JPS6243051A - 電子ビ−ムパルス幅測定方法 - 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】 〔概　　要〕 本発明は、集積回路内部の配線に電子ビームをあて、そ
こから発生される２次電子の強さから配線電圧を検出す
る電子ビーム装置において、特に配線電圧の過渡応答を
正確に測定するためには。

照射する電子ビームのパルス幅が狭い程分解能が高いこ
とになる。そこで本発明では電子ビームパルス幅に含ま
れる電荷を絶縁されたファラデーケージで多数回補集し
てその結果生じるファラデーケージの電位変化を電子ビ
ームで正確に測定することにより電子ビームのパルス幅
を求める電子ビーム幅の測定方法を提供するものである
。

まず、連続ビームをファラデーケージ内に照射してファ
ラデーケージから流れ出るビークビーム電流を微少電流
針で測定すれば、Ｎ回の照射に対してファラデーケージ
に貯えられる電荷は前記ピークビーム電流と、パルス時
間幅及びＮの積で与えられる。この電Ｍｌを既知なるフ
ァラデーケージの容量で割れば、ファラデーケージの電
位となる。従って、この電位を配線電位測定と同しよう
に２次電子のエネルギー量から測定することによって逆
に前記電子ビームパルス幅の時間が測定されることにな
る。

従来は、電子ビームパルス幅を高速に変更することによ
り、空間的な広がりに変換してパルス幅を測定したが、
この方法では、２次電子信号量の低下により正確にパル
ス幅を測ることができないという欠点があったが１本発
明によれば非常に短いパルス幅を持つ電子ビームパルス
に対しても正確にそのパルス幅を測定することができる
という効果がある。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、集積回路内部の配線に電子ビームをあて、そ
こから発生される２次電子の強さから配線電圧を検出す
る電子ビーム照射方法に係り、特に電圧変化を正確に測
定するための測定分解能を決めるベキ電子ビームパルス
のパルス幅の測定方法に関する。

〔従来の技術〕

大規模集積回路の発展に伴い、大規模集積回路内部の論
理的な動作が正常であるかどうかを高速に調べる高度な
故障検出診断技術を確立することの重要性が高まってき
た。

集積回路内部の論理的な状態あるいは入力変化に対する
ゲート出力の変化を知るためには、各ゲートの出力に接
続された配線の電圧伏態、或いは電圧変化を知る必要が
ある。そのためには、電圧計のプローブを配線に接触す
ることによって、配線電圧を知ることができるが、大規
模集積回路では内部配線の幅が非常に狭く、プローブを
接触させることが困難である。また、接触による配線の
障害を起すことにもなり、このプローブ方式では。

各配線毎を逐次に調べることになるので、測定時間が非
常に長くなるという欠点がある。そこで。

最近注目されているのが、非接触で、配線電圧を検出で
きる電子ビーム装置が注目されてきた。この電子ビーム
装置は試料としての集積回路をステージ上に搭載しステ
ージの上部からＩＣに電子ビームをあてると　ＩＣ内部
の配線から２次電子が放出されるので、この２次電子の
エネルギーを測定することによって配線電圧を検出する
ものである。

入力電圧に伴う各配線の電圧の変化、即ち１時間変化を
観察できるばかりでなく、ビームがあてられるフィール
ド内にあるすべての配線の電圧状態、すなわち、空間的
な電圧分布を観察することができるものである。ところ
が、最近被測定物であるＩＣの内部の各ゲートの論理変
化のスピードは非常に高速になり、立ち上がり時間、或
いは立ち下がり時間が１例えば、Ｑ４ｎｓｅｃ程度のも
のも製造されるようになってきた。このように高速な電
圧変化を電子ビーム装置で測定する場合には。

配線電圧の電圧変化における立ち上がり時間、或いは立
ち下がり時間よりも時間的に狭い電子ビームパルスを投
射しなくては測定の分解能が低下してしまうことになる
。しかし、現実的にはこの電子ビームパルスそのものの
パルス幅を測定する方法は、きわめて難しい。

従来、電子ビームパルスを高速に偏向することにより、
空間的な広がりに変換してパルス幅を測定する方法があ
った。しかしこの方法では２次電子＜ｉ号量の低下によ
り、電子ビームパルスのパルス幅がせいぜい数１０ｐｓ
ｅｃ程度のパルス幅が限界であり、さらに、狭いパルス
幅を測定するには。

