JP4199629B2 - 内部構造観察方法とその装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子素子の性能を評価しながら、デバイスの内部構造を観察する新規な内部構造観察方法とその装置に関する。

従来、電子素子の特性評価は、半導体の電子素子上に探針を接触させて、素子の電気的特性を評価する装置として、プローバが知られている。例えば、光学顕微鏡により位置を確認しながら探針を素子評価用電極に接触させて電気計測系との導通を取り、素子特性を評価する。さらに、実配線上への探針の接触を行うことで、素子上の特定部分の特性を評価することも出来る。

最近では、光学顕微鏡による探針の位置確認では、サブミクロン配線の観察に限界があり、微細配線への探針のコンタクトが困難となってくるため、特許文献１に記載されているように、探針先端と接触させるべき試料内の特定の位置を確認するために、電子照射系又はイオン照射系と二次電子検出系により構成される検出手段を設け、探針の接触位置確認手段を高分解能で行っている。探針を高分解能で接触させた後、走査型電子顕微鏡により検出される二次電子を10mVの精度で電位コントラストを得ることが可能であり、特定位置での動作状態の配線電位を観察することができる。さらに探針を使用しているので、特定の局所位置だけの電気特性・電流電圧特性等を計測することが可能である。
また、特許文献２では、透過型電子顕微鏡と原子間力顕微鏡や走査プローブ顕微鏡に代表される走査プローブ顕微鏡の機能を併せ持つ高分解能複合型顕微鏡により、内部構造及び電子線の入射方向に平行な面の表面構造、機械的性質、電気的性質を観察・測定することが出来る。

特開平9-326425号公報 特開2002-279925号公報

特許文献1では、電子素子を動作させながら、特定位置での表面の配線電位は得ることが出来るものの、表面に露出していない電子素子の内部構造の観察は行うことが出来ない。このため、特許文献1を用いて、電気特性の経時劣化の原因について、内部構造を調べるためには、電気特性の経時劣化を測定した後、劣化後の試料を透過型電子顕微鏡又は走査透過型電子顕微鏡用試料に加工し、別の正常状態の試料との比較によって行っていた。そのため、観察試料は最低2個作製する必要があり、電気特性の劣化原因を解析するのに非常に時間がかかっていた。劣化後の試料を観察するため、劣化現象の初期や劣化が進行していく素過程を観察することはできなかった。

一方、特許文献２では、電子線の入射方向に対して平行な面の表面観察は可能であるが、特定位置に電圧を印加させながら、試料の内部構造を観察することは困難であった。
本発明の目的は、電子顕微鏡を用いることによって、良品から不良品への経時変化を同一試料、同一視野で追跡し、不良発生のメカニズムを随時観察することのできる内部構造観察方法とその装置及び内部構造観察用試料ホルダーを提供することにある。

本発明は、観察試料内の局所的な位置に電圧を印加しながら、試料の内部構造の観察をするものであり、具体的には、高真空容器内で粒子源から発生する一次粒子線を試料に照射し、試料を透過した前記一次粒子線の透過粒子を検出する検出器とを備えた電子顕微鏡による内部構造観察方法であって、
前記高真空容器内に移動可能に設けられた探針を有する電圧印加手段によって前記試料に部分的に前記探針によって電圧を印加して前記試料に電気特性変化を生じさせる工程と、前記検出器によって前記印加された部分の前記透過粒子を検出し前記電圧の印加による前記電気特性変化に至る前記透過粒子の検出状態を随時モニタによって観察する工程と、前記高真空容器内で前記探針を移動する工程とを有するもので、前記試料に電圧を印加して欠陥を生じさせることが好ましい。
又、本発明は、高真空容器内で粒子源から発生する一次粒子線を試料に照射する照射手段と、前記試料を透過した前記一次粒子線の透過粒子を検出する検出器とを備えた電子顕微鏡による内部構造観察装置であって、
前記試料に部分的に探針によって電圧を印加する電圧印加手段と、前記高真空容器内で前記探針を移動させその移動を制御する探針移動制御装置と、前記高真空容器内に設けられた前記試料に部分的に探針によって電圧を印加して前記試料に電気特性変化を生じさせる電圧印加手段と、前記探針を移動させその移動を制御する探針移動制御装置と、前記検出器により前記電圧の印加による前記電気特性変化に至る前記透過粒子を検出しその検出状態を随時観察するモニタとを有し、好ましくは、前記試料から発生した二次電子を検出する二次電子検出器とを有することを特徴とする内部構造観察装置にある。

