JP5894745B2 - 集積回路検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、集積回路検査装置に関する。

集積回路検査装置に関する技術として、例えば特許文献１には、集積回路に形成されたトランジスタの活性領域にレーザ光を照射し、トランジスタの活性領域で変調されて反射されたレーザ光を検出することにより、トランジスタの故障を解析する技術が記載されている。特許文献１においては、レーザ光の変調は、トランジスタに印加された電圧に対するトランジスタの応答に依存するとされており、変調されたレーザ光の振幅や強度、施光、位相を解析することで、トランジスタの故障の有無を調べることができるとされている。

米国特許出願公開第２０１０／００３９１３１号明細書

しかしながら、特許文献１に記載の技術にあっては、半導体基板の裏面を介してトランジスタの活性領域にレーザ光を照射するため、トランジスタの活性領域で変調されて反射されたレーザ光に、半導体基板の裏面で反射されたレーザ光が干渉するおそれがある。つまり、変調されたレーザ光の信号情報に、裏面で反射されたレーザ光の干渉情報が重畳されて、Ｓ／Ｎが低下するおそれがある。しかも、温度変化に起因した半導体基板の膨張や屈折率の変化等によって光学的距離が変化するため、当該干渉情報は、極めて安定しにくい。

そこで、本発明は、集積回路の検査精度を向上させることができる集積回路検査装置を提供することを目的とする。

本発明の集積回路検査装置は、半導体基板、及び半導体基板の表面側に形成された回路部を有する集積回路を検査するための集積回路検査装置であって、波長幅を有する光を発生する光発生部と、光発生部が発生する光の波長幅を調整する波長幅調整部と、波長幅調整部で調整された光の照射位置を調整する照射位置調整部と、照射位置調整部からの光が半導体基板の裏面を介して回路部に照射されたときに、集積回路からの光を検出する光検出部と、を備える。また、本発明の集積回路検査装置において、半導体基板の厚みをＴμｍ、光発生部が発生する光の波長幅をｄμｍとすると、波長幅調整部は、ｄ＞３．３８／Ｔとなるように、光発生部が発生する光の波長幅を調整してもよい。

この集積回路検査装置では、集積回路に照射される光の波長幅が波長幅調整部によって調整される。これにより、例えば回路部と半導体基板の裏面との距離に応じて波長幅を広くして（すなわち、可干渉距離を短くして）、回路部及びその近傍からの光に、半導体基板の裏面で反射された光（以下、「裏面反射光」という）が干渉するのを抑制することができる。つまり、回路部及びその近傍からの光の信号情報に、裏面反射光の干渉情報が重畳されて、Ｓ／Ｎが低下するのを抑制することができる。よって、この集積回路検査装置によれば、集積回路の検査精度を向上させることが可能となる。

本発明の集積回路検査装置においては、光検出部は、集積回路からの光として干渉光の強度を検出してもよい。上述したように、回路部及びその近傍からの光に対する裏面反射光の干渉が抑制されるので、光検出部によって検出された干渉光の強度は、主に回路部及びその近傍からの光についてのものとなる。従って、光検出部によって検出された干渉光の強度に基づいて回路部の状態を精度良く解析することができる。

本発明の集積回路検査装置においては、光発生部は、スーパールミネッセントダイオードを有し、波長幅調整部は、スーパールミネッセントダイオードに印加する電圧を調整することにより、波長幅を調整してもよい。或いは、光発生部は、白色光源を有し、波長幅調整部は、白色光源からの光のうち通過させる光の波長帯域を調整することにより、波長幅を調整してもよい。これらの構成よれば、集積回路に照射される光の波長幅を適切に調整することができる。特に、光発生部がスーパールミネッセントダイオードを有する場合には、光輝度の光を得ることができる。

