CN114616475A - 半导体故障解析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的半导体故障解析装置(1)具备：测试器(2)，其对半导体器件(100)施加刺激信号；光源(3)，其产生照射于半导体器件(100)的照射光(L1)；固体浸没式透镜(4)，其配置于照射光(L1)的光路上；光检测部(5)，其接受反射光(L2)，并且输出对应于反射光(L2)的检测信号；光学系统(6)，其配置于光源(3)与固体浸没式透镜(4)之间，经由固体浸没式透镜(4)对半导体器件(100)出射照射光(L1)，且配置于固体浸没式透镜(4)与光学检测部(5)之间，将经由固体浸没式透镜(4)而接受的反射光(L2)出射至光检测部(5)；及计算机(7)，其利用检测信号获得与半导体器件(100)的故障部位相关的信息。光源(3)出射中心波长为880nm以上且980nm以下的照射光(L1)。固体浸没式透镜(4)由GaAs形成。

Description

半导体故障解析装置
技术领域
本发明涉及一种半导体故障解析装置。
背景技术
半导体器件的细微化不断进展。由于半导体器件的细微化，因此，期望提高用于制造半导体器件的曝光技术及图案化技术。检查通过这些技术制造的半导体器件是否正常动作的技术也是重要的。并且，在半导体器件未正常动作的情况下，明了缺陷的原因的技术也是重要的。
专利文献1、2公开检查半导体器件的装置。在专利文献1、2中公开的检查装置对被赋予电信号的半导体器件照射光。照射于半导体器件的光成为对应于半导体器件的状态的反射光。并且，专利文献1、2中公开的检查装置利用反射光，获得关于半导体器件的动作状态的信息。专利文献1的检查装置获得关于以规定的频率动作的半导体器件的部位的信息。专利文献2的检查装置获得关于在半导体器件的故障部位产生的热源的信息。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2014-92514号公报
专利文献2：国际公开第2016/056110号
发明内容
发明所要解决的问题
在半导体故障解析装置的技术领域中，为解析更细微的区域，期望分辨率的进一步提高。
本发明提供一种可提高分辨率的半导体故障解析装置。
用于解决问题的手段
本发明的一个方式是利用对刺激信号的应答来解析半导体器件所包含的故障部位的半导体故障解析装置。半导体故障解析装置具备：信号产生部，其对半导体器件施加刺激信号；光源，其产生照射于半导体器件的照射光；固体浸没式透镜，其配置于照射光的光路上；光检测部，其接受照射光在半导体器件反射而产生的反射光，并且输出对应于反射光的检测信号；光学系统，其配置于光源与固体浸没式透镜之间，经由固体浸没式透镜对半导体器件出射照射光，并且配置于固体浸没式透镜与光学检测部之间，将经由固体浸没式透镜而接受的反射光出射至光检测部；及解析部，其从检测信号获得与半导体器件的故障部位相关的信息，光源，出射中心波长为880nm以上且980nm以下的照射光，固体浸没式透镜由砷化镓(GaAs)形成。
半导体故障解析装置，在确定被赋予了刺激信号的半导体器件的故障部位的情况下，将中心波长为880nm以上且980nm以下的照射光经由由砷化镓形成的固体浸没式透镜，照射于半导体器件。中心波长为880nm以上且980nm以下的照射光充分透过解析对象即半导体器件。因此，可获得具有可确定故障部位的光强度的反射光。并且，由砷化镓形成的固体浸没式透镜的折射率高于空气的折射率。因此，可提高数值孔径(NA)。其结果，由于可缩小照射光的点径，因此，可提高分辨率。
在一个方式中，光源也可出射中心波长为900nm以上且960nm以下的照射光。根据该结构，可适当地提高分辨率。
在一个方式中，解析部也可具有热源位置确定部。热源位置确定部也可基于检测信号及刺激信号，确定作为对刺激信号的应答而在半导体器件产生的热源的位置。根据该结构，可确定在半导体器件的内部产生的热源的位置。
