JPS6339099B2 - - Google Patents

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JPS6339099B2
JPS6339099B2 JP53093809A JP9380978A JPS6339099B2 JP S6339099 B2 JPS6339099 B2 JP S6339099B2 JP 53093809 A JP53093809 A JP 53093809A JP 9380978 A JP9380978 A JP 9380978A JP S6339099 B2 JPS6339099 B2 JP S6339099B2
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JP
Japan
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sample
circuit
light absorption
absorption current
signal
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JP53093809A
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Japanese (ja)
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JPS5521056A (en
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Masashi Nagase
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CHO ERU ESU AI GIJUTSU KENKYU KUMIAI
Original Assignee
CHO ERU ESU AI GIJUTSU KENKYU KUMIAI
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Publication date
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Priority to JP9380978A priority Critical patent/JPS5521056A/en
Publication of JPS5521056A publication Critical patent/JPS5521056A/en
Publication of JPS6339099B2 publication Critical patent/JPS6339099B2/ja
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  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)
  • Tests Of Electronic Circuits (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザービームを走査させ、この走査
ビームを光学レンズ系で微細スポツト径に集束し
て試料半導体デバイスに照射し、この試料半導体
デバイスより光吸収電流に伴う信号を検出して光
吸収電流像で観測するレーザー走査顕微鏡装置に
おいて、試料半導体デバイスを動作させながら、
各位相での特性を測定できるようにした半導体デ
バイスの動特性測定可能なレーザー走査顕微鏡装
置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention scans a laser beam, focuses this scanning beam to a fine spot diameter using an optical lens system, and irradiates it onto a sample semiconductor device, thereby emitting a signal associated with a light absorption current from this sample semiconductor device. In a laser scanning microscope device that detects and observes light absorption current images, while operating a sample semiconductor device,
The present invention relates to a laser scanning microscope device capable of measuring dynamic characteristics of semiconductor devices that can measure characteristics at each phase.

近年、半導体集積回路は微細加工技術の急速な
進歩により、益々高集積密度、大容量化の方向に
進んでいる。これに伴い集積回路(以下ICと呼
称する)の入出力ピンのみにより大規模ICの検
査、故障解析等を行なうことは、テストパターン
が莫大な量になり時間的に困難になつている。直
流的なテストでさえこのような困難が伴うため、
況してやタイミングをも考慮したダイナミツクテ
ストは時間的な点から不可能に近い。一方、IC
の注目回路のパターンにプローブを機械的に当て
る方法に於いても高集積密度化により微細パター
ンになつていく為に困難になつてきている。
In recent years, semiconductor integrated circuits have been moving toward higher integration density and larger capacity due to rapid advances in microfabrication technology. As a result, it has become difficult to test large-scale ICs, analyze failures, etc. using only the input/output pins of integrated circuits (hereinafter referred to as ICs) due to the huge amount of test patterns. Even direct current testing is fraught with such difficulties;
Dynamic tests that take into consideration the current situation and timing are nearly impossible due to time constraints. On the other hand, I.C.
The method of mechanically applying a probe to the pattern of the circuit of interest is becoming more difficult as the patterns become finer due to higher integration densities.

そこでICの非接触検査解析装置として、従来
はSEM(走査形電子顕微鏡)やレーザー走査顕微
鏡が利用されているが、その内のSEMについて
は、一部の測定回路も含んだ試料系を真空に引く
必要があるため、装置が大がかりになるのと操作
時間が長くなるという大きな欠点がある。また、
試料が真空中にある為に、実際の半導体表面とは
異なつた状態となるし、更に電子ビームの照射に
よるチヤージアツプ現象が生じ表面状態が変化す
るので、実際の使用状態での現象の観察もできな
いという欠点もある。
Conventionally, SEMs (scanning electron microscopes) and laser scanning microscopes have been used as non-contact inspection and analysis devices for ICs. Since it is necessary to pull the method, there are major disadvantages in that the device becomes large-scale and the operation time becomes long. Also,
Since the sample is in a vacuum, the state is different from the actual semiconductor surface, and the charge-up phenomenon caused by electron beam irradiation changes the surface state, making it impossible to observe the phenomenon under actual usage conditions. There is also a drawback.

次に、大気中で容易に、使用状態での半導体
IC表面現象の観察ができるレーザー走査顕微鏡
について、従来の測定方法は、ICの入力条件を
変えて回路の動作状態を注目する状態に設定し
て、その時の光吸収電流像を測定するものであ
り、非接触でIC内部回路のスタテイツクな状態
での測定はできるが、ICを動作させると一般に
電源電流が変化してしまうので、光吸収電流は電
源電流変化を連続的に測定することで行なう従来
の方法では、ICの動特性は測定できないという
欠点があつた。つまり、リフレツシユ動作を必要
とするようなダイナミツク形のMOSメモリなど
のダイナミツク動作ICの測定は、従来のレーザ
ー走査顕微鏡装置では不可能である。
Next, semiconductors in use can be easily exposed to the atmosphere.
The conventional measurement method for laser scanning microscopes that can observe IC surface phenomena is to change the input conditions of the IC to focus on the operating state of the circuit, and then measure the light absorption current image at that time. Although it is possible to measure the IC's internal circuit in a static state without contact, the power supply current generally changes when the IC is operated. The disadvantage of this method was that it was not possible to measure the dynamic characteristics of the IC. In other words, it is impossible to measure dynamically operating ICs such as dynamic MOS memories that require refresh operations using conventional laser scanning microscope equipment.

