JPH08184651A

JPH08184651A - 半導体内部配線の電位状態観測方法

Info

Publication number: JPH08184651A
Application number: JP6338917A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Okayasu; 勝利岡安; Yoshinobu Usui; 吉伸臼井; Toru Abiko; 透安彦
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1996-07-16

Abstract

(57)【要約】【目的】表面に保護層として絶縁膜が被せられている
被試験素子ＤＵＴにおいて、電位が変化していない信号
線を含んだ配線の論理状態を電位コントラスト像として
観察できる方法を実現する。【構成】電位コントラスト像を取得しようとする試験
パターン時に、試験パターンを停止し、被試験素子に試
験パターンを印加し、荷電粒子線を掃引照射して第１画
像データを取り込み、上記第１画像データの取得が完了
すると、被試験素子に供給している電源電圧及び駆動信
号電圧を接地電位に下げ、その状態で荷電粒子線を掃引
照射して第２画像データを取り込み、以上を繰り返すこ
とで任意の試験パターン時の電位コントラスト像を得
る。また、上記第１画像と上記第２画像との差データを
求め、任意の試験パターン時の白黒が強調された電位コ
ントラスト像を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被試験半導体の内部配
線に荷電粒子線を照射し、その照射点から発生する２次
電子の量を計測して半導体内部の電位分布を電位コント
ラスト像として表示することを応用した半導体内部配線
の電位状態観測方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より被試験ＩＣのチップに電子ビー
ムを掃引照射（走査しながら照射すること）し、各照射
点から発生する２次電子の量を各照射点ごとに計測し、
この計測量を電気信号として取り込むことによりＩＣ内
の電位分布を電位コントラスト像として表示し、不良箇
所の解析等に利用するＩＣ試験装置が実用されている。

【０００３】図４に従来のこの種のＩＣ試験装置の概略
の構成を示す。図中１００はＩＣ試験装置の全体を指
す。ＩＣ試験装置１００は大きく分けて試験パターン発
生器２００と、電子ビームテスタ３００とによって構成
される。試験パターン発生器２００は電子ビームテスタ
３００に装着した被試験素子ＤＵＴに試験パターン信号
を与える。試験パターン発生器２００は試験パターンの
発生を開始させるスタートスイッチ２０１と、任意の時
点で試験パターンの発生を停止させることに用いるスト
ップスイッチ２０２と、特定した試験パターンが発生し
たとき、試験パターンの更新を停止させるための停止パ
ターン設定手段２０３と、停止パターン設定手段２０３
に設定した試験パターンが発生したことを検出して試験
パターンの更新を停止させるパターン保持手段２０４
と、試験パターンの更新が停止したことを表す信号を発
信する停止信号発生手段２０５とを具備し、試験パター
ン信号の発生開始制御と、停止制御及び特定の試験パタ
ーンにおいて試験パターンの更新動作を停止させる制御
とを行うことができるように構成されている。

【０００４】一方、電子ビームテスタ３００は被試験素
子ＤＵＴに電子ビームＥＢを照射する鏡筒部３０１と、
この鏡筒部３０１の下部に設けられ、被試験素子ＤＵＴ
を真空中に配置するチャンバ３０２と、このチャンバ３
０２の内部に設けられ、被試験素子ＤＵＴの位置をＸ−
Ｙ方向に移動させるステージ３０３と、被試験素子ＤＵ
Ｔから発生する２次電子の量を計測するためのセンサ３
０４と、センサ３０４によって検出した電気信号を画像
データとして取り込む画像データ取得手段３０５Ａ及び
３０５Ｂと、画像データの取得完了を表す取得完了信号
を発信する取得完了信号発生手段３０８と、画像データ
取得手段３０５Ａ及び３０５Ｂに取得した画像データを
演算処理する演算手段３０９と、演算手段３０９で処理
した画像データを電位コントラスト像として表示するモ
ニタ３０６と、電子ビームＥＢの出射及びその出射量
（電流値）、加速電圧、走査速度、走査面積等を制御す
る鏡筒制御器３０７とによって構成される。

