JP6924674B2 - 光源システム及び半導体解析装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源システム及び半導体解析装置に関する。

従来の光源装置として、例えば特許文献１に記載のファイバレーザ装置がある。この装置は、第１の光源と、偏光保持ファイバと、励起光源と、第１のポラライザと、第２の光源と、第２のポラライザと、を有している。第１の光源は、直線偏光されたシード光をパルス列として放出する放出期間と、放出しない非放出期間と、を有する。偏光保持ファイバは、シード光の直線偏光を保持しつつ増幅しパルスレーザ光として放出する。第１のポラライザは、透過軸がシード光の偏光軸と平行になるように配置される。第２の光源は、非放出期間内に直線偏光されたレーザ光を放出し、レーザ光は第１のポラライザの透過軸に対して直交する偏光軸を有するように配置される。第２のポラライザは、透過軸がパルスレーザ光の偏光軸と平行になるように配置される。

特開２０１３−１９７５４９号公報

例えば、半導体の故障解析の技術として、レーザ照射によるＰａｓｓ／Ｆａｉｌの変動を解析するＤＡＬＳ（Dynamic Analysis by Laser Stimulation)という技術が知られている。このＤＡＬＳでは、テストパターンが入力された半導体デバイスを動作させ、半導体デバイスにレーザが照射された状態で、デバイス動作のＰａｓｓ／Ｆａｉｌ判定を行う。半導体デバイスにレーザが照射されると、レーザによる状態変化によってＰａｓｓ／Ｆａｉｌ状態が変動し得る。ＤＡＬＳでは、このＰａｓｓ／Ｆａｉｌの変動に基づく結果を画像化することで故障箇所を特定することができる。

このＤＡＬＳの技術を用いて、テストパターンの周期に同期して、半導体デバイス上をパルスレーザによって刺激することで、Ｐａｓｓ／Ｆａｉｌが変化する空間的、時間的ポイントを高精度に検出できる。この場合、半導体デバイス内部のスイッチングタイミングやクリティカルパスを検出することができる。この手法では、レーザパルスの時間幅が時間方向の精度を決定する。また、レーザの出力が一定に保たれることによって、空間的な精度を高めることができる。そこで、任意のタイミングで安定した光を出力できる光源が望まれている。

本発明の一側面は、任意のタイミングで安定した光を出力できる光源システム及び半導体解析装置を提供することを目的とする。

一側面の光源システムは、励起光を発生する励起光源と、第１の端部及び第２の端部を有し、励起光源に光学的に接続された光ファイバ増幅器と、光ファイバ増幅器の第１の端部に光学的に接続された第１の光合分波器と、光ファイバ増幅器の第２の端部に光学的に接続された第２の光合分波器と、第１の光合分波器に光学的に接続され、光ファイバ増幅器の第１の端部に第１の光を入力する第１の光源と、光ファイバ増幅器に光学的に接続され、光ファイバ増幅器に第２の光を入力する第２の光源と、外部から信号が入力される信号入力部を有し、第１の光源と第２の光源及び励起光源の少なくとも一方とを制御する制御部と、を備え、第１の光合分波器及び第２の光合分波器は、光ファイバ増幅器に入力される第１の光及び第２の光を合成する機能を有し、且つ、光ファイバ増幅器から出力される第１の光及び第２の光を分離する機能を有し、制御部は、外部から入力される信号に基づいて、第１の光源と第２の光源及び励起光源の少なくとも一方との発光のタイミングを制御して、光ファイバ増幅器によって増幅される第１の光のエネルギを調整する。

このような光源システムでは、第１の光合分波器を介して第１の端部に入力された第１の光が光ファイバ増幅器によって増幅されて第２の端部を介して第２の光合分波器から出力される。この増幅された第１の光が、光源システムにおける出力光である。一方で、光ファイバ増幅器によって増幅された第２の光は、第１の端部又は第２の端部を介して第１の光合分波器又は第２の光合分波器から出力される。第２の光が第２の光合分波器から出力される場合、第２の光と第１の光とは分離可能である。制御部は、第１の光源の発光のタイミングを制御するので、外部の信号に基づいて任意のタイミングで第１の光を出力することができる。ここで、増幅される第１の光のエネルギは、光ファイバ増幅器に励起光によって蓄積されたエネルギによって決定される。一側面の光源システムでは、第１の光源と第２の光源及び励起光源の少なくとも一方との発光のタイミングが制御されることによって、光ファイバ増幅器に蓄積されるエネルギを制御することができる。すなわち、第２の光源によって光ファイバ増幅器に第２の光が入力されると、光ファイバ増幅器に蓄積されたエネルギが消費される。そのため、第１の光源及び第２の光源の発光のタイミングを制御することで、第１の光が出力される際に光ファイバ増幅器に蓄積されるエネルギを調整することができる。また、第１の光源及び励起光源の発光のタイミングを制御することで、第１の光が出力される際に光ファイバ増幅器に蓄積されるエネルギを調整することができる。したがって、任意のタイミングで安定した光を出力できる。

また、制御部は、第１の光としてパルス光を出力するように第１の光源を制御してよい。この構成では、外部からの信号に応じた任意のタイミングで、増幅されたパルス光を出力することができる。

また、励起光源は、光ファイバ増幅器に励起光を継続的に入力し、制御部は、第１の光源の発光開始よりも一定時間前から第１の光源の発光開始までの間にわたって第２の光の出力を停止するように第２の光源を制御してよい。この構成では、第１の光源の発光前の一定時間において、第２の光によって光ファイバ増幅器のエネルギが消費されることがない。そのため、一定時間において、光ファイバ増幅器に一定量のエネルギが蓄積される。これにより、第１の光を一定のエネルギによって安定して増幅することができる。

