JP2012222263A - 半導体装置の不良解析方法、チップ状半導体装置の不良解析方法及び半導体装置の動的不良解析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の動的解析を短時間で行う技術を提供する。
【解決手段】ＳＤＬ／ＬＡＤＡ解析に用いるスポット光１２の径を変更可能なようにする。大径のスポット光による検査対象の半導体装置の照射中、テスタは該当する照射範囲の電気的動作の検証を行う。この照射中、不良箇所を見つけた場合には、小径のスポット光に切り替えて、検査対象の半導体装置に照射し、テスタによるより小範囲の電気的動作の検証を行う。これを反復することで、不良箇所の特定を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の不良解析技術、特に動的な状態での不良解析に関する。

半導体装置の動的な不良解析手法としては、レーザ顕微鏡とテスタを組み合わせたＤＬＳ解析（Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｌａｓｅｒ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ）が知られている。ＤＬＳ解析は半導体装置がぎりぎりに動作する状態に電圧や周波数を設定した状態で半導体装置の表面あるいは裏面からレーザ光を照射・走査する。このレーザ光の照射・走査により、その熱で生じる配線やビアの抵抗変化あるいはレーザ光励起で生じるトランジスタの特性の変化による信号遅延時間からＰａｓｓ／Ｆａｉｌを判定する。そして判定結果をレーザ照射位置に同期して画像表示することにより不良箇所を特定する手法である。

ＤＬＳ解析には、ＳＤＬ解析（Ｓｏｆｔ Ｄｅｆｅｃｔ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ）とＬＡＤＡ解析（Ｌａｓｅｒ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ａｌｔｅｒａｔｉｏｎ）が存在する。

ＳＤＬ解析は、ＯＢＩＲＣＨ解析（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ＣＨａｎｇｅ）と同様に、レーザ照射による熱で半導体装置内の配線やビアの抵抗を変化させ、それによって生じる信号遅延時間からＰａｓｓ／Ｆａｉｌを判定する。ＳＤＬ解析は配線系の高抵抗不良検出に用いられることが多い。

一方、ＬＡＤＡ解析は、波長１．０６μｍのレーザ光を照射・走査し、その光エネルギでセル内に電子―正孔対を生じさせ、トランジスタ特性を変化させ、それによって生じる信号遅延時間からＰａｓｓ／Ｆａｉｌを判定する。ＬＡＤＡ解析はセル内故障やクリティカルパス（信号の伝播経路が最も遅くなる経路）の検出に主に用いられる。

これらに関する先行文献としては以下のようなものが挙げられる。

（株）東芝；ＤＬＳ解析システムの構築；ＬＳＩＴＳ／２００７会議録；ｐｐ３６３−３６８（非特許文献１）には、一般的なＤＬＳ解析の手法が開示されている。

（株）富士通；レーザビーム光照射によるＬＳＩ回路のダイナミック解析；ＬＳＩＴＳ／２００４会議録；ｐｐ３０３−３０８（非特許文献２）及び（株）富士通；レーザビーム光を用いたＬＳＩのダイナミック故障解析事例；ＬＳＩＴＳ／２００５会議録；ｐｐ３０９−３１４（非特許文献３）にはＳＤＬ解析およびレーザ光照射位置に同期して画像表示することで不良箇所を特定する手法が開示されている。

ＬＳＩテスティング学会；ＬＳＩテスティングハンドブック；ｐｐ３０７−３１１（非特許文献４）にはＬＡＤＡ解析時に、上記の波長１．０６μｍのレーザ光の照射・走査によって生じる熱により抵抗値が変化することを利用してＬＡＤＡ解析とＳＤＬ解析の混合解析を実行することが開示されている。

また、これらを利用した応用事例としては、以下のような公知文献が挙げられる。

特開２００７−１２７４９９号公報（特許文献１）には、ＳＤＬ解析及びＯＢＩＲＣＨ解析を用いてＸ方向及びＹ方向の一次元の像を取得し、これらの取得した一次元の像から演算で二次元の像を再構築する方法が開示されている。

また、特開２００８−３００４８６号公報（特許文献２）には、ＳＤＬ解析およびレーザ光照射位置に同期して画像表示する技術が開示されている。すなわち、レーザ光を走査した状態で並行して解析及び画像表示を行うことで、処理時間の短縮を図っている。

具体的には、１回のテスト時間中にレーザ光を一定距離移動させ、その区間の判定結果をレーザ照射位置に対応させて二次元配列し、Ｆａｉｌ判定結果がレーザ光の走査方向の直交方向に連続する場合（例えば３画素以上）を不良領域と判定し、それ以外（２画素以下）の判定結果は良領域と判定し二次元画像表示をする。これにより、１回のテスト時間中にレーザ光を１５画素分移動させた場合、前述のレーザ照射箇所毎にテストプログラムを走らせて解析を進める場合よりも、解析時間が１／１５で済むこととなる。

特開２００７−１２７４９９号公報 特開２００８−３００４８６号公報

（株）東芝；ＤＬＳ解析システムの構築；ＬＳＩＴＳ／２００７会議録；ｐｐ３６３−３６８ （株）富士通；レーザビーム光照射によるＬＳＩ回路のダイナミック解析；ＬＳＩＴＳ／２００４会議録；ｐｐ３０３−３０８ （株）富士通；レーザビーム光を用いたＬＳＩのダイナミック故障解析事例；ＬＳＩＴＳ／２００５会議録；ｐｐ３０９−３１４ ＬＳＩテスティング学会；ＬＳＩテスティングハンドブック；ｐｐ３０７−３１１

これらの解析手法は、レーザ照射箇所を１画素として、画素毎にテストプログラムを走らせて解析を進めることから、照射するレーザ光の照射スポット径が小さいほど不良箇所を正確に特定することが可能である。

