JPH05308097A - 放射光顕微鏡システムおよび半導体装置から発せられた光の出力画像を拡大しかつ表示するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 改良された放射光顕微鏡システムを提供す
る。 【構成】 放射光顕微鏡システムはさまざまな実施例に
おいて反射屈折光学の光学顕微鏡２および／またはコン
ピュータ自動化光学分散システム８および／または低温
冷却バックシンＣＣＤカメラ１０を含む。このシステム
はまた特別に適用されたソフトウェアを用いるコンピュ
ータ制御されたデータ獲得システムを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】この発明は放射光顕微鏡に関し、より特
定的には集積回路検査システムに関する。

【０００２】

【関連技術分野の説明】集積回路（ＩＣ）等を含む半導
体装置の設計において、様々な回路を通る電流の流れを
分析することがしばしば所望される。かかる分析はたと
えば電位故障のポイントを分離するために行なわれる。

【０００３】回路を通る電流の流れの分析の幾つかの型
のものは、シリコンのエレクトロルミネセント特性を利
用する。たとえば半導体装置は励起中に少量の光を発す
ることが周知である。さまざまな欠点に関連した完全電
子対は再結合し、そのプロセス中でフォトンを発する。
特に電子雪崩降伏は発せられた光を観察することにより
分析できる。電子雪崩降伏状況における発光は電流の流
れの領域の検出および位置付けを可能にする。酸化物欠
陥はまた電流を与えることに伴って、発せられた光を観
察することにより検出される。発せられた光を観察する
ことにより、損傷を受けた製品の故障箇所が定められ、
かつ設計上の不備および／または処理の不備の分析が行
なわれる。

【０００４】これらのことのすべては米国特許第4,680,
635 号でより詳細に議論される。集積回路中のＥＳＤ
（静電放電）事象のプロファイルおよび詳細な影響を決
定するための発光の使用もまた、この特許において議論
される。ＥＳＤの間、ｐ−ｎ接合は順方向にバイアスさ
れるかまたは電子雪崩降伏へも進む。いずれの場合も光
が発せられる。発せられた光のパターンに関する詳細を
捕えることにより、ＥＳＤ事象の局面が観察され、かつ
ＥＳＤエネルギーの消散の領域が決定される。

【０００５】半導体装置によって発せられる光の研究
は、含まれる光の量が少量であるために幾分困難である
と考えられる。シリコン中の全電子対のうちの約０．０
１％のみがフォトンを発することにより再結合する。し
たがって人間の裸眼で発せられた光を見るためには何百
ミリアンペアもの電流が電子雪崩降伏中にシリコン装置
に与えられなければならない。かかる高電流を与えるこ
とは一般に実行不可能であるかまたは結局は生産的では
ないので、発せられた光に関する情報を捕える他の方法
が開発されてきた。これまでたとえば集積回路から発せ
られた光は時間露光写真で記録されてきた。米国特許第
4,680,635 号で議論されるこの方法の欠点は、時間を発
光のファクタとして分離することができないことであ
る。つまり過渡条件ではなく定常状態条件がこの方法に
よって観察される。したがってインバータにおける熱電
子効果等の、過渡条件においてのみ観察される故障機構
を観察することができない。

【０００６】また過去において、集積回路からの発光は
赤外線または光学顕微鏡を使用して観察されてきた。こ
の用途のためのかかる顕微鏡の欠点は、時間変化効果を
解明できない（すぐ前の段落中で議論されたように）こ
とであり、かつ発光における弱いおよび／または仄かな
コントラストを検出することができないことである。

【０００７】発光を観察するための第３の過去の方法は
放射光顕微鏡（emission microscope)を含む。かかる顕
微鏡に関する先行技術の詳細、およびこの関連技術の説
明のセクションで上に議論された他の分析技術に関する
さらなる情報は、関連事例において発見されかつ米国特
許第4,680,635 号、第4,755,874 号および第4,811,090
号においても発見され得る。

