WO2021152977A1 - 半導体故障解析装置 - Google Patents

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WO2021152977A1
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semiconductor device
immersion lens
semiconductor
solid immersion
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政敬 活洲
育男 荒田
能弘 伊藤
利道 石塚
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor failure analysis device.
  • Semiconductor devices are becoming finer. In order to miniaturize semiconductor devices, it is desired to improve the exposure technology and patterning technology for manufacturing semiconductor devices. A technique for inspecting whether or not a semiconductor device manufactured by these techniques operates normally is also important. Furthermore, if the semiconductor device does not operate normally, a technique for clarifying the cause of the defect is also important.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose an apparatus for inspecting a semiconductor device.
  • the inspection apparatus disclosed in Patent Documents 1 and 2 irradiates a semiconductor device to which an electric signal is given with light.
  • the light emitted to the semiconductor device becomes reflected light according to the state of the semiconductor device.
  • the inspection apparatus disclosed in Patent Documents 1 and 2 uses the reflected light to obtain information on the operating state of the semiconductor device.
  • the inspection apparatus of Patent Document 1 obtains information about a part of a semiconductor device operating at a predetermined frequency.
  • the inspection device of Patent Document 2 obtains information on a heat source generated at a failure location of a semiconductor device.
  • the present invention provides a semiconductor failure analysis device capable of improving the resolution.
  • the semiconductor failure analysis device includes a signal generator that applies a stimulus signal to the semiconductor device, a light source that generates the irradiation light that irradiates the semiconductor device, a solid immersion lens that is arranged on the optical path of the irradiation light, and the irradiation light.
  • a light detection unit that receives reflected light generated by being reflected by a semiconductor device and outputs a detection signal corresponding to the reflected light, and is arranged between the light source and the immersion lens to irradiate the semiconductor device via the immersion lens.
  • the optical system that emits light and emits the reflected light received through the immersion lens between the immersion lens and the light detection unit to the light detection unit, and the failure location of the semiconductor device from the detection signal. It is equipped with an analysis unit that obtains information.
  • the light source emits irradiation light having a center wavelength of 880 nm or more and 980 nm or less.
  • the solid immersion lens is made of gallium arsenide (GaAs).
  • the semiconductor failure analysis device When identifying the failure location of a semiconductor device to which a stimulus signal is given, the semiconductor failure analysis device emits irradiation light having a center wavelength of 880 nm or more and 980 nm or less through a solid immersion lens formed of gallium arsenide. Irradiate to. Irradiation light having a center wavelength of 880 nm or more and 980 nm or less sufficiently transmits the semiconductor device to be analyzed. Therefore, it is possible to obtain reflected light having a light intensity capable of identifying the faulty part. Further, the refractive index of the solid immersion lens formed of gallium arsenide is higher than the refractive index of air. Therefore, the numerical aperture (NA) can be increased. As a result, the spot diameter of the irradiation light can be reduced, so that the resolution can be improved.
  • NA numerical aperture
  • the light source may emit irradiation light having a center wavelength of 900 nm or more and 960 nm or less. According to this configuration, the resolution can be suitably improved.
  • the analysis unit may have a heat source position specifying unit.
  • the heat source positioning unit may specify the position of the heat source generated in the semiconductor device as a response to the stimulation signal based on the detection signal and the stimulation signal. According to this configuration, the position of the heat source generated inside the semiconductor device can be specified.
  • the analysis unit may have an operating frequency specifying unit. Based on the detection signal and the stimulation signal, the operating frequency specifying unit may specify the operating position at a predetermined frequency generated in the semiconductor device as a response to the stimulation signal. According to this configuration, it is possible to specify the position of the semiconductor device that operates at a predetermined frequency.
  • a semiconductor failure analysis device capable of improving the resolution.
  • FIG. 1 is a block diagram showing components of a semiconductor failure analysis device.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an example of means for identifying a failure location of a semiconductor device.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the wavelength of light and the light transmittance for each material constituting the solid immersion lens.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the wavelength of light and the refractive index for each material constituting the solid immersion lens.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the wavelength of light and the light transmittance of a solid immersion lens formed of gallium arsenide.
  • FIG. 6 is a graph showing the light transmittance of silicon.
  • the semiconductor failure analysis device identifies a failure location included in the inspected object such as the semiconductor device 100 which is the inspected object.
  • the semiconductor failure analysis device is simply referred to as analysis device 1.
  • Examples of the semiconductor device 100 include an integrated circuit having a PN junction such as a transistor (for example, a small integrated circuit (SSI: Small Scale Integration)), a medium scale integrated circuit (MSI: Medium Scale Integration), and a large scale integrated circuit (LSI). : Large Scale Integrated Circuit (VLSI: Very Large Scale Integration), Ultra Large Scale Integrated Circuit (ULSI: Ultra Large Scale Integration), Giga Scale Integrated Circuit (GSI: Giga Scale Integration), for large currents / Examples include high-voltage MOS transistors, power devices such as bipolar transistors, and memory / storage devices.
  • SSI small integrated circuit
  • MSI Medium Scale Integration
  • LSI large scale integrated circuit
  • VLSI Very Large Scale Integration
  • ULSI Ultra Large Scale Integration
  • GSI Giga Scale Integration
  • Examples include high-voltage MOS transistors, power devices such as bipolar transistors, and memory / storage devices.
  • the object to be inspected is not limited to the solidified semiconductor device 100.
  • the object to be inspected may be a semiconductor wafer on which a plurality of semiconductor devices 100 are formed.
  • FIG. 2 is a diagram conceptually showing a method for identifying a failure location.
  • the semiconductor device 100 shown in FIG. 2 is adapted to the state of being arranged in the analysis device 1.
  • the surface receiving the irradiation light L1 is shown on the upper side.
  • the semiconductor device 100 has a laminated structure including a protective layer 101, a wiring layer 102, a process layer 103, an insulating layer 104, and a substrate 105.
  • the wiring layer 102 includes a metal wiring pattern such as gold or aluminum.
  • the process layer 103 includes a plurality of electrical functional parts such as a MOS transistor 103a.
  • the substrate 105 is made of silicon. The thickness of the substrate 105 is about 50 nm or more and about 200 nm.
  • the thickness of the substrate 105 is 80 nm as an example.
  • the semiconductor device 100 is irradiated with light, the light is transmitted through a certain layer. Also, light is reflected in another layer. For example, when light is irradiated from the substrate 105 side, the light may pass through the substrate 105 and the insulating layer 104. Further, when light is irradiated from the substrate 105 side, the light may be reflected by the process layer 103.
