JPH0682720B2

JPH0682720B2 - 電子デバイスの試験装置およびその使用方法

Info

Publication number: JPH0682720B2
Application number: JP61169615A
Authority: JP
Inventors: 正浩吉沢; 康和田; 信生島津; 章菊池; 明平藤波
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1986-07-18
Filing date: 1986-07-18
Publication date: 1994-10-19
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: JPS6327033A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、VLSI等の電子デバイスの特性評価あるいは故
障検出、特にFET,インバータの閾値電圧等のトランジス
タの電気的特性の測定などを製造工程の途中で荷電ビー
ムにより非接触で行なうための試験装置およびその使用
方法に関するものである。

〔従来の技術〕

VLSI等の微細な電子デバイスの実現には、製造工程の途
中で電子デバイスの試験を行なう試験装置の開発が不可
欠である。従来から、微細な電子デバイスの論理試験，
遅延時間の測定等を行なうために、高分解能の電子ビー
ムを電位測定のプローブとして用いた電子ビームテスタ
が用いられている。上記の電子ビームテスタとしては、
例えば「IC用電子ビーム試験技術」，スキャニング・エ
レクトロン・マイクロスコピー,1981年,1巻,305頁（「E
LECTRON BEAM TEST TECHNIQUES FOR INTEGRATED CIRCUI
TS」,Scanning Electron Microscopi,1981,vol.1,p.30
5）に記載されているものがある。

第14図（ａ）は電位コントラストの測定、（ｂ）は電位
信号波形の測定をそれぞれ行なうための装置構成を示し
た図である。

第14図（ａ）において、１は電子銃、２はレンズ、３は
電子ビームの照射位置を定めるためのスキャンコイル、
４はスキャンコイル３に電流を供給するためのスキャン
・ゼネレータ、５は二次電子SEを検出するための検出
器、６は検出器５の出力信号を増幅する増幅器、７は試
験対象ICを駆動するためのICドライブ・ユニット、８は
モニタ用TVである。電子銃１から送出されたビームはレ
ンズ2,スキャンコイル３により制御され、試験対象ICへ
照射される。

また第14図（ｂ）において、９はチョッパ、10はチョッ
パ９にパルスを供給するパルス・ゼネレータ、11は信号
位相変化を行なうフェーズ・シフタ、12は信号を遅延さ
せるディレイ・ユニット、13は二次電子スペクトロ・メ
ータ、14はリニアライゼーション・ユニット、15はオシ
ロスコープ・プロッタである。第14図（ｂ）において第
14図（ａ）と同一部分又は相当部分には同一符号が付し
てある。電子銃１から送出されるビームはチョッパ９に
よりチョッピングされる。

しかし、上述した従来のこの種の装置は、ICパッケージ
に封じられた電子デバイスへ外部端子から接触式手段に
よりテスト信号を入力しており、検出手段としてのみ電
子ビームを使用する。従って、外部端子との接続に面積
の大きい電極を必要とし、電極形成後の完成されたウェ
ハまたはLSIの機能検査等に用いられ、製造途中での試
験には用いられることができなかった。また、電子ビー
ムを電圧コントラストの像の表示または或る点の電位の
時間変化を観察するためのプローブとして用いており、
電圧の供給源としての電子ビームの使い方がなされてい
なかった。

これに対し、複数のビームを照射し、電子デバイスに電
圧を供給すると共に電位測定を行なって、トランジスタ
の閾値等を製造途中で測定する装置として特願昭60-177
449号に提案されている装置がある。この装置では、ま
ず、第１ビームだけを照射して照射位置の電位を測定
し、電位がある値に等しくなるようにビーム電流を制御
し、この時の二次電子信号量を記憶する。次に、第１ビ
ームの照射条件を変えずに第２ビームの照射を開始し、
二次電子信号量の増加分から第２ビームだけによる二次
電子信号量を求めて、第２ビーム照射位置の電位測定，
電位設定を行なっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述の提案の装置においては、第１ビー
ムの照射位置の電位設定が終了した後、第２ビームの照
射を開始して照射位置の電位設定を行なうというよう
に、順次、複数の照射位置の電位測定，電位設定を行な
うために、電子デバイスの電気特定の測定に時間がかか
るとうう問題があった。

また基準となる二次電子信号量が不正確なため、複数の
ビームを同時に照射した場合の二次電子信号の切り分け
が不正確なものになってしまうという問題があった。

本発明の目的は、上記諸問題を解決し、荷電ビームを電
位測定だけでなく、電圧供給源として用い、サブミクロ
ン領域での電子デバイス（ウェハ等）の特性評価をLSI
の製造途中で非接触に行なう試験装置およびその使用方
法を提供することにある。特に、複数の荷電ビームを用
い、荷電ビームの照射により非接触でFET,インバータ等
の電子デバイスに電圧を供給して電子デバイスを動作さ
せることにより、閾値電圧等の電気特性の測定，電気特
性の異常検出を行なう試験装置およびその使用方法を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

このような目的を達成するために本発明は、照射位置可
変な電位測定ビームと複数の電圧供給ビームから成る複
数の荷電ビームを電子デバイス上の所定の位置に照射す
るための照射手段と、複数の荷電ビーム照射により同時
に発生する全二次電子信号量の中から電位測定ビーム照
射により発生する二次電子信号量を分離して検出する二
次電子検出回路と、この二次電子検出回路の出力を入力
して電位を測定する電位測定回路と、この電位測定回路
の出力にもとづいて電位測定ビーム照射位置の電位を任
意の目的値に設定するように電位測定ビーム照射位置に
照射される電圧供給ビームを制御するビーム制御回路と
を装置に設けるようにしたものである。

また、試験装置の使用方法として、複数の電圧供給ビー
ムを電子デバイスの所定の照射位置に照射すると同時に
電位測定ビームを上記電圧供給ビームの照射位置を含む
複数の照射位置に順次照射し、各照射位置での電位測定
ビームによる二次電子信号量を検出して電位測定を行な
うと共に，照射位置が電圧供給ビームの照射位置と同一
ならば，電圧供給ビームのビーム電流，加速電圧または
パルスビームのオン・オフ時間を制御して照射位置の電
位を目的値に設定し、上記照射位置の目的電圧を順次変
更して上記測定手順を繰り返すことにより電子デバイス
の電気的特性を測定するようにしたものである。