【０００８】発光に基づいて回路を分析するための他の
過去の方法と同様に、先行技術の放射光顕微鏡システム
は多数の欠点および欠陥を有する。たとえば先行技術シ
ステム内の標準グレードの光学顕微鏡は、光の強度を最
小限以上に損失することなく近紫外線から赤外線までの
光を透過することができない。先行システムは一般にフ
ィルタホィールを含むが、これらのフィルタホィールは
自動化されておらず、したがってスペクトルのグラフを
アキュムレートするために各フィルタを連続して「ステ
ップスルーする」ことができない。先行技術のシステム
はまた劣った信号ノイズ比のために被害を被る。先行技
術のシステムにおける画像増強装置と電子的に冷却され
たＣＣＤカメラとの組合せは、現在獲得可能な広範囲の
波長について最良の量子効率を有さない。さらにかかる
組合せは相対的に劣った信号ノイズ比を有する。先行技
術のシステムの多数の他の欠点は関連する事例において
議論される。

【０００９】前述のすべてに基づいて、先行技術の回路
検査システムは現在の技術の放射光顕微鏡を組入れるも
のであっても、その有用性を低減させる多数の欠点およ
び欠陥を有する。

【００１０】

【発明の概要】この発明は改良された放射光顕微鏡シス
テムを提供することにより、上で議論された欠点および
欠陥を克服する。この改良された放射光顕微鏡システム
は反射屈折光学の光学顕微鏡と、コンピュータ自動化光
学分散システムと、低温冷却バックシン（back thinne
d) ＣＣＤカメラと、改良されたデータ獲得ソフトウェ
ア（関連した事例において詳細に議論される）とを含
む。

【００１１】より特定的にはこの発明の一実施例は、光
学サブシステムと、増強装置サブシステムと、カメラサ
ブシステムと、処理サブシステムとを含む放射光顕微鏡
システムである。光学サブシステムは反射屈折光学の光
学顕微鏡を含み、動作において光学画像を出力する。増
強装置サブシステムは光学サブシステムに結合されて光
学画像を増強し、動作において増強された画像を出力す
る。カメラサブシステムは増強装置サブシステムに結合
され、増強された画像を電子画像信号に変換するように
動作する。処理サブシステムはカメラサブシステムに結
合され、電子画像信号からノイズを除去しかつ電子画像
信号を高める。

【００１２】この発明の実施例においてカメラサブシス
テムは低温冷却されたバックシンＣＣＤカメラを含む。
またこの発明のある実施例において光学サブシステム
は、自動電動化フィルタホィールまたは自動二重格子モ
ノクロメータ等のコンピュータ自動化光学放散器具を含
む。

【００１３】したがってこの発明の目的は改良された放
射光顕微鏡システムを提供することである。

【００１４】この発明の他の目的は、フォトン強度対波
長を容易に与えてホットキャリアに関する物理的情報を
生じることが可能な回路診断器具を提供することであ
る。

【００１５】この発明のさらに他の目的は、故障分析お
よびホットキャリア劣化の信頼性の評価を行なうための
便利な手段を提供する。

【００１６】この発明の他の目的、利点および新規の特
徴は添付の図面とともに考慮されるときこの発明の以下
の詳細な説明から明らかとなるであろう。

【００１７】

【詳細な説明】上の関連技術の説明のセクションに基づ
いて、エネルギー分解された放射光顕微鏡（ＥＲＥＭ）
は、たとえば装置内の多数のトランジスタが熱電子の劣
化によって弱められてきたことを決定する非破壊的方法
を提供する、診断技術であるということが理解されるべ
きである。他の例としてＥＲＥＭは酸化物導電機構への
洞察力を得る方法を提供する。さらにＥＲＥＭはまた、
診断的目的のために正逆バイアスされたｐ−ｎ接合を識
別するために使用され得る。

【００１８】上の関連技術の説明のセクションで説明さ
れた情報にさらに基づいて、ＥＲＥＭはＶＬＳＩ回路を
動作することによって発せられるフォトンのスペクトル
分析を含むことが理解されるべきである。ＥＲＥＭは、
チャネルの熱電子のエネルギー状態がマックスウェル・
ボルツマン分布によって概算され得るという事実を利用
する。発せられたフォトンエネルギーのスペクトル分布
は発生するキャリアのエネルギーを反映するので、フォ
トンスペクトルもまたマックスウェル・ボルツマン分布
によって概算され得る。

【００１９】同業者はここで、約２００ｎｍでのフォト
ン発光の強度は、装置の相互コンダクタンスの劣化の量
に直接相関すると理解する。したがってドレイン端縁で
多量の可視および近紫外線のフォトンを発するトランジ
スタは、より厳しい熱電子劣化を受ける。しかしなが
ら、現在の技術の放射光顕微鏡における標準グレードの
顕微鏡光学系は紫外線を透過しない。加えて、弱強度の
２００ｎｍフォトン放射の実際の分析は長いＣＣＤ露光
時間を必要とする。電子的に冷却されたＣＣＤカメラお
よび光電陰極システムの劣った信号ノイズ比のために、
現在の技術の放射光学顕微鏡システムでは長い露光時間
が可能ではない。