  • the intensity of the reflected light is basically smaller than the intensity of the irradiation light L1. That is, the intensity of the reflected light is attenuated by the factors that the light receives while passing through the substrate 105 and the insulating layer 104. For example, light is affected by the light transmittance of the materials that make up the substrate 105. In addition, the intensity of light may be affected by the refractive index of the material constituting the optical path. Further, the intensity of light may be affected by the electric field formed in the layers constituting the optical path. Therefore, the ratio of the intensity of the reflected light to the intensity of the incident light is defined as the apparent reflectance. The change in reflectance reflects the change in refractive index and the effect of the electric field.
  • the internal state of the semiconductor device 100 can be known by obtaining the reflectance distribution.
  • a portion 102a having a high electric resistance value is generated in the wiring layer 102, and Joule heat is generated in the portion 102a.
  • the change in refractive index appears as a change in reflectance. That is, by knowing the distribution of the reflectance, it is possible to identify the position of the portion where abnormal heat generation is generated.
  • the position of the place where abnormal heat generation is generated is the position of the faulty place.
  • the analysis device 1 includes a tester 2 (signal generation unit), a light source 3, a solid immersion lens 4, a light detection unit 5, an optical system 6, and a computer 7.
  • the analyzer 1 may have other additional components.
  • the analysis device 1 may have a stage for moving the semiconductor device 100 relative to the optical system 6.
  • Tester 2 outputs a stimulus signal.
  • the tester 2 is connected to the semiconductor device 100.
  • the tester 2 applies a stimulus signal to the semiconductor device 100.
  • the tester 2 generates a stimulus signal based on a control signal input from the computer 7.
  • the tester 2 starts and stops the output of the stimulus signal based on the control signal.
  • the characteristics of the stimulus signal may be determined according to the mode of analysis. Further, a power supply, a pulse generator, or the like may be used as the tester 2.
  • one aspect of the analysis is the identification of the heat source position.
  • the tester 2 applies a modulation current having a relatively low frequency as a stimulation signal.
  • a short-circuited portion is included inside the semiconductor device 100, the short-circuited portion generates heat due to the modulation current.
  • a heat source is generated in the semiconductor device 100.
  • the temperature of the heat source that generates heat due to the modulation current changes periodically according to the frequency of the modulation current.
  • the change in temperature affects the refractive index of the member that exists around the heat source and through which the irradiation light and the reflected light pass.
  • the change in the refractive index causes a change in the intensity of the reflected light.
  • the reflectance which is the degree of the intensity of the reflected light with respect to the intensity of the irradiation light, changes.
  • the change in reflectance due to the temperature change of the heat source as a response to the stimulus signal, it is possible to identify the short-circuited part which is an example of the failure part included in the semiconductor device 100.
  • optical probing technology is also referred to as EOP (Electro Optical Probing) or EOFM (Electro-Optical Frequency Mapping).
  • EOP Electro Optical Probing
  • EOFM Electro-Optical Frequency Mapping
  • the integrated circuit is irradiated with the light emitted from the light source.
  • the reflected light reflected by the integrated circuit is detected by the optical sensor.
  • the detection signal is acquired from the optical sensor.
  • a signal component having a target frequency is selected from the acquired detection signals.
  • the amplitude energy of this signal component is displayed as the passage of time. Also, the amplitude energy is displayed as a two-dimensional mapping.
  • the tester 2 applies an electric signal having a predetermined modulation frequency to the semiconductor device 100.
  • the modulation frequency in this case may be higher than the frequency of the stimulus signal used in the analysis for identifying the heat source position.
  • the tester 2 gives a drive current having a frequency equivalent to that of the drive signal of the semiconductor device 100 as a stimulus signal.
  • the difference is firstly the mode of the stimulus signal applied to the semiconductor device 100, and secondly the processing content of the detection signal obtained in response to the stimulus signal. That is, even if the mode of analysis is different, there is almost no difference in the configuration of the analysis device 1.
  • the light source 3 generates the irradiation light L1.
  • the center wavelength of the irradiation light L1 may be 880 nm or more and 980 nm or less. When the center wavelength is 880 nm or more and 980 nm or less, the irradiation light L1 may have a band of about 20 nm.
  • the center wavelength of the irradiation light L1 may be 900 nm or more and 960 nm or less. When the center wavelength is 900 nm or more and 960 nm or less, the irradiation light L1 may have a band of about 20 nm.
  • the light source 3 may appropriately adopt a configuration capable of emitting the irradiation light L1 having the above wavelength characteristics.
  • the light source 3 may be configured by SLD (Super Luminescent Diode) or LED (Light Emitting Diode).
  • the light source 3 may be composed of an incoherent light source or the like in which a lamp light source and an optical filter such as a bandpass filter are combined.
  • the light source 3 may be a laser light source such as an LD (Laser Diode).
  • the irradiation light L1 may be CW light.
  • the irradiation light L1 may be pulsed light.
  • the irradiation light L1 output from the light source 3 is first incident on the optical system 6.
  • the optical system 6 guides the irradiation light L1 to the solid immersion lens 4.
  • the optical system 6 includes a polarizing beam splitter 61 and an objective lens 62.
  • the optical system 6 may appropriately employ an optical system product for the irradiation light L1.
  • the optical system 6 may include an optical scanner.
  • the optical scanner changes the irradiation position of the irradiation light L1 in the semiconductor device 100.
  • the optical scanner is, for example, a galvano mirror scanner, a polygon mirror scanner, a MEMS mirror scanner, or the like.
  • the optical scanner guides the irradiation light L1 to a desired position of the semiconductor device 100.
  • the irradiation light L1 output from the optical system 6 is applied to the semiconductor device 100 via the solid immersion lens 4. More specifically, the irradiation light L1 irradiates the measurement point set for the semiconductor device 100.
  • the solid immersion lens 4 has a hemispherical shape or a super hemispherical shape.
  • the solid immersion lens 4 optically adheres to the semiconductor device 100.
  • the solid immersion lens 4 irradiates the position to be analyzed on the semiconductor device 100 while condensing the irradiation light L1. Therefore, the material constituting the solid immersion lens 4 has a property of transmitting the irradiation light L1 irradiated to the semiconductor device 100.
  • the material constituting the solid immersion lens 4 has a property of transmitting the reflected light L2 emitted from the semiconductor device 100.
  • FIG. 3 shows the light transmittance of GaAs.
  • FIG. 3 also shows the light transmittance of gallium phosphide (GaP) and silicon (Si) as a comparative example.
  • the horizontal axis indicates the wavelength of light.
  • the vertical axis shows the light transmittance.
  • Graphs G3a to G3e show the light transmittance of GaAs.
  • Graph G3f shows the light transmittance of GaP.
  • Graph G3g shows the light transmittance of Si.
  • GaAs has a property of transmitting light having a wavelength longer than 850 nm. More specifically, GaAs has a band in which the light transmittance changes abruptly in relation to the light transmittance and the wavelength of light. The wavelength included in such a band is also simply called a cutoff wavelength.
