JPH0429344A - 半導体集積回路用試験装置および該装置のプローブ位置制御方法 - 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】 〔概要〕 ＬＳＩの動作を試験評価する技術に係わり、特に、電気
光学効果を利用してＬＳＩ内部の配線電圧を非接触且つ
非破壊で計測するＬＳＩ試験装置の構成と、該ＬＳＩ試
験装置に用いられる試験用プローブの位置を制御する方
法に関し、微細な配線に対する電圧測定を正確に行い、
ひいては高精度な試験を可能にし、また検出感度を一定
に保ち、より安定した高精度な電圧測定を可能にするこ
とを目的とし、 ■ＬＳＩ内部の測定対象となる配線部分に試験時に近接
配置される試験用プローブと、該試験用プローブに光学
的に結合されて前記配線部分の電圧測定用に供される測
定光学系とを具備し、前記試験用プローブは、前記測定
光学系からの光が内部を透過して表面で反射するように
板状に形成され且つ裏面が接地されている電気光学効果
をもつ結晶と、前記配線部分と同程度の大きさを有する
ように該結晶の表面に形成された導電性の針状部材とを
備え、前記配線部分の電位により前記針状部材を通して
前記結晶内部に誘起される電界の変化を、該結晶内を反
射往復する光の偏光状態の変化として検出し、該検出に
基づき当該配線部分の電圧波形を測定してＬＳＩの動作
を試験評価するように構成し、または、■上述した構成
のＬＳＩ試験装置において前記測定対象の配線部分を含
む被測定部と試験用プローブとの距離が常に一定となる
よう該プローブの位置を制御するように構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体集積回路（以下、ＬＳＩと称する）の
動作を試験評価する技術に係わり、特に、電気光学効果
を利用してＬＳＩ内部の配線電圧を非接触且つ非破壊で
計測するＬＳＩ試験装置の構成と、該ＬＳＩ試験装置に
用いられる試験用プローブの位置を制御する方法に関す
る。

〔従来の技術、および発明が解決しようとする課題］ ＬＳＩ等の半導体素子を製造する上で、素子内外の信号
波形を正確に測定しておくことが必要不可欠となってい
る。

ところが、近年のＬＳＩの高速化に伴い、従来のＬＳＩ
テスタを用いた電気的な測定方式では、正確な測定が困
難になってきている。そのため、半導体素子基板結晶の
電気光学効果を用いた光学式の信号波形測定方式が提案
されており、それによって高速信号を計測できることが
確認されている。この技術については例えば、Ｊ、Ａ、
νａｌｄｍａｎｉｓａｎｄ　Ｇ、Ｍｏｕｒｏｕ、　”５
ｕｂｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｓ
ａｍｐｌｉｎｇ：　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ａ
ｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ”　ＩＥＥＥＪＯＵＲＮＡＬ　Ｏ
Ｆ　Ｑ［ＩＡＮＴＵＶＩ　ＥＬＥＣＴｌ？０ＮＩＣ５，
ＶＯＬ、　ＱＥ−２２ｐｐ、６９−７８に開示されてい
る。

また、電気光学効果を用いた別の技術として、検出用結
晶の上に被試験ＬＳＩを積載して電気信号の波形測定を
行うようにした方式が知られている（例えば特開平１−
２８５６６号公報参照）が、この方式では、ＬＳＩ内部
配線のような微細部分に対して電圧測定を正確に行うこ
とができない。

そのため、そのような微細部分の電圧測定を正確に行な
い、ひいては測定精度の向上を図るようにした技術の開
発が要望されでいる。

従来、微細部分に対する測定方式としては、基板結晶自
体が有する電気光学効果を利用するか、あるいは偏光面
保存ファイバの先端に結晶を接着して所望の部分に近接
させて測定を行う方式が提案されている。

