JP2015023091A - 半導体素子の評価方法及び半導体素子の評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光を得るために被評価素子への印加電圧を上げすぎて必要以上にデバイスを破壊することなく、不良箇所を特定することができる半導体素子の評価方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 半導体素子に電圧を印加して不良箇所を発光で特定する半導体素子の評価方法であって、被評価素子に印加する電圧を徐々に上昇させながら発光状態を監視する工程と、所定の強度の発光が確認された時点で、前記電圧の上昇を停止する工程と、該上昇を停止した時の電圧を保持しながら前記被評価素子の発光部の撮影を行う工程と、前記発光部の場所を特定することで、半導体素子の不良箇所を特定する工程とを有することを特徴とする半導体素子の評価方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子の評価方法及び半導体素子の評価装置に関し、特に半導体基板上に作製された各種デバイスの不良箇所を特定するための評価方法及び評価装置に関するものである。

半導体基板上に形成される各種デバイスが動作不良を起こす場合、この原因解明の方法のひとつとして、不良箇所を特定し、その不良箇所がどのような状態であるかを解析することがよく行われる。
このような解析において、何らかの方法で不良箇所を特定することができれば、収束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）による微細加工技術と、高解像度の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）技術、及び、エネルギ分散型Ｘ線分光（ＥＤＸ）のような不純物解析技術を用いることで不良箇所を直接観察することができ、不良原因の究明を行うことが可能になる。
一連の技術について各種検討がなされているが、その中でも、不良箇所特定が一番の問題である。

不良箇所を特定する方法としては、デバイスを動作させるか、電圧を印加して回路に電流を流した状態で、回路領域上に塗布した液晶の配向性を利用するものや、発熱をＩＲカメラで特定する方法（特許文献１）や、不良箇所からの発光をカメラで検出する方法（特許文献２）などが知られているが、最も一般的な方法としては、不良箇所からの発光を検出する方法である。

特開２００９−２８８０９０号公報 特開２００３−１３３３８２号公報

しかしながら、不良箇所からの発光を検出する方法において、非常に低い電圧で発光を得ることができれば問題は生じないが、一般に発光量は非常に小さく、また回路表面には保護膜などが存在することが多い。
従って、発光を検出するためには、検出するカメラの感度を向上させるか、発光量を大きくすることが原理的には考えられる。
このうちで、カメラの感度向上は理想ではあるが、実際には各種感度のカメラをそろえることは不可能であり、また、カメラの感度を向上させたとしても、外乱とのＳＮ比の問題等がある。

上記を考慮し、発光量を大きくする方法、すなわち印加電圧を大きくして発光が観察されるようになるまで徐々に印加電圧を大きくする方法を選択することが好ましい。
しかしながら、発明者が検討した結果、この方法では印加電圧を大きくしすぎてデバイスをさらに熱破壊するという問題があることを見出した。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、発光を得るために被評価素子への印加電圧を上げすぎて必要以上にデバイスを破壊することなく、不良箇所を特定することができる半導体素子の評価方法及び評価装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、半導体素子に電圧を印加して不良箇所を発光で特定する半導体素子の評価方法であって、被評価素子に印加する電圧を徐々に上昇させながら発光状態を監視する工程と、所定の強度の発光が確認された時点で、前記電圧の上昇を停止する工程と、該上昇を停止した時の電圧を保持しながら前記被評価素子の発光部の撮影を行う工程と、前記発光部の場所を特定することで、半導体素子の不良箇所を特定する工程とを有することを特徴とする半導体素子の評価方法を提供する。

このように、被評価素子に印加する電圧を徐々に上昇させながら発光状態を監視し、所定の強度の発光が確認された時点で、印加電圧の上昇を停止することで、被評価素子への印加電圧を上げすぎて必要以上にデバイスを破壊することを防ぐことができる。

