JP2008089359A - 半導体集積回路の故障解析方法および故障解析装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】多層の配線層が形成されたLSIにおいて、解析の困難な下層の配線領域におけるショート不良およびショート欠陥配線を検出・可視化することができ、また、より簡略化された解析装置にて故障解析を実施することにより、故障解析作業の簡便化を図り、かつ故障箇所の特定および解析時間の短縮化が可能なLSIの故障解析技術を提供する。
【解決手段】LSIの故障解析装置において、信号発生器3からLSI2の電源電圧に交流変動成分を印加し、プローブ1および変動検出部5でLSI2内の電源電流変動、またはこの電源電流変動にて生ずる磁界強度などの電気的特性変動を検出して欠陥検出を行い、この欠陥検出結果に基づいてLSIの故障解析を行う。
【選択図】図1
【解決手段】LSIの故障解析装置において、信号発生器3からLSI2の電源電圧に交流変動成分を印加し、プローブ1および変動検出部5でLSI2内の電源電流変動、またはこの電源電流変動にて生ずる磁界強度などの電気的特性変動を検出して欠陥検出を行い、この欠陥検出結果に基づいてLSIの故障解析を行う。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体集積回路の故障解析技術に関し、特に、この故障解析を支援する半導体故障解析方法、および半導体故障解析装置に適用して有効な技術に関する。
例えば、半導体集積回路(以下LSI)の製造工程において、故障解析時間を短縮することは、プロセス構築期間の短縮を図り、プロセスラインの早期立ち上げを実現する上で非常に重要な事柄である。故障解析の遅れは、プロセス構築の遅れへとつながる。
また、半導体の量産工場においては、突発的な歩留り低下に対する早期回復や製品立ち上げ時の歩留り向上に対し、非常に有効となる。これには、LSIチップ内での故障箇所を特定し、多岐にわたる製造工程のうち、どの配線層の製造工程において発生し、どの着工装置で行われたかを判明させることが不可欠である。これにより、該当装置での着工を禁止し、着工装置の清掃や製造条件の変更など、不良要因に応じた各種対策を行うことができるので、故障解析時間の短縮は重要な課題となる。
しかし近年、微細化や高集積化の進むLSIでは配線パターンが膨大となり、解析時間の長期化だけでなく、故障箇所が特定されない事例が生じ、ショート欠陥を始めとするLSIの故障解析が困難なものとなっている。
LSIのショート欠陥を検出する故障解析技術の従来例として、特許文献1に開示されているOBIRCH法がある。本法は、半導体集積回路に対し、レーザ照射による走査を行い、走査箇所の電流変化を検出することにより故障解析を行う手法である。配線内のショート欠陥箇所に対してレーザ照射が行われると、欠陥箇所では局部的に温度が上昇し配線の抵抗値が変化する。この抵抗値変化により生ずる配線の電流変動量を捉えることで、欠陥を検出し箇所を特定している。
また同様に、LSIのショート欠陥を検出する故障解析技術の従来例として、特許文献2に開示されている発光解析(エミッション顕微鏡)法がある。本法では、トランジスタ内のゲート酸化膜などに欠陥を有する場合、酸化膜リーク等により高電界で加速されたホットキャリアが集中発生する。このホットキャリアの制動放射にて生ずる発光現象をCCDカメラ等にて計測することによりLSIの欠陥を検出し、箇所の特定を行う故障解析を行っている。
特開平10−307164号公報
特開平7−190946号公報
近年、微細化や高集積化の進むLSIでは配線の多層化が進み、故障解析においては、下層の配線領域にある欠陥を検出、可視化することが要求されている。しかし、OBIRCH法では、欠陥箇所の励起にレーザを用いるため、上層配線にレーザが吸収され、下層の配線領域にある欠陥に対してレーザ光を到達させることができず、下層の配線領域の故障解析は極めて困難となる。この対策として、レーザの出力レベルを増大する手法が挙げられるが、熱の伝達状態によっては欠陥箇所と異なる箇所でOBIRCH反応が観測される事例が生じてしまう。