しかし、微小スポットのレーザ光を用いるほど、画素数（＝解析点数）が増加する。その為、半導体装置全体の解析に多大な時間を要することとなる。

例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍの半導体装置のチップにスポット径φ２μｍのレーザ光を２μｍピッチで照射し、テスト時間２００μｓｅｃと仮定した場合を考える。この場合の解析時間は、単純計算でも解析点数（５０００×５０００）×テスト時間（２００μｓｅｃ）＝５０００ｓｅｃ＝１．４時間となる。もし１回の解析で不良箇所の特定に至らない場合は、上記解析を複数回（Ｎ回）繰り返すために、更にこのＮ倍の時間がかかることとなる。

特許文献１では、ライン状に成形した光を用いて、１個の半導体装置あるいはΦ３００ｍｍウェハに対して、Ｙ方向に長い形状の光でＸ方向に走査し、Ｘ方向に長い形状の光でＹ方向に走査する。しかし、一般的な半導体装置１個の寸法は５ｍｍ×５ｍｍから１０ｍｍ×１０ｍｍであり、これを横切るライン形状の光において横手方向（＝幅の狭い側）がμｍオーダの微細な照射寸法を得ることは、回折等の影響により非常に難しい。現実的には、１個の半導体装置を横切るライン形状の光を得る光学系は低倍率の物となり、得られるライン形状の横手方向の寸法は低倍率対物レンズで得られるスポット径と同程度の物となる。２つのライン形状の光の交差部から特定した不良領域を高倍率対物レンズで更に絞り込む必要がある。

また特許文献２の方法では、Ｐａｓｓ／Ｆａｉｌ変化を生じる前に不良箇所をレーザ光が通過し、反応不十分で見落とす可能性がある。また、見落としを回避するために複数回繰り返すと、結局解析時間はさほど短縮されないと考えられる。

さらに、Ｐａｓｓ／Ｆａｉｌ変化の促進を狙ってレーザ光の照射パワーをあげた場合、１）レーザ光の密度が高くなることと、２）半断線状態の不良箇所は熱的に不均一かつ耐パワー性が正常部に比べて低いこと、から焼損する虞がある。仮に、スポット径Φ２μｍ、パワー１００ｍＷのレーザ光を照射した場合のパワー密度は３．２×１０^６Ｗ／ｃｍ^２であり、不良箇所はおろか微細配線にもダメージを与える値になる。

本発明の目的は、半導体装置の動的解析を短時間で行う技術を提供することにある。

また、本発明の別の目的として、一度の解析で不良領域を確実に絞り込む技術を提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及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、次の通りである。

本発明の代表的な実施の形態に関わる半導体装置の不良解析方法は、解析領域を包含する大寸法スポット光を用いて不良領域を絞り込む第１の解析ステップと、第１の解析ステップで絞り込んだ不良領域を微小スポット径のレーザ光を用いて不良箇所を特定する第２の解析ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の代表的な実施の形態に関わるウェハ中のチップ状半導体装置の不良解析方法は、解析対象のチップ状半導体装置を包含するスポット光を照射することで動的解析を行うことを特徴とする。

本発明の代表的な実施の形態に関わる半導体装置の動的不良解析装置は、動的解析を行うテスタと、テスタと解析対象の半導体装置との間を電気的に接続する電気的接続手段と、解析対象の半導体装置を搭載するステージと、ステージ上の解析対象の半導体装置の不良領域の絞り込みに用いる第１の光学系と、ステージ及び第１の光学系を制御すると共にテスタとの信号の授受と解析装置とのデータの転送を行う制御装置と、を含むことを特徴とする。

この半導体装置の動的不良解析装置において、第１の光学系は、出力の調整可能な解析用光源と、解析用光源から出射される光から解析領域に応じたスポット光を得る整形手段と、スポット光の波長を制限する波長選択手段と、を含むことを特徴としても良い。

この半導体装置の動的不良解析装置において、解析用光源はハロゲンランプやキセノンランプ等の各種ランプあるいはダイオードレーザを光源として用いることを特徴としても良い。

この半導体装置の動的不良解析装置において、解析対象の半導体装置のスポット光の被照射箇所の温度を検知する温度検知手段を更に含むことを特徴としても良い。

この半導体装置の動的不良解析装置において、さらに解析対象の半導体装置を観察するための観察光学系を含むことを特徴としても良い。

この半導体装置の動的不良解析装置において、さらに、第１の光学系で絞り込んだ不良領域から不良箇所を特定するための第２の光学系を含むことを特徴としても良い。

この半導体装置の動的不良解析装置において、制御装置は第２の光学系も制御することを特徴としても良い。

本発明に関わる半導体装置の不良解析方法及び半導体装置の不良解析装置を導入することで、ウェハ全体からチップの不良解析を行う際の時間を短縮することが可能となる。

また、本発明に関わる半導体装置の不良解析方法及び半導体装置の不良解析装置を導入することで、ＳＤＬ解析・ＬＡＤＡ解析時のレーザ光による焼損を防止し、歩留まりを上げることが可能となる。

本発明の第１の実施の形態の第１の解析工程に関わるウェハ状態の半導体装置に対する不良チップの選別から不良領域の絞り込みまでの手順を示す概念図である。 本発明の第１の実施の形態に関わる第２の解析方法において焦点距離１０ｍｍの対物レンズを用いて不良領域を絞り込み後、焦点距離２ｍｍの対物レンズを用いて不良箇所の特定を行う概念図である。 本発明の第２の実施の形態に関わる解析工程に用いる解析装置の一形態を表すブロック図である。 図３の解析装置における光学系の具体例を表すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に関わる光学系の一部の内部構成を表すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に関わる解析装置の光学系に関するブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に関わる別の解析装置の光学系に関するブロック図である。 図１で述べた第１の解析工程を図６及び図７の光学系で行った場合の説明図である。 本発明の第５の実施の形態に関わる解析工程に用いる解析装置の一形態を表すブロック図である。