本発明の集積回路検査装置においては、照射位置調整部は、光発生部からの光が、半導体基板に形成される空乏層を介して回路部に照射されるように、照射位置を調整してもよい。この構成によれば、例えばＭＯＳ型トランジスタ部においては、空乏層を介してドレインに光を照射することで、空乏層側のドレインの界面（物質の違いによるもの）での反射光や、ドレインと反対側の空乏層の界面（キャリア密度の違いによるもの）での反射光等によって生じる干渉光の強度を検出し、回路部の状態を精度良く解析することができる。

本発明の集積回路検査装置においては、波長幅調整部は、集積回路に照射される光の中心波長、半導体基板の屈折率、半導体基板の厚さ及び空乏層の深さに基づいて、波長幅を調整してもよい。この構成によれば、空乏層を介して回路部に光を照射する場合に、回路部及びその近傍からの光に対する裏面反射光の干渉を抑制して、主に回路部及びその近傍からの光を検出するために、集積回路に照射される光の波長幅を適切に調整することができる。

本発明によれば、集積回路の検査精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態の集積回路検査装置の構成図である。 図１の集積回路検査装置の被検査デバイスである集積回路の一部の構成図である。 図１の集積回路検査装置を用いた集積回路動作像の作成についての説明図である。 図１の集積回路検査装置を用いた集積回路動作像の作成についての説明図である。 集積回路動作像の比較例及び実施例を示す図である。 本発明の他の実施形態の集積回路検査装置の構成図である。 本発明の他の実施形態の集積回路検査装置の構成図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、集積回路検査装置１は、被検査デバイス（ＤＵＴ：Device Under Test）である集積回路２０において異常発生箇所を特定するなど、集積回路２０を検査するための装置である。集積回路２０は、例えばＣ−ＭＯＳ−ＩＣであり、シリコン基板（半導体基板）２１、及びシリコン基板２１の表面２１ａ側に形成された回路部２２を有している。集積回路２０には、テスタ２からテスト信号（例えば矩形波状のパルス信号）が入力され、これにより、集積回路２０は、検査時に駆動させられる。

集積回路検査装置１は、集積回路２０に照射される光Ｌを発生する光発生部３を備えている。光発生部３は、スーパールミネッセントダイオード（以下、「ＳＬＤ」という）４、及びＳＬＤ４に電圧を印加する電圧印加部５を有している。電圧印加部５によって電圧が印加されることでＳＬＤ４が発した光Ｌは、レンズ系によって平行光にコリメートされて、光発生部３から出射される。

光発生部３から出射された光Ｌは、偏光子６によって、所定の偏光方向を有する直線偏光に変換される。偏光子６を通過した光Ｌは、偏光ビームスプリッタ７及びスキャン光学系（照射位置調整部）８を順次通過し、１／４波長板９によって円偏光に変換される。１／４波長板９を通過した光Ｌは、ミラーやレンズ等を含む結像光学系１１によって、集積回路２０の所定の位置に結像される。このとき、光Ｌは、シリコン基板２１の裏面２１ｂを介して回路部２２に照射される。そして、光Ｌは、スキャン光学系８によって、集積回路２０に対して２次元的に走査される。つまり、スキャン光学系８は、集積回路２０に照射される光Ｌの照射位置を調整する。

集積回路２０で反射された光Ｌは、結像光学系１１を通過し、１／４波長板９によって直線偏光に変換される。１／４波長板９を通過した光Ｌは、スキャン光学系８を通過するものの、上述した所定の偏光方向に垂直な偏光方向を有するため、偏光ビームスプリッタ７によって反射され、光センサ（光検出部）１２によって検出される。つまり、光センサ１２は、光発生部３からの光Ｌがシリコン基板２１の裏面２１ｂを介して回路部２２に照射されたときに、集積回路２０からの光Ｌを検出する。ここでは、光センサ１２は、集積回路２０からの光Ｌとして干渉光の強度を検出する。

