JPS6237938A - 電子デバイスの試験装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、Ｖ　Ｌ　Ｓ　Ｉなどの電子デバイスの特性評
価あるいは障害検出を荷電ビー１、により非接触で行う
ための試験装置に関するものである。特に、ＭＯＳキャ
パシタのゲートリークの値やｐｎ接合の接合リークの値
、ＭＯＳキャパシタの容量等を測定するための試験装置
に関するものである。

〔従来の技術〕

Ｖ　Ｌ　Ｓ　Ｉなどの微細な電子デバイスの実現には、
各製造段階の途中で電子デバイスの試験を行うための試
験装置の開発が不可欠である。従来から、電子デバイス
の微細なパターンの電気的特性試験　　　　　□を行う
ために、空間分解能のよい電子ビームを用いた電子ビー
ムテスタが用いられている。上記の電子ビームテスタと
しては、たとえば、［ＩＣ用電子ビーム試験技ｆ＄ｊＪ
、スキャニング・エレクトロン・マイクロスコピイ、　
１９８１．第１　Ｌ３０５ｉ　（ｒＥＬＥｃＴｌ？ＯＮ
　　ＢＥＡＭ　　ＴＥＳＴ　　ＴＥＣＩＩＮＩＱＩＩＥ
Ｓ　　ＦＯＩ？　　ＩＮＴＥＧＩ？ＡＴ−ＥＤ　　ＣＩ
ＲＣＵＩＴＳＪ　　、Ｓｃａｎｎｉｎｇ　　Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ　　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ＋１９８１、ｖｏｌ、
１．ｐ、３０５）に記載されているものがある。

第９図ｆａ）は電位コントラストの測定、第９図ｆｂｌ
は電位信号波形の測定を行うための装置構成を示した図
である。

第９図（ａｌにおいて、ｌは電子銃、２はレンズ、３は
電子ビームの照射点を定めるためのスキャンコイル、４
はスキャンコイル３に電流を供給するためのスキャン・
ゼネレータ、５は二次電子Ｓ’Ｅを検出するための検出
器、６は検出器５の出力信号を増幅する増幅器、７は試
験対象ＩＣを駆動するためのＩＣドライブ・ユニット、
８はモニタ用ＴＶである。

また第９図（ｂｌにおいて、９はチョッパ、１０はチョ
ッパ９にパルスを供給するパルス・ゼネレータ、１１は
信号移相を行うフェーズ・シフタ、１２は信号を遅延さ
せるディレィ・ユニット、１３は二次電子スペクトロ・
メータ、１４はリニアライゼーション・ユニット、１５
はオシロスコープ・プロッタである。第９図（ｂｌにお
いて第９図（ａｌと同一部分又は相当部分には同一符号
が付しである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第９図ｆａｌ、　ｆｈｌに示す装置は、ＩＣパッケージ
に封じられた電子デバイスへ外部端子から接触式手段（
ＩＣドライブ・ユニソ日によりテスト信号を入力してお
り、検出手段としてのみ電子ビームを使用する装置構成
である。従って、完成品の機能検査等に用いられ、製造
途中での試験には用いられていなかった。また、電子ビ
ームを電圧コントラストの像の表示またはある点の電位
の時間変化を観察するためのプローブとして用いており
、電圧の供給源としての電子ビームの使い方がなされて
いなかった。

また特開昭５７−１９６５４０号公報あるいは特公昭４
５−８８２０号公幸しにあるように、電子ビームを電子
デバイスの一部に照射し、その場所もしくは他の場所の
二次電子をエネルギーアナライザ等を用いて測定してゲ
ートリーク、金属配線の断線の有無を評価する試験装置
や方法が提案されている。しかし、この方法では、荷電
ビームの照射点の電位は時間とともに増減し一定に保た
れないので、定量的な特性試験は行えないという問題が
あった。