在一个方式中，解析部也可具有动作频率确定部。动作频率确定部也可基于检测信号及刺激信号，确定作为对刺激信号的应答而在半导体器件产生的以规定的频率动作的位置。根据该结构，可确定产生于半导体器件的以规定的频率动作的位置。
发明的效果
根据本发明，提供一种可提高分辨率的半导体故障解析装置。
附图说明
图1是示出半导体故障解析装置的结构要素的框图。
图2是用于说明确定半导体器件的故障部位的手段的例子的图。
图3是针对每一个构成固体浸没式透镜的材料，示出光的波长与光透过率的关系的图表。
图4是针对每一个构成固体浸没式透镜的材料，示出光的波长与折射率的关系的图表。
图5是示出由砷化镓形成的固体浸没式透镜所具有的光的波长与光透过率的关系的图表。
图6是示出硅所具有的光透过率的图表。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边详细说明用于实施本发明的方式。在附图的说明中，对相同的要素标注相同的符号，并省略重复的说明。
如图1所示，半导体故障解析装置确定被检查体即半导体器件100等被检查体所包含的故障部位。在以下的说明中，将半导体故障解析装置简称为解析装置1。
作为半导体器件100，可列举例如晶体管等具有PN结的集成电路(例如，小规模集成电路(SSI：Small Scale Integration)、中规模集成电路(MSI：Medium ScaleIntegration)、大规模集成电路(LSI：Large Scale Integration)、超大规模集成电路(VLSI：Very Large Scale Integration)、特超大规模集成电路(ULSI：Ultra Large ScaleIntegration)、巨大规模集成电路(GSI：Giga Scale Integration))、大电流用/高电压用MOS晶体管、双极晶体管等功率器件、及内存/存储装置等。
此外，作为被检查体，不限定于固片化的半导体器件100。被检查体也可为形成有多个半导体器件100的半导体晶圆。
图2是概念性示出确定故障部位的方法的图。图2所示的半导体器件100配合配置于解析装置1的状态。在图2中，将接受照射光L1的面图示为上侧。半导体器件100，作为一例，具有包含保护层101、配线层102、工艺层103、绝缘层104、及基板105的层叠结构。配线层102包含金或铝这样的金属制的配线图案。工艺层103包含MOS晶体管103a这样的多个电气功能部。基板105通过硅形成。基板105的厚度为50nm以上且200nm程度。基板105的厚度，作为一例，为80nm。如果对半导体器件100照射光，则在某层光透过。另外，在其他层光反射。例如，如果从基板105侧照射光，则存在光透过基板105及绝缘层104。另外，如果从基板105侧照射光，则存在光在工艺层103反射。
反射光的强度基本小于照射光L1的强度。即，反射光的强度因在透过基板105及绝缘层104期间光被接受而衰减。例如，光受到构成基板105的材料的光透过率的影响。另外，也存在光的强度受到构成光路的材料的折射率的影响。并且，也存在光的强度受到形成于构成光路的层的电场的影响。因此，将反射光的强度相对于入射光的强度的比例定义为外观的反射率。反射率的变化反映折射率的变化及电场的影响。因此，通过取得反射率的分布，可知道半导体器件100内部的状态。例如，假设在配线层102产生电阻值高的部位102a，并且在该部位102a产生焦耳热。其结果，产生因焦耳热而温度上升的绝缘层104及基板105的折射率发生变化的部位105a。折射率的变化表现为反射率的变化。即，通过知道反射率的分布，变得可确定产生异常发热的部位的位置。产生异常发热的部位的位置是指故障部位的位置。
再次参照图1。解析装置1具有：测试器2(信号产生部)、光源3、固体浸没式透镜4、光检测部5、光学系统6、及计算机7。解析装置1也可具有其他附加的结构要素。例如，解析装置1也可具有使半导体器件100对于光学系统6相对移动的载物台(stage)。
