JPS6327854B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (1) 発明の技術分野 本発明は半導体装置の診断方法に関するもので
あり、特に、電子ビームを使用した不良解析に関
するものである。

(2) 技術の背景 近年、半導体装置における集積回路の集積度は
飛躍的に高まりそのパターンも非常に微細になつ
ている。この結果、集積回路の診断（集積回路の
動作が正常かどうかを試験し、不良である場合に
はその原因が集積回路内部のどこにあるかを明ら
かにすること）は製品開発の上で極めて重要であ
るが、非常に困難になつている。

(3) 従来技術と問題点 上記診断を行う従来周知の集積回路試験装置で
は集積回路に種々の入力信号を与えその結果表わ
れる出力信号が正常かどうかによつて集積回路の
良・不良を試験している。不良の場合には、さら
に異常な出力信号の内容を分析し集積回路内部の
どこが不良の原因であるかを推定している。この
推定で不十分な場合には集積回路のパツケージの
上板を除去し集積回路のチツプを露出して微小先
端の金属針をチツプの所要点に接触させてその電
圧を測定することにより不良原因の特定を行つて
いる。しかしこの機械的な触針には集積回路を破
壊する恐れがあり、又、空間的な分解も不十分で
煩瑣で時間がかかるといつた問題があり、大規模
な集積回路には適用できない。

そこでこれに代わる集積回路内部の診断法とし
て電子ビームプローブを用いる方法が、近年、盛
んに研究開発されてきた。その詳細は古川、後
藤、稲垣著「LSIの診断に威力を発揮する電子ビ
ーム・プロービング」、日経エレクトロニクス、
1982年３月15日号、PP172−201に記述されてい
る。

この方法は、動作中の集積回路に電子ビームを
照射した時発生する２次電子が表面の電圧の情報
を含んでいることを利用するものである。即ち、
この２次電子を２次電子検出器で検出して得られ
る２次電子信号には、高い電圧の所から発生した
２次電子の信号は小さく、低い電圧の所から発生
した２次電子の信号は大きいという性質がある。
従つて、走査型電子顕微鏡（SEM）のように、
細く絞つた電子ビームで動作中の集積回路を２次
元に走査して得られる２次電子信号を陰極管表示
装置（CRT）のＺ軸（輝度変調軸）に入力し、
電子ビームの走査信号をｘ，ｙ軸に入力すれば、
該表示装置（CRT）上に電圧の高い所は暗く、
電圧の低い所は明かるく表示された集積回路の像
が得られる。これは走査型電子顕微鏡（SEM）
の電圧コントラスト像としてよく知られている。

この方法を用いれば集積回路のチツプ表面の電
圧状態を一目瞭然に把握することができるから、
集積回路の診断に有力な武器となる。

しかしながら、近年の半導体装置の大面積化、
パターンサイズの微細化に伴い、不良デバイスに
おける設計、プロセス等の不良原因の発見、検出
はこの電子ビーム走査による電圧コントラスト像
の観測手段のみでは困難である。即ち、チツプの
サイズが10数mm□、パターレサイズが2μｍとい
つたものを対象にして、走査型電子顕微鏡でチツ
プ全面の写真を取つた場合、数100枚の電圧コン
トラスト像（電圧線）写真が必要となり、又この
写真の解析を行うためには熟練を要した半導体装
置の設計者でなくては解読不能であるという欠点
がある。

又、電圧像観測では暗いコントラストの配線は
電圧が高く、明るいコントラストの配線は電圧が
低いといつた定性的な判断は可能であるが、定量
的に何ボルトの電圧がAl配線上に印加されてい
るかを知ることは不可能である。

かかる点に鑑みて、本発明者等は、特願昭56−
168841号「集積回路の不良解析装置」昭56.10.23
出願を提出した。これは、正常半導体装置と被診
断半導体装置の対応領域を電子ビーム走査し、電
圧コントラスト像を逐次記憶装置に取り込み、そ
の格納データを表示装置に表示して比較するとい
うものであるが、正常半導体装置と被診断半導体
装置の対応領域の位置合わせ並びに表示像の比較
を目視で行うため、煩瑣で時間がかかるという欠
点を完全には克服するに致つていない。又、電圧
の定量的測定に関しては上記と同様不可能であ
る。

