JPH1010209A - 電子ビームプローバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的容易かつ安価に、良品チップと不良品
チップとから放出される２次電子による電位コントラス
ト像を高速に高精度で安定して獲得する電子ビームプロ
ーバを提供する。 【解決手段】 試料ステージ上に設置された集積回路を
有する半導体チップ表面に電子ビームを照射し、照射に
より半導体チップ表面から２次電子を放出させる電子ビ
ームプローバである。試料ステージ８ａ上には、良品チ
ップ９、試料ステージ８ｂ上には、不良品チップ１０が
設置される。モータ１２によって駆動される回転体１１
は、２台の試料ステージ８ａ、８ｂの中間点を中心とし
て２台の試料台を回転させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路の
不良解析技術にて用いられる電子ビームプローバに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の製造工程で不良と判定
される製品が製造されることがある。半導体集積回路の
製造工程内および製造完了後の各種試験によって不良と
判定された製品の不良解析を実施することは、製品の品
質向上を図る上で必須である。この不良解析の一般的な
手法は次の通りである。

【０００３】まず、電気的解析によって、半導体チップ
上の集積回路内で不良が発生する原因となるポイントを
見つける。次に、エッチング処理による表面保護膜・金
属配線・層間絶縁膜等の除去や集束イオンビームによる
断面開孔を行なう。続いて、この不良が発生する原因と
なるポイントを電子顕微鏡等で観察する。これらの操作
によって、不良が発生する原因を調査する。

【０００４】ここで、最近の複雑化・大規模化された半
導体集積回路では、最初のステップである電気的解析に
よる不良発生原因となるポイントの発見が重要となる。
この電気的解析には種々の手法があるが、その手法の１
つとして、半導体集積回路のチップ表面に電子ビームを
照射し、このチップ表面から放出される２次電子のエネ
ルギを分析することで、チップ表面の配線の電圧波形や
電位分布を測定する電子ビームプローバを用いるものが
ある。

【０００５】上述のように、電子ビームプローバから得
られる情報は、集積回路の配線の電圧波形や電位分布の
情報である。このため、これらの情報が期待した値に対
して適切であるか否かを判断しなければ、あるポイント
が不良発生原因のポイントであるか否かを断定すること
はできない。

【０００６】そこで、電子ビームプローバを用いた電子
ビームプローブシステムでは、測定された電圧波形とＣ
ＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）
によりシミュレーションされた電圧波形とを比較し、故
障箇所を絞り込むガイデッドプローブ法や、良品と不良
品とのそれぞれの半導体チップ上の集積回路における配
線の電位分布を取得し、これらを比較して、故障箇所を
絞り込む方法とが開発され用いられている。

【０００７】上述の２つの方法のうち、後者の良品と不
良品との配線の電位分布を比較して故障箇所を絞り込む
方法の１つに、中村らによって日本学術振興会荷電粒子
ビームの工業への応用１３２委員会第１２８回研究会資
料ｐ．１２３（１９９４）で報告された動的故障像取得
法（ＡＦＩ：Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｆａｕｌｔ Ｉｍａ
ｇｉｎｇ）がある。この手法は、良品および不良品のそ
れぞれのチップの電位分布を示す電位コントラスト像
を、１つのディスプレイの同一箇所に交互に高速に表示
することによって良品と不良品との差の情報を得るもの
である。

【０００８】図４は、２つの電位コントラスト像と、２
つの電位コントラスト像を交互に表示することによって
得られた故障像とを示す図である。図４（ａ）は良品の
電位コントラスト像であり、図４（ｂ）は不良品の電位
コントラスト像である。図４（ｃ）は、これらの電位コ
ントラスト像から得られた故障像である。

【０００９】電位の低い箇所２１は、電位の高い箇所２
２よりも明るく表示される。良品の電位コントラスト像
と不良品の電位コントラスト像とのうちで電位に差が生
じた配線は、明度が等しい他の配線とは異なり明度が交
互に変化し、点滅して表示される箇所２３を含む故障像
が得られるよう画像処理される。これらは、容易で迅速
な不良解析を実現している。

【００１０】次に、このような動的故障像取得法を実現
するために用いられる、従来の電子ビームプローブシス
テムを説明する。

【００１１】図５は、第１の従来例としての電子ビーム
プローブシステムの全体構成を示す図である。図５
（ａ）は、第１の従来例の電子ビームプローブシステム
の構成を示す図であり、図５（ｂ）は、第１の従来例の
電子ビームプローブシステムの良・不良チップ自動切り
替えユニット７上の構成を示す図である。

