JPH02194541A - 光プローバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、ｍｌえばレーザなどの光を用いて半導体装
置の内部の論理状態を測定する場合に用いて好適な光ブ
ローμに関する。

【従来の技術】

近年の著しい半導体装置製造技術の進歩に伴い、半導体
装置例えばＬＳＩは５益マ超高密度化、超高集積化して
きている。これに伴い、ＬＳＩの故障診断も高度に複雑
化し、ＬＳＩの内部回路の電気的状態を測定する必要が
ある。 従来、このＬＳＩの内部回路の電気的測定は、ＬＳＩの
Ａ℃配線パターンに金属探針を接触させて行なっていた
。 しかし、この方法は、ＬＳＩ（７）ｆｓｉ細化に伴い。 ■ＬＳＩのＡ４配線に対して精度良く機樺的接触をする
ことが困難である、■金属探針の有する８址のため測定
制度が劣化する、■触針することによりＡ（配線あるい
は内部回路を破壊し、てしまう、等という欠点があった
。 このような間払に対し、走査型電子顕微鏡を応用した電
子ビームテスタが開発され、実用化されている。これは
、真空の試料室内のＬＳＩ表面に数ｋＶに加速した電子
ビームを照射し、Ｌｉ表面から放射される二次電子を検
出し、これを二次電子像あるいは内部波形として観察す
るものであり、ＬＳＩの＠細化に対応できる特長を有し
ている。 しかし、この方法の場合には、■試料室を真空にする必
要があるため、測定に時間を要し、非効率的である、■
ＬＳＩ表面に電子ビームを照射するため、電子ビームに
よる損傷によりＬＳＩあるいはＬＳＩを構成するトラン
ジスタ素子が特性変動する、■装置が高価である、等の
問題かある。 欠点を除去するものとしては、大気中でＬＳＩ表面にレ
ーザ光を照射し、ＬＳＩ基板内で発生ずる光励起電流を
検出し、ＬＳＩ内部の状態を非接触で解析する方法が提
案されている（永瀬＝「ルーサ走査型デバイス解析シス
テムＪ電子通信学会半導体ｌ・ランジスタ研究会資料、
　５ＳＤ７９−５６゜また、雑誌［電子材料Ｊ　１９１
３６，３　　Ｐ１５５〜Ｐ１６１、特公昭５１−３８２
２５、特公昭６３−３９０９９、ＵＳＰ２，８０５，３
４７、ＵＳＰ２，６７７．１０６、ｕｓＰ３．７４５．
４５４参照）。 この方法によりＬＳＩ内部のトランジスタの論理状態を
解析できる原理を第４図及び第５図を参照しながら以下
説明する。 以下の説明はｃｓｏｓのインバータを例にとった場合で
あり、第４図に示すようにＮ形基板１、Ｐ形つェル２の
場合である。 同図において、左側部分はｎチャンネルトランジスタ、
右側部分はｎチャンネルトランジスタで、３及び６はソ
ース領域、４及び７はドレイン領域、５は基板電位コン
タクト、８はウェル電位コンタクトである。　Ｖｃｃは
電源電圧、Ｇｌｆｌ）はアース端子である。また、ｖ９
は入力電圧である。 第４図Ａ及びＢに示すように、ループ９をｎチャンネル
トランジスタのドレイン領ｊ！Ａ７に照射すると、レー
ザ９の波長が半導体の吸収端よりも短ければ光吸収が起
き、そこで電子正孔対か生成される。半導体がシリコン
で、レーザ９がＡ「レーザ（４８８ｒ＋１）の場合、ル
ープ９か侵入する深さは約ＩＡｔになる。 正孔はドレイン領域では少数キャリアなので、トレイン
領域７内で生成された電子正孔対のうち正孔はドレイン
領域７内の正孔の濃度分布に勾配を生じさせる。このた
め、正孔は拡散し、その中の大部分はトレイン領域７の
境界のＰＮ接合に達する。ＰＭ接合には、第５図に示す
ようなポテンシャル分布があり、これにより正孔はドレ
イン領域７め外に加速される６電子は多数キャリアなの
でほとんど拡散しない。 一方、Ｐウェル２では電子が少数キャリアなのでドレイ
ン領域の下のＰウェル２で生成された電子正孔対のうち
、電子はＰウェル２内の電子濃度分布に勾配を生じる。 そこで、電子は拡散して、やはり大部分がトレイン領域
７の境界のＰＮ接合に達し、前記と同様のポテンシャル
分布によりドレイン領域７内に加速される。この結果、
トレイン領域７内はマイナスに荷電し、Ｐウェル２内は
プラスに荷電する。したかって、ドレイン領域７内及び
Ｐウェル２内のそれぞれに電位の分布が生じ、電流が流
りようとする。 ここで、例えば、第４図Ａに示すように、ｃＨｏｓイン
バータの入力電圧旬かハイレベルであった場合、ｎチャ
ンネルトランジスタはオン、Ｐチャンネルトランジスタ
はオフであるので、ドレイン領ｉ！Ａ７からは矢線１０
のように電流が流れる。また、Ｐウェル２では矢線１１
のように電流か流れる。これら２つの電流はループの中
で閉じてしまうのでキャンセルされてしまう、したがっ
て、ＬＳＩの外にはこの電流は流れ出さない。 逆に、第４図Ｂに示すようにＣＭＯＳインバータの入力
電圧ＶＱがローレベルであった場き、ｎチャンネルトラ
ンジスタはオフ、Ｐチャンネルトランジスタはオンであ
るので、トレイン領域７からは矢線１２のように電流が
流れる。Ｐウェル２内の電流の流れは、第４図Ａの場合
と同じであるので、ＬＳＩの外に光励起電流が流れ出す
ことになる。 Ｐチャンネルトランジスタのドレイン領域４でらレーザ
照射により同様のことが起きることは容易に推察される
。 以上のことから、ドレイン領域４．７にレーザを照射し
てそのときのＬＳＩの電源電流の変化を検出することに
より、レーザを照射した部位のトランジスタの論理状態
を知ることができる。 以上はＣ＋＜ＯＳデバイスの場合であるが、ＮＨＯ３、
バイボーラなどの他の構造のデバイスの場合にも同機の
原理により光照射によりその内部回路の論理状態を知る
ことができる。

