JP2648947B2 - 半導体装置の検査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、例えばレーザ等の光を用いた半導体装置
の検査装置に関する。

【従来の技術】

近年の著しい半導体装置製造技術の進歩に伴い、半導
体装置例えばLSIは、益々超高密度化、超高集積化して
きている。これに伴い、LSIの故障診断も高度に複雑化
し、LSIの内部回路の電気的状態を測定する必要があ
る。 従来、このLSIの内部回路の電気的測定は、LSIのAI配
線パターンに金属深針を接触させて行なっていた。 しかし、この方法は、LSIの微細化に伴い、LSIのAI
配線に対して精度良く機械的接触をすることが困難であ
る、金属深針の有する容量のため測定精度が劣化す
る、触針することによりAl配線あるいは内部回路を破
壊してしまう、等という欠点があった。 このような問題に対し、走査型電子顕微鏡を応用した
電子ビームテスタが開発され、実用化されている。これ
は、真空の試料室内のLSI表面に数kVに加速した電子ビ
ームを照射し、LSI表面から放射される二次電子を検出
し、これを二次電子像あるいは内部波形として観察する
ものであり、LSIの微細化に対応できる特長を有してい
る。 しかし、この方法の場合には、試料室を真空にする
必要があるため、測定に時間を要し、非効率的である、
LSI表面に電子ビームを照射するため、電子ビームに
よる損傷によりLSIあるいはLSIを構成するトランジスタ
素子が特性変動する、装置が高価である、等の問題が
ある。 また、上述した金属探針を使用する測定方法の欠点を
除去するものとしては、大気中でLSI表面にレーザ光を
照射し、LSI基板内で発生する光励起電流を検出し、LSI
内部の状態を非接触で解析する方法が提案されている
（永瀬：「レーザ走査型デバイス解析システム」電子通
信学会半導体トランジスタ研究会資料,SSD79−56,R84−
40（1984）、雑誌「電子材料」1986.3 P155〜161、特公
昭51−38225、米国特許明細書3,745,454等参照）。 この方法によりLSI内部のトランジスタの論理状態を
解析できる原理を第４図及び第５図を参照しながら以下
説明する。 以下の説明はCMOSのインバータを例にとった場合であ
り、第４図に示すようにＮ形基板１、Ｐ形ウェル２の場
合である。 同図において、左側部分はチャンネルトランジスタ、
右側部分はｎチャンネルトランジスタで、３及び６はソ
ース領域、４及び７はドレイン領域、５は基板電位コン
タクト、８はウェル電位コンタクトである。Vccは電源
電圧、GNDはアース端子である。また、Vgは入力電圧で
ある。 第４図Ａ及びＢに示すように、レーザ９をｎチャンネ
ルトランジスタのドレイン領域７に照射すると、レーザ
９の波長が半導体の吸収端よりも短ければ光吸収が起
き、そこで電子正孔対が生成される。半導体がシリコン
で、レーザ９がArレーザ（488nm）の場合、レーザ９が
侵入する深さは約１μｍになる。 正孔はドレイン領域では少数キャリアなので、ドレイ
ン領域７内で生成された電子正孔対のうち正孔はドレイ
ン領域７内の正孔の濃度分布に勾配を生じさせる。この
ため、正孔は拡散し、その中の大部分はドレイン領域７
の境界のPN接合に達する。PN接合には、第５図に示すよ
うなポテンシャル分布があり、これにより正孔はドレイ
ン領域７の外に加速される。電子は多数キャリアなので
ほとんど拡散しない。 一方、Ｐウェル２では電子が少数キャリアなのでドレ
イン領域の下のＰウェル２で生成された電子正孔対のう
ち、電子はＰウェル２内の電子濃度分布に勾配を生じ
る。そこで、電子は拡散して、やはり大部分がドレイン
領域７の境界のPN接合に達し、前記と同様のポテンシャ
ル分布によりドレイン領域７内に加速される。この結
果、ドレイン領域７内はマイナスに荷電し、Ｐウェル２
内はプラスに荷電する。したがって、ドレイン領域７
内、Ｐウェル２内、それぞれに電位の分布が生じ、電流
が流れようとする。 ここで、例えば、第４図Ａに示すように、CMOSインバ
ータの入力電圧Vgがハイレベルであった場合、ｎチャン
ネルトランジスタはオン、ｐチャンネルトランジスタは
オフであるので、ドレイン領域７からは矢線10のように
電流が流れる。また、Ｐウェル２では矢線11のように電
流が流れる。これら２つの電流はループの中で閉じてし
まうのでキャンセルされてしまう。したがって、LSIの
外にはこの電流は流れ出さない。 逆に、第４図Ｂが示すようにCMOSインバータの入力電
圧Vgがローレベルであった場合、ｎチャンネルトランジ
スタはオフ、ｐチャンネルトランジスタはオンであるの
で、ドレイン領域７からは矢線12のように電流が流れ
る。Ｐウェル２内の電流の流れは、第４図Ａの場合と同
じであるので、LSIの外に光励起電流が流れ出すことに
なる。 Ｐチャンネルトランジスタのドレイン領域４でもレー
ザ照射により同様のことが起きることは容易に推察され
る。 以上のことから、ドレイン領域4,7にレーザを照射し
てそのときのLSIの電源電流の変化を検出することによ
り、レーザを照射した部位のトランジスタの論理状態を
知ることができる。 以上はCMOSデバイスの場合であるが、NMOS、バイポー
ラなどの他の構造のデバイスの場合にも同様の原理によ
り光照射によりその内部回路の論理状態を知ることがで
きる。 ところで、上記の電源電流の変化を検出する方法とし
ては、従来、一般的には第６図に示すように抵抗負荷を
用いる方法が採用されている。 すなわち、第６図において、13はLSI等の半導体装置
で、その電源ピン14と電源端子15との間に抵抗16が接続
される。17はこの抵抗16をバイパスするためのスイッチ
である。半導体装置13には、テストパターン信号発生回
路18からのテストパターン信号が供給される。そして、
半導体装置13には、その検査部位にレーザが照射され
る。このとき、抵抗16と半導体装置13の電源端子14との
接続点に得られる電源電流変化に対応する電圧変化は、
カップリングコンデンサ19を介してアンプ20に供給さ
れ、出力端子21に得られる。したがって、この出力端子
21に得られる電圧の変化を監視することにより半導体装
置13の内部回路の検査ができる。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、以上のように電源ラインに抵抗負荷16
を挿入してこの抵抗負荷16に生じる電圧降下を検出する
方法は、次のような不都合がある。 すなわち、半導体装置13に入力されるテストパターン
信号は、例えばレベルの異なる各ステートを有するもの
となるが、このテストパターン信号によって半導体装置
13の内部の状態が変わり、テストパターン信号の各ステ
ート毎に消費電流が変化する。すると、抵抗負荷16のた
め、これに伴って半導体装置13の電源ピン14における電
圧が変化する。テストパターン信号の各ステートの消費
電流が一定であれば、抵抗16における電圧降下分だけ電
源電圧を上げておけば良いが、ステート毎に消費電流が
変わる場合には電源電圧をこれに追従させることは困難
である。 したがって、上記の方法で電源電流の変化を測定する
場合、半導体装置13の電源ピン14の電圧が変化すること
により、半導体装置13が誤動作をする可能性があり、正
確な測定をすることができないという問題点がある。 そこで、スイッチ17を測定時以外はオンにして抵抗負
荷16をバイパスするようにし、測定時のみにオフとし
て、半導体装置13の動作時の電源電圧の降下を防ぐ方法
が考えられている。しかし、この方法を用いた場合に
は、測定時に抵抗負荷16の挿入により急激に電圧降下が
生じ、やはり半導体装置が誤動作を起こす恐れがあると
ともにスイッチング時のトランジェントが治まるまで測
定をすることができないから、測定時間が長くなってし
まうという問題もある。 この発明は上記のような欠点を改善し、光照射による
検査を短期間に、かつ、正確にできるようにした半導体
装置の検査装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

