JP2006184136A - 半導体解析装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、低価格で簡単に半導体回路の故障解析をおこなうことができる半導体解析装置およびその方法を提供することにある。
【解決手段】 半導体解析装置は、絶縁層２４および取り出し電極２６の上に液体状の絶縁物１２を塗布する手段と、塗布された絶縁物１２を膜状にする手段と、膜状にされた絶縁物１２を硬化させる手段と、を含む。また半導体解析装置は、絶縁物１２にビアホールを形成する手段と、絶縁物１２の上に導電性のパッドを形成し、かつ、取り出し電極２６とパッドとを接続する手段と、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体デバイスの故障解析をおこなう半導体解析装置およびその方法に関するものである。

ＩＣ（Integrated Circuit）などを製造するにあたって、半導体デバイスの故障解析がおこなわれるのが一般的である。故障解析をおこなうことによって、半導体デバイスの製造歩留まりの悪化を防いだりすることができる。

図５に解析される半導体デバイス１８の一例を示す。基板２０上にＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの半導体回路２２が形成されている。ＦＥＴと他の回路は必要に応じて分離酸化膜２８で分離されている。基板２０上には絶縁層２４が設けられており、ＦＥＴなどの端子から絶縁層２４の表面までビアホールが形成されている。ビアホール内には、半導体回路２２の表面から絶縁層２４の表面までタングステンなどの金属が埋め込まれ、その金属が取り出し電極２６となっている。

解析方法の一例として周知のＩＲ−ＯＢＩＲＣＨ（Infrared Optical Beam Induced Resistance Change）法を説明する。取り出し電極２６に解析装置のプローブを接触させる。プローブから半導体回路２２に定電圧を印加する。このとき絶縁層２４上から半導体回路２２にレーザー（波長１．３μｍ、最大出力５００ｍＷ）を照射し、半導体回路２２に流れる電流値を測定する。半導体回路２２で異常抵抗となっている箇所にレーザーが照射されたときに電流値が変化する。これは、配線材料が固有の抵抗温度依存性をもっており、レーザー照射の熱によって配線抵抗が変化し、それによって電流値が変化するのを利用している。電流値が変化した箇所を不良箇所と解析することができる。マイクロスコープとスキャナーを用いて電流値の変化量を明暗として検出し、二次元コントラスト像としてモニターに表示することができる。例えば、配線にショートが発生していると、そのショート箇所が明反応、他の部分が暗反応で検出され、二次元コントラスト像として表示される。

近年、半導体回路２２の微細化により取り出し電極２６の直径が小さくなってきている。例えば、その直径は、１μｍ以下となっている。一方、微細なプローブの先端の直径は１０μｍ程である。したがって、プローブが取り出し電極２６からはみ出してしまい、解析ができない。

そこで図６（ａ），（ｂ）に示すように、（i）ＦＩＢ（Focused Ion Beam）を用いたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により、取り出し電極２６やその周辺上にＴＥＯＳ（Tetraethylorthosilicate）薄膜５０を成膜する。（ii）ＦＩＢによるエッチングにより、ＴＥＯＳ薄膜５０の表面から取り出し電極２６までビアホールを形成する。（iii）ＦＩＢを用いたＣＶＤにより、ＴＥＯＳ薄膜５０の表面にタングステンのパッド５２を形成し、かつ、そのパッド５２から取り出し電極２６までタングステンのラインを形成する。パッド５２の大きさをプローブの先端の直径以上にすることにより、上述したような解析が可能となる。ＴＥＯＳを使用するのは、凹凸の少ない平坦な絶縁膜であるからである。なお、ＦＩＢについては例えば特許文献１に記載がある。

