JPH0513522A - 電荷光学プローブ - Google Patents

電荷光学プローブ

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JPH0513522A
JPH0513522A JP3164423A JP16442391A JPH0513522A JP H0513522 A JPH0513522 A JP H0513522A JP 3164423 A JP3164423 A JP 3164423A JP 16442391 A JP16442391 A JP 16442391A JP H0513522 A JPH0513522 A JP H0513522A
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JP
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light
semiconductor device
light beam
incident
charge density
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JP3164423A
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Takashi Kido
隆 城戸
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Original Assignee
Advantest Corp
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体装置の電気的状態を非接触で検出する
と共に電圧分解能、時間分解能を高くする。 【構成】 レーザ光源１１からの光ビームを光偏向器２
１を通し、反射鏡２２で反射させ、集光レンズ２３を通
じて半導体装置１３のＰＮ接合領域に入射させる。その
入射点における電荷密度に応じた反射率で反射された光
ビーム２７を集光レンズ２３を通し、反射鏡２８を介し
て受光器２９で受光して電気信号に変換する。半導体装
置１３に信号発生器１８からの信号を入力して動作さ
せ、その信号と、受光器２９から得られる反射点の電荷
密度と対応した電気信号とから、その半導体装置のその
反射点での動作状態を制御処理装置２５で検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、光ビームを入射して
トランジスタ、半導体集積回路などの半導体装置の電荷
密度（キャリア密度）、これと対応した電気的状態、電
気的信号を非接触で検出する電荷光学プローブに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の光ビームを利用し、非接触で半導
体装置を検査するものとして例えば特開昭６２−２５５
２号公報に示すレーザプローブが知られている。レーザ
プローブは図９に示すように、レーザ光源１１から出力
されるレーザビーム１２は半導体装置１３の表面に入射
される。半導体装置１３が例えばバイポーラトランジス
タの場合、そのベース領域とコレクタ領域との境界のベ
ース・コレクタ接合にレーザビーム１２を照射し、半導
体装置１３の電源端子に現れる光励起電流を測定するこ
とにより、レーザ照射中の半導体装置１３の電気的状態
（ＯＮ／ＯＦＦ）を解析できるものである。すなわち、
半導体装置１３の内部ではレーザ光照射により電子−正
孔の対が励起され、半導体装置１３の電気的状態に対応
した光励起電流１４が半導体装置１３を通って、半導体
装置１３の駆動電源１５に流れる。この光励起電流１４
は光励起電流検出器１６によって測定され、その測定結
果から電気的状態情報処理部１７で半導体装置１３のレ
ーザ光照射点における電気的状態（ＯＮ／ＯＦＦ）の判
定がおこなわれる。半導体装置１３は信号発生器１８か
らの信号により制御されている。以上の構成により半導
体装置１３の電気的状態を非接触でプロービングするこ
とが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】レーザプローブは半導
体装置を非接触で高位置分解能で電気状態を検査でき
る。しかし次の欠点がある。半導体装置のＯＮ／ＯＦＦ
状態の判定しか行うことができず、中間状態や過渡状態
を測定することができない。つまり電圧分解能が悪い。
【０００４】光励起電流が半導体装置内を拡散して光電