ここで、前記発光状態の監視を撮像装置で行い、前記被評価素子への電圧の印加を、電圧印加装置によって行い、前記電圧の上昇、前記電圧の上昇の停止、及び、前記電圧の保持を、制御装置が撮像装置の出力信号に基づいて、前記電圧印加装置を制御することによって行うことができる。
このようにすることで、確実にデバイスの破壊を防ぐことができる。

また、前記発光状態を監視する工程は、前記電圧が所定の電圧値だけ増加したときに前記撮像装置によって前記被評価素子を撮像する段階を含むことが望ましい。
このように、電圧が所定の電圧値だけ増加したときに撮像装置によって被評価素子を撮像することで、より確実にデバイスの破壊を防ぐことができる。

さらに、前記発光部の撮影を前記撮像装置で行うことができる。
このように、発光状態を監視する撮像装置で発光部の撮影を行うことで、効率的に不良箇所を特定することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明は、半導体素子に電圧を印加して不良箇所を発光で特定する半導体素子の評価装置であって、被評価素子に電圧を印加する電圧印加装置と、前記被評価素子の発光状態を監視する撮像装置と、前記撮像装置からの信号に基づいて、前記電圧印加装置を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記被評価素子に印加する電圧を増加させるように前記電圧印加装置を制御し、前記撮像装置が所定の強度の発光を検知したときに、前記電圧の上昇を停止させ、該停止した電圧を保持するように前記電圧印加装置を制御することを特徴とする半導体素子の評価装置を提供する。

このように、評価装置が、発光状態の監視を行う撮像装置の出力信号に基づいて、電圧の上昇、電圧の上昇の停止、及び、電圧の保持を制御する制御装置を有することで、被評価素子への印加電圧を上げすぎて必要以上にデバイスを破壊することを防ぐことができる装置となる。

ここで、前記制御装置は、前記電圧が所定の電圧値だけ増加したときに前記半導体素子を撮像するように、前記電圧印加装置及び前記撮像装置を制御することが好ましい。
制御装置が、上記のように電圧印加装置及び撮像装置を制御することで、確実にデバイスの破壊を防ぐことができる。

さらに、前記撮像装置が前記発光部の撮影を行うことが好ましい。
このように、撮像装置が発光部の撮影を行うことで、評価装置の構成を簡素にすることができる。

以上のように、本発明によれば、被評価素子に印加する電圧を徐々に上昇させながら発光状態を監視し、所定の強度の発光が確認された時点で、印加電圧の上昇を停止することで、被評価素子への印加電圧を上げすぎて必要以上にデバイスを破壊することを防ぐことが可能になる。

本発明の半導体素子の評価方法を示すフローである。 本発明の半導体素子の評価装置を示す図である。 実施例の電圧印加時のＩＶカーブ及び発光状態を示す図である。 比較例の電圧印加時のＩＶカーブ及び発光状態を示す図である。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
前述のように、不良箇所からの発光を検出する方法において、発光を検知するカメラの感度を向上させるよりも、印加電圧を大きくして発光が観察されるようになるまで徐々に印加電圧を大きくするほうが好ましいが、この方法では印加電圧を大きくしすぎてデバイスをさらに熱破壊するという問題があった。破壊されてしまうと、そもそもの不良箇所の分析に支障をきたしてしまう。

そこで、発明者は、発光を得るために被評価素子への印加電圧を上げすぎて必要以上にデバイスを破壊することなく、不良箇所を特定することができる半導体素子の評価方法について鋭意検討を重ねた。
その結果、被評価素子に印加する電圧を徐々に上昇させながら発光状態を監視し、所定の発光量が確認された時点で、印加電圧の上昇を停止することで、被評価素子への印加電圧を上げすぎて必要以上にデバイスを破壊することを防ぐことができることを見出し、本発明をなすに至った。

以下、図１及び図２を参照しながら、本発明の半導体素子の評価方法及び評価装置を説明する。

まず、図２を参照しながら、本発明の半導体素子の評価装置を説明する。
図２に示すように、本発明の半導体素子の評価装置１０は、被評価素子１を載せる載置台６と、被評価素子１にプローブ針５を介して電圧を印加する電圧印加装置４と、被評価素子１の発光状態を監視するとともに、被評価素子１の発光部を撮影する撮像装置２と、電圧印加装置４及び撮像装置２を制御する制御装置３を有している。
電圧印加装置４は例えばテスタであり、撮像装置２は例えばカメラである。