これに対処するために、特願昭６０−４８０７０に記載
したように、電子デバイスの電位の他に、基板に流れる
基板電流を測定し、基板電流−電位特性から電子デバイ
スの特性を非接触で測定する試験装置、試験方法が考案
されている。しかし、この場合には、ビーム電流を一定
にして電子デバイスに照射しているので、被試験電子デ
バイスへの電圧供給の仕方が電流供給モードになってお
り、通常の接触式で行っている電圧供給の測定とは異な
った結果になる。例えば、第１０図は半導体基板中に形
成されたウェル領域のｐｎ接合に電子ビームを照射した
場合の接合間の電圧と基板電流の関係の実測例を示した
図である。ここでは、半導体基板はｎ型シリコン、ウェ
ル領域はｐ型である。

加速電圧は４ｋＶ、　ビーム電流は２００ｐＡである。

接合間の電圧および基板電流は、時間とともに増加し飽
和する。実線は電子ビームを用いた測定による基板電流
−接合間の電圧の測定結果、破線が通常の機械的探針法
を用いて測定した結果である。１６はリークが大きく不
良である電子デバイスの基板電流−電圧特性、１７．１
８は良品の電子デバイスの基板電流−電圧特性である。

不良の電子デバイスでは途中から電位は殆ど上昇せずに
基板電流が急激に上昇する。これに対して良品の電子デ
バイスでは、基板電流は飽和するかピークをもった後に
減少する。実線の場合では電子ビームの電流値を一定と
して測定しているのに対し、破線の場合には電極に加え
る電圧を一定として測定している。このため、電圧を供
給するか電流を供給するかの違いによって基板電流の測
定値が異なり、電流を供給する方が基板電流が大きく測
定されている。

〔問題点を解決するための手段〕

このような問題点を解決するために本発明は、電子デバ
イスの基板に流れる基板電流を測定する電流測定手段と
、電子デバイスの照射点の電位の時間変化を検出し電位
の時間変化が予め設定した値になった時にビーム電流ま
たはパターンビームのオン・オフ時間を変化させて二次
荷電ビームを制御する制御手段と、電子デバイスの照射
点の電位に対する基板電流の変化を表示する表示装置と
を設けるようにしたものである。

〔作用〕

本発明に係る試験装置においては、電子デバイスの照射
点の電位の時間変化が予め設定した値になった時に二次
荷電ビームのビーム電流あるいは二次パルスビームのオ
ン・オフ時間を変化させ、電子デバイスの電位を変化さ
せる。また、電子デバイスの照射点の電位とともに基板
電流も同時に測定し、基板電流−電位特性から、ゲート
リーク、ジャンクションリーク、容置測定等の電子デバ
イスの定量的な測定を行うことができる。

〔実施例〕

第１図は本発明に係わる電子デバイスの試験装置の一実
施例を示す構成図である。荷電ビーム発生源２１より発
４トした荷電ビーム２２は加速源２３により加速されて
試料台３５の上の電子デバイス３４に照射される。２４
はアライナ、２５はアライナ電源、２６はレンズ、２７
はレンズ電源、２８はブランカ、２９はブランキング電
源、３０は二次荷電ビームを電子デバイスの所定の位置
に照射する照射手段としての偏向器、３１は偏向電源、
３２は対物レンズ、３３は対物レンズ電源である。一次
荷電ビームは偏向器３０で電子デバイス３４の所定の位
置に照射されるように偏向され名とともに、対物レンズ
３２で焦点調整がなされる。３６は電子デバイス３４の
電位を測定するためのエネルギー分析器である。３７は
照射された部分から発生した二次電子を検出するための
二次電子検出器、３８は照射点の電位を測定するための
電イ）γ測定回路であり、二次電子検出器３７と電位測
定回路３８は検出測定手段を構成する。３９は基板電流
を測定する電流測定手段としての電流計である。

エネルギー分析器３６および電位測定回路３８について
は、例えば、「定量的電位測定のための二次電子検出シ
ステム」、スキャニング、　１９８３゜第５巻、１５１
頁（ｒＳｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｔ
ｅｃｔｉ−ｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆｏｒ　Ｑｕａｎｔ
ｉｔａｔｉｖｅ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍ−
ｅｎｔｓＪ　、５ＣＡＮＮＩＮＧ、１９８３．ｖｏｌ、
５．ｐ、１５１）に記載されているものがある。

