JP2010002251A

JP2010002251A - 半導体装置の不良解析方法

Info

Publication number: JP2010002251A
Application number: JP2008160152A
Authority: JP
Inventors: Akira Shimase; 朗嶋瀬; Masakazu Matsumoto; 賢和松本; Tadayoshi Hasebe; 忠義長谷部
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2010-01-07

Abstract

【課題】不良解析の初期段階で不良要因を推定し、不良解析の確度の向上、および解析時間を短縮化させる。
【解決手段】レーザ発振器６から光学系７を介してステージ８上に載置したサンプルＳＰにレーザ光を走査・照射して電源電流変化を制御部９上で２次元画像化し、ＯＢＩＲＣＨ解析を行う。ＯＢＩＲＣＨ反応を検出した反応点にレーザをスポット照射し、テスタ３がモニタするδＩＤＤＱをテスタ制御部４が算出する。この場合、正常値を示すＩＤＤＱ値Ｉｇに対する異常値を示すＩＤＤＱ値Ｉｎｇのレーザ非照射時の差分δＩＤＤＱ₀がレーザ照射時の差分δＩＤＤＱ₁に変化し、その時の両者δＩＤＤＱ₀とδＩＤＤＱ₁の大きさに基づいて、制御部９が判断する。たとえば、δＩＤＤＱ₀＜δＩＤＤＱ₁では拡散層起因の不良、δＩＤＤＱ₀＞δＩＤＤＱ₁では配線ショート起因の不良とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の不良解析技術に関し、特に、静的な状態の電源電流の測定結果を用いた不良要因の解析に有効な技術に関する。

不良解析は、半導体装置を製造する各段階において不可欠で、開発段階では開発期間の短縮のために、量産段階では歩留りの早期向上のため、顧客からの返品段階においては顧客と工程へのフィードバックのための解析となる。

どの段階においても、解析のＴＡＴ（ＴｕｒｎＡｒｏｕｎｄＴｉｍｅ）を短くすること、解析の成功率を上げることが、解析によるフィードバックの効果を引き出すために必要である。そのため、これまでに各種の解析手法の開発が成され、さらに、それらを効率的に組み合わせて駆使し、不良箇所を絞り込んでいる。

最近の解析では、ＩＤＤＱの測定を行い、ＩＤＤＱ異常のあるパターンを設定して、発光解析やＯＢＩＲＣＨ（ＯｐｔｉｃａｌＢｅａｍＩｎｄｕｃｅｄＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＣｈａｎｇｅ）解析を実施することが多くなっている。

ここで、ＩＤＤＱについて説明する。

半導体装置の回路は一定のクロック信号に従って、動作している。消費電力が低いために、近年主流であるＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）回路の場合、電源電流（ＩＤＤ）は、パターンが切り替わる遷移時に一定時間の過渡電流が流れる動的な状態から、その後電源電流が殆ど流れない静的な状態に移行する。

この静的な状態における電源電流（ＩＤＤ）のことを、ＩＤＤＱ（ＱｕｉｅｓｃｅｎｔＩＤＤ）と呼んでいる。実際、ＣＭＯＳ回路が正常な状態ではＩＤＤＱが小さな値を示すが(一定のリークが存在するため、完全な０とはならないのが通常)、配線のどこかにショート不良、あるいはオープン不良が存在する時には、静的な状態であるべき所であっても、配線が中間電位による貫通電流やゲートからのリーク電流が流れるために、大きな値を示す異常時のＩＤＤＱが流れることになる。

