TW202212853A - 半導體元件檢查方法及半導體元件檢查裝置 - Google Patents

Abstract

本發明之半導體檢查裝置1具備：測定器7，其對半導體元件S供給電力並同時測定與半導體元件S之電力供給相應之電特性；光掃描裝置13，其對半導體元件S掃描以複數個頻率調變強度之光；鎖定放大器15，其取得顯示與光之掃描相應之複數個頻率成分之電特性的特性信號；及檢查裝置19，其處理特性信號。檢查裝置19求得反映半導體元件S中第1層L1之電特性之掃描位置之特性信號、與反映第2層L2之電特性之掃描位置之特性信號成為特定相位差之頻率，且以反映第1層L1之電特性之掃描位置之特性信號之相位成分為基準，修正任意掃描位置之特性信號之相位成分，輸出求出之頻率中任意掃描位置之特性信號之同相成分及正交成分。

Description

半導體元件檢查方法及半導體元件檢查裝置

實施形態之一態樣關於一種半導體元件檢查方法及半導體元件檢查裝置。

先前以來，作為解析3維積層有半導體晶片之半導體元件之電特性之方法，已知有鎖定OBIRCH(Lock-in Optical Beam Induced Resistance Change：鎖定光束誘導電阻變化)(例如參照下述非專利文獻1)。根據該方法，藉由對半導體元件掃描雷射且測定電阻等之電特性之變化，而實現非破壞之半導體元件之故障解析。 [先前技術文獻] [專利文獻]

非專利文獻1：K.J.P. Jacobs等人，“Lock-in thermal laser stimulation for non-destructive failure localization in 3-D devices”， Microelectronics Reliability，第76-77卷(2017)，第188-193頁。

[發明所欲解決之問題]

於如上述之先前方法中，期望於以沿雷射照射方向積層有複數層半導體晶片之半導體元件為對象之情形，對應積層構成解析電特性。

因此，實施形態之一態樣為鑑於該目的而完成者，其目的在於提供一種可解析與半導體元件之積層構成對應之電特性之半導體元件檢查方法及半導體元件檢查裝置。 [解決問題之技術手段]

實施形態之一態樣之半導體元件檢查方法具備如下步驟：對半導體元件供給電力並同時測定與半導體元件之電力供給相應之電特性；對半導體元件掃描以第1頻率調變強度之光、與以較第1頻率更高之第2頻率調變強度之光，取得顯示與該掃描相應之第1頻率成分及第2頻率成分之電特性的特性信號；求得反映半導體元件中光之光軸方向之第1位置之電特性之第1掃描位置之特性信號、與反映半導體元件中光之光軸方向之第2位置之電特性之第2掃描位置之特性信號成為特定相位差之特性信號之頻率；以半導體元件中第1掃描位置之特性信號之相位成分為基準，修正任意掃描位置之特性信號之相位成分；及取得求出之頻率中任意掃描位置之特性信號，輸出該特性信號之同相成分及正交成分。

或，實施形態之另一態樣之半導體元件檢查裝置具備：測定器，其對半導體元件供給電力並同時測定與半導體元件之電力供給相應之電特性；光掃描裝置，其對半導體元件掃描以第1頻率調變強度之光、與以較第1頻率更高之第2頻率調變強度之光；信號取得裝置，其取得顯示與光之掃描相應之第1頻率成分及第2頻率成分之電特性之特性信號；及處理器，其處理特性信號；處理器求得反映半導體元件中光之光軸方向之第1位置之電特性之第1掃描位置之特性信號、與反映半導體元件中光之光軸方向之第2位置之電特性之第2掃描位置之特性信號成為特定相位差之特性信號之頻率；以半導體元件中第1掃描位置之特性信號之相位成分為基準，修正任意掃描位置之特性信號之相位成分；取得求出之頻率中任意掃描位置之特性信號，輸出該特性信號之同相成分及正交成分。

根據上述一態樣或另一態樣，對半導體元件掃描以第1頻率調變之光與以第2頻率調變之光，並取得測定第1頻率成分及第2頻率成分之半導體元件之電特性的特性信號。且，基於取得之特性信號，求得反映半導體元件之光之光軸方向之第1位置之電特性之第1掃描位置之特性信號、與反映第2位置之電信號之第2掃描位置之特性信號成為特定相位差之頻率。再者，以第1掃描位置之特性信號之相位成分為基準，修正任意掃描位置之特性信號之相位成分，取得求出之頻率中任意掃描位置之特性信號，輸出取得之特性信號之同相成分及正交成分。藉此，可推定半導體元件之任意掃描位置中每層之電特性，且可解析與半導體元件之積層構成對應之電特性。 [發明之效果]

根據本發明之一態樣，可解析與半導體元件之積層構成對應之電特性。

以下，參照附加圖式，詳細說明本發明之實施形態。另，於說明中，對同一要件或具有同一功能之要件，使用同一符號，並省略重複之說明。

圖1係實施形態之半導體元件檢查裝置即半導體檢查裝置1之概略構成圖。半導體檢查裝置1係為進行測定對象物(DUT：Device Under Test)即半導體元件之故障部位之解析而測定各部位之電特性用之裝置。作為該半導體檢查裝置1之測定對象，較佳使用以2層以上積層複數個半導體晶片之半導體元件。另，於圖1中，以實線箭頭顯示電信號之裝置間之流動，且以虛線箭頭顯示光信號之裝置間之流動。

