WO2020003458A1 - 半導体検査装置 - Google Patents

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irradiation
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正明 古森
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Hitachi High Technologies Corp
Hitachi High Tech Corp
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    • G01R31/308—Contactless testing using non-ionising electromagnetic radiation, e.g. optical radiation
    • G01R31/311—Contactless testing using non-ionising electromagnetic radiation, e.g. optical radiation of integrated circuits

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor inspection apparatus, and more particularly, to a semiconductor device failure analysis technique using a microdevice characteristic evaluation apparatus using an electron microscope.
  • LSIs large-scale integrated circuits
  • the number of transistors, the number of wirings, and the number of contacts increase, and the failure analysis of a failed device becomes complicated, and the sensitivity of failure detection technology for a small device is increased. Is required.
  • a micro device refers to a microstructure such as an element integrated in an LSI or a wiring formed in the LSI.
  • a failure detection technique a nanoprobing apparatus that measures electrical characteristics by directly contacting a measurement probe with a fine area has attracted attention. According to this, a measurement probe can be brought into direct contact with a terminal of a nanodevice such as a transistor of a 10 nm generation process, and its electrical characteristics can be evaluated, which is a great feature not found in other analysis techniques.
  • EBAC Electro Beam Absorption Current
  • an absorption current flowing locally between the irradiation position of the electron beam and the measurement probe is detected, and the obtained change in the signal amount is associated with the scanning of the electron beam as a contrast, so that an image (EBAC image) is obtained.
  • the EBAC image can be visualized including the internal information of the measurement sample, for example, the shape of the wiring formed in the depth direction of the sample. If there is a break in the wiring, the amount of absorption current detection depends on whether the electron beam irradiation position is on the wiring before the break or on the wiring beyond the break, as viewed from the contact point of the measuring probe. EBAC images are expressed with different contrasts. As a result, it is possible to easily grasp the failure location of the device without destroying the defective portion.
  • EBAC observation has the following problems.
  • (1) The contrast of an EBAC image is low for a defect having low resistance, and it is difficult to detect a defect portion. For example, taking a wiring failure as an example, in the case of an open fault such as a disconnection, a defective portion has a high resistance and a strong contrast can be obtained. Difficult to detect.
  • an EBIC Electro Beam Induced Current
  • the EBIC is a drift current generated by electrons and holes generated when an electron beam enters the vicinity of the junction, and a signal due to the EBIC reaction is a very strong current signal.
  • the current signal flowing into the EBAC apparatus ranges from about 10 nA due to the EBIC reaction to about 0.001 nA due to the structure portion through which a small amount of current flows. Even if such a wide-range signal is divided into, for example, 256 gradations to display the density of an image, the fineness of the information is lost, and the information is easily lost.
  • an amplifier used for EBAC observation may be saturated due to an excessive current flowing, and a difference in contrast cannot be displayed in a saturated region. In such a case, the current distribution information that should be obtained originally is missing, and as a result, it becomes difficult to physically interpret the phenomenon occurring in the microdevice.
  • an advantage of using a nanoprobing apparatus is that various electrical characteristics of a micro device can be measured, and device failure analysis can be performed from various viewpoints. Therefore, there is provided a semiconductor inspection apparatus capable of executing an analysis using a plurality of electric characteristic map images or an analysis using an electric characteristic map image in cooperation with an analysis using another analysis method.
  • a semiconductor inspection apparatus includes a sample table on which a sample is placed, an electron optical system that irradiates the sample with an electron beam, a measurement probe that is in contact with the sample, and a measurement probe from the measurement probe.
  • the timing of starting the irradiation and the timing of freezing the irradiation of the electron beam, the first measurement period in which the measuring instrument measures the output from the measurement probe in a state where the electron beam is irradiated on the sample, and the irradiation of the electron beam A second measurement period in which the measuring instrument measures the output from the measurement probe after the freeze is set, and the measured value of the output from the measurement probe in response to the irradiation of the sample with the electron beam is set to the first measurement period.
  • a first measurement value measured during a measurement period and a first measurement value measured during a second measurement period Determined from the difference between the second measurement value.
  • a semiconductor inspection apparatus is a sample stage on which a sample is placed, an electron optical system that irradiates the sample with an electron beam, and a measurement probe that is in contact with the sample, A measuring device that measures the output from the measuring probe, a detector that detects signal electrons emitted by the interaction between the electron beam and the sample, and an output from the measuring probe in response to the irradiation of the sample with the electron beam.
  • An electronic information system scans the sample two-dimensionally under the first imaging condition, and the information processing device creates an SEM image from a signal detected by the detector.
  • virtual coordinates are set based on the SEM image
  • the electron optical system scans the sample two-dimensionally under the second imaging condition
  • the information processing apparatus measures the output from the measurement probe measured by the measuring instrument.
  • the information processing device By coordinate transformation based the virtual coordinates to the first imaging condition and the second imaging condition, to identify on the electrical characteristic map image the position specified by the virtual coordinates.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a time change of a voltage signal and a measurement timing in that case.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a time change of a current signal and a measurement timing in that case.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a method of calculating a measurement value in voltage mapping measurement. It is an example of a sample.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of an EBAC image of the sample shown in FIG. 6.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating resistance dependence of a gradation difference in an EBAC image. 2 is an example of measurement by the measurement circuit of FIG.
  • FIG. 10 is current distribution data corresponding to the EBAC image shown in FIG. 2 is an example of measurement by the measurement circuit of FIG.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a micro device characteristic evaluation device of a first embodiment. It is a schematic diagram of a micro device characteristic evaluation device of a second embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a micro device characteristic evaluation device according to a third embodiment. It is a schematic diagram of a micro device characteristic evaluation device of a fourth embodiment. It is the schematic of the micro device characteristic evaluation apparatus of 5th Example. It is the schematic of the micro device characteristic evaluation apparatus of a 6th Example. It is the schematic of the micro device characteristic evaluation apparatus of 7th Example. It is a figure explaining the probing position setting operation in an 8th example.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a micro device characteristic evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the scanning electron microscope has an electron optical system 1, a detector 2, and a vacuum chamber 4 as its main components, and is controlled by a control device 12 connected by a communication cable 14.
  • a measurement sample 5 is placed on a sample table 6 in a vacuum chamber 4, and the measurement probe 3 is in contact with the measurement sample 5.
  • the measurement probe 3 is connected to a driving device (not shown) for moving the sample surface of the measurement sample 5, and is brought into contact with the measurement sample 5 by the operation of the driving device.
  • the output of the measurement probe 3 is connected to the differential amplifier 7 through the measurement cable 13, and the output signal of the differential amplifier 7 is input to the semiconductor parameter analyzer 8.
  • the semiconductor parameter analyzer 8 is a measuring device for a parametric test of a semiconductor device such as a current-voltage measurement and a capacitance measurement. A measuring instrument according to the measurement object and the content of the measurement may be used.
  • the semiconductor parameter analyzer 8 is connected to the information processing device 9 through a communication cable 14.
  • the cable for transmitting the analog signal is referred to as a measurement cable 13 (solid line)
  • the cable for transmitting the digital signal is referred to as a communication cable 14 (solid line).
  • the transfer characteristics, communication protocols, and the like may be different for each connected device.
  • the information processing device 9 controls the electron microscope, and creates and displays an SEM image from a signal detected from the detector 2, an EBAC image from a signal detected from the measurement probe 3, and an electric characteristic map image of the present embodiment.
  • a personal computer or the like can be applied.
  • the detector 2 detects signal electrons emitted by the interaction between the electron beam from the electron optical system 1 and the measurement sample 5. A plurality of detectors may be provided according to differences in the energy of signal electrons to be detected.
  • the amplification factor of the differential amplifier 7 is controlled by the information processing device 9. Thus, when the output signal of the differential amplifier 7 is excessive, the amplification factor can be reduced.
  • the measuring circuit in FIG. 1 has a configuration suitable for measuring a voltage as an electric characteristic and creating a voltage map image as an electric characteristic map image. Further, the voltage map image in the present embodiment can obtain high detection sensitivity for low-resistance defects as described later, and is therefore suitable for defect detection and failure analysis of low-resistance metal wiring and the like.
  • FIG. 2 shows a flow of creating a voltage map image by the micro device characteristic evaluation device of FIG.
  • the flow mainly includes condition setting for measurement (S10), measurement (S20), and imaging of measured values (S30).
  • S10 condition setting for measurement
  • S20 measurement
  • S30 imaging of measured values
  • an electron beam is irradiated to an arbitrary position on the sample surface (S11).
  • the signal of the measurement probe obtained as a result is amplified by the differential amplifier 7, and high-frequency random noise is removed from the voltage signal using the integration processing of the semiconductor parameter analyzer 8 (S12).
  • the integration process is a process in which signals mixed with random noise are added for a predetermined period and averaged as shown in FIG. Thereby, the influence of random noise can be removed.
  • FIG. 4A shows a pattern observed at the time of voltage measurement, which is a low-frequency noise unique to the microdevice characteristic evaluation apparatus.
  • the output signal (voltage signal) drifts due to the influence of vibration of an exhaust pump for exhausting the vacuum chamber 4 or electric noise of the evaluation device. In addition, it is not only the voltage signal that is affected by such low frequency noise.
  • a current map image is created as an electric characteristic map image, a current signal is detected (the configuration of the device in that case will be described later). However, the current signal also has low frequency noise.
  • FIG. 4B is a pattern observed at the time of current measurement, and shows a change in an output signal (current signal) having a time constant due to the capacitance when the measurement sample 5 is a high-resistance sample (such as a semiconductor).
  • the information processing device 9 obtains a time zone having the least time change from the time change of the voltage signal data (or the current signal data) of the measurement sample 5 from which the random noise has been removed, for example, by differential analysis.
  • time zones t1 to t3 can be detected as time zones with little time change. Therefore, the measurement timing is set so that the measurement is performed during the time period t1 to t3 (S14).
  • a measurement timing chart for the signal waveform 401 is 403
  • a measurement timing chart for the signal waveform 402 is 404.
  • the irradiation of the electron beam to the measurement sample 5 is frozen at t2 between the time zones t1 and t3, and the time zones t1 and t2 immediately before that and the time zones t2 and t3 immediately after that.
  • the output signal is measured at.
  • Each of the time zones t1 to t2 and each of the time zones t2 to t3 must have a time for performing an integration process for removing high-frequency random noise.
  • FIG. 5 shows a state of the measurement.
  • the measurement probe 3 is in contact with one point 502 of the sample surface 501, and the electron beam 500 scans on the sample surface 501 in the X direction and the Y direction.
  • a cell virtually shown on the sample surface 501 indicates the irradiation position of the electron beam 500, and corresponds to one pixel of the voltage map image.
  • the irradiation position is moved to, for example, the position 503 (S21), and irradiation of the electron beam 500 is started (S22).
  • the output signal is measured at the measurement timings t1 to t2 determined in the condition setting (S23).
  • the information processing device 9 stores the output data (herein referred to as “electron beam irradiation data”) on which the integration process has been performed in the database 11 (S24). Subsequently, at time t2, the irradiation of the position 503 of the electron beam 500 is frozen (S25), and the output signal is measured at the measurement timings t2 to t3 determined in the condition setting (S26). Also in this measurement, the integration processing by the semiconductor parameter analyzer 8 is performed. The information processing device 9 stores the output data (herein referred to as “electron beam non-irradiation data”) on which the integration process has been performed in the database 11 (S27).
  • the information processing device 9 determines whether irradiation and measurement have been completed at all irradiation positions (S28), and moves to the next irradiation position if not completed. For example, the irradiation position is moved to a position 504 adjacent to the position 503 in the X direction (S21), and irradiation with the electron beam 500 is started (S22). When the irradiation of the electron beam to all the irradiation positions and the measurement have been completed, the measurement is terminated, and the measurement results at all the irradiation positions are stored in the database 11.
