JP2002014145A

JP2002014145A - 半導体デバイス検査装置及び半導体デバイス検査方法

Info

Publication number: JP2002014145A
Application number: JP2000196769A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Sakamoto; 繁坂本; Tomochika Takeshima; 智親竹嶋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2002-01-18

Abstract

(57)【要約】【課題】短時間で効率的に異常箇所の発光スペクトル
解析を実行することが可能な半導体デバイス検査装置及
び半導体デバイス検査方法を提供する。【解決手段】半導体デバイスＳの像から観測像を生成
する対物レンズ１１ａ〜１１ｃを含む対物レンズ部１１
と、観測像を撮像する撮像カメラ３との間に、導光光学
系１での導光光路上の分光位置と、導光光路から外れた
待機位置とを移動可能な分光器２を設置する。そして、
発光スペクトル解析が必要な場合に、半導体デバイスＳ
からの発光像を分光位置に挿入した分光器２によって分
光して、生成された発光スペクトル像を撮像カメラ３で
取得する。これによって、通常の発光像または反射光像
の取得と、発光スペクトル像の取得とが両立されるとと
もに、短時間で効率的な異常箇所の発光スペクトル解析
の実行が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
異常解析や信頼性評価などに用いられる半導体デバイス
検査装置及び半導体デバイス検査方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの検査において、
チップの大規模化及び高集積化に伴ってその異常解析や
信頼性評価を行うことの困難性が増大してきている。

【０００３】半導体デバイスの異常箇所を検出する半導
体デバイス検査装置として、異常箇所から発生する微弱
光を検出することによって、その箇所を検出し特定する
エミッション顕微鏡が知られている（例えば特開平７−
１９０９４６号）。

【０００４】このような装置では、半導体デバイス内部
の異常箇所に電界が集中したときに生じるホットキャリ
アに起因して発生する微弱光や、ラッチアップなどに起
因する赤外域の微弱光を高感度で撮像し、取得された観
測像での発光点から異常箇所を検出する。また、半導体
デバイスの動作状態などと合わせて解析を行う場合の異
常解析では、観測像の取得及び微弱光の発光解析と、Ｌ
ＳＩテスタ及びウエハプローバなどによる解析とを併用
して、半導体デバイスの動作状態での発光解析による異
常解析が行われる（例えば、特開平６−１１２２８５号
公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したエミッション
顕微鏡での発光解析において、異常箇所からの発光を検
出することによる発光点の特定のみでなく、その発光点
からの発光スペクトルをも解析することが必要とされる
場合がある。このような発光スペクトル解析を実行すれ
ば、発光が検出された半導体デバイスの異常箇所につい
て、その異常や故障の種類や程度を判別することが可能
となる。

【０００６】異常箇所に対して発光スペクトル解析を行
う方法としては、異常箇所からの発光を撮像装置へと導
光する導光光学系にバンドパスフィルタを設置して、特
定の波長成分のみについての発光解析を行う方法があ
る。このとき、選択波長成分が異なる複数のバンドパス
フィルタを順次適用して、それぞれ発光の観測を行って
いくことによって、各観測像に対する発光解析の結果を
合わせて、所定の波長範囲での発光スペクトルを得るこ
とができる。

【０００７】しかしながら、上記したバンドパスフィル
タを使用する方法では、各波長成分ごとに別々に観測像
の取得及び発光解析を実行するため、発光スペクトルを
取得するのに長時間の観測及び解析が必要となる。この
とき、発光観測及び解析の実行中に、半導体デバイスの
故障モードが経時的な変化によって変化してしまう可能
性があるなど、異常解析での様々な問題を生じる。例え
ば、ＬＳＩテスタ及びウエハプローバと併用して半導体
検査を行う場合には、半導体デバイスに対して一定のバ
イアスがかかった状態で検査を行うため、長時間にわた
るバイアスの印加自体が原因となって異常解析中に故障
が発生するなどの問題がある。

【０００８】本発明は、以上の問題点に鑑みてなされた
ものであり、短時間で効率的に異常箇所の発光スペクト
ル解析を実行することが可能な半導体デバイス検査装置
及び半導体デバイス検査方法を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題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、本発明による半導体デバイス検査装置は、半
導体デバイスからの発光を観測して、その異常箇所を検
出する半導体デバイス検査装置であって、（１）半導体
デバイスの像に対して、所定の視野範囲を選択して観測
像を生成する対物レンズを含み、所定の導光軸に沿って
観測像を導光する導光光学系と、（２）導光光学系を介
して、結像されつつ入力される観測像を撮像する撮像手
段と、（３）対物レンズと撮像手段との間に、導光軸を
含んで観測像が通過する分光位置と、導光軸を外れた待
機位置との間を移動可能に設置された分光手段と、を備
え、（４）分光手段は、半導体デバイスからの発光を視
野範囲内に含む観測像である発光像に対して発光スペク
トル解析を行うときに、撮像手段へと導光される発光像
を分光位置で分光して、撮像手段で撮像可能な発光スペ
クトル像を生成することを特徴とする。

【００１０】また、本発明による半導体デバイス検査方
法は、半導体デバイスからの発光を観測して、その異常
箇所を検出する半導体デバイス検査方法であって、半導
体デバイスの像に対して、対物レンズによって所定の視
野範囲を選択して観測像を生成し、所定の導光軸に沿っ
て観測像を導光して、撮像手段へと結像しつつ入力して
観測像を撮像するとともに、半導体デバイスからの発光
を視野範囲内に含む観測像である発光像に対して発光ス
ペクトル解析を行うときに、対物レンズと撮像手段との
間に設置された分光手段によって、撮像手段へと導光さ
れる発光像を分光位置で分光して、撮像手段で撮像可能
な発光スペクトル像を生成することを特徴とする。