〔作用〕

本発明においては、異なる電圧供給ビームと電位測定ビ
ームとを同一照射位置に照射して電圧供給ビームを制御
する。

〔実施例〕

まず本発明の概要について説明する。本発明において
は、照射位置可変な電位測定ビームと複数の電圧供給ビ
ームから成る複数の荷電ビームを電子デバイスに照射
し、その照射位置から発生した二次電子信号量を検出
し、照射位置の電位が目的値に等しくなるように電位測
定ビーム照射位置に照射される電圧供給ビームを制御す
る手段を持ち、従来は外部端子から行なっていた電圧供
給を非接触で行ない、複数のビームを用いることにより
複数の照射位置の電圧供給を行なうと共に電位を測定
し、トランジスタ等の電子デバイスの電気特性を測定す
る。

次に電位設定と電位測定の動作の概要について説明す
る。複数ビームの中で電位測定ビームをある周波数のパ
ルスビームとして照射する。電位測定ビームがオフ時と
オン時の二次電子信号量の差から電位測定ビームによる
二次電子信号量を上記電位測定ビームのパルス周波数で
同期して検出し、電位測定ビームの照射位置の電位を測
定する。上記電位測定ビームを複数の電圧供給ビームA,
Bと同時に照射し、電位測定ビームによる二次電子信号
を検出して電位測定を行なう。電位測定ビームを電圧供
給ビームＡの照射位置に照射した時には電位測定結果を
もとにして電圧供給ビームＡのビーム制御回路にフィー
ドバックするように電位測定回路の出力を切り替えて電
圧供給ビームＡの照射条件を制御して電位を設定する。
電圧供給ビームＢについても同じである。

このようにして、複数の電圧供給ビームを同時に照射し
ながら、それぞれの電圧供給ビームの照射位置の電位が
目的値に等しくなるように制御することができる。ま
た、複数のビームを同時に照射した状態で、電位測定ビ
ームによる二次電子信号を検出し、それぞれの照射位置
の電位設定，電位測定を行なうため、１本ずつ電位設定
を行なうのに比べて測定時間が短縮できる。また、電位
測定ビームの電位測定結果により電圧供給ビームを制御
するため、電圧供給ビームの照射条件を変化させても電
位測定に誤差が生じない。こうすることによって、トラ
ンジスタのドレイン電流−ゲート電圧特性等の電気特性
の製造途中での測定が正確に実施できる。

以下本発明に係わる電子デバイスの試験装置およびその
使用方法の実施例について説明する。第１図は本発明の
一実施例を示す系統図である。本装置は照射手段として
の複数の鏡筒21〜23を持っており、これら複数の鏡筒か
ら発生した荷電ビーム31〜33は被測定電子デバイスの電
圧供給と電位測定のために用いる。各ビームは、加速電
圧源34により所定の加速電圧に加速し、ステージ（試料
台）45の上の電子デバイス44の必要位置に照射する。こ
の電子デバイス44は完成デバイスに限らず、製造工程途
中のウェハであっても良い。35はビームの光軸調整を行
なうためのアライナである。36はレンズ、37はレンズ電
源であり、レンズ電源37を変化してビーム電流を調整す
る。38はブランカ、39はブランキング電源、40はブラン
キングアパーチャであり、ブランキング電源39を制御し
てビームのオン・オフを行なう。41は偏向器、42は偏向
電源、43は対物レンズである。以上の構成は、鏡筒21〜
23において同一構成である。ただし、鏡筒21,22におい
ては、加速電圧源34とブランキング電源39が紙面の都合
上省略されている。

一次荷電ビームが電子デバイス44の所定の位置に照射す
るように偏向電圧を制御して偏向するとともに、対物レ
ンズ43で焦点調整を行なう。第１図では、各鏡筒中に１
組のアライナ35と偏向器41しか図示していないが、X,Y
の２方向に偏向するために、それぞれ２組のアライナ，
偏向器を持っている。46はエネルギー分析器、47は二次
電子検出器、48は増幅器である。24は二次電子信号検出
回路であり、複数のビーム照射によって発生する二次電
子の中から特定のビーム照射により発生した二次電子信
号を分離して検出するための回路である。25はビームの
照射位置の電位を測定するための電位測定回路である。
26,27は照射位置の電位を目的の電圧V_Rに設定するため
のビーム制御回路であり、電位の測定結果にもとづい
て、照射位置の電位が設定値V_Rに等しくなるようにビー
ム電流量を制御する。28は電位測定結果を処理し、表示
する信号処理回路、28aは表示装置である。29はビーム
の偏向量を制御する偏向制御回路であり、照射位置制御
回路30からの照射位置指定により、偏向電源42に所定の
電圧を発生させる。

エネルギー分析器46および電位測定回路25については、
例えば「電位測定用二次電子分析器」，スキャンニング
・エレクトロン・マイクロスコピー,1983年,1巻,65頁
（「SECONDART ELECTRON ANALYZERS for VOLTAGE MEASU
REMENTS」,Scanning Electron Microscopi,1983,vol.1,
p.65）に記載されているものがある。エネルギー分析器
46はメッシュ電極から成り、この電極に加えるエネルギ
ー分析電圧の大きさを変えると、二次電子信号量が変化
する。この二次電子信号量が予め設定した基準二次電子
信号量（例えば電位が0Vの時の二次電子信号量）に等し
くなるようにエネルギー分析電圧を制御し、この時のエ
ネルギー分析電圧の値から測定点の電位を測定する。あ
るいは、予め測定しておいたＳカーブ（二次電子信号量
のエネルギー分析電圧に対する変化曲線）をもとにし
て、検出した二次電子信号量から電位を求める。このた
め、二次電子検出器47の出力を増幅器48,二次電子検出
回路24を介して電位測定回路25に入力し、電位測定回路
25の中で二次電子信号量を基準の二次電子信号量と比較
し、等しくなるようにエネルギー分析電圧を制御するこ
とにより、電位を測定する。電位測定回路25の出力は電
位に対応する。

