JPH03205573A - 半導体検査装置及び半導体検査方法 - 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】 く産業上の利用分野〉 本発明はＬＳＩ等の半導体装置の不良原因を調査する際
に使用される半導体検査装置及び半導体検査方法に関す
る。

〈従来の技術〉 従来、ＬＳＩ等の半導体装置の不良原因を調査するにあ
たっては、次に述べるような方法が採られている。まず
、電気不良の半導体装置を破断させて内部の半導体チッ
プを露出させた後、半導体テスタを用いて半導体装置を
電気的に検査し、この検査結果をプリントアウトする。

プリントアウトされたものを見れば、半導体チソプにお
ける回路上の不良箇所が判るので、別に用意したレイア
ウト設計時の設計図面を参照して、半導体チップ上の不
良箇所（以下、不良アドレスとする）を見つけ出す。そ
の後、第６図（ａ）に示すように半導体装置のパンケー
ジから取り出して半導体チップ１０′をダイシングマシ
ン等を用いて切り出し、中央部に不良アドレス２ｌを有
する試料チップ片２０を得る。そして試料チップ片２０
の裏面を第６図（ｂ）に示すように平面研磨装置を用い
て研磨し、試料チップ片２０を５０μｍ程度にまで薄く
する。なお、第６図（ｂ）では平面研磨装置でも研磨台
２６のみが示されている。これ以上、試料チップ片２０
を薄くすると壊れてしまう虞れがあるので、最終的には
別に用意された荷電粒子ビーム加工装置を使用する。

この過程を第６図（Ｃ）　（ｄ）を参照して説明すると
、研磨された試料チンプ片２０を所謂メソシュである試
料支持台２７に取り付けた後、これを荷電粒子ビーム加
工装置にセットして動作させる。すると、試ギ４支持台
２７とともに試料チノプ片２０が回転し、と同時に、荷
電粒子ビームが試料支持台２７の中央部に形威された九
穴２７１を介して試料チノプ片２０の裏面に対して１５
゜程度の浅い角度で照射され、これにより試料チップ片
２０の裏面中央部が山形に薄片化される。そして試料チ
ップ片２０の中央部を５００人程度にまで薄＜シ、これ
を別に用意された透過型電子顕微鏡を用いて試料チップ
片２０の不良アドレスにおける結晶欠陥等を観察し、半
導体装置の不良原因を調査する。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、上記従来例による場合には、次に述べる
ような種々の欠点が指摘されている。

まず、半導体テスタによって半導体チップ１０゛におけ
る回路上の不良箇所が判ったとしても、半導体チノプ１
０゛　の物理的な位置（不良アドレス２１）を設計図を
見比べながら特定せねばならず、この作業が非常に煩わ
しく、熟練した者であっても間違いが多いという欠点が
ある。

また、半導体チソ１１０゛　の不良アドレス２１が判っ
たとしても、切り出しの方式上、透過型電子顕微鏡で観
察されることになる試料チップ片２０の中央部と不良ア
ドレス２１の部分とが一致しないことが多いという欠点
がある。半導体チップ１０’　に繰り返しパターンが形
或されている場合には、特に大きな問題となり、結果と
して、半導体装置の不良原因の正確な調査を行う上で非
常に大きな支障となっている。

本発明は上記事情に鑑みて創案されたものであり、その
目的とするところは、半導体チップの不良アドレスを自
動的に求めることができ、その後の工程において、半導
体チップの不良アドレスを誤らないようにし得る半導体
検査装置及び半導体検査方法を提供することにある。

〈課題を解決するための手段〉 本発明の第１請求項にかかる半導体検査装置は、半導体
チップに荷電粒子ビームを照射して得られた二次電子の
検出データに基づいて当該半導体チップの拡大画像を表
示出力する装置であって、前記半導体チップの電気的特
性を測定し、当該測定結果に基づき不良の回路素子を求
める半導体テス夕と、前記半導体チップを構或する回路
素子とその配置位置との関係を与えるレイアウトパター
ンのテーブルデータが予め格納されており、当該テーブ
ルデータに基づき前記半導体テスタにより求められた不
良の回路素子に対応する配置位置のデータを求める不良
箇所算出部とを具備しており、前記不良箇所算出部によ
り求められた配置位置のデータに基づき前記半導体チッ
プの不良の回路素子から所定間隔を離れた位置に向けて
、当該不良の回路素子の位置を示すための刻印が施され
るに必要なエネルギーを有する荷電粒子ビームを照射す
るよ゛うにしてある。

