JP2008016778A - 半導体検査装置および半導体検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置内部の欠陥部をより高い精度で検出する。
【解決手段】レーザ発生装置１０は、半導体装置１５の基板を構成するシリコン等の半導体材料を透過可能なパルス状のレーザ光を発生して検査対象となる半導体装置１５に対して照射する。検出器２０は、レーザ光の照射によって半導体装置１５が発生する（遠）赤外線を検出する。信号処理装置３０は、検出器２０の出力信号の大きさからレーザ光の照射に伴う半導体装置１５の発熱状態を抽出する。ここでレーザ発生装置１０と検出器２０とは、検査対象となる半導体装置１５を挟んで対向して位置する透過型の検査装置を構成する。また、半導体装置１５内部の３次元的な所定の領域内においてレーザ光の照射位置が走査可能となるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体検査装置および半導体検査方法に関し、特に半導体デバイス中の配線やビア、コンタクト等における不良を検査する装置および方法に関する。

従来から半導体デバイス中の配線やビア、コンタクト等における不良箇所を検査する種々の技術が知られている。例えば、特許文献１、２では、不良箇所を検出するために、被検体である半導体デバイスを電気的に駆動して欠陥部に発熱を引き起こし、この発熱の状態を２次元の赤外線センサーで検査する技術が開示されている。しかし、このような技術にあっては、断線が起こって回路を形成しなくなった場合には、欠陥部は発熱せず、欠陥部の検出を行うことができない。

これに対し、被検体にレーザ光を照射して加熱する技術が知られている。例えば特許文献３には、被検体表面に対物レンズを介してレーザ光線を集光して被検体表面を２次元的に走査し、レーザ光線によって加熱された被検体の微小部分から遠赤外線を発生させ、先の対物レンズでコリメートし落射光学系のために設けたミラーを透過したのち赤外線センサーで微小部分の発熱に起因する赤外線を検知することにより、被検体の欠陥を検出する装置が開示されている。このような装置によれば、断線部が内部の空隙となるような場合であっても、レーザ照射によって生じる熱がこもって温度が上昇するので、温度上昇を判定することで欠陥を検出することが可能である。

また、特許文献４には、半田接合部や配線経路に接続された電気導通検査用の端子を加熱箇所として利用し、電気導通検査用端子から半田接合部までの配線経路の差による熱抵抗および熱容量の違いなど、検査箇所固有のしきい値を用いて、半田接合部の接合状態や配線経路の状態に応じた熱抵抗および熱容量の違いで生じる温度上昇の違いに基づいて良否を判定する検査装置が開示されている。この装置によれば、接続状態検査用のスルーホールやパッド等の構造を新たに追加することなく、電子部品の接続状態を精度よく良否判定することができる。なお、特許文献４には、電気導通検査用の端子を加熱するレーザ光源と基板側に配置され温度上昇を検出する赤外放射温度計とを基板を挟んで対向して配置する例も記載されている。

特開平７−３１１１６８号公報 特開平１１−１８３５４９号公報 特開平３−４８１４４号公報 特開２０００−２６１１３７号公報（図７）

ところで、特許文献３における技術では、被検体の表面をレーザ光で照明し、被検体から発生した赤外光を、照明するのに用いた対物レンズと落射光学系で用いたミラーとを透過させる必要がある。ここで対物レンズとミラーは、照明用の短波長の光ビームを集光するためにも用いているため、ガラス等を使うことが想定される。しかし、この場合には、赤外光の吸収が大きくなり、被検体の欠陥情報を持つ赤外光の強度が小さくなってしまう。したがって、検出信号が弱くなって検出精度が低下する虞がある。

一方、特許文献４におけるレーザ光源と赤外放射温度計との配置位置によれば、基板を挟んで対向しているので、対物レンズとミラーとによって検出精度が低下することはない。

最近、半導体デバイスの微細化に伴って半導体デバイス中のコンタクトも小さくなってきており、コンタクトプラグと拡散層（ｎチャネル、ｐチャネル）へのオーミック接続が空隙等によって不完全になる不良が発生する可能性が高まってきている。また、半導体装置の内部構造の多層化が進んで、半導体装置内部において欠陥部が生じる場合も増大してきている。このような不良箇所を検出するためには、特許文献３、４に示したような半導体装置の表面部分にレーザ光を照射して加熱する技術では、内部の欠陥部を検出する際に充分な精度で検出することが困難となる虞がある。

本発明の１つのアスペクトに係る半導体検査装置は、検査対象となる半導体装置に対してパルス状のレーザ光を照射するレーザ発生装置と、レーザ光の照射によって半導体装置が発生する赤外線を検出する検出器と、検出器の出力信号の大きさからレーザ光の照射に伴う半導体装置の発熱状態を抽出する信号処理部と、を備える。そして、レーザ発生装置と検出器とは、半導体装置を挟んで対向して位置すると共に、半導体装置内部の３次元的な所定の領域内でレーザ光の照射位置が走査可能となるように構成される。