即，半導體檢查裝置1構成為包含具有電壓施加裝置3及電流測定裝置5之測定器7、光源9、信號源11、光掃描裝置13、鎖定放大器(信號取得裝置)15、光檢測器17、及檢查裝置19。以下，對半導體檢查裝置1之各構成要件進行詳細說明。

測定器7具有2個端子，藉由使該2個端子電性連接於半導體元件S，而自電壓施加裝置3對形成於半導體元件S內之電路施加恆定電壓並供給電力，且將根據該供給而於2個端子間之半導體元件S內流動之電流，於電流測定裝置5中作為電特性測定。

光源9為例如照射雷射光之雷射光源(照射源)。光源9接收由信號源11以可變頻率產生之交流信號，產生以該交流信號所含之頻率調變強度之雷射光。該交流信號可為具有單一頻率成分之信號，亦可為包含複數個頻率成分之信號(例如矩形波信號)。光掃描裝置13將自光源9照射之雷射光向半導體元件S導光並照射，且使半導體元件S中之雷射光之照射位置沿半導體元件S之表面2維掃描。此處，光掃描裝置13中之雷射光之2維掃描藉由檢查裝置19控制。又，光掃描裝置13將根據雷射光之照射而自半導體元件S之表面產生之反射光，向光檢測器17導光。另，光源9亦可為產生非相干光之SLD(Super Luminescent Diode：超冷光二極體)或LED(Light Emitting Diode：發光二極體)、燈光源等。

鎖定放大器15監視自信號源11輸出之交流信號且接收顯示由測定器7測定之電特性之特性信號，並擷取(鎖定檢測)特性信號中雷射光之調變頻率之頻率成分輸出至檢查裝置19。此時，鎖定放大器15亦可根據交流信號所含之複數個頻率成分，而擷取複數個頻率成分。光檢測器17接收根據由光掃描裝置13掃描之雷射光而由半導體元件S產生之反射光，並將顯示反射光之強度之強度信號輸出至檢查裝置19。

檢查裝置19為電性連接於鎖定放大器15、光檢測器17、及光掃描裝置13，控制光掃描裝置13之2維掃描，且處理來自鎖定放大器15之特性信號及來自光檢測器17之強度信號的資料處理裝置。

圖2顯示檢查裝置19之硬體構成。如圖2所示，檢查裝置19物理性而言，為包含處理器即CPU(Central Processing Unit：中央處理單元)101、記錄媒體即RAM(Random Access Memory：隨機存取記憶體)102、或ROM(Read Only Memory：唯讀記憶體)103、通信模組104、及輸入輸出模組106等之電腦等，各者電性連接。檢查裝置19之功能藉由將程式等讀入至CPU101及RAM102等之硬體上，而基於CPU101之控制，使通信模組104、及輸入輸出模組106等動作，且進行RAM102中之資料之讀取及寫入，藉此而實現。另，檢查裝置19亦可包含顯示器、鍵盤、滑鼠、觸控面板顯示器等作為輸入輸出元件，又可包含硬碟驅動器、半導體記憶體等資料記錄裝置。又，檢查裝置19亦可藉由複數個電腦而構成。

圖3顯示半導體檢查裝置1之測定對象之半導體元件S之積層構造之一例。半導體元件S為例如至少具有包含半導體電路部C1及配線部W1之第1層L1、包含半導體電路部C2及配線部W2之第2層L2、及層間配線部W12之多層構造之半導體元件。另，於圖3中，省略存在於層間之絕緣層之圖示。於此種半導體元件S中，隨著電壓施加裝置3對半導體檢查裝置1施加電壓，僅於第1層L1產生電流之區域A1、僅於第2層L2產生電流之區域A2、及於第1層L1及第2層L2之兩者產生電流之區域A12，沿層間之界面方向即半導體元件S之表面Su產生。於此種半導體元件S，以雷射光之光軸大致垂直於層間界面(表面Su)之方式自第1層L1側照射雷射光。藉此，自雷射光聚光之第1層L1之位置傳遞熱。因此，於對區域A1照射而獲得之特性信號，反映光軸方向上位於靠近光源9之第1位置之第1層L1之電特性。又，於對區域A2照射而獲得之特性信號，反映光軸方向上位於遠離光源9之第2位置之第2層L2之電特性。又，於對區域A12照射而獲得之特性信號，反映第1層L1及第2層L2之兩者之電特性。

以下，對檢查裝置19之功能進行詳細說明。

檢查裝置19以至少將以第1頻率f1調變強度之雷射光、及以較第1頻率更高之第2頻率f2調變強度之雷射光於半導體元件S上之包含區域A1、A2、A12之區域2維掃描之方式控制光掃描裝置13。於本實施形態中，檢查裝置19以將以第1及第2頻率f1、f2以外之複數個頻率調變強度之雷射光亦於半導體元件S掃描之方式控制。以此種複數個頻率調變強度之雷射光亦可分別照射。又，亦可實現於以矩形波調變強度之雷射光般之形態下，同時照射以複數個頻率調變強度之雷射光般之狀態。