第１図において、33は電位測定ビームであり、照射位置
から発生した二次電子を検出して電位測定を行なうため
に用いる。31,32は電圧供給ビームであり、照射位置の
電極を正負の任意の値に設定するために用いる。エンハ
ンスメント型のトランジスタやインバータでは、ゲート
の閾値電圧と駆動電圧は同じ極性であり、同じ極性の電
圧をそれぞれゲート，ドレイン等に印加して試験するよ
うに、ビーム31,32の加速電圧を設定する。ディプレッ
ション型のトランジスタやインバータでは、ビーム31,3
2の加速電圧は、一方が正（二次電子放出比δ＜１）、
他方が負（二次電子放出比δ＞１）に帯電するように設
定する。電位測定ビーム33は通常はδが１に近い加速電
圧を用いる。なお、３本の鏡筒の内のどれを電圧供給，
電位測定に用いてもよいが、その用途によって異なるも
のであってもよい。電位測定ビームでは収束性がよく、
ブランキング，偏向の精度がよいことが要求される。こ
れに対して電圧供給ビームは、電位測定ビームよりはビ
ーム径が大きくてもよいが、ビーム電流が制御できなけ
ればならない。

次に、二次電子信号検出回路24について述べる。複数の
ビームを照射した場合、それぞれのビームによって発生
した二次電子が同時に同じ二次電子検出器47で検出され
るので、この中から特定ビームの二次電子信号を切り分
けて検出し、上記ビーム照射位置の電位を測定する必要
がある。

以下にその原理と構成を示す。電位測定ビームの照射に
よる二次電子信号を切り分けて検出する場合を例に示
す。電位測定ビーム33をオフした時の二次電子信号量S_S
は電圧供給ビームによって生じる二次電子信号量であ
る。電位測定ビームをオンした時は、この二次電子信号
量S_Sに電位測定ビームによって生じる二次電子信号量S_O
が加わる。従って、電位測定ビームがオンの時とオフの
時の二次電子信号量の差から電位測定ビームによる二次
電子信号量が検出できる。

第２図は二次電子検出回路24の一例を示す回路図であ
る。第２図において、241はホールド回路、242は差分増
幅器としての演算増幅器、243は遅延回路、244は切替回
路、245はゲート信号発生回路、246はサンプルホールド
回路である。同図の回路の動作について説明する。ま
ず、ビーム照射について説明する。パルス制御回路49か
らの特定周波数のパルス信号によって制御したブランキ
ング電圧を電位測定ビームのブランキング電極38に印加
してパルスビームにし、このパルスビームを電位測定ビ
ームとして電子デバイスに照射する。この電位測定ビー
ムを電圧供給ビームと同時に照射する。

次に電位測定について説明する。電位測定ビームがオフ
の時の二次電子信号量S_Sを記憶しておき、全体の二次電
子信号量から二次電子信号量S_Sを差し引くことにより、
電位測定ビームによる二次電子信号量S_Oを検出する。電
位測定ビーム33をオフした時に増幅器48の周波数をホー
ルド回路241に入力し、S_Sをホールドしておく。次に、
電圧供給ビームはそのまま状態にして電位測定ビームを
照射し、電位測定および電圧供給ビームによる二次電子
を同時に検出した二次電子信号を増幅器48で増幅した
後、差分増幅器242に入力し、ホールド回路241でホール
ドしてあった二次電子信号との差を求めることによっ
て、複数のビーム照射による影響を除いて電位測定ビー
ムによる二次電子信号量を検出することができる。この
ようにして検出した電位測定ビームによる二次電子信号
を電位測定回路25に入力して電位を測定する。電位測定
ビームをパルスビームとし、電位測定ビームのオン・オ
フに同期して上記ホールド回路241への入力と差分増幅
器242への入力を切替えて全二次電子信号量から電圧供
給ビームによる二次電子信号量S_Sを差し引けば、連続的
に電位測定ビームによる二次電子信号量を検出すること
ができる。そのために、増幅器48の出力を、電位測定ビ
ームがオフの時にはホールド回路241に、オンの時には
差分増幅器242に入力するように、ブランキング電源39
を駆動するパルス制御回路49からのパルスに同期してゲ
ート信号発生回路245でゲート信号を発生し、このゲー
ト信号により切替回路244で切替えを行なう。このゲー
ト信号は差分増幅器242の後のサンプルホールド回路246
にも入力し、切替回路244を差分増幅器242に接続した時
（電位測定ビームオン時）の二次電子信号をサンプルホ
ールドし、この値を電位測定回路25へ入力して電位測定
を行なう。これは、電位測定ビームのオン時のみ、二次
電子検出回路24が電位測定ビームだけの二次電子信号を
検出しているためである。

第３図は二次電子検出回路24の別の実施例を示す回路図
である。第３図において、247はハイパスフィルタ、248
は検波回路である。まず、ビーム照射について説明す
る。パルス制御回路49からの特定周波数のパルス信号に
よって制御したブランキング電圧を電位測定ビームのブ
ランキング電極38に印加してパルスビームにし、このパ
ルスビームを電位測定ビームとして電子デバイスに照射
する。この電位測定ビームを電圧供給ビームと同時に照
射する。この時検出される二次電子信号の中、電位測定
ビームによる二次電子信号は上記特定周波数でパルス化
された信号になっている。従って、パルス制御回数49の
周波数を含むハイパスフィルタ247を用いて低周波の電
圧供給ビームによる信号を除去し、電位測定ビームによ
る二次電子信号を検出する。