  • the cutoff wavelength of GaAs exists in the range of, for example, 880 nm or more and 980 nm or less.
  • the wavelength of light changes from a short wavelength to a long wavelength side, the light transmittance rapidly increases from 0% to 80% or more.
  • the relationship between the light transmittance and the wavelength of light also changes depending on the temperature of GaAs.
  • Graphs G3a to G3e show the light transmittance when the temperatures are 0 ° C. (graph G3a), 50 ° C. (graph G3b), 100 ° C. (graph G3c), 150 ° C. (graph G3d), and 200 ° C. (graph G3e), respectively. Is shown. That is, as the temperature of GaAs increases, the cutoff wavelength at which the light transmittance changes rapidly shifts to the longer wavelength side.
  • GaP may be used as the material for the solid immersion lens.
  • the cutoff wavelength of GaP is generally included in the range of 500 nm or more and 600 nm. That is, the cutoff wavelength of GaP is shorter than the cutoff wavelength of GaAs. In other words, the cutoff wavelength of GaAs is longer than the cutoff wavelength of GaP.
  • Si may be used as the material for the solid immersion lens.
  • the cutoff wavelength of Si having a thickness that can be effectively used as a solid immersion lens is generally included in the range of 1000 nm or more and 1200 nm. That is, the cutoff wavelength of the Si immersion lens is longer than the cutoff wavelength of GaAs. In other words, the cutoff wavelength of GaAs is shorter than the cutoff wavelength of Si.
  • FIG. 4 shows the relationship between the refractive index and wavelength of GaAs, GaP and Si.
  • Graph G4a shows the refractive index of GaAs.
  • Graph G4b shows the refractive index of GaP.
  • Graph G4c shows the refractive index of Si.
  • the refractive index of GaAs is about 3.40 or more and 4.40 or less.
  • the wavelength of the incident light is 1064 nm
  • the refractive index of GaAs is 3.47.
  • the wavelength of the incident light is 940 nm
  • the refractive index of GaAs is 3.57.
  • the refractive index of GaAs is higher than, for example, the refractive index of GaP shown in the graph G4b. More specifically, in the entire range of 500 nm to 1500 nm shown on the horizontal axis of FIG. 4, the refractive index of GaAs is higher than the refractive index of GaP. For example, when the wavelength of the incident light is 780 nm, the refractive index of GaP is 3.21. Further, when the wavelength of the incident light is 670 nm, the refractive index of GaP is 3.27. Therefore, GaAs is more advantageous than GaP in improving the resolution in that it has a high refractive index.
  • the light (reflected light L2) reflected at the measurement point according to the irradiation light L1 is input to the polarization beam splitter 61 via the solid immersion lens 4 and the objective lens 62.
  • the short pass filter in the optical path of the reflected light L2
  • the infrared rays generated by the semiconductor device 100 can be shielded.
  • the light input to the polarization beam splitter 61 passes through the ⁇ / 4 plate twice. As a result, the polarization direction is tilted.
  • the reflected light whose polarization direction is tilted passes through the polarization beam splitter 61.
  • the reflected light L2 transmitted through the polarizing beam splitter 61 is input to the photodetector 5.
  • the optical system of this embodiment is a confocal optical system.
  • the optical system of this embodiment can detect the reflected light L2 from a limited focal range.
  • a pinhole may be adopted as an element constituting the confocal optical system.
  • a configuration utilizing the difference in refractive index between the core and the clad of the optical fiber may be adopted.
  • the light detection unit 5 detects the light intensity of the reflected light L2 reflected by the semiconductor device 100 according to the irradiation light L1.
  • the photodetector 5 converts the detected reflected light L2 into a detection signal which is an analog signal. Then, the light detection unit 5 outputs a detection signal.
  • the photodetector 5 is an APD (Avalanche PhotoDiode), PD (PhotoDiode), PMT (PhotoMultiplier Tube), SiPM (Silicon photomultipliers), or the like.
  • the computer 7 has a data analysis unit 71 and a control unit 72.
  • the data analysis unit 71 identifies a failure location of the semiconductor device 100.
  • the control unit 72 controls the operation of various elements constituting the analysis device 1.
  • the computer 7 physically includes a memory such as a RAM and a ROM, a processor (arithmetic circuit) such as a CPU, a communication interface, and a storage unit such as a hard disk. Examples of the computer 7 include a personal computer, a cloud server, a smart device (smartphone, tablet terminal, etc.) and the like.
  • the computer 7 functions by executing a program stored in the memory on the CPU of the computer system.
  • the data analysis unit 71 may include a processing unit according to the mode of analysis.
  • the data analysis unit 71 includes a heat source position specifying unit 71a and / or an operating frequency specifying unit 71b.
  • the heat source position specifying unit 71a performs a process for specifying the position of the heat source.
  • the operating frequency specifying unit 71b performs a process of specifying an operating position at a predetermined frequency generated in the semiconductor device as a response to the stimulating signal based on the detection signal and the stimulating signal.
  • the control unit 72 includes, for example, an optical control unit 72a and a tester control unit 72b.
  • the optical control unit 72a outputs a control signal to the light source 3 and the optical system 6. Examples of such a control signal include a signal for driving an optical scanner to scan the irradiation light L1.
  • the tester control unit 72b outputs a control signal for controlling the stimulus signal output from the tester 2 to the semiconductor device 100.
  • the analysis device 1 transmits the irradiation light L1 having a center wavelength of 880 nm or more and 980 nm or less through the solid immersion lens 4 formed of GaAs. Irradiate the device 100.
  • the irradiation light L1 having a center wavelength of 880 nm or more and 980 nm or less sufficiently transmits the semiconductor device 100 to be analyzed and formed of silicon.
  • the reflected light L2 having a light intensity capable of identifying the faulty part the refractive index of the solid immersion lens 4 formed of GaAs is higher than the refractive index of air and GaP. Therefore, the numerical aperture (NA) can be increased. As a result, the spot diameter of the irradiation light L1 can be reduced. Therefore, the resolution can be improved.
  • NA numerical aperture
  • the combination of the irradiation light L1 having a center wavelength of 880 nm or more and 980 nm or less and the solid immersion lens 4 formed by GaAs is particularly advantageous.
  • FIG. 5 shows the relationship between the wavelength of GaAs and the light transmittance, as in FIG. FIG. 5 shows an enlarged range of 890 nm to 960 nm.
  • the temperature of GaAs is 60 ° C. (graph G5a), 70 ° C. (graph G5b), 80 ° C. (graph G5c), 90 ° C. (graph G5d), 100 ° C. (graph G5e), 110 ° C. (graph), respectively.
  • the light transmittance when it is G5f) is shown.
  • the wavelength of the irradiation light L1 is 920 nm.