光信号の入力に応じて光センサ１２から出力された電気信号は、増幅されてロックインアンプ１３に入力される。ロックインアンプ１３では、テスタ２から集積回路２０に入力されるテスト信号に基づいて、光信号の特定の周期に対応する信号が抜き出される。抜き出された信号は、スキャン光学系８等、集積回路検査装置１の各部を制御する制御部１４に入力される。入力された信号は、制御部１４において、集積回路２０における光Ｌの照射位置と対応付けられて画像化される。このようにして作成された集積回路動作像は、ディスプレイ１５に表示される。なお、ロックインアンプ１３に代えてスペクトラムアナライザを用いてもよい。

制御部１４は、解析部として機能する他に、電圧印加部５と共に、集積回路２０に照射される光Ｌの波長幅を調整する波長幅調整部としても機能する。つまり、制御部１４は、電圧印加部５を制御してＳＬＤ４に印加する電圧を調整することにより、集積回路２０に照射される光Ｌの波長幅を調整する。ＳＬＤ４は、電圧印加部５によって印加される電圧が大きくなるほど、波長幅の狭い光Ｌを発する特性を有している。

ここで、制御部１４によって調整される光Ｌの波長幅について、図２を参照して説明する。図２は、集積回路２０の一部であるＭＯＳ型トランジスタ部の構成図である。集積回路２０に照射される光Ｌの照射位置は、シリコン基板２１に形成される空乏層を介して回路部２２（ここでは、ドレイン）に光Ｌが照射されるように、スキャン光学系８によって調整される。

まず、光Ｌの可干渉距離ｌは、光Ｌの中心波長（例えば、ピーク発振波長）をλ、光Ｌの波長幅（例えば、スペクトル半値幅）をｄ、光Ｌが通過する媒体の屈折率をｎとすると、次式で表される。

上述した集積回路動作像の作成に有効な信号の強度変調は、数十ｐｐｍ程度である。すなわち、信号に対してノイズを低減し、十分なＳ／Ｎを確保するためには、観察すべき面（すなわち、回路部２２及びその近傍の面）での光Ｌの反射光と、そうでない面（すなわち、シリコン基板２１の裏面２１ｂ）での光Ｌの反射光との光路長差に対して、可干渉距離ｌを十分に小さくする必要がある。干渉光の強度Ｉは、強度Ｉが最大となる位置からの距離をｘとすると、次式で表される。

｜ｘ｜＞１のとき、干渉光の強度Ｉは、強度Ｉの最大値を１とすると、おおよそ、

となり、平均として、

となる。

Ｓ／Ｎを改善する場合、観察すべき面での光Ｌの反射光と、そうでない面での光Ｌの反射光との干渉光の強度Ｉを極力小さくする必要がある。例えば、強度Ｉを０．００１にするためには、距離ｘを約１４にすればよい。シリコン基板２１の裏面２１ｂでの光Ｌの反射光の干渉を抑えるためには、シリコン基板２１内を往復する光Ｌの光路長が可干渉距離ｌを超えている必要がある。

つまり、シリコン基板２１の厚さをＴ、光Ｌに対するシリコン基板２１の屈折率をｎとすると、


を満たす必要がある。

シリコン基板２１の屈折率ｎは、おおよそ３．５である。光Ｌの中心波長（観察波長）λは、シリコン基板２１に吸収されず、かつできるだけ短いことが好ましいことから、１．３μｍであることが標準である。この場合、光Ｌの波長幅ｄは、

となる。シリコン基板２１の厚さＴが１００μｍであれば、光Ｌの波長幅ｄは３３．８ｎｍを超える必要がある。

このように、光Ｌの波長幅ｄを広くして、光Ｌの可干渉距離ｌを短くすることで、回路部２２及びその近傍の面での光Ｌの反射光に、裏面反射光（シリコン基板２１の裏面２１ｂでの光Ｌの反射光）が干渉するのを抑制することができる。