流検出器まで電流が到達する時間により時間分解能が制
限され、時間分解能は数十ｎｓが限界であり、高速変化
を検出することができない。レーザ照射により電子−正
孔対を発生させて測定するものであるから、その分だけ
半導体装置に攪乱が生じ、例えばＯＦＦ状態のものがＯ
Ｎとして測定されるおそれがある。
【０００５】厚みが薄い半導体装置の場合はレーザ光が
突き抜けて電子−正孔対を励起する確率が著しく小さく
なり、測定できない。被測定部位が半導体内部にある場
合は、レーザ光が内部まで透過しないため光励起電流を
測定することができない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明によれば電子−
正孔対を励起しない波長の光ビームを半導体装置に入射
し、その入射部分における電荷密度（キャリア密度）に
応じた屈折率に対する反射又は透過が生じることを利用
して、反射光、又は透過光から、反射率、屈折率と対応
した信号を取出して、入射部分の電荷密度、つまり電気
状態を検出する。
【０００７】つまり請求項１の発明によれば半導体装置
に光ビームを入射し、その反射光又は透過光を受光手段
で電気信号に変換し、その電気信号から半導体装置の光
ビーム入射位置における電荷密度と対応した信号を得
る。請求項２の発明によれば、半導体装置に光ビームを
入射し、その反射光又は透過光と、参照光ビームとの位
相差に応じた強度の光ビームに変換し、その変換された
光ビームを電気信号に変換し、その電気信号から半導体
装置の光ビーム入射位置における電荷密度と対応した信
号を検出する。つまり光の速度は屈折率により変化し、
屈折率は電荷密度と対応している。従って光が通過した
部分の電荷密度に応じて位相が変化し、その位相からそ
の通過した部分の電荷密度と対応した信号を得ることが
できる。
【０００８】参照光ビームとしては同一光源よりの光ビ
ームを２分し、一方を測定光とし、他方を、同一半導体
装置の予め決めた一定の位置に入射し、その反射光又は
透過光を参照光ビームとする、あるいは分割した光ビー
ムを半導体装置と同様の光特性のもの、例えば単なるシ
リコンウエハに入射し、その反射光又は透過光を参照光
ビームとする、または光源からの光ビームを２分し、そ
の一方を半導体装置に入射し、他方を直接参照光ビーム
とする。
【０００９】請求項３の発明によれば光源からの光ビー
ムを２分して第１、第２光ビームとして半導体装置の第
１、第２位置に入射し、その反射光又は透過光をそれぞ
れ第１、第２受光手段で第１、第２電気信号に変換し、
これら第１、第２電気信号から半導体装置の第１位置に
おける第２位置に対する電荷密度の相対的値を検出す
る。
【００１０】電荷（キャリア）はその密度できまるプラ
ズマ周波数でプラズマ振動しており、屈折率はプラズマ
振動に依存する。従って、前記半導体装置に入射する光
ビームの波長は、前記プラズマ振動に影響を受ける程度
にそのプラズマ振動周期に近いものとする。
【００１１】
【実施例】図１に請求項１の発明の実施例を示す。光源
１１よりの光ビーム１２は光偏向器２１を通り、反射鏡
２２で反射され、更に集光レンズ２３により半導体装置
１３に入射される。半導体装置１３はＸＹステージ２４
上に載置され、電子計算機よりなる制御処理装置２５の
制御部（制御機能を示す）２６によりＸＹステージ２４
が制御されて半導体装置１３がＸＹ面内で移動制御され
る。半導体装置１３には駆動電源１５より動作電力が印
加され、また信号発生器１８より信号が入力されて動作
している。
【００１２】半導体装置１３に入射された光ビーム１２
が反射され、その反射光ビーム２７は集光レンズ２３で
集光され、反射鏡２８で反射されて受光器２４に受光さ
れ、その強度に応じた電気信号に変換される。その電気
信号は制御処理装置２５内の情報処理部３１（情報処理
機能を示す）に入力され、半導体装置１３の光ビーム照
射点における電気的情報に変換される。この電気的情報
は必要に応じて照射点位置、経過時刻入力信号などと対
応ずけて記憶部３２に記憶される。
【００１３】光源１１は半導体装置１３に入射され、そ
の内部に電子−正孔対を発生しない波長のものが用いら
れ、例えば波長１．３μｍのＮｄ：ＹＬＦレーザの連続
光である。光偏向器２１は例えば音響光学素子を用いた
光偏向器であって、半導体装置１３に入射する光ビーム
１２のＸＹ面内の位置を設定すべく制御部２６の制御に
より光ビーム１２が偏向制御される。この光偏向器２１
