特許 5873741 半導体検査装置および半導体検査方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5873741

(24)【登録日】2016年1月22日

(45)【発行日】2016年3月1日

(54)【発明の名称】半導体検査装置および半導体検査方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/66 20060101AFI20160216BHJP

   H01J 37/244 20060101ALI20160216BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/66 J

   H01J37/244

【請求項の数】19

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2012-53810(P2012-53810)

(22)【出願日】2012年3月9日

(65)【公開番号】特開2013-187510(P2013-187510A)

(43)【公開日】2013年9月19日

【審査請求日】2014年10月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100064414

【弁理士】

【氏名又は名称】磯野 道造

(74)【代理人】

【識別番号】100111545

【弁理士】

【氏名又は名称】多田 悦夫

(72)【発明者】

【氏名】奈良 安彦

【審査官】 井上 弘亘

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０２−１６５６４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１８９２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３００２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２３４３８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３００８７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

Ｈ０１Ｊ ３７／２４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷電粒子線を集束させ検査対象の試料に照射する荷電粒子光学系装置と、前記試料が収容される試料室と、前記試料を保持して、前記試料室内を自在に移動する試料ステージと、プローブ針を備えたプローバを搭載し、前記試料室内を前記試料ステージとは独立に自在に移動するプローバステージと、前記プローブ針を前記試料上の接触目的の位置に粗寄せするときに前記試料の光学画像を取得する粗寄せ画像取得ユニットと、前記荷電粒子線を走査させながら前記試料に照射したときに前記試料から放出される二次荷電粒子の検出信号と前記荷電粒子線を走査させる制御信号とに基づき前記試料の荷電粒子画像を取得する荷電粒子画像取得ユニットと、前記プローブ針に電気的に接続され、前記プローブ針から得られる電流または電圧を検出する電流電圧検出ユニットと、制御コンピュータと、を含んで構成された半導体検査装置であって、
前記試料ステージは、前記試料室の床面に設けられ、
前記プローバステージは、前記試料ステージとは分離して前記試料室の天井面に設けられ、
前記制御コンピュータは、
前記プローバステージおよび前記試料ステージをそれぞれ前記粗寄せ画像取得ユニット近傍まで移動させるとともに、前記粗寄せ画像取得ユニットによって取得される前記接触目的の位置近傍の配線または端子の像および前記プローブ針の像をともに含んだ光学画像に基づき、前記試料と前記プローブ針との相対的な位置関係を定める制御と、
前記定めた前記試料と前記プローブ針との相対的な位置関係を保持した状態で、前記プローバステージおよび前記試料ステージを前記荷電粒子光学系装置下方の前記荷電粒子線の照射位置まで移動させる制御と、
前記荷電粒子画像取得ユニットによって取得される前記試料上の接触目的の配線または端子の像および前記プローブ針の像をともに含んだ荷電粒子画像に基づき、前記プローバにより前記プローブ針を前後、左右および上下に移動させて、前記プローブ針の先端を前記試料上の接触目的の位置に接触させる制御と、
前記荷電粒子光学系装置により前記荷電粒子線を前記試料に照射し、そのとき前記電流電圧検出ユニットによって検出される電流値または電圧値を取得する制御と、
を行うこと
を特徴とする半導体検査装置。

【請求項2】

前記荷電粒子線を走査させながら前記試料に照射したときに前記電流電圧検出ユニットによって検出される電流値または電圧値と前記荷電粒子線を走査させる制御信号とに基づき、前記試料の電流電圧画像を取得する電流電圧画像取得ユニットを、さらに、備え、
前記制御コンピュータは、
前記電流電圧画像取得ユニットによって取得した電流電圧画像を表示装置に表示すること
を特徴とする請求項１に記載の半導体検査装置。

【請求項3】

前記制御コンピュータは、
前記電流電圧画像取得ユニットによって電流電圧画像を取得するとき、その電流値または電圧値を取得し、前記電流電圧画像を表示装置に表示するときには、その取得した電流値または電圧の値に応じて、前記電流電圧画像を単色または複数の色で階調表示すること
を特徴とする請求項２に記載の半導体検査装置。

【請求項4】

前記制御コンピュータは、
前記電流電圧画像取得ユニットによって取得した電流電圧画像と、前記取得した電流電圧画像部分に含まれる前記試料に形成された半導体回路の設計データに基づき生成される電流電圧画像のシミュレーション画像との画像比較を行い、不一致箇所が検出された場合には、その不一致箇所を欠陥箇所と判定すること
を特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体検査装置。

【請求項5】

前記制御コンピュータは、
前記電流電圧画像取得ユニットによって取得した電流電圧画像と、前記電流電圧画像取得ユニットによって以前に取得し、欠陥が含まれていないことが既知の電流電圧画像との画像比較を行い、不一致箇所が検出された場合には、その不一致箇所を欠陥箇所と判定すること
を特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体検査装置。

【請求項6】

前記制御コンピュータは、
前記電流電圧画像取得ユニットによって取得した電流電圧画像に基づき、前記試料に形成された配線の幅、配線の長さ、不純物領域の寸法、電極の寸法およびコンタクトホールの径のうち少なくとも１つを測長すること
を特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体検査装置。

【請求項7】

前記プローブ針は、プローブホルダに取り付けられ、プローブホルダは、プローバに着脱可能に装着されること
を特徴とする請求項１に記載の半導体検査装置。

【請求項8】

前記試料室には、新品のプローブ針が取り付けられたプローブホルダを格納するストッカと、前記プローバに装着されているプローブホルダを脱着して、前記脱着したプローブホルダを前記試料室から搬出し、前記ストッカに格納するとともに、前記ストッカから前記新品のプローブ針が取り付けられたプローブホルダを取り出し、前記取り出したプローブホルダを前記試料室へ搬入し、前記プローバに装着するプローブ交換ロボットと、を収容するプローブ交換前室が設けられていること
を特徴とする請求項７に記載の半導体検査装置。

【請求項9】

前記試料ステージの上面には、前記プローブ針の性能チェック用の検査素子が設けられていること
を特徴とする請求項１に記載の半導体検査装置。

【請求項10】

前記プローブ針の性能チェック用の検査素子は、抵抗素子であること
を特徴とする請求項９に記載の半導体検査装置。

【請求項11】

前記プローバステージには、複数のプローバが搭載され、
前記複数のプローバのうちの１つのプローバは、他のプローバが備えるプローブ針よりも機械的強度が大きいプローブ針を備え、前記プローブ針を前記試料に接触、移動させて、前記試料表面に前記プローブ針による引っかき傷のマークをつけること
を特徴とする請求項１に記載の半導体検査装置。

【請求項12】

荷電粒子線を集束させ検査対象の試料に照射する荷電粒子光学系装置と、前記試料が収容される試料室と、前記試料を保持して、前記試料室内を自在に移動する試料ステージと、プローブ針を備えたプローバを複数個搭載し、前記試料室内を前記試料ステージとは独立に自在に移動するプローバステージと、前記プローブ針を前記試料上の接触目的の位置に粗寄せするときに前記試料の光学画像を取得する粗寄せ画像取得ユニットと、前記荷電粒子線を走査させながら前記試料に照射したときに前記試料から放出される二次荷電粒子の検出信号と前記荷電粒子線を走査させる制御信号とに基づき前記試料の荷電粒子画像を取得する荷電粒子画像取得ユニットと、前記プローブ針に電気的に接続され、前記複数個のプローバのうち一部のプローバのプローブ針へ電流または電圧を供給するとともに、前記複数個のプローバのうち他の一部のプローバのプローブ針から得られる電流または電圧を検出する電流電圧検出ユニットと、制御コンピュータと、を含んで構成された半導体検査装置であって、
前記試料ステージは、前記試料室の床面に設けられ、
前記プローバステージは、前記試料ステージとは分離して前記試料室の天井面に設けられ、
前記制御コンピュータは、
前記プローバステージおよび前記試料ステージをそれぞれ前記粗寄せ画像取得ユニット近傍まで移動させるとともに、前記粗寄せ画像取得ユニットによって取得される前記接触目的の位置近傍の配線または端子の像および前記プローブ針の像をともに含んだ光学画像に基づき、前記試料と前記プローブ針との相対的な位置関係を定める制御と、
前記定めた前記試料と前記プローブ針との相対的な位置関係を保持した状態で、前記プローバステージおよび前記試料ステージを前記荷電粒子光学系装置下方の前記荷電粒子線の照射位置まで移動させる制御と、
前記荷電粒子画像取得ユニットによって取得される前記試料上の接触目的の配線または端子の像および前記プローブ針の像をともに含んだ荷電粒子画像に基づき、前記プローバにより前記プローブ針を前後、左右および上下に移動させて、前記プローブ針の先端を前記試料上の接触目的の位置に接触させる制御と、
前記電流電圧検出ユニットを介して、前記一部のプローバのプローブ針に供給した電流または電圧と、前記他の一部のプローバのプローブ針から検出された電流または電圧との関係データを取得し、その関係データを表示装置に表示する制御と、
を行うこと
を特徴とする半導体検査装置。

