JP7579853B2 - 半導体デバイス検査方法及び半導体デバイス検査装置 - Google Patents

Description

実施形態の一側面は、半導体デバイス検査方法及び半導体デバイス検査装置に関する。

従来から、３次元的に半導体チップが積層された半導体デバイスの電気特性を解析する手法として、ロックインＯＢＩＲＣＨ（Lock-in Optical Beam Induced Resistance Change）が知られている（例えば、下記非特許文献１参照）。この手法によれば、半導体デバイスにレーザをスキャンしながら抵抗等の電気特性の変化を測定することにより、非破壊での半導体デバイスの故障解析が実現される。

K.J.P. Jacobs et al.，"Lock-in thermal laser stimulation for non-destructive failure localization in 3-D devices"， Microelectronics Reliability, Vol.76-77(2017), Pages188-193．

上述したような従来の手法においては、半導体チップがレーザの照射方向に複数の層で積層された半導体デバイスを対象にした場合に、積層構成に対応して電気特性を解析することが望まれていた。

そこで、実施形態の一側面は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、半導体デバイスの積層構成に対応した電気特性を解析することが可能な半導体デバイス検査方法及び半導体デバイス検査装置を提供することを課題とする。

実施形態の一側面に係る半導体デバイス検査方法は、半導体デバイスに対して電力を供給すると同時に半導体デバイスの電力の供給に応じた電気特性を測定するステップと、第１の周波数で強度変調された光と、第１の周波数よりも高い第２の周波数で強度変調された光を半導体デバイスに走査し、当該走査に応じた第１の周波数成分及び第２の周波数成分の電気特性を示す特性信号を取得するステップと、半導体デバイスにおける光の光軸方向の第１の位置の電気特性が反映される第１の走査位置の特性信号の位相成分を基準にして、任意の走査位置の特性信号の位相成分を補正するステップと、半導体デバイスにおける光の光軸方向の第１の位置と異なる第２の位置の電気特性が反映される第２の走査位置の特性信号の位相成分を特定し、当該位相成分を用いて任意の走査位置の特性信号の位相成分を規格化するステップと、任意の走査位置の規格化された特性信号の位相成分に基づいた結果を出力するステップと、を備える。

あるいは、実施形態の他の側面に係る半導体デバイス検査装置は、半導体デバイスに対して電力を供給すると同時に半導体デバイスの電力の供給に応じた電気特性を測定する測定器と、第１の周波数で強度変調された光と、第１の周波数よりも高い第２の周波数で強度変調された光を半導体デバイスに走査する光走査装置と、光の走査に応じた第１の周波数成分及び第２の周波数成分の電気特性を示す特性信号を取得する信号取得装置と、特性信号を処理するプロセッサと、を備え、プロセッサは、半導体デバイスにおける光の光軸方向の第１の位置の電気特性が反映される第１の走査位置の特性信号の位相成分を基準にして、任意の走査位置の特性信号の位相成分を補正し、半導体デバイスにおける光の光軸方向の第１の位置と異なる第２の位置の電気特性が反映される第２の走査位置の特性信号の位相成分を特定し、当該位相成分を用いて任意の走査位置の特性信号の位相成分を規格化し、任意の走査位置の規格化された特性信号の位相成分に基づいた結果を出力する。

上記一側面あるいは他の側面によれば、第１の周波数で変調された光と第２の周波数で変調された光とを半導体デバイスに走査しながら第１の周波数成分及び第２の周波数成分の半導体デバイスの電気特性を測定した特性信号が取得される。そして、取得された任意の走査位置の特性信号の位相成分が、半導体デバイスの光の光軸方向の第１の位置の電気特性が反映される走査位置の特性信号の位相成分を基準に補正されてから、半導体デバイスの当該光軸方向の第２の位置の電気特性が反映される走査位置の特性信号の位相成分が特定され、当該位相成分を用いて任意の走査位置の特性信号の位相成分が規格化される。さらに、任意の走査位置の規格化された特性信号の位相成分に基づいた結果が出力される。これにより、半導体デバイスの任意の走査位置における層構造を推定することができ、半導体デバイスの積層構成に対応した電気特性を解析することができる。

本発明の一側面によれば、半導体デバイスの積層構成に対応した電気特性を解析することができる。

実施形態にかかる半導体検査装置１の概略構成図である。 図１の検査装置１９のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 半導体検査装置１の測定対象の半導体デバイスＳの積層構造の一例を示す図である。 検査装置１９で取得された複数の周波数成分の特性信号を二次元画像で表現したイメージを示す図である。 検査装置１９によって解析された位相成分θと周波数の平方根ｆ^１／２との関係をプロットしたグラフである。 検査装置１９によって補正された位相成分θと周波数の平方根ｆ^１／２との関係をプロットしたグラフである。 検査装置１９によって規格化された位相成分θと周波数のスケーリング値Ωとの関係をプロットしたグラフである。 検査装置１９によって出力された傾きβの二次元画像Ｇ_βの一例を示す図である。 検査装置１９によって出力された温度係数γ_１及び温度係数γ_２のそれぞれの二次元画像Ｇ_γ１，Ｇ_γ２の一例を示す図である。 半導体検査装置１による解析処理の手順を示すフローチャートである。 本開示の変形例によって生成された差画像のイメージを示す図である。 本開示の変形例によって生成された出力画像のイメージを示す図である。 本開示の変形例の測定対象の半導体デバイスＳの積層構造の一例を示す図である。 本開示の変形例の測定対象の半導体デバイスＳの積層構造の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、実施形態にかかる半導体デバイス検査装置である半導体検査装置１の概略構成図である。半導体検査装置１は、測定対象物（ＤＵＴ：Device Under Test）である半導体デバイスの故障個所の解析を行うために各箇所の電気特性を測定するための装置である。この半導体検査装置１の測定対象としては、複数の半導体チップが２層以上で積層された半導体デバイスが好適に用いられる。なお、図１においては、電気信号の装置間の流れを実線矢印で示し、光信号の装置間の流れを点線矢印で示す。