とＸＹステージ２４とにより光ビーム１２の半導体装置
１３に対するＸＹ面内の入射点が設定され、また図に示
していないが、Ｚ軸方向における入射ビーム１２の反射
点位置が設定される。このようにして光ビーム１２は半
導体装置１３内の設定された空間的位置に入射される。
【００１４】この入射された位置に存在している電荷
（キャリア）はその電荷密度で決まるプラズマ周波数で
プラズマ振動をしている。信号発生器１８からの信号に
より半導体装置１３内の前記入射点におけるキャリア
（電荷）の流れが変化すると、その入射点の電荷密度が
変化し、その電荷のプラズマ振動の周波数が変化する。
例えばバイポーラトランジスタのエミッタ・ベース接合
領域の電荷密度はベース・エミッタ接合間に加えられる
電圧で変化する。
【００１５】前記入射点の屈折率はプラズマ振動周波
数、つまり電荷密度に依存する、従って前記入射点の反
射率もその点の電荷密度に依存する。波長１．３μｍの
光におけるシリコン中のキャリア密度とシリコン屈折率
の変化Δｎとの関係を図２Ａに示す。キャリア密度が大
になる程屈折率の変化Δｎが大きくなる。図２Ｂに波長
１．３μｍの光におけるシリコン中のキャリア密度の変
化と、シリコン及び二酸化シリコンの界面での反射率の
変化ΔＲ／Ｒｏとの関係を示す。キャリア密度が大きく
なる程、反射率の変化ΔＲ／Ｒｏが大きくなる。
【００１６】従って、反射光ビーム２７の強度の変化
は、その反射点における電荷密度の変化と対応したもの
となり、情報処理部３１で信号発生器１８より半導体装
置１３に入力した信号と、反射点における電荷密度の変
化、つまり電気的情報（半導体装置１３の動作状態）と
の対応関係を検出し、これが記憶部３２に記憶される。
光源１１として波長１．３μｍのＮｄ：ＹＬＦレーザの
連続光を用い、対物レンズにより焦点位置で２μｍ程度
のスポットサイズとし、半導体装置１３に入射するレー
ザのパワーは数十μＷ程度と十分弱いものとし、半導体
装置１３としてシリコンウエハ内にバイポーラトランジ
スタにより構成された反転演算増幅器を用い、その反転
演算増幅器に１．２ｋＨｚ、２．５Ｖｒｍｓの正弦波信
号を入力した、そのシリコンウエハの厚みは約３００μ
ｍであり、その裏面からレーザ光ビーム１２を入射し、
デバイスの表面で焦点を結ぶようにした。反射点を１μ
ｍステップで走査して測定した。そのＩＣの構造を図３
に示す。シリコンウエハ３４上にコレクタ領域３５が形
成され、そのコレクタ領域３５内にベース領域３６が形
成され、そのベース領域３６内に４つの細長いエミッタ
領域３７が並んで形成されている。これらエミッタ領域
３７に互いに接続されたエミッタ電極３８が接続され、
各隣接エミッタ領域３７間においてベース領域３６にベ
ース電極３９が接続される。コレクタ領域３５にコレク
タ電極４１が接続される。
【００１７】このベース領域３６とエミッタ領域３７と
の接合領域での光ビームの反射率の変化量ΔＲ／Ｒの測
定結果の２次元分布の一部を図４に示す。この接合領域
に沿って反射率の変化量ΔＲ／Ｒが大となっており、こ
の接合領域はその周囲より電荷密度の変化量が大となっ
ていることがわかる。更にこの反転増幅器の出力振幅電
圧と出力段のベース・エミッタ接合領域における反射率
の変化量ΔＲ／Ｒとの関係は図５に示すようになった。
出力振幅が大になるに従って反射率の変化量が大となっ
ている。
【００１８】図６に請求項２の発明の実施例を示し、図
１と対応する部分に同一符号を付けてある。この例では
光源１１からの光ビーム１２は５０％ビームスプリッタ
４２により光ビーム１２ａ、１２ｂに２分割され、これ
ら光ビーム１２ａ、１２ｂはそれぞれ光偏向器２１ａ、
２１ｂを通り、更にそれぞれ反射鏡４３ａ、４３ｂで反
射されて半導体装置１３内の設定された空間的位置４４
ａ、４４ｂに入射される。
【００１９】この位置４４ａ、４４ｂでの反射光ビーム
２７ａ、２７ｂはウオラストンプリズムのような位相差
−強度変換手段４５に入射され、反射光ビーム２７ａ、
２７ｂの位相差に応じた強度の光ビーム４６に変換され
て受光器２９に入射される。受光器２９よりの電気信号
は制御処理装置２５内の情報処理部３１に供給される。
光の速度は屈折率が大きい程遅くなる。従って反射光ビ
ーム２７ａ、２７ｂの位相（速度）はそれぞれ空間的位
置４４ａ、４４ｂの屈折率、つまりその点の電荷密度と
対応している。情報処理部３１から一方の位置４４ａの
電荷密度に対する他方の位置４４ｂの電荷密度の相対的
値を検出することができ、位置４４ａの電気的状態に対