第1図は、従来のレーザー走査顕微鏡装置に於
ける構成をブロツク化して示すもので、レーザー
光源1から出たレーザービームは、X軸走査駆動
装置2及びY軸走査駆動装置3でX−Y2次元に
ラスタースキヤンされた後、光学顕微鏡4で数μ
mφのスポツトに絞られて半導体デバイス(IC、
トランジスタ等)の試料5の表面を2次元走査し
ながら照射する。試料5への電源電流は、電源6
より直列抵抗7を通して供給されているので、光
の照射により発生する半導体の光吸収電流は、
ICの電源ピンの電圧変化として検知される。こ
の検知信号をレーザー走査顕微鏡装置のコントロ
ール部8に設けられた増幅器9により増幅し、更
に輝度変調回路10で変調を行なつてモニター用
オシロスコープ14にZ信号として加える。レー
ザービームのX軸走査は光検知器16で検知さ
れ、それに同期してモニター用オシロスコープ1
4の電子ビーム走査用のX信号はX信号発生回路
11で、Y信号はY信号発生回路12で作られ
る。またそのY信号はレーザービームのY軸走査
駆動装置3にも加えられている。従つて、モニタ
ー用オシロスコープ14上にはレーザー走査領域
での試料からの光吸収電流の2次元輝度変調像が
現われることになる。また、試料5から得た光吸
収電流の信号とモニター用オシロスコープ14の
Y信号とを混合回路13で混合することにより3
次元的な等高線的表示像が表示できる。表示像切
換スイツチ15で表示像は切換えられ、Aの位置
にすると輝度変調像が、Bの位置にすると等高線
的表示像がモーター用オシロスコープ14に現わ
れる。入力信号発生回路17で、試料(IC)5
への入力条件をかえて動作状態をかえた時の光吸
収電流像を観察して、それぞれのスタテイツクな
回路状態でのIC内部の特性測定等が変調度の違
いを検出することによつて行なえる。このように
従来のレーザ走査顕微鏡装置に於いては、スタテ
イツクな回路状態でのIC内部の特性を測定する
ことはできてもICの動特性を測定することはで
きなかつた。
FIG. 1 shows a block diagram of the configuration of a conventional laser scanning microscope device. A laser beam emitted from a laser light source 1 is transmitted through an X-axis scanning drive device 2 and a Y-axis scanning drive device 3 to After being raster scanned in 3D, a few μ
Semiconductor devices (IC,
The surface of the sample 5 (such as a transistor) is irradiated while being scanned two-dimensionally. The power supply current to sample 5 is
Since the light is supplied through the series resistor 7, the light absorption current of the semiconductor generated by light irradiation is
Detected as a voltage change on the IC's power pin. This detection signal is amplified by an amplifier 9 provided in a control section 8 of the laser scanning microscope device, further modulated by a brightness modulation circuit 10, and applied to a monitoring oscilloscope 14 as a Z signal. The X-axis scanning of the laser beam is detected by the photodetector 16, and in synchronization with it, the monitoring oscilloscope 1
The X signal for electron beam scanning No. 4 is generated by an X signal generation circuit 11, and the Y signal is generated by a Y signal generation circuit 12. The Y signal is also applied to the laser beam Y-axis scanning drive device 3. Therefore, a two-dimensional brightness modulation image of the light absorption current from the sample in the laser scanning area appears on the monitoring oscilloscope 14. In addition, by mixing the light absorption current signal obtained from the sample 5 and the Y signal of the monitoring oscilloscope 14 in the mixing circuit 13,
A dimensional contour image can be displayed. The display image is changed over by the display image changeover switch 15, and when the switch is set to A, a brightness modulated image appears on the motor oscilloscope 14, and when it is set to B, a contour line display image appears on the motor oscilloscope 14. Input signal generation circuit 17, sample (IC) 5
By observing the optical absorption current image when changing the input conditions and changing the operating state, you can measure the internal characteristics of the IC under each static circuit state by detecting the difference in modulation degree. Ru. As described above, in the conventional laser scanning microscope apparatus, although it is possible to measure the internal characteristics of an IC in a static circuit state, it is not possible to measure the dynamic characteristics of the IC.

