているが、イオン・中性原子検出器方向へ散乱
する角度(矢印a,bのなす角度)が2.9°程度であ
るので、コンタクトホール(約0.1μm、アスペクト
比10)に対して十分な精度となるには0.03°程度
の精度で方位角制御する必要があり、かかるゴニオメー
タの方向制御精度では上記第1の要望に答えることがで
きない。また、上記第2の要望に答えるためには、b1
に基づく後方散乱イオンを選択的に捕捉する必要があ
る。
Conventionally, a goniometer is generally used as a mechanism for changing the direction of the sample surface with respect to the incident direction of the ion beam. However, the angle at which the ion / neutral atom detector scatters (the angle formed by the arrows a and b) ) Is about 2.9 °, it is necessary to control the azimuth angle with an accuracy of about 0.03 ° to obtain sufficient accuracy for a contact hole (about 0.1 μm, aspect ratio 10). The direction control accuracy cannot meet the first request. Further, in order to answer the above second request, b1
It is necessary to selectively trap backscattered ions based on.

【0006】そこで、本発明は、上記問題点を解決する
ため、1Gビット級の半導体装置におけるコンタクトホ
ールのように深いホールの底でも検査することができる
半導体検査装置を提供することを第1の目的としてい
る。また、本発明は軌跡b1の後方散乱イオンに基づき
正確な試料分析を行うこたができる半導体検査装置を提
供することを第2の目的とする。
Therefore, in order to solve the above problems, the first object of the present invention is to provide a semiconductor inspection device capable of inspecting even the bottom of a deep hole such as a contact hole in a 1 Gbit class semiconductor device. Has an aim. A second object of the present invention is to provide a semiconductor inspection apparatus capable of performing accurate sample analysis based on the backscattered ions on the locus b1.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】この発明は、真空チャン
バ内で半導体基板表面にイオンビームを照射するととも
にイオンビームの入射位置を変更し、励起される二次電
子を検出して二次電子像を形成し、その二次電子像から
所望のホールを探索し、そのホール底部にイオンビーム
を照射して該ホール内でイオンおよび中性原子を散乱さ
せ、これらのイオンおよび中性原子をイオン・中性原子
検出器で検出してホール内の元素組成分析を行う装置で
あって、半導体基板を保持し、イオンビームに対する方
位角を制御する機構を有する試料保持部を有し、該試料
保持部が印加電圧によって伸縮する圧電素子を変位支持
部とし、イオンビームに対する方位角を制御可能に構成
されることを特徴とする半導体検査装置にあり、圧電素
子の微小で正確な変位を利用することにより、イオンビ
ームに対する方位角を制御することができるものであ
る。因に、圧電素子は電圧を印加すると10nm程度の
精度で伸縮する機能を備えている。したがって、試料保
持部に精密な方位角調整を与えるために、コンタクトホ
ール(約0.1μm、アスペクト比10)に対してさ
え、イオンビームをホール底まで導くことができる。
According to the present invention, a secondary electron image is detected by irradiating an ion beam on the surface of a semiconductor substrate in a vacuum chamber and changing the incident position of the ion beam to detect excited secondary electrons. , A desired hole is searched from the secondary electron image, the bottom of the hole is irradiated with an ion beam to scatter ions and neutral atoms in the hole, and these ions and neutral atoms are ionized. A device for performing elemental composition analysis in a hole by detecting with a neutral atom detector, comprising a sample holding part having a mechanism for holding a semiconductor substrate and controlling an azimuth angle with respect to an ion beam. In the semiconductor inspection device, the piezoelectric element that expands and contracts according to the applied voltage is used as the displacement support portion and the azimuth angle with respect to the ion beam can be controlled. By utilizing the position, in which it is possible to control the azimuth angle with respect to the ion beam. Incidentally, the piezoelectric element has a function of expanding and contracting with an accuracy of about 10 nm when a voltage is applied. Therefore, the ion beam can be guided to the bottom of the hole even for the contact hole (about 0.1 μm, aspect ratio 10) in order to give precise azimuth adjustment to the sample holder.

