JPH05152408A - 半導体素子不良箇所検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エミッション顕微鏡を用いて半導体素子の不
良箇所を検出する方法において、不良箇所を自動的に検
出できるようにする。 【構成】 エミッション顕微鏡１にセットした半導体素
子５に対して、低倍率でチップ全体等を観察し、バック
グランドを検出する。次に通電して発光させ、バックグ
ランドとの差から発光位置を記憶させる。この記憶位置
情報に基づいて発光箇所のいずれかをステージの中央に
移動させて倍率を上げ、自動的に倍率を順次上げて所望
のデータが得られる例えば最高倍率で発光像を収集す
る。更に予め記憶させた上記発光位置情報から次の発光
像の位置へステージを移動させて次の発光の収集を開始
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子の不良箇所
を検出する方法に関し、特にエミッション顕微鏡を用い
て不良を検出する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置は、微小な半導体基板領域に
極めて微細なパターンでトランジスタ等の半導体素子が
形成され、更にこれら半導体素子間を配線によって電気
的接続することにより、所望の回路機能を果たし得る。

【０００３】処で半導体技術の進歩により一層の微細化
及び低消費電流化が試みられているが、このような高集
積化に伴って、半導体装置内部の不良の検出が非常に困
難になっている。即ち微細化・低消費電流化により欠陥
に起因するリーク電流が微弱になっており、検出装置の
ノイズ等のために精度が損なわれる恐れがあった。この
ようなリーク電流を高感度に検出する方法として、故障
箇所から発生する微小な光を検出するエミッション顕微
鏡を用いた方法が従来から採用されている。

【０００４】まず従来から採用されている半導体素子の
不慮箇所特定方法を説明する。

【０００５】（１）半導体素子を、画像処理装置が接続
されたエミッション顕微鏡のステージ上に、外部より通
電可能な状態でセットする。

【０００６】（２）最低倍率のレンズをセットする。

【０００７】（３）半導体素子パターン像を、画像処理
装置に内蔵された第１メモリに取り込む。

【０００８】（４）半導体素子に不良症状が再現するよ
うに電圧を印加する。

【０００９】（５）不良箇所から放たれる微小な光をエ
ミッション顕微鏡で検出し、一定時間その発光を積算し
て第２メモリに取り込む。

【００１０】（６）第１メモリのデータと第２メモリの
データを読み出して、画像処理装置により重ね合わせて
モニター上に表示する。

【００１１】（７）必要であればモニター上の画像をハ
ードコピー装置に出力して記録する。

【００１２】（８）上記操作で発光が生じている場所を
画面の中央に移動させる。

【００１３】（９）顕微鏡の対物レンズを倍率の高いも
のに変更する。

【００１４】（10）所望の倍率まで上記（３）から
（９）の操作を繰り返す。

【００１５】（11）発光箇所の複数であれば、すべての
発光箇所について、（２）から（10）までの操作を繰り
返して行う。

【００１６】上記操作により半導体素子に生じているリ
ーク電流による不良箇所を検出することができる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の不良検出方
法では、半導体基板の発光箇所を画面上の中央に移動さ
せる操作をその都度操作している者が行わねばならず、
非常に手間がかかり、また倍率上昇時に発光箇所を見失
う恐れがあり、検査に時間を要するという問題があっ
た。また１つの半導体基板に複数の発光箇所があった場
合、それぞれの箇所に対して常に低い倍率まで戻して発
光箇所の確認を行う必要があり、不良箇所の特定に要す
る時間が長いという問題があった。

【００１８】更に上述した従来の不良検出方法では、一
定時間発光を積算して形成された画面上において、複数
ある輝点のうち、半導体基板からの発光箇所とそれ以外
の箇所、即ちノイズとを区別して認識するのは、測定者
自身の判断、認識に頼っており、発光箇所を見誤る恐れ
があった。また、個人差による認識の違いも問題となっ
ていた。そして、このことは、エミッション顕微鏡にお
ける不良解析の自動化に大きな障害となっており、上述
したようなステ−ジの移動等を伴う測定者の疲労、長時
間測定、ひいてはデリケ−トな被検査物、即ち半導体素
子に二次不良の発生等を引き起こす等の原因となってい
た。