【００２０】ＥＲＥＭは２００ｎｍでのフォトン放射の
強度を得るために２つのアプローチを提供する。第１
に、２００ｎｍでのフォトン放射の強度は反射屈折光学
の光学顕微鏡と、低温冷却バックシンＣＣＤカメラと、
長い露光時間とを用いて測定され得る。第２に、２００
ｎｍでのフォトン放射の強度はマックスウェル・ボルツ
マン分布の仮定を使用して可視領域で測定された強度か
ら数学的に推定され得る。

【００２１】ＥＲＥＭの実験的手順は標準の熱電子注入
（ＨＥＩ）ストレスおよびテスト手順の使用を含む。相
互コンダクタンスの変化（またはＩ_DSAT）および様々な
波長でのフォトン強度の両方はゲート電圧に対してプロ
ットされる。２００ｎｍフォトン強度が最大であるゲー
ト電圧は、相互コンダクタンスの変化もまた最大である
ゲート電圧に相関するべきである。一定のドレイン電圧
で各ゲート電圧についてスペクトルエネルギーを強度の
対数に対してプロットすることにより、特定の装置に対
するマックスウェル・ボルツマン分布関数における未知
の変数が求められ得る。これらの未知の変数が求められ
ると、２００ｎｍでの強度の推定は容易に得られる。

【００２２】コンピュータはデータ獲得プロセスの完全
な自動化を提供し得る。データは、全システムのスペク
トルの応答について自動的に訂正され、かつ波長対強度
のプロットでグラフが表示され得る。コンピュータは波
長対強度対電圧のプロットについてパラメトリック分析
器とインターフェイスし得る。熱電子分析のために、２
００ｎｍでの発光の強度および装置の寿命の推定が得ら
れるであろう。

【００２３】この発明の教示および関連した事例の教示
に従うソフトウェアを含むシステムはまた、酸化物欠点
およびＥＳＤエネルギー消散事象に対する現在の技術の
放射光顕微鏡の画像処理の利点を包み得る。特徴的なス
ペクトルが様々な故障機構について得られ、ファイル上
にストアされ、かつ分析中の集積回路から得られたスペ
クトルと比較するために呼び出され得る。

【００２４】ここで図面を参照して、幾つかの図面を通
じて同様または同一のエレメントを示すために類似の参
照番号が使用され、より特定的には図１を参照して、バ
イアスされた半導体装置からのエレクトロルミネセンス
のスペクトル内容を分析するために使用され得るエネル
ギー分解された放射光顕微鏡（ＥＲＥＭ）がブロック図
の形で示される。この発明は現在の技術の放射光顕微鏡
のスペクトル感度を高め、かつスペクトル獲得プロセス
を自動化するように設計された一連の改良点を含む。こ
の発明はマイクロプローブステーション４に作動的に結
合された、つまり焦点を合わされた顕微鏡光学系２を含
む。マイクロプローブステーション４は、ウエハ、個々
のダイスまたはパッケージされた装置など内の集積回路
６を分析する柔軟性を許容する。誘導電流は従来のプロ
ーブカード、外部ピンマイクロプローブなど（図１では
図示せず）を介して回路に与えられる。顕微鏡光学系は
それから発光回路を見るために使用され得る。システム
２は対物および標準グレードのガラスおよび／またはア
クリルレンズを有する標準の光学顕微鏡を含む。代替的
にシステム２は高グレードの融溶シリカガラスで作られ
たコレクタレンズを有する反射屈折光学の光学顕微鏡を
含んでもよい。近紫外線から赤外線まで広範囲の波長を
非常に効率的に透過させるので、反射屈折光学の光学顕
微鏡の方が好まれる。近紫外線よりも短い（＜２００ｎ
ｍ）波長を透過させるために、このシステムは不活性ガ
スで浄化されるかまたは真空中に入れられなければなら
ない。

【００２５】顕微鏡光学系によって生成される画像は光
学放散装置８を通過する。光学放散装置８は理想的に
は、一獲得中でスペクトル放散および発光の分析を許容
する高スループット二重格子モノクロメータを含む。代
替として光学放散装置８は、狭いスペクトル範囲中で放
射の抽出を繰返すための多様な狭帯域干渉フィルタを含
む電動化フィルタホィールを含み得る。