以下の実施の形態においては、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明する。しかし、特に明示した場合を除き、それは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部又は全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものでなく、特定の数以上でも以下でも良い。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合を除き、必ずしも必須のものでないことは言うまでもない。

以下、図を用いて本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の第１の解析工程に関わるウェハ状態の半導体装置に対する不良チップの選別から不良領域の絞り込みまでの手順を示す概念図である。

（第１の解析工程）
図１（ａ）はウェハ状態の半導体装置をチェックする概念図、図１（ｂ）はウェハで不良の特定がなされた半導体装置の１回目の不良領域の絞り込みについての概念図、図１（ｃ）は１回目の不良領域で特定したエリアから更に不良箇所を絞り込む２回目の不良領域の絞り込みについての概念図である。

最初に図１（ａ）の工程について説明する。

まずウェハ１００を図示していないステージ上に搭載する。位置合わせ後、同じく図示していないプローブカードを用いて、パッド又はバンプに針当てをする。

プローブカードに設けたスポット光の照射のための開口からチップ１０１全体を包含するスポット径（例えば、チップ１０１の寸法が１０ｍｍ×１０ｍｍの場合、スポット径はφ１４．２ｍｍ）を持つスポット光１２を照射する。

もし、パッドやバンプがチップ１０１全体に配置されてプローブカードに前記開口を設けられない場合には、前記ステージのウェハ１００搭載面をガラスで構成し、ガラス越しにＳｉ基板側からスポット光１２を照射する。

ここで用いるスポット光１２は、ＳＤＬ解析の場合とＬＡＤＡ解析の場合とで波長を選ぶ必要がある。即ち、前述したように、ＳＤＬ解析では温度上昇による配線やビアの抵抗変化によって生じる信号遅延時間の長／短でＰａｓｓ／Ｆａｉｌを判断することから、基本的に被照射部に吸収されたスポット光１２が熱に変われば何れでも良い。

しかし、ＬＡＤＡ解析においては、光のエネルギによって電子−正孔対をセル内に生じさせることで生ずるタイミング変動からＰａｓｓ／Ｆａｉｌを判断することから、セル内に電子−正孔対を生じさせる波長１．１μｍ以下の光を照射する必要がある。

以上のことから、ＳＤＬ解析において、半導体装置表面から照射する場合は波長１．１μｍ以上のスポット光１２を用いる。また、ＳＤＬ解析で半導体装置裏面から照射する場合はＳｉ基板をほとんど透過しない波長あるいは波長１．１μｍ以上のスポット光１２を用いる。

一方、ＬＡＤＡ解析においては、半導体装置表面から照射する場合は可視域から波長１．１μｍのスポット光１２を用い、半導体装置裏面から照射する場合は波長１〜１．１μｍのスポット光１２を用いる。

スポット光１２を照射開始後、テストプログラムを走らせ、対象のチップ１０１が良品か不良品かを判定する。

１個目のチップ１０１の良品／不良品判定を終了後、スポット光１２の照射を停止し、プローブカードを上げてステージを移動する。その後、２個目のチップ１０１に針当てし、１個目と同様に解析を行う。

以上の動作を繰り返し、最終的に図１（ａ）下段に示すような良品／不良品の判定マップを作成する。

次に図１（ｂ）について説明する。

上記工程を経ることでウェハ１００上の良品、不良品の選別がなされることとなる。上記図１（ａ）関連の手順で得られたマップから解析対象の不良チップ１０１ａを選択し、絞り込みのための解析領域を設定する。この解析領域に応じて絞り込みに用いるスポット光１２のスポット径を設定する。例えば、チップ寸法１０ｍｍ×１０ｍｍをＸ方向・Ｙ方向共に１０等分して解析領域を一辺１ｍｍの正方形とした場合、この領域を包含するスポット径φ１．５ｍｍとする。

これにより、解析点数は１０×１０＝１００となる。

上記工程と同様に不良チップ１０１ａのパッドあるいはバンプにプローブカードの針を当て、最初の解析領域に位置合わせ後、スポット光１２を照射する。次いで、テストプログラムを走らせ、Ｐａｓｓ／Ｆａｉｌ判定を行う。判定結果が得られたら、スポット光１２の照射を停止し、次の解析領域にステージを移動し、１箇所目と同様に解析を行う。

以上の動作を繰り返し、最終的に図１（ｂ）下段に示すようなＰａｓｓ／Ｆａｉｌ判定マップを作成する。

最後に図１（ｃ）について説明する。

さらに絞り込みを行う場合は、プローブカードの針を当てた状態で図１（ｃ）へと進む。

図１（ｂ）で絞り込んだ１ｍｍ×１ｍｍの不良領域１０２を選択し、図１（ｂ）の工程と同様に解析領域を設定する。例えば、図１（ｂ）の解析領域を更に１０等分し、解析領域を０．１ｍｍ×０．１ｍｍ、スポット径φ０．１５ｍｍとする。

図１（ｂ）の処理と同様に、最初の解析領域を位置合わせ後、スポット光１２照射→テストプログラムＲＵＮ→Ｐａｓｓ／Ｆａｉｌ判定→スポット光１２の照射停止→ステージ移動を繰り返し、図１（ｃ）下段に示すようなＰａｓｓ／Ｆａｉｌ判定マップを作成する。