【００１９】本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされ
たもので、エミッション顕微鏡を用いて、半導体素子の
不良箇所を自動的に検出することができる方法を提供す
ることを課題とする。

【００２０】

【問題点を解決するための手段】本願第１発明の半導体
素子不良箇所検出方法は上述の課題を解決するためにエ
ミッション顕微鏡に半導体素子をセットし、低倍率でチ
ップ全体等を観察して発光の位置を記憶させ、この記憶
位置情報に基づいて発光箇所のいずれかをステージの中
央に移動させて倍率を上げ、自動的に倍率を順次上げて
所望のデータが得られる高倍率で発光像を収集し、上記
予め記憶させた位置情報を読み出して上記発光位置情報
から次の発光像の位置へステージを移動させて次の発光
の収集を開始することを特徴とする。

【００２１】本願第２発明の半導体素子不良箇所検出方
法は上述の課題を解決するためにエミッション顕微鏡に
半導体素子をセットし、該エミッション顕微鏡により半
導体素子の表面の発光点に応じた発光像を収集して画像
デ−タを生成し、該画像デ−タを機械的に処理すること
により発光像からノイズを区別して発光点を認識するこ
とを特徴とする。

【００２２】

【作用】本願第１発明の検出方法によれば、低倍率で観
察した際にチップ表面のほぼ全域で生じている発光に対
して、それらの位置を予め記憶させるため、個々の発光
についてのみならず、それぞれの発光について高倍率ま
で自動的に順次検出することができ、検査時間の短縮化
を図ることができる。このように発光箇所が画面中央に
来るように調整しながら低倍率から順次高倍率に変化さ
せて不良箇所を自動的に検出することができる。

【００２３】本願第２発明の検出方法によれば、エミッ
ション顕微鏡により半導体素子の表面の発光点に応じた
発光像を収集して画像デ−タを生成する。この際通常
は、エミッション顕微鏡による検出システムの性能等に
応じてノイズが発生し、生成された画像デ−タに含まれ
ることになる。しかるに本願第２発明によれば、該ノイ
ズを含んでなる画像デ−タを機械的に処理することによ
り発光像からノイズを区別して発光点を認識するように
したので、発光箇所の認識についての操作者による個人
差を無くすことができ、且つ発光箇所の見落しや見誤り
を無くすことができる。この結果、迅速にして客観的、
普遍的な不良箇所の検出、解析を安定的且つ自動的に行
うことができる。

【００２４】

【実施例】実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。

【００２５】図８は本発明の第１実施例に係るエミッシ
ョン顕微鏡システムの概略を示す図で、暗室内に設置し
た顕微鏡本体１にコンピュータ２及びディスプレイ，操
作用タブレット３等の周辺装置が接続されている。顕微
鏡本体１は、ステージ４にセットされたＬＳＩチップ５
に光源からの光を照射してチップ表面の画像を検出器６
に取り込み、画像信号をコンピュータ２に出力する。チ
ップ表面像及び通電によって発光が生じている画像のデ
ータが検出器６からコンピュータ２に出力され、発光位
置を検出するために後述する画像信号処理が実行されて
上記ステージ４と検出器６との相対的な位置等を制御す
るための信号を形成し、顕微鏡１に出力する。

【００２６】図１(a)(b)(c) は、顕微鏡を低倍率から順
次高倍率に高めて該当発光像を収集するための、ＬＳＩ
チップの不良箇所検出作業でのＬＳＩチップ表面像を示
し、また図２及至図７は不良箇所検出方法のステップを
示すフローチャートである。次にこのフローチャートに
従って説明する。

【００２７】図２においてＬＳＩチップの不良箇所に生
じる発光を検出するために、顕微鏡１が初期状態にセッ
トされる。この初期セットアップのステップＳ１の詳細
を図５に示す。初期セットアップで顕微鏡１の光学系は
最低倍率にセットされる。

【００２８】初期状態にセットされた顕微鏡１のステー
ジにＬＳＩチップ５が置かれ、まず低倍率でチップ全体
像が観察可能か否かがステップＳ７で判定される。チッ
プ全体が画面に表示できない場合は、分割表示によって
全体画像に対応するためステップＳ８に示すＬＳＩチッ
プサイズ記憶ルーチンに進む。このステップＳ８では図
６に詳細を示すように、ＬＳＩチップの少なくとも対角
位置にあるコーナの座標を検出し、これに基づいて１チ
ップを観察するに要する画面数をステップＳ９で演算す
る。