上記の作業は図７に示すような一つのチャンバー３０内で行うのが通常である。したがって、ＣＶＤをおこなうために複数の材料を取りそろえることが必要となる。上述したＴＥＯＳやタングステン以外にもＰｔ，Ｃ，Ｃｌ_２，Ｉ_２，ＸｅＦ_２などがある。これらの材料の原料ガスを取りそろえたシステムはガスシステム５４と呼ばれている。半導体デバイス１８が配置されるチャンバー３０にガスシステム５４から所望のガスが流入され、ＣＶＤがおこなわれる。ガスを流入させるとき、バルブ５６でガス源５８を選択し、ガス銃４０で所望の位置にガスを流入させる。イオン銃３２でＦＩＢを出射すると、ガスが反応してＣＶＤが可能となる。

ガスシステム５４は、いろいろな作業をおこなうために原料ガスを増やす場合があるが、原料ガスの数が増えるほど高額になる。例えば、ＴＥＯＳはガスシステム５４を高額にする要因となっており、１０００万円以上のシステムになる場合がある。一方、ガスシステム５４を低額にするためにタングステンのみにしてしまうと、上記の作業を行うことができなくなる。

ＴＥＯＳの成膜は、真空下での成膜となるため、成膜時間が長くなる場合がある。例えば、１００×１００μｍの面積に１μｍの膜厚であれば、２０時間程度が必要となる。できるだけ短時間に半導体回路の故障解析をおこない、製造ラインに反映することができない。

ＴＥＯＳの成膜時にＦＩＢの電荷が半導体デバイス１８に蓄積し、半導体デバイス１８の性能劣化が生じるおそれがある。

特開２００４−３４３１３１号公報

本発明の目的は、低価格で簡単に半導体回路の故障解析をおこなうことができる半導体解析装置およびその方法を提供することにある。

本発明の半導体解析装置の要旨は、半導体デバイスの絶縁層および取り出し電極の上に液体状の絶縁物を塗布する手段と、塗布された絶縁物を膜状にする手段と、膜状にされた絶縁物を硬化させる手段と、を含むことである。

前記膜状にする手段は、エアースプレーまたはスピンコータを含む。

前記硬化させる手段は、恒温槽またはホットプレートを含む。

前記絶縁物は金属酸化物ガラス膜である。

前記絶縁物にビアホールを形成する手段と、前記絶縁物上に導電性のパッドを形成し、かつ、取り出し電極とパッドとを接続する手段と、を含む。

本発明の半導体解析方法の要旨は、半導体デバイスの絶縁層および取り出し電極の上に液体状の絶縁物を塗布するステップと、塗布された絶縁物を膜状にするステップと、膜状にされた絶縁物を硬化させるステップと、を含むことにある。

前記膜状にするステップは、エアーの吹き付けまたは回転による遠心力によって絶縁物を膜状にすることを含む。

前記硬化させるステップは、加熱によって絶縁物を硬化させることを含む。

前記絶縁物にビアホールを形成するステップと、前記絶縁物上に導電性のパッドを形成するステップと、前記取り出し電極とパッドとを接続するステップと、を含む。

本発明によれば、簡易に無機絶縁膜である金属酸化物ガラス膜（ガラスコート）を成膜することができる。ＴＥＯＳを使用する従来のガスシステムを用いるよりも成膜コスト、タクトタイム、設備コストなど種々の面で有利である。

本発明に係る半導体解析装置およびその方法について図面を用いて説明する。

図１（ａ）に示す解析される半導体デバイス１８は、基板２０と、基板２０に形成された半導体回路２２と、基板２０および半導体回路２２の上に形成された絶縁層２４と、絶縁層２４の表面から半導体回路２２に形成されたビアホールと、ビアホールの底から絶縁層２４の上面まで満たされ、金属で形成された取り出し電極２６と、を含む。

半導体回路２２は、ＦＥＴなどの電子回路やそれらの周辺のＡｌなどで形成される配線も含む。半導体回路２２は、必要に応じて分離酸化膜２８によって分離される。

半導体解析装置は、絶縁層２４および取り出し電極２６の上に液体状の絶縁物１２を塗布する手段と、塗布された絶縁物１２を膜状にする手段と、膜状にされた絶縁物１２を硬化させる手段と、を含む。

