JPS5976441A - 集積回路の診断装置 - 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、電子ビームを用いて集積回路の診断を行う装
置に係シ、特に、診断用入力データ列によって駆動され
ていく集積回路の診断装置に関する。

（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
ととにあるかを明らかにすること）は製品開発の上で極
めて重要であるが、非常に困難になっている、 上記診断を行う従来周知の集積回路試験装置では■集積
回路に種々の診断用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ンケージの
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
ることにより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
、空間的な分解能も不十分で炉頂で時間がかかるといつ
た問題があり、大規模な集積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・プローブを用いる方法が近年盛んに研究開発さ
れてきた。その詳細は、古川、後層、稲垣著「ＬＳＩの
診断に威力を発揮する電子ビーム・ブロービング」。

日経エレクトロニツク、　１９８２年３月１５日号。

ＰＰ、１７２−２０１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九
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次電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
の信号は大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２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上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ＳＥＭの電圧コントラスト像としてよ
く知られている。

一方、電子ビーム照射された集積回路から放出される２
次電子のエネルギーは表面の電圧によって変化する。こ
の２次電子のエネルギーをエネルギー分析器によｐ分析
すると、表面電圧が高いは、ど２次電子のエネルギーが
小さく表っている。

従って、集積回路のチップ表面の所要点に電子ビームを
位置決めし、２次電子のエネルギー分析を行うことによ
り、その電圧を非接触で測定することができる。

前記の、■２つの方法を用いれば、集積回路のチップ表
面の電圧状態を２次元的に把握でき、さらに所要点の電
圧測定も可能であることから、集積回路の診断に有力な
武器となる。

しかしながら、非常に大規模な集積回路の診断を行う場
合、外部入出力ピンからの機能試験のために必要とされ
る診断用入力データ列は莫大なものになり、なお、すべ
てを尽すことはできない。このため、集積回路の実装時
に不良が発見される場合も少なくない。

また、機能試験のための診断用データが完全なものでは
々いことか呟この試験で発見される不良状態は集積回路
が誤動作を起こした時点の状態を示しているとは限らな
い。

そこで、不良箇所や不良原因の特定などを目的とする診
断には、集積回路の障害発生箇所を適確に把握できるよ
うな診断装置が望まれている。

（３）　　従来技術と問題点 従来、電子ビームによシ集積回路の診断を行う装置には
、集積回路の外部入出力ピンを使用して、前記機能試験
による異常状態の認められた診断用入力データで集積回
路を駆動しておき、この状態で集積回路各部の電圧像を
表示し、電圧測定を行っていた。又、他の診断装置では
、集積回路を高速に周期駆動して、１周期の電圧波形を
求めるもの（例えばストロボ走査譲子顕微鏡）があった
。

前者では、集積回路の電圧像や診断ノード点の高精度電
圧測定が比較的短時間に行えるが、外部入出力ピンに現
われた異常状態という特定の状態にある集積回路しか扱
えない。

このため、機能試験用の入力データの不完全さからおこ
る外部入出力ピンに現われない集積回路の誤動作状況を
的確に把握できず、不良半導体素子の特定や不良原因の
解明は困難になりがちであった。

後者では、周期動作を行っている集積回路の診断ノード
点電圧を高時間分解能で求めることができるが、集積回
路の高速周期駆動を必要とし、測定時Ｉ！すが長く、又
、測定可能な時間範囲が短い、などの欠点があった。

（初　発明の目的 本発明は、前述のような欠点に鑑みて、周期的な駆動が
不要で、長いシーケンスの入力データ列により駆動され
る集積回路の診断ノード点の電圧変化を測定し把握する
ことが可能である集積回路の診断装置を提供、しようと
するものである。

（５）発明の構成 本発明は上記目的を達成するために、集積回路を駆動す
るための駆動回路と、該駆動回路に信号を与えるだめの
入力データ列を記憶している記憶装置および電子ビーム
照射を行う光学鏡筒を備えた電子ビー・ム装置において
、該集積回路内の複数個の診断ノード点の座標を記憶し
ておく記憶装置を設け、前記入力データにより該集積回
路を駆動するたびに駆動された集積回路の診断ノード点
に逐次電子ビームを照射して該診断ノード点の電圧を測
定し、表示する機能を設けたことを１４徴とする集積回
路の診断装置であり、診断ノード点からの２次電子のエ
ネルギーを分析するためのエネルギー分析器と、このエ
ネルギー分析の結果より集積回路の電圧を算定する機能
を設けている。又、集積回路の２次電子像を求めるだめ
の専用の電子ビーム・フレーム走査信号発生回路と、画
像データ記憶装置と、画像表示装置および該画像表示装
置上で任意のノード点の画像上の座標を入力させる機能
を設けており、測定された各診断ノード点の電圧を、集
積回路の入力データに対して順次電圧マツプとしてグラ
フ表示する。