【0008】上記支持部は試料保持面を決定する3本の
圧電素子支持脚で構成されるのが好ましい。よって、3
個の圧電素子を個別に制御すれば、試料のイオンビーム
に対する方位角を自由に決定することができ、圧電素子
間の距離を20mm程度に設定した場合、0.03°程
度の精度で方位角制御ができることになる。上記で述べ
たようにイオン・中性原子検出器方向へ散乱する角度
(矢印a,bのなす角度)が2.9°程度であるので、
コンタクトホール(約1μm、アスペクト比10)に対
して十分な精度となる。
It is preferable that the supporting portion is composed of three piezoelectric element supporting legs that determine the sample holding surface. Therefore, 3
By controlling each piezoelectric element individually, the azimuth angle of the sample with respect to the ion beam can be freely determined. When the distance between the piezoelectric elements is set to about 20 mm, the azimuth angle can be accurate to about 0.03 °. You will have control. As described above, the angle (angle formed by arrows a and b) scattered in the direction of the ion / neutral detector is about 2.9 °,
Sufficient precision for contact holes (about 1 μm, aspect ratio 10).

【0009】上記試料保持部と上記イオン・中性原子検
出器の間に散乱イオンを捕捉可能な電極を設けると、イ
オン・中性原子と中性原子だけのエネルギー量差からイ
オンだけのエネルギー量を求めることができ、中性原子
のよる測定精度への影響を解消することができ、ホール
内の分析が正確に行うことができる。通常、イオン・中
性原子識別電極は3本の電極からなり、その全ての電極
を接地した場合、イオン、中性原子ともに飛行に何の影
響も受けない。これに対し試料側電極、検出器側電極を
接地し、中央電極のみに負電位を印加した場合、通過す
る中性原子は何の影響も受けないが、イオンは中央メッ
シュ電極に引き寄せられイオン・中性原子検出器に到達
できない。つまり、中央電極に電圧さえ印加すればイオ
ン+中性原子と中性原子を識別することが可能である。
したがって、後にこれらの差を取りさえすればイオンと
中性原子を簡単に識別することができる。上記で述べた
ように複数回の散乱を受けたイオンは中性化するため、
イオンのみによる組成分析を行えばホール底の組成を正
確に検出することができる。なお、中央電極の電圧は加
速電極の電圧の0.8倍程度が適当であるとされてい
る。
If an electrode capable of trapping scattered ions is provided between the sample holder and the ion / neutral atom detector, the energy amount of only the ion / neutral atom and that of the neutral atom can be obtained. Can be obtained, the influence of the neutral atom on the measurement accuracy can be eliminated, and the analysis in the hole can be performed accurately. Normally, the ion / neutral atom discrimination electrode is composed of three electrodes, and when all the electrodes are grounded, neither ions nor neutral atoms are affected by flight. On the other hand, when the sample-side electrode and detector-side electrode are grounded and a negative potential is applied only to the center electrode, passing neutral atoms are not affected, but the ions are attracted to the center mesh electrode and Unable to reach the neutral atom detector. That is, it is possible to distinguish between the ion + neutral atom and the neutral atom by applying a voltage to the central electrode.
Therefore, the ion and the neutral atom can be easily discriminated by simply subtracting these differences later. As described above, the ions that have been scattered multiple times are neutralized,
The composition at the bottom of the hole can be accurately detected by performing composition analysis using only ions. It is said that the appropriate voltage for the central electrode is about 0.8 times the voltage for the acceleration electrode.