すなわち、半導体検査装置１は、電圧印加装置３及び電流測定装置５を含む測定器７と、光源９と、信号源１１と、光走査装置１３と、ロックインアンプ（信号取得装置）１５と、光検出器１７と、検査装置１９とを含んで構成される。以下、半導体検査装置１の各構成要素について詳細に説明する。

測定器７は、２つの端子を有し、その２つの端子が半導体デバイスＳに電気的に接続されることにより、半導体デバイスＳ内に形成される回路に電圧印加装置３から定電圧を印加して電力を供給し、その供給に応じて２つの端子間の半導体デバイスＳ内を流れる電流を、電流測定装置５において電気特性として測定する。

光源９は、例えばレーザ光を照射するレーザ光源（照射源）である。光源９は、信号源１１によって可変の周波数で生成される交流信号を受けて、その交流信号に含まれる周波数で強度変調したレーザ光を生成する。この交流信号は、単一の周波数成分を有する信号であってもよいし、複数の周波数成分を含む信号（例えば、矩形波信号）であってもよい。光走査装置１３は、光源９から照射されたレーザ光を半導体デバイスＳに向けて導光して照射させるとともに、半導体デバイスＳにおけるレーザ光の照射位置を半導体デバイスＳの表面に沿って２次元的に走査させる。ここで、光走査装置１３におけるレーザ光の２次元的な走査は、検査装置１９によって制御される。また、光走査装置１３は、レーザ光の照射に応じて半導体デバイスＳの表面から生じた反射光を光検出器１７に向けて導光する。なお、光源９はインコヒーレントな光を生成するＳＬＤやＬＥＤ、ランプ光源等でもよい。

ロックインアンプ１５は、信号源１１から出力される交流信号をモニターするとともに測定器７によって測定された電気特性を示す特性信号を受け、特性信号のうちのレーザ光の変調周波数の周波数成分を抽出（ロックイン検出）して検査装置１９に出力する。このとき、ロックインアンプ１５は、交流信号に含まれる複数の周波数成分に応じて、複数の周波数成分を抽出してもよい。光検出器１７は、光走査装置１３によって走査されたレーザ光に応じて半導体デバイスＳによって生じた反射光を受け、反射光の強度を示す強度信号を検査装置１９に出力する。

検査装置１９は、ロックインアンプ１５、光検出器１７、及び光走査装置１３に電気的に接続され、光走査装置１３による２次元的な走査を制御するとともに、ロックインアンプ１５からの特性信号及び光検出器１７からの強度信号を処理するデータ処理装置である。

図２は、検査装置１９のハードウェア構成を示している。図２に示すように、検査装置１９は、物理的には、プロセッサであるＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、記録媒体であるＲＡＭ（Random Access Memory）１０２又はＲＯＭ（Read Only Memory）１０３、通信モジュール１０４、及び入出力モジュール１０６等を含んだコンピュータ等であり、各々は電気的に接続されている。検査装置１９の機能は、ＣＰＵ１０１及びＲＡＭ１０２等のハードウェア上にプログラム等を読み込ませることにより、ＣＰＵ１０１の制御のもとで、通信モジュール１０４、及び入出力モジュール１０６等を動作させるとともに、ＲＡＭ１０２におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。なお、検査装置１９は、入出力デバイスとして、ディスプレイ、キーボード、マウス、タッチパネルディスプレイ等を含んでいてもよいし、ハードディスクドライブ、半導体メモリ等のデータ記録装置を含んでいてもよい。また、検査装置１９は、複数のコンピュータによって構成されていてもよい。

図３は、半導体検査装置１の測定対象の半導体デバイスＳの積層構造の一例を示す。半導体デバイスＳは、例えば、半導体回路部Ｃ１及び配線部Ｗ１を含む第１層Ｌ１と、半導体回路部Ｃ２及び配線部Ｗ２を含む第２層Ｌ２と、層間配線部Ｗ１２とを少なくとも有する、多層構造の半導体デバイスである。なお、図３においては、層間に存在する絶縁層の図示を省略している。このような半導体デバイスＳにおいては、半導体検査装置１の電圧印加装置３による電圧の印加に伴って、第１層Ｌ１にのみに電流が生成される領域Ａ１、第２層Ｌ２のみに電流が生成される領域Ａ２、及び、第１層Ｌ１及び第２層Ｌ２の両方に電流が生成される領域Ａ１２が、層間の界面方向、すなわち半導体デバイスＳの表面Ｓｕに沿って生ずる。このような半導体デバイスＳには、レーザ光の光軸が層間の界面（表面Ｓｕ）に略垂直となるように第１層Ｌ１側からレーザ光が照射される。これにより、レーザ光の集光されている第１層Ｌ１の位置から熱が伝搬する。そのため、領域Ａ１への照射に対して得られる特性信号には、光軸方向において光源９に近い第１の位置にある第１層Ｌ１の電気特性が反映される。また、領域Ａ２への照射に対して得られる特性信号には、光軸方向において光源９から遠い第２の位置にある第２層Ｌ２の電気特性が反映される。また、領域Ａ１２への照射に対して得られる特性信号には、第１層Ｌ１及び第２層Ｌ２の両方の電気特性が反映される。