又，檢查裝置19根據上述複數個調變頻率f1、f2、...之雷射光掃描之控制，對半導體元件S之各掃描位置，取得按複數個頻率成分f1、f2、...各者鎖定檢測出之特性信號，作為以其相位及振幅或複數表現之信號，且將該等特性信號轉換為二維圖像進行解析。於圖4顯示以二維圖像表現由檢查裝置19取得之複數個頻率成分各者之特性信號之圖。該二維圖像亦可應用高斯濾波器等之濾波器。

此處，半導體元件S之區域A1所含之至少1個掃描位置、及半導體元件S之區域A2所含之至少1個掃描位置之各者，乃基於設計資料由使用者預先設定於檢查裝置19。或，基於設計資料，預先於檢查裝置19中自動特定出該各個掃描位置。又或，該檢查裝置19亦可將後述之相位成分相對於頻率之變化為最小之部位設定為掃描位置。

且，檢查裝置19取得在各掃描位置獲得之特性信號之相位成分θ，按各掃描位置解析該相位成分θ與頻率之平方根f ^1/2之關係。於圖5中顯示繪製出由檢查裝置19解析之相位成分θ與頻率之平方根f ^1/2之關係之圖表。如此，將與區域A1內之掃描位置對應之相位成分θ之解析點P1、與區域A2內之掃描位置對應之相位成分θ之解析點P2、及與區域A12內之掃描位置對應之相位成分θ之解析點P12以具有不同特性之方式獲得。另，檢查裝置19未必解析相位成分θ與頻率之平方根f ^1/2之關係，亦可解析相位成分θ與頻率f之關係。

又，檢查裝置19將如上所述獲得之任意掃描位置之相位成分θ之各解析點，以預先已知之掃描位置之同一頻率之解析點P1為基準，以抵消該解析點P1中相位成分θ之方式加以修正。此時，檢查裝置19於藉由相位成分θ之抵消而使值自-π至π(或相反)不連續變化之情形時，為不妨礙其後之解析，以對相位成分θ加-2π(或2π)而確保相位連續性之方式進行處理。於圖6中顯示繪製由檢查裝置19修正之相位成分θ與頻率之平方根f ^1/2之關係之圖表。如此修正之相位成分θ相對於頻率之平方根f ^1/2之特性於區域A1、A2、A12間顯示不同之特性。即，與區域A1對應之特性始終具有接近零之值，與區域A2對應之特性相對於頻率之平方根f ^1/2具有斜率α之線形特性，且與區域A12對應之特性成為具有極值之特性。

且，檢查裝置19將反映以上述方式修正之相位成分θ之各掃描位置之特定信號作為對象處理。即，檢查裝置19求得預先設定之區域A1所含之掃描位置之特性信號、與預先設定之區域A2所含之掃描位置之特性信號成為特定相位差之頻率。作為一例，特定相位差為π/2(90度)。

於圖7之(a)部及(b)部，分別顯示區域A1所含之掃描位置之特性信號之實部及虛部與頻率之平方根f ^1/2之關係之一例，於圖8之(a)部及(b)部，分別顯示區域A2所含之掃描位置之特性信號之實部及虛部與頻率之平方根f ^1/2之關係之一例。如此，各掃描位置之特性信號之實部具有隨著頻率之上升而下降之特性，區域A1所含之掃描位置之特性信號之虛部藉由修正而始終為零，區域A2所含之掃描位置之特性信號之虛部根據頻率之變化而變動。檢查裝置19求得區域A2所含之掃描位置之修正後之特性信號之實部近似為零之頻率f ^*作為相位差為π/2之頻率。此時，檢查裝置19可藉由使用以頻率之平方根f ^1/2為自變量之函數之曲線擬合，預測區域A2所含之掃描位置之修正後之特性信號之頻率特性，且使用預測之函數，求得實部近似為零之頻率f ^*。曲線擬合時使用例如多項式函數。於使用多項式函數時，以使最大次數未變得過大之方式預先適當設定函數。

此處，檢查裝置19亦可於求得2個掃描位置之特性信號之間成為特定相位差之頻率時，使用以一者之特性信號之相位為基準修正相位成分前之特性信號。此時，為求得相位差為π/2之頻率，檢查裝置19求得將一者之特性信號顯示之複數與另一者之特性信號之複數之共軛複數相乘之結果為零之頻率。

再者，檢查裝置19基於任意掃描位置之修正後之特性信號之頻率特性，藉由計算取得如上所述求得之頻率f ^*中之特性信號。於圖9之(a)部及(b)部，顯示有任意掃描位置之特性信號之實部及虛部與頻率之平方根f ^1/2之關係之一例。此時，檢查裝置19可藉由使用以頻率之平方根f ^1/2為自變量之函數之曲線擬合，預測任意掃描位置之修正後之特性信號之頻率特性，且使用預測之函數，藉由計算求得頻率f ^*中實部及虛部之值。曲線擬合時使用例如多項式函數。於使用多項式函數時，以使最大次數未變得過大之方式預先適當設定函數。另一方面，檢查裝置19亦可基於使用以調變頻率包含頻率f ^*之方式設定之雷射光掃描半導體元件S而獲得之特性信號，再次取得頻率f ^*中任意掃描位置之特性信號。

檢查裝置19藉由對半導體元件S上之各個掃描位置重複取得此種頻率f ^*中之特性信號，而於各掃描位置取得特性信號之實部及虛部。又，檢查裝置19將於各掃描位置取得之特性信號之實部、及於各掃描位置取得之特性信號之虛部分別作為顯示特性信號之同相成分及正交成分之二維圖像，輸出至顯示器等之輸入輸出模組106。

