(57)【要約】【課題】半導体回路チップの故障箇所を容易に特定できる方法を提供する。【解決手段】白色光源１０９から放射された光をビームスプリッタ１０２により参照光と信号光に分割する工程と、信号光を試料１０７にミラウ干渉計１０５を通して入射する工程と、試料表面より反射した光と参照光を干渉させてミラウ干渉計１０５に生じた干渉強度を画像化する工程と、試料である半導体回路チップに電圧電流を印加する工程とを含む。これにより、半導体回路チップの配線部分に通電を行ったとき、ボイド等の欠損部分は、正常部分と比較して、断面積が小さいために電流密度が大きくなるので発熱する。その体積変化をとらえることで容易に故障箇所を特定することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から放射された光を参照光と信号光に分割する工程と、前記信号光を試料である半導体回路チップに入射する工程と、前記試料の表面より反射した光と前記参照光を干渉させて生じた干渉強度を画像化する画像化工程と、前記試料に通電する工程とを含む故障箇所特定方法。
【請求項２】
光源から放射された光を参照光と信号光に分割する工程と、前記信号光を試料である半導体回路チップに入射する工程と、前記試料の表面より反射した光と前記参照光を干渉させて生じた干渉強度を画像化する画像化工程と、前記試料を加熱する工程とを含む故障箇所特定方法。
【請求項３】
試料である半導体回路チップに通電する工程により生じた前記半導体回路チップの表面の変形を、画像化工程より得られた情報から検出する請求項１記載の故障箇所特定方法。
【請求項４】
試料である半導体回路チップを加熱する工程により生じた前記半導体回路チップの表面の変形を、画像化工程より得られた情報から検出する請求項２記載の故障箇所特定方法。
【請求項５】
変形を検出する方法は、白色光位相変調法である請求項２記載の故障箇所特定方法。
【請求項６】
光源と、前記光源の放射光を偏光して試料である半導体回路チップに入射させる偏光子と、前記試料からの反射光を入射する検光子と、前記検光子の出射光を入射して光強度を検出する光強度検出器とを備えた偏光解析装置を用いた故障個所特定方法であって、
前記試料の反射光による光強度を前記光強度検出器により検出する工程と、前記試料に通電または加熱する工程とを含む故障個所特定方法。
【請求項７】
光源と、前記光源の放射光を偏光して試料である半導体回路チップに入射させる偏光子と、前記試料からの反射光を入射する検光子と、前記検光子の出射光を入射して光強度を検出する複数の受光部から構成されるイメージセンサと、前記光源と前記試料との間に配置されて前記試料に入射する光の口径を拡大する第１のビームエキスパンダと、前記試料と前記イメージセンサとの間に配置されて前記試料からの反射光の口径を拡大する第２のビームエキスパンダと、前記イメージセンサより順次出力される各受光部の出力信号を入力して演算処理する演算処理部と、前記演算処理部の演算結果を表示する画像表示部と、前記試料に通電して発熱させる電源部と、前記試料への通電を制御して前記試料の温度を調整する温度調節部とを備えた故障箇所特定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は故障箇所特定方法に関し、特に、半導体回路チップの配線構造部分の故障箇所特定に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表面形状測定装置として、白色光位相変調法による表面形状測定装置が知られている。白色光位相変調法による表面形状測定装置は、試料表面からの反射光と参照光との干渉が、光の波長の1/2ごとに発生することを利用するものである。図４は白色光位相変調法による表面形状測定装置を説明する図である。白色光位相変調法による表面形状測定装置は、例えば、Ｚｙｇｏ社（非特許文献１）によって生産されて、一般に用いられている。
【０００３】
図４において、４０１はイメージセンサ（ＣＣＤカメラ）、４０２はビームスプリッタ、４０３は入射光、４０４は反射光、４０５はミラウ干渉計、４０６は垂直走査駆動部（ピエゾ素子）、４０７は試料、４０８は白色光源、４０９はミラウ干渉計のZ軸位置と光強度の関係である。
【０００４】