更には、主要ノード点の入力データに対応した標準電圧
値を記憶しておく記憶装置と、これを主要ノード点の電
圧マツプと対応した形式でグラフ表示させる。

（６）発明の実施例 次に本発明の１実施例を第１図に基づいて説明する。

診断すべき集積回路３は、電子光学鏡筒１の試料室内に
設けられた試料ステージ４上に搭載される。電子ビーム
１−５の照射をうける集積回路３からの２次電子１−６
は、エネルギー分析器２を通って、２次電子検知器１−
７で２次軍子信号Ｓに変換され、増幅器５を経て、ＡＤ
変換器６あるいはＡＤ変換器７によシデジタルデータに
変換される。

エネルギー分析器２の分析電圧Ｖａは制御回路８からの
デジタルデータによりＤＡ変換器９を経由して与えられ
る。集積回路３の駆動は、補助記憶装置１０に記憶され
ている診断用入力データ列によシ、駆動回路１１を通し
て行う。試料ステージ４の移動は、制御回路８から出さ
れるステージ移動データに基づいて、ステージ駆動回路
】２により行われる。

電子ビーム１−５の位買決めは、制御回路８廿たは記憶
装置１３よりだされる偏向信号１４．１５によりＤＡ変
換器１６を介して行う。

また、専用の走査信号発生回路１７の制御の下に、フレ
ーム走査信号１７−１による電子ビーム１−５のフレー
ム走査、フレームメモリ１８への２次電子信号データの
記憶、ビデオラム】９へのフレームメモリデータの転送
などを行うことにより、表示装置２０に２次電子画像が
表示される。表示装置２０上には、マーク移動回路によ
り自由に移動可能な十字マークが常に表示されており、
この十字マークの座標は、制御装置８により読み取れる
ようになっている。

又、電子鏡１−１よシ常時照則されている電子ビーム１
−５は、ブランカ１−２にょシ必要な時以外はカットオ
フされるようになっており、ブランカ駆動回路２２に入
力されるブランキング信号２２−１、または２２−２に
よ本実施例の動作を第１図〜第５図に基づいて説明する
。

１ず、第１図において集積回路３の診断すべきノード点
を含む領域の２次電子像を求めるために、切換スイッチ
２３．２４　を共に上側に倒し、（図示の如く）分析電
圧Ｖａを−）１０■にして、フレーム走査信号発生回路
１７に制御回路８より起動信号１７−２を与える。フレ
ーム走査信号発生回路１７は、偏向器１−４に与えるフ
レーム走査信号１７−１を発生し、これと同期した制御
信号１７−３をブランカ駆動回路２２　、　ＡＤ変換器
６．フレームメモリ１８に与える。そこで、フレームメ
モリ８には、フレーム定歪信号に同期して２次電子検知
器１−７で検知された２次電子信号が増巾器５．ＡＤ変
換器６を介してデジタルデータとして記憶される。１フ
レーム走査が終了すると、フレームメモリ１８に記憶さ
れた２次電子画像データは制御回路８を経由してビテ。

オツム１９に転送記憶され、表示装置２０には２次電子
画像データに対応した２次電子画像が表示されろう この２次電子画像を示したのが第２図であり、斜線部が
暗く、白ぬき部は集積回路の配線で明かるくなっている
。そこでマーク移動回路を使って、２次電子画像上で診
断ノード点を指示する。例えば、２次電子画像２９上の
点３０−１〜３０−４が指示されると、その指示された
複数のノード点３０−１〜３０−４の座標は、夫々制御
回路８により読みとられ、記憶装置１３に記憶される。

この後、スイッチ２３．２４．２５はすべて下側に倒さ
れる。

その後、記・億装＠１３から座標情報が順次読み出され
、ＤＡ変換器１６を介して偏向器１−４に与えられ、指
示された診断ノード点３０−１〜３０〜４の電圧測定が
順次エネルギー分析器２により行われる。このエネルギ
ー分析器２による電圧測定の原理を第３図により説明す
る。