【発明が解決しようとする課趙】

以上のように、ＬＳＩにおいて、Ｃｌ４０Ｓデバイスで
はドレインに、バイポーラでは負荷抵抗を＃：枕した端
子に光を照射したときに電ａ電流の変化として光励起電
流の測定をすることができる。 ところが、光励起Ｚ　ａは、これらドレインなど以外の
部位にレーザ光を照射したときにも、半導体装置の電源
ビンから外に光励起電流が流れ出す。 例えば、第６図に示すように、レーザをＣＨＯ３のＰウ
ェル２に照射した場合、Ｐウェル２の中では電子が少数
キャリアなので、電子が四方バカに拡散する。レーザの
照射点から見ると、Ｐウェル２の境界は、はぼ半球面に
見え、ウェルコンタクト８、トレイン領域７、ソース領
域６は非常に小さい立体角になる。そこで、拡散した電
子の大部分はＰウェル２の境界のＰ／′Ｎ接合に達し、
Ｐ／Ｎ接合でＮ基板１の方向に加速されて、Ｎ基板１に
入る。 この結果、Ｐウェル２内はプラスに荷電し、Ｎ基板１内
はマイナスに荷電されて、電流は矢線１３，１４のよう
に流れる。したがって、光励起電流は半導体装置の外に
流れ出す、これは、レーザを照射した部位の近傍のトラ
ンジスタの論理状態にはまったく間係ない、つまり、ゲ
ート入力電圧ｖｇが、ハイレベルであっても、ローレベ
ルであっても、まったく同様に生じる。 同じことは、Ｎ基板】にレーザを照射したときにも生じ
る。ただし、Ｎ基板１の場合は、レーザ照射点がＰ　／
　Ｎ接合で囲まれているわけではないので、Ｐウェル２
との境界から遠くなると、正孔が拡散してもＰ／Ｎ接合
に達しなくなるので、Ｐウェル２との境界でのみ、光励
起電流は観察される。 また、ツインタブ構造の場合は、Ｎウェルに照射した場
合も、Ｐウェルに照射したのと同様に光励起電流が流れ
る。 ところで、半導体装置の良、不良を判定する場合、光励
起電流１象が用いられる。この光励起電流像は、次のよ
うにして得る。 先ず、テストパターン信号のハイレベル、ローレベルの
各ステートにおいて、所定範囲の測定領域をレーザで走
査する。この領域内の、レーザの分解能で定まる数の各
測定点での光励起電流による電源電流変化を測定データ
として得、これを、所定のスレッショールド値で以て２
値化する。各測定点での２値化したデータを、光照射位
置に合わせて、デイスプレィに例えば、特定の色で表示
する。これを、測定領域の全ての測定点について表示し
、光励起電流像を得る。 ２＠化せずに、測定データを明暗のレベルデータとして
も良い、また、平滑したり、小さい塊の部分を消去する
ことにより見易くすることもできる。 光励起電流像は、各ステート毎に１枚得られることにな
る。そこで、ハイレベルのステートと、ローレベルのス
テートの光励起電流像の、例えばドレインの郡部のレー
ザ光照射位置を見れば、正しく動作しているか否かの判
定ができる。 また、良品のＬＳＩで同様の測定を行なっておいて、同
一のステートに置ける光励起電流像を比較して、良、不
良の判定を行なうことかできる。 ところで、前述したように、ＣＭＯＳデバイスのドレイ
ンやバイポーラの負荷抵抗の接続端では、ステート毎に
光励起電流は流れ出したり、流れ出さなかったりして変
化するが、Ｐウェル２やＮ基板１の部分ではステートが
変化しても光励起電流は常に外部に流れ出すので変化し
ない。 ところが、Ｎ基板１やＰウェル２は、ドレイン領域など
よりも面積が大きい場所が多い、このため、ステート変
化に伴うロジック変化により、光励起電流の外部への流
出が変化するトレイン領域の像は、表示されている光励
起電流像内において、１１１ｆ；に面積的に小さい部分
となってしまう、したがって、このような部分の解析を
行なう場合に、非常に見づらいという欠点があった。 また、変化している部分を見るため、ステートのことな
る２つの像、または、良品と被検査半導体装置の特定の
同一ステートの２つの像を比較する場合、２つの像の中
の各部分を代わる代わる見なければならず、検査に長時
間を要すると共に、オペレータに集中力を強いることに
なり、非常に疲労するという欠点があった。 この発明は、以上の点に鑑み一光励起電流像を用いて、
半導体装置の良、不良の検査、判定を行なう場合に、短
時間で、しかも楽に行なうことができるようにした光グ
ローμを提供しようとするものである。

【課双を解決するための手段】

この発明による光グローμは、 半導体装置に光を照射することにより上記半導体装置に
生じる光励起電流の変化を測定するものにおいて、 第１及び第２の光励起電流像の比較を行ない、第１の像
に有って、第２の像に無いパターンは第１の色で表示し
、第２の像に有って、第１の像に無いパターンは第２の
色で表示し、第１の像と第２の像とで同一のパターンの
部分は像として表示しないようにする。

【作用】

２つの光励起電流像の変化のない部分は、表示されない
ので、変化する部分が非常に見易くなる。 しかも、その変化部分は、２つの１象のどちらの像特有
のものであるかは、像の色を見ることにより判るので、
不良解析等が非常に短時間に、かつ、容易に行なえるも
のである。