かなりの誤差を含むという欠点があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明はこのような従来の欠点を除去するために、１０
ｐｓｅｃ以下の電子ビームパルスのパルス幅に対しても
測定できるようにしている。すなわち。

電子ビームパルスに含まれる電荷を絶縁されたファラデ
ーケージで多数回補集してその結果性しるファラデーケ
ージの電位変化を電子ビームで正確に測定することによ
り、ｆ！算してパルス幅を求めるようにしたものである
。

（問題点を解決するための手段〕 本発明は、被検物に電子ビームを照射して前記被検物よ
り放出される２次電子のエネルギー量より前記被検物の
配線の電位を検出する電子ビーム照射方法において、前
記電子ビームに含まれる電荷を補集するファラデーケー
ジと、連続的な前記電子ビームを前記ファラデーケージ
内に照射しピークビーム電流を測定する電流測定手段と
、前記ピークビーム電流を測定後前記電流７．１１定手
段と前記ファラデーケージとの電流路を遮断し前記ファ
ラデーケージをフローティング状態にする電流遮断手段
と、フローティング状態となった前記ファラデーケージ
内に電子ビームパルスを予め決められた回数だけ照射し
前記回数に等しい数のパルス電荷を前記ファラデーケー
ジ内に蓄積するように制御する制御手段と、前記パルス
電荷の蓄積後電子ビームを偏向して前記ファラデーケー
ジ上面に前記電子ビームを照射し前記上面より放出され
る２次電子のエネルギー量より前記ファラデーケージの
電圧を測定する電圧測定手段と、測定された前記ピーク
電流と前記ファラデーケージ電圧及び前記パルス照射回
数と前記ファラデーケージの容量を用いて前記電子ビー
ムパルスのパルス幅を算出するパルス幅算出手段とを有
することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電子
ビームパルス幅の測定方法を提供することにより達成さ
れる。

（作　　用） 連続ビームをファラデーケージ内に照射して。

ファラデーケージから流れるピークビーム電流ＩＰを微
少電流針で測定し、その後、ファラデーケージをフロー
ティング状態にして、ファラデーケージの電圧を測定す
る。そうすれば、ファラデーケージのキャパシタとその
電位を掛けたものが。

ファラデーケージの電荷となる。その電荷は、微少電流
計で測定した電流にパルス幅時間及びパルスの照射した
回数ｎをかけたものであるから、ファラデーケージの電
位がわかれば、逆算してビームパルスのパルス幅が測定
されることになる。ファラデーケージの電位は配線電圧
と同様にビーム装置を前記ファラデーケージにあて、そ
こから放出される２次電子のエネルギー量から測定でき
るのテ、電子ビームパルスのパルス幅は正確に６１１　
ｆできることになる。

（実　施　例） 本発明の電子ビームパルス幅測定方法に基づく電子ビー
ム装置の構成及び電子ビームパルス幅測定系の構成を第
１図に示す。第１図の電子ビーム装置及び測定系の構成
において、電子ビーム鏡筒ｌ内で電子銃２からＥＢパル
スゲート（ブランカ）３を介してエネルギー分析器Ｅ内
に照射された電子ビームパルス５は、偏向器４によって
適当な方向に偏向されて試料室内にある被検物の表面に
あてられる。電子ビームパルス５が投射されると。

被検物の表面から２次電子７が放出されるので。

これを２次電子検出器１２で検出し、アナログ２次電子
信号１２１に変換する。電圧測定回路１３はこのアナロ
グ２次電子信号１２１を増幅し、標本化し量子化してデ
ィジクル信号に変換すると同時に内部にある制御計算機
にそのディジタルデータを転送したり、制御用計算機の
制御化でＳ／Ｎ比を上げてまために各標本点近傍のディ
ジタル信鴛り加算１ｚ均するための機能をも含んでいる
。ブラ゛・力制御回路９及び偏向器制御回路１４は前記
制御計算機によって制御されその制御信号を基にドソー
・イ・＼１０及び１１を介して電子ビーム鏡筒１内にあ
るＥＢパルスゲート３及び偏向器４を駆動して電子ビー
ムパルス５のビーム状態及びビームの偏向度を制御する
ものである。従って、電子ビームとしては連続的なビー
ムも照射できると同時にパルス状のビームをも照射する
ことができる。又。

偏向器４によっているいろな角度をもったビームを被検
物に当てることができる。

本発明はこのような電子ビーム装置において。

被検物のＩＣが非常に高速なゲートで構成されている場
合に各ゲートの出力、すなわち配線上の電圧の変化が高
速である場合、たとえば１立ち上り時間がＱ、１ｎｓｅ
ｃであるような場合にその過渡状態を正確に測定するた
めには電子ビーム５をパルスビームとする必要がある。