その一方で、光Ｌの反射光の変調は、回路部２２及びその近傍の面での光Ｌの反射率の変化に基づくものであるが、この変化は、回路部２２周辺の空乏層の拡大・縮小による反射面の移動、及びその内部キャリアによる光吸収に起因するものである。つまり、反射率の変化の減少を防止するためには、空乏層の深さ（空乏層側のドレインの界面と、ドレインと反対側の空乏層の界面との距離）の２倍に屈折率ｎを乗じたもの相当する可干渉距離ｌが必要である。この距離は、接している領域間の電圧の平方根に比例し、キャリア密度に反比例する。拡散層に伴う空乏層の深さをｔとすると、次式が成立する。

上述したように、シリコン基板２１の屈折率ｎを３．５、光Ｌの中心波長を１．３μｍとすると、おおよそ

となる。

よって、光Ｌの適切な波長幅ｄは、次式で表される。

深い拡散層（ウェル構造）等の電圧も観察する場合、空乏層の深さｔを１μｍ、シリコン基板２１の厚さＴを１００μｍと仮定すると、光Ｌの適切な波長幅ｄは、次式で表される。

以上のように、制御部１４は、集積回路２０に照射される光Ｌの中心波長λ、シリコン基板２１の屈折率ｎ、シリコン基板の厚さＴ及び空乏層の深さｔに基づいて、光Ｌの波長幅ｄの値を決定する。そして、制御部１４は、電圧印加部５を制御してＳＬＤ４に印加する電圧を調整することにより、決定した値となるように光Ｌの波長幅ｄを調整する。

次に、上述した集積回路動作像の作成について説明する。ここでの集積回路動作像の作成は、ＬＶＩ（Laser Voltage Imaging）法に基づくものである（例えば特許文献１参照）。

まず、テスタ２から集積回路２０にテスト信号が入力され、集積回路２０が駆動させられる。この状態で、図３に示されるように、集積回路２０に照射される光Ｌの照射位置が、スキャン光学系８によって位置Ｐ_１に合わされ、干渉光の強度が、光センサ１２によって検出される。そして、ロックインアンプ１３において、干渉光の強度信号がテスト信号に同期して解析され、特定の周波数ｆ_０の干渉光の強度Ｉ_１が検出される。

続いて、図４に示されるように、集積回路２０に照射される光Ｌの照射位置が、スキャン光学系８によって位置Ｐ_２に合わされ、干渉光の強度が、光センサ１２によって検出される。そして、ロックインアンプ１３において、干渉光の強度信号がテスト信号に同期して解析され、特定の周波数ｆ_０の干渉光の強度Ｉ_２が検出される。

このようにして、光Ｌの照射位置が集積回路２０に対して２次元的に走査され、集積回路２０の全体において、特定の周波数ｆ_０の干渉光の強度Ｉ_２が検出される。そして、制御部１４において、干渉光の強度が光Ｌの照射位置と対応付けられて、特定の周波数ｆ_０における干渉光強度画像が集積回路動作像として作成され、ディスプレイ１５に表示される。

集積回路２０を駆動している場合と駆動していない場合とでは、回路部２２においてキャリアが存在する範囲が変化し、空乏層の深さや光吸収率等が変化する。そのため、ドレインと反対側の空乏層の界面で反射する光Ｌの光路長が変化する。従って、集積回路２０を駆動している場合と駆動していない場合とでは、当該界面で反射する光Ｌの強度の変化（強度変調）が存在し、異常発生個所では、当該界面で反射する光Ｌの強度の変化が生じないため、干渉光の強度を検出することで、集積回路２０における異常発生個所を特定することができる。なお、集積回路２０における特定の位置に光Ｌの照射位置を合わせ、その特定の位置における干渉光の強度を検出し、その特定の位置について検査を行ってもよい。