また、制御部は、第１の光源の発光開始よりも一定時間前から第１の光源の発光開始までの間にわたって励起光を出力するように励起光源を制御してよい。励起光の出力時間を一定に保つことにより、第１の光が出力される際に光ファイバ増幅器に蓄積されるエネルギを一定に保つことができる。これにより、第１の光を一定のエネルギによって安定して増幅することができる。

また、制御部は、第１の光源の発光の直後から第１の光源の発光開始よりも一定時間前までの間において第２の光を継続的に出力するように第２の光源を制御してよい。この構成では、光ファイバ増幅器に蓄積されるエネルギが第２の光によって消費されるので、光ファイバ増幅器から自然放射増幅（Amplified Spontaneous Emission）光が発生することを抑制できる。

また、励起光源は、第２の端部側から光ファイバ増幅器に励起光を入力させてもよい。この構成では、励起光が第２の光合分波器から出力されることが抑制される。

また、第１の光合分波器及び第２の光合分波器は、偏光ビームスプリッタ、偏波保持光カプラ、ダイクロイックミラー及びＷＤＭ光カプラのいずれかであってよい。この構成では、第１の光及び第２の光の性質に応じて、第１の光合分波器及び第２の光合分波器を容易に実現することができる。

また、第２の光源は第１の光合分波器を介して光ファイバ増幅器と光学的に接続されていてよい。この構成では、増幅された第１の光と増幅された第２の光とが第２の光合分波器によって分離される。

また、第２の光源は第２の光合分波器を介して光ファイバ増幅器と光学的に接続されていてよい。この構成では、増幅された第２の光が第２の光合分波器から出力されることが抑制される。

一側面の半導体解析装置は、被検査体である半導体デバイスに対する入力信号の入力に応じて出力される結果信号に基づいて当該半導体デバイスを解析する。半導体解析装置は、上記の光源システムと、光源システムから出力される増幅された第１の光によって半導体デバイスを走査する光学系と、光学系が第１の光によって半導体デバイスを走査しているときの結果信号に基づいて半導体デバイスの解析を行う解析部と、を備え、光源システムの信号入力部には、入力信号に同期した信号が入力される。

このような半導体解析装置では、入力信号に同期した信号に応じて、任意のタイミングで安定した第１の光を半導体デバイスに照射することができる。すなわち、半導体デバイスを同じエネルギの第１の光によって走査することができる。

また、解析部は、制御部に対して、信号からの遅延時間を含む情報を出力し、制御部は、信号から遅延時間だけ経過した後に第１の光が出力されるように、第１の光源を制御してもよい。例えば、信号からの遅延時間を変動させることによって、より高い精度での解析を行うことができる。

本発明の一側面によれば、任意のタイミングで安定した光を出力できる光源システム及び半導体解析装置を提供することができる。

一の実施形態に係る光源システムを備えた半導体解析装置を示す構成図である。 一の実施形態に係る光源システムを示す構成図である。 図２の光源システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。 他の実施形態に係る光源システムを示す構成図である。 さらに他の実施形態に係る光源システムを示す構成図である。 さらに他の実施形態に係る光源システムを示す構成図である。 さらに他の実施形態に係る光源システムを示す構成図である。 図７の光源システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。便宜上、実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。

［第１実施形態］
図１は、光源システムを備えた半導体解析装置を示す構成図である。図１に示すように、半導体解析装置１は、被検査体である半導体デバイスＤに対するテストパターン信号の入力に応じて出力される結果信号を取得する装置である。半導体デバイスＤとしては、トランジスタ等のＰＮジャンクションを有する集積回路（例えば、小規模集積回路（ＳＳＩ：Small Scale Integration）、中規模集積回路（ＭＳＩ：Medium ScaleIntegration）、大規模集積回路（ＬＳＩ：Large Scale Integration）、超大規模集積回路（ＶＬＳＩ：Very Large Scale Integration）、超々大規模集積回路（ＵＬＳＩ：Ultra Large Scale Integration）、ギガ・スケール集積回路（ＧＳＩ：Giga Scale Integration））、大電流用／高圧用ＭＯＳトランジスタ及びバイポーラトランジスタ、電力用半導体素子（パワーデバイス）等がある。また、半導体デバイスＤは、半導体デバイスを含むパッケージ、複合基板等であってもよい。

半導体デバイスＤには、例えば同軸ケーブルによってＬＳＩテスタ２が電気的に接続されている。ＬＳＩテスタ２は、半導体デバイスＤに入力信号としてテストパターン信号を入力し、結果信号を出力する。テストパターン信号は、あるパターンの信号が一定の周期でループしている解析用の信号である。テストパターン信号は、例えばユーザによって設定される。また、ＬＳＩテスタ２は、テストパターン信号が入力された半導体デバイスＤからの出力に基づいて、Ｐａｓｓ／Ｆａｉｌ情報を示す結果信号を生成する。例えば、ＬＳＩテスタ２は、半導体デバイスＤからの出力と、テストパターン信号に対する設計上の正しい出力とを比較する。ＬＳＩテスタ２は、その比較結果に基づくＰａｓｓ／Ｆａｉｌ情報の変化を結果信号として出力する。