以上の操作により、不良領域１０３は０．１ｍｍ×０．１ｍｍまで絞り込まれる。続いて、第２の解析工程で不良箇所の特定を行う。

（第２の解析工程）
続いて、第２の解析工程について説明する。

第１の解析工程により、概ねの不良箇所を特定できるので、次はより厳密な不良箇所の特定を行うこととなる。

この解析工程では、用いる光学系から得られるスポット径で設定する。

例えば、レーザ光の波長が１．３μｍ、レーザ光のビーム径φ１ｍｍ、対物レンズの焦点距離１０ｍｍの場合、得られるスポット径はφ１６．６μｍとなり、これに包含される正方形は１１．７μｍ×１１．７μｍとなる。

また、対物レンズの焦点距離が５ｍｍの例では、スポット径φ８．３μｍで、これに包含される正方形は一辺５．８μｍである。さらに対物レンズの焦点距離を２ｍｍとした場合、得られるスポット径はφ３．３μｍとなり、これに包含される正方形は一辺２．３μｍである。

第１の解析工程の図１（ｃ）までで絞り込んだ０．１×０．１ｍｍの不良領域１０３に対し、焦点距離２ｍｍの対物レンズで解析すると、解析点数は４３×４３＝１８４９となり、解析時間が長くなる。従って、第１の解析工程で不良領域１０３を２０μｍ×２０μｍ程度まで絞り込むか、あるいは本解析工程で先ず焦点距離１０ｍｍの対物レンズを用いて絞り込む。

焦点距離１０ｍｍの対物レンズを用いた場合の解析点数は、９×９＝８１となる。

図２は、本発明の第１の実施の形態に関わる第２の解析方法において焦点距離１０ｍｍの対物レンズを用いて不良領域を絞り込み後、焦点距離２ｍｍの対物レンズを用いて不良箇所の特定を行う概念図である。

ここで不良領域１０３は第１の解析工程の図１（ｃ）下図のそれと同じものである。

この０．１ｍｍ×０．１ｍｍまで絞り込まれた不良領域１０３に対して、Ｘ方向およびＹ方向に９等分し、解析領域を一辺１１．１μｍの正方形とする。

第１の解析工程手順と同様に、不良チップ１０１ａのパッドあるいはバンプにプローブカードの針を当て、解析領域を位置合わせ後、レーザ光４２照射→テストプログラムＲＵＮ→Ｐａｓｓ／Ｆａｉｌ判定→レーザ光４２の移動を繰り返し、図２（ａ）下段に示すようなＰａｓｓ／Ｆａｉｌ判定マップを作成する。

次に、絞り込まれた不良領域１０４から焦点距離２ｍｍの対物レンズを用いて不良箇所の特定を行う。焦点距離２ｍｍの対物レンズで得られるスポット径に包含される正方形は一辺２．３μｍであることから、不良領域１０４（一辺２２．２μｍ）をＸ方向およびＹ方向に１０等分し、解析領域を一辺２．２μｍとする。

そして、第１の解析工程同様に解析領域を位置合わせした後、レーザ光４２ａ照射→テストプログラムＲＵＮ→Ｐａｓｓ／Ｆａｉｌ判定→レーザ光４２ａの移動を繰り返し、図２（ｂ）下段に示すようなＰａｓｓ／Ｆａｉｌ判定マップを作成し、不良箇所を特定する。

本実施の形態の不良箇所特定方法には以下のような効果がある。

上記第１の解析工程では、チップサイズを一辺１０ｍｍと仮定している。図１（ａ）のウェハ１００がφ３００ｍｍの場合、約６５０チップを取得できる。仮に、チップ１個当たりの解析時間を１ｓｅｃ、チップ間のステージ移動時間を１ｓｅｃとした場合、φ３００ｍｍウェハ中の全チップの動的な良品／不良品の選別時間は１ｓｅｃ／チップ×６５０チップ＋１ｓｅｃ／移動×６４９移動＝１２９９ｓｅｃ＝２１．７ｍｉｎとなる。

第１の解析工程の図１（ｂ）以降では、１チップ当たりの解析時間となる。図１および図２の解析手順から解析時間をトータルすると、下記の通りとなる。

図１（ｂ）では、一辺１０ｍｍのチップ１０１ａをＸ方向・Ｙ方向共に１０等分（解析領域の寸法＝一辺１ｍｍ）し、解析点数を１０×１０＝１００としている。また図１（ｃ）では、図１（ｂ）における解析領域の寸法一辺１ｍｍをさらにＸ方向・Ｙ方向共に１０等分（解析領域の寸法＝一辺０．１ｍｍ）し、解析点数を１０×１０＝１００としている。

仮に、図１（ｂ）及び図１（ｃ）の解析点数１箇所当たりの解析時間を１ｓｅｃ、解析領域間のステージ移動時間を１ｓｅｃとした場合、一辺１０ｍｍの不良チップ１０１ａから不良領域を一辺０．１ｍｍの矩形領域に絞り込むトータル解析時間は、２×（１ｓｅｃ／箇所×１００箇所＋１ｓｅｃ／移動×９９移動）＝３９８ｓｅｃ＝６．６ｍｉｎとなる。

以上のことから、φ３００ｍｍウェハの全チップの良品／不良品の判定を行い、その中の不良チップ１個の不良領域を一辺０．１ｍｍの矩形領域に絞り込むまでのトータル時間は１２９９ｓｅｃ＋１９９ｓｅｃ＋１９９ｓｅｃ＝１６９７ｓｅｃ＝２８．３ｍｉｎとなる。

もし、６５０チップ／ウェハの１０％が不良チップで、それら全てを一辺０．１ｍｍの矩形領域までに絞り込む場合のトータル時間は１２９９ｓｅｃ＋６５０×０．１×（１９９ｓｅｃ＋１９９ｓｅｃ）＝２７１６９ｓｅｃ＝４５２．８ｍｉｎ＝７．５ｈｒとなる。

