JP3144412B2

JP3144412B2 - 半導体デバイスの配線電流観測方法、検査方法および装置

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Publication number: JP3144412B2
Application number: JP08106699A
Authority: JP
Inventors: 清二川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2001-03-12
Anticipated expiration: 2015-11-21
Also published as: JPH11316266A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体集積回路等の
半導体デバイスの検査方法および検査のための装置に係
わり、例えば半導体集積回路チップ上の配線の通電経路
や配線系の欠陥を検査するのに好適な半導体デバイスの
配線電流観測方法、検査方法およびそのための装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】本発明の対象となる半導体集積回路等の
半導体デバイスについての故障解析や検査については、
例えば平成５年４月１３日に特許出願された特願平５−
８５８１７号の「半導体集積回路内部相互配線の検査方
法および装置」や、平成６年８月３１日に特許出願され
た特願平６−２３０６７２号の「半導体集積回路チップ
上の配線の通電状態を試験する方法」に開示がある。

【０００３】図２３はこれらの公報に開示された半導体
デバイスの検査装置の構成を示したものである。試料台
１１１には試料としての集積回路１１２が載置されてい
る。可視ビーム発生部１１３から出力される可視光とし
てのレーザビームは顕微鏡部１１４に入射し、集積回路
１１２のチップ上に収束して照射される。試料台１１１
には、定電圧源１１５、電流変化検出部１１７およびテ
ストパタン発生部１１８が接続されている。テストパタ
ン発生部１１８は、レーザビーム１１９の照射される集
積回路１１２をある特定の状態に設定するためのテスト
パタンを発生する部分である。試料台１１１に接続され
たこれらの各部１１５、１１７、１１８は、集積回路１
１２の該当するピンと電気的に接続されている。

【０００４】顕微鏡部１１４、定電圧源１１５、電流変
化検出部１１７およびテストパタン発生部１１８は、シ
ステム全体を制御すると共に取得した信号の処理を行う
ためのシステム制御・信号処理部１２１に接続されてい
る。システム制御・信号処理部１２１は、所定の制御動
作や信号処理を行うようになっている。像表示部１２２
はＣＲＴからなり、システム制御・信号処理部１２１に
接続されている。像表示部１２２には、取得した信号を
処理した結果としての電流像または欠陥像が表示される
ようになっている。

【０００５】この半導体デバイスの検査装置では、可視
光としてのレーザを集積回路１１２の対象とする領域に
走査しながら照射している。電子またはイオンビームで
あってもよい。そして、照射光による温度上昇に起因し
た抵抗の増加を、電流変化検出部１１７を用いて電流の
変化として検出する。そして、例えばレーザビーム１１
９の走査と同期して対象とする配線の電流の変化を照射
位置ごとに輝度の変化あるいは輝度をカラーに疑似的に
置き換えた疑似カラーとして像表示部１２２に表示する
ようにしている。これにより、配線中のボイドや、Ｓｉ
ノジュール（Ｓｉの析出物）を検出したり、配線に流れ
る電流の観測を行う。

【０００６】このような検出あるいは観測の行われる原
理を簡単に説明する。集積回路チップの配線の箇所にビ
ームを照射した際の温度上昇による電流の変化をΔＩと
する。配線の両端に定電圧が印加されているものとする
と、電流の変化ΔＩは次の（１）式で近似することがで
きる。 ΔＩ≒−（ΔＲ／Ｒ）Ｉ・（１）ここでＲはビームの照射がないときの配線の抵抗であ
り、ΔＲはビームの照射による配線の抵抗の変化分であ
る。また、Ｉはビームの照射が行われないときの配線に
流れる電流である。

【０００７】このように、他の条件を一定にしておけ
ば、抵抗Ｒは観測対象の配線が決まれば一定なので、電
流の変化ΔＩを観測することで、抵抗の変化ΔＲと電流
Ｉの積が求められる。更に電流Ｉを一定にすれば、配線
内の各場所での抵抗の変化ΔＲを判別することができ
る。また、抵抗の変化ΔＲを一定にすれば電流Ｉの値を
観測することもできる。これらについて個々に説明を行
う。

【０００８】（１）各場所ごとの抵抗の変化ΔＲの違い
の観測：これは、特願平５−８５８１７号において欠陥
（ボイドやＳｉ析出）の検出法として開示されている。
すなわち、ビームの条件や、被照射箇所の材質、形状等
が同一であれば、場所ごとの抵抗の変化ΔＲの違いは、
それぞれの箇所での熱伝導の違いによる。配線中にボイ
ドやＳｉ析出等の欠陥があれば、熱伝導が異なってく
る。この効果により抵抗の変化ΔＲの違いが観測される
ことが実験的にも確認されている。配線中のボイドやＳ
ｉ析出は、集積回路の信頼性を決定する要因として重要
なものなので、この効果は重要である。この目的で観測
する像を欠陥像と呼ぶ。

【０００９】（２）電流Ｉの観測：これは、特願平６−
２３０６７２号に開示されている。通常の場合に配線の
ほとんどを占める欠陥のない配線部分に着目すると、電
流Ｉを観測することができる。この絶対値を知るには、
抵抗の変化ΔＲと抵抗Ｒのそれぞれの値を知る必要があ
り、容易ではない。しかしながら、正常なものとの比較
で異常電流の有無を知ることは容易にできる。この目的
で観測する像を電流像と呼ぶ。

【００１０】以下の説明では、ビームにより照射された
箇所の抵抗が変化する現象を、簡単にＢＩＲＣＨ（Beam
Induced Resistance Change）と呼ぶことにする。日本
語では、「ビーム照射加熱抵抗変化検出法」と呼ぶこと
にする。このＢＩＲＣＨを、レーザ、電子、イオンの個
々に特定して呼ぶ場合には、それぞれＯＢＩＲＣＨ（Op
tical Beam Induced Resistance Change）、ＥＢＩＲＣ
Ｈ、ＩＢＩＲＣＨと呼ぶことにする。ここで唐n狽ヘ徹pt
ical 狽フ意味であり、唐d狽ヘ摘lectron狽フ意味であり、
また、唐h狽ヘ的on 狽フ意味である。

