JP2011035206A - 半導体装置の解析装置及び半導体装置の解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不具合箇所を容易に特定することのできる半導体装置の解析装置及び解析方法の提供。
【解決手段】半導体装置の解析装置は、荷電粒子ビームを試料に照射し、検出した２次電子強度に応じた２次電子像を表示する機能を備える。解析対象の半導体装置に対し、第１の照射パターンで、荷電粒子ビームを照射して、電荷を注入する。次に、前記解析対象の半導体装置の電荷の蓄積状態を観測する。電荷の蓄積状態が正常でない箇所を、半導体装置の不具合箇所として検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の解析装置及び半導体装置の解析方法に関し、特に、ブランキング機構を備えて荷電粒子ビームを試料に選択的に照射し、検出した２次電子強度に応じた２次電子像を表示する機能を備えた半導体装置の解析装置及び半導体装置の解析方法に関する。

走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；以下、「ＳＥＭ」という。）あるいはＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）を用いて、解析対象とする半導体装置に電子銃から１次電子ビームを照射した際に、検出される２次電子の強度を輝度変換して得られる２次電子像を観察することで、半導体装置の表面から見えにくい不具合や、電気的な不具合を検出できることが知られている。例えば、特許文献１には、ダイから導出された画像同士を比較するダイ・ダイ検査と、ダイから導出された画像と、当該ダイのＣＡＤデータを入力した画像シミュレータで生成された画像（擬似良品画像）とを比較するダイ・データベース検査が提案されている。

特許文献２には、半導体装置を物理解析して得られた異常な反応情報を収集し、その重複箇所を抽出し、レイアウトデータと照合して、故障の疑いのある配線や欠陥箇所を推定することのできるＣＡＤツールが開示されている。

特許文献３にはコンタクトショートチェック用のＴＥＧ（Ｔｅｓｔ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｇｒｏｕｐ）に電子ビームを照射し、隣り合うコンタクトセルの電位コントラストを取得しそれぞれの信号強度の２次元ヒストグラムから欠陥判別の閾値を設定し、ショート欠陥やその座標を特定する方法が開示されている。

特許文献４には、ＳＥＭ観察における、照射する電子ビームの加速電圧を上げることにより、上層配線を除去することなく下層の配線系の断線不良を検出する方法が開示されている。

特許文献５、６には、照射する電子ビームの加速電圧を調整することにより、チャージアップした試料の除電を行なう方法が開示されている。

特開平５−２５８７０３号公報 特開２００３−８６６８９号公報 特開２００７−２８１１３６号公報 特開２００３−６６１１７号公報 特開平７−１４５３７号公報 特開２００３−３０３５６８号公報

図１２は、特許文献１のダイ・データベース検査の概要を表した図である。図１２に表されたように、半導体装置の微細化が進んでいることもあって、一般にＳＥＭ等で観察される２次電子像は、その分解能の影響で画像パターンのエッジが丸まっている（図１２の左下（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）参照。）。これに対して、対比対象とされている擬似良品画像は、設計データそのものから忠実に作成されるためエッジの丸み等が無く（図１２の右下（ａ）、（ｂ）、（ｃ）参照）、両者の比較が難しいという問題点がある。また、２次電子像の縮尺が、上記擬似良品画像の縮尺と異なったり、上記擬似良品画像において表された電位分布の彩色が、２次電子像上の電位を表す濃度と異なったりするため、上記比較を一層困難にしている。また、特許文献１の方法では、半導体装置の複数の配線層による濃度が混じることがあり、欠陥箇所の濃度変化を検出しにくいこともある。

また、半導体装置の特定の配線系に的を絞ってオープンやショートを観察したい場合がある。例えば、特許文献４に記載の方法では、下層の配線に一時電子ビームを照射し、該階層の断線の有無を検出できるが、電子ビームを照射していない箇所や、当該下層配線に接続されているべき他の層の配線の断線の有無を検出することはできないという問題点がある。