塗布する手段は、スポイド、刷毛、スプレー、ローラーなどである。これらの手段は、自動または手動のどちらでも良い。

膜状にする手段は、エアースプレーまたはスピンコータを含む。エアーの吹き付けなどによって絶縁物１２を薄膜にする。

硬化させる手段は、恒温槽またはホットプレートを含む。これらの手段によって、膜状にされた絶縁物１２を熱で硬化させる。恒温槽など以外であっても種々のヒーターを使用しても良い。

絶縁物１２は金属酸化物ガラス膜である。金属酸化物ガラス膜は、金属アルコキシド組成物の加水分解反応によるゾルゲル反応により三次元架橋が形成された有機／無機ハイブリッド材料による光透過性の膜である。金属酸化物ガラス膜は、ＴＥＯＳと比較して安価であり、真空下での成膜を必要としない。ＴＥＯＳと比較して、材料コストや設備コストなどの面で有利である。金属酸化物ガラス膜は、表面の凹凸が少なく平坦であり、表面にＣＶＤで金属膜を形成することもできる。

半導体解析装置は、図１（ｃ）のように絶縁物１２にビアホール１４を形成する手段と、図１（ｄ）のように絶縁物１２の上に導電性のパッド１６を形成し、かつ、取り出し電極２６とパッド１６とを接続する手段と、を含む。

ビアホール１４を形成する手段は、ＦＩＢを使用する。ＦＩＢの出力を調節し、ＦＩＢを所望の箇所に照射する。ＦＩＢの照射された箇所がエッチングされ、ビアホール１４が形成される。

接続する手段は、ＦＩＢを用いたＣＶＤをおこなう装置である。パッド１６および取り出し電極２６とパッド１６とを接続するラインは、例えばタングステンを用いる。

上述したビアホール１４を形成する手段と接続する手段は、図２に示すように、一つの装置にまとめることができる。その装置は、半導体デバイス１８が配置されるチャンバー３０と、ＦＩＢを出射するイオン銃３２と、チャンバー３０に所望のガスを供給するガスシステム３４と、を含む。ガスシステム３４には、ガス供給源３６と、ガスの流量を調整するバルブ３８と、ガスを局所的に放出するガス銃４０とを含む。本発明であればガスシステム３４のガスはタングステンだけであり、ガス供給源３６は１つとなる。ＴＥＯＳなどの高価な複数のガスを必要としないため、構成が簡易で、安価となる。

ＩＲ−ＯＢＩＲＣＨ法で半導体回路２２の解析をおこなうのであれば、パッドに接触させるプローブと、半導体回路２２に定電圧を印加する電源と、半導体回路２２に近赤外レーザー（波長１．３μｍ、最大出力５００ｍＷ）を照射するためのレーザーダイオードで励起する固体レーザーを含む。

以上、従来と異なり絶縁物１２に金属酸化物ガラス膜を使用している。金属酸化物ガラス膜の成膜は、大気圧下でおこなうので容易である。また、ＴＥＯＳと比較して金属酸化物ガラス膜の材料コストは安くなる。

本発明の半導体解析方法について説明する。解析方法は、（１）図１（ａ）のように、絶縁層２４および取り出し電極２６の上に液体状の絶縁物１２を塗布する。（２）図１（ｂ）のように、塗布された絶縁物１２を膜状にする。（３）膜状にされた絶縁物１２を硬化させる。

上記（１）は、スポイドなどによって液体状の絶縁物１２を半導体デバイス１８上に滴下することを含む。滴下以外に刷毛塗り、スプレー塗り、ローラー塗りなどであっても良い。

液体状の絶縁物１２は、金属アルコキシド組成物を適当な溶剤に希釈して溶液に調製されたものである。金属アルコキシド組成物は、（ａ）メチル基又はフェニル基を有する有機ポリシロキサンと（ｂ）ヒドロキシル基又は加水分解性官能基を有する有機シロキサンと（ｃ）硬化剤とを含有することが好ましい。