【００１１】上記した半導体デバイス検査装置及び半導
体デバイス検査方法においては、発光像などの観測像を
生成する対物レンズと、観測像を撮像する撮像手段との
間に、導光光路に対して挿入（分光位置）または除去
（待機位置）の位置にそれぞれ配置することが可能な分
光手段を設置している。そして、半導体デバイスからの
発光に対して、発光スペクトル解析を実行する必要があ
るときに、その分光手段を導光光路に挿入するととも
に、得られた分光像である発光スペクトル像を、通常の
観測像を撮像するものと同一の撮像手段によって撮像す
ることとしている。

【００１２】このように発光像の導光光路に直接分光手
段を配置して、同一の撮像手段によって分光像を取得す
る構成とすることによって、通常の発光像または反射光
像の取得と、発光スペクトル像の取得とを同一の装置内
で両立させて、短時間で効率的に異常箇所の発光スペク
トル解析を実行することが可能な半導体デバイス検査装
置及び方法が実現される。

【００１３】例えば、上述したバンドパスフィルタを用
いた発光スペクトル解析と比べると、バンドパスフィル
タでは、１回の観測では１波長成分の発光解析しかでき
ないため、発光スペクトルを取得するためには複数回で
長時間の観測が必要である。これに対して、分光手段を
分光位置に挿入する半導体デバイス検査装置及び方法に
よれば、必要な波長範囲の全体について１回で短時間に
観測することが可能となる。

【００１４】また、バンドパスフィルタを用いた場合に
は、各バンドパスフィルタで１波長成分ずつ観測するた
め、得られる発光スペクトルは波長について離散的なも
のとなる。これに対して、分光手段を用いた場合には、
波長について連続的な発光スペクトルを取得することが
可能となる。

【００１５】また、半導体デバイスからの発光に対する
分光については、観測された発光を光ファイバなどによ
って導光して、別に設けられた分光器に入力する方法も
可能である。しかしながら、このような方法では、最初
に発光像から発光点を特定した後に、その発光点からの
発光を選択して分光器へと導光しなければならないた
め、発光スペクトル解析の実行手順が複雑となり、その
導光機構自体も大掛かりとなってしまう。また、半導体
デバイスの異常箇所からの発光は微弱光であるため、分
光器へと導光して実行する発光スペクトル解析では、充
分な精度での解析ができないという問題もある。

【００１６】これに対して、上記したように通常の撮像
手段への導光光路に直接に分光手段を配置することとす
れば、装置を大規模化することなく、発光スペクトル解
析を実行することができる。また、発光スペクトル解析
が必要なときに分光手段等を導光光路に挿入するのみ
で、ただちに、通常の発光解析に用いられている高感度
の撮像手段をそのまま利用して、簡単に発光スペクトル
解析を開始することが可能となる。

【００１７】また、半導体デバイス検査装置は、対物レ
ンズと撮像手段との間に、分光手段とともに移動可能に
設置された波長帯域選択手段を備え、波長帯域選択手段
は、分光手段とともに分光位置に配置されたときに、撮
像手段へと導光される発光像のうち、所定の波長帯域内
の光成分のみを選択的に通過させることを特徴とする。

【００１８】帯域フィルタなどの波長帯域選択手段によ
って、発光像から余分な波長成分を除去しておけば、撮
像手段で取得される発光スペクトル像を必要な波長範囲
に対するものに限定して、より効率的に発光スペクトル
解析を実行することができる。また、分光手段として回
折格子などを用いる場合には、分光に用いる１次光のス
ペクトルに対する他の次数の光の影響を低減することが
できる。

【００１９】また、対物レンズと撮像手段との間に、分
光手段とともに移動可能に設置された光路補正手段を備
え、光路補正手段は、分光手段とともに分光位置に配置
されたときに、撮像手段へと導光される発光像の光路を
補正して、発光スペクトル像を撮像手段へと入力させる
ことを特徴とする。

【００２０】これによって、通常の発光像を撮像するも
のと同一の撮像手段による発光スペクトル像の撮像を、
好適に実現することができる。例えば、分光手段として
回折格子などを用いる場合には、分光に用いる１次光に
よる光像を、発光スペクトル像として撮像手段へと導く
ことができる。

【００２１】また、分光手段は、導光軸に対して回転可
能に設置されていることを特徴とする。

【００２２】半導体デバイス上での特定の発光点からの
発光は、分光された発光スペクトル像においては、所定
の分光方向へと伸びる帯状の光像となる。このとき、分
光方向の直線上に複数の発光点が観測された場合には、
それぞれの発光点からの発光スペクトル像が重なり合っ
てしまうこととなる。これに対して、分光手段を回転可
能としておけば、発光スペクトル像での分光方向を、発
光点の配置に合わせて回転することが可能となる。

【００２３】また、発光像を分光して発光スペクトル像
とする分光手段としては、透過型回折格子であることが
好ましい。透過型回折格子を用いた場合、分光手段自体
が小型なために装置を大型化する必要がなく、また、分
光して得られた発光スペクトル像を容易に撮像手段へと
導くことができる。また、透過型回折格子以外にも、個
々の装置構成等に応じて、反射型回折格子やプリズムな
どの他の分光手段を用いることも可能である。

【００２４】また、半導体デバイス検査方法は、（ａ）
半導体デバイスに照明光を供給するとともに、半導体デ
バイスでの反射光による観測像である反射光像を生成及
び導光して、撮像手段で撮像する反射光像取得ステップ
と、（ｂ）発光像を生成及び導光して、撮像手段で撮像
する発光像取得ステップと、（ｃ）発光像を生成及び導
光するとともに分光手段によって分光して、発光スペク
トル像を生成して撮像手段で撮像する発光スペクトル像
取得ステップと、を備えることを特徴とする。

【００２５】このように、反射光像、発光像、及び発光
スペクトル像を取得していくことによって、半導体デバ
イス上に形成された回路パターンなどのパターン像の確
認、パターン像上での発光点の確認、及び確認された発
光点からの発光に対する発光スペクトル解析を順次行っ
て、効率的に発光スペクトル解析を実行することができ
る。