以下、検査装置１９の機能について詳細に説明する。

検査装置１９は、少なくとも、第１の周波数ｆ１で強度変調されたレーザ光、及び第１の周波数よりも高い第２の周波数で強度変調されたレーザ光を、半導体デバイスＳ上の領域Ａ１，Ａ２，Ａ１２を含む領域に２次元的に走査するように光走査装置１３を制御する。本実施形態では、検査装置１９は、第１及び第２の周波数ｆ１，ｆ２以外の複数の周波数で強度変調されたレーザ光も半導体デバイスＳに走査するように制御する。このような複数の周波数で強度変調されたレーザ光は、別々に照射されてもよい。また、矩形波に強度変調したレーザ光のような形態で、複数の周波数で強度変調されたレーザ光を同時に照射したような状態を実現してもよい。

また、検査装置１９は、上記の複数の変調周波数ｆ１，ｆ２，…のレーザ光の走査の制御に応じて、複数の周波数成分ｆ１，ｆ２，…毎にロックイン検出された特性信号を、その位相及び振幅もしくは複素数で表現した信号として半導体デバイスＳの走査位置毎に取得し、それらの特性信号を二次元画像に変換して解析する。図４には、検査装置１９で取得された複数の周波数成分毎の特性信号を二次元画像で表現したイメージを示している。この二次元画像は、ガウシアンフィルタ等のフィルタが適用されてもよい。理論的には、半導体デバイスＳ上の各走査位置に対するレーザ光の照射時に得られる特性信号の振幅及び位相を複素数によって表した信号ＳＧは、第１層Ｌ１及び第２層Ｌ２における温度変化をそれぞれΔＴ_１及びΔＴ_２とし、第１層Ｌ１及び第２層Ｌ２における温度係数をそれぞれγ_１及びγ_２とすると、下記式（１）；
ＳＧ＝γ_１ΔＴ_１＋γ_２ΔＴ_２ …（１）
で表される。検査装置１９は、このような特性を利用した各層毎の特性信号の解析機能を有する。

ここで、半導体デバイスＳの領域Ａ１に含まれる少なくとも１つの走査位置は、設計データに基づいてユーザによって予め検査装置１９に設定されている。あるいは、当該走査位置は、設計データに基づいて予め検査装置１９において自動的に特定されている。またあるいは、当該検査装置１９は、後述する位相成分が周波数に対する変化が最も小さい場所を走査位置として設定してもよい。

そして、検査装置１９は、各走査位置で得られた特性信号の位相成分θを取得し、その位相成分θと周波数の平方根ｆ^１／２との関係を走査位置毎に解析する。図５には、検査装置１９によって解析された位相成分θと周波数の平方根ｆ^１／２との関係をプロットしたグラフを示す。このように、領域Ａ１内の走査位置に対応する位相成分θの解析点Ｐ１と、領域Ａ２内の走査位置に対応する位相成分θの解析点Ｐ２と、領域Ａ１２内の走査位置に対応する位相成分θの解析点Ｐ１２とが、異なった特性を有するように得られる。

また、検査装置１９は、上記のようにして得られた任意の走査位置の位相成分θの各解析点を、予め既知の走査位置の解析点Ｐ１を基準にして、その解析点Ｐ１における位相成分θを相殺するように補正する。このとき、検査装置１９は、位相成分θの相殺により－πからπに（あるいはその逆に）値が不連続に変化した場合には、その後の解析に支障を与えないように、位相成分θに－２π（あるいは２π）を加えて位相の連続性を保つように処理する。図６には、検査装置１９によって補正された位相成分θと周波数の平方根ｆ^１／２との関係をプロットしたグラフ示す。このようにして補正された位相成分θの周波数の平方根ｆ^１／２に対する特性は、領域Ａ１，Ａ２，Ａ１２間で異なった特性を示す。すなわち、領域Ａ１に対応する特性は常にゼロに近い値を持ち、領域Ａ２に対応する特性は周波数の平方根ｆ^１／２に対して傾きαの線形な特性を持ち、領域Ａ１２に対応する特性は極値を持つ特性となる。

そして、検査装置１９は、上記のようにして補正された任意の走査位置の位相成分θの特性から、異なる周波数の平方根ｆ^１／２の間の変化が線形的である特性を有する特性を、領域Ａ２に対応する走査位置の特性として特定する。このとき、検査装置１９は、解析点が第１の周波数ｆ１及び第２の周波数ｆ２しか持たない場合には、２つの周波数ｆ１，ｆ２の平方根ｆ^１／２の間の変化が相対的に大きい走査位置の特性を、領域Ａ２に対応する走査位置の周波数特性として特定してもよい。さらに、検査装置１９は、特定した領域Ａ２に対応する走査位置の解析点Ｐ２を基に、その解析点Ｐ２の異なる周波数の平方根ｆ^１／２間の傾き（変化率）αを基準にして、任意の走査位置の位相成分θの特性を対象に、その位相成分θの周波数の平方根ｆ^１／２に対する変化率を規格化する。具体的には、任意の走査位置の特性において、横軸をΩ＝｜α｜×ｆ^１／２でスケーリングするようにその特性を規格化する。このとき、傾きαは、複数の解析点Ｐ２を近似した直線の傾きから求められてもよいし、解析点Ｐ２が第１の周波数ｆ１及び第２の周波数ｆ２に対応した２点しか持たない場合には２点間の傾きから求められてもよい。

図７には、検査装置１９によって規格化された位相成分θと周波数のスケーリング値Ωとの関係をプロットしたグラフを示す。このとき、上記式（１）の理論式より、周波数が低い箇所（ゼロに近い箇所）の位相成分θの傾きは、下記式（２）；

によって表される。変調周波数が低い場合には、特性信号ＳＧに第１層Ｌ１及び第２層Ｌ２の電気特性が特性信号に反映されるが、変調周波数が高い場合には第２層Ｌ２の電気特性は特性信号に反映されなくなる。