(4) 発明の目的 本発明の目的は、前記欠点を解決し、大規模半
導体装置の不良解析を容易にすることにある。

(5) 発明の構成 本発明は上記目的を達成するため、正常半導体
装置と被診断半導体装置に対し、試験装置パター
ンを共通に印加し、両半導体装置の出力状態を対
応する出力端子毎に比較器で比較し、該比較によ
り不一致を検出すると、不一致の検出された試験
電圧パターンを両半導体装置に印加した状態で電
子ビームにより各半導体装置の走査を行い、各走
査点で得られた２次電子の量を検出することによ
り走査面の電圧マツプを得、複数に分割された各
半導体装置の領域単位で両半導体装置の電圧像
（電圧マツプ）を比較することにより、半導体装
置の領域単位の異常状態を表示し、該異常状態の
発生した領域の個々の配線に電子ビームを照射
し、エネルギ分析器を通して検出する２次電子の
量と該分析器の分析電圧との関係を示す曲線を求
め、該曲線と基準曲線とから照射点の電圧を演算
し、不良解析を行うことを特徴とする半導体装置
の診断方法である。

(6) 発明の実施例 ここで、先ず本発明の実施例の概要を説明する
と、電子銃、電子レンズ、電子偏向器並びに２次
電子検出器を備えた電子ビーム装置を使用し、真
空室中に設置された正常半導体装置と被診断半導
体装置に対して真空室外より共通に試験データを
供給する手段、該試験データに対する両半導体装
置出力を独立に検出する手段並びに検出された出
力結果を比較照合する手段を設け、両半導体出力
結果の不一致を検出して、不良半導体内部の解析
を電子ビームを用いて行う。解析の第１段階で
は、正常・被診断半導体装置のチツプをたとえば
500μｍ□で逐次電子ビームによる二次元走査を
行ないその時の二次電子信号を検出し、AD変換
器、制御装置を経由して補助記憶装置に上記領域
サイズの電圧像を逐次格納、蓄積する手段をそな
え、Ｘ−Ｙステージの移動を行いながら正常半導
体装置並びに被診断半導体装置チツプ全面の電圧
像を取得する。その取得後、両半導体装置チツプ
の対応領域の電圧像データの自動比較を実施する
手段であるパターン・コンパレータに両電圧デー
タを送り、パターンのマツチング度データを求
め、対応領域の電圧像の一致、不一致を判定し、
被診断半導体装置チツプの電圧像不一致領域マツ
プを取得し、表示装置に表示する。

このマツプにより、被診断半導体装置の不良原
因の箇所を限定することができる。

次に該マツプより不良原因の存在する可能性の
ある領域を推定して、対応不良半導体領域のステ
ージ・アドレスを求め、ステージ移動により電子
ビーム走査領域に該領域を移動する。

移動終了後、電子ビームを上記領域上でデジタ
ル偏向により二次元走査し、その時の二次電子信
号をAD変換し、表示装置に書き込む。この表示
装置上で、表示装置に付属したカーソル・コンソ
ールを動作させ、電圧の測定を行いたいAl配線
パターンにカーソルを重ね、その座標を制御装置
に送る。この座標は、電子ビームのデジタル偏向
座標位置に１対１に対応させており、この座標デ
ータを偏向制御装置に与えて、電子ビームを該
Al配線上に位置決めさせ、エネルギー分析器の
分析電圧を逐次変化させながら、分析電圧設定毎
にビーム・ブランカを解除して電子ビームを該
Al配線に一定時間照射して、そこから発生する
二次電子信号を加算・平均回路を含む信号処理回
路で処理を行い、制御装置によみとる。この分析
器電圧と二次電子信号の関係を分析カーブと称す
る。この分析カーブの分析器電圧軸方向における
シフト量から該Al配線電圧を求める。