しかしながら、基板結晶自体がもつ電気光学効果を利用
する方式では、現在の半導体の主流であるシリコン（Ｓ
ｉ）基板には電気光学効果が無いために通用できないと
いう問題点がある。また、ファイバを利用する方式では
、ファイバ先端の結晶を配線幅（最近のサブミクロン程
度の幅）に対応させて細くするには技術的に限度がある
ため、配線パターンが微細化されてくると、近接する配
線による影響（クロストーク）が無視できなくなり、そ
のために測定精度が低下するという欠点がある。

本発明は、かかる従来技術における課題に鑑み創作され
たもので、微細な配線に対する電圧測定を正確に行い、
ひいては高精度な試験を可能にしたＬＳＩ試験装置を提
供することを目的としている。

また、本発明の他の目的は、検出感度を一定に保ち、よ
り安定した高精度な電圧測定を可能にすることにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するため、本発明では、電気光学効果を
もつ結晶に所望の電界（すなわち測定対象となる配線部
分の電位により誘起される電界）のみを有効に導引でき
るようにプローブの構成を工夫している。

従って、本発明の基本的な形態によれば、ＬＳＩ内部の
測定対象となる配線部分に試験時に近接配置される試験
用プローブと、該試験用プローブに光学的に結合されて
前記配線部分の電圧測定用に供される測定光学系とを具
備し、前記試験用プローブは、前記測定光学系からの光
が内部を透過して表面で反射するように板状に形成され
且つ裏面が接地されている電気光学効果をもつ結晶と、
前記配線部分と同程度の大きさを有するように該結晶の
表面に形成された導電性の針状部材とを備え、前記配線
部分の電位により前記針状部材を通して前記結晶内部に
誘起される電界の変化を、該結晶内を反射往復する光の
偏光状態の変化として検出し、該検出に基づき当該配線
部分の電圧波形を測定してＬＳＩの動作を試験評価する
ようにしたことを更に具備するＬＳＩ試験装置が提供さ
れる。

本発明のより好適な実施形態によれば、試験用プローブ
は、前記電気光学効果をもつ結晶を覆い隠し且つ前記針
状部材の周囲を囲むように形成された絶縁層と、該絶縁
層を覆って形成され且つ接地されている導電層とを更に
有していてもよい。

また、本発明の他の形態によれば、上述した構成のＬＳ
Ｉ試験装置において、前記測定対象の配線部分を含む被
測定部と試験用プローブとの距離が常に一定となるよう
に該プローブの位置を制御するようにした様々なプロー
ブ位置制御方法が提供される。

（作用］ 上述した基本的な形態によれば、電気光学効果をもつ結
晶の表面に測定対象の配線部分と同程度の大きさをもつ
導電性の針状部材が形成され、この針状部材は一種の誘
電プローブとして機能するため、当該配線部分の電位に
より誘起される電界は該誘電プローブを介して効率良く
結晶に導かれる。

つまり、針状部材（誘電プローブ）により結晶への電界
の結合効率が高められるので、結晶のサイズと比較して
極めて微細なサブミクロン幅の配線に対して電圧測定を
正確に測定することが可能となる。

また、より好適な実施形態によれば、配線パターンの幅
および間隔がより微細な構造のＬＳＩに対して、接地さ
れた導電層は静電遮蔽として機能する。従って、この導
電層の作用により、隣接配線等の周囲からの漏れ電界に
よる影響（クロストーク）を無くすことができ、それに
よって更に高精度な電圧測定が可能となる。

また、上述した他の形態によれば、被測定部と試験用プ
ローブの間隔が常に一定となるように制御が行われるた
め、該間隔の変動に起因して測定光学系の検出感度が変
化するという不具合を解消することができる。つまり、
検出感度を一定に保つことができ、より安定した高精度
な電圧測定が可能となる。