  • the flow of the measurement (S20) in FIG. 2 shows a large flow, and is not limited to this.
  • the electron beam irradiation data and the electron beam non-irradiation data do not need to be stored in the database 11 for each irradiation, but are stored in a unit.
  • the information processing device 9 temporarily stores the data and completes the measurement. You may make it save in the database 11 later.
  • the information processing device 9 controls the gain of the differential amplifier 7 so that the measurement by the semiconductor parameter analyzer 8 can be appropriately performed, the output data is not converted to the output value of the semiconductor parameter analyzer 8 but to the differential amplifier 7. It is desirable to store a value obtained by correcting the gain of the above as output data.
  • the output data and the gain of the differential amplifier 7 may be stored as a set.
  • Imaging (S30) is performed using the electron beam irradiation data and the electron beam non-irradiation data obtained in the measurement (S20).
  • the difference between the electron beam irradiation data and the electron beam non-irradiation data is calculated as a measured value (S31).
  • This operation removes the influence of low frequency noise from the measured value.
  • the measurer can display the numerical value according to the analysis viewpoint.
  • a numerical mapping image can be created and displayed.
  • loss of information such as crushed black can be avoided, and wide-range analysis can be performed.
  • FIG. 6 shows an example of a sample used as an analysis target.
  • a resistor 602 is formed over an insulator layer 600, and electrodes 603 and 604 are provided with the resistor 602 interposed therebetween.
  • the measurement probe 3a connected to the + terminal of the differential amplifier 7 is in contact with the electrode 603, and the measurement probe 3b connected to the-terminal of the differential amplifier 7 is in contact with the electrode 604.
  • the insulator layer 600 is formed of a SiO 2 layer
  • the resistor 602 is formed of Si
  • the electrodes 603 and 604 are formed of Al.
  • a plurality of samples having different resistance values were prepared as the resistance value of the resistor 602.
  • FIG. 7A When the sample shown in FIG. 6 is observed by EBAC, when the resistance value of the resistor 602 is high (for example, on the order of several tens of k ⁇ ), as shown in FIG. 7A, the EBAC image 610 is separated from the resistor 602 by a boundary. Strong contrast is displayed. From this, it can be determined that there is a resistor at the contrast change point. This corresponds to performing an open fault defect detection in the failure analysis of the semiconductor device. However, as the resistance value of the resistor 602 decreases, the difference between the high contrast portion 611 and the low contrast portion 613 decreases.
  • FIG. 7B is a diagram illustrating the resistance dependence of the gradation difference in the EBAC image 610.
  • the horizontal axis represents the resistance value of the resistor 602
  • the vertical axis represents the gradation difference between the low contrast portion 613 and the background portion 612 corresponding to the insulator layer 600.
  • the electron dose (probe current) applied to the sample is 1 nA.
  • the gradation difference from the background portion 612 increases, and when the resistance value of the resistor 602 is on the order of several hundred ⁇ , the resistance value of the resistor 602 changes.
  • the gradation difference 620 becomes very small. For this reason, it is impossible to visually recognize the contrast difference from the EBAC image.
  • the voltage generated when a 100 ⁇ resistor is irradiated with an electron beam with an electron dose of 1 nA is 0.1 ⁇ V. Therefore, in order to enable detection of a defect such as a short-circuit of a wiring, a very small voltage of about 0.1 ⁇ V is required. It is necessary to determine the difference between the voltage signals.
  • FIG. 8 shows the result of measurement of the same sample using the measurement circuit in the micro device characteristic evaluation device of FIG.
  • FIG. 8 shows a voltage signal amount measured by the semiconductor parameter analyzer 8 in the measurement circuit in FIG. 1 when the region of the electrode 603 or the electrode 604 is irradiated with an electron beam in the sample shown in FIG.
  • the measurement was performed on three types of samples in which the resistance value of the resistor 602 was 803 ⁇ , 290 ⁇ , and 186 ⁇ , respectively.
  • the position of the measurement probe 3 was as shown in FIG. 6, and the irradiation current of the electron beam was also 1 nA, which was the same as in the above-mentioned EBAC observation.
  • the gain of the differential amplifier 7 is set to 1000 times, and the measuring method is as described with reference to FIGS.
  • the voltage map image of the present embodiment can be formed by shading the magnitude of the voltage signal amount to obtain a pixel value at the electron beam irradiation position.
  • a result using a voltage amplifier (gain 100000 times) instead of the differential amplifier 7 is also shown.
  • the absolute value of the voltage value output from the differential amplifier 7 tends to decrease as the resistance value of the resistor 602 decreases.
  • the fact that such a difference in resistance can be detected by the measurement circuit of the present embodiment means that abnormality detection of a low resistance failure has become possible.
  • the voltage amplifier shown as the comparative example the data was buried in the noise, and the value could not be obtained.
  • the minimum measuring voltage of a general measuring instrument used for a parametric test of a semiconductor device is about 0.5 ⁇ V.
  • the measurement circuit of the present embodiment enables a small difference of about 0.1 ⁇ V between the voltage signals. For this reason, the measurement circuit of the present embodiment thoroughly removed noise. Since the differential amplifier 7 amplifies the difference between the two measurement cables, it is possible to remove noise applied to both measurement cables in the same manner. Next, as described above, the integrating process is performed by the measuring device, and the random noise that cannot be removed by the differential amplifier 7 is removed. Furthermore, low-frequency noise is removed by measuring at the measurement timing determined by the condition setting described with reference to FIG.
  • the types of noise that can be dealt with are each determined for the noise removal method, and high sensitivity detection is realized by utilizing a wide range of methods.
  • the information processing device 9 adjusts the amplification factor of the differential amplifier 7 or the integrated amount by a measuring device. As described above, the information processing device 9 not only acquires and processes the measurement data, but also plays a role of providing an optimal noise removal step according to the type of noise included in the measurement data.
  • FIG. 9 is an example of an EBAC image obtained by observing a semiconductor layer.
  • the darkened portion 900 is a reaction from the semiconductor layer.
  • FIG. 10 shows the result of measurement using the measurement circuit in the micro device characteristic evaluation apparatus of FIG. This is a graph obtained by measuring the current value of a portion 900 of a blackened portion. From this, it can be recognized that although the EBAC image has been blackened, a current change exists in that region. As described above, detailed information can be obtained even in an area where information cannot be obtained from the EBAC image, and physical interpretation in such an area can be performed.
  • the contrast of the EBAC image is based on the amount of absorption current.
  • the amount of absorbed current changes depending on the nanoscale internal structure of the measurement sample and the complicated behavior of the incident electrons, and thus, only visual observation of the contrast limits the information obtained.
  • the present embodiment since the voltage value can be accurately measured by the micro device characteristic evaluation apparatus of FIG. 1, the present embodiment has a potential to obtain information that cannot be obtained by the conventional EBAC image. I have.
  • FIG. 11 shows voltage values measured by irradiating the position 605 shown in FIG. 6 with an electron beam for each sample.
  • the horizontal axis shows the resistance value of the resistor 602
  • the vertical axis shows the voltage value (however, this voltage value is a value after amplification by a differential amplifier).
  • FIG. 11 it was found that the six samples were divided into two groups by making a graph focusing on the numerical value of the voltage value.
  • the two groups differed in the size of the resistor 602.
  • the group 701 had a resistor width of 10 ⁇ m
  • the group 702 had a resistor width of 1 ⁇ m.
  • FIG. 12 shows a first embodiment of the micro device characteristic evaluation apparatus.
  • the differential amplifier 7 is connected to the semiconductor parameter analyzer 8 and the EBAC control device 21 through the switch 20. By this switching, it is possible to switch between electric characteristic map observation and EBAC observation.
  • the EBAC control device 21 outputs the output of the differential amplifier 7 as a signal indicating the amount of absorption current at the irradiation position of the electron beam, and causes the information processing device 9 to image the EBAC image 22.
  • the measurement circuit in the micro device characteristic evaluation apparatus shown in FIG. 12 is adapted to the low-resistance failure analysis that is difficult to detect in the EBAC image, and detects and analyzes defects in the wiring structure of the LSI device. Can be used for such.
  • polishing is performed until the measurement contact of the LSI device comes to the surface.
  • the polished LSI device is used as a measurement sample 5, and the measurement probe 3 is brought into contact with the contact exposed on the surface.
  • the output of the differential amplifier 7 is switched to the EBAC control device 21, and the desired Search for the wiring section.
  • the output of the differential amplifier 7 is switched to the semiconductor parameter analyzer 8, the observation is switched to the voltage map observation, and the voltage map image 15 is used for detailed analysis.
  • the semiconductor parameter analyzer 8 the observation is switched to the voltage map observation, and the voltage map image 15 is used for detailed analysis.
  • FIG. 13 shows a second embodiment of the micro device characteristic evaluation apparatus.
  • This embodiment relates to a GUI (Graphical User Interface) of a micro device characteristic evaluation apparatus, in order to analyze an electric characteristic map image in detail, designates a part of the electric characteristic map image from a user interface, and measures a designated portion. Display values graphically. As a result, the details of the point of interest can be immediately grasped as numerical data, which is useful for analyzing an electrical phenomenon occurring in the sample.
  • GUI Graphic User Interface
  • the analysis data of the present embodiment is displayed on the two-screen monitors 10a and 10b.
  • a linear mark 25 can be drawn on the GUI on the voltage map image 15 displayed on the monitor 10b.
  • the information processing device 9 specifies the position specified by the mark 25 on the voltage map image 15 and displays the measured value of the position as a graph 26 on the monitor 10b.
  • the graph 26 displays the position specified by the mark 25 on the horizontal axis and the measured value (voltage value in this case) at that position on the vertical axis.
  • FIG. 14 shows a third embodiment of the micro device characteristic evaluation apparatus.
  • the present embodiment also enables the GUI of the micro device characteristic evaluation apparatus to perform an electric characteristic map observation on a plurality of samples and to compare the observation results (electric characteristic map images) side by side. Further, a predetermined portion of the electric characteristic map image is designated from the user interface, and the measured value of this portion is displayed as a graph.
  • the analysis data of the present embodiment is also displayed on the two-screen monitors 10a and 10b.
  • the voltage map images 15a to 15d displayed on the screen monitor 10b point marks 30a to 30d for the user to specify the positions to be compared can be specified on the GUI.
  • the measured value at the specified position is extracted from the database 11, and the monitor 10a sets the measured value at the specified position (in this case, the voltage value) on the monitor 10a and the horizontal axis indicates the name of the sample to be compared. It is displayed as a graph 31.
  • FIG. 15 shows a fourth embodiment of the micro device characteristic evaluation apparatus.
  • a current signal is acquired from the measurement probe 3 and a current map image 35 is created.
  • the output of the measuring probe 3 is connected to the semiconductor parameter analyzer 8 through the measuring cable 13.
  • Observation using the voltage map image assumes detection of an abnormality in the low-resistance wiring structure of the LSI device, whereas observation using the current map image assumes detection of an abnormality in the PN junction of the semiconductor layer of the LSI device. Since the measurement accuracy of a measuring instrument for a parametric test of a general semiconductor device such as the semiconductor parameter analyzer 8 has sufficient accuracy for the present application, the measuring circuit of the present embodiment uses the measuring probe 3 The output is connected to the semiconductor parameter analyzer 8 as it is.
  • the current distribution amount of the semiconductor layer can be observed by observing the current map image of the semiconductor layer. By comparing this with a semiconductor simulation or the like, a semiconductor structure such as a doping amount can be estimated.
  • FIG. 16 shows a fifth embodiment of the micro device characteristic evaluation apparatus.