以下、図面に従つて本発明を更に詳細に説明す
る。

第１図は、本発明の１実施例であるシステム構
成図を示す。電子ビーム１を発生する電子銃２、
発生した電子ビーム１をチヨツプするビームブラ
ンカ３、電子ビーム１の集束、偏向を行う集束レ
ンズ４、対物レンズ５並びにＸ−Ｙ偏向コイル６
より電子光学系は構成されている。

又、真空に保たれた試料室７には、Ｘ−Ｙステ
ージ８、ｘ−ｙステージ８上に設けられたプリン
ト板９に解析を行う被検半導体装置１０，１１が
実装されている。これらＸ−Ｙステージ８、プリ
ント板９、半導体装置１０，１１を覆う金属製の
箱１２が設けられている。この金属製の箱１２は
Ｘ−Ｙステージ８の位置による試料室７内部の電
界変動が、エネルギー分析器１３、二次電子検出
器１４の空間に及ばないようにするためのシール
ドボツクスである。シールドボツクス１２と、対
物絞り１５の間にたとえば100メツシユの金属メ
ツシユで構成された３枚構成のエネルギー分析器
１３が設けられており、電子ビーム１の通過が可
能な様に、各金属メツシユの中心並びにシールド
ボツクスに５mmφ程度の円孔が設けられている。
シールドボツクス１２とエネルギー分析器１３は
試料室７の外部からＸ−Ｙステージ１６により移
動させることができる。

電子ビーム１のオン・オフは電子計算機より成
る制御装置１７により、ビーム・ブランキングコ
ントローラ１８により行なわれる。又電子ビーム
１のｘ−ｙ偏向、ｘ−ｙ偏向の回転補正は制御装
置１７並びに偏向制御装置１９により行われる。
半導体装置１０又は１１に電子ビーム１を照射す
ることにより発生する。０〜数10eVの二次電子
２０をエネルギー分析器１３を通して２次電子検
出器１４で検出する。この検出２次電子信号を信
号処理回路２２でAD変換処理並びに加算平均処
理を行つて制御装置１７に取り込む。

エネルギー分析器１３は３枚構成の電界阻止型
であり、第１グリツド１３１は引き出しグリツド
で１〜2KVの電圧を、第２グリツド１３２はバ
ツフアグリツドで60〜120Vの直流電圧が印加さ
れている。第３グリツド133は半導体装置１０又
は１１から発生する０〜数10eVのエネルギーを
有する二次電子２０のエネルギーを検出するため
に制御されるグリツドであり、このグリツド１３
３には−10〜10Vの電圧が真空室外に設けられた
電圧コントローラ２３によつて供給されている。
電圧コントローラ２３の出力指定は制御装置１７
によつてなされる。

被検半導体装置１０，１１の駆動並びに該半導
体装置出力読み出しは、プリント板９のコネクタ
９１、真空室壁面に設けられたハーメチツクシー
ル端子９２を通して複数の信号線により行なわれ
る。

駆動のための信号はあらかじめ集積回路装置の
設計時に作成された試験データが制御装置１７の
補助記憶装置２４に格納されており、そのデータ
を制御装置１７で読み取り、ドライバ２５に転送
することにより行なわれる。

ドライバ２５からは、半導体装置１０，１１に
対して独立に同一の試験データが印加されるよう
になつている。

又半導体装置１０，１１の出力信号はドライバ
２５に独立に読み出されるようになつており、半
導体１０，１１の出力信号の相互比較がなされ、
一致、不一致信号が制御装置１７に送られる。

半導体装置１０，１１を搭載したＸ−Ｙステー
ジ８は、制御装置１７から送出される制御信号を
ステージ・ドライバ２６で制御してステツビング
モータによりステツプ状に移動する。このステー
ジ・ドライバ２６にはＸ軸並びにＹ軸について、
カウンタが設けられており、ドライバ２６に制御
装置１７より送られた制御パルスを計数し、常に
ステージの現在位置を保持する機能を有してい
る。そこで制御装置１７はそのカウンタ値を読み
出すことで、ｘ−ｙステージ８の現在位置を知る
ことができる。