本発明は上記実情に鑑みなされたもので、従来
のレーザー走査顕微鏡装置の光吸収電流測定回路
に簡単な回路を付加するのみで、すなわち具体的
には試料半導体デバイスを動作制御せしめる駆動
回路の動作周波数の1/N(Nは整数、N≧1)
の周波数で同期したサンプルホールド回路を設け
ることによつて、試料半導体デバイスを高速で動
作させながら、サンプリングパルスの位相を移動
させることによつて、種々の位相の動作状態での
光吸収電流像を観察して、大気中で、かつ非接触
で半導体デバイスの動特性を測定できるようにし
たレーザー走査顕微鏡装置を提供することを目的
とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and is achieved by simply adding a simple circuit to the light absorption current measurement circuit of a conventional laser scanning microscope device, specifically, the operation of a drive circuit that controls the operation of a sample semiconductor device. 1/N of frequency (N is an integer, N≧1)
By providing a sample and hold circuit synchronized at the frequency of It is an object of the present invention to provide a laser scanning microscope device that can observe and measure the dynamic characteristics of a semiconductor device in the atmosphere and without contact.

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。第2図はこの発明の一実施例を示すもので、
図中上記した第1図と同一部分は同一符号を付し
その説明を省略する。この第2図の構成が上記第
1図に示した構成と特に異なる部分は、一定周期
の基本クロツク信号を得るクロツク信号発生回路
25と、このクロツク信号発生回路25より得ら
れるクロツク信号に基づいて各種のタイミング信
号を得るタイミング信号発生回路18と、このタ
イミング信号発生回路18より得られるタイミン
グパルスに基づいて試料半導体デバイス(以下単
に試料と呼称する)動作用の信号を得るパターン
発生回路19と、上記タイミング信号発生回路1
8より得られるタイミングパルスに基づいて所望
するサンプリングパルスを得る可変サンプリング
パルス発生回路20と、試料5の光吸収電流を含
む電源電流の変化を直列抵抗7で電圧変化に変換
した信号から交流(AC)成分を取出すカツプリ
ングコンデンサ24と、このカツプリングコンデ
ンサ24で取出された信号をインピーダンス変換
するインピーダンス変換回路21と、このインピ
ーダンス変換回路21より得られる信号をレベル
補正するレベルシフト回路22と、このレベルシ
フト回路22より得られる信号を可変サンプリン
グパルス発生回路20より得られるサンプリング
パルスに同期してサンプリングするサンプルホー
ルド回路23とを設け、このサンプルホールド回
路23でサンプルされた信号をコントロール部8
の増幅器9に供給する構成とした点である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 2 shows an embodiment of this invention.
In the figure, the same parts as those in FIG. The structure shown in FIG. 2 is particularly different from the structure shown in FIG. a timing signal generation circuit 18 that obtains various timing signals; a pattern generation circuit 19 that obtains signals for operating a sample semiconductor device (hereinafter simply referred to as a sample) based on timing pulses obtained from the timing signal generation circuit 18; The above timing signal generation circuit 1
A variable sampling pulse generation circuit 20 obtains a desired sampling pulse based on the timing pulse obtained from the sample 5, and an alternating current (AC ) component, an impedance conversion circuit 21 that converts the impedance of the signal extracted by the coupling capacitor 24, a level shift circuit 22 that corrects the level of the signal obtained from the impedance conversion circuit 21, and A sample hold circuit 23 is provided which samples the signal obtained from the level shift circuit 22 in synchronization with the sampling pulse obtained from the variable sampling pulse generation circuit 20.
The point is that the configuration is such that the signal is supplied to the amplifier 9.

ここで作用を説明する。なお第2図に示す1乃
至16の各部の動作は既に述べた第1図の場合と
同様であるので、ここではその説明を省略する。
クロツク信号発生回路25で生成された基本クロ
ツクパルスはタイミング信号発生回路18に加わ
り、パターン発生回路19用のタイミングパルス
及び可変サンプリングパルス発生回路20用のタ
イミングパルスを作る。
The effect will be explained here. The operations of each of the parts 1 to 16 shown in FIG. 2 are the same as in the case of FIG. 1 described above, so the explanation thereof will be omitted here.
The basic clock pulses generated by the clock signal generation circuit 25 are applied to the timing signal generation circuit 18 to produce timing pulses for the pattern generation circuit 19 and timing pulses for the variable sampling pulse generation circuit 20.