於圖10中顯示由檢查裝置19輸出之同相成分之二維圖像G _I及正交成分之二維圖像G _Q之一例。如此，藉由取得相位差為π/2之頻率之特性信號，而於二維圖像G _I上反映半導體元件S之第1層L1之電特性之分佈，於二維圖像G _Q上反映半導體元件S之第2層L2之電特性之分佈。又，藉由取得相位差為任意角度之頻率之特性信號，亦於二維圖像G _I上以特定比例反映半導體元件S之第1層L1及第2層L2之電特性之兩者之分佈，且於二維圖像G _Q上反映僅半導體元件S之第2層L2之電特性之分佈。

接著，對以使用本實施形態之半導體檢查裝置1之半導體元件S為對象之解析處理之順序，即本實施形態之半導體元件檢查方法之流程進行說明。圖11係顯示半導體檢查裝置1之解析處理之順序之流程圖。

首先，藉由測定器7，開始電力對半導體元件S之供給、與半導體元件S之電特性之測定(步驟S1)。接著，藉由利用檢查裝置19控制光掃描裝置13之動作，而於以第1頻率f1調變強度之雷射光於半導體元件S上2維掃描之同時，取得於檢查裝置19中藉由鎖定放大器15以該第1頻率f1鎖定檢測之特性信號(步驟S2)。

再者，於檢查裝置19中，取得顯示所取得之特性信號之二維分佈之二維圖像(步驟S3)。其後，藉由使雷射光之調變頻率以第2頻率f1、及第1及第2頻率f1、f2以外之頻率依序變更(步驟S4)，且重複步驟S2及步驟S3之處理，而取得以複數個頻率f2、...分別鎖定檢測之複數個特性信號。

接著，藉由檢查裝置19，基於各掃描位置之特性信號，解析特性信號之相位成分θ相對於頻率之平方根f ^1/2之關係，且以半導體元件S之區域A1內之掃描位置之相位成分之解析點為基準，修正任意掃描位置之相位成分θ之解析點(步驟S5)。再者，藉由檢查裝置19求得區域A1內之掃描位置之相位成分θ與區域A2內之掃描位置之相位成分之差成為特定相位差之頻率(步驟S6)。該等區域A1、A2內之各掃描位置預先由使用者設定。

其後，藉由檢查裝置19，基於半導體元件S上之一個掃描位置中修正後之特性信號，藉由計算取得步驟S6中求得之頻率中特性信號之實部及虛部(步驟S7)。接著，藉由依序變更解析對象之掃描位置(步驟S8)，且重複步驟S7之處理，而取得複數個掃描位置中複數個特性信號之實部及虛部。

再者，藉由檢查裝置19，全部掃描位置中之實部及虛部之值之各者作為顯示同相成分及正交成分之二維圖像而圖像化(步驟S9)。最後，於檢查裝置19中，輸出同相成分及正交成分之圖像(步驟S10)。

於圖12顯示檢查裝置19之解析結果之輸出影像。檢查裝置19例如並排輸出基於自光檢測器17獲得之強度信號之半導體元件之光學圖像G ₁、顯示指定之任意頻率之特性信號之同相成分及正交成分之圖像G _2I、G _2Q、顯示由上述解析處理求得之特性信號之同相成分及正交成分之圖像G _3I、G _3Q。又，檢查裝置19可同時輸出顯示預先設定之2個掃描位置Ref1、Ref2中特性信號之相位成分之頻率特性之圖表GR ₁、GR ₂、及顯示使用者指定之任意掃描位置中特性信號之相位成分之頻率特性之圖表GR ₃，亦可於該圖表GR ₂上顯示成為特定相位差之頻率。

根據以上說明之半導體檢查裝置1，藉由使以複數個頻率f1、f2、...調變之雷射光於半導體元件S掃描且鎖定檢測，而取得測定複數個頻率成分之半導體元件S之電特性的特性信號。且，基於取得之特性信號，求得反映半導體元件S之第1層L1之電特性之掃描位置之特性信號、與反映第2層L2之電特性之掃描位置之特性信號成為特定相位差般之頻率。再者，任意掃描位置之特性信號之相位成分以反映第1層L1之電特性之掃描位置之特性信號之相位成分為基準修正，取得求出之頻率中任意掃描位置之特性信號，並輸出取得之特性信號之同相成分及正交成分。藉此，可推定半導體元件S之任意掃描位置中之每層L1、L2之電特性，且可解析與半導體元件S之積層構成對應之電特性。

尤其，於本實施形態中，上述特定相位差設定為π/2。此時，輸出之特性信號之同相成分及正交成分之各者為直接顯示各層L1、L2之電特性者。其結果，可容易解析半導體元件S之任意掃描位置中之各層L1、L2之電特性。

又，於本實施形態中，輸出有顯示特性信號之同相成分之二維分佈之圖像、與顯示特性信號之正交成分之二維分佈之圖像。藉由此種構成，可視覺性捕捉特性信號之同相成分及正交成分之分佈，且可容易解析與半導體元件S之積層構成對應之電特性。