図の横軸は分析電圧Ｖａを、縦軸は２次電子信号Ｓの電
圧を示す。

ここで、電子ビーム１−５の照射によシ放出される２次
電子１−６による信号Ｓはエネルギー分析器２の分析電
圧Ｖａを変化させると、与えられた配線部の印加電圧に
応じて第３図のカーブ３１から３２のように変化する。

この時、重子ビーム照射点の印加電圧が０（ｖ）の時に
は分析カー１３１．５めの時には分析カーブ３２となり
、分析カーブ３２は分析カー１３１に対して、５（ｖ）
だけ右に平行移動したカーブどなる。

したがって、未知の電圧のノード点３０−１〜３０−４
における分析カーブ３３が基準賦圧（たとえば０（Ｖ）
）に対する分析カーブ３１よりＶｎ（ＶＪ平行移動して
いる場合、ノード電圧はＶｎ（Ｖ）となる。

一方、集積回路３に与えられる診断用入出力データ列の
一例を第４図に示す。

これは、６４個の入出力ピンをもつ集債回路の入出力デ
ータ列であり、横軸は人出ノブピン番号で、縦軸は入出
力データ列の駆動順序を示す。

ここで、°゛１″’Ｉ　Ｏ，ｎ　Ｐ　’ｌは入力データ
を意味し、それぞれ論理１’ＨＪ、論η１ｏｒＬ」。

「正パルス」で庁）９、Ｈ，Ｌ、Ｚは出力の期待値デー
タを意味し、それぞれ論促「Ｈ」。

論ＩＦｒＬＪ、ｒ正パルス」である。これらの入力デー
タ列は、補助記憶装置１０から駆動順序にしたがって読
みださｉｔ、１ヌテノプずつ駆動回路１１によりＷレロ
路３に印加される。

”４％　Ｔ＋’を回路３が１ステツプ駆動されるたびに
駆動回路１１よシ制御信号１１−１が記憶装置１３に入
力される。

制御信号１１−１の入力によシ記・瞳装置１３から、診
断ノード点３０−１〜３１）−４の座標が１つずつ読み
だされ、６診［所ノード点に電子ビーム１−５が位置決
めされる。そして、名診断ノード点において、エネルギ
ー分析器２の動作によシ、前記分析カーブが求められ、
各診断ノード点電圧が測定される。指示された診断ノー
ド点すべてのｉｆｆ！ｌ定が終了すると、記憶装置１３
からだされる制御信号１１−２により駆動装置１１に制
御が戻されて次のステップの駆動を行う。

以上の動作をくり返し、て「「い、測定された結果は、
グラフ表示装置２６に市、圧マツプとして表示される。

この電圧マツプの表示例を示したのが第５図である。

これは９’Ｓ２図に示した各診内「ノード点に対する°
電圧マツプであり、囚、　Ｉ）　、　（Ｃ）　、　０）
は夫々診％ｙ−ド点３０−１　、３０−２　、３０−３
　、３０−４に対する４１１ｊ定結果であり、それぞれ
のマツプの縦軸は測定されたノード点′祇圧Ｖｎで、横
軸は第４図に示す集積回路診断用人ツノデータ列（ステ
ップ）の凋号でおる。

そこで、このグラフ表示装置Ｘイ２６の電圧マツプをｌ
ｘ　Ｅ−＝することにより、どの様な入力データに対し
、どこに異常が発生しているか、的確に把掴できる、。

ここで、診断ノード点として入力データに対応した正常
動作時の電圧マツプデータが補助記憶装置２７に記憶さ
れている場所を選んだ場合には、これを基準電圧マツプ
として、グラフ表示装置２８に表示し、測定された電圧
マツプとの比較・照合により診断が実施できるようにな
っている。

そこで、具体的な隼積回路例によって、この診断を腐１
明すると次のｊ角りである。

第６図に示す集積回路３５において、不良箇所３４でデ
ータと短絡している場合を例にあげる５ 尚、３８．３９　　はナンド回路であり、３７−１〜３
７−３は入力ピン、３７−４は出力ピンを示す。

かかる回路において、第７図に示す診断用入力データを
各ステップ毎に入力ピン３７−１〜３７−３に与える。

即ち、第７図の１〜３は夫々入力ピン３７−１〜３７−
３　に与えられるデータを示しており４はそのとき、出
力ピン３７−４に得られるべきデータを示す。そこで、
かかるデータ例だけで機能試験しだのでは、第５ステツ
プ目のデータを与、えたとき始めて集積回路３５に異常
が発生していることが分る。ところが、前記本発明の実
施例によると診断ノード点３６に対し、第８図の実線に
よる電圧マツプが得られる。