電位測定回路３８の出力と電流計３９の出力は、表示袋
Ｗ４０に入力され、表示装置４０は基板電流−電位特性
を表示する。この表示装置４０はＸ−Ｙレコーダであっ
てもよいし、電位、基板電流の時間変化を記憶しておき
、ＣＲＴに表示するようにしでもよい。また、電位測定
回路３８の出力は時間微分回路４１を介して差分増幅器
４２に人力し、基準電圧源４３の出力との差を制御手段
としてのビーム電流制御回路４４に入力し、電位の時間
変化を制御するために、ビーム電流制御回路、４４の出
力を二次荷電ビームのビーム電流を制御するレンズ電源
２７に入力している。

次にこの試験装置の動作原理を説明する。電子デバイス
３４トの所定の位置に電子ビーム２２を照射する。ビー
ムの照射にともなって、電子デバイス３４の電位および
基板電流が時間と共に変化する。一次荷電ビームとして
電子ビームを照射した場合、試料の材質、加速電圧の大
きさによって二次電子放出比δは１よりも大きくなった
り小さくなったりする。この電子ビームを、例えば、Ｍ
ＯＳキャパシタの金属電極に照射すると、δ〉１の加速
電圧ならば電極は正に帯電し、δ〈１ならば負に帯電す
る。このため、電極が外部配線につながっていない場合
には、時間とともに電極の電位は変化する。電位または
その時間変化を負に設定する場合には、二次電子放出比
δ〈１となる加速電圧の負に帯電した荷電ビーム（電子
ビーム）を用い、正に設定する場合には、二次電子放出
比δ〉１となる加速電圧の電子ビームもしくは正に帯電
した荷電ビームを用いればよい。

ビーム電流を一定にして照射すると、照射時間に対して
電位は指数関数的に飽和する。本装置においては、電位
の時間変化を一定にするために、ビーム電流の値は一定
ではなく、電位の時間変化を微分回路４１で測定し、こ
の値が予め設定した基準電圧よりも小さい場合にはビー
ム電流を上智するようにレンズ電源２７を制御する。こ
の動作を順次繰り返していき、電位かあるいは基板電流
がある値まで達した場合にはビームの照射を停止トする
。その間、照射部分の電位をエネルギー分析器３６およ
び電位測定回路３８により測定し、基板電流を電流計３
９により測定し、基板電流−電位特性を表示装置４０に
表示する。

次に本装置の効果を説明する。第２図は、ｐｎ接合間の
電圧と基板電流の変化をビーム電流をパラメータとして
測定した結果である。実線が電子ビームによる非接触測
定の結果、破線が機械的に接触して測定した結果である
。図中に示した電流値はビーム電流であり、１６０ｐＡ
、２００ｐＡ、２４０ｐＡである。実線はビーム電流を
一定とした測定であり、接触式で電圧を供給して測定し
た破線の場合に比較して１．照射直後の基板電流が過渡
応答によって多く流れることを示している。

時間とともに実線の非接触なビームによる基板電流−電
位特性番才破綿の接触式の結果に漸近してくる。この漸
近する値はビーム電流によって異なり、ビー１、電流が
高い方が基板電流の高いところに漸近するが、ビーム電
流と基板電流は比例はしていない。ｉｌ常の電子デバイ
スでは、ビーム電流に対して漸近するのは１点であり、
被測定電子デバイスの良否の判定は行えるが、破線のよ
うな基板電流−電位特性は得られない。一方、本装置で
は、電位が飽和してからビーム電流を順次変化させてい
るので、第３図に示すように、各ビーム電流で′漸近し
、ビーム電流を細かく変化させれば、接触式の場合の基
板電流−電位特性に近い特性を得ることができ、電子デ
バイスを定量的に試験するこ七ができる。この場合の基
準電圧源４３の出力は零に近い値に設定されている。

第１図に示す装置における電位の設定は、電位測定回路
３８の出力をレンズ電ａ２７にフィードハックし、電位
が設定値に等しくなるようにレンズ電源２７を調整して
ビーム電流を変化させることにより行う。あるいは、パ
ルスビームのオン・オフ時間を制御することによっても
電位を設定することができる。オン・オフ時間を変える
方法には、パルスビームのオン状態の時間を一定にして
パルス間隔を変化させる方法と、パルス間隔を一定にし
てオン状態の時間を変化させる方法があり、どちらを用
いてもよい。