【０００５】パターン保持手段２０４は試験パターン発
生器２００が停止パターン設定手段２０３に設定された
試験パターンを発生したことを検出すると、試験パター
ンの更新動作を一時停止し、停止パターン設定手段２０
３に設定した試験パターンを出し続ける。これと共に画
像データ取得手段３０５Ａ又は３０５Ｂ、鏡筒制御器３
０７に停止信号発生手段２０５から試験パターンの更新
動作が停止したことを表す停止信号が与えられる。鏡筒
制御器３０７は停止信号の供給を受けて電子ビームＥＢ
を発射させる制御を行う。これと共に画像データ取得手
段３０５Ａ又は３０５Ｂは画像データの取込みを開始す
る。

【０００６】特に被試験素子ＤＵＴが表面に既に保護層
として絶縁膜が被せられているＩＣチップでは、この絶
縁膜の下に埋もれている配線導体の電位を観測すること
になる。しかしながら、表面に絶縁膜が被着されたＩＣ
チップの配線導体の電位分布を電位コントラスト像とし
て取り出すことはむずかしい点がある。つまり、絶縁膜
の表面に電子ビームを照射すると、照射時間に比例して
絶縁膜上の電荷による電位の分布が次第に消滅し、本来
求める電位コントラスト像を得ることができなくなる不
都合がある。図５にその様子を示す。図５Ａは絶縁膜の
下に存在する導体Ｌ₁ 、Ｌ₂ 、Ｌ₃ 、Ｌ₄ にそれぞれＬ
論理、Ｈ論理、Ｌ論理、Ｈ論理の電位を与えた場合の電
位コントラスト像を示す。図示するようにＬ論理の電位
（０Ｖに近い電圧又は負電位）を与えることにより電位
コントラスト像は白色（２次電子の放出量大）として表
示される。Ｈ論理の電位（０Ｖより正側の電圧）を与え
た場合は黒色（２次電子の放出量が少ない）に表示され
る。ここで絶縁基板ＰＢはＬ論理とＨ論理の中間の電位
となり、灰色で表示される。

【０００７】図５Ｂは電子ビームＥＢを照射及び走査さ
せた直後（0.１〜0.３秒経過時点）の状態を示す。この
図から解るように、電子ビームＥＢを照射し始めると、
数秒後には図５Ｃに示すように電位コントラストは急速
に低減し、電位コントラストは消滅する。従って画像デ
ータの取込みは図５Ａに示す状態でのみ有効であり、電
位コントラストが存在する時間が短いため画像データを
画像メモリに取り込むにしても、ただ１回の画像データ
の取込みだけでは鮮明な画像を得ることはむずかしい。

【０００８】取得完了信号発生手段３０８は画像データ
取得手段３０５Ａ又は３０５Ｂにおいて画像データの取
得が完了したことを検出し、この検出時点で取得完了信
号を発信する。この取得完了信号は試験パターン発生器
２００側に設けたパターン保持手段２０４に入力する。
パターン保持手段２０４は取得完了信号が入力されるこ
とにより試験パターン発生器２００に試験パターンの停
止を解除するコマンドを与える。試験パターン発生器２
００は停止状態から解放され、試験パターンの更新動作
を開始する。

【０００９】つまり、この装置によれば停止パターン設
定手段２０３に例えば停止パターンｒとｎを設定したと
すると、この停止パターンｒとｎが発生する毎にパター
ン保持手段２０４が働いて試験パターン発生器２００の
試験パターンの更新動作を停止させ、試験パターンｒ又
はｎを出力した状態を維持する。図６にその様子を示
す。図６Ａはスタート信号、図６Ｂは試験パターン信号
を示す。試験パターン信号のパターンがｒ又はｎ（一般
にパターン発生順序を表わすアドレスを指す）に達する
と、パターン保持手段２０４が試験パターン発生器２０
０のパターンの更新動作を停止させ、パターンｒ又はｎ
を出力した状態を維持する。これと共に停止信号発生手
段２０５から停止信号が出力され、この停止信号が画像
データ取込手段３０５Ａ及び３０５Ｂに入力され画像デ
ータの取込を開始させる。図６Ｆは画像データの取得動
作期間を示す。