なお、本発明の他の構成上の特徴および作用の詳細につ
いては、添付図面を参照しつつ以下に記述される実施例
を用いて説明する。

〔実施例］ 第１図には本発明の一実施例としてのＬＳＩ試験装置の
全体的な構成が示される。

同図において、１は被測定対象となるＬＳＩ、２は該Ｌ
ＳＩを搭載するボード、３は該ボードを積載するＬＳＩ
テスタヘッド、１０は被測定ＬＳＩに近接配置された試
験用プローブ（後述）、２０は該プローブに光学的に結
合された光学系（後述）、２１は測定用のレーザ光を出
射するレーザ、２２は該レーザ光の分割および試験用プ
ローブｌＯからのレーザ光の分割を行うビームスプリッ
タ、２３は該ビームスプリッタと同様の機能をもつグイ
クロックミラー、２４は試験用プローブ１０から出射し
てグイクロックミラー２３で反射されたレーザ光を撮像
する光学系、２５は試験用プローブ１０からダイクロツ
クミラー２３およびビームスプリッタ２２を介して入射
されたレーザ光を受けてその強度に応じた電気信号に変
換する受光部、２６は該受光部の出力信号に基づき適宜
信号処理を行い測定電圧値を演算する信号処理部、２７
は該信号処理部の出力に基づきレーザ２１を駆動するド
ライバ、２８は信号処理部２６の出力に基づき電圧測定
制御を行う制御部、２９は該制御部の制御を受けて光学
系２０の位置制御を行う位置合わせ機構、そして、３０
は制御部２８の制御を受けて外部ＬＳＩを駆動する機構
を示す。

第２図には本発明の特徴をなす試験用プローブの先端部
の形状の一例が示される。

例示される試験用プローブは、測定光学系からの光が内
部を透過して表面（反射面１３）で反射するように薄板
状に形成された電気光学効果をもつ結晶（本実施例では
ガリウム砒素［ＧａＡｓ１）　１１と、被測定配線部分
５と同程度の大きさを有して結晶１１の表面に形成され
た導電性の針状部材（誘電プローブ１２）と、結晶１１
の裏面側に接着され且つ接地されている導電Ｎ１４と、
該導電層を保持する絶縁性（例えば二酸化珪素［５ｉＯ
ｚ］から成る）保持部１５とから構成され、第４図に示
されるように撮像光学系の対物レンズ４１上に搭載され
ている。なお、結晶１１の裏面に導電層１４を形成した
後、結晶保護用の透明板（図示せず）を接着することが
好ましい。この場合、保護用の透明板の表面に導電層１
４を形成した後に結晶１１に接着してもよい。

この構造において、結晶１１の裏面に形成された導電層
１４は接地されているので、結晶１１の内部には配線部
分の電位に比例した電位勾配（電界）が形成される。こ
の場合、誘電プローブ１２は、被測定配線部分（第２図
の例示では中央の配線５）からの電界を結晶１１に集中
させるように機能する。

次に、測定系の動作について説明する。

まず、外部ＬＳＩ駆動１１Ｍ３０により被測定ＬＳＩを
動作させる。一方、測定系においては、信号処理部２６
からのタイミング信号に基づきドライバ２７にレーザ光
照射タイミングを通知する。これにより、レーザ２１が
発振を行い、ストロボ測定動作が開始される。

レーザ２１から出射されたレーザ光は、ビームスプリッ
タ２２、グイクロックミラー２３および光学系２０を介
して円偏光となった後に、予め所望の配線（第２図の例
示では中央の配線５）に近接するように位置決めされた
試験用プローブに入射する。

試験用プローブは、当該配線の電位により誘起される電
界（破線で示される）のみを誘電プローブ１２を通して
結晶１１に導く。

試験用プローブに入射したレーザ光は、結晶１１と誘電
プローブ１２の接合面に形成した反射面１３で反射往復
し、電気光学効果により偏光状態を変化させられた後、
プローブから出射する。この偏光状態の変化量は、被測
定配線の電位により結晶１１内に誘起された電界の変化
量に対応している。試験用プローブから出射されたレー
ザ光は、光学系（２０，２３，２２）を介して受光部２
５に入射する。