【００２６】また、半導体デバイス検査装置は、撮像手
段で撮像された発光スペクトル像に対する発光基準位置
を指定するとともに、発光スペクトル像から発光基準位
置を参照して、半導体デバイスからの発光についての発
光スペクトルを作成する発光解析手段を備えることを特
徴とする。

【００２７】同様に、半導体デバイス検査方法は、撮像
手段で撮像された発光スペクトル像に対する発光基準位
置を指定するとともに、発光スペクトル像から発光基準
位置を参照して、半導体デバイスからの発光についての
発光スペクトルを作成することを特徴とする。

【００２８】これによって、発光スペクトル解析の対象
とする発光点の指定などによって発光基準位置を指定す
れば、発光スペクトル像からただちに、その発光点につ
いての発光スペクトルを取得することが可能となる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、図面とともに本発明による
半導体デバイス検査装置及び半導体デバイス検査方法の
好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の
説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する
説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のもの
と必ずしも一致していない。

【００３０】図１は、本発明に係る半導体デバイス検査
装置であるエミッション顕微鏡の一実施形態を概略的に
示す構成図である。このエミッション顕微鏡は、検査対
象となる半導体デバイスＳの像から発光を観測して、そ
の異常箇所を検出する半導体デバイス検査装置である。

【００３１】検査対象となる半導体デバイスＳは、本実
施形態においては、半導体試験装置となるウエハプロー
バ６側にある基板載置台５上に固定されて設置されてい
る。この基板載置台５は、検査位置または観測位置の変
更時などに、半導体デバイスＳをＸ、Ｙ、Ｚ、あるいは
θ方向に移動可能な移動ステージとして構成されてい
る。

【００３２】基板載置台５の上方には、カード支持機構
（図示していない）によって支持されているプローブカ
ード６１が設置されている。プローブカード６１は、半
導体デバイスＳ上に形成された回路パターンなどによる
パターンの構成に対応して作製されたプリント基板６２
と、その下面（半導体デバイスＳに対向する面）に配列
されている、半導体デバイスＳの電極パッドに対応した
プローブ針６３とから構成されている。また、プリント
基板６２の略中央の所定部位には、半導体デバイスＳか
らの発光を含む像を上方から観測するための開口部６４
が設けられている。

【００３３】プリント基板６２に設けられた開口部６４
の上方には、半導体デバイスＳの像を観測して異常箇所
を検出するためのエミッション顕微鏡が設置されてい
る。本実施形態におけるエミッション顕微鏡は、図１に
示すように、半導体デバイスＳの像から観測像を生成し
て、所定の導光軸に沿って導光する導光光学系１と、導
光光学系１を介して、結像されつつ入力される観測像を
撮像する撮像カメラ３と、導光光学系１及び撮像カメラ
３などの装置各部を駆動制御する顕微鏡制御装置７と、
を備えて構成されている。

【００３４】導光光学系１には、単一または複数の対物
レンズを有する対物レンズ部１１と、それらに対応した
結像レンズを有する結像レンズ部１２とが設置されてい
る。本実施形態においては、対物レンズ部１１は、３個
の対物レンズ１１ａ〜１１ｃを有し、また、結像レンズ
部１２は、１個の結像レンズ１２ａを有して構成されて
いる。

【００３５】対物レンズ部１１に設けられている対物レ
ンズ１１ａ〜１１ｃは、それぞれ、半導体デバイスＳの
像に対して、その所定範囲を視野範囲として選択して観
測像を生成するとともに、所定の観測倍率に拡大するも
のである。これらの対物レンズ１１ａ〜１１ｃとして
は、例えば高倍率、中間倍率、低倍率のように、それぞ
れ異なった倍率を有するものが用いられる。

【００３６】対物レンズ部１１は電動式または手動式な
どのレボルバ１３に接続されており、対物レンズ１１ａ
〜１１ｃは、レボルバ１３によって導光軸に対して回転
可能に設置されている。これによって、半導体デバイス
Ｓの像の観測に使用されるレンズ系や観測倍率などの設
定、選択、及び切換が行われる。図１においては、対物
レンズ１１ｂ及び結像レンズ１２ａが観測用のレンズ系
に選択された状態を示している。なお、結像レンズ部１
２についても、結像レンズを複数設けて、対物レンズ１
１ａ〜１１ｃとともにレボルバ１３で切り換える構成と
しても良い。

【００３７】また、導光光学系１の対物レンズ部１１と
撮像カメラ３との間、より具体的には対物レンズ部１１
と結像レンズ部１２との間には、分光器（分光手段）２
が設置されている。分光器２は、導光光学系１の導光軸
に沿った導光光路を導光される観測像に対して、半導体
デバイスＳからの発光を視野範囲内に含む観測像である
発光像を分光して、発光スペクトル像を生成する。これ
によって、撮像カメラ３によって発光スペクトル像を撮
像するとともに、取得された発光スペクトル像を用い
て、半導体デバイスＳからの発光に対して、発光スペク
トル解析による異常解析を行うことが可能とされてい
る。

【００３８】この分光器２は、導光光学系１の導光軸を
含んで観測像が通過する位置である分光位置と、導光軸
を外れて観測像の通過に影響を与えない待機位置との間
を移動可能に設置されている。

【００３９】ここで、分光器２の配置については、半導
体デバイスＳ上に形成されているパターンを確認するた
めの反射光像を取得する場合、及び通常の発光像を取得
してパターン上での発光点を確認する場合には、導光光
路から除去された待機位置に配置される。また、確認さ
れた発光点からの発光について発光スペクトル解析を行
う場合には、導光光路に挿入された分光位置に配置され
る。図１においては、分光器２が分光位置に配置され
て、対物レンズ部１１から結像レンズ部１２への導光光
路上において、発光像の分光が行われている状態を図示
している。

【００４０】さらに、上記した半導体デバイスＳ上のパ
ターン確認のための反射光像の取得時には、半導体デバ
イスＳに対して、反射光像を生成するための赤外光など
の照明光を供給する必要がある。このような照明光の供
給には、例えば、図２に示すように落射照明方式が用い
られる。