本発明の１つのアスペクトに係る半導体検査方法は、検査対象となる半導体装置を挟んで対向して位置するレーザ発生装置と赤外線の検出器とを備える半導体検査装置が半導体装置の欠陥を検査する方法である。この方法は、半導体装置に対してパルス状のレーザ光をレーザ発生装置によって照射するステップと、レーザ光の照射によって半導体装置が発生する赤外線を検出器によって検出するステップと、検出器の出力信号の大きさからレーザ光の照射に伴う半導体装置の発熱状態を抽出するステップと、レーザ光の照射位置を、前回の照射位置における熱的影響を受けないように、半導体装置内部の３次元的な所定の領域内で移動させるステップと、を含む。

本発明によれば、レーザ発生装置と検出器とは、半導体装置を挟んで対向して位置すると共に、半導体装置内部の３次元的な所定の領域内でレーザ光の照射位置が走査可能となるように構成されるので、半導体装置内部の欠陥部をより高い精度で検出することが可能である。

本発明の実施形態に係る半導体検査装置は、レーザ発生装置（図１の１０）と検出器（図１の２０）と信号処理装置（図１の３０）とを備える。レーザ発生装置（図１の１０）は、半導体装置（図１の１５）の基板を構成するシリコン等の半導体材料を透過可能なパルス状のレーザ光を発生して検査対象となる半導体装置に対して照射する。検出器（図１の２０）は、レーザ光の照射によって半導体装置が発生する（遠）赤外線を検出する。信号処理装置（図１の３０）は、検出器の出力信号の大きさからレーザ光の照射に伴う半導体装置の発熱状態を抽出する。ここでレーザ発生装置と検出器とは、検査対象となる半導体装置を挟んで対向して位置する透過型の検査装置を構成する。また、半導体装置内部の３次元的な所定の領域内においてレーザ光の照射位置が走査可能となるように構成される。

また、検出器は、赤外線を２次元的に撮像するＣＣＤ等の撮像装置であって、信号処理装置は、撮像装置が出力する２次元画像に基づいて発熱状態を抽出するようにしてもよい。さらに、検出器は、赤外線を検出する検出素子であって、照射位置が走査されるように半導体装置が可動するように構成されてもよい。また、レーザ光の照射位置を、前回の照射位置における熱的影響を受けないように、３次元的な所定の領域内で移動させるようにする。すなわち、加熱光としてパルス状のレーザ光を用いて半導体装置を照射し、各パルスによる加熱状態から冷めるまでの時間を待って近接する微小箇所を次のパルス光が加熱するような時間配分を行う。あるいは、各パルスの加熱状態が及ばないような離れた箇所を早めに次のパルスが加熱するような空間配分を行う。このように走査を行うことで高分解能となる熱画像を高速に取得することができる。以下、実施例に即し、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係る半導体検査装置の構成を示すブロック図である。図１において、半導体検査装置は、レーザ発生装置１０、ビーム走査系１１、レンズ１２、ミラー１３、対物レンズ１４、結像光学系１６、検出器２０、信号処理装置３０を備える。レーザ発生装置１０から出力されたパルス状のレーザ光は、ビーム走査系１１によって照射方向が制御され、レンズ１２によって平行光にされてミラー１３に入射される。ミラー１３で反射されたレーザ光は、対物レンズ１４によって集光されて検査対象である半導体装置１５内の所定の位置を照射する。半導体装置１５は、レーザ光が照射されることで加熱され、遠赤外光を発する。この遠赤外光は、結像光学系１６で集光されて検出器２０に入力される。検出器２０は、入力された遠赤外光の強度に対応した信号を信号処理装置３０に出力するフォトマル等の１次元センサーあるいはＣＣＤ等の２次元センサーである。信号処理装置３０は、半導体装置１５の発熱状態を抽出し熱画像を得る。

図２は、半導体検査装置の主要部の構成を示すブロック図である。図２において、図１と同一の符号は、同一物を表す。信号処理装置３０は、信号処理部３１と制御部３２を備える。信号処理部３１は、検出器２０から出力される信号を処理して熱画像を得る。制御部３２は、一つの照射点についての熱画像の取得処置が終わる毎に、半導体装置１５における次の検査点に照射点を移動するためにビーム走査系１１の制御あるいは半導体装置１５の移動の制御を行う。そして、照射点が定められた後にレーザ発生装置１０に対してパルス状のレーザ光の発生を指示する。検出器２０が２次元センサーである場合には、半導体装置１５においてレーザ光が走査されるようにビーム走査系１１における照射方向を制御する。また、検出器２０が１次元センサーである場合には、半導体装置１５においてレーザ光が走査されるように半導体装置１５を移動させるようにしてもよい。

