JPS59123151A - ストロボ走査電子顕微鏡 - 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】 本発明は絶縁物で被覆された半導体回路素子の観察に適
したストロボ走査電子顕微鏡の改良に関する。

第１図は従来のストロボ走査電子顕微鏡の要部を示す略
図である。電子銃１から発散する電子線２が集束レンズ
３により集束された状態で試料ホルダ４に保持されたＩ
Ｃ試料５を照則し、該照Ｉ＝ｊにより試料表面から発生
した２次電子６を検出器７によって検出する。検出器７
の出力は増幅器８を経て陰極線管９の輝度変調信号どし
て印加され、該陰極線管９の偏向コイル１０には試料照
射電子線に対する偏向手段１１と同じく走査電源１２か
らの出力信号が供給されているため、陰極線管９の画面
には試Ｆ３１．５の走査像が表示される。以上の構成は
通常の走査電子顕微鏡と同じであるが、ストロボ走査電
子顕微鏡の場合には、電子銃１の下方に電子線２を高速
でブランキングするための静電偏向板１２と絞り板１３
からなるブランキング手段が設番ノられ、このブランキ
ング手段によって極めて短いパルス幅（例えばＩ　ｎｓ
）を有するパルス電子線１１が試料５を照射するように
構成されている。静電偏向板１２に印加されるブランキ
ング信号はクロック・パルス発生回路１５、遅延回路１
６、増幅器１７によって形成され、遅延回路１６の遅延
時間は遅延制御回路１８の調整によって任意に可変され
る。り［１ツク・パルス発生回路１５の出力の一部は試
料変化手段１９にも供給されており、試料変化手段１９
はクロック・パルスに同期した一部パルス（例えばパル
ス幅５０ｎＳ）の電圧を試料５の入力端子に印加する。

このようにして、試料５に加えられるパルス電圧に対し
て＝３− 同一位相Ａを有するパルス電子線のみによって試料５が
照射されることになり、陰極線管画面には位相Ａに対応
する試料像が表示される。この試料像は電子線照射位置
（領域）の電位が高い時には２次電子放出率が低くなっ
て画像中の対応する位置（領域）が暗くなり、電位が低
い時には逆に明るくなる現象に基づくものである。この
ようなストロボ走査電子顕微鏡は微細化された最近の半
導体デバイスの故障解析や動作特性の測定が可能な殆ん
ど唯一の手段として注目されている。

ところで、測定対象となる半導体デバイスは殆んどの場
合、絶縁性の保護膜で表面を覆われており、照射電子線
の加速電圧を１〜２ＫＶと低く設定することにより、か
なりチャージ・アップを避けることができるが充分では
ない。この為、走査像の倍率、走査速度、照射電流量に
も依存するが数回同じ試料箇所を電子線で走査すると電
圧コントラストが消失してしまう。

本発明は、このような欠点を解決して保護膜で被覆され
た半導体デバイスの電圧コントラスト像４　− を長時間安定に表示することのできるストロボ走査電子
顕微鏡を提供することを目的とするものであり、その装
置は電子銃から放射される電子線を試料に細く集束した
状態で照射するための集束手段、クロック・パルスの出
力に同期して試料にパルス電圧を印加する試料変化手段
、電子線の試料照射位置を水平・垂直方向へ２次元走査
する走査手段、試料から放出される２次電子の検出信号
が輝度変調信号として印加され前記走査手段と同期した
画面走査を行う画像表示手段、及び前記クロック・パル
スの出力が遅延回路を通して印加され前記電子線をブラ
ンキングするためのブランキング手段を備えた装置にお
いて、前記遅延回路による遅延時間を２段階に切り換え
る選択手段、及び前記走査手段から出力される水平同期
信号と同期して前記選択手段に切換信号を供給すると共
に前記画像表示手段にブランキング信号を供給する制御
手段を設けたことを特徴とするものである。

本発明の原理と装置を説明する前に、単純化した条件の
下にストロボ走査電子顕微鏡の電圧］ントラス１〜が何
故消失するのかを以下に説明する。

第２図は電位Ｓ　（ボルト）の金属平板電極２０に厚さ
之の絶縁膜２１を被覆してＶＣ（ポル１〜）のメツシュ
電極２２と平行に対向させた半導体デバイスのモデル試
料を表わしたものである。ここでメツシュ電極２２は通
常の２次電子検出器が有するコレクター電極の電場が、
試料表面に略平行に形成されることから仮想的に設けた
ものである。