受光部２５では、入射レーザ光の偏光状態の円偏光から
のずれを測定し、信号処理部２６に通知する。

信号処理部２６では、レーザ光量の変動補正、加算平均
処理等を行って得られた測定電圧を制御部２８に通知す
る。制御部２８では、測定した電圧が確定した後に、順
次タイミングをずらしながら電圧測定を行ない、電圧波
形全体を確定させた後、測定を終了する。

以上説明した測定方式により、所望の配線の電圧変化の
みを測定することが可能となる。また、試験用プローブ
は既存のＬＳＩプロセスにより容易に形成することがで
きるため、プローブを結晶の全面に多数個形成し、測定
用のレーザ光を走査することにより、測定箇所が複数に
亘る場合の全体の測定時間を短縮することが可能となる
。

第３図には試験用プローブの先端部の形状の他の構成例
が示される。

この例では、第２図の構成に加えて、結晶１１を覆い隠
し且つ誘電プローブ１２の周囲を囲むように形成された
絶縁層１６と、該絶縁層を覆って形成された導電層１７
とが付加されている。なお、導電層１７は導電層１４と
ともに接地されている。この構造によれば、配線５の輻
あるいは配線開隔がより微細となっている構造のＬＳＩ
に対して、導電層１７は、隣接配線からの漏れ電界（図
中、Ａ、Ｂで示される）が結晶１１に達するのを防止す
るための静電遮蔽（ブロック層）として機能する。従っ
て、所望の配線（図示の例では中央の配線）の電圧変化
のみを隣接配線からのクロストークなく測定することが
でき、ひいては更に高精度な電圧測定が可能となる。

上述した実施例では試験用プローブの先端と被測定配線
との間隔が一定であるものとして説明したが、仮に何ら
かの原因によりその間隔が変動した場合、測定光学系の
検出感度が変化して電圧測定の精度が損なわれるという
可能性がある。そこで、プローブの先端と被測定配線と
の間隔を一定に保つための手段を備えていれば、さらに
好適なＬＳＩ試験装置を提供することができる。

以下、プローブの位置を制御するための実施例について
説明する。

第４図は、直交方向に配置されたプローブ位置測定用光
学系の片側のみを模式的に示した図である。

光学系の中央には、対物レンズ４１の先端に取り付けた
試験用プローブ（ハツチングで図示）が配置され、この
光学系全体はフィードバック・サーボ・ステージ４０に
搭載されている。試料表面（すなわち被測定配線部分）
に対するプローブの位置を測定するセンサ系４７．４８
からの制御信号に基づき、該プローブの先端（第２図、
第３図の誘電プローブ１２）と被測定配線部分との間隔
が一定となるようにステージ４０が微動調整される。

また、試験用プローブが取り付けられた対物レンズ４１
は独自の上下機構（太い矢印で図示）を有し、共焦点光
学系２４により試料表面が最適な結像位置となるように
位置合わせが行われる。この試験用プローブの周囲４方
向には、２対の対物レンズ４４．４５（図示の例では１
対のみ示される）が配置され、２方向のライン光投受光
光学系を構成している。

ライン光発生用光学系は、直線状のライン光を出射する
光ｔＡ４２と、該光源からの光を集光させるシリンドリ
カルレンズ４３と、該集光されたライン光を試料表面上
に結像させる対物レンズ４４により構成され、第５図（
ａ）に示されるように配線５の方向と直交するライン光
りを試料表面に投影する。

なお、光源４２にはシャッターが装備されており、配線
の方向と垂直な方向のライン光のみが選択されるように
なっている。

また、ステージ４０に光軸を中心として回転する機構を
具備させることにより、１＆ｆｌの投受光系で、全方位
の配線に対応させることが可能となる。

ライン光検出用光学系は、試料表面からの反射光を所定
の位置に結像させる対物レンズ４５と、該所定の位置に
配置されたハーフミラ−４６と、該ハーフミラ−を透過
した光を検出するフォーカスエラー検出用ライン光セン
サ４７と、ハーフミラ−４６で反射された光を検出する
移動方向検出用ライン光センサ４８とにより構成される
。第５図（ｂ）および（ｃ）に、それぞれライン光セン
サ４７および４８上に投影されるライン光パターンが示
される。