この大きなＩＤＤＱを流すパターンが何らかの不良状態を惹起しているため、上記のようにこのパターンに設定した状態で解析を実施している。

この種の解析技術としては、ＳＤＬ（ＳｏｆｔＤｅｆｅｃｔＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ）と呼ばれる解析が広く知られている（たとえば、非特許文献１参照）。このＳＤＬ解析とは、１３００ｎｍの波長を持つレーザ光を、半導体装置サンプルに走査、照射しつつテスタを動作させるもので、基本的には走査の各点毎にテスタのバス／フェイルの変化を測定して、それをレーザ走査に対応した２次元空間で画像化する。
原田、則松、浦田、田崎、中村、中西、若松「ＤＬＳ解析システムの構築」ＬＳＩテスティングシンポジウム／２００５会議録、ｐｐ．３０９−３１４、２００５

本発明者は、上記のようなＳＤＬ解析技術の更なる改善を検討し、改善の余地があることを見い出した。

すなわち、ＳＤＬ解析においては、上述したように波長１３００ｎｍのレーザ照射を行うことにより、局所的に半導体装置サンプルを加熱し、その加熱による体積膨張などが誘起する信号パス変化、それによるパス／フェイルの変化を捕捉することで、これまで見つけにくかった不良位置の特定を可能としている。

しかしながら、ＳＤＬ解析検出しているのは、局所加熱によるパス／フェイルの変化であり、そこに高抵抗の可能性のある不良があることは示唆されるが、その不良が何であるかの指針を得ることはできず、不良要因の特定が困難になってしまう恐れがある。

本発明の目的は、不良解析の初期段階で不良要因を推定し、不良解析の確度の向上、および解析時間を短縮化させることのできる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、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、不良解析システムを用いて半導体装置の不良解析を行う半導体装置の不良解析方法であって、不良解析を行うサンプルの不良の可能性のある不良箇所の静的な状態における電源電流を測定するステップと、該サンプルの不良箇所にレーザ光を照射して加熱し、不良箇所の静的な状態における電源電流を測定するステップと、測定したレーザ光の非照射時の電源電流の差分と照射時の電源電流との差分を算出し、該差分からサンプルの不良を推定するステップとを有するものである。

また、本発明は、前記サンプルの不良を推定するステップが、レーザ光の非照射時の電源電流の差分が、照射時の電源電流の差分よりも小さい場合に拡散層起因の不良と推定し、レーザ光の非照射時の電源電流の差分が、照射時の電源電流の差分よりも大きい場合に配線ショート起因の不良と推定するものである。

また、本願のその他の発明の概要を簡単に示す。

本発明は、不良解析システムを用いて半導体装置の不良を解析する半導体装置の不良解析方法であって、不良解析を行うサンプルにレーザ光を照射し、測定パターンを掃引して静的な状態における電源電流値を取得し、取得した異常な電源電流値と正常な電源電流値との差分を計算するステップと、計算した差分値から、反応点を検出し、サンプルの不良を推定するステップとを有するものである。

また、本発明は、前記サンプルの反応点にレーザ光を走査、照射し、レーザ光のレーザスポット毎に測定パターンを掃引して静的な状態の電源電流値を取得するステップと、取得した異常の電源電流値と正常の電源電流値との差分を計算するステップと、計算した差分値から、反応点を検出し、検出された反応点形状とレイアウト上での配線ネットの形状とで対照させ、不良に絡む配線ネットを特定するステップとを有するものである。

さらに、本発明は、前記サンプルの反応点にレーザ光を走査、照射し、レーザ光のレーザスポット毎に測定パターンを掃引して静的な状態の電源電流値を取得するステップと、取得した異常の電源電流値と正常の電源電流値との差分を計算するステップと、計算した差分値から、反応点を検出し、検出した反応点に含まれる配線ネット上にレーザ光をスポット照射し、各スポット照射時の電源電流の差分におけるレーザ光の照射時、および非照射時の差異を計算し、不良に絡む配線ネットを特定するステップとを有するものである。