この試料に対して電子線２を照射して絶縁膜２１の表面
を一様に電荷密度σで帯電させたときの絶縁１１Ｍ２１
の表面電位φ（ボルト）を考えると、φはガウスの定理
等から次のように表わされる。

但し、ＣＯは真空部分の単位面積当りの静電容ωで、絶
縁膜２１とメツシュ電極２２０間の距離をＱ、０、真空
の誘電率をε０とするとＣＯ−εＯ／ＱＯと表わされ、
Ｃは絶縁膜２０の単位面積当りの静電容量で、絶縁膜２
０の誘電率をεとするとＣ−ε／Ｑと表わされる。一般
にＣ≧１０００・ＣＯが成り立つため、φはＶＣの値に
殆んど依存しなくなり、（１）式のように近似される。

φ−Ｖｓ＋σ／Ｃ・・・・・・（１） 今、電子線の電流密度を１０、絶縁膜表面の２次電子放
出率をδとすると、（２）式が成り立つ。

ここで、δは電子線に照射される物質に基づく真の２次
電子放出特性を表わしており、Ｖｓ　＝Ｏ１ＶＣ＞＞Ｏ
のとき電子線のエネルギーの関数として第３図のＪ：う
に表わされる。第３図においてδ＝１となる電子線のエ
ネルギーはｅＶ＋　とｅ■２にあり、ＩＣの保護膜（′
Ｍ化珪素又は窒化珪素）に加速電圧２ＫＶの電子線を照
射した場合にはδ〉１となる。次にＶＣ＝Ｏとして電子
線を均一な密度で照射すると、δ〉１であるから絶縁膜
２０の表面は正に帯電していく。表面電位が上昇してメ
ツシュ電極ＶＣより高くなると、表面に逆電界が生じる
ので、発生した２次電子のうち低速のものは絶縁膜表面
に再分布する。結局、実効的な２次電子放出率δｅｆｆ
が急速に小さくなっていき、δｅｆｆ　＝　１になって
帯電が止まる。この状態にお７− ける電位」一部分を平衡電位φとする。前記（２）式に
お番プるδはδａＨを意味しており、δｅｆｆと表面電
位φとの関係は第４図のように表わされる。

δｅｆｆとφとの関係をＡを定数として一次式で近似す
るどく３〉式が成り立つ。

δ−１−Ａ（φ＝φ）　・・・・・・（３）ＶＳ、、Ｖ
Ｃが一定の場合、（１）、（２＞、（３）式から次式が
導かれる。

これを解いて次式が得られる。

一工 φ（１）−φ十Ｋ　、　ｅ　Ｔ　　　　・・・・（４）
但し　τ−−ζ− ｚ、＝、Ｑ τは絶縁膜にお【プる充放電の時定数であるが、この時
定数よりも十分長い時間経過したとき、１＝１１〉〉τ
における絶縁膜の電位へ、は平衡電位に達し、 φ４．−φ となる。この時、絶縁股上の電荷密面σカ、は（１）よ
り σｂｙ　＝　Ｃ・φ−Ｃ−Ｖｓ ８− となる。この状態で急に電極電位をＶｓからＯボルトに
変える。下げ終った時間を１＋（＞１＋）で表わすと膜
上の電位は（１）式より （５）式を（４）式の初期条件と考えれば、Ｋ＝（５）
−から明らかなように、時間が経過して、１−１　、　
＞＞τ　ではφ（１−１１）→φとなり、表面電位は電
極電圧ＶＳを反映しなくなることが分る。

（５）′は、試料表面全体に均一に電子線が照射される
として導いたもので、走査電子顕微鏡のように電子線を
試別面上で走査するときには、表面電子の変化はより複
雑になる。

今、試料上任意の点Ｐの表面電位の推移を考える。Ｐ点
が電子線で照射されると、δ〉１であるから多量の２次
電子を放出し、表面電位がΔ上昇する。一方次回の照射
までの期間Ｔには、他の点から発生した２次電子の一部
を受取り八−だけ電位が下がる。Ｐ点の電位を一周期で
平均したものを〈φ〉とすれば、〈φ〉はこの周期にΔ
−八へだけ上昇又は下降する。くφ〉は均一照射の場合
と同様（５）式に従う。従って［が大きくなるとφに平
衡する。試料に２次元的な構造を考え、各電極に異った
電圧を与えたとする。時間が経つにつれて全面がφに平
衡するので、最初は見えていた電圧コン１〜ラストが見
えなくなる。この状態を表わしたものが第５図である。