さらに、ＬＳＩテスタ２は、生成した結果信号や、テストパターン信号に応じた各種信号を出力する。本実施形態では、ＬＳＩテスタ２は、例えばテストパターン信号に同期したループトリガ信号を出力する。ループトリガ信号の出力のタイミングは、テストパターン信号の各ループにおける入力が開始されるタイミング（リセットのタイミング）と一致している。また、ＬＳＩテスタは、システム間の同期をとるために、例えば１０ＭＨｚのタイムベース信号を出力する。

ＬＳＩテスタ２は、電源装置を兼ねている。ＬＳＩテスタ２は、予め設定された電流を半導体デバイスＤへ入力する。半導体デバイスＤに入力される電流は、結果信号におけるＰａｓｓ／Ｆａｉｌ情報が変化しやすい駆動電圧・駆動周波数となるように、予め設定されている。また、電源装置（不図示）は、ＬＳＩテスタ２とは別体であってよく、予め設定された電流を半導体デバイスＤへ入力するように構成されていてもよい。なお、半導体デバイスＤ内にＬＳＩテスタの機能が含まれる場合には、外部のＬＳＩテスタを用意する必要はない。

半導体解析装置１は、光源システム１００Ａと、走査光学系３と、解析部７と、を含んでいる。光源システム１００Ａは、入力されるトリガ信号に応じて、任意のパルス幅及びパルス強度を有するパルスレーザＬ４を出力し得るレーザ光源である。なお、光源システム１００Ａの詳細については後述する。

走査光学系３は、光源システム１００Ａから出力されるパルスレーザＬ４によって半導体デバイスＤを走査する。より具体的には、走査光学系３は、半導体デバイスＤの所定領域において光を走査することができる。走査光学系３では、光走査素子、光分割光学系、対物レンズ等が互いに光学的に接続（カップリング）されて構成される。例えば光走査素子は、ガルバノミラー、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー、ポリゴンミラー等によって構成されている。光分割光学系は、偏光ビームスプリッタと１／４波長板で構成されてもよく、ハーフミラーで構成されてもよい。対物レンズは例えば複数の倍率の対物レンズから構成され、複数の対物レンズがレボルバーによって切り替え自在に構成されていてもよい。

また、走査光学系３は、光検出器を含んで構成される。光検出器は、照射された光に応じて、半導体デバイスＤからの反射光を検出し、検出信号を出力する。光検出器は、例えば、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ＳｉＰＭ（Silicon Photomultipliers）、光電子増倍管、エリアイメージセンサ等によって構成され得る。

走査光学系３は、光走査制御部５によって制御されている。光走査制御部５は、走査光学系３と電気的に接続されている。光走査制御部５は、半導体デバイスＤに対する光の照射位置（走査位置）、移動速度（走査速度）等を制御する。光走査制御部５には、ＬＳＩテスタ２から出力されるループトリガ信号が入力される。光走査制御部５は、ループトリガ信号に応じて光の走査位置を移動させる。また、光走査制御部５には、走査光学系３の光検出器から出力された反射光の検出信号が入力される。光走査制御部５は、走査光学系３による光の照射の位置情報と、当該位置における反射光の検出信号とを解析部７に出力する。

解析部７は、例えばＣＰＵ、記録媒体であるＲＡＭ及びＲＯＭを含むコンピュータで構成され、ディスプレイ等の表示部とマウス、キーボード等の入力部とを有している。また、解析部７は、例えばマイコン、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）、スマートデバイス等によって構成されてもよい。解析部７は、ＬＳＩテスタ２から出力される結果信号に基づいて、半導体デバイスＤの解析を行う。結果信号は、例えば光走査制御部５を介して解析部７に入力され得る。解析部７は、光走査制御部５から入力される光の照射の位置情報と、ＬＳＩテスタ２から入力されるＰａｓｓ／Ｆａｉｌの結果信号とに基づいて、光の走査位置と結果信号とが関連づけられた測定画像を生成する。すなわち、解析部７は、光照射位置に対応してＰａｓｓ／Ｆａｉｌに基づいた結果をマッピングした測定画像（ＤＡＬＳ像）を生成し得る。測定画像は、例えばＰａｓｓ／Ｆａｉｌの結果に応じた階調や色調で表現されていてもよい。

また、解析部７は、光の走査位置の情報と光検出器からの検出信号とに基づいて、半導体デバイスＤの光学的な画像であるパターン画像を生成し得る。さらに、解析部７は、パターン画像に測定画像を重畳して表示することができる。

また、解析部７は、光源システム１００Ａに対して、レーザ光の出力のタイミングを制御するための制御信号を出力する。この制御信号は、ループトリガ信号を基準とした場合における光源システム１００Ａのレーザ光の出力タイミングを規定する情報を含む。一例として、制御信号は、ループトリガ信号の入力（立ち上がり）からパルスレーザＬ４の出力までの遅延時間に関する情報を含む。本実施形態では、半導体デバイスＤの解析状況に応じて、ループトリガ信号の入力から光源システム１００Ａによる発光までの遅延時間が変動し得る。

続いて、光源システム１００Ａについて詳細に説明する。図２は、光源システムを示す構成図である。図２に示すように、光源システム１００Ａは、第１の光源１１１ａ、第２の光源１１１ｂ、カプラ（第１の光合分波器）１１３、カプラ（第２の光合分波器）１１９及び光ファイバ増幅器１１７を含む光源装置１１０と、光源装置１１０にトリガ信号（駆動信号）を出力する遅延発生器（制御部）１２０とを有している。

