JPS5976439A - 半導体装置の診断方法 - 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】 （１）発明の技術分野 本発明は半導体４ｉ　（Ｊの診断方式に関するものであ
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っている。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）は製品開発の上で棲
めて重要であるが、非常に困難に外っている。

（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
正常かどうかによって集積回路の良・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ッケ
ージの上板を除去し集積回路のチップを露出して微小先
端の金属針をチップの所要点に接触させてその′電圧を
測定することによυ不良原因の特定を行っている。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炉頂で時間がかかるとい
った問題があり、大規模が集結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
ームグローブを用いる方法が、近年、盛ム・ブロービン
グ」９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走
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次遊
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次電子の信号は太きいという性質が
ある。

従って、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）のように、細く絞
った′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）土に電圧
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（ＳＥ
Ｍ）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ップ表面の軍。

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。

しかしなが呟近年の半導体装置の大面積化、微 パターンサイズの伝細化に伴い、不良デバイスにおける
設計、プロセス等の不良原固の発見、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、チップのサイズが１０数１０．パタ
ーンサイズが２μｍといったものを対象にして、走査型
電子顕微鏡でチップ全面の写真を取った場合、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τま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゛間圧が
高く、明るいコントラストの配線は電圧が低いといった
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Ａｔ配線上に印加されているかを知ることは不可能で
ある。

かかる点に錯みて、本発明者等は、特願昭５６−１６８
８４１号「集積回路の不良解析装置」昭５６１０、２３
出願を提案した。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
１’−Ｗｔ　Ｉｃ表示して比軸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箭
合わせ並びに表示俊の比較を目ネ卵で行うため、炉頂で
時間がかがるという欠点を完全には克服するに致ってい
ない。

又、電圧の’＝−を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、試験電圧パターンを共通に印加
し、両生導体装置の出力状態の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生導
体装置に印加した状態で電子ビームによる各半導体装置
の走査を行い、該走査で得られた２次電子の検出による
電圧像を得、複数に分割された各半導体装置の領域眼位
で両生導体装置の電圧像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、該異常状幀の発生
した領域単位で、配線の電圧測定を可能としたことを特
徴とする半導体装置の診断方式（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シ
共通に試験データを供給する手段、該試験データに対す
る両生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、両生導体出力
結果の不一致を検出して、不良半清体内部の解析をｆｆ
＋（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ップをたとえば５００μｍ口で
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、！１ＩＩＩ御装詮を経
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の −Ｙステーイ勾動を行いながら正常半導体装置並びに被
診断半・・Ｙ体装置チップ全面の電圧像を取得する。そ
の取得後、両生導体装置チｙ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ッ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１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ｋｔ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に対応させておムこの座標デー
タを偏向制御装置に力えて、成子ビームを該Ａｔ配線上
に位置決めさせ、エネルギー分析器の分析ｔｉ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Ａｔ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Ａｔ配線電圧を求める。

以下、図面に従っ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をチョッ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よシミ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
調の箱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だめのシールドボッ
クスである。シールドボックス１２と、対物絞シ１５の
間にたとえば１００メツシユの金属メツシネで構成され
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、各金属メツシュの中
心並びにシールドボックスにに９１程度の円孔が設けら
れている。シールドボックス１２とエネルギー分析器１
３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によシ、ビーム拳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［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って制御装置１７に取如
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は引き出しグリッドで１〜２ＫＶの
電圧を、第２グリツド１３２はバッファグリッドで６０
〜１２０■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１ｏ又は１１から発生する０〜数１
０ｅＶ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ッドであり、このグリ
ッド１３３には一１０〜１０ｖの電圧が真空室外に設け
られた電圧コントローラ２３によって供給されている。

電圧コントローラ２３の出力指定は制御装置１７によっ
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内
部読み出しは、プリント板９のコネクタ９１゜真空室壁
面に設けられだハーメチックシール端子９２を通して複
数の信号線により行なわれる。

駆動のだめの信号はあらかじめ集積回路装置の段組時に
作成された試験データが制御装置１７の補助記憶装置２
４に格納されておシ、そのデータを制御装置１７で読み
取シ、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
立に同一め試験データが印加されるようになっている○ 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っておシ、半導体１０．１１
の出力信号の互相比較がなされ、一致。