更に、本発明の内部構造観察装置は、試料ホルダ本体と、該本体に配置され複数本の探針を有する探針台と、該探針台に対向して設けられ試料を保持する試料保持台と、前記探針台に設けられた電極に接続され前記探針に電圧を印加する配線とを有する試料ホルダーを有する。

本発明によれば、電子素子の電気特性を測定しながら、表面に露出しない電子素子の内部構造を観察することにより、良品から不良品への経時変化を同一試料、同一視野で追跡し、不良発生のメカニズムを随時観察することができる。更に、極微小領域における同一視野内において、電気的特性を測定しながら内部構造を観察することにより、電気特性の変化と形状・元素分布変化の相関に関する知見を得ることが出来るため、不良発生メカニズムの直接的な指針を得ることが可能となり、新製品開発や不良解析対策の効率が向上する。

本発明によれば、良品から不良品への経時変化を同一試料、同一視野で追跡し、不良発生のメカニズムを発見することのできる内部構造観察方法とその装置を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を以下説明する。尚、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図1は、走査透過型電子顕微鏡を用いて試料の電気的特性を測定すると共に、電子素子の内部を観察する本発明装置の全体システムを示す構成図である。走査透過型電子顕微鏡は、高真空容器内に、一次粒子線である電子線2を放出する電子源1、電子線2を収束させる収束レンズ3、挿入された試料15に照射させる電子線の位置を走査させる走査コイル4、対物レンズ5から構成されている。電子源1から放出された電子線2は、試料15を透過した後、中間の投影レンズ18により拡大され、投影レンズ18の中心部の透過電子を明視野像検出器20及び拡大された透過電子を暗視野像検出器19により検出され、それぞれ明視野像モニタ22、暗視野像モニタ23で表示される。

探針7,8,9,10は、試料15内に形成された電極11,12,13,14にそれぞれ接触させ、電極11,12,13,14間の電気特性を測定する。探針7,8,9,10を電極11,12,13,14にそれぞれ接触させる際は、走査透過型電子顕微鏡内に設置された2次電子検出器6で位置を確認しながら行う。探針7,8,9,10は、探針移動制御装置21で粗動及び微動の制御を行い、電極11,12,13,14に接触させる。探針7,8,9,10に印加する印加電圧と電気特性の測定は探針電圧制御装置25で行われる。

試料15は、試料ホルダー16に搭載され、試料ホルダー移動制御装置17によって、粗動及び微動の移動を行うことが出来る。探針7,8,9,10及び試料15の一方を移動可能とし、本実施例では試料15を移動させるものであり、その微動には、後述する圧電素子41を用いており、nmオーダーの制御が可能である。

暗視野像モニタ23に取り込まれる観察画像は、暗視野像検出器19で検出され、随時画像判定器26に送られた後、メモリ28にすべての観察画像を記憶する。画像判定器26では、観察開始直後に撮影された画像と観察中に取り込まれた画像と比較し、試料位置のずれ、観察箇所の不良発生箇所の判断を行う。もし、試料位置のずれが判断された場合は、試料位置ずれ制御装置27を経由して、走査コイル4又は試料ホルダー移動制御装置17に元の観察位置に戻すような信号を送る。

以上のように、本実施例による探針7,8,9,10の位置補正又は電子線2の照射位置ずれ補正する補正機構は、探針7,8,9,10又は試料15の電位変化による電子線2の照射位置ずれ前の観察像がメモリ28に記憶され、位置ずれ後の観察像を照合して位置ずれ量を算出する計算機を有し、算出された位置ずれ量分のみ電子線2の照射領域を移動させて補正又は試料保持台53へ位置ずれ量分を機械的な力によって補正することができる。又、補正機構は、探針7,8,9,10の電圧印加量に対して、試料15の位置ずれ量を先に算出しておき、この位置ずれ量に基づき電子線2の照射領域の補正量を加えることにより行うことができる。