第１の光源１１１ａは、例えば数十ピコ秒のパルス幅を有するパルスレーザ光源である。例えば第１の光源１１１ａは、レーザダイオードと駆動回路とによって構成される半導体パルスレーザ光源であってよい。第１の光源１１１ａは、光源装置１１０の外部から入力されるトリガ信号によって駆動することができる。第１の光源１１１ａによって出力されるレーザ光の波長は、半導体デバイスＤが電荷（キャリア）を発生する波長域であってよい。例えば、レーザ光の波長は、１２００ｎｍ以下であり、一例として１０６４ｎｍである。なお、第１の光源１１１ａは、入力されるトリガ信号の形態に伴い連続光を出力し得る。第１の光源１１１ａは、逆方向の光を遮断するアイソレータ１１２ａを介してカプラ１１３に光学的に接続されている。

第２の光源１１１ｂは、光源装置１１０の外部から入力されるトリガ信号によって駆動するレーザ光源である。例えば第２の光源１１１ｂは、レーザダイオードと駆動回路とによって構成される半導体レーザ光源であってよい。本実施形態では、第２の光源１１１ｂによって出力されるレーザ光の波長は、第１の光源１１１ａの波長と同じであり、例えば１０６４ｎｍである。第２の光源１１１ｂは、逆方向の光を遮断するアイソレータ１１２ｂを介してカプラ１１３に光学的に接続されている。

カプラ１１３は、光ファイバ増幅器１１７の第１の端部に光学的に接続されている。カプラ１１３は、例えば偏波保持光カプラである。カプラ１１３は、光ファイバ増幅器１１７の第１の端部に入力される第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２を合成する機能を有し、且つ、光ファイバ増幅器１１７の第１の端部から出力される第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２を分離する機能を有する。本実施形態では、カプラ１１３は、第１の光源１１１ａから出力される第１の光Ｌ１と第２の光源１１１ｂから出力される第２の光Ｌ２との互いに直交する成分を光ファイバ増幅器１１７に入力する。

光ファイバ増幅器１１７は、光増幅機能を有する光ファイバである増幅用光ファイバ１１４と、増幅用光ファイバ１１４の一端に光学的に接続されたカプラ１１５と、増幅用光ファイバ１１４の他端に光学的に接続されたカプラ１１６と、を有する。増幅用光ファイバ１１４は、レーザ活性物質を含有するコアと、コアの外周に設けられたクラッドとを含む。この増幅用光ファイバ１１４では、添加されているレーザ活性物質を励起し得る波長の励起光Ｌ３が供給されることで、利得を有する波長帯域に含まれる波長の種光を光増幅することができる。このような増幅用光ファイバ１１４としては、例えば、Ｙｂ、Ｅｒなどの希土類元素がレーザ活性物質として添加された石英ガラスからなる光ファイバを用いることができる。

一対のカプラ１１５，１１６は、増幅用光ファイバ１１４の一端及び他端に光学的に接続されている。光ファイバ増幅器１１７の第１の端部はカプラ１１５の入力端であり、光ファイバ増幅器１１７の第２の端部はカプラ１１６の出力端である。カプラ１１５，１１６は、例えばＷＤＭ（Wavelength division multiplexing）光カプラである。本実施形態では、カプラ１１５，１１６は、第１の光源１１１ａ及び第２の光源１１１ｂから出力されるレーザ光の波長と増幅用光ファイバ１１４に入力される励起光Ｌ３の波長とに対応している。すなわち、カプラ１１５，１１６は、増幅用光ファイバ１１４に入力される第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２と励起光Ｌ３とを合成する機能を有し、且つ、増幅用光ファイバ１１４から出力される第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２と励起光Ｌ３とを分離する機能を有する。一対のカプラ１１５，１１６のうちのいずれかには励起光源１１８が光学的に接続されている。図示例の励起光源１１８は、カプラ１１６に接続されている。励起光源１１８から出力された励起光Ｌ３は、カプラ１１６を介して増幅用光ファイバ１１４に入力される。増幅用光ファイバ１１４に入力された励起光Ｌ３のうち増幅用光ファイバ１１４の内部の励起に寄与しなかった分は、他方のカプラ１１５によって分離され、カプラ１１３に入力することはない。励起光源１１８は、例えばレーザダイオードと駆動回路とによって構成される半導体レーザ光源であってよい。本実施形態では、励起光Ｌ３の波長は、例えば９８０ｎｍである。

カプラ１１９は、光ファイバ増幅器１１７の第２の端部に光学的に接続されている。カプラ１１９は、カプラ１１３と同様の機能を有する偏波保持光カプラである。すなわち、カプラ１１９は、光ファイバ増幅器１１７の第２の端部から出力される第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２を分離する機能を有し、且つ、光ファイバ増幅器１１７の第２の端部に入力される第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２を合成する機能を有する。第１の光源１１１ａから出力された第１の光Ｌ１は、カプラ１１９を介して光源装置１１０から出力される。一方、第２の光源１１１ｂから出力された第２の光Ｌ２は、カプラ１１９によって分離されるので、光源装置１１０から出力されることはない。

遅延発生器１２０は、第１の光源１１１ａ及び第２の光源１１１ｂに対してトリガ信号を出力し、第１の光源１１１ａ及び第２の光源１１１ｂの発光のタイミングを制御する。遅延発生器１２０は、外部からの信号が入力される信号入力部（不図示）を有する。本実施形態では、ＬＳＩテスタ２から出力されるタイムベース信号及びループトリガ信号と解析部７から出力される制御信号とが信号入力部を介して遅延発生器１２０に入力される。遅延発生器１２０は、ループトリガ信号に対して制御信号で指定された遅延したタイミングで第１の光源１１１ａに第１のトリガ信号を出力する。また、遅延発生器１２０は、ループトリガ信号に対して制御信号で指定されたタイミングで第２の光源１１１ｂに第２のトリガ信号を出力する。なお、ＬＳＩテスタ２と遅延発生器１２０とはタイムベース信号によって同期しており、これによって、ジッタが抑制されている。

