KR20230171984A

KR20230171984A - 시료 검사 장치

Info

Publication number: KR20230171984A
Application number: KR1020237039174A
Authority: KR
Inventors: 도모꼬 시마모리; 야스히꼬 나라; 준이찌 후세; 아끼라 가게야마
Original assignee: 주식회사 히타치하이테크
Priority date: 2021-05-21
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2023-12-21
Also published as: TWI801243B; JPWO2022244235A1; TW202246789A; CN117280224A; WO2022244235A1

Abstract

용량성의 불량이나 전기적인 여유도가 낮은 잠재적인 불량 개소의 특정이 가능한 시료 검사 장치를 제공한다.　시료 검사 장치는, 시료(19)에 하전 입자선을 조사하는 하전 입자 광학계와, 시료에 접촉되는 제1 프로브(21a)와, 제1 프로브가 그 입력 단자에 접속되는 증폭기(23)와, 증폭기의 출력 신호가 입력되는 위상 검파부(40)를 갖고, 제1 프로브에는 교류 전압이 인가되고, 위상 검파부는 증폭기의 출력 신호를, 교류 전압과 동기하고, 동일한 주파수를 갖는 참조 신호로 위상 검파한다.

Description

시료 검사 장치

본 발명은 회로가 형성된 반도체 그 외의 시료에 대하여, 적어도 1개의 프로브를 접촉시키면서, 시료에 하전 입자선을 조사하여, 프로브의 접촉에 의해 특정되는 회로에 있어서의 불량의 해석을 행하는 시료 검사 장치에 관한 것이다.

반도체 표면에 회로가 형성된 반도체 시료의 불량 해석에 있어서는, 불량 개소의 특정이 중요하다.　한편, 작금에 있어서의 디바이스의 미세화에 수반하여, 불량 개소의 특정이 어려워지고 있다.　그 결과, 불량 해석에 방대한 시간이 필요해지고 있다.　현재는, OBIRCH(Optical Beam Induced Resistance Change)나 EB(Electron Beam) 테스터 그 외의 해석 장치가, 이러한 종류의 불량 해석에 사용되고 있다.

그 중에서도, 배선의 불량 해석에 관한 분야에서는, 전자선으로 대표되는 하전 입자선을 반도체 시료에 조사함과 함께, 시료에 프로브(탐침)를 접촉시켜, 배선에 의해 흡수되는 전류나 반도체 시료로부터 방출된 이차적인 신호(2차 전자나 반사 전자 등)를 해석하여 화상화하는 기술이 주목받고 있다.　배선에 의해 흡수된 전류(흡수 전류)에 기초하여 얻어지는 신호(흡수 전류 신호)의 분포상은, 전자선 흡수 전류상(EBAC(Electron Beam Absorbed Current)상)이라고 불린다.

특허문헌 1은, 전자선의 주사 시에 2개의 탐침으로부터 출력되는 흡수 전류를, 전자선의 주사에 연동시켜 흡수 전류상을 출력하는 시료 검사 장치를 사용하여, 2개의 탐침이 전기적으로 접속된 시료의 배선 구간 중 불량 개소에 전자선이 조사되었을 때 일어나는 저항값의 변화를, 정상 개소와 불량 개소의 저항값의 비율의 변화로서 검출함으로써, 불량 개소를 특정하는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 2에는, 회로가 형성된 시료에 적어도 1개의 탐침을 접촉시켜, 탐침을 통해, 탐침의 접촉에 의해 특정되는 회로에 전력을 공급하면서, 하전 입자선에 의해 시료를 주사하고, 하전 입자선에 의해 국소적으로 가열된 불량의 저항값 변화를, 탐침을 통해 측정함으로써, 불량 개소를 특정하기 쉽게 하는 기술이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2012-033604호 공보 국제 공개 제2017/038293호

종래의 EBAC상에서는, 어떤 재료로 쇼트하고 있는지, 또한 불량부의 저항값의 크기와 같은 시료 상태에 따라서는, 불량 개소와 정상 개소의 구별이 되기 어려운 경우가 있었다.　발명자들은, 특히 저항값의 변화로서 거의 나타나지 않는 불량부에 주목하였다.　이러한 불량의 EBAC 신호는 바이어스 전류의 노이즈 성분에 파묻혀 버려, 불량 개소를 검지하는 것이 곤란한 것이다.

도 2를 사용하여 EBAC상을 형성하는 원리에 대하여 설명한다.　도 2는 도전체(20a, 20b)가 표면에 형성된 반도체 시료에 대하여 전자선(3)을 조사하고 있는 모습을 나타내고 있다.　차동 증폭기(23)의 플러스 입력 단자와 마이너스 입력 단자에는 각각, 프로브(21a, 21b)가 접속되고, 프로브(21a)는 도전체(20a)에, 프로브(21b)는 도전체(20b)에 접촉하고 있다.

시료의 표면을 주사 중인 전자선(3)이 도전체(20a)에 조사되면, 전자선(3)으로부터의 전하가 프로브(21a)를 통해 차동 증폭기(23)의 플러스 단자에 입력된다.　여기서, 어떤 저항값을 가진 불량부(22)가 도전체(20a)와 도전체(20b)에 접하고 있으면, 불량부(22)를 통해 도전체(20b)에 전하가 흘러, 프로브(21b)를 통해 차동 증폭기(23)의 마이너스 입력 단자에 입력된다.　이에 의해, 도전체(20b)의 전위는, 도전체(20a)의 전위로부터 불량부(22)에 의한 전압 강하분만큼 저하된 값이 된다.