一般に、半導体ICの電源電流は、入力条件に
従つた回路動作状態によつて違つているので、
ICのダイナミツク動作時には電源電流値はクロ
ツク周波数で変化することになる。ところが試料
(IC)5へのレーザービーム照射による光吸収電
流の測定は、電源電流の変化を検知することによ
つて行つているので、ICのダイナミツク動作時
には、回路状態の変化に起因する電源電流変化分
に光吸収電流の変化分が重畳される様になつてい
て連続的に電源電流の変化を検出、増巾するだけ
では光吸収電流像は観察できない。そこで光吸収
電流を含んだ電源電流の変化を直列抵抗7で電圧
変化に変換して、カツプリング・コンデンサ24
で交流成分だけを取出してインピーダンス変換回
路21を介し、レベルシフト回路22に入れてレ
ベルを調整し、サンプルホールド回路23に加え
る。この際のサンプリングパルスは可変サンプリ
ングパルス発生回路20で作られるが、その周波
数はクロツクパルスの周波数の1/N(Nは整数、
N≧1)で同期している。そして、サンプルホー
ルド回路23からの出力は増幅器9に入力されて
増幅された後、輝度変調又は等高線的変調を加え
られて、モニター用オシロスコープ14上に光吸
収電流像として表示される。ここで、サンプリン
グパルスは、サンプリングパルスの周期、つまり
NX(クロツク周期)(Nは整数、N≧1)の範囲
内で可変であるので、IC動作中にそのサンプリ
ング周期内に於ける種々の位相で、回路状態をあ
たかも静止させた様にして光吸収電流像を観察す
ることができる。
In general, the power supply current of a semiconductor IC varies depending on the circuit operating state according to the input conditions, so
During dynamic operation of the IC, the power supply current value changes with the clock frequency. However, since the measurement of the light absorption current by laser beam irradiation on the sample (IC) 5 is performed by detecting changes in the power supply current, during dynamic operation of the IC, the power supply current due to changes in the circuit state Since the change in the light absorption current is superimposed on the change, the light absorption current image cannot be observed simply by continuously detecting and amplifying the change in the power supply current. Therefore, changes in the power supply current including the light absorption current are converted into voltage changes by the series resistor 7, and the coupling capacitor 24
Only the alternating current component is taken out, passed through an impedance conversion circuit 21, inputted into a level shift circuit 22, the level of which is adjusted, and added to a sample hold circuit 23. The sampling pulse at this time is generated by the variable sampling pulse generation circuit 20, and its frequency is 1/N of the clock pulse frequency (N is an integer,
N≧1) and synchronized. The output from the sample and hold circuit 23 is input to the amplifier 9 and amplified, then subjected to brightness modulation or contour modulation and displayed as a light absorption current image on the monitoring oscilloscope 14. Here, the sampling pulse is the period of the sampling pulse, i.e.
Since it is variable within the range of NX (clock period) (N is an integer, N≧1), the circuit state can be changed at various phases within the sampling period during IC operation, as if the circuit state were stationary. Absorption current images can be observed.

次にモニター用オシロスコープ14上でのX軸
及びY軸走査周波数と試料5の動作周波数の関係
について説明する。第3図は、光吸収電流のサン
プルホールド動作を説明する為の単純な試料
(IC)の接続図の1部であり、試料5への電源電
流の供給は、電源6から直列抵抗7を通して行な
われている。従つて、光吸収電流を含んだ電源電
流の変化は電圧変化に変換され、カツプリングコ
ンデンサ24で交流(AC)成分のみがサンプル
ホールド系回路に伝達される。I1〜INは入力端子
に加わる信号であり、CPはクロツクパルスで、
QA,QBは出力信号である。
Next, the relationship between the X-axis and Y-axis scanning frequencies on the monitoring oscilloscope 14 and the operating frequency of the sample 5 will be explained. FIG. 3 is a part of a connection diagram of a simple sample (IC) for explaining the sample and hold operation of the light absorption current, and the power supply current to the sample 5 is carried out from the power supply 6 through the series resistor 7. It is. Therefore, changes in the power supply current including the light absorption current are converted into voltage changes, and only the alternating current (AC) component is transmitted to the sample and hold circuit by the coupling capacitor 24. I 1 to I N are the signals applied to the input terminals, C P is the clock pulse,
QA and QB are output signals.

第3図に対応したタイミング図は第4図に示さ
れている。第4図dに示す電源電流iccは、クロツ
クを含んだ入力条件に従つた回路動作状態の違い
により異つた電流値を示すので、同図eに示すサ
ンプリングパルスSPは回路動作状態が同じになる
ような周期TSで出さなければならない。従つて、
第4図では、同図aに示すクロツクパルスCP
周期TCとすれば、同図eに示すサンプリングパ
ルスSPの周期TSは、TS=4×TCである。つまり、
クロツク周期TCを1とした場合に、同一回路動
作状態になる繰返し係数Nは4である。尚、第3
図の試料5の入力信号I1〜INは、説明を簡単にす
る為に、すべて変化しないとしてあるが、通常動
作時の様に変化する場合には、入力信号の組み合
わせが増えるので、同一回路状態になる繰返し係
数Nは4より大きくなるのが一般的である。ここ
で試料5のクロツク周期をTC、クロツク周波数
Cサンプリング周期をTS、サンプリング周波
数をS、TCに対する同一回路状態になる繰返し
係数をN、X軸走査周波数つまりライン周波数を
L、Y軸走査周波数つまりフレーム周波数をF
し、また、本発明による表示像は1種のサンプリ
ング像になるが、Xライン1本当りのサンプル点
をmとし、フレーム1面当りのXラインの数を
NLとすると、次の関係式が成り立つ。
A timing diagram corresponding to FIG. 3 is shown in FIG. The power supply current i cc shown in Figure 4 d shows different current values due to differences in the circuit operating state according to the input conditions including the clock, so the sampling pulse S P shown in Figure 4 e shows different current values when the circuit operating state is the same. It must be output with a period T S such that Therefore,
In FIG. 4, if the period T C of the clock pulse C P shown in FIG . 4A is, the period T S of the sampling pulse S P shown in FIG. In other words,
When the clock period T C is set to 1, the repetition coefficient N for achieving the same circuit operation state is 4. Furthermore, the third
Input signals I 1 to I N of sample 5 in the figure are all assumed to remain unchanged for the sake of simplicity, but when they change as in normal operation, the number of combinations of input signals increases, so Generally, the repetition factor N for reaching the circuit state is greater than 4. Here, T C is the clock period of sample 5, C is the clock frequency, T S is the sampling period, S is the sampling frequency, N is the repetition coefficient to achieve the same circuit state for T C , and is the X-axis scanning frequency, that is, the line frequency.
L , the Y-axis scanning frequency, that is, the frame frequency, is F , and the display image according to the present invention is a type of sampling image, but the sample point per X line is m, and the number of X lines per frame is number
Assuming N L , the following relational expression holds true.