本発明の第１の視点によれば、荷電粒子ビームを試料に照射し、検出した２次電子強度に応じた２次電子像を表示する半導体装置の解析装置であって、解析対象の半導体装置の所定の箇所に電荷を注入する第１の照射パターンで、荷電粒子ビームを照射して、電荷を注入する手段と、前記解析対象の半導体装置の電荷の蓄積状態を観測する手段と、を備える半導体装置の解析装置が提供される。

本発明の第２の視点によれば、荷電粒子ビームを試料に照射し、検出した２次電子強度に応じた２次電子像を表示する半導体装置の解析装置を用いた半導体装置の解析方法であって、解析対象の半導体装置の所定の箇所に電荷を注入する第１の照射パターンで、荷電粒子ビームを照射して、電荷を注入するステップと、前記解析対象の半導体装置の電荷の蓄積状態を観測するステップと、を含む半導体装置の解析方法が提供される。

本発明によれば、半導体装置の設計データに基づいて、特定の箇所に的を絞り不具合の有無を観察することが可能となる。その理由は、半導体装置の狙った箇所に電荷を注入し、該電荷の注入によって期待される電荷の蓄積状態を観察（スキャン）する構成を採用したことにある。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の解析装置の構成を表したブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の解析装置による不具合検出フロー（良品）を説明するための図である。 第１の照射パターンによる電荷注入箇所を示す図である。 第２の照射パターンによる観察箇所を示す図である。 図４とは別の第２の照射パターンによる観察箇所を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の解析装置による不具合検出フロー（不具合品）を説明するための図である。 第１の照射パターンによる電荷注入箇所を示す図である。 第２の照射パターンによる観察箇所を示す図である。 図８とは別の第２の照射パターンによる観察箇所を示す図である。 図８とは別の第２の照射パターンによる観察箇所を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の解析装置の構成を表したブロック図である。 特許文献１の記載のダイ・データベース検査の概要を説明するための図である。

続いて本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の解析装置の構成を表したブロック図である。

図１を参照すると、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の解析装置は、概略、ストロボＳＥＭ１０と、半導体装置の配線情報等の設計データ（ＣＡＤデータ／レイアウトデータ）を記憶する設計データ記憶部２０と、ストロボＳＥＭ１０より出力される２次電子像等を表示するディスプレイ装置によって構成される表示部３０と、これらを制御するコンピュータ等によって構成される制御部４０とを含んで構成される。

ストロボＳＥＭ１０は、被検査半導体（装置）１８に対して、一次電子ビームを照射する電子ビーム照射部（電子銃）１１と、制御部４０からの指示に従って動作し、電子ビーム照射部１１に対する加速電圧を変更する加速電圧変更部１２と、ブランキング機構１４やＸＹ偏向器１５を制御するための情報を保持するＳＥＭ光学系設定保持部１３と、ブランキング機構１４と、ＸＹ偏向器１５と、２次電子検出器１６と、を含んで構成される。

ブランキング機構１４は、ブランキング用の偏向器と、アパーチャ（ブランキングプレート）によって構成され、制御部４０から指示された照射パターンに基づくブランキングパルスにより、電子ビーム照射部（電子銃）１１から照射される電子ビームのブランキングを行なう。

制御部４０は、設計データ記憶手段２０から、被検査半導体（装置）１８の設計データを読み出し、表示部３０に表示して、ユーザから、電荷注入箇所又は観察箇所の指示を受け付ける。ユーザから電荷注入箇所又は観察箇所の指示が入力されると、制御部４０は、設計データ記憶手段２０の設計データを用いて、該入力された電荷注入箇所又は観察箇所に対応する照射パターンを生成する。次に、制御部４０は、生成した照射パターンを実現するためのパラメータをＳＥＭ光学系設定保持部１３に保持した上で、該照射パターンによる照射をストロボＳＥＭ１０に指示する。なお、被検査半導体（装置）１８の設計データに代えて、２次電子検出器１６により得られている被検査半導体（装置）１８の像に基づいて、被検査半導体（装置）１８の任意の箇所に電荷を注入する照射パターンを作成するものとしてもよい。