【００２９】画面に映し出されたチップ像について、各
ピクセル（画素）のバックグランド強度を測定するため
に、ステップＳ11において視野内のＬＳＩパターンを撮
影し、この画像データをコンピュータ３内の第１メモリ
にストアする。

【００３０】次に図３のフローチャートに示すように、
ステップＳ12で顕微鏡の光源を消灯してＬＳＩチップに
通電し、図１(a) に示すように不良箇所に発光を生じさ
せて像を撮影し、この画像データに基づいて各ピクセル
の強度を検出し、第２メモリにストアする（ステップＳ
13）。ステップＳ14でコンピュータ２において両メモリ
の値から各ピクセル毎に上記バックグランド強度との差
を求めて、この減算結果を第２メモリにストアし、この
得られた各ピクセルが持つ値から、“０”でない箇所が
発光のあった箇所と判断する。

【００３１】ここで上記発光有無の判断に際し、発光箇
所が１点からのものであるか、複数の発光箇所からのも
のであるかを判断するために、ステップＳ18以降におい
て、第２メモリのデータからその分布が計算され、ステ
ップＳ25において発光箇所が１点あるか複数箇所あるか
を識別する。そして分布が１点に収束する場合には、ス
テップＳ26に進み発光箇所は１点と判断する。

【００３２】カウント値の分布計算から判定した結果１
点に収束することができない場合には、ステップＳ27に
おいて複数の収束点を持つか否かを判定し、複数の発光
点があると判断した場合には、各々の発光点について１
点の場合と同様に次に述べるステップを実行する。尚ス
テップＳ27で複数の収束点を持たないと判断された場合
には、発光点なしと判断され作業を終了する。

【００３３】上記ステップで発光点の位置情報が得られ
るが、上記ステップＳ26，29において得られる発光点は
通常複数のピクセルより構成されるため、図４に示すフ
ローチャートに進み、ステップＳ31において最大カウン
ト値を持つピクセルが複数かどうかを判定する。最大カ
ウント数が複数ピクセルに出現する場合これらの重心点
を計算し、この点を発光の位置としてステージ座標と関
係付けて記憶する。ステップＳ34のように最大カウント
値のピクセルが１つからなる場合にはそのピクセルの座
標をステップＳ33で記憶する。記憶した座標と画面中央
の座標との差を計算し、計算結果から発光点を画面中央
に移動させるに必要なステージの移動距離を計算して、
ステップＳ37において顕微鏡のステージ４を移動させ
る。画像が画面中央に送られた状態で、ステップＳ38に
より対物レンズの倍率が適切か、例えば最高倍率かを判
定し、最高倍率での結果であれば必要な画像を収集して
作業を終了する。

【００３４】一方更に高倍率の余地が残されている状態
ではより高い倍率の対物レンズで作業を継続するべく、
ステップＳ40に移って高倍率をセットし、顕微鏡光源の
点灯に続いて焦点合わせを行った後、図２に示す先のス
テップＳ11に移って高倍率で同じ操作を繰り返す。

【００３５】複数の発光点が存在する場合、各発光点に
おいて発光点の重心が計算され、ステップＳ43において
それぞれ座標が記憶される。このように発光点が複数あ
る場合、倍率を上げたことによってなお１視野の中に複
数の発光点が入るならばそれらの複数の点を１つのグル
ープとして処理する。そのためにステップＳ44におい
て、図７に示すように現在表示されている部分Ｗに対し
て倍率を上げたときに表示される範囲Ｘを計算し、いく
つの領域に分割されるかを計算する。複数ある発光点の
それぞれがどの領域にあるかを計算し、ステップＳ47に
おいてステージを発光点が存在するいずれかの領域に移
動させてステップＳ38に移る。このように複数の発光点
を１つのグループとすることにより、同じ視野内で処理
することができ、同じ箇所を何度も観察する必要がなく
無駄を省くことができる。

【００３６】上記不良箇所検出のステップにおいて、最
高倍率時に得られる発光像のみならずＬＳＩチップ表面
の必要な図面についてはコンピュータ２から出力機器３
に画像データを転送し、ハードコピーとして出力する。