【００４１】すなわち、図２に示すように、反射光像の
取得時には、分光器２が待機位置とされて導光光路上か
ら除去されるとともに、導光光学系１内の所定位置に、
照明光を供給する光源部１４と、照明光を導光するハー
フミラー１５とを含む落射照明光学系が設置される。こ
のような構成においては、照明光は所定の光源（図示し
ていない）から光ファイバによって導光されて、光ファ
イバの出射端を含んで構成された光源部１４から出射さ
れる。そして、出射された照明光は、導光光学系１の導
光光路上に設置されたハーフミラー１５によって光路を
変更されて、半導体デバイスＳへと供給される。

【００４２】この落射照明光学系は、上記した分光器２
と同様に、図２に示した照明位置と、導光軸を外れて半
導体デバイスＳの観測に影響を与えない待機位置との間
を移動可能に設置される。また、反射光像を生成するた
めの照明光学系としては、上記した落射照明光学系以外
の構成を用いても良い。例えば、半導体デバイスＳの上
方の所定位置に、リング状の照明光源を設置するなどの
構成が可能である。

【００４３】導光光学系１、分光器２、及び撮像カメラ
３などからなるエミッション顕微鏡の各部は、顕微鏡支
持部４によって一体に支持されている。本実施形態にお
ける顕微鏡支持部４は、Ｘ、Ｙ方向（水平方向）に可動
に構成されたＸＹステージ４１と、Ｚ方向（垂直方向）
に可動に構成されたＺステージ４２とを備えている。こ
れによって、本エミッション顕微鏡は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向
に必要に応じて移動して、半導体デバイスＳに対して位
置合わせ及び焦点合わせが可能な構成となっている。

【００４４】導光光学系１でのレボルバ１３によるレン
ズ系の設定及び切換、分光器２または落射照明光学系の
移動、撮像カメラ３による観測像の取得、及び顕微鏡支
持部４による顕微鏡の駆動など、エミッション顕微鏡の
各部の動作は、パーソナルコンピュータなどを用いた顕
微鏡制御装置７に設けられている、駆動制御部７１から
の指示信号等によって制御されている。

【００４５】また、この顕微鏡制御装置７には、半導体
デバイスＳからの発光を観測及び解析する発光解析手段
として、発光解析部７２が設けられている。発光解析部
７２では、撮像カメラ３によって取得された半導体デバ
イスＳの反射光像、発光像、または発光スペクトル像に
ついてのデータ取得、データの記憶、及び必要なデータ
解析などが、自動または操作者による手動の指示にした
がって行われる。

【００４６】さらに、本実施形態においては、顕微鏡制
御装置７に対して表示装置７３及び入力装置７４が接続
されている。表示装置７３では、顕微鏡の動作条件を操
作者に設定させるための設定画面や、撮像カメラ３で取
得された各観測像などが表示される。また、入力装置７
４では、操作者による動作条件の入力や、動作指示、解
析指示などの入力が行われる。

【００４７】上記した半導体デバイス検査装置及び半導
体デバイス検査方法では、導光光学系１の導光光路上と
なる分光位置に、移動して挿入可能な分光器２を設置し
ている。そして、発光像に対して発光スペクトル解析を
実行する必要があるときに、図１に示すようにその分光
器２を導光光路上に挿入し、発光像を分光位置で分光し
て、発光スペクトル像を生成するとともに、通常の発光
像または反射光像の撮像に用いるものと同一の撮像カメ
ラ３によって、発光スペクトル像を取得することとして
いる。

【００４８】このとき、発光スペクトル解析が必要な波
長範囲の全体について、１回の観測によって短時間で発
光スペクトル像を取得することができる。また、各波長
成分を個別に観測するのではなく、分光された各波長成
分が連続的な発光スペクトル像として撮像されるため、
波長について離散的な発光強度のデータではなく、波長
について連続的な発光スペクトルを取得することが可能
となる。

【００４９】また、分光器２を分光位置へと移動するの
みでただちに発光スペクトル解析を実行可能であるの
で、分光器への導光機構などによって装置を大型化また
は複雑化することなく、通常の発光像及び反射光像を取
得する構成と、発光スペクトル像を取得する構成とを、
同一の導光光学系１内の構成及び同一の撮像カメラ３で
両立させることが可能となる。また、その観測及び解析
の方法についても、その手順を簡単化することができ
る。以上より、短時間で効率的に異常箇所の発光スペク
トル解析を実行することが可能な半導体デバイス検査装
置及び方法が実現される。

【００５０】ここで、対物レンズ部１１と結像レンズ部
１２との間に分光器２を挿入するときの導光光路上の分
光位置については、より具体的には、分光の対象となる
発光像の各光成分が平行光となっている位置とすること
が好ましい。また、分光器２の分光位置及び待機位置の
間の移動を電動式とし、顕微鏡制御装置７の駆動制御部
７１からの指示信号によって駆動可能な構成としておけ
ば、通常の発光像の取得と、発光スペクトル像の取得と
の切換を、特に容易に実行可能とすることができる。

【００５１】図３は、図１に示したエミッション顕微鏡
に適用される分光器２、及びその周辺部の構成の一実施
例について拡大して示す側面図である。図３において
は、これらの分光器２等について、上記した導光光路上
の分光位置に配置された状態で図示している。また、図
４は、図３に示した分光器等の構成について、図３とは
直交する方向（図３に示した矢印Ａの方向）からみた側
面図である。

【００５２】図３及び図４に示す実施例においては、半
導体デバイスＳの発光像を分光する分光器２として、透
過型回折格子２０を設置している。また、この透過型回
折格子２０とともに、波長帯域選択手段であるシャープ
カットフィルタ２１と、光路補正手段である補正プリズ
ム２２とが設置されている。