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。

（１）不良解析の初期段間において、不良要因を推定することができるので、不良要因の絞り込みを進める先の解析での無駄を排除することができる。

（２）また、不良解析の確度を大幅に向上させることができる。

（３）さらに、上記（１）、（２）により、解析ＴＡＴの短縮化、および解析成功率を向上させることが可能となり、開発期間の短縮、量産の早期立ち上げ、ならびに顧客信頼度を向上させることができる。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による不良解析システムの構成例を示す説明図、図２は、不良要因によるＩＤＤＱの温度特性を示す実験結果の説明図、図３は、図１の不良解析システムによる不良解析例を示す説明図である。

本実施の形態１において、不良解析システム１は、ＩＤＤＱの差分、δＩＤＤＱの温度特性を調べることで、不良解析を行うシステムである。不良解析システム１は、図１に示すように、ＯＢＩＲＣＨ解析装置２、テスタ３（１０５）、テスタ制御部４（１０６）、およびワークステーション５（１０７）から構成されている。

ＯＢＩＲＣＨ解析装置２は、レーザを照射したときの電流（電圧）変動を検出し、サンプルＳＰとなる半導体装置におけるリーク電流経路やコンタクト部の抵抗異常箇所を解析する。

このＯＢＩＲＣＨ解析装置２は、レーザ発振器６、光学系７、ステージ８ならびに制御部９から構成されている。レーザ発振器６は、レーザを出力し、光学系７は、レーザ発振器６から出力されたレーザ光を走査、照射する。

ステージ８は、解析を行うサンプルＳＰを載置する。制御部９は、たとえば、パーソナルコンピュータなどからなり、ＯＢＩＲＣＨ解析装置２の制御を司る。

また、テスタ３は、解析を行うサンプルＳＰのＩＤＤＱを測定する。テスタ制御部４は、テスタ３の制御を司る。ワークステーション５は、サンプルＳＰのネット配線などをレイアウトデータ上で確認する。

図２は、不良要因によるＩＤＤＱの温度特性を示す実験結果の説明図である。

発光解析やＯＢＩＲＣＨ解析において、図２の上段に示す不良要因によって、ＩＤＤＱの変化に独特の温度特性がある。不良要因がゲートピンホール、あるいは結晶欠陥のように拡散層に絡む不良の場合、サンプルＳＰを加熱すると異常なＩＤＤＱ値Ｉｎｇと正常なＩＤＤＱ値Ｉｇはそれぞれ上昇するが、その上昇は、異常なＩＤＤＱ値Ｉｎｇの方が正常なＩＤＤＱ値Ｉｇよりも大きく変化する。

つまり、ＩＤＤＱ差分として常温状態でのδＩＤＤＱ_t0、加熱状態でのδＩＤＤＱ_t1とすると、拡散層起因の不良の場合には、δＩＤＤＱ_t0＜δＩＤＤＱ_t1となる。一方、不良の要因が配線のショートの場合、上記の傾向は逆になり、δＩＤＤＱ_n0＞δＩＤＤＱ_n1となる（図２、中段のグラフを参照）。

さらに、その結果をまとめた図２の下段にように、拡散層起因の不良の場合には、正の温度特性、配線ショート起因の不良の場合には負の温度特性、またはほとんど温度特性のない状態であることが示されている。

これらの実験結果に基づきＩＤＤＱの差分、およびδＩＤＤＱの温度特性を調べることで、不良要因の切り分けを可能にすることができる。さらに、レーザを有効に用いることにより、半導体装置のサンプルＳＰを局所的に加熱することも可能であり、これにより、不良をさらに絞り込むことも可能となる。

次に、本実施の形態による不良解析システム１の不良解析技術について、図１、および図３を用いて説明する。

まず、ＯＢＩＲＣＨ解析装置２によりＯＢＩＲＣＨ解析を実施する。レーザ発振器６から出力されたレーザを、図３（ａ）の最上部に示すように、光学系７を通してステージ８上に載置した半導体装置のサンプルＳＰ上に走査・照射して電源電流変化を制御部９上で２次元画像化して解析する。トランジスタのゲート部のピンホールや結晶欠陥に絡む不良、あるいは配線のショート不良の部位Ｂ１がＯＢＩＲＣＨ解析で顕在化することが多い。