【００１０】試験パターンの発生を連続して、また画像
データ取得後の再スタートを先頭のパターンに戻すよう
に設定した場合は、図７に示すように試験パターンｒを
発生すると自動的に停止し、画像データの取得が完了す
ると先頭のパターンに戻って再スタートし、次回は試験
パターンｎで停止し、画像データの取得後は再び先頭の
試験パターンに戻り、パターンの発生を繰返す。このよ
うに設定することにより特定した試験パターンｒとｎを
印加した状態の画像データを自動的に複数回取得するこ
とができる。終了はストップスイッチ２０２を操作する
ことにより試験パターンの発生を停止させることができ
る。

【００１１】図４に示すように複数の画像データ取得手
段３０５Ａと３０５Ｂに異なる試験パターンを印加した
状態の画像データを取込む。つまり画像データ取得手段
３０５Ａに試験パターンｒを被試験素子ＤＵＴに与えた
状態の画像データを取込む。また画像データ取得手段３
０５Ｂに試験パターンｎを被試験素子ＤＵＴに与えた状
態の画像データを取込む。

【００１２】図８に試験パターンｒを印加した場合に被
試験素子ＤＵＴ内の配線導体Ｌ₁,Ｌ₂,Ｌ₃,Ｌ₄ に与えら
れる電位を示す。つまり図の例では導体Ｌ₁ にＬ論理、
導体Ｌ₂ にＨ論理、導体Ｌ₃ にＬ論理、導体Ｌ₄ にＨ論
理を与えた場合を示す。一方図９は試験パターンｎを印
加した場合に被試験素子ＤＵＴ内の配線導体Ｌ₁ 〜Ｌ₄
に与えられる電位を示す。図の例では導体Ｌ₁ にＬ論
理、導体Ｌ₂ にＬ論理、導体Ｌ₃ にＨ論理、導体Ｌ₄ に
Ｈ論理を与えた場合を示す。

【００１３】図１０と図１１にこれらの電位コントラス
ト像を示す。図１０は試験パターンｒを印加したときの
電位コントラスト像、図１１は試験パターンｎを印加し
たときの電位コントラスト像を示す。図１０に示す電位
コントラスト像において、導体Ｌ₁ とＬ₄ の電位コント
ラストは消失され、導体Ｌ₂ とＬ₃ の電位コントラスト
だけが残される。また図１１に示す電位コントラスト像
において、導体Ｌ₁ とＬ₄ の電位コントラストは消失
し、導体Ｌ₂ とＬ₃ の電位コントラストだけが残され
る。その理由は導体Ｌ₁ とＬ₄ に与えられる電位は試験
パターンｒの印加時も、試験パターンｎの印加時も同一
の電位であるからである。

【００１４】図１２に電位コントラストが消失する様子
を示す。図１２Ａは試験パターンｒとｎを印加している
期間と、電子ビームの照射期間を示す。図１２Ｂは導体
Ｌ₁の表面に存在する絶縁膜に発生する電位コントラス
ト、図１２Ｃは導体Ｌ₂ の表面に存在する絶縁膜に発生
する電位コントラスト、図１２Ｄは導体Ｌ₃ の表面に存
在する絶縁膜に発生する電位コントラスト、図１２Ｅは
導体Ｌ₄ の表面に発生する電位コントラストを示す。