【００５３】これらの各光学素子は、分光位置と待機位
置との間を連動して移動可能なように、その上端及び下
端が開口となっているハウジング２５内に一体に固定さ
れて設置されている。また、その配列については、対物
レンズ部１１側からみて、シャープカットフィルタ２
１、補正プリズム２２、透過型回折格子２０の配列順と
なっている。なお、シャープカットフィルタ２１及び補
正プリズム２２の間の周縁部にはスペーサ２３が設けら
れており、これによって、シャープカットフィルタ２１
及び補正プリズム２２の界面における干渉縞の発生が防
止されている。

【００５４】透過型回折格子２０は、光学素子としての
素子寸法が小さいため、導光光学系１内への設置が容易
であり、また、反射型ではなく透過型を用いることによ
り、分光時の光路をほぼ直線状として、構成を小型化で
きる。さらに、分光波長と分散角がほぼリニアであり、
分光特性が優れているという利点がある。また、回折格
子では分光された光成分が０次光、±１次光、±２次
光、というように分割されるため、撮像カメラ３で発光
スペクトル像を取得するときに、光の取得効率がやや低
下するが、回折格子の形状の最適化などにより、特定の
波長領域については５０〜７０％程度まで効率を高める
ことが可能である。

【００５５】また、シャープカットフィルタ２１は、撮
像カメラ３へと導光される発光像のうち、所定の波長帯
域内の光成分のみを選択的に通過させる。これによっ
て、発光像から余分な波長成分を除去しておけば、撮像
カメラ３で取得される発光スペクトル像を必要な波長範
囲に対して限定して、より効率的に発光スペクトル解析
を実行することができる。

【００５６】特に、本実施例のように分光器２として回
折格子２０を用いている場合には、分光に用いる１次光
以外にも、０次光や２次光などの異なる次数の光成分を
生じる。これに対して、シャープカットフィルタ２１な
どの波長帯域選択手段を設置し、分光される波長範囲を
制限しておくことによって、１次光による発光スペクト
ル像に混入される他の次数の光の影響を極力抑制するこ
とができる。

【００５７】また、補正プリズム２２は、撮像カメラ３
へと導光される発光像の光路を補正して、発光スペクト
ル像を撮像カメラ３へと撮像可能に入力させる。これに
よって、分光によって得られた発光スペクトル像を、通
常の発光像を撮像するものと同一の撮像カメラ３に好適
に入力するように導光して、撮像カメラ３による発光ス
ペクトル像の取得を効率的に実行することが可能とな
る。例えば、本実施例のように回折格子２０を用いてい
る場合には、補正プリズム２２によって光路の角度を変
換して、その１次光による光像の光路を撮像カメラ３の
方向に補正するとともに、０次光等の光路を撮像カメラ
３に入力される範囲外へと導くことができる。

【００５８】この補正プリズム２２としては、上記した
光路の角度変換のため、頂角の小さいウエッジプリズム
などが用いられる。ここで、ウエッジプリズムは、頂角
がごく小さいため、回折格子２０の分散特性のリニアリ
ティーなどには、ほとんど影響を及ぼさない。

【００５９】これらの各光学素子の配列順については、
図３に示す配列順に限らず、適宜変更して良い。例え
ば、シャープカットフィルタ２１及び補正プリズム２２
を透過型回折格子２０よりも後方に配置して、分光後に
波長帯域の選択及び光路の補正を行う構成としても良
い。ただし、回折格子２０及び補正プリズム２２につい
ては、口径蝕（ケラレ）をさけるため、ある程度の距離
範囲内で近くに設置することが好ましい。

【００６０】透過型回折格子２０、シャープカットフィ
ルタ２１、及び補正プリズム２２を一体に保持している
ハウジング２５は、分光位置に配置されたときに、その
中心軸が導光光学系１の導光軸と略一致するように、支
持部材２６によって支持されている。また、支持部材２
６は、駆動部材２７に沿って、電動式または手動式で駆
動可能とされている。

【００６１】具体的には、図４に示すように、支持部材
２６及びハウジング２５は、導光軸に対して略垂直な方
向に設置された駆動部材２７に沿って移動する。これに
よって、ハウジング２５内の透過型回折格子２０等の各
光学素子は、導光光路に対して挿入される分光位置（図
４の実線の位置）と、導光光路から除去される待機位置
（図４の点線の位置）との間を移動可能とされている。
なお、図３においては、ハウジング２５、支持部材２
６、及び駆動部材２７について、導光軸を含む平面によ
って破断して、その内部に配列されている各光学素子を
示している。

【００６２】上記したエミッション顕微鏡を用いた半導
体デバイス検査方法について、さらに具体的に説明す
る。図５は、反射光像、発光像、及び発光スペクトル像
を順次取得していく場合の、半導体デバイス検査方法の
一実施形態について示すフローチャートである。また、
図６は、反射光像Ｉ１、発光像Ｉ２（図６（ａ））、発
光スペクトル像Ｉ３（図６（ｂ））、及び発光スペクト
ル像Ｉ３から得られる発光スペクトル（図６（ｃ））の
例を示す図である。

【００６３】なお、これらの光像等の取得に用いた装置
構成においては、透過型回折格子２０としては、面積１
２．７ｍｍ×１２．７ｍｍ、厚さ３ｍｍ、本数７０本の
回折格子を用いた。また、シャープカットフィルタ２１
としては、面積１２．７ｍｍ×１２．７ｍｍ、厚さ２．
５ｍｍのシャープカットフィルタＲ−６０（ＨＯＹＡ）
を、補正プリズム２２としては、面積１２．７ｍｍ×１
２．７ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ、角度６．７°の補正プリ
ズムをそれぞれ用いた。以上の構成によって発光スペク
トル解析の対象とされている波長帯域は、およそ波長６
００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲である。

【００６４】検査対象となる半導体デバイスＳを、基板
載置台５上に固定して設置する（ステップＳ１０１）。
次に、透過型回折格子２０、シャープカットフィルタ２
１、及び補正プリズム２２の各光学素子を保持している
ハウジング２５を待機位置に配置して、回折格子２０等
を導光光学系１の導光光路上から除去する（Ｓ１０
２）。