白色光源４０８より放射される白色光をビームスプリッタ４０２中を透過させて、入射光４０３として、試料４０７の表面に入射させる。その後、試料表面からの反射光４０４を同一光路上を通過させて干渉させる。この干渉した光の強度を、イメージセンサ４０１によって二次元強度分布として取得する。ここでは、ミラウ干渉計４０５を光軸（Ｚ軸）方向に垂直走査駆動部４０６によって移動させながら、干渉した光の強度を複数取得する。この干渉の強度は、イメージセンサ４０１によって取得されるが、このイメージセンサ４０１の画素一点について述べれば、干渉の繰り返しによって、光の強度は変動する。この干渉強度の包絡線の最大位置が、試料表面でピントが合っている状態である。このようすをＺ軸位置と光強度の関係４０９に示す。この包絡線の最大位置と、垂直走査駆動部４０６の位置情報から、イメージセンサ４０１の各画素での試料の高さ、つまり、試料の表面形状を高精度で求めることができる。
【０００５】
次に、二次元偏光解析装置（特許文献２）について説明する。二次元偏光解析装置は、試料表面に入射する光を大口径の平行光線とするためのビームエキスパンダを備え、試料表面からの反射光の偏光状態の変化を知るための光強度検出器として、複数の受光部からなるイメージセンサが用いられていることを特徴とする偏光解析装置である。二次元偏光解析装置は、膜厚のみではなく、試料表面の屈折率、吸収率等の面内分布表示が可能である。
【０００６】
以下に図５を用いて説明する。図５において、５０１は光源、５０２は偏光子、５０３はビームエキスパンダ、５０４は入射光、５０５は試料、５０６は反射光、５０７は検光子、５０８はイメージセンサである。図５は光源５０１から放射された光が偏光子５０２およびビームエキスパンダ５０３を通過し、入射光５０４となり、試料５０５の表面で反射して反射光５０６となり、検光子５０７を経て、イメージセンサ５０８に達する光学系（回転検光子法光学系）を示す。ここで、偏光解析について説明する。偏光解析とは、光の振動面を偏光子によって揃えた入射光を試料表面に照射し、その反射光のＰ波とＳ波（Ｐ波：反射面（試料面）の法線に平行な偏光、Ｓ波反射面の法線に垂直な偏光）の位相差（Δ）、強度比（Ψ）、波長（λ）を取得後、屈折率、複屈折率、吸収率、試料膜厚を求める技術である（非特許文献２）。Δ、Ψの数値は、偏光子５０２を所定の角度に設定して、試料５０５に直線偏光光を入射させ、検光子５０７を回転させたときのイメージセンサ５０８の出力から、Δ、Ψが変数で表示されるフーリエ係数を求め、これを解くことによって導出される。
【０００７】
また、半導体回路チップの配線部分の短絡、開放等の故障を特定する方法としては、特許文献１に示す方法が知られている。同方法は半導体チップ表面に直径１μｍ程度に絞り込んだレーザ光を走査させると同時に配線構造部分に電流を流し、レーザの走査領域と配線構造に流した電流変化量を同期させて、重ね合わせて表示させるものである。レーザ光照射を行った場合、ボイド等の欠損がある箇所は熱伝導が悪いため（熱波の伝播の過程で、多重散乱が生じやすくなる）、その近傍の温度が高くなり、電気抵抗が増大するために（マチーセン則）、異常箇所は正常箇所と比較して相対的に、電流が流れにくくなる。従って、電気抵抗の変化に対応した異常箇所を特定することができる。
【０００８】
以下に特許文献１の装置構成図である図６を用いて説明する。
【０００９】
レーザを発生するレーザ発生部６０１、レーザを試料表面に走査するレーザ走査部６０２と、顕微鏡部６０３とが備えられており、レーザ光６０４は試料６０５の表面に走査、照射される。また、検査対象物である試料６０５は試料台６０６上に設置されている。試料台６０６には、試料６０５に電圧電流を供給すると同時に試料の電流変化量を検出する電源供給部および検知電流増幅部６０８が接続されている。ここで、６０７は試料台を動かすための試料台駆動部であり、６０９は画像表示部である。
【００１０】
ここでは、試料表面のレーザ光照射箇所と、電源供給部および電流検知部で検知された電流変化量を輝度信号として、同期および重ね合わせて画像表示部６０９上に表示することによって、レーザ光照射が引き起こした電流量の変化、つまり、抵抗の変動の強度を表示することができる。この抵抗変動が相対的に大きい箇所が、ボイド等の欠損がある故障箇所として特定される。
【特許文献１】特開平６−３００８２４号公報
【特許文献２】特開平７−７２０１３号公報
【非特許文献１】例えば、ｚｙｇｏ社カタログ（http://www.zygo.com)
【非特許文献２】例えば、大成誠之助著、固体スペクトロスコピー、裳華房、（１９９４／９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、背景技術で述べた表面形状測定装置は、試料表面形状を高感度に測定する装置として用いられていたが、半導体回路チップの故障箇所特定のように、通電することによって、または、加熱を行うことによって、試料の金属部分が膨張することによって生じた変形箇所を特定する装置としては用いられていなかった。