【００１５】図１２Ｂと図１２Ｅに示すように、試験パ
ターンｒを印加した１回目には電位コントラストは発生
するが、その後試験パターンｎを印加した時点では同一
方向の電位が与えられるため、電位コントラストの発生
はなく、電子ビームＥＢの照射により電位コントラスト
は消失する方向に変化し、平衡電位Ｖ_S に収束する。そ
の後試験パターンｒとｎが交互に印加されても導体Ｌ₁
とＬ₄ の表面に存在する絶縁膜には電位コントラストは
発生しない。

【００１６】これに対し、導体Ｌ₂ とＬ₃ の表面に存在
する絶縁膜には試験パターンｒとｎが印加される毎に逆
極性の電位が与えられるから、試験パターンｒとｎが印
加される毎に逆向の電位コントラストが発生する。以上
の説明により導体Ｌ₁ とＬ₄ の電位コントラストが消失
する理由が理解できる。

【００１７】以上のように、試験パターンｒとｎに同一
方向の電位が与えられた場合は灰色の電位コントラスト
像が得られ、試験パターンｒでＬ論理、試験パターンｎ
でＨ論理が与えられた場合は黒色の電位コントラスト像
が得られ、試験パターンｒでＨ論理、試験パターンｎで
Ｌ論理が与えられた場合は白色の電位コントラスト像が
得られる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】従来の方法において
は、被試験素子ＤＵＴが表面に保護層として絶縁膜が被
せられられているＩＣチップでは、この絶縁膜の下に埋
もれている配線導体の電位分布を電位コントラスト像と
して取り出すことは難しく、電位が変化する信号線につ
いては観察が可能であるが、特に、電源線や内部結線の
短絡などにより電位が変化していない信号線について
は、その電位状態の判定はできなかった。本発明は、表
面に保護層として絶縁膜が被せられている被試験素子Ｄ
ＵＴにおいて、電位が変化していない信号線を含んだ配
線の論理状態を電位コントラスト像として観察できる方
法を実現することを目的としている。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体内部配線の電位状態観測方法におい
ては、次のように電位コントラスト像を得ている。被試
験素子の表面に荷電粒子線を掃引照射し、各照射点から
発生する２次電子の量を計測して上記被試験素子の表面
電位分布を画像として表示する荷電粒子線装置と、上記
被試験素子に試験パターン信号を順次更新して与える試
験パターン発生器（２００）とを具備し、上記試験パタ
ーン発生器（２００）に設けた停止パターン設定手段
（２０３）に２つ以上の試験パターンを設定するように
構成されたＩＣ試験装置（１００）での上記被試験素子
の測定方法において、電位コントラスト像を取得しよう
とする試験パターン時に、試験パターンを停止し、被試
験素子に試験パターンを印加し、荷電粒子線を掃引照射
して第１画像データを取り込み、上記第１画像データの
取得が完了すると、被試験素子に供給している電源電圧
及び駆動信号電圧を接地電位に下げ、その状態で荷電粒
子線を掃引照射して第２画像データを取り込み、以上を
繰り返すことで任意の試験パターン時の電位コントラス
ト像を得る。また、上記第１画像と上記第２画像との差
データを求め、任意の試験パターン時の白黒が強調され
た電位コントラスト像を得る。

【００２０】

【作用】上記のように行われる半導体内部配線の電位状
態観測方法においては次のような作用がある。つまり、
従来、表面に保護層として絶縁膜が被せられている被試
験素子ＤＵＴにおいて、参照用の試験パターンと観察用
の試験パターンの組み合わせにより、電位コントラスト
像を取得していたため、電源線や信号に変化がない配線
の電位コントラスト像による観察が困難であった。本発
明においては、被試験素子ＤＵＴの電源を接地電位まで
下げる手順を挿入することにより、接地レベルの配線か
らある電位を有している配線まで、電位に変化がない配
線を含み、電位コントラスト像として観察が可能となっ
た。