【実施例） この発明による光グローμの一実施例を図を参照しなが
ら以下説明する。 第１図は光グローμの全体の構成を示す図で、この例に
おいては、被検査半導体装置３０１１にレーザ・ビーム
を走査しながら集光、照射するためのレーザ光学系４０
と、半導体装置３０を測定位置に固定すると共にテスト
パターンを与えるための信号線を接続する半導体装置フ
ィックスチャ３１と、半導体装置３０に電源電圧を与え
る電ａ装置５１と、この電源装置５１と半導体装置３０
の電源ビンとの間の電源ライン５２の途中に設けられて
電源電流の変化を検出する光励起電流検出回路６０と、
装置全体をコシＩ・ロールし、また、測定した光励起電
流のデータを加工し、表示するコントローラ７０を具備
する。 コン）〜ローラ７０は、ＣＰＵ７１と、記憶装置７２と
、？５７−クニリア用のメモリ７３と、光学系コントロ
ーニー＞７４と、Ｘ−Ｙステージコントローラ７５と、
タイミング信号発生回路７６と、半導体装置電源コント
ローラ７７と、デイスプレィコントローラ７８と、デイ
スプレィ７９とからなる９ ４１はレーザ光源であり、この例ではＡｒレーザが用い
られる。　Ａｒレーザは比較的短波長であるので１　ｐ
Ｉｌの径に集光することができ、微細化したＬＳＩなど
にも対応することができる。このレーザ光源からのレー
ザ光は、レーザ光学系４０に入射する。 し−ザ光字系４０に入射したレーザ光は光変調手段この
ｒ！ｌｊでは音響光学変調素子４２により強度制御及び
オン、オフ制御がなされる。 変調素子４２からのオンの時のレーザ光８７は、互いに
直交するＸ方向及びＹ方向偏向用の音響光学変調素子４
３．４４に順次入射する。音響光学変調素子４３．４４
は、コントローラ７０の光学系コントローラ７４により
制御され、レーザビームかそれぞれ所定の走査幅でＸ方
向及びＹ方向に１湧向される。 偏向素子４３．４４を通ったレーザ光は、Ｘ−Ｙステー
ジ４５に載置された対物レンズ４６により集光され、半
導体装置３０上にレーザ光が照射される。 この場合、Ｘ−Ｙステージ４５の上に載置された対物レ
ンズ４６とミラー光学系とにより半導体装置３０全体に
レーザビームを照射できるようにされている。 Ｅｌ−Ｙ光学系４５は、コントローラ７０のＸ−Ｙステ
ージコントローラ７５により偏向素子４３．４４の偏向
制御に対応して制御される。 ここで、対物レンズ４Ｇとして５０倍のレンズを使用し
た場合、半導体装置３０でのレーザの走査領域は２５６
　ｍ＋角であり、レーザスポット径及びレーザ照射位置
分解能は１司である。 半導体装置３０はゼロインサーションフォースソケット
等のソケット３２が用いられてパフォーマンスポード３
３に装着されている。パフォーマンスボ−ド３３はポゴ
ピン（図示せず）を介してフィックスチャ３１に接続さ
れζいる。 そして、このフィックスチャ３１には、同軸ケーブル５
３を介してテストパターン信号ＴＰがテストパターン信
号発生手段５４から供給される。このテストパターン信
号発生手段５４はパターンジェネレータやＬＳＩテスタ
を用いることかできる。この例では、専用のフィックス
チャ３１を用いているが、ＬＳＩテスタ等のテストヘッ
ドを直接、Ｉｔ内に載置し測定を行なうことができるこ
とはいうまでもない。 電源装置５１はリヅブルの少ない安定化電源で構成され
、電ａ電圧が半導体装置３０に供給される。 電源袋″［５１は、可変電圧電源であることが望ましく
、この例ではコントローラ７０によりこの電源装置５１
の出力電圧がコントロールできるようにされている。 電源装置５１と半導体装置３０の電源ビンとの間の電源
ライン５２中に挿入された光励起電流検出回路６０は、