불량부(22)의 저항값이 낮은 경우에는, 불량부(22)를 통한 전류가 흐름으로써 불량부(22)를 쇼트 불량으로서 인식할 수 있다.　한편, 불량부(22)의 저항값이 높은 경우, 예를 들어 차동 증폭기(23)의 입력 임피던스(27a, 27b)보다 큰 경우, 불량부(22)를 통한 전류가 흐르기 어려워진다.　따라서 불량부(22)가 없는 상태와의 구별이 되기 어려워진다.

도 3에, 도 2의 시료에 대하여 얻어지는 상을 나타낸다.　제1단째의 상101)은, SEM상의 모식도이다.　2차 전자는 시료 등의 단부로부터 많이 생성되기 때문에, 도전체(20)나 프로브(21)의 윤곽이 강조된 상이 얻어진다.　이 때문에, 불량부(22)가 시료의 내부에 묻혀 있는 경우, 내부에 묻혀 있지 않아도 주위와 높이의 차가 없는 경우, 매우 미세한 것인 경우 등에는, 불량부(22)는 SEM상에 거의 나타나지 않는 경우가 있다.

제2단 내지 제4단째의 상(102 내지 104)은 EBAC상의 모식도이다.　EBAC상(102)은, 불량이 존재하지 않는 경우의 상이다.　도전체(20a)와 도전체(20b) 사이에 도통이 없기 때문에, 전자선(3)이 도전체(20a) 상에 조사됨으로써, 도전체(20a)와 도전체(20b) 사이에는 전위차가 발생한다.　이 때문에, EBAC상(102)에서는, 도전체(20a)와 도전체(20b) 사이에 명확한 콘트라스트가 발생하고 있다.

EBAC상(103)은, 불량부(22)가 쇼트 불량(저저항 불량)인 경우의 상이다.　불량부(22)가 SEM상에 나타나지 않는 것이어도, 전자선(3)으로부터의 전하는 불량부(22)를 통해 도전체(20b)에 흐른다.　이 때문에, EBAC상(103)에는, 불량부(22)의 존재 개소에 그라데이션을 가진 콘트라스트가 발생한다.　이에 의해, SEM상에서는 특정할 수 없던 불량부(22)를 특정할 수 있다.　또한, 이 그라데이션의 상태는, 도전체(20a, 20b)나 불량부(22)의 길이나, 불량부(22)의 저항값 등에 따라 다르다.

EBAC상(104)은, EBAC상으로서 불량 위치의 특정이 어려운 일 예이며, 예를 들어 불량부(22)가 고저항 불량인 경우의 상이다.　불량부(22)의 저항이 높은 경우에는, 도전체(20a)와 도전체(20b) 사이에 거의 도통이 없다.　즉, 불량부(22)를 통한 전류가 거의 흐르지 않는다.　이 때문에, 불량부(22)가 존재함에도 불구하고, EBAC상(104)에는 불량이 없는 경우의 EBAC상(102)과 거의 마찬가지의 콘트라스트가 발생한다.　또한, 불량부(22)의 저항값에 따라서는, 불량 개소에 있어서의 휘도도 그 주위의 휘도와 거의 동일 정도가 된다.　이렇게 되면, EBAC상으로부터 불량의 위치를 특정하는 것은 곤란해진다.

본 발명에서는, 종래의 EBAC상에서는 특정이 곤란했던, 저항값 변화가 낮은 용량 결합에 기인하는 불량 개소의 검출이나, 전기적으로는 정상적이지만, 공간적으로 근접해 있어, 전기적으로 여유도가 낮은 개소를 잠재 불량 개소로서 검출하는 것을 목적으로 한다.

또한, EBAC 신호라고 하는 미약한 신호를 증폭하여 화상화한다는 점에서, EBAC상에 나타나는 장치로부터의 전기적인 노이즈를 저감시키는 것도 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 형태인 시료 검사 장치는, 시료에 하전 입자선을 조사하는 하전 입자 광학계와, 시료에 접촉되는 제1 프로브와, 제1 프로브가 그 입력 단자에 접속되는 증폭기와, 증폭기의 출력 신호가 입력되는 위상 검파부를 갖고, 제1 프로브에는 교류 전압이 인가되고, 위상 검파부는 증폭기의 출력 신호를, 교류 전압과 동기하고, 동일한 주파수를 갖는 참조 신호로 위상 검파한다.

지금까지 검지가 곤란했던 용량성의 불량이나 전기적인 여유도가 낮은 잠재적인 불량 개소의 특정이 가능한 시료 검사 장치를 제공한다.

그 외의 과제와 신규한 특징은, 본 명세서의 기술 및 첨부 도면으로부터 명확해질 것이다.