【請求項13】

荷電粒子線を集束させ検査対象の試料に照射する荷電粒子光学系装置と、前記試料が収容される試料室と、前記試料を保持して、前記試料室内を自在に移動する試料ステージと、プローブ針を備えたプローバを搭載し、前記試料室内を前記試料ステージとは独立に自在に移動するプローバステージと、前記プローブ針を前記試料上の接触目的の位置に粗寄せするときに前記試料の光学画像を取得する粗寄せ画像取得ユニットと、前記荷電粒子線を走査させながら前記試料に照射したときに前記試料から放出される二次荷電粒子の検出信号と前記荷電粒子線を走査させる制御信号とに基づき前記試料の荷電粒子画像を取得する荷電粒子画像取得ユニットと、前記プローブ針に電気的に接続され、前記プローブ針から得られる電流または電圧を検出する電流電圧検出ユニットと、制御コンピュータと、を含んで構成された半導体検査装置による半導体検査方法であって、
前記試料ステージは、前記試料室の床面に設けられ、
前記プローバステージは、前記試料ステージとは分離して前記試料室の天井面に設けられ、
前記制御コンピュータは、
前記プローバステージおよび前記試料ステージをそれぞれ前記粗寄せ画像取得ユニット近傍まで移動させるとともに、前記粗寄せ画像取得ユニットによって取得される前記接触目的の位置近傍の配線または端子の像および前記プローブ針の像をともに含んだ光学画像に基づき、前記試料と前記プローブ針との相対的な位置関係を定める制御と、
前記定めた前記試料と前記プローブ針との相対的な位置関係を保持した状態で、前記プローバステージおよび前記試料ステージを前記荷電粒子光学系装置下方の前記荷電粒子線の照射位置まで移動させる制御と、
前記荷電粒子画像取得ユニットによって取得される前記試料上の接触目的の配線または端子の像および前記プローブ針の像をともに含んだ荷電粒子画像に基づき、前記プローバにより前記プローブ針を前後、左右および上下に移動させて、前記プローブ針の先端を前記試料上の接触目的の位置に接触させる制御と、
前記荷電粒子光学系装置により前記荷電粒子線を前記試料に照射し、そのとき前記電流電圧検出ユニットによって検出される電流値または電圧値を取得する制御と、
を行うこと
を特徴とする半導体検査方法。

【請求項14】

前記半導体検査装置は、
前記荷電粒子線を走査させながら前記試料に照射したときに前記電流電圧検出ユニットによって検出される電流値または電圧値と前記荷電粒子線を走査させる制御信号とに基づき、前記試料の電流電圧画像を取得する電流電圧画像取得ユニットを、さらに、備え、
前記制御コンピュータは、
前記電流電圧画像取得ユニットによって取得した電流電圧画像を表示装置に表示すること
を特徴とする請求項１３に記載の半導体検査方法。

【請求項15】

前記制御コンピュータは、
前記電流電圧画像取得ユニットによって電流電圧画像を取得するとき、その電流値または電圧値を取得し、前記電流電圧画像を表示装置に表示するときには、その取得した電流値または電圧の値に応じて、前記電流電圧画像を単色または複数の色で階調表示すること
を特徴とする請求項１４に記載の半導体検査方法。

【請求項16】

前記制御コンピュータは、
前記電流電圧画像取得ユニットによって取得した電流電圧画像と、前記取得した電流電圧画像部分に含まれる前記試料に形成された半導体回路の設計データに基づき生成される電流電圧画像のシミュレーション画像との画像比較を行い、不一致箇所が検出された場合には、その不一致箇所を欠陥箇所と判定すること
を特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の半導体検査方法。

【請求項17】

前記制御コンピュータは、
前記電流電圧画像取得ユニットによって取得した電流電圧画像と、前記電流電圧画像取得ユニットによって以前に取得し、欠陥が含まれていないことが既知の電流電圧画像との画像比較を行い、不一致箇所が検出された場合には、その不一致箇所を欠陥箇所と判定すること
を特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の半導体検査方法。

【請求項18】

前記制御コンピュータは、
前記電流電圧画像取得ユニットによって取得した電流電圧画像に基づき、前記試料に形成された配線の幅、配線の長さ、不純物領域の寸法、電極の寸法およびコンタクトホールの径のうち少なくとも１つを測長すること
を特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の半導体検査方法。

【請求項19】

荷電粒子線を集束させ検査対象の試料に照射する荷電粒子光学系装置と、前記試料が収容される試料室と、前記試料を保持して、前記試料室内を自在に移動する試料ステージと、プローブ針を備えたプローバを複数個搭載し、前記試料室内を前記試料ステージとは独立に自在に移動するプローバステージと、前記プローブ針を前記試料上の接触目的の位置に粗寄せするときに前記試料の光学画像を取得する粗寄せ画像取得ユニットと、前記荷電粒子線を走査させながら前記試料に照射したときに前記試料から放出される二次荷電粒子の検出信号と前記荷電粒子線を走査させる制御信号とに基づき前記試料の荷電粒子画像を取得する荷電粒子画像取得ユニットと、前記プローブ針に電気的に接続され、前記複数個のプローバのうち一部のプローバのプローブ針へ電流または電圧を供給するとともに、前記複数個のプローバのうち他の一部のプローバのプローブ針から得られる電流または電圧を検出する電流電圧検出ユニットと、制御コンピュータと、を含んで構成された半導体検査装置による半導体検査方法であって、
前記試料ステージは、前記試料室の床面に設けられ、
前記プローバステージは、前記試料ステージとは分離して前記試料室の天井面に設けられ、
前記制御コンピュータは、
前記プローバステージおよび前記試料ステージをそれぞれ前記粗寄せ画像取得ユニット近傍まで移動させるとともに、前記粗寄せ画像取得ユニットによって取得される前記接触目的の位置近傍の配線または端子の像および前記プローブ針の像をともに含んだ光学画像に基づき、前記試料と前記プローブ針との相対的な位置関係を定める制御と、
前記定めた前記試料と前記プローブ針との相対的な位置関係を保持した状態で、前記プローバステージおよび前記試料ステージを前記荷電粒子光学系装置下方の前記荷電粒子線の照射位置まで移動させる制御と、
前記荷電粒子画像取得ユニットによって取得される前記試料上の接触目的の配線または端子の像および前記プローブ針の像をともに含んだ荷電粒子画像に基づき、前記プローバにより前記プローブ針を前後、左右および上下に移動させて、前記プローブ針の先端を前記試料上の接触目的の位置に接触させる制御と、
前記電流電圧検出ユニットを介して、前記一部のプローバのプローブ針に供給した電流または電圧と、前記他の一部のプローバのプローブ針から検出された電流または電圧との関係データを取得し、その関係データを表示装置に表示する制御と、
を行うこと
を特徴とする半導体検査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、製造途上の半導体ウェーハに荷電粒子線を照射するとともに、微小なプローブ針を接触させ、そのプローブ針から得られる電流または電圧に基づき、半導体ウェーハに形成された配線または素子の電気的な検査を行う半導体検査装置および半導体検査方法に関する。