また、発光解析法では、最下層に形成されたシリコン基板部のトランジスタ発光を表層より捉えるため、上層の配線層により遮蔽される問題や、配線の間隙より漏れ出す発光を検出するため、本来の欠陥位置と異なる解析結果となる問題を生じる。
以上の問題を解決するためには、欠陥箇所の活性化をレーザビームによる照射と異なる手法で実現し、欠陥部にて生ずる検出信号を、エミッション顕微鏡法にて取得する発光現象とは異なる現象にて行う事が要求される。
そこで、本発明の目的は、多層の配線層が形成されたLSIにおいて、解析の困難な下層の配線領域におけるショート不良およびショート欠陥配線を検出・可視化することができ、また、より簡略化された解析装置にて故障解析を実施することにより、故障解析作業の簡便化を図り、かつ故障箇所の特定および解析時間の短縮化が可能なLSIの故障解析技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本発明は、上記目的を達成するために、LSIの電源電圧に交流変動成分を印加し、LSI内の電源電流変動、またはこの電源電流変動にて生ずる磁界強度などの電気的特性変動を検出して欠陥検出を行い、この欠陥検出結果に基づいてLSIの故障解析を行うことを特徴とする。また、故障解析において、プローブ位置情報とチップの設計情報を相互参照し、故障箇所の特定を行うことを特徴とする。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
本発明によれば、多層の配線層が形成されたLSIにおいて、解析の困難な下層の配線領域におけるショート不良およびショート欠陥配線を検出・可視化することができ、また、より簡略化された解析装置にて故障解析を実施することにより、故障解析作業の簡便化を図り、かつ故障箇所の特定および解析時間の短縮化が可能となる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
(本発明の実施の形態の概要)
本発明は、LSIの電源電圧に交流変動成分を印加し、LSI内の電源電流変動、またはこの電源電流変動にて生ずる磁界強度などの電気的特性変動を検出して欠陥検出を行い、この欠陥検出結果に基づいてLSIの故障解析を行う、LSIの故障解析方法および故障解析装置に適用し、以下において各実施の形態を具体的に説明する。
本発明は、LSIの電源電圧に交流変動成分を印加し、LSI内の電源電流変動、またはこの電源電流変動にて生ずる磁界強度などの電気的特性変動を検出して欠陥検出を行い、この欠陥検出結果に基づいてLSIの故障解析を行う、LSIの故障解析方法および故障解析装置に適用し、以下において各実施の形態を具体的に説明する。
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態について、図1〜図3を用いて説明する。図1はLSIの故障解析装置の一例を示した概略図である。図2はインバータ回路の出力間ショート欠陥不良の一例を示した図である。図3は励振波に対する電源電流変動と磁界強度の信号波形の一例を示した図である。
本発明の第1の実施の形態について、図1〜図3を用いて説明する。図1はLSIの故障解析装置の一例を示した概略図である。図2はインバータ回路の出力間ショート欠陥不良の一例を示した図である。図3は励振波に対する電源電流変動と磁界強度の信号波形の一例を示した図である。
図1に示すように、本実施の形態のLSIの故障解析装置は、プローブ1、LSI2、信号発生器3、電源線4、変動検出部5、プローブ制御部6、そしてLSI2を所望の状態に設定するパターン発生部7および設定入力部8などを備えている。
この故障解析装置において、信号発生器3は、LSI2の電源電圧に交流変動成分を印加する印加手段として機能する。プローブ1および変動検出部5は、LSI2内の電源電流変動にて生ずる磁界強度を検出して欠陥検出を行う検出手段として機能する。また、欠陥検出結果に基づいてLSI2の故障解析を行う解析手段には、後述する図7のCADナビゲーションシステムなどが対応する。
本実施の形態では、信号発生器3から電源線4を介してLSI2の電源電圧に対し、交流変動成分を印加する。正常な配線部では貫通電流が生ずる電流経路が存在しないため、LSI2の内部では、図3(a)に示すように、励振波の変動成分に起因した電源電流の変動、磁界強度の変動は発生しない。