以上は半導体試料の電極電圧に時間変化を与えない直流
モードにお（プる電圧］シトラス＋−消失のメツＪニズ
ムであるが、ス１ヘロボ走査電子顕微鏡でもまったく同
じである。ス１〜ロボ走査電子顕微鏡によるストロボ像
観察においては、半導体試料の電極電圧が周期的に変化
しているが、パルス状電子線が照射される瞬間の電圧は
常に等しく、又電子線照射が中断している間は帯電量の
変化は起きない。従って（４）式（０として平均電子線
電流を用いれば直流モードと全く同様に、ス１ヘロボ像
モードにおいても電圧コントラストが消失することが分
る。

本発明装置においては、このような問題を解決するため
、電子線走査手段からの水平同期信号によって例えば水
平走査線−木簡に電子線の位相を切り換えている。これ
は表示画面を一画面の半数の走査線から得られる位相Ａ
（このとき半導体試料の電極に電圧Ｖａが印加されてい
る）の画面と、同じく半数の走査線からなる位相Ｂ（こ
のとき半導体試料の電極の電圧ｖｂとなる）の画面に分
け、画面毎に位相が切替わると考えても一周期間の平均
電位の増減は等しい。

今、各位相Ａ、Ｂにお（プる時定数をτａ、τｂ。

各位相の継続時間をＴａ　、　Ｔｂ　、又各位相におけ
る平均表面電位を電位φから測って〈φａ〉、くφｂ　
＞、！：、Ｌ、Ｖａ　−Ｖｂ＝　Ｖｓ　とする。

ｔ≦０で〈φ＞−Ｑとして、Ｔａ＜Ｔａ、τト〈Ｔ、の
場合のくφａ〉、〈φし〉の時間変化を考える。

１＝０＋で位相がＡになる。この瞬間の〈φＡ〉を〈φ
ａ’＞で表わすと〈φａ　＞−１７ａとなるｔ＞Ｑ＋で
は〈φＡ〉は（５）式に従って（φ１１− 一〇、Ｋ＝Ｖａとする）変化し、 一二 で４ を−Ｔａではくφ、（Ｔａ　）　＞−Ｖａ−ｅ　　　と
なる。

ｔ＝Ｔａ＋で位相がＢに変わり電極がＶＳだけ下がるの
で〈φｂ（１−ａ−）＞−＜φａ（Ｔａ）＞−ＶＳとな
る。

ｔ＞Ｔａ＋ではφｂは（５）式に従って変化し、ｔ　＝
Ｔａ　＋Ｔｂでは〈φ１．（Ｔａ　＋Ｔｂ　）、）−−
１ 〈φｂ（Ｔａ＋）＞・６７し　となり、ｔ　−（Ｔａ　
＋Ｔｂ　）十で位相が再び八に変わる。

この瞬間の〈φａ〉をくφａ＝＞と書くと、〈φａ　′
＞−＜φｂ　（丁ａ十丁ｂ　）＞＋Ｖｓとなる。〈φａ
′＞を〈φａ’＞を用いて書き直すと次但し　α−ｉ　
、β−互 で’ｄ　　　　　　　　　τか 同様にして、（ｎ＋１）周期目の始りにおけるへ位相の
表面電位〈φａ”＞は次のようになる。

１２− ｎ→■で〈φａ”＞は一定値に平衡する。これを〈φａ
〉とすると次のように表わされる。

α〈〈１．β〈〈１ならば〈φａ〉は次の（６）式で近
似される。

（６）式から　α−βのとき　　〈＄ａ　＞　＝　２　
Ｖｓイｌｂン＝−、ｘＶＳ α〉〉βのとき　〈司〉−９ 〈φｂン　＝−め α〈〈βのとき　＜ｔｌａ＞＝凶 〈≠ｋ〉＝θ 以上の結果を図示したものが第６図である。半導体試料
に２次元構造がある場合、注目する電極以外の部分の表
面電位がφに平衡しているとすれば、α共βとなるよう
に調整することにより、周囲部分との間に位相への画面
では１／２・ＶＳに相当する電圧コントラストが安定に
観察できることになる。