図２は、本発明の探針機構を配置した透過型電子顕微鏡用試料ホルダーの上面図であり、図３は、図２の試料ホルダーのA-A断面図である。本実施例では、探針機構部を配置した走査透過型電子顕微鏡サイドエントリー用試料ホルダーについて説明する。ここで、探針機構部とは探針台35に探針38を取り付けたものである。本透過型電子顕微鏡用試料ホルダーは、探針機構を配したまま走査透過型電子顕微鏡の高真空容器内にサイドより挿入される。

透過型電子顕微鏡用試料ホルダー本体34の先端部には、電極用に図中メッシュで示した金配線55を施した探針台35を設置できる。探針台35の上部から、４本の配線37で繋がれた探針台用電極36を介してネジ56で押さえ、探針台35を透過型電子顕微鏡用試料ホルダー本体34に固定する。探針台35には探針38が図１に示すように４本配置される。試料メッシュ39は試料押さえ40を配置した後、ネジ42で試料保持台53に固定される。試料メッシュ39は圧電素子41で直交する3軸方向に移動可能な微動機構を有する。54は空洞、57はピポットである。

図４は本発明の探針機構を配置した透過型電子顕微鏡用試料ホルダーの上面図であり、図５は、図４の試料ホルダーのA-A断面図である。図４では探針台35と試料メッシュ39との設置位置を図２とは反対に変更させた場合の透過型電子顕微鏡用試料ホルダーを示したものである。図４の場合，ピポット57側に試料を配置する。探針台35は、圧電素子41で直交する3軸方向に移動可能となる。本試料ホルダーの場合，探針台用電極36に接続されている2本の配線37を試料ホルダーの内部に納めることができ，外部に露出しないので，試料15や探針台35を交換する際に，邪魔になることが無い。

図６は、探針機構部を作製する装置の断面図である。図６において、２本の探針38を探針台35に取り付ける方法について説明する。探針の本数は図１においては４本であるが、これらに限られるものでは無い。探針台35に探針38を取り付ける方法として、収束イオンビーム装置50を用いて行った。

先ず、収束イオンビーム装置用試料台48上に、探針台35及び探針38をカーボンテープ又は両面テープ等で固定しておく。探針38の先端部は、収束イオンビーム装置51内に挿入する前に、電界研磨により先端径を1μm以下にした。

次に、収束イオンビーム装置50内に備えてあるマニュピュレータ46を探針38に接触させる。その後、タングステンノズル44から供給されるタングステンにより、探針38とマニュピュレータ46を接着させ、探針38の後方部を収束イオンビーム49により所定の長さに切断し、上方へ移動させる。探針38を接着させたマニュピュレータ46を探針台35の中央付近に移動させ、探針38が探針台35に接触させるまで降下させ、探針台35に接触したことを確認した後、タングステンノズル44からタングステンを供給して、探針38と探針台35を接着させる。もう一方の探針を同様に接着させた後、２本の探針38間の金配線を収束イオンビーム49で切断し、両探針38間を断線させる。55は金配線である。

本実施例では、探針38として、電解研磨が可能なW、Pt-Ir合金、Pt等が用いられるが、材質としてこれらに限られるものではない。収束イオンビーム装置50による探針機構部の作製が困難と考えられるカーボンナノチューブ等は、カーボンナノチューブ作製装置に探針台35を挿入し、直接接着させても良い。

図７は、試料ホルダー内の探針と電極間との位置関係を示す断面図である。図７(a)は、探針7を探針台35に対し平行に接着させた場合である。この場合、試料15に配置されている電極12の電極面と探針7は垂直になる。図７(b)は探針台35の先端部を約45°の斜面とし、その斜面に対し平行に探針7を接着させた場合である。図７(c)は、電極面を電子線の入射方向に対し、約45°とした。図７（b）及び(c)の両者とも、電極12の電極面と探針7との角度は、90°以下となり、接触抵抗を減らした状態で接触が可能となる。