【0010】また、上記真空チャンバ内に半導体製造装
置を配置し、上記半導体検査装置と連結して用いること
により、リアルタイムの半導体表面性状を探索しながら
半導体製造を実施することができる。この半導体製造装
置として真空空間で行われるエッチング装置、スパッタ
装置等を挙げることができ、半導体検査装置を処理中の
モニタとして活用することが可能である。
By arranging a semiconductor manufacturing apparatus in the vacuum chamber and connecting it to the semiconductor inspection apparatus, it is possible to carry out semiconductor manufacturing while searching for real-time semiconductor surface properties. Examples of the semiconductor manufacturing apparatus include an etching apparatus and a sputtering apparatus that are performed in a vacuum space, and the semiconductor inspection apparatus can be used as a monitor during processing.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図1は二次電子検出
器と飛行時間計測型イオン散乱分光装置を組み合わせた
本発明の半導体検査装置のレイアウト図と制御電気回路
のブロック図を示している。1は半導体基板等の被測定
試料で表面上に微細なホールが形成されており、通常ホ
ールの寸法は直径約0.3μm、深さ約0.2μmである
が、1Gビット級のデバイスにおけるコンタクトホール
では直径約0.1μm、アスペクト比約10となる。2
は試料1を保持する試料保持部である。3はプローブと
して用いるイオンビームを発生するイオン源、4は発生
したイオンを加速、収束する加速電極、5はイオンを試
料1表面上において走査するための走査電極である。ま
た、6はイオン源3で発生したイオンをパルス化し、加
速電極4側に送り出すチョッピング偏向器である。7は
試料に散乱されたイオンおよび散乱時に中性化した中性
原子を検知し、同時にパルス信号を出力する機能を備え
たイオン・中性原子検出器、8はイオンが試料1表面に
おいて散乱されると同時に発生する二次電子を検出し、
その強度に応じて電気信号を出力する機能を有した二次
電子検出器である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a layout diagram and a block diagram of a control electric circuit of a semiconductor inspection apparatus of the present invention in which a secondary electron detector and a time-of-flight ion scattering spectrometer are combined. Reference numeral 1 is a sample to be measured such as a semiconductor substrate, in which fine holes are formed on the surface. Usually, the holes have a diameter of about 0.3 μm and a depth of about 0.2 μm. The hole has a diameter of about 0.1 μm and an aspect ratio of about 10. Two
Is a sample holder for holding the sample 1. Reference numeral 3 is an ion source for generating an ion beam used as a probe, 4 is an accelerating electrode for accelerating and focusing the generated ions, and 5 is a scanning electrode for scanning the surface of the sample 1 with the ions. Further, 6 is a chopping deflector which makes the ions generated in the ion source 3 into pulses and sends them to the accelerating electrode 4 side. 7 is an ion / neutral atom detector equipped with a function of detecting ions scattered by the sample and neutral atoms neutralized at the time of scattering, and at the same time outputting a pulse signal, 8 is the ion scattered by the surface of the sample 1. The secondary electrons generated at the same time,
It is a secondary electron detector having a function of outputting an electric signal according to its intensity.

【0012】9に示す点線内は主な制御系のブロック図
を示し、10は走査電極5用の電源回路、11は加速電
極4用の電源回路を示す。12はチョッピング偏向器6
の駆動用のパルス発生器で、13はパルス化イオン発生
から、イオン・中性原子検出器7によるイオン、中性原
子の検出までの時間を計測する時間−デジタル変換器で
ある。14は二次電子検出器8による二次電子像を視覚
化するCRT(Cathode Ray Tube)ディスプレイで、1
5はCRTディスプレイ14の表示周期とイオンビーム
走査電源10の周期を調整する同期回路である。16は
制御用コンピュータを示す。なお、矢印aは試料1に照
射されるイオンビーム、矢印bは試料1により散乱さ
れ、イオン・中性原子検出器7に入射するイオン、中性
原子の軌跡、矢印cは二次電子検出器8に入射する二次
電子の軌跡をそれぞれ示している。
A block diagram of a main control system is shown within a dotted line 9 and 10 is a power supply circuit for the scan electrode 5 and 11 is a power supply circuit for the acceleration electrode 4. 12 is a chopping deflector 6
Numeral 13 is a time-digital converter for measuring the time from the generation of pulsed ions to the detection of ions and neutral atoms by the ion / neutral atom detector 7. Reference numeral 14 denotes a CRT (Cathode Ray Tube) display for visualizing a secondary electron image by the secondary electron detector 8.
Reference numeral 5 is a synchronizing circuit for adjusting the display cycle of the CRT display 14 and the cycle of the ion beam scanning power source 10. Reference numeral 16 represents a control computer. The arrow a indicates the ion beam with which the sample 1 is irradiated, the arrow b indicates the trajectory of ions and neutral atoms that are scattered by the sample 1 and enter the ion / neutral atom detector 7, and the arrow c indicates the secondary electron detector. 8 shows the trajectories of the secondary electrons incident on No. 8 respectively.