  • the present embodiment is a micro device characteristic evaluation apparatus that creates a pulse response map image 41 as an electric characteristic map image.
  • the output of the measurement probe 3 is connected to the oscilloscope 40 through the measurement cable 13.
  • the oscilloscope 40 is connected to the information processing device 9 through the communication cable 14.
  • an incident electron beam to be irradiated is incident at a predetermined interval and a pulse width.
  • the oscilloscope 40 measures a probe current 42 generated in a pulse form by the pulsed electron beam, measures a pulse rise time 43, and transmits the pulse data to the information processing apparatus 9 as numerical data.
  • the information processing device 9 determines the pixel value of each pixel by dividing the pulse rise time 43 measured by the oscilloscope 40 into, for example, 256 gradations, and creates a pulse response map image 41 as a numerical mapping image.
  • the pulse response map image 41 shown in FIG. 16 schematically shows an image observed for the wiring structure of the LSI device.
  • the metal wiring portion is displayed in black because the pulse probe current rises rapidly, whereas the insulating layer portion is basically displayed in white.
  • the region 44 where the metal wirings are close to each other has a capacitance component, a contrast according to the magnitude of the capacitance component appears.
  • the inter-wiring capacitance causing signal delay and noise can be observed from the pulse response map image 41.
  • Abnormalities can be analyzed from the contrast appearing in the pulse response map image, and abnormalities can be analyzed by comparing a normal device sample with a defective device sample.
  • the present invention is not limited to this example, and the pulse response characteristic in response to irradiation with the pulsed electron beam can be broadly measured as the electrical characteristic. .
  • the pulse response characteristic in response to irradiation with the pulsed electron beam can be broadly measured as the electrical characteristic.
  • measurement of a pulse width, a pulse current value, and the like can be considered.
  • FIG. 17 shows a sixth embodiment of the micro device characteristic evaluation apparatus.
  • a sectional voltage map image is created.
  • the measurement sample is a sample 45 obtained by obliquely polishing a bare silicon wafer into which oxygen ions have been implanted.
  • An electrode 46 for measuring electric characteristics is provided on the front surface of the sample table 6 from the back surface of the sample 45, and the sample 45 is mounted on the electrode 46.
  • the semiconductor parameter analyzer 8 By bringing the measurement probe 3 into contact with the electrode 46, a change in potential on the back surface of the sample 45 can be measured by the semiconductor parameter analyzer 8.
  • the output of the measurement probe 3 is directly connected to the semiconductor parameter analyzer 8 through the measurement cable 13 in order to measure a high resistance sample called a bare silicon wafer.
  • a differential amplifier is not used, measurement is performed according to the flowchart of FIG. 2 in order to remove the influence of high frequency random noise and low frequency noise.
  • the measurement accuracy is enhanced by making the reference potential of the vacuum chamber 4 and the reference potential of the semiconductor parameter analyzer 8 common.
  • the surface of the sample 45 polished obliquely is irradiated with an electron beam.
  • the potential V1 is measured from the measurement probe 3 by irradiating the first electron beam irradiation position P1 with the electron beam.
  • the electron beam is scanned, and the irradiation position P2 is irradiated with the electron beam to measure the potential V2.
  • a value obtained by subtracting the potential V1 from the potential V2 is a potential difference Vmap1 between the depth position Pd2 (the position in the depth direction of the irradiation position P2, the same applies hereinafter) and the depth position Pd1, and the potential difference Vmap1 is determined by the position.
  • the potential V3 is measured by irradiating the irradiation position P3 with an electron beam.
  • the value obtained by subtracting the potential V2 from the potential V3 becomes a potential difference Vmap2 between the depth position Pd2 and the depth position Pd3, and the potential difference Vmap1 is stored in the database 11 together with the position data (Pd2, Pd3).
  • the same operation is repeated along the obliquely polished surface.
  • the scanning of the electron beam, the potential measurement, and the calculation of the depth position are automatically performed. For example, the depth position can be calculated based on the horizontal distance between the polishing start position and the electron beam irradiation position and the inclination angle of the polished surface.
  • the position data (Pd1, Pd2), (Pd2, Pd3), etc. stored in the database 11 indicate the depth of the silicon section, and the potential difference data Vmap1, Vmap2, etc., corresponding to this position are imaged as grayscale display. Thus, a sectional voltage map can be created.
  • FIG. 18 shows a seventh embodiment of the micro device characteristic evaluation apparatus.
  • a simulator is used together.
  • FIG. 18 shows an example in which a voltage map image is created as an electric characteristic map image, and the configuration of a measurement circuit of the micro device characteristic evaluation apparatus is the same as that in FIG. Note that the measurement circuit can be configured according to the electric characteristics for creating the electric characteristic map image.
  • the semiconductor parameter analyzer 8 is shown as an example of a measuring instrument used for measuring electric characteristics, an oscilloscope, an impedance analyzer, an LCR meter, or the like can be used according to the electric characteristics to be measured.
  • the information processing apparatus 9 in the present embodiment enables parallel processing calculation by a GPU (Graphics Processing Unit).
  • a GPU Graphics Processing Unit
  • a two-dimensional simulation of the voltage mapping expected from the structure of the measurement sample is executed, and data collection and image processing for creating a voltage map image are performed.
  • a part of the GPU processor is reserved for voltage measurement and voltage map image creation / display.
  • the structure of the measurement sample 5 is used as a simulation model, which is generated when an electron beam is incident on this structure. The required voltage is calculated for each position on the sample surface.
  • the voltage map image 15 obtained by actual measurement of the measurement sample 5 is displayed on the monitor 10b, and the simulation image 50 predicted by the above-described simulation is displayed on the monitor 10a, and by comparing the two, it is possible to estimate the presence or absence of an abnormality.
  • the application of the information processing device 9 capable of parallel processing calculation processing by the GPU irrespective of the combined use of the simulator is effective because the creation of the electric characteristic map has a large calculation load. is there.
  • FIG. 19 shows an eighth embodiment of the micro device characteristic evaluation apparatus.
  • the measurement probe 3 is automatically brought into contact with the plurality of contacts on the sample surface, and the electrical characteristic mapping measurement (for example, voltage mapping measurement) of the plurality of wiring structures can be automatically performed.
  • the configuration of the micro device characteristic evaluation apparatus is the same as that of FIG. 1 when performing voltage mapping measurement.
  • the information processing device 9 controls the driving device of the measurement probe 3 so as to move the measurement probe 3 onto a desired contact and make contact therewith.
  • the probing position setting operation in the eighth embodiment will be described with reference to FIG.
  • three contacts 55a to 55c are formed on the surface of the sample 5, and the measurement probe 3a is in contact with the first contact 55a, and the measurement probe 3b is in contact with the third contact 55c. Is shown.
  • the measuring probe 3a is moved to the contact 55b, and the electric current is measured while the measuring probe is in contact with the contacts 55b and 55c. It is assumed that characteristic mapping measurement is performed.
  • the information processing device 9 sets three-dimensional virtual coordinates 56 in the X, Y, and Z directions, and controls the movement of the measurement probe 3 according to the virtual coordinates 56.
  • FIG. 19 shows a state in which virtual coordinates in the X and Y directions and virtual coordinates in the Z direction set by the information processing device 9 are superimposed on the measurement sample 5 for convenience of explanation.
  • the virtual coordinates in the X and Y directions can be appropriately set in the SEM image.
  • the position coordinates of the first contact 55a are (0, 0)
  • the second contact to be the destination is
  • the position coordinate of 55b is (7, 5).
  • the measurement probe 3 can obtain an appropriate contact by the elastic tip contacting the contact 55 with a predetermined contact pressure. For this reason, in order to move the contact that is in contact, the tip is once moved in the Z direction until it is completely separated from the contact (pulled up), then moved in the (X, Y) direction, and then re-determined at the predetermined contact. It is necessary to move (pull down) in the Z direction so as to come into contact with the destination contact by pressure. For this reason, it is necessary to grasp the amount of drive in the Z direction by the drive device from the state where the contact is properly contacted to the state where the contact is completely separated, and this is specified by the scale of the virtual coordinates in the Z direction.
  • the measurement sample 5 is irradiated with an electron beam while the measurement probe 3 is in contact with the contacts 55a and 55c, and the voltage is measured.
  • the measurement probe 3a is pulled up in the Z direction while irradiating the electron beam. It is assumed that the measurement voltage becomes 0 at the scale 5 in the Z direction.
  • the information processing device 9 can control the contact / non-contact of the measurement probe 3 with the contact 55 by driving the driving device to move the measurement probe 3 up and down by five divisions.
  • the scale in the Z direction is equally divided at an arbitrary time based on the drive time of the measuring probe 3 in the Z direction, and this time interval is virtually associated with the scale in the Z direction. This can be achieved by: For example, one graduation in the Z direction can be set as driving the measuring probe 3 in the Z direction for 5 seconds by the driving device.
  • the measurer specifies the positions of the plurality of contacts using the virtual coordinates, and the information processing device 9 automatically moves the measurement probe 3 sequentially toward the specified virtual coordinates (X, Y). Then, by bringing the sample into contact with the contact of the measurement sample 5, automatic measurement can be performed. Thereby, the information processing device 9 can display the voltage map images palpated at a plurality of places on the monitor, and can obtain a high measurement throughput.
  • the virtual coordinates of the present embodiment can be used not only for setting the probing position but also for setting the electron beam irradiation position.
  • FIG. 20 shows a ninth embodiment of the micro device characteristic evaluation apparatus.
  • the micro device characteristic evaluation device of the present embodiment has the EBAC control device 21 for acquiring the dynamic EBAC image 62.
  • the output of the measurement probe 3 is input to the EBAC controller 21 or the oscilloscope 40 by the switch 60. Further, a voltage amplifier 61 for amplifying the output of the measurement probe 3 is provided between the switch 60 and the EBAC control device 21.
  • the measurement sample 5 is irradiated with a pulsed electron beam
  • the EBAC controller 21 measures the amount of absorption current in synchronization with the pulsed electron beam
  • the information processing device 9 creates an EBAC image based on the measured amount of absorption current. This makes it possible to obtain a dynamic EBAC image that is different from a normal EBAC image and reflects the capacitance component in the measurement sample. Since the EBAC observation can observe a wide range of the sample surface at high speed, the dynamic EBAC observation confirms the approximate abnormal part, and for the electric characteristic mapping measurement that requires time for the measurement processing, the measurement area is narrowed down to a pulse response map image. By creating and analyzing 41, it is possible to efficiently perform abnormality detection and analysis.
  • FIG. 21 shows a tenth embodiment of the micro device characteristic evaluation apparatus.
  • a voltage signal is applied to the measurement sample 5 from a probe different from a probe for acquiring an electric characteristic map image, and a voltage contrast image 66 obtained at this time and an electric characteristic map (voltage Map) and an image.
  • a signal applied to the probe is not limited to a static DC signal, and a signal form such as a dynamic high-frequency signal is not limited.
  • the measuring probe 3 is connected to the semiconductor parameter analyzer 8 through the voltage signal applying cable 65 and the measuring cable 13, respectively.
  • the voltage signal application cable 65 is merely distinguished from the measurement cable 13 as a function, and is a cable for transmitting an analog signal, and the same cable as the measurement cable 13 may be used.
  • a predetermined voltage signal is applied to the measurement sample 5 from the semiconductor parameter analyzer 8 through the measurement probe 3a.
  • the information processing device 9 creates a voltage contrast image 66 based on the detection signal from the detector 2.
  • the output voltage from the measurement probe 3b is measured by the semiconductor parameter analyzer 8, and a voltage map image is created.
  • the measurement method for creating the voltage map image follows the flow of FIG. 2, but in the example of FIG. 21, the purpose is to detect and analyze a defect such as an open fault, and the obtained signal is relatively large.