電位の時間変化を一定に保つ場合にも、ビーム電流また
はパルスビームのオン・オフ時間を制御する。ビーム電
流が大き過ぎると、電位は設定したい時間変化よりも急
激に変化する。従って、電位の時間変化が設定値よりも
大きい場合にはビーム電流を減少させ、設定値よりも小
さい場合にはビーム電流を増加させればよい。具体的に
は、電位の時間変化を微分回路４１で検出し、この値を
設定値に対応する基準電圧源４３の出力と差分増幅器４
２で比較する。この値の正負によってビーム電流の減少
、増加を行う。例えば、差分増幅器４２の出力に比例し
てビーム電流の増減を行うようにすればよい。この場合
、設定値から少しでもずれたらビーム電流を変化させる
ようにすると、電位は細かく振動して変化する。これを
防ぐため、実際には幅を持たせて、差分増幅器４２の出
力がある値以上になった時にビーム電流の増減を行い、
それ以下ではビーム電流の増減を行わないか又は増減の
割合を減少させる。

その手順を第４図を用いて説明する。第４図ｔａ＋に示
す一点鎖線が設定したい電位の時間変化である。実際に
はこの傾きに幅を持たせて破線の範囲内に電位の時間変
化を設定する。ここでは、電位の傾きが正の場合につい
て説明するが、麹の場合でも同様である。第４図（ａ）
は電位の時間変化、（ｂ）はその時のビーム電流の時間
変化を示している。

通常、電位はビーム電流を一定にすると飽和してくるの
で、電位の時間変化は小さくなる。これが設定値（破線
）に等しくなった時にビーム電流を増加させる。この動
作手順を繰り返す。従って、ビーム電流は、初め小さく
徐々に増加するように設定することになる。ここでは、
電位の時間微分を設定値と比較しているが、照射開始か
らの時間によって基準電圧を一定の割合で増加さ…、そ
の基準電圧と電位の測定値を直接比較するよ・）にして
もよい。なお、微分回路４１．差分増幅器４２を用いて
いるが、電位を計算機に人力して時間変化を計算し、そ
の大きさでビーム電流の制御を計算機から行う構成でも
よい。

次に本装置を使用する試験方法について述べる。

基板電流および電位の時間変化を測定し、電子デバイス
の良否判定、容量測定を行う。まずビームの位置合わせ
を行った後、ビーム照射を開始し、基板電流、電位を測
定し、基板電流−電位特性をＸ−Ｙレコーダで出力する
。この時、電位の時間変化を微分回路で検出し、電位の
時間変化が零に近づいた時にビーム電流を上昇させる。

この場合には基準電圧源４３の出力は零に近い値に設定
されている。この動作を順次繰り返していくことにより
電位が上昇していく。電位がある値になった時の基板電
流もしくはビーム電流を測定することによりゲートリー
ク、ジャンクションリークの測定か行える。すなわち、
ゲートリーク、ジャンクションリークの多いデバイスで
は、同じ電位にするために大きなビーム電流を必要とす
る。あるいは、ある電位から同じ電位変化をさせるのに
要するビーＪい電流の変化を測定することによってもリ
ークの測定を行うことができる。ビーム電流の測定は、
第５図に示す第２の実施例又は第６図に示す第３の実施
例により行うことができる。第５図の実施例は、ファラ
デーカップ４６を用いてビーム電流の測定を行う場合を
示す。ファラデーカップの使用方法は公知であり、その
説明は省略する。