制御装置３は、被評価素子１に印加する電圧を徐々に上昇させるように電圧印加装置４を制御し、撮像装置２が所定の強度の発光を検知したときに、電圧の上昇を停止させ、この停止した電圧を保持するように電圧印加装置４を制御する。
また、制御装置３は、被評価素子１に印加する電圧をステップ状に増加させるように電圧印加装置４を制御することができ、印加電圧が増加するたびに被評価素子１を撮像するように撮像装置２を制御することができる。
さらに、制御装置３は、撮像装置２からの映像信号に基づいて、撮像された領域の中で一番発光量（輝度）の高い箇所の輝度を数値化し、一番発光量の高い箇所の輝度が予め決められた輝度の閾値に到達するまで、電圧をステップ状に昇圧するように電圧印加装置４を制御することができる。

上記のような構成により、評価装置１０は不良箇所の発光による特定を自動化することができる。

次に、上記のような評価装置を用いた本発明の評価方法を説明する。
まず、被評価素子に印加する電圧を徐々に上昇させながら、発光状態を監視する（図１のステップＳ１１参照）。
具体的には、評価装置１０の載置台６上に載せた被評価素子１の所定のパッドにプローブ針５を当てて、電圧印加装置（例えば、テスタ）４から被評価素子１に電圧を印加する。印加する電圧はステップ状に上昇し、電圧が上昇するたびに発光を撮像装置（例えば、カメラ）２によって撮像する。
撮像するたびに、撮像装置２からの映像信号に基づいて、撮像された領域の中で一番発光量（輝度）の高い箇所の輝度が数値化され、一番発光量の高い箇所の輝度が予め決定した輝度の閾値に到達するまで、電圧をステップ状に昇圧するように電圧印加装置４は制御装置３によって制御される。

次に、所定の強度の発光が確認された時点で電圧の上昇を停止する（図１のステップＳ１２参照）。
具体的には、一番発光量の高い箇所の輝度が閾値に到達したら、印加電圧の昇圧を停止するように電圧印加装置４は制御装置３によって制御される。

次に、上昇を停止した時の電圧を保持しながら、被評価素子の発光部を撮影する（図１のステップＳ１３参照）。
具体的には、一番発光量の高い箇所の輝度が閾値に到達したときの電圧を保持するように電圧印加装置４は制御装置３によって制御され、その状態で被評価素子１からの発光状態を示す画像を取得するように撮像装置２は制御装置３によって制御され、画像の取得が完了した時点で電圧印加を停止させるように電圧印加装置４は制御装置３によって制御される。

次に、発光部の場所を特定することで、半導体素子の不良箇所を特定する（図１のステップＳ１４参照）。
具体的には、撮像装置２で取得した被評価素子１からの発光状態を示す画像から発光部の場所を特定し、半導体素子の不良箇所を特定する。

また、上述した一連の動作を自動化することが好ましく、これにより作業ばらつきのない安定した不良箇所の特定が可能になる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例）
試料として、ボロンをドープした抵抗率が１０Ω・ｃｍで直径２００ｍｍのｐ型シリコンウェーハを用いた。このウェーハに１０００℃のパイロ雰囲気（高純度水蒸気雰囲気）中で３００ｎｍの厚さのゲート酸化を行い、これにリンドープのポリシリコンをデポし、その後フォトリソグラフィー工程、エッチング工程により、ポリシリコンを電極パターンに加工し、ＭＯＳキャパシタを作製した。

