(57)【要約】【課題】  試料の電流経路に限定されること無く欠陥を検出すること。【解決手段】  加熱源により試料の裏面側から当該試料を加熱した後、所定時間放置し、観測部により前記試料の表面側から前記試料上に形成される温度分布を観測することで、前記試料の欠陥の有無を検出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱源により試料を加熱した後、所定時間放置し、観測部により前記試料上に形成される温度分布を観測することで、前記試料の欠陥の有無を検出することを特徴とする非破壊検査方法。
【請求項２】
前記加熱源は、前記試料の裏面側から当該試料を加熱し、
前記観測部は、前記試料の表面側から前記試料上に形成される温度分布を観測することを特徴とする請求項1記載の非破壊検査方法。
【請求項３】
前記加熱源は、前記試料に向けて出力するレーザ光であることを特徴とする請求項１又は２記載の非破壊検査方法。
【請求項４】
前記試料の温度分布の観測中において、前記加熱源からの熱が前記観測部および前記試料に伝わらないように、第１シャッタにより前記試料と前記加熱源の間を遮断することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の非破壊検査方法。
【請求項５】
前記試料の温度分布の観測中において、前記加熱源からの熱が前記観測部および前記試料に伝わらないように、レーザ光を出力しないようにすることを特徴とする請求項３記載の非破壊検査方法。
【請求項６】
前記試料の加熱中において、前記観測部に前記加熱源からの熱が伝わらないように、第２シャッタにより前記試料と前記観測部の間を遮断することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の非破壊検査方法。
【請求項７】
前記観測部は、水銀カドミウムテルライド型エミッション顕微鏡を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の非破壊検査方法。
【請求項８】
試料を加熱する加熱源と、
前記試料上に形成される温度分布を観測する観測部と、
を備えることを特徴とする非破壊検査装置。
【請求項９】
前記加熱源は、試料の裏面側から当該試料を加熱し、
前記観測部は、前記試料の表面側から当該試料上に形成される温度分布を観測することを特徴とする請求項８記載の非破壊検査装置。
【請求項１０】
前記加熱源は、前記試料に向けてレーザ光を出力することを特徴とする請求項８又は９記載の非破壊検査装置。
【請求項１１】
前記試料の温度分布の観測中に、前記加熱源からの熱が前記観測部および前記試料に伝わらないように、前記試料と前記加熱源の間を遮断する第１シャッタを備えることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一に記載の非破壊検査装置。
【請求項１２】
前記加熱源は、前記試料の温度分布の観測中において、前記加熱源からの熱が前記観測部および前記試料に伝わらないように、前記試料に向けてレーザビームを出力しないようにする機能を有することを特徴とする請求項１０記載の非破壊検査装置。
【請求項１３】
前記試料の加熱中に、前記加熱源からの熱が前記観測部に伝わらないように、前記試料と前記観測部の間を遮断する第２シャッタを備えることを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか一に記載の非破壊検査装置。
【請求項１４】
前記観測部は、水銀カドミウムテルライド型エミッション顕微鏡を含むことを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか一に記載の非破壊検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の非破壊検査装置および非破壊検査方法に関し、特に、半導体装置の配線系の欠陥を検査するのに適した非破壊検査装置および非破壊検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体チップ等の電子部品（試料）の非破壊検査方法として、ＯＢＩＲＣＨ（Optical Beam Induced Resistance Change）法が知られている。ＯＢＩＲＣＨ法では、レーザ光で半導体チップ上を走査しながら配線を加熱した際の配線抵抗の変化を画像にする（非特許文献１参照）。この方法によれば、配線中にボイド等の欠陥がある箇所と欠陥の無い箇所とでは温度上昇の程度が異なるため、欠陥を画像の上で識別できるというものである。