도 1은 실시예 1의 시료 검사 장치의 기본 구성의 개략도이다.
도 2는 EBAC상을 형성하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 시료에 대하여 얻어지는 SEM상 및 EBAC상의 모식도이다.
도 4는 제2 검출계에 의한 불량 검출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 위상 검파부의 개략 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 연산기에 있어서의 극좌표 변환을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 제2 검출계(제1 변형예)의 개략 구성도이다.
도 8은 제2 검출계(제2 변형예)의 개략 구성도이다.
도 9는 트랜지스터의 동적 특성을 검출하는 프로브 접촉의 모습을 나타내는 도면이다.
도 10은 제2 검출계(제3 변형예)의 개략 구성도이다.
도 11은 실시예 2의 시료 검사 장치의 기본 구성의 개략도이다.
도 12는 실시예 3의 시료 검사 장치의 기본 구성의 개략도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

실시예 1

도 1은 본 실시예에 관한 시료 검사 장치의 기본적 구성의 개략도이다.　이 시료 검사 장치는, 하전 입자선인 전자선(3)을, 시료(19)에 조사하기 위한 SEM 칼럼(1), 시료(19)를 적재하기 위한 시료 스테이지(10), 시료(19) 상의 구리나 알루미늄을 주성분으로 하는 도전체(20a, 20b)에 접촉시켜, 도전체(20a, 20b)로부터 전위를 취출하기 위한 프로브(21a, 21b) 등을 구비한다.　여기서는 프로브를 2개 구비하는 것으로 했지만, 예를 들어 도전체(20b)가 접지되어 있는 경우에는, 프로브(21a)를 1개로 할 수 있다.　또한, 3개 이상의 프로브를 구비해도 된다.

SEM 칼럼(1)은, 전자선(3)을 시료에 조사하는 전자 광학계를 내장한다.　전자원(2)으로부터 방출된 전자선(3)은, 전자 광학계를 구성하는 제1 집속 렌즈(5), 제2 집속 렌즈(6), 편향 코일(7), 전기적 시야 이동 코일(8), 대물 렌즈(9) 등을 경유하여, 시료(19) 상에 집속되어, 시료(19)의 임의의 위치를 주사한다.　전자선(3)의 주사는, 시스템 제어부(14)로부터 전자선 제어부(12) 중의 편향 코일 구동부(12a)에 주사 신호를 출력하고, 편향 코일 구동부(12a)가 주사 신호에 따라 편향 코일(7)에 의한 전자선(3)의 편향량을 변화시킴으로써 행한다.

시료 검사 장치는, SEM상을 형성하는 제1 검출계와 EBAC상을 형성하는 제2 검출계를 구비하고 있다.　제1 검출계는, 전자선(3)이 시료(19)나 프로브(21a, 21b) 등에 조사됨으로써, 시료(19) 또는 프로브(21a, 21b) 등의 최표면으로부터 방출되는 2차 입자를 검출하는 검출기(4)를 구비한다.　제2 검출계는, 상세에 대해서는 후술하지만, 프로브(21a, 21b), 차동 증폭기(23), 위상 검파부(40), 주파수 발생기(41) 등을 구비한다.

제어부(11)는, 전자 광학계를 구성하는 각 광학 요소를 제어하는 전자선 제어부(12), 제1 검출계 또는 제2 검출계로부터의 검출 신호로부터 SEM상 또는 EBAC상을 형성하는 화상 처리부(13), 시료 검사 장치 전체를 제어하는 시스템 제어부(14)를 구비한다.

또한, 시료 검사 장치는 컴퓨터(18)를 구비하고 있다.　컴퓨터(18)는, 입력 장치인 키보드(15), 포인팅 장치인 마우스(16), 화상 표시기(17)와 접속되어 있다.　유저는, 컴퓨터(18)로부터 시료 검사 장치에 대한 지시를 내림과 함께, 화상 처리부(13)가 형성한 화상을 화상 표시기(17)에 표시시킬 수 있다.

이하에서는, 본 실시예의 시료 검사 장치에 의한 EBAC상의 취득을 중심으로 설명한다.

화상 처리부(13)는, A/D 컨버터(24), 화소 적산부(25), 프레임 적산부(26) 등을 구비한다.　제2 검출계는 주파수 발생기(41)를 구비하고, 프로브(21a, 21b) 간에 교류 전압을 인가한 상태에서, 프로브(21a, 21b) 간의 전압을 검출한다.　차동 증폭기(23)로부터 출력되는 검출 신호는 교류 신호가 되기 때문에, 위상 검파부(40)에서는 차동 증폭기(23)로부터 출력되는 교류 신호를 직류 신호로 변환한다.　위상 검파부(40)로부터 출력되는 직류 신호는 A/D 컨버터(24)에 의해 디지털 데이터로 변환되며, 화소 적산부(25)에서 시스템 제어부(14)로부터 주사 신호에 동기하여 입력되는 전자선(3)의 조사 위치를 나타내는 제어 신호에 기초하여, 하나의 화소당 계조값으로 환산한다.　프레임 적산부(26)에서는, 취득하는 화상의 SN비를 높이기 위해, 시료(19) 상의 동일한 영역을 복수회 주사하고, 각 주사로부터 얻어지는 프레임 화상을 적산하여 화상 데이터를 형성한다.　형성된 화상 데이터는 컴퓨터(18)에 송신된다.　컴퓨터(18)는, 수신한 화상 데이터를 EBAC상으로서, 화상 표시기(17)에 표시한다.

도 4를 사용하여, 제2 검출계에 의한 불량 검출의 원리에 대하여 설명한다.　도 2에서 설명한 종래의 EBAC상의 형성 원리에서는 불량부(22)의 저항 성분에 주목한 것이었음에 반해, 본 실시예의 불량 검출 원리에서는, 불량부(22)가 저항 성분과 용량 성분을 포함하고 있는 것에 주목한다.　도전체(20a)와 도전체(20b)는, 원래 전기적으로 절연되어 있다.　그러나, 도전체(20a)와 도전체(20b)를 포함하여 구성되는 집적 회로가 고속으로 회로 동작함으로써, 도전체(20a)와 도전체(20b)에 인가되는 전압은 주파수 성분을 포함하게 된다.　이 때문에, 도전체(20a)와 도전체(20b) 사이의 절연 성능이 불충분한 경우, 불량부(22)에 걸리는 전압의 주파수 성분이, 불량부(22)의 용량 성분을 통과함으로써 쇼트 불량이 발생한다.　제2 검출계는, 저항값의 변화가 적고, 불량으로서 종래 검출 곤란했던, 불량부(22)의 용량 성분에 기인하는 불량 개소, 혹은 현시점에서는 불량에까지는 이르지 않지만, 장래 불량이 될 수 있는 전기적 여유도가 낮은 잠재 불량 개소를 검출할 수 있다.