【背景技術】

【0002】

集積回路など半導体製品の歩留まりを上げるためには、半導体ウェーハの製造プロセスの各段階において、その製造プロセスで造り込まれた素子や配線の欠陥を検査し、とくに欠陥が多い場合には、その欠陥の状況を詳しく解析し、その結果を製造プロセスの改善にフィードバックさせる必要がある。

【0003】

現在、半導体製品の製造工程では、半導体ウェーハの各レイヤに素子や配線を形成するプロセスを終えたときには、多くの場合、その形状をチェックする検査が行われている。そして、その検査では、主として、素子や配線の形状や寸法の異常をもって欠陥とみなしている。

【0004】

半導体製品は、一般に電気で動作する電気デバイスであるので、電気的に正常に動作するか否かを確認する必要がある。しかしながら、半導体製品の電気的な動作をチェックする検査は、ウェーハ製造プロセスの最終工程で初めて行われ、さらに、ウェーハが小さなチップに割断（ダイシング）され、そのチップがパッケージにマウントされ、製品として出荷される直前の工程で行われている。すなわち、製造途上の半導体ウェーハの各製造プロセスで行われる検査は、形成された素子や配線の寸法や形状などの外観検査のみであり、通常、電気的な検査は行われていない。

【0005】

一般に、半導体ウェーハに形成された素子や配線に対し、電気的な検査を行うには、数１０ｎｍ（ナノメータ）レベルの微細な素子や配線に直接プローブ針を当てて、電流や電圧を印加したり、測定したりする必要がある。例えば、特許文献１には、ウェーハがチップに割断され、そのチップがパッケージにマウントされた形態のものについて、そのチップ表面に形成された微細な素子や配線に直接プローブ針を当て、電流や電圧を印加し、測定することが可能な、走査型電子顕微鏡を搭載した不良検査装置の例が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００５−１８９２３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１に記載の不良検査装置の場合、検査対象の試料としては、割断された小さなチップ形態のものが想定され、直径が数１０ｃｍにも及ぶウェーハ形態のものは想定されていないため、その不良検査装置をウェーハ製造プロセスにおける素子や配線の電気的な検査に適用することはできなかった。

【0008】

そこで、本発明の目的は、荷電粒子線が照射される環境下で、製造途上の半導体ウェーハに形成された素子や配線の電気的な検査を可能にする半導体検査装置および半導体検査方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係る半導体検査装置は、荷電粒子線を集束させ検査対象の試料に照射する荷電粒子光学系装置と、前記試料が収容される試料室と、前記試料を保持して、前記試料室内を自在に移動する試料ステージと、プローブ針を備えたプローバを搭載し、前記試料室内を前記試料ステージとは独立に自在に移動するプローバステージと、前記プローブ針を前記試料上の接触目的の位置に粗寄せするときに前記試料の光学画像を取得する粗寄せ画像取得ユニットと、前記荷電粒子線を走査させながら前記試料に照射したときに前記試料から放出される二次荷電粒子の検出信号と前記荷電粒子線を走査させる制御信号とに基づき前記試料の荷電粒子画像を取得する荷電粒子画像取得ユニットと、前記プローブ針に電気的に接続され、前記プローブ針から得られる電流または電圧を検出する電流電圧検出ユニットと、制御コンピュータと、を含んで構成される。

【0010】

そして、前記試料ステージは、前記試料室の床面に設けられ、前記プローバステージは、前記試料ステージとは分離して前記試料室の天井面に設けられ、前記制御コンピュータは、前記プローバステージおよび前記試料ステージをそれぞれ前記粗寄せ画像取得ユニット近傍まで移動させるとともに、前記粗寄せ画像取得ユニットによって取得される前記接触目的の位置近傍の配線または端子の像および前記プローブ針の像をともに含んだ光学画像に基づき、前記試料と前記プローブ針との相対的な位置関係を定める制御と、前記定めた前記試料と前記プローブ針との相対的な位置関係を保持した状態で、前記プローバステージおよび前記試料ステージを前記荷電粒子光学系装置下方の前記荷電粒子線の照射位置まで移動させる制御と、前記荷電粒子画像取得ユニットによって取得される前記試料上の接触目的の配線または端子の像および前記プローブ針の像をともに含んだ荷電粒子画像に基づき、前記プローバにより前記プローブ針を前後、左右および上下に移動させて、前記プローブ針の先端を前記試料上の接触目的の位置に接触させる制御と、前記荷電粒子光学系装置により前記荷電粒子線を前記試料に照射し、そのとき前記電流電圧検出ユニットによって検出される電流値または電圧値を取得する制御と、を行うことを特徴とする。

【0011】

すなわち、本発明では、真空状態にされた試料室内で試料ステージに保持された試料（半導体ウェーハ）に荷電粒子線を照射するとともに、その試料に形成された回路の配線または素子の端子に微細なプローブ針を接触させ、そのプローブ針を介して荷電粒子線に由来する電流（吸収電流）またはその電流に基づく電圧を検出する。また、プローブ針には、電流や電圧を供給することも可能なので、試料に形成された素子や回路を動作させ、その電気的な特性を取得することもできる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、荷電粒子線が照射される環境下で、製造途上の半導体ウェーハに形成された素子や配線の電気的な検査をすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態に係る半導体検査装置の構成の例を模式的に示した図。

【図2】４つのプローバがプローバステージに搭載された様子を模式的に示した図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）Ａ−Ａ’部分の断面図。

【図3】プローバの粗寄せ制御における試料ステージおよびプローバステージの配置位置の例を示した図。

【図4】プローブ針を試料ウェーハ上のプロービング位置に接触させるプロービング制御における試料ステージおよびプローバステージの配置位置の例を示した図。

【図5】プローバの上下方向の粗寄せ制御を行う場合の半導体検査装置の構成の例を模式的に示した図。

【図6】プローブホルダ交換時におけるプローバステージの配置位置の例を示した図。

【図7】試料ホルダの上面図の例を示した図。

【図8】プローブ針のプロービングによる電気的測定方法の例を示した図であり、（ａ）は、荷電粒子線の吸収電流を測定する例、（ｂ）は、荷電粒子線を照射しないでＭＯＳトランジスタの特性を測定する例。

【図9】吸収電流の測定に基づき得られる吸収電流画像（電流電圧画像）の例を示した図。

【図10】試料ウェーハに形成された深いコンタクトホールの（ａ）荷電粒子画像および（ｂ）吸収電流画像を比較して示した図。

【図11】吸収電流画像を用いて試料ウェーハの配線パターンの良否を判定する方法の例を示した図であり、（ａ）は、基準吸収電流画像の例、（ｂ）は、測定吸収電流画像の例。

【図12】吸収電流画像を用いて試料ウェーハの不純物領域の良否を判定する方法の例を示した図であり、（ａ）は、基準吸収電流画像の例、（ｂ）は、測定吸収電流画像の例。

【図13】半導体検査装置における検査処理フローの例を示した図。

【図14】半導体検査装置のマーキング機能を模式的に説明する図

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

【0015】

図１は、本発明の実施形態に係る半導体検査装置の構成の例を模式的に示した図である。図１に示すように、半導体検査装置１０は、荷電粒子源１０１から出射した荷電粒子線１０２を、図示しない電子レンズなどで集束させ、試料ウェーハ１１０に照射する荷電粒子光学系装置１００と、検査対象の試料ウェーハ１１０を収容する試料室１０３と、その検査に係る様々な制御および情報処理を行う制御コンピュータ１２５と、を含んで構成される。