【００１１】なお、ビームによる加熱を使用する方法と
して、レーザビームの加熱による熱電効果を利用したＮ
Ｂ−ＯＢＩＣと呼ばれる方法も、配線系のボイド等の異
常検出に有効であることが示されている（小山等、９４
年秋応物予稿集、２２ａ−ＺＰ−１０，ｐ．５８６）。
この方法でＢＩＲＣＨ法と異なる工程は、対象となる集
積回路に電圧を印加しないという点のみであり、他は同
じである。電圧が印加されておらず電流が流れていない
ため、この方法は電流の観測には用いることができな
い。ＮＢ−ＯＢＩＣの原理は、配線系に欠陥がある場合
にその近傍で熱伝能が異なるために、あるいは欠陥があ
る場合には熱伝導状態が異なるため温度勾配ができ、そ
の結果熱起電力が発生し、これが電流として検出される
ものであると説明されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したような従
来の半導体デバイスの検査方法および装置については次
のような２つの大きな問題があり、これが実製品への適
用の妨げとなっていた。

【００１３】（１）レーザビームや電子ビームをチップ
に照射すると、基板の半導体中に電子・正孔対が発生
し、これによって電流が発生する。これは光の場合には
ＯＢＩＣ（Optical Beam Induced Current）現象であ
り、電子の場合にはＥＢＩＣ（Electron Beam Induced
Current ）現象である。以下、簡単にＯＢＩＣ現象につ
いてのみ説明するが、ＥＢＩＣ現象の場合にも同様であ
る。

【００１４】ＯＢＩＣ像は、前記したＯＢＩＲＣＨ像と
ＮＢ−ＯＢＩＣ像にオーバラップする形で現われる。通
常の場合には、ＯＢＩＣ信号の方が、ＯＢＩＲＣＨ信号
やＮＢ−ＯＢＩＣ信号よりも強く、電流変化検出系のダ
イナミックレンジが両方の信号を増幅できるだけの十分
な幅を有しないことから、ＯＢＲＣＨ像とＮＢ−ＯＢＩ
Ｃ像がＯＢＩＣ像に埋もれて見えなくなる。ＴＥＧ（Te
st Element Group）の場合には、ＯＢＩＣ信号が表われ
ないような結線が可能であるが、製品の場合には通常は
不可能である。これが、ＯＢＩＲＣＨ法とＮＢ−ＯＢＩ
Ｃ法の実用上の大きな障害の１つになっていた。

【００１５】（２）光ビームの代わりにイオンビームを
用いた場合には、照射箇所がスパッタされるため、非破
壊での検査が困難であるという問題があった。

【００１６】そこで本発明の目的は、ビームの照射によ
って電子や正孔対の発生がなく、またイオンビームのよ
うな破壊的な要素のない半導体デバイスの配線電流観測
方法、検査方法および装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本願発明は、赤外線ビー
ムを半導体デバイスの被観測領域にチップの裏面または
上面から照射し、この赤外線ビームの照射に伴ってこの
半導体デバイスのグランド端子に現われる電流の変化を
検出してその被観測領域の配線電流観測を行うことを特
徴とする半導体デバイスの検査方法であり、又、赤外線
ビームを半導体デバイスの被観測領域にチップの裏面ま
たは上面から照射し、この赤外線ビームの照射に伴って
この半導体デバイスのグランド端子間に現われる電圧の
変化を検出してその被観測領域の検査を行うことを特徴
とする半導体デバイスの検査方法である。

【００１８】その際に、半導体デバイスの出力端子がオ
ープンにすると効果的である。更に、テストパターを半
導体デバイスに入力後前記半導体デバイスを検査するこ
とで集積回路等の半導体デバイスを特定の状態に設定す
ることができ、この特定の状態での半導体デバイスの観
測が可能になる。

【００１９】図１は以上説明した本発明の基本概念を示
したものである。半導体デバイスの配線２０１に赤外線
レーザビーム等の赤外線光ビーム２０２が照射され、場
合によっては破線で示した矢印２０３方向に走査される
とする。配線２０１に電流２０４が流れている場合、赤
外線光ビーム２０２の照射によって配線２０１の温度Ｔ
がΔＴ上昇し、その結果配線の抵抗がΔＲ増加する。そ
の結果電流がΔＩ減少する。温度の変化ΔＴの大きさは
ボイド等の欠陥があると増大するため、抵抗の変化ΔＲ
も増大し、電流の変化ΔＩの絶対値｜ΔＩ｜も増大す
る。従って電流の変化ΔＩを検出することによって半導
体デバイスの検査を行うことになる。また電流の変化Δ
Ｉは配線に流れる電流Ｉに比例するため電流の変化ΔＩ
を観測することで電流Ｉを知ることができる。

【００２０】図２は、従来から用いられている可視光等
による半導体デバイスの検査の基本概念を対比して表わ
したものである。図１と同一部分には同一の符号を付し
ており、これらの説明を適宜省略する。配線２０１には
電源２１１を接続することで電流２０４を流すことがで
きる。また電流変化検出部２１２を接続することで電流
の変化を検出することができる。これは本発明において
も同様である。従来の検査では、赤外線ビーム２０２
（図１）の代わりに、可視レーザ、電子あるいはイオン
ビーム２１３を照射している。そして、図１で説明した
と同様の各種の変化を検出することで、半導体デバイス
の検査を行うようにしている。これ故、前記した問題が
発生する。