【００２１】

【実施例】表面に保護層として絶縁膜が被せられている
被試験素子ＤＵＴについて、配線が正（＋）のときと負
（−）のときについて考察する。図２に示すように、配
線が正の時は、保護層が絶縁膜のため、分極効果により
配線のすぐ上は負となり半導体表面には、正の電荷が誘
起される。この表面に負の荷電粒子線を照射すると、生
成された２次電子が、表面の正の電荷により吸い付けら
れ、２次電子検出器であるセンサ３０４に到達する２次
電子の数が少なくなるため、電位像は黒く観察される。
また、この状態で再度負の荷電粒子線をあてても、配線
の上部は２次電子により中和されているため、電位像は
灰色となり、配線がない場所と同様な色となり配線の電
位像は見えない。この状態で被試験素子ＤＵＴの電源を
接地電位にすると、配線の正の電位により分極していた
電荷が消滅するので、その配線の上部には吸着されてい
た電子だけが存在することになる。ここに負の荷電粒子
線を当てると２次電子が多量に発生し、配線の上部は白
く見える。

【００２２】図３に示すように、配線が負の時は、保護
層が絶縁膜のため、分極効果により配線のすぐ上は正と
なり半導体表面には、負の電荷が誘起される。この表面
に負の荷電粒子線を照射すると、負に誘起されていた電
荷が２次電子となり叩きだされ、２次電子検出器である
センサ３０４に検出されるため、電位像は白く観察され
る。荷電粒子照射後の負の配線の上部は、電子の抜け殻
すなわち正孔が多数できていると考えられる。この状態
で再度負の荷電粒子線を当てると、表面は正孔ができて
いる状態で電荷が安定していると考えられるため、電位
像は灰色となり、配線がない場所と同様な色となり配線
の電位像は見えない。この状態で被試験素子ＤＵＴの電
源を接地電位にすると、その配線の上部に正孔だけが残
っている状態になる。ここに負の荷電粒子線を当てると
発生した２次電子がこの正孔に吸着されるため、配線の
上部の電位像は黒く見える。

【００２３】図１に、電位コントラスト像を試験パター
ンのｎ番目に取得する場合の制御を示す。ここで、使用
する試験装置は、荷電粒子線装置を使用したＩＣ試験装
置であるが、基本構造が同じである、図４に示す電子ビ
ームテスタ３００を使用したＩＣ試験装置１００を参照
し、電子ビームを荷電粒子線と読み換えて説明する。試
験パターン発生器２００は、試験パターンＢを１、２、
３・・・と被試験素子ＤＵＴに供給し、ｎ番目になった
ときパターンを停止し、停止信号Ｄを荷電粒子線装置に
出力する。荷電粒子線装置は、この停止信号Ｄを受け取
ると被試験素子ＤＵＴの決められた範囲に荷電粒子線を
照射走査し、出てくる２次電子の量を計測し、検出した
電気信号を画像データａとして画像データ取得手段３０
５Ａに取り込む。荷電粒子線装置で画像データ取得が完
了すると、取得完了信号発生手段３０８より取得完了信
号が出力され、パターン保持手段２０４に伝える。

【００２４】試験パターン発生器２００は、取得完了信
号を受けると、被試験素子ＤＵＴに供給している電源電
圧及び駆動信号電圧を接地電位に下げる。そして、電源
電圧を接地電位に下げた後停止信号Ｃを荷電粒子線装置
に出力する。荷電粒子線装置は、この停止信号Ｃを受け
取ると被試験素子ＤＵＴの決められた範囲に荷電粒子線
を照射走査し、出てくる２次電子の量を計測し、検出し
た電気信号を画像データｂとして画像データ取得手段３
０５Ｂに取り込む。荷電粒子線装置で画像データ取得が
完了すると、取得完了信号発生手段３０８より取得完了
信号が出力され、パターン保持手段２０４に伝える。