  • the amplification by the differential amplifier as in the device characteristic evaluation apparatus is not performed, and the semiconductor parameter analyzer 8 measures the output voltage from the measurement probe 3b as it is.
  • FIGS. An eleventh embodiment of the micro device characteristic evaluation apparatus will be described with reference to FIGS.
  • a method of setting virtual coordinates in electrical characteristic mapping measurement will be described.
  • the first embodiment, the ninth embodiment, and the tenth embodiment examples in which the cooperative analysis with another evaluation method is performed have been described.
  • the second embodiment see FIG.
  • the measured values are graphed by designating the region in the electric characteristic map image.
  • the region is determined from the SEM image or an image obtained by another evaluation method, for example, the EBAC image. It is also conceivable to use a GUI in which electrical characteristics are specified and measured, and the measured values are graphed.
  • the positional relationship between the various electric characteristic map images, the EBAC images, and the voltage contrast images is matched based on the SEM image created by the information processing device 9 based on the detection signal from the detector 2.
  • the SEM image is used as a reference because the SEM image shows the structure of the sample in detail, and it is easy to set a reference position for setting virtual coordinates.
  • the configuration of the micro device characteristic evaluation device is the same as the configuration of FIG. 1, but a measurement circuit is configured according to the electrical characteristics to be measured and the evaluation method to be applied.
  • FIG. 22 is an example of an SEM image 70 acquired by the micro device characteristic evaluation device.
  • the field of view of the SEM image is set according to the region to be evaluated.
  • two wirings 71 and 72 can be observed on the sample surface. Therefore, three of the corners of the wires 71 and 72 are respectively matched with the first marker 73, the second marker 74, and the third marker 75, and these are registered in the information processing device 9 as reference positions. Note that, as will be described later, at least three markers are required because they serve as references for virtual two-dimensional coordinates, and it is desirable that the positions of the markers be set as far away from each other as possible in the SEM image 70.
  • the marker is set using the corner of the wiring as a mark, but the structure of the sample serving as the mark is not limited to the wiring. It is not limited to the structure of the sample, and may be a foreign matter. Further, the shapes of the markers 73 to 75 are not limited to those shown in the drawings.
  • virtual coordinates (X, Y) are set.
  • the virtual marker 76 is set by the information processing device 9 with the first marker 73 as the origin (0, 0).
  • the EBAC image and the electrical characteristic map image are associated with the positional relationship.
  • the range in which the electron beam is operated is the same as when the SEM image is created. Can be shared by the EBAC image and the electric characteristic map image as the same.
  • virtual values are set based on the imaging conditions (electron beam deflection control amount, magnification change amount, etc.) when the SEM image is obtained and when the EBAC image or the electric characteristic map image is obtained. By performing coordinate conversion of the coordinates, the position of the EBAC image and the position of the electric characteristic map image corresponding to the position specified by the virtual coordinates can be specified for each of the EBAC image and the electric characteristic map image.
  • the position specified on the EBAC image is converted into a position on virtual coordinates, and the electric characteristics are calculated based on the virtual coordinates.
  • the measured value can be obtained.
  • the present invention has been described with reference to a plurality of embodiments.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, but includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described above.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of one embodiment can be added to the configuration of another embodiment.

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Abstract

微小デバイスの不良解析において高感度に異常を検出できる半導体検査装置を提供する。半導体検査装置は、試料を載置する試料台６と、試料に電子線を照射する電子光学系１と、試料に接触される測定探針３と、測定探針からの出力を測定する測定器８と、試料への電子線の照射に応答した測定探針からの出力の測定値を取得する情報処理装置９とを有し、情報処理装置は、試料に対して電子線の照射を開始するタイミング及び電子線の照射をフリーズするタイミングと、電子線が試料に照射された状態で測定器が測定探針からの出力を測定する第１の測定期間と、電子線の照射がフリーズされた後に測定器が測定探針からの出力を測定する第２の測定期間とを設定し、試料への電子線の照射に応答した測定探針からの出力の測定値を、第１の測定期間に測定された第１の測定値と第２の測定期間に測定された第２の測定値との差から求める。

Description

半導体検査装置
　本発明は、半導体の検査装置に関するものであり、特に、電子顕微鏡を用いた微小デバイス特性評価装置による半導体デバイスの故障解析技術に関するものである。
　半導体デバイスの微細化により、大規模集積回路（ＬＳＩ：Large-Scale Integration）の高速化、高性能化が進んでいる。このような半導体デバイスの微細化に伴って、トランジスタ数、配線数、コンタクト数が増大し、故障デバイスの不良解析は複雑化するとともに、微小デバイスにおける故障検出技術に対しては、より高感度化が求められている。なお、微小デバイスとはＬＳＩに集積される素子やＬＳＩに形成される配線等の微細構造を指す。現在、この故障検出技術として、微細な領域に測定探針を直接接触させて電気特性を測定するナノプロービング装置が注目されている。これによれば、10ｎｍ世代プロセスのトランジスタなどのナノデバイスの端子に直接、測定探針を接触させ、その電気特性を評価でき、他の解析技術にはない大きな特徴となっている。
　ナノプロービング装置を用いたデバイス故障解析手法として、このような電気特性の測定の他に、特許文献１等に示されるＥＢＡＣ（電子ビーム吸収電流：Electron Beam Absorption Current）観察と呼ばれる故障解析手法が知られている。通常のＳＥＭ観察では、試料に電子線（１次電子）を入射することにより発生する２次電子を検知して試料表面の構造観察を行うが、このとき入射した１次電子の一部は２次電子の発生に寄与することなく、エネルギーを失って、試料中に流れる微弱な電流（吸収電流）となる。ＥＢＡＣ観察では、電子線の照射位置と測定探針との間に局所的に流れる吸収電流を検出し、得られた信号量の変化をコントラストとして電子線の走査に対応付けることにより、画像（ＥＢＡＣ像）として表示する。ＥＢＡＣ像では、測定試料の内部情報、例えば、試料の深さ方向に形成された配線の形状を含めて可視化することができる。配線に断線箇所があると、測定探針の接触箇所からみて、電子線照射位置が断線箇所の手前の配線上にあるか、断線箇所の先の配線上にあるかによって、吸収電流の検出量が異なり、ＥＢＡＣ像では異なるコントラストで表現される。これにより、欠陥部分を破壊することなく、簡便にデバイスの故障箇所を把握することができる。