【００１２】
また、背景技術で説明した半導体回路チップの配線部分の短絡、開放等の故障箇所を特定する方法では、（１）故障箇所を特定する際に微弱な電流変化を、高感度増幅器を用いて検出するために電気ノイズに弱い。電気ノイズは、測定時の空間中、また、測定系の電源ラインを介して侵入するために、除去は困難である。（２）微弱電流変化を検出するための高感度増幅器の操作には熟練を要する。（３）空間分解能はレーザ光の直径１μｍ程度であり、半導体回路チップの微細化の進展によって、空間分解能が不足している等の課題があった。
【００１３】
そこで、本発明では、電気ノイズの影響を受けにくく、操作性が容易で、空間分解能を向上し、故障箇所を容易に特定することができる半導体回路チップの故障箇所特定方法と装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の故障箇所特定方法は、光源から放射された光を参照光と信号光に分割する工程と、信号光を試料である半導体回路チップに入射する工程と、試料の表面より反射した光と参照光を干渉させて生じた干渉強度を画像化する画像化工程と、試料に通電する工程とを含むものである。
【００１５】
本発明の別の故障箇所特定方法は、光源から放射された光を参照光と信号光に分割する工程と、信号光を試料である半導体回路チップに入射する工程と、試料の表面より反射した光と参照光を干渉させて生じた干渉強度を画像化する画像化工程と、試料を加熱する工程とを含むものである。
【００１６】
上記構成において、試料である半導体回路チップに通電する工程により生じた半導体回路チップの表面の変形を、画像化工程より得られた情報から検出する。
【００１７】
上記構成において、試料である半導体回路チップを加熱する工程により生じた半導体回路チップの表面の変形を、画像化工程より得られた情報から検出する。
【００１８】
上記構成において、変形を検出する方法は、白色光位相変調法である。
【００１９】
本発明の別の故障個所特定方法は、光源と、光源の放射光を偏光して試料である半導体回路チップに入射させる偏光子と、試料からの反射光を入射する検光子と、検光子の出射光を入射して光強度を検出する光強度検出器とを備えた偏光解析装置を用いた故障個所特定方法であって、
試料の反射光による光強度を光強度検出器により検出する工程と、試料に通電または加熱する工程とを含むものである。
【００２０】
本発明の別の故障個所特定装置は、光源と、光源の放射光を偏光して試料である半導体回路チップに入射させる偏光子と、試料からの反射光を入射する検光子と、検光子の出射光を入射して光強度を検出する複数の受光部から構成されるイメージセンサと、光源と試料との間に配置されて試料に入射する光の口径を拡大する第１のビームエキスパンダと、試料とイメージセンサとの間に配置されて試料からの反射光の口径を拡大する第２のビームエキスパンダと、イメージセンサより順次出力される各受光部の出力信号を入力して演算処理する演算処理部と、演算処理部の演算結果を表示する画像表示部と、試料に通電して発熱させる電源部と、試料への通電を制御して試料の温度を調整する温度調節部とを備えたものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の故障個所特定方法は、試料である半導体回路チップの配線部分に通電を行った場合、ボイド等の欠損があると、その欠損部分は、正常部分と比較して、断面積が小さいために電流密度が大きくなり、発熱が生じる。また、欠損の近傍は結晶欠陥や空孔が多いために、熱伝導が低下し、温度が上昇する。この理由は、熱は配線を構成している金属の格子振動によって運ばれるが、欠陥が存在している箇所は格子構造が乱れているために、熱波の伝播である格子振動が妨げられるためである。このようにボイド等が存在する配線部分では、通電によって温度が上昇するために、体積（試料表面の高さ方向への伸び）や光学定数（例えば、配線部分の金属表面の反射率や周辺の絶縁膜の屈折率）が変化する。
【００２２】
これらの変化は表面形状測定方法である白色光位相変調法や二次元偏光解析法によって、二次元情報として取得し故障個所を特定することができる。ここで、白色光位相変調法や二次元偏光解析法は、試料表面と平行である二次元方向は、0.2μm程度、試料表面の高さは、0.1nm程度の分解能を有しており、配線部分の通電による試料表面の変形（伸び）を十分に検出することができる。
【００２３】