する位置４４ｂの電気的状態の関係を知ることができ
る。
【００２０】位置４４ａを基準とし、位置４４ｂを指導
させて、半導体装置１３の各部の電気的状態を知ること
ができる。この場合反射光ビーム２７ａは参照光ビーム
として作用していると云える。この参照光ビームを得る
には、図７に示すように光ビーム１２はハーフミラー４
７を通り、ビームスプリッタ４２で２分割され、その一
方は例えばシリコンウエハの参照素子４８に入射され、
その反射光をビームスプリッタ４２に参照光ビーム２７
ａとして入射される。ビームスプリッタ４２ａよりの分
割光の他方は光偏向器２１を通って半導体装置１３に入
射され、その反射光がビームスプリッタ４２に被測定光
ビーム２７ｂとして戻り、参照素子４８からの参照光ビ
ーム２７ａと干渉され、その干渉光ビームは、被測定光
ビーム２７ｂと参照光ビーム２７ａとの位相差に応じた
強度となる。つまりビームスプリッタ４２は位相差−強
度変換手段４５としても作用している。この干渉光ビー
ムはハーフミラー４７に戻り、これより受光器２９に達
する。あるいは参照光ビーム２７ａはビームスプリッタ
４２からの分割光の一方より直接作ってもよい。何れの
場合も、参照光ビーム２７ａは被測定光ビーム２７ｂと
ほぼ同一強度が望ましい。
【００２１】図８に請求項３の発明の実施例を示し、図
１，６，７と対応する部分に同一符号を付けてある。ビ
ームスプリッタ４２で２分割された一方の光ビーム１２
ａは光偏向器２１ａを通り、ハーフミラー５２ａを通
り、半導体装置１３の空間位置４４ａに入射され、その
反射光ビーム２７ａがハーフミラー５２ａを介して受光
器２９ａに供給される。ビームスプリッタ４２からの分
割光ビームの他方１２ｂは反射鏡５３で反射され、光偏
向器２１ｂを通り、またハーフミラー５２ｂを通って半
導体装置１３の空間位置４４ｂに入射され、その反射光
ビーム２７ｂがハーフミラー５２ｂを介して受光器２９
ｂに入射される。受光器２９ａ、２９ｂの各出力電気信
号はそれぞれ位置４４ａ、４４ｂの電荷密度と対応し、
一方の位置４４ａを基準とした他方の位置４４ｂの電荷
密度の相対値と対応した情報を得ることができる。
【００２２】上述においては半導体装置に光を入射し、
その反射光を受光して半導体装置の電荷密度と対応する
情報を検出したが、透過光も屈折率と関係するものであ
るから透過光を検出してもよい。また上述では半導体装
置を動作させて光入射点における電荷密度の変化に関す
る情報を検出したが、半導体装置を動作させることなく
静的状態にある半導体装置の各部における電荷密度に関
連する電気的情報を得ることもできる。更に上述では光
ビームの連続光を半導体装置に入射したが信号発生器１
８の信号波形と同期した光パルスビームを半導体装置に
入射することにより時間分解能を高めることができる。
【００２３】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、光
ビームの入射点における電荷密度と対応した情報を取出
すことができ、半導体装置のＯＮ／ＯＦＦ状態の判定の
みならず、中間状態や過渡状態を判定することができ、
少なくとも１ｍＶの分解能が得られる。
【００２４】入射点の電荷密度に対応した情報を反射光
ビームとして直ちに得ることができ、レーザプローブで
は励起した電子−正孔対が拡散して光励起電流が電源回
路に流れるまでの時間遅れにより時間分解能が制限され
たが、この発明では光パルスを用いてその光パルス幅を
短かくすればする程、時間分解能が向上し、光電子相互
作用の発生時間が時間分解能の限界であり、フエムト秒
（１０-15 秒）のオーダと著しく小さく、応答速度の高
いものとすることができる。
【００２５】レーザプローブでは電子−正孔対を発生さ
せて測定するため、つまり半導体装置に攪乱を与えてい
るため、ＯＦＦ状態をＯＮ状態と判定するおそれがあっ
たが、この発明では半導体装置に攪乱を与えるものでな
く、常に正しい測定を行うことができる。半導体装置の
厚さに関係なく、３次元ＩＣのように半導体基板の内部
にある素子でも、半導体を通過する赤外波長の光ビーム
を用いることにより厚いもの、薄いものの何れでも測定
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明の実施例を示すブロック図。
【図２】Ａはキャリア密度と屈折率変化との関係を示す
図、Ｂはキャリア密度と反射率変化との関係を示す図で
ある。
【図３】この発明の実験に用いた半導体装置の一部を示