再者，以抵消區域A1內之掃描位置之特性信號之相位成分之方式修正任意掃描位置之特性信號之相位成分。藉由如此動作，可取得任意掃描位置之相位成分相對於反映第1層L1之電特性之掃描位置之特性信號之相位成分之相對值。其結果，可基於任意掃描位置之特性信號之輸出值，容易地推定半導體元件S之任意掃描位置中之各層L1、L2之電特性。

又，再者，於本實施形態中，藉由利用曲線擬合預測特性信號之頻率特性，而求得成為特定相位差之特性信號之頻率。根據該構成，可精度較佳地求得2個掃描位置之特性信號之間之相位差為特定相位差之頻率。其結果，可高精度解析與半導體元件S之積層構成對應之電特性。

再者又，於本實施形態中，藉由利用曲線擬合預測任意掃描位置之特性信號之頻率特性，而取得求出之頻率中之特性信號。根據該構成，可精度較佳地取得任意掃描位置中求得之頻率之特性信號。其結果，可高精度解析與半導體元件S之積層構成對應之電特性。

以上，雖已說明本發明之各種實施形態，但本發明並非限定於上述實施形態者，亦可於不變更各技術方案所記載之要旨之範圍內進行變化，或應用於其他者。

例如，於檢查裝置19中，亦可產生及輸出顯示以第1頻率f1鎖定檢測之特性信號之相位成分θ、與以較第1頻率f1更高之第2頻率f2鎖定檢測之特性信號之相位成分θ之差之二維分佈的圖像。例如，如圖13所示，亦可基於表示第1頻率f1下之相位成分θ之圖像G _f1、與表示第2頻率f2下之相位成分θ之圖像G _f2，產生反映各圖像G _f1、G _f2之相位成分θ之差量之差圖像G _diff。基於此種差圖像G _diff，可視覺性取得半導體元件S之各掃描位置中之層之深度資訊。檢查裝置19於輸出差圖像G _diff時，可藉由濃淡表示相位成分θ之差而輸出，亦可參照LUT(Look-up Table：查詢表)等將差轉換為色相而輸出。

又，半導體檢查裝置1亦可藉由使半導體元件S上沿複數條線之一維掃描於垂直於線之方向錯開且重複而執行雷射光之二維掃描，且使每次該一維掃描之調變頻率以第1頻率f1及第2頻率交替變更之方式動作。例如，設定為第1頻率f1=1 Hz，第2頻率=4 Hz。於圖14顯示有表示藉由利用此種變化例之半導體檢查裝置1按各線對應於調變頻率f1、f2鎖定檢測而產生之相位成分θ之二維分佈的圖像G _out之一例。藉由此種變化例，亦可容易判別遠離光源9之位置之層L3之電特性、與靠近光源9之位置之層L4之電特性。

又，雖於檢查裝置19中，求得預先設定之2個掃描位置之特性信號之相位差為π/2般之頻率，但該相位差亦可設定為任意角度θ。又，檢查裝置19亦可相反先設定頻率f ^*，根據2個掃描位置之相位成分之頻率特性求得該頻率f ^*中之相位差θ。

圖15係將成為相位差θ之頻率f ^*中各掃描位置之修正後之特性信號以顯示於以實軸為I、虛軸為Q之IQ平面上之矢量而顯示，於(a)部顯示區域A12(圖3)中之特性信號，於(b)部顯示區域A2中之特性信號，於(c)部顯示區域A1中之特性信號。如此，修正後之特性信號SG於區域A1中具有顯示僅具有同相成分I之第1層L1之電特性之特性信號SG ₁之成分，於區域A2中具有顯示具有相位θ之第2層L2之電特性之特性信號SG ₂之成分，於區域A12中具有將第1層L1之特性信號SG ₁之成分與第2層L2之特性信號SG ₂之成分合成之成分SG ₁+SG ₂。即，任意掃描位置中之特性信號之同相成分SG _I及正交成分SG _Q由下述式表示。

利用如上述之性質，檢查裝置19基於成為相位差θ之頻率f ^*中各掃描位置之特性信號之同相成分S _I及正交成分S _Q，將任意掃描位置中第1層L1之特性信號之值｜SG ₁｜、及第2層L2之特性信號之值｜SG ₂｜之值，利用下述式藉由計算取得。

且，檢查裝置19基於計算出之全部掃描位置中之值｜SG ₁｜、｜SG ₂｜，產生表示各個值之二維分佈之圖像，且輸出該等圖像。

藉由此種變化例，亦可輸出直接顯示各層L1、L2之電特性之二維分佈之圖像。其結果，可容易地解析半導體元件S之任意掃描位置中之各層L1、L2之電特性。

於上述實施形態中，以包含第1層L1及第2層L2之2層構造之半導體元件S為對象，但檢查裝置19亦可具有以3層構造以上之半導體元件S為對象之解析功能。

例如亦可以如圖16所示之、具有包含自靠近光源9側起位於第1位置之第1層L1、位於第2位置之第2層L2、及位於第3位置之第3層L3之多層構造的半導體元件S為對象。於此種半導體元件S中，根據設計資料等，已知具有僅於第1層L1流動電流之路徑PA之區域A1、於第1層L1及第2層具有路徑PA之區域A12、於第2層L2及第3層L3具有路徑PA之區域A23、僅於第3層L3具有路徑PA之區域A3。又，來自光源9之雷射光以聚光於第1層L1之方式照射。