  • the temperature of the solid immersion lens 4 changes between 60 ° C. and 110 ° C. In this case, the light transmittance of the solid immersion lens 4 changes in the range of 5% to 70%. That is, the light transmittance of the solid immersion lens 4 changes greatly depending on the temperature of the solid immersion lens 4.
  • the irradiation light L1 and the reflected light L2 pass through not only the substrate 105 of the semiconductor device 100 but also the solid immersion lens 4. Then, the irradiation light L1 and the reflected light L2 are affected by the change in the light transmittance due to the temperature change of the solid immersion lens 4 when passing through the solid immersion lens 4. That is, the irradiation light L1 and the reflected light L2 are affected by the refractive index of the semiconductor device 100 whose temperature has changed due to the heat generated from the heat source. Further, the irradiation light L1 and the reflected light L2 are also affected by the change in the light transmittance of the solid immersion lens 4.
  • the light intensity of the reflected light L2 changes greatly due to heat generation, so that the change in reflectance also becomes large. Then, even if the temperature difference between the measurement positions is small, it appears as a large change in reflectance. Therefore, it is possible to improve the resolution with respect to temperature.
  • the center wavelength of the irradiation light L1 is included in the GaAs cutoff frequency band, the resolution with respect to temperature is improved. That is, the center frequency of the irradiation light L1 may be set to a value at which a large change in light transmittance can be obtained in a temperature range including a normal temperature and an abnormal temperature. For example, when the normal temperature is 60 ° C. and a temperature of 100 ° C. or higher is determined to be abnormal, the center wavelength may be set to 920 nm. This is because, according to such a setting, when there is a heat source in which the solid immersion lens 4 is heated to 100 ° C. or higher, a phenomenon that the reflectance is significantly lowered appears.
  • the reflected light L2 having sufficient light intensity that can be used for analysis can be obtained.
  • the irradiation light L1 and the reflected light L2 are attenuated according to the light transmittance of silicon when passing through the substrate 105.
  • Graph G6 of FIG. 6 shows the relationship between the thickness of the substrate 105 formed of silicon and the light transmittance. Further, the graph G6 shows the light transmittance when the wavelength of light is 940 nm.
  • the horizontal axis indicates the thickness of the substrate 105.
  • the vertical axis shows the light transmittance. As shown in FIG. 6, as the thickness of the substrate 105 increases, the light transmittance decreases.
  • the light transmittance is about 23%. Further, when the thickness of the substrate 105 of the semiconductor device 100 is 40 ⁇ m, it is about 48%. According to these light transmittances, it is possible to obtain reflected light L2 having light intensity that can be used for various analyzes. That is, it is not necessary to thin the substrate 105 by polishing or the like in order to obtain the reflected light L2 having sufficient light intensity. As a result, when performing failure analysis of the semiconductor device 100, additional work such as polishing of the substrate 105 becomes unnecessary. Therefore, the failure analysis can be easily performed. Further, if the substrate 105 is made thin, it becomes difficult to handle the semiconductor wafer. However, according to this embodiment, even the semiconductor device 100 having the substrate thickness often adopted can be analyzed without polishing the substrate 105. Therefore, the semiconductor wafer can be easily handled.