ここで、ユーザより被検査半導体（装置）１８に電荷を注入する箇所（位置、深さ）群を照射するパターンを第１の照射パターンとし、前記電荷の注入による影響を観察する箇所（位置、深さ）群を第２の照射パターンとする。これら２つの照射パターンを実現するためのパラメータは、ＳＥＭ光学系設定保持部１３に保持されているので、第１の照射パターンによる照射後、速やかに第２の照射パターンによる観察が可能となっている。

続いて、上記半導体装置の解析装置を用いた被検査半導体（装置）１８の不具合検出フローについて、図面を参照して詳細に説明する。

図２〜図５は、研磨後、またはプロセス中の被検査半導体（装置）１８を模式的に表した図である。図２〜図５の被検査半導体（装置）１８は、良品であるケースであり、基板５１の上に、層間膜５２が形成され、更に、その上に、配線層５３と、絶縁層５４とが形成されているものとする。配線層５３には、配線５５および絶縁膜５６が形成され、絶縁層５４には、ビアＢ１、Ｂ２および絶縁膜５７が形成されている。ここで、図２のビアＢ１、Ｂ２にショート又はオープンが発生しているか否かを検出することを考える。

図３は、第１の照射パターンによる、電荷注入箇所（Ａ）を表している。電荷注入箇所（Ａ）は、ビアＢ１に接続されている配線であり、かつ、ビアＢ２とは接続されていないものとする。また、電荷注入箇所（Ａ）は、絶縁層５４より下層にあるため、絶縁層５４に電荷を注入するよりも高い加速電圧にて電荷が注入される（特許文献４参照）。

前記第１の照射パターンにより注入された電荷は、静電気的に、等電位配線やショート箇所に広がっていき、秒単位以上のスケールで保持される。

図４は、第１の照射パターンによる照射後、速やかに実施される第２の照射パターンによる観察箇所を表している。例えば、ビア（Ｂ１）、ビア（Ｂ２）の電荷状態を観察することで、ビア（Ｂ１）、（Ｂ２）に不具合が発生しているか否かを検出することができる。ここでは、良品の被検査半導体（装置）１８を観察しているため、ビア（Ｂ１）にて、チャージアップが観測され、ビア（Ｂ２）では、チャージアップは観測されないことになる。

図５は、図４の第２の照射パターンとは別の照射パターンによる観察箇所を表している。第２の照射パターンによる観察箇所（Ｂ１’）は、電荷注入箇所（Ａ）と同一であるものとする。この照射パターンでも、ビアＢ１、ビアＢ２の電荷状態を観察することで、ビアＢ１、Ｂ２に不具合が発生しているか否かを検出することができる。ここでも、良品の被検査半導体（装置）１８を観察しているため、観察箇所（Ｂ１’）にて、チャージアップが観測され、観察箇所（Ｂ２’）では、チャージアップは観測されないことになる。

図６〜図１０は、不具合箇所がある被検査半導体（装置）１８の不具合検出フローを説明するための図である。図６〜図８の被検査半導体（装置）１８は、ビアＢ１にてオープン不良が発生し、ビアＢ２に接続する配線層５３にてビアＢ１に接続する隣接配線層との間にショート不良が発生している。図９の被検査半導体（装置）１８は、ビアＢ２に接続する配線層にてショート不良が発生し、図１０の被検査半導体（装置）１８は、ビアＢ１にてオープン不良が発生している。以下、これらを検出することを考える。

図７は、第１の照射パターンによる、電荷注入箇所（Ａ）を表している。図７の電荷注入箇所（Ａ）は、図３の良品を対象とした電荷注入箇所（Ａ）と同一である。

前記第１の照射パターンにより注入された電荷は、静電気的に、等電位配線やショート箇所に広がっていき、秒単位以上のスケールで保持される。図７の例では、ビアＢ１にてオープン不良が発生し、ビアＢ２に接続する配線層にてショート不良が発生しているため、電荷注入箇所（Ａ）に注入された電荷は、ビアＢ１まで移動できない一方、ショート箇所を介して、ビアＢ２まで広がってしまう。