【００６５】半導体デバイスＳの検査の用意ができた
ら、まず、半導体デバイスＳの反射光像を取得する（Ｓ
１０３、反射光像取得ステップ）。光源部１４及びハー
フミラー１５を含む落射照明光学系を図２に示す照明位
置に配置し、半導体デバイスＳへと照明光を供給して、
その反射光像を撮像カメラ３で取得する。

【００６６】得られる反射光像では、図６（ａ）に反射
光像Ｉ１としてその例を示すように、半導体デバイスＳ
上に形成されているパターン像が確認される。この反射
光像Ｉ１を用いて、撮像カメラ３に観測像として入力さ
れる半導体デバイスＳの像の位置合わせ、及び焦点合わ
せ等が行われる。

【００６７】次に、半導体デバイスＳの発光像を取得す
る（Ｓ１０４、発光像取得ステップ）。光源部１４及び
ハーフミラー１５を含む落射照明光学系を待機位置に移
動して導光光路上から除去し、半導体デバイスＳからの
発光を観測するための発光像を撮像カメラ３で取得す
る。このとき、必要があれば、プローブカード６１から
半導体デバイスＳにバイアスを印加して、動作状態で発
光を観測する。

【００６８】例えば、図６（ａ）に示した発光像Ｉ２で
は、視野範囲内の１点からの発光が観測されている。こ
の発光点が、半導体デバイスＳの異常箇所と思われる部
位となる。なお、図６（ａ）においては、別々に取得さ
れた反射光像Ｉ１及び発光像Ｉ２を重ねて、１つの画像
としている。このように表示することによって、半導体
デバイスＳ上のパターン像に対する発光点の位置が確認
及び特定される。そして、特定された発光点が、以下の
発光スペクトル解析の対象として設定される。

【００６９】発光像Ｉ２において、半導体デバイスＳ上
で発光を生じている発光点が確認されたら、その発光点
の発光像Ｉ２内での位置を確認する（Ｓ１０５）。発光
スペクトル解析のために好適な位置範囲内に発光点がな
ければ、発光点がその位置範囲内となるように位置の調
整を行う（Ｓ１０６）。例えば、その発光点による発光
スペクトル像を確実に取得するため、発光点の位置が発
光像Ｉ２内での略中心の位置となるように位置を調整す
る。位置を調整したら、反射光像Ｉ１による位置合わせ
及び焦点合わせ（Ｓ１０３）と、発光像Ｉ２による発光
点の確認（Ｓ１０４）を再度実行する。

【００７０】発光点が好適な位置範囲内にあれば、発光
スペクトル解析のための発光基準位置として、解析の対
象となる発光点の位置を指定する（Ｓ１０７）。この発
光点の位置の指定は、例えば、顕微鏡制御装置７に接続
された表示装置７３に表示された画像上で、マウスなど
の入力装置７４を用いたカーソル操作及びクリック操作
等によって行う。

【００７１】発光点を指定したら、透過型回折格子２
０、シャープカットフィルタ２１、及び補正プリズム２
２の各光学素子を保持しているハウジング２５を分光位
置に移動して、回折格子２０等を導光光学系１の導光光
路上に挿入する（Ｓ１０８）。そして、半導体デバイス
Ｓの発光像が分光された発光スペクトル像を取得する
（Ｓ１０９、発光スペクトル像取得ステップ）。

【００７２】得られる発光スペクトル像では、図６
（ｂ）に示す発光スペクトル像Ｉ３のように、発光像Ｉ
２で確認された発光点を発光基準位置として、その発光
基準位置に対して所定の分光方向（図６中では横方向）
に伸びるように、分光された発光スペクトル像が生成さ
れる。このとき、分光方向に沿った光像の分散位置は分
光波長に相当し、また、得られる発光スポットは、発光
の波長スペクトルにおける発光ピークに相当している。

【００７３】続いて、取得された発光スペクトル像Ｉ３
に対して、顕微鏡制御装置７の発光解析部７２におい
て、必要な発光スペクトル解析を行う（Ｓ１１０）。こ
の発光解析では、例えば、図６（ｃ）のグラフに示すよ
うに、発光スペクトル像Ｉ３に対応する発光スペクトル
の作成が行われる。このような発光スペクトルの作成
は、発光基準位置として発光像Ｉ２で指定された発光点
の位置を参照して、発光基準位置からみた分光方向の分
散位置と、発光波長（分光波長）との対応関係を求める
ことによって行われる。

【００７４】そして、発光基準位置から所定範囲内（例
えば、図６（ｂ）に示した上下２本の点線で発光スペク
トル像Ｉ３を挟んだ範囲内）での光像の強度を各発光波
長での発光強度として、図６（ｃ）に示す発光スペクト
ルが作成される。この発光スペクトルによって、各発光
ピークの波長、強度などから、発光を生じている異常箇
所の種類や程度などについての詳細な異常解析を行うこ
とが可能となる。

【００７５】ここで、本エミッション顕微鏡による発光
の分光について、水銀ランプの光をサンプル光として顕
微鏡に入射して、発光スペクトル像を取得した例を図７
に示す。図７（ａ）は、水銀ランプの光での発光スペク
トル像Ｉ３を示している。この発光スペクトル像Ｉ３で
は、アルゴン原子の輝線が、分光方向に帯状に並ぶ複数
の発光スポットとして観測されている。また、図７
（ｂ）は、図７（ａ）の発光スペクトル像Ｉ３に対し
て、発光スペクトル解析を行って得られた発光スペクト
ルである。このグラフにみられるアルゴン原子の輝線の
各発光ピークから、本エミッション顕微鏡において、充
分な波長分解能での分光が実現されていることがわか
る。