  • the irradiation light L1 is provided to the substrate 105 side with respect to the semiconductor device 100, and the reflected light L2 output from the substrate 105 side.
  • the configuration for detecting the light is illustrated.
  • the irradiation light L1 may be provided to the semiconductor device from the upper side (the protective layer 101 side in FIG. 2).
  • the solid immersion lens 4 is installed on the protective layer 101 of the semiconductor device 100.
  • the semiconductor device 100 may be configured to irradiate the semiconductor device 100 with inspection light from one of the upper side and the lower side, and detect electromagnetic waves from the other side.
  • the immersion lens 4 is installed on both the upper side and the lower side of the semiconductor device, respectively.
  • Analytical device semiconductor failure analysis device
  • 2 ... Tester (signal generator), 3 ... Light source, 4 ... Immersion lens, 5 ... Light detection unit, 6 ... Optical system, 7 ... Computer (analysis unit), 61 ... Polarized beam splitter, 62 ... Objective lens, 71 ... Data analysis unit, 71a ... Heat source position identification unit, 71b ... Operating frequency identification unit, 72 ... Control unit, 72a ... Optical control unit, 72b ... Tester control unit, 100 ... Semiconductor Device, L1 ... irradiation light, L2 ... reflected light.

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Abstract

半導体故障解析装置１は、半導体デバイス１００に刺激信号を印加するテスタ２と、半導体デバイス１００に照射される照射光Ｌ１を生成する光源３と、照射光Ｌ１の光路上に配置される固浸レンズ４と、反射光Ｌ２を受け、反射光Ｌ２に応じる検出信号を出力する光検出部５と、光源３と固浸レンズ４との間に配置されて固浸レンズ４を介して半導体デバイス１００に照射光Ｌ１を出射すると共に、固浸レンズ４と光検出部５との間に配置されて固浸レンズ４を介して受けた反射光Ｌ２を光検出部５に出射する光学系６と、検出信号を利用して半導体デバイス１００の故障箇所に関する情報を得るコンピュータ７と、を備える。光源３は、中心波長が８８０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下である照射光Ｌ１を出射する。固浸レンズ４は、ＧａＡｓによって形成されている。

Description

半導体故障解析装置
　本発明は、半導体故障解析装置に関する。
　半導体デバイスの微細化が進んでいる。半導体デバイスの微細化のため、半導体デバイスを製造するための露光技術及びパターニング技術の向上が望まれる。これらの技術によって製造された半導体デバイスが正常に動作するか否かを検査する技術も重要である。さらには、半導体デバイスが正常に動作しない場合には、不具合の原因を明らかにする技術も重要である。
　特許文献１、２は、半導体デバイスを検査する装置を開示する。特許文献１、２に開示された検査装置は、電気信号が与えられた半導体デバイスに光を照射する。半導体デバイスに照射された光は、半導体デバイスの状態に応じた反射光となる。そして、特許文献１、２に開示された検査装置は、反射光を利用して、半導体デバイスの動作状態に関する情報を得る。特許文献１の検査装置は、所定の周波数で動作している半導体デバイスの部位に関する情報を得る。特許文献２の検査装置は、半導体デバイスの故障箇所に生じる熱源に関する情報を得る。
特開２０１４－９２５１４号公報 国際公開第２０１６／０５６１１０号
　半導体故障解析装置の技術分野では、より微細な領域を解析するために、分解能のさらなる向上が望まれている。
　本発明は、分解能を向上させることが可能な半導体故障解析装置を提供する。
　本発明の一形態は、刺激信号に対する応答を利用して半導体デバイスが含む故障箇所を解析する半導体故障解析装置である。半導体故障解析装置は、半導体デバイスに刺激信号を印加する信号生成部と、半導体デバイスに照射される照射光を生成する光源と、照射光の光路上に配置される固浸レンズと、照射光が半導体デバイスで反射されて生成された反射光を受け、反射光に応じる検出信号を出力する光検出部と、光源と固浸レンズとの間に配置されて固浸レンズを介して半導体デバイスに照射光を出射すると共に、固浸レンズと光検出部との間に配置されて固浸レンズを介して受けた反射光を光検出部に出射する光学系と、検出信号から半導体デバイスの故障箇所に関する情報を得る解析部と、を備える。光源は、中心波長が８８０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下である照射光を出射する。固浸レンズは、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）によって形成されている。
　半導体故障解析装置は、刺激信号が与えられた半導体デバイスの故障箇所を特定する場合に、中心波長が８８０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下である照射光をガリウムヒ素によって形成された固浸レンズを介して、半導体デバイスに照射する。中心波長が８８０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下である照射光は、解析対象である半導体デバイスを十分に透過する。従って、故障箇所を特定することが可能な光強度を持った反射光を得ることができる。さらに、ガリウムヒ素によって形成された固浸レンズの屈折率は、空気の屈折率よりも高い。従って、開口数（ＮＡ）を高めることができる。その結果、照射光のスポット径を小さくすることが可能になるので、分解能を向上させることができる。
　一形態において、光源は、中心波長が９００ｎｍ以上９６０ｎｍ以下である照射光を出射してもよい。この構成によれば、分解能を好適に向上させることができる。
　一形態において、解析部は、熱源位置特定部を有してもよい。熱源位置特定部は、検出信号及び刺激信号に基づいて、刺激信号に対する応答として半導体デバイスに生じる熱源の位置を特定してもよい。この構成によれば、半導体デバイスの内部に発生した熱源の位置を特定することができる。
