JPH02135749A - 光プロービング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野１ この発明は、例えばレーザなどの光を用いて半導体装置
の内部状態を測定して半導体装置の良、不良を検査する
場合に用いて好適な光プロービング方法に関する。 【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
Ａり配線パターンに金属探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Ａ！配線に対して精度良く８！械的接触をすることが
困難である、■金属探針の有する容量のため測定制度が
劣化する、■触針することによりＡＩ！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ａｍ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ｉｌ
！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
間Ｕ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Ｊ電
子通信学会半導体トランジスタ研究会資料、　５ＳＤ７
９−５６、雑誌「電子材料」１９Ｂ６，３　　Ｐ１５５
〜Ｐ１６１、特公昭５１−３８２２５、特公昭６３−３
９０９９、ＵＳＰ２，８０５，３４７、ｔＪｓＰ２，６
７７、１０６、ＵＳＰ３．７４５，４５４参照）。 【発明が解決しようとする課題】 ところで、上述したように、光励起電流の測定は、例え
は矩形波信号からなるテストパターン信号のローレベル
、ハイレベルの各ステート毎に、電源電流変化をサンプ
リングして行なうが、ＬＳＩのあるトランジスタのロジ
ック判定を行なうには、各測定点においてテストパター
ン信号の例えば１０００ステートと言うような比較的長
い時間分の測定を行ない、そのタイミングチャートを作
成して測定を行なうようにする。 この場合に、測定点としては、トランジスタのロジック
判定できる領域、例えば、Ｃ）ＩＯｓデバイスでは前述
したドレイン領域、バイポーラでは負荷抵抗を接続した
端子にレーザ光を正しく照射する必要がある。 ところが、ＬＳＩが微細化してくると、例えばドレイン
部分のアルミ配線などの光を透過しない膜で覆われてい
ない部分は非常に狭い領域になる。 したがって、ロジック判定のできる部分に正確にレーザ
光を照射することは非常に困難になる。 そして、オペレータはレーザの照射位置を、その分解能
分だけ異なる点に逐次変えて、その都度１０００ステー
トという長い時間の測定を行ない、その測定結果からど
の点が正しいレーザ光照射点かを捜さなければならず、
測定時間が長くなると共に、オペレータに非常に負担が
かかることにもなる。 また、正確に測定Ｉｋｌ！ｉ点にレーザ光を照射できた
かどうかの判定が置敷であるから、測定したデータの信
憑性にも問題が生じる。 この発明は、以上の点に鑑み、微細化ＬＳＩ等のように
光の最適照射位置である最適測定点を見付は出すのに困
難である半導体装置においても、迅速に、かつ、正確に
その最３？Ｉ測定点を選定することができる光ブロービ
ング方法を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

この発明による光ブロービング方法は、光を半導体装置
に照射したときにこの半導体装置に生じる光励起電流に
基づく上記半導体装置の電源電流の変化を検出すること
により、上記光励起電流の測定を行なって、上記半導体
装置の内部の状態を検査する方法であって、 測定希望点近傍の小領域内において、光を走査して、こ
の小領域内の各走査位置について光励起電流を測定し、
その測定結果の基づいて上記小領域内のｉ＆適測定点を
選択するようにする。

【作用】

測定希望点近傍の小領域内で、光が半導体装置表面を走
査する。そして、各走査位置における光励起電流の測定
が行われる。その結果が、例えば光励起電流像として表
示される。オペレータは、その像から最適と思われる測
定点を選択することができる。 レーザ光を、オペレータが各測定点に移動しながら測定
して最適測定点を探す場合に比べて、短時間で、しかも
正確な測定を行なうことができる。

【実施例】

この発明による光ブロービング方法を適応しな半導体装
置の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
査装置においては、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の電源ビ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６
０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７
０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７
４と、Ｘ−Ｙステージコントローラ７５と、タイミング
信号発生回路７６と、半導体装置電源コントローラ７７
と、デイスプレィコントローラ７８と、デイスプレィ７