この例では第２図に示すように構成される。 すなわち、電源装置５１の電源出力端子６１と、半導体
装置３０の電源ビン６２との間には電流検出素子が設け
られる。この電流検出素子としては、抵抗負荷を用いる
ことができる。しかし、この例では、特に後述のような
利点を考慮して、この電流検出素子としてパルストラン
ス６３が接続される。このパルストランス６３は、レー
ザ光をオン、オフする周波数である数十ＭＨｚでは所定
のインピーダンス例えば５０Ω程度を有し、これより低
い周波数ではインピーダンスが十分低くなるように設定
されている。つまり、ＤＣ（直流）〜数ＭＨｚの周波数
領域では、このパルストランス６３で電圧降下は生じな
い、したがって、半導体ａｘ３ｏにテストパターン信号
発生回路５４からテストパターン信号ＴＰが供給され、
このテストパターン信号ＴＰの各ステート毎に半導体装
置３０内の消費電流が変化しても、パルストランス６３
では電圧降下は生じないから電源ビン６２の電圧は半導
体装置３０の内部の消費電流の変化に関係なくほぼ一定
となり、半導体装置３０が電圧降下により誤動作すると
いうことはない。 一方、半導体装置３０には変調素子４２において数十１
４Ｈ２でオン２オフスイツチングされるレーザ光が照射
されるので、このレーザ光照射のタイミング（オンのタ
イミング）で光励起電流が生じる。 したがって、パルストランス６３には、この光励起電流
の有無に応じて変化する電圧が得られる。このパルスト
ランス６３に生じた電圧は結合コンデンサ６４を介して
バンドパスフィルタ６５に供給される。 このバンドパスフィルタ６５は、変調素子４２における
し一す光のオン、オフのスイ・ソチング周波数である数
＋Ｈｔｌｚを通過帯域とするものである。したかっ−Ｃ
５このバンドパスフィルタ６５では、テストパターン信
号ＴＰの周波数成分や、基板電圧による電源電流変動分
は除去されて２これよりは光励起電流の有無に応して変
化する電圧のみが得られる。 この光励起電流に応した検出出力信号は、高利得の高周
波アンプ６６を介してＡ／Ｄコンバータ６７に供給され
る。このＡ、／Ｄコンバータ６７には、コントローラ７
０のタイミング信号発生回路７６がら、レーザ照射によ
り光励起電流が発生するタイミングと、後述するように
して同期が取られたガンプリングパルスＳＰＣが供給さ
れ、このサンプリングパルスＳＰＣによりアンプ６６の
出力がサンプリングされ、各サンプリング値がデジタル
信号に変換される４サンプリングタイミングは光照射と
同期が取られているので、光照射により光励起電流が生
じ、電源Ｔｏａが変化したタイミングで、Ａ／Ｄコンバ
ータ６７ではデータがサンプリングされ、デジタル化さ
れるものである。このデジタル信号はコントローラ７０
のワークエリア用のメモリ７３に取り込まれる。 以上のようにして測定された光励起電流は、メモリ７３
に取り込まれたデータに基づいてコントローラ７０のデ
イスプレィ７９に、タイミングチャートあるいは光励起
電流像として表示される。 そして、これと例えばＬＳＩ設計ＣＡＤから出力された
シミュレーションデータと比較したり、良品の半導体装
置と不良品の半導体装置について測定したデータを比較
して不良箇所を探す。 光励起電流像は、半導体装置の表面をレーザで走査した
とき、その各走査位置での光励起電流を測定し、その測
定データをデイスプレィ７９で各走査位置に対応させて
表示することにより得る。光励起電流像は、測定データ
を多値の値で表示することも可能であり、また、所定の
ス１／ツショールド値を定めて２＠化した後、これを表
示することらできる。平滑しなり、小さい塊の部分を消