この性質を利用して、検査装置１９は、十分高い変調周波数で得られた特性信号で表現された二次元画像の各画素の値を、第１層Ｌ１の温度係数γ_１として取得する。ただし、第２層Ｌ２の寄与がゼロになることはなく少なからず存在するため、位相のばらつき具合とシグモイド関数を基に重みを決定するフィルタを適用した後の数値を温度係数γ_１とする。このフィルタによれば、次のようにして重みが決定される。すなわち、注目画素の振幅と位相をそれぞれＲ０、θ０とし、その周辺の画素の振幅と位相をそれぞれＲｉ、θｉ（ｉ＝１，２，…Ｎ－１、Ｎは自然数）とした場合に、下記式（３）；

によって値ｓを算出し、この値ｓを基に、下記式（４）；

によって重みｗを決定する。

さらに、検査装置１９は、上述した機能により規格化された任意の走査位置の位相成分θの解析点を参照しながら、解析点のスケーリング値Ωに対する傾き（変化率）βを、Ω＝０の近傍において算出する。この傾きβは、第１の周波数ｆ１に対応する解析点と第２の周波数ｆ１に対応する解析点との間の傾きから求められてもよいし、３点以上の解析点を近似する曲線を求め、その曲線のΩ＝０における接線の傾きから求められてもよい。そして、検査装置１９は、決定された当該走査位置に対応する画素における温度係数γ_１と、当該走査位置に対応して算出された傾きβとを、上記式（２）に代入することにより、当該走査位置における温度係数γ_２を算出する。

検査装置１９は、このような温度係数γ_２の算出をそれぞれの走査位置に関して繰り返すことにより、各走査位置毎に温度係数γ_１及び温度係数γ_２を求める。また、検査装置１９は、各走査位置毎に算出された傾きβを二次元画像として、ディスプレイ等の入出力モジュール１０６に出力し、各走査位置毎に算出された温度係数γ_１及び温度係数γ_２のそれぞれを、第１層Ｌ１及び第２層Ｌ２の電気特性を示す二次元画像として入出力モジュール１０６に出力する。

図８には、検査装置１９によって出力された傾きβの二次元画像Ｇ_βの一例を示し、図９には、検査装置１９によって出力された温度係数γ_１及び温度係数γ_２のそれぞれの二次元画像Ｇ_γ１，Ｇ_γ２の一例を示している。このように、二次元画像Ｇ_β上に傾きβの各走査位置における分布が反映され、それぞれの二次元画像Ｇ_γ１，Ｇ_γ２上に温度係数γ_１及び温度係数γ_２の各走査位置における分布が別々に反映される。

ここで、検査装置１９は、二次元画像Ｇ_γ１，Ｇ_γ２上に温度係数γ_１及び温度係数γ_２のそれぞれを反映させる際には、画像上で各層の特性を解析させやすくするために、第１層Ｌ１及び第２層Ｌ２の両方が反応する程度の変調周波数でロックイン検出された特性信号の振幅Ｒを用いた重み付けをした値γ_１ｗ，γ_２ｗを、下記式（５）及び下記式（６）；

により計算してもよい。なお、Ｒ_ｔｈは、画像を見やすくするために調整するための閾値である。

次に、本実施形態に係る半導体検査装置１を用いた半導体デバイスＳを対象にした解析処理の手順、すなわち、本実施形態に係る半導体デバイス検査方法の流れについて説明する。図１０は、半導体検査装置１による解析処理の手順を示すフローチャートである。

まず、測定器７によって、半導体デバイスＳに対する電力の供給と、半導体デバイスＳの電気特性の測定が開始される（ステップＳ１）。次に、検査装置１９によって光走査装置１３の動作が制御されることにより、第１の周波数ｆ１で強度変調されたレーザ光が半導体デバイスＳ上に２次元的に走査されると同時に、検査装置１９においてロックインアンプ１５によってその第１の周波数ｆ１でロックイン検出された特性信号が取得される（ステップＳ２）。

さらに、検査装置１９において、取得された特性信号の二次元分布を示す二次元画像が取得される（ステップＳ３）。その後、レーザ光の変調周波数が第２の周波数ｆ１、及び第１及び第２の周波数以外の周波数に順次変更されて（ステップＳ４）、ステップＳ２及びステップＳ３の処理が繰り返されることにより、複数の周波数ｆ２，…でそれぞれロックイン検出された複数の特性信号が取得される。

次に、検査装置１９によって、各走査位置の特性信号を基に周波数の平方根ｆ^１／２に対する特性信号の位相成分θの関係が解析され、半導体デバイスＳの領域Ａ１内の位相成分の解析点を基準にして、任意の走査位置の位相成分θの解析点が補正される（ステップＳ５）。さらに、検査装置１９によって、任意の走査位置の位相成分θの解析点から半導体デバイスＳの領域Ａ２内の走査位置に対応する位相成分θの解析点Ｐ２が特定され、その解析点Ｐ２間の傾きαを基準にして、任意の走査位置の位相成分θの解析点の変化率が規格化される（ステップＳ６）。

その後、検査装置１９により、規格化された任意の走査位置の位相成分θの解析点におけるΩ＝０近傍の傾きβが算出され、その傾きβと別途取得した当該走査位置における第１層Ｌ１の温度係数γ_１とを基に、当該走査位置における第２層Ｌ２の温度係数γ_２が算出される（ステップＳ７）。その後、解析対象の走査位置が順次変更されて（ステップＳ７）、ステップＳ５～ステップＳ７の処理が繰り返されることにより、複数の走査位置における温度係数γ_１，γ_２が取得される。