第４図（ａ）は、電位測定ビームと電圧供給ビームとを
同時に照射した時検出される二次電子信号を示す波形図
である。また第４図（ｂ）は、ハイパスフィルタ247に
より検出された電位測定ビームによる二次電子信号を示
す波形図である。第４図（ｂ）に示す信号を検波回路24
8で検波して電位測定回路25に入力する。第４図（ｃ）
は二次電子信号を検波した後の波形を示す波形図であ
る。

次に、照射位置の電位を目的の電位V_Rに設定するための
ビーム制御回路26,27の動作について述べる。電位の設
定には、電圧供給ビームのビーム電流を制御する方法
と、加速電圧を制御する方法と、電圧供給ビームがパル
スビームの場合にはそのオン・オフ時間を制御する方法
がある。第１図の装置では、ビーム電流を制御して電位
を設定しているが、他の制御方法を用いてもよい。電位
設定の方法および装置は特願昭60-57568号に記載したも
のがある。これによると、電位V_Rが負の場合には、負に
帯電した荷電ビーム（電子ビーム）を用い、二次電子放
出比δが１より小さい加速電圧で照射する。電位V_Rが正
の場合には、二次電子放出比δが１より大きい加速電圧
の電子ビームもしくは正に帯電した荷電ビームを照射す
る。電位測定回路25の出力をビーム制御回路26にフィー
ドバックし、電位がV_Rに等しくなるようにレンズ電源37
を調整してビーム電流を増減させている。電位の絶対値
がV_Rの絶対値よりも大きい場合にはビーム電流を減少
し、小さい場合にはビーム電流を増加する。

第５図は本発明の第２の実施例である。本装置は電位設
定を加速電圧の制御により行なうものである。第５図に
おいて第１図と同一部分又は相当部分には同一符号が付
してある。ビーム制御回路26,27の出力を加速電圧源34
に接続し、電位がV_Rより高い場合には電位を下げるため
にδが１より小さくなる加速電圧に制御し、電位がV_Rよ
り低い場合には電位を上げるためにδが１より大きくな
る加速電圧に制御する。その他の制御は第１図の装置と
同じである。

パルスビームの場合には、二次電子信号量の各パルス毎
の同位相の信号を比較して、この値がV_Rに等しくなるよ
うに、電位測定回路25の出力をビームのブランキング電
源39を制御するパルス制御回路49にフィードバックし、
パルスビームのオン・オフ時間を変える構成でも電位を
目的値に設定することができる。例えば、電位の絶対値
がV_Rの絶対値よりも大きい場合には、ビームのオン時間
を短く（オフ時間を長く）、電位の絶対値がV_Rの絶対値
よりも小さい場合には、ビームのオン時間を長く（オフ
時間を短く）すればよい。

次に、ビーム制御回路の切替えについて述べる。電位測
定ビーム33を電圧供給ビーム31または32の照射電位に照
射し、電位を測定してその結果をもとにして電圧供給ビ
ームの制御を行なう。この時、電位測定ビームによる二
次電子信号の分離と電位の測定方法，装置については上
述したとおりである。電位測定ビーム33を電圧供給ビー
ム31の照射位置に照射する時は、電位測定回路25の出力
は、電圧供給ビーム31の照射位置の電位であり、この値
を電圧供給ビーム31のビーム制御回路26に接続するよう
に切替回路50を切り替える。電位測定ビーム33を電圧供
給ビーム32の照射位置に照射する時は、電位測定回路25
の出力を電圧供給ビーム32のビーム制御回路27に接続す
るように切替回路50を切り替える。電位測定ビームを電
圧供給ビームの照射位置以外に照射する時は電位測定だ
けを行ない、その結果は電圧供給ビームのビーム制御回
路へはフィードバックせず、それぞれの電圧供給ビーム
はフィードバックを切断する前の照射条件で照射する。

この時、切替回路50はどこにも接続しないか又は電位測
定ビームの鏡筒にフィードバックし、δが１になるよう
に加速電圧を制御するために用いる。この切替回路50の
切替は電位測定ビームの偏向と同期して行なう。以下に
その方法を示す。

ビームの照射位置は偏向電圧を変えることによって制御
する。この制御を行なうのが偏向制御回路29および照射
位置制御回路30である。その構成を第６図に示す。照射
位置制御回路30は、各ビームの照射位置を指定する照射
位置制御信号発生部301と、電位測定ビームの照射位置
が電圧供給ビームの照射位置と等しいか否かを検出する
比較回路302a,302bと、電圧供給ビームの照射位置を記
憶しておくためのメモリ303,304と、測定時に各ビーム
が照射する照射位置の偏向量のテーブル305a〜305cとを
持っている。例えばテーブル305aは、照射位置番号pi
（ｉは照射位置を区別する変数,pi＝1,2,・・・）の偏
向量が（xi,yi）のようになっている。この照射位置番
号piは各ビームに対して共通であり、照射位置が同じ場
合は同じ値になっている。照射位置制御信号発生部301
は、各ビームに対して照射位置を指定するため、この照
射位置番号piを発生し、この照射位置に対応する偏向量
をテーブルをもとにして発生し、偏向制御回路29内のそ
れぞれのビームの偏向制御部291〜293に送る。

偏向制御部は、それぞれのビームの加速電圧等の照射条
件に応じて、偏向に必要な信号値を偏向電源に設定す
る。この時、斜めから照射するビームについては、その
入射角度による偏向量補正を行なって信号値を設定す
る。電位測定ビームの照射位置指定信号ａは、比較回路
302a,302bにおいて電圧供給ビーム31,32の照射位置指定
信号b,cと比較され、同じならHIレベルになる。この信
号を電圧供給ビームのビーム制御回路26,27に電位をフ
ィードバックするかどうかの切替えを行なう切替回路50
に入力する。切替回路50は、比較回路302aの信号がHIレ
ベルの時は電位測定回路25の出力を鏡筒21のビーム制御
回路26に接続し、比較回路302bの信号がHIレベルの時は
電位測定回路25の出力を鏡筒22のビーム制御回路27へ接
続する。どちらも零の場合には、電位測定回路25の出力
はビーム制御回路へフィードバックしない。以上の手順
で前述したビーム制御回路への切替えが行なわれる。