上記（ａ）メチル基又はフェニル基を有する有機ポリシロキサンとしては、例えば、メチル基又はフェニル基及び炭素数１〜４のアルコキシ基を有する液状有機ポリシロキサンが挙げられる。炭素数１〜４のアルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等が挙げられる。

上記（ｂ）ヒドロキシル基または加水分解性官能基を有する有機シロキサンにおける加水分解性基としては、例えば、アルコキシ基、アシロキシ基、ケトオキシム基、アミド基、アルケニルオキシ基、およびハロゲン原子などが例示される。また、（ｂ）成分の有機シロキサンは、１価の有機基もしくは水素原子を有することがあり、１価の有機基としては、例えば、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ヘキシル等のアルキル基；ビニル、アリル等のアルケニル基；フェニル、トリル、キシリル等のアリール基；フェネチル、β−フェニルプロピル等のアラルキル基；Ｎ−（β−アミノエチル）−γ−アミノプロピル等のアミノアルキル基；γ−グリシドキシプロピル、３，４−エポキシシクロヘキシル等のエポキシ基含有基；γ−メタクリロキシプロピル等の（メタ）アクリル基含有基；γ−メルカプトプロピル等のメルカプトアルキル基；シアノエチル等のシアノアルキル基；β−クロロエチル、γ−クロロエチル等のクロロアルキル基；３，３，３−トリフルオロプロピル等のフルオロアルキル基等が例示される。なお、（ｂ）成分には、必要に応じてアルコキシの部分加水分解物（液状シリコーンレジン）が含まれる場合がある。

上記（ｃ）硬化剤は、通常、縮合硬化型シリコーン組成物に使用される硬化触媒が使用される。硬化剤の具体例としては、トリエタノールアミン等の有機アミン；オクチル酸スズ、オクチル酸亜鉛等のカルボン酸金属塩；ジブチルスズジラウレート、ジブチルスズジオクトエート等の有機錫化合物；テトラブチルチタネート、テトラプロピルチタネート等のチタン酸エステル；第四級アンモニウムカルボキシレート等の第四級アンモニウム化合物；γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−（β−アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等のアミン系シランカップリング剤が挙げられる。また、有機アルミニウム化合物、又はホウ素ハライドを使用することもできる。これらの中でも、有機錫化合物又はホウ素ハライドが好ましい。これらの硬化剤は、２種以上を併用することができる。

溶液に調製する際に使用する溶媒としては、（ａ）成分、（ｂ）成分及び（ｃ）成分を溶解、分散するものであれば特に限定されない。例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール類；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテルアルコールおよびエーテル類；アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン等のケトン類；酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ｎ−ブチル等のエステル類；ｎ−ヘキサン、ガソリン、ゴム揮発油、ミネラルスピリット、灯油等の脂肪族炭化水素等が挙げられる。

上述のような金属アルコキシド組成物が基板に塗布され、比較的低温における金属アルコキシドの加水分解反応による脱水縮合反応を行うことにより、三次元架橋が形成された光透過性の被膜が形成される。

上記（２）は、エアースプレーまたはスピンコータによって絶縁物１２を膜状にすることを含む。塗布された絶縁物１２にエアーを吹き付けたり、回転の遠心力で広げたりすることにより薄膜にする。したがって、上記（１）で塗布される絶縁物１２の量は、吹き飛ばされる量を考慮して膜状にされる絶縁物１２の量よりも多くする。膜厚は約１μｍ以下である。

従来であればＦＩＢを用いたＣＶＤにより、半導体デバイス１８の表面の一部分にＴＥＯＳを成膜したが、本発明は半導体デバイス１８の全体に絶縁物１２の薄膜を成膜することになる。従来のようにＦＩＢを出射するイオン銃やガスを局所的に放出するガス銃の難しい操作が必要なく、簡単に成膜をすることができる。