そして、さらに解析を進めるため、図３（ｂ）に示すように、ＯＢＩＲＣＨ反応を検出した反応点Ｂ１にレーザ光のレーザスポットＬＳを照射すると、その部分が局所的に加熱されて、図２で述べた温度特性に従って、テスタ３によってモニタされるδＩＤＤＱが変化し、テスタ制御部４によってδＩＤＤＱが算出される。

それは、図３（ｃ）に示すように、正常値を示すパターンでのＩＤＤＱ値Ｉｇに対する異常値を示すパターンでのＩＤＤＱ値Ｉｎｇのレーザ非照射時の差分δＩＤＤＱ₀がレーザ照射時の差分δＩＤＤＱ₁に変化し、その時の両者δＩＤＤＱ₀とδＩＤＤＱ₁の大きさに基づいて、制御部９が不良の切りわけを判断する。

たとえば、δＩＤＤＱ₀＜δＩＤＤＱ₁であれば図３（ｃ）下部の左側に示すように、拡散層起因の不良Ｆ１、δＩＤＤＱ₀＞δＩＤＤＱ₁であれば、図３（ｃ）下部の右側に示すように、配線ショート起因の不良Ｆ２と切り分ける。

それにより、本実施の形態１によれば、サンプル不良の原因を高精度に、且つ短時間で解明することができ、解析ＴＡＴを短縮することができる。

また、ＯＢＩＲＣＨ解析の他にも、発光解析や電子ビームを走査・照射して配線に吸収された電流を検出して配線の繋がり状態を観察する解析手法など、別の解析手法を組み合わせて、解析の確度をさらに上げることもあるが、この段階での不良要因推定情報があることで、先の解析での進め方もそれに沿って決めることができ、解析の効率を上げることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２による拡散層起因の不良に関する不良解析例を示す説明図、図５は、本発明の実施の形態２による配線ショート起因の不良に関する不良解析例を示す説明図である。

本実施の形態２においては、不良解析システム１の構成は、前記実施の形態１の図１と同様に、ＯＢＩＲＣＨ解析装置２、テスタ３、テスタ制御部４、およびワークステーション５からなり、ＯＢＩＲＣＨ解析装置２の構成も、同様に、レーザ発振器６、光学系７、ステージ８、ならびに制御部９からなる。

この不良解析システム１において、図４（ａ）、図５（ａ）に示すように、レーザ発振器６から放射したレーザを光学系７で集束してステージ８上に載置した半導体装置のサンプルＳＰに走査・照射する。その際、検出する反応点Ｂ２は、前記実施の形態１でのＯＢＩＲＣＨ反応とは異なる情報に基づいている。

光学系７を介して照射されるレーザスポットＬＳは、図４（ｂ）、図５（ｂ）に示すように、次々に移動していくが、それぞれの照射点において、テスタ３で一定の長さのＩＤＤＱ測定パターンを掃引する。

このパターンには、正常のＩＤＤＱと異常のＩＤＤＱを誘起するパターン両方が含まれているので、正常のＩＤＤＱ値Ｉｇと異常のＩＤＤＱ値Ｉｎｇとに測定ＩＤＤＱが分離する。１つのレーザスポットＬＳについて、この測定が終了すると両者の平均値をテスタ制御部４で計算する。

この時、正常のＩＤＤＱ値Ｉｇは最低値、異常のＩＤＤＱ値Ｉｎｇは最大値を計算する方法も可能であるが、その場合、何かの要因で突出した値が含まれていると正しい判断基準を失うことになるため、平均値を計算する方が合理的として、こちらの計算値を採用することが多い。

もし、不良要因が拡散層起因であれば、図４（ｃ）、図５（ｃ）に示すＩＤＤＱ変化のように中央に不良要因部として、そこが加熱された時に大きな温度依存性を示した変化がＩＤＤに生じる。