去することにより、像を見易くすることもできる。 この例の場合には、レーザ光の】回の走査可能範囲は、
分解能１」で、２５６声ｍ角であるので、１回の走査で
２５６　ｘ２５６ボイシト き、各測定点においてテストパターン信号の例えば１０
ステート分め測定がなされ、各測定点の各ステートでの
測定テ゛−夕かメモリ７３に書き込まれる。 そして、同一ステートの２５６　×２５６ポイントのデ
ータが、この例ではそれぞれ２＠化され、例えは、光励
起電流による電′ａ電流変化を検出したときデータｒ　
、Ｉ　Ｊとして、例えば所定の色でその測定点に対応す
るデイスプレィ位置に表示する。 この場合、光励起電流像は、各ステートごとにえられる
から、この例では１０枚得られることになる。 この１０枚の光励起＠流像を用いて、被検査物が正しく
ロジック動作しているか否かを検査する場合、テストパ
ターン信号のハイレベルのステートの像と、ローレベル
のステートの像との、２枚の像を比較することで行われ
るが、この例では、次のようにして２枚の像が処理され
て検査が行われる。 第３図は、この処理のフローチャートで、ＣＰｔ．＋７
１の処理により次のように実行される。 先ず、メモリ７３からは、比較しようとする第１及び第
２の光励起電流像の２枚の像の対応する表示位置（検査
測定点位置）の２値データか順次読み出され、それら２
つのデータの差か取られて、比較が行われ（ステップ１
０１）、そのデータ間に差かあるかないか判別される（
ステップ１０２）。 データ間に差がなければ、その測定点に対する表示は行
なわない（ステップ１０３　）　、つまり、ブランキン
グする、あるいは、その位置の表示出力を背景色と同一
とする。 次に、データ間に差かあれば、どちらの像のデータか例
えばｒｌ，であるかにより、第１の像にあって、第２の
像に無い部分か、よなは、第２の像にあって、第１の像
に無い部分かか判別される（ステップ１０４）。第１の
ｆ象にあって、第２の像に無い部分と判別されると、赤
色によってその測定点の１象か表示される（ステップ１
０５）。逆に、第２の像にあって、第１の像に無い部分
と判別されると、緑色によってその測定点の１象が表示
される（ステップ１０６）。 次に、その比較測定へが走査領域の践後の測定点である
か否か判別さｉ（ステップ１０７　）　、　最後でなｃ
すればステップ＋０１に戻って次の測定点について、以
上の動作が繰り返され、最後の測定点であれは、終了す
る。 以上によりデイスプレィ７９には、第１の像と第２の像
とで同じ部分は消去され、ことなる部分のみが表示され
る．しかも、第１の像の部分は赤色、第２の僅の部分は
緑色と、異なる色で表示さｔ？．る。 したがって、ロジック解析が容易にできる。 以上は１つの半導体装置について測定したテストパター
ンの異なる２つのステートの光励起電流像を比較する場
合であるが、良品の半導体装置と被検査半導体装置とを
、テストパターン信号の同一ステートに置ける光励起電
流像において比較する場合にも同様に処理することによ
って、不良解析が容易にできる．また、不良箇所の表示
に限らず、異なる情報部位のカラー表示なども可能にな
る。 なお、以上の例では、光変調素子として、音響光学変調
素子を用いたが、これに限られるものではないことはい
うまでもない。 また、以上の例ではレーザの走査手段として、音響光学
偏向素子を用いたが、カルバノミラーや、ポリゴンミラ
ーを用いても良いし、また、これらの走査手段を組み合
わせたらのを用いても良い。 また、レーザ光源として各種の異なる波長のレーザ光源
を用いることにより半導体装置の深さ方向の解析が行な
えることはいうまでもない。