す図。
【図４】図３に示す半導体装置の反射率の変化量の２次
元分布を示す図。
【図５】図３に示した半導体装置の出力振幅に対する反
射率変化の関係を示す図。
【図６】請求項２の発明の実施例を示すブロック図。
【図７】請求項２の発明の他の実施例の一部を示すブロ
ック図。
【図８】請求項３の発明の実施例を示すブロック図。
【図９】従来のレーザプローブを示すブロック図。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成４年７月１７日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、光ビームを入射して
トランジスタ、半導体集積回路などの半導体装置の電荷
密度（キャリア密度）、これと対応した電気的状態、電
気的信号を非接触で検出する電荷光学プローブに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の光ビームを利用し、非接触で半導
体装置を検査するものとして例えば特開昭６２−２５５
２号公報に示すレーザプローブが知られている。レーザ
プローブは図９に示すように、レーザ光源１１から出力
されるレーザビーム１２は半導体装置１３の表面に入射
される。半導体装置１３が例えばバイポーラトランジス
タの場合、そのベース領域とコレクタ領域との境界のベ
ース・コレクタ接合にレーザビーム１２を照射し、半導
体装置１３の電源端子に現れる光励起電流を測定するこ
とにより、レーザ照射中の半導体装置１３の電気的状態
（ＯＮ／ＯＦＦ）を解析できるものである。すなわち、
半導体装置１３の内部ではレーザ光照射により電子−正
孔の対が励起され、半導体装置１３の電気的状態に対応
した光励起電流１４が半導体装置１３を通って、半導体
装置１３の駆動電源１５に流れる。この光励起電流１４
は光励起電流検出器１６によって測定され、その測定結
果から電気的状態情報処理部１７で半導体装置１３のレ
ーザ光照射点における電気的状態（ＯＮ／ＯＦＦ）の判
定がおこなわれる。半導体装置１３は信号発生器１８か
らの信号により制御されている。以上の構成により半導
体装置１３の電気的状態を非接触でプロービングするこ
とが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】レーザプローブは半導
体装置を非接触で高位置分解能で電気状態を検査でき
る。しかし次の欠点がある。半導体装置のＯＮ／ＯＦＦ
状態の判定しか行うことができず、中間状態や過渡状態
を測定することができない。つまり電圧分解能が悪い。
【０００４】光励起電流が半導体装置内を拡散して光電
流検出器まで電流が到達する時間により時間分解能が制
限され、時間分解能は数十ｎｓが限界であり、高速変化
を検出することができない。レーザ照射により電子−正
孔対を発生させて測定するものであるから、その分だけ
半導体装置に攪乱が生じ、例えばＯＦＦ状態のものがＯ
Ｎとして測定されるおそれがある。
【０００５】厚みが薄い半導体装置の場合はレーザ光が
突き抜けて電子−正孔対を励起する確率が著しく小さく
なり、測定できない。被測定部位が半導体内部にある場
合は、レーザ光が内部まで透過しないため光励起電流を
測定することができない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明によれば電子−
正孔対を励起しない波長の光ビームを半導体装置に入射
し、その入射部分における電荷密度（キャリア密度）に
応じた屈折率に対する反射又は散乱又は透過が生じるこ
とを利用して、反射光、又は散乱光又は透過光から、反
射率、屈折率と対応した信号を取出して、入射部分の電
荷密度、つまり電気状態を検出する。
【０００７】つまり請求項１の発明によれば半導体装置
に光ビームを入射し、その反射光又は散乱光又は透過光
を受光手段で電気信号に変換し、その電気信号から半導
体装置の光ビーム入射位置における電荷密度と対応した
信号を得る。請求項２の発明によれば、半導体装置に光
ビームを入射し、その反射光又は散乱光又は透過光と、
参照光ビームとの位相差に応じた強度の光ビームに変換
し、その変換された光ビームを電気信号に変換し、その
電気信号から半導体装置の光ビーム入射位置における電
荷密度と対応した信号を検出する。つまり光の速度は屈
折率により変化し、屈折率は電荷密度と対応している。
従って光が通過した部分の電荷密度に応じて位相が変化