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で制御してステッピングモータによりステップ
状に移動する。このステージ・ドライバ２６にはＹ軸並
びにＹ軸について、カウンタが設けられておシ、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の現在位置を知るととができ
る。

表示装置２７．２８は２−６×２５６８４ビツトのビデ
オラムを備え空間分解能が２５６Ｘ２５６ドツト、輝度
１６レベルの陰極管表示装置であり、制御装置１７から
該ビデオラムに書き込捷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アニー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＠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＠
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。

ことで、第２図に半導体装置１０．１１の駆動。

出力信号の比較を行うだ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１
１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ビンに対してそのデ
ータがｕＱ“、−＼１″に応じた電圧を印加する。

半導体装置１０．１１のリード・ライトビンに表われだ
電圧情報は、比較器３４に入力されわ、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、−ピンでも相違
が生じた場合、比較器３４よシ、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１７は、そ
の不一致状態の生じたときの成圧印加状聾を保持した１
＼次のステッ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直；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玉
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１０．１１の各チップ３
６．３７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。

半導体装置のチップは通指そのソケットとの位置関係は
厳密に規定されていないだめ、プリント板９に対する位
置関係も図に示すチップ３６．３７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１ｏ、１
１のチップ３６．３７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ップの回
転方向にあわせて、回転させてやる必要がある。又チッ
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
移動する際にもチップの回転、上下左右のずれを考慮し
たステージ移ωＩ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Ａｔ配線が表示装置で十分に観測できる必要
がありＸ本実線側では５ｏｏμｍ口としている。

正常半導体装置１ｏと被診断半導体装置１１のチップ内
′ｍ圧像比較について述べると、各チップ３６．３７を
５００μｍ口の領域（３６１，３６２，・・・、３７１
゜３７２、・・・）で分割し、−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２
４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１ｏ）のチップ内の隣シの領域（３６１か
ら３６２）にくるようにステージ移動する。この操作を
繰返してチップ内全領域の’ｆｌｉ’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）チップに対し同様
の処理を行う。補助記憶装置２４に格納された第３図の
半導体装置チップ３６．３７の各領域３６１、３６２．
・・・、３７１，３７２．・・・の電圧像データが、電
圧凶比軸のデータとなる。従ってチップ３６と３７の各
対応領域に対する玉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、との訪゛析に入る前にあ
らかじめ、チッ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図におけるチップ３６並びにチップ３
７の各左」−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、以下この抽圧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ｆｉ？　
１０．１　］の配ＴＩｔは概知であり又ｘ　−ｙステー
シル ８の座柳原点に対する半導体装置１０．１１も採知であ
るから、第３図における半導体装置のチップ３６．３７
も概略旭知である。従っ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（Ａｔ薄膜による例えば十
字形の）くターン）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ってくる。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口
の領域を２５６Ｘ２５６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１７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１８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点全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に読み込捷す。

これにより制御装置１７では、第３図に示す半導体装置
のチップ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。その結果チッ
プ３６に対する回転角をθ。。

そのマーク位置誤差を△ＸＯ＋△Ｙｏ、同様にチップ３
７に対する回転角をθ７．そのマーク位置誤差を△Ｘ１
．△Ｙ、とすると、それを制御装置１７の記憶装置に格
納干る。かかる情報を使用してチップ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１９の詳細を第４図（Ｃ示す。制御装置
１７からは前記チップ回転角度θ０あるいはθ、に対し
て各々Ｓｉｎθ。＋ＣｏｓθｅあるいはＳｉｎθ＋＋Ｃ
ｏｓθ、に対応したデジタルデータが信号ｆｔ１Ａ３９
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４０．４１．４２．４
３に印加される。一方、偏向制御装置１９内部に設けら
れたデジタルスキ号ＸＩＹに変換し　信号線４７．４８
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で加暑−される。