【００２１】

【発明の実施の形態】

【実施例】以下実施例につき本発明を詳細に説明する。

【００２２】第１の実施例

【００２３】図３は本発明の第１の実施例の半導体デバ
イスの検査装置における半導体デバイスの検査方法の原
理を示したものである。この方法は、集積回路に電圧を
印加する第１の工程（ステップＳ１０１）と、赤外線ビ
ームを集積回路チップの被観測領域に照射する第２の工
程（ステップＳ１０２）と、この際に集積回路のグラン
ド端子から流れる電流の変化を検出する第３の工程（ス
テップＳ１０３）の３つの工程からなっている。

【００２４】ステップＳ１０３の電流変化の検出は、グ
ランド端子を用いずに電源端子や信号端子を用いること
も可能である。しかしながら、出力をオープンにしてお
けば、集積回路に流れる全電流がグランド端子に流れる
ので、グランド端子は変化を検出する箇所として最も適
している。このように変化の検出を行う際に、入力端子
から集積回路の特定の状態を設定するためのテストパタ
ンを入力するようにすれば、その特定の状態での観測が
可能になる。

【００２５】この図３と同一の工程で配線の欠陥を検出
する方法は、平成５年１２月１４日に出願した特願平５
−３１３３２０号の「半導体集積回路内部相互配線の検
査装置」に示されている。本発明のこの検査方法では、
配線の欠陥を検出するのではなく、配線に流れる電流経
路の観測を行う点が異なる。

【００２６】図４は、この第１の実施例における半導体
デバイスの検査装置の原理を示したものである。従来の
ＯＢＩＲＣＨ法による可視光レーザの代わりに、赤外線
ビームとしての赤外線レーザビーム１１が集積回路１２
の集積回路チップ１３に照射される。集積回路１２の電
源端子１４には一端を接地した定電圧源１５が接続され
ており、グランド端子１６とグランドの間には電流変化
を検出するための電流変化検出部１７が接続されてい
る。

【００２７】電流変化検出部１７で赤外線ビームの照射
により検出される電流変化をΔＩとし、この赤外線ビー
ムの照射による抵抗変化をΔＲとすると、次の（２）式
が成立する。 ΔＩ∝ΔＲ・Ｉ・（２）ここで電流Ｉは、赤外線ビームの照射された配線に流れ
る電流値をいう。配線にボイド等の欠陥があると、抵抗
値が増大し、これによりこの電流値に変化が生ずる。

【００２８】本発明の第１の実施例では、このように加
熱手段として赤外線ビームを使用することにより、従来
の方法では不可能であった、製品でのＯＢＩＲＣＨ像や
ＮＢＯＢＩＣ像の観測が可能になり、故障箇所の絞り込
みから物理的な解析までの一連の解析や検査が１台の装
置で可能になる。

【００２９】図５は、この第１の実施例における半導体
デバイスの検査装置の構成を表わしたものである。試料
台２１には試料として集積回路１２が載置されている。
赤外線ビームとしてここでは赤外線レーザビーム１１が
用いられ、このための赤外線レーザ光源２３が用意され
ている。ここから射出される赤外線レーザビームは赤外
用の顕微鏡部本体２４に入射し、対物レンズ２５を介し
て集積回路１２のチップ上に収束して照射される。試料
台２１には、図４にも示した定電圧源１５および電流変
化検出部１７が接続されており、更にテストパタン発生
部２６が接続されている。テストパタン発生部２６は、
試料としての集積回路１２をある特定の状態に設定する
ためのテストパタンを発生する部分である。試料台２１
に接続されたこれらの各部１５、１７、２６は、集積回
路１２の該当するピンと電気的に接続されている。

【００３０】定電圧源１５、電流変化検出部１７、顕微
鏡部本体２４およびテストパタン発生部２６は、システ
ム全体を制御すると共に取得した信号の処理を行うため
のシステム制御・信号処理部２７に接続されている。シ
ステム制御・信号処理部２７は、図示しないがＣＰＵ
（中央処理装置）とこの装置の制御プログラムを格納し
たＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）や作業用のＲＡＭ
（ランダム・アクセス・メモリ）等からなる記憶部を備
えており、所定の制御動作や信号処理を行うようになっ
ている。像・波形表示部２８はＣＲＴからなり、このシ
ステム制御・信号処理部２７に接続されている。像・波
形表示部２８には、取得した信号を処理した結果として
の電流像、欠陥像または電流波形が表示されるようにな
っている。

【００３１】この第１の実施例による半導体デバイスの
検査装置は、従来のＯＢＩＲＣＨ法によるレーザビーム
を赤外線レーザビームに置き換えたものである。これを
この明細書ではＩＲＯＢＩＲＣＨ−ＢＶＩと表記する。
ただし「ＢＶＩ」はバイアス（Bias）印加法のうちの、
電圧印加、電流検出法であることを示すものである。バ
イアス印加の有無と電流検出か電圧検出かの違いによっ
て、半導体デバイスの検査方法には４つのバリエーショ
ンがある。本発明の第１の実施例ではこのうちの１つを
扱っており、他の３つは後に第２〜第４の実施例として
説明する。

【００３２】さて、試料台２１はＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸
の３方向に各々移動自在となっている。この試料台２１
に試料としての集積回路１２を載置した後、試料台２１
ごと移動させて集積回路１２を赤外線レーザビーム１１
の照射すべき位置まで移動させる。この後に、定電圧源
１５から集積回路１２に電力を供給し、赤外線レーザビ
ーム１１を集積回路１２の観測したい領域に照射する。
電流像や欠陥像を観測するときには、赤外線レーザビー
ム１１を被観測領域で走査し、電流波形を観測するとき
には被観測点としての１点にこれを照射する。集積回路
１２の特定の状態を観測したいときには、テストパタン
発生部２６からテストパタンを発生させ、所望の特定状
態にして、赤外線レーザビーム１１の照射を行う。