図８は、図４と同様の第２の照射パターンによる観察箇所を表している。例えば、ビア（Ｂ１）、ビア（Ｂ２）の電荷状態を観察することで、ビア（Ｂ１）、（Ｂ２）に不具合が発生しているか否かを検出することができる。図８の例では、チャージアップが観測されるべきビア（Ｂ１）にて、チャージアップを観測できないため、ビア（Ｂ１）周りにオープン不良が発生していることを確認できる。また、チャージアップが観測されないはずのビア（Ｂ２）で、チャージアップが観測されたため、ビア（Ｂ２）周りにショート不良が発生していることを確認できる。

図９は、図５と同様の第２の照射パターンによる観察箇所を表している。この照射パターンでも、観察箇所（Ｂ１’）、観察箇所（Ｂ２’）の電荷状態を観察することで、オープン又はショートの不具合が発生しているか否かを検出することができる。図９の被検査半導体（装置）１８はショート不良のみが発生しているので、観察箇所（Ｂ１’）では、ショートの影響により、図５の良品におけるチャージアップ状態よりも暗い２次電子像（電荷の蓄積が少ない。）が得られるため、観察箇所（Ｂ１’）周りにショート不良が発生していることを確認できる。また、観察箇所（Ｂ２’）では、ショートの影響により、チャージアップ、あるいは、明るい２次電子像（電荷の蓄積が認められる。）が観測されるため、観察箇所（Ｂ２’）周りにショート不良が発生していることを確認できる。

図１０は、オープン不良のみが発生している被検査半導体（装置）１８の場合を表している。この場合も、観察箇所（Ｂ１’）では、オープンの影響により、図５の良品よりも少ない注入電荷で、チャージアップ、あるいは、明るい２次電子像が観測されるため、観察箇所（Ｂ１’）周りにオープン不良が発生していることを確認できる。

このように、２つの照射パターン（両者は図５、図９、図１０で説明したように電荷注入箇所の少なくとも一部を観察箇所とするパターンであってもよい。）を使い分けて、オープン又はショート、あるいは、オープン及びショートの双方の有無を観察したい箇所群に、第１の照射パターンにて電荷を注入し、第２の照射パターンにて観察あるいは良品データと比較することで、不具合箇所を容易に特定することが可能となる。

また、上記した実施形態では、第２の照射パターンで、電荷注入箇所と同一階層又は上層の配線層に電荷の蓄積状態を観察するものとして説明したが、検出したい（予想される）不具合モードに応じて、電荷注入箇所と観察箇所は自由に設定することができる。例えば、第１の照射パターンで任意の箇所（位置、深さ）に電荷を注入し、第２の照射パターンで、該電荷を注入した層より上層の配線層等における電荷の蓄積状態を観測するようにしてもよい。

また、図９、図１０にて説明したように、不具合箇所は、第２の照射パターンによって検出される電位濃度変化として現れるため、観察者による目視比較はもちろん、制御部４０にて、良品を対象として検出した電位濃度との比較による不具合箇所の自動検出や、電位濃度像の差画像生成等を行うことも可能である。さらに、第１の照射パターンによる電荷の注入を行なった場合に観測された結果と、この第１の照射パターンと電荷の注入箇所が異なる第３の照射パターンによる照射した場合に観測された結果と、を比較することも有効である。このようにすれば、電荷の注入箇所を変えたことによる電荷の蓄積状態の変化を容易に観測することが可能になる。

［第２の実施形態］
続いて、本発明の第２の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１１は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の解析装置の構成を表したブロック図である。本実施形態と上記した第１の実施形態の構成上の相違点は、２次電子検出器１６と、表示部３０との間にＣＧＦＩ機構１７が備えられている点である。

ＣＧＦＩ機構１７は、図示省略するゲートパルス発生器にて発生されるゲートパルスに基づいて、表示部３０側への像信号入力制限を行なうＣＧＦＩ（Ｃｏｕｔｉｎｕｅｏｕｓ Ｇａｔｅｄ Ｆａｕｌｔ Ｉｍａｇｉｎｇ）法による観察を実現する手段である。従って、本実施形態では、第２の照射パターンによる観察は、被検査半導体（装置）１８の全面に一次電子ビームを照射（スキャン）し、ゲートパルスによって観察対象外の像データを無効にすることによって実現される。