表示装置２７，２８は256×256×４ビツトのビ
デオラムを備え空間分解能が256×256ドツト、輝
度16レベルの陰極管表示装置であり、制御装置１
７から該ビデオラムに書き込まれた内容で画像表
示が行なわれる。表示装置２７，２８には表示画
像に重ねてカーソル表示が行えるようコンソール
２９，３０が接続されており、カーソル移動はコ
ンソール２９又は３０に設けられたＸ−Ｙカーソ
ル移動機構をマニユアル操作することにより行な
われる。又そのカーソルの位置座標は常に制御装
置１７で読み出すことができる。

パターンコンパレータ３１は、内部に256×256
ビツト容量のランダムアクセスメモリを２面そな
え、制御装置１７から、パターン比較を実施した
い二値化画像データを該メモリに各々転送し、比
較開始命令を与えると、両面像間の比較を行いそ
の結果を制御装置１７に返してくる。

ここで、第２図に半導体装置１０，１１の駆
動、出力信号の比較を行うための本実施例におけ
るドライバ２５の詳細構成図を示す。補助記憶装
置２４に格納された試験データを制御装置１７に
逐次読み取り、その試験データを半導体装置１０
のドライバ３２と半導体装置１１のドライバ３３
に共通に転送する。

この試験データは半導体装置のピンに対して、
リード、ライトピンの区別情報をもちライトピン
に対してそのデータが“０”，“１”に応じた電圧
を印加する。

半導体装置１０，１１のリード・ライトピンに
表われた電圧情報は、比較器３４に入力された全
ピンに対してその電圧が二値化され対応ピン毎に
コンパレータで一致、不一致が判定される。半導
体装置１０，１１の対応ピン電圧の比較が全て一
致した場合、試験データを取り替えて上記処理を
繰返し続行する。一方、一ピンでも相違が生じた
場合、比較器３４より、不一致信号３５が制御装
置１７にあげられる。

この不一致信号３５を検出すると、制御装置１
７は、その不一致状態の生じたときの電圧印加状
態を保持したまゝ次のステツプである電子ビーム
による半導体装置内部の解析を開始する。

そこで、次に、この半導体装置内部の解析に関
し説明する。

本発明では電子ビームによる半導体装置の解析
手段として、正常半導体装置と被診断半導体装置
の電圧像比較による不一致領域マツプの作成と不
一致領域における電子ビームによる電圧測定手段
を有している。

まず電圧像比較による不一致領域マツプの作成
について説明する。第３図は半導体装置１０，１
１の各チツプ３６，３７を示しており、それらが
プリント板９上に配置されている。

半導体装置のチツプは通常そのソケツトとの位
置関係は厳密に規定されていないため、プリント
板９に対する位置関係も図に示すチツプ３６，３
７の様に必ずしも平行ではないし左右の位置ずれ
をもつ。半導体装置１０，１１のチツプ３６，３
７の電圧像を対応領域毎に比較するためには、電
子ビームの二次元走査の方向をチツプの回転方向
にあわせて、回転させてやる必要がある。又チツ
プ内の電圧像を取得する領域を電子ビームの走査
位置に移動する際にもチツプの回転、上下左右の
ずれを考慮したステージ移動制御が必要である。

なおこの領域のサイズは、電子ビームで走査し
て半導体装置の内部Al配線が表示装置で十分に
観測できる必要があり、本実施例では500μｍ□
としている。

正常半導体装置１０と被診断半導体装置１１の
チツプ内電圧像比較について述べると、各チツプ
３６，３７を500μｍ□の領域（361，362，…，
371，372，…）で分割し、一回の電子ビーム走査
領域とする。電子ビームの走査はこの領域に対し
て第３図の３６１１に示されるように平行に二次
元走査される。この走査点から発生する２次電子
信号は、第１図における信号処理回路２２を通し
制御装置１７にダイレクト・メモリ・アクセス方
式で読み取られ、補助記憶装置２４に書き込まれ
る。一つの領域の電圧像が補助記憶装置２４に取
り込まれると、電子ビームの照射領域が該半導体
装置（例えば１０）のチツプ内の隣りの領域
（361から362）にくるようにステージ移動する。
この操作を繰返してチツプ内全領域の電圧像を補
助記憶装置２４に格納する。