TS=N×TC 従つて C=N×S ………(1) S=m×L ………(2) L=NL×F ………(3) (1)、(2)、(3)より C=N×m×L ………(4) N×m×NL×F ………(5) 一般に、Xライン1本当りのサンプル点mは最
低256点あれば分解能の点からは一応満足される。
1フレーム当りのXラインの数NLが256本のケー
スを仮定すると、多少残光性のあるオシロスコー
プを使用した場合に、目視により光吸収電流像を
観察する上でのフレーム周波数Fの下限は2Hz位
である。従つて、TCに対する同一回路状態にな
る繰り返し係数Nと試料ICの動作周波数つまり
クロツク周波数Cの最低値との関係は、上記式(5)
より Cmin=N×m×NL×F =N×256×256×2 =N×1.31×105 (Hz) となる。そこで、Nが大きくなると、つまり、
ICが大規模化して入力信号の組み合わせが増え
れば増える程、クロツク周波数の最低値Cminは
上げていかねばならないが、IC動作周波数の上
限値をオーバーしてしまうケースも生じる。この
ような場合には、Nが小さくなる様な入力信号パ
ターンを工夫する必要があるが、一方、モニター
用オシロスコープ14として例えばメモリー用オ
シロスコープを使用すれば、試料ICの動作周波
数の上限値に応じて、フレーム周波数Fを十分下
げることができる。また、メモリーオシロスコー
プの代わりに、メモリー装置を使用して、光吸収
電流を試料ICのクロツク周波数Cの1/N(Nは
整数N≧1)のサンプリング周波数Sのスピード
で一旦記憶しておいて、その後に、目視観察する
に必要なフレーム周波数Fで読み出してモニター
用オシロスコープ14に表示する方法もある。そ
の際の実施例の構成ブロツク図を第5図に示す。
図中8Aは本発明に係るサンプルホールド系回路
を設けてなるレーザー走査顕微鏡装置であり、
X、Y、Zアナログ信号が出ている。アドレスに
相当するX信号、Y信号はA/Dコンバーター5
1及びA/Dコンバーター52でデイジタル信号
に変換され、サンプルホールド回路のサンプリン
グパルスSPで動作するスイツチングゲート53を
径てデーターレジスタ54に一旦保持される。Z
信号もA/Dコンバーター55でデイジタル信号
に変換されて、スイツチングゲート53及びデー
ターレジスタ54を経てメモリー装置56に加わ
る。メモリー装置56は、サンプリングパルスの
周波数Sで動作し、データーレジスタ54のX、
Yで決まる番地に、データレジスタ54のZ出力
が書き込まれる。メモリー装置56への書き込み
(WRITE)及び読出し(READ)は、R/Wコ
ントローラー57でコントロールする。R/Wコ
ントローラー57を読出しモードにすると、メモ
リー装置56から、データレジスタ54のXYで
決まる番地の内容が読み出されて、D/Aコンバ
ーター58でアナログ信号に変換されたZ信号が
モニター用オシロスコープ14のZ端子に加わ
り、レーザー走査顕微鏡装置8AからのX信号、
Y信号とで、モニター用オシロスコープ14に光
吸収電流像が表示される。読み出し動作は、モニ
ター用オシロスコープ14のフレーム周波数F
比例するので、出来るだけ高速の方が好ましい。
そこで、クロツク周波数コントローラ59で、読
出し時の高速クロツクパルスHP及び書込み時に
サンプルホールド回路のサンプリングパルスSP
の切り換えが行なうが、そのコントロール信号
は、R/Wコントローラ57から送られてくる。
メモリー装置56を使用すれば、サンプリングパ
ルスSPの位相をサンプリング周期TS内で変化さ
せた時に、各位相に対応した光吸収電流像をすべ
て記憶することもできるし、その他試料IC周囲
条件を種々変えた時に、その各々に対応した光吸
収電流像を記憶できる。その操作は条件選択回路
60で行ない、この回路60からの信号に対応し
て、各条件での光吸収電流像が区別されて、メモ
リー装置56にすべて記憶される。この機能を利
用すれば、読出し時に異なつた条件での光吸収電
流像を2つ読み出して、ハードウエアーで自動的
に比較した結果の像をモニター用オシロスコープ
14に表示することも容易にできるなど、その用
途は非常に広い。
T S = N × T C Therefore, C = N × S ………(1) S = m × L ………(2) L = N L × F ………(3) (1), (2) , (3), C = N × m × L ………(4) N × m × N L × F ………(5) In general, if the number of sample points m per X line is at least 256, the resolution is sufficient. From this point of view, I am satisfied.
Assuming a case where the number N L of X lines per frame is 256, the lower limit of the frame frequency F for visually observing a light absorption current image when using an oscilloscope with some afterglow is It is around 2Hz. Therefore, the relationship between the repetition coefficient N for achieving the same circuit state for T C and the lowest value of the operating frequency of the sample IC, that is, the clock frequency C , is expressed by the above equation (5).
Therefore, C min = N x m x N L x F = N x 256 x 256 x 2 = N x 1.31 x 10 5 (Hz). Therefore, when N becomes large, that is,