さらに、検査装置１９によって、全ての走査位置における温度係数γ_１，γ_２が、重み付けによって値γ_１ｗ，γ_２ｗに調整される（ステップＳ１０）。最後に、検査装置１９において、各層Ｌ１，Ｌ２における温度係数γ_１ｗ，γ_２ｗの分布を示す二次元画像が出力される（ステップＳ１０）。

以上説明した半導体検査装置１によれば、複数の周波数で変調されたレーザ光を半導体デバイスＳに二次元的に走査しながら複数の周波数成分の半導体デバイスＳの電気特性をロックイン検出した特性信号が取得される。そして、取得された任意の走査位置の特性信号の位相成分θが、半導体デバイスＳの第１層Ｌ１の電気特性が反映される走査位置の特性信号の位相成分θを基準に補正される。さらに、半導体デバイスＳの第２層Ｌ２の電気特性が反映される走査位置の特性信号の位相成分θが特定され、当該位相成分θを用いて任意の走査位置の特性信号の位相成分θが規格化される。さらに、任意の走査位置の規格化された特性信号の位相成分θに基づいた結果が出力される。これにより、半導体デバイスＳの任意の走査位置における層構造を推定することができ、半導体デバイスＳの積層構成に対応した電気特性を解析することができる。

また、上記のような位相成分θの補正により、第１層Ｌ１の電気特性が反映される走査位置の特性信号の位相成分θに対する任意の走査位置の位相成分θの相対値が取得できる。これにより、位相成分θを基にした層構造の容易な推定が可能となる。

また、上記のような位相成分θを規格化する際に、特性信号の位相成分θの周波数特性を基に走査位置が特定されることで、第２層Ｌ２の電気特性を反映する特性信号の位相成分θが容易に取得できる。その結果、任意の走査位置の層構造の容易な推定が可能となる。具体的には、補正後の特性信号の位相成分θの異なる周波数間の変化が相対的に大きい走査位置が特定されている。この場合、第２層Ｌ２の電気特性を反映する特性信号の位相成分θが容易に取得できる。また、補正後の特性信号の位相成分θの周波数間の変化が線形的である走査位置が特定されている。この場合も、第２層Ｌ２の電気特性を反映する特性信号の位相成分θが容易に取得できる。

また、本実施形態では、特性信号の位相成分θの規格化を行うことにより、規格化された任意の位置の特性信号の位相信号θの周波数特性が半導体デバイスＳの層構造を顕在化した波形となる。その結果、任意の走査位置の層構造の推定の精度が向上する。

また、本実施形態では、特性信号の位相成分θを規格化する際には、第２層Ｌ２の電気特性を反映する走査位置の位相成分θの周波数の平方根ｆ^１／２に対する変化率を用いて、任意の走査位置の位相成分θの周波数の平方根ｆ^１／２に対する変化率が規格化されている。このような構成により、規格化された任意の位置の特性信号の位相信号θの周波数特性が半導体デバイスＳの層構造をより顕在化した波形となり、任意の走査位置の層構造の推定の精度がより向上する。

さらに、本実施形態では、任意の走査位置の特性信号の位相成分θの周波数に対する傾きβを示す画像が出力される。これにより、半導体デバイスＳの任意の走査位置における層構造を視覚化することができ、視覚化された画像を参照することで半導体デバイスＳの積層構成に対応した電気特性を解析することができる。

またさらに、本実施形態では、任意の走査位置における第１層Ｌ１の温度係数γ_１を示す画像と、任意の走査位置における第２層Ｌ２の温度係数γ_２を示す画像とが並列に出力されている。このような機能により、半導体デバイスＳの任意の走査位置における各層Ｌ１，Ｌ２毎の電気特性を視覚化することができ、視覚化された画像を基に半導体デバイスＳの各層Ｌ１，Ｌ２の電気特性を解析することができる。

以上、本発明の種々の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く、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、検査装置１９においては、第１の周波数ｆ１でロックイン検出された特性信号の位相成分θと、第１の周波数ｆ１よりも高い第２の周波数ｆ２でロックイン検出された特性信号の位相成分θとの差の二次元分布を示す画像を生成及び出力してもよい。例えば、図１１に示すように、第１の周波数ｆ１での位相成分θを表す画像Ｇ_ｆ１と、第２の周波数ｆ２での位相成分θを表す画像Ｇ_ｆ２を基に、各画像Ｇ_ｆ１，Ｇ_ｆ２の位相成分θの差分を反映した差画像Ｇ_ｄｉｆｆを生成してもよい。このような差画像Ｇ_ｄｉｆｆを基に、半導体デバイスＳの各走査位置における層の深さの情報を視覚的に取得することができる。検査装置１９は、差画像Ｇ_ｄｉｆｆを出力する際には、位相成分θの差を濃淡によって表して出力しもよいし、差をＬＵＴ（Look-up Table）等を参照して色相に変換して出力してもよい。

また、半導体検査装置１は、レーザ光の二次元走査を、半導体デバイスＳ上での複数のラインに沿った一次元走査をラインに垂直な方向にずらして繰り返すことにより実行し、その一次元走査毎の変調周波数を、第１の周波数ｆ１及び第２の周波数で交互に変更するように動作してもよい。例えば、第１の周波数ｆ１＝１Ｈｚ、第２の周波数＝４Ｈｚに設定される。図１２には、このような変形例に係る半導体検査装置１によって、ライン毎に変調周波数ｆ１、ｆ２に対応してロックイン検出されることにより生成される位相成分θの二次元分布を表す画像Ｇ_ｏｕｔの一例を示している。このような変形例によっても、光源９から遠い位置の層Ｌ３の電気特性と、光源９から近い位置の層Ｌ４の電気特性とが容易に判別可能となる。