次に他方の半導体装置（例えば１１）チツプに
対し同様の処理を行う。補助記憶装置２４に格納
された第３図の半導体装置チツプ３６，３７の各
領域361，362，…，371，372，…の電圧像データ
が、電圧像比較のデータとなる。従つてチツプ３
６と３７の各対応領域に対する電子ビームの走査
一致精度が少くともＸ−Ｙステージ８の送り精度
程度に得られている必要がある。この精度を得る
ために、この解析に入る前にあらかじめ、チツプ
と電子ビーム走査方向の一致を取る必要がある。
又第３図におけるチツプ３６並びにチツプ３７の
各左上隅の領域のステージアドレスを各々得てお
く必要がある。

そこで、以下この補正手法について述べる。

第１図におけるプリント板９に対する半導体装
置１０，１１の配置は概知であり又ｘ−ｙステー
ジ８の座標原点に対する半導体装置１０，１１も
既知であるから、第３図における半導体装置のチ
ツプ３６，３７も概略既知である。従つて通常半
導体装置に設けられている重ね合せ露光用のマー
ク（Al薄膜による例えば十字形のパターン）の
位置をステージ座標系でおよそ指定することがで
きる。

これらのマークの概略ステージ座標を第１図に
示す制御装置１７に入力し、ｘ−ｙステージ８を
移動させ電子ビームの走査領域にもつてくる。そ
して、ビームブランカ３を解除し、偏向制御装置
１９を働かせて500μｍ□の領域を256×256の分
解能で２次元デジタル走査する。二次元走査によ
り、試料面より二次電子２０が発生し、エネルギ
ー分析器１３を通して、二次電子検出器１４によ
り検出される。この検出２次電子信号は上記デジ
タル走査に際して同期して発生されるAD変換サ
ンプリング信号でサンプリングされ、制御装置１
７の図示せざる記憶装置にダイレクト・メモリ・
アクセス方式で転送される。電子ビームの二次元
走査の完了（上記領域の走査が完了）でビーム・
ブランカ３がビーム・ブランカ・コントローラ１
８により働かされ電子ビーム１を再びオフにす
る。

制御装置１７に取り込まれたマーク画像データ
を表示装置２７又は２８に表示し、その表示画面
上でマーク中心位置並びにマーク直線部分の２点
をカーソル移動用コンソール２９又は３０で指定
し、その指定座標を制御装置１７で読み込ます。

これにより制御装置１７では、第３図に示す半
導体装置のチツプ３６あるいは３７の電子ビーム
走査に対する回転角度及び、マーク位置の誤差を
求める。その結果チツプ３６に対する回転角を
θ₀，そのマーク位置誤差を△X₀，△Y₀、同様に
チツプ３７に対する回転角をθ₁、そのマーク位置
誤差を△X₁，△Y₁とすると、それを制御装置１
７の記憶測置に格納する。かかる情報を使用して
チツプ３６並びに３７における電子ビームの二次
元走査を行う回転補正手段である偏向制御装置１
９の詳細を第４図に示す。制御装置１７からは前
記チツプ回転角度θ₀あるいはθ₁に対して各々
Sinθ₀，Cosθ₀あるいはSinθ₁，Cosθ₁に対応したデ
ジタルデータが信号線３９並びに３８に対して出
力される。このデジタルデータはマルチプライン
グDAコンバータ４０，４１，４２，４３に印加
される。一方、偏向制御装置１９内部に設けられ
たデジタルスキヤンジエネレータ４４から出力さ
れるデジタル偏向データをDA変換器４５，４６
で夫々アナログ信号Ｘ，Ｙに変換し、信号線４
７，４８を介して前記DAコンバータ４０〜４３
に与える。

そこで、DAコンバータ４０〜４３では両信号
を掛算し、DAコンバータ４０と４１の出力は演
算増巾器４９で引算され、DAコンバータ４２と
４３の出力は演算増巾器５０で加算される。