As the IC becomes larger and the number of combinations of input signals increases, the minimum clock frequency Cmin must be raised, but there are cases where it exceeds the upper limit of the IC operating frequency. In such a case, it is necessary to devise an input signal pattern that makes N small, but on the other hand, if a memory oscilloscope is used as the monitor oscilloscope 14, it is possible to adjust the input signal pattern according to the upper limit of the operating frequency of the sample IC. Therefore, the frame frequency F can be sufficiently lowered. Also, instead of a memory oscilloscope, a memory device is used to temporarily store the optical absorption current at a sampling frequency S that is 1/N of the clock frequency C of the sample IC (N is an integer N≧1). There is also a method of reading out the image at a frame frequency F necessary for visual observation and displaying it on the monitor oscilloscope 14. A block diagram of the configuration of this embodiment is shown in FIG.
8A in the figure is a laser scanning microscope device equipped with a sample hold system circuit according to the present invention,
X, Y, Z analog signals are output. The X signal and Y signal corresponding to the address are sent to the A/D converter 5.
1 and an A/D converter 52, and is temporarily held in a data register 54 through a switching gate 53 operated by a sampling pulse S P of a sample and hold circuit. Z
The signal is also converted into a digital signal by an A/D converter 55 and applied to a memory device 56 via a switching gate 53 and a data register 54. The memory device 56 operates at the sampling pulse frequency S , and the data register 54 X,
The Z output of the data register 54 is written to the address determined by Y. Writing (WRITE) and reading (READ) to and from the memory device 56 are controlled by an R/W controller 57. When the R/W controller 57 is set to read mode, the contents of the address determined by XY of the data register 54 are read from the memory device 56, and the Z signal converted to an analog signal by the D/A converter 58 is sent to the monitoring oscilloscope. In addition to the Z terminal of 14, the X signal from the laser scanning microscope device 8A,
With the Y signal, a light absorption current image is displayed on the monitoring oscilloscope 14. Since the readout operation is proportional to the frame frequency F of the monitoring oscilloscope 14, it is preferable that the readout operation be as fast as possible.
Therefore, the clock frequency controller 59 switches between the high speed clock pulse H P during reading and the sampling pulse S P of the sample and hold circuit during writing, and the control signal is sent from the R/W controller 57.
By using the memory device 56, when the phase of the sampling pulse S P is changed within the sampling period T S , it is possible to store all the light absorption current images corresponding to each phase, and also to store other sample IC ambient conditions. When various changes are made, optical absorption current images corresponding to each change can be stored. This operation is performed by a condition selection circuit 60, and in response to a signal from this circuit 60, the light absorption current images under each condition are distinguished and all stored in the memory device 56. By using this function, you can easily read out two light absorption current images under different conditions at the time of readout, automatically compare them using hardware, and display the resulting images on the monitor oscilloscope 14. Its uses are very wide.

