JPH0136668B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置を動作状態で観察する場合
に用いて好適な電子顕微鏡装置に関する。

従来、IC、LSI等のように集積化された半導体
装置の動作チエツクを行う場合、半導体装置を電
源及びクロツクパルスを加えて動作状態に成すと
共に、この半導体装置の表面に探針を立ててその
点の電位を測定するようにしている。しかしなが
ら近年のようにLSIの高集積化、高速動作化が進
むと、上記の方法では探針を立てることが困難と
なり、また探針の持つ静電容量により高速素子の
動作チエツクを正確に行うことができなくなる等
の問題が生じてきており、このため上記の方法は
既に限界に達しつつある。そこで近年になつて電
子顕微鏡を用いる方法が提案され、各方面でその
実用化への開発が試みられている。第１図は半導
体装置を動作状態で観察するための従来のストロ
ボ走査式電子顕微鏡装置の概略的な構成を示すも
のである。電子顕微鏡１内には、電子銃２、Ｘ方
向偏向電極３、Ｙ方向偏向電極４、集束レンズ
５、走査コイル６、対物レンズ７及び２次電子偏
向電極８（以下２次電極８と称する）等が配さ
れ、２次電極８の下方には例えばLSI等の試料９
が置かれている。尚、鏡体１ａは高度の真空に保
たれている。電子銃２から発射された電子ビーム
B₁は上記電子レンズ系によりビーム径を絞られ
て試料９の表面に照射される。これによつて上記
表面の電位に応じた量の２次電子B₂が発生し、
この２次電子B₂は２次電極８で偏向されて検出
器１０に加えられる。試料９はクロツク発振器１
１よりクロツクパルスが加えられて動作状態に置
かれる。このクロツクパルスはまた可変遅延回路
１２を通じてパルスジエネレータ１３に加えら
れ、これにより、第２図に示すようにＸ，Ｙ方向
の偏向電圧V_X，V_Yが得られる。この偏向電圧
V_X，V_Yはクロツクパルスと、遅延回路１２の遅
延量に応じた位相関係で同期されている。この偏
向電圧V_X，V_Yにより電子ビームB₁は第３図に示
すように±Ｘ、±Ｙ方向に偏向される。この場合、
上記電子レンズ系には、第３図及び第１図の点線
で示すように、イメージアパーチヤ１４が実質的
に形成されており、このアパーチヤ１４を＋Ｘ方
向にビームB₁が横切る瞬間に、このビーム１０
がアパーチヤ１４から下方に落とされて試料９に
達する。即ち、ビームB₁はクロツクパルスと同
期されながら間欠的に試料９をストロボ照射する
ことになる。今、走査コイル６が動作していない
ものとすると、ビーム１０は試料９の一点を間欠
的に照射する。この照射点の電位V_Sは試料９の
動作によつて、例えば第４図Ａのようにクロツク
パルスに応じて周期的に変化している。この状態
において第４図Ｂに示すタイミングでビームが照
射されると、その瞬間の電位V_S1がサンプリング
され、この電位V_S1に応じた２次電子B₂の発生量
を検出器１０で検出することができる。また、遅
延回路１２の遅延量を変化させれば、第４図Ｂの
点線で示すように、サンプリングのタイミングが
移動するため、電位V_S2を検出することができ
る。