第７図は以上説明した説明手順のタイムチャートであ
る。第７図（ａ）は電位測定ビームのブランキングを示
しており、パルス制御回路49からの一定の周波数でビー
ムをオン・オフしている。第７図（ｂ）は二次電子検出
回路24内の切替回路244の接続を示しており、第７図
（ａ）の信号に同期してホールド回路241と差分増幅器2
42への切替えを行なっている。これによって、電位測定
ビームがオフの時の二次電子信号量とオンの時の二次電
子信号量との差から電位測定ビームによる二次電子信号
量を検出する。この信号は電位測定ビームがオンの時の
み有効であるので、第７図（ａ）に示すように、電位測
定ビームがオンの時にゲート信号を発生してその値を遅
延回路243を介してサンプルホールド回路246へ入力し、
こ１回路246でサンプリングして電位測定回路25で電位
測定を行なう。

一方、電位測定ビームの偏向は、照射位置制御回路30か
らの照射位置の指定に対して偏向制御回路29で偏向電圧
を制御して行なう。第７図（ｄ）は電位測定ビームの照
射位置を指定する照射位置指定信号ａ（第６図）の値を
示しており、照射位置を“1",“2",“3"と順次変化させ
る。

ここで、電圧供給ビーム31,32の照射位置が“1",“2"の
場合について説明する。照射位置制御回路30内では、電
位測定ビームの照射位置指定信号ａを電圧供給ビームの
照射位置指定信号b,cと比較回路302a,302bで比較する。
比較回路302a,302bは第７図（ｅ），（ｆ）に示すよう
に、それぞれ電圧供給ビーム31,32の照射位置が電位測
定ビームの照射位置と等しくなったときにHIレベルにな
る。この信号に従って、第７図（ｇ）に示すように、切
替回路50は、電位測定結果をビーム制御回路26又は27に
接続したり、どちらのビーム制御回路にも接続しなかっ
たりする。この接続の切替えによって、検出された電位
がビーム制御回路にフィードバックされて、電圧供給ビ
ームの照射位置の電位が目的値に等しくなるように制御
される。以上の手順により、電圧供給ビームの照射位置
A,Bの電圧設定と電位測定ビームの照射位置Ｃの電位測
定を行なうことができる。なお、第７図ではビームのオ
ン・オフ３回でビーム偏向の切替えを行なっているが、
この数を増やして、その平均の電位をビーム制御回路へ
のフィードバックに用いて、ノイズによる誤動作を防ぐ
ようにする１とも可能である。また、照射位置指定信号
は信号処理回路28にも送られ、測定電位の解析，表示に
も用いる（どの照射位置の電位かの識別に用いる）。

第１図の装置では、便宜上、鏡筒21,22,23および二次電
子検出器47を同一平面上に配列したが、必ずしも同一平
面上になくてもよい。第８図は、３本の鏡筒および二次
電子検出器47の配列を示すための斜視図である。鏡筒23
は水平なステージの上に置かれたウェハに対して垂直に
配置されている。これに対し、鏡筒21,22には、第８図
（ａ）では同一平面に配列され、二次電子検出器47がこ
の平面に直角な向きに配置されている。第８図（ｂ）で
は鏡筒21,22と二次電子検出器47が３方に配置されてい
る。３本の鏡筒と二次電子検出器をすべて同一平面に配
列してしまうと、それぞれの鏡筒と二次電子検出器のな
す各がそれぞれ異なってしまうために、二次電子，反射
電子の信号量が鏡筒によって異なってしまう。第８図
（ａ），（ｂ）の配列はこれを防ぐ効果がある。また、
第８図（ａ）では、鏡筒が並ぶ平面の左右に複数の二次
電子検出器を配置することにより、電子デバイス表面の
凹凸による二次電子信号量の増減を減少できる。

いままで述べた装置においては、二次電子検出回路から
送られてくる二次電子信号量が予め設定した基準二次電
子信号量（例えば電位が0Vの時の二次電子信号量）S_Oに
等しくなるようにエネルギー分析器のグリッドに加える
電圧を変化させ、その値から電位を測定する。この時、
基準二次電子信号量S_Oは一定として測定している。しか
し、材質・ビーム電流等によって基準二次電子信号量S_O
が異なるため、照射位置ごとに材質が異なる場合や、照
射位置の電位を目的の電圧V_Rに設定するためにビーム電
流を変化させる場合などには、電位測定の際に誤差を生
じてしまう。次に説明する第９図，第10図はこの誤差を
なくすための装置構成である。

第９図は本発明の第３の実施例であり、第９図において
第１図と同一部分又は相当部分には同一符号が付してあ
る。照射位置制御回路30は、ビームの照射位置に応じ
て、偏向量を偏向制御回路29に指定する。偏向制御回路
29では、偏向量に応じて偏向電源42に加える電圧を変化
させることにより、照射位置を変える。また、照射位置
制御回路30では、それぞれの照射位置の材質を設計デー
タ等を参照しテーブル化してある。すなわち、各照射位
置に対して偏向量と表面材質をセットにしたテーブルを
用意しておき、偏向量を偏向制御回路29に指定すると同
時に電位測定回路25に材質指定の信号を送る。この材質
指定の信号は、例えば、アルミニウムは“1",ポリシリ
コンは“2"というようにコード化してある。

電位測定回路25は、第９図に示すように、エネルギー分
析電圧制御部251、演算増幅器252,マルチプレクサ253,
電圧源254から成る。上記材質指定信号を電位測定回路2
5内のマルチプレクサ253に入力し、チャネルを指定する
ために用いる。マルチプレクサ253の各チャネルには、
アルミニウム・ポリシリコン等の材質に応じた基準電圧
を発生する電圧源254が接続されており、チャネルを選
択することにより、その値を基準二次電子信号量として
演算増幅器252に入力して二次電子信号量と比較し、こ
れらの値が一致するようにエネルギー分析電圧を制御す
ることにより電位を測定する。この構成を用いられば、
照射位置ごとに別々の基準二次電子信号量にもとづいて
電位測定を行なうことができるので、照射位置によって
材質が異なり、Ｓカーブが違う場合でも精度よく電位を
測定することができる。なお、電位測定ビームを用いて
電位測定を行ない、その結果を電圧供給ビームにフィー
ドバックする構成では、電位測定ビームのビーム電流を
一定に保っておけば、電圧供給ビームのビーム電流を変
えて照射位置の電位を制御する場合にも基準二次電子信
号量を変える必要がない。