その結果、演算増巾器４９からは、 ＸＣｏ５θ。−ＹＳｊｎθ０　・・・・　・・・・・・
（１）あるいは Ｘ　Ｃｏ　３θ＋−ＹＳｉｎθ１　・・・・・・・・・
・・・・・（２）の信号が得られる。

又、演算増巾器５０からは Ｘ５ｉｎθｏ＋Ｙｃｏｓ　０６　・・・・・・・・・・
・・・・（３）あるいは Ｘ　Ｓ　ｉ　ｎθ＋＋ＹＣｏ３θ１　・・・・・・・・
・・・・・・（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、！ｌｌｌ電子ビーム走査方
向を第３図に示す該半導体チップ３６，３７の回転角θ
。、θ、に合わせて走査することを可能にする。

々お、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ギャンジェネレータ４４
の出力信号をデジタル偏向制御信号どして使用している
。制１ｉｉ１装置１７からのデジタル偏向制御信号とス
キャンジェネレータ４４からのデジタル偏向制御信号の
切換はスイッチ５３゜５４で行なわれ、この切換はｉｉ
ｉ制御装置１７から行う。デジタルスキャンジヱネレー
タ４４からは、第１図に示す信号処理回路２２に２次覗
子信号のザンブリング信号が信−号線５５に出力されて
いる。

従って第３図に示す半導体装置チップ３６を電子ど−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ΔＸｏ、△Ｙｏ　で半導体チップ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ップ内
電圧ｆオ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ップ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、各半導体チップ３６，３７の対応するチップ分割
領域の電圧像データを補助記憶装置２４から制御装置１
７に読み出し、半導体チップ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、半導体チップ３７に対する電圧像データをランダム
アクセスメモリ５，７に書き込む、ここで各ランダムア
クセスメモリ５６．５７は２５６Ｘ２５６ビノトで構成
されている。画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（５）のランダムアク
セスメモリ５６の斜線で示した２００Ｘ２００ピット領
域５６１に対して、第６図ＣＢ）〜■）に示す様に、ラ
ンダムアクセスメモリ５７の２００Ｘ２００ビツト領域
を斜線で示した５　７１．５７２．・・・、５７３の桶
に切り出して、ビッ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のビッ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、不一致ビット数の最
小の状態を求め、その時の不一致ピット数６２を制御装
置１７に送る。

制御装置１７ではこの不一致ビット数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
不一致ビットａとの比較から、第３図に示した半導体チ
ップ３６．３７の該対応領域単位で一致、不一致を判定
し、制御装ｊｉｉ１７にその判定結果を格納しておく。

上記処理を半導体チップ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７覇口
のチップサイズをもつ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の分割領域を示
している。

図中図印は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、口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から図印領域の１つを指定すると、半導体チップ
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。その結果な、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Ａｔ配線でその電圧がＯｖであるこ
とを示している。

尚、５ｖのＡｔ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図かられかる叩く、半導体装置チップ３６．
３７の対応領域の電圧像は異っている。

即ち、第８図（４）は正常な半導体装置チップ３６の前
記指定領域′電圧像を示し、（Ｂ）図は異常の認められ
た半導体装置チップ３７の対応領域電圧像を示しており
、（Ｂｊ図の■、０に示した部分の配線は囚図で認めら
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々い。

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Ａ
ｔ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、ツブを表示した表示装置例え
ば２８の画面上で、該表示装＠２８のカーソル・コンソ
ール３０を動作させ、詳細な解析を行いだい不良半導体
装置チップ３７の領域を指定したとき、ｆｔ１１．’御
装置１７はこのカーソル座標から、不良半導体装置チッ
プ３７の対応ステージアドレスを算出し、Ｘ−ｙステー
ジ８を算定アトＬ／スに移動し、その移動終了後、その
指定領域の風圧像を表示装置２７．２８に表示している
。