【００１２】この電子ビームプローブシステムは、電子
ビームプローバ１と、ＬＳＩテスタ５と、制御用ワーク
ステーション６とから構成されるシステムである。さら
に、電子ビームプローバ１は、コンデンサレンズ２と、
対物レンズ３と、電子銃４と、良・不良チップ自動切り
替えユニット７と、試料ステージ８ａ、８ｂとから構成
され、良品チップ９と不良品チップ１０とが、それぞれ
試料ステージ８ａ、８ｂに設置される。

【００１３】電子ビームは、電子銃４から放射され、コ
ンデンサレンズ２、対物レンズ３によって集束される。
集束された電子ビームは、良・不良チップ自動切り換え
ユニット７によって矢印Ｄ２の方向に左右にスライドす
る試料ステージ８ａ、８ｂ上の良品チップ９、不良品チ
ップ１０に照射される。この際、固定された電子銃４に
よって電子ビームが照射される半導体チップは、ある時
点で、良品チップ９と不良品チップ１０とのいずれかで
ある。良・不良チップ自動切り換えユニット７が左右に
高速にスライドすることによって電子ビームが照射され
る半導体チップが交互に選択される。

【００１４】このような電子ビームの照射と同時に、良
品チップ９、不良品チップ１０には、ＬＳＩテスタ５に
よって、照射される電子ビームと同期が取られたテスト
信号が与えられる。電子ビームが照射されることによっ
て、テスト信号を与えられた集積回路の配線を持つ半導
体チップ表面からは、２次電子が放出される。この２次
電子のエネルギは分析され、分析によって得られた電位
コントラスト像は制御用ワークステーション６のディス
プレイ上に表示される。電位に差が生じた配線は、先述
の図４（ｃ）のように点滅して表示され故障像が得られ
る。

【００１５】また、図５に示したような良・不良チップ
自動切り替えユニット７を用いる代わりに、電子ビーム
プローバを２台用いることも可能である。

【００１６】図６は、第２の従来例における電子ビーム
プローブシステムの全体構成を示す図である。図５と同
様の構成部分には同様の符号を付す。

【００１７】この電子ビームプローブシステムは、電子
ビームプローバ１ａ、１ｂと、ＬＳＩテスタ５と、制御
用ワークステーション６とから構成される。また、電子
ビームプローバ１ａは、コンデンサレンズ２ａと、対物
レンズ３ａと、電子銃４ａと、試料ステージ８ａとから
構成される。試料ステージ８ａには、良品チップ９が設
置される。不良品チップ１０が設置される電子ビームプ
ローバ１ｂも電子ビームプローバ１ａと同様の構成であ
る。

【００１８】この電子ビームプローバが２台用いられて
いた電子ビームプローブシステムでは、電子ビームプロ
ーバ１ａから良品チップ９の電位コントラスト像が得ら
れ、電子ビームプローバ１ｂから不良品チップ１０の電
位コントラスト像が得られる。これらの良品・不良品チ
ップから得られる電位コントラスト像を、制御用ワーク
ステーション６のディスプレイ上の同一箇所に交互に高
速に表示することによって、良品チップと不良品チップ
との差の情報である故障像が得られる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、動的故
障像取得法を実現するために２つのシステムが考えられ
ているが、それぞれ次のような問題がある。

【００２０】図５に示される第１の従来例における電子
ビームプローブシステムでは、良・不良チップ自動切り
替えユニット７で、試料ステージを高速かつ高い位置精
度で動作させる必要がある。試料ステージの動作速度す
なわち良品チップ９と不良品チップ１０の交換速度につ
いては、１秒以下が要求される。また、試料ステージ８
ａ、８ｂの位置精度については、半導体チップ上の集積
回路の配線幅以下すなわち１．０μｍ以下の精度が要求
される。このように、高速に高精度で安定して試料ステ
ージを動作させなければ、先に図５にて示したような明
度が交互に変化し点滅する故障像は得られない。ところ
が、質量を持つ良・不良チップ自動切り替えユニット７
を、このように高速・高精度を保ちつつ安定して左右に
スライドさせることは、非常に困難である。

【００２１】また、図６に示される第２の従来例におけ
る電子ビームプローブシステムでは、良品チップと不良
品チップとを載せた試料ステージを高速・高精度で動作
させる必要はないが、電子ビームプローバを２台用いる
ことにより、システムが非常に高価なものとなる。

【００２２】本発明の目的は、比較的容易かつ安価に良
品チップと不良品チップとから放出される２次電子によ
る電位コントラスト像を高速に高精度で安定して獲得す
る電子ビームプローバを提供することである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の電子ビ
ームプローバは、試料台上に設置された集積回路を有す
る半導体チップ表面に電子ビームを照射し、照射により
半導体チップ表面から２次電子を放出させる電子ビーム
プローバであって、試料台は２台設置される。試料台の
一方には基準となる半導体チップが設置され、試料台の
他方には検査される半導体チップが設置される。