特開２０１０－１３５６８４号公報
　このようなＥＢＡＣ観察であるが、以下のような課題がある。
（１）低抵抗性の欠陥に対してＥＢＡＣ像のコントラストが弱く、欠陥箇所の検知が難しい。例えば、配線不良を例にとると、断線のようなオープン障害の場合は欠陥箇所が高抵抗となり強いコントラストを得られるが、配線ショートの場合はＥＢＡＣ像に強いコントラストが得られない場合が多く、検知が難しい。
（２）ＥＢＡＣ像の画像処理において、コントラストの黒潰れなど、映像信号のデジタル処理やアンプの特性に起因してＥＢＡＣ情報の欠損が生じることがある。
　まず、第１の課題に関し説明する。ＥＢＡＣ観察では、低抵抗体の場合、入射する電子線量（以降、プローブ電流と表記）に対して、試料中の抵抗体が発する電圧信号は、極めて小さくなる。このため、低抵抗の材料同士の場合、電圧信号の違いとしてほとんど表れず、その結果ＥＢＡＣ像のコントラストから異常個所の検出が困難となることが多い。
　ＥＢＡＣ像のコントラストを高めるため、ショットキー電子銃などの大きなプローブ電流が得られる電子銃を用いることで、より大きな反応信号（電圧信号）を得ることは可能である。しかし、過度のプローブ電流の照射は、それにより欠陥部を変質させることがあり、故障解析の観点からは好ましくない。このため、ＥＢＡＣ（ＥＢＩＣ）測定システムの高感度化、例えば、ロックインアンプの導入や、映像信号の階調数増加によるＥＢＡＣ像の高感度化などが、報告されている。しかし、測定対象とする微小デバイスには、容量性の時定数をもつ部分が存在することがある。ロックインアンプによるノイズの除去には、最適な参照周波数を設定する必要があるが、測定箇所が容量性の時定数を有していると、測定信号がなだらかに減衰し、ノイズが十分に除去できないことがある。半導体検査装置としては、試料が容量性の時定数をもつ部分を有していても、低ノイズ・高感度測定が可能な装置が望ましい。
　次に、第２の課題に関し説明する。半導体層と金属層とが混在する試料を、電流アンプを用いてＥＢＡＣ観察すると、ＥＢＡＣ像に半導体層の特有の反応であるＥＢＩＣ（電子線励起電流：Electron Beam Induced Current）反応が現れることがある。ＥＢＩＣは、電子線が接合近傍に入射した際に発生する電子と正孔によるドリフト電流であり、ＥＢＩＣ反応による信号は、極めて強い電流信号となる。このため、半導体層と金属層とが混在する試料を観察する場合にＥＢＡＣ装置に流れ込む電流信号は、ＥＢＩＣ反応による10ｎＡ程度から、電流のあまり流れない構造部による0.001ｎＡ程度までと広範囲となる。このような広範囲の信号を、例えば、256階調に振り分けて映像の濃淡を表示しても、情報のきめ細やかさは損なわれ、情報が欠損しやすい状態となる。あるいは、過度の電流が流れるとことでＥＢＡＣ観察に使用するアンプが飽和してしまうことがあり、飽和領域ではコントラストの違いを表示することができない。このような場合、本来得られるべき電流分布情報が欠損しており、結果、微小デバイスに生じている現象に対する物理的な解釈を行う上での妨げになってしまう。
　このように、検出信号の変化を画像化するＥＢＡＣ観察は簡便であるものの、測定内容によっては本来得られるべき情報を見逃してしまうことがある。本発明者らは、ナノプロービング装置を用いて計測した電気特性を画像化する（電気特性マッピング）にあたり、信号処理を高感度化することで従来のＥＢＡＣ観察では観察できなかったデバイス情報が得られることを確認した。加えて、ナノプロービング装置を用いる利点は微小デバイスの様々な電気特性を計測することができることにより、多様な観点からデバイス故障解析が行えることにある。このため、複数の電気特性マップ像による解析、あるいは電気特性マップ像による解析と他の解析手法による解析とを連携して実行可能な半導体検査装置を提供する。
　本発明の一実施の態様である半導体検査装置は、試料を載置する試料台と、試料に電子線を照射する電子光学系と、試料に接触される測定探針と、測定探針からの出力を測定する測定器と、試料への電子線の照射に応答した測定探針からの出力の測定値を取得する情報処理装置とを有し、情報処理装置は、試料に対して電子線の照射を開始するタイミング及び電子線の照射をフリーズするタイミングと、電子線が試料に照射された状態で測定器が測定探針からの出力を測定する第１の測定期間と、電子線の照射がフリーズされた後に測定器が測定探針からの出力を測定する第２の測定期間とを設定し、試料への電子線の照射に応答した測定探針からの出力の測定値を、第１の測定期間に測定された第１の測定値と第２の測定期間に測定された第２の測定値との差から求める。
　また、本発明のさらに別の一実施の態様である半導体検査装置は、試料を載置する試料台と、試料に電子線を照射する電子光学系と、試料に接触される測定探針と、測定探針からの出力を測定する測定器と、電子線と試料との相互作用により放出される信号電子を検出する検出器と、試料への電子線の照射に応答した測定探針からの出力の測定値を取得する情報処理装置とを有し、電子光学系は第１の撮像条件により試料上を２次元に走査し、情報処理装置は、検出器から検出された信号からＳＥＭ像を作成し、ＳＥＭ像に基づき仮想座標を設定し、電子光学系は第２の撮像条件により試料上を２次元に走査し、情報処理装置は、測定器により測定された測定探針からの出力の測定値に基づき電気特性マップ像を作成し、情報処理装置は、仮想座標を第１の撮像条件及び第２の撮像条件に基づき座標変換することにより、仮想座標により指定された位置を電気特性マップ像上で特定する。
　微小デバイスの不良解析において高感度に異常を検出できる電気特性マッピング測定可能な半導体検査装置を提供することができる。
　その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
微小デバイス特性評価装置の概略図である。 電圧マップ像を作成するフローチャートである。 積算処理による平均化を説明するための図である。 電圧信号の時間変化とその場合の測定タイミングを示す図である。 電流信号の時間変化とその場合の測定タイミングを示す図である。 電圧マッピング測定における測定値の算出方法を説明するための図である。 試料の例である。 図６に示した試料のＥＢＡＣ像の模式図である。 ＥＢＡＣ像における階調差の抵抗依存性を示す図である。 図１の計測回路による測定例である。 ＥＢＡＣ像の例である。 図９に示したＥＢＡＣ像に対応する電流分布データである。 図１の計測回路による測定例である。 第１実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。 第２実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。 第３実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。 第４実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。 第５実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。 第６実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。 第７実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。 第８実施例におけるプロービング位置設定動作を説明する図である。 第９実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。 第１０実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。 第１１実施例における仮想２次元座標の設定方法を説明するための図である。 第１１実施例における仮想２次元座標の設定方法を説明するための図である。
　図１に本発明の実施の形態にかかる微小デバイス特性評価装置の概略図を示す。走査型電子顕微鏡は、その主要な構成として電子光学系１、検出器２、真空チャンバ４を有し、通信ケーブル１４で接続される制御装置１２により制御される。真空チャンバ４中の試料台６に測定試料５が載置され、測定試料５には測定探針３が接触されている。なお、測定探針３は、測定試料５の試料表面を移動させるための駆動装置（図示せず）に接続されており、この駆動装置の動作により、測定試料５に接触される。測定探針３の出力は、測定ケーブル１３を通して差動アンプ７に接続され、差動アンプ７の出力信号が、半導体パラメータアナライザ８に入力されている。半導体パラメータアナライザ８は、電流－電圧測定、キャパシタンス測定など半導体デバイスのパラメトリックテストのための測定器である。測定対象、測定内容に応じた測定器を用いても構わない。半導体パラメータアナライザ８は、通信ケーブル１４を通して情報処理装置９に接続される。なお、ここではアナログ信号を伝達するケーブルを測定ケーブル１３（実線）と称し、デジタル信号を伝達するケーブルを通信ケーブル１４（実線）と称している。伝達特性や通信プロトコルなどは接続される装置間ごとに異なっていて構わない。情報処理装置９は電子顕微鏡を制御し、検出器２から検出された信号からＳＥＭ像、あるいは測定探針３から検出された信号からＥＢＡＣ像、本実施例の電気特性マップ像を作成、表示するための装置であり、例えば、パーソナルコンピュータなどが適用できる。検出器２は電子光学系１からの電子線と測定試料５との相互作用により放出される信号電子を検出するものである。検出する信号電子のエネルギー等の相違に応じた複数の検出器を備えていてもよい。差動アンプ７は、情報処理装置９よりその増幅率が制御される。これにより、差動アンプ７の出力信号が過大となっている場合には、増幅率を小さくすることができる。
　なお、図１の測定回路は、電気特性として電圧を測定し、電気特性マップ像として電圧マップ像を作成するのに適した構成である。また、本実施例における電圧マップ像は後述するように低抵抗性の欠陥に対して高い検出感度を得ることができるため、低抵抗性の金属配線等の欠陥検出や故障解析に適している。
　差動アンプ７は、プローブ電流によって測定探針３に生じる極めて微弱な試料からの信号を増幅して電圧信号を出力するが、その出力信号には様々なノイズがのっている。正確な電圧マップ像を得るには、このようなノイズは可能な限り除去する必要がある。図１の微小デバイス特性評価装置により、電圧マップ像を作成するフローを図２に示す。フローは、主に、測定のための条件出し（Ｓ１０）、測定（Ｓ２０）、測定値の画像化（Ｓ３０）を含む。まず、装置に測定試料５を設置し、測定探針３を、試料表面に接触させる（Ｓ０１）。続いて、条件出しを行う。除去すべきノイズは大きく、高周波数のランダムノイズと低周波数ノイズとに分けられる。まず、試料表面の任意の１カ所に電子線を照射する（Ｓ１１）。この結果得られた測定探針の信号を差動アンプ７で増幅し、この電圧信号を半導体パラメータアナライザ８の積算処理を用いて、高周波数のランダムノイズを除去する（Ｓ１２）。積算処理とは、図３に示すようにランダムノイズが混入する信号を、所定の期間加算し、平均化するものである。これにより、ランダムノイズの影響を除去できる。
　次に、高周波数のランダムノイズが除去された電圧信号データの時間変化を検出する（Ｓ１３）。出力信号は低周波数ノイズの影響を受けて時間変化する。図４Ａは電圧測定時にみられるパターンであり、微小デバイス特性評価装置に固有の低周波数ノイズである。真空チャンバ４を排気する排気ポンプの振動や評価装置の電気ノイズなどの影響により出力信号（電圧信号）がドリフトするものである。なお、このような低周波ノイズの影響を受けるのは電圧信号のみではない。電気特性マップ像として電流マップ像を作成する場合には電流信号を検出することになるが（その場合の装置構成等については後述する）、電流信号においても低周波数ノイズが存在している。図４Ｂは電流測定時にみられるパターンであり、測定試料５が高抵抗試料（半導体など）である場合に、その容量に起因して出力信号（電流信号）が時定数を有する変化を示す。
　そこで、情報処理装置９は、測定試料５のランダムノイズが除去された電圧信号データ（あるいは電流信号データ）の時間変化から、時間変化の最も少ない時間帯を、例えば、微分解析によって求める。具体的には、図４Ａ、Ｂの信号波形４０１，４０２において、時間変化の少ない時間帯として時間帯ｔ１～ｔ３が検出できる。そこで、測定が時間帯ｔ１～ｔ３の間で行われるよう、測定タイミングを設定する（Ｓ１４）。信号波形４０１の場合の測定タイミングチャートが４０３であり、信号波形４０２の場合の測定タイミングチャートが４０４である。いずれの場合も、時間帯ｔ１～ｔ３の間のｔ２において、電子線の測定試料５への照射をフリーズさせ、その直前の時間帯ｔ１～ｔ２、及びその直後の時間帯ｔ２～ｔ３の時間帯において出力信号の計測を行う。時間帯ｔ１～ｔ２、時間帯ｔ２～ｔ３がそれぞれ高周波数のランダムノイズを除去するための積算処理を行うための時間を有していなければならない。なお、電圧信号の測定の場合は、低周波ノイズの原因は電子線の照射ではないので、低周波ノイズの周期性を抽出し、基準時間（ｔ＝０）は低周波ノイズ波形をモニタして定められることになる。一方、電流信号の測定の場合は、低周波ノイズの原因が電子線の照射であるので、基準時間（ｔ＝０）は電子線の照射開始時間と一致する。以上により、ノイズの影響を抑えて測定するための条件出しが完了する。