本発明の場合、配線構造のボイド等の欠損や結晶欠陥が表面に出ておらず光学顕微鏡像や走査型電子顕微鏡像では検出できない半導体回路チップの箇所特定が可能である。また背景技術で述べたレーザ光走査による配線の微弱な抵抗変化を検出する方法で用いている高感度電流増幅器を用いる必要がない。このため、電気ノイズの影響を受けにくく、操作性が容易で、空間分解能を向上し、故障箇所を容易に特定することができる。
【００２４】
また、試料である半導体回路チップを加熱すると、配線構造の熱膨張係数が異なる箇所など破壊しやすい箇所は、破壊に至る前の段階で、変形が生じる。この場合も上記と同様、白色光位相変調法や二次元偏光解析法によって、加熱によって、誘起された変形箇所の特定が可能である。ここで、特定された変形箇所は、半導体回路チップの信頼性不良等が発生する可能性がある箇所として、製造工程の見直しが行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２６】
図１は本発明の第１の実施形態である半導体回路チップの故障箇所特定装置を示す図である。図１において、１０１はイメージセンサ（CCDカメラ）、１０２はビームスプリッタ、１０３は入射光、１０４は反射光、１０５はミラウ干渉計、１０６は垂直走査駆動部（ピエゾ素子）、１０７は試料である半導体チップ、１０８は電源、１０９は白色光源、１１０は試料台である。
【００２７】
検査対象物である試料１０７は試料台１１０上に設置される、試料１０７には、電源１０８より所定の電圧が印加される。ここで、白色光位相変調法について述べる。白色光位相変調法による表面形状測定装置は、白色光源１０９より放射される白色光をビームスプリッタ１０２中を通過させて、入射光１０３として、試料１０７の表面に入射させる。その後、試料表面からの反射光１０４を同一光路上を通過させて干渉手段に干渉させる。干渉した光の強度を、イメージセンサ１０１によって二次元強度分布として取得する。白色光位相変調法では、干渉手段としてミラウ干渉計１０５を光軸方向に垂直走査駆動部１０６によって移動させながら、干渉強度を収集する。ここで、各干渉の強度の最大点が試料表面の高さに対応するので、この高さ方向のデータを処理することによって、高分解能で高さ方向の寸法を計測できる。
【００２８】
以上から、半導体回路チップが、配線箇所のボイド等の異常箇所を含んでいる場合、配線構造部分に通電すると、ボイド等の欠損がある箇所は、電流密度が高くなるために、発熱が生じる。また、発熱によって生じた熱は熱伝導が悪いため（熱波の伝播の過程で、多重散乱が生じやすくなる）、その近傍の温度が高くなり、配線部分の体積は膨張する。例えば、厚み６００ｎｍの銅配線部分が６０℃の温度上昇が生じると、延びは熱線膨張係数（／Ｋ）Ｘ長さＸ温度であり、１６．７Ｘ１０−６Ｘ６００Ｘ１０−９Ｘ６０＝６Ｘ１０−１０ｍの変位が生じるため、背景技術で述べた白色光位相変調法によってこの変形を検出することができる。
【００２９】
ここで、白色光位相変調法によって取得した異常箇所である発熱箇所は、通電による発熱が生じる前後の白色光位相変調法によって取得された表面形状の差分を、試料である半導体回路チップ写真と重ね合わせて表示することによって、図２のように電流の変化に対応した異常箇所を精度よく特定することができる（異常個所は矢印で示した）。
【００３０】
図３は本発明の第２の実施形態である半導体回路チップの故障箇所特定装置を示す図である。図３において、３０１は光源、３０２は偏光子、３０３は第１のビームエキスパンダ、３０４は入射光、３０５は試料、３０６は反射光、３０７は回転可能な検光子、３０８は第２のビームエキスパンダ、３０９は光強度検出器であるイメージセンサ、３１０は電源である。光源３０１から放射された光は偏光子３０２によって偏光面を揃えられる。次に、第１のビームエキスパンダ３０３によって、照射領域が拡大されて、入射光３０４として入射し、試料３０５の表面で反射する。反射光３０６は検光子３０７を経ることによって所定の偏光成分のみが選択されて、第２のビームエキスパンダ３０８によって反射像は拡大されて、イメージセンサ３０９に達する。図３は回転検光子法光学系であることを示している。
【００３１】
さらにこの故障個所特定装置は、イメージセンサ３０９の信号を入力して試料の膜厚、屈折率、吸収率等に変換する演算処理部、演算処理の結果として、試料の膜厚、屈折率、吸収率等を二次元表示する画像表示部、試料である半導体回路チップに電圧電流を印加する電源部、半導体回路チップの通電を制御してその温度を調整する温度調節部を有する（いずれも図示せず）。すなわち、半導体回路チップに電源部より通電し、温度調節部により通電を制御して試料の変位を、イメージセンサ３０９の出力信号を演算処理で演算し、画像表示部に表示させることにより特定する。