本発明にかかる第２請求項にかかる半導体検査方法は、
請求項１記載の半導体検査装置を用いて半導体チップに
刻印を施した後、透過型電子顕微鏡を用いて、前記刻印
を目印に前記半導体チップ上の不良の回路素子を特定し
、当該回路素子の不良原因を調査する。

〈作用〉 半導体検査装置にセントされた半導体チ・ノブと半導体
テスタとを電気接続し、半導体テスタにより半導体チノ
プの電気的測定を行い、半導体チップの中から不良の回
路素子を求める。この不良の回路素子のデータは不良箇
所算出部に導入され、ここで予め格納されたレイアウト
パターンのテーブルデータに基づいて当該不良回路素子
に対応する配置位置のデータが求められる。このデータ
に基づいて半導体チップの不良の回路素子から所定間隔
を離れた位置に向けて、半導体チップの表面に刻印加工
するに見合ったエネルギーを有する荷電粒子ビームを照
射させる。すると、半導体チップの表面には不良の回路
素子の位置を示すための刻印が施される。また必要な場
合にはこの刻印を含む半導体チップの拡大画像を表示出
力する。

そして、刻印の施された半導体チップを透過型電子顕微
鏡にセットし、刻印を目印に半導体チップ上の不良の回
路素子を特定し、当該回路素子の不良原因を調査する。

く実施例〉 以下、本発明にかかる半導体検査装置及び半導体検査方
法の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は半導体検査装置の構或図、第２図は半導体検査
装置の表示出力図で、刻印が施された半導体チップの拡
大画像を示す図、第３図は半導体チップから試料チップ
片が切り出される様子を示す説明図、第４図は研磨機に
より試料チップ片が研磨されている様子を示す説明図、
第５図（ａ）は荷電粒子ビーム加工装置により試料チッ
プ片が薄片化されている様子を示す説明図、第５図（ｂ
）は試料チップ片の破断面を併せて示す第５図（ａ）に
対応する図である。

まず、第１図を参照して半導体検査装置の概略構或につ
いて説明する。

図中１６は装置本体内を所定の真空状態にする真空排気
装置であり、装置本体の内底部には、半導体装置１０を
Ｘ−Ｙ平面自由自在に移動させるＸＹステージ１が設け
られている。図中２はＸ−Ｙステージ制御装置である。

半導体装置１０はＸ−Ｙステージ１上に設けられたソケ
ソト９に接続可能であって、接続された状態でＬＳＩテ
スタ５（半導体テスタに相当する）によって半導体装置
１０の回路上の不良箇所が検査されるようになっている
（詳しいことについては後述する）。

なお、半導体装置１０は図示されていないがそのパッケ
ージの上部が予め破断加工され、これで内部の半導体チ
ップ１０’　が露出するようになっている。

一方、装置本体の上方部にはＸ−Ｙステージ１に向けて
発せられる荷電粒子ビームｌ８を生或するビーム生戊部
１１が設けられている。ビーム生或部１ｌとＸ−Ｙステ
ージ１との間には、上から順に、アバチャ−１２、走査
コイル３、アバチャーｌ２、ビームレンズｌ４、ビーム
非点収差補正用レンズ１５が夫々配設されている。即ち
、ビーム生成部１１にて生或された荷電粒子ビーム１８
は、上記したレンズ光学系によってエネルギーが与えら
れるとともに収束・走査され、半導体チップ１０’　に
照射されるようになっている。なお、荷電粒子ビーム１
８を走査するタイ≧ングは、後述する表示装置８から出
力する同期信号に基づき走査制御装置３゛により制御さ
れるようになっている。