また、検査装置１９においては、異なる周波数の平方根ｆ^１／２の間の変化を基に領域Ａ２に対応する走査位置の位相成分θの特性を特定していたが、半導体デバイスＳの領域Ａ２に含まれる走査位置がユーザによって予め検査装置１９に設定されていてもよい。あるいは、検査装置１９において当該走査位置が設計データに基づいて予め自動的に特定されてもよい。

上記実施形態においては、第１層Ｌ１及び第２層Ｌ２を含む２層構造の半導体デバイスＳを対象にしていたが、検査装置１９は、３層構造以上の半導体デバイスＳを対象にした解析機能を有していてもよい。

例えば、図１３に示すような、光源９に近い側から、第１の位置にある第１層Ｌ１、第２の位置にある第２層Ｌ２，及び第３の位置にある第３層Ｌ３を含む多層構造を有する半導体デバイスＳを対象としてもよい。このような半導体デバイスＳにおいて、設計データ等から、第１層Ｌ１のみに電流が流れる経路ＰＡを有する領域Ａ１と、第１層Ｌ１及び第２層に経路ＰＡを有する領域Ａ１２と、第２層Ｌ２及び第３層Ｌ３に経路ＰＡを有する領域Ａ２３と、第３層Ｌ３のみに経路ＰＡを有する領域Ａ３が既知であるとする。また、光源９からのレーザ光は第１層Ｌ１に集光されるように照射されるものとする。

上記の構成の半導体デバイスＳを対象にした場合、検査装置１９は、まず、領域Ａ１の特性信号を基準に全ての走査位置の特性信号の位相補正及び変化率の規格化を行い、領域Ａ２３の特性信号を基準に全ての走査位置の特性信号の変化率の規格化を行う。次に、領域Ａ１の特性信号と領域Ａ２３の特性信号を対象に、上記実施形態の解析処理を実行することにより、全ての走査位置における、第１層Ｌ１の温度係数γ_１と、第２層Ｌ２及び第３層Ｌ３の温度係数γ_２３とを取得する。

次に、検査装置１９は、領域Ａ３の特性信号と領域Ａ１２の特性信号を対象に、上記実施形態の解析処理を実行して、全ての走査位置における、第３層Ｌ３の温度係数γ_３と、第１層Ｌ１及び第２層Ｌ２の温度係数γ_１２とを取得する。

このような変形例によれば、３層構造の半導体デバイスを対象に、任意の走査位置における層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３毎の電気特性を推定することができる。

また、検査装置１９は、図１４に示すような４層構造の半導体デバイスＳを対象にした解析機能を有していてもよい。図１４に示す半導体デバイスＳは、光源９に近い側から、第１の位置にある第１層Ｌ１、第２の位置にある第２層Ｌ２，第３の位置にある第３層Ｌ３、及び第４の位置にある第４層Ｌ４を含む多層構造を有する。このような半導体デバイスＳにおいて、設計データ等から、第１層Ｌ１のみに電流が流れる経路ＰＡを有する領域Ａ１と、第２層Ｌ２、第３層Ｌ３、及び第４層Ｌ４に経路ＰＡを有する領域Ａ２３４と、が既知であるとする。また、光源９からのレーザ光は第１層Ｌ１に集光されるように照射されるものとする。

上記の構成の半導体デバイスＳを対象にした場合、検査装置１９は、まず、領域Ａ１の特性信号を基準に全ての走査位置の特性信号の位相補正を行い、領域Ａ２３４の特性信号を基準に全ての走査位置の特性信号の変化率の規格化を行う。次に、領域Ａ１の特性信号と領域Ａ２３４の特性信号を対象に、上述した実施形態の解析処理を実行することにより、全ての走査位置における、第１層Ｌ１の温度係数γ_１と、第２層Ｌ２、第３層Ｌ３、及び第４層Ｌ４の温度係数γ_２３４とを取得する。その後、検査装置１９は、各走査位置の特性信号を対象に、３層構造の半導体デバイスＳを対象とした上述した解析処理を実行して、第２層Ｌ２～第４層Ｌ４のそれぞれの温度係数γ_２，γ_３，γ_４を取得することができる。

このような変形例によれば、４層構造の半導体デバイスを対象に、任意の走査位置における層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４毎の電気特性を推定することができ、同様に５層以上の構造の半導体デバイスを対象に任意の走査位置における各層の電気特性を推定することもできる。

上述した実施形態では、補正するステップでは、第１の走査位置の特性信号の位相成分を相殺するように任意の走査位置の特性信号の位相成分を補正する、ことが好適である。上述した実施形態では、プロセッサは、第１の走査位置の特性信号の位相成分を相殺するように任意の走査位置の特性信号の位相成分を補正する、ことが好適である。これにより、第１の位置の電気特性が反映される第１の走査位置の特性信号の位相成分に対する任意の走査位置の位相成分の相対値が取得できるので、その位相成分を基にした層構造の容易な推定が可能となる。

また、規格化するステップでは、補正後の特性信号の位相成分の第１の周波数と第２の周波数との間の変化に基づいて、第２の走査位置の特性信号の位相成分を特定する、ことも好適である。また、プロセッサは、補正後の特性信号の位相成分の第１の周波数と第２の周波数との間の変化に基づいて、第２の走査位置の特性信号の位相成分を特定する、ことも好適である。この場合、特性信号の位相成分の周波数特性を基に第２の走査位置が特定されることで、第２の位置の電気特性を反映する特性信号の位相成分が容易に取得できる。その結果、任意の走査位置の層構造の容易な推定が可能となる。