【0016】

試料室１０３内には、試料ウェーハ１１０を保持して移動させる機構として試料ステージ１０８が設けられ、試料ステージ１０８の上部には、試料ホルダ１０９が設けられている。試料ホルダ１０９は、静電気力などにより試料ウェーハ１１０を吸着して保持する。また、試料ステージ１０８は、試料室１０３の水平な床面（ＸＹ平面）をＸ方向およびＹ方向に自在に移動することができ、さらに、試料ホルダ１０９を上下に自在に移動させることができるように構成されている。

【0017】

また、試料室１０３内には、少なくとも１つ、通常、複数のプローバ１０５が搭載されたプローバステージ１０４が設けられている。そして、それぞれのプローバ１０５には、その端部にプローブ針１０７が取り付けられたプローブホルダ１０６が装着されている。また、プローバステージ１０４は、試料室１０３の天井面に設けられた図示しない１次元または２次元の軌道に懸架されて、１次元方向（Ｘ方向）または２次元方向（ＸＹ方向）に自在に移動することができるように構成されている。従って、プローバステージ１０４は、試料ステージ１０８とは独立に移動することができる。

【0018】

さらに、プローバステージ１０４は、その高さ位置を自在に変えることができるように構成されている。なお、プローバステージ１０４およびプローバ１０５の構成については、別途、図２を参照して説明する。

【0019】

さらに、図１に示すように、試料室１０３内は、排気装置１１１によって排気され、真空状態が保たれている。そして、当然ながら、荷電粒子光学系装置１００内部の荷電粒子線１０２が通過する空間も、図示しない真空ポンプなどで排気されて真空状態に保たれており、少なくとも、荷電粒子１０２が照射されるときは、荷電粒子１０２が通過する空間は、試料室１０３内と連通した状態になる。

【0020】

また、試料室１０３の外側には、ロードロック形式の試料交換前室１１８が設けられており、さらに、試料交換前室１１８の外側には、試料ウェーハ格納容器１１９が配置されている。そして、試料交換前室１１８には、試料搬送ロボット１１７が設けられており、試料搬送ロボット１１７は、試料ウェーハ格納容器１１９の中に格納されている検査対象の試料ウェーハ１１０を試料室１０３内へ搬入するとともに、検査済の試料ウェーハ１１０を試料室１０３内から搬出して、試料ウェーハ格納容器１１９へ戻す。

【0021】

ここで、試料交換前室１１８と試料ウェーハ格納容器１１９との間で、試料ウェーハ１１０の搬入搬出が行われるときには、試料交換前室１１８と試料室１０３との間のゲートが閉じられた後、試料交換前室１１８と試料ウェーハ格納容器１１９との間のゲートが開けられてから行われる。また、試料交換前室１１８と試料室１０３との間で、試料ウェーハ１１０の搬入搬出が行われるときには、試料交換前室１１８と試料ウェーハ格納容器１１９との間のゲートを閉じられた後、試料交換前室１１８の真空引きした上で、試料交換前室１１８と試料室１０３との間のゲートが開けられてから行われる。このようにして、試料室１０３の真空度が良好に保持される。

【0022】

また、真空度を保持する類似の構成により、試料室１０３の外側には、ロードロック形式のプローブ交換前室１１４が設けられ、さらに、プローブ交換前室１１４内には、交換用プローブホルダ１１５を格納したストッカ１１６が配置されている。そして、プローブ交換前室１１４には、プローブ交換ロボット１１３が設けられており、プローブ交換ロボット１１３は、プローブ針１０７が劣化したときに、プローバ１０５からプローブ針１０７をプローブホルダ１０６ごと取り外して、ストッカ１１６へ戻す。そして、プローブ交換ロボット１１３は、ストッカ１１６に格納されている新品の交換用プローブホルダ１１５を取り出し、試料室１０３内へ搬入し、さらに、プローバ１０５に装着する。

【0023】

また、試料室１０３には、図示しない光学顕微鏡、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラなどにより構成された粗寄せ画像取得ユニット１１２が設けられている。粗寄せ画像取得ユニット１１２は、試料室１０３の内部における試料ウェーハ１１０とプローブ針１０７との間で、おおよその位置合わせをし、その相対的な位置関係を確認するために設けられたものであり、試料ウェーハ１１０とプローブ針１０７とがともに含まれる光学画像を取得し、取得した光学画像を制御コンピュータ１２５へ送信する。

【0024】

さらに、半導体検査装置１０には、荷電粒子画像取得ユニット１２０、電流電圧検出ユニット１２１、電流電圧画像取得ユニット１２２が設けられている。

【0025】

荷電粒子画像取得ユニット１２０は、荷電粒子線１０２を走査させながら試料ウェーハ１１０に照射したとき、試料ウェーハ１１０から放出される二次荷電粒子の検出信号を取得し、その二次荷電粒子の検出信号と荷電粒子線１０２を走査させる制御信号とに基づき、試料ウェーハ１１０の荷電粒子画像を生成し、取得する。なお、荷電粒子線１０２が電子線の場合、このようにして取得される荷電粒子画像は、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）画像と呼ばれる。

【0026】

また、電流電圧検出ユニット１２１は、電流電圧検出回路、電流電圧源回路などによって構成され、試料室１０３内のプローバ１０５のプローブ針１０７それぞれに電気的に接続されている。すなわち、電流電圧検出ユニット１２１は、プローブ針１０７が試料ウェーハ１１０に形成された配線または素子の端子に接触したとき、そのプローブ針１０７によって検出される電流または電圧の値を取得するとともに、必要に応じて、プローブ針１０７に対し、電流または電圧を供給する。

【0027】

また、電流電圧画像取得ユニット１２２は、荷電粒子線１０２を走査させながら試料ウェーハ１１０に照射したとき、電流電圧検出ユニット１２１によってプローブ針１０７から得られる電流または電圧信号を取得し、その取得した電流または電圧信号と荷電粒子線１０２を走査させる制御信号とに基づき、試料ウェーハ１１０の電流電圧画像を生成し、取得する。なお、このとき電流電圧画像取得ユニット１２２によって取得される電流電圧画像は、しばしば、吸収電流画像と呼ばれる。吸収電流画像の例については、別途説明する。

【0028】

制御コンピュータ１２５は、表示装置１２６のほかに図示しない入力装置や記憶装置を含んで構成される。また、制御コンピュータ１２５は、荷電粒子光学系装置１００、試料ステージ１０８、プローバステージ１０４、試料搬送ロボット１１７、プローブ交換ロボット１１３、粗寄せ画像取得ユニット１１２、荷電粒子画像取得ユニット１２０、電流電圧検出ユニット１２１、電流電圧画像取得ユニット１２２などに接続され、それらを統括的に制御する。

【0029】

また、制御コンピュータ１２５は、粗寄せ画像取得ユニット１１２により取得された光学画像、荷電粒子画像取得ユニット１２０により取得された荷電粒子画像、電流電圧画像取得ユニット１２２により取得された電流電圧画像、電流電圧検出ユニット１２１により取得された電流電圧のデータを、それぞれ取得し、表示装置１２６に表示する。

【0030】

図２は、４つのプローバ１０５がプローバステージ１０４に搭載された様子を模式的に示した図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）Ａ−Ａ’部分の断面図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、プローバ１０５を搭載するプローバステージ１０４は、その中央部に円形状の開口部１０４ａを有する四方形平板の上側四隅には支柱１０４ｂが設けられている。そして、支柱１０４ｂの上部には、試料室１０３の天井に設けられた軌道（図示を省略）に懸架される懸架部（図示省略）が設けられている。そのため、プローバステージ１０４は、試料室１０３の天井に設けられた軌道（図示を省略）に懸架された状態で、その軌道に沿って自在に移動することができる。

【0031】

また、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、それぞれのプローバ１０５には、その端部にプローブ針１０７が取り付けられたプローブホルダ１０６が着脱可能に装着されている。そして、プローバ１０５は、プローバステージ１０４上を前後左右に自在に移動することができ、さらに、プローブホルダ１０６を上下に自在に昇降させることができるように構成されている。なお、図２では、プローバ１０５が４つ描かれているが、プローバ１０５の数は、４つに限定されるものではなく、最低１つあればよい。