所定エネルギーを有する荷電粒子ビームｌ８が半導体チ
ップ１０’　に照射されると、この被照射部から二次電
子が発生する。この二次電子はＸ−Ｙステージｌの近傍
に配置された二次電子検出器７で検出される。この二次
電子検出器７の出力信号は二次電子信号増幅器７゛を介
して表示装置８に逐次導入され、ここで半導体チップ１
０′　の拡大画像が表示出力されるようになっている。

次に、ＬＳＩテスタ５について説明する。これには、半
導体装置１０の電気的特性に関するデータが予め用意さ
れており、半導体装置１０に電源供給させた状態で所定
動作を行わせ、回路上の不良箇所を検査するようになっ
ている。半導体装置１０が例えばダイナミックメモリで
あるとすれば、全てのアドレスに対して所定データを書
込んだ後に、書き込まれたデータをアドレス順に逐次読
み出し、読み出されたデータが相違するならば、そのア
ドレスに相当する回路素子部を不良であると判定するの
である。ＬＳＩテスタ５から出力される半導体装置１０
の回路上の不良箇所に関するデータは、所定のタイミン
グでコンピュータ４に導かれるようになっている。

コンピュータ４は装置の全体を制御するに必要なプログ
ラムが予め用意されており、データ転送用ネットワーク
ｌ７を通じてＬＳＩテスタ５、表示装置８、Ｘ−Ｙステ
ージ制御装置ｌ６、走査制御装置３゛等を所定動作させ
るための命令を個別に与えるようになっている。またコ
ンピュータ４には、大容量の外部メモリとしてフロッピ
ィディスク等ノテータヘース６が装備されている。この
データベース６には、半導体チップ１０゛　を構成する
回路素子とその配置位置との関係を与えるレイアウトパ
ターンのテーブルデータが格納されている。つまりデー
タベース６に格納されている個々のデータは、半導体チ
ンブ１０′　に形或された回路素子ごとの座標データで
あり、これは、半導体チップ１０”上に複数個設けられ
た所謂アライメントマークを基準点として設定されたＸ
’−Ｙ’座標系で表示されている。なお、コンピュータ
４のソフトウエアには、不良箇所算出部としての機能が
含められるようになっている。

次に、上記のように構成された半導体検査装置の動作説
明を行い、併せてコンピュータ４の機能について説明す
る。

まず、半導体チップ１０゛　が露出した半導体装置ＩＯ
をコネクタ９に接続し、ＬＳＩテスタ５を動作させる。

すると、ＬＳＩテスタ５から半導体装置１０の回路上の
不良箇所に関するデータがコンピュータ４を介してデー
タベース６に取り込まれる。

データベース６に取り込まれたデータは、上記したよう
に半導体チップ１０’　における不良の回路素子に関す
るもので、データベース６のテーブルデータにより変換
させて、当該回路素子に対応する座標データを求める（
コンピュータ４のこの機能は不良箇所算出部に相当する
）。この座標データは、半導体チンプ１０’　の不良箇
所、即ち、不良アトレス２１（第２図参照）を与えるデ
ータとなり、その後、データヘース６の所定アドレスに
一旦格納させる。

ところで、半導体装置１０の集積度をみるとＸ−Ｙステ
ージ１の送り精度は０．１　μｍ以下にする必要がある
が、半導体装置１０のＸ−Ｙステージｌへの取付方式上
、Ｘ−Ｙステージ１に対する半導体装置１０の位置決め
精度が問題となる。そこで、半導体チップ１０’の中で
も上記したアライメントマークを拡大表示させ、このア
ライメントマークと表示画面上に同時に表示させたＸ−
Ｙ座標系の基準点とを一致させるべく、Ｘ−Ｙステージ
１を動作させる。すると、半導体装置１０とコネクタ９
との接続状態に関係なく、Ｘ−Ｙステージ１側のＸＹ座
標系と半導体チップ１０”側のＸ’−Ｙ’座標系とが一
致することになる。

その後、データベース６に格納された不良アドレス２１
の座標データに基づいてＸ−Ｙステージｌを動作させる
と、表示装置８の表示画面中に半導体チ・ノプ１０’　
でも不良アドレス２１の部分が入る。