주파수 발생기(41)는 2개의 프로브(21a와 21b)에 접속되고, 프로브(21a)를 통해 도전체(20a)에, 프로브(21b)를 통해 도전체(20b)에 교류 전압을 인가한다.　전자선(3)이 불량부(22)에 조사되면, 그 영향(예를 들어, 온도 상승)에 의해 불량부(22)의 유전율이 변화한다.　그 변화를 프로브 간의 교류 전압의 변화로서 차동 증폭기(23)에 의해 검지한다.　주파수 발생기(41)가 발생시키는 전압의 크기나 주파수는 시스템 제어부(14)로부터 설정되며, 불량을 검출하기 위해 적절한 값을 선택할 수 있다.

도 5에, 위상 검파부(40)의 구성을 나타낸다.　차동 증폭기(23)의 출력은, 주파수 발생기(41)가 발생시킨 주파수 성분을 갖고 있기 때문에, 그대로, 신호로서 화상화하면 주파수 성분을 가진 화상으로 변환되어 버린다.　이 때문에, 위상 검파부(40)는, 차동 증폭기(23)의 출력 SIG를 주파수 발생기(41)가 출력한 주파수를 갖는 참조 신호 REF로 검파함으로써, 직류 성분을 추출한다.　여기서는 주파수 발생기(41)가 발생시키는 교류 전압을 그대로 참조 신호 REF로서 사용하고 있지만, 위상 검파부(40)는, 별도 주파수 발생기를 구비하여, 주파수 발생기(41)가 발생시키는 교류 전압과 동기시켜 참조 신호 REF를 생성하도록 해도 된다.

위상 검파부(40)는, 위상 검파기(42), 위상 시프트기(43), 필터(44), 연산기(45)를 구비한다.　차동 증폭기(23)의 출력 신호 SIG는, 인가한 주파수 f_r을 기준으로 하여 위상 검파기(42)에 의해 검파되어, 직류 신호로 변환된다.　위상 검파부(40)는, 2계통의 위상 검파기(42)를 구비한다.　한쪽 위상 검파기(42a)에는, 위상 시프트기(43)에 의해 참조 신호 REF의 위상을 90° 어긋나게 한 참조 신호를 입력하고, 다른 쪽 위상 검파기(43b)에는 참조 신호 REF를 그대로 입력함으로써, 위상 검파기(42a, 42b)는, 서로 직교하는 참조 신호 SIN, COS에 의해 위상 검파를 행한다.　위상 검파기(42)에 의해 차동 증폭기(23)의 출력 신호 근방의 노이즈 성분도 직류 성분 근방으로 변환되기 때문에, 필터(44)(통상적으로는 로우 패스 필터)에 의해 잡음이나 검파로 발생한 리플을 제거한다.　연산기(45)는 위상 검파기(42a)로부터의 직류 신호 Y, 위상 검파기(42b)로부터의 직류 신호 X를 극좌표 변환하여, 진폭 신호 R과 위상 신호 θ를 출력한다.

도 6을 사용하여 연산기(45)에 있어서의 극좌표 변환에 대하여 설명한다.　차동 증폭기(23)의 출력은 벡터(110)로 표현된다.　Rcosθ의 크기는 위상 검파기(42b)의 출력 신호 X, Rsinθ의 크기는 위상 검파기(42a)의 출력 신호 Y로서 검출되고 있다.　따라서, 진폭 신호 R과 위상 신호 θ는, (수학식 1)에 의해 연산할 수 있다.

도 5의 위상 검파부(40)가 실행하는 위상 검파 처리는, 2위상 로크인 앰프의 처리와 동일하다.　따라서, 위상 검파부(40)로서 로크인 앰프를 실장해도 된다.　진폭 신호 R을 화상 처리부(13)에 입력함으로써, 진폭 신호 R에 기초한 EBAC상(이하, 진폭상이라고 함)이 위상 신호 θ를 화상 처리부(13)에 입력함으로써, 위상 신호 θ에 기초한 EBAC상(이하, 위상상이라고 함)을 얻을 수 있다.

이하에, 제2 검출계의 변형예에 대하여 설명한다.

도 7은 시료에 인가하는 교류 전압의 위상을 변경할 수 있는 구성 예이다(제1 변형예).　위상 시프트기(49)를 사용하여, 프로브(21a)를 통해 도전체(20a)에 인가하는 교류 전압과 프로브(21b)를 통해 도전체(20b)에 인가하는 교류 전압의 위상을 변화시킨다.　여기서는, 위상 시프트기(49)를 프로브(21b) 측에 마련하고 있지만, 프로브(21a) 측에 마련해도 된다.　시스템 제어부(14)는, 위상 시프트기(49)에 의한 지연량을 제어함으로써, (1) 동위상(0°)의 교류 전압을 인가하고, (2) 역위상(180°)의 교류 전압을 인가하고, 또한 위상 시프트기(49)로부터의 출력을 차단함으로써, (3) 한쪽 프로브(이 경우에는 프로브(21a))에만 교류 전압을 인가하도록, 전환할 수 있다.