【０００３】
また、従来の非破壊検査装置として、半導体装置表面に温度変化により相転移する液晶膜を塗布し、上記半導体装置の表面に赤外線を照射して加熱することにより、上記液晶の相転移を光学顕微鏡で観察し、上記半導体装置の動作時の微小発熱をともなう故障を検出する半導体装置の故障解析装置において、赤外線の照射範囲を調節する可変スリットを有するものが開示されている（特許文献１参照）。この装置によれば、半導体装置の発熱をともなう故障箇所を検出する場合において、可変スリットを併用して赤外線で局所加熱を行うことにより、周囲からの熱伝導や熱容量の影響を受けずに、正確に発熱分布を検出することができるというものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−４６７７２号公報
【非特許文献１】二川  清、「OBIRCH (Optical Beam Induced Resistance CHange)法の発展経緯・現状・将来展望」、ＲＥＡＪ誌、vol.25, no.8, pp.853-856 (2003).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来のＯＢＩＲＣＨ法を用いたＯＢＩＲＣＨ装置で検出できる欠陥は、半導体チップの外部から抵抗の変化が検出できる配線に限定される。すなわち、従来のＯＢＩＲＣＨ装置では、例えば、図６に示すように、半導体チップの２端子間に電圧を印加し、レーザ光を照射した際の電流の変化を輝度値として走査箇所に対応した画像が得られるが、この２端子間に存在する配線の欠陥のみしか検査の対象となり得ない。
【０００６】
本発明の主な課題は、試料の電流経路に限定されること無く欠陥を検出できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の視点においては、非破壊検査方法において、加熱源により試料を加熱した後、所定時間を放置し、観測部により前記試料上に形成される温度分布を観測することで、前記試料の欠陥の有無を検出することを特徴とする。
【０００８】
本発明の第２の視点においては、非破壊検査装置において、試料を加熱する加熱源と、前記試料上に形成される温度分布を観測する観測部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明（請求項１−１４）によれば、試料に対して外部から電流の供給が不要のため、欠陥検出の対象となる配線が限定されることがない。また、配線欠陥に限定されることなく、配線以外の層間絶縁膜などの欠陥も検出することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る非破壊検査装置および非破壊検査方法について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る非破壊検査方法を説明するための図面であり、（Ａ）は非破壊検査装置の概略図、（Ｂ）は非破壊検査装置で取得した温度分布画像である。図２は、本発明の実施形態１に係る非破壊検査装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【００１１】
実施形態１に係る非破壊検査方法においては、検査対象となる半導体装置等の電子部品（試料）、及びレファレンスとなる良品の電子部品（良品試料）を、その裏面側から加熱源（例えば、赤外線ランプ、赤外レーザ光等）によって加熱した後、試料及び良品試料の表面温度を観測部（例えば、エミッション顕微鏡、ＭＣＴ（水銀カドミウムテルライド）型エミッション顕微鏡等）で検出し（図１（Ａ）参照）、試料と良品試料との温度分布の画像の差を取得する（図１（Ｂ）参照）。取得した画像を比較することにより、試料と良品試料について温度分布画像に差がみられた箇所が欠陥となる（図１（Ｂ）参照）。