これに対して、LSI2の内部に欠陥箇所を有するとき、例えば図2に示すインバータ回路の出力間ショート欠陥不良にて考察すると、LSI2の内部では、図2(a)のように出力段のショート欠陥箇所12を経由してVccからGNDにかけて貫通電流11が生じる。この状態において、電源電圧に対して交流変動成分を印加すると、貫通電流が生じている欠陥配線では、PMOS9のON抵抗値であるRponとNMOS10のON抵抗値Rnonにより決定される電源電流変動が、図3(b)に示すように励振波の変動成分に同期して発生する。この時の等価回路は図2(b)にようになる。この電源電流変動の発生により、ショート欠陥配線では、図3(b)に示された電源電流変動に起因した磁界強度の交播磁界13が発生する。この交播磁界13をプローブ1にて電気信号として検出することにより、ショート欠陥の有無を検出し、LSI2に対し、故障箇所を一定領域の範囲内へ特定することができる。
この故障箇所の特定の際には、磁界強度について局所的な検出を行うことにより故障箇所を一定領域の範囲内に特定できる。また、この故障箇所の特定には、例えば良品、不良品の差分情報などを用いて故障および欠陥箇所を特定することができる。
以上により、本実施の形態によれば、信号発生器3、プローブ1および変動検出部5などを備え、信号発生器3からLSI2の電源電圧に交流変動成分を印加し、プローブ1および変動検出部5でLSI2内の電源電流変動にて生ずる磁界強度などの電気的特性変動を検出して欠陥検出を行うことで、ショート不良およびショート欠陥配線の故障箇所を特定することができる。
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態について、図4〜図6を用いて説明する。図4はLSIの故障解析装置の一例を示した概略図である。図5はLSIのサブストレート側からの故障解析の一例を示した図である。図6はLSIのサブストレート側からの故障解析を適用した故障解析装置の一例を示した概略図である。
本発明の第2の実施の形態について、図4〜図6を用いて説明する。図4はLSIの故障解析装置の一例を示した概略図である。図5はLSIのサブストレート側からの故障解析の一例を示した図である。図6はLSIのサブストレート側からの故障解析を適用した故障解析装置の一例を示した概略図である。
近年の微細化や高集積化のLSIでは多層化が進み、配線層が7層以上などの多層で形成された製品も多岐にわたっている。この結果、最下層の配線に有する故障解析では、欠陥配線より発生する交播磁界をLSIの表面より検出するため、計測対象となる磁界強度はより微小なものとなり、本磁界に基づく電気信号が電源系のノイズ等に埋もれてしまい検出が困難なものとなる。上記の問題を改善するための第2の実施の形態を、図4を用いて説明する。
図4に示すように、本実施の形態のLSIの故障解析装置は、プローブ1、LSI2、信号発生器3、電源線4、プローブ制御部6、LSI2を所望の状態に設定するパターン発生部7および設定入力部8と共に、同期計測部14、同期信号入力線15などを備えている。
本実施の形態において、信号発生器3では、電源線4を介してLSI2の電源電圧に対して交流変動成分を印加すると共に、同期信号入力線15を介して同期計測部14に電源電圧の交流変動成分と同一の周波数成分を有する同期信号を印加する。同期計測部14では、プローブ1にて検出した交播磁界に基づく電気信号に対して、入力された同期信号を用いて同期計測を行い、ノイズが重畳した微小な信号を高精度に検出する。
本実施の形態のような多層で形成された製品においては、LSIのサブストレート側より故障解析を行うことも可能である。LSIのサブストレート側からの故障解析の一例を図5を用いて説明する。
近年、LSIは微細化や高集積化が進み、多層構造化が顕著となっている。特にロジックLSIでは、7層以上などの多層の配線層を有する製品が一般的となり、下層配線にて生じた故障検出はより困難なものとなっている。