第２の解析工程では一辺０．１ｍｍの不良領域１０３から不良箇所１０５の特定までを行っている。一辺０．１ｍｍのチップ１０１ａをＸ方向・Ｙ方向共に９等分（解析領域の寸法＝一辺１ｍｍ）し、解析点数を９×９＝８１としている。そして、絞り込んだ不良領域１０４（一辺２２．２μｍ）をさらにＸ方向・Ｙ方向共に１０等分し、解析点数を１０×１０＝１００としている。仮に、これらの解析点数１箇所当たりの解析時間を非特許文献３と同じ２００μｓｅｃとした場合、一辺０．１ｍｍの不良領域１０３から不良箇所１０５を特定するまでのトータル解析時間は、２００μｓｅｃ／箇所×８１箇所＋２００μｓｅｃ／箇所×１００箇所＝３６．２ｍｓｅｃとなる。

以上のことから、１チップのトータル解析時間は３９８ｓｅｃ＋３６．２ｍｓｅｃ＝３９８．０４ｓｅｃとなる。この値は、非特許文献３（解析時間＝６００ｓｅｃ）の約２／３である。

しかも、解析領域を包含するサイズでスポット光１２及びレーザ光４２を照射し、解析領域毎にＰａｓｓ／Ｆａｉｌ判定を行っているため、従来例のようなレーザスポット間の未照射部による不良箇所の見落としが無く、確実な判定結果が得られる。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態に付いて図を用いて説明する。この実施の形態は、第１の実施の形態を実現するための装置の構成に関するものである。

図３は、本発明の第２の実施の形態に関わる解析工程に用いる解析装置の一形態を表すブロック図である。

この解析装置は、光学系１０、テスタ５０、ＤＵＴボード５１、制御装置６０、ステージ６１、表示装置６２及び第２の解析装置２００を含んで構成される。

光学系１０は、ウェハ１００の観察像を取得すると共に、不良領域の絞り込みに用いるスポット光１２をウェハ１００に照射する光学装置群である。

テスタ５０は、解析領域のＰａｓｓ／Ｆａｉｌ判定を行う判定装置である。テスタ５０にはチップ１０１を装着するソケットを備えたＤＵＴボード５１が電気的に接続されている。

ＤＵＴ（Ｄｅｖｉｃｅ Ｕｎｄｅｒ Ｔｅｓｔ）ボード５１は、被測定デバイスとテストヘッドの間に介在し、試験に必要な信号を伝達する電気的接続手段のことをいう。ここでＤＵＴとは試験対象デバイスのことであり、本稿においてはチップ１０１のことを指す。

制御装置６０は、ＤＵＴボード５１を搭載してＸＹ方向に移動可能なステージ６１及び光学系１０を制御する。

制御装置６０による光学系１０の制御対象は図４であらためて詳述する。

また、制御装置６０は、テスタ５０との信号の授受および不良領域の絞り込みデータを第２の解析装置２００に送る。

さらに制御装置６０は、光学系１０で取得した観察像およびテスタ５０による解析像及び判定結果を表示装置６２に送る。

ステージ６１は、スポット光１２の照射位置を微調整するためのＸ方向及びＹ方向へ可動可能な台（ステージ）である。

表示装置６２は、テスタ５０より送られてきた解析像及び判定結果を表示する液晶表示装置などである。

次に、光学系１０について詳述する。

図４は、図３の解析装置における光学系１０の具体例を表すブロック図である。

この光学系１０は、光源１１、波長選択フィルタ２１、ハーフミラー２２、パワーメータ２３、シャッタ２４、ダイクロイックミラー２５、対物レンズ群２６、照明光源３０、ハーフミラー３２、結像レンズ３３、カメラ３４を含んで構成される。

光源１１はハロゲンランプ、キセノンランプなどの各種ランプあるいはダイオードレーザを用いた光源である。この光源１１からスポット光１２が照射される。

波長選択フィルタ２１は、光源１１から照射されるスポット光１２から特定の波長の光のみを透過させ、他の波長の光を遮るフィルタである。通常の光源では、一定の範囲内の全ての波長の光を包含するため、その中から一定の周波数の光を抽出する役割を波長選択フィルタ２１は果たす。波長選択フィルタ２１は、ＳＤＬ解析あるいはＬＡＤＡ解析に適した波長を選択する。

ＳＤＬ解析においてチップ１０１表面から照射する場合には、波長選択フィルタ２１には、１．１μｍ以上の波長を選択する。

ＳＤＬ解析においてチップ１０１の裏面から照射する場合には、波長選択フィルタ２１には、チップ１０１のシリコン基板を透過しない可視域あるいは１．１μｍ以上の波長を選択する。

ＬＡＤＡ解析においてチップ１０１表面から照射する場合には、波長選択フィルタ２１には、１．１μｍ以下の波長を選択する。

ＬＡＤＡ解析においてチップ１０１の裏面から照射する場合には、１．０〜１．１μｍの波長を選択する。

なお、波長選択フィルタ２１は複数種類用意し、適宜切り替えられるようにしても良い。

ハーフミラー３２は、スポット光１２に対する反射率が５％以下であるハーフミラーである。

パワーメータ２３は、ハーフミラー２２が反射したスポット光１２のパワー（＝スポット光１２の光量）を測定し、測定結果を制御装置６０に送るための光パワーメータである。

シャッタ２４は、ハーフミラー２２を透過したスポット光１２の光路に入出することで、チップ１０１へのスポット光１２の照射をＯＮ／ＯＦＦする。

図４では、シャッタ２４について、機械的なシャッタを示している。しかし、シャッタ２４として、ＡＯ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ−Ｏｐｔｉｃｓ）素子やＥＯ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ）素子、液晶素子といった光変調素子を用いても良い。これらを用いる事で、高速なシャッタのＯＮ／ＯＦＦ切替を行うことが可能となる。