次に第６図に示す第３の実施例によりビーム電？λｔを
測定する場合について説明する。第６図において、４７
は引出電極、４８は減速電極、４９はエネルギー分析用
電極であり、４７〜４９はエネルギー分析器を構成する
。５０は二次電子検出用電極、５１は二次電子抑制用電
極である。ビーム電流６才電流計５３で測定する。二次
電子による電流は電流計５２で測定し、その測定電流を
ビーム電流で割算することにより二次電子放出比が求ま
る。電位測定時には、２つの切替スイッチを右へ切替え
、二次電子抑制電極５１に正の電圧を加え、二次電子を
二次電子検出器３７の方へ送る。またエネルギー分析用
電極４９の電圧を電位測定回路３８へ送り、電位測定を
行う。ビーム電流や二次電子電流の測定の場合には二次
電子抑制電極５１に負の電圧を加え、二次電子を内に閉
じ込めて電流を測定する。

第２の実施例と第３の実施例とを比較した場合、第３の
実施例の方が、ビーム電流の測定を行う際に試料台の位
置合わせをその都度行う必要がないので便利である。

容量を測定する場合には、第４の実施例としての第７図
の構成の試験装置を用いる。第１図に示す試験装置との
構成上の違いは、電位測定回路３８の後段の微分回路４
１の出力と基板電流用の電流計３９の出力とを除算回路
５４に入力し、その比により容量を測定する構成である
点である。他は第１図の装置と同様である。

この場合には、基準電圧源４３の出力は、設定したい電
位の時間変化に対応する値である。まず、電位、基板電
流の時間変化を測定し、電位Ｖの時間変化が一定になる
ように基板電流Ｉを変化させ、この時の容量の値をＣ（
ｔ）−１／（ｄＶ／ｄｔ）により求める。従って、電位
測定回路３８の後段の時間微分回路４１の出力と基板電
流の値から、この容量ＣあるいはＣ−■プロットを表示
する。ビーム電流を一定にして基板電流と電位の時間変
化を測定し容量を求める方法では、ビーム照射直後の過
渡応答により基板電流が大きく流れ、みかけ上客量が大
きく観測される。このため、Ｃ−■プロットが通常のク
サイ・スタティック（ｑｕｓｉ−ｓｔａｔｉｃ　）Ｃ−
ｖとは異なる。しかし、電位変化が一定になるようにビ
ーム電流を制御して測定すれば、機械的に接触して測定
する場合とほぼ同じ特性が得られる。ここでは、ビーム
照射開始後に、電位、基板電流の時間変化を測定して容
量を求めているが、電位をある値に」−昇して設定させ
た後にビームの照射条件を変えて電位が徐々に減少する
ような条件で、基板電流、電位の時間変化を測定して容
量を求めてもよい。

次にパルスビームを用いた場合を示す。第８図は本発明
の第５の実施例であり、パルスビームを使用している。

ブランカ２８．ブランキング電源２９、ブランキングア
パーチャー４５を用いて制御手段としてのパルス制御回
路５５からの信号にヨリー次荷電ビームをチョッピング
してパルスビームにする。このパルスビームを電子デバ
イスに照射し、発生ずる二次電子信号量の各パルス毎の
同位相の信号をパルス制御回路５５の出力によりサンプ
リングしてそのパルス毎の電圧差を検出する。このパル
ス毎の電位差が設定値に一致するように、電位測定回路
３８の出力をパルス制御回路５５にフィードバックし、
パルスビームのオン・オフ時間を変える構成になってい
る。すなわち、電位測定回路３８の出力をまずサンプリ
ング回路５６に入力する。このサンプリング回路５６で
は、パルス毎の同位相の電圧を検出し、次の差分回路５
７で電位差を求める。その出力を差分増幅器４２に入力
する。一方、基準電圧源４３の出力は電位の時間変化の
設定値に対する値であるが、この値はパルスの時間間隔
に反比例するので、パルス制御回路５５の出力を人力し
て電位を設定する。

他の装置構成については、第１図あるいは第７図に示し
たものと同じである。

この場合のビーム電流は、パルスにせずに連続照射した
場合に、設定したい電イ☆変化よりも大きな電位上昇（
負に変化させる場合には小さな電位変化）となるような
大きな電流値である。デバイスにパルスビームを照射す
ると、ビームがオン状態の時は電位が上貸し、オフ状態
の時は電位が下降する。オフ状態が長いと、前に照射さ
れたパル□スの電荷は放電されて電位の変化は少なくな
り、電位はパルス毎に下がるか零になる。これに対して
オフ状態が短いと、前に照射されたパルスの電荷が十分
に放電されないうちに次のパルスが照射されるために電
位はパルス毎に上昇する。この上昇の割合は、パルスの
オン状態が長いほうが大きくなる。従って、パルス毎に
電位を検出し、そのパルス毎の電位の差が設定値よりも
大きいときはオン状態を短く　（オフ状態を長＜）、設
定値よりも小さいときはオン状態を長く　（オフ状態を
短く）すればよい。