この発明による半導体装置の検査装置は、 被検査半導体装置の検査部位に光を照射するための発
光源と、 発光源からの光の強度を変調する変調手段と、 被検査半導体装置に供給するテストパターン信号を発
生するテストパターン発生手段と、 被検査半導体装置の電源電流の変化を検出する検出手
段とを具備し、 被検査半導体装置にテストパターンを供給するととも
に、変調手段からの変調された光を被検査半導体装置の
検査部位に照射したときに、検出手段において検出した
電源電流変化から検査部位の状態を検知するものであっ
て、 上記検出手段は被検査半導体装置の電源ラインに接続
されるインダクタンス素子と、このインダクタンス素子
に得られる上記変調された光照射に対応した電源電流変
化の周波数成分を抽出するためのバンドパスフィルタと
を具備するものである。

【作用】

強度変調された光照射により生じる電源電流変化は高
い周波数領域を有するが、この高い周波数領域ではイン
ダクタンス素子はインピーダンスを有し、電源電流変化
を電圧として検知できる。一方、テストパターン信号の
ような低い周波数に対しては、インダクタンス素子はほ
とんどインピーダンスを持たない。したがって、半導体
装置の消費電流がテストパターン信号の各ステートで変
わっても電源電圧変化は生じないから半導体装置の動作
には影響を与えない。また、抵抗負荷をバイパスする必
要はないからスイッチングによるトランジェントを考慮
する必要がなく、光励起起電力を短時間で測定できる。