　条件出し（Ｓ１０）において定められた測定タイミングにしたがって、測定試料５の測定を開始する（Ｓ２０）。図５に測定の様子を示す。試料表面５０１の１点５０２に測定探針３が接触させられており、試料表面５０１上を電子線５００がＸ方向及びＹ方向に走査される。試料表面５０１に仮想的に示したマス目は電子線５００の照射位置を表しており、電圧マップ像の１画素に対応する。まず、照射位置を例えば、位置５０３に移動し（Ｓ２１）、電子線５００の照射を開始する（Ｓ２２）。条件出しにおいて定められた測定タイミングｔ１～ｔ２において、出力信号の測定を行う（Ｓ２３）。この測定においては、半導体パラメータアナライザ８による積算処理が行われている。積算処理が行われた出力データ（ここでは「電子線照射データ」と呼ぶ）を、情報処理装置９は、データベース１１に保存する（Ｓ２４）。続いて、時間ｔ２において、電子線５００の位置５０３への照射をフリーズさせ（Ｓ２５）、条件出しにおいて定められた測定タイミングｔ２～ｔ３において、出力信号の測定を行う（Ｓ２６）。この測定においても、半導体パラメータアナライザ８による積算処理が行われている。積算処理が行われた出力データ（ここでは「電子線非照射データ」と呼ぶ）を、情報処理装置９は、データベース１１に保存する（Ｓ２７）。情報処理装置９はすべての照射位置で照射と計測が完了したかどうかを判定し（Ｓ２８）、未完了の場合には次の照射位置に移動する。例えば、位置５０３にＸ方向に隣接する位置５０４に照射位置を移動し（Ｓ２１）、電子線５００の照射を開始する（Ｓ２２）。全ての照射位置への電子線の照射と計測が完了している場合には計測を終了し、全ての照射位置での測定結果がデータベース１１に保存される。
　なお、図２の測定（Ｓ２０）のフローは大きな流れを示すものであり、これに限定されるものではない。例えば、電子線照射データや電子線非照射データは照射ごとにデータベース１１に保存する必要はなく、よりまとまった単位で保存する、例えば計測中は情報処理装置９が一時的に保存し、計測完了後にデータベース１１に保存するようにしてもよい。また、情報処理装置９は半導体パラメータアナライザ８の計測が適切に行えるように差動アンプ７のゲインを制御しているので、出力データを半導体パラメータアナライザ８の出力値そのままでなく、差動アンプ７のゲインを補正した値を出力データとして保存しておくことが望ましい。出力データと差動アンプ７のゲインとを組として保存してもよい。
　測定（Ｓ２０）で得られた電子線照射データ、電子線非照射データを用いて画像化（Ｓ３０）を行う。図５の５１０に示すように、電子線照射データと電子線非照射データとの差を測定値として算出する（Ｓ３１）。この演算により、測定値から低周波数ノイズの影響が除去される。この測定値の値に基づき各画素の画素値を決定し、数値マッピング画像（＝電圧マップ像）として表示する（Ｓ３２）。このとき、本実施の装置では、各画素に対応する位置に電子線を照射して計測した測定値（数値データ）を保有しているため、測定者はその解析視点に応じて、表示する数値の範囲を設定して、すなわち測定レンジを切り替えて、数値マッピング画像を作成、表示することができる。設定された数値の範囲で色や濃淡が識別可能となるように画素値を割り当てることにより、黒潰れなどの情報の欠損を回避し、ワイドレンジの解析が可能になる。
　以下、図１の微小デバイス特性評価装置を用いた解析例に基づき、第１の課題の解決について説明する。図６に解析対象として使用した試料の例を示す。絶縁体層６００上に抵抗体６０２を形成し、抵抗体６０２を挟んで電極６０３，６０４を設けている。電極６０３に差動アンプ７の＋端子に接続される測定探針３ａが接触され、電極６０４に差動アンプ７の－端子に接続される測定探針３ｂが接触される。ここでは、絶縁体層６００をＳｉＯ２層、抵抗体６０２をＳｉ、電極６０３，６０４をＡｌで形成している。抵抗体６０２の抵抗値として、異なる抵抗値を有する複数の試料を用意した。
　図６に示す試料をＥＢＡＣ観察した場合、抵抗体６０２の抵抗値が高い場合（例えば、数十ｋΩオーダー）には、図７Ａに示すように、ＥＢＡＣ像６１０は、抵抗体６０２を境にして強いコントラストが表示される。これより、コントラストの変化点に抵抗体があると判断できる。これは、半導体デバイスの不良解析において、オープン障害の欠陥検出を行うことに相当する。しかしながら、抵抗体６０２の抵抗値が小さくなるにつれて高コントラスト部分６１１と低コントラスト部分６１３との差が小さくなっていく。図７ＢはＥＢＡＣ像６１０における階調差の抵抗依存性を示す図である。横軸に抵抗体６０２の抵抗値を、縦軸に低コントラスト部分６１３と絶縁体層６００に相当するバックグラウンド部分６１２との階調差を示したものである。なお、ＥＢＡＣ観察条件として、試料に照射した電子線量（プローブ電流）は、1ｎＡである。このように、抵抗体６０２の抵抗値が小さくなるとバックグラウンド部分６１２との階調差も乏しくなり、抵抗体６０２の抵抗値が数100Ωのオーダーである場合、抵抗体６０２の抵抗値が変化しても、階調差６２０はごく小さなものとなる。このため、ＥＢＡＣ像からそのコントラスト差を視認することは不可能である。配線ショートのような低抵抗性の欠陥をＥＢＡＣ像で検知するのが困難であるのはこのことに起因する。100Ωの抵抗体に対して、電子線量1ｎＡの電子線を照射したときに発生する電圧は0.1μＶであるから、配線ショートのような欠陥を検出可能にするためには、約0.1μＶという微小な電圧信号の違いを判別する必要がある。
　同じ試料に対して、図１の微小デバイス特性評価装置における計測回路を用いて測定した結果を図８に示す。図８には、図６に示す試料において、電極６０３または電極６０４の領域に電子線を照射した時に、図１の計測回路における半導体パラメータアナライザ８で測定された電圧信号量を示している。抵抗体６０２の抵抗値がそれぞれ、803Ω、290Ω、186Ωの３種類の試料について測定を行った。本測定に際し、測定探針３の位置は、図６に示した通りであり、電子線の照射電流も、前述のＥＢＡＣ観察と同じ1ｎＡとした。差動アンプ７のゲインは1000倍とし、測定方法は、図２及び図５で説明した通りである。この電圧信号量の大小を濃淡化し、電子線照射位置の画素値とすることで、本実施例の電圧マップ像が形成できる。比較例として、差動アンプ７に代えて電圧アンプ（ゲイン100000倍）を用いた結果も示している。
　これより、抵抗体６０２の抵抗値の減少に伴い、差動アンプ７が出力する電圧値の絶対値が減少傾向にあることが確認できる。本実施例の測定回路により、この程度の抵抗の違いが検知できることは、低抵抗不良の異常検知が可能となったことを意味する。なお、比較例として示した電圧アンプでは、ノイズにデータが埋れ、値を取得することができなかった。
　現時点で半導体デバイスのパラメトリックテスト向けに使用される一般的な測定器の最小可能測定電圧は、0.5μＶ程度である。これに対して、本実施例の測定回路では約0.1μＶという、微小な電圧信号の違いを可能とする。このため、本実施例の測定回路では徹底的にノイズ除去を行った。差動アンプ７は２本の測定ケーブルの差分を増幅するため、両方の測定ケーブルに同じように加わるノイズを除去できる。次に上述したように、測定器により積算処理を行い、差動アンプ７では除去できなかったランダムノイズを除去する。さらに図２で説明した条件出しによって定めた測定タイミングにより計測し、電子線の照射時、非照射時の測定値の差分を測定値とすることにより、低周波数ノイズが除去される。ノイズの除去手法には、それぞれ対応できるノイズの種類が決まっており、幅広い手法を活用することで、高感度検出を実現する。
　加えて、信号量が大きくノイズの影響が小さくなった場合には、情報処理装置９によりは差動アンプ７の増幅率あるいは測定器による積算量などを調整する。このように、情報処理装置９は、測定データを取得、加工するだけでなく、測定データに含まれるノイズの種類に応じて最適なノイズ除去工程を提供する役割も果たしている。
　次に、第２の課題の解決について説明する。図９は半導体層を観察したＥＢＡＣ像の例である。黒つぶれした部分９００が半導体層からの反応である。これに対し、図１の微小デバイス特性評価装置における計測回路を用いて測定を行った結果を図１０に示す。黒つぶれした部分９００の部分の電流値を測定してグラフ化したものである。これより、ＥＢＡＣ像では、黒潰れしてしまっているが、その領域に電流変化が存在していることが認識できる。このように、ＥＢＡＣ像では情報の得られない領域についても、詳細な情報を得ることができ、このような領域における物理的な解釈を行うことが可能となる。
　ＥＢＡＣ像のコントラストは吸収電流量に基づく。ここで吸収電流量は、測定試料のナノスケールの内部構造と入射した電子の複雑な挙動に影響されて変化するため、コントラストを視覚で観察するのみでは、得られる情報に限界がある。これに対して、図１の微小デバイス特性評価装置によって電圧値を精密に測定することが可能になるため、本実施例は従来のＥＢＡＣ像では得られなかった情報が得られるポテンシャルを有している。
　図６で示した試料の例で説明する。抵抗体６０２の抵抗値として、異なる抵抗値を有する６つの試料を用意して解析を行った。試料は、図６に示すように、電極６０３（Ａｌ）と抵抗体６０２（Ｓｉ）という異なる材料が接触している。このため、ＥＢＡＣ像では、電極６０３と抵抗体６０２の境界をまたいだコントラストが、ゼーベック反応によって大きくなり、境界を境に白と黒の像が表示される。ただし、先に述べたように抵抗体６０２の抵抗値が小さくなるほどＥＢＡＣ像のコントラストは小さくなり、ゼーベック反応によるコントラストも小さくなる。このため、抵抗体６０２の抵抗値が数100Ωになってくると、ＥＢＡＣ像においてはゼーベック効果によるコントラストの存在が視認できる程度の情報しか得られない。これに対して、図１１は、それぞれの試料について、図６に示す位置６０５に電子線を照射して測定された電圧値を示している。横軸に抵抗体６０２の抵抗値、縦軸に電圧値（ただし、本電圧値は差動アンプで増幅後の値となっている）を示す。図１１に示すように、電圧値という数値に着目してグラフ化することにより、６つの試料は、２つのグループに分かれることが見出された。この２つのグループは、抵抗体６０２の大きさが違っており、グループ７０１は抵抗体幅が10μｍ、グループ７０２は抵抗体幅が1μｍとなっていた。このように、精密な数値データが得られることにより、微小デバイスの内部構造や現象に対する知見を深めることが可能になる。
　微小デバイス特性評価装置の第１実施例を図１２に示す。本実施例では、ＥＢＡＣ像に基づくＥＢＡＣ解析と電気特性マップ像に基づく電気特性マップ解析の連携解析が可能となる。具体的には、試料表面の広範囲の観察を高速で行えるＥＢＡＣ解析によりおおよその異常個所を確認し、検査箇所を絞り込んだ後に、測定処理に時間を有する電気特性マップ解析により、詳細を解析する。
　図１の微小デバイス特性評価装置と共通する構成については、同じ符号を用い、重複する説明については省略するものとする。以下の実施例においても同様である。本実施例では、差動アンプ７は切り替え器２０を通して、半導体パラメータアナライザ８と、ＥＢＡＣ制御装置２１とに接続されている。この切り替えにより、電気特性マップ観察とＥＢＡＣ観察とを切り替えることができる。ＥＢＡＣ制御装置２１は、差動アンプ７の出力を電子線の照射位置における吸収電流量を示す信号として出力し、情報処理装置９によりＥＢＡＣ像２２を画像化する。
　図１２の微小デバイス特性評価装置における測定回路は、先に説明したようにＥＢＡＣ像では検出の難しい低抵抗性の不良解析に適合するものとなっており、ＬＳＩデバイスの配線構造における欠陥検出、解析などに使用できる。はじめに、ＬＳＩデバイスの測定コンタクトが表面に出るまで、研磨する。このように研磨されたＬＳＩデバイスを測定試料５とし、表面に露出したコンタクトに対し、測定探針３を接触させ、まずＥＢＡＣ制御装置２１に差動アンプ７の出力を切り替え、ＥＢＡＣ像２２により所望の配線部を探索する。その後、半導体パラメータアナライザ８に差動アンプ７の出力を切り替え、電圧マップ観察に切り替え、電圧マップ像１５により詳細解析を行う。これにより、効率的にＬＳＩデバイスの配線構造における異常の検出、解析を行うことができる。
　微小デバイス特性評価装置の第２実施例を図１３に示す。本実施例は、微小デバイス特性評価装置のＧＵＩ（Graphical User Interface）に関し、電気特性マップ像を詳細解析するために、電気特性マップ像の一部をユーザインターフェースから指定し、指定された箇所の測定値をグラフ表示する。これにより、着目箇所の詳細を数値データとして即座に把握できるようになり、試料に起こっている電気的な現象を解析するのに役立つ。
　特に限定されないが、本実施例の解析データは２画面モニタ１０ａ，１０ｂに表示される。モニタ１０ｂに表示された電圧マップ像１５に、線状のマーク２５をＧＵＩ上で引くことができる。情報処理装置９は、電圧マップ像１５にマーク２５により指定された位置を特定し、その位置の測定値をモニタ１０ｂにグラフ２６として表示する。グラフ２６は、横軸にマーク２５により指定された位置、縦軸にその位置の測定値（この場合は電圧値）を表示するものである。