测试器2输出刺激信号。测试器2连接于半导体器件100。测试器2对半导体器件100施加刺激信号。测试器2基于从计算机7输入的控制信号产生刺激信号。测试器2基于控制信号进行刺激信号的输出的开始与停止。刺激信号也可根据解析的方式来决定其特性。另外，也可将电源或脉冲发生器等用作测试器2。
例如，解析的一个方式为热源位置的确定。在确定热源位置的情况下，测试器2赋予比较低频率的调制电流作为刺激信号。例如，在半导体器件100的内部包含短路的部位的情况下，因调制电流而短路的部位发热。其结果，在半导体器件100产生热源。因调制电流而发热的热源的温度根据调制电流的频率而周期性变化。温度的变化存在于热源周围且对照射光及反射光所通过的构件的折射率带来变化。折射率的变化对反射光的强度带来变化。其结果，反射光的强度相对于照射光的强度的程度即反射率产生变化。通过利用因热源的温度变化而引起的反射率的变化作为对刺激信号的应答，可确定作为半导体器件100所包含的故障部位的一例的短路的部位。
例如，解析的其他的方式为确定以目标频率动作的电路位置。作为此种解析技术，已知有光探测技术。光探测技术也被称为EOP(Electro Optical Probing：光电探测)或EOFM(Electro-Optical Frequency Mapping：光电频率映射)。在光探测技术中，将从光源出射的光照射于集成电路。接着，通过光传感器检测由集成电路反射的反射光。接着，从光传感器取得检测信号。并且，从取得的检测信号选出具有目标频率的信号分量。将该信号分量所具有的振幅能量表示为时间过程。另外，将振幅能量表示为二维映射(mapping)。即，在光探测技术中，基于从驱动中的半导体器件100出射的光的强度调制，进行半导体器件100的故障解析。因此，测试器2对半导体器件100施加具有规定的调制频率的电信号。该情况的调制频率也可高于用于确定热源装置的解析的刺激信号的频率。例如，测试器2赋予与半导体器件100的驱动信号同等频率的驱动电流作为刺激信号。
如上所述，解析的方式有若干种。然而，其差异为，第一、施加于半导体器件100的刺激信号的方式，第二、对应于刺激信号所得的检测信号的处理内容。即，即使解析的方式不同，作为解析装置1的结构也大致相同。
光源3产生照射光L1。照射光L1的中心波长也可为880nm以上且980nm以下。在中心波长为880nm以上且980nm以下的情况下，照射光L1也可具有20nm程度的频带。照射光L1的中心波长也可为900nm以上且960nm以下。在中心波长为900nm以上且960nm以下的情况下，照射光L1也可具有20nm程度的频带。
光源3也可适当采用可出射具有上述波长特性的照射光L1的结构。例如，光源3也可以由SLD(Super Luminescent Diode：超辐射二极管)或LED(Light Emitting Diode：发光二极管)构成。另外，光源3也可以由将灯光源与带通滤波器等光学滤光器组合的非相干光源等构成。光源3也可为LD(Laser Diode：激光二极管)等激光光源等。照射光L1也可为CW光。照射光L1也可为脉冲光。
从光源3输出的照射光L1首先入射至光学系统6。光学系统6将照射光L1引导至固体浸没式透镜4。例如，光学系统6包含偏光分束器61及物镜62。并且，光学系统6除这些以外，也可适当采用用于照射光L1的光学系统。例如，光学系统6也可包含光扫描仪。光扫描仪变更在半导体器件100的照射光L1的照射位置。光扫描仪例如为电镜扫描仪(Galvanoscanner)、多面镜扫描仪、MEMS(Micro-Electro-Mechanical System：微机电)镜扫描仪等。光扫描仪将照射光L1引导至半导体器件100的期望位置。从光学系统6输出的照射光L1经由固体浸没式透镜4照射于半导体器件100。更详细而言，照射光L1照射于对半导体器件100设定的测量点。