ここで、照射位置制御回路30について述べる。照射位置
制御回路30は、各ビームの照射位置を指定する照射位置
指定部301、電圧供給ビームの照射位置と電位測定ビー
ムの照射位置が等しいかどうかの信号を発生する照射位
置比較回路302、測定時に各ビームが照射する照射位置
の偏向量を偏向制御回路29に指定する偏向量指定部305
および照射位置の材質を指定する材質コード発生部306
から成る。これはテーブルを用いて設定する。例えば、
照射位置番号piの偏向量が（xi,yi）で材質コードがmi
のようにテーブル化されている。この照射位置番号piは
各ビームに対して共通であり、照射位置が同じ場合は同
じ値になっている。照射位置指定部301は、各ビームに
対して照射位置を指定するために、この照射位置番号pi
を発生する。この照射位置に対応する偏向量は偏向量指
定部305でテーブルをもとにして発生され、偏向制御回
路29に送られる。偏向制御回路29では、それぞれのビー
ムの加速電圧等の照射条件に応じて、偏向に必要な信号
値を偏向電源に設定する。この時、斜めから照射するビ
ームについては、その入射角度による偏向量補正を行な
って信号値を設定する。電位測定ビームの照射位置指定
信号は照射位置比較回路302において電圧供給ビーム31,
32の照射位置指定信号と比較され、同じならHIレベルに
なる。この信号を電圧供給ビームのビーム制御回路に電
位をフィードバックするかどうかの切替えを行なう切替
回路50に入力する。切替回路50では、照射位置比較回路
302内の比較回路302a（第６図参照）の信号がHIレベル
の時は電位測定回路25の出力を鏡筒21のビーム制御回路
26に接続し、比較回路302b（第６図参照）の信号がHIレ
ベルの時は電位測定回路25の出力を鏡筒22のビーム制御
回路27に接続する。とちらも零すなわちHIレベルでない
場合には、電位測定回路25の出力はビーム制御回路へフ
ィードバックされない。以上の手順で前述したビーム制
御回路への切替えが行なわれる。材質コードの信号は電
位測定回路25内のマルチプレクサ253の切替えに使わ
れ、材質によって基準二次電子信号量を変えるために用
いる。

第10図は本発明の第４の実施例を示す系統図であり、60
は制御計算機、61はADコンバータ、62〜65はDAコンバー
タである。第10図において第９図と同一部分又は相当部
分には同一符号が付してある。本装置は、電位測定回路
25の基準二次電子信号量に対応する電圧を制御計算機60
からDAコンバータ65により直接設定する構成としてい
る。制御計算機60からは、この他に、ビーム電流を変化
させるレンズ電源37をDAコンバータ63、照射位置を変え
る偏向電源の値をDAコンバータ62、加速電圧源34をDAコ
ンバータ64で設定する。

電位測定回路25の基準電圧はDAコンバータ65で設定す
る。この時の基準電圧V_rの値は、kI_pの形になる。ここ
で、I_pはビーム電流、ｋは加速電圧・材質によって決ま
る定数である。ｋの値は、アルミニウム・ポリシリコン
等の材質・加速電圧に対していくらにすればよいかを予
めテーブル化しておく。あるいは、LSIの金属配線に用
いられているような材質では、通常、二次電子放出比は
加速電圧が数百ボルトのところでピークをもち、それ以
上の加速電圧では加速電圧とともに減少してくる。この
関数形からｋの値を設定してもよい。

制御計算機60内には、ビーム電流をある値に設定するに
はレンズ電圧を何Ｖにすればよいかのテーブルがあり、
これによって、必要なビーム電流値に対応したレンズ電
圧をDAコンバータ63で設定する。またビームの照射位置
はDAコンバータ62で設定するが、その部分の材質は設計
データが既知である。従って、DAコンバータで照射位
置，加速電圧を設定する時点にｋの値が決まる。またビ
ーム電流もレンズ電圧を設定する時に決まり、この両者
の積を計算し、その値をDAコンバータ65で設定する。

また、第９図，第10図の二次電子検出回路24では、ホー
ルド回路241と切替回路244を用いて電位測定ビームの周
波数成分を取り出しているが、ハイパスフィルタを用い
て取り出してもよい。

次に、本発明の試験装置を用いたトランジスタのドレイ
ン電流−ドレイン電圧特性（I_D‐V_D特性）・閾値電圧等
の測定手順，試験方法を説明する。

従来方法においては、ドレイン配線部Ｄに一定の駆動電
圧（V_D）を加え、ゲート配線部Ｇに加える電圧（V_G）を
変化させ、その時の負荷抵抗RLに流れる電流（I_D）を測
定してトランジスタのI_D‐V_G特性，閾値電圧を求める。
あるいは、V_Gを一定にし、V_Dを変化させ、I_D‐V_D特性を
求める。この時、V_D，V_Gの電圧印加、I_Dの電流測定は、
外部端子に接続して接触式で行なっている。

このように従来方法においては電圧印加，電流測定を接
触式で行なっているが、製造途中の測定ではこれらを非
接触で行なう必要がある。本発明の試験装置はこのよう
な非接触測定に用いるものである。第11図は、被測定デ
バイスであるトランジスタへのビーム照射位置（電位測
定位置）を示している。第11図（ａ）は回路図、第11図
（ｂ）は断面形状を示す断面図である。ここでは拡散抵
抗71を負荷抵抗RLとして用いているが、トランジスタを
負荷抵抗としたインバータ回路であってもよい。第11図
（ａ）において、Ｄはドレイン配線部、Ｇはゲート配線
部、Ｓはソース配線部、Ｏは出力配線部である。また、
第11図（ｂ）において、72は基板、73は接合部である。