本実施例によれば、走査透過型電子顕微鏡用試料ホルダーに、探針機構部を配置することが可能となり、従来の走査透過型電子顕微鏡用試料ホルダーと同様にそのまま走査透過型電子顕微鏡内に挿入することが出来る。また、探針機構部の探針の間隔は自由に設定することが出来るので、電極の間隔に合わせることが出来る。また、探針の角度も自由に変化させることが可能であるため、探針と電極間との接触についても良好に保つことが出来る。電極面12と探針7との角度はこれに限られるものではなく、接触抵抗を一番軽減出来る角度で配置出来、探針7と試料15とは、互いの接触角度が垂直又は傾斜した構造とすることができる。

図８は、本装置を用いて試料に電圧印加しながら、試料の内部構造を観察する方法を説明するブロック図である。本観察は、電子素子の配線内で行った。
(1)二次電子検出器6で各探針位置を確認しながら、探針7,8,9,10をそれぞれ任意の電極11,12,13,14に接触させる。本実施例では、探針7,8,9,10の位置の確認を二次電子検出器6で行ったが、これに限るものではなく、例えば、試料と探針間を流れる電流を検出してもよい。
(2)探針7,8,9,10をそれぞれ任意の電極11,12,13,14に接触後、電圧を印加する前に、低倍率（約1000倍〜5000倍）程度に設定し、正常動作状態での画像を撮影し、基準画像とし画像判定器26に記憶する。
(3)次に探針7,8,9,10のそれぞれに電圧を印加させる。電圧印加当初は、低倍率に設定し、広範囲で観察を行う（観察画像）。観察画像は、画像判定器26で基準画像と比較する。
(4)基準画像に対して試料位置ずれ（観察位置のずれ）が検出された場合は、試料位置ずれ制御装置27より試料ホルダー制御装置17又は走査コイル4に信号を送信し、観察位置を観察開始時に戻す。位置ずれが検出されない場合は、継続して観察を行う。
(5)基準画像と観察画像とを比較し、画像内の一部が変化したと判断した場合、変化した箇所を高倍率（100000倍〜500000倍）で撮影すると共に、完全な不良品となるまで同じ電圧又は電圧を高めながら印加し、随時内部構造を観察し、撮影する。
(6)電子線2の照射を停止させて、電圧を印加しながら、抵抗の測定も行う。その抵抗値が基準値より低下した場合には不良品とみなし、配線内の一部を高倍率（100000倍〜500000倍）で撮影し、更に完全な不良品となるまで電圧を印加しながら随時透過粒子の検出によって内部構造を観察することにより、完全な不良品となるまでの各段階の構造を知ることができ、新しい構造への指針を得ることができる。

特に、試料に電圧を印加して欠陥又は電気特性変化を生じさせ、電圧の印加による欠陥又は電気特性変化に至る透過粒子の検出状態を随時観察する。随時観察するとは、１秒毎、１分毎、１時間毎のように、一定時間をおいて同一試料を撮影し観察すること、又は連続する映像を動画として撮影し、観察することをいう。

又、本実施例においては、完全な不良品に至る各段階の不良品の構造を知ることができるので、電子素子における良品に対して種々の段階にある不良品の検査、不良発生箇所の判定を行うことができる。観察する情報として、電子装置における配線のマイグレーション、ボイドの形成、膜の破損状況等である。

更に、本実施例によれば、極微小領域における同一視野内において、電気的特性を測定しながら内部構造を観察することにより、電気特性の変化と内部構造の変化を知ることが出来るため、不良発生メカニズムの直接的な指針を得ることが可能となり、新製品開発や不良解析対策の効率が向上する。

図９は、走査透過型電子顕微鏡を用いて試料の電気的特性を測定すると共に、電子素子の内部を観察する本発明装置の他の例を示す全体システムを示す構成図である。本実施例においては、実施例１に対して走査透過型電子顕微鏡の下に電子線エネルギー損失分光器（EELS）29、X線を検出するX線検出器33及びX線モニタ32を備えたものである。電子線エネルギー損失分光器（EELS）29は、磁場セクタ30及び磁場セクタ30によって選択された特定の元素を検出する検出器31を有する。これらの装置は対象元素に合わせた画像を得ることが出来るため、内部構造の構造像だけでなく、内部の元素の移動についても観察を行うことが出来るので、構造像の変化を撮影中に、これらの装置を用いて、元素の情報も知ることができる。本実施例においても、実施例１と同様に完全な不良品となるまで電圧を印加しながら随時内部構造を観察することにより、完全な不良品となるまでの各段階での変化情報を知ることができ、新しい構造への指針を得ることができる。