　微小デバイス特性評価装置の第３実施例を図１４に示す。本実施例も、微小デバイス特性評価装置のＧＵＩに関し、複数の試料に対して電気特性マップ観察を行い、この観察結果（電気特性マップ像）を並べて比較することを可能にする。さらに、電気特性マップ像の所定箇所をユーザインターフェースから指定し、この部分の測定値をグラフ化して表示する。
　特に限定されないが、本実施例の解析データも２画面モニタ１０ａ，１０ｂに表示される。画面モニタ１０ｂに表示された電圧マップ像１５ａ～ｄに対して、それぞれユーザが比較したい位置を指定するための点状のマーク３０ａ～ｄをＧＵＩ上で指定できる。各試料に対して、この指定位置の測定値をデータベース１１から抽出し、モニタ１０ａに、縦軸を指定位置の測定値（この場合は電圧値）とし、横軸を比較対象としている試料名のグラフ３１として表示する。
　微小デバイス特性評価装置の第４実施例を図１５に示す。本実施例では、測定探針３から電流信号を取得し、電流マップ像３５を作成する。測定探針３の出力は、測定ケーブル１３を通して半導体パラメータアナライザ８に接続されている。電圧マップ像による観察が、ＬＳＩデバイスの低抵抗性の配線構造における異常検出などを想定するのに対して、電流マップ像による観察はＬＳＩデバイスの半導体層のＰＮ接合における異常検出などを想定する。半導体パラメータアナライザ８など一般的な半導体デバイスのパラメトリックテスト用途の測定器の測定精度は本用途に対して十分な精度を有していることから、本実施例の測定回路では測定探針３からの出力をそのまま半導体パラメータアナライザ８に接続している。
　電流マップ像を作成するための計測方法は図２のフローチャートに従う（電圧信号を電流信号に読み替える）。電流測定の場合も高周波数のランダムノイズを除去する必要があり、また図４Ｂに示したように低周波数のノイズが存在し、この影響を除去する必要があるためである。
　図１５の微小デバイス特性評価装置により、半導体層の電流マップ像を観察することにより半導体層の電流の分布量が観察できる。これを半導体シミュレーションなどと比較することにより、ドーピング量などの半導体構造を推測することができる。
　微小デバイス特性評価装置の第５実施例を図１６に示す。本実施例は、電気特性マップ像としてパルス応答マップ像４１を作成する微小デバイス特性評価装置である。測定探針３の出力は、測定ケーブル１３を通してオシロスコープ４０に接続されている。オシロスコープ４０は、通信ケーブル１４を通して情報処理装置９に接続される。
　本実施例では、電子線の照射、非照射の際に、照射する入射電子線を、所定の間隔、パルス幅で入射する。オシロスコープ４０は、パルス電子線によりパルス状に生じるプローブ電流４２を計測し、パルスの立ち上がり時間４３を計測し、数値データとして情報処理装置９に送信する。情報処理装置９はオシロスコープ４０で計測されたパルス立ち上がり時間４３を、例えば２５６階調に区分して各画素の画素値を決定し、数値マッピング画像として、パルス応答マップ像４１を作成する。
　図１６に示すパルス応答マップ像４１では、ＬＳＩデバイスの配線構造について観察した像を模式的に示している。金属配線部分はパルスプローブ電流が急速に立ち上がるため黒で表示されるのに対して、絶縁層部分は基本的には白で表示される。ただし、金属配線同士が近接している領域４４は容量成分をもつことにより、その容量成分の大きさに応じたコントラストが表れる。
　このように、信号遅延やノイズの原因となる配線間容量を、パルス応答マップ像４１により観察することができる。パルス応答マップ像にあらわれたコントラストから異常を解析することもでき、正常なデバイスサンプルと不良デバイスサンプルとを比較することで異常を解析することもできる。
　なお、ここではパルス電流の立ち上がり時間を電気特性として計測する例を説明したが、これに限られず、パルス電子線の照射に応答するパルス応答特性を広く、電気特性として測定することが可能である。例えば、パルス電圧値の変化から高周波損失に関する解析を行うことが考えられる。この他にも、パルス幅、パルス電流値などの測定が考えられる。
　微小デバイス特性評価装置の第６実施例を図１７に示す。本実施例では、断面電圧マップ像を作成する。
　ここでは、測定試料を、酸素イオンを注入したベアシリコンウエハを斜め研磨した試料４５とする例を示す。試料台６の表面には、試料４５の裏面から電気特性を測定するための電極４６が設けられ、試料４５は電極４６上に載置される。電極４６に測定探針３が接触されることにより、試料４５の裏面の電位変化を半導体パラメータアナライザ８で、計測することができる。本実施例では、ベアシリコンウエハという高抵抗試料を計測対象とするため、測定探針３の出力は、測定ケーブル１３を通してそのまま半導体パラメータアナライザ８に接続されている。差動アンプは使用しないが、高周波数のランダムノイズ及び低周波数のノイズの影響を除去するため図２のフローチャートにしたがって計測を行う。ただし、真空チャンバ４の基準電位と半導体パラメータアナライザ８の基準電位とを共通化することで測定精度を高めている。
　斜め研磨した試料４５表面に電子線を照射する。最初の電子線の照射位置Ｐ１に、電子線が照射されることにより、測定探針３から電位Ｖ１が計測される。続いて電子線を走査し、照射位置Ｐ２に電子線が照射されることにより電位Ｖ２が計測される。ここで、電位Ｖ２から電位Ｖ１を差し引いた値は、深さ位置Ｐｄ２（照射位置Ｐ２の深さ方向の位置をいう、以下同様）と深さ位置Ｐｄ１の間の電位差Ｖｍａｐ１となり、電位差Ｖｍａｐ１を位置データ（Ｐｄ１，Ｐｄ２）とともにデータベース１１に保存する。次に、照射位置Ｐ３に電子線が照射されることにより電位Ｖ３が計測される。電位Ｖ３から電位Ｖ２を差し引いた値は、深さ位置Ｐｄ２と深さ位置Ｐｄ３の間の電位差Ｖｍａｐ２となり、電位差Ｖｍａｐ１を位置データ（Ｐｄ２，Ｐｄ３）とともにデータベース１１に保存する。同様の操作を斜め研磨された表面に沿って繰り返す。これらの、電子線のスキャン、電位測定、深さ位置の算出は自動的に行われる。例えば、深さ位置は、研磨開始位置と電子線照射位置との水平方向の距離及び研磨面の傾斜角に基づき、算出することができる。
　データベース１１に蓄えられた位置データ（Ｐｄ１，Ｐｄ２），（Ｐｄ２，Ｐｄ３）等は、シリコン断面の深さを示し、この位置に対応する電位差データＶｍａｐ１，Ｖｍａｐ２等を、濃淡表示として画像化することにより、断面電圧マップを作成できる。
　微小デバイス特性評価装置の第７実施例を図１８に示す。本実施例では、シミュレータを併用する。電気特性マップ像と当該電気特性についてシミュレーションで得られるシミュレーション像とを比較することにより、異なる部分を不良個所として推定することができる。図１８では電気特性マップ像として電圧マップ像を作成する例を示しており、微小デバイス特性評価装置の測定回路の構成は図１と同じである。なお、電気特性マップ像を作成する電気特性に応じて測定回路を構成することができる。また、電気特性の測定に用いる測定器の例として半導体パラメータアナライザ８の例を示しているが、測定する電気特性に応じて、オシロスコープ、インピーダンスアナライザ、ＬＣＲメータなどを用いることができる。
　シミュレーションは一般に高い演算負荷が生じるため、本実施例での情報処理装置９は、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）による並列処理計算を可能とする。ＧＰＵの並列処理機能を用いて、測定試料の構造から予想される電圧マッピングの２次元シミュレーションを実行するとともに、電圧マップ像作成のためのデータ収集及び画像処理を行う。この場合、ＧＰＵのプロセッサの一部を、電圧測定及び、電圧マップ像作成・表示用に確保する。一方で、理論上、どのような電圧マップ像が表示されるかを、測定と並行して把握するため、測定試料５の構造をシミュレーションモデルとし、本構造に電子線が入射されたときに発生する電圧を、試料表面の各位置に対して計算する。
　測定試料５の実測によって得られる電圧マップ像１５をモニタ１０ｂに、上述のシミュレーションにより予想されたシミュレーション像５０をモニタ１０ａに表示し、両者を比較することにより、異常の有無を推測することができる。なお、他の実施態様においても、すなわち、シミュレータの併用に関わらず、ＧＰＵによる並列処理計算処理可能な情報処理装置９を適用することは、電気特性マップの作成は演算負荷が大きいために有効である。
　微小デバイス特性評価装置の第８実施例を図１９に示す。本実施例では、自動的に測定探針３を試料表面の複数のコンタクトに接触させ、自動的に複数の配線構造の電気特性マッピング測定（例えば、電圧マッピング測定）を可能にする。微小デバイス特性評価装置の構成は、電圧マッピング測定を行う場合は、図１の構成と同じである。自動測定を行うため、情報処理装置９は、測定探針３を所望のコンタクト上に移動させ、接触させるよう、測定探針３の駆動装置を制御する。図１９を用いて第８実施例におけるプロービング位置設定動作を説明する。
　図１９において、試料５の表面に３つのコンタクト５５ａ～ｃが形成されており、測定探針３ａが第１のコンタクト５５ａに、測定探針３ｂが第３のコンタクト５５ｃに接触されている状態を示している。自動測定として、測定探針をコンタクト５５ａ，５５ｃに接触させて電気特性マッピング測定を実施後に、測定探針３ａをコンタクト５５ｂに移動させ、測定探針をコンタクト５５ｂ，５５ｃに接触させた状態で電気特性マッピング測定を行う場合を想定する。情報処理装置９はＸ，Ｙ，Ｚ方向の３次元の仮想座標５６を設定し、仮想座標５６に従って測定探針３の移動を制御する。
　仮想座標５６のＸ方向及びＹ方向の仮想座標は、微小デバイス特性評価装置により取得するＳＥＭ像に基づき設定する（その詳細については第１１実施例として後述する）。図１９では説明の都合により、測定試料５に対して、情報処理装置９により設定されるＸ，Ｙ方向の仮想座標及びＺ方向の仮想座標を重ね合わせた状態を表示している。Ｘ，Ｙ方向の仮想座標は、ＳＥＭ像において適宜設定することができ、図１９の例では、第１のコンタクト５５ａの位置座標を（０，０）であり、移動先となる第２のコンタクト５５ｂの位置座標が（７，５）である。
　一方、測定探針３は、弾性を有する先端が所定の接触圧でコンタクト５５に接触することで適切な接触を得ることができる。このため、接触するコンタクトを移動させるには、先端がコンタクトから一旦、完全に離れた状態になるまでＺ方向に移動させ（引き上げ）、その後（Ｘ，Ｙ）方向に移動し、再度所定の接触圧で移動先のコンタクトに接触するようＺ方向に移動させる（引き下げる）必要がある。このため、コンタクトに適切に接触した状態から完全に離れた状態になるまでの駆動装置によるＺ方向の駆動量を把握しておく必要があり、これをＺ方向の仮想座標の目盛りにより特定する。
　具体的には、まず測定探針３をコンタクト５５ａ，５５ｃに接触させた状態で測定試料５に電子線を照射して電圧を測定する。次に、電子線を照射したまま、測定探針３ａをＺ方向に引き上げていく。Ｚ方向の目盛り５において、測定電圧が０になったとする。この場合、情報処理装置９は、５目盛り分、測定探針３を上下させるよう駆動装置を駆動させることにより、測定探針３のコンタクト５５への接触／非接触を制御できることになる。ここで、Ｚ方向の目盛りは、一例として、Ｚ方向への測定探針３の駆動時間を基準にして、任意の時間で等分割し、仮想的に、この時間間隔をＺ方向の目盛りとして対応付けることによって実現できる。例えば、Ｚ方向の１目盛りを、駆動装置による測定探針３の5秒間のＺ方向への駆動として設定することができる。
　測定者は、仮想座標を用いて、複数のコンタクトの位置を指定することにより、順次、情報処理装置９は指定された仮想座標（Ｘ，Ｙ）を目指して自動的に測定探針３を移動させ、測定試料５のコンタクトに接触させることにより、自動計測を行うことができる。これにより、情報処理装置９は、複数の場所で触診した電圧マップ像をモニタに表示することができ、高い測定スループットを得ることができる。
　なお、本実施例の仮想座標は、プロービング位置の設定だけでなく、その他、電子線の照射位置の設定にも使用できることができる。
　微小デバイス特性評価装置の第９実施例を図２０に示す。本実施例は、実施例５として説明した微小デバイス特性評価装置において、パルス電子線を入射して得られる動的ＥＢＡＣ像との連携解析を可能とする。本実施例の微小デバイス特性評価装置は、動的ＥＢＡＣ像６２を取得するため、ＥＢＡＣ制御装置２１を有している。測定探針３の出力は切り替え器６０により、ＥＢＡＣ制御装置２１またはオシロスコープ４０に入力される。また、切り替え器６０とＥＢＡＣ制御装置２１との間には、測定探針３の出力を増幅するための電圧アンプ６１が設けられている。
　測定試料５に対してパルス電子線を照射し、ＥＢＡＣ制御装置２１はパルス電子線と同期して吸収電流量を測定し、情報処理装置９が測定された吸収電流量に基づきＥＢＡＣ像を作成することにより、通常のＥＢＡＣ像とは異なる、測定試料における容量成分が反映された動的ＥＢＡＣ像を得ることができる。ＥＢＡＣ観察は試料表面の広範囲の観察を高速で行えるため、動的ＥＢＡＣ観察でおおよその異常個所を確認し、測定処理に時間を有する電気特性マッピング測定については、測定領域を絞り込んでパルス応答マップ像４１を作成、解析することにより、効率的に異常検出、解析を行うことが可能になる。