図5に示すLSIの故障解析では、上層の配線層に有する絶縁膜16、メタル配線17やPIQ等の保護膜18などが欠陥および欠陥配線を遮蔽する領域となり、下層配線になるに従い計測対象の磁界強度はより微小なものとなる。このため、下層配線に対して、保護膜18や配線層19に構成された酸化膜が上部に構成された表面側からではなく、基板21、ゲート20が構成されているLSIのサブストレート側の基板21を研磨し、サブストレート側より欠陥箇所および欠陥配線に対する故障解析を行う。
また、上記のLSIのサブストレート側からの故障解析を適用した故障解析装置の一例を、図6を用いて説明する。
図6に示す故障解析装置は、プローブ1、信号発生器3、変動検出部5、プローブ制御部6、LSI2を所望の状態に設定するパターン発生部7などを備え、LSI2はテスト基板22を用いて裏面側を上部に設置された形態にて解析が行われる。変動検出部5にて検出された電気的信号は表示装置23により可視化され、欠陥の有無を表示すると共に、故障箇所を一定領域の範囲内へ特定することができる。
以上により、本実施の形態によれば、上記第1の実施の形態と同様の効果が得られるとともに、特に、多層の配線層が形成されたLSI2において、解析の困難な下層の配線領域におけるショート不良およびショート欠陥配線の故障箇所を特定することができ、さらに表示装置23を備えた場合には、故障箇所を可視化することができる。
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態について、図7、図8を用いて説明する。図7はCADナビゲーションシステムを用いたLSIの故障解析装置の一例を示した概略図である。図8はCADナビゲーションシステムにおける故障解析画面の一例を示した図である。
本発明の第3の実施の形態について、図7、図8を用いて説明する。図7はCADナビゲーションシステムを用いたLSIの故障解析装置の一例を示した概略図である。図8はCADナビゲーションシステムにおける故障解析画面の一例を示した図である。
上記の第1、第2の各実施の形態により、LSIの故障を電流変動、または磁界強度分布として検出できる。また、局所的な検出を行うため、故障箇所の一次抽出として一定領域の範囲内に特定することが可能であり、励振条件の変更や検出領域の変更等、複数回の解析を行うことで、その範囲を縮小することも可能である。しかし、微細化や高集積化が顕著な近年のLSIでは、故障箇所を解析者がマニュアルで短時間に配線レベルの精度で正確に特定することは非常に困難である。また、複数層にわたり引き回された長距離配線では、実際の故障箇所と異常が検出された箇所が異なる可能性がある。
本事例では、故障箇所の2次抽出として、解析者は異常検出箇所の領域に包含する配線に対して、設計データを参照し、経路遡上等の解析を行う事が不可欠となる。これらLSIの故障箇所の特定を支援する技術およびシステムとして、本発明者らが以前に出願した特開2003−282665号公報に記載の技術を用いる。すなわち、この公報に記載の、被試験LSIのCAD設計データと故障解析にて検出された座標を対応づけ、故障箇所の特定をナビゲートするCADナビゲーションシステムを用いる。図7を用いて、CADナビゲーションシステム38を用いた故障解析の第3の実施の形態を説明する。
プローブ制御部6より抽出されたプローブ座標データ24は、座標、領域情報生成部36、座標、領域情報データ変換部35を介し、LSIの設計レイアウトデータと同一指標として取り扱うことのできるユーザーレイヤデータベース34に出力、蓄積される。プローブ座標データ24はまた、座標、領域情報生成部36において重心座標に指定することで、ユーザーが任意に条件設定した面積領域を解析領域として生成することができる。座標、領域情報データ変換部35では、本領域をポリゴンデータ化し、図8に示すユーザーレイヤのレイアウトデータ25に変換、ユーザーレイヤデータベース34に蓄積することができる。また、ユーザーレイヤデータベース34は、外部より任意の形式のファイル37にて各種のデータを入力することができる。入力例として、電子ビームテスタ、IDDQ解析装置等、各種の解析装置より得られたDUTのネット・セル情報やプロセスマージンの厳しいレイアウトパターン情報、過去の不良解析より得られた解析の重み付け条件など、入力データは多岐にわたる。