続いて、光源システム１００Ａの動作について説明する。図３は、光源システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。図３では、第１の光源１１１ａから出力される第１の光Ｌ１、第２の光源１１１ｂから出力される第２の光Ｌ２、光ファイバ増幅器１１７の第１の端部に入力される光、光ファイバ増幅器１１７の第２の端部から出力される光、光源装置１００の出力光（パルスレーザＬ４）、増幅用光ファイバ１１４内のエネルギ、第１の光源１１１ａ入力される第１のトリガ信号、第２の光源１１１ｂに入力される第２のトリガ信号、及びループトリガ信号のタイミングが模式的に示されている。なお、図３の例では、励起光源１１８が継続的に励起光Ｌ３を出力していることを前提とする。

図３に示されるように、遅延発生器１２０は、第１の光源１１１ａが第１の光としてパルス光を出力するように、第１の光源１１１ａに対して第１のトリガ信号を出力する。第１のトリガ信号は、ループトリガ信号に対して任意のタイミングだけ遅延している。ループトリガ信号に対する遅延時間ｔ１は、ループトリガ信号のパルスごとに制御することができる。すなわち、テストパターン信号が繰り返し入力される場合、各テストパターン信号に応じて異なる遅延時間を設定することができる。

また、遅延発生器１２０は、第１の光源１１１ａに出力する第１のトリガ信号と第２の光源１１１ｂに出力する第２のトリガ信号とを制御することによって、光ファイバ増幅器１１７によって増幅される第１の光のエネルギを調整する。本実施形態では、遅延発生器１２０は、第１の光源１１１ａの発光開始よりも一定時間前から第１の光源１１１ａの発光開始までの間にわたって第２の光Ｌ２の出力を停止するように、第２の光源１１１ｂに第２のトリガ信号を出力する。すなわち、遅延発生器１２０は、第１の光源１１１ａの発光の直後から第１の光源１１１ａの発光開始よりも一定時間前までの間において第２の光Ｌ２を継続的に出力するように第２の光源１１１ｂを制御する。なお、図示例では、第１の光源１１１ａの発光の終了から第２の光源１１１ｂの発光までの間に僅かなタイムラグが形成されている。以下、第１の光源１１１ａの発光開始よりも一定時間前から第１の光源１１１ａの発光開始までの間の時間を「チャージ時間」という場合がある。図３には、チャージ時間が「ｔ２」として示されている。

光ファイバ増幅器１１７の入力端において観測される光は、第１の光Ｌ１の波形と第２の光Ｌ２の波形とが重なり合った波形を有する。そして、光ファイバ増幅器１１７の出力端において観測される光は、この重なり合った波形が増幅された波形を有する。光源装置１１０から出力される光は、第２の光Ｌ２に起因する光を含まない。そのため、光源装置１１０から出力される光は、光ファイバ増幅器１１７の出力端において観測される光から第２の光Ｌ２に起因する光を除いた成分のみとなる。これにより、光源システム１００Ａでは、ＬＳＩテスタ２から入力されるループトリガ信号に対して任意のタイミングで遅延したパルスレーザＬ４（増幅された第１の光Ｌ１）を出力することができる。

また、増幅用光ファイバ１１４に蓄積されるエネルギは、第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２の少なくとも一方が増幅用光ファイバ１１４に入力されることによって消費される。また、該エネルギは、第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２の両方が増幅用光ファイバ１１４に入力されない状態で蓄積される。本実施形態では、チャージ時間ｔ２に蓄積されたエネルギが第１の光Ｌ１の増幅に利用されることになる。また、第２の光Ｌ２が入力されている時間においては、増幅用光ファイバ１１４に蓄積されるエネルギが第２の光Ｌ２の増幅に利用される。

続いて、半導体解析装置１の動作の一例について説明する。まず、ＬＳＩテスタ２は、一定の長さのテストパターン信号によって、解析の対象となる半導体デバイスＤを繰り返し動作させる。テストパターン信号の周期トリガは、ループトリガ信号である。この際、半導体デバイスＤは、駆動する条件に応じてテストパターン信号の検査結果がＰａｓｓ／Ｆａｉｌの両方の信号を出力し得る境界条件に設定される。この状態で、光源システム１００Ａは、増幅された第１の光Ｌ１が連続光として出力されるように制御される。光源システム１００Ａから出力される連続光によって、半導体デバイスＤの裏面がスキャンされる。例えば、スキャン位置に対応した各点（ピクセル）に対して連続光が照射されている間、半導体デバイスＤにはテストパターン信号が複数回入力される。解析部７は、ＬＳＩテスタ２から出力される信号に基づいて、各ピクセルにおけるＰａｓｓ又はＦａｉｌ若しくはＰａｓｓ／Ｆａｉｌの比率を導出する。導出された結果に基づいて、解析部７は、Ｐａｓｓ／Ｆａｉｌの成否に影響を与える位置（信号位置）を検出する（第１工程）。