ダイクロイックミラー２５は、特定の波長の光を反射しその他の波長の光を透過する鏡である。本発明においては、ＳＤＬ／ＬＡＤＡ解析に用いるスポット光１２と該スポット光１２の照射位置決め及びチップ１０１の観察を行うための観察光３１（後述）とを分離する。

対物レンズ群２６は、焦点距離の異なる（＝倍率の異なる）複数の対物レンズから構成された一群の対物レンズである。

この対物レンズ群２６によって、スポット光１２は解析領域に応じたスポット径でチップ１０１に集光・照射される。

照明光源３０は、チップ１０１の観察を行うための観察光３１の光源である。本発明においては、観察光３１はカメラ３４に対して有効な波長を持つことが望ましい。またダイクロイックミラー２５でスポット光１２と観察光３１を分離することを考えると、観察光３１の波長はスポット光１２の波長と異なることが不可欠である。

ハーフミラー３２は、照明光源３０から出射された観察光３１の光路を曲げ、チップ１０１が反射した観察光３１をそのままカメラ３４に透過させるハーフミラーである。

結像レンズ３３はチップ１０１が反射した観察光３１を集光し、カメラ３４に入力するための結像レンズである。

カメラ３４は、観察光３１によりチップ１０１の表面を撮影するためのカメラである。

なお、制御装置６０による光学系１０の制御対象としては、１）対物レンズ群２６のレンズ切替、２）光源１１の光量の増減、３）波長選択フィルタ２１の切替（複数枚あれば）、４）シャッタ２４の開閉、５）カメラ３４の画像取得タイミング、６）対物レンズ群２６のフォーカシング、などが上げられる。

また、制御装置６０に対して返す光学系１０の情報としては、パワーメータ２３で取得した光源１１の光量情報が上げられる。

以上のような構成により、以下の効果が上げられる。

通常の解析装置では、光源にハロゲンランプ、キセノンランプなどの各種ランプ、あるいはダイオードレーザを採用している。これらの内、ダイオードレーザ以外はＹＡＧレーザやＹＬＦレーザのように微細なスポット径を得ることは難しい。一方で、大スポット径を得るのは容易であり、またハロゲンランプ、キセノンランプは安価に入手可能である。

本発明の上記解析装置を適用することで、ハロゲンランプ、キセノンランプなどを用いても小径のスポット光を得ることが可能となる。またハロゲンランプ、キセノンランプなどの各種ランプから得られる発光スペクトルの波長は、可視光のそれから赤外線の波長までと幅広い。このため、波長選択フィルタ２１によりＳＤＬ解析及びＬＡＤＡ解析に適した波長を得ることが容易であり、従来のように波長の異なるレーザ発振器を複数台設ける必要が無いという利点がある。

（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態に付いて説明する。

第２の実施の形態に関わる解析装置では、光学系１０から制御装置６０に対して返される情報がパワーメータ２３で取得した光源１１の光量情報のみであった。これを補強するためにより多くの情報を制御装置６０に対して提供可能なようにするのが本発明の第３の実施の形態である。

図５は、本発明の第３の実施の形態に関わる光学系１０の一部の内部構成を表すブロック図である。

本実施の形態では、第２の実施の形態の光学系１０に対して、放射温度計２８を追加すること及び対物レンズ群２６で用いられる対物レンズを改良したものとするところに特徴がある。このため、ダイクロイックミラー２５と検査対象であるチップ１０１の間にリングミラー２７が設けられる構成を採る。

本実施の形態で用いられる対物レンズ群２６に採用される対物レンズはスポット光１２を集光するレンズ２６ａと、リング状レンズ２６ｂから構成される。

チップ１０１のスポット光１２被照射部は加熱されて放射光１３を発する。この放射光１３をリング状レンズ２６ｂにより集光される。なお、リング状レンズ２６ｂの代わりにガラスファイバを用いても良い。

リングミラー２７は、その開口部によりスポット光１２の波長を透過すると共に、チップ１０１からの反射光が放射温度計２８に入力されることを防止する。一方、リング状レンズ２６ｂにより集光された放射光１３はリングミラー２７で反射して放射温度計２８に導く。

放射温度計２８は、放射光１３の波長及び強度からチップ１０１の実温度を検知できる。放射温度計２８は、この検知結果を制御装置６０に送る。制御装置６０は、該データ及び第２の実施の形態で説明した光源１１の光量情報に基づき、光源１１の出力を調整する。

これにより、チップ１０１を所望の温度に加熱することが可能となり、不良領域を過剰に加熱することを防止できる。このため、不良箇所を損傷することなく、不良領域を絞り込むことがより確実に可能となる。

なお、放射温度計２８を設けた場合、パワーメータ２３及びハーフミラー２２を無くすことも設計上の選択肢に含まれる。

（第４の実施の形態）
次に第４の実施の形態に付いて図を用いて説明する。本実施の形態では、スポット光１２の整形手段の提供を目的とする。

図６は、本発明の第４の実施の形態に関わる解析装置の光学系１０に関するブロック図である。また図７は本発明の第４の実施の形態に関わる別の解析装置の光学系１０に関するブロック図である。

本実施の形態では波長選択フィルタ２１とハーフミラー２２の間に、可変アパーチャ３５ａなどの整形手段３５と、結像レンズ３６を挿入する点に特徴がある。

整形手段３５は、スポット光１２の半径方向の断面形状を矩形に整形するものである。

図６では、整形手段３５として可変アパーチャ３５ａを用いている。この可変アパーチャ３５ａは、制御装置６０からの指令に基づき、図示しない駆動機構により解析領域に応じた任意の矩形開口部を形成する。