　一形態において、解析部は、動作周波数特定部を有してもよい。動作周波数特定部は、検出信号及び刺激信号に基づいて、刺激信号に対する応答として半導体デバイスに生じる所定の周波数で動作する位置を特定してもよい。この構成によれば、半導体デバイスに生じる所定の周波数で動作する位置を特定することができる。
　本発明によれば、分解能を向上させることが可能な半導体故障解析装置が提供される。
図１は、半導体故障解析装置の構成要素を示すブロック図である。 図２は、半導体デバイスの故障箇所を特定する手段の例を説明するための図である。 図３は、固浸レンズを構成する材料ごとに、光の波長と光透過率との関係を示すグラフである。 図４は、固浸レンズを構成する材料ごとに、光の波長と屈折率との関係を示すグラフである。 図５は、ガリウムヒ素によって形成された固浸レンズが有する光の波長と光透過率との関係を示すグラフである。 図６は、シリコンが有する光透過率を示すグラフである。
　以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１に示すように、半導体故障解析装置は、被検査体である半導体デバイス１００などの被検査体が含む故障箇所を特定する。以下の説明では、半導体故障解析装置を単に解析装置１と称する。
　半導体デバイス１００としては、例えば、トランジスタ等のＰＮジャンクションを有する集積回路（例えば、小規模集積回路（ＳＳＩ：Small　Scale　Integration）、中規模集積回路（ＭＳＩ：Medium　Scale　Integration）、大規模集積回路（ＬＳＩ：Large　Scale　Integration）、超大規模集積回路（ＶＬＳＩ：Very　Large　Scale　Integration）、超々大規模集積回路（ＵＬＳＩ：Ultra　Large　Scale　Integration）、ギガ・スケール集積回路（ＧＳＩ：Giga　Scale　Integration））、大電流用／高圧用ＭＯＳトランジスタ、バイポーラトランジスタ等のパワーデバイス、及びメモリ・ストレージデバイス等が挙げられる。
　なお、被検査体としては、固片化された半導体デバイス１００に限定されない。被検査体は、複数の半導体デバイス１００が形成されている半導体ウェハであってもよい。
　図２は、故障箇所を特定する手法を概念的に示す図である。図２に示す半導体デバイス１００は、解析装置１に配置された状態に合わせている。図２では、照射光Ｌ１を受ける面を上側にして図示している。半導体デバイス１００は、一例として、保護層１０１、配線層１０２、プロセス層１０３、絶縁層１０４、基板１０５を含む積層構造を有する。配線層１０２は、金又はアルミニウムといった金属製の配線パターンを含む。プロセス層１０３は、ＭＯＳトランジスタ１０３ａといった複数の電気的機能部を含む。基板１０５は、シリコンによって形成されている。基板１０５の厚さは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ程度である。基板１０５の厚さは、一例として８０ｎｍである。半導体デバイス１００に光を照射すると、ある層では光が透過する。また、別の層では光が反射する。例えば、基板１０５側から光を照射すると、光は、基板１０５及び絶縁層１０４を透過することがある。また、基板１０５側から光を照射すると、光は、プロセス層１０３において反射することがある。
　反射光の強度は、照射光Ｌ１の強度よりも基本的に小さい。つまり、反射光の強度は、基板１０５及び絶縁層１０４を透過する間に光が受ける要因によって減衰する。例えば、光は、基板１０５を構成する材料の光透過率の影響を受ける。また、光の強度は、光路を構成する材料の屈折率の影響を受けることもある。さらに、光の強度は、光路を構成する層に形成される電界の影響を受けることもある。そこで、入射光の強度に対する反射光の強度の割合を見かけの反射率として定義する。反射率の変化が屈折率の変化及び電界の影響を反映している。従って、反射率の分布を得ることにより、半導体デバイス１００の内部の状態を知ることができる。例えば、配線層１０２に電気抵抗値が高い箇所１０２ａが発生しており、当該箇所１０２ａにおいてジュール熱が生じていると仮定する。その結果、ジュール熱によって温度が上昇した絶縁層１０４及び基板１０５の屈折率に変化が生じた箇所１０５ａが生じる。屈折率の変化は、反射率の変化として現れる。つまり、反射率の分布を知ることにより、異常な発熱を生じている箇所の位置を特定することが可能になる。異常な発熱を生じている箇所の位置とは、故障箇所の位置である。
　再び図１を参照する。解析装置１は、テスタ２（信号生成部）と、光源３と、固浸レンズ４と、光検出部５と、光学系６と、コンピュータ７と、を有する。解析装置１は、その他の付加的な構成要素を有していてもよい。例えば、解析装置１は、半導体デバイス１００を光学系６に対して相対的に移動させるステージを有してもよい。
　テスタ２は、刺激信号を出力する。テスタ２は、半導体デバイス１００に接続されている。テスタ２は、刺激信号を半導体デバイス１００に印加する。テスタ２は、コンピュータ７から入力される制御信号に基づいて刺激信号を生成する。テスタ２は、制御信号に基づいて刺激信号の出力の開始と停止とを行う。刺激信号は、解析の態様によってその特性を決定してよい。また、電源又はパルスジェネレータ等をテスタ２として用いてもよい。
　例えば、解析の一態様は、熱源位置の特定である。熱源位置を特定する場合には、テスタ２は、刺激信号として比較的低い周波数の変調電流を与える。例えば、半導体デバイス１００の内部に短絡した箇所が含まれている場合には、変調電流に起因して短絡した箇所が発熱する。その結果、半導体デバイス１００には、熱源が生じる。変調電流に起因して発熱する熱源の温度は、変調電流の周波数に応じて周期的に変化する。温度の変化は、熱源の周囲に存在すると共に照射光及び反射光が通過する部材の屈折率に変化を及ぼす。屈折率の変化は、反射光の強度に変化をもたらす。その結果、照射光の強度に対する反射光の強度の度合いである反射率が変化する。熱源の温度変化に起因する反射率の変化を刺激信号に対する応答として利用することにより、半導体デバイス１００が含む故障箇所の一例である短絡した箇所を特定できる。
　例えば、解析の別の態様は、目的とした周波数で動作している回路位置の特定である。このような解析技術として、光プロービング技術が知られている。光プロービング技術は、ＥＯＰ（Electro　Optical　Probing）又はＥＯＦＭ（Electro-Optical　Frequency　Mapping）とも称される。光プロービング技術では、光源から出射された光を集積回路に照射する。次に、集積回路で反射された反射光を光センサで検出する。次に、光センサから検出信号を取得する。そして、取得した検出信号から、目的とする周波数を有する信号成分を選び出す。この信号成分が有する振幅エネルギーを時間的な経過として表示する。また、振幅エネルギーを２次元のマッピングとして表示する。つまり、光プロービング技術では、駆動中の半導体デバイス１００から出射される光の強度変調に基づいて、半導体デバイス１００の故障解析が行われる。そこで、テスタ２は、所定の変調周波数を有する電気信号を半導体デバイス１００に印加する。この場合の変調周波数は、熱源位置を特定する解析に用いる刺激信号の周波数よりも高くてもよい。例えば、テスタ２は、刺激信号として半導体デバイス１００の駆動信号と同等の周波数の駆動電流を与える。
　上記のように、解析の態様にはいくつか種類がある。しかし、その違いは、第１に半導体デバイス１００に印加する刺激信号の態様であり、第２に刺激信号に応じて得られる検出信号の処理内容である。つまり、解析の態様が異なったとしても、解析装置１の構成としては、おおむね相違はない。
　光源３は、照射光Ｌ１を発生する。照射光Ｌ１の中心波長は、８８０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下であってよい。中心波長が８８０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下である場合に、照射光Ｌ１は、２０ｎｍ程度の帯域を有してもよい。照射光Ｌ１の中心波長は、９００ｎｍ以上９６０ｎｍ以下であってよい。中心波長が９００ｎｍ以上９６０ｎｍ以下である場合に、照射光Ｌ１は、２０ｎｍ程度の帯域を有してもよい。