上記（３）は、恒温槽またはホットプレートで硬化させることを含む。硬化は、上述した金属アルコキシド組成物の加水分解反応による脱水縮合反応である。絶縁物１２を加水分解反応させる条件は、温度が約２４０℃であり、反応時間が約３時間である。比較的低温で硬化させることができるため、半導体回路２２に熱履歴が発生しにくく、半導体回路２２の劣化が発生しにくい。また、従来のＴＥＯＳの成膜と比較して短時間に成膜が終了する。

溶液濃度１０重量％の上記液体状の絶縁物１２を用いたところ約１μｍの膜厚となることが確認できた。また、溶液濃度３０重量％の場合は約２μｍの膜厚となることが確認できた。

さらに、溶液濃度１０〜３０重量％の場合、形成された金属酸化物ガラス膜１２をアルミナ粉末で研磨することも可能であることが確認できた。上記（２）で膜の平坦性が確保されなくても、膜形成後に膜を研磨する工程をおこなうことにより、膜を平坦にすることができる。

従来は真空下の成膜であったが、本発明は大気圧下の簡単な成膜となっている。ＴＥＯＳと比較して安価な金属酸化物ガラス膜を用いており、低価格で成膜がおこなえる。

上記（３）の後、以下の工程を含む。（４）図１（ｃ）のように、絶縁物１２にビアホール１４を形成する。（５）図１（ｄ）のように絶縁物１２上に導電性のパッド１６を形成する。（６）取り出し電極２６とパッド１６とを接続する。

上記（４）のビアホール１４の形成は、ＦＩＢを用いたエッチングによりおこなう。例えば、ＦＩＢのビーム電流は約１００〜６０００ｐＡである。

上記（５）および（６）の工程は、ＦＩＢを用いたＣＶＤによりおこなう。パッド１６をプローブの先端よりも広く形成する。（６）の工程においては、ビアホール１４内にタングステンを堆積させ、ビアホール１４内をタングステンで満たすようにする。（５）と（６）の工程はどちらが先であっても良い。例えば、ＦＩＢのビーム電流は約１００〜２０００ｐＡである。

上記（６）の工程後、ＩＲ−ＯＢＩＲＣＨ法であれば、パッド１６にプローブを接触させ、半導体回路２２に定電圧を印加し、半導体回路２２にレーザーを照射しながら電流の変化を解析する。

なお、半導体回路２２の解析はＩＲ−ＯＢＩＲＣＨ法に限定されず、半導体回路２２のリーク電流などによる発光を検出する周知の発光解析であってもよい。

以上のように、従来であればＴＥＯＳを成膜していたが、本発明であれば簡単に金属酸化物ガラス膜を成膜している。ＴＥＯＳよりも金属酸化物ガラス膜の方が安価であり、低価格で解析をおこなうことができる。

従来のようにＴＥＯＳを成膜することがないので、成膜時にＦＩＢの電荷が半導体回路２２に蓄積することがない。金属酸化物ガラス膜１２の成膜によって半導体回路２２の性能劣化が発生しない。

実施例として金属酸化物ガラス膜の絶縁特性を測定した結果を説明する。図３のように、Ａｌ配線４２上に金属酸化物ガラス膜１２を形成する。金属酸化物ガラス膜１２の膜厚は０．３μｍである。金属酸化物ガラス膜１２上にパッドＡをＦＩＢのＣＶＤによって形成する。また、金属酸化物ガラス膜１２にＦＩＢでエッチングし、金属酸化物ガラス膜１２の表面からＡｌ配線４２までのビアホールを設け、ビアホールを通してＡｌ配線４２と接続されるパッドＢをＦＩＢによるＣＶＤで形成する。パッドＡおよびパッドＢはタングステンである。Ａｌ配線４２は１μｍ配線ルールで形成されたものである。