【0032】

図３は、プローバ１０５の粗寄せ制御における試料ステージ１０８およびプローバステージ１０４の配置位置の例を示した図である。一般に、プローブ針１０７を試料ウェーハ１１０上の接触目的の配線や素子の端子位置（以下、プロービング位置という）に近づける場合、高倍率の荷電粒子画像を取得し、その荷電粒子画像に基づき、プローブ針１０７をプロービング位置に近づけるのは効率がよくない。高倍率であると、プローブ針１０７とプロービング位置が同じ視野画像に含まれるとは限らないからである。

【0033】

そこで、本実施形態では、粗寄せ画像取得ユニット１１２を用いて低倍率の光学画像によるプローバ１０５の粗寄せ制御を実施する。このとき、制御コンピュータ１２５は、プローバステージ１０４を、粗寄せ画像取得ユニット１１２の真下に移動させるとともに、試料ステージ１０８を、試料ウェーハ１１０の検査対象チップにおけるプロービング位置が粗寄せ画像取得ユニット１１２の略真下となる位置まで移動させる（図３に示した配置位置）。

【0034】

続いて、制御コンピュータは、粗寄せ画像取得ユニット１１２を介して、プローブ針１０７の像が含まれる試料ウェーハ１１０の光学画像を取得し、その光学画像から得られるプローブ針１０７の像の位置とプロービング位置との相対位置関係に基づいて、さらに、プローバ１０５を前後左右に移動させて、プローブ針１０７の先端部をプロービング位置に近づける。

【0035】

プローバステージ１０４にプローバ１０５が複数搭載されている場合には、それぞれのプローバ１０５について、同様に、プローブ針１０７の先端部をプロービング位置に近づける。

【0036】

図４は、プローブ針１０７を試料ウェーハ１１０上のプロービング位置に接触させるプロービング制御における試料ステージ１０８およびプローバステージ１０４の配置位置の例を示した図である。制御コンピュータ１２５は、前記したプローバ１０５の粗寄せ制御を終えると、プローバステージ１０４と試料ステージ１０８との相対位置関係を保持した状態で、プローバステージ１０４および試料ステージ１０８を荷電粒子線１０２の照射位置まで移動させる（図４に示した配置位置）。

【0037】

続いて、制御コンピュータ１２５は、荷電粒子画像取得ユニット１２０を介して、プローブ針１０７の先端部の像が含まれる試料ウェーハ１１０の高倍率の荷電粒子画像を取得し、その荷電粒子画像から得られるプローブ針１０７の先端部の像の位置とプロービング位置との相対位置関係に基づいて、プローバ１０５を前後左右に移動させて、さらには、プローブホルダ１０６を上下に移動させて、プローブ針１０７の先端部をプロービング位置に近づける。

【0038】

続いて、制御コンピュータ１２５は、プローブホルダ１０６すなわちプローブ針１０７を下降させて、プローブ針１０７の先端部を試料ウェーハ１１０上のプロービング位置に接触させる。（本明細書では、以下、プローブ針１０７の先端部をプロービング位置に接触させることを、単に、プロービングという）。

【0039】

一般に、試料ウェーハ１１０は、平らなものではなく、反った形状をしている。そのため、試料ウェーハ１１０上の複数箇所に対してプロービングをする場合、プローブ針１０７を同じだけ降下させても、プロービング位置に届いたり届かなかったり、場合によっては、下降し過ぎてプローブ針１０７を痛めるようなことがある。

【0040】

そこで、本実施形態では、プロービングするに際しては、まず、プロービング位置の高さ（プローバ１０５の試料ウェーハ１１０の表面からの相対距離）を計測するものとする。そして、その高さが、基準の高さとずれがある場合は、プローバステージ１０４を昇降させることにより、試料ウェーハ１１０に対する高さを基準の高さに合わせるようにする。なお、高さの検知は、例えば、荷電粒子画像における焦点のずれ検知、試料ウェーハ１１０を検知するレーザ距離センサなどを用いて行う。

【0041】

なお、プローバ１０５の移動動作、プローブホルダ１０６を上下させる動作のうち、例えば、１ミクロン以下など微小な距離を移動させる動作に対しては、ピエゾ駆動が用いられている。

【0042】

図５は、プローバ１０５の上下方向の粗寄せ制御を行う場合の半導体検査装置１０の構成の例を模式的に示した図である。試料ウェーハ１１０とプローバステージ１０４との間の高さ方向の粗寄せのスループットの向上を図る場合には、垂直方向の粗寄せのための光学画像を取得する第２の粗寄せ画像取得ユニット１１２ａが設けられる。第２の粗寄せ画像取得ユニット１１２ａは、一般的には、試料ウェーハ１１０上のプロービング位置が真横から観察できる試料室１０３の側面に配置されるが、図５に示すように、プロービング位置の斜め上方の試料室１０３の上面に配置してもよい。

【0043】

制御コンピュータ１２５は、第２の粗寄せ画像取得ユニット１１２ａによって取得される光学画像に基づき、プローバステージ１０４またはプローブ針１０７と試料ステージ１０８との間の相対高さ位置関係を取得し、その位置関係に基づき、プローバステージ１０４または試料ステージ１０８を昇降させて、上下方向の粗寄せを行う。

【0044】

図６は、プローブホルダ１０６交換時におけるプローバステージ１０４の配置位置の例を示した図である。プローブ針１０７は、消耗品である。その先端部は、使用時間とともに、形状が磨耗、劣化し、また、電気抵抗値も大きくなっていく。そこで、プローブ針１０７は、その形状や性能が劣化した場合には、交換する必要がある。

【0045】

プローブ針１０７の交換は、プローブホルダ１０６の交換作業として行われる。制御コンピュータ１２５は、プローブホルダ１０６を交換する場合、まず、プローバステージ１０４をプローブ交換前室１１４の傍まで移動させる（図６に示した配置位置）。そして、プローブ交換前室１１４およびストッカ１１６を真空状態にしたうえで、プローブ交換前室１１４と試料室１０３との間のゲートを開けて、プローブホルダ１０６の交換を行う。

【0046】

このとき、制御コンピュータ１２５がプローブ交換ロボット１１３に対しプローブホルダ１０６の交換を指示すると、プローブ交換ロボット１１３は、アームを試料室１０３内へ入れて、劣化したプローブ針１０７が取り付けられたプローブホルダ１０６を、プローバ１０５から取り外して、試料室１０３から取り出し、ストッカ１１６へ格納する。次に、プローブ交換ロボット１１３は、アームでストッカ１１６から新品のプローブホルダ１０６を取り出し、試料室１０３内へ搬入し、プローブホルダ１０６が空のプローバ１０５に搬入した新品のプローブホルダ１０６を装着する。

【0047】

以上のプローブホルダ１０６の交換が終了すると、プローブ交換前室１１４と試料室１０３との間のゲートは閉じられる。従って、試料室１０３の真空度を劣化させることなく、プローブホルダ１０６の交換が行われる。

【0048】

なお、図６に示すように、プローブ交換前室１１４を試料室１０３の上部に設け、プローブホルダ１０６を試料室１０３の天井側から出し入れする構造にすると、プローバ１０５へのプローブホルダ１０６の着脱を容易化することができるので、プローブ交換ロボット１１３の構造の簡易化を図ることができる。

【0049】

また、この場合、プローバステージ１０４上のプローバ１０５が搭載される部分を、プローバステージ１０４に設けられた円形の開口部１０４ａの中心を軸として、プローバステージ１０４の平面上で自在に回転可能なように構成しておくとよい。その場合には、プローバステージ１０４上のどの位置にプローバ１０５が搭載されていても、プローブホルダ１０６の着脱を容易に行うことが可能になる。