【0013】通常、試料1とイオン・中性原子検出器7
間の距離は約100cm、矢印aとイオン・中性原子検
出器7間は約5cmあるので、矢印aと矢印bのなす角
は2.9°である。よって、散乱イオン、中性原子の散
乱角は約180°である。
Usually, the sample 1 and the ion / neutral atom detector 7
Since the distance between them is about 100 cm and the distance between the arrow a and the ion / neutral atom detector 7 is about 5 cm, the angle formed by the arrows a and b is 2.9 °. Therefore, the scattering angle of scattered ions and neutral atoms is about 180 °.

【0014】本発明では、さらに試料保持部2に精密方
位角調整機構17およびイオン・中性原子識別電極18
を備えている。図2は精密方位角調整機構17を備えた
試料保持部2の構成図を示し、図2(a)は側面、図2
(b)は点線I−I’に示す断面を示す。21は試料保
持部の支持脚で、ピエゾ等の圧電素子で構成されてい
る。この支持脚21は3本で、下板23の正三角形の各
頂点をなす位置から突出し、上板22を支持している。
該上板22には、試料1を抑えつけるツメ24が配設さ
れている。したがって、上記圧電素子からなる支持脚2
1は電圧を印加すると10nm程度の精度で伸縮する機
能を備えているため、図3に示すように3個の圧電素子
からなる支持脚21を個別に制御すれば、試料1の方位
角を自由に決定することができ、例えば、支持脚21間
の距離を20mm程度に設定した場合、0.03°程度
の精度で方位角制御ができる。上記で述べたようにイオ
ン・中性原子検出器7方向へ散乱する角度(矢印a,b
のなす角度)が2.9°程度であるので十分な精度とな
る。
In the present invention, the sample holder 2 further includes a precision azimuth adjusting mechanism 17 and an ion / neutral atom discrimination electrode 18.
It has. FIG. 2 shows a configuration diagram of the sample holder 2 provided with the precise azimuth angle adjusting mechanism 17, and FIG.
(B) shows a cross section indicated by a dotted line II '. Reference numeral 21 is a support leg of the sample holding unit, which is composed of a piezoelectric element such as a piezo. The number of the support legs 21 is three, and the upper legs 22 are supported by projecting from the positions of the apexes of the equilateral triangle of the lower plate 23.
A claw 24 for holding the sample 1 is provided on the upper plate 22. Therefore, the support leg 2 including the piezoelectric element
1 has a function of expanding and contracting with an accuracy of about 10 nm when a voltage is applied. Therefore, if the supporting legs 21 composed of three piezoelectric elements are individually controlled as shown in FIG. 3, the azimuth angle of the sample 1 can be freely set. For example, when the distance between the support legs 21 is set to about 20 mm, the azimuth angle control can be performed with an accuracy of about 0.03 °. As described above, the angle of scattering in the direction of the ion / neutral atom detector 7 (arrows a, b
Since the angle formed by the angle is about 2.9 °, sufficient accuracy is achieved.