ここで、単にＩＤＤＱ値の大きさだけに着目すると不良要因による差異を捉えることができないため、ＩＤＤＱの差分δＩＤＤＱを計算している。そのままの値を２次元画像としてもよいし、基準の差分をδＩＤＤＱ₀として、これを不良部に関連しない部位で取得した値として設定してオフセット値にセットして、信号変化をより明確に捉えるようにしてもよい。

図４は、拡散層起因の不良に関する図であるため、図４（ｃ）の下方に示すように、δＩＤＤＱは不良部Ｆ２で大きくなる傾向を示している。一方、図５は、配線ショート起因の不良の場合であり、不良部Ｆ３では、図５（ｃ）の下方に示すように、逆にδＩＤＤＱが減少する傾向を示している。

それにより、本実施の形態２では、ＩＤＤＱ値の差分をレーザ走査・照査に同期して２次元画像化することで、不良要因によって符号が反転した検出信号を得、この段階で、不良要因の切り分けが可能となる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３によるネット不良の検出に関する不良解析例を示す説明図、図７は、本発明の実施の形態３によるネット不良の検出に関する他の不良解析例を示す説明図である。

本実施の形態３においては、前記実施の形態１と同様に、不良解析システム１がＯＢＩＲＣＨ解析装置２、テスタ３、テスタ制御部４、およびワークステーション５からなり、ＯＢＩＲＣＨ解析装置２が、レーザ発振器６、光学系７、ステージ８、ならびに制御部９から構成されている。

本実施の形態３では、拡散層起因の不良部位が見つかった後、その部位に絡むネットを特定する技術について説明する。当然、配線ショートでも同等の方式で原理的にネットの特定は可能であるが、配線ショートの場合には、温度に対する依存性が小さいこともあり、むしろ、拡散層起因の不良に適用する方がよい結果が得られる。

まず、図６（ａ）に示すように、正の温度特性を示すことから拡散起因と想定される反応点Ｂ３が検出されたとする。この中には幾つものゲートが含まれており、それぞれがネットｎｔに繋がっている。その中でどのネットが不良に絡んでいるかを調べることが、さらに不良を突き詰めるために必要となる。

そこで、図６（ｂ）に示すように、比較的低速で光学系７で集束したレーザスポットＬＳを移動させて、配線の熱伝導でゲート部を加熱させつつ、それぞれの点でのδＩＤＤＱをテスタ３で計測し、図６（ｃ）に示すように、δＩＤＤＱ値ＩＱをレーザ走査に同期させて、ＯＢＩＲＣＨ解析装置２の制御部９に設けられたモニタに２次元画像として表示する。

この場合のδＩＤＤＱ値ＩＱの画像は、図６（ｄ）に示すように、比較的分解能が低いが、その形状はそれぞれのネットｎｔとの対照を実施するには十分であり、これによりどのネット（ここでは図６（ｄ）のネットｎｔ１）が不良に絡んでいるかを特定することができる。

さらに、図６では、レーザを走査する方式を採ったが、レーザは走査しなくても、図７（ａ）に示すように、反応点Ｂ４に関連するネットｎｔがどのように延びているかを、たとえば、レイアウトビューアなどをインストールしているワークステーション５を用いてレイアウトデータ上で調べることが可能であり、図７（ｂ）に示すように、解析対象ネット１つずつの反応点Ｂ５〜Ｂ７に最も近い場所でレーザスポットＬＳを設定して連続的にスポット照射する。

その場合、たとえば、図７（ｃ）に示すように、反応点Ｂ５〜Ｂ７で、ＩＤＤＱの変化をそれぞれ計測すれば、拡散層起因の不良に繋がっているネット上にスポット照射した場合のみ(図７では反応点Ｂ６)で正の温度特性を検出でき、図７（ｄ）に示すように、そのスポットに対応するネットｎｔ２が不良ネットであることを確認することができる。