９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】１１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に入射する。 レーザ光字系４０に入射したレーザ光は光変調手段この
例では音響光学変調素子４２により強度制御及びオン、
オフ制御がなされる。 この例の場合、レーザ光のオン、オフのスイッチング時
間はテストパターン信号のステートの周期よりも十分短
く、例えば１０ナノ秒とされる。また、第５図に示すよ
うに、矩形波信号からなるテストパターン信号ＴＰの各
ステートが変化してからその変化時のトランジェントが
泊まるまで待って、レーザ光のオン、オフを行なうよう
にする。 変調素子４２からのオンの時のレーザ光８７は、互いに
直交するＸ方向及びＹ方向面内用の音響光学ＩＮ向素子
４３．４４に順次入射する。音響光学変調素子４３．４
４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方向に面内される。 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、半導体装置３０でのレーザの走査領域は２５６
ＪＩ＋１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ＩＲｌである。したがって、レーザの１回の
走査可能範囲は、縦×横＝２５６　Ｘ２５６ポイントの
測定点の範囲である。 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ポード３
３に装着されている。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旧に接続され
ている。 そして、このフィックスチャ３１には、同軸ケーブル５
３を介してテストパターン信号丁Ｐ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
を用いることかできる。この例では、専用のフィックス
チャ３１を用いているか、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ａ装置５１は、可変電圧電源であることか望ましく、
この例ではコントローラ７０によりこの電源装置５１の
出力電圧か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の電源ビンとの間の電源
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との間には電流検出素子が設け
られる。この＠ａ検出素子としては、抵抗負荷を用いる
ことができる。しかし、この例では、特に後述のような
利点を考慮して、この電流検出素子としてパルストラン
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ＴＰが供給され、
このテストパターン信号ＴＰ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Ｍ
Ｈｚでオン、オフスイッチングされるレーザ光か照射さ
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
Ｈｌｌｚ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では、テストパターン信号Ｔ
Ｐの周波数成分や、基板電圧発生回路等による電ａ電流
変動分は除去されて、これよりは光励起電流の有無に応
じて変化する電圧のみが得られる。この光励起電流に応
じた検出出力信号は、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のタイミング信号発
生回路７６から、レーザ照射により光励起電流が発生す
るタイミングと、後述するようにして同期が取られたサ
ンプリングパルスＳＰＣか供給され、このサンプリング
パルスＳＰＣによりアンプ６６の出力がサンプリングさ
れ（第４図参照）、各サンブリンク値がデジタル信号に
変換される。サンプリングタイミングは光照射と同期が
取られているので、光照射により光励起電流が生じ、電
ａ電流が変化したタイミングで、Ａ／Ｄコンバータ６７
ではデータがサンプリングされ、デジタル化されるもの
である。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に収り込まれる。 次に、この検査装置におけるタイミング信号発生回路７
６におけるタイミング制御について以下に説明する。 ここで、先ず、音響光学変調素子４２でのオン。 オフ制御信号に対する実際のレーザ光のオン、オフのタ
イミングのずれが考慮されている。このタイミングのず
れの時間は、例えば６００ナノ秒程度である。 この遅延時間は、例えは１０Ｈ１ｌｚのタロツクで動作
する半導体装置では６クロツクサイクルに相当する。ｉ
＆近のＣＭＯ３のデバイスは、２０ＭＨｚから４０８　
Ｈ２という高速で動作するので、その検証についてら高
速で行なう必要かある。したかって、上述の６００ナノ
秒待って測定を行なう訳には行かす、正確なタイミング