固体浸没式透镜4为半球形状或超半球形状。固体浸没式透镜4对半导体器件100光学性密接。固体浸没式透镜4对半导体器件100中成为解析对象的位置，一边将照射光L1聚光，一边照射。因此，构成固体浸没式透镜4的材料，具有使照射于半导体器件100的照射光L1透过的性质。同样，构成固体浸没式透镜4的材料，具有使从半导体器件100出射的反射光L2透过的性质。
作为具有使光透过的性质的材料，固体浸没式透镜4采用砷化镓(GaAs)。以下，针对作为GaAs的光学特性的光透过性进行说明。图3示出GaAs的光透过率。另外，在图3中，作为比较例，也一并示出磷化镓(GaP)及硅(Si)的光透过率。横轴表示光的波长。纵轴表示光透过率。曲线G3a～G3e示出GaAs的光透过率。曲线G3f示出GaP的光透过率。曲线G3g示出Si的光透过率。
如果参照曲线G3a～G3e，则可知GaAs具有使长于850nm的波长的光透过的性质。更详细而言，GaAs在光透过率与光的波长的关系中，具有光透过率急剧变化的频带。也将此种频带中包含的波长简称为截止波长。GaAs的截止波长存在于例如880nm以上且980nm以下的范围内。如果光的波长从短波长向长波长侧变化，则光透过率从0％急剧增加至80％以上。并且，光透过率与光的波长的关系也根据GaAs的温度而变化。曲线G3a～G3e分别示出温度为0℃(曲线G3a)、50℃(曲线G3b)、100℃(曲线G3c)、150℃(曲线G3d)、200℃(曲线G3e)时的光透过率。即，随着GaAs的温度变高，光透过率急剧变化的截止波长向长波长侧移动。
作为固体浸没式透镜的材料，也有时采用例如GaP。如果参照曲线G3f，则可知GaP使长于500nm的波长的光透过。例如，GaP的截止波长大致包含于500nm以上且600nm的范围内。即，GaP的截止波长短于GaAs的截止波长。换言之，GaAs的截止波长长于GaP的截止波长。
作为固体浸没式透镜的材料，也有时采用例如Si。如果参照曲线G3g，则可知Si使长于1000nm的波长的光透过。例如，可作为固体浸没式透镜有效使用的厚度的Si的截止波长包含于大致1000nm以上且1200nm的范围内。即，Si固体浸没式透镜的截止波长长于GaAs的截止波长。换言之，GaAs的截止波长短于Si的截止波长。
针对GaAs的其他光学特性即折射率进行说明。图4是示出GaAs、GaP及Si的折射率与波长的关系。曲线G4a示出GaAs的折射率。曲线G4b示出GaP的折射率。曲线G4c示出Si的折射率。例如，根据曲线G4a，GaAs的折射率为3.40以上且4.40以下程度。例如，入射的光的波长为1064nm时，GaAs的折射率为3.47。另外，入射的光的波长为940nm时，GaAs的折射率为3.57。
GaAs的折射率例如高于曲线G4b所示的GaP的折射率。更详细而言，在图4的横轴所示的500nm至1500nm的整个范围内，GaAs的折射率高于GaP的折射率。例如，入射的光的波长为780nm时，GaP的折射率为3.21。另外，入射的光的波长为670nm时，GaP的折射率为3.27。因此，GaAs在折射率较高这点上比GaP更有利于提高分辨率。
再次参照图1。对应于照射光L1在测量点反射的光(反射光L2)经由固体浸没式透镜4及物镜62输入至偏光分束器61。此时，通过在反射光L2的光路配置短通滤光器，从而可将在半导体器件100产生的红外线遮光。并且，入射至偏光分束器61的光二次透过λ/4板。其结果，偏光方向倾斜。偏光方向倾斜的反射光透过偏光分束器61。透过偏光分束器61的反射光L2输入至光检测部5。
如此，本实施方式的光学系统为共焦光学系统。本实施方式的光学系统可检测来自限定的焦点范围的反射光L2。作为构成共焦光学系统的要素，也可采用针孔(pin hole)。另外，作为构成共焦光学系统的要素，也可采用利用了光纤的芯及纤壳的折射率差的结构。
光检测部5检测对应于照射光L1在半导体器件100反射的反射光L2的光强度等。光检测部5将检测的反射光L2转换为模拟信号即检测信号。并且，光检测部5输出检测信号。光检测部5为APD(Avalanche PhotoDiode：雪崩光电二极管)或PD(PhotoDiode：光电二极管)、PMT(PhotoMultiplier Tube：光电倍增管)、SiPM(Silicon photomultipliers：硅光电倍增器)等。