　光源３は、上記の波長特性を有する照射光Ｌ１が出射可能な構成を適宜採用してよい。例えば、光源３は、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）又はＬＥＤ（Light Emitting Diode）で構成されてもよい。また、光源３は、ランプ光源とバンドパスフィルタ等の光学フィルタを組み合わせたインコヒーレント光源等で構成されていてもよい。光源３は、ＬＤ（Laser Diode）等のレーザー光源等であってもよい。照射光Ｌ１は、ＣＷ光であってもよい。照射光Ｌ１は、パルス光であってもよい。
　光源３から出力された照射光Ｌ１は、まず、光学系６に入射される。光学系６は、照射光Ｌ１を固浸レンズ４に導く。例えば、光学系６は、偏光ビームスプリッタ６１及び対物レンズ６２を含んでいる。さらに、光学系６は、これらの他に、照射光Ｌ１のための光学系品を適宜採用してよい。例えば、光学系６は、光スキャナを含んでもよい。光スキャナは、半導体デバイス１００における照射光Ｌ１の照射位置を変更する。光スキャナは、例えば、ガルバノミラースキャナ、ポリゴンミラースキャナ、ＭＥＭＳミラースキャナなどである。光スキャナは、照射光Ｌ１を半導体デバイス１００の所望の位置に導く。光学系６から出力された照射光Ｌ１は、固浸レンズ４を介して半導体デバイス１００に照射される。より詳細には、照射光Ｌ１は半導体デバイス１００に対して設定された計測点に照射される。
　固浸レンズ４は、半球形状または超半球形状である。固浸レンズ４は、半導体デバイス１００に対して光学的に密着する。固浸レンズ４は、半導体デバイス１００における解析対象となる位置に対して照射光Ｌ１を集光しながら照射する。従って、固浸レンズ４を構成する材料は、半導体デバイス１００へ照射される照射光Ｌ１を透過する性質を有する。同様に、固浸レンズ４を構成する材料は、半導体デバイス１００から出射される反射光Ｌ２を透過する性質を有する。
　光を透過する性質を有する材料として、固浸レンズ４は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を採用する。以下、ＧａＡｓの光学的な特性としての光透過性について説明する。図３は、ＧａＡｓの光透過率を示す。また、図３には、比較例として、ガリウムリン（ＧａＰ）及びシリコン（Ｓｉ）の光透過率も併せて示す。横軸は、光の波長を示す。縦軸は光透過率を示す。グラフＧ３ａ～Ｇ３ｅは、ＧａＡｓの光透過率を示す。グラフＧ３ｆは、ＧａＰの光透過率を示す。グラフＧ３ｇは、Ｓｉの光透過率を示す。
　グラフＧ３ａ～Ｇ３ｅを参照すると、ＧａＡｓは、８５０ｎｍより長い波長の光を透過する性質を有することがわかる。さらに詳細には、ＧａＡｓは、光透過率と光の波長との関係において、光透過率が急激に変化する帯域を有する。このような帯域に含まれる波長を、単にカットオフ波長とも呼ぶ。ＧａＡｓのカットオフ波長は、例えば８８０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下の範囲に存在する。光の波長が短波長から長波長側に変化すると、光透過率は、０％から８０％以上にまで急激に増加する。さらに、光透過率と光の波長との関係は、ＧａＡｓの温度によっても変化する。グラフＧ３ａ～Ｇ３ｅは、それぞれ温度が０℃（グラフＧ３ａ）、５０℃（グラフＧ３ｂ）、１００℃（グラフＧ３ｃ）、１５０℃（グラフＧ３ｄ）、２００℃（グラフＧ３ｅ）であるときの光透過率を示す。つまり、ＧａＡｓの温度が高くなるにしたがって、光透過率が急激に変化するカットオフ波長は、長波長側に移動する。
　固浸レンズの材料として、例えば、ＧａＰが採用されることもある。グラフＧ３ｆを参照すると、ＧａＰは、５００ｎｍより長い波長の光を透過することがわかる。例えば、ＧａＰのカットオフ波長は、おおむね５００ｎｍ以上６００ｎｍの範囲に含まれる。つまり、ＧａＰのカットオフ波長は、ＧａＡｓのカットオフ波長よりも短い。換言すると、ＧａＡｓのカットオフ波長は、ＧａＰのカットオフ波長よりも長い。
　固浸レンズの材料として、例えば、Ｓｉが採用されることもある。グラフＧ３ｇを参照すると、Ｓｉは、１０００ｎｍより長い波長の光を透過することがわかる。例えば、固浸レンズとして有効に使用可能な厚さのＳｉのカットオフ波長は、おおむね１０００ｎｍ以上１２００ｎｍの範囲に含まれる。つまり、Ｓｉ固浸レンズのカットオフ波長は、ＧａＡｓのカットオフ波長よりも長い。換言すると、ＧａＡｓのカットオフ波長は、Ｓｉのカットオフ波長よりも短い。
　ＧａＡｓの別の光学的な特性である屈折率について説明する。図４は、ＧａＡｓ、ＧａＰ及びＳｉの屈折率と波長との関係を示す。グラフＧ４ａは、ＧａＡｓの屈折率を示す。グラフＧ４ｂは、ＧａＰの屈折率を示す。グラフＧ４ｃは、Ｓｉの屈折率を示す。例えば、グラフＧ４ａによれば、ＧａＡｓの屈折率は、３．４０以上４．４０以下程度である。例えば、入射される光の波長が１０６４ｎｍであるとき、ＧａＡｓの屈折率は、３．４７である。また、入射される光の波長が９４０ｎｍであるとき、ＧａＡｓの屈折率は、３．５７である。
　ＧａＡｓの屈折率は、例えば、グラフＧ４ｂに示されるＧａＰの屈折率よりも高い。より詳細には、図４の横軸に示す５００ｎｍから１５００ｎｍの範囲のすべてにおいて、ＧａＡｓの屈折率は、ＧａＰの屈折率よりも高い。例えば、入射される光の波長が７８０ｎｍであるとき、ＧａＰの屈折率は、３．２１である。また、入射される光の波長が６７０ｎｍであるとき、ＧａＰの屈折率は、３．２７である。従って、ＧａＡｓは、屈折率が高いという点でＧａＰよりも分解能の向上に有利である。
　再び図１を参照する。照射光Ｌ１に応じて計測点で反射された光（反射光Ｌ２）は、固浸レンズ４及び対物レンズ６２を経て偏光ビームスプリッタ６１に入力される。この時、反射光Ｌ２の光路にショートパスフィルタを配置することにより、半導体デバイス１００で発生した赤外線を遮光することができる。さらに、偏光ビームスプリッタ６１に入力される光は、λ／４板を二回透過する。その結果、偏光方向が傾く。偏光方向が傾いた反射光は、偏光ビームスプリッタ６１を透過する。偏光ビームスプリッタ６１を透過した反射光Ｌ２は、光検出部５に入力される。
　このように、本実施形態の光学系は、コンフォーカル光学系である。本実施形態の光学系は、限られた焦点範囲からの反射光Ｌ２が検出できる。コンフォーカル光学系を構成する要素としては、ピンホールを採用してもよい。また、コンフォーカル光学系を構成する要素として、光ファイバのコア及びクラッドの屈折率差を利用した構成を採用してもよい。
　光検出部５は、照射光Ｌ１に応じて半導体デバイス１００において反射された反射光Ｌ２の光強度などを検出する。光検出部５は、検出した反射光Ｌ２をアナログ信号である検出信号に変換する。そして、光検出部５は、検出信号を出力する。光検出部５は、ＡＰＤ（Avalanche PhotoDiode）やＰＤ（PhotoDiode）、ＰＭＴ（PhotoMultiplier Tube）、ＳｉＰＭ（Silicon photomultipliers）等である。
　コンピュータ７は、データ解析部７１と、制御部７２と、を有する。データ解析部７１は、半導体デバイス１００の故障箇所を特定する。制御部７２は、解析装置１を構成する各種要素の動作を制御する。コンピュータ７は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、ＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備える。コンピュータ７としては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。コンピュータ７は、メモリに格納されるプログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより機能する。さらに、データ解析部７１は、解析の態様に応じた処理部を含んでよい。例えば、データ解析部７１は、熱源位置特定部７１ａ及び／又は動作周波数特定部７１ｂを含む。熱源位置特定部７１ａは、熱源の位置を特定するための処理を行う。動作周波数特定部７１ｂは、検出信号及び刺激信号に基づいて、刺激信号に対する応答として半導体デバイスに生じる所定の周波数で動作する位置を特定する処理を行う。
　制御部７２は、例えば、光制御部７２ａ及びテスタ制御部７２ｂを含む。光制御部７２ａは、光源３及び光学系６に対して制御信号を出力する。このような制御信号として、例えば、照射光Ｌ１を走査するために光スキャナを駆動する信号が挙げられる。テスタ制御部７２ｂは、テスタ２から半導体デバイス１００に出力する刺激信号を制御するための制御信号を出力する。
＜作用効果＞