【００７６】なお、図６（ｂ）及び図７（ａ）の発光ス
ペクトル像Ｉ３と図６（ｃ）及び図７（ｂ）の発光スペ
クトルとは、それぞれ、その分散位置及び発光波長が図
６中及び図７中でほぼ対応するように図示してある。ま
た、図６（ｂ）及び図７（ａ）の発光スペクトル像Ｉ３
では、取得された発光スペクトル像を簡単化して、発光
ピークのすそ部分等を省略した発光スポットとして図示
しているが、実際に表示される発光スペクトル像では、
複数の階調または色調によって、発光強度の分布も含め
たより詳細な発光スペクトル像が得られる。

【００７７】以上、本エミッション顕微鏡によれば、図
６（ａ）及び（ｂ）に示すように、同一の撮像カメラ３
で撮像される観測像において、回折格子２０等の光学素
子を導光光学系１の導光光路上に挿入するだけで、通常
の発光像及び分光された発光スペクトル像の両者を取得
することが可能である。また、発光解析部７２での発光
スペクトル解析によって、発光スペクトル像から発光ス
ペクトルのグラフを作成することも可能となる。

【００７８】本発明による半導体デバイス検査装置及び
半導体デバイス検査方法は、上記した実施形態及び実施
例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。
例えば、分光器２等の構成については、図３に示したも
のに限らず、様々な分光器２及び光学素子を用いて良
い。

【００７９】図８に、そのような分光器２等の変形例を
示す。図８（ａ）に示した例においては、補正プリズム
２２としてシャープカットフィルタの材質によって作製
したものを用いており、このシャープカットフィルタの
機能を併せ持つ補正プリズム２２によって素子数を低減
している。また、透過型回折格子２０をシャープカット
フィルタの材質によって作製することも可能である。

【００８０】あるいは、図８（ｂ）に示すように、補正
プリズム及びシャープカットフィルタの機能を併せ持つ
とともに、その下面に透過型回折格子が形成された光学
素子２４を用いれば、さらに素子数を低減することがで
きる。このように必要な素子数が低減されれば、装置の
さらなる小型化、及び構成の簡単化の実現が可能とな
る。

【００８１】また、分光器２としては、透過型回折格子
２０以外にも、反射型回折格子を用いても良い。あるい
は、プリズムなどを適用することも可能である。プリズ
ムは、分光波長と分散角との関係がリニアにならないな
どの特性があるが、光の取得効率は１００％と高くな
る。また、これ以外の分光素子を用いても良い。

【００８２】これらの分光器２などの各光学素子につい
ては、発光スペクトル解析の対象とする波長帯域によ
り、必要に応じて、その構成を設定または変更すること
が好ましい。例えば、上記した実施例では波長帯域６０
０ｎｍ〜１１００ｎｍ（Ｓｉなどの場合）を対象として
いるが、半導体材料の種類や故障の種類などによって、
例えば波長帯域３５０ｎｍ〜６５０ｎｍ（ＳｉＣなどの
場合）などの異なる波長帯域を発光スペクトル解析の対
象とする場合がある。このとき、波長帯域に合わせて、
回折格子２０（分光器２）及び付設する各光学素子を選
択または交換することが好ましい。

【００８３】また、分光器２等の分光位置から待機位置
への移動については、待機位置としては固定された位置
を設けずに、操作者の手動で分光器２等を着脱する構成
としても良い。

【００８４】また、図６に示した例においては、発光像
Ｉ２において発光点が１点のみ観測されているが、複数
の発光点が観測された場合でも、同様に発光スペクトル
像の取得及び発光スペクトル解析を行うことが可能であ
る。このとき、それら複数の発光点が、発光スペクトル
像が伸びる分光方向上にある場合には、それぞれによる
発光スペクトル像が一部重なってしまう。これに対し
て、分光器２及び分光器２に付設されている各光学素子
を、導光軸に対して回転可能としておけば、生成される
発光スペクトル像での分光方向を回転させて、複数の発
光スペクトル像の重なりをなくすことができる。

【００８５】さらに、検査装置全体の構成、及び検査方
法についても、図１に示した構成及び図５に示したフロ
ーチャートに限られない。例えば、図１ではウエハプロ
ーバ６側に基板載置台５が設けられているが、半導体デ
バイス検査装置であるエミッション顕微鏡自体が基板載
置台を備える構成としても良い。

【００８６】

【発明の効果】本発明による半導体デバイス検査装置及
び半導体デバイス検査方法は、以上詳細に説明したよう
に、次のような効果を得る。すなわち、検査対象となる
半導体デバイスの像から観測像を生成する対物レンズ
と、生成及び導光された観測像を撮像する撮像カメラな
どの撮像手段との間に、導光光学系での導光光路上の分
光位置と、導光光路から外れた待機位置とを移動可能な
分光手段を設置する。そして、発光スペクトル解析が必
要な場合に、その分光手段を分光位置に配置し、半導体
デバイスからの発光像を分光手段によって分光して、生
成された発光スペクトル像を撮像手段によって取得す
る。

【００８７】これによって、通常の発光像または反射光
像の取得と、分光された発光スペクトル像の取得とを同
一の装置構成内で両立させて、短時間で効率的に異常箇
所の発光スペクトル解析を実行することが可能な半導体
デバイス検査装置及び方法が実現される。

【００８８】このような発光スペクトル解析によれば、
半導体デバイス上で発光が検出された異常箇所につい
て、その異常または故障の種類や程度など、詳細な異常
解析が可能となる。また、１回の発光解析が短時間です
むので、発光解析中に生じる半導体デバイスの故障モー
ドの変化などに影響されることがない。逆に、短時間で
観測が可能な発光解析を一定の時間範囲で複数回実行す
れば、上記した故障モードの変化などの半導体デバイス
の経時的な変化についても、解析することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体デバイス検査装置であるエミッション顕
微鏡の一実施形態を、発光スペクトル像を取得する状態
で概略的に示す構成図である。