し、その位相からその通過した部分の電荷密度と対応し
た信号を得ることができる。また電子密度の変化する領
域の大きさが光の波長と同程度以下の場合は光が散乱
し、散乱光として電子密度と対応した信号が得られる。
【０００８】参照光ビームとしては同一光源よりの光ビ
ームを２分し、一方を測定光とし、他方を、同一半導体
装置の予め決めた一定の位置に入射し、その反射光又は
散乱光又は透過光を参照光ビームとする、あるいは分割
した光ビームを半導体装置と同様の光特性のもの、例え
ば単なるシリコンウエハに入射し、その反射光又は散乱
光又は透過光を参照光ビームとする、または光源からの
光ビームを２分し、その一方を半導体装置に入射し、他
方を直接参照光ビームとする。
【０００９】請求項３の発明によれば光源からの光ビー
ムを２分して第１、第２光ビームとして半導体装置の第
１、第２位置に入射し、その反射光又は散乱光又は透過
光をそれぞれ第１、第２受光手段で第１、第２電気信号
に変換し、これら第１、第２電気信号から半導体装置の
第１位置における第２位置に対する電荷密度の相対的値
を検出する。
【００１０】電荷（キャリア）はその密度できまるプラ
ズマ周波数でプラズマ振動しており、屈折率はプラズマ
振動に依存する。従って、前記半導体装置に入射する光
ビームの波長は、前記プラズマ振動に影響を受ける程度
にそのプラズマ振動周期に近いものとする。
【００１１】
【実施例】図１に請求項１の発明の実施例を示す。光源
１１よりの光ビーム１２は光偏向器２１を通り、反射鏡
２２で反射され、更に集光レンズ２３により半導体装置
１３に入射される。半導体装置１３はＸＹステージ２４
上に載置され、電子計算機よりなる制御処理装置２５の
制御部（制御機能を示す）２６によりＸＹステージ２４
が制御されて半導体装置１３がＸＹ面内で移動制御され
る。半導体装置１３には駆動電源１５より動作電力が印
加され、また信号発生器１８より信号が入力されて動作
している。
【００１２】半導体装置１３に入射された光ビーム１２
が反射され、その反射光ビーム２７は集光レンズ２３で
集光され、反射鏡２８で反射されて受光器２４に受光さ
れ、その強度に応じた電気信号に変換される。その電気
信号は制御処理装置２５内の情報処理部３１（情報処理
機能を示す）に入力され、半導体装置１３の光ビーム照
射点における電気的情報に変換される。この電気的情報
は必要に応じて照射点位置、経過時刻入力信号などと対
応ずけて記憶部３２に記憶される。
【００１３】光源１１は半導体装置１３に入射され、そ
の内部に電子−正孔対を発生しない波長のものが用いら
れ、例えば波長１．３μｍのＮｄ：ＹＬＦレーザの連続
光である。光偏向器２１は例えば音響光学素子を用いた
光偏向器であって、半導体装置１３に入射する光ビーム
１２のＸＹ面内の位置を設定すべく制御部２６の制御に
より光ビーム１２が偏向制御される。この光偏向器２１
とＸＹステージ２４とにより光ビーム１２の半導体装置
１３に対するＸＹ面内の入射点が設定され、また図に示
していないが、Ｚ軸方向における入射ビーム１２の反射
点位置が設定される。このようにして光ビーム１２は半
導体装置１３内の設定された空間的位置に入射される。
【００１４】この入射された位置に存在している電荷
（キャリア）はその電荷密度で決まるプラズマ周波数で
プラズマ振動をしている。信号発生器１８からの信号に
より半導体装置１３内の前記入射点におけるキャリア
（電荷）の流れが変化すると、その入射点の電荷密度が
変化し、その電荷のプラズマ振動の周波数が変化する。
例えばバイポーラトランジスタのエミッタ・ベース接合
領域の電荷密度はベース・エミッタ接合間に加えられる
電圧で変化する。
【００１５】前記入射点の屈折率はプラズマ振動周波
数、つまり電荷密度に依存する、従って前記入射点の反
射率もその点の電荷密度に依存する。波長１．３μｍの
光におけるシリコン中のキャリア密度とシリコン屈折率
の変化Δｎとの関係を図２Ａに示す。キャリア密度が大
になる程屈折率の変化Δｎが大きくなる。図２Ｂに波長
１．３μｍの光におけるシリコン中のキャリア密度の変
化と、シリコン及び二酸化シリコンの界面での反射率の
変化ΔＲ／Ｒｏとの関係を示す。キャリア密度が大きく
なる程、反射率の変化ΔＲ／Ｒｏが大きくなる。
【００１６】従って、反射光ビーム２７の強度の変化
は、その反射点における電荷密度の変化と対応したもの
となり、情報処理部３１で信号発生器１８より半導体装
置１３に入力した信号と、反射点における電荷密度の変