【００３７】図９は本発明の第２実施例に係るエミッシ
ョン顕微鏡システムの概略を示す図であり、上述した第
１実施例に係るエミッション顕微鏡システムと同一の構
成要素には、同一の参照符号を付し、その説明は省略す
る。

【００３８】図９において、エミッション顕微鏡システ
ムは、エミッション顕微鏡101 及びコンピュ−タ102 を
備えている。エミッション顕微鏡101 には、複数の透過
波長帯域の異なる分光フィルタを含んでなる電動式の分
光フィルタ装置111 が設けられている。このように、鏡
筒の光学系に分光フィルタを挿入することにより、コン
ピュ−タ102 等により発光波長の解析を行うことができ
る。特に、どの領域の波長が多く出ているかを示すデ−
タは、不良原因の判定に役立ち、且つ不良箇所形状等の
詳細な情報を与えてくれる。この分光フィルタの交換
は、分光フィルタ駆動用モ−タ112 により順次自動的に
切り換えられるように、分光フィルタ装置111 は構成さ
れている。尚、この分光フィルタの帯域は、検出領域に
応じて設定される。

【００３９】コンピュ−タ102 には、画像を十分に記憶
できる第１及び第２のメモリ、解析手順を示すプログラ
ムを内蔵するメモリ、ＣＰＵ画像処理部が備えられてい
る。ＣＰＵ画像処理部は、特に発光を認識し積算し、ノ
イズと発光とを区別するために平均μ、分散σを演算
し、更にμ＋σの値を設定することにより、発光箇所を
認識するように構成されている。また、コンピュ−タ10
2 は、外部諸装置、例えば本願出願人らにより開発され
たＣＩＤＥシステム（Computer Integrated Design and
Evaluation System) なる自動解析システム113 や更に
ＥＷＳ（エンジニアリング・ワ−ク・ステ−ション）に
測定デ−タを送り且つ制御デ−タを得ることのできる送
受信デ−タのデ−タバス114 を拡張可能としている。

【００４０】また、本第２実施例では、発光自動認識の
精度を向上させる等のために、顕微鏡101 をシ−ルドさ
れた暗室内に配置すると共に防振台に載置することが望
ましい。

【００４１】ここで、以上の如く構成された第２実施例
における不良箇所の検出及び解析の動作について、図10
のフローチャートを用いて説明する。

【００４２】図10において、図４に示した第１実施例と
同じステップについては、同一の参照符号を付し、その
説明は省略する。

【００４３】第２実施例の検出方法では、第１実施例の
ステップＳ14の代りにステップＳ114 が実行される。そ
れ以外のステップについては、第１実施例と同様であ
る。従って、図２〜図６に示したステップＳ１〜Ｓ13の
実行により、発光像についてのデ−タが、エミッション
顕微鏡を用いて収集され、メモリに格納される。

【００４４】ここで、第２実施例では、図10のステップ
Ｓ114 において、コンピュ−タ102が、第２メモリの値
から正規分布の平均μ、分散σを算出し、μ＋σの値を
求め、μ＋σの値以下の値を持つピクセルの値を“０”
に置き換え、続くステップＳ15で、再び全ピクセルの値
を第２メモリにストアする。このようにして、得られた
各ピクセルの持つ値から“０”でない所が、発光のあっ
た箇所と判断して、以下ステップＳ16、Ｓ17、…を実行
する。

【００４５】以上の結果、本第２実施例によれば、ノイ
ズと発光とを区別して、発光箇所を認識することができ
る。

【００４６】このようにして発光箇所として得られた不
良箇所についてのデ−タは、バスを介して解析システム
に転送されて、シミュレ−ション、ＬＳＩテスタ、電子
ビ−ムテスタなどの解析結果と共に統合デ−タとして処
理される。このことによって不良箇所原因の解明、対応
方法（次に制作するレイアウトの変更）等が迅速に対処
できる。例えば、測定で蓄積されたデ−タは、ＣＡＤの
設計ル−ル及びデバイスプロセスシミュレ−ションのデ
−タとして運用できる。