本実施形態によっても、上記した第１の実施形態と同様に、解析対象の半導体装置の不良箇所を容易に特定することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の基本的技術的思想を逸脱しない範囲で、更なる変形・置換・調整を加えることができる。例えば、上記した実施形態では、ストロボＳＥＭ装置を用いるものとして説明したが、その他同様の機構を持つ半導体装置のテスト装置等を用いることができる。また、電子ビームに限らず、その他の荷電粒子ビームを用いることが可能である。

また、特許文献５、６に記載の技術や、電子シャワー、イオンシャワー、紫外線、軟Ｘ線、α線等の照射、除電雰囲気への曝露等を用いた除電工程を追加することもできる。例えば、特許文献５、６に記載の技術を用いる場合、第２の照射パターンによる観察後、所定の照射パターン（第４の照射パターン）により荷電粒子ビームを照射して除電を行った結果、期待どおりの除電が行なわれているか否かにより、不具合を検出することができる。例えば、被検査半導体（装置）１８の全面を除電対象とするパターン、あるいは、第１、第２の照射パターンによる電荷注入箇所又は観察箇所の少なくとも一部を除電箇所に含むパターンであってもよい。

また、上記した実施形態では、第１の照射パターンによる電荷の注入の後に、第２の照射パターンによる観察を行うものとして説明したが、被検査半導体（装置）１８の電荷の注入箇所及び観察箇所に応じて、上記電荷の注入と、観測との双方を行ないうるような照射パターンを用いるものとしてもよい。

１０ ストロボＳＥＭ
１１ 電子ビーム照射部（電子銃）
１２ 加速電圧変更部
１３ ＳＥＭ光学系設定保持部
１４ ブランキング機構
１５ ＸＹ偏向器
１６ ２次電子検出器
１７ ＣＧＦＩ機構
１８ 被検査半導体（装置）
２０ 設計データ記憶部
３０ 表示部
４０ 制御部
５１ 基板
５２ 層間膜
５３ 配線層
５４ 絶縁層
５５ 配線
５６ 絶縁膜
５７ 絶縁膜
Ｂ１ ビア
Ｂ２ ビア
Ａ 電荷注入箇所
Ｂ１’ 観察箇所
Ｂ２’ 観察箇所

Claims (22)

