JPH08227922A - 半導体装置の評価装置 - Google Patents

半導体装置の評価装置

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JPH08227922A
JPH08227922A JP3223095A JP3223095A JPH08227922A JP H08227922 A JPH08227922 A JP H08227922A JP 3223095 A JP3223095 A JP 3223095A JP 3223095 A JP3223095 A JP 3223095A JP H08227922 A JPH08227922 A JP H08227922A
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scanning
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Kazuhisa Nagaya
和久 永屋
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Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体装置の性能や信頼性を左右する素子構成
要素の断面形状を容易かつ短時間にさらに非破壊で評価
可能とする。 【構成】ウェハ9に対し斜め上からレーザビームBを照
射するレーザ光源1と、レーザ光源1に機械的に固定さ
れウェハ9表面からの反射光Rを受光する2次元CCD
センサ2と、ビームBを垂直方向に走査するレーザ走査
部3と、一次反射光Rを受光した2次元CCDセンサ2
の画素信号Dを抽出する信号処理部4と、画素信号Dを
記憶する記憶部5と、記憶部5から読出した画素信号E
とレーザビームの走査データとからこの画素信号Eを画
像12に変換する画像出力部6とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の評価装置に
関し、特にレーザ光を用い非破壊的に評価対象の半導体
装置の断面形状を評価する半導体装置の評価装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】半導体装置においては、MOSトランジ
スタ等半導体素子を構成するゲートやソースなどの電極
やこれら電極のリード線あるいは半導体素子間配線の断
面形状の正確さは、性能および信頼性を左右する重要な
必要条件である。例えば、矩形であるべきMOSトラン
ジスタのゲート電極の断面形状が台形に形成されていた
り、その逆に逆台形に形成されると、性能の劣化やばら
つきを生ずる。また、配線が逆台形に形成されると、ス
トレスマイグレーションやエレクトロマイグレーョンを
生じ易くなるという信頼性上の問題に発展する。
【0003】従来、上述したような電極や配線等の断面
形状の評価方法としては、評価対象半導体装置の対象部
分を所定の寸法に切断して評価試料として抽出し、この
評価試料を第1の評価装置である走査型電子顕微鏡を用
いて直接的に観察評価する第1の評価方法が主流であ
る。
【0004】従来の第1の評価方法を工程順に示す図3
を参照して説明すると、まず、(A)に示すSiウェハ
等の半導体基板上に形成されたLSIなどの半導体装置
を、(B)に示すように半導体基板ごと切断し切断面を
研磨し、(C)に示すように走査型電子顕微鏡の試料室
に収容可能な寸法の試料に加工形成する。次に、この評
価試料を走査型電子顕微鏡の試料室内に収容し、上述の
研磨面を(D)に示す電子顕微鏡画像として直接的に観
察評価する。評価対象断面を電子顕微鏡画像としてとら
えるため、電子が帯電しやすいようにこの断面に金をス
パッタすることもしばしば必要である。
【0005】この従来の第1の評価装置では、観察評価
するため、評価対象の半導体ウェハ等から所望の寸法の
評価試料を加工形成する必要があり、多大な工数と時
間、典型的には約3時間を要する。
【0006】この欠点を解決する特開平4−17614
3号公報記載のウェハパターン形状検査装置である従来
の第2の評価装置は、レーザ光源と、レーザビーム径を
ウェハの外形をカバーするよう拡大するビームエキスパ
ンダと、評価対象ウェハに拡大レーザビームを導く光学
系と、上記評価対象ウェハに生じた正反射光とこのウェ
ハ上の半導体装置のパターンによる回折光を集光する集
光レンズと、この集光した反射・回折レーザビームパタ
ーン(集光パターン)を受光する2次元受光素子と、基
準半導体の集光パターン(基準パターン)を記憶する記
憶装置と、上記集光パターンと基準パターンとを比較し
てこの集光パターン対応の半導体装置がどの基準半導体
に対応するかを判定する判定装置とを備え、上記反射光