第２図は半導体チノプ１０゛　の中でも不良アドレス２
１の近傍部分の表示装置８による拡大画像が示されてい
る。なお、図中２２は半導体チンプ１０’　上に格子状
に付けられた回路パターン、２３は表示装置８例の基準
点（後述する刻印加工上の基準点と一致する）である。

そして、図中示すように半導体千ップ１０’　上の不良
アドレス２１の部分から所定間隔離れた位置に合計４個
の刻印２４ａ〜２４ｄを施すべく以下の処理が行われる
。

まず、データベース６に記憶されている不良アドレス２
１の座標データをもとに刻印２４ａ〜２４ｄを施すべき
位置の座標データを算出する。この算出にあたっては、
予めデータヘース６に格納されている不良アドレス２ｌ
と刻印２４ａ〜２４ｄとの位置関係を与えるパターンデ
ータを読み出して行われる。

この座標データが算出されると、これをもとにビーム生
戒部１１、走査制御装置３゛等を動作させて、所定エネ
ルギーを有する荷電粒子ビーム１８を半導体チノプ１０
’　に走査照射させる。すると、荷電粒子ビーム１８の
照射により穴が掘られて所望位置に刻印２４ａ〜２４ｄ
が施される。

ここで刻印２４ａ〜２４ｄの形状等について説明する。

刻印２４ａ〜２４ｄの大きさ及びこれと不良アドレス２
１との距離については、刻印２４ａ〜２４ｄと不良アド
レス２ｌの部分とが表示装置８の画面上に入り、且つ両
者が明確に判ることを考慮して設定されている。刻印２
４ａ〜２４ｄの大きさを２〜３μｍ角以上にするならば
、４０倍程度の実態顕微鏡でも刻印２４ａ〜２４ｄを観
察することが可能となる。また、刻印２４ａ〜２４ｄは
不良アドレス２１の位置が明確に判るような形状とされ
ており、その全体形状は非対象にされている。なお、刻
印２４ａ〜２４ｄのパターンは複数用意されており、不
良部分の形状にあわせて適宜選択できるようになってい
る。

更に、刻印２４ａ〜２４ｄの深さについては、後述する
薄片化工程を考慮に入れ、半導体チップ１０゛の半導体
基板にまで達するに必要な値に設定されている。ただ、
不良原因が半導体基板ではなく電極部分等の浅い部分に
あるならば、刻印２４ａ〜２４ｄの深さは半導体基板に
まで達する必要はない。

なお、ビーム生或部１ｌにて生威される荷電粒子ビーム
としては、ここではガリウムイオンビームが採用されて
いる。このビーム径は画像表示を行う場合には良好な像
を得るために５００人以下に設定されている。そして刻
印加工に切り換える場合には、加工速度を高める意味で
その電流値を上記の場合に比べて高く設定することもで
きる。この場合のビーム径はその電流値を高めることに
より２０００〜３０００人程度にしても差し支えない。

上記した刻印加工が終了したならば、表示装置８を動作
させて、刻印２４ａ〜２４ｄと不良アドレス２１の部分
との位置関係が正確に合っているか否かその拡大画像に
より確認する。

この確認が終了したならば、半導体装置１０を半導体検
査装置から取り出し、次に、図外の透過型電子顕微鏡の
ための試料作戊に移る。

まず、半導体装置ＩＯのパッケージから半導体チップ１
０゛　を取り出し、図外のダイシングマシンを用いて第
３図に示すように半導体チップ１０゛　を小さく切断し
て試料チップ片２０を得る。試料チ７プ片２０の寸法は
透過型電子顕微鏡の試料として適当な大きさ、ここでは
１　．　５ｍｍ角程度にする。この際、ダイシングマシ
ンに付属の実態顕微鏡を用いて、不良アドレス２１の部
分が試料チップ片２０の中央にくるように正確に切り出
す。このセンター出しは透過型電子顕微鏡での観察精度
に大きく関わるので慎重に行う必要がある。