【0050】

また、制御コンピュータ１２５は、ストッカ１１６に格納されている交換用プローブホルダ１１５について、新品かまた使用済み品かの情報を記憶装置に格納しておき、すべての交換用プローブホルダ１１５が使用済み品になった場合には、その旨を表示装置１２６に表示し、ユーザにストッカ１１６内の交換用プローブホルダ１１５の入れ替えを要求する。

【0051】

図７は、試料ホルダ１０９の上面図の例を示した図である。図７に示すように、試料ホルダ１０９の上面には、試料ウェーハ１１０が載置されるが、試料ウェーハ１１０の載置を妨げない位置に、プローブ針１０７性能チェック用の検査素子１０９ａが取り付けられている。検査素子１０９ａは、例えば、アルミニウムやタングステンを材質とする基準抵抗素子により構成されるが、その場合、制御コンピュータ１２５は、プローブ針１０７に流れる電流値などを取得することにより、基準抵抗素子の抵抗値を得ることができ、その抵抗値に基づきプローブ針１０７の劣化の程度を判定する。

【0052】

なお、基準抵抗素子の抵抗値は、その基準抵抗素子の両端を２つのプローブ針１０７でそれぞれプロービングすれば測定可能である。また、基準抵抗素子の一端を接地しておけば、１つのプローブ針１０７で他端をプロービングすることにより、その抵抗値を測定することができる。

【0053】

プローブ針１０７の性能チェックは、例えば、半導体検査装置１０の稼動が開始されるたびに、あるいは、半導体検査装置１０の稼動時間が所定の時間経過するたびに、あるいは、半導体検査装置１０の定期検査を行うたびに行うものとする。そして、その性能チェックにおいて、基準抵抗素子の抵抗値が、あらかじめ定められた値より大きくなったときには、制御コンピュータ１２５は、プローブ針１０７が劣化したものと判断して、ユーザに、プローブ針１０７の交換を要求する。

【0054】

なお、プローブ針１０７（プローブホルダ１０６）の交換は、以上のような基準抵抗素子の抵抗値の測定結果によらず、単なるプローブ針１０７の使用時間やプロービング回数に基づき、例えば、使用時間が所定時間を超えた場合や、プロービング回数が所定回数を超えた場合には、プローブ針１０７が劣化したと判断し、プローブ針１０７（プローブホルダ１０６）を交換してもよい。

【0055】

図８は、プローブ針１０７のプロービングによる電気的測定方法の例を示した図であり、（ａ）は、荷電粒子線１０２の吸収電流を測定する例、（ｂ）は、荷電粒子線１０２を照射しないでＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタの特性を測定する例である。

【0056】

図８（ａ）の例では、試料ウェーハ１１０上に形成された導電性の配線２０１の一端にプローブ針１０７を接触させ、そのプローブ針１０７を接地するとともに、プローブ針１０７と接地点の間には電流計３０１が設けられている。この状態で、荷電粒子光学系装置１００から細く集束させた荷電粒子線１０２を配線２０１の上に照射すると、電流計３０１では、配線２０１による荷電粒子線１０２のいわゆる吸収電流を観察することができる。

【0057】

なお、電流計３０１は、電流電圧検出ユニット１２１に含まれる構成要素であり、具体的には、吸収電流に対応する電圧を検出する回路と、その電圧を増幅する増幅回路などによって構成される。そして、その増幅回路によって増幅された電圧の値は、適宜、ＡＤ（Analog to Digital）変換され、制御コンピュータ１２５に読み取られる。

【0058】

吸収電流は、配線２０１が荷電粒子線１０２を吸収した電荷に基づく電流であり、一般的には、単位時間当たりに、荷電粒子線１０２によって配線２０１に供給される電荷量（ビーム電流）から、配線２０１から反射または放出される荷電粒子の電荷量を差し引いた値に相当する。従って、電流計３０１で吸収電流を測定することにより、荷電粒子線１０２の照射位置からプローブ針１０７の接触位置までの導通の有無を知ることができる。

【0059】

荷電粒子線１０２は、薄い絶縁層などは貫通することができるので、配線２０１が絶縁層などで覆われていても、荷電粒子線１０２が届く範囲内で、その下層の配線についても吸収電流を検出することができる。さらに、２つのプローブ針１０７を異なる位置の配線に接触させれば（図示を省略）、少なくとも一方のプローブ針１０７で吸収電流を測定することにより、２つのプローブ針１０７をつなぐ配線における抵抗値の分布を得ることもできる。

【0060】

また、図８（ｂ）に示すように、試料ウェーハ１１０上に複数の（例えば、４つの）プローブ針１０７ａ〜１０７ｄを接触させた場合には、荷電粒子線１０２を照射することなく、試料ウェーハ１１０に形成された素子（例えば、ＭＯＳトランジスタ素子）などの動作特性を取得することができる。

【0061】

例えば、図８（ｂ）の例では、プローブ針１０７ａをソース領域２０２に接触させ、プローブ針１０７ｂをゲート電極２０３に接触させ、プローブ針１０７ｃをドレイン領域２０４に接触させ、プローブ針１０７ｄを基板（サブストレート）領域に接触させている。従って、それぞれのプローブ針１０７ａ〜１０７ｄに適宜電圧を印加し、例えば、プローブ針１０７ａ−１０７ｃ間に流れる電流を測定すれば、ソース−ドレイン電流のゲート電圧特性などを取得することができる。

【0062】

電流電圧検出ユニット１２１には、以上のような様々な構成による電流電圧の測定を可能にするために、様々な種類の電流計、電圧計、増幅回路などが複数個用意されており、測定目的に応じて、プローブ針１０７との接続を適宜切替えられるように構成されている。

【0063】

図９は、吸収電流の測定に基づき得られる吸収電流画像（電流電圧画像）の例を示した図である。図９に示すような吸収電流画像４０１は、電流電圧画像取得ユニット１２２（図１参照）によって取得される。すなわち、電流電圧画像取得ユニット１２２は、荷電粒子線１０２が試料ウェーハ１１０上の所定の観察対象領域を走査しつつ照射されたとき、例えば、電流計３０１（図８参照）を介して電流値を取得し、その取得した電流値を荷電粒子線１０２の走査位置に対応させて画像化する。

【0064】

ちなみに、図９の吸収電流画像４０１には、プローブ針１０７の先端部の像２０７、プローブ針１０７が接触したパッド電極の像２０６、最上層の配線の像２０８、絶縁層の下層の配線の像２０９の例が示されている。なお、吸収電流画像４０１例では、吸収電流が検出されないとき、その画像は明るく白色で表わされ、吸収電流が検出されたとき、その画像は暗く黒色で表わされている。また、ここでは、吸収電流の色を、その電流値に応じて黒色で階調表現しているが、複数の色で表してもよい。

【0065】

このように、吸収電流画像４０１においては、プローブ針１０７と導通のある配線や素子については、何らかの像２０６，２０８，２０９が取得され、導通のない配線や素子については、何らの像も取得されない。さらに、吸収電流画像４０１においては、荷電粒子線１０２が絶縁層を貫通して到達可能な限り、絶縁層の下層の配線であっても、吸収電流の像（配線の像２０９）を得ることができる。従って、吸収電流画像４０１では、ＳＥＭ画像など荷電粒子画像では観察することのできない、絶縁層下における配線構造を非破壊で観察することができる。

【0066】

図１０は、試料ウェーハ１１０に形成された深いコンタクトホールの（ａ）荷電粒子画像および（ｂ）吸収電流画像を比較して示した図である。なお、図１０（ａ）の荷電粒子画像４０２には、プローブ針１０７の先端部の像２２７、プローブ針１０７が接触したパッド電極像２２６、コンタクトホールの像２２０の例が示されている。また、図１０（ｂ）の吸収電流画像４０３には、プローブ針１０７の先端部の像２０７、プローブ針１０７が接触したパッド電極の像２０６、コンタクトホールの像２１０，２１０ａ，２１０ｂの例が示されている。