计算机7具有数据解析部71与控制部72。数据解析部71确定半导体器件100的故障部位。控制部72控制构成解析装置1的各种要素的动作。计算机7物理上具备：RAM、ROM等内存、CPU等处理器(运算电路)、通信接口、硬盘等存储部。作为计算机7，可列举例如个人计算机、云端服务器、智能装置(智能手机、平板终端等)等。计算机7通过以计算机系统的CPU执行存储于内存的程序而发挥功能。并且，数据解析部71也可包含对应于解析方式的处理部。例如，数据解析部71包含热源位置确定部71a及/或动作频率确定部71b。热源位置确定部71a进行用于确定热源位置的处理。动作频率确定部71b基于检测信号及刺激信号，进行确定作为刺激信号的应答而产生于半导体器件的以规定的频率动作的位置的处理。
控制部72例如包含光控制部72a及测试器控制部72b。光控制部72a对光源3及光学系统6输出控制信号。作为此种控制信号，可列举例如为了扫描照射光L1而驱动光扫描仪的信号。测试器控制部72b输出用于控制从测试器2输出至半导体器件100的刺激信号的控制信号。
<作用效果>
解析装置1，在确定被赋予了刺激信号的半导体器件100的故障部位的情况下，将中心波长为880nm以上且980nm以下的照射光L1经由通过GaAs形成的固体浸没式透镜4，照射于半导体器件100。中心波长为880nm以上且980nm以下的照射光L1充分透过解析对象即由硅形成的半导体器件100。其结果，可获得具有可确定故障部位的光强度的反射光L2。并且，由GaAs形成的固体浸没式透镜4的折射率高于空气及GaP的折射率。因此，可提高数值孔径数(NA)。其结果，可缩小照射光L1的点径。因此，可提高分辨率。
如果对半导体器件100施加刺激信号，则不论刺激信号的方式均在图案配线或电气功能部产生发热。并且，在故障部位，存在发热程度变大的倾向。在利用此种发热的解析中，将中心波长为880nm以上且980nm以下的照射光L1与由GaAs形成的固体浸没式透镜4的组合尤其有利。
图5与图3同样地，示出GaAs的波长与光透过率的关系。图5将从890nm至960nm的范围放大示出。曲线G5a～G5f分别示出GaAs的温度为60℃(曲线G5a)、70℃(曲线G5b)、80℃(曲线G5c)、90℃(曲线G5d)、100℃(曲线G5e)、110℃(曲线G5f)时的光透过率。例如，将照射光L1的波长假设为920nm。并且，将固体浸没式透镜4的温度假设为在从60℃至110℃间变化的情况。在该情况下，固体浸没式透镜4的光透过率在从5％至70％的范围内变化。即，固体浸没式透镜4的光透过率根据固体浸没式透镜4的温度而大幅变化。
照射光L1及反射光L2不仅通过半导体器件100的基板105等，也通过固体浸没式透镜4。并且，照射光L1及反射光L2在通过固体浸没式透镜4时，受到因固体浸没式透镜4的温度变化而引起的光透过率变化的影响。即，照射光L1及反射光L2受到因从热源发出的热而温度变化的半导体器件100的折射率的影响。并且，照射光L1及反射光L2也受到固体浸没式透镜4的光透过率变化的影响。其结果，由于因发热而反射光L2的光强度大幅变化，因此，反射率的变化也变大。于是，即使对每一个测量位置的温度差异很小，也表现为较大的反射率变化。因此，可提高对于温度的分辨率。
总之，由于照射光L1的中心波长包含于GaAs的截止频率的频带，因此，对于温度的分辨率提高。即，也可将照射光L1的中心频率设定为在包含正常温度与异常温度的温度范围内获得较大的光透过率变化的值。例如，在如正常温度为60℃，并将100℃以上的温度判断为异常的情况下，也可以将中心波长设定为920nm。根据此种设定，是因为，在将固体浸没式透镜4加热至100℃以上的热源的情况下，出现反射率大幅降低的现象。