また図７では、整形手段３５として透過型液晶素子３５ｂを用いている。この透過型液晶素子３５ｂは、制御装置６０からの指令に基づき、解析領域に応じた透過領域を設定する。

これらの構成要素を挿入することで、光源１１からダイクロイックミラー２５までは以下のような動作となる。

光源１１から出射されたスポット光１２は、整形手段３５に達し、結像レンズ３６と対物レンズ群２６による総合倍率Ｍと解析領域の寸法から設定された矩形開口（可変アパーチャ３５ａの場合）あるいは透過領域（透過型液晶素子３５ｂの場合）を通過することで整形される。その後、ダイクロイックミラー２５により光路が曲げられて対物レンズ群２６によりチップ１０１上に投射投影される。

図８は図１で述べた第１の解析工程を図６及び図７の光学系で行った場合の説明図である。

不良チップの選別では、チップ１０１全体に照射されるよう、矩形開口あるいは透過領域の寸法を設定する。例えば、チップ１０１の寸法が１０ｍｍ×１０ｍｍ、総合倍率Ｍが５倍の場合には矩形開口あるいは透過領域の寸法を一辺５０ｍｍに設定する。

１回目および２回目の絞り込みも同様に、矩形開口あるいは透過領域の寸法を（解析領域の寸法×Ｍ）に設定する。もし、２回目の絞り込みにおいて、矩形開口あるいは透過領域の寸法が小さくなりすぎる場合には、対物レンズ群２６の倍率を高くする。これにより、非透過部に照射される比率が小さくなり、整形手段への熱影響および無駄なエネルギ損失が抑えられる。

本方式を用いることにより、スポット光１２の中心部、即ちパワー密度が略均一な部分を抽出して用いることが可能なため、パワー密度不均一による見落としや不良部の損傷を防止できる。

また、整形手段３５に透過型液晶素子３５ｂを用いることで、ステージ６１を移動することなく、設定された解析領域にスポット光１２を順次照射できる。このため、解析時間を短縮できる。

（第５の実施の形態）
最後に、第５の実施の形態に付いて、図を用いて説明する。

図９は、本発明の第５の実施の形態に関わる解析工程に用いる解析装置の一形態を表すブロック図である。

この解析装置は、第２の実施の形態でも述べたテスタ５０、ＤＵＴボード５１、制御装置６０、ステージ６１、表示装置６２の他に、レーザ発振器２０１、走査光学系２０３、切替ミラー２０４、ダイクロイックミラー２０５、観察光学系２０６、集光光学系２０８、光学系２０９を含む。

レーザ発振器２０１及び走査光学系２０３は、第２の解析工程に用いるものである。レーザ発振器２０１から出射されたレーザ光２０２は走査光学系２０３によりＸＹ平面上の任意領域に走査される。ここで用いるレーザ発振器２０１は、ＳＤＬ解析とＬＡＤＡ解析で波長が異なるのは既に述べたとおりである。ＳＤＬ解析では発振波長１．３μｍのＹＬＦレーザ、ＬＡＤＡ解析用には波長１．０６μｍのＹＡＧレーザが一般的に用いられるが、これに拘るものではない。

制御装置６０は、レーザ発振器２０１及びその出力であるレーザ光２０２を制御する。また走査光学系２０３に対して、制御装置６０は走査領域及び走査速度を制御する。

切替ミラー２０４は、第１の解析工程に用いるスポット光１２と第２の解析工程に用いるレーザ光２０２の何れかをウェハ１００もしくはチップ１０１に照射するためのものである。切替ミラー２０４が光路中にある場合には、スポット光１２の光路が切替ミラー２０４により曲げられてウェハ１００／チップ１０１に照射される。切替ミラー２０４が光路外にある場合にはレーザ光２０２が通過してウェハ１００／チップ１０１に照射される。

なお、切替ミラー２０４を偏光素子に置き換えてもかまわない。ここでの偏光素子とはある一方向の偏光（例えばＰ偏光）に対して、透過の特性を有し、それ以外の偏光に対しては反射の特性を有するものである。一般的にレーザ光２０２は直線偏光の特性を有していることから、それに応じた偏光素子を用いればよい。

このように切替ミラー２０４を偏光素子に置き換えると、切替ミラー２０４を光路中に入出させる機械的構造が不要となる。さらに、スポット光１２とレーザ光２０２を同時に照射することも可能となる。ＳＤＬ解析を行う場合を考えると、第２の解析工程時に第１の解析工程で絞り込んだ不良領域にスポット光１２を照射し、ある程度まで加熱した状態でレーザ光２０２を照射するといったことも可能となる。このようにすることで、従来の加熱無しの状態でのレーザ照射に比べて低い照射パワーで不良箇所を特定でき、不良箇所の熱損傷防止、レーザ発振器２０１の低出力化といった効果も期待できる。

ダイクロイックミラー２０５は、可視域の波長を反射し、赤外域の波長を透過する特性を有する鏡である。それ故、観察光学系２０６からの観察光３１は光路を曲げられてウェハ１００／チップ１０１に照射され、その反射光も光路を曲げられて観察光学系２０６に戻る。

観察光学系２０６は、観察光３１を発する光源とウェハ１００／チップ１０１からの反射光をカメラ上に結像する光学系と画像を取得するカメラで構成される。観察光３１の光量は制御装置６０により制御され、カメラからの画像信号は制御装置６０に送られ、適宜に表示装置６２上に表示される。