(1) 동위상의 교류 신호를 인가하는 경우에는, 주파수 발생기(41)에서 발생하여, 프로브(21a, 21b)를 통해 인가되는 동상의 노이즈가 차동 증폭기(23)로 캔슬될 수 있기 때문에, 불량부(22)의 변화를 고감도로 검지할 수 있는 이점이 있다.　검출 감도를 높임으로써, 불량부(22)가 도 7에 도시되는 바와 같이 도전체(20a)와 도전체(20b) 사이에는 없었던 경우에도 불량부(22)를 검출할 가능성을 높일 수 있다.

통상, 불량이 발생하고 있는 위치를 추정하고, 프로브(21a, 21b)는 추정한 불량부(22)를 사이에 두도록 접촉 위치가 결정된다.　이 추정에 오류가 있고, 예를 들어 불량부(22)는 도전체(20a)에 접속되어 있지만, 도전체(20b)에는 접촉하고 있지 않은 것으로 한다.　이 경우, 전자선(3)이 불량부(22)에 조사되는 것에 의한 변화는, 프로브(21a)에는 나타나지만, 프로브(21b)에는 나타나지 않는다.　이 때문에, 차동 증폭기(23)에 입력되는 프로브 간의 교류 전압의 변화는 프로브가 올바르게 불량부를 사이에 두도록 접촉되어 있는 경우에 비하여 작은 것이 된다.　그러나, 고감도화에 의해, 이러한 경우에도 불량으로서 검지할 수 있을 가능성을 높일 수 있다.

(2) 역위상의 교류 신호를 인가하는 경우에는, 동위상의 교류 신호를 인가하는 경우에 비하여, 불량부(22)에 대하여 최대로 2배의 전압을 인가할 수 있기 때문에, 전자선(3)이 조사되었을 때의 변화가 일어나기 쉬워질 가능성이 높다.　인가 전압이 높아질수록, 불량이 일어나기 쉬운 증상이 발생하고 있는 경우에 유효하다.

(3) 불량부(22)의 한쪽에만 교류 전압을 인가하고, 다른 쪽은 무인가로 한 경우의 변화를 검출하기 원하는 경우에는, 한쪽 프로브에만 교류 전압을 인가한다.　불량부(22)가 접지 전극(GND)에 누설되어 있는 경우에는, 불량부(22)의 한쪽에만 교류 전압을 인가하는 검출 방법이 유효하다.

이와 같이 불량부(22)에 대하여, 인가하는 교류 전압의 위상을 전환하여 가능하게 함으로써, 불량부의 성질에 맞추어, 불량을 가장 검지하기 쉬운 상태를 설정하는 것이 가능하게 된다.

도 8은 주파수 발생기(50)를 사용하여, 인가하는 교류 전압의 파형을 구형파로 하는 구성 예이다(제2 변형예).　여기서는 도 7의 회로 구성에 대하여 주파수 발생기를 변경한 예를 나타내고 있지만, 도 5의 회로 구성에 대해서도 적용 가능하다.　특히 적용 회로를 한정하는 언급이 없는 경우, 혹은 원리적으로 모순이 생기지 않는 한, 실시예, 변형예끼리는 조합, 치환 가능한 것이다.　이하의 실시예, 변형예에 있어서도 마찬가지이다.

프로브(21)에 인가하는 교류 전압의 파형을 구형파로 변화시킴으로써 불량부(22)에 인가되는 주파수에 고조파 성분이 많이 포함되게 된다.　사인파의 교류 전압의 주파수를 높게 하기보다, 고조파 성분을 많이 포함하는 구형파를 인가함으로써, 구형파의 기본 주파수를 그다지 높게 하지 않고, 불량부(22)의 존재를 현저화할 수 있다.

본 변형예는, 트랜지스터의 동적 특성을 EBAC상으로서 가시화할 수 있다.　이 경우, 도 9에 모식적으로 나타내는 바와 같이 트랜지스터의 게이트 G, 드레인 D에 대하여 프로브(21a, 21b)를 접촉시켜, 구형파의 교류 전압을 인가한다.　교류 전압의 기본 주파수를 높게 함에 따라, 동적 특성이 불량한 트랜지스터는, 게이트 전압의 변화에 추종하여 드레인 전류를 흐르게 할 수 없게 된다.　프로브(21a, 21b)에 의해 트랜지스터의 채널 전류에 기인하는 전압 변화를 파악함으로써, 트랜지스터의 동적 특성을 EBAC상에 있어서의 콘트라스트로서 가시화할 수 있다.　예를 들어, 집적 회로가 병렬 접속되는 트랜지스터를 포함하고 있는 경우, 병렬 접속된 트랜지스터의 게이트 전극에 프로브(21a)를, 드레인 전극에 프로브(21b)를 접촉시킴으로써, 트랜지스터의 동적 특성 변동을 EBAC상으로부터 판단할 수 있다.