次に、半導体チップ１０゛　から切断された試料チソプ
片２０をダイシングマシンから取り出し、薬品を用いて
試料チップ片２０における電極等の表面形或層を剥離処
理する。剥離に使用される薬品は試料チップ片２０の半
導体基板に影響を及ぼさないものを使用する。ただ、不
良原因が半導体基板ではなく電極部分の浅い部分にある
ならば、電極部分が最も表面となるように剥離作業を行
う。

この剥離作業が終了したならば、剥離処理された試料チ
ップ片２０を回転研磨機を用いて５０μｍ以下に研磨し
、更に鏡面研磨する。第４図は研磨機を用いて試料チッ
プ片２０の裏面が研磨されている様子を示したもので、
研磨台２６の他は図示省略されている。また、精度の高
い研磨を行う場合には、くぼみ状（ディンプル）の機械
研磨を行うことがある。この場合、不良アドレス２ｌの
裏面部分が一番薄くなるようにくぼみの中心と不良アド
レス２１の中心とが一致するようにして、試料チップ片
２０を１０μｍ以下にまで研磨し、更に鏡面研磨する。

このくぼみ状研磨による場合には、刻印２４ａ〜２４ｄ
の深さを１０μｍ程度に設定すると、研磨の過程で試料
チップ片２０の裏面から刻印２４ａ〜２４ｄが透けてみ
えるので、くぼみの中心と不良アドレス２１の中心とが
ずれていた場合でも途中で加工位置の修正を行うことが
できるというメリノトがある。

この研磨が終了すれば、最終的な試料チップ片２０の薄
片化加工を別の荷電粒子ビーム加工装置を用いて行う。

まず、鏡面研磨が行われた試料チップ片２０を第５図に
示す試料支持仮２７（メンシュ）に固定した後、これを
荷電粒子ビーム加工装置にセントする。そして荷電粒子
ビーム加工装置を動作させると、試料支持板２７ととも
に試料チノプ片２０が回転し、と同時に、荷電粒子ビー
ムが試料支持板２７の中央に形或されている丸穴２７１
を介して試料チ・ノブ片２０の裏面側中心部に向けて照
射し、これで試料チップ片２０の裏面部が山形状に削ら
れるようになっている。このような方法で試料チップ片
２０の不良アドレス２１の中心部を５０人程度にまで薄
片化する。

なお、この荷電粒子ビーム加工装置では、加工速度をあ
げるために比較的太めのアルゴンイオンビームが使用さ
れており、その試料チップ片２０の裏面に対する入射角
は１０度から１５度程度に設定されている。

この薄片化加工が終了すれば、荷電粒子ビーム加工装置
から試料チンブ片２０を試料支持板２７とともに取り出
し、図外の透過型電子顕微鏡にセットする。そして透過
型電子顕微鏡により、試料チップ片２０の拡大画像を表
示出力する。このときの画面中には刻印２４ａ〜２４ｄ
がはっきりと写し出され、これを目印に不良アドレス２
１の部分を誤りなく特定することがてき、この拡大画像
により半導体装置１０の不良原因を調査する。

このような手順で半導体装置１０の不良原因を調査する
にあたり、半導体検査装置を使用すると、次のようなメ
リットを得られる。

つまり荷電粒子ビーム加工装置を用いて試料チップ片２
０の中でも５０人程度にまで薄片化された部分が不良ア
ドレス２ｌの部分とずれた場合であっても、このことが
透過型電子顕微鏡により試料チップ片２０の画像を拡大
表示させた段階で刻印２４ａ〜２４ｄの目印により判る
ので、結果として、誤ったアドレスの部分を調査するい
うことが無くなる。

更にその上で、透過型電子顕微鏡の構或上、試料チップ
片２０が裏返しになっても画像が得られるので、不良ア
ドレス２１の部分を間違えてしまうおそれがあるが、刻
印２４ａ〜２４ｄの全体形状は非対象となっているので
、同様に刻印２４ａ〜２４ｄを見ると、試料チップ片２
０が裏返しになっていることが判る。従って、半導体装
置１０の半導体チップ１０’上において電気的に不良で
ある箇所の直接的な拡大画像を透過型電子顕微鏡によっ
て表示出力することができるので、半導体装置１０の不
良原因を正確に調査する上で非常に大きな意義がある。