【００４７】発光特性を詳細に解析することにより、デ
バイスの信頼性、例えば不良発生のア−レニウスプロッ
トの活性化エネルギと発光現象との不良原因の究明に役
立てることもできる。

【００４８】以上説明したように、本第２実施例によれ
ば、発光箇所をノイズから区別して認識し、その情報を
元に発光箇所が画面の中央にくるように調整しながら低
倍率から順次高倍率に自動的に変化させて不良箇所の検
出をすることができるので、極めて便利である。

【００４９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本願第１発明
によれば、低倍率で半導体素子表面の全体像を撮影して
不良箇所の情報を記憶させ、その情報に基づいて順次倍
率を上げながら不良箇所の検出を行うため、作業の自動
化を図ることができ、また倍率を上げる際にも従来のよ
うに視野内から外れた像を探し回るための手間を必要と
せず、半導体素子不良解析に要する時間を非常に短縮す
ることができる。

【００５０】また、本願第２発明によれば、エミッショ
ン顕微鏡により半導体素子の表面の発光点に応じた発光
像を収集して画像デ−タを生成し、画像デ−タを機械的
に処理することにより発光像からノイズを区別して発光
点を認識するようにしたので、発光箇所の認識について
の操作者による個人差を無くすことができ、且つ発光箇
所の見落しや見誤りを無くすことができる。この結果、
迅速にして客観的、普遍的な不良箇所の検出、解析を安
定的且つ自動的に行うことができる。

【００５１】このように本発明は、最先端産業での不良
箇所解析において、その工業的価値は絶大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の操作を説明するためのＬ
ＳＩチップ表面を示す図である。

【図２】同第１実施例におけるバックグランド強度検出
ステップを説明するためのフローチャートである。

【図３】同第１実施例における発光箇所検出ステップを
説明するためのフローチャートである。

【図４】同第１実施例におけるステージ移動ステージを
説明するためのフローチャートである。

【図５】図２の初期セットアップＳ１の詳細なステップ
を示すフローチャートである。

【図６】図２のＬＳＩチップサイズ記憶ルーチンの詳細
なステップを示すフローチャートである。

【図７】顕微鏡の倍率を上げる前・後の表示領域の関係
を説明する図である。

【図８】本発明の第１実施例に係るエミッション顕微鏡
システムの概略構成図である。

【図９】本発明の第２実施例に係るエミッション顕微鏡
システムの概略構成図である。

【図１０】第２実施例における発光箇所検出ステップを
説明するためのフローチャートである。

【符号の説明】

１、101 エミッション顕微鏡 ２、102 コンピュータ ３ 入出力器 ４ ステージ ５ 半導体素子（ＬＳＩチップ） ６ 検出器 111 分光フィルタ装置 112 駆動モ−タ 113 ＣＩＤＥシステムネットワ−ク 114 デ−タバス Ｓ１〜Ｓ47、Ｓ114 ステップ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エミッション顕微鏡に半導体素子をセッ
   トし、低倍率でチップ全体等を観察して発光の位置を記
   憶させ、この記憶位置情報に基づいて発光箇所のいずれ
   かをステージの中央に移動させて倍率を上げ、自動的に
   倍率を順次上げて所望のデータが得られる高倍率で発光
   像を収集し、上記予め記憶させた位置情報を読み出して
   上記発光位置情報から次の発光像の位置へステージを移
   動させて次の発光の収集を開始することを特徴とする半
   導体素子不良箇所検出方法。
2. 【請求項２】 発光に基づく検出強度が近隣の複数ピク
   セルに亙る際、これらピクセルの重心を算出して発光位
   置情報とすることを特徴とする請求項１記載の半導体素
   子不良箇所検出方法。
3. 【請求項３】 エミッション顕微鏡に半導体素子をセッ
   トし、該エミッション顕微鏡により前記半導体素子の表
   面の発光点に応じた発光像を収集して画像デ−タを生成
   し、該画像デ−タを機械的に処理することにより前記発
   光像からノイズを区別して前記発光点を認識することを
   特徴とする半導体素子不良箇所検出方法。
4. 【請求項４】 前記エミッション顕微鏡で発光像を収集
   する際に複数の分光フィルタを用い、発光点の発光波長
   を解析するようにしたことを特徴とする請求項３記載の
   半導体素子不良箇所検出方法。