第７図は以」−の原理を利用覆る本発明の一実施例装置
を示すもので、第１図と同一記号を何したものは同一構
成要素を表わしている。第７図の装置は第１図の装置と
比較して、走査電源１２から出力される水平ブランキン
グ信号と同期して出力を信号発生する制御回路２７１１
二つの異なった遅延時間を設定力る遅延時間設定回路２
４、及び選択回路２５が新たに追加されており、電子線
の一水平走査毎に位相の異なったパルス電子線が試料５
を照射するように構成されている。第８図は第７図の装
置において発生する種々の信号の位相関係を示すもので
、第８図中（ａ　＞はり［１ツク・パルス発生回路１５
の出力を表わしており、（ｂ）は（ａ　）に示づクロッ
ク・パルスに同期した電Ｌ「パルスを試料に印加する試
Ｖ、！ｌ変化手段１９の出力波形を表わす。遅延時間設
定回路２４ににって設定される二つの遅延時間ｔａ、ｔ
ｌ）、は夫々（ｂ）の波形Ｖｓの値又はＯの値が得られ
るように調整されており、制御回路２３はある一本の水
平走査期間中は位相△（遅延時間ｔａ）を指定する信号
が遅延回路１６に印加されるＪ：うに選択回路２５を制
御し、第８図（０）に示すようなタイミングでパルス状
電子線を試料上へ照射する。そして次の水平走査期間中
は制御回路２３から遅延時間ｔｂを指定する信号が遅延
回路１６に印加されるように選択回路２５へ制御信号を
出力し、第８図（ｄ　）に示すようなタイミングでパル
ス状電子線を試料上へ照射する。このような電子線照射
を行えば、Ｔａ　＝Ｔｂが成り立ち、且つτａ共τｂと
考えられるので前述の説明から１／２・ＶＳの電圧］ン
１〜ラストで安定に観察できることになる。

所でα〈〈βが成り立つようにすれば〈φ〉井ＶＳ、＜
φｂ　＞−Ｑとなって、注目電極の電圧コントラス］へ
がより大きく観察できる。これを実現する一つの方法と
しては第９図に示すように、水平走査手段１２から出力
される水平走査信号２のブランキング信号の間隔が長短
交互に切り変えられるようにして、位相Ｂの時間が位相
Ａの時間よりも長くなるようにすばにい。この場合には
、Ｔ　ａ　＜＜　１−　ｂとなってα〈くβが達成され
る。成る＝１５− いは水平ブランキング信号の間隔は一定に保ったまま２
本分又は３本分の水平走査期間中は位相Ｂに、又１本分
の水平走査期間中は位相Ａに保つようにして位相Ｂにお
【プる照射電流を大きくすることによってα〈〈βを実
現することも可能である。

更に、位相Ｂにおける照射電流を大きくする方法として
は集束レンズ系を制御回路２３によって制御する方法が
ある。この方法は二段以上のレンズからなる集束レンズ
系を用いて最終段集束レンズ以外の集束レンズ強度を位
相Ａ、Ｂで切り換え、試料照射電子線の集束状態を保っ
たままその電流値のみを変化させるものである。

第１０図は本発明の更に他の実施例装置を示す略図であ
り、図中第７図と同一符号を付したものは同一構成要素
を表わしている。第１０図の装置は第７図の装置と比較
して電子光学系に補助電子線照射装置２６が新たに設け
られている点が異なる。該補助電子線照射装置２６は主
電子銃１と同じ加速電圧を有する電子銃、ブランキング
手段から成る。該照射装置による電子線は、試料全面を
１６− 均一に照射する。前記ブランキング手段へは主電子線２
に対するブランキング手段と同様にアンド回路２７を介
して遅延回路１６からのパルス信号が印加される。アン
ド回路２７の一方の入力端子には制御回路２３の出力が
印加されており、補助電子線照射装置２６からの電子線
２８が位相Ｂの期間のみ試料を照射して前述したα〈〈
βの関係を満たすように構成されている。

