JPS58201072A

JPS58201072A - 試料電位測定装置

Info

Publication number: JPS58201072A
Application number: JP57084323A
Authority: JP
Inventors: Kiyomi Koyama; 清美小山
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-05-19
Filing date: 1982-05-19
Publication date: 1983-11-22

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、電子線を利用した試料電位測定装置の改良に
関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、ＬＳＩ等の半導体集積回路がますます高密度化す
るにつれ、半導体試料の故障診断や不良解析に、従来の
金線プローグの代わりに電子線プローブを使った試料特
性評価装置、例えば試料電位測定装置が使われるように
なっている。

この装置は、電位をもった試料に低加速電子線を照射す
ると放出２次電子線のエネルギ分布が試料面電界に応じ
て変化し、適当な分析手段を使ってこのエネルギ変化量
を測定することにより試料電位が求められるという原理
に基づいている。そして、金線プローブでは探針不可能
な１０［μｍ〕以下の微細領域での測定が行えるという
特長の他、電子線プローブを電気的に高速で位置決めで
きる、加速電圧等の照射条件を適当に選べば素子に負荷
を全くかけずに測定できる、物理的損傷の恐れがない等
の各種の利点があり、特に半導体開発段階での利用が広
まりつつある。

ところで、低加速の電子線グローブを用いた従来の試料
電位測定装置では、エネルギ分析器を使って放出２次電
子のエネルギを求め試料電位を測定するものが多い。使
用されるエネルギ分析器には、平行平板型或いは半球型
の減速電界型エネルギ分析器やシリトリカルミラー型エ
ネルギ分析器等がある。以下に半径型の減速電界型エネ
ルギ分析器を用いた従来の測定法を説明する。

第１図は横軸を２次電子エネルギＥ（Ｗ）、縦軸を放出
２次電子個数Ｎ　（Ｗ）で表わしたエネルギ分布曲線を
示す特性図である。試料電位ＶＢ＝　Ｖ、のときの２次
電子エネルギ分布を曲線Ａとすると、これよりΔＶだけ
低い試料電位ｖ８＝　ｖ２のときの２次電子エネルギ分
布は曲線Ｂで表わされる。ΔＶだけ低電位の試料から放
出される２次電子粒子は試料面電界によってより強く加
速され、この電位差に相当する分だけ保有エネルギを増
す。その結果、分布曲線は全体的にΔｖｏ■だけ高エネ
ルギ側にシフ）Ｔることになる。第２図は半球型の減速
電界型エネルギ分析器を使った従来の試料電位測定装置
を示す概略構成図である。１次電子線１を試料２に照射
したときに該試料２から放出される２次電子線３は電圧
■１を印加した減速グリッド４の電界の作用を受ける。

試料電位ｖ８とした場合、■８−ｖＬより小さい保有エ
ネルギを持つ２次電子線は減速グリッド４で押し戻され
、一部が通過する。更にコレクタグリッド５を通過した
２次電子線は電圧ｖＨを印加した減速グリッド６の電界
の作用を受ける。ｖ、−ｖＨより大きい保有エネルギを
持つ２次電子線は減速グリッド６の外側に放散されるが
、ＶＢ−ｖＨより小さい保有エネルギを持つ２次電子線
はコレクタグリッド５側に押し戻される。即ち、コレク
タグリッド５では（ｖ！Ｉ−ｖＬ）〜（ｖ８−ｖＨ）ノ
エネルキ帯の２次電子粒子が収集されることになる。し
たがって、一定の電位差を保ってｖＬとｖＨの電圧を変
化させながらコレクタグリッド５に接続した増幅器７か
らの出力が最大になる点を探せば、そこがエネルギ分布
曲線のピークである。

そして、前記第１図で示したようにピーク値のシフト量
から試料電位の電位差が求められる。

なお、第２図中８は前記グリッド４〜６を相互に絶縁す
るための絶縁物を示している。

しかしながら、この種の装置にあっては次のような問題
があった。即ち、エネルギ分析に放出２次電子信号の一
部しか使わないため、ＳＮが悪く、ノイズにも弱い。こ
のため、測定精度を上げるには、測定回数を増やすこと
が必要と５− なり、測定効率が悪いと言う問題があった。