そこで電圧像を表示しだ、表示装置例えば２８に付ａし
たカーソル・コンソール３０で電圧測定をしだいＡｔ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１ｌＦ
−と１７Ｊ　１に対応しており、第４シーに示した偏向
制御装置１９の偏向制御データ線１７１，１７２に該座
標データとして出力され、そのとき、切換スイッチ５３
．５４を制御装置１７側に設定されている０ この操作により表示画面上から指示されたＡｔ配線上に
電子ビーム１を位置決めすることができる０ 位置決め完了後、第１図のエネルギー分析器１３の第３
グリツド１３３に制御装置１７から電圧コントローラ２
３を制御して一１０〜１０ｖの範囲でデ フＢｍＶきざみでスジノブ状に電圧を上昇し、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ｆｆｆ１７から、
６４μｓの間電子ビームｌをオンにする指令を出し、電
子ビームを該Ａｔ配線に照射する。雷、子ビームを照射
している時間、該Ａｔ配線からは、その電圧によって変
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１３３に印加された電圧をもったエネルギ
ー分析器１３を辿して二次軍１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グリツド亀圧の
全スデップにわたり繰返す。

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ＩＪ　ツド電圧Ｖｃ対二次電子信号Ｖａの関係
即ち、分析カーブが得られる。

尚、第９図にはＡｔ配線電圧がＯｖ、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Ｏ 既 先ず、Ａｔ配線電圧が珍知のＯｖと５ｖのものに対して
エネルギー分析器工３の第３グリツド電圧Ｖｃと二次電
子信号出力Ｖｓの関係即ち、分析カーブを予め測定し、
その分析カーフ゛の二次電子出力ｖ！Ｉの最大値ＶＳＭ
ＡＸ、最小値ＶＳＭＩυを求めその１／２の出力をスラ
イスレベルＶＳＬとする。このスライスレベルＶＳＬに
一致した二次電子信号出力Ｖｓを与えたときのエネルギ
ー分析２ｉ１３の第３グリツＬ′叫圧をＡｔ配線厩圧Ｏ
ｖ、５ｖに対して夫々求める。

即ち、このグリッド電圧を夫々ＶＧＯ，ＶＣ，とすると
、このＶｃｏ　、　Ｖｃ、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（ま今求め
られた未知のＡｔ配線の電圧Ｘｖに対する分析カーブよ
り、二次電子出力Ｖｓの最大値と最小値の１／２の値を
スライスレベルとし、そのときのグリッド電圧値Ｖｃｘ
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ＶＧ、、　Ｖａ、より次の演算を行う。

Ｘ　＝　Ａ　Ｘ　Ｖｃ　ｘ　−Ａ　Ｘ　Ｖａ６　＝−・
・・・・・＝”（５）Ａ＝５／　（ＶＧｙ　　Ｖｃｏ　
）　　・’＝””＝””’（６）これにより、未知のＡ
ｔ配線の電圧Ｘが求まる。

そこで、例えば、半導体装置チッ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）発明の詳細 な説明したように、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
体装董の出力に差異が出た時に、電子ビームにより両生
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、不良原因となるチップ領域の推定の後
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図のドライノくの詳細図、第３図はプリント板
に腿載された半導体装置の各チップの配置図、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図のノくターンコン・くレータの詳細図、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は峨子銃、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　−Ｖ偏向コイル、７は試料室、８はｘ　−７は
電界阻止型エネルギー分析器、１４は二次電子ス移動用
ｘ−ｙステージ、１７は制御母針簿梱。 １８はビーム舎ブランキング弓ントローラ、１９は偏向
制御装置、２０は二次成子、２２は二次重子信号処理回
路、２３は電圧コントローラ、２４は補助記憶装置、２
５は半導体装置ドライバ、２６６１　ｘ　−’Ｉステー
ジドライバ、２７．２８は表示装置。 ２ｑ、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。 滲５目 第６　目 寮７　目 （Ａノ ネβ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、両生導体装置の出力状態の比較
   により不一致を検出すると、不一致の検出された試験電
   圧パターンを両生導体装置に印加した状陣で電子ビーム
   による各半導体装置の走査を行い、該走査で得られた２
   次電子の検出による電圧像を得、複数に分割された各半
   導体装置の領域琳位で両生導体装置の電圧像を比較する
   ことにより、半導体装置の領域学位の異常状態を表示し
   、該異常状態の発生した領域学位で、配線の電圧測定を
   可能としたことを特徴とする半導体装置の診断方式。