【0015】イオン・中性原子識別電極18は、三枚の
メッシュ状板の電極で18−1の試料側電極、18−2
の中央電極、18−3の検出器側電極で構成されてい
る。19はイオン・中性原子識別電極18用電源回路、
20は試料保持部17用の電源回路である。上記イオン
・中性原子識別電極18はその全ての電極を接地した場
合、イオン、中性原子ともに飛行に何の影響も受けな
い。これに対し試料側電極18−1、検出器側電極18
−3を接地し、中央電極18−2のみに負電位を印加し
た場合、通過する中性原子は何の影響も受けないが、イ
オンは中央メッシュ電極に引き寄せられイオン、中性原
子検出器7に到達できない。つまり、中央電極18−2
に電圧さえ印加すればイオン+中性原子と中性原子を識
別することが可能である。したがって、後にこれらの差
を取りさえすればイオンと中性原子を簡単に識別するこ
とができる。上記で述べたように複数回の散乱を受けた
イオンは中性化するため、イオンのみによる組成分析を
行えばホール底の組成を正確に検出することができる。
なお、中央電極18−2の電圧は加速電極4の電圧の
0.8倍程度が適当である。たとえば、加速電極4の印
加電圧が3.0kVのとき、中央電極18−2の電圧は
2.4kV程度である。
The ion / neutral atom discriminating electrode 18 is an electrode of three mesh plates and is a sample side electrode 18-1 and 18-2.
The central electrode and the detector-side electrode 18-3. 19 is a power supply circuit for the ion / neutral atom discrimination electrode 18,
Reference numeral 20 is a power supply circuit for the sample holder 17. When all the electrodes of the ion / neutral atom discrimination electrode 18 are grounded, neither ions nor neutral atoms are affected by flight. On the other hand, the sample side electrode 18-1, the detector side electrode 18
-3 is grounded and a negative potential is applied only to the central electrode 18-2, the passing neutral atoms are not affected, but the ions are attracted to the central mesh electrode and the ion / neutral atom detector 7 Can't reach. That is, the central electrode 18-2
It is possible to distinguish between ion + neutral atoms and neutral atoms by applying a voltage to. Therefore, the ion and the neutral atom can be easily discriminated by simply subtracting these differences later. As described above, the ions scattered a plurality of times are neutralized, so that the composition at the hole bottom can be accurately detected by performing the composition analysis using only the ions.
The voltage of the central electrode 18-2 is preferably about 0.8 times the voltage of the acceleration electrode 4. For example, when the voltage applied to the acceleration electrode 4 is 3.0 kV, the voltage of the central electrode 18-2 is about 2.4 kV.

【0016】以下に示すA〜Fの手順によりホール内の
組成分析を行う。 A)表面観察 イオンビームを試料1表面上で走査し、イオンビームに
より励起された二次電子を二次電子検出器8で検知し、
CRTディスプレイ14へ電気信号として出力する。C
RTディスプレイ14は輝度信号としてCRT上に出力
する。CRTディスプレイ14の表示周期とイオンビー
ムの走査周期は同期回路15により調整されているの
で、二次電子像をCRT上で視覚化する。 B)ホール捜査および走査電圧固定 二次電子像の中から所望のホールを探し出し、そのホー
ル位置に走査電圧を固定する。 C)方位角調整 さらに、試料1の方位角がイオンビームと一致していな
い場合、試料保持部2を精密方位角調整機構17で調整
する。 D)繰返し調整 A〜Cの手順を試料1の方位角がイオンビームと一致す
るまで繰り返す。 E)ホール内分析(イオン+中性原子検知) イオン、中性原子選択電極を動作せず、イオンビームを
ホールに集中的に照射し、散乱イオン、中性原子により
組成分析を開始する。 F)ホール内分析(中性原子検知) イオン、中性原子選択電極を動作し、中性原子により組
成分析を開始する。イオン源3を出たイオンが試料1表
面で散乱され、イオン・中性検出器7まで到達するまで
の飛行時間を計測すれば散乱イオンの運動エネルギーを
算出することができる。パルス発生器12からチョッピ
ング偏向器6にイオン発生信号を出力、同時に時間−デ
ジタル変換器13に計測スタート信号を出力する。イオ
ン・中性原子検出器7はイオン、中性原子が到達しだい
検知信号を時間−デジタル変換器13に出力する。この
時間デジタル変換器13には上記パルス発生器12から
スタート信号が入力されているので、時間−デジタル変
換器13はスタート信号受信から検知信号受信までの時
間をデジタル信号に変換し、制御用コンピュータ16へ
転送する。この動作をパルス発生器12のパルス毎に繰
り返し、制御用コンピュータ16で加算すればホール内
の元素組成を分析することができる。
The composition analysis in the hole is performed by the following procedures A to F. A) Surface observation The surface of the sample 1 is scanned with an ion beam, and secondary electrons excited by the ion beam are detected by the secondary electron detector 8,
Output as an electric signal to the CRT display 14. C
The RT display 14 outputs the luminance signal on the CRT. Since the display cycle of the CRT display 14 and the scanning cycle of the ion beam are adjusted by the synchronizing circuit 15, the secondary electron image is visualized on the CRT. B) Hole search and scanning voltage fixing A desired hole is searched for in the secondary electron image, and the scanning voltage is fixed at the hole position. C) Azimuth Adjustment Further, when the azimuth of the sample 1 does not match the ion beam, the sample holder 2 is adjusted by the precision azimuth adjusting mechanism 17. D) Repeated Adjustment The procedures A to C are repeated until the azimuth angle of the sample 1 matches the ion beam. E) In-hole analysis (ion + neutral atom detection) Without operating the ion / neutral atom selection electrode, the hole is intensively irradiated with an ion beam, and composition analysis is started by scattered ions and neutral atoms. F) In-hole analysis (neutral atom detection) Ion and neutral atom selective electrodes are operated to start composition analysis by neutral atoms. The kinetic energy of scattered ions can be calculated by measuring the flight time until the ions emitted from the ion source 3 are scattered on the surface of the sample 1 and reach the ion / neutral detector 7. The pulse generator 12 outputs an ion generation signal to the chopping deflector 6 and simultaneously outputs a measurement start signal to the time-digital converter 13. The ion / neutral atom detector 7 outputs a detection signal to the time-digital converter 13 as soon as ions and neutral atoms arrive. Since the start signal is input from the pulse generator 12 to the time digital converter 13, the time-digital converter 13 converts the time from the start signal reception to the detection signal reception into a digital signal, and the control computer Transfer to 16. By repeating this operation for each pulse of the pulse generator 12 and adding them by the control computer 16, the elemental composition in the holes can be analyzed.