另外，根据将中心波长为880nm以上且980nm以下的照射光L1与由GaAs形成的固体浸没式透镜4的组合，可获得具有可供解析的充分光强度的反射光L2。例如，如图2所示，照射光L1及反射光L2在通过基板105时，对应于硅的光透过率而衰减。图6的曲线G6示出由硅形成的基板105的厚度与光透过率的关系。另外，曲线G6示出光的波长为940nm时的光透过率。横轴表示基板105的厚度。纵轴表示光透过率。如图6所示，如果基板105的厚度变厚，则光透过率降低。
例如，当作为半导体器件100的基板105的厚度为通常采用的80μm时，光透过率为23％程度。另外，半导体器件100的基板105的厚度为40μm时，为48％程度。根据这些光透过率，可获得具有可用于各种解析的光强度的反射光L2。即，无须为了获得具有充分光强度的反射光L2，而通过研磨等来使基板105变薄。其结果，在进行半导体器件100的故障解析时，无须研磨基板105这样的附加作业。因此，可简单地进行故障解析。并且，如果使基板105变薄，则半导体晶圆的处理变难。然而，根据本实施方式，即使为具有通常采用的基板厚度的半导体器件100，也可不研磨基板105地进行解析。因此，可容易地处理半导体晶圆。
以上，针对本发明的一个方式进行了说明。本发明不限定于上述实施方式。
例如，针对相对于半导体器件100的光学系统6及固体浸没式透镜4的配置，在上述实施方式中例示了对半导体器件100在基板105侧提供照射光L1，并且进行从基板105侧输出的反射光L2的检测的结果。例如，也可对半导体器件从上侧(图2的保护层101侧)提供照射光L1。在该情况下，固体浸没式透镜4设置于半导体器件100的保护层101。或者，也可构成为，对半导体器件100从上侧、下侧中的一侧照射检查光，从另一侧进行电磁波的检测。在该情况下，固体浸没式透镜4分别设置于半导体器件的上侧、下侧的双方。
符号说明
1…解析装置(半导体故障解析装置)、2…测试器(信号产生部)、3…光源、4…固体浸没式透镜、5…光检测部、6…光学系统、7…计算机(解析部)、61…偏光分束器、62…物镜、71…数据解析部、71a…热源位置确定部、71b…动作频率确定部、72…控制部、72a…光控制部、72b…测试器控制部、100…半导体器件、L1…照射光、L2…反射光。

Claims (4)

1.一种半导体故障解析装置，其中，
是利用对刺激信号的应答来解析半导体器件所包含的故障部位的半导体故障解析装置，
所述半导体故障解析装置具备：
信号产生部，其对所述半导体器件施加刺激信号；
光源，其产生照射于所述半导体器件的照射光；
固体浸没式透镜，其配置于所述照射光的光路上；
光检测部，其接受所述照射光在所述半导体器件反射而产生的反射光，并且输出对应于所述反射光的检测信号；
光学系统，其配置于所述光源与所述固体浸没式透镜之间，经由所述固体浸没式透镜对所述半导体器件出射所述照射光，并且配置于所述固体浸没式透镜与所述光学检测部之间，将经由所述固体浸没式透镜而接受的所述反射光出射至所述光检测部；及
解析部，其从所述检测信号获得与所述半导体器件的故障部位相关的信息，
所述光源，出射中心波长为880nm以上且980nm以下的所述照射光，
所述固体浸没式透镜由砷化镓(GaAs)形成。
2.根据权利要求1所述的半导体故障解析装置，其中，
所述光源出射中心波长为900nm以上且960nm以下的所述照射光。
3.根据权利要求1或2所述的半导体故障解析装置，其中，
所述解析部具有热源位置确定部，
所述热源位置确定部，基于所述检测信号及所述刺激信号，确定作为对所述刺激信号的应答而在所述半导体器件产生的热源的位置。
4.根据权利要求1或2所述的半导体故障解析装置，其中，
所述解析部具有动作频率确定部，
所述动作频率确定部，基于所述检测信号及所述刺激信号，确定作为对所述刺激信号的应答而在所述半导体器件产生的以规定的频率动作的位置。
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