更に、本実施例によれば、極微小領域における同一視野内において、電気的特性を測定しながら内部構造を観察すると共に、電気特性の変化と形状・元素分布変化の相関に関する知見を得ることが出来るため、不良発生メカニズムの直接的な指針を得ることが可能となり、新製品開発や不良解析対策の効率が向上する。

本実施例においても、実施例１と同様に、試料に電圧を印加して欠陥又は電気特性変化を生じさせ、電圧の印加による欠陥又は電気特性変化に至る透過粒子の検出状態を随時観察する。

又、本実施例においても、完全な不良品に至る各段階の不良品の構造を知ることができるので、電子素子における良品に対して種々の段階にある不良品の検査を行うことができる。

尚、本実施例では、走査透過型電子顕微鏡内での電気特性の測定と内部観察について記述したが、試料の内部構造を観察可能な装置であれば、これに限定されるものではない。

本発明の走査透過型電子顕微鏡を用いた全体システムを示す構成図。 本発明の透過型電子顕微鏡用試料ホルダーの上面図。 図2の試料ホルダーのA-A断面図。 本発明の他の例を示す透過型電子顕微鏡用試料ホルダーの上面図。 図４の試料ホルダーのA-A断面図。 探針機構部を作製する収束イオンビーム装置の断面図。 試料ホルダー内の探針と電極間との位置関係を示す断面図。 試料に電圧印加しながら試料の内部構造を観察する方法を説明するブロック図。 本発明の走査透過型電子顕微鏡を他の例を示す全体システムを示す構成図。

符号の説明

1…電子源、2…電子線、3…収束レンズ、4…走査コイル、5…対物レンズ、6…二次電子検出器、7,8,9,10…探針、11,12,13,14…電極、15…試料、16…試料ホルダー、17…試料ホルダー移動制御装置、18…投影レンズ、19…暗視野像検出器、20…明視野像検出器、21…探針移動制御装置、22…明視野像モニタ、23…暗視野像モニタ、24…二次電子像モニタ、25…探針電圧制御装置、26…画像判断器、27…試料位置ずれ制御装置、28…メモリ、29…電子線エネルギー損失分光器、30…磁場セクタ、31…検出器、32モニタ、33…X線検出器、34…透過型電子顕微鏡用試料ホルダー本体、35…探針台、36…探針台用電極、37…配線、38…探針、39…試料メッシュ、40…試料押さえ、41…圧電素子、42、56…ネジ、43…タングステンノズル、44…タングステン、45…収束イオンビーム源、46…マニュピュレータ、47…レンズ、48…収束イオンビーム用試料台、49…収束イオンビーム、50…収束イオンビーム装置、52…配線断面部、53…試料保持台、54…空洞、55…金配線、57…ピボット。

Claims (18)