化、つまり電気的情報（半導体装置１３の動作状態）と
の対応関係を検出し、これが記憶部３２に記憶される。
光源１１として波長１．３μｍのＮｄ：ＹＬＦレーザの
連続光を用い、対物レンズにより焦点位置で２μｍ程度
のスポットサイズとし、半導体装置１３に入射するレー
ザのパワーは数十μＷ程度と十分弱いものとし、半導体
装置１３としてシリコンウエハ内にバイポーラトランジ
スタにより構成された反転演算増幅器を用い、その反転
演算増幅器に１．２ｋＨｚ、２．５Ｖｒｍｓの正弦波信
号を入力した、そのシリコンウエハの厚みは約３００μ
ｍであり、その裏面からレーザ光ビーム１２を入射し、
デバイスの表面で焦点を結ぶようにした。反射点を１μ
ｍステップで走査して測定した。その演算増幅器内のバ
イポーラトランジスタの構造を図３に示す。シリコンウ
エハ３４上にコレクタ領域３５が形成され、そのコレク
タ領域３５内にベース領域３６が形成され、そのベース
領域３６内に４つの細長いエミッタ領域３７が並んで形
成されている。これらエミッタ領域３７に互いに接続さ
れたエミッタ電極３８が接続され、各隣接エミッタ領域
３７間においてベース領域３６にベース電極３９が接続
される。コレクタ領域３５にコレクタ電極４１が接続さ
れる。
【００１７】このベース領域３６とエミッタ領域３７と
の接合領域での光ビームの反射率の変化量ΔＲ／Ｒの測
定結果の２次元分布の一部を図４に示す。この接合領域
に沿って反射率の変化量ΔＲ／Ｒが大となっており、こ
の接合領域はその周囲より電荷密度の変化量が大となっ
ていることがわかる。更にこの反転増幅器の出力振幅電
圧と出力段のベース・エミッタ接合領域における反射率
の変化量ΔＲ／Ｒとの関係は図５に示すようになった。
出力振幅が大になるに従って反射率の変化量が大となっ
ている。
【００１８】図６に請求項２の発明の実施例を示し、図
１と対応する部分に同一符号を付けてある。この例では
光源１１からの光ビーム１２は５０％ビームスプリッタ
４２により光ビーム１２ａ、１２ｂに２分割され、これ
ら光ビーム１２ａ、１２ｂはそれぞれ光偏向器２１ａ、
２１ｂを通り、更にそれぞれ反射鏡４３ａ、４３ｂで反
射されて半導体装置１３内の設定された空間的位置４４
ａ、４４ｂに入射される。
【００１９】この位置４４ａ、４４ｂでの反射光ビーム
２７ａ、２７ｂはウオラストンプリズムのような位相差
−強度変換手段４５に入射され、反射光ビーム２７ａ、
２７ｂの位相差に応じた強度の光ビーム４６に変換され
て受光器２９に入射される。受光器２９よりの電気信号
は制御処理装置２５内の情報処理部３１に供給される。
光の速度は屈折率が大きい程遅くなる。従って反射光ビ
ーム２７ａ、２７ｂの位相（速度）はそれぞれ空間的位
置４４ａ、４４ｂの屈折率、つまりその点の電荷密度と
対応している。情報処理部３１から一方の位置４４ａの
電荷密度に対する他方の位置４４ｂの電荷密度の相対的
値を検出することができ、位置４４ａの電気的状態に対
する位置４４ｂの電気的状態の関係を知ることができ
る。
【００２０】位置４４ａを基準とし、位置４４ｂを指導
させて、半導体装置１３の各部の電気的状態を知ること
ができる。この場合反射光ビーム２７ａは参照光ビーム
として作用していると云える。この参照光ビームを得る
には、図７に示すように光ビーム１２はハーフミラー４
７を通り、ビームスプリッタ４２で２分割され、その一
方は例えばシリコンウエハの参照素子４８に入射され、
その反射光をビームスプリッタ４２に参照光ビーム２７
ａとして入射される。ビームスプリッタ４２ａよりの分
割光の他方は光偏向器２１を通って半導体装置１３に入
射され、その反射光がビームスプリッタ４２に被測定光
ビーム２７ｂとして戻り、参照素子４８からの参照光ビ
ーム２７ａと干渉され、その干渉光ビームは、被測定光
ビーム２７ｂと参照光ビーム２７ａとの位相差に応じた
強度となる。つまりビームスプリッタ４２は位相差−強
度変換手段４５としても作用している。この干渉光ビー
ムはハーフミラー４７に戻り、これより受光器２９に達
する。あるいは参照光ビーム２７ａはビームスプリッタ
４２からの分割光の一方より直接作ってもよい。何れの
場合も、参照光ビーム２７ａは被測定光ビーム２７ｂと
ほぼ同一強度が望ましい。
【００２１】図８に請求項３の発明の実施例を示し、図
１，６，７と対応する部分に同一符号を付けてある。ビ
ームスプリッタ４２で２分割された一方の光ビーム１２
ａは光偏向器２１ａを通り、ハーフミラー５２ａを通
り、半導体装置１３の空間位置４４ａに入射され、その