【００３２】
試料３０５の配線構造部分に電流を流した場合、ボイド等の欠損がある箇所では、第１の実施の形態で示したのと同様に変位が生じるため、背景技術で述べた二次元偏光解析法によってこの変形を検出することができる。
【００３３】
また、二次元偏光解析装置では、白色光源より放射される光を回折格子によって分光することによって、波長を連続的に変化させて発生させることが一般的であるが、本第２の実施形態では、試料表面の膜厚の変化を検出感度よく計測できればよいので、波長を固定した単波長の偏光解析でよい。しかし、近年、入手が容易になった半導体レーザ（ＺｎＳｅ系：５１５ｎｍ、ＧａＮ系：４１０ｎｍ、ＡｌＧａＩｎＰ系：６６０ｎｍ）による、半値幅が狭い複数の光を照射することによって得られた波長が３種類以上の情報を用いると、膜厚変化の他に、屈折率の変化、複屈折率の変化などを知ることも演算を行うことによって測定できる。
【００３４】
また、本発明では、試料である半導体回路チップの温度を、例えば、２５０℃とすると加熱によって、試料の変形、剥がれ、または、それらの前段階としての変形が生じる箇所が特定できる。それらの変形箇所は、半導体チップの信頼性の不良を引き起こす可能性がある箇所として製造工程の見直しが行われる。
【００３５】
なお、本発明では、試料である半導体回路チップを通電することによって、生じた試料表面の変形を白色光位相干渉法や二次元偏光解析法で、検出するとしたが、表面の形状変化は、白色光位相干渉法や二次元偏光解析法以外の方法、例えば、原子間力顕微鏡法でも良い。
【００３６】
また、上記実施の形態において、試料に通電する以外に試料を加熱することによって、故障個所を特定することも可能である。
【００３７】
試料の加熱を行うことによって生じる変形を白色光位相変調法によって検出する場合、状況によっては、白色光位相変調法の光学系、特に対物レンズの周辺の温度が上昇することによって、対物レンズが温度上昇によって変形を生じる可能性があるため、対物レンズに例えば、水冷による冷却機構を備えても良い。
【００３８】
さらに、試料である半導体チップの通電、または、加熱中に試料の移動（ドリフト）が生じる場合がある。その際、半導体チップの回路パターンを認識し、その回路パターン位置に対して相対位置にある発熱箇所の変形の経時変化を測定する機構（トラッキング機構）を備えても良い。
【００３９】
また、白色光位相変調法や二次元偏光解析法によって取得された像の改質手段として、最大エントロピー法等による処理によって画像改質を行っても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の故障個所特定方法および装置は、電気ノイズの影響を受けにくく、操作性が容易で、空間分解能を向上させることができる等の効果があり、半導体回路チップの開発工程、製造工程での故障箇所の特定に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施の形態における故障箇所特定装置の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における故障箇所特定装置によって特定した異常箇所を説明する説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態における故障箇所特定装置の構成図である。
【図４】（ａ）は背景技術における白色光位相変調法を用いた表面形状測定装置の構成図、（ｂ）はミラウ干渉計のＺ軸位置に対する干渉光強度の関係図である。
【図５】背景技術における２次元偏光解析装置の構成図である。
【図６】背景技術における装置構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０１  イメージセンサ（CCDカメラ）
１０２  ビームスプリッタ
１０３  入射光
１０４  反射光
１０５  ミラウ干渉計
１０６  垂直走査駆動部（ピエゾ素子）
１０７  試料
１０８  電源
１０９  白色光源
１１０  試料台
【図１】
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【図２】
2006337037.tif 000004
【図３】
2006337037.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006337037.tif 000007
【図６】
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