以上説明したように、集積回路検査装置１では、集積回路２０に照射される光Ｌの波長幅が制御部１４及び電圧印加部５によって調整される。これにより、回路部２２とシリコン基板２１の裏面２１ｂとの距離に応じて波長幅を広くして（すなわち、可干渉距離を短くして）、回路部２２及びその近傍からの光Ｌに裏面反射光が干渉するのを抑制することができる。つまり、回路部２２及びその近傍からの光Ｌの信号情報（主に回路部２２及びその近傍からの光についての干渉光の強度情報）に、裏面反射光の干渉情報が重畳されて、Ｓ／Ｎが低下するのを抑制することができる。よって、集積回路検査装置１によれば、集積回路２０の検査精度を向上させることが可能となる。

また、光発生部３がＳＬＤ４を有し、制御部１４が、電圧印加部５を制御してＳＬＤ４に印加する電圧を調整することにより、集積回路２０に照射される光Ｌの波長幅を調整する。これにより、集積回路２０に照射される光Ｌの波長幅を適切に調整することができる。特に、ＳＬＤ４を用いることで、光輝度の光Ｌを得ることができる。

なお、ＳＬＤ４から発せられた光Ｌの光路上に、光Ｌの波長幅を調整するための波長選択フィルタを配置してもよい。このとき、制御部１４は、波長選択フィルタと共に、集積回路２０に照射される光Ｌの波長幅を調整する波長幅調整部として機能する。つまり、制御部１４は、数種類の波長選択フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ、ロングパスフィルタ、ショートパスフィルタのいずれか、又はそれらの組み合わせ）を切り替えるなどして、ＳＬＤ４からの光Ｌのうち通過させる光Ｌの波長帯域を調整することにより、集積回路２０に照射される光Ｌの波長幅を調整する。これによっても、集積回路２０に照射される光Ｌの波長幅を適切に調整することができる。

このとき、制御部１４が、集積回路２０に照射される光Ｌの中心波長、シリコン基板２１の屈折率、シリコン基板２１の厚さ及び空乏層の深さに基づいて、光Ｌの波長幅の値を決定する。これにより、回路部２２及びその近傍からの光Ｌに対する裏面反射光の干渉を抑制して、主に回路部２２及びその近傍からの光Ｌを検出するべく、集積回路２０に照射される光Ｌの波長幅を適切に調整することができる。

また、光発生部３からの光Ｌが、シリコン基板２１に形成される空乏層を介して回路部２２に照射されるように、スキャン光学系８が光Ｌの照射位置を調整する。これにより、例えばＭＯＳ型トランジスタ部においては、空乏層を介してドレインに光Ｌを照射することで、空乏層側のドレインの界面（物質の違いによるもの）での反射光や、ドレインと反対側の空乏層の界面（キャリア密度の違いによるもの）での反射光等によって生じる干渉光の強度を検出し、回路部２２の状態を精度良く解析することができる。近年、集積回路２０の微細化に伴ってソース−ドレイン間のチャンネル領域の幅が光Ｌの波長以下に狭くなりつつあり、当該領域には光Ｌが入射しにくいことから、上記構成は、極めて有効といえる。なお、光発生部３からの光Ｌを、チャンネル領域直下の空乏層を介して回路部２２に照射してもよい。

図５は、集積回路動作像の比較例及び実施例を示す図である。比較例として、中心波長１３００ｎｍ、波長幅１ｎｍ以下、出力１０９ｍＷのレーザ光を照射して、ＬＶＰによる集積回路動作像を取得し、駆動部を楕円で囲んだ（図５（ａ））。一方、実施例として、中心波長１３１０ｎｍ、波長幅５５ｎｍ、出力１４ｍＷの光を照射して、ＬＶＰによる集積回路動作像を取得し、駆動部（活性部）を楕円で囲んだ（図５（ｂ））。被検体デバイスとしては、同一の集積回路を使用した。その結果、中心波長１３１０ｎｍ、波長幅５５ｎｍ、出力１４ｍＷの光を照射した場合には、中心波長１３００ｎｍ、波長幅１ｎｍ以下、出力１０９ｍＷのレーザ光を照射した場合に比べ、裏面反射光の影響によるノイズが低減され、レーザ光を照射した場合には駆動部が観察されなかった領域でも、駆動部が観察された。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図６に示されるように、ＳＬＤ４と偏光ビームスプリッタ７との間に偏光子６を配置しなくてもよい。この場合、ＳＬＤ４から発せられた光Ｌのうち直線偏光でない成分が散乱光として光センサ１２に向かうのを防止するために、偏光ビームスプリッタ７に対して光センサ１２と反対側に、黒色の部材等、当該成分を吸収する光吸収体１６を配置すればよい。