一方、その他の従来例として、減速グリッドを１枚に減
らし、２次電子信号を積分する型のものがある。この場
合、減速グリッドの電位障壁を飛び越えてグリッド外に
放散した２次電子信号を検出器に採り込んで積分し、積
分値を分析カーブと呼ばれる特性曲線と照合して試料電
位を求めている。この例では、２次電子エネルギ分布の
ピークを探索する方法の検出感度が悪い点は改善されて
いるものの、検出信号と分析カーブとの照合という処理
が入り込み、測定効率は必ずしも改善されてない。また
、測定系全体の時間ドリフトに起因する電位測定精度の
低下という問題点に対して対策を考慮したものは従来例
の中に見受けられない。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、ＳＮが良く効率良い測定を行な
い得て、かつ長時間に亘って高精度測定を可能とする試
料電位測定装置を６− 提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、電子ビームを利用して試料電位を測定する試
料電位測定装置において、試料に電子ビームを照射した
とき該試料から放出される２次電子を分析グリッドを介
して電子検出器により検出する減速電界型エネルギ分析
器を用い、上記分析グリッドへの印加電圧を所定の基準
グリッド電圧にしたときの試料の特定位相状態或いは既
知電位状態位置における上記電子検出器の検出信号のレ
ベルを基準検出信号レベルとして設定すると共に、試料
の被測定位置において上記電子検出器の検出信号レベル
が上記基準検出信号レベルと一致するよう上記分析グリ
ッドへの印加電圧を可変設定し、上記設定された印加電
圧と前記基準電圧との差に基づいて試料の被測定位置の
電位を求めるようにしたものである。

すなわち、本発明は減速電界型エネルギ分析器を使用し
、分析グリッド電圧の変化分から試料電位を求めるよう
にしたものである。グリッドには分析電圧ｖ１１を印加
する。分析グリッドの外側にフォトマル等の２次電子検
出器を置き、分析グリッドを透過した２次電子粒子を補
集する。試料電圧が■８のとき、試料と分析グリッドと
の間の電位障壁Ｅ８の大きさは、ＥＢ＝＝ｖ８−ｖｏと
なる。試料面上から放出した２次電子のうちＥＢよシ大
きい保有エネルギを持つものが分析グリッドを透過して
検出器に到達する。１次電子電流強度ｉｐ、エネルギ帯
Ｅでの２次電子効率をδ（ト）、２次電子信号の検出系
および処理系での信号増幅率をＧとすると、検出信号値
工□は、で表わされる。積分の上限Ｅｍａｘは２次電子
エネルギ分布の最大値でＥ　）　５０　（ｅＶ）ではδ
（ト）〜０　だから上式でＥユニー５０としても差Ｗつ
かえない。

ＥＢも試料電圧ｖ８と分析グリッド印加電圧Ｖ。

を使った式で置き換えて、 ■。＝Ｇｆ二。−ｖａ　４ｐａ（ト）ｄＥ・・・・・・
・・・・・・・・・・・・（２）微少時間内では１次電
子電流強度＜ｐおよび２次電子効率帷は一定だから検出
信号値Ｉｍは信号増幅犀Ｇと分析グリッドの電位障壁Ｖ
、　−Ｖｏの関数と考えられ、Ｉｍ　＝　ｆ（Ｇ、Ｖ８−　ＶＧ　）・・・・・・・・
曲・・・四・・・・朋・・曲・・・値３）信号増幅率Ｇ
を一定に保ち、更に微小時間ではドリフトも零と考えら
れるから、ｄＧ＝０、故に、ここで、検出信号値Ｉｍが
一定に保たれるように分析グリ、ド電圧を調節するとｄ
Ｉｒｎ＝Ｏよシ、’、ｄ（ＶＢ−Ｖ、）〜０　　、・、
ｄＶ、＝ｄＶ（Ｉ−・−・・・−・−・・・−・−−−
−−（６）これは、グリ、ド電圧の変化分が試料電圧の
変化分と一致することを示している。被測定試料をある
基準状態におき、このときの検出信号値■□をその後の
測定の基準としてセットする。

９− 測定時に検出信号値■□′と基準値工□との差が零にな
るように分析グリッドの印加電圧をコントロールすると
、試料電圧の基準状態からの変化分がグリッド電圧の変
化分として求まることになる。基準状態としては既知電
位状態（例えば接地電位や電源電位）か、或いは特定位
相状態を選べば良い。試料電位の絶対値では電位差が必
要であるような測定では特定位相状態での電位は未知で
あっても良い。また、既に述べたように、１次電子電流
強度ｉｐ、２次電子効率δ（Ｅ）、信号増幅率Ｇが一定
であるという条件が必要であるが、試料電位測定中に周
期的、或いは間欠的に検出信号値の基準値Ｉｍをセット
し直すことにより、逆にこれらのパラメータの時間変動
を補正できることになる。更に、検出信号値と基準値と
の差を零にするように分析グリッドの電圧コントロール
を行なうフィードバック回路を構成することにより、試
料電位が短時間で測定できることになる。