【００１２】
図１（Ａ）の非破壊検査装置の動作について説明する。
【００１３】
まず、第１シャッタが開、かつ、第２シャッタが閉の状態（加熱のみの状態）で、電子部品（例えば、ＩＣチップ）の裏面側に配された加熱源から、赤外光または赤外レーザ光を照射し、電子部品の表面（主面）側を所定時間（図２のτｈ）加熱する（図２のステップＳ１）。ここで、赤外レーザ光を用いれば、例えば、赤外レーザ光がＩＣチップの裏面側からＳｉ基板を透過してＩＣチップの表面付近に集光し、当該表面付近を集中的に加熱することが可能である。
【００１４】
次に、第１シャッタが閉、かつ、第２シャッタが閉の状態（加熱および観測しない状態）で、所定時間τｈｏ放置する（図２のステップＳ２）。ここで、赤外照射により電子部品の表面側が加熱されると、電子部品の表面側に配置された配線および層間絶縁膜の構成、並びに、配線および層間絶縁膜の欠陥の状態に応じて、電子部品の表面付近の温度分布が決まる。そして、この温度分布は加熱時間（図２のτｈ）とその後の時間の経過とともに変化するので、ステップＳ２では所定時間τｈｏ放置している。なお、加熱を停止した後では、加熱した熱そのものを観測することになり、配線や層間絶縁膜およびそれらの欠陥の状態の観測は困難である。所定時間τｈｏ放置することにより、配線や層間絶縁膜およびそれらの欠陥の状態によって熱の伝導状態が異なるため、特有の温度分布を観測できるようになる。所定時間τｈｏは、μｓ（マイクロ秒）から１００μｓ程度とすることができるが、加熱時間や加熱温度、観測する電子部品の構造や表面状態などによってｎｓ（ナノ秒）オーダーからｍｓ（ミリ秒）オーダーとすることも可能である。
【００１５】
次に、第１シャッタが閉、かつ、第２シャッタが開の状態（観測のみする状態）で、電子部品の温度分布を所定時間（図２のτｏ）観測する（図２のステップＳ３）。ここで、観測部は、電子部品（試料）の主面側に配置され、例えば、ＭＣＴ型エミッション顕微鏡などの熱センサ、エミッション顕微鏡などの光センサ等が用いられる。最も普及しているエミッション顕微鏡の感度波長域は可視光部が主であるが赤外部にもわずかに延びており、２００℃程度以上の温度は可視化できる。また、近年普及してきたＭＣＴ型エミッション顕微鏡を用いれば、１℃以下の感度での温度分布の観測が可能である。観測時間（図２のτｏ）はセンサの感度などにより決める。
【００１６】
次に、第１シャッタが閉、かつ、第２シャッタが閉の状態（加熱および観測しない状態）で、所定時間（図２のτｏｈ）放置する（図２のステップＳ４）。
【００１７】
その後、第１シャッタが開、かつ、第２シャッタが閉の状態（加熱のみの状態）で、ステップＳ１と同様に加熱を開始し（図２のステップＳ５）、以降、必要な箇所の観測が必要なＳ／Ｎ（信号対ノイズ比）で得られるまでステップＳ１〜ステップＳ４を繰り返すことになる。
【００１８】
なお、加熱するステップ（ステップＳ１等）においてレーザ光で照射する場合には、観測が必要な箇所を一度に照射することはできないので、電子部品上を走査する必要がある。その場合、加熱は被観測箇所の一部で行われ、観測は被観測箇所全体で行われることになるが、観測画像を記憶積算すれば、不都合は生じない。このような記憶積算機能は、通常のエミッション顕微鏡やＭＣＴ型エミッション顕微鏡に備わっている。
【００１９】
また、加熱と観測のタイミングは、図２に示したように第１シャッタおよび第２シャッタの開閉により調整し、加熱時（図２ステップＳ１、第１シャッタは開）にはセンサに加熱源からの熱が伝わらないように第２シャッタを閉じている。一方、観測時（図２のステップＳ３、第２シャッタは開）には加熱源からの熱が電子部品およびセンサに伝わらないように第１シャッタを閉じている。シャッタ機能を加熱源やセンサと別に設けずに、シャッタ機能を内蔵した加熱源やセンサを用いてもいいことは、勿論である。
【００２０】