【００３３】赤外線レーザ光源２３から射出される赤外
線の波長は、前述の通り１．２４μｍ程度以上であれば
良い。ただし、、あまり長波長にするとビームが絞れな
くなる。逆に短波長にすると、ＯＢＩＣ信号が強くな
り、ＯＢＩＲＣＨ信号の妨げとなる。本実施例では、
１．３μｍの波長のレーザダイオードを使用した。

【００３４】図６は、電流像や欠陥像を取得する際の処
理動作の流れを示したものである。この処理動作の全体
的な制御は前記したシステム制御・信号処理部２７のＣ
ＰＵによって行われる。まず、ＣＰＵは赤外線レーザ光
源２３から射出される赤外線レーザビーム１１を顕微鏡
部本体２４および対物レンズ２５を介して集積回路１２
の被観察領域に照射し、デジタル的にに走査を開始させ
る（ステップＳ２０１）。各走査点の滞留時間は２μＳ
に設定されている。

【００３５】この状態で電流変化検出部１７は各走査点
での滞留時間内での電流変化を平均化し、電圧に変換す
る（ステップＳ２０２）。システム制御・信号処理部２
７はこの電圧をＡＤ変換して、前記した記憶部のその走
査点に対応したメモリ番地に記憶させる（ステップＳ２
０３）。本実施例では８ビット、すなわち２５６階調に
ＡＤ変換して記憶を行う。このようなステップＳ２０２
およびステップＳ２０３の処理は被観察領域の全領域が
走査されるまで繰り返される（ステップＳ２０させると
共に、走査領域に対応したＣＲＴの領域上の各メモリ番
地に対応した点に、記憶した電圧値に対応した輝度で２
５６階調の表示が行われる（ステップＳ２０５）。この
ような輝度表示の代わりに、記憶した電圧値をカラーの
各色に対応させて、２５６色の疑似カラーで表示を行う
ようにしてもよい。

【００３６】このように、電流像や欠陥像を取得する際
には、赤外線レーザビーム１１を試料としての集積回路
１２の被観察領域でデジタル的に走査を行う（ステップ
Ｓ２０１）。具体的には縦５１２ラ横５１２の合計２６
２，１４４点の走査が行われる。各点での滞留時間は２
μＳで、１回の走査は約０．５秒となる。

【００３７】図７は、電流波形を取得する際の処理動作
を示したものである。電流波形を取得する際には、赤外
線レーザビーム１１を周期２μＳ、パルス幅１μＳのパ
ルス状にして、集積回路１２の被観測点に照射を開始す
る（ステップＳ３０１）。電流変化検出部１７では、各
パルスの照射時間内での電流変化を平均化して電圧に変
換する（ステップＳ３０２）。システム制御・信号処理
部２７はこの電圧をＡＤ変換して、前記した記憶部のそ
の時間に対応したメモリ番地に記憶する（ステップＳ３
０３）。本実施例で電圧は８ビットすなわち２５６階調
でＡＤ変換される。集積回路１２に対して赤外線レーザ
ビーム１１の照射が所望の時間行われるまで（ステップ
Ｓ３０４；Ｎ）、ステップＳ３０２およびステップＳ３
０３の動作が繰り返される。

【００３８】所望の時間が経過したら（ステップＳ３０
４；Ｙ）、赤外線レーザビーム１１の照射を終了させる
と共に、像・波形表示部２８としてのＣＲＴに、横軸を
時間、縦軸を電圧値に対応させて、メモリ番地に対応し
た各時間点に、記憶した電圧値をプロットする（ステッ
プＳ３０５）。この縦軸を電流値として読み変えれば、
電流波形が得られる。この際、更に高い時間分解能を得
たい場合には、赤外線レーザビーム１１のパルス幅と周
期を短くすればよい。

【００３９】一度の照射で十分なＳ／Ｎ（信号対雑音
比）が得られない場合でも、被測定電流が周期的な場合
には、この図７のステップＳ３０２からステップＳ３０
４までの処理を電流の周期と同期させ、前記した記憶部
に記憶した電圧を積算した後に平均化すればよい。これ
により、Ｓ／Ｎを改善することが可能になる。

【００４０】次にこの第１の実施例による集積回路１２
の検査について説明する。集積回路１２のチップ上の配
線系の検査を行う場合、まず、集積回路１２の被観察領
域が赤外線レーザビーム１１の照射可能な位置に来るよ
うに、試料台２１を移動させる。そして、定電圧源１５
から集積回路１２に電力を供給し、集積回路１２を所望
の電気的な状態に設定するためにテストパタン発生部２
６から所定のテストパタンを発生させ、所望の状態を設
定する。

【００４１】この状態で、赤外線レーザビーム１１を被
観察領域に照射し、この領域をデジタル的に走査する
（図６ステップＳ２０１）。その後、すでに説明した通
り図６のステップＳ２０２〜Ｓ２０５に従った処理を行
って、電流像または欠陥像を得ることができる。この電
流像または欠陥像を観測した結果、ある特定の時点での
電流波形を得たい場合には、図７に示したステップＳ３
０１〜ステップＳ３０５の処理によってその電流波形を
得ることができる。