LSIの設計データは、レイアウトデータ25、レイアウト対ネットリスト対応情報データ26、ネットリストデータ27がシステムに入力される。各データは、データ変換部28を通してレイアウトデータベース29、レイアウト対ネットリスト対応情報データベース30、ネットリストデータベース31に蓄積される。各データベースは、相互にリンクされており、プローブ座標データに対応した設計レイアウトおよびネットリスト情報をレイアウト表示部32、およびネットリスト表示部33にて相互に対応を取りながら出力、表示することができる。
図8(a)(b)に示すように、CADナビゲーションシステム38における解析画面44上には、ユーザーレイヤ40に入力されたプローブ座標39と本座標に対応したLSIの配線層ごとの設計レイアウト情報が設計レイヤ41内に出力、表示される。解析画面44では、プローブ座標39に一致または近接するネット42、セル43が配線層ごとに表示、抽出できる。解析画面44では、プローブ座標39を重心座標に用いて作成したレイアウトデータ25も同様に表示することができ、画面上でユーザーが条件設定して領域を任意に拡大、縮小することができる。解析画面44では、プローブ座標39、レイアウトデータ25共に複数取り扱うことができ、表示色を指定、変更等により解析者が視覚的に区別化を図ることが可能である。
以上により、本実施の形態によれば、上記第1および第2の実施の形態と同様の効果が得られるとともに、特に、CADナビゲーションシステム38を用いることで、より簡略化された解析装置にて故障解析を実施することが可能となり、故障解析作業の簡便化を図り、かつ故障箇所の特定および解析時間の短縮化が可能となる。
なお、図8においては、第2の実施の形態の故障解析装置(図4)を例に記載しているが、第1の実施の形態の故障解析装置(図1)、第2の実施の形態の故障解析装置(図6)などにも適用できることは言うまでもない。また、本実施の形態においても、特開2003−282665号公報に記載の解析機能が実現されることは言うまでも無く、これによりLSIの故障解析において短時間に配線レベルで正確に特定することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
本発明は、LSIの故障解析技術に関し、特に、この故障解析を支援する半導体故障解析方法、および半導体故障解析装置に利用可能である。
1…プローブ、2…LSI、3…信号発生器、4…電源線、5…変動検出部、6…プローブ制御部、7…パターン発生部、8…設定入力部、9…PMOS、10…NMOS、11…貫通電流、12…欠陥箇所、13…交播磁界、14…同期計測部、15…同期信号入力線、16…絶縁膜、17…メタル配線、18…保護膜、19…配線層、20…ゲート、21…基板、22…テスト基板、23…表示装置、24…プローブ座標データ、25…レイアウトデータ、26…レイアウト対ネットリスト対応情報データ、27…ネットリストデータ、28…データ変換部、29…レイアウトデータベース、30…レイアウト対ネットリスト対応情報データベース、31…ネットリストデータベース、32…レイアウト表示部、33…ネットリスト表示部、34…ユーザーレイヤデータベース、35…座標、領域情報データ変換部、36…座標、領域情報生成部、37…ファイル、38…CADナビゲーションシステム、39…プローブ座標、40…ユーザーレイヤ、41…設計レイヤ、42…ネット、43…セル、44…解析画面。
Claims (14)
- 半導体集積回路の電源電圧に交流変動成分を印加し、前記半導体集積回路内の電源電流変動を検出して欠陥検出を行い、この欠陥検出結果に基づいて前記半導体集積回路の故障解析を行うことを特徴とする半導体集積回路の故障解析方法。
- 半導体集積回路の電源電圧に交流変動成分を印加し、前記半導体集積回路内の電源電流変動にて生ずる磁界強度を検出して欠陥検出を行い、この欠陥検出結果に基づいて前記半導体集積回路の故障解析を行うことを特徴とする半導体集積回路の故障解析方法。
- 半導体集積回路の電源電圧に交流変動成分を印加し、前記半導体集積回路内の電源電流変動にて生ずる電気的特性変動を検出して欠陥検出を行い、この欠陥検出結果に基づいて前記半導体集積回路の故障解析を行うことを特徴とする半導体集積回路の故障解析方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体集積回路の故障解析方法において、