次に、偏向回路１５により走査コイル６及び陰
極線管１６の水平及び垂直コイル１７を駆動す
る。これによつて試料９の所定面積がビームB₁
で間欠的に照射されながら走査される。この場
合、試料９上の走査位置と陰極線管１６の画面上
の走査位置とが常に対応するように成される。試
料９のビームB₁により走査される面に形成され
た素子パターン及び信号伝送パターンの電位はク
ロツクパルスに応じて一定周期で変化しており、
この面をビームB₁がクロツクパルスで同期され
て間欠的に一定周期で走査する。従つて、ビーム
B₁が走査することによりサンプリングされる各
走査位置における電位は夫々常に略等しくなる。
上記サンプリングにより得られた２次電子B₂は
検出器２８で検出され、この検出信号はビデオア
ンプ１８で増巾された後、フイルタ１９でノイズ
を除去され、さらにフイードバツクアンプ２０で
増巾された後、ａ点から陰極線管１６に加えられ
る。尚、アンプ２０の出力の一部はａ点から２次
電極８に帰還されるがこれについては後述する。
上記ａ点の出力が陰極線管１６に加えられること
により、その画面に試料９の上記走査面の電位パ
ターンが徐々に映し出される。従つて、この画面
に写真フイルムを密着させて感光させることによ
り、このフイルム上にクロツクパルスのある位相
に対する上記電位パターンの画像を写すことがで
きる。この場合、電位の高い部分は例えば黒く写
り、電位の低い部分は白く写る。また、クロツク
パルスの遅延量を変えることにより、第４図Ｂに
ついて述べたようにサンプリングの位相を変えれ
ば、クロツクパルスの異る位相に対する電位パタ
ーンを得ることができる。この電位パターンを観
察することにより、試料９の内部の遅れをもたら
す素子等の欠陥素子を容易に見付けることができ
る。

次に、第５図は２次電極８の構造を示すもの
で、この２次電極８はビーム通過孔２１を有する
外側電極２２、内側電極２３、グリツド２４及び
リターデインググリツド２５等で構成されてい
る。またこの２次電極８の下方にはアノード電極
２６とウエネルト電極２７とが設けられている。
外側電極２２と内側電極２３とにより２次電子通
路２８が図示のように彎曲して形成されている。
アノード電極２６及びウエネルト電極２７は、２
次電子引き出し電極として動作するもので、試料
９の測定点又は測定面付近の電位の影響を除去す
ると共に、２次電子B₂を加速するために設けら
れている。リターデインググリツド２５には、第
１図のａ点におけるアンプ２０の出力の一部が帰
還されて加えられる。この帰還電圧によつて検出
器１０で検出される２次電子B₂の量が一定とな
るようにグリツド２５の電位が制御される。これ
によつて試料９の測定点の電位変化を、ａ点にお
いて定量化することができ、２次電子発生量をリ
ニアに検出することができる。

而して、上述した電子顕微鏡装置においては、
ビームB₁を高速素子の動作に合わせて間欠的に
照射するようにしているため、この照射時間とし
ては、ナノ秒単位の極めて短い時間を要求され
る。この短い時間に２次電子B₂を検出し得る充
分な量を以つて発生させるためには、通常の連続
照射式の電子顕微鏡に比して３ケタ程大きなビー
ム電流を必要とする。一方、電子顕微鏡において
分解能を上げるためにはビーム径をできるだけ細
くする必要がある。しかしながらビーム径r_sとビ
ーム電流I₁とは一般にr_s＝k₁〔k₂I₁＋k₃（１／V_a）²〕³
₈ （但し、k₁、k₂、ｋ：定数、V_a＝カソード電圧）
なる関係があるため、ビーム径r_sを細くしながら
ビーム電流を充分大きくすることが困難となつて
いた。

上記の問題を解決するために、本出願人は先に
特願昭55−43991号による発明を提案した。以下、
上記出願による発明について説明する。

前述した第１図の電子顕微鏡装置において、一
般にＭ＝α_c／α_sなるビーム縮小率が用いられ、この Ｍは通常Ｍ＜＜１である。またビーム径r_sに関す
る前記の式においては、ビーム電流I₁を大きくと
るとビーム径r_sも大となるが、この場合、そのビ
ーム径を発射点から後のレンズ系でできるだけ絞
つてＭをより小さくすれば、ビーム電流を大とし
ながらビーム径を細くすることができる。Ｍをよ
り小さくするためには、第１図においてα_sを大と
すればよいが、第１図の構成で、２次電極８が試
料９のすぐ上にあるためα_sを大とすることができ
ない。

上記出願による発明は上記の点に着目して成さ
れたもので、以下、上記出願による発明の実施例
を第６図と共に説明する。尚、第６図において
は、第１図と同一部分には同一符号を付してあ
る。