【００４２】第２の実施例

【００４３】図８は本発明の第２の実施例の半導体デバ
イスの検査装置における半導体デバイスの検査方法の原
理を示したものである。この方法は、ＩＲＯＢＩＲＣ
Ｈ−ＢＶＩでバイアスをゼロにしたものに相当する。Ｉ
ＲＯＢＩＲＣＨ−ＮＢＩ（Non Biasで、電流を検出す
る方法であることを示す）と表記する。第２の実施例の
方法では、赤外線レーザビームを集積回路チップ上に照
射し（ステップＳ１１１）、この集積回路のグランド端
子から出力される電流の変化を検出するようにしている
（ステップＳ１１２）。電流変化の検出は、グランド端
子ではなく電源端子や信号端子で行うようにしてもよ
い。また、電流を検出する端子以外の端子は、接地して
も開放（オープン）にしてもよい。以上のような組み合
わせは莫大な数になるが、本実施例ではグランド端子か
ら出力される電流の変化を検出する２つの例を次に示
す。

【００４４】図９は、この第２の実施例の半導体デバイ
スの検査装置の構成の一例で電源端子が接地された状態
を表わしたものである。第１の実施例の図４と同一部分
には同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略
する。赤外線レーザビームの照射による加熱により、被
照射箇所の熱電能が作用し、電位差が発生した際の電流
変化ΔＩが検出される。

【００４５】図１０は、第２の実施例の半導体デバイス
の検査装置の構成の他の例で電源端子が開放された状態
を表わしたものである。図９と同一部分には同一の符号
を付しており、これらの説明を適宜省略する。この場合
にも、赤外線レーザビームの照射による加熱により、被
照射箇所の熱電能が作用し、電位差が発生した際の電流
変化ΔＩが検出される。電流の発生は過渡的であるた
め、このように電源端子がオープンの場合にも電流変化
ΔＩの検出が可能である。

【００４６】熱電能による電流発生の正確なメカニズム
は明らかにされていないが、現時点では２通りの解釈が
されている。１つの解釈は、欠陥が存在する箇所の熱電
能は、欠陥が存在しない箇所のそれと異なるため、電流
が発生し、欠陥を検出できるとするものである。もう１
つの解釈は、欠陥がある箇所で熱伝導が変化するため、
温度勾配の不均一ができて、熱電能による電流が発生す
るとするものである。

【００４７】図１１は、第２の実施例による半導体デバ
イスの検査装置すなわち配線系欠陥検査装置の構成を表
わしたものである。第１の実施例の図５と同一部分には
同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略す
る。第２の実施例の装置では、定電圧源１５およびテス
トパタン発生部２６に括弧を付しているが、これはこれ
ら定電圧源１５およびテストパタン発生部２６が存在す
る場合と存在しない場合の２つの場合があることを示す
ものである。

【００４８】定電圧源１５およびテストパタン発生部
２６が存在しない場合：この場合には、赤外線レーザビ
ーム１１の照射箇所によらず、図９または図１０に示し
た原理による観測ができる。定電圧源１５およびテストパタン発生部２６が存在す
る場合：この場合には、装置の構成が第１の実施例の図
５で示したものと同一になる。すなわち、赤外線レーザ
ビーム１１の照射箇所の配線に十分な電流が流れている
場合には、図４に示した原理で観測が行われる。これ
は、第１の実施例と同じである。これに対して、赤外線
レーザビーム１１の照射箇所の配線に十分な電流が流れ
ていない場合には、図９あるいは図１０に示した原理に
よる観測が行われることになる。

【００４９】この第２の実施例の場合には、電流像や電
流波形の観測はできず、欠陥像の観測ができるのみであ
る。しかし、電流が流れていない箇所の観測も可能であ
り、この点で第１の実施例やＩＲＯＢＩＲＣＨによる
欠陥検出（前記した特願平５−３１３３２０号の「半導
体集積回路内部相互配線の検査装置」）に比べて、観測
可能分野が広い。ただし、欠陥像の観測の場合におけ
る、欠陥の検出感度および空間分解能は、ＩＲＯＢＩ
ＲＣＨによる欠陥検出の方が第２の実施例の装置あるい
はその方法よりも勝っていることが実験的に示されてい
る。したがって、双方の特徴を生かした使い分けが必要
である。欠陥像を取得する際の処理の流れは第１の実施
例の図６に示したものと同じであり、その図示および説
明を省略する。

【００５０】第３の実施例

【００５１】図１２は、本発明の第３の実施例の半導体
デバイスの検査装置における半導体デバイスの検査方法
の原理を示したものである。この方法では、電流を印加
して、電圧の変化を検出する。ＩＲＯＢＩＲＣＨ−Ｂ
ＩＶ（ＢＩＶはBias 印加法の内で、電流印加、電圧検
出法であることを示す）と表記する。第３の実施例で
は、まず集積回路の電源とグランド間に電流を供給する
（ステップＳ１２１）。そして、赤外線レーザビームを
集積回路チップ上に照射し（ステップＳ１２２）、この
集積回路の電源・グランド端子間の電圧の変化を検出す
るようにしている（ステップＳ１２３）。

【００５２】図１３は、この第３の実施例の半導体デバ
イスの検査装置の構成の一例を表わしたものである。第
１の実施例の図４と同一部分には同一の符号を付してお
り、これらの説明を適宜省略する。この装置のグランド
端子１６は接地されており、電源端子１４には一端をそ
れぞれ接地した電圧変化検出部３１と定電流源３２が接
続されている。本実施例では集積回路１２の電源・グラ
ンド端子１４、１６間の電圧の変化を電圧変化検出部３
１で検出することにしているが、電圧変化の検出は、電
源・グランド端子１４、１６間ではなく、他の端子間で
行ってもよい。ただし、電源・グランド端子１４、１６
間が集積回路チップ１３全体の変化を最も反映するの
で、変化を検出する箇所として最も適している。電圧変
化の検出の際に、入力端子から集積回路１２の特定の状
態を設定するためのテストパタンを入力すれば、その特
定の状態での観測を行うことができる。