以上述構成之半導體元件S為對象之情形下，檢查裝置19首先以區域A1之特性信號為基準，進行全部掃描位置之特性信號之相位修正。接著，以區域A1之特性信號與區域A23之特性信號為對象，執行上述實施形態之解析處理，將全部掃描位置中之第1層L1之特性信號分離。又，檢查裝置19基於區域A1之修正後之特性信號，取得各頻率中之振幅相關之增益。於圖17之(a)部，顯示於各頻率f ₀、f ₁、f ₂、f ₃取得之區域A1之特性信號之變化，於圖17之(b)部，顯示伴隨該等而取得之與各頻率f ₀、f ₁、f ₂、f ₃對應之區域A1之特性信號之振幅相關之增益。

接著，檢查裝置19以與各掃描位置之各頻率f ₀、f ₁、f ₂、f ₃對應之特性信號為對象，去除反映各頻率f ₀、f ₁、f ₂、f ₃中之增益之各掃描位置之第1層L1之特性信號。且，檢查裝置19基於去除後之區域A12之特性信號，進行去除後之全部掃描位置之特性信號之相位修正。再者，以區域A3之特性信號與區域A12之特性信號為對象，執行上述實施形態之解析處理，分離全部掃描位置中之第2層L2之特性信號，同時分離全部掃描位置中之第3層L3之特性信號。

根據此種變化例，可以3層構造之半導體元件為對象，推定任意掃描位置中之各層L1、L2、L3之電特性。

又，檢查裝置19亦可具有以如圖18所示之4層構造之半導體元件S為對象之解析功能。圖18所示之半導體元件S具有包含自靠近光源9之側起位於第1位置之第1層L1、位於第2位置之第2層L2、位於第3位置之第3層L3、及位於第4位置之第4層L4的多層構造。於此種半導體元件S中，根據設計資料等，已知具有僅於第1層L1流動電流之路徑PA之區域A1、於第2層L2、第3層L3及第4層L4具有路徑PA之區域A234。又，來自光源9之雷射光以聚光於第1層L1之方式照射。

於以上述構成之半導體元件S為對象之情形，檢查裝置19首先以區域A1之特性信號為基準進行全部掃描位置之特性信號之相位修正。接著，以區域A1之特性信號與區域A234之特性信號為對象，執行上述實施形態之解析處理，分離全部掃描位置中之第1層L1之特性信號。接著，檢查裝置19以與各掃描位置之各頻率對應之特性信號為對象，去除反映與各頻率對應之增益之各掃描位置之第1層L1之特性信號。其後，檢查裝置19可以去除之各掃描位置之特性信號為對象，執行以3層構造之半導體元件S為對象之上述解析處理，分離第2層L2～第4層L4之各個特性信號。

根據此種變化例，可以4層構造之半導體元件為對象，推定任意掃描位置中各層L1、L2、L3、L4之電特性，亦可同樣以5層以上之構造之半導體元件為對象，推定任意掃描位置中之各層之電特性。

又，於檢查裝置19中，於測定對象之半導體元件S存在區域A2但不存在區域A1之情形時，亦可如以下所述求得第1層L1之特性信號與第2層L2之特性信號成為特定相位差之頻率。

即，檢查裝置19求得區域A2之特性信號之振幅之自然對數，且解析該自然對數與頻率之平方根f ^1/2之關係。於圖19中顯示繪製有由檢查裝置19解析之特性信號與頻率之平方根f ^1/2之關係之圖表。

檢查裝置19參照此種關係求得頻率之平方根f ^1/2=0時之自然對數值(切片值)。接著，檢查裝置19根據該切片值求得自然對數值減少特定相位差(例如，π/2)時之頻率f ^*。可求得該頻率f ^*作為第1層L1之特性信號與第2層L2之特性信號成為特定相位差之頻率之較佳之推定値。

又，檢查裝置19亦可於已知包含半導體元件S之材質之構造之情形，利用根據其材質及構造預先求得之頻率f ^*作為特性信號為特定相位差之頻率。

即，於半導體元件S中，於第1層L1至第2層L2之間存在N層(N為自然數)不同材質之層，且作為該等N層之各者之構造，已知密度ρ _k、比熱c _k、熱傳導率λ _k、膜厚d _k(k=0、1、...N-1)。此時，第1層L1之特性信號與第2層L2之特性信號之相位差θ使用各頻率ω(=2πf)，由下述式表示。 [數1]

檢查裝置19可將使用此種關係式以第1層L1之特性信號與第2層L2之特性信號之相位差成為特定相位差之方式預先計算之頻率f ^*，於解析處理中使用。另，上述計算式假定半導體元件S與簡單之1維積層構造近似之情形而設定。於實際之半導體元件S之構造複雜而難以1維近似之情形，亦可使用以藉由基於有限元素法等之數值計算而成為特定相位差之方式求得之頻率。如此，亦因頻率之平方根與相位間存在比例關係之情況未改變，故可以數值計算求得比例係數。

於上述之實施形態中，較佳為，於輸出之步驟中，輸出顯示同相成分之二維分佈之圖像、與顯示正交成分之二維分佈之圖像。於上述之實施形態中，處理器較佳輸出顯示同相成分之二維分佈之圖像、與顯示正交成分之二維分佈之圖像。藉此，可視覺性捕捉特性信號之同相成分及正交成分之分佈，且可容易地解析與半導體元件之積層構成對應之電特性。