・回折光が半導体装置固有の立体パターンに依存するこ
とを利用して非破壊的にウェハ全体の立体パターンを含
む形状評価を行うというものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の第1の
半導体装置の評価装置は、電子顕微鏡画像として直接的
に観察評価するため、評価対象の半導体ウェハ等を破壊
して所望の寸法の評価試料を加工形成する必要があり、
多大な工数と時間を要するとともに、半導体装置生産ラ
インの歩留を低下させるという欠点があった。
【0008】この欠点を解決する従来の第2の半導体装
置の評価装置は、ウェハ全体の半導体装置パターンにつ
いての形状評価は可能であるものの、基準半導体の種類
に限界があるため、ウェハの特定領域における半導体装
置単体の実際の断面形状の特定までは困難であるという
欠点があった。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の評
価装置は、半導体装置を形成した半導体基板の一主面に
対し予め定めた角度でレーザビームを照射するレーザ光
源と、2次元に配列した光電変換素子から成り前記レー
ザ光源と予め定めた位置関係で固定され前記一主面から
の反射光を受光する2次元光センサと、前記レーザビー
ムを照射方向に対し予め定めた走査方向に走査するレー
ザ走査手段と、前記2次元光センサに入射した前記反射
光のうちの最大の信号レベル対応の一次反射光を受光し
た前記光電変換素子の電荷量対応の画素信号を抽出する
信号処理手段と、前記画素信号を記憶する記憶回路と、
前記記憶回路から読出した前記画素信号と前記レーザビ
ームの走査情報とからこの画素信号を画像に変換する画
像出力手段とを備えて構成されている。
【0010】
【実施例】次に、本発明の実施例を一部をブロックで示
す図1を参照すると、この図に示す本実施例の半導体装
置の評価装置は、ウェハ9にレーザビームBを照射する
He−Neレーザなどのレーザ光源1と、レーザ光源1
と一体化して配置されウェハ9からの反射光Rを受光す
る2次元CCDセンサ2と、レーザビームBを入射方向
に対し垂直の方向に移動(走査)可能なレーザ走査部3
と、CCDセンサ2の出力信号Cを処理し反射光データ
Dを出力する信号処理部4と、反射光データDを記憶す
る記憶部5と、記憶部5の読出データEを画像に形成し
てディスプレイに表示する画像出力部6とを備える。
【0011】次に、図1を参照して本実施例の動作につ
いて説明すると、まず、レーザ光源1は、ビーム径0.
1μm程度のビームBをウェハ9の表面側斜め上方から
照射する。ウェハ9の細部とビームB,反射光Rとの関
係を示す図2(A)を併せて参照すると、ウェハ9に入
射したビームBは、半導体装置の素子10の側面で反射
して反射光Rとなり、2次元CCDセンサ2に入射し、
対応の信号電荷を発生させる。一般的なこの種の2次元
CCDセンサの1つの光電素子すなわち1画素の寸法が
3μm角程度であるから、ビーム径0.1μmの入射光
は1画素分の情報として認識される。ただし、反射光R
には、ウェハ表面で反射される一次反射光と半導体装置
表面下層部分における絶縁膜等の境界面などで反射され
るn次反射光(nは2,3,4…)が含まれる。一次反
射光とn次反射光とを区別する物理的特徴点はエネルギ
ーであり、一次反射光が最も大きい。したがって、2次
元CCDセンサ2へ入射する反射光Rの中で最もエネル
ギーの大きいもの、すなわち2次元CCDセンサ2の各
光電素子のうち最も信号電荷量の大きいものを一次反射
光Rの受光素子と見なすことができる。前述のように2
次元CCDセンサ2は、レーザ光源1と機械的に一体化
して配置されており、一次反射光Rが、どの光電素子
(以下画素)に戻ってくるかによって、ウェハ9の表面
の素子10の断面形状を推定できる。すなわち図2
(A),(B)に示すように、素子10に入射したビー
ムBは素子10の断面形状によって反射角度が変わる。
例えば、(A)に示すように素子10の断面11が正確
な矩形すなわちウェハ9の表面に対し垂直である場合は
入射ビームBに対し角度(以下反射角度)0度で反射
し、(B)に示すように断面11が台形である場合は入
射ビームBに対し対応の角度θ度で反射する。2次元C
CDセンサ2のこの反射光Rの入射画素位置からその反
射角度、つまり素子10の断面形状を推定できるという
原理である。
【0012】レーザ光源1は、レーザ走査部3によりビ
ームBに対し垂直方向に移動することにより走査可能な
構造である。評価時には、例えば、0.1μmのピッチ
で移動しながら反射角度を測定し、その反射角度データ
を記憶装置5に記憶し、それらの記憶された反射角度デ
ータを1つの画像データとして合成することで素子10
の立体的な構造が推定でき、画像出力部6により画像イ