電子部品の裏面からレーザ光などの光を照射するのは、センサ（熱センサ、光センサ等）との物理的配置を容易にするためであり、また、電子部品が多層配線のＩＣの場合は直接加熱可能な配線の面積を多くとるためでもある。ウェハ又はチップで検査する場合、ウェハ又はチップの裏面を鏡面研磨（仕上げ）しておくことが好ましい。また、物理的配置の制約や多層配線による加熱の不利がない場合は表面側から照射加熱していいことは、勿論である。さらに、表面側から加熱し、裏面側から温度分布を観測してもいいことも、勿論である。
【実施例】
【００２１】
次に、本発明の一実施例に係る非破壊検査方法について図面を用いて説明する。図３は、本発明の一実施例に係る非破壊検査方法によるＩＣチップの画像を説明するための模式図であり、（Ａ）は光学画像、（Ｂ）は温度分布画像である。図４は、本発明の一実施例に係る非破壊検査方法による電子部品の欠陥検出過程を示した模式図である。
【００２２】
図３（Ａ）を参照すると、ＩＣチップに係る光学画像の被観測領域には層間絶縁膜上に配線が配されている。ここでは、便宜上、一層の配線が一本だけ配されている場合を示す。光学画像では、ＩＣチップの欠陥は光学的に見えない。
【００２３】
一方、図３（Ｂ）を参照すると、赤外ランプ照射加熱を行いＭＣＴ型エミッション顕微鏡により温度分布画像を観測した場合、温度分布画像ではＳ／Ｎの関係で必ずしも最初から層間絶縁膜の欠陥、配線、および配線の欠陥の全てが見えるわけではないが、画像積算を重ねるうちに少しずつクリアになって層間絶縁膜の欠陥、配線、および配線の欠陥も同時に見えてくる。なお、温度分布画像で見えてきた欠陥は、配線や層間絶縁膜の内部に埋もれていたか、あるいは、小さかったために光学画像では見えなかったものである。
【００２４】
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、図３（Ａ）のＩＣチップに関して、赤外レーザ光走査で加熱を行い、ＭＣＴ型エミッション顕微鏡で温度分布を観測した場合を示している。図４（Ａ）は、走査途中であり、１６３本目の走査線に相当する箇所までレーザ光の走査が進んだ時の、ＭＣＴ型エミッション顕微鏡でとらえた積算画像である。この段階では、絶縁膜中の欠陥２箇所が検出されている。図４（Ｂ）は、さらに走査が進んで、２７９本目まで走査された時の、ＭＣＴ積算画像である。この段階ではさらに配線がみえてきているが配線中の欠陥までは見えていない。図４（Ｃ）は走査が５１２本目まで進んだ段階であり、ここでは図３（Ｂ）と同じように全ての欠陥が見えている。
【００２５】
このように、ランプで一括照射する場合は全貌がすぐに見えてくるが、レーザ光で走査した場合には全貌はすぐには見えないという欠点がある。一方、レーザ光の利点は、表面付近に焦点を絞り局所的に加熱できるため、効率および感度がいいという点である。ここで用いるレーザ光の波長はＯＢＩＲＣＨ法で用いられる１３００ｎｍ近辺の波長でも、裏面ＯＢＩＣ（Optical Beam Induced Current）法で用いられる１０６４ｎｍ付近の波長でも、どちらでもよい。ＯＢＩＲＣＨ法で加熱する際は、ＯＢＩＣの発生がノイズとなるため１０６５ｎｍ近辺の波長を用いることはできなかったが、実施例による方法では、ＯＢＩＣはノイズとならないので、そのような制限が無い。
【００２６】
現実には、この例に示したように全ての欠陥がきれいに見えるわけではない。そのような場合には適当に閾値を設定して、ノイズとの識別を行い、また、良品と比較するなどして検査することは、勿論である。また、必要に応じて、図２のτｈ、τｈｏ、τｏ、τｏｈを適切に調整することで、熱伝導の時間と観測にかける時間の関係から、温度分布像の空間分解能の向上などを図ることも、勿論である。
【００２７】
このように、本実施例によれば、従来の非破壊検査手法では著しく困難とされていた電流経路を設定できない箇所の配線や絶縁膜中の欠陥を検出できる。すなわち、ボイドや高抵抗箇所の特定等、半導体デバイスの検査、不良解析、故障解析に適用できる。
【００２８】
次に、本発明の一実施例に係る非破壊検査装置について図面を用いて説明する。図５は、本発明の一実施例に係る非破壊検査装置の構成を模式的に示した概略図である。
【００２９】