　解析装置１は、刺激信号が与えられた半導体デバイス１００の故障箇所を特定する場合に、中心波長が８８０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下である照射光Ｌ１をＧａＡｓによって形成された固浸レンズ４を介して、半導体デバイス１００に照射する。中心波長が８８０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下である照射光Ｌ１は、解析対象であってシリコンにより形成された半導体デバイス１００を十分に透過する。その結果、故障箇所を特定することが可能な光強度を持った反射光Ｌ２を得ることができる。さらに、ＧａＡｓによって形成された固浸レンズ４の屈折率は、空気及びＧａＰの屈折率よりも高い。従って、開口数（ＮＡ）を高めることができる。その結果、照射光Ｌ１のスポット径を小さくすることが可能になる。従って、分解能を向上させることができる。
　半導体デバイス１００に刺激信号を印加すると、刺激信号の態様に関わらずパターン配線又は電気的な機能部において発熱が生じる。そして、故障箇所では、発熱の程度が大きくなる傾向にある。このような発熱を利用する解析において、中心波長が８８０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下である照射光Ｌ１と、ＧａＡｓによって形成した固浸レンズ４と、の組み合わせは、特に有利である。
　図５は、図３と同様に、ＧａＡｓの波長と光透過率との関係を示す。図５は、８９０ｎｍから９６０ｎｍの範囲を拡大して示している。グラフＧ５ａ～Ｇ５ｆは、それぞれＧａＡｓの温度が６０℃（グラフＧ５ａ）、７０℃（グラフＧ５ｂ）、８０℃（グラフＧ５ｃ）、９０℃（グラフＧ５ｄ）、１００℃（グラフＧ５ｅ）、１１０℃（グラフＧ５ｆ）であるときの光透過率を示す。例えば、照射光Ｌ１の波長を９２０ｎｍと仮定する。さらに、固浸レンズ４の温度が６０℃から１１０℃の間で変化した場合を仮定する。この場合には、固浸レンズ４の光透過率は、５％から７０％の範囲で変化する。つまり、固浸レンズ４の光透過率は、固浸レンズ４の温度に応じて大きく変化する。
　照射光Ｌ１及び反射光Ｌ２は、半導体デバイス１００の基板１０５等だけでなく、固浸レンズ４も通る。そして、照射光Ｌ１及び反射光Ｌ２は、固浸レンズ４を通る際に、固浸レンズ４の温度変化に起因する光透過率の変化の影響を受ける。つまり、照射光Ｌ１及び反射光Ｌ２は、熱源から発せられる熱によって温度が変化した半導体デバイス１００の屈折率の影響を受ける。さらに、照射光Ｌ１及び反射光Ｌ２は、固浸レンズ４の光透過率の変化の影響も受ける。その結果、発熱によって反射光Ｌ２の光強度が大きく変化するので、反射率の変化も大きくなる。そうすると、計測位置ごとの温度の相違が僅かであっても、大きな反射率の変化として現れる。従って、温度に対する分解能を向上することが可能である。
　要するに、照射光Ｌ１の中心波長が、ＧａＡｓのカットオフ周波数の帯域に含まれているので、温度に対する分解能が向上する。つまり、照射光Ｌ１の中心周波数は、正常温度と異常温度とを包含する温度範囲において大きな光透過率の変化が得られる値に設定してよい。例えば、正常温度が６０℃であり、１００℃以上の温度を異常と判断するような場合には、中心波長を９２０ｎｍに設定してよい。このような設定によれば、固浸レンズ４が１００℃以上に加熱される熱源が存在する場合に、反射率が大幅に低下する現象が現れるからである。
　また、中心波長が８８０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下である照射光Ｌ１と、ＧａＡｓによって形成した固浸レンズ４と、の組み合わせによれば、解析に供することができる十分な光強度を有する反射光Ｌ２を得ることができる。例えば、図２に示されるように、照射光Ｌ１及び反射光Ｌ２は、基板１０５を通過するときに、シリコンの光透過率に応じて減衰する。図６のグラフＧ６は、シリコンにより形成された基板１０５の厚さと、光透過率との関係を示す。また、グラフＧ６は、光の波長が９４０ｎｍであるときの、光透過率を示す。横軸は、基板１０５の厚さを示す。縦軸は、光透過率を示す。図６に示すように、基板１０５の厚さが大きくなると、光透過率は低下する。
　例えば、半導体デバイス１００の基板１０５の厚さとしてしばしば採用される８０μｍであるとき、光透過率は２３％程度である。また、半導体デバイス１００の基板１０５の厚さが４０μｍであるとき、４８％程度である。これらの光透過率によれば、各種の解析に用いることが可能な光強度を有する反射光Ｌ２を得ることができる。つまり、十分な光強度を有する反射光Ｌ２を得るために、基板１０５を研磨などによって薄くする必要がない。その結果、半導体デバイス１００の故障解析を行う際に、基板１０５の研磨といった付加的な作業が不要になる。従って、故障解析を簡易に行うことができる。さらに、基板１０５を薄くすると半導体ウェハのハンドリングが難しくなる。しかし、本実施形態によれば、しばしば採用される基板厚さを有する半導体デバイス１００であっても、基板１０５の研磨なしに解析することができる。従って、半導体ウェハを容易に取り扱うことができる。
　以上、本発明の一形態について説明した。本発明は、上記実施形態に限定されない。
　例えば、半導体デバイス１００に対する光学系６及び固浸レンズ４の配置について、上記実施形態では半導体デバイス１００に対して基板１０５側に照射光Ｌ１を提供すると共に、基板１０５側から出力される反射光Ｌ２の検出を行う構成を例示した。例えば、半導体デバイスに対して上側（図２の保護層１０１側）から照射光Ｌ１を提供してもよい。この場合、固浸レンズ４は半導体デバイス１００の保護層１０１に設置される。あるいは、半導体デバイス１００に対して上側、下側の一方から検査光の照射、他方から電磁波の検出を行う構成としても良い。この場合、固浸レンズ４は半導体デバイスの上側、下側の両方にそれぞれ設置される。
１…解析装置（半導体故障解析装置）、２…テスタ（信号生成部）、３…光源、４…固浸レンズ、５…光検出部、６…光学系、７…コンピュータ（解析部）、６１…偏光ビームスプリッタ、６２…対物レンズ、７１…データ解析部、７１ａ…熱源位置特定部、７１ｂ…動作周波数特定部、７２…制御部、７２ａ…光制御部、７２ｂ…テスタ制御部、１００…半導体デバイス、Ｌ１…照射光、Ｌ２…反射光。

Claims (4)

  1. 　刺激信号に対する応答を利用して半導体デバイスが含む故障箇所を解析する半導体故障解析装置であって、
    　前記半導体デバイスに刺激信号を印加する信号生成部と、
    　前記半導体デバイスに照射される照射光を生成する光源と、
    　前記照射光の光路上に配置される固浸レンズと、
    　前記照射光が前記半導体デバイスで反射されて生成された反射光を受け、前記反射光に応じる検出信号を出力する光検出部と、
    　前記光源と前記固浸レンズとの間に配置されて前記固浸レンズを介して前記半導体デバイスに前記照射光を出射すると共に、前記固浸レンズと前記光検出部との間に配置されて前記固浸レンズを介して受けた前記反射光を前記光検出部に出射する光学系と、
    　前記検出信号から前記半導体デバイスの故障箇所に関する情報を得る解析部と、を備え、
    　前記光源は、中心波長が８８０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下である前記照射光を出射し、
    　前記固浸レンズは、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）によって形成されている、半導体故障解析装置。
  2. 　前記光源は、中心波長が９００ｎｍ以上９６０ｎｍ以下である前記照射光を出射する、請求項１に記載の半導体故障解析装置。
  3. 　前記解析部は、熱源位置特定部を有し、
    　前記熱源位置特定部は、前記検出信号及び前記刺激信号に基づいて、前記刺激信号に対する応答として前記半導体デバイスに生じる熱源の位置を特定する、請求項１又は２に記載の半導体故障解析装置。
  4. 　前記解析部は、動作周波数特定部を有し、
    　前記動作周波数特定部は、前記検出信号及び前記刺激信号に基づいて、前記刺激信号に対する応答として前記半導体デバイスに生じる所定の周波数で動作する位置を特定する、請求項１又は２に記載の半導体故障解析装置。
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