トランジスタの電気特性の１つであるI_D‐V_D特性の測定
手順を示す。まず、ドレイン電圧とゲート電圧の設定値
V_DR，V_GRを初期設定する。電圧供給ビーム32でゲート配
線部Ｇ、電圧供給ビーム31でドレイン配線部Ｄを照射す
る。これと同時に、電位測定ビーム33でドレイン配線部
D,ゲート配線部G,出力配線部Ｏを順次照射して、それぞ
れの配線部の電位V_D，V_G，V_Oを測定する。電位測定ビー
ムでドレイン配線部Ｄを照射している時は、ビーム制御
回路26で、電位がV_DRに等しくなるように電圧供給ビー
ム31のビーム電流を制御してドレイン配線部Ｄの電位を
V_DRに固定する。また、ゲート配線部Ｇを照射している
時は、ビーム制御回路27で、電位がV_GRに等しくなるよ
うに電圧供給ビーム32のビーム電流を制御してゲート配
線部Ｇの電位をV_GRに固定する。それぞれの照射位置の
電位が設定値に等しい時にV_Oを測定し、V_D，V_G，V_Oを信
号処理回路内のメモリに記憶する。その後、V_GRを同じ
にし、V_DRを順次変化させて上記と同じ測定を繰り返
し、その都度V_D，V_G，V_Oを記憶する。V_DRがある値にな
った時に測定を終了する。この時、ビームの照射を停止
するか又は次の照射位置の照射を開始する。次に各測定
時のメモリ値からV₁₂＝V_D−V_Oを求め、I_D＝V₁₂/RLによ
りドレイン電流I_Dを求める。ここで抵抗RLはシュミレー
ションによる設計値等を用いればよい。この計算によっ
て各V_Dに対してI_Dが求まり、I_D−V_D特性を表示する。

同じように、I_D−V_G特性も測定できる。今度はV_DRを同
じにしてV_GRを変化させ、上記と同じ測定を繰り返す。
ここで、V_DRは同じであるが、ゲート電圧を変化させる
とチャネルを流れる電流が変化するために、V_DをV_DRに
保つために必要なビーム電流は変化する。このため、電
圧供給ビーム32だけでなく、電圧供給ビーム31も制御す
る必要がある。このようにして、順次測定を繰り返し、
V_GRがある値になった時に測定を終了する。この時、ビ
ーム照射を停止するか又は次の照射位置の照射を開始す
る。次に各測定時のメモリ値からV₁₂＝V_D−V_Oを求め、I
_D＝V₁₂/RLによりドレイン電流I_Dを求めることにより、I
_D−V_G特性が測定できる。このI_D−V_G特性から閾値を求
めることができる。

ここで、照射位置は必ずしも点である必要はなく、その
点のまわりを配線からはみださない範囲で平面スキャン
して電圧供給を行なったり、電位測定を行なってもよ
い。これは、照射領域内の電位を均一化する効果があ
る。

第12図は制御計算機60の処理手順を示すフローチャート
である。なお、第11図（ａ），（ｂ）に示すトランジス
タ回路を例として説明する。まず、前述した実施例と同
様にステップ601においてビーム照射条件の初期設定が
行なわれる。

ついでステップ602において、電圧供給ビーム31,32によ
って照射される個所（１）および（２）すなわちドレイ
ンおよびゲートの電圧設定値V_DD，V_DGを設定する。この
状態でステップ603に移り、電圧供給ビーム31,32を
（１），（２）に照射する。

ついでステップ605に移り、電圧供給ビーム33を（１）
に照射し、ついでステップ606のV_D測定に移る。そし
て、この測定は、V_DがV_DDと等しくないときには、ステ
ップ607を経て、ステップ608に移り、制御計算機60はコ
ンバータ63を介して電圧供給ビーム31に対応してレンズ
電源37に制御信号を送り、ビーム21のビーム電流を増加
又は減少するように制御する。またV_DはV_DDに等しいと
きは、そのビーム電流を維持するようにレンズ電源37は
制御される。

つぎにステップ610に移り、電位測定ビーム33をゲート
Ｇ（２）に照射し、ステップ611に移ってV_Gの測定を行
なう。もしV_Gが設定値V_DGと等しくないときには、制御
計算機60はコンバータ63を介して電圧供給ビーム32に対
応したレンズ電源37に制御信号を送り、ビーム32のビー
ム電流を増加又は減少するように制御する。そして再び
ステップ605に戻り、ドレインＤ（１）の電位測定を始
める。

ステップ612において、もしV_G＝V_DGであればステップ62
0に移り、出力配線部Ｏ（３）に電位測定ビーム33を照
射する。そしてステップ621でV_Oを測定し、ステップ622
でV_DD，V_DG，V_Oを制御計算機60のメモリに記憶させる。

ついてステップ630に移り、次のV_DD，V_DGを設定すべき
か否かを判定し、もし設定するのであれば、ステップ60
2に戻って再びV_DD，V_DGの設定を行ない、設定しないの
であればステップ631に移り、ビーム照射を停止する。
そしてステップ632に移ってV_D＝V_DG−V_Oを計算し、さら
にステップ633に移ってI_D＝V_D/Rを計算する。そしてス
テップ634でI_D−V_DD又はI_D−V_DG特性を表示装置に表示
させる。