非破壊検査装置１００は、レーザ光生成部１０と、観測部２０と、システム制御部４０と、表示部５０と、試料台７１と、を有する。なお、試料７０は、検査対象となる半導体装置等の電子部品である。
【００３０】
レーザ光生成部１０は、試料７０の裏面側から当該試料７０を加熱する加熱源であり、加熱・検出タイミング制御部１１から出力されたレーザ光制御信号２により、試料７０に向けてオン・オフされるレーザ光６１を出力する。レーザ光生成部１０は、加熱・検出タイミング制御部１１と、赤外レーザ光発生器１２と、光学系ユニット１３と、光ファイバ１４と、を有する。
【００３１】
加熱・検出タイミング制御部１１は、システム制御部４０からの加熱・検出タイミング信号１に基づいて、赤外レーザ光発生器１２から出力されるレーザ光のオン・オフのタイミングを制御し、そのためのレーザ光制御信号２を赤外レーザ光発生器１２に向けて出力する。また、加熱・検出タイミング制御部１１は、システム制御部４０からの加熱・検出タイミング信号１に基づいて、観測部２０のシャッタ２１の開閉のタイミングを制御し、そのためのシャッタ制御信号３をシャッタ２１に向けて出力する。
【００３２】
赤外レーザ光発生器１２は、加熱・検出タイミング制御部１１からのレーザ光制御信号２により、オン・オフされるレーザ光を発生し、発生したレーザ光を光ファイバ１４を介して光学系ユニット１３に向けて出力する。光学系ユニット１３は、光ファイバ１４で導波されたレーザ光を収束してレーザ光６１を生成し、生成されたレーザ光６１を試料台７１上に搭載された試料７０に向けて出力する。光ファイバ１４は、赤外レーザ光発生器１２から出力されたレーザ光を光学系ユニット１３に導波する。
【００３３】
観測部２０は、レーザ光６１が照射された試料７０の表面側から当該試料７０上に形成される温度分布を観測する。観測部２０は、シャッタ２１と、ＭＣＴ型（水銀カドミウムテルライド型）エミッション顕微鏡２２と、を有する。シャッタ２１は、加熱・検出タイミング制御部１１からのシャッタ制御信号３に基づいて開閉することにより、試料７０などからＭＣＴ型エミッション顕微鏡２２への放射熱の到達を制御する。ＭＣＴ型エミッション顕微鏡２２は、試料７０上に形成される温度分布を観測する赤外検出器であり、温度分布信号４をシステム制御部４０に向けて出力する。
【００３４】
システム制御部４０は、試料台７１のステージ走査や、光学系ユニット１３のレーザ走査を制御するとともに、加熱・検出タイミング制御部１１の加熱・検出タイミングの制御指示等を行う。
【００３５】
システム制御部４０は、試料台７１上に搭載された試料７０の位置を制御するためのステージ走査信号５を試料台７１に向けて出力し、試料台７１を図４のように走査させる。図４のような走査は、必要に応じてレーザ走査信号６により光学系ユニット１３を制御し、レーザ光６１を試料７０上で走査させながら、試料７０に照射してもよい。
【００３６】
また、システム制御部４０は、図示されていないが、レーザ光６１による試料７０からの反射光をフォトダイオード（図示せず）で検出した信号を、ステージ走査、レーザ走査、レーザ光照射位置、と同期させて、図３（Ａ）の光学画像に相当するレーザ走査顕微鏡画像として表示するための制御も行う。システム制御部４０は、得られたレーザ走査顕微鏡画像と、温度分布信号４により取り込まれた温度分布画像と、の対応表示の制御を行い、そのための画像表示信号８をコンピュータ５１に向けて出力する。
【００３７】
表示部５０は、システム制御部４０からの画像表示信号８に基づいて温度分布画像８１を表示する。表示部５０は、コンピュータ５１と、ディスプレイ５２と、を有する。コンピュータ５１は、システム制御部４０からの画像表示信号８に基づいて、温度分布画像８１や、さらにはそれとの場所の対応をとるためのレーザ走査顕微鏡画像等をディスプレイ５２に表示させる。なお、出力装置として、ディスプレイ５２以外にも、プリンタあるいはファイル装置等を用いてよいことは勿論である。
【００３８】
試料台７１は、試料７０が搭載されるステージであり、試料７０の所定の照射位置にレーザ光６１が照射されるように移動させる機能を有する。
【００３９】