【発明の効果】

この発明によれば、２つの光励起電流像を比較して、半
導体装置の検査を行なう場合に、２つの像の同じ部分は
表示せず、異なる部分のみを表示し、かつ、その異なる
部分も、どちらの作にあって、どちらの像に無い部分で
あるかを、色を異ならせることによって識別できるよう
にしたので、検査、判定、不良部分解析などが容易に行
なえるものである。したがって、オペレータは、２つの
像を比較するとき、従来のように逐−異なる部分を見比
べるなどの作業が必要なくなり、作業効率の向上が期待
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による光ブローピンク方法が適応され
た半導体装置の検査装置の一実施例のブロフク図、第２
図は第１図例の一部回路の一例の回路図、第３図は２つ
の像の比較を行なう場合の説明のためのフローチャート
、第４図〜第６図は半導体装置の光励起電流の発生を説
明するための図である。 ３０；半導体装置　　　　４０；レーザ光学系４１；レ
ーザ光源　　　　４２：光強度変調素子４３；光偏向素
子　　　　　５１；電源装置５２；電源ライン ５４；テストパターン信号発生手段 ６０、光励起電流検出回路 ７４；光学系コントローラ ７６；タイミング信号発生回路 ｓｐｃ　：サンプリングクロンク ＬＡＣ；レーザ・タイミングクロック ＴＰＣ；テストパターン発生クロック ＨＯ；光モニタ信号

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体装置に光を照射することにより上記半導体装置に
   生じる光励起電流の変化を測定する光プローバにおいて
   、 第１及び第２の光励起電流像の比較を行ない、第１の像
   にあって、第２の像に無いパターンは第１の色で表示し
   、第２の像に有って、第１の像に無いパターンは第２の
   色で表示し、第１の像と第２の像とで同一のパターンの
   部分は像として表示しないようにした光プローバ。