【００２６】光学放散装置８の出力はカメラサブシステ
ムに作動的に結合され、最も好ましくはバックシン低温
冷却フォトンカウントＣＣＤカメラ１０に結合される。
装置８とカメラ１０との作動的結合により効果的に後者
が前者を通して焦点を合わされ、その結果分析される装
置６は装置８とシステム２とを介してカメラ１０によっ
て写真撮影される。バックシン低温冷却ＣＣＤカメラ１
０はその高量子効率と低ノイズレベルとのためにフォト
ン発光の検出の感度を増大する。ＣＣＤカメラの出力信
号は画像処理およびスペクトルデータの分析のためにコ
ンピュータ１４に結合される（この結合は図１のライン
１２によって示される）。データを分析しかつ故障モー
ドと熱電子劣化の量とを決定するために特に設計された
ソフトウェアは、上に示されたそれに関連した出願にお
いて詳細に説明される。カメラの動作と、選択された波
長の全範囲をステップスルーするためのモノクロメータ
および／またはフィルタホィールの自動化を含む全デー
タ獲得プロセスは、コンピュータ１２によって制御され
る。コンピュータ制御は図１に示されるライン１６を介
して光学放散装置で使われる。コンピュータ１４はまた
高解像度表示モニタ１８とレーザプリンタ２０とに結合
されて、コンピュータ強調された画像のハードコピーと
スペクトルデータとを出力する。モニタ１８はビデオプ
リンタに結合され得る標準ＲＳ１７０信号を出力する。

【００２７】上述に基づいて、当業者は放射光顕微鏡シ
ステムに対する多数の重要な改良がここに説明されるこ
とを理解するべきである。

【００２８】まず、現在の技術のシステムで見られる図
２においてエレメント２４として示される標準グレード
の光学顕微鏡を、反射屈折光学の光学顕微鏡（図１のエ
レメント２）と取り替えることは大きな改良である。反
射屈折光学の光学顕微鏡は強度の最小の損失で近紫外線
から赤外線まで光を透過する。

【００２９】第２の改良点はコンピュータ自動化光学放
散器具（図１のエレメント８）を加えることを含み、そ
れはユーザの相互作用なしに波長当りのフォトンカウン
トを累積するために一連の狭帯域干渉フィルタの各々を
連続してステップスルーするための完全自動電動化フィ
ルタホィールか、またはＣＣＤカメラヘッドを取り付け
るための出力ポートを有する完全自動化二重格子モノク
ロメータのいずれかであり得る。自動化フィルターホイ
ールは、データ獲得プロセスを都合よく実行させる。二
重格子モノクロメータは波長分解能を増大させ、かつ全
波長の強度の測定を同時に行なう。現在の技術のシステ
ムはフィルタホィールを含む（図２のエレメント２参
照）が、これらのフィルタホィール２６は完全に自動化
ではなく、かつスペクトルグラフをアキュムレートする
ために各フィルタを連続してステップスルーしない。

【００３０】第３の改良点は、現在の技術の画像増強装
置と電子的に冷却されたＣＣＤカメラシステム（図２の
エレメント２８）を、低温冷却バックシンＣＣＤカメラ
（図１のエレメント１０）と取り替えることを含む。低
温冷却バックシンＣＣＤカメラは、より広い波長領域に
対する増大した量子効率性と、より広い信号対ノイズレ
ベルとを提供する。現在の技術の放射光顕微鏡は、その
劣った信号ノイズ比によってフォトンカウントが厳しく
制限される。

【００３１】さらに、図１のコンピュータ１４内で使用
される図１のデータ獲得ソフトウェアに対して、この発
明の実施例において改良がなされる。これらの改良点は
関連した事例において十分議論される。これらの改良点
は全システムのスペクトル応答について獲得されたフォ
トンカウントを訂正することを含む。訂正ファクタはシ
ステムを公知の強度とスペクトル分布の光源で較正する
ことにより得られる。ソフトウェアの改良点はまた、光
学放散装置とシステム応答について訂正されたスペクト
ルデータのグラフ表示とを完全に自動化することを含
む。コンピュータはまたパラメトリック分析器または他
の電子特性の装置からデータを獲得する。このデータは
三次元のプロットでスペクトルデータに対してグラフ表
示される。データ分析ルーチンは熱電子劣化の程度と装
置の寿命とを概算する。改良点はまた向上した画像処理
ソフトウェアを含む。したがってこの発明の実施例中の
コンピュータ１４で使用されるソフトウェアは、先行技
術システムのデータ獲得ソフトウェア３０（図２）より
もかなり優れている。