【図２】図１に示したエミッション顕微鏡を、反射光像
を取得する状態で示す構成図である。

【図３】図１に示したエミッション顕微鏡に適用される
分光器等の構成の一実施例を示す側面図である。

【図４】図３に示した分光器等の構成を直交する方向か
らみた側面図である。

【図５】図１に示したエミッション顕微鏡を用いた半導
体デバイス検査方法の一実施形態について示すフローチ
ャートである。

【図６】反射光像、発光像、発光スペクトル像、及び発
光スペクトルの例を模式的に示す図である。

【図７】ランプ光による発光スペクトル像、及び発光ス
ペクトルの例を模式的に示す図である。

【図８】図１に示したエミッション顕微鏡に適用される
分光器等の構成の他の実施例を示す側面図である。

【符号の説明】

１…導光光学系、１１…対物レンズ部、１１ａ〜１１ｃ
…対物レンズ、１２…結像レンズ部、１２ａ…結像レン
ズ、１３…レボルバ、１４…光源部、１５…ハーフミラ
ー、２…分光器、２０…透過型回折格子、２１…シャー
プカットフィルタ、２２…補正プリズム、２３…スペー
サ、２５…ハウジング、２６…支持部材、２７…駆動部
材、３…撮像カメラ、４…顕微鏡支持部、４１…ＸＹス
テージ、４２…Ｚステージ、５…基板載置台、６…ウエ
ハプローバ、６１…プローブカード、６２…プリント基
板、６３…プローブ針、６４…開口部、７…顕微鏡制御
装置、７１…駆動制御部、７２…発光解析部、７３…表
示装置、７４…入力装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｇ０１Ｎ 21/84 Ｇ０１Ｒ 31/28 ＬＦターム(参考） 2G011 AA01 AD02 AE01 2G020 BA17 CA01 CC04 CC06 CD04 CD14 2G032 AD08 AF07 2G051 AA51 AB07 BA06 CA04 CB10 CC20 DA08 EA30 FA01 4M106 AA01 BA01 BA20 CA70 DB19 DH04 DH12 DH38 DH39 DH50 DH60 DJ04 DJ05 DJ06 DJ23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体デバイスからの発光を観測して、
その異常箇所を検出する半導体デバイス検査装置であっ
て、前記半導体デバイスの像に対して、所定の視野範囲を選
択して観測像を生成する対物レンズを含み、所定の導光
軸に沿って前記観測像を導光する導光光学系と、前記導光光学系を介して、結像されつつ入力される前記
観測像を撮像する撮像手段と、前記対物レンズと前記撮像手段との間に、前記導光軸を
含んで前記観測像が通過する分光位置と、前記導光軸を
外れた待機位置との間を移動可能に設置された分光手段
と、を備え、前記分光手段は、前記半導体デバイスからの発光を前記
視野範囲内に含む前記観測像である発光像に対して発光
スペクトル解析を行うときに、前記撮像手段へと導光さ
れる前記発光像を前記分光位置で分光して、前記撮像手
段で撮像可能な発光スペクトル像を生成することを特徴
とする半導体デバイス検査装置。
【請求項２】前記対物レンズと前記撮像手段との間
に、前記分光手段とともに移動可能に設置された波長帯
域選択手段を備え、前記波長帯域選択手段は、前記分光手段とともに前記分
光位置に配置されたときに、前記撮像手段へと導光され
る前記発光像のうち、所定の波長帯域内の光成分のみを
選択的に通過させることを特徴とする請求項１記載の半
導体デバイス検査装置。
【請求項３】前記対物レンズと前記撮像手段との間
に、前記分光手段とともに移動可能に設置された光路補
正手段を備え、前記光路補正手段は、前記分光手段とともに前記分光位
置に配置されたときに、前記撮像手段へと導光される前
記発光像の光路を補正して、前記発光スペクトル像を前
記撮像手段へと入力させることを特徴とする請求項１記
載の半導体デバイス検査装置。
【請求項４】前記分光手段は、前記導光軸に対して回
転可能に設置されていることを特徴とする請求項１記載
の半導体デバイス検査装置。
【請求項５】前記分光手段は、透過型回折格子である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体デバイス検査装
置。
【請求項６】前記撮像手段で撮像された前記発光スペ
クトル像に対する発光基準位置を指定するとともに、前
記発光スペクトル像から前記発光基準位置を参照して、
前記半導体デバイスからの発光についての発光スペクト
ルを作成する発光解析手段を備えることを特徴とする請
求項１記載の半導体デバイス検査装置。
【請求項７】半導体デバイスからの発光を観測して、
その異常箇所を検出する半導体デバイス検査方法であっ
て、前記半導体デバイスの像に対して、対物レンズによって
所定の視野範囲を選択して観測像を生成し、所定の導光
軸に沿って前記観測像を導光して、撮像手段へと結像し
つつ入力して前記観測像を撮像するとともに、前記半導体デバイスからの発光を前記視野範囲内に含む
前記観測像である発光像に対して発光スペクトル解析を
行うときに、前記対物レンズと前記撮像手段との間に設
置された分光手段によって、前記撮像手段へと導光され
る前記発光像を分光位置で分光して、前記撮像手段で撮
像可能な発光スペクトル像を生成することを特徴とする
半導体デバイス検査方法。
【請求項８】前記半導体デバイスに照明光を供給する
とともに、前記半導体デバイスでの反射光による前記観
測像である反射光像を生成及び導光して、前記撮像手段
で撮像する反射光像取得ステップと、前記発光像を生成及び導光して、前記撮像手段で撮像す
る発光像取得ステップと、前記発光像を生成及び導光するとともに前記分光手段に
よって分光して、前記発光スペクトル像を生成して前記
撮像手段で撮像する発光スペクトル像取得ステップと、
を備えることを特徴とする請求項７記載の半導体デバイ
ス検査方法。
【請求項９】前記撮像手段で撮像された前記発光スペ
クトル像に対する発光基準位置を指定するとともに、前
記発光スペクトル像から前記発光基準位置を参照して、
前記半導体デバイスからの発光についての発光スペクト
ルを作成することを特徴とする請求項７記載の半導体デ
バイス検査方法。