1. 高真空容器内で粒子源から発生する一次粒子線を試料に照射し、前記試料を透過した前記一次粒子線の透過粒子を検出する検出器とを備えた電子顕微鏡による内部構造観察方法であって、
   前記高真空容器内に移動可能に設けられた探針を有する電圧印加手段によって前記試料に部分的に前記探針によって電圧を印加して前記試料に電気特性変化を生じさせる工程と、前記検出器によって前記印加された部分の前記透過粒子を検出し前記電圧の印加による前記電気特性変化に至る前記透過粒子の検出状態を随時モニタによって観察する工程と、前記高真空容器内で前記探針を移動する工程とを有することを特徴とする内部構造観察方法。
2. 請求項１において、前記試料の電圧印加によって生じる電気特性変化と前記透過粒子の検出による前記試料の内部構造の観察状態とに基づいて前記試料の不良発生箇所を判定することを特徴とする内部構造観察方法。
3. 請求項１において、前記試料の電圧印加によって生じる前記試料の元素分布変化前後で前記透過粒子の検出状態を観察することを特徴とする内部構造観察方法。
4. 請求項１において、前記電気特性変化が電流電圧特性変化であり、前記電気特性を測定中、前記一次粒子線の照射を停止させることを特徴とした内部構造観察方法。
5. 高真空容器内で粒子源から発生する一次粒子線を試料に照射する照射手段と、前記試料を透過した前記一次粒子線の透過粒子を検出する検出器とを備えた電子顕微鏡による内部構造観察装置であって、
   前記高真空容器内に設けられた前記試料に部分的に探針によって電圧を印加して前記試料に電気特性変化を生じさせる電圧印加手段と、前記探針を移動させその移動を制御する探針移動制御装置と、前記検出器により前記電圧の印加による前記電気特性変化に至る前記透過粒子を検出しその検出状態を随時観察するモニタとを有することを特徴とする内部構造観察装置。
6. 請求項５において、前記粒子源が電子源であり、前記粒子線が電子線であることを特徴とする内部構造観察装置。
7. 請求項５において、前記電圧印加手段に印加する電圧を制御すると共に、前記試料の電気特性を測定する電圧制御装置を有することを特徴とする内部構造観察装置。
8. 請求項５において、前記探針は前記試料を保持する試料ホルダーに設けられ、該試料ホルダーは、試料ホルダー本体と、該本体に配置され複数本の前記探針を有する探針台と、該探針台に対向して設けられ前記試料を保持する試料保持台と、前記探針台に設けられた電極に接続され前記探針に電圧を印加する配線とを有し、前記探針と試料間又は探針間に電圧を印加することを特徴とする内部構造観察装置。
9. 請求項５において、前記透過粒子を拡大する投影レンズと、該拡大された前記透過粒子の中心部を検出する明視野検出器と、前記拡大された外周部の前記透過粒子を検出する暗視野検出器とを有することを特徴とする内部構造観察装置。
10. 請求項９において、前記明視野検出器によって検出された信号をモニタする明視野像モニタと、前記暗視野検出器によって検出された信号をモニタする暗視野像モニタとを有することを特徴とする内部構造観察装置。
11. 請求項９において、前記明視野検出器によって検出された信号に基づいて前記試料の元素を特定する電子線エネルギー損失分光器と、前記試料から発生したＸ線を検出するＸ線検出器と、該Ｘ線検出器からの信号をモニタするＸ線モニタとを有することを特徴とする内部構造観察装置。
12. 請求項７において、前記電気特性と、前記透過粒子を検出する検出器によって検出された信号とに基づいて前記試料の不良箇所を判定する判定手段を有することを特徴とする内部構造観察装置。
13. 請求項８において、前記探針の位置又は前記一次粒子線の照射位置を補正する補正機構を有することを特徴とする内部構造観察装置。
14. 請求項１３において、前記補正機構は、前記探針又は試料の電位変化による前記一次粒子線の照射位置ずれ前の観察像を記憶する記憶装置と、位置ずれ後の観察像を照合して位置ずれ量を算出する計算機とを有し、該算出された位置ずれ量分のみ前記粒子源からの一次粒子線の照射領域を移動させて補正又は前記試料保持台へ位置ずれ量分を機械的な力によって補正することを特徴とする内部構造観察装置。
15. 請求項１３において、前記補正機構は、前記探針の電圧印加量に対して、前記試料の位置ずれ量を先に算出しておき、この位置ずれ量に基づき前記一次粒子線の照射領域の補正量を加えることを特徴とした内部構造観察装置。
16. 請求項８において、前記探針台及び試料保持台の一方が移動可能であり、直交した３軸方向に圧電素子による微動機構を有することを特徴とする内部構造観察装置。
17. 請求項８において、前記試料ホルダーは、電子顕微鏡用サイドエントリー型試料ホルダーであることを特徴とする内部構造観装置。
18. 請求項８において、前記探針と試料とは、互いの接触角度が垂直又は傾斜した構造を有することを特徴とする内部構造観察装置。

Images