도 10은 차동 증폭기(23)를 사용하지 않는 경우의 구성 예이다(제3 변형예).　제1 변형예에 관하여 설명한 바와 같이, 불량부의 양단에 교류 전압을 인가하지 않고도, 불량부의 한쪽에 교류 전압을 인가하는 것만으로도 용량 기인에 의한 쇼트 불량이 발생하는 경우이다.　예를 들어, 전압 인가하지 않는 단부가 전기적으로 오픈으로 되어 있는 경우나, 접지 전위(GND)에 고정되어 있는 경우에는, 불량부의 한쪽만으로의 교류 전압 인가에 의해 불량부(22)를 검출 가능하다.　이 경우의 증폭기(51)는, 전압 변환형의 증폭기여도 되고 전류 증폭형의 증폭기여도 된다.　필요에 따라, 도 10에 나타내는 바와 같이, 증폭기(51)에 접속되지 않는 측의 프로브(21b)를 접지 전위(GND)로 하여, 프로브(21a)와는 반대 측의 단부에 접촉시킴으로써 노이즈를 저감시키는 것도 가능하다.

실시예 2

실시예 2의 시료 검사 장치를 도 11에 나타낸다.　펄스 발생기(58)에 의해 펄스화된 전자선(3)을 시료에 조사하고, 펄스 발생기(58)로부터의 주파수 신호에 의해 차동 증폭기(23)로부터의 출력 신호를 동기 검파하는 것이다.　전자선(3)을 ON/OFF하기 위해, 펄스 발생기(58)로부터 발하는 주파수 신호는 구형파이다.　이와 같이, 전자선(3)을 ON/OFF하면서 SEM상을 취득하는 전자 현미경은 펄스 SEM으로서 알려져 있다.

실시예 2에서는, 이러한 펄스 SEM을 사용하여 EBAC상을 취득함으로써, 펄스 전자선과 동일한 주파수 특성을 갖는 용량성의 불량을 검출한다.　전자 광학계는 전자선(3)의 블랭킹 기구를 구비하고 있고, 펄스 발생기(58)로부터의 ON/OFF 파형에 의해, 전자선 제어부(12)는 전자선(3)을 블랭킹하고, 전자선(3)을 펄스화하여 시료에 조사한다.　동일한 주파수 신호(ON/OFF 파형)를 불량부(22)에 대하여, 프로브(21a, 21b)에 의해 인가하고, 차동 증폭기(23)의 출력 신호를 동일한 주파수 신호로 검파함으로써, EBAC 화상을 취득한다.　펄스 발생기(58)가 발생하는 주파수 신호의 위상을 어긋나게 하면서, 복수의 EBAC상을 취득하여, 중첩함으로써, 용량성의 불량을 S/N 좋게 취득할 수 있다.　예를 들어, 펄스 발생기(58)가 발생하는 주파수 신호의 듀티비가 33％이면, 위상을 어긋나게 하면서 3회 화상을 취득함으로써, 전자선(3)을 연속 빔으로서 조사했을 때와 동등한 S/N비의 상이 얻어진다.

여기서는 펄스 발생기(58)가 발생시키는 주파수 신호를 그대로 프로브에 인가하는 교류 전압이나 위상 검파부에 입력하는 참조 신호로서 사용하고 있지만, 제2 검출계는, 별도 주파수 발생기를 구비하여, 펄스 발생기(58)가 발생시키는 주파수 신호와 동기하고, 동일한 주파수를 갖는 교류 전압이나 참조 신호 REF를 생성하도록 해도 된다.

실시예 1과 마찬가지로, 진폭 신호 R을 화상 처리부(13)에 입력함으로써, 진폭 신호 R에 기초한 EBAC상(이하, 진폭상이라고 함)이 위상 신호 θ를 화상 처리부(13)에 입력함으로써, 위상 신호 θ에 기초한 EBAC상(이하, 위상상이라고 함)을 얻을 수 있다.

도 11에서는, 실시예 1의 제1 변형예와 마찬가지로, 위상 시프트기(49)에 의해, 프로브(21a)를 통해 도전체(20a)에 인가하는 교류 전압과 프로브(21b)를 통해 도전체(20b)에 인가하는 교류 전압의 위상을 변화시키는 구성을 나타내고 있지만, 위상 시프트기(49)를 제외한 구성도 가능하다.　실시예 1의 제3 변형예와 같이 불량부(22)에 접촉시키는 프로브는 한쪽만으로 하고, 차동 증폭기(23) 대신에 전압 변환형의 증폭기나, 전류 증폭형의 증폭기를 사용하는 것도 가능하다.

실시예 3

실시예 3에서는, 이상의 실시예, 변형예와 달리 프로브(21)에 대하여 교류 전압의 인가는 행하지 않는다.　차동 증폭기(23)로부터는 직류 신호를 출력하는 것은 종래의 EBAC상과 동일하지만, 위상 검파 처리를 행함으로써, 보다 선명한 EBAC상을 얻는 것을 목적으로 한다.

EBAC상의 취득에 있어서, 전자선(3)의 스캔 속도는, 화질, 및 불량의 검출 성능에 큰 영향을 미친다.　또한, EBAC상의 화상 분해능은 그 화소수에 의존한다.　따라서, EBAC상 1화소당 전자선 조사 시간의 역수인 샘플링 레이트가, EBAC상에 의한 불량의 검출 상태에 큰 영향을 미친다.　그 때문에, 사전에 샘플링 레이트를 변경하면서, 복수회 EBAC상을 취득하여, 불량이 현저하게 보이는 샘플링 레이트를 탐색하는 것이 일반적이다.