又、第１０図の装置のように補助電子線照射装置を新た
に設Ｃプる場合には、短時間に大電流の電子線を照射す
ることが可能となるので通常の水平走査におけるブラン
キング期間を位相Ｂとして使用してもα〈〈βの関係を
満たすことが可能となる。このように構成すれば走査画
像の水平走査線が間引きされないので一画面当りの検出
信号量が増大して良質のストロボ走査電子顕微鏡が観察
できる。

以上のように、本発明装置によれば従来のストロボ走査
電子顕微鏡における一画面走査の期間内に試料照射電子
線の位相を２段階に切り換えることによって、絶縁膜に
覆われた半導体試１１表面の平衡電位を単一でなく二つ
に分離することが可能となるので、電圧］ン１〜ラスト
の消失を防止することが可能となり、半導体試料の研究
に大きな効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のストロボ走査電子顕微鏡の構造を示す略
図、第２図は半導体試料に印加する電圧を説明するため
の略図、第３図乃至第５図はストロボ走査電子顕微鏡に
おける電圧コントラス］〜消失を説明するための略図、
第６図は本発明の詳細な説明するための略図、第７図は
本発明の一実施例装置を示す略図、第８図及び第９図は
第７図の装置の動作を説明するための略図、及び第１０
図は本発明の他の実施例装置の構成を示す略図である。 １：電子銃、５：ＩＣ試料、６：２次電子、７：検出器
、１３：絞り板、１４：パルス電子線、１５：クロツタ
・パルス発生回路、１６：遅延回路。 １７：増幅器、１８：遅延制御回路、１９：試料変化手
段、２０：金属平板電極、２１：絶縁膜。 ２２：メッシュ電極、２３：制御回路、２４：遅延時間
設定回路、２５：選択回路、２６：補助電子線照射装置
、２７：アンド回路、２８：電子線特許出願人 日本電子株式合着 代表者　伊藤　−夫 □□ ３０Ｅ 区 〜 惺 区 （Ｄ 埴 →５ ダ　　団鬼ず　　１２ ’Ｊ　　　　　　　　　　　　　ｖ ３０７− 区 唖 綜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電子銃から成用される電子線を試料に細く集束した
   状態で照射するための集束手段、クロック・パルスの出
   力に同期して前記試料にパルス電圧を印加する試料変化
   手段、電子線の試料照射位置を水平・垂直方向へ２次元
   走査する走査手段、試料から放出される２次電子の検出
   信号が輝度変調信号として印加され前記走査手段と同期
   した画面走査を行う画像表示手段、及び前記クロック・
   パルスの出力が遅延回路を通して印加され前記電子線を
   ブランキングするためのブランキング手段を備えた装置
   において、前記遅延回路による遅延時間を２段階に切り
   換える選択手段、及び前記走査手段から出力される水平
   同期信号と同期して前記選択手段に切換信号を供給する
   と共に前記画像表示手段にブランキング信号を供給する
   制御手段を設（プたことを特徴とするストロボ走査電子
   顕微鏡。 ２、前記集束手段に前記走査手段から出力される水平同
   期信号に同期して電子線に対する集束作用を２段階に切
   り換える手段を設りたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のストロボ走査電子顕微＆ｆ！。 ３、前記走査手段が交互に異った走査時間を有する水平
   走査信号を発生するように構成したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のストロボ走査電子顕微鏡。 ４、電子銃から放射される電子線を試料に細く集束した
   状態で照射するための集束手段、クロック・パルスの出
   力に同期して前記試料にパルス電圧を印加する試料変化
   手段、電子線の試料照射位置を水平・垂直方向へ２次元
   走査する走査手段、試料から放出される２次電子の検出
   信号が輝度変調信号どじで印加され前記走査手段と同期
   した画面走査を行う画像表示手段、及び前記クロック・
   パルスの出力が遅延回路を通して印加され前記電子線を
   ブランキングするためのブランキング手段を備えた装置
   において、前記遅延回路による遅延時間を２段階に切り
   換える選択手段、前記電子銃とは異なった第２の電子銃
   を備えた補助電子線照射手段、及び前記走査手段から出
   力される水平同期信号に同期して前記選択手段に切換信
   号を、前記画像表示手段にはブランキング信号を、そし
   て前記補助電子線照射手段にはその照射電流を制御する
   制御信号を供給する制御手段を設りたことを特徴とする
   ストロボ走査電子顕微鏡。