しかもそのパルスの時間幅は前記配線電圧の過渡的な時
間即ち立上りあるいは立下り時間の幅が例えば０．１ｎ
ｓｅｃであるような場合に、Ｑ、１ｎｓｅｃよりもさら
に小さいパルス幅を持つようにする必要がある。こうす
ることによって過渡応答を高分解能で測定することがで
きることになる。しかし、そのためには電子ビームパル
ス５そのもののパルス幅をどのように測定するかという
ことが問題になり１本発明では第１図の測定系に示すよ
うに、ファラデーケージ５０を先ず被検物の代りに設置
することによりファラデーケージの内部にパルス状の電
子ビームパルス５を複数回投射するようにしている。

まず、ファラデーケージ５０をチャージアップし、その
電荷口を測定するために外部にスイッチ（ＳＷｌ）を介
して微少電流計５１を接続し、ファラデーケージから流
れ出る微少電流を前記微少電流計５１で測定する。この
電流を測定することによって、ファラデーケージ５０に
蓄積された電荷量はパルスの投射数とパルス時間と前記
微少電流計５１でＩＩＩ定された電流値との積で与えら
れることになる。従って、ファラデーケージ５０の容量
がわかればファラデーケージの電圧値より逆算し、て電
子ビームパルス５の１つ当りのパルス幅時間が測定され
ることになる。

そのためには、ファラデーケージ５０の電圧を測定する
必要がある。これは配線電圧と同様に電子ビームをファ
ラデーケージの外部に当てて、そこから放出される２次
電子を２次電子検出器１２を介して電圧測定回路１３で
測定できるので、パルス幅は測定できることになる。

一般に、このような電子ビームパルスのパルス幅を正確
に測定することは、電子ビームそのものにノ・イズがあ
って、Ｓ／Ｎ比が小さい場合のパルス幅ヲ４１定するこ
とは難しい。これは、電子ビームパルスをある時間り・
イミノジに照射する場合であっても、必ず同じタイミン
グで照射されることはなく、いわゆるジッタを含んだ形
で照射されるために実際のパルス幅よりも実質的には広
いパルス幅となってしまうからである。このようなジッ
タを含まない元来の正確な電子ビームパルス５のパルス
幅を測定する方法は従来なく、ファラデーゲージ５０を
用いる本発明の方法は電子ビームパルスのパルス幅を正
確に測定できるものである。

以下に１本発明の原理についてもう少し詳細に述べる。

ファラデーケージ５０は第３図に示すように金属の上部
に穴のあいた箱であって、前記スリットより電子ビーム
パルス５が投射されると、前記スリットを通り抜けてフ
ァラデーケージ５０の内部の底部に照射される。このフ
ァラデーケージ５０は非常に小さなものであって、上部
のスリットより入り込む電子ビームは完結的に同じパル
ス幅をもった電子ビームとして、数回照射される。この
時、照射されるパルスの数をＮとする。このようなファ
ラデーケージの内部に照射された電子ビームパルスの電
荷はファラデ−ケージ５０内部に閉じ込められるために
、外部に逃げることなくファラデーケージ５０の金属表
面に漏れなく蓄積されることになる。すなわち、ファラ
デーケージ５０は外部とは全く絶縁されており、接地さ
れた状態ではなく全く浮いた状態になっているので、金
冗表面に蓄えられた電荷は外部に漏れることはない電荷
がファラデーケージ５０に蓄積されてい（とファラデー
ケージそのものの電位は低下してい（ことになる。すな
わち電子ビームパルス５は負の電荷を持っているから、
電位そのものの絶対値は上昇するが、負の電位であるか
ら低下することになる。この電荷を測定すれば、ファラ
デーケージの容１ｃとファラデーケージの電圧関係はＱ
＝ＣＶとなる。すなわち、内部に電子ビームパルス５を
介して打ち込まれた電荷の量とその電荷の量によって変
化するファラデーケージ５０の電位の変化より逆算して
パルス１個のパルス幅時間が測定されることになる。

この場合に照射するべき電子ビームパルスの数Ｎはかな
り多くする必要がある。すなわちファラデーケージ５０
の電位の変化が正確に測定できるためにはかなりの電荷
量を打ち込む必要があり。