【0067】

荷電粒子画像４０２の場合、コンタクトホールの径がその深さに比べ小さいときには、荷電粒子線１０２は、コンタクトホールの底部に届くことはできても、その底部から放出される二次荷電粒子は、コンタクトホールの上部まで上がってくることができないことが多い。そのため、二次荷電粒子検出信号は、コンタクトホールの部分で弱い信号となる。従って、荷電粒子画像４０２からは、コンタクトホールの上部の外形は観察できるものの（コンタクトホールの荷電粒子の像２２０参照）、コンタクトホールの底部の構造についての情報は何ら得られない。

【0068】

一方、吸収電流画像４０３では、コンタクトホールの径がその深さに比べ小さい場合であっても、荷電粒子線１０２がコンタクトホールの底部に届きさえすれば、その底部の導電層がプローブ針１０７に導通しているときには、コンタクトホールの吸収電流像２１０，２１０ａ，２１０ｂを得ることができる。

【0069】

このとき、コンタクトホールの吸収電流像２１０ａのように、同様に設計された他のコンタクトホールの吸収電流像２１０に比べ、その吸収電流値が小さい場合には、荷電粒子線１０２がコンタクトホールの底部まで十分に到達していないことを意味し、コンタクトホールの底部にエッチング残りなどがあることを意味している。また、コンタクトホールの吸収電流像２１０ｂのように、同様に設計された他のコンタクトホールの吸収電流像２１０に比べ、その大きさが小さい場合には、コンタクトホールの底部外周部が十分にエッチングされていない、つまり、コンタクトホールの径が小さいことを意味する。

【0070】

以上のように、吸収電流画像４０３からは、コンタクトホールの底部の構造についての情報を得ることができ、また、コンタクトホールの導通している部分の大きさを精度よく測定することができる。

【0071】

図１１は、吸収電流画像を用いて試料ウェーハの配線パターンの良否を判定する方法の例を示した図であり、（ａ）は、基準吸収電流画像の例、（ｂ）は、測定吸収電流画像の例である。ここで、測定吸収電流画像４０５は、検査時に検査対象の試料ウェーハ１１０の吸収電流を測定することによって取得した吸収電流画像である。また、基準吸収電流画像４０４は、検査対象の試料ウェーハ１１０の検査領域と同じまたは実質的に同じ領域で欠陥がないことが分かっている領域から以前に取得された吸収電流画像（すなわち、良品の吸収電流画像）、あるいは、検査対象の試料ウェーハ１１０に形成される集積回路の設計データからシミュレーションなどにより生成された吸収電流画像である。

【0072】

制御コンピュータ１２５は、基準吸収電流画像４０４および測定吸収電流画像４０５を取得すると、両者の画像を画像比較することにより、不一致箇所を検出し、検出した不一致箇所を欠陥と判定する。例えば、測定吸収電流画像４０５における配線２３１ｂの配線幅は、基準吸収電流画像４０４における対応する配線２３１ａの配線幅よりも細いので、欠陥であると判定する。また、測定吸収電流画像４０５における配線２３２ｂの黒の表示階調は、基準吸収電流画像４０４における対応する配線２３１ａの黒の表示階調よりも薄いので、欠陥であると判定する。

【0073】

図１２は、吸収電流画像を用いて試料ウェーハの不純物領域の良否を判定する方法の例を示した図であり、（ａ）は、基準吸収電流画像の例、（ｂ）は、測定吸収電流画像の例である。ここで、測定吸収電流画像４０７は、検査時に検査対象の試料ウェーハ１１０の吸収電流を測定することによって取得した吸収電流画像である。また、基準吸収電流画像４０６は、検査対象の試料ウェーハ１１０の検査領域と同じまたは実質的に同じ領域で欠陥がないことが分かっている領域から以前に取得された吸収電流画像（すなわち、良品の吸収電流画像）、あるいは、検査対象の試料ウェーハ１１０に形成される集積回路の設計データからシミュレーションなどにより生成された吸収電流画像である。

【0074】

一般に、ＳＥＭなどの荷電粒子線装置で不純物領域の境界を観察するのは、難しいとされている。しかしながら、吸収電流画像を用いれば、不純物領域の様子を観察することができる。例えば、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、ｐ型の半導体基板層２４２にｎ型の不純物層であるウェル２４１が形成され、さらに、そのウェル２４１の中に高濃度のｐ型の不純物領域２４３が形成され、その高濃度の不純物領域２４３は、ゲート電極２４４によってソースまたはドレイン領域に分割されているとする。

【0075】

このとき、ウェル２４１に導通したプラグ層２４５にプローブ針２４６を接触させれば、ウェル２４１は、プローブ針２４６に導通するので、吸収電流が検出され、例えば、暗く表示される。一方、半導体基板層２４２および不純物領域２４３とは、ｐ−ｎ接合により絶縁されているので、吸収電流が検出されず、明るく表示される。また、ゲート電極２４４も部分もと導通しないので、吸収電流が検出されず、明るく表示される。ただし、荷電粒子線１０２の一部は、不純物領域２４３を貫通して、その下部に存在するウェル２４１へ到達することもあるので、その場合には、不純物領域２４３は、半導体基板層２４２に比べやや暗く表示される。以上のように、吸収電流画像を用いることにより、不純物領域の大きさやゲート電極２４４などとの位置関係などの様子を観察することができる。

【0076】

なお、同様に、ｐ型の半導体基板層２４２側にプラグ層２４５を設け（図示せず）、そのプラグ層２４５にプローブ針２４６を接触させれば、その半導体基板層２４２側に形成された高濃度のｎ型の不純物層（図示せず）の様子を観察することができる。

【0077】

そこで、試料ウェーハ１１０についての良品またはシミュレーションにより，図１２（ａ）に示すような基準吸収電流画像４０６が得られ、また、検査対象の試料ウェーハ１１０から、図１２（ｂ）に示すような測定吸収電流画像４０７が得られものとする。そして、これら２つの画像を比較し、相違部分を検出する。

【0078】

すると、測定吸収電流画像４０７において、不純物領域２４３ａは、基準吸収電流画像４０６の同じ領域に比べ暗く表示され、そのため、不純物領域２４３ａは、ウェル２４１と導通しているようにみえる。従って、不純物領域２４３ａは、不良であると判定する。このような場合、例えば、不純物領域２４３ａへの打ち込み不純物イオン量が少ないため、不純物領域２４３ａとウェル２４１との間のｐ−ｎ接合がうまく形成されていないような場合がある。

【0079】

また、測定吸収電流画像４０７を基準吸収電流画像４０６と比較すると、不純物領域２４３ｂの位置は、ゲート電極２４４の位置に対し、位置ずれしていることが分かる。このような不純物領域２４３ｂも不良であると判定する。

【0080】

以上のように、吸収電流画像を用いれば、ウェル２４１を含む不純物領域２４３の形状寸法の不良や位置ずれや不純物イオンの打ち込み量などの様子を知ることができる。

【0081】

図１３は、半導体検査装置１０における検査処理フローの例を示した図である。ここでは、半導体検査装置１０を他の欠陥検査装置で得られた欠陥を確認する検査に用いるものとしている。なお、欠陥検査装置としては、例えば、試料ウェーハ１１０の表面の光学画像またはＳＥＭ画像を設計データまたは良品ウェーハから得られる基準画像と比較して試料ウェーハ１１０の欠陥を検出する検査装置などであり、あるいは、異物検査装置などであってもよい。

【0082】

図１３に示すように、制御コンピュータ１２５は、まず、他の欠陥検査装置からその欠陥検査装置によって得られた欠陥情報を取得する（ステップＳ１１）。このとき、他の欠陥検査装置によって得られた欠陥情報は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリなど携帯型の記憶装置を介して取得されるとしてもよく、また、通信ネットウォークを介して取得されるとしてもよい。また、欠陥情報には、それぞれの欠陥について、ウェーハ内におけるチップ番号、チップ内の位置情報、欠陥の種別情報、大きさ情報などが含まれるものとする。