【００５３】ＩＲＯＢＩＲＣＨ−ＢＩＶの場合の電圧
変化は、次の（３）式で表わすことができる。 ΔＶ＝ΔＲ・Ｉ・（３）ここで、ΔＶはビームの照射による電圧変化を示し、Δ
Ｒはビーム照射による抵抗変化を示す。ボイド等の欠陥
があると、抵抗変化ΔＲの増加が大きくなる。Ｉはビー
ムを照射した配線に流れる電流である。

【００５４】（３）式から分かるように、第３の実施例
の半導体デバイスの検査装置でも、ボイド等の欠陥だけ
でなく、ビームを照射した配線の電流の観測も行うこと
ができる。

【００５５】図１４は、この第３の実施例における半導
体デバイスの検査装置すなわち配線系検査装置の構成を
表わしたものである。第１の実施例の図５と同一部分に
は同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略す
る。第１の実施例の装置と比較すると、電流変化検出部
１７（図５）が電圧変化検出部４１に変わっており、定
電圧源１５（図５）が定電流源４２に変わっている。電
圧変化の検出の方が電流変化の検出よりも容易に実行す
ることができるので、この第３の実施例の装置はこの点
で第１の実施例の装置よりも有利である。

【００５６】第４の実施例

【００５７】図１５は、本発明の第４の実施例の半導体
デバイスの検査装置における半導体デバイスの検査方法
の原理を示したものである。この方法は、ＩＲＯＢＩ
ＲＣＨ−ＢＩＶでバイアスをゼロにしたものに相当す
る。ＩＲＯＢＩＲＣＨ−ＮＢＶ（Non Biasで、電圧を
検出する方法であることを示す）と表記する。第４の実
施例では、赤外線レーザビームを集積回路チップ上に照
射し（ステップＳ１３１）、集積回路の電源端子とグラ
ンド端子間の電圧の変化を検出するようになっている
（ステップＳ１３２）。

【００５８】電圧変化の検出は、電源端子とグランド端
子間で行われる必要はなく、他の端子間で行ってもよ
い。ただし、電源端子とグランド端子間が、集積回路チ
ップ全体の変化を最もよく反映するので、変化を検出す
る箇所としては最適である。また、電圧を検出する端子
以外は、接地しても開放しても構わない。以上のような
組み合わせは莫大な数となるが、ここでは次に２つの例
を示す。

【００５９】図１６は、第４の実施例の半導体デバイス
の検査装置の構成の一例としてグランドが接地された例
を表わしたものである。第１の実施例の図４と同一部分
には同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略
する。グランド端子１６は接地されており、電源端子１
４には一端を接地した電圧変化検出部３３が接続されて
いる。赤外線レーザビーム照射時の加熱により、被照射
箇所の熱電能が作用し、その結果電位差が現われる。電
圧変化検出部３３は、この電圧の変化ΔＶを検出する。

【００６０】図１７は、第４の実施例の半導体デバイス
の検査装置の構成の他の例としてグランドが開放された
例を表わしたものである。図１６と同一部分には同一の
符号を付しており、これらの説明を適宜省略する。図１
６および図１７の装置では、欠陥の有無による熱電能の
差により、欠陥の検出ができることになる。すなわち、
電流像や電流波形の観測を行うことができず、欠陥像の
観測ができるのみである。

【００６１】図１８は、第４の実施例による半導体デバ
イスの検査装置すなわち配線系欠陥検査装置の構成を表
わしたものである。第３の実施例の図１４と同一部分に
は同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略す
る。第４の実施例の装置では、定電流源４２およびテス
トパタン発生部２６に括弧を付しているが、これはこれ
ら定電流源４２およびテストパタン発生部２６が存在す
る場合と存在しない場合の２つの場合があることを示す
ものである。

【００６２】定電流源４２およびテストパタン発生部
２６が存在しない場合：この場合には、赤外線レーザビ
ーム１１の照射箇所によらず、図１６または図１７に示
した原理による観測ができる。定電流源４２およびテストパタン発生部２６が存在す
る場合：この場合には、装置の構成が第３の実施例の図
１４で示したものと同一になる。すなわち、赤外線レー
ザビーム１１の照射箇所の配線に十分な電流が流れてい
る場合には、図１３に示した原理で観測が行われる。こ
れは、第３の実施例と同じである。これに対して、赤外
線レーザビーム１１の照射箇所の配線に十分な電流が流
れていない場合には、図１６あるいは図１７に示した原
理による観測が行われることになる。

【００６３】すなわち、この第４の実施例の場合には、
図１６および図１７で説明した通り電流像や電流波形の
観測を行うことができず、欠陥像の観測ができるのみで
ある。しかしながら、電圧変化の検出の方が電流変化の
検出よりも容易に実行することができるので、第４の実
施例も有効である。

【００６４】第５の実施例

【００６５】図１９は、本発明の第５の実施例の半導体
デバイスの検査装置の構成を表わしたものである。この
図で図５と同一部分には同一の符号を付しており、これ
らの説明を適宜省略する。第５の実施例では、試料とし
ての集積回路１２を載置した試料台２１の下側に、今ま
での実施例と上下逆の配置で赤外線レーザ光源２３と、
顕微鏡部本体２４と対物レンズ２５が配置されている。
これは集積回路１２のチップの裏面からの観察を可能に
するためである。また、集積回路１２の上側には、可視
レーザビーム発生部５１と顕微鏡部５２とが配置されて
おり、チップを上下逆転することなくその上面からの観
察もできるようになっている。定電圧源１５、電流変化
検出部１７およびテストパタン発生部２６は、試料台２
１を介して図５の装置と同様に顕微鏡本体２４等の部品
と接続されている。可視レーザビーム発生部５１はシス
テム制御・信号処理部２７と接続されており、処理され
た信号を基にして像・波形表示部２８としてのＣＲＴに
像あるいは波形の表示が行われるようになっている。