続いて、走査光学系３による走査位置を第１工程によって検出された信号位置に固定した状態で、テストパターン信号の入力を繰り返しながらパルスレーザＬ４を照射する。この際、パルスレーザＬ４の照射のタイミングをテストパターン信号の中で時間方向にスキャンする。例えばパルスレーザＬ４の遅延時間ｔ１をずらしながら、同じ遅延時間ｔ１で複数回テストパターン信号を入力する。Ｐａｓｓ／Ｆａｉｌ信号は、テストパターン信号に対するパルスレーザＬ４の出力のタイミングで、パルスレーザＬ４の照射位置を信号が通るときに、最も顕著な値を出力する。解析部７は、例えばＰａｓｓ／Ｆａｉｌ信号が最も変動するタイミングを導出する（第２工程）。

続いて、第２工程で導出されたタイミングになるように、光源システム１００ＡによるパルスレーザＬ４の出力のタイミングを固定し、半導体デバイスＤの全体のＤＡＬＳ像を取得する。この際、遅延発生器１２０によって生成される第１のトリガ信号の遅延時間ｔ１を微調整することにより、信号位置を更に局在化させることができる。局在化した信号位置に走査位置を固定し、時間方向に精密にスキャンすることによって、トランジスタのスイッチングタイミングを検出することができる。また、トランジスタのスイッチングが正常であるかを検出することができる。また、トランジスタがコンタクト高抵抗等により異常に遅延しているのかを検出することができる。

以上説明した半導体解析装置１では、テストパターン信号に同期した信号に応じて、任意のタイミングで安定したパルスレーザを半導体デバイスＤに照射することができる。特に、ループトリガ信号からの遅延時間ｔ１を変動させた場合であっても、半導体デバイスＤを同じエネルギのパルスレーザＬ４によって走査することができ、より高い精度での解析を行うことができる。

一般に、半導体解析装置では、半導体デバイスＤにおける検出したい領域に応じて、テストパターン信号の長さを変動させることができる。この場合、テストパターン信号の長さが変動したとしても、半導体デバイスＤを走査するレーザパルスのエネルギは一定であることが望ましい。また、上記のように、パルスレーザＬ４の照射のタイミングをテストパターン信号の中で時間方向にスキャンする場合、パルスレーザＬ４を任意のタイミングで照射する必要がある。この場合も、半導体デバイスＤを走査するレーザパルスのエネルギは一定であることが望ましい。しかしながら、モードロックレーザ、光ファイバ増幅器など光増幅を行う素子を光源装置として用いた場合、時定数よりも早い周期でパルスレーザを出力すると、レーザパルスのエネルギは周期に反比例することが知られている。そのため、テストパターン信号の変更、パルスレーザの照射のタイミングの変更などに応じて、レーザパルスの光量を調整する必要がある。

本実施形態による光源システム１００Ａでは、第１の光Ｌ１が光ファイバ増幅器１１７によって増幅されて、パルスレーザＬ４としてカプラ１１９から出力される。一方で、光ファイバ増幅器１１７によって増幅された第２の光Ｌ２は、第２の端部を介してカプラ１１９から出力される。第２の光がカプラ１１９から出力される場合、第２の光Ｌ２は、第１の光Ｌ１と分離され外部に出力されない。ここで、第１の光を増幅させるエネルギは、光ファイバ増幅器１１７入力された励起光Ｌ３によって蓄積されたエネルギに基づく。光源システム１００Ａでは、第１の光源１１１ａと第２の光源１１１ｂとの発光のタイミングが制御されることによって、光ファイバ増幅器１１７に蓄積されるエネルギを制御することができる。すなわち、第２の光源１１１ｂによって光ファイバ増幅器１１７に第２の光Ｌ２が入力されると、光ファイバ増幅器１１７に蓄積されたエネルギが消費される。そのため、第１の光源１１１ａ及び第２の光源１１１ｂの発光のタイミングを制御することで、第１の光Ｌ１が出力される際に光ファイバ増幅器１１７に蓄積されるエネルギを調整することができる。また、第１の光源１１１ａ及び励起光源１１８の発光のタイミングを制御することで、第１の光Ｌ１が出力される際に光ファイバ増幅器１１７に蓄積されるエネルギを調整することができる。

本実施形態では、励起光源１１８は、光ファイバ増幅器１１７に励起光Ｌ３を継続的に入力している。また、遅延発生器１２０は、第１の光源１１１ａの発光開始よりも一定のチャージ時間だけ前から第２の光Ｌ２の出力を停止するように第２の光源１１１ｂを制御している。これにより、チャージ時間において、第２の光Ｌ２によって光ファイバ増幅器１１７のエネルギが消費されることがなく、光ファイバ増幅器１１７に一定量のエネルギが蓄積される。よって、第１の光Ｌ１を一定のエネルギによって安定して増幅することができる。

ここで、光ファイバ増幅器は、増幅させるシード光源よりも短い波長のレーザにより内部の状態を励起し、反転分布状態を作る。そして、反転分布の状態のときに、ファイバを通過する光子を増幅する。しかし、ファイバを通過する光子がない場合、反転分布状態は一定の時定数により元に戻り、光ファイバ増幅器は、自然放射増幅光を発生させる。任意のタイミングでパルスレーザＬ４を出力する場合、自然放射増幅光を抑制することが求められる。

上述のように、遅延発生器１２０は、第１の光源１１１ａの発光の直後から第１の光源１１１ａの発光開始よりも一定時間前までの間において第２の光Ｌ２を継続的に出力するように第２の光源１１１ｂを制御している。これにより、光ファイバ増幅器１１７に蓄積されるエネルギが第２の光Ｌ２の増幅によって消費されるので、光ファイバ増幅器１１７から自然放射増幅光が発生することを抑制できる。