さらに、第１の位置は、第２の位置よりも光の照射源に近い位置であり、規格化するステップでは、補正後の特性信号の位相成分の第１の周波数と第２の周波数との間の変化が相対的に大きい走査位置を第２の走査位置とする、ことも好適である。さらに、第１の位置は、第２の位置よりも光の照射源に近い位置であり、プロセッサは、補正後の特性信号の位相成分の第１の周波数と第２の周波数との間の変化が相対的に大きい走査位置を第２の走査位置とする、ことも好適である。この場合、特性信号の位相成分の２つの周波数間の変化の大きさを基に第２の走査位置が特定されることで、第２の位置の電気特性を反映する特性信号の位相成分が容易に取得できる。その結果、任意の走査位置の層構造の容易な推定が可能となる。

またさらに、規格化するステップでは、第２の走査位置の特性信号の位相成分の第１の周波数と第２の周波数との間の変化を基準に、任意の走査位置の特性信号の位相成分の第１の周波数と第２の周波数との間の変化を規格化する、ことも好適である。またさらに、プロセッサは、第２の走査位置の特性信号の位相成分の第１の周波数と第２の周波数との間の変化を基準に、任意の走査位置の特性信号の位相成分の第１の周波数と第２の周波数との間の変化を規格化する、ことも好適である。かかる構成によれば、規格化された任意の位置の特性信号の位相信号の周波数特性が半導体デバイスの層構造を顕在化した波形となり、任意の走査位置の層構造の推定の精度が向上する。

さらにまた、取得するステップでは、第１及び第２の周波数以外の周波数で強度変調された光をさらに走査して特性信号を取得し、規格化するステップでは、補正後の特性信号の位相成分の周波数の平方根に対する変化が線形的である走査位置を第２の走査位置とする、ことも好適である。さらにまた、プロセッサは、第１及び第２の周波数以外の周波数で強度変調された光をさらに走査して特性信号を取得し、補正後の特性信号の位相成分の周波数の平方根に対する変化が線形的である走査位置を第２の走査位置とする、ことも好適である。かかる構成によれば、特性信号の位相成分の周波数の平方根に対する変化の特性を基に第２の走査位置が特定されることで、第２の位置の電気特性を反映する特性信号の位相成分が確実に取得できる。その結果、任意の走査位置の層構造の確実な推定が可能となる。

また、規格化するステップでは、第２の走査位置の特性信号の位相成分の周波数の平方根に対する変化率を用いて、任意の走査位置の特性信号の位相成分の周波数の平方根に対する変化率を規格化する、ことも好適である。また、プロセッサは、第２の走査位置の特性信号の位相成分の周波数の平方根に対する変化率を用いて、任意の走査位置の特性信号の位相成分の周波数の平方根に対する変化率を規格化する、ことも好適である。かかる構成を採れば、規格化された任意の位置の特性信号の位相信号の周波数特性が半導体デバイスの層構造をより顕在化した波形となり、任意の走査位置の層構造の推定の精度がより向上する。

さらに、出力するステップでは、任意の走査位置の特性信号の位相成分の周波数に対する変化を示す画像を出力する、ことが好適である。さらに、プロセッサは、任意の走査位置の特性信号の位相成分の周波数に対する変化を示す画像を出力する、ことが好適である。かかる構成を採れば、半導体デバイスの任意の走査位置における層構造を視覚化することができ、視覚化された画像を参照することで半導体デバイスの積層構成に対応した電気特性を解析することができる。

またさらに、出力するステップでは、任意の走査位置の特性信号の位相成分の周波数に対する変化を基に、任意の走査位置における第１の位置の電気特性を示す画像と、任意の走査位置における第２の位置の電気特性を示す画像と、を少なくとも出力する、ことが好適である。またさらに、プロセッサは、任意の走査位置の特性信号の位相成分の周波数に対する変化を基に、任意の走査位置における第１の位置の電気特性を示す画像と、任意の走査位置における第２の位置の電気特性を示す画像と、を少なくとも出力する、ことも好適である。この場合、半導体デバイスの任意の走査位置における各層毎の電気特性を視覚化することができ、視覚化された画像を基に半導体デバイスの各層の電気特性を解析することができる。

実施形態は、半導体デバイス検査方法及び半導体デバイス検査装置を使用用途とし、半導体デバイスの積層構成に対応した電気特性を解析することができるものである。

１…半導体検査装置、３…電圧印加装置、５…電流測定装置、７…測定器、９…光源、１１…信号源、１３…光走査装置、１５…ロックインアンプ（信号取得装置）、１７…光検出器、１９…検査装置、１０１…ＣＰＵ（プロセッサ）、１０２…ＲＡＭ、１０３…ＲＯＭ、１０４…通信モジュール、１０６…入出力モジュール、Ｓ…半導体デバイス。

Claims (18)