【0017】実施の形態2 図3はこの発明の一実施の形態を示すレイアウト図と制
御電気回路のブロック図であり、図中に示す同一番号
は、図1、2と同一部材を示す。25はエッチング用電
極を示し、試料保持部2の上板22と平行平板型プラズ
マエッチング装置の電極部を形成している。また、26
はエッチング用の高周波電源回路である。27は試料保
持部17を試料1と共にエッチング装置部の動作位置p
1と半導体検査装置部の動作位置p2間を搬送する搬送
装置である。
Embodiment 2 FIG. 3 is a layout diagram and a block diagram of a control electric circuit showing an embodiment of the present invention, and the same reference numerals in the drawing denote the same members as those in FIGS. Reference numeral 25 denotes an etching electrode, which forms the upper plate 22 of the sample holding part 2 and the electrode part of the parallel plate type plasma etching apparatus. Also, 26
Is a high frequency power supply circuit for etching. Reference numeral 27 indicates the sample holder 17 together with the sample 1 at the operating position p of the etching apparatus.
1 is a carrying device for carrying between the semiconductor inspection device unit 1 and the operating position p2.

【0018】上記のように構成された半導体検査装置
は、位置p1にてエッチング装置部にてエッチング処理
を施す。次に搬送装置27を動作により試料1を位置p
2に移動し、半導体検査装置部により実施の形態1に示
す手順に従い、ホール内分析を行う。分析の結果により
エッチング処理が不完全であることが判明した場合、速
やかに試料1を位置p1に戻し再びエッチング処理を施
すことができる。すなわち、同一装置内での処理と分析
を繰返し行うことが可能であるので、半導体検査装置を
処理途中のモニターとして使用し、リアルタイムの製造
制御を行うことができる。
In the semiconductor inspection apparatus configured as described above, the etching processing is performed in the etching apparatus section at the position p1. Then, the transport device 27 is operated to position the sample 1 at the position p.
Then, the semiconductor inspection device unit performs the in-hole analysis according to the procedure described in the first embodiment. When the analysis result shows that the etching process is incomplete, the sample 1 can be quickly returned to the position p1 and the etching process can be performed again. That is, since it is possible to repeatedly perform processing and analysis in the same device, it is possible to use the semiconductor inspection device as a monitor during processing and perform real-time manufacturing control.

【0019】なお、上記例ではエッチング装置のみ記し
たが、スパッタ装置、アッシング装置等の他の半導体製
造装置と接続するも可能である。
Although only the etching apparatus is described in the above example, it may be connected to other semiconductor manufacturing apparatus such as a sputtering apparatus and an ashing apparatus.