흡수 전류는 미약한 전류이기 때문에, 차동 증폭기(23)에 의한 증폭률도 크고, 이 때문에, 동시에 시료 검사 장치에서 발생하는 다양한 노이즈도 함께 증폭되어 버리기 때문에, 차동 증폭기(23)로부터의 출력 신호는 노이즈에 파묻힌 상태에 있다.　위상 검파에 의해 단일 주파수의 신호를 추출할 수 있으므로, 흡수 전류에 기인하는 미소 신호를, 위상 검파에 사용하는 주파수를 적절하게 선택하여 추출함으로써, 보다 선명한 EBAC상을 얻을 수 있다.

도 12에, 불량마다 적정한 샘플링 레이트를 탐색하고, 또한 샘플링 레이트에 기초하여, 위상 검파를 위해 주파수 발생기(41)가 발생시키는 주파수를 자동으로 설정 가능한 시료 검사 장치를 나타내고 있다.

유저가 EBAC 화상을 취득하는 조건을 결정하면, 컴퓨터(18)는 그 취득 조건에 기초하여 샘플링 레이트를 계산한다.　시스템 제어부(14)는, 전자선 제어부(12)에 주사 신호를 출력하고, 계산된 샘플링 레이트로 전자선(3)을 스캔시킨다.　또한, 시스템 제어부(14)는, 계산된 샘플링 레이트에 기초하여 정해진 위상 검파에 사용하는 주파수를 갖는 참조 신호 REF의 생성을 주파수 발생기(41)에 지시하고, 위상 검파부(40)는 주파수 발생기(41)로부터의 참조 신호 REF를 받아 차동 증폭기(23)의 출력을 검파한다.

시스템 제어부(14)는, 위상 검파에 사용하는 주파수는 샘플링 레이트 이상의 값이 되도록 설정한다.　이것은 이하의 이유 때문이다.　위상 검파에 사용하는 주파수를 샘플링 레이트 이하로 하는 경우에는, 샘플링 레이트보다 저주파수의 노이즈가 화소값에 그대로 반영되게 된다.　샘플링 레이트보다 높은 주파수로 위상 검파함으로써, 1화소당 복수회의 주기 변동을 갖는 신호가 검파됨으로써, 화소마다 노이즈가 평균화된다.

다른 실시예와 마찬가지로, 진폭 신호 R을 화상 처리부(13)에 입력함으로써, 진폭 신호 R에 기초한 EBAC상(이하, 진폭상이라고 함)이 위상 신호 θ를 화상 처리부(13)에 입력함으로써, 위상 신호 θ에 기초한 EBAC상(이하, 위상상이라고 함)을 얻을 수 있다.

위상 검파함으로써, 검출되는 신호는 공간적 주파수가 좁은 대역에 한정된다.　이 때문에, 통상 EBAC상에 있어서의 휘점(신호가 크거나, 또는 작은 개소)이 나타났을 경우, 그 주위에도 밝은 부분이 나타나는바, 본 실시예에서는 위상 검파에 사용하는 주파수 이외의 주파수대의 신호는 억제됨으로써, EBAC상에 나타내어지는 불량 개소의 사이즈를 축소화시키는 것이 가능하다.　즉, 불량부의 짜내기, 즉 극소화를 할 수 있게 된다.

도 12의 예에서는, 차동 증폭기(23)로서, 2개의 입력 단자 사이에 전압원(55)으로부터 소정의 전압이 인가되고 있는 전압 인가 타입의 차동 증폭기가 사용되고 있다.　이에 한정되지 않고, 전압원(55)이 마련되어 있지 않은 차동 증폭기를 사용해도 되고, 나아가 사용하는 프로브가 1개인 경우에는, 차동 증폭기 대신에, 도 10에 나타낸 바와 같은 전압 변환형의 증폭기나, 전류 증폭형의 증폭기를 사용해도 된다.

1: SEM 칼럼
2: 전자원
3: 전자선
4: 검출기
5: 제1 집속 렌즈
6: 제2 집속 렌즈
7: 편향 코일
8: 전기적 시야 이동 코일
9: 대물 렌즈
10: 시료 스테이지
11: 제어부
12: 전자선 제어부
12a: 편향 코일 구동부
13: 화상 처리부
14: 시스템 제어부
15: 키보드
16: 마우스
17: 화상 표시기
18: 컴퓨터
19: 시료
20a, 20b: 도전체
21a, 21b: 프로브
22: 불량부
23: 차동 증폭기
24: A/D 컨버터
25: 화소 적산부
26: 프레임 적산부
27a, 27b: 입력 임피던스
40: 위상 검파부
41: 주파수 발생기
42: 위상 검파기
43: 위상 시프트기
44: 필터
45: 연산기
49: 위상 시프트기
50: 주파수 발생기
51: 증폭기
55: 전압원
58: 펄스 발생기
101: SEM상
102, 103, 104: EBAC상
110: 벡터