【実施例】

この発明による検査装置の一実施例を図を参照しなが
ら以下説明する。 第１図は検査装置の全体の構成を示す図で、この例の
検査装置は、被検査半導体装置30上にレーザ・ビームを
走査しながら集光、照射するためのレーザ光学系40と、
半導体装置30を測定位置に固定すると共にテストパター
ンを与えるための信号線を接続する半導体装置フィック
スチャ31と、半導体装置30に電源電圧を与える電源装置
51と、この電源装置51と半導体装置30の電源ピンとの間
の電源ライン52の途中に設けられて電源電流の変化を検
出する光励起電流検出回路60と、検査装置全体をコント
ロールし、また、測定した光励起電流のデータを加工
し、表示するコントローラ70を具備する。 コントローラ70は、CPU71と、記憶装置72と、ワーク
エリア用のメモリ73と、光学系コントローラ74と、Ｘ−
Ｙステージコントローラ75と、タイミングジェネレータ
76と、半導体装置電源コントローラ77と、ディスプレイ
コントローラ78と、ディスプレイ79とからなる。 41はレーザ光源であり、この例ではArレーザが用いら
れる。Arレーザは比較的短波長であるので１μｍの径に
集光することができ、微細化したLSIなどにも対応する
ことができる。このレーザ光源からのレーザ光は、レー
ザ光学系40の音響光学変調素子42により強度制御及びオ
ン，オフ制御がなされる。この例では音響光学変調素子
42は、コントローラ70の光学系コントローラ74により制
御され、レーザ光がオン，オフされる。このレーザ光の
オン，オフのスイッチングは、テストパターン信号のス
テートが変化してからその変換時のトランジェントの影
響が治まるの待って行ない、そのスイッチング時間はテ
ストパターン信号の周期よりも十分短い。 変調素子42を通ったレーザは、互いに直交するＸ方向
及びＹ方向偏向用の音響光学偏向素子43、44に順次入射
する。音響光学偏向素子43、44は、コントローラ70の光
学系コントローラ74により制御され、レーザビームがそ
れぞれ所定の走査幅でＸ方向及びＹ方向に偏向される。 偏向素子43、44を通ったレーザ光は、Ｘ−Ｙステージ
45に載置された対物レンズ46により集光され、半導体装
置30上にレーザ光が照射される。この場合、Ｘ−Ｙステ
ージ45の上に載置された対物レンズ46とミラー光学系と
により半導体装置30全体にレーザビームを照射できるよ
うにされている。Ｘ−Ｙ光学系45は、コントローラ70の
Ｘ−Ｙステージコントローラ75により偏向素子43、44の
偏向制御に対応して制御される。ここで、対物レンズ46
として50倍のレンズを使用した場合、走査領域は256μ
ｍ角であり、レーザスポット径及びレーザ照射位置分解
能は１μｍである。 半導体装置30はゼロインサーションフォースソケット
等のソケット32が用いられてパフォーマンスボード33に
装着される。パフォーマンスボード33はポゴピン（図示
せず）を介してフィックスチャ31に接続される。 そして、このフィックスチャ31には、同軸ケーブル53
を介してテストパターン信号がテストパターン信号発生
手段54から供給される。このテストパターン信号発生手
段54はパターンジェネレータやLSIテスタを用いること
ができる。この例では、専用のフィックスチャ31を用い
ているが、LSIテスタ等のテストヘッドを直接、装置内
に載置し測定を行なうことができることはいうまでもな
い。 電源装置51はリップルの少ない安定化電源で構成さ
れ、電源電圧が半導体装置30に供給される。電源装置51
は、可変電圧電源であることが望ましく、この例ではコ
ントローラ70によりこの電源装置51の出力電圧がコント
ロールできるようにされている。 電源装置51と半導体装置30の電源ピンとの間の電源ラ
イン52中に挿入された光励起電流検出回路60は、この例
では第２図に示すように構成される。 すなわち、電源装置51の電源出力端子61と、半導体装
置30の電源ピン62との間にパルストランス63が接続され
る。このパルストランス63は、レーザ光をオン，オフす
る周波数である数十MHzでは所定のインピーダンス例え