その結果、演算増巾器４９からは、 XCosθ₀−YSinθ₀ ……(1) あるいは XCosθ₁−YSinθ₁ ……(2) の信号が得られる。

又、演算増巾器５０からは XSinθ₀＋YCosθ₀ ……(3) あるいは XSinθ₁＋YCosθ₁ ……(4) の信号が得られる。

これらの信号は夫々信号線５１，５２を介して
電子光学系Ｘ−Ｙ偏向コイル６に印加される。

この偏向制御装置１９により電子ビーム走査方
向を第３図に示す該半導体チツプ３６，３７の回
転角θ₀，θ₁に合わせて走査することを可能にす
る。

なお、電子ビームの二次元走査においては偏向
制御装置１９内に設けられたデジタルスキヤンジ
エネレータ４４の出力信号をデジタル偏向制御信
号として使用している。制御装置１７からのデジ
タル偏向制御信号とスキヤンジエネレータ４４か
らのデジタル偏向制御信号の切換はスイツチ５
３，５４で行なわれ、この切換は制御装置１７か
ら行う。デジタルスキヤンジエネレータ４４から
は、第１図に示す信号処理回路２２に２次電子信
号のサンプリング信号が信号線５５に出力されて
いる。

従つて第３図に示す半導体装置チツプ３６を電
子ビームで走査したり、照射する際にはSinθ₀，
Cosθ₀のデジタル値を第４図の制御装置１７から
信号線３９，３８に各々出力してやればよい。又
ｘ−ｙステージ８の移動制御も△X₀，△Y₀で半
導体チツプ３６の原点補正を行い、移動方向を
Sinθ₀，Cosθ₀で補正する。

次に補助記憶装置２４に格納された上記半導体
チツプ内電圧像データの比較照合並びにその不一
致領域マツプの作成手段の詳細を第５図に示す。

第３図に示した半導体チツプ３６，３７の分割
領域毎の電圧像データが補助記憶装置２４に格納
されている。そこで、各半導体チツプ３６，３７
の対応するチツプ分割領域の電圧像データを補助
記憶装置２４から制御装置１７に読み出し、半導
体チツプ３６に対するデータをパターン・コンパ
レータ３１のランダムアクセスメモリ５６に、半
導体チツプ３７に対する電圧像データをランダム
アクセスメモリ５７に書き込む。ここで各ランダ
ムアクセスメモリ５６，５７は256×256ビツトで
構成されている。両ランダムアクセスメモリへの
書込み終了とともに制御装置１７より比較開始命
令がコンパレータ部５８に与えられる。

コンパレータ部５８では、第６図Ａのランダム
アクセスメモリ５６の斜線で示した200×200ビツ
ト領域561に対して、第６図Ｂ〜Ｄに示す様に、
ランダムアクセスメモリ５７の200×200ビツト領
域を斜線で示した571，572，…，573の様に切り
出して、ビツト対応で相互比較をしてゆく。

コンパレータ部５８ではこの様に切り出したデ
ータ領域561と571〜573のビツト対応での比較結
果を計数し、最適の重ね合わせ状態即ち、不一致
ビツト数の最小の状態を求め、その時の不一致ビ
ツト数６２を制御装置１７に送る。

制御装置１７ではこの不一致ビツト数６２と、
予め制御装置１７に設定されたスライスレベル即
ち、許容できる不一致ビツト数との比較から、第
３図に示した半導体チツプ３６，３７の該対応領
域単位で一致、不一致を判定し、制御装置１７に
その判定結果を格納しておく。

上記処理を半導体チツプ３６並びに３７の全領
域データに対して行い、制御装置１７に蓄積格納
された全領域に対する判定結果を表示装置２７又
は２８に表示する。この表示状態を第７図に示し
ており、示された例は７mm□のチツプサイズをも
つ２個の半導体装置の照合マツプを示したもの
で、一つの矩形は500μｍを分割領域を示してい
る。図中□×印は２つの半導体装置の対応領域が不
一致であることを示し、□は一致していることを
表わしている。

そこで、このマツプ上でカーソル・コンソール
２９又は３０から□×印領域の１つを指定すると、
半導体チツプ３６，３７の該当電圧像を補助記憶
装置２４より制御装置１７に各々読み出し、表示
装置２７並びに２８に電圧像を表示する。その結
果を、第８図に示す。