1. 半導体デバイスに対して電力を供給すると同時に半導体デバイスの前記電力の供給に応じた電気特性を測定するステップと、
   第１の周波数で強度変調された光と、前記第１の周波数よりも高い第２の周波数で強度変調された光を前記半導体デバイスに走査し、当該走査に応じた前記第１の周波数成分及び前記第２の周波数成分の前記電気特性を示す特性信号を取得するステップと、
   前記半導体デバイスにおける前記光の光軸方向の第１の位置の前記電気特性が反映される第１の走査位置の前記特性信号の位相成分を基準にして、任意の走査位置の前記特性信号の位相成分を補正するステップと、
   前記半導体デバイスにおける前記光の光軸方向の前記第１の位置と異なる第２の位置の前記電気特性が反映される第２の走査位置の前記特性信号の位相成分を特定し、当該位相成分を用いて任意の走査位置の前記特性信号の位相成分を規格化するステップと、
   任意の走査位置の前記規格化された前記特性信号の位相成分に基づいた結果を出力するステップと、
   を備える半導体デバイス検査方法。
2. 前記補正するステップでは、前記第１の走査位置の前記特性信号の位相成分を相殺するように前記任意の走査位置の前記特性信号の位相成分を補正する、
   請求項１に記載の半導体デバイス検査方法。
3. 前記規格化するステップでは、補正後の前記特性信号の位相成分の前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の変化に基づいて、前記第２の走査位置の前記特性信号の位相成分を特定する、
   請求項１又は２に記載の半導体デバイス検査方法。
4. 前記第１の位置は、前記第２の位置よりも前記光の照射源に近い位置であり、
   前記規格化するステップでは、補正後の前記特性信号の位相成分の前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の変化が相対的に大きい走査位置を前記第２の走査位置とする、
   請求項３に記載の半導体デバイス検査方法。
5. 前記規格化するステップでは、前記第２の走査位置の前記特性信号の位相成分の前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の変化を基準に、任意の走査位置の前記特性信号の位相成分の前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の変化を規格化する、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体デバイス検査方法。
6. 前記取得するステップでは、前記第１及び第２の周波数以外の周波数で強度変調された光をさらに走査して前記特性信号を取得し、
   前記規格化するステップでは、補正後の前記特性信号の位相成分の周波数の平方根に対する変化が線形的である走査位置を前記第２の走査位置とする、
   請求項３に記載の半導体デバイス検査方法。
7. 前記規格化するステップでは、前記第２の走査位置の前記特性信号の位相成分の周波数の平方根に対する変化率を用いて、前記任意の走査位置の前記特性信号の位相成分の周波数の平方根に対する変化率を規格化する、
   請求項６に記載の半導体デバイス検査方法。
8. 前記出力するステップでは、前記任意の走査位置の前記特性信号の位相成分の周波数に対する変化を示す画像を出力する、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体デバイス検査方法。
9. 前記出力するステップでは、前記任意の走査位置の前記特性信号の位相成分の周波数に対する変化を基に、前記任意の走査位置における前記第１の位置の前記電気特性を示す画像と、前記任意の走査位置における前記第２の位置の前記電気特性を示す画像と、を少なくとも出力する、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体デバイス検査方法。
10. 半導体デバイスに対して電力を供給すると同時に半導体デバイスの前記電力の供給に応じた電気特性を測定する測定器と、
    第１の周波数で強度変調された光と、前記第１の周波数よりも高い第２の周波数で強度変調された光を前記半導体デバイスに走査する光走査装置と、
    前記光の走査に応じた前記第１の周波数成分及び前記第２の周波数成分の前記電気特性を示す特性信号を取得する信号取得装置と、
    前記特性信号を処理するプロセッサと、を備え、
    前記プロセッサは、
    前記半導体デバイスにおける前記光の光軸方向の第１の位置の前記電気特性が反映される第１の走査位置の前記特性信号の位相成分を基準にして、任意の走査位置の前記特性信号の位相成分を補正し、
    前記半導体デバイスにおける前記光の光軸方向の前記第１の位置と異なる第２の位置の前記電気特性が反映される第２の走査位置の前記特性信号の位相成分を特定し、当該位相成分を用いて任意の走査位置の前記特性信号の位相成分を規格化し、
    任意の走査位置の前記規格化された前記特性信号の位相成分に基づいた結果を出力する、
    半導体デバイス検査装置。
11. 前記プロセッサは、前記第１の走査位置の前記特性信号の位相成分を相殺するように前記任意の走査位置の前記特性信号の位相成分を補正する、
    請求項１０に記載の半導体デバイス検査装置。
12. 前記プロセッサは、補正後の前記特性信号の位相成分の前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の変化に基づいて、前記第２の走査位置の前記特性信号の位相成分を特定する、
    請求項１０又は１１に記載の半導体デバイス検査装置。
13. 前記第１の位置は、前記第２の位置よりも前記光の照射源に近い位置であり、
    前記プロセッサは、補正後の前記特性信号の位相成分の前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の変化が相対的に大きい走査位置を前記第２の走査位置とする、
    請求項１２に記載の半導体デバイス検査装置。
14. 前記プロセッサは、前記第２の走査位置の前記特性信号の位相成分の前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の変化を基準に、任意の走査位置の前記特性信号の位相成分の前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の変化を規格化する、
    請求項１０～１３のいずれか１項に記載の半導体デバイス検査装置。
15. 前記プロセッサは、前記第１及び第２の周波数以外の周波数で強度変調された光をさらに走査して前記特性信号を取得し、
    補正後の前記特性信号の位相成分の周波数の平方根に対する変化が線形的である走査位置を前記第２の走査位置とする、
    請求項１２に記載の半導体デバイス検査装置。
16. 前記プロセッサは、前記第２の走査位置の前記特性信号の位相成分の周波数の平方根に対する変化率を用いて、前記任意の走査位置の前記特性信号の位相成分の周波数の平方根に対する変化率を規格化する、
    請求項１５に記載の半導体デバイス検査装置。
17. 前記プロセッサは、前記任意の走査位置の前記特性信号の位相成分の周波数に対する変化を示す画像を出力する、
    請求項１０～１６のいずれか１項に記載の半導体デバイス検査装置。
18. 前記プロセッサは、前記任意の走査位置の前記特性信号の位相成分の周波数に対する変化を基に、前記任意の走査位置における前記第１の位置の前記電気特性を示す画像と、前記任意の走査位置における前記第２の位置の前記電気特性を示す画像と、を少なくとも出力する、
    請求項１０～１６のいずれか１項に記載の半導体デバイス検査装置。

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