本実施例においては、対物レンズ７をアノード
２６の真上に配すると共に、２次電極８をこの対
物レンズ７の上方に配している。上記構成によれ
ば、２次電極８が対物レンズ７の上方に配されて
いるので、対物レンズ７と試料９との距離である
ワーキングデイスタンスを小さくすることがで
き、従つてα_sを大きくとることができる。従つ
て、第１図の場合よりビーム電流を大きくしなが
らビーム径を細くすることができる。また対物レ
ンズ７が試料９のすぐ上に配されるので、この対
物レンズ７によつて２次電子B₂の集束が行われ
るようになり、非常に効率がよくなる。

而して上述した第６図の電子顕微鏡において
は、２次電子検出器１０が鏡体１ａの一側の片寄
つた位置に設けられているため、この検出器１０
に加えられる２次電子引き込み電圧の影響を１次
電子ビームB₁が受ける。これによりビームB₁が
曲げられたり、あるいは断面形状が楕円形にゆが
められ、このため観察される画像の像質を悪くす
ることがあつた。

本発明は上記の問題を解決するもので、以下本
発明の実施例を図面と共に説明する。

第７図は本発明の実施例を示すもので、第６図
と対応する部分には同一符号を付してある。

本実施例においては、一対の２次電子検出器１
０ａ，１０ｂを図示のように鏡体１ａの中心軸に
対して対称位置に設けている。また第６図の２次
電極８に代えて第８図に示すような円筒状の２次
電子減速電極（以下２次電極と云う）２９を用
い、この２次電極２９を対物レンズ７の内側に配
している。上記一対の検出器１０ａ，１０ｂはこ
の２次電極２９及び対物レンズ７の上方に配さ
れ、２次電極２９で偏向減速された２次電子B₂
を検出して、共通のビデオアンプ１８に加えるよ
うにしている。

第８図において２次電極２９は、半絶縁体物質
から成る円筒体３０，３１を同軸的に配すると共
に、第５図と対応するグリツド２４、リターデイ
ンググリツド２５及びアノード電極２６を図示の
ように配した構造を有している。尚、アノード電
極２６は理論上は２次電子引き出し電極の１部で
あり、且つ２次電子減速電極２９の１部も兼ねて
いるが、一般的には２次電子引き出し電極の１部
として取扱い、２次電子減速電極２９からは除外
して取扱うのが普通である。

第７図及び第８図の構成によれば、前記ワーキ
ングデイスタンスを小さくすることができてα_sを
大きくとることができ、従つて、ビーム電流を大
きくしながらビーム径を細くすることができる。
また検出器１０ａ，１０ｂを対称的に配している
ため、この検出器１０ａ，１０ｂに加えられる２
次電子引き込み電圧によつて、ビームB₁が曲げ
られたりゆがめられたりすることがなく、第６図
のものに比べて像質を改善することができる。こ
れと共に２次電子捕集率が高くなり、Ｓ／Ｎ比を
改善することができる。

次に電子顕微鏡の他の構造の実施例について説
明する。

斯種ストロボ走査電子顕微鏡は一般に二つのモ
ードで使用される。前述した第７図のモードは試
料９の各部の電位を測定するモードであるが、こ
の他に試料９の電位が変化する様子を画像として
観察する像モードと呼ばれるモードがある。第７
図においては電子顕微鏡を像モードで使用する場
合は２次電極２９は取り除かれる。従つて２次電
極２９は鏡体１ａに着脱自在に設けられている。
この２次電極２９の着脱を行うと、鏡体１ａ内に
空気が流入するため、着脱終了後、真空ポンプを
働かせて鏡体１ａ内の空気を抜いて真空にする作
業を必要とする。この場合、鏡体１ａ内の全体の
空気を抜くために大型のポンプを用い、長時間に
わたつて作業と行わなければならない。

また試料９はコンデンサ、抵抗等の回路部品が
組み込まれたプリント基板に装着された状態で鏡
体１ａ内に置かれる。このため鏡体１ａが高度の
真空状態になると、上記回路部品をモールドする
樹脂等の有機物からガスが発生して真空度を低下
させることになる。