第13図は本発明の第５の実施例であり、第１図〜第６図
の装置における制御を制御計算機60により行なうもので
ある。第13図において第10図と同一部分又は相当部分に
は同一符号が付してある。電位測定回路25の出力はADコ
ンバータ61を介して制御計算機60に入力され、これによ
り制御計算機60は電位を読み込んでいる。一方、制御計
算機60からは、DAコンバータ62で各ビームの偏向電圧を
制御して照射位置を設定する。また、DAコンバータ63に
よりレンズ電圧を制御し、ビーム電流の増減を行なう。
制御手順，測定手順は前述の通りである。なお、ここで
は、ビーム電流を変化させるのにレンズ電源を変化させ
ているが、電子銃のウェーネルト電圧を変えるようにし
てもよいことは勿論である。また、二次電子検出回路，
電位測定回路を用いず、二次電子信号量を直後ADコンバ
ータを介して制御計算機60に入力し、S_S分を減算してS_O
を算出し、その二次電子信号量から電位を求めてもよ
い。この場合、制御計算機60からブランキング電圧をDA
コンバータ等で制御して電位測定ビームのブランキング
を行なう。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、照射位置可変な電位測定
ビームと複数の電圧供給ビームから成る複数のビームを
電子デバイスに照射し、これら複数の照射位置から発生
した二次電子信号の中から電位測定ビームによる二次電
子信号を検出することにより、複数のビームを同時に照
射した状態で上記電位測定ビームの照射位置の電位を測
定でき、上記電位測定ビームによる電位測定結果を他の
ビームすなわち照射位置の電位を設定するための電圧供
給ビームのビーム制御回路にフィードバックして照射位
置の電位が目的値に等しくなるように制御することがで
きるので、従来は外部端子から行なっていた電圧供給を
非接触で行なうことができる効果がある。

また、基準となる二次電子信号量が繰り返しのフィード
バックにより正確であるので、二次電子信号の切り分け
が正確となり、電位を設定するために電圧供給ビームの
照射条件を変化させて電位を変えても、電位測定を正確
に行なうことができ、電子デバイスの検査を製造途中で
正確に行なうことができる効果がある。この電子デバイ
スの検査として、例えば、リーク電流，容量およびその
電圧依存正、トランジスタの閾値電圧，トランジスタの
ドレイン電流−ドレイン電圧特性等の定量的な測定など
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る試験装置の第１の実施例を示す系
統図、第２図は二次電子信号検出回路の実施例を示す回
路図、第３図は二次電子信号検出回路の他の実施例を示
す回路図、第４図は第３図の回路の動作を示す波形図、
第５図は本発明に係る試験装置の第２の実施例を示す系
統図、第６図は偏向制御回路の実施例を示す回路図、第
７図は制御のタイミングを示すタイムチャート、第８図
は第１図の装置の斜視図、第９図は本発明に係る試験装
置の第３の実施例を示す系統図、第10図は本発明に係る
試験装置の第４の実施例を示す系統図、第11図（ａ）お
よび（ｂ）は本発明に係る試験装置の使用方法の動作手
順を説明するための回路図および断面図、第12図はその
フローチャート、第13図は本発明に係る試験装置の第５
の実施例を示す系統図、第14図は従来の試験装置を示す
系統図である。 21,22,23……鏡筒、24……二次電子検出回路、25……電
位測定回路、26,27……ビーム電流制御回路、28……信
号処理回路、29……偏向制御回路、30……照射位置制御
回路、31,32……電圧供給ビーム、33……電位測定ビー
ム、34……加速電圧源、35……アライナ、36……レン
ズ、37……レンズ電源、38……ブランカ、39……ブラン
キング電源、40……ブランキングアパーチャ、41……偏
向器、42……偏向電源、43……対物レンズ、44……電子
デバイス、45……試料台、46……エネルギー分析器、47
……二次電子検出器、48……増幅器、49……パルス制御
回路、50……切替回路。

フロントページの続き (72)発明者菊池章神奈川県厚木市森の里若宮３番１号日本電信電話株式会社厚木電気通信研究所内 (72)発明者藤波明平神奈川県厚木市森の里若宮３番１号日本電信電話株式会社厚木電気通信研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】照射位置可変な電位測定ビームと複数の電
圧供給ビームから成る複数の荷電ビームを電子デバイス
上の所定の位置に照射するための照射手段と、複数の荷
電ビーム照射により同時に発生する全二次電子信号量の
中から電位測定ビーム照射により発生する二次電子信号
量を分離して検出する二次電子検出回路と、この二次電
子検出回路の出力を入力して電位を測定する電位測定回
路と、この電位測定回路の出力にもとづいて電位測定ビ
ーム照射位置の電位を任意の目的値に設定するように電
位測定ビーム照射位置に照射される電圧供給ビームを制
御するビーム制御回路とを備えたことを特徴とする電子
デバイスの試験装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の電子デバイス
の試験装置において、二次電子検出回路は、電位測定ビ
ームが所定の周波数のパルスビームである時、上記電位
測定ビームがオフの時の二次電子信号量と上記電位測定
ビームがオンの時の二次電子信号量との差から上記電位
測定ビームによる二次電子信号量を検出することを特徴
とする。
【請求項３】特許請求の範囲第１項記載の電子デバイス
の試験装置において、二次電子検出回路は、電位測定ビ
ームが所定の周波数のパルスビームである時、検出二次
電子信号を上記周波数を含む周波数を透過するフィルタ
回路で抽出，検波することにより上記パルスビームによ
る二次電子信号量を検出することを特徴とする。
【請求項４】特許請求の範囲第１項記載の電子デバイス
の試験装置において、電位測定回路は、二次電子検出回
路の出力と比較される基準二次電子信号量を照射位置の
材質に応じて制御することを特徴とする。
【請求項５】複数の電圧供給ビームを電子デバイスの所
定の照射位置に照射すると同時に電位測定ビームを上記
電圧供給ビームの照射位置を含む複数の照射位置に順次
照射し、各照射位置での電位測定ビームによる二次電子
信号量を検出して電位測定を行なうと共に，照射位置が
電圧供給ビームの照射位置と同一ならば，電圧供給ビー
ムのビーム電流，加速電圧またはパルスビームのオン・
オフ時間を制御して照射位置の電位を目的値に設定し、
上記照射位置の目的電圧を順次変更して上記測定手順を
繰り返すことにより電子デバイスの電気的特性を測定す
ることを特徴とする電子デバイスの試験装置の使用方
法。