第2図の実施例では、レーザービームのスキヤ
ンと試料ICの動作との関係が非同期の場合につ
いて説明されているが、X軸走査駆動装置2、Y
軸走査駆動装置3にパルスモーターなどのデイジ
タル機器を使用すればレーザービーム走査と試料
ICの動作との間に同期がとれる。そうすれば試
料5の表面上に対応したサンプリング箇所が固定
されることになり、非同期で試料5表面上をラン
ダムにサンプルするより、より詳しい正確なデー
ターがとれる。
In the embodiment shown in FIG. 2, the case where the relationship between the scanning of the laser beam and the operation of the sample IC is asynchronous is explained.
If a digital device such as a pulse motor is used for the axis scanning drive device 3, laser beam scanning and sample
Synchronization with IC operation can be achieved. In this way, the corresponding sampling points on the surface of the sample 5 will be fixed, and more detailed and accurate data can be obtained than by randomly sampling the surface of the sample 5 asynchronously.

また第2図の実施例について、レーザー光源1
の波長は、半導体デバイス(IC、トランジスタ
等)の構造から6328ÅのHe−Neレーザーが一般
的であり、その光束は代表的なシリコン半導体の
素材の表面から1〜2μmの深さでほとんど吸収
されてしまう。しかし、本発明のレーザー走査顕
微鏡装置用のレーザー光源は、He−Neレーザー
に限つたものではなく、紫外線領域の短波長から
赤外線領域の長波長のどの波長のレーザーでもよ
い。試料ICの測定箇所の状態に応じて、またど
のような測定を行なうかによつてレーザーの波長
は選択すればよい。浅い領域での特性を測定する
場合には短波長のレーザーを、そして深い所の特
性を測定する場合には長波長のレーザーを使用す
る。長波長のレーザーを使用すれば、シリコンウ
エハーの裏面からレーザー走査をして光吸収電流
像を測定できるという特徴も持つ。
Regarding the embodiment shown in FIG. 2, the laser light source 1
Due to the structure of semiconductor devices (ICs, transistors, etc.), He-Ne lasers with a wavelength of 6328 Å are generally used, and most of the light beam is absorbed at a depth of 1 to 2 μm from the surface of typical silicon semiconductor materials. I end up. However, the laser light source for the laser scanning microscope device of the present invention is not limited to He--Ne lasers, but may be lasers with any wavelength from short wavelengths in the ultraviolet region to long wavelengths in the infrared region. The wavelength of the laser may be selected depending on the state of the measurement location of the sample IC and the type of measurement to be performed. A short wavelength laser is used to measure characteristics in a shallow area, and a long wavelength laser is used to measure characteristics in a deep area. Another feature of this method is that by using a long-wavelength laser, it is possible to perform laser scanning from the back side of a silicon wafer and measure the optical absorption current image.

また、レーザー光源1は、第2図の実施例では
連続発振(CW)のもので説明してあるが、それ
に限つたものではなく、パルス変調を加えられた
レーザー光源でもよい。試料ICの動作とレーザ
ー走査及びレーザーのパルス変調とのすべての同
期をとれば拡散距離、拡散速度等の測定も、IC
を動作させながらできるという特徴をもつことに
なる。また、第2図の実施例では、光吸収電流は
試料ICの電源電流を電源ピンで検知することに
よつて測定しているが、電源ピンに限つたもので
はなく、測定の目的により試料ICのすべてのピ
ンのどのピンで測定してもよく、また複数ピンを
同時に測定してもよい。
Furthermore, although the laser light source 1 is described as a continuous wave (CW) type in the embodiment shown in FIG. 2, it is not limited to this, and may be a pulse modulated laser light source. If the operation of the sample IC is synchronized with laser scanning and laser pulse modulation, measurement of diffusion distance, diffusion rate, etc.
It has the feature that it can be done while operating. In addition, in the embodiment shown in Fig. 2, the light absorption current is measured by detecting the power supply current of the sample IC using the power supply pin, but it is not limited to the power supply pin; Measurements may be made on any of all pins, or multiple pins may be measured simultaneously.

以上の説明から明らかな様に、光吸収電流を試
料半導体デバイスの動作周波数の1/N(Nは整
数、N≧1)の周波数でサンプルホールドするこ
とによつて、試料ICを動作させた状態で光吸収
電流が測定でき、また、サンプリング周期TS
でサンプリングパルスの位相を可変させて、各位
相での光吸収電流像を観察できる。それらの光吸
収電流像からIC内部回路の特性を測定できる。
すなわち、動作中の半導体デバイスの回路状態
を、サンプリングパルスの位相で止めた状態にし
て、大気中でかつ非接触で測定できるので、半導
体デバイス動作時での各位相でのロジツクレベル
の非接触測定はもとより、半導体デバイス内部回
路の過度現象の解析、測定等もできる。例えば低
速では正常動作するが、高速動作時にのみに異常
動作する様な現象も大気中で、非接触で解析でき
る。
As is clear from the above explanation, the sample IC is operated by sampling and holding the optical absorption current at a frequency that is 1/N (N is an integer, N≧1) of the operating frequency of the sample semiconductor device. The light absorption current can be measured with , and the phase of the sampling pulse can be varied within the sampling period T S to observe the light absorption current image at each phase. Characteristics of IC internal circuits can be measured from these optical absorption current images.
In other words, the circuit state of an operating semiconductor device can be measured non-contact in the atmosphere with the phase of the sampling pulse stopped, so non-contact measurement of the logic level at each phase while the semiconductor device is operating is It is also possible to analyze and measure transient phenomena in the internal circuits of semiconductor devices. For example, phenomena that operate normally at low speeds but abnormally operate only at high speeds can be analyzed in the atmosphere without contact.