それにより、ネットが不良に絡んでいるかを短時間で、正確に特定することができるので、解析ＴＡＴをより短縮することができる。

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、半導体装置の不良解析における初期段階での不良要因の解析技術に適している。

本発明の実施の形態１による不良解析システムの構成例を示す説明図である。不良要因によるＩＤＤＱの温度特性を示す実験結果の説明図である。図１の不良解析システムによる不良解析例を示す説明図である。本発明の実施の形態２による拡散層起因の不良に関する不良解析例を示す説明図である。本発明の実施の形態２による配線ショート起因の不良に関する不良解析例を示す説明図である。本発明の実施の形態３によるネット不良の検出に関する不良解析例を示す説明図である。本発明の実施の形態３によるネット不良の検出に関する他の不良解析例を示す説明図である。

符号の説明

１不良解析システム
２ＯＢＩＲＣＨ解析装置
３テスタ
４テスタ制御部
５ワークステーション
６レーザ発振器
７光学系
８ステージ
９制御部

Claims

不良解析システムを用いて半導体装置の不良解析を行う半導体装置の不良解析方法であって、
不良解析を行うサンプルの不良の可能性のある不良箇所の静的な状態における電源電流を測定するステップと、
前記サンプルの不良箇所にレーザ光を照射して加熱し、前記不良箇所の静的な状態における電源電流を測定するステップと、
測定した前記レーザ光の非照射時における前記電源電流の差分と前記レーザ光の照射時における前記電源電流との差分を算出し、前記差分から前記サンプルの不良を推定するステップとを有することを特徴とする半導体装置の不良解析方法。
請求項１記載の半導体装置の不良解析方法において、
前記サンプルの不良を推定するステップは、
前記レーザ光の非照射時における前記電源電流の差分が、前記レーザ光の照射時における前記電源電流の差分よりも小さい場合に拡散層起因の不良と推定し、前記レーザ光の非照射時における前記電源電流の差分が、前記レーザ光の照射時における前記電源電流の差分よりも大きい場合に配線ショート起因の不良と推定することを特徴とする半導体装置の不良解析方法。
不良解析システムを用いて半導体装置の不良解析を行う半導体装置の不良解析方法であって、
不良解析を行うサンプルにレーザ光を照射し、測定パターンを掃引して静的な状態における電源電流値を取得し、取得した異常な前記電源電流値と正常な前記電源電流値との差分を計算するステップと、
計算した前記差分値から、反応点を検出し、前記サンプルの不良を推定するステップとを有することを特徴とする半導体装置の不良解析方法。
請求項３記載の半導体装置の不良解析方法において、
前記サンプルの反応点に前記レーザ光を走査、照射し、前記レーザ光のレーザスポット毎に測定パターンを掃引して静的な状態の電源電流値を取得するステップと、
取得した異常の前記電源電流値と正常の前記電源電流値との差分を計算するステップと、
計算した前記差分値から、反応点を検出し、検出された前記反応点形状とレイアウト上での配線ネットの形状とで対照させ、不良に絡む配線ネットを特定するステップとを有することを特徴とする半導体装置の不良解析方法。
請求項３記載の半導体装置の不良解析方法において、
前記サンプルの反応点に前記レーザ光を走査、照射し、前記レーザ光のレーザスポット毎に測定パターンを掃引して静的な状態の電源電流値を取得するステップと、
取得した異常の前記電源電流値と正常の前記電源電流値との差分を計算するステップと、
計算した前記差分値から、反応点を検出し、検出した前記反応点に含まれる配線ネット上に前記レーザ光をスポット照射し、各スポット照射時の電源電流の差分における前記レーザ光の照射時、および非照射時の差異を計算し、不良に絡む前記配線ネットを特定するステップとを有することを特徴とする半導体装置の不良解析方法。