ば50Ω程度を有し、これより低い周波数ではインピーダ
ンスが十分低くなるように設定されている。つまり、DC
（直流）〜数MHzの周波数領域では、このパルストラン
ス63で電圧降下は生じない。したがって、半導体装置30
にテストパターン信号発生回路54からテストパターン信
号が供給され、このテストパターン信号の各ステート毎
に半導体装置30内の消費電流が変化しても、パルストラ
ンス63では電圧降下は生じないから電源ピン62の電圧は
半導体装置30の内部の消費電流の変化に関係なくほぼ一
定となり、半導体装置30が電圧降下により誤動作すると
いうことはない。 一方、半導体装置30には変調素子42において数十MHz
でオン，オフスイッチングされるレーザ光が照射される
ので、このレーザ光照射のタイミング（オンのタイミン
グ）で光励起電流が生じる。したがって、パルストラン
ス63には、この光励起電流の有無に応じて変化する電圧
が得られる。このパルストランス63に生じた電圧は結合
コンデンサ64を介してバンドパスフィルタ65に供給され
る。このバンドパスフィルタ65は、変調素子42における
レーザ光のオン，オフのスイッチング周波数である数十
MHzを通過帯域とするものである。したがって、このバ
ンドパスフィルタ65からは、光励起電流の有無に応じて
変化する電圧が得られ、これが高利得の高周波アンプ66
を介してA/Dコンバータ67に供給される。このA/Dコンバ
ータ67にはコントローラ70のタイミングジェネレータ76
からの、レーザ照射により光励起電流が発生するタイミ
ングのサンプリングパルスが供給され、このサンプリン
グパルスによりアンプ66の出力がサンプリングされ、各
サンプリング値がデジタル信号に変換される。そして、
このデジタル信号はコントローラ70のワークエリア用の
メモリ73に取り込まれる。 以上のようにして測定された光励起電流は、メモリ73
に取り込まれたデータに基づいてコントローラ70のディ
スプレイ79に、タイミングチャートあるいは光励起電流
像として表示される。 そして、これと例えばLSI設計CADから出力されたシミ
ュレーションデータとを比較したり、良品の半導体装置
と不良品の半導体装置について測定したデータを比較し
て不良箇所を探す。 次に以上のように励起電流検出回路にパルストランス
を用いたときの作用を抵抗負荷を用いた場合と比較しな
がら以下に詳述する。 例えば半導体装置がCMOSデバイスの場合は、入力が変
化し、内部状態が変化する瞬間に大きな電流が流れ、そ
れ以外のときは電流は少ない。 今、例えば、半導体装置30に第３図Ａに示すような矩
形波SCを入力したとする。半導体装置の電源電流は、第
３図Ｂに示すように、矩形波SCが立ち上がったときに大
きく変化する。このとき、前述の第６図のように抵抗負
荷を用いたときは、電源電圧の変化は、第３図Ｃに示す
ようになる。すなわち、矩形波SCの各ステート毎に半導
体装置での消費電流が異なるため、電源電圧の直流レベ
ルは矩形波SCの各テート毎に異なる。このため、半導体
装置が誤動作を生じる恐れがある。 これに対し、パルストランスを用いた場合には、第３
図Ｄに示すように、矩形波SCのステート変化に対し、電
源電圧はほとんど変わらず、安定した状態で光励起電流
の測定ができる。 また、S/Nの良い測定を行なうためには、電流検出素
子からの信号が安定しているときにレーザを照射して測
定を行なう必要がある。ところが、抵抗負荷の場合に
は、第３図Ｂから明らかなように、ステート変化の影響
が治まるまで時間が掛かってしまう。これに対し、パル
ストランスの場合には、第３図Ｄに示すように、早く治
まるので、レーザを照射して光励起電流を測定するまで
に長く待つ必要がない。 なお、以上の例ではレーザの走査手段として、音響光
学偏向素子を用いたが、ガルバノミラーや、ポリゴンミ
ラーを用いても良いし、また、これらの走査手段を組み
合わせたものを用いても良い。 また、レーザ光源として各種の異なる波長のレーザ光
源を用いることにより半導体装置の深さ方向の解析が行
なえることはいうまでもない。