また、励起光源１１８は、第２の端部側から光ファイバ増幅器１１７に励起光Ｌ３を入力させているので、励起光がカプラ１１９から出力されることが抑制される。

［第２実施形態］
本実施形態では、光源システムにおける第２の光源の接続構成の点で第１実施形態の光源システムと相違している。以下、主として第１実施形態と相違する点について説明し、同一の要素や部材については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。なお、半導体解析装置の構成は第１実施形態と同じである。

図４は、光源システムを示す構成図である。図４に示すように、本実施形態の光源システム１００Ｂでは、第２の光源１１１ｂはカプラ１１９を介して光ファイバ増幅器１１７と光学的に接続されている。この場合、第２の光源１１１ｂから出力された第２の光は、光ファイバ増幅器１１７によって増幅されて、カプラ１１３から出力される。この構成では、増幅された第２の光がカプラ１１９から出力されることが抑制される。

［第３実施形態］
本実施形態では、光源システムにおける第２の光源、第１の光合分波器及び第２の光合分波器の構成が第１実施形態の光源システムと相違している。以下、主として第１実施形態と相違する点について説明し、同一の要素や部材については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。なお、半導体解析装置の構成は第１実施形態と同じである。

図５は、光源システムを示す構成図である。図５に示すように、本実施形態の光源システム１００Ｃは、光源システム１００Ａの第２の光源１１１ｂ、カプラ１１３及びカプラ１１９に代えて第２の光源３１１ｂ、カプラ３１３及びカプラ３１９を有する。第２の光源３１１ｂは、第１の光の波長とは異なる波長の光を出力するレーザ光源である。一例として、第２の光源３１１ｂによって出力される第２の光は、１０３０ｎｍの波長を有する。カプラ３１３及びカプラ３１９は、例えばＷＤＭ光カプラである。本実施形態では、カプラ３１３及びカプラ３１９は、第１の光源１１１ａから出力されるレーザ光の波長と第２の光源３１１ｂから出力されるレーザ光の波長とに対応している。

本実施形態では、カプラ３１３は、第１の光源１１１ａから出力される第１の光と第２の光源３１１ｂから出力される第２の光とを光ファイバ増幅器１１７に入力する。また、第１の光源１１１ａから出力された第１の光は、カプラ３１９を介して光源装置１１０から出力される。一方、第２の光源３１１ｂから出力された第２の光は、カプラ３１９によって分離されるので、光源システム１００Ｃから出力されることはない。

［第４実施形態］
本実施形態では、光源システムにおける第２の光源の接続構成の点で第３実施形態の光源システムと相違している。以下、主として第３実施形態と相違する点について説明し、同一の要素や部材については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。なお、半導体解析装置の構成は第１実施形態と同じである。

図６は、光源システムを示す構成図である。図６に示すように、本実施形態の光源システム１００Ｄでは、第２の光源３１１ｂはカプラ３１９を介して光ファイバ増幅器１１７と光学的に接続されている。この場合、第２の光源３１１ｂから出力された第２の光は、光ファイバ増幅器１１７によって増幅されて、カプラ３１３から出力される。この構成では、増幅された第２の光がカプラ３１９から出力されることが抑制される。

［第５実施形態］
本実施形態では、光源システムにおける遅延発生器の構成が第１実施形態の光源システムと相違している。以下、主として第１実施形態と相違する点について説明し、同一の要素や部材については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。なお、半導体解析装置の構成は第１実施形態と同じである。

図７は、光源システムを示す構成図である。図７に示すように、本実施形態の光源システム１００Ｅは、光源システム１００Ａの遅延発生器１２０に代えて遅延発生器５２０を有している。遅延発生器５２０は、第１の光源１１１ａ及び第２の光源１１１ｂに対してトリガ信号を出力し、第１の光源１１１ａ及び第２の光源１１１ｂの発光のタイミングを制御する。また、遅延発生器５２０は、励起光源１１８に対してトリガ信号を出力し、励起光源の発光のタイミングを制御する。本実施形態では、遅延発生器５２０は、ループトリガ信号に対して制御信号で指定された遅延したタイミングで第１の光源１１１ａに第１のトリガ信号を出力する。また、遅延発生器５２０は、第１の光源１１１ａの発光の直後から第１の光源１１１ａの発光開始よりも一定時間前までの間において第２の光を継続的に出力するように第２の光源１１１ｂを制御する。また、遅延発生器５２０は、第１の光源１１１ａの発光開始よりも一定時間前から第１の光源１１１ａの発光開始までの間にわたって励起光を出力するように励起光源１１８を制御する。

図８は、光源システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。図８に示すように、励起光源１１８によって出力される励起光は、第２の光が停止されているタイミングで出力されている。励起光の出力時間を一定に保つことにより、第１の光が出力される際に光ファイバ増幅器１１７に蓄積されるエネルギを一定に保つことができる。これにより、第１の光を一定のエネルギによって安定して増幅することができる。また、励起光を継続的に出力しないので、自然放出増幅光をより抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られない。

例えば、第１の光合分波器及び第２の光合分波器は、光ファイバ増幅器に入力される第１の光及び第２の光を合成する機能を有し、且つ、光ファイバ増幅器から出力される第１の光及び第２の光を分離する機能を有していればよい。第１の光合分波器及び第２の光合分波器は、第１の光及び第２の光の性質に基づいて、例えば、偏光ビームスプリッタ又はダイクロイックミラーによって構成されてもよい。

１…半導体解析装置、３…走査光学系（光学系）、７…解析部、１１１ａ…第１の光源、１１１ｂ…第２の光源、１１３…カプラ（第１の光合分波器）、１１７…光ファイバ増幅器、１１９…カプラ（第２の光合分波器）、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ…光源システム、１２０…遅延発生器（制御部）、Ｄ…半導体デバイス、Ｌ１…第１の光、Ｌ２…第２の光、Ｌ３…励起光。