なお、図示されていないが、レーザ照射による反射信号をフォトダイオードで検出し、レーザ走査顕微鏡像として温度分布画像と対応した箇所を表示できることも、勿論である。また、試料７０として、ＩＣチップ、Ｓｉウェハ等が用いられる。化合物半導体ウェハ、ＴＦＴ基板等であってもよいことは勿論である。
【００４０】
次に、本発明の一実施例に係る非破壊検査装置の動作について説明する。
【００４１】
図５に示した非破壊検査装置において、試料７０を試料台７１に搭載した状態で、加熱・検出タイミング制御部１１でレーザ光制御信号２とこれに同期したシャッタ制御信号３を生成し、シャッタ制御信号３を観測部２０に出力し、レーザ光制御信号２をファイバレーザ（例えば波長は１０６５ｎｍ）で構成した赤外レーザ光発生器１２に出力し、レーザ光を発生させ、光ファイバ１４で光学系ユニット１３に導き試料７０上にレーザ光を絞り込む。
【００４２】
加熱・検出タイミング制御部１１でのレーザ光制御信号２と、当該レーザ光制御信号２に同期したシャッタ制御信号３と、の制御タイミングの例は、図２を用いて前述したとおりである。なお、図１および図２の第１シャッタの開・閉が図５のレーザ光制御信号２でのレーザのオン・オフに対応し、図１および図２の第２シャッタの開・閉が図５のシャッタ制御信号３でのシャッタ２１の開・閉に対応する。
【００４３】
その後、ＭＣＴ型エミッション顕微鏡２２にてレーザ光６１が照射された試料７０上に形成される温度分布を観測し、システム制御部４０にて温度分布画像を生成し、表示部５０にて温度分布画像を表示することになる。
【００４４】
ここで、本実施例では、波長１０６５ｎｍのレーザ光を用いているので、試料７０がＳｉウェハの場合、その裏面からレーザ光を照射し、Ｓｉ基板を透過し、Ｓｉウェハ表面近傍の配線へレーザ光を到達させることができる。Ｓｉウェハ裏面を鏡面研磨しておくことが好ましい。Ｓｉウェハの裏面から照射されたレーザ光６１を効率よく配線に到達させることができる。
【００４５】
以上、本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成にのみ限定されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態１に係る非破壊検査方法を説明するための図面であり、（Ａ）は非破壊検査装置の概略図、（Ｂ）は非破壊検査装置で取得した温度分布画像である。
【図２】本発明の実施形態１に係る非破壊検査装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】本発明の一実施例に係る非破壊検査方法によるＩＣチップの画像を説明するための模式図であり、（Ａ）は光学画像、（Ｂ）は温度分布画像である。
【図４】本発明の一実施例に係る非破壊検査方法による電子部品の欠陥検出過程を示した模式図である。
【図５】本発明の一実施例に係る非破壊検査装置の構成を模式的に示した概略図である。
【図６】従来のＯＢＩＲＣＨ法を説明するための図面であり、（Ａ）はＯＢＩＲＣＨ装置の概略図、（Ｂ）はＯＢＩＲＣＨ装置で取得した温度分布画像である。
【符号の説明】
【００４７】
１  加熱・検出タイミング信号
２  レーザ光制御信号
３  シャッタ制御信号
４  温度分布信号
５  ステージ走査信号
６  レーザ走査信号
８  画像表示信号
１０  レーザ光生成部
１１  加熱・検出タイミング制御部
１２  赤外レーザ光発生器
１３  光学系ユニット
１４  光ファイバ
２０  観測部
２１  シャッタ
２２  ＭＣＴ型エミッション顕微鏡
４０  システム制御部
５０  表示部
５１  コンピュータ
５２  ディスプレイ
６１  レーザ光
７０  試料
７１  試料台
８１  温度分布画像
１００  非破壊検査装置
【図１】
2006343190.tif 000003
【図２】
2006343190.tif 000004
【図３】
2006343190.tif 000005
【図４】
2006343190.tif 000006
【図５】
2006343190.tif 000007
【図６】
2006343190.tif 000008