【００３２】図２の参照を続けて、プラットホーム３２
と、サンプル３４と、モニタ３６と、プリンタ３８とが
完全な先行技術のシステムを表わすために示され、これ
らのエレメントは図１で示されたエレメントと大差ない
が、先に議論された理由のためにより良い情報がモニタ
１８とプリンタ２２とを介して提供されることが予想さ
れる。

【００３３】前述に基づいて、同業者は今ではこの発明
の構造および用途を十分に理解するであろう。この発明
は、バイアスされた半導体装置からエレクトロルミネセ
ンスのスペクトル内容を分析するために容易に使用され
得る、エネルギー分解された放射光顕微鏡システムを提
供する。この発明は現在の技術分野の放射光顕微鏡のス
ペクトル感度を高め、かつスペクトル獲得プロセスを自
動化するように設計された一連の改良点を含む。

【００３４】同業者は、特定的に説明されたものに加え
てここに説明された構造および教示において多数の修正
および変化がこの発明の概念から逸脱することなくなさ
れてもよいということを理解するであろう。したがっ
て、添付の特許請求の範囲内で、この発明はここに特定
的に説明される以外の態様で実施されてもよいというこ
とが理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の教示に従う改良された放射光顕微鏡
のブロック図である。

【図２】それに比較してこの発明が重要な改良点を含み
かつ提供する、先行技術の放射光顕微鏡のブロック図で
ある。

【符号の説明】

２ 顕微鏡光学系 ８ 光学分散装置 １０ ＣＣＤカメラ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放射光顕微鏡システムであって、 光学サブシステムを含み、前記光学サブシステムは反射
   屈折光学の光学顕微鏡を含み、前記光学サブシステムは
   光学画像を出力し、さらに前記光学サブシステムに作動
   的に結合されて、フォトンがカウントされる間に波長を
   変化させるためのコンピュータ自動化された光学分散サ
   ブシステムと、 前記光学サブシステムと前記コンピュータ自動化光学分
   散装置手段とに作動的に結合されて、前記光学画像を電
   子画像信号に変換するためのカメラサブシステムと、 前記カメラサブシステムと前記コンピュータ自動化光学
   分散サブシステムとに作動的に結合されて、それらを制
   御しかつそこから得られたデータを獲得しかつ操作する
   ための処理サブシステムと含む、システム。
2. 【請求項２】 前記カメラサブシステムは低温冷却バッ
   クシンＣＣＤカメラを含む、請求項１に記載のシステ
   ム。
3. 【請求項３】 前記コンピュータ自動化光学分散器具は
   自動電動化フィルタホィールを含む、請求項１に記載の
   システム。
4. 【請求項４】 前記コンピュータ自動化光学分散システ
   ムは自動化二重格子モノクロメータをさらに含む、請求
   項１に記載のシステム。
5. 【請求項５】 電気的刺激の結果として半導体装置から
   発せられた光の出力画像を拡大しかつ表示するための装
   置であって、 前記半導体装置を見るための光学手段を含み、前記光学
   手段は光学画像を出力し、さらに前記増強装置手段に結
   合されて、前記増強された画像を電子画像信号に変換す
   るための低温冷却バックシンＣＣＤカメラ手段と、 前記カメラ手段に結合されて、前記ビデオ画像信号から
   ノイズを除去しかつ前記ビデオ画像信号を高めるための
   処理手段とを含み、前記処理手段は高められた画像信号
   を出力する、装置。
6. 【請求項６】 前記光学手段は反射屈折光学の光学顕微
   鏡をさらに含む、請求項５に記載の装置。
7. 【請求項７】 前記光学手段はコンピュータ自動化光学
   分散器具をさらに含む、請求項６に記載の装置。
8. 【請求項８】 前記コンピュータ自動化光学分散器具は
   自動電動化フィルタホィールを含む、請求項７に記載の
   システム。
9. 【請求項９】 前記コンピュータ自動化光学分散システ
   ムは自動化二重格子モノクロメータをさらに含む、請求
   項８に記載のシステム。