【0020】[0020]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、半導体検査装置が試料保持部に圧電素子で変位
機構を構成した精密な方位角調整機構を備えるので、1
Gビット級の高度集積回路基板における微細なコンタク
トホールであっても正確に制御してイオンビームをホー
ル底まで導くことが可能であり、従来より深いホール底
の組成分析を行うことができる。さらに、試料1とイオ
ン・中性原子検出器7との間に電極を配することによ
り、イオンと中性原子を識別することができるため、従
来より正確なホール内の分析が行うことができる。ま
た、上記のように構成された装置を同一の真空チャンバ
内でエッチング装置、スパッタ装置等の半導体製造装置
と接続すれば、プロセス中のモニターとして活用してリ
アルタイムの製造制御が可能である。
As is apparent from the above description, according to the present invention, the semiconductor inspection apparatus has the precise azimuth adjusting mechanism in which the displacement mechanism is composed of the piezoelectric element in the sample holding portion.
Even a fine contact hole in a G-bit class highly integrated circuit board can be accurately controlled to guide the ion beam to the hole bottom, and composition analysis of the hole bottom deeper than in the past can be performed. Further, by disposing an electrode between the sample 1 and the ion / neutral atom detector 7, the ion and the neutral atom can be discriminated from each other, so that the analysis in the hole can be performed more accurately than before. . Further, if the apparatus configured as described above is connected to a semiconductor manufacturing apparatus such as an etching apparatus and a sputtering apparatus in the same vacuum chamber, it can be utilized as a monitor during the process and real-time manufacturing control can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明に係る第1実施の形態を示す概略図で
ある。
FIG. 1 is a schematic view showing a first embodiment according to the present invention.

【図2】 本発明に係る試料保持機構の構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of a sample holding mechanism according to the present invention.

【図3】 本発明に係る第2実施の形態を示す概略図で
ある。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a second embodiment according to the present invention.

【図4】 従来の半導体検査装置の概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a conventional semiconductor inspection device.

【図5】 従来の半導体検査装置の問題点を説明するた
めの概念図である。
FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining a problem of a conventional semiconductor inspection device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 試料 1−1 試料1表面上に形成されたホール 1−2 ホール底の不純物質等 2 試料保持部 3 イオン源 4 加速電極 5 走査電極 6 チョッピング偏向器 7 イオン、中性原子検出器 8 二次電子検出器 10 走査電極用電源回路 11 加速電極用電源回路 12 パルス発生器 13 時間−デジタル変換器 14 CRTディスプレイ 15 同期回路 16 制御用コンピュータ 17 精密方位角調整機構 18 イオン・中性原子識別電極 18−1 試料側電極、 18−2 中央電極、 18
−3 検出器側電極 19 イオン・中性原子識別電極用電源 20 方位角精密制御用電源 21 圧電素子 22 上板 23 下板 a 試料1に照射されるイオン b 試料1に散乱されるイオン、中性原子 b1 ホール底で散乱され、検出器7に直接入射するイ
オン、中性原子の軌跡 b2 ホール底で散乱され、再度ホール側面で散乱され
て検出器7に入射するイオン、中性原子の軌跡 b3 ホール側面で散乱され、検出器7に直接入射する
イオン、中性原子の軌跡 c イオンビーム散乱と同時に発生する二次電子の軌跡 p1 エッチング処理動作位置 p2 分析処理動作位置。
1 sample 1-1 hole formed on sample 1 surface 1-2 impurities at hole bottom 2 sample holder 3 ion source 4 accelerating electrode 5 scan electrode 6 chopping deflector 7 ion, neutral atom detector 8 2 Next electron detector 10 Scan electrode power supply circuit 11 Accelerating electrode power supply circuit 12 Pulse generator 13 Time-to-digital converter 14 CRT display 15 Synchronous circuit 16 Control computer 17 Precision azimuth adjustment mechanism 18 Ion / neutral atom identification electrode 18-1 Sample-side electrode, 18-2 Central electrode, 18
-3 Detector side electrode 19 Power source for ion / neutral atom discrimination electrode 20 Power source for precise control of azimuth angle 21 Piezoelectric element 22 Upper plate 23 Lower plate a Ion irradiated on sample b Ion scattered on sample 1, medium Trajectory of neutral atom b1 Neutral atom that is scattered at the bottom of the hole b1 and directly enters the detector b2 Trajectory of neutral atom b2 that is scattered at the bottom of the hole and again scattered at the side of the hole and incident on the detector 7 b3 Trajectory of ions and neutral atoms scattered on the side surface of the hole and directly incident on the detector c Trajectory of secondary electrons generated at the same time as ion beam scattering p1 Etching processing operation position p2 Analysis processing operation position