試料表面と光学系の間隔が変化した場合、ラインセンサ
上に結像されるライン光の像は、第５図（ｂ）　、　（
ｃ）に点線で示したパターンのように、ジャスト・フォ
ーカス位置での像と比べて大きく変化する。従って、像
ぼけ（すなわちフォーカスエラー）の発生によりプロー
ブの先端と被測定配線部分との間隔が変化したことが判
り、一方、像の移動方向からその変化の方向が判る。

なお、全光学系は、第６図に示されるように凹型架台か
らＸＹＺステージ４０を介してＬＳＩテスタヘッド３の
上方に吊り下げられる。

以下、試験用プローブの位置制御の手順について順次記
述する。

■ＬＳＩテスタヘッド３に測定対象のＬＳＩを搭載し、
試験を開始する。

■ＬＳＩの設計データに基づいて、光学系の所定位置ま
でステージを移動させる。

■Ｚ軸を動かし、光学系を基準位置まで降下させる。な
お、この位置は測定位置よりは高く設定する。ただし、
ライン光センサ、１７．４８のダイナミックレンジ内と
する。

■ライン光センサ系のジャスト・フォーカス位置付近ま
で、光学系を徐々に降下させる。この時、設計データか
ら絶縁膜の有無を受信し、絶縁膜を破っている場合、結
像される２本の線の片側のみに注目する。なお、この２
本の綿は、絶縁膜上部での反射に基づく線と、配線から
の反射に基づく線である。

■ライン光センサ系のサーボ機構を動作開始させる。こ
の時、サーボ信号はライン光センサの出力（フォーカス
エラーと移動方向）に基づき発生される。

■共焦点光学系を利用して試験用プローブを降下させ、
焦点位置にて固定する。

■測定位置として、ステージ４０のＸＹ軸方位の微動調
整により最大信号変化の得られる場所を決定する。

■測定を開始し、波形を取得する。

■測定終了後、試験用プローブを上昇させ、次の測定位
置に移動させる。

以上の手順により、測定系の震動によって発生する試料
表面とプローブの間隔変化を補正し、その間隔を常に一
定に保つことができる。その結果、測定精度を低下させ
ずに、配線部分の電圧波形を安定的に検出することがで
きる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、ＬＳＩ内部の微細
な配線の電圧信号を非接触で高精度に読み出すことが可
能となり、ＬＳＩの非破壊検査を実施でき、ひいては製
品の信頼性を向上させることができる。また、検出恣度
を一定に保ち、より安定した高精度な電圧測定を実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としてのＬＳＩ試験装置の全
体的な構成を示すブロック図、第２図は第１図装置にお
けるプローブの先端部の形状の一例を示す断面図、 第３図は第１図装置におけるプローブの先端部の形状の
他の例を示す断面図、 第４図は第１図装置におけるプローブ位置測定用光学系
の構成を模式的に示す図、 第５図（ａ）〜（ｃ）は第４図の光学系におけるプロー
ブ位置測定用投受光パターンを示す図、第６図は第１図
装置における光学系とＬＳＩテスタヘッドの位置関係を
示す図、 である。 （符号の説明） １・・・半導体集積回路（ＬＳＩ）、５・・・配線部分
、１０・・・試験用プローブ、１１・・・（電気光学効
果をもつ）結晶、１２・・・針状部材（誘電プローブ）
、１３・・・反射面、１４・・・導電層、１６・・・絶
縁層、１７・・・導電層（ブロック層）、２０・・・光
学系、２１・・・レーザ、２２・・・ビームスプリッタ
、２３・・・グイクロックミラ、２４・・・撮像光学系
、２５・・・受光部、４０・・・ステージ、４１・・・
対物レンズ、４７．４８・・・ライン光センサ、Ｌ・・
・ライン光。 第１図装置におけるプローブの先端部の形状の一夕］を
示す断面図 １３・・・反射面 １４・・・導電層 第１図装置におけるプローブの先端部ノ形状の他の例を
示す断面図 第　３図 １６・・・絶縁層 １７・・・導電層（ブロック層） センサ方向 （Ｃ）移動方向検出用 第４図の光学系１こあけるプローブ位置測定用投受光パ
ターンを示す図 第５図 ５・・・配線 し・・・ライン光