したがって、電子ビームパルスの投射数Ｎは非常に多く
する必要がある。その関係を示したものが第２図のグラ
フである。第２図のグラフにおいて。　　は、１０　　
回ヒームパルスを照射した場合にファ、　　ラブ−ケー
ジの電圧ＶＦが−０，５■となっている。

この場合、Ｑ＝ＣＶの関係よりＮに対する電圧ＶＦの変
化は線形であると仮定している。また１０Ｉ？回のビー
ムパルスを打ち込む時間はほぼ１０秒ぐらいである。Ｑ
＝ＣＶの関係より、第２番目の波形で示すようにＮの変
化に対してファラデーケージ５０の電荷ｆｉＱはやはり
線形で上昇しており、Ｎが１０８である場合には１０−
１クーロンとなっている。

電子ビームパルス５をこのように与えていくことによっ
て、ファラデーケージ５０の電荷量Ｑは上昇するが、電
荷１ｉＱの変化すなわち微少電流はスイッチ（ＳＷ’＋
）を介して微少電流計５１に流れるが、この時にまず電
子ビーム５を間欠的にではなくて連続的に与えた場合に
どの程度の電流が流れるかをまず測定しておかなくては
ならない。

この電流はピーク値の電流を測定する必要がある。

微少電流計５１はこのような微少電流を測定できるもの
であって、ｐへ程度のものまで測定できるような電流計
である。

電子ビーム５を連続的に与えた場合の微少電流を測定す
ることによって、ビームのパルスの長さと電流値との関
係が分る。すなわち、任意の電子ビームパルス幅と、微
少電流の大きさとの関係式より間欠的に与えるべき電子
ビームパルス幅ｔｐｕ＋と、そのｔ２．、のパルス１個
当りの電流値Ｉｐがわかることになる。このような状態
からスイッチＳＷ＋をオフ状態にする。スイッチＳＶ／
＋をオフ状態にすればファラデーケージ５０は全く浮い
た状態になる。そして、電子ビーム５を今度は連続的で
はなく一定間隔で間欠的に照射する。

すなわち、同じパルス幅を持ったビームパルスをＮ回投
射する。ここでＮは非常に大きな数でたとえば１０１程
度である。従って照射するには１０秒程度かかることに
なる。そうすると、このような間欠的に照射された電子
ビームの総添加量はパルス１個当りの電流値１ｐと、Ｎ
と、１個当りのパルス幅ＰＷとの積で添加ｉＱは与えら
れることになる。すなわち、電子ビームパルス５をＮ回
ファラデーゲージ内に照射すると、ファラデーケージに
はＩｐｘｔ、ｗＸＮ（クーロン）の電荷が蓄えられるこ
とになり、その結果ファラデーケージの電位ＶＦは ＶＦ＝−１ｐＸｔ、、、ｘＮ＋Ｃ−・・−・１１１とな
る。

ここで、Ｃはファラデーケージの容量であり。

ソノキャパシタ容量Ｃは、既知であると仮定する。

この後に電位ＶＦを測定する必要があり、これは配線電
圧を測定するのと同様に電子ビーム５をファラデーケー
ジに当ててその２次電子量からｆｉｌｌ定できることに
なる。そのために、まず第３図に示すように、ＶＦを測
定するために電子ビーム５を偏向Ｈ４で偏向してスリッ
トを介して内部に入れるのではなく、ファラデーケージ
上面に照射する。そしてそのファラデーケージの上面か
ら放出される２次電子を検出器１２を介して、エネルギ
ー分析することにより、ファラデーケージの電圧ＶＦは
測定されることになる。２次電子のエネルギーは２次電
子の速度に対応するものであるが。

その速度を測定することによって電圧ＶＦは測定される
ことになる。

ツーアラデーケージ５０の電圧ＶＦが測定され既知とな
れば、電子ビーム５のパルス幅ｔｐｕ＋は１式を変形し
て ｔ、、−ＣＸＩＶＩＪニー［ｐＸＮ　　　・−・（２１
により算定されることになる。

ファラデーケージの容量Ｃは予めｆ測定することはでき
るが、この電子ビーム装置を使っても測定できる。すな
わち、電子ビーム５のパルス幅を長くして、たとえば、
１７ｓｅｃ以上にすることによって、ファラデーケージ
５０に電子ビームを照射し、その電位変化ＶＦ’を測定
することによって。