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 真空チャンバ内で半導体基板表面にイオ
ンビームを照射するとともにイオンビームの入射位置を
変更し、励起される二次電子を検出して二次電子像を形
成し、その二次電子像から所望のホールを探索し、その
ホール底部にイオンビームを照射して該ホール内でイオ
ンおよび中性原子を散乱させ、これらのイオンおよび中
性原子をイオン・中性原子検出器で検出してホール内の
元素組成分析を行う装置であって、 半導体基板を保持し、イオンビームに対する方位角を制
御する機構を有する試料保持部を有し、該試料保持部が
圧電素子を変位支持部とし、該圧電素子変位により上記
試料保持部のイオンビームに対する方位角を制御可能に
構成したことを特徴とする半導体用検査装置。
1. A secondary electron image is formed by irradiating an ion beam on the surface of a semiconductor substrate in a vacuum chamber and changing the incident position of the ion beam to detect excited secondary electrons to form a secondary electron image. A desired hole is searched from the image, the bottom of the hole is irradiated with an ion beam to scatter ions and neutral atoms in the hole, and these ions and neutral atoms are detected by an ion / neutral atom detector. A device for performing elemental composition analysis in a hole, which has a sample holding part having a mechanism for holding a semiconductor substrate and controlling an azimuth angle with respect to an ion beam, and the sample holding part uses a piezoelectric element as a displacement supporting part. An inspection apparatus for semiconductors, wherein the azimuth angle of the sample holder with respect to the ion beam can be controlled by the displacement of the piezoelectric element.
【請求項2】 上記支持部が試料保持部の保持面を決定
する3本の圧電素子支持脚で構成される請求項1記載の
半導体用検査装置。
2. The semiconductor inspection apparatus according to claim 1, wherein the supporting portion is composed of three piezoelectric element supporting legs that determine a holding surface of the sample holding portion.
【請求項3】 上記試料保持部と上記イオン・中性原子
検出器の間に後方散乱イオンを捕捉可能な電極を設けて
なる請求項1記載の半導体用検査装置。
3. The semiconductor inspection apparatus according to claim 1, wherein an electrode capable of capturing backscattered ions is provided between the sample holder and the ion / neutral atom detector.
【請求項4】 上記電極が3本の電極からなり、その全
ての電極を接地した状態と、試料側電極、検出器側電極
を接地し、中央電極のみに負電位を印加した状態とに切
り替え可能である請求項3記載の半導体用検査装置。
4. The electrode is composed of three electrodes, and is switched between a state in which all the electrodes are grounded and a state in which the sample-side electrode and the detector-side electrode are grounded and a negative potential is applied only to the central electrode. The semiconductor inspection apparatus according to claim 3, which is possible.
【請求項5】 1Gビット級の高度集積回路の約0.1
μm以下、アスペクト比10以上のコンタクトホール内
を検査可能な請求項1ないし4のいずれかに記載の半導
体用検査装置。
5. A high-performance integrated circuit of about 1 Gbit class of about 0.1.
The semiconductor inspection apparatus according to claim 1, which is capable of inspecting the inside of a contact hole having a micrometer or less and an aspect ratio of 10 or more.
【請求項6】 上記真空チャンバ内に半導体製造装置を
配置して上記請求項1ないし4のいずれかに記載の半導
体検査装置と連結し、上記製造装置で製造している半導
体装置を検査するため、モニターとして用いることを特
徴とする半導体用検査装置。
6. A semiconductor manufacturing apparatus is arranged in the vacuum chamber and is connected to the semiconductor inspection apparatus according to any one of claims 1 to 4, for inspecting a semiconductor device manufactured by the manufacturing apparatus. , A semiconductor inspection device characterized by being used as a monitor.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008241301A (en) * 2007-03-26 2008-10-09 Osaka Univ Non-destructive three-dimensional nano-meter analyzing apparatus by time of flight analysis type back scattering, and non-destructive three-dimensional nano-meter analysis method by time of flight analysis type back scattering
JP2011524986A (en) * 2008-06-20 2011-09-08 カール ツァイス エヌティーエス エルエルシー Sample inspection method, system and component

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