Claims

시료에 하전 입자선을 조사하는 하전 입자 광학계와,
상기 시료에 접촉되는 제1 프로브와,
상기 제1 프로브가 그 입력 단자에 접속되는 증폭기와,
상기 증폭기의 출력 신호가 입력되는 위상 검파부를 갖고,
상기 제1 프로브에는 교류 전압이 인가되고, 상기 위상 검파부는 상기 증폭기의 출력 신호를, 상기 교류 전압과 동기하고, 동일한 주파수를 갖는 참조 신호로 위상 검파하는 시료 검사 장치.
제1항에 있어서,
시스템 제어부와,
상기 시료에 상기 하전 입자선이 조사됨으로써 방출되는 2차 입자를 검출하는 검출기를 포함하는 제1 검출계와,
상기 하전 입자 광학계를 제어하는 하전 입자선 제어부와,
상기 제1 검출계, 또는 상기 제1 프로브, 상기 증폭기 및 상기 위상 검파부를 포함하는 제2 검출계로부터의 출력 신호가 입력되어, 화상을 형성하는 화상 처리부를 더 갖고,
상기 시스템 제어부는, 상기 하전 입자선 제어부에 상기 하전 입자선을 상기 시료 상에서 주사시키는 주사 신호를 출력하고,
상기 화상 처리부는, 상기 시스템 제어부로부터 상기 주사 신호에 동기하여 입력되는 제어 신호에 기초하여, 상기 제1 검출계 또는 상기 제2 검출계로부터의 검출 신호로부터 1화소당 계조값을 산출하여 상기 화상을 형성하는 시료 검사 장치.
제2항에 있어서,
상기 위상 검파부는, 상기 증폭기의 출력 신호를 극좌표 변환하여 진폭 신호 및 위상 신호를 출력하고,
상기 제2 검출계는, 상기 진폭 신호 또는 상기 위상 신호를 상기 화상 처리부에 출력하는 시료 검사 장치.
제3항에 있어서,
상기 위상 검파부는,
상기 증폭기의 출력 신호와 상기 참조 신호가 입력되는 제1 위상 검파기와,
상기 증폭기의 출력 신호와 상기 참조 신호를 90° 위상 시프트시킨 신호가 입력되는 제2 위상 검파기와,
상기 제1 위상 검파기로부터 출력되는 제1 직류 신호와 상기 제2 위상 검파기로부터 출력되는 제2 직류 신호로부터, 상기 진폭 신호와 상기 위상 신호를 연산하는 연산부를 구비하는 시료 검사 장치.
제2항에 있어서,
상기 제2 검출계는, 상기 교류 전압을 발생시키는 주파수 발생기를 구비하고,
상기 시스템 제어부는, 상기 주파수 발생기가 발생시키는 상기 교류 전압의 전압 및 주파수를 설정하는 시료 검사 장치.
제5항에 있어서,
상기 제2 검출계는, 상기 시료에 접촉되고, 상기 교류 전압이 인가되는 제2 프로브를 더 구비하고,
상기 증폭기는 차동 증폭기이며,
상기 제1 프로브 및 상기 제2 프로브는, 상기 차동 증폭기의 입력 단자의 각각에 접속되는 시료 검사 장치.
제6항에 있어서,
상기 제2 프로브는, 위상 시프트기를 통해 상기 주파수 발생기에 접속되고,
상기 시스템 제어부는, 상기 제2 프로브에 인가되는 상기 교류 전압의 위상이 상기 제1 프로브에 인가되는 상기 교류 전압의 위상과 동위상 혹은 역위상이 되도록, 또는 상기 제2 프로브에 인가되는 상기 교류 전압을 차단하도록, 상기 위상 시프트기를 제어하는 시료 검사 장치.
제5항에 있어서,
상기 주파수 발생기는, 구형파인 상기 교류 전압을 발생시키는 시료 검사 장치.
제2항에 있어서,
구형파인 주파수 신호를 발생시키는 펄스 발생기를 구비하고,
상기 하전 입자선 제어부는, 상기 주파수 신호에 기초하여, 상기 하전 입자선을 펄스화하여 상기 시료에 조사하도록 상기 하전 입자 광학계를 제어하고,
상기 제1 프로브에는, 상기 주파수 신호와 동기하고, 동일한 주파수를 갖는 상기 교류 전압이 인가되고, 상기 위상 검파부는 상기 증폭기의 출력 신호를 상기 주파수 신호와 동기하고, 동일한 주파수를 갖는 상기 참조 신호로 위상 검파하는 시료 검사 장치.
시료에 하전 입자선을 조사하는 하전 입자 광학계와,
상기 시료에 접촉되는 제1 프로브와,
상기 제1 프로브가 그 입력 단자에 접속되는 증폭기와,
참조 신호를 발생시키는 주파수 발생기와,
상기 증폭기의 출력 신호를, 상기 주파수 발생기가 발생시키는 상기 참조 신호로 위상 검파하는 위상 검파부와,
시스템 제어부와,
상기 하전 입자 광학계를 제어하는 하전 입자선 제어부와,
상기 위상 검파부로부터의 출력 신호가 입력되어, 화상을 형성하는 화상 처리부를 갖고,
상기 시스템 제어부는, 상기 하전 입자선 제어부에 상기 하전 입자선을 상기 시료 상에서 주사시키는 주사 신호를 출력하고,
상기 화상 처리부는, 상기 시스템 제어부로부터 상기 주사 신호에 동기하여 입력되는 제어 신호에 기초하여, 상기 위상 검파부로부터의 검출 신호로부터 1화소당 계조값을 산출하여 상기 화상을 형성하고,
상기 시스템 제어부는, 상기 주파수 발생기가 발생시키는 상기 참조 신호의 주파수를, 상기 화상의 1화소당 전자선 조사 시간의 역수인 샘플링 레이트 이상의 값으로 설정하는 시료 검사 장치.
제10항에 있어서,
상기 시료에 접촉되는 제2 프로브를 더 갖고,
상기 증폭기는 차동 증폭기이며,
상기 제1 프로브 및 상기 제2 프로브는, 상기 차동 증폭기의 입력 단자의 각각에 접속되는 시료 검사 장치.
제11항에 있어서,
상기 차동 증폭기의 입력 단자 간에 소정의 직류 전압이 인가되는 시료 검사 장치.