1. 荷電粒子ビームを試料に照射し、検出した２次電子強度に応じた２次電子像を表示する半導体装置の解析装置であって、
   解析対象の半導体装置の所定の箇所に電荷を注入する第１の照射パターンで、荷電粒子ビームを照射して、電荷を注入する手段と、
   前記解析対象の半導体装置の電荷の蓄積状態を観測する手段と、
   を備えたこと、を特徴とする半導体装置の解析装置。
2. 前記電荷の蓄積状態を観測するための第２の照射パターンによる荷電粒子ビームの照射を行なう請求項１に記載の半導体装置の解析装置。
3. ブランキング機構を用いて、前記荷電粒子ビームを選択的に照射する請求項１又は２に記載の半導体装置の解析装置。
4. 前記第１の照射パターンによる照射時の加速電圧と、前記第２の照射パターンによる照射時の加速電圧と、を変更可能である請求項１乃至３いずれか一に記載の半導体装置の解析装置。
5. 更に、前記照射パターンを実現するパラメータを保持する設定保持部を備える請求項１乃至４いずれか一に記載の半導体装置の解析装置。
6. 前記第１の照射パターンによる電荷の注入により導かれる電荷の蓄積状態と、
   前記観察された電荷の蓄積状態とを比較することにより、配線系のオープン又はショートを検出可能とする請求項１乃至５いずれか一に記載の半導体装置の解析装置。
7. 前記第１の照射パターンによる電荷の注入により観測された電荷の蓄積状態と、
   前記第１の照射パターンと電荷の注入箇所が異なる第３の照射パターンによる電荷の注入により観測された電荷の蓄積状態と、を比較することにより、配線系のオープン又はショートを検出可能とする請求項１乃至５いずれか一に記載の半導体装置の解析装置。
8. 前記解析対象の半導体装置に対し、除電を行なう手段を備え、
   前記解析対象の半導体装置に対し、再度電荷の蓄積状態を観測可能とした請求項１乃至７いずれか一に記載の半導体装置の解析装置。
9. 前記除電により導かれる電荷の蓄積状態と、
   前記観察された電荷の蓄積状態とを比較することにより、配線系のオープン又はショートを検出可能とする請求項８に記載の半導体装置の解析装置。
10. 更に、前記電荷の蓄積状態の比較結果を差画像として出力する手段を備える請求項６、７又は９いずれか一に記載の半導体装置の解析装置。
11. 更に、前記電荷の蓄積状態の比較結果に基づいて、不具合の有無を自動判定する手段を備える請求項６、７又は９いずれか一に記載の半導体装置の解析装置。
12. 荷電粒子ビームを試料に照射し、検出した２次電子強度に応じた２次電子像を表示する半導体装置の解析装置を用いた半導体装置の解析方法であって、
    解析対象の半導体装置の所定の箇所に電荷を注入する第１の照射パターンで、荷電粒子ビームを照射して、電荷を注入するステップと、
    前記解析対象の半導体装置の電荷の蓄積状態を観測するステップと、を含むこと、を特徴とする半導体装置の解析方法。
13. 前記解析対象の半導体装置の電荷の蓄積状態を観測するために、第２の照射パターンによる荷電粒子ビームの照射を行う請求項１２に記載の半導体装置の解析方法。
14. ブランキング機構を用いて、前記荷電粒子ビームを選択的に照射する請求項１２又は１３に記載の半導体装置の解析方法。
15. 前記第１の照射パターンによる照射時の加速電圧と、前記第２の照射パターンによる照射時の加速電圧と、を変更可能である請求項１２乃至１４いずれか一に記載の半導体装置の解析方法。
16. 更に、所定の記憶手段に、前記第１、第２の照射パターンを実現するパラメータを保持するステップを含み、
    前記第１の照射パターンによる電荷の注入後、前記パラメータを読み出して前記第２の照射パターンによる照射と電荷状態の観察を実行する請求項１３乃至１５いずれか一に記載の半導体装置の解析方法。
17. 前記第１の照射パターンによる電荷の注入により導かれる電荷の蓄積状態と、
    前記観察された電荷の蓄積状態とを比較することにより、配線系のオープン又はショートを検出できるように照射パターンを設定する請求項１２乃至１６いずれか一に記載の半導体装置の解析方法。
18. 前記第１の照射パターンによる電荷の注入により導かれる電荷の蓄積状態と、
    前記第１の照射パターンと電荷の注入箇所が異なる第３の照射パターンによる電荷の注入により観測された電荷の蓄積状態と、を比較することにより、配線系のオープン又はショートを検出できるように照射パターンを設定する請求項１２乃至１６いずれか一に記載の半導体装置の解析方法。
19. 前記解析対象の半導体装置に対し、除電を行なうステップを実施した後に、
    前記解析対象の半導体装置に対し、再度電荷の蓄積状態を観測するステップを実施する請求項１２乃至１７いずれか一に記載の半導体装置の解析方法。
20. 前記除電により導かれる電荷の蓄積状態と、前記観察された電荷の蓄積状態とを比較することにより、配線系のオープン又はショートを検出可能とする請求項１９に記載の半導体装置の解析方法。
21. 更に、前記電荷の蓄積状態の比較結果を差画像として出力するステップを含む請求項１７、１８又は２０いずれか一に記載の半導体装置の解析方法。
22. 更に、前記電荷の蓄積状態の比較結果に基づいて、不具合の有無を自動判定するステップを含む請求項１７、１８又は２０いずれか一に記載の半導体装置の解析方法。

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