メージとして表示することで、素子10の形状を認識で
きる。
【0013】画像出力制御部6の具体的な出力画像の一
例を示す図2(C)を参照すると、図2(B)に示す評
価対象の素子10の断面11の区間Xの範囲がディスプ
レイ表示画面13の画像12のように表示される。これ
らの評価所要時間は約10分で十分である。
【0014】このように、本実施例では、素子10の片
側部分の形状のみを評価のため表示するが、一般に半導
体装置における種々の素子形状は左右対象であるので、
上述のように片側部分のみの表示で充分である。勿論、
素子の両側の形状を正確に表示評価することも可能であ
り、その場合、片側部分の表示の終了後にビームの入射
方向をもう片側の斜め上方に変更して再度実行すればよ
い。
【0015】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体装
置の評価装置は、ウェハ表面に対し予め定めた角度でレ
ーザビームを照射するレーザ光源と、上記表面からの反
射光を受光する2次元光センサと、レーザ走査手段と、
画素信号を抽出する信号処理手段と、この画素信号を記
憶する記憶回路と、この記憶回路から読出した上記画素
信号と走査情報とからこの画素信号を画像に変換する画
像出力手段とを備え、ウェハに形成した半導体装置の素
子の断面形状を極めて簡単に評価できるため、従来約3
時間の時間と手間を要していたものが約10分と大幅に
短縮できるという効果がある。
【0016】しかも、半導体装置そのものの評価は非破
壊で可能であるので、歩留低下要因が除去できるという
効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の評価装置の一実施例を示
すブロック図である。
【図2】本実施例の半導体装置の評価装置における評価
対象のウェハの細部とレーザビームおよび反射光との関
係および表示画像の一例をそれぞれ示す説明図である。
【図3】従来の半導体装置の評価装置の評価方法の工程
の一例を示す工程図である。
【符号の説明】
1 レーザ光源 2 2次元CCDセンサ 3 レーザ走査部 4 信号処理部 5 記憶部 6 画像出力部 9 ウェハ 10 素子 11 断面 12 画像 13 表示画面

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体装置を形成した半導体基板の一主
    面に対し予め定めた角度でレーザビームを照射するレー
    ザ光源と、 2次元に配列した光電変換素子から成り前記レーザ光源
    と予め定めた位置関係で固定され前記一主面からの反射
    光を受光する2次元光センサと、 前記レーザビームを照射方向に対し予め定めた走査方向
    に走査するレーザ走査手段と、 前記2次元光センサに入射した前記反射光のうちの最大
    の信号レベル対応の一次反射光を受光した前記光電変換
    素子の電荷量対応の画素信号を抽出する信号処理手段
    と、 前記画素信号を記憶する記憶回路と、 前記記憶回路から読出した前記画素信号と前記レーザビ
    ームの走査情報とからこの画素信号を画像に変換する画
    像出力手段とを備えることを特徴とする半導体装置の評
    価装置。
  2. 【請求項2】 前記2次元光センサが2次元CCDセン
    サであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の
    評価装置。
  3. 【請求項3】 前記2次元光センサが前記レーザ光源に
    機械的に固定されていることを特徴とする請求項1記載
    の半導体装置の評価装置。
  4. 【請求項4】 前記走査方向が前記照射方向に対し垂直
    方向であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置
    の評価装置。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS6244610A (ja) * 1985-08-22 1987-02-26 Sumitomo Metal Ind Ltd 形鋼の横断面寸法の測定方法
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JPH05187841A (ja) * 1992-01-14 1993-07-27 I N R Kenkyusho:Kk 2次元又は3次元形状測定方法
JPH05187831A (ja) * 1992-01-10 1993-07-27 Fuji Electric Co Ltd 外観検査装置

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