ここで半導体装置の表面から光ビームで加熱する場合は、赤外光よりも波長の短い、例えば可視光を用いることができる。この場合は、半導体装置の表面を加熱光ビームの照射方位に向けて配置し、発生した遠赤外線を半導体装置のシリコンからなる基板を通して裏面方向に配置した遠赤外線検出系を用いて検出するようにしてもよい。なお、図示していないが、照射箇所を確認するために、モニター用の画像を得る光学系を照射側の光学系に組み込むこともできる。

また、最近では、半導体装置の内部構造が多層化されてきて、半導体装置の表面から加熱できなくなってきている。そこで、半導体装置の基板側から加熱するようにしてもよい。この場合には、半導体装置を構成する半導体材料、例えばシリコンを透過する波長１μｍほどの光ビームを基板裏面から照射し、微小箇所を加熱する。ここで、加熱光を集光する際に、固浸レンズ（ｓｏｌｉｄ ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｌｅｎｓｅ：ＳＩＬ）等でスポット径を小さくすれば、より検出感度を上げることができる。なお、加熱光をパルスとした場合に、熱情報画像の分解能は、入射光の集光スポットサイズ（０．２μｍ）程度まで上げることが可能である。

加熱された箇所から発生する１μｍよりも長い遠赤外線のみを通過して得られる光線を、遠赤外線の検出光学系で検出することによって、解像度の高い欠陥情報を含む熱画像を得ることができる。この場合は、遠赤外線が半導体装置の表面側から放出されたものを検出している。

次に、半導体検査装置の動作について説明する。図３は、本発明の実施例に係る半導体検査装置の動作を示すフローチャートである。図３において、始めに検査対象となる半導体装置１５を所定位置にセットする（ステップＳ１０）。

ステップＳ１１において、制御部３２は、レーザ発生装置１０に対してパルス状のレーザ光の発生を指示し、レーザ発生装置１０によって発せられたパルス状のレーザ光が半導体装置１５の所定の位置を照射する。

ステップＳ１２において、検出器２０は、レーザ光が照射された半導体装置１５の所定の位置から発生される遠赤外光の強度に対応した信号を検出して信号処理部３１に出力する。

ステップＳ１３において、信号処理部３１は、半導体装置１５の所定の位置における発熱状態を抽出して熱画像を取得する。

ステップＳ１４において、制御部３２は、半導体装置１５における所望の走査領域の走査が終了したか否かを判断し、終了していない場合には、ステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５において、制御部３２は、ビーム走査系１１あるいは半導体装置１５に対して次の処理対象となる検査点に照射点を移動するように制御する。

ステップＳ１６において、制御部３２は、前回の照射点における発熱状態が定常状態に戻るのを所定時間待ち、所定時間経過後にステップＳ１１に進む。

このように動作する半導体検査装置は、レーザ発生装置１０と検出器２０とが半導体装置１５を挟んで対向して位置して透過型の検査装置を形成する。また、半導体装置１５の内部の３次元的な所定の領域内でレーザ光の照射位置が走査可能となるようにビーム走査系１１を動作させる。透過型の検査装置であるので、加熱用のレーザ光と熱放射される遠赤外光が両方通る光学系を必要とせず遠赤外線をほとんど減衰させることがない。したがって、発熱状態を示す熱画像の高解像化が図られる。

次に半導体装置１５の内部構造に係る発熱状態について説明する。図４は、半導体装置１５の内部構造の例を模式的に示す図である。図４において、半導体装置１５は、シリコン基板４０の上部配線層にメタル配線４１ａ、４１ｂなどを備え、メタル配線間あるいはメタル配線とシリコン基板間には、ビアプラグ４２ｂやコンタクトプラグ４２ａが接続されている。ここで、加熱用の光レーザＬを走査し、パルス状のレーザ光が集光された箇所Ａが加温される。箇所Ａからは遠赤外線Ｒが放射される。パルス状のレーザ光は走査されることで、レーザ光が通りすぎると加温された箇所の温度が下がる。この加温と冷却の過程は、被検体である半導体装置の素材と構造とによって異なってくる。例えば、高抵抗箇所あるいはオープン箇所Ｂでは、熱の伝播が妨げられて温度上昇が正常部よりも大きくなる。一方、ショート箇所Ｓでは、熱の伝播が促進されて一般に温度上昇が正常部よりも小さくなる。そこで発熱状態を表す画像（熱画像）を観測することで、高抵抗箇所、オープン箇所、およびショート箇所等の欠陥箇所を検出することができる。