反射光ビーム２７ａがハーフミラー５２ａを介して受光
器２９ａに供給される。ビームスプリッタ４２からの分
割光ビームの他方１２ｂは反射鏡５３で反射され、光偏
向器２１ｂを通り、またハーフミラー５２ｂを通って半
導体装置１３の空間位置４４ｂに入射され、その反射光
ビーム２７ｂがハーフミラー５２ｂを介して受光器２９
ｂに入射される。受光器２９ａ、２９ｂの各出力電気信
号はそれぞれ位置４４ａ、４４ｂの電荷密度と対応し、
一方の位置４４ａを基準とした他方の位置４４ｂの電荷
密度の相対値と対応した情報を得ることができる。
【００２２】上述においては半導体装置に光を入射し、
その反射光を受光して半導体装置の電荷密度と対応する
情報を検出したが、散乱光あるいは透過光も屈折率と関
係するものであるから散乱光あるいは透過光を検出して
もよい。また上述では半導体装置を動作させて光入射点
における電荷密度の変化に関する情報を検出したが、半
導体装置を動作させることなく静的状態にある半導体装
置の各部における電荷密度に関連する電気的情報を得る
こともできる。更に上述では光ビームの連続光を半導体
装置に入射したが信号発生器１８の信号波形と同期した
光パルスビームを半導体装置に入射することにより時間
分解能を高めることができる。
【００２３】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、光
ビームの入射点における電荷密度と対応した情報を取出
すことができ、半導体装置のＯＮ／ＯＦＦ状態の判定の
みならず、中間状態や過渡状態を判定することができ、
少なくとも１ｍＶの分解能が得られる。
【００２４】入射点の電荷密度に対応した情報を反射光
ビームとして直ちに得ることができ、レーザプローブで
は励起した電子−正孔対が拡散して光励起電流が電源回
路に流れるまでの時間遅れにより時間分解能が制限され
たが、この発明では光パルスを用いてその光パルス幅を
短かくすればする程、時間分解能が向上し、光電子相互
作用の発生時間が時間分解能の限界であり、フエムト秒
（１０-15 秒）のオーダと著しく小さく、応答速度の高
いものとすることができる。
【００２５】レーザプローブでは電子−正孔対を発生さ
せて測定するため、つまり半導体装置に攪乱を与えてい
るため、ＯＦＦ状態をＯＮ状態と判定するおそれがあっ
たが、この発明では半導体装置に攪乱を与えるものでな
く、常に正しい測定を行うことができる。半導体装置の
厚さに関係なく、３次元ＩＣのように半導体基板の内部
にある素子でも、半導体を通過する赤外波長の光ビーム
を用いることにより厚いもの、薄いものの何れでも測定
することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正内容】
【図８】

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源と、 その光源からの光ビームを半導体装置に入射する手段
    と、 その半導体装置からの上記光ビームの反射光又は透過光
    を受光して電気信号に変換する受光手段と、 上記変換された電気信号から上記半導体装置の光ビーム
    入射位置における電荷密度と対応した信号を検出する手
    段と、 を具備する電荷光学プローブ。
  2. 【請求項２】 光源と、 その光源よりの光ビームを半導体装置に入射する手段
    と、その半導体装置からの上記光ビームの反射光又は透
    過光と、上記光源より得られる参照光ビームとをその位
    相差に応じた強度の光ビームに変換する手段と、 その変換された光ビームを受光して電気信号に変換する
    受光手段と、 上記変換された電気信号から上記半導体装置の光ビーム
    入射位置における電荷密度と対応した信号を検出する手
    段と、 を具備する電荷光学プローブ。
  3. 【請求項３】 光源と、 その光源よりの第１、第２光ビームをそれぞれ半導体装
    置の第１、第２位置に入射させる手段と、 その半導体装置の第１、第２位置からの反射光又は透過
    光をそれぞれ受光して第１、第２電気信号に変換する第
    １、第２受光手段と、 これら変換された第１、第２電気信号から上記半導体装
    置の上記第１位置における上記第２位置に対する電荷密
    度の相対的値を検出する手段と、を具備する電荷光学プ
    ローブ。
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