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体集積回路（１）内部の測定対象となる配線部
   分（５）に試験時に近接配置される試験用プローブ（１
   ０）と、 該試験用プローブに光学的に結合されて前記配線部分の
   電圧測定用に供される測定光学系（２０〜２５）とを具
   備し、 前記試験用プローブは、前記測定光学系からの光が内部
   を透過して表面（１３）で反射するように板状に形成さ
   れ且つ裏面（１４）が接地されている電気光学効果をも
   つ結晶（１１）と、前記配線部分と同程度の大きさを有
   するように該結晶の表面に形成された導電性の針状部材
   （１２）とを備え、 前記配線部分の電位により前記針状部材を通して前記結
   晶内部に誘起される電界の変化を、該結晶内を反射往復
   する光の偏光状態の変化として検出し、該検出に基づき
   当該配線部分の電圧波形を測定して半導体集積回路の動
   作を試験評価するようにしたことを特徴とする半導体集
   積回路用試験装置。 ２、前記試験用プローブ（１０）は、前記電気光学効果
   をもつ結晶（１１）を覆い隠し且つ前記針状部材（１２
   ）の周囲を囲むように形成された絶縁層（１６）と、該
   絶縁層を覆って形成され且つ接地されている導電層（１
   ７）とを更に有することを特徴とする請求項１に記載の
   半導体集積回路用試験装置。 ３、前記試験用プローブと共に前記測定光学系の少なく
   とも一部を搭載し、前記配線部分を含む被測定部と前記
   試験用プローブを結ぶ軸線方向に移動可能な微動機構を
   備えたステージ（４０）を更に具備する請求項１または
   ２のいずれかに記載の半導体集積回路用試験装置におい
   て、 前記被測定部に対する前記試験用プローブの位置をセン
   サ手段（４７、４８）により検出し、該検出に基づく信
   号を前記微動機構へフィードバックして前記被測定部と
   の距離が常に一定となるように前記試験用プローブの位
   置を制御するようにしたことを特徴とする半導体集積回
   路用試験装置のプローブ位置制御方法。 ４、前記測定光学系の少なくとも一部が前記試験用プロ
   ーブと協働するように配設された請求項１または２のい
   ずれかに記載の半導体集積回路用試験装置において、 測定光とは別の直線状のライン光（Ｌ）を前記配線部分
   を含む被測定部の表面に投影し、 該投影されたライン光のフォーカスエラーおよび移動方
   向を常時観測し、 該観測に基づき前記被測定部の表面の形状を検出し、 該検出結果により前記試験用プローブと協働する測定光
   学系を微動させて前記被測定部の表面との距離が常に一
   定となるように前記試験用プローブの位置を制御するよ
   うにしたことを特徴とする半導体集積回路用試験装置の
   プローブ位置制御方法。 ５、前記測定光学系が共焦点光学系を含み、該共焦点光
   学系の対物レンズ（４１）の先端に前記試験用プローブ
   を取り付けて電圧測定系とは別の撮像光学系（２４）が
   構成されている請求項１または２のいずれかに記載の半
   導体集積回路用試験装置において、 前記撮像光学系のフォーカスエラーを検出し、該検出に
   基づき前記対物レンズを微動させて前記配線部分を含む
   被測定部との距離が常に一定となるように前記試験用プ
   ローブの位置を制御するようにしたことを特徴とする半
   導体集積回路用試験装置のプローブ位置制御方法。