【００６６】図２０は、この第５の実施例の半導体デバ
イスの検査装置の処理動作の流れを表わしたものであ
る。まず、先に説明した他の実施例と同様に集積回路１
２に電圧を印加する（ステップＳ１４１）。本実施例で
試料として用いられる集積回路１２は、チップ表面を露
出させていることはもちろんのこと、チップ裏面も露出
され、かつ鏡面研磨されている必要がある。

【００６７】次に、赤外線レーザビームをチップ裏面か
ら照射しながら走査する（ステップＳ１４２）。そし
て、集積回路１２のグランド端子から出力される電流の
変化を輝度の変化として走査点に対応させ、前記したＣ
ＲＴ上に表示する（ステップＳ１４３）。すなわち、Ｏ
ＢＩＲＣＨ法による電流像が取られる。電流像を取る際
には、集積回路チップ１３（図４参照）のできるだけ広
い範囲をレーザビームで走査することで、異常箇所の発
見が容易になる。これを、ＩDDQ 不良の場合を例にとっ
て説明する。

【００６８】ＩDDQ 不良とは、集積回路１２としてのＣ
ＭＯＳＬＳＩの不具合モードの１つであり、ある準静
止状態（Ｑｕｉｅｓｃｅｎｔ）で電源電流が正常のもの
に比べて大きい場合をいう。現在ＯＢＩＲＣＨでは、例
えば数μＡ程度の検出感度があるためＩDDQ 不良で数μ
Ａ程度以上の電流が流れる場合には、その電流経路の観
測を電流像として行うことができる。したがって、この
ような場合には、集積回路チップ１３上のどこに電流経
路があるかを発見することが容易である。例えば集積回
路チップ１３が１０ｍｍ角の場合、２ｍｍ角の視野で探
せば、最悪の場合であっても２５か所の視野を見ること
で異常な電流経路を発見することができる。

【００６９】ＯＢＩＣ信号の妨害を防ぐ方法として、例
えば平成７年２月１５日出願の特願平７−０２５７５８
号公報に記載されているように、配線箇所のみを選択し
て可視レーザビームを照射することも可能である。しか
しなから、選択走査法ではこのように広い視野での電流
像の取得は非常に困難である。例えば２ｍｍ角の視野を
観測する場合、通常のデジタル走査に用いる５１２ラ５
１２ピクセルの走査では、１ピクセルの占める面積は４
μｍラ４μｍにもなり、１μｍ幅の配線部分のみレーザ
ビームを照射することは不可能であり、ＯＢＩＣ信号が
発生する。

【００７０】電流値が異常であるかどうかの判断がＩDD
Q 不良ほど簡単でないような場合には、良品と比較する
方法が最も容易である。この際には、試料台２１を移動
することで良品と不良品の同一箇所を交互に観測する。
この際に、電流像が複雑な場合、良品での電流像と不良
品での電流像の差像をとれば、電流経路の異なる箇所を
容易に識別することができる。差像をとる方法として
は、基本的には元の像の各ピクセルごとの輝度の値の差
を差像の各ピクセルごとの輝度の値として用いるのが最
も一般的であり、また簡便である。

【００７１】図２０に戻って説明を行う。以上のように
して電流の異常箇所が発見できなければ（ステップＳ１
４４；Ｎ）、視野を移動してステップＳ１４２から処理
を繰り返す。このようにして電流の異常箇所が発見でき
たら（ステップＳ１４４；Ｙ）、次はその箇所を含む近
傍で欠陥像を観測する処理に移る。この際、欠陥像を赤
外線レーザを用いたＯＢＩＲＣＨやＮＢ−ＯＢＩＣで見
るよりも、可視光レーザを使用したＯＢＩＲＣＨやＮＢ
−ＯＢＩＣで見る方が感度がよい。その理由は波長の違
いによる。赤外線レーザでは例えば１．３μｍの波長を
用いるが、可視光レーザでは例えば６３３ｎｍの波長を
用いる。これらの波長の約２倍の差が、そのままレーザ
ビームの径の差となり、欠陥検出の際の欠陥検出感度の
差となって現われる。

【００７２】したがって、この第５の実施例では欠陥像
の観測に際して可視光レーザを使用する。可視光レーザ
に切り替えるために、集積回路チップ１３（例えば図
４）は可視レーザ系の下まで水平方向に移動させられる
（ステップＳ１４６）。あるいは、可視レーザビームと
赤外線レーザビームを同一直線上に配置しておけば、こ
の位置合わせは不要となる。そして、可視光レーザビー
ムを上方から集積回路チップ１３の表面に照射する（ス
テップＳ１４７）。可視レーザでＯＢＩＲＣＨやＮＢ−
ＯＢＩＣを実施する際には、ＯＢＩＣ信号が妨害になる
ことは前記した通りである。ＯＢＩＣ信号による妨害を
防ぐためには、欠陥像をとる場合のように走査範囲が比
較的狭いとき、選択走査法が有効である。ここで選択走
査法とは、平成７年２月１５日に特許出願した特願平７
−０２５７５８号の明細書に記載されているように、配
線箇所のみを選択して照射する方法である。この方法で
は、配線部分のみを選択走査しながら照射する。したが
って、ＯＢＩＣ電流が発生しない。この照射によって、
集積回路１２のグランド端子から出力される電流の変化
を輝度変化として走査点に対応させ、前記したＣＲＴ上
に表示させる（ステップＳ１４８）。このように選択走
査法でＯＢＩＲＣＨやＮＢ−ＯＢＩＣ像を取得すること
で、欠陥像の取得が可能になる。

【００７３】第６の実施例

【００７４】図２１は、本発明の第６の実施例の半導体
デバイスの検査装置の構成を表わしたものである。この
図で図１９と同一部分には同一の符号を付しており、こ
れらの説明を適宜省略する。第６の実施例では、試料と
しての集積回路１２を載置した試料台２１の上側に可視
レーザビーム発生部５１と顕微鏡部５２およびこれから
所定の間隔を置いて赤外線レーザ光源２３と、顕微鏡部
本体２４と対物レンズ２５が配置されている。