調整か必要となるのである。 また、テストパターンを発生するパターンジェネレータ
あるいはＬＳＩテスタはタイミングを合わせるために外
部クロックモードで用いるか、般に外部クロックが与え
られてからテストパターン信号か出力されるまでには、
数クロツタ＋αの遅れがある。したがって、このテスト
パターン信号発生口１？１１５４に対するタイミング制
御も行なう必要がある。 そこで、この例では、第１図に示すように、音響光学変
調素子４２からのオフ時のレーザ光８６が、ミラー４８
で光路を変えられ、モニタ回路４７に入射し、このモニ
タ回路４７で検知される。このモニタ回ＩＩ！１４７は
、高速のフォトダイオードとアンプとで構成され、これ
によりレーザ・オン、オフのタイミングがモニタされる
。このモニタ回路４７がらのモニタ信号ＨＯはタイミン
グ信号発生回路７６に供給される。また、テストパター
ン信号発生回路５４からのテストパターン参照クロック
ＲＥ　ＦＣがこのタイミング信号発生口＃１７６に供給
される。 タイミング信号発生回路７６ではＣＰＵ７１による制御
と相俟って、モニタ信号ＨＯに基づいて、テストパター
ンを出力するタイミングと、レーザをオン、オフするタ
イミングと、光励起電流検出回路８０″ｒ−Ａ　／　Ｄ
変換するタイミングを調整する。 これら３つのタイミングを合わせる方法としては、先ず
、どれか１つを基準とし、他の２つのタイミングは、遅
延手段により必要な範囲、必要な分解能で遅延できるよ
うにしておくようにする方法を、この例では採用する。 第３図はタイミング信号発生回路７６の一例及びタイミ
ング合わせを行なうための回路部分を示す図である。 同図で、９１はタロツク信号発生回路で、これよりはサ
ンプリングクロックＳＰＣと、レーザ・タイミングクロ
ックＬＡＣと、テストパターン発生クロ・ｙりＴＰＣと
が得られる。 サンプリングクロックＳＰＣは、この例では基準とされ
、そのまま検出回路６０のＡ／Ｄコンバータ６７に供給
される。 レーザ・タイミングクロックＬＡＣは、遅延回路９２を
介してレーザ光学系コントローラ７４に供給される。 テストパターン発生クロックＴＰＯは、遅延回路９３を
介してテストパターン信号発生口１？８５４に供給され
る。 そして、このタイミング信号発生口１ｉ１１１７６に入
力されるレーザ光学系４０のモニタ回路４７からのモニ
タ信号ＨＯと、テストパターン信号発生回路５４からの
テストパターン参照クロックＲＥＦＣとは、それぞれＤ
フリップフロフグ回路９４．９５において、サンプリン
グクロックＳＰＣによりサンプリングされる。 そのサンプリング出力は、データバスを介してＣＰＵ７
１に供給される。ＣＰＵ７１は、これらサンプリング出
力を参照して、進み、遅れを判断し、遅延量！ｉ！８９
２．９３の遅延量を変え、サンプリングクロックＳＰＣ
と、モニタ信号ＭＯと、テストパターン参照クロックＲ
Ｅ　ＦＣとが所定の関係となるように、遅延回路９２．
９３の遅延量を設定し、Ａ／Ｄ変換タイミングと、レー
ザ・オン、オフタイミングと、テストパターン信号発生
タイミングが合うようにする。この場合に、レーザ・オ
ン、オフのタイミングは、前述したようにテストパター
ン信号ＴＰのステートか変化してからその変化時のトラ
ンジェントの影響がなくなるまて待っ。 以上のようにして、３つのタイミングが一致した後、そ
れぞれの信号の間に、さらに必要な遅延を加える。これ
は、例えば、レーザかオンとされた後、電源電流が増加
して、その信号が増幅されてＡ／Ｄコンバータに達する
までの時間だけＡ／Ｄ変換のタイミングを遅らせる等の
遅延である。 以上のようにして測定された光励起電流は、メモリ７３
に収り込まれたデータに基づいてコントローラ７０のデ
イスプレィ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ＬＳＩａ計ＣＡＤから出力された
シミュレーションデータと比較したり、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。 この場合、光励起電流像の測定は、主に良品と不良品の
比較のように、２つのデバイスの違いを全体的に大まか
に得たい場合や、１つのデバイスについてテストパター
ン信号の異なるステー１・の状態を比較する場合などに
行われる。 光励起電流像は、半導体装置の表面をレーザで走査した
とき、その各走査位置での光励起電流を測定し、その測
定データをデイスプレィ７９で各走査位置に対応させて
表示することにより得る。光励起電流像は、測定データ
を多値の値で表示することも可能であり、また、所定の
スレッショールド値を定めて２値化した後、これを表示
することもできる。平滑したり、小さい塊の部分を消去
することにより、像を見易くすることもできる。 この例の場合には、レーザ光の１回の走査可能範囲は、
分解能１メｎで、２５６租角であるので、１回の走査で
２５６　Ｘ２５６ボイ〉′トの測定点が走査でき、各測
定点においてテストパターン信号の例えば１０ステート
分の測定かなされ、各測定点の各ステートでの測定デー
タがメモリ７３に書き込まれる。 そして、同一ステートの２５６　ｘ２５６ポイントのデ
ータが、この例ではそれぞれ２値化され、例えば、光励