【００２４】本電子ビームプローバは、２台の試料台を
支持する支持手段と支持手段を回転させる回転駆動手段
とを含んでいる。

【００２５】本電子ビームプローバでは、回転手段によ
って回転する支持手段によって支持された、２台の試料
台の軌道上の、ある固定された点で電子ビームの照射は
行われる。

【００２６】請求項１に記載の発明によると、回転駆動
手段は、高速にかつ高精度で安定して、支持手段によっ
て支持され電子ビームが照射される２つの半導体チップ
を交換させる。これにより、比較的容易かつ安価に、基
準となる半導体チップと検査される半導体チップとから
放出される２次電子による、電位コントラスト像を高速
に高精度で安定して獲得することができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態として
の電子ビームプローブシステムを説明する。

【００２８】図１は、本発明の第１の実施の形態として
の電子ビームプローブシステムの全体構成を示す図であ
る。図１（ａ）は、本電子ビームプローブシステムの構
成を示す図であり、図１（ｂ）は、本電子ビームプロー
ブシステムの回転体１１上の構成を示す図である。

【００２９】本電子ビームプローブシステムは、電子ビ
ームプローバ１と、ＬＳＩテスタ５と、制御用ワークス
テーション６とから構成される。さらに、電子ビームプ
ローバ１は、コンデンサレンズ２と、対物レンズ３と、
電子銃４と、回転体１１と、モータ１２と、試料ステー
ジ８ａ、８ｂとを含み、良品チップ９と不良品チップ１
０とが、それぞれ試料ステージ８ａ、８ｂに設置され
る。

【００３０】電子ビームは、回転体１１の下側に設けら
れた電子銃４から放射され、コンデンサレンズ２、対物
レンズ３によって集束される。集束された電子ビーム
は、モータ１２によって駆動された回転体１１の下側に
設置された、試料ステージ８ａ、８ｂ上の良品チップ
９、不良品チップ１０に照射される。この際、固定され
た電子銃４によって電子ビームが照射される半導体チッ
プは、ある時点で、良品チップ９と不良品チップ１０と
のいずれかである。回転体１１が良品チップ９と不良品
チップ１０との中心位置を回転の中心とし矢印Ｄ１の方
向に一方向に回転することによって、電子ビームが照射
される半導体チップが交互に選択される。

【００３１】このような電子ビームの照射と同時に、良
品チップ９、不良品チップ１０には、ＬＳＩテスタ５に
よって、照射される電子ビームと同期が取られたテスト
信号が与えられる。電子ビームが照射されることによっ
て、テスト信号を与えられた集積回路の配線を持つ半導
体チップ表面からは、２次電子が放出される。この２次
電子のエネルギは分析され、分析によって得られた電位
コントラスト像は制御用ワークステーション６のディス
プレイ上に表示される。

【００３２】図２は、良品チップ９と不良品チップ１０
とにＬＳＩテスタ５によって与えられるテスト信号の例
を示す図である。テスト信号は、クロック信号とテスト
ベクタとからなる。

【００３３】テストベクタが半導体チップ（良品チップ
９・不良品チップ１０）の１ピンから４ピンに与えら
れ、クロック信号が半導体チップの５ピンに与えられ
る。ここで、テスト信号は順序をもち、クロック信号に
つけられたアドレスによってこの順序を示す。たとえ
ば、アドレス５で与えられた信号は、５番目に与えられ
た信号であることを示す。また、この時、１ピンから４
ピンに与えられるテストベクタは、それぞれ、Ｈｉｇ
ｈ、Ｌｏｗ、Ｈｉｇｈ、Ｈｉｇｈである。また、テスト
ベクタは、クロック信号に同期して変化する。クロック
信号がＨｉｇｈの間にテストベクタのＨｉｇｈ、Ｌｏｗ
を変化させることができ、クロック信号がＬｏｗの間に
はテストベクタのＨｉｇｈ、Ｌｏｗを変化させることが
できない。

【００３４】図３は、良品チップ９と不良品チップ１０
とに与えられるクロック信号と、これら半導体チップへ
の電子ビームの照射とのタイミングを示す図である。

【００３５】良品チップ９、不良品チップ１０には、１
回のテスト時間（特定のアドレスから特定のアドレスま
でをテストする時間）を試料ステージ８ａ、８ｂが回転
する周期に同期させ、無限ループのテスト信号をそれぞ
れ与え、検査するアドレスのクロック信号のみをＬｏｗ
のまま長く引き伸ばす。図３では、アドレス６のクロッ
ク信号は、期間Ａのように長く引き伸ばされている。こ
のようにクロック信号のＬｏｗの状態が引き伸ばされて
いる間は先述のテストベクトルは保持され、良品チップ
９と不良品チップ１０との集積回路の状態は変化しな
い。このようにして、特定のアドレスでの集積回路の状
態を保持する。