第９図は上記の問題を解決するための実施例を
示すもので、第７図と同一部分には同一符号を付
してある。

第９図において、鏡体１ａの下部は開口３０を
設けた仕切板３１とこの開口３０を開閉自在に覆
うシヤツタ板３２とにより仕切られて室３３が形
成されている。この室３３には対物レンズ７が設
けられると共に、２次電極２９が着脱自在に設け
られている。室３３の底部には開口３４が設けら
れると共に、この底部の下面には試料９を収納す
る筐体３５が着脱自在に設けられている。この筐
体３５の上面には上記開口３４と一致する開口３
６が設けられると共に、下面から多数の端子ピン
３７が導出されている。試料９は第１０図に示す
ように端子ピン３８が設けられており、この試料
９を筐体３５に収納して、その端子ピン３８を端
子ピン３７と対応する孔に挿し込むことによつ装
着される。一方、回路部品３９が組み込まれたプ
リント基板４０が筐体３５の下方から装着され
て、端子ピン３７がプリント基板４０のソケツト
に挿し込まれるように成されている。

上記構成において、２次電極２９を着脱するに
は、シヤツタ板３２を閉じた状態で着脱操作を行
えば、室３３及び筐体３５で形成される小さな空
間のみに空気が流入するので、着脱終了後は小型
のポンプを用いて短時間で空気を抜くことができ
る。また、室３３の空気を抜くと、筐体３５が室
３３の底部に押し付けられるので、両者を完全に
密着させることができる。さらにプリント基板４
０は、外部に配されるのでガスが発生することが
ない。またプリント基板４０は端子ピン３７が挿
し込まれることにより試料９と接続されるので、
両者の間に配線を引き回す必要がなく、配線を引
き回すことによる浮遊容量等が発生しない。

以上述べたように本発明は、試料９の上方に２
次電子引き出し電極２６，２７を配し、この２次
電子引き出し電極の上方に対物レンズ７とこの対
物レンズ７の内側に配される円筒状の２次電子減
速電極２９とを配し、この対物レンズ及び２次電
子減速電極の上方に一対の２次電子検出器１０
ａ，１０ｂを鏡体１ａの中心軸に対して対称的に
配したことを特徴とする電子顕微鏡装置に係るも
のである。

従つて本発明によれば、ワークデイスタンスを
大きくしてビーム縮小率を上げることができるの
で、ビーム電流を大きくとりながらビーム径を細
くすることができると共に、ビームの曲がりやゆ
がみをなくすことができる。このため、分解能の
優れた且つ感度及び精度の高い且つ像質の優れた
斯種電子顕微鏡装置を得ることができる。本発明
は特に半導体装置の動作チエツクを行う場合に優
れた効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電子顕微鏡装置の構成及び回路
系統図、第２図はＸ，Ｙ方向偏向電圧波形図、第
３図はＸ，Ｙ方向偏向部の平面図、第４図Ａ，Ｂ
は半導体装置表面の電位とビーム照射との関係を
示す波形図、第５図は２次電子偏向電極及びその
付近の構成を示す側面図、第６図は本発明を適用
し得る先願発明の実施例を示す電子顕微鏡装置の
構成及び回路系統図、第７図は本発明の実施例を
示す電子顕微鏡装置の構成及び回路系統図、第８
図は第７図の２次電子減速電極の側面図、第９図
は本発明の他の実施例を示す構成図、第１０図は
試料の斜視図である。 なお図面に用いられている符号において、１…
…電子顕微鏡、２……電子銃、７……対物レン
ズ、１０ａ，１０ｂ……２次電子検出器、２９…
…２次電子減速電極、９……試料、２６……アノ
ード、２７……ウエネルト電極である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鏡体１ａ内に試料９、２次電子引き出し電極
   ２６，２７、対物レンズ７及びこの対物レンズ７
   の内側に配される円筒状の２次電子減速電極２９
   を上記鏡体１ａの中心軸に対して略同軸的に配
   し、 その際、上記試料９の上方に上記２次電子引き
   出し電極２６，２７を配し、この２次電子引き出
   し電極２６，２７、の上方に上記対物レンズ７と
   ２次電子減速電極２９とを配し、この対物レンズ
   ７及び２次電子減速電極２９の上方に一対の２次
   電子検出器１０ａ，１０ｂを上記鏡体１ａの中心
   軸に対して対称的に配したことを特徴とする電子
   顕微鏡装置。