又，較佳為，於輸出之步驟中，基於特性信號，輸出顯示任意掃描位置中第1位置之電特性之值、與顯示任意掃描位置中第2位置之電特性之值。又，較佳為，處理器基於特性信號輸出顯示任意掃描位置中第1位置之電特性之值、與顯示任意掃描位置中第2位置之電特性之值。此時，可輸出直接顯示各層之電特性之值。其結果，可容易地解析半導體元件之任意掃描位置中每層之電特性。

再者，較佳為，於修正之步驟中，以抵消第1掃描位置之特性信號之相位成分之方式修正任意掃描位置之特性信號之相位成分。再者，較佳為，處理器以抵消第1掃描位置之特性信號之相位成分之方式修正任意掃描位置之特性信號之相位成分。此時，可取得任意掃描位置之相位成分相對於反映第1位置之電特性之第1掃描位置之特性信號之相位成分之相對值。其結果，可基於輸出值容易地推定半導體元件之任意掃描位置中每層之電特性。

又，再者較佳為，於求得之步驟中，藉由利用曲線擬合預測特性信號之頻率特性，而求得特性信號之頻率。又，再者較佳為，處理器藉由利用曲線擬合預測特性信號之頻率特性，而求得特性信號之頻率。根據該構成，可精度較佳地求得第1掃描位置之特性信號與第2掃描位置之特性信號成為特定相位差之頻率。其結果，可高精度地解析與半導體元件之積層構成對應之電特性。

再者，又較佳為，於輸出之步驟中，藉由利用曲線擬合預測任意掃描位置之特性信號之頻率特性，而取得頻率中之特性信號。再者，又較佳為，藉由利用曲線擬合預測任意掃描位置之特性信號之頻率特性，而取得頻率中之特性信號。根據該構成，可精度較佳地取得任意掃描位置中求得之頻率之特性信號。其結果，可高精度地解析與半導體元件之積層構成對應之電特性。

又，於上述實施形態中，特定相位差較佳設定為π/2。若採用該構成，則輸出之特性信號之同相成分及正交成分之各者為直接顯示各層之電特性者。其結果，可容易地解析半導體元件之任意掃描位置中每層之電特性。 [產業上之可利用性]

實施形態係可使用半導體元件檢查方法及半導體元件檢查裝置，用於解析與半導體元件之積層構成對應之電特性者。

1:半導體檢查裝置 3:電壓施加裝置 5:電流測定裝置 7:測定器 9:光源 11:信號源 13:光掃描裝置 15:鎖定放大器(信號取得裝置) 17:光檢測器 19:檢查裝置 101:CPU(處理器) 102:RAM 103:ROM 104:通信模組 106:輸入輸出模組 A1:區域 A2:區域 A3:區域 A12:區域 A23:區域 A234:區域 C1:半導體電路部 C2:半導體電路部 c _k:比熱 d _k:膜厚 f ₀～f ₃:頻率 f1:第1頻率 f2:第2頻率 f ^1/2:頻率之平方根 f ^*:頻率 G ₁:光學圖像 G _2I,G _2Q:圖像 G _3I,G _3Q:圖像 G _diff:差圖像 G _f1:圖像 G _f2:圖像 G _I:二維圖像 G _out:圖像 G _Q:二維圖像 GR ₁:圖表 GR ₂:圖表 GR ₃:圖表 I:同相成分 L1:第1層 L2:第2層 L3:第3層 L4:第4層 PA:路徑 Ref1:掃描位置 Ref2:掃描位置 S:半導體元件 S1～S10:步驟 SG:特性信號 SG ₁:特性信號 SG ₂:特性信號 Su:表面 W1:配線部 W2:配線部 W12:層間配線部 α:斜率 θ:相位成分 ω:頻率 ρ _k:密度 λ _k:熱傳導率

圖1係實施形態之半導體檢查裝置1之概略構成圖。 圖2係顯示圖1之檢查裝置19之硬體構成之一例之方塊圖。 圖3係顯示半導體檢查裝置1之測定對象之半導體元件S之積層構造之一例之圖。 圖4係顯示以二維圖像表現由檢查裝置19取得之複數個頻率成分之特性信號之影像之圖。 圖5係繪製由檢查裝置19解析之相位成分θ與頻率之平方根f ^1/2之關係之圖表。 圖6係繪製由檢查裝置19修正之相位成分θ與頻率之平方根f ^1/2之關係之圖表。 圖7(a)、(b)係顯示由檢查裝置19解析之特性信號之實部及虛部與頻率之平方根f ^1/2之關係之一例之圖表。 圖8(a)、(b)係顯示由檢查裝置19解析之特性信號之實部及虛部與頻率之平方根f ^1/2之關係之一例之圖表。 圖9(a)、(b)係顯示由檢查裝置19解析之特性信號之實部及虛部與頻率之平方根f ^1/2之關係之一例之圖表。 圖10係顯示藉由檢查裝置19輸出之同相成分之二維圖像及正交成分之二維圖像之一例之圖。 圖11係顯示半導體檢查裝置1之解析處理之順序之流程圖。 圖12係顯示檢查裝置19之解析結果之輸出影像之圖。 圖13係顯示藉由本揭示之變化例產生之差圖像之影像之圖。 圖14係顯示藉由本揭示之變化例產生之輸出圖像之影像之圖。 圖15(a)～(c)係以矢量顯示成為特定相位差之頻率中各掃描位置之修正後之特性信號之圖。 圖16係顯示變化例之檢查裝置19之測定對象之半導體元件S之積層構造之一例之圖。 圖17(a)、(b)係顯示藉由變化例之檢查裝置19取得之特性信號之各頻率之變化之圖表。 圖18係顯示變化例之檢查裝置19之測定對象之半導體元件S之積層構造之一例之圖。 圖19係繪製由變化例之檢查裝置19解析之特性信號之自然對數與頻率之平方根f ^1/2之關係之圖表。