　微小デバイス特性評価装置の第１０実施例を図２１に示す。本実施例では、電気特性マップ像を取得するための探針とは別の探針から測定試料５に対して電圧信号を印加し、このときに得られるボルテージコントラスト像６６と電気特性マップ（電圧マップ）像とを比較可能とするものである。ここで、ボルテージコントラスト像を得るため、探針に印加する信号は、静的な直流信号のみならず、動的な高周波信号など、信号の形態については限定しない。
　測定探針３は、それぞれ電圧信号印加ケーブル６５及び測定ケーブル１３を通して、半導体パラメータアナライザ８に接続されている。なお、電圧信号印加ケーブル６５は機能として測定ケーブル１３と区別しているに過ぎず、アナログ信号を伝達するケーブルであり、測定ケーブル１３と同じケーブルを使用して構わない。
　測定探針３ａを通じて、半導体パラメータアナライザ８から所定の電圧信号が測定試料５に対して印加される。情報処理装置９は、検出器２からの検出信号に基づきボルテージコントラスト像６６を作成する。一方で、測定探針３ｂからの出力電圧を半導体パラメータアナライザ８により計測し、電圧マップ像を作成する。電圧マップ像を作成するための測定方法は図２のフローにしたがうが、図２１の例ではオープン障害のような欠陥検出、解析を目的とし、得られる信号が比較的大きいため、図１の微小デバイス特性評価装置におけるような差動アンプによる増幅は行なわず、半導体パラメータアナライザ８が測定探針３ｂからの出力電圧をそのまま測定している。
　微小デバイス特性評価装置の第１１実施例を図２２～２３を用いて説明する。本実施例では、電気特性マッピング測定における仮想座標の設定方法を説明する。第１実施例、第９実施例、第１０実施例において他の評価手法との連携解析する例を説明した。このような連携解析においては、他の評価手法により得られる像と電気特性マップ像とを比較したい場合があり、このときに位置関係の整合がとれなければ、複数の評価手法によって得られた結果を比較、照合することが難しくなる。あるいは、他の評価手法により得られる像から測定領域を特定して電気特性マップ像を作成するにも位置関係の整合をとる必要がある。さらには、第２実施例（図１３参照）では電気特性マップ像において領域を指定して測定値をグラフ化しているが、ＳＥＭ像や他の評価手法により得られる像、例えばＥＢＡＣ像から領域を指定して電気特性を測定し、測定値をグラフ化するようなＧＵＩも考えられる。このため、第１１実施例では、情報処理装置９が検出器２からの検出信号に基づき作成するＳＥＭ像を基準として、各種電気特性マップ像、ＥＢＡＣ像、ボルテージコントラスト像との位置関係を整合させる。ＳＥＭ像を基準とするのは、ＳＥＭ像には試料の構造が詳細に表れており、仮想座標を設定するための基準位置の設定が容易であるためである。微小デバイス特性評価装置の構成は図１の構成と同様であるが、測定する電気特性、及び適用する評価手法に応じて測定回路が構成される。
　図２２は、微小デバイス特性評価装置が取得したＳＥＭ像７０の例である。ＳＥＭ像の視野は、評価対象とする領域に応じて設定する。この例では試料表面に２本の配線７１，７２が観察できる。そこで、配線７１，７２の角のうち、３カ所を第１のマーカ７３、第２のマーカ７４、第３のマーカ７５とそれぞれ合わせ、これらを基準位置として情報処理装置９に登録する。なお、マーカは後述するように仮想２次元座標の基準となるものであるから、最低３つ必要であり、マーカの位置はＳＥＭ像７０において互いにできるだけ離れた位置に設定することが望ましい。また、この例では配線の角を目印としてマーカを設定したが、目印とする試料の構造は配線には限定されない。試料の構造に限らず、異物のようなものであってもよい。また、マーカ７３～７５の形状も図示のものに限定されない。
　次に、仮想座標（Ｘ，Ｙ）を設定する。例えば、図２３に示すように、第１のマーカ７３を原点（０，０）として、仮想２次元座標７６を情報処理装置９により設定する。このＳＥＭ像に基づき設定した仮想座標に基づき、ＥＢＡＣ像、電気特性マップ像と位置関係を対応づける。
　撮像条件を変更しない、具体的には視野や倍率を変更しない場合には、電子線が操作される範囲がＳＥＭ像を作成した場合と同じであるため、ＳＥＭ像で作成した仮想２次元座標７６による試料表面の位置関係は、ＥＢＡＣ像や電気特性マップ像ともに同じものとして共有することができる。一方、視野や倍率を変更する場合は、ＳＥＭ像を取得したときとＥＢＡＣ像あるいは電気特性マップ像を取得したときの撮像条件（電子線の偏向制御量、倍率の変更量等）に基づき、仮想座標を座標変換することにより、ＥＢＡＣ像、電気特性マップ像それぞれについて仮想座標により指定した位置に対応するＥＢＡＣ像、電気特性マップ像の位置を特定することができる。これによって、例えば、ＥＢＡＣ像において指定された位置に対応する電気特性マップ像上の測定データを得たいときには、ＥＢＡＣ像において指定された位置を仮想座標上の位置に変換し、仮想座標により電気特性マップ像における位置を特定することで、その測定値を得ることができる。
　以上、本発明を複数の実施例を用いて説明した。本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
１：電子光学系、 ２：検出器、３：測定探針、４：真空チャンバ、５：測定試料、６：試料台、７：差動アンプ、８：半導体パラメータアナライザ、９：情報処理装置、１０：モニタ、１１：データベース、１２：制御装置、１３：測定ケーブル、１４：通信ケーブル、１５：電圧マップ像、２１：ＥＢＡＣ制御装置、２２：ＥＢＡＣ像、４０：オシロスコープ、４１：パルス応答マップ像、５０：シミュレーション像、５５：コンタクト、５６：仮想座標、６２：動的ＥＢＡＣ像、６５：電圧信号印加ケーブル、６６：ボルテージコントラスト像、７０：ＳＥＭ像、７１，７２：配線、７３，７４，７５：マーカ、７６：仮想２次元座標。

Claims (17)

  1. 　試料を載置する試料台と、
    　前記試料に電子線を照射する電子光学系と、
    　前記試料に接触される測定探針と、
    　前記測定探針からの出力を測定する測定器と、
    　前記試料への前記電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力の測定値を取得する情報処理装置とを有し、
    　前記情報処理装置は、前記試料に対して前記電子線の照射を開始するタイミング及び前記電子線の照射をフリーズするタイミングと、前記電子線が前記試料に照射された状態で前記測定器が前記測定探針からの出力を測定する第１の測定期間と、前記電子線の照射がフリーズされた後に前記測定器が前記測定探針からの出力を測定する第２の測定期間とを設定し、
    　前記試料への前記電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力の測定値を、前記第１の測定期間に測定された第１の測定値と前記第２の測定期間に測定された第２の測定値との差から求める半導体検査装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記情報処理装置は、前記試料に対して前記電子線を照射したときの前記測定探針からの出力の時間変化を検出し、前記第１の測定期間及び前記第２の測定期間が前記時間変化の少ない時間帯に含まれるように設定する半導体検査装置。
  3. 　請求項２において、
    　前記第１の測定値は、前記測定器が前記第１の測定期間において測定した測定値を積算処理した値であり、前記第２の測定値は、前記測定器が前記第２の測定期間において測定した測定値を積算処理した値である半導体検査装置。
  4. 　請求項３において、
    　前記測定器は、前記電子線の照射に応答して前記測定探針に生じる電圧信号を測定する半導体検査装置。
  5. 　請求項３において、
    　前記試料に接触される第１の測定探針及び第２の測定探針と、
    　前記第１の測定探針からの出力が第１の入力端子に接続され、前記第２の測定探針からの出力が第２の入力端子に接続される差動アンプとを有し、
    　前記測定器は、前記差動アンプから出力される電圧信号を測定する半導体検査装置。
  6. 　請求項５において、
    　前記情報処理装置は、前記差動アンプのゲインを制御する半導体検査装置。
  7. 　請求項３において、
    　前記測定器は、前記電子線の照射に応答して前記測定探針に生じる電流信号を測定する半導体検査装置。
  8. 　請求項３において、
    　前記電子光学系は前記試料上を２次元に走査し、
    　前記情報処理装置は、前記電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力の測定値を、前記電子線の照射位置と対応付けて記憶する半導体検査装置。
  9. 　請求項８において、
    　前記情報処理装置は、前記電子線の照射位置に対応する画素の画素値を、前記電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力の測定値に基づき決定した数値マッピング画像を作成する半導体検査装置。
  10. 　請求項８において、
    　前記電子線と前記試料との相互作用により放出される信号電子を検出する検出器を有し、
    　前記情報処理装置は、前記検出器から検出された信号からＳＥＭ像を作成し、前記ＳＥＭ像に基づき仮想座標を設定する半導体検査装置。
  11. 　請求項１０において、
    　前記情報処理装置は、前記仮想座標により指定された位置に前記測定探針を移動させる半導体検査装置。
  12. 　試料を載置する試料台と、
    　前記試料に電子線を照射する電子光学系と、
    　前記試料に接触される測定探針と、
    　前記測定探針からの出力を測定する測定器と、
    　前記電子線と前記試料との相互作用により放出される信号電子を検出する検出器と、
    　前記試料への前記電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力の測定値を取得する情報処理装置とを有し、
    　前記電子光学系は第１の撮像条件により前記試料上を２次元に走査し、前記情報処理装置は、前記検出器から検出された信号からＳＥＭ像を作成し、前記ＳＥＭ像に基づき仮想座標を設定し、
    　前記電子光学系は第２の撮像条件により前記試料上を２次元に走査し、前記情報処理装置は、前記測定器により測定された前記測定探針からの出力の測定値に基づき電気特性マップ像を作成し、
    　前記情報処理装置は、前記仮想座標を前記第１の撮像条件及び前記第２の撮像条件に基づき座標変換することにより、前記仮想座標により指定された位置を前記電気特性マップ像上で特定する半導体検査装置。
  13. 　請求項１２において、
    　前記情報処理装置は、前記電気特性マップ像の画素値を、前記電気特性マップ像の画素に対応する位置への前記電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力の測定値に基づき決定する半導体検査装置。
  14. 　請求項１２において、
    　前記電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力より、前記電子線の照射位置における吸収電流量を示す信号を出力するＥＢＡＣ（Electron Beam Absorbed Current）制御装置を有し、
    　前記電子光学系は第３の撮像条件により前記試料上を２次元に走査し、前記情報処理装置は、前記ＥＢＡＣ制御装置が出力した信号からＥＢＡＣ像を作成し、前記仮想座標を前記第１の撮像条件及び前記第３の撮像条件に基づき座標変換することにより、前記ＥＢＡＣ像上の位置を前記仮想座標上の位置に変換する半導体検査装置。
  15. 　請求項１２において、
    　前記測定器が測定する前記測定探針からの出力の測定値は電圧値または電流値である半導体検査装置。
  16. 　請求項１２において、
    　前記電子光学系は、前記試料にパルス電子線を照射し、
    　前記測定器が測定する前記測定探針からの出力の測定値はパルス応答特性である半導体検査装置。
  17. 　請求項１６において、
    　前記パルス電子線の照射に応答した前記測定探針からの出力より、前記パルス電子線と同期して、前記パルス電子線の照射位置における吸収電流量を示す信号を出力するＥＢＡＣ（Electron Beam Absorbed Current）制御装置を有し、
    　前記電子光学系は第４の撮像条件により前記試料上を２次元に走査し、前記情報処理装置は、前記ＥＢＡＣ制御装置が出力した信号から動的ＥＢＡＣ像を作成し、前記仮想座標を前記第１の撮像条件及び前記第４の撮像条件に基づき座標変換することにより、前記動的ＥＢＡＣ像上の位置を前記仮想座標上の位置に変換する半導体検査装置。
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