１０− 〔発明の効果〕本発明によれば、試料電位測定中に既知電位状態又は特
定位相状態での２次電子検出信号を使って基準設定値を
短かい時間間隔で更新することにより、次の（１）〜（
３）の場合にあっても、検出２次電子信号ドリフトを補
償して長時間の測定を高精度に行なうことができる。

（１）　　電子照射系の経時変化によって１次電子電流
が変化した場合。

（２）試料表面にコンタミネーション膜が形成されて２
次電子放出特性が変化した場合。

（３）検出系、信号処理系がダイン変動を起こした場合
。

更に、検出信号から分析グリッド電圧へのフィードバッ
グ回路を構成することにより、試料変化が分析グリッド
電圧の変化分という形で効率よく測定できる等の効果を
奏する。

〔発明の実施例〕

第３図は本発明の一実施例に係わる減速電界型エネルギ
分析器な用いた試料電位測定装置を示す概略構成図であ
る。なお、第２図と同一部分には同一符号を付して、そ
の詳しい説明は省略する。前記試料２の回りには、数１
０　（Ｖ）の正電圧が印加された半球状の引き出しグリ
ッド１１が配置され、このグリッド１１の回りには半球
状の分析グリッド１２が配置されている。

分析グリッド１２の外側には２次電子を集束するための
電極１３ｍを備えた電子検出器１３が配設され、電極１
３ａには１００　（Ｖ）前後の正電圧が印加されている
。電子検出器１３の出方信号は増幅器１４に介して、基
準電圧発生器１５の出力と共にアナログ比較器１６に供
給される。

アナログ比較器１６の出方は切換スイッチ１７を介して
基準電圧コントローラ１８或いはグリッド電圧コントロ
ーラ１９に供給される。基準電圧コントローラ１８は、
上記入力したアナログ比較器１６の出力に応じて基準電
、圧発生器１５の出力電圧を可変設定するものである。

グリッド１０−ラ１９は、上記入力したアナログ比較器
１６の出力に応じてグリッド電圧発生器２θの出力電圧
を可変制御するものである。グリッド電圧発生器２０の
出力電力は前記分析グリッド１２に印加されると共に、
差分器２１に供給される。差分器２１では上記グリッド
電圧発生器２０の出力電圧と可変電圧電源２２の電圧の
差を求め出力する。そして、この差電圧が試料電位検出
信号として図示しない表示器等に表示されてものとなっ
ている。

ところで、前記切換スイッチ１７が５ｌ（ＩＩＩに切り
換えられた場合、第４図に示す如くアナログ比較器１６
の出力は基準電圧コントローラ１８に供給される。アナ
ログ比較器１６の出力が例えば正の場合、基準電圧発生
器１５の出力が正増するように基準電圧発生器１５がコ
ントロールされる。したがって、フィードバックが整定
してアナログ比較器１６の出力が零になった時点での基
準電圧発生器１５の出力は一定でない。

即ち、増幅器１４の出力に応じて変化するものとなって
いる。同様にスイッチ１７が８２側に切り換えられた場
合、第５図に示す如くアナ口１３− グ比較器１６の出力はグリッド電圧コントローラ１９に
供給される。アナログ比較器１６の出力が例えば正の場
合、増幅器１４の出力が減少するようにグリッド電圧発
生器２θの出力が可変される。したがって、アナログ比
較器１６の出力が零になった時点での増幅器Ｉ４の出力
は基準電圧発生器２０の出力と一致するが、２次電子線
エネルギが変化している分だけ、グリッド電圧発生器２
０の出力は変化するものとなっている。