図５は、半導体装置の発熱状態を表す画像の例を示す図である。図５（ａ）における円は、この円の中心に対応してパルス状のレーザ光を照射し、所定時間後に或る閾値以上の発熱状態にある部分を図示したものである。すなわち、円の大きさは、誘起された赤外線の総量に相当する。またここでは、４点の画像を合成して表示している。図５において、例えばＰ１の円は、誘起された赤外線の総量が大きいことを意味し、Ｐ２の円は、誘起された赤外線の総量が小さいことを意味する。また、図５（ｂ）における円の中心の小円Ｑ１、Ｑ２は、円の大きさに対応させて濃度として表示したものであり、濃度の濃いほど誘起された赤外線の総量が大きいことを意味させるようにしたものである。なお、図５は、発熱状態を表す画像の一例であって、他に数値を表示したり、棒グラフ等で表示したりしてもよく、様々な表示方法で表示してもよい。

このように表示される発熱状態を表す画像（熱画像）を観測することで、高抵抗箇所、オープン箇所、およびショート箇所等の欠陥箇所を検出することができる。特に、予め正常な半導体装置に関する熱画像を比較基準として記録しておき、この記録されている熱画像と被検体である半導体装置の熱画像とを比較することで、より高精度に欠陥箇所を検出することができる。また、パルスを用いる場合のセンサーとしてＣＣＤ等の２次元センサーを用いる場合、パルス照射の時間間隔を短くできるため高速に画像を取得することができる。

本発明の実施例に係る半導体検査装置の構成を示すブロック図である。 半導体検査装置の主要部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係る半導体検査装置の動作を示すフローチャートである。 半導体装置の内部構造の例を模式的に示す図である。 半導体装置の発熱状態を表す画像の例を示す図である。

符号の説明

１０ レーザ発生装置
１１ ビーム走査系
１２ レンズ
１３ ミラー
１４ 対物レンズ
１５ 半導体装置
１６ 結像光学系
２０ 検出器
３０ 信号処理装置
３１ 信号処理部
３２ 制御部
４０ シリコン基板
４１ａ、４１ｂ メタル配線
４２ａ コンタクトプラグ
４２ｂ ビアプラグ

Claims (9)

1. 検査対象となる半導体装置に対してパルス状のレーザ光を照射するレーザ発生装置と、
   前記レーザ光の照射によって前記半導体装置が発生する赤外線を検出する検出器と、
   前記検出器の出力信号の大きさから前記レーザ光の照射に伴う前記半導体装置の発熱状態を抽出する信号処理部と、
   を備え、
   前記レーザ発生装置と前記検出器とは、前記半導体装置を挟んで対向して位置すると共に、前記半導体装置内部の３次元的な所定の領域内で前記レーザ光の照射位置が走査可能となるように構成されることを特徴とする半導体検査装置。
2. 前記レーザ発生装置は、前記半導体装置を構成する半導体材料に対して透過可能なレーザ光を前記半導体装置の基板側から照射することを特徴とする請求項１記載の半導体検査装置。
3. 前記検出器は、赤外線を２次元的に撮像する撮像装置であって、前記信号処理部は、前記撮像装置が出力する２次元画像に基づいて前記発熱状態を抽出することを特徴とする請求項１記載の半導体検査装置。
4. 前記検出器は、赤外線を検出する検出素子であって、前記照射位置が走査されるように前記半導体装置が可動するように構成されることを特徴とする請求項１記載の半導体検査装置。
5. 前記レーザ光の照射位置を、前回の照射位置における熱的影響を受けないように前記所定の領域内で移動させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の半導体検査装置。
6. 検査対象となる半導体装置を挟んで対向して位置するレーザ発生装置と赤外線の検出器とを備える半導体検査装置が該半導体装置を検査する方法であって、
   前記半導体装置に対してパルス状のレーザ光を前記レーザ発生装置によって照射するステップと、
   前記レーザ光の照射によって前記半導体装置が発生する赤外線を前記検出器によって検出するステップと、
   前記検出器の出力信号の大きさからレーザ光の照射に伴う前記半導体装置の発熱状態を抽出するステップと、
   前記レーザ光の照射位置を、前回の照射位置における熱的影響を受けないように、前記半導体装置内部の３次元的な所定の領域内で移動させるステップと、
   を含むことを特徴とする半導体検査方法。
7. 前記レーザ発生装置によって照射するステップにおいて、前記レーザ発生装置は、前記半導体装置を構成する半導体材料に対して透過可能なレーザ光を前記半導体装置の基板側から照射することを特徴とする請求項６記載の半導体検査方法。
8. 前記検出器は、赤外線を２次元的に撮像する撮像装置であって、
   前記発熱状態を抽出するステップにおいて、前記撮像装置が出力する２次元画像に基づいて前記発熱状態を抽出することを特徴とする請求項６記載の半導体検査方法。
9. 前記検出器は、赤外線を検出する検出素子であって、
   前記所定の領域内で移動させるステップにおいて、前記照射位置が走査されるように前記半導体装置を移動させることを特徴とする請求項６記載の半導体検査方法。

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