なお、パルスビームを用いて電位の時間変化を設定させ
る場合、ゲートリークが大きいと電荷が蓄積されないた
め、ゲートリークの少ないデバイスに比較してパルスビ
ームのオン状態を長くする必要がある。従って、電位を
ある値に設定するパルスビームのオン・オフ時間をモニ
タすることでゲートリークの大小を識別することができ
、デバイスの良否の判定ができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、電子デバイスの基板に流
れる基板電流を測定する電流測定手段と、電子デバイス
の照射位置の電位の時間変化を検出し電位の時間変化が
予め設定した値になった時にビーム電流またはパターン
ビームのオン・オフ時間を変化させて一次荷電ビームを
制御する制御手段と、電子デバイスの照射位置の電位に
対する基板電流の変化を表示する表示装置とを設けるこ
とにより、非接触で微細な電子デバイスの所定の位置の
電位の変化量を設定でき、電子デバイスのリークの値・
容量・電圧依存性等の定量的な測定、トランジスタの闇
値電圧の定量的な測定、電子デバイスの検査を、製造途
中で行うことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる電子デバイスの試験装置の一実
施例を示す構成図、第２図はｐｎ接合に荷電ビームをビ
ーム電流一定で照射した場合の接合間型圧と基板電流の
時間変化の実測例を示す特性図、第３図はｐｎ接合に荷
電ビームをビーム電流一定で照射した場合の接合間型圧
と基板電流の時間変化を示す特性図、第４図は電位の時
間変化を設定する方法を示す特性図、第５図、第６図。 第７図、第８図は本発明の第２．第３．第４．第５の実
施例を示す構成図、第９図は従来の電子デバイスの試験
装置を示す構成図、第１０図はその動作を説明するため
の特性図である。 ２１・・・・荷電ビーム発生源、２２・・・・荷電ビー
ム、２３・・・・加速源、２４・・・・アライナ、２５
・・・・アライナ電源、２６・・・・レンズ、２７・・
・・レンズ電源、２８・・・・ブランカ、２９・・・・
ブランキング電源、３０・・・・偏向器、３１・・・・
偏向電源、３２・・・・対物レンズ、３３・・・・対物
レンズ電源、３４・・・・電子デバイス、３５・・・・
試料台、３６・・・・エネルギー分析器、３７・・・・
二次電子検出器、３８・・・・電位測定回路、３９・・
・・電流計、４０・・・・表示装置、４１・・・・時間
微分回路、４２・・・・差分増幅器、４３・・・・基準
電圧源、４４・・・・ビーム電流制御回路、４５・・・
・ブランキングアパーチャー。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）一次荷電ビームを電子デバイスの所定の位置に照
   射する照射手段と、前記一次荷電ビームが照射された照
   射点から発生した二次電子を検出しこの照射点の電位を
   測定する検出測定手段とを有する電子デバイスの試験装
   置において、電子デバイスの基板に流れる基板電流を測
   定する電流測定手段と、前記照射点の電位の時間変化を
   検出し電位の時間変化が予め設定した時間変化値になっ
   た時にビーム電流またはパターンビームのオン・オフ時
   間を変化させて前記一次荷電ビームを制御する制御手段
   と、前記照射点の電位に対する基板電流の変化を表示す
   る表示装置とを備え、前記照射点の電位に対する基板電
   流の変化の特性を測定することによって電子デバイスの
   試験を行うことを特徴とする電子デバイスの試験装置。
2. （２）予め設定した時間変化値は零であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の電子デバイスの試験装
   置。
3. （３）予め設定した時間変化値は正または負の一定値で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電子
   デバイスの試験装置。