【００７５】この図２１に示した半導体デバイスの検査
装置の動作を次に説明する。この第６の実施例の装置
は、第５の実施例の装置と比較すると赤外線レーザの入
射方向が異なることと、観測の切替時に集積回路チップ
１３（図４）の移動方法が異なることの点を除いて基本
的に同一である。すなわち、第６の実施例の装置では、
赤外線顕微鏡部を構成する赤外線レーザ光源２３、顕微
鏡部本体２４および対物レンズ２５が試料台２１の上側
にあり、図１９に示したものと上下が逆となっている。
試料としての集積回路１２は、対物レンズ２５の直下の
位置と、顕微鏡部５２の直下の位置との間で表裏逆とな
るように設定し直す必要がある。

【００７６】図２２は、この第６の実施例の半導体デバ
イスの検査装置の処理動作の流れを表わしたものであ
る。第５の実施例の装置と処理の流れは基本的に同一な
ので、相違している点のみを説明する。ステップＳ１５
２では赤外線ビームを上方から集積回路チップ１３の裏
面上に走査しながら照射する。赤外線顕微鏡部が第５の
実施例と逆の向きに配置されているためである。また、
ステップＳ１５６では集積回路チップ１３を上下逆さに
して、その表面が上面となるようにセットすることにな
る。

【００７７】なお、以上説明した各実施例では例えば図
６のステップＳ２０５で示したように輝度または疑似カ
ラーで２５６階調の表示を行うようにしたが、処理する
データのビット数や表示する階調の数はこれに限定され
るものでないことは当然である。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように出力をオープンにし
ておけば、集積回路に流れる全電流がグランド端子に流
れるので、グランド端子は変化を検出する箇所として最
も適している。このように変化の検出を行う際に、入力
端子から集積回路の特定の状態を設定するためのテスト
パタンを入力するようにすれば、その特定の状態での観
測が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体デバイスの検査装置の基本的な
概念を示す説明図である。

【図２】従来の半導体デバイスの検査装置の基本的な概
念を示す説明図である。

【図３】本発明の第１の実施例の半導体デバイスの検査
装置における半導体デバイスの検査方法を示す流れ図で
ある。

【図４】第１の実施例における半導体デバイスの検査装
置の原理を示した説明図である。

【図５】第１の実施例における半導体デバイスの検査装
置の構成を表わしたブロック図である。

【図６】第１の実施例で電流像あるいは欠陥像を取得す
る際の処理動作を示した流れ図である。

【図７】第１の実施例で電流波形を取得する際の処理動
作を示した流れ図である。

【図８】本発明の第２の実施例の半導体デバイスの検査
装置における半導体デバイスの検査方法の原理を示した
流れ図である。

【図９】第２の実施例の半導体デバイスの検査装置の構
成の一例で電源端子が接地された状態を表わした説明図
である。

【図１０】第２の実施例の半導体デバイスの検査装置の
構成の他の例で電源端子が開放された状態を表わした説
明図である。

【図１１】第２の実施例による半導体デバイスの検査装
置すなわち配線系欠陥検査装置の構成を表わしたブロッ
ク図である。

【図１２】本発明の第３の実施例の半導体デバイスの検
査装置における半導体デバイスの検査方法の原理を示し
た流れ図である。

【図１３】第３の実施例の半導体デバイスの検査装置の
構成の一例を表わした説明図である。

【図１４】第３の実施例における半導体デバイスの検査
装置すなわち配線系検査装置の構成を表わしたブロック
図である。

【図１５】本発明の第４の実施例の半導体デバイスの検
査装置における半導体デバイスの検査方法の原理を示し
た流れ図である。

【図１６】第４の実施例の半導体デバイスの検査装置の
構成の一例としてグランドが接地された例を表わした説
明図である。

【図１７】第４の実施例の半導体デバイスの検査装置の
構成の他の例としてグランドが開放された例を表わした
説明図である。

【図１８】第４の実施例による半導体デバイスの検査装
置すなわち配線系欠陥検査装置の構成を表わしたブロッ
ク図である。

【図１９】本発明の第５の実施例の半導体デバイスの検
査装置の構成を表わしたブロック図である。

【図２０】第５の実施例の半導体デバイスの検査装置の
処理動作を示した流れ図である。

【図２１】本発明の第６の実施例の半導体デバイスの検
査装置の構成を表わしたブロック図である。

【図２２】第６の実施例の半導体デバイスの検査装置の
処理動作を示した流れ図である。

【図２３】従来提案された半導体デバイスの検査装置の
構成を表わしたブロック図である。

【符号の説明】

１１赤外線レーザビーム１２集積回路１３集積回路チップ１４電源端子１５定電圧源１６グランド端子１７電流変化検出部２１試料台２３赤外線レーザ光源２４顕微鏡部本体２５対物レンズ２６テストパタン発生部２７システム制御・信号処理部２８像・波形表示部３１、４１電圧変化検出部３２、４２定電流源５１可視レーザビーム発生部５２顕微鏡部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】赤外線ビームを半導体デバイスの被観測
領域にチップの裏面または上面から照射し、この赤外線
ビームの照射に伴ってこの半導体デバイスのグランド端
子間に現われる電圧の変化を検出してその被観測領域の
検査を行うことを特徴とする半導体デバイスの検査方
法。
【請求項２】前記半導体デバイスの出力端子がオープ
ンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導
体デバイスの検査方法。
【請求項３】テストパターを前記半導体デバイスに入
力後前記半導体デバイスを検査することを特徴とする請
求項１又は２のいずれかに記載の検査方法。