なお、本発明にかかる半導体検査装置は上記実施例に限
定されず、半導体チップに対して荷電粒子ビームを下方
から照射する所謂倒立型の形態を採っても良い。かかる
形態による場合には、半導体チップとＬＳＩテスタとを
接続するソケットを下向きに取りつけることができ、更
にその上にテスタヘッドを備え付けることができるので
、電気配線を極力短くできノイズの低減化を図ることが
でき、半導体チップの高精度な電気的な検査を行う上で
大きなメリットがある。

く発明の効果〉 以上、本発明にかかる半導体検査装置による場合には、
半導体テスタにより求められた半導体チップの不良の回
路素子に対応する配置位置のデータが不良箇所算出部に
よって求められるようになっているので、半導体チップ
の不良アドレスの部分を自動的に求めることができる。

それ故、従来のように煩わしい作業を必要とせず、正確
な不良アドレスを求めることができる。更にその上で、
荷電粒子ビームの照射により半導体チップの不良アドレ
スを示す刻印が施されるようになっな構或となっている
ので、その後の工程においても半導体チップの不良アド
レスを誤りなく特定することができる。

一方、本発明にかかる半導体検査方法による場合には、
透過型電子顕微鏡を用いて観察するにあたり、半導体チ
ップ上の刻印を目印にしてその不良アドレスの部分を誤
りなく特定することができるので、不良アドレスの部分
の状態を直接に観察することができる。

従って、半導体装置の不良原因を正確に調査する上で非
常に大きなメリットがある。

【図面の簡単な説明】

以下、本発明にかかる半導体検査装置及び半導体検査方
法の一実施例を図面を参照して説明する。 第１図は半導体検査装置の構或図、第２図は半導体検査
装置の表示出力図で、刻印が施された半導体チップの拡
大画像を示す図、第３図は半導体チップから試料チンブ
片が切り出される様子を示す説明図、第４図は研磨機に
より試料チップ片が研磨されている様子を示す説明図、
第５図（ａ）は荷電粒子ビーム加工装置により試料チッ
プ片が薄片化されている様子を示す説明図、第５図（ｂ
）は試料チップ片の破断面を併せて示す第５図（ａ）に
対応する図である。第６図は従来の半導体検査装置を説
明するための図であって、（ａ）は第３図に対応する図
、（ｂ）は第４図に対応する図、（Ｃ）、（ｄ）は第５
図（ａ）、（ｂ）にそれぞれ対応する図である。 １０’ １８・ ４　・ ５　・ ２４ａ ・・・半導体チップ ・・荷電粒子ビーム ・・コンピュータ ・・ＬＳＩテスタ 〜２４ｄ　　・・・刻印

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体チップに荷電粒子ビームを照射して得られ
   た二次電子の検出データに基づいて当該半導体チップの
   拡大画像を表示出力する半導体検査装置において、前記
   半導体チップの電気的特性を測定し、当該測定結果に基
   づき不良の回路素子を求める半導体テスタと、前記半導
   体チップを構成する回路素子とその配置位置との関係を
   与えるレイアウトパターンのテーブルデータが予め格納
   されており、当該テーブルデータに基づき前記半導体テ
   スタにより求められた不良の回路素子に対応する配置位
   置のデータを求める不良箇所算出部とを具備しており、
   前記不良箇所算出部により求められた配置位置のデータ
   に基づき前記半導体チップの不良の回路素子から所定間
   隔を離れた位置に向けて、当該不良の回路素子の位置を
   示すための刻印が施されるに必要なエネルギーを有する
   荷電粒子ビームを照射するようにしてあることを特徴と
   する半導体検査装置。
2. （２）請求項１記載の半導体検査装置を用いて半導体チ
   ップに刻印を施した後、透過型電子顕微鏡を用いて、前
   記刻印を目印に前記半導体チップ上の不良の回路素子を
   特定し、当該回路素子の不良原因を調査することを特徴
   とする半導体検査方法。