前記半導体集積回路の故障解析では、良品、不良品の差分情報より故障および欠陥箇所を特定することを特徴とする半導体集積回路の故障解析方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体集積回路の故障解析方法において、
前記半導体積回路の故障解析では、前記電源電流変動または前記磁界強度または前記電気的特性変動について局所的な検出を行って欠陥箇所を一定領域の範囲内に特定することを特徴とする半導体集積回路の故障解析方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体集積回路の故障解析方法において、
前記半導体集積回路の故障解析では、故障箇所と前記電源電流変動または前記磁界強度または前記電気的特性変動の検出箇所とが異なる際に、異常検出箇所の領域に包含する配線に対して設計データを参照し、経路遡上の解析を行って欠陥箇所を特定することを特徴とする半導体集積回路の故障解析方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体集積回路の故障解析方法において、
前記半導体集積回路の欠陥検出では、前記電源電流変動または前記磁界強度または前記電気的特性変動の検出を前記半導体集積回路のサブストレート側より行うことを特徴とする半導体集積回路の故障解析方法。 - 多層の配線層が形成された半導体集積回路のショート欠陥およびショート欠陥配線を検出して解析する半導体集積回路の故障解析装置であって、
前記半導体集積回路の電源電圧に交流変動成分を印加する印加手段と、前記半導体集積回路内の電源電流変動を検出して欠陥検出を行う検出手段と、前記検出手段による欠陥検出結果に基づいて前記半導体集積回路の故障解析を行う解析手段とを有することを特徴とする半導体集積回路の故障解析装置。 - 多層の配線層が形成された半導体集積回路のショート欠陥およびショート欠陥配線を検出して解析する半導体集積回路の故障解析装置であって、
前記半導体集積回路の電源電圧に交流変動成分を印加する印加手段と、前記半導体集積回路内の電源電流変動にて生ずる磁界強度を検出して欠陥検出を行う検出手段と、前記検出手段による欠陥検出結果に基づいて前記半導体集積回路の故障解析を行う解析手段とを有することを特徴とする半導体集積回路の故障解析装置。 - 多層の配線層が形成された半導体集積回路のショート欠陥およびショート欠陥配線を検出して解析する半導体集積回路の故障解析装置であって、
前記半導体集積回路の電源電圧に交流変動成分を印加する印加手段と、前記半導体集積回路内の電源電流変動にて生ずる電気的特性変動を検出して欠陥検出を行う検出手段と、前記検出手段による欠陥検出結果に基づいて前記半導体集積回路の故障解析を行う解析手段とを有することを特徴とする半導体集積回路の故障解析装置。 - 請求項8〜10のいずれか1項に記載の半導体集積回路の故障解析装置において、
前記解析手段は、良品、不良品の差分情報より故障および欠陥箇所を特定することを特徴とする半導体集積回路の故障解析装置。 - 請求項8〜10のいずれか1項に記載の半導体集積回路の故障解析装置において、
前記解析手段は、前記電源電流変動または前記磁界強度または前記電気的特性変動について局所的な検出を行って欠陥箇所を一定領域の範囲内に特定することを特徴とする半導体集積回路の故障解析装置。 - 請求項8〜10のいずれか1項に記載の半導体集積回路の故障解析装置において、
前記解析手段は、故障箇所と前記電源電流変動または前記磁界強度または前記電気的特性変動の検出箇所とが異なる際に、異常検出箇所の領域に包含する配線に対して設計データを参照し、経路遡上の解析を行って欠陥箇所を特定することを特徴とする半導体集積回路の故障解析装置。 - 請求項8〜10のいずれか1項に記載の半導体集積回路の故障解析装置において、
前記検出手段は、前記電源電流変動または前記磁界強度または前記電気的特性変動の検出を前記半導体集積回路のサブストレート側より行うことを特徴とする半導体集積回路の故障解析装置。
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