ここで明るいコントラスト（白ぬき部）で表示
されているのは約4μｍのAl配線でその電圧が0V
であることを示している。

尚、5VのAl配線は暗いコントラストとなり、
絶縁膜コントラスト（斜線部）とほぼ同じとなり
識別できない。

但し、第８図からわかる如く、半導体装置チツ
プ３６，３７の対応領域の電圧像は異つている。

即ち、第８図Ａは正常な半導体装置チツプ３６
の前記指定領域電圧像を示し、Ｂ図は異常の認め
られた半導体装置チツプ３７の対応領域電圧像を
示しており、Ｂ図の○イ，○ロに示した部分の配線は
Ａ図で認められない。これにより、一応の不良部
の判断はできるものの、更に詳細な不良判断はで
きない。

そこで次に、さらに詳細な不良半導体装置の解
析を行う手段である。電子ビームによる該半導体
装置の内部Al配線の電圧測定手段について述べ
る。

先ず、前記不一致領域マツプを表示した表示装
置例えば２８の画面上で、該表示装置２８のカー
ソル・コンソール３０を動作させ、詳細な解析を
行いたい不良半導体装置チツプ３７の領域を指定
したとき、制御装置１７はこのカーソル座標か
ら、不良半導体装置チツプ３７の対応ステージア
ドレスを算出し、ｘ−ｙステージ８を算定アドレ
スに移動し、その移動終了後、その指定領域の電
圧像を表示装置２７，２８に表示している。

そこで電圧像を表示した、表示装置例えば２８
に付属したカーソル・コンソール３０で電圧測定
をしたいAl配線の１点を指示する。この指示座
標が制御装置１７に読み取られる。

この座標は、電子ビームのデジタル二次元走査
座標と１対１に対応しており、第４図に示した偏
向制御装置１９の偏向制御データ線１７１，１７
２に該座標データとして出力され、そのとき、切
換スイツチ５３，５４を制御装置１７側に設定さ
れている。

この操作により表示画面上から指示されたAl
配線上に電子ビーム１を位置決めすることができ
る。

位置決め完了後、第１図のエネルギー分析器１
３の第３グリツド１３３に制御装置１７から電圧
コントローラ２３を制御して−10〜10Vの範囲で
78ｍＶきざみでステツプ状に電圧を上昇し、印加
してゆく。この各第３グリツド電圧設定後に、ビ
ームブランキングコントローラ１８に対し制御装
置１７から、64μsの間電子ビーム１をオンにする
指令を出し、電子ビームを該Al配線に照射する。
電子ビームを照射している時間、該Al配線から
は、その電圧によつて変調された二次電子が放出
される。この二次電子を上記の第３グリツド１３
３に印加された電圧をもつたエネルギー分析器１
３を通して二次電子検出器１４で、光電変換し電
気信号となし、信号処理回路２２にて1μs毎に
AD変換し64μsの間その信号を加算し、平均処理
を行い制御装置１７に送る。

この処理をエネルギー分析器１３の第３グリツ
ド電圧の全スデツプにわたり繰返す。

その結果、第９図のXVで示すエネルギー分析
器１３の第３グリツド電圧V_G対二次電子信号V_S
の関係即ち、分析カーブが得られる。

尚、第９図にはAl配線電圧が0v，Xv，5vに対
する分析カーブが示されているが、ここで、求め
たいのはXvに示す被検査電圧であり未知である。
そこで、このXvの電圧の決定について述べる。

先ず、Al配線電圧が既知の0vと5vのものに対
してエネルギー分析器１３の第３グリツド電圧
V_Gと二次電子信号出力V_Sの関係即ち、分析カー
ブを予め測定し、その分析カーブの二次電子出力
V_Sの最大値V_SMAX、最小値V_SMINを求めその1/2の
出力をスライスレベルV_SLとする。このスライス
レベルV_SLに一致した二次電子信号出力V_Sを与え
たときのエネルギー分析器１３の第３グリツド電
圧をAl配線電圧0v，5vに対して夫々求める。