即ち、第８図の横軸は入力データのステップを示し、糸
・子軸（ｄノード点電圧を示す。メ、破線は正常時にイ
３られる診断ノード点３６のノード点電圧を示すっ これから日月らかなり口く、ｔ？Ｊ１ステップ目のデー
タに対しても異常状態の発生していることが容易にわか
る この様に、指定された診断ノード点の異常状態は、例え
出力ピンから正解データが得られたとしても検出できる
。そこで、近年複雑多様化してさた集積回路にあっては
出力ピンから正解データが得られなかったとき、即ち異
常が検出されたときには、実際の異常発生箇所での信号
状態は正常時と同じ状態に戻っている箇所も数多くある
が、かかる異常発生箇所の検出に大いに役立つ。

尚、上記実施例では、すべての入力データに対する測定
が終了した後に、電圧マツプを表示するようになってい
るが、１つ１つの入力データに対する測定結果を、順に
電圧マツプとしてグラフ表示装置２６に追加して表示す
る形をとってもよい。

（７）発明の効果 本発明によれば、集積回路の診断において診断ノード点
の電圧マツプから外部入出力ピンから発見される不良状
部より前段階の不良状部を的確に把握することができ、
不良箇所の発見や、不良原因の解明などの診断が容品に
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であり、第２図は第１図の表
示装置に表示される２次電子画像の例、第３図は、第１
図のエネルギー分析器による電圧測定の原理図、第４図
および第７図は、第１図の補助記憶装置に記憶されてい
る診断用入力データの例、第５図および第８図は第１図
のグラフ表示装置に表示される電圧マツプの例、第６図
は被診断用集積回路の構成例を夫々示す。 とこで１は電子光学鏡筒、１−１は電子銃、１−２はブ
ランカ、１−３は電子レンズ、１−４は偏向器、１−５
は電子ビーム、１−６は２次電子、１−７は２次電子検
知器、２はエネルギー分析器、３は集積回路、４は試料
ステージ、６．７はＡＤ変換器、８は制御回路、１１は
集積回路の駆動回路、１３は記憶装置、１７はフレーム
走査信号発生回路、１８はフレームメモリ、１９ｉｄビ
デオラム、２６．２８　　はグラフ表示装置、２９は隼
ｆと回路の２次電子画像、３０−１〜３０−４は診断ノ
ード点、３１＋３２．’３３は分析カーブ、３５は集積
回路、３７−１〜３７−４は集積回路の入出力ピンであ
る。 第６１ｉ３ ３０ 第７旧 幻Ｅ ′′よ−　’１７一

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）集積回路を駆動するための駆動回路と、該駆動回
   路に信号を与えるだめの入力データ列を記憶している記
   憶装置および電子ビーム照射を行う光学鏡筒を備えた電
   子ビーム装置において、該集積回路内の複数個の診断ノ
   ード点の座標を記憶しておく記憶装置を設け、前記入力
   データにより該集積回路を駆動するた電圧を測定し、表
   示する機能を設けたことを特徴とする集積回路の診断装
   置。 （２、特許請求の範囲第１項において、診断ノード点か
   らの２次電子のエネルギーを分析するためのエネルギー
   分析器と、このエネルギー分析の結果よシ集積回路の電
   圧を算定する機能を設けたことを特徴とする集積回路の
   診断　：装置。 （３）特許請求の範囲第１項乃至第２項において集積回
   路の２次電子像を求めるだめの専用の電子ビーム・フレ
   ーム走査信号発生回路と、画像データ記憶装置と、画像
   表示装置および該画像表示装置上で任意のノード点の画
   像上の座標を入力させる機能を設けたことを特徴とする
   集積回路の診断装置。 （４）特許請求の範囲第１項乃至第３項において測定さ
   れた各診断ノード点の電圧を、集積回路の入力データに
   対して、順次電圧マツプとしてグラフ表示する機能を設
   けたことを特徴とする集積回路Ω診断装置。 （５ン　　特許請求の範囲第１項乃至第３項において主
   要ノード点の入力データに対応した標準電圧値を記憶し
   ておく記憶装置と、これを主要ノード点の電圧マツプと
   対応した形式でグラフ表示させる機能を設けたことを特
   徴とする集積回路の診断装置。