【0083】

次に、制御コンピュータ１２５は、取得した欠陥情報から１つの欠陥情報を選択し、その欠陥情報に含まれるチップ番号および欠陥位置情報に基づき、試料ステージ１０８およびプローバ１０５の粗寄せを実施する（ステップＳ１２）。

【0084】

次に、制御コンピュータ１２５は、粗寄せした試料ステージ１０８とプローバ１０５との相対位置関係を保持した状態で、試料ステージ１０８およびプローバ１０５を移動させ、荷電粒子線１０２の照射位置にセットする（ステップＳ１３）。

【0085】

次に、制御コンピュータ１２５は、セットされた位置の試料ウェーハ１１０の荷電粒子画像を取得し（ステップＳ１４）、その取得した荷電粒子画像に基づき、プローブ針１０７を不良箇所に関係する配線または端子にプロービングする（ステップＳ１５）。

【0086】

次に、制御コンピュータ１２５は、吸収電流画像（電流電圧画像）を取得し（ステップＳ１６）、その取得した吸収電流画像（電流電圧画像）を基準画像と比較する（ステップＳ１７）。ここで、基準画像は、当該試料ウェーハ１１０の良品部分から取得された吸収電流画像または設計データからシミュレーションにより生成された吸収電流画像である。

【0087】

次に、制御コンピュータ１２５は、ステップＳ１７における画像比較で不一致があったか否かを判定し（ステップＳ１８）、その判定で不一致があった場合には（ステップＳ１８でＹｅｓ）、他の欠陥検査装置で検出された欠陥が確かに欠陥であることを再判定する（ステップＳ１９）。また、ステップＳ１８の判定で不一致がなかった場合には（ステップＳ１８でＮｏ）、他の欠陥検査装置で検出された欠陥が欠陥であることを単純には再判定することはできないので、ステップＳ１９をスキップする。

【0088】

なお、ステップＳ１６で取得した吸収電流画像（電流電圧画像）と基準画像との間に不一致がなかった場合には（ステップＳ１８でＮｏ）、他の欠陥検査装置で欠陥と判定されたものでも、少なくとも電気的には欠陥でない場合もある。例えば、他の欠陥検査装置で２つの配線間をつなぐような異物欠陥があったとしても、その異物が絶縁性のものであれば、その異物欠陥は電気的な動作に影響を及ぼさない。異物が絶縁性であるか否かは、吸収電流画像（電流電圧画像）から容易に判定することができる。

【0089】

そこで、検査処理フローに、ステップＳ１８でＮｏの場合、さらに、このような異物欠陥を検出するような処理を追加する。そうすれば、他の欠陥検査装置で欠陥と判定されたものであっても、電気的動作に影響を及ぼさない欠陥を検出できるようになる。その場合には、電気的動作に影響を及ぼさない欠陥を欠陥でないものとして救済することが可能となる。

【0090】

また、図８（ｂ）に示したような測定方法、すなわち、複数のプローブ針１０７を複数の配線や素子の端子に接触させ、適宜、それらの一部のプローブ針１０７に電流や電圧を供給するとともに、他の一部のプローブ針１０７で電流や電圧を測定すれば、荷電粒子線１０２を照射することなく、試料ウェーハ１１０に形成された素子や回路の電気的特性や動作特性を取得することが可能であり、また、論理回路の論理動作を解析することも可能である。すなわち、本実施形態に係る半導体検査装置１０を、素子や回路の動作解析をする解析装置として用いることもできる。とくに、欠陥の状況や原因を詳しく追求する場合、解析装置としての利用価値は大きい。

【0091】

また、この場合、良品の試料ウェーハ１１０またはシミュレーションにより取得した電気的特性データを、検査対象の試料ウェーハ１１０で測定した電気的特性データと比較することにより、その不良箇所を検出することができる。すなわち、図１３に示した検査処理フローと同様の検査処理フローによって、不良検査を実施することができる。

【0092】

なお、その場合には、図１３のステップＳ１６では、吸収電流画像を取得する代わりに、検査対象の配線または素子端子の電気的特性データを取得する。また、ステップＳ１７では、吸収電流画像を基準画像と比較する代わりに、ステップＳ１６で取得した電気的特性データを良品またはシミュレーションによって得られた基準電気的特性データと比較することになる。

【0093】

以上、図１３では、本実施形態に係る半導体検査装置１０を他の欠陥検査装置で得られた欠陥の確認検査装置として用いる例について説明したが、半導体検査装置１０で取得される吸収電流画像（電流電圧画像）を用いれば、半導体検査装置１０は、当然のことながら、試料ウェーハ１１０に形成された配線の幅、配線の長さ、不純物領域の寸法、電極の寸法、コンタクトホールの径などを計測する測長装置として利用することもできる。また、複数の配線、電極、不純物領域の相対的な位置関係や位置ずれ検査する装置としても利用することもできる。

【0094】

図１４は、半導体検査装置１０のマーキング機能を模式的に説明する図である。半導体検査装置１０では、検査対象とした欠陥については、さらにその状況を詳しく解析するために、断面解析するような場合がある。断面解析をする場合、試料ウェーハ１１０を割断して小さなチップとし、対象箇所を集束イオンビーム加工装置などで対象箇所の断面を切り出すことが行われる。この場合、とくに割断する工程（ダイシング工程）が含まれているため、対象のチップや断面解析対象箇所が見失われやすい。

【0095】

そこで、本実施形態では、複数のプローバ１０５のうち、１つのプローバ１０５に装着されるプローブホルダ１０６のプローブ針１０７を、とくに強度、硬度ともに大きい材料で構成するものとする。そして、制御コンピュータ１２５は、例えば、入力装置を介してユーザによるマーキング指示の情報を受け付けたときには、プローバ１０５を制御して、その強固なプローブ針１０７を試料ウェーハ１１０の表面に接触させて、引っかき傷を付けることにより、そのとき検査対象となっている欠陥の近傍に直線などのマーク２４１，２４２を描く。

【0096】

このように、検査対象の欠陥で、例えば、断面解析の対象となっている場合には、その位置の近傍にマーク２５１，２５２が付けられるので、ユーザは、その欠陥や断面解析対象の位置を見失うことを防ぐことができる。

【0097】

以上、本発明の実施形態によれば、荷電粒子線が照射可能な環境下で、製造途上の半導体ウェーハに形成された素子や配線の電気的な検査が可能になる。そのため、製造途上における半導体ウェーハで検出された欠陥ついて、形状的な情報だけでなく電気的な情報をより詳しく知ることが可能になるので、より詳しい欠陥情報を製造プロセスに逸早くフィードバックすることが可能になる。その結果として、半導体ウェーハの製造プロセスの改善を迅速に図ることができ、当該半導体ウェーハで製造される集積回路などの半導体製品の歩留まりを向上させることができる。

【符号の説明】

【0098】

１０ 半導体検査装置
１００ 荷電粒子光学系装置
１０１ 荷電粒子源
１０２ 荷電粒子線
１０３ 試料室
１０４ プローバステージ
１０４ａ 開口部
１０４ｂ 支柱
１０５ プローバ
１０６ プローブホルダ
１０７，１０７ａ〜１０７ｄ プローブ針
１０８ 試料ステージ
１０９ 試料ホルダ
１０９ａ 検査素子
１１０ 試料ウェーハ
１１１ 排気装置
１１２ 粗寄せ画像取得ユニット
１１２ａ 第２の粗寄せ画像取得ユニット
１１３ プローブ交換ロボット
１１４ プローブ交換前室
１１５ 交換用プローブホルダ
１１６ ストッカ
１１７ 試料搬送ロボット
１１８ 試料交換前室
１１９ 試料ウェーハ格納容器
１２０ 荷電粒子画像取得ユニット
１２１ 電流電圧検出ユニット
１２２ 電流電圧画像取得ユニット
１２５ 制御コンピュータ
１２６ 表示装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図13】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図14】