このように構成された本装置の作用を説明する。１次電
子線１が試料２に入射すると試料２から２次電子線３が
放出されるが、この２次電子線３が引き出しグリッド１
）より分析グリッド５方向に加速される。試料２が既知
電位状態、或いは特定位相状態にある基準状態では、先
ずグリッド電圧発生器２０により分析グリッド１２に適
幽な電圧（基準グリッド電圧）が印加され、電源２２も
同じ電圧値にセットされる。従って、このときの差分器
２１の出力は零を示す。この１４− 状態で電子検出器１３で検出された２次電子信月−は、
増幅器７で増幅されアナログ比較器１６に送られる。ア
ナログ比較器１６の出力信号は、接点が８１とつながっ
た切換スイッチ１７を通って基準電圧コントローラ１８
に送られる。基準電圧コントローラ１８は、基準電圧発
生器を調整してアナログ比較器１６の出力が零になるよ
うにする。即ち、このループが整定した時点で基準電圧
発生器１５の出力は、増幅器１４で増幅された検出２次
電子信号値（基準検出信号レベル）と一致する。

試料測定を行なう場合は、切換スイッチ１７はＳ２とつ
ながり、アナログ比較“器１６の出力はグリッド電圧コ
ントローラ１９に送られる。

グリッド電圧コントローラ１９はグリッド電圧発生器２
０をコントロールして分析グリッド印加電圧を変える。

増幅器１４で増幅された検出２次電子信号値が基準電圧
発生器１５の出力（基準検出信号レベル）と一致するよ
うにグリッド電圧発生器２０の出力がコントロールされ
、ループが整定した時点で、差分器出力２１は試料２の
基準状態からの電位差を示すことになる。

かくして本実施例によれば差分器２ノの出力から試料２
の電位を測定することができ、前述した効果が得られる
。また、試料２を基準状態においての基準電圧発生器１
５への基準検出信号レベルへの設定と、試料電位の測定
とは交互に行なうことも、又前者をある一定時間間隔で
測定処理に割込ませることもできる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記減速電界型エネルギ分析器として実施
例にあげた分析グリッドは、半球型に限らず平行平板型
のものであってもよい。また、前記検出信号レベルの設
定手段としては、試料を基準状態において基準電圧発生
器への基準値の設定を行なう代わりに、基準電圧発生器
を固定にしてアナログ比較器の出力で増幅器ゲインを調
整するようにしてもよい。さらに、増幅器ゲインを調整
する代わりに、検出器がシンチレータ・フォトマルから
なる系であればフォトマル電圧を調整する方法も考えら
れる。

また、アナログ比較器の代わりに、ディジタル比較器を
使った変形応用例も考えられる。この場合、増幅器出力
をザンプルホールドしてＡＤ変換器でディジタル化する
ようにすればよい。

その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は２次電子エネルギ分布を示す特性図、第２図は
従来の試料電位測定装置を示す概略構成図、第３図は本
発明の一冥施例に係わる試料電位測定装置を示す概略構
成図、第４図および第５図はそれぞれ上記実施例の作用
を説明するためのブロック図である。１・・・１次電子線、２・・・試料、３・・・２次電子
線、１１・・・引き出しグリッド、１２・・・分析グリ
ッド、１３・・・電子検出器、１４・・・増幅器、１５
・・・基準電圧発生器、１６・・・アナログ比較器、１
７・・・切換スイッチ、１８・・・基準電圧コントロー
ラ、１９・・・グリッド電圧コントローラ、２０・・・
グリ１７− リッド電圧発生器、２１・・・差分器、２２・・・可変
電圧電源。出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦１８−

Claims

【特許請求の範囲】

（１）試料に電子ビームを照射したとき該試料から放出
される２次電子を検出する電子検出器と、この電子検出
器と上記試料との間に配置されると共に電圧が印加され
、上記２次電子のうちその保有エネルギが上記印加電圧
に応じたエネルギより小さいものを遮断する分析グリッ
ドと、この分析グリッドへの印加電圧を所定の基準グリ
ッド電圧にしたときの前記試料の特定位相状態或いは既
知電位状態位置における前記電子検出器の検出信号のレ
ベルを基準検出信号レベルとして設定する手段と、前記
試料の被測定位置において前記電子検出器の検出信号レ
ベルが上記基準検出信号レベルと一致するよう前記分析
グリッドへの印加電圧を可変設定する手段と、上記設定
された印加電圧と前記基準グリッド電圧との差を検出し
て前記試料の被測定位置の電位を求める手段とを具備し
てなることを特徴とする試料電位測定装置。
（２）前記基準検出信号レベルを設定する手段は、前記
印加電圧を可変設定する手段の回数に応じて周期的或い
は間欠的に行なわれるものである特許請求の範囲第１項
記載の試料電位測定装置。