1:半導體檢查裝置

3:電壓施加裝置

5:電流測定裝置

7:測定器

9:光源

11:信號源

13:光掃描裝置

15:鎖定放大器(信號取得裝置)

17:光檢測器

19:檢查裝置

S:半導體元件

Claims (14)

1. 一種半導體元件檢查方法，其具備如下步驟： 對半導體元件供給電力並同時測定與半導體元件之上述電力供給相應之電特性； 對上述半導體元件掃描以第1頻率調變強度之光、與以較上述第1頻率更高之第2頻率調變強度之光，取得顯示與該掃描相應之上述第1頻率成分及上述第2頻率成分之上述電特性的特性信號； 求得反映上述半導體元件中上述光之光軸方向之第1位置之上述電特性之第1掃描位置之上述特性信號、與反映上述半導體元件中上述光之光軸方向之第2位置之上述電特性之第2掃描位置之上述特性信號成為特定相位差之上述特性信號之頻率； 以上述半導體元件中上述第1掃描位置之上述特性信號之相位成分為基準，修正任意掃描位置之上述特性信號之相位成分；及 取得求出之上述頻率中任意掃描位置之上述特性信號，輸出該特性信號之同相成分及正交成分。
2. 如請求項1之半導體元件檢查方法，其中 於上述輸出之步驟中，輸出顯示上述同相成分之二維分佈之圖像、與顯示上述正交成分之二維分佈之圖像。
3. 如請求項1或2之半導體元件檢查方法，其中 於上述輸出之步驟中，基於上述特性信號，輸出顯示上述任意掃描位置中上述第1位置之上述電特性之值、與顯示上述任意掃描位置中上述第2位置之上述電特性之值。
4. 如請求項1至3中任一項之半導體元件檢查方法，其中 於上述修正之步驟中，以抵消上述第1掃描位置之上述特性信號之相位成分之方式，修正上述任意掃描位置之上述特性信號之相位成分。
5. 如請求項1至4中任一項之半導體元件檢查方法，其中 於上述求得之步驟中，藉由利用曲線擬合預測上述特性信號之頻率特性，而求得上述特性信號之頻率。
6. 如請求項1至5中任一項之半導體元件檢查方法，其中 於上述輸出之步驟中，藉由利用曲線擬合預測上述任意掃描位置之上述特性信號之頻率特性，而取得上述頻率之上述特性信號。
7. 如請求項1至6中任一項之半導體元件檢查方法，其中 上述特定相位差為π/2。
8. 一種半導體元件檢查裝置，其具備： 測定器，其對半導體元件供給電力並同時測定與半導體元件之上述電力供給相應之電特性； 光掃描裝置，其對上述半導體元件掃描以第1頻率調變強度之光、與以較上述第1頻率更高之第2頻率調變強度之光； 信號取得裝置，其取得顯示與上述光之掃描相應之上述第1頻率成分及上述第2頻率成分之上述電特性之特性信號；及 處理器，其處理上述特性信號； 上述處理器 求得反映上述半導體元件中上述光之光軸方向之第1位置之上述電特性之第1掃描位置之上述特性信號、與反映上述半導體元件中上述光之光軸方向之第2位置之上述電特性之第2掃描位置之上述特性信號成為特定相位差之上述特性信號之頻率； 以上述半導體元件中上述第1掃描位置之上述特性信號之相位成分為基準，修正任意掃描位置之上述特性信號之相位成分； 取得求出之上述頻率中任意掃描位置之上述特性信號，輸出該特性信號之同相成分及正交成分。
9. 如請求項8之半導體元件檢查裝置，其中 上述處理器輸出顯示上述同相成分之二維分佈之圖像、與顯示上述正交成分之二維分佈之圖像。
10. 如請求項8或9之半導體元件檢查裝置，其中 上述處理器基於上述特性信號，輸出顯示上述任意掃描位置中上述第1位置之上述電特性之值、與顯示上述任意掃描位置中上述第2位置之上述電特性之值。
11. 如請求項8至10中任一項之半導體元件檢查裝置，其中 上述處理器以抵消上述第1掃描位置之上述特性信號之相位成分之方式，修正上述任意掃描位置之上述特性信號之相位成分。
12. 如請求項8至11中任一項之半導體元件檢查裝置，其中 上述處理器藉由利用曲線擬合預測上述特性信號之頻率特性，而求得上述特性信號之頻率。
13. 如請求項8至12中任一項之半導體元件檢查裝置，其中 上述處理器藉由利用曲線擬合預測上述任意掃描位置之上述特性信號之頻率特性，而取得上述頻率之上述特性信號。
14. 如請求項8至13中任一項之半導體元件檢查裝置，其中 上述特定相位差為π/2。

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