逆算してＣを測定する。すなわち、容量Ｃを計るために
予め既知なるパルス幅を持った電子ビーム５を照射する
ことによって、２式より逆算して測定することは可能で
ある。このように本発明に従って測定すれば２例えばフ
ァラデーケージの容量が２Ｐフアラツドであって、パル
ス１個当りの照射に対して流れるビークビーム電流１ｐ
が１ｎＡであってＮが１０９．である場合には＋　　ｔ
９ＬＩＪすなわち電子ビームのパルス幅は１０ピコｓｅ
ｃとなり、非常に小さなパルスでも測定できることにな
る。

このように本発明は、ジッタを含まない形で測定できる
という特徴があり、パルス幅の長さだけを測定すること
ができる。また、ファラデーケージの電圧を電子ビーム
の照射によって２次電子のエネルギー量から測定すると
いう方法を採用することによって電圧を全くフローテン
グ状態で測定できるので非常に誤差が少なくなるという
特徴もある。すなわち２本発明は、ファラデーケージ５
０のもっている電荷そのものを全く外部に漏れることな
く測定できるという特徴がある。さらにｔｐｕ＋７！ｌ
＜ｌｏピコｓｅｃぐらいのものに対しても１０ＭＨｚ＜
らいの周期でパルスを当ててていくことによって１０秒
ぐらいかければパルス幅の測定が可能であるという特徴
もあり、この時、電圧が０．５■ぐらい出力されればＳ
／Ｎ比は十分であると考えられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、微少な電荷量を多数回加算することが
容易にでき、さらに電圧測定用電子ビームの加速電圧を
１ｋＶ前後に選べばフローテング状態での電圧Ｊ、す定
が可能であるため、非常に短い電’ｒ　’＝’−ムパル
スのパルス幅を高いＳ／Ｎ比で。

しかも、ジッタを無視した形で容易に測定できるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電子ビームパルス幅測定系の構成図。 第２図は電子ビームパルスの投射数に対するフ７　：：
＋　’７゛−”）−−ジの電圧と電荷の変化を示すグラ
フ。 第３図は本発明に用いられるファラデーケージ止電子ビ
ームパルスの照射方法を示す図である。 １・・・電子ビーム鏡筒。 ２・・・電子銃。 ３・・・ＥＢパルスゲート　（ブランカ）。 ４・・・偏向器。 ５・・・電子ビームパルス。 ７・・・２次電子。 ９・・・ブランカ制御回路。 １０．１１　・・　・ドライバ。 １３・・・電圧測定回路。 １４・・・偏向器制御回路。 ５０・　・・ファラデーケージ。 ５１・・・微小電流計。 Ｅ・・・エネルギー分析器。 ラ業２９支「」（σつ才にへ゛ 第１１！Ｉ 償迂ＶＦ（Ｖ）　　１ ０１０°　　　　Ｎ（回） ＶＦ　ζ７）丈イ（二一

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子ビームパルスを絶縁されたファラデーケージ
   内に多数回照射した時のファラデーケージの電位変化を
   電子ビームで測定することにより電子ビーム照射総量を
   求め、照射回数、ピークビーム電流とから電子ビームパ
   ルス幅を算定する電子ビームパルス幅の測定方法。
2. （２）被検物に電子ビームを照射して前記被検物より放
   出される２次電子のエネルギー量より前記被検物の配線
   の電位を検出する電子ビーム照射方法において、 前記電子ビームに含まれる電荷を補集するファラデーケ
   ージと、 連続的な前記電子ビームを前記ファラデーケージ内に照
   射しピークビーム電流を測定する電流測定手段と、 前記ピークビーム電流を測定後前記電流測定手段と前記
   ファラデーケージとの電流路を遮断し前記ファラデーケ
   ージをフローティング状態にする電流遮断手段と、 フローティング状態となった前記ファラデーケージ内に
   電子ビームパルスを予め決められた回数だけ照射し前記
   回数に等しい数のパルス電荷を前記ファラデーケージ内
   に蓄積するように制御する制御手段と、 前記パルス電荷の蓄積後電子ビームを偏向して前記ファ
   ラデーケージ上面に前記電子ビームを照射し前記上面よ
   り放出される２次電子のエネルギー量より前記ファラデ
   ーケージの電圧を測定する電圧測定手段と、 測定された前記ピーク電流と前記ファラデーケージ電圧
   及び前記パルス照射回数と前記ファラデーケージの容量
   を用いて前記電子ビームパルスのパルス幅を算出するパ
   ルス幅算出手段とを有することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の電子ビームパルス幅の測定方法。