また、IC等の半導体デバイスにはエラーの起
こり易い入力パターンの組み合わせ、つまりパタ
ーンセンシテイビテイーを持つ場合があるが、こ
の解析については、従来のスタテイツクな光吸収
電流像の測定からは何の解析もできないが、本発
明の測定方法を用いれば、エラーの起こり易いパ
ターンでダイナミツク動作をさせながら、半導体
デバイス内部の回路状態が各位相ごとに観察でき
るのでパターンセンシテイビテイーの解析も可能
となる。また、高集積高密度半導体デバイスにな
ると、発熱量も大きくなると共にホツトスポツト
が生じることも考えられるがこのような場合には
半導体デバイス動作のデユーテイ(DUTY)比
を変えることによつて、半導体デバイス動作時に
於ける発熱による特性変化を測定できるし、更に
はホツトスポツトの半導体デバイス動作特性に与
える影響を調べることができる。更に試料半導体
デバイスとして、リフレツシユ動作を必要とする
ダイナミツクMOSメモリーなどの、ダイナミツ
ク動作ICでは、動作をさせながら特性を測定す
る必要があるが、本発明のレーザー走査顕微鏡装
置では動特性の測定を可能にしているため、この
種の特性が測定できる。今後、高集積密度、大容
量化されたICの検査、故障解析において本発明
の大気中でかつ非接触で動特性測定できるという
機能は非常に有効となる。
In addition, semiconductor devices such as ICs may have combinations of input patterns that are prone to errors, that is, pattern sensitivity, but this analysis cannot be done from the conventional measurement of static optical absorption current images. Although analysis is not possible, if the measurement method of the present invention is used, the circuit state inside the semiconductor device can be observed for each phase while performing dynamic operation in a pattern that is prone to errors, making it possible to analyze pattern sensitivity. Become. In addition, as highly integrated and high-density semiconductor devices become available, the amount of heat generated increases and hot spots may occur.In such cases, changing the duty ratio of semiconductor device operation can improve semiconductor device operation. It is possible to measure changes in characteristics due to heat generation over time, and furthermore, it is possible to investigate the influence of hot spots on semiconductor device operating characteristics. Furthermore, for dynamic operation ICs such as dynamic MOS memories that require refresh operation as sample semiconductor devices, it is necessary to measure the characteristics while operating, but the laser scanning microscope device of the present invention allows measurement of dynamic characteristics. This type of property can be measured because of the In the future, the ability to measure dynamic characteristics in the atmosphere and without contact will be very effective in the inspection and failure analysis of ICs with high integration density and large capacity.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来のレーザー走査顕微鏡の構成ブロ
ツク図、第2図は本発明の一実施例を示すブロツ
ク図、第3図は上記実施例に於けるサンプルホー
ルド動作を説明する為の単純な試料ICの接続の
1部を示す図、第4図は第3図の試料ICの動作
に対応したタイミング図、第5図はこの発明を応
用した他の実施例を示すブロツク図である。 1……レーザー光源、2……X軸走査駆動装
置、3……Y軸走査駆動装置、4……光学顕微
鏡、5……試料半導体デバイス、6……電源、7
……直列抵抗、8……コントロール部、14……
モニター用オツシロスコープ、18……タイミン
グ信号発生回路、19……パターン発生回路、2
0……可変サンプリングパルス発生回路、21…
…インピーダンス変換回路、22……レベルシフ
ト回路、23……サンプルホールド回路、24…
…カツプリングコンデンサ。
Fig. 1 is a block diagram of the configuration of a conventional laser scanning microscope, Fig. 2 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, and Fig. 3 is a simple sample for explaining the sample hold operation in the above embodiment. FIG. 4 is a timing diagram corresponding to the operation of the sample IC shown in FIG. 3, and FIG. 5 is a block diagram showing another embodiment to which the present invention is applied. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Laser light source, 2... X-axis scanning drive device, 3... Y-axis scanning drive device, 4... Optical microscope, 5... Sample semiconductor device, 6... Power supply, 7
...Series resistance, 8...Control section, 14...
Monitoring oscilloscope, 18... Timing signal generation circuit, 19... Pattern generation circuit, 2
0...Variable sampling pulse generation circuit, 21...
... Impedance conversion circuit, 22 ... Level shift circuit, 23 ... Sample hold circuit, 24 ...
...Coupling capacitor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 レーザービームを走査させ、この走査ビーム
を光学レンズ系で微細スポツト径に集束して試料
半導体デバイスに照射し、この試料半導体デバイ
スより光吸収電流に伴う信号を検出して光吸収電
流像を観測するレーザー走査顕微鏡装置におい
て、上記光吸収電流を電圧変化の信号として取出
す検出回路と、この検出回路より得られる信号を
上記試料半導体デバイスの動作に同期する1/N
(Nは整数、N≧1)の周波数でなるサンプリン
グパルスによりサンプリングするサンプルホール
ド回路とを設け、上記サンプルホールド回路の出
力信号より光吸収電流像を得ることを特徴とした
レーザー走査顕微鏡装置。
1 Scan a laser beam, focus this scanning beam to a fine spot diameter using an optical lens system, and irradiate the sample semiconductor device, detect the signal accompanying the light absorption current from this sample semiconductor device, and observe the light absorption current image. In the laser scanning microscope apparatus, a detection circuit extracts the light absorption current as a voltage change signal, and a 1/N detection circuit synchronizes the signal obtained from the detection circuit with the operation of the sample semiconductor device.
(N is an integer, N≧1) A laser scanning microscope apparatus comprising: a sample hold circuit that performs sampling using a sampling pulse having a frequency of (N is an integer, N≧1), and a light absorption current image is obtained from an output signal of the sample hold circuit.
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