Claims (9)

1. 励起光を発生する励起光源と、
   第１の端部及び第２の端部を有し、前記励起光源に光学的に接続された光ファイバ増幅器と、
   前記光ファイバ増幅器の前記第１の端部に光学的に接続された第１の光合分波器と、
   前記光ファイバ増幅器の前記第２の端部に光学的に接続された第２の光合分波器と、
   前記第１の光合分波器に光学的に接続され、前記光ファイバ増幅器の前記第１の端部に第１の光を入力する第１の光源と、
   前記光ファイバ増幅器に光学的に接続され、前記光ファイバ増幅器の前記第１の端部あるいは前記第２の端部に第２の光を入力する第２の光源と、
   外部から信号が入力される信号入力部を有し、前記第１の光源と前記第２の光源及び前記励起光源の少なくとも一方とを制御する制御部と、を備え、
   前記励起光源は、前記光ファイバ増幅器に前記励起光を継続的に入力し、
   前記第１の光合分波器及び前記第２の光合分波器は、前記光ファイバ増幅器に入力される前記第１の光及び前記第２の光を合成する機能を有し、且つ、前記光ファイバ増幅器から出力される前記第１の光及び前記第２の光を分離する機能を有し、
   前記制御部は、
   外部から入力される前記信号に基づいて、前記第１の光源と前記第２の光源及び前記励起光源の少なくとも一方との発光のタイミングを制御して、前記光ファイバ増幅器によって増幅される前記第１の光のエネルギを調整し、
   前記第１の光としてパルス光を出力するように前記第１の光源を制御し、
   前記第１の光源の発光開始よりも前記励起光による光ファイバ増幅器のチャージ時間前から前記第１の光源の発光開始までの間にわたって前記第２の光の出力を停止するように前記第２の光源を制御する、光源システム。
2. 前記制御部は、前記第１の光源の発光の直後から前記第１の光源の発光開始よりも前記励起光による光ファイバ増幅器のチャージ時間前までの間において前記第２の光を継続的に出力するように前記第２の光源を制御する、請求項１に記載の光源システム。
3. 励起光を発生する励起光源と、
   第１の端部及び第２の端部を有し、前記励起光源に光学的に接続された光ファイバ増幅器と、
   前記光ファイバ増幅器の前記第１の端部に光学的に接続された第１の光合分波器と、
   前記光ファイバ増幅器の前記第２の端部に光学的に接続された第２の光合分波器と、
   前記第１の光合分波器に光学的に接続され、前記光ファイバ増幅器の前記第１の端部に第１の光を入力する第１の光源と、
   前記光ファイバ増幅器に光学的に接続され、前記光ファイバ増幅器の前記第１の端部あるいは前記第２の端部に第２の光を入力する第２の光源と、
   外部から信号が入力される信号入力部を有し、前記第１の光源と前記第２の光源及び前記励起光源の少なくとも一方とを制御する制御部と、を備え、
   前記第１の光合分波器及び前記第２の光合分波器は、前記光ファイバ増幅器に入力される前記第１の光及び前記第２の光を合成する機能を有し、且つ、前記光ファイバ増幅器から出力される前記第１の光及び前記第２の光を分離する機能を有し、
   前記制御部は、
   外部から入力される前記信号に基づいて、前記第１の光源と前記第２の光源及び前記励起光源の少なくとも一方との発光のタイミングを制御して、前記光ファイバ増幅器によって増幅される前記第１の光のエネルギを調整し、
   前記第１の光としてパルス光を出力するように前記第１の光源を制御し、
   前記第１の光源の発光開始よりも前記励起光による光ファイバ増幅器のチャージ時間前から前記第１の光源の発光開始までの間にわたって前記励起光を出力するように前記励起光源を制御し、
   前記第１の光源の発光の直後から前記第１の光源の発光開始よりも前記励起光による光ファイバ増幅器のチャージ時間前までの間において前記第２の光を継続的に出力するように前記第２の光源を制御する、光源システム。
4. 前記励起光源は、前記第２の端部側から前記光ファイバ増幅器に前記励起光を入力させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光源システム。
5. 第１の光合分波器及び第２の光合分波器は、偏光ビームスプリッタ、偏波保持光カプラ、ダイクロイックミラー及びＷＤＭ光カプラのいずれかである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源システム。
6. 前記第２の光源は前記第１の光合分波器を介して前記光ファイバ増幅器と光学的に接続されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源システム。
7. 前記第２の光源は前記第２の光合分波器を介して前記光ファイバ増幅器と光学的に接続されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光源システム。
8. 被検査体である半導体デバイスに対する入力信号の入力に応じて出力される結果信号に基づいて当該半導体デバイスを解析する半導体解析装置であって、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の光源システムと、
   前記光源システムから出力される増幅された前記第１の光によって前記半導体デバイスを走査する光学系と、
   前記光学系が前記第１の光によって前記半導体デバイスを走査しているときの前記結果信号に基づいて前記半導体デバイスの解析を行う解析部と、を備え、
   前記光源システムの前記信号入力部には、前記入力信号に同期した前記信号が入力される、半導体解析装置。
9. 前記解析部は、前記制御部に対して、前記信号からの遅延時間を含む情報を出力し、
   前記制御部は、前記信号から前記遅延時間だけ経過した後に前記第１の光が出力されるように、前記第１の光源を制御する、請求項８に記載の半導体解析装置。

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