【００２５】以上の動作を繰り返し、画像データａ及び
画像データｂを連続して取得し、画像データ取得手段３
０５Ａ及び３０５Ｂに取り込んだ後、演算手段３０９を
介して、モニタ３０６に電位コントラスト像として表示
する。表示内容は、画像ａ、画像ｂ、画像ａ−画像ｂ、
画像ｂ−画像ａの４通りがある。画像ｂ、画像ｂ−画像
ａにおける電位コントラスト像は、白が電位の高い配線
パターン、黒が電位の低い配線パターンであり、灰色部
分は下に信号または電源と接続された配線のない箇所で
ある。画像ａ、画像ａ−画像ｂにおける電位コントラス
ト像は、上記と白黒の関係が逆になり、信号または電源
と接続された配線のない箇所は上記と同様灰色となる。
また、画像ａ−画像ｂ、画像ｂ−画像ａのように差を取
った画像は、白黒が強調された電位コントラスト像とな
り、配線がない箇所は上記と同様灰色となる。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。つ
まり、従来、表面に保護層として絶縁膜が被せられてい
る被試験素子ＤＵＴにおいて、参照用の試験パターンと
観察用の試験パターンの組み合わせにより、電位コント
ラスト像を取得していたため、電源線や信号に変化がな
い配線の電位コントラスト像による観察が困難であっ
た。本発明においては、被試験素子ＤＵＴの電源及び駆
動信号電圧を接地電位まで下げる手順を挿入することに
より、接地レベルの配線からある電位を有している配線
まで、電位が変化していない配線を含み、電位コントラ
スト像として観察が可能となり、半導体内部配線の電位
状態解析が容易になる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の動作を説明するための説明図である。

【図２】配線が正（＋）のときの保護膜の状態の説明図
である。

【図３】配線が負（−）のときの保護膜の状態の説明図
である。

【図４】ＩＣ試験装置のブロック図である。

【図５】電位コントラスト像の一例を示す正面図であ
る。

【図６】従来の動作を説明するための波形図である。

【図７】従来の動作を説明するための波形図である。

【図８】試験パターンｒ印加時の配線電位を説明するた
めの平面図である。

【図９】試験パターンｎ印加時の配線電位を説明するた
めの平面図である。

【図１０】試験パターンｒ印加時の電位コントラスト像
を示す正面図である。

【図１１】試験パターンｎ印加時の電位コントラスト像
を示す正面図である。

【図１２】電位コントラストが消失する理由を説明する
波形図である。

【符号の説明】

１００ＩＣ試験装置２００試験パターン発生器２０１スタートスイッチ２０２ストップスイッチ２０３停止パターン設定手段２０４パターン保持手段２０５停止信号発生手段３００電子ビームテスタ３０１鏡筒部３０２チャンバ３０３ステージ３０４センサ３０５Ａ、３０５Ｂ画像データ取得手段３０６モニタ３０７鏡筒制御器３０８取得完了信号発生手段３０９演算手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｈ０１Ｌ 21/027 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５４１Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被試験素子の表面に荷電粒子線を掃引照
射し、各照射点から発生する２次電子の量を計測して上
記被試験素子の表面電位分布を画像として表示する荷電
粒子線装置と、上記被試験素子に試験パターン信号を順
次更新して与える試験パターン発生器（２００）とを具
備し、上記試験パターン発生器（２００）に設けた停止
パターン設定手段（２０３）に２つ以上の試験パターン
を設定するように構成されたＩＣ試験装置（１００）で
の上記被試験素子の測定方法において、電位コントラスト像を取得しようとする試験パターン時
に、試験パターンを停止し、被試験素子に試験パターン
を印加し、荷電粒子線を掃引照射して第１画像データを
取り込み、上記第１画像データの取得が完了すると、被試験素子に
供給している電源電圧及び駆動信号電圧を接地電位に下
げ、その状態で荷電粒子線を掃引照射して第２画像デー
タを取り込み、以上を繰り返すことで任意の試験パターン時の電位コン
トラスト像を得る、半導体内部配線の電位状態観測方法。
【請求項２】請求項１記載の電位状態観測方法に引き
続き、上記第１画像と上記第２画像との差データを求め、任意の試験パターン時の電位コントラスト像を得る、半導体内部配線の電位状態観測方法。