【発明の効果】

この発明においては、レーザ照射により半導体装置に
生じる光励起電流の検出手段として、パルストランスな
どのインダクタンス素子を用いたので、テストパターン
信号のような低い周波数領域に対してはインピーダンス
を十分低くし、レーザ照射による光励起電流に応じた電
源電流変化の周波数に対し所定のインピーダンスを有す
るようにすることができる。 したがって、テストパターン信号のステート変化によ
って半導体装置の消費電流が変化しても、半導体装置の
電源ピンの電圧変化は生じないので、光電流検出素子と
して抵抗負荷を用いる場合のように測定時に半導体装置
が誤動作を起こす恐れがなく、安定な測定，検査を行な
うことができる。 しかも、テストパターン信号のステート変化時のトラ
ンジェントが治まる時間は、抵抗負荷の場合に比べて早
く、測定時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による半導体装置の検査装置の一実施
例のブロック図、第２図はその要部の一例の回路図、第
３図はこの発明の作用を従来との比較において説明する
ための波形図、第４図及び第５図は半導体装置の光励起
電流の発生を説明するための図、第６図は従来の光励起
電流による電源電流変化の検出手段の例を示す図であ
る。 30;半導体装置、40;レーザ光学系 41;レーザ光源、42;光強度変調素子 43;光偏向素子、51;電源装置 52;電源ライン 54;テストパターン信号発生手段 60;光励起電流検出回路 63;パルストランス 65;バンドパスフィルタ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検査半導体装置の検査部位に光を照射す
   るための発光源と、 上記発光源からの光の強度を変調する変調手段と、 上記被検査半導体装置に供給するテストパターン信号を
   発生するテストパターン発生手段と、 上記被検査半導体装置の電源電流の変化を検出する検出
   手段とを具備し、 上記被検査半導体装置にテストパターンを供給するとと
   もに、上記変調手段からの変調された光を上記被検査半
   導体装置の検査部位に照射したときに、上記検出手段に
   おいて検出した電源電流変化から上記検査部位の状態を
   検知するものであって、 上記検出手段は上記被検査半導体装置の電源ラインに接
   続されるインダクタンス素子と、このインダクタンス素
   子に得られる上記変調された光照射に対応した電源電流
   変化の周波数成分を抽出するためのバンドパスフィルタ
   とを具備するものである半導体装置の検査装置。