図２に示す評価装置１０を用いて、このＭＯＳキャパシタのポリシリコン電極に電圧を１Ｖステップで０Ｖから印加し、各ステップ毎に発光強度を観察し、閾値に達するまで、印加電圧の増加と発光強度観察を繰り返した。印加電圧の昇圧レートは、１Ｖ／ｓｅｃとした。
なお閾値は、０Ｖ印加のときの発光強度の値を０として発光が画面内で最初に観察されたときの発光強度の値を閾値とした。
実施例では、発光が観察された時点で電圧印加を停止したことで、図３（ｂ）に示すような局所的な発光（右下の円で囲まれた領域）、すなわち不良箇所を特定することが可能となった。
また、実施例では、図３（ａ）に示すように、２５０Ｖに到達した時点で電圧印加を停止したので、流れる電流を２×１０^−６Ａ以下に抑えることができ、デバイスをさらに熱破壊することを防止することができた。

（比較例）
実施例と同様にしてＭＯＳキャパシタを作製した。
このＭＯＳキャパシタのポリシリコン電極に電圧を１Ｖステップで０Ｖから印加し、
各ステップ毎に特に発光強度を観察することなく、また発光の閾値も特に決めずに、ある程度の発光が確認されるまで電圧を上昇させた。印加電圧の昇圧レートは、１Ｖ／ｓｅｃとした。
その結果、発光したときには既に図４（ｂ）に示すように発光が素子内のかなり広い領域（円で囲まれた領域）に広がり、不良箇所を高精度で特定することができなかった。
また、比較例の方法では発光が確認された時点で不良箇所が大きく破壊されてしまい、不良原因の解析が困難になった。
比較例では、図４（ａ）に示すように、３００Ｖに到達するまで電圧印加を停止しなかったので、不良箇所に１×１０^−４Ａ程度の電流が流れてしまい、デバイスをさらに熱破壊することを防止することができなかった

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…被評価素子、 ２…撮像装置（カメラ）、 ３…制御装置、
４…電圧印加装置（テスタ）、 ５…プローブ針、 ６…載置台、 １０…評価装置。

Claims (7)

1. 半導体素子に電圧を印加して不良箇所を発光で特定する半導体素子の評価方法であって、
   被評価素子に印加する電圧を徐々に上昇させながら発光状態を監視する工程と、
   所定の強度の発光が確認された時点で、前記電圧の上昇を停止する工程と、
   該上昇を停止した時の電圧を保持しながら前記被評価素子の発光部の撮影を行う工程と、
   前記発光部の場所を特定することで、半導体素子の不良箇所を特定する工程と
   を有することを特徴とする半導体素子の評価方法。
2. 前記発光状態の監視を撮像装置で行い、
   前記被評価素子への電圧の印加を、電圧印加装置によって行い、
   前記電圧の上昇、前記電圧の上昇の停止、及び、前記電圧の保持を、制御装置が撮像装置の出力信号に基づいて、前記電圧印加装置を制御することによって行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の評価方法。
3. 前記発光状態を監視する工程は、前記電圧が所定の電圧値だけ増加したときに前記撮像装置によって前記被評価素子を撮像する段階を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の評価方法。
4. 前記発光部の撮影を前記撮像装置で行うことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の半導体素子の評価方法。
5. 半導体素子に電圧を印加して不良箇所を発光で特定する半導体素子の評価装置であって、
   被評価素子に電圧を印加する電圧印加装置と、
   前記被評価素子の発光状態を監視する撮像装置と、
   前記撮像装置からの信号に基づいて、前記電圧印加装置を制御する制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、前記被評価素子に印加する電圧を徐々に増加させるように前記電圧印加装置を制御し、前記撮像装置が所定の強度の発光を検知したときに、前記電圧の上昇を停止させ、該停止した電圧を保持するように前記電圧印加装置を制御することを特徴とする半導体素子の評価装置。
6. 前記制御装置は、前記電圧が所定の電圧値だけ増加したときに前記半導体素子を撮像するように、前記電圧印加装置及び前記撮像装置を制御することを特徴とする請求項５に記載の半導体素子の評価装置。
7. 前記撮像装置が前記発光部の撮影を行うことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の半導体素子の評価装置。

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