起電流による電源電流変化を検出したときデータ「１」
として、例えば所定の色でその測定点に対応するデイス
プレィ位置に表示する。 以上の光励起電流像の測定の場合は、テストパターン信
号の１０ステ一ト程度としたのは、１ステ一ト辺りのデ
ータ数が２５６　ｘ２５６と大きいから、測定時間とメ
モリ７３の容量を考慮したものである。 光励起電流像は各ステート毎に得られるから、この場合
、１０枚の像が得られることになる。 次に、タイミングチャートの測定は、１つのデバイスの
内部のトランジスタのロジック判定のために行われる。 したがって、１つの測定点で、１０００ステート程度の
長い時間に渡って測定が行われる。そして、この例では
、このタイミングチャートの測定時の、最適測定点は、
次のようにして選定される。 先ず、オペレータかＸ−Ｙステージ４５を動かして、被
検査半導体装置の表面の所望の点にレーザ光を位置決め
し、測定を開始する。 すると、レーザ光は、この位置決めした位置を含む微細
領域を走査する。すなわち、第５図に示すように、１回
のレーザ光の走査可能範囲よりも狭い、第５図において
斜線を付して示す５×５〜１０ｘ１０程度の１敢細領域
１０１の中の各測定点を、前記位置決めした位置を基準
にして走査する。 この場合、各測定点ではテストパターン信号の１０００
ステートに渡って、光励起電流の測定が行われる。測定
点の数が少ないので、１０００ステー１・に渡って測定
してら測定時間はそれ程長くならす、また　メモリ７３
の容量ら十分である。 この微少領域１０１での走査及び測定の結果は、第６図
に示すように、あるステートでのその微少領域の測定点
についての光励起電流１象として拡大されて、デイスプ
レィ７９に表示される１表示する光励起電流１象は、オ
ペレータによって任意のステートのところを選定するこ
とができる。 次に、オペレータは、その表示された光励起電流像を見
て、最適点と思われる点を、例えばマウス等の指示入力
手段により、第６図で矢印１０２で示すように指示する
。すると、その指示された点の１０００ステートに渡る
データがメモリ７３がら読み出され、これがタイミング
チャートに変換されて、第７図に示すようにデイスプレ
ィ７９に表示される。 次に、マウス等による指示入力を、幾っがの測定点につ
いて行なって、タイミングチャートをそれぞれ表示し、
その中でもっとも明瞭にデータが測定された測定点を探
す。そして、その選定した測定点のタイミングチャート
を、ｌ・ランジスタのロジック判定の資料とする。 以上により、微細パターンであっても、正確に必要部位
に光を照射することが可能になり、その最適点において
測定を行なうことができる。 なお、以上の例ではサンプリングクロックｓＰｃを基準
として他のタイミング信号を調整するようにしたか、い
ずれを基準においてももちろんよい。 また、以上の例では、光変調素子として、音響光学変調
素子を用いたが、これに限られるものではないことはい
うまでもない。 また、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、カルバノミラーや、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
わぜな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】

この発明によれば、被検査半導体装置の測定したい部分
の近傍で、光を微少領域内において走査して測定するの
で、その各測定点の測定結果から最適測定点と思われる
点を容易に選択することができる。 したかっ°Ｃ１（紋細なパターンであっても、正確かつ
非常に短時間に、信顆性のある測定データを得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による光ブローピンク方法が適応され
た半導体装置の検査装置の一実施例のブロック図、第２
図は第１図例の一部回路の一例の回路図、第３図は第１
図例の要部の一例の回路図、第４図は第１図例の説明の
ためのタイムチャート、第５図〜第７図はこの発明によ
る光ブロービング方法を説明するための図である。 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１橿向
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 ６５；バンドパスフィルタ ７４；光学系コントローラ ７６；タイミング信号発生回路 代理人　弁理士　佐　藤　正　美 ４１ミＥｌ江各６０の〔コ２５１酉コ 第２図 タイタング佐制御♂ブ゛ロック図 タイムチ々−Ｆ 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光を半導体装置に照射したときにこの半導体装置に生じ
   る光励起電流に基づく上記半導体装置の電源電流の変化
   を検出することにより、上記光励起電流の測定を行なっ
   て、上記半導体装置の内部の状態を検査する方法であつ
   て、 測定希望点近傍の小領域内において、光を走査して、こ
   の小領域内の各走査位置について光励起電流を測定し、
   その測定結果の基づいて上記小領域内の最適測定点を選
   択するようにする光ブロービング方法。