即ち、このグリツド電圧を夫々V_G0，V_G5とす
ると、このV_G0，V_G5を制御装置１７の記憶装置
に格納しておく。かかる状態で、制御装置１７は
今求められた未知のAl配線の電圧Xvに対する分
析カーブより、二次電子出力V_Sの最大値と最小
値の1/2の値をスライスレベルとし、そのときの
グリツド電圧値V_GX求める。

次に、制御装置１７は、予じめ記憶装置に格納
されていた前記電圧値V_G0，V_G5より次の演算を
行う。

Ｘ＝Ａ×V_GX−Ａ×V_G0 ……(5) Ａ＝５／（V_G5−V_G0） ……(6) これにより、未知のAl配線の電圧Ｘが求まる。
そこで、例えば、半導体装置チツプ上に形成され
た機能素子のソース・ドレイン、ゲート配線を指
定し、夫々電圧Ｘを求めることにより、その機能
素子のリーク状態まで詳細に知ることができる。

(7) 発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、大規
模・高密度化している半導体装置の不良解析にお
いて、正常半導体装置と被診断半導体装置を同一
試験データで駆動し、両半導体装置の出力に差異
が出た時に、電子ビームにより両半導体装置の内
部を非接触・高分解能の電子ビームで走査し、対
応領域の電圧異常を電圧像比較により自動的に検
出表示することができ、被診断半導体装置の不良
箇所の限定に非常に効果的であり、従来の機械式
の金属プローブによる触針ではこのような機能並
びに効果は得られない。

又正常と被診断半導体装置の電圧像比較から得
られる不一致マツプから、不良原因となるチツプ
領域の推定の後に、その不良箇所を電子ビームを
用い電圧測定することが可能であり、より高精度
で詳細な不良解析を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるシステム構成
図、第２図は第１図のドライバの詳細図、第３図
はプリント板に搭載された半導体装置の各チツプ
の配置図、第４図は第１図の電子ビーム偏向制御
装置の詳細図、第５図は第１図のパターンコンパ
レータの詳細図、第６図は第５図のランダムアク
セスメモリの内容読出し状態を示す図、第７図は
第１図の表示装置に表示される不一致領域マツプ
例を示す図、第８図は第１図の表示装置に表示さ
れる半導体装置の電圧像を示す図、第９図は配線
電圧を測定する特性図である。 図中、１は電子ビーム、２は電子銃、３はビー
ム・ブランカ、４は集束レンズ、５は対物レン
ズ、６はｘ−ｙ偏向コイル、７は試料室、８はｘ
−ｙステージ、９はプリント板、１０，１１は正
常並びに被診断半導体装置、１２はシールドボツ
クス、１３は電界阻止型エネルギー分析器、１４
は二次電子検知器、１５は対物絞り、１６はシー
ルドボツクス移動用ｘ−ｙステージ、１７は制御
装置、１８はビーム・ブランキング・コントロー
ラ、１９は偏向制御装置、２０は二次電子、２２
は二次電子信号処理回路、２３は電圧コントロー
ラ、２４は補助記憶装置、２５は半導体装置ドラ
イバ、２６はｘ−ｙステージドライバ、２７，２
８は表示装置、２９，３０はカーソル・コンソー
ル、３１はパターンコンパレータ、５６，５７は
ランダム・アクセス・メモリ、５８はコンパレー
タ部である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 正常半導体装置と被診断半導体装置に対し、
   試験電圧パターンを共通に印加し、両半導体装置
   の出力状態を対応する出力端子毎に比較器で比較
   し、該比較により不一致を検出すると、不一致の
   検出された試験電圧パターンを両半導体装置に印
   加した状態で電子ビームにより各半導体装置の走
   査を行い、各走査点で得られた２次電子の量を検
   出することにより走査面の電圧マツプを得、複数
   に分割された各半導体装置の領域単位で両半導体
   装置の電圧マツプを比較することにより、半導体
   装置の領域単位の異常状態を表示し、該異常状態
   の発生した領域の個々の配線に電子ビームを照射
   し、エネルギ分析器を通して検出する２次電子の
   量と該分析器の分析電圧との関係を示す曲線を求
   め、該曲線と基準曲線とから照射点の電圧を演算
   し、不良解析を行うことを特徴とする半導体装置
   の診断方法。