また、図７に示されるように、光発生部３が、ＳＬＤ４に代えて白色光源１７を有していてもよい。この場合、白色光源１７から発せられた光Ｌの光路上に、光Ｌの波長幅を調整するための波長選択フィルタ１８を配置すればよい。このとき、制御部１４は、波長選択フィルタ１８と共に、集積回路２０に照射される光Ｌの波長幅を調整する波長幅調整部として機能する。つまり、制御部１４は、数種類の波長選択フィルタ１８（例えば、バンドパスフィルタ、ロングパスフィルタ、ショートパスフィルタのいずれか、又はそれらの組み合わせ）を切り替えるなどして、白色光源１７からの光Ｌのうち通過させる光Ｌの波長帯域を調整することにより、集積回路２０に照射される光Ｌの波長幅を調整する。これによっても、集積回路２０に照射される光Ｌの波長幅を適切に調整することができる。

１…集積回路検査装置、３…光発生部、４…スーパールミネッセントダイオード、５…電圧印加部（波長幅調整部）、８…スキャン光学系（照射位置調整部）、１２…光センサ（光検出部）、１４…制御部（波長幅調整部）、１７…白色光源、１８…波長選択フィルタ（波長幅調整部）、２０…集積回路、２１…シリコン基板（半導体基板）、２２…回路部、Ｌ…光。

Claims (7)

1. 半導体基板、及び前記半導体基板の表面側に形成された回路部を有する集積回路を検査するための集積回路検査装置であって、
   波長幅を有する光を発生する光発生部と、
   前記光発生部が発生する光の波長幅を調整する波長幅調整部と、
   前記波長幅調整部で調整された光の照射位置を調整する照射位置調整部と、
   前記照射位置調整部からの光が前記半導体基板の裏面を介して前記回路部に照射されたときに、前記集積回路からの光を検出する光検出部と、を備えることを特徴とする集積回路検査装置。
2. 前記光検出部は、前記集積回路からの光として干渉光の強度を検出することを特徴とする請求項１に記載の集積回路検査装置。
3. 前記光発生部は、スーパールミネッセントダイオードを有し、
   前記波長幅調整部は、前記スーパールミネッセントダイオードに印加する電圧を調整することにより、前記波長幅を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の集積回路検査装置。
4. 前記光発生部は、白色光源を有し、
   前記波長幅調整部は、前記白色光源からの光のうち通過させる光の波長帯域を調整することにより、前記波長幅を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の集積回路検査装置。
5. 前記照射位置調整部は、前記光発生部からの光が、前記半導体基板に形成される空乏層を介して前記回路部に照射されるように、前記照射位置を調整することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の集積回路検査装置。
6. 前記波長幅調整部は、前記集積回路に照射される光の中心波長、前記半導体基板の屈折率、前記半導体基板の厚さ及び前記空乏層の深さに基づいて、前記波長幅を調整することを特徴とする請求項５に記載の集積回路検査装置。
7. 前記半導体基板の厚みをＴμｍ、前記光発生部が発生する光の波長幅をｄμｍとすると、
   前記波長幅調整部は、ｄ＞３．３８／Ｔとなるように、前記光発生部が発生する光の波長幅を調整する、請求項１〜６のいずれか一項記載の集積回路検査装置。