【００３６】この期間Ａ内に、図３に示すように、パル
ス化された電子ビームを２回照射する。１回目は図内の
タイミングＢで良品チップ９に照射し、２回目は図内の
タイミングＣで不良品チップ１０に照射する。これらの
電子ビームの照射とモータ１２の回転とＬＳＩテスタ５
によるテストとは同期させる。

【００３７】パルス化された電子ビームを良品チップ９
および不良品チップ１０表面に照射する際、電子ビーム
の照射中に、回転によってこれらのチップが移動する距
離は、検査する配線の幅より充分小さい必要がある。こ
れらを次に確認する。

【００３８】検査する配線の幅を１μｍとし、回転体１
１上の良品チップ９と不良品チップ１０との間隔（両チ
ップの中心間距離）を１００ｍｍ、試料ステージが１回
転する時間を２００μ秒、電子ビームのパルス幅を０．
２ｎ秒とする。これらの条件では、以下のような計算に
よって、電子ビーム照射中のチップの可動距離は約０．
３μｍと求められる。

【００３９】まず、良品または不良品にパルス電子ビー
ムが照射されるデューティを求める。＜電子ビーム照射
デューティ＞＝電子ビームのパルス幅／試料ステージが
１回転する時間＝０．２Ｅ−９／２００Ｅ−６＝１／１
Ｅ６。

【００４０】次に、チップが回転する円周を求め、電子
ビーム照射デューティから電子ビーム照射中のチップの
可動距離を求める。＜電子ビーム照射中のチップの可動
距離＞＝円周の長さ＊電子ビーム照射デューティ＝１０
０Ｅ−３＊π＊１／１Ｅ６≒０．３Ｅ−６。

【００４１】以上の計算により、電子ビーム照射中のチ
ップの可動距離は約０．３μｍと求められ、検査する配
線の幅１μｍより充分小さく、本発明を実現するために
必要な条件を満たしていると判断できる。

【００４２】これらのようにして高速回転させた試料ス
テージ８ａ、８ｂ上の半導体集積回路のチップにパルス
化した電子ビームを照射することで、良品チップと不良
品チップとの電位コントラスト像を交互に表示させるこ
とができる。良品チップ９と不良品チップ１０との配線
間で電位に差が生じた領域は、従来例と同様、図４
（ｃ）に示したように点滅して表示され、これを故障像
として認識することができる。

【００４３】

【発明の効果】本電子ビームプローブシステムによる
と、比較的容易かつ安価に、良品チップと不良品チップ
とから放出される２次電子による電位コントラスト像を
高速に高精度で安定して獲得することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態としての電子ビームプロ
ーブシステムの全体構成を示す図である。

【図２】 良品チップ９と不良品チップ１０とにＬＳＩ
テスタ５によって与えられるテスト信号の例を示す図で
ある。

【図３】 良品チップ９と不良品チップ１０とに与えら
れるクロック信号と、これら半導体チップへの電子ビー
ムの照射とのタイミングを示す図である。

【図４】 ２つの電位コントラスト像と、２つの電位コ
ントラスト像を交互に表示することによって得られた故
障像とを示す図である。

【図５】 第１の従来例における電子ビームプローブシ
ステムの全体構成を示す図である。

【図６】 第２の従来例における電子ビームプローブシ
ステムの全体構成を示す図である。

【符号の説明】

１ 電子ビームプローバ、２ コンデンサレンズ、３
対物レンズ、４ 電子銃、５ ＬＳＩテスタ、６ 制御
用ワークステーション、８ａ、８ｂ 試料ステージ、９
良品チップ、１０ 不良品チップ、１１ 回転体、１
２ モータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料台上に設置された集積回路を有する
   半導体チップ表面に電子ビームを照射し、前記照射によ
   り前記半導体チップ表面から２次電子を放出させる電子
   ビームプローバであって、 前記試料台は２台設置され、前記試料台の一方には基準
   となる半導体チップが設置され、前記試料台の他方には
   検査される半導体チップが設置され、 前記２台の試料台を支持する支持手段と前記支持手段を
   回転させる回転駆動手段とを含み、 前記回転手段によって回転する前記支持手段によって支
   持された、前記２台の試料台の軌道上の、ある固定され
   た点で前記電子ビームの照射が行われる、電子ビームプ
   ローバ。