集光光学系２０８は、上記したスポット光１２、レーザ光２０２、観察光３１をウェハ１００／チップ１０１に集光・照射するものである。集光光学系２０８は、倍率の異なる複数の対物レンズとその切換機構、フォーカシング機構で構成される。制御装置６０は、集光光学系２０８の対物レンズの切換機構およびフォーカシング機構を制御する。

光学系２０９は、第１の解析工程に用いるスポット光１２を発生する。光学系２０９は、図４で表した光源１１、波長選択フィルタ２１、ハーフミラー２２、パワーメータ２３、シャッタ２４を含む。各構成については第２の実施の形態同様であるのでここでは省略する。光学系２０９は制御装置６０により制御される。

テスタ５０は第２の実施の形態で述べたように、解析領域のＰａｓｓ／Ｆａｉｌ判定を行うもので、チップ１０１を装着するソケットを備えたＤＵＴボード５１が接続されている。

制御装置６０も第２の実施の形態で述べたように、ＤＵＴボード５１を搭載してＸＹ方向に移動可能なステージ６１の制御、テスタ５０との信号の授受を行うと共に、テスタ５０からの解析データに基づいて不良領域の絞り込みおよび不良箇所の特定を行う。さらに、上記の通り、光学系２０９、レーザ発振器２０１、走査光学系２０３、切替ミラー２０４、観察光学系２０６、集光光学系２０８の制御を行う。

本実施の形態の解析手順は基本的に実施例１で述べたとおりである。第１の解析工程は光学系２０９から出射されたスポット光１２を用いて行う。不良領域を絞り込み後、切替ミラー２０４を光路外に出し、レーザ光２０２を用いた第２の解析工程を実施する。

本実施の形態により、試料となるウェハ１００／チップ１０１及び解析データを装置間で移動することなく解析可能となる。このため、本実施の形態により解析時間を短縮できる。更に、トータルとしての装置価格およびスペースを削減できる。

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、本発明は前記の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が可能であることは言うまでもない。例えば図５で述べた放射温度計を第５の実施の形態に適用することなども当然に本発明の射程に含まれる。

本発明は、半導体装置の不良解析、及びその不良解析に用いる解析機器への適用を想定している。

１０…光学系、１１…光源、１２…スポット光、１３…放射光、
２１…波長選択フィルタ、２２…ハーフミラー、２３…パワーメータ、
２４…シャッタ、２５…ダイクロイックミラー、
２６…対物レンズ群、２６ａ…レンズ、２６ｂ…リング状レンズ、
２７…リングミラー、
２８…放射温度計、３０…照明光源、３１…観察光、３２…ハーフミラー、
３３…結像レンズ、３４…カメラ、
３５…整形手段、３５ａ…可変アパーチャ、３５ｂ…透過型液晶素子、
３６…結像レンズ、４２…レーザ光、５０…テスタ、
５１…ＤＵＴボード、６０…制御装置、６１…ステージ、６２…表示装置、
１００…ウェハ、１０１…チップ、１０２、１０３…不良領域、
２００…第２の解析装置、
２０１…レーザ発振器、２０２…レーザ光、２０３…走査光学系、
２０４…切替ミラー、２０５…ダイクロイックミラー、２０６…観察光学系、
２０８…集光光学系、２０９…光学系。

Claims (9)

1. 半導体装置の不良解析方法であって、
   解析領域を包含するスポット光を用いて不良領域を絞り込む第１の解析ステップと、
   前記第１の解析ステップで絞り込んだ不良領域を前記第１の解析ステップで用いたスポット光よりも微小のスポット径のレーザ光を用いて不良箇所を特定する第２の解析ステップと、を含む半導体装置の不良解析方法。
2. ウェハ中のチップ状半導体装置の不良解析方法であって、
   解析対象の前記チップ状半導体装置を包含するスポット光を照射することで動的解析を行うチップ状半導体装置の不良解析方法。
3. 半導体装置の動的不良解析装置であって、
   動的解析を行うテスタと、
   前記テスタと解析対象の半導体装置との間を電気的に接続する電気的接続手段と、
   前記解析対象の半導体装置を搭載するステージと、
   前記ステージ上の前記解析対象の半導体装置の不良領域の絞り込みに用いる第１の光学系と、
   前記ステージ及び前記第１の光学系を制御すると共に前記テスタとの信号の授受と解析装置とのデータの転送を行う制御装置と、を含む半導体装置の動的不良解析装置。
4. 請求項３記載の半導体装置の動的不良解析装置において、前記第１の光学系は、
   出力の調整可能な解析用光源と、
   前記解析用光源から出射される光から解析領域に応じたスポット光を得る整形手段と、
   前記スポット光の波長を制限する波長選択手段と、を含む半導体装置の動的不良解析装置。
5. 請求項４記載の半導体装置の動的不良解析装置において、前記解析用光源はハロゲンランプやキセノンランプの各種ランプあるいはダイオードレーザを光源として用いる半導体装置の動的不良解析装置。
6. 請求項３記載の半導体装置の動的不良解析装置において、前記解析対象の半導体装置の前記スポット光の被照射箇所の温度を検知する温度検知手段を更に含む半導体装置の動的不良解析装置。
7. 請求項３乃至６のいずれか一項記載の半導体装置の動的不良解析装置において、さらに前記解析対象の半導体装置を観察するための観察光学系を含む半導体装置の動的不良解析装置。
8. 請求項３乃至６のいずれか一項記載の半導体装置の動的不良解析装置において、さらに、前記第１の光学系で絞り込んだ不良領域から不良箇所を特定するための第２の光学系を含む半導体装置の動的不良解析装置。
9. 請求項８記載の半導体装置の動的不良解析装置において、前記制御装置は前記第２の光学系も制御する半導体装置の動的不良解析装置。

Images