図４にパッドＡ−Ｂ間の絶縁抵抗の測定結果を示す。電圧と電流の関係が比例関係を有しているのがわかる。オームの法則より、一定の絶縁抵抗があるのがわかる。したがって、金属酸化物ガラス膜１２が良好な絶縁膜となっているのがわかる。したがって、ＴＥＯＳの代わりに金属酸化物ガラス膜１２を使用できることが確認できた。金属酸化物ガラス膜１２の上にパッドＡ，Ｂを形成することができたことより、金属酸化物ガラス膜１２が凹凸の少ない平坦な絶縁膜であることも確認できた。

本発明について上述したが、その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

本発明の解析方法を示す図であり、（ａ）は半導体デバイスの上に絶縁物を滴下した図であり、（ｂ）は絶縁物を膜状に広げた図であり、（ｃ）は絶縁物にビアホールを開けた図であり、（ｄ）は絶縁物の上にパッドを形成した図である。 イオン銃やガスシステムを示す図である。 金属酸化物ガラス膜の絶縁特性を測定するための構成を示す図である。 図３の測定結果を示すグラフである。 半導体デバイスの構成を示す図である。 従来の解析方法を示す図であり、（ａ）は半導体デバイスの上にＴＥＯＳとパッドを形成した図であり、（ｂ）はＴＥＯＳおよびパッドの上面図である。 従来の解析装置の構成を示す図である。

符号の説明

１２：絶縁物（金属酸化物ガラス膜）
１４：ビアホール
１６，５２：パッド
１８：半導体デバイス
２０：基板
２２：半導体回路
２４：絶縁層
２６：取り出し電極
２８：分離酸化膜
３０：チャンバー
３２：イオン銃
３４，５４：ガスシステム
３６，５８：ガス源
３８，５６：バルブ
４０：ガス銃
４２：Ａｌ配線
５０：ＴＥＯＳ

Claims (9)

1. 基板と
   前記基板に形成された半導体回路と、
   前記基板および半導体回路の上に形成された絶縁層と、
   前記絶縁層の表面から半導体回路に形成されたビアホールと、
   前記ビアホールに埋め込まれ、金属で形成された取り出し電極と、
   を含む半導体デバイスの故障解析をおこなうための半導体解析装置であって、
   前記絶縁層および取り出し電極の上に液体状の絶縁物を塗布する手段と、
   塗布された前記絶縁物を膜状にする手段と、
   膜状にされた前記絶縁物を硬化させる手段と、
   を含む半導体解析装置。
2. 前記膜状にする手段は、エアースプレーまたはスピンコータを含む請求項１に記載の半導体解析装置。
3. 前記硬化させる手段は、恒温槽またはホットプレートを含む請求項１または２に記載の半導体解析装置。
4. 前記絶縁物が金属酸化物ガラス膜である請求項１乃至３に記載の半導体解析装置。
5. 前記絶縁物にビアホールを形成する手段と、
   前記絶縁物上に導電性のパッドを形成し、かつ、取り出し電極とパッドとを接続する手段と、
   を含む請求項１乃至４に記載の半導体解析装置。
6. 基板と
   前記基板に形成された半導体回路と、
   前記基板および半導体回路の上に形成された絶縁層と、
   前記絶縁層の表面から半導体回路に形成されたビアホールと、
   前記ビアホールに埋め込まれ、金属で形成された取り出し電極と、
   を含む半導体デバイスの故障解析をおこなう方法であって、
   前記絶縁層および取り出し電極の上に液体状の絶縁物を塗布するステップと、
   塗布された前記絶縁物を膜状にするステップと、
   膜状にされた前記絶縁物を硬化させるステップと、
   を含む半導体解析方法。
7. 前記膜状にするステップが、エアーの吹き付けまたは回転による遠心力によって絶縁物を膜状にすることを含む請求項６に記載の半導体解析方法。
8. 前記硬化させるステップが、加熱によって絶縁物を硬化させることを含む請求項６または７に記載の半導体解析装置。
9. 前記絶縁物にビアホールを形成するステップと、
   前記絶縁物上に導電性のパッドを形成するステップと、
   前記取り出し電極とパッドとを接続するステップと、
   を含む請求項６乃至８に記載の半導体解析装置。

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