(57)【要約】【課題】  半導体デバイスの発熱解析画像における撮像位置ずれの影響を抑制することが可能な半導体故障解析装置及び方法を提供する。【解決手段】  半導体デバイスＳにバイアス電圧を印加する電圧印加部１４と、画像を取得する撮像装置１８と、画像処理を行う画像処理部３０とを備えて故障解析装置１Ａを構成し、撮像装置１８は、電圧印加状態での発熱像をそれぞれ含む複数の解析画像と、電圧未印加状態での複数の背景画像とを取得する。画像処理部３０は、解析画像及び背景画像のそれぞれでの撮像位置を算出する撮像位置算出部３２と、撮像位置に対して用意された領域分割単位に基づいて解析画像及び背景画像をＮ個の画像グループに分類する画像分類部３３と、Ｎ個の画像グループについて個別に解析画像と背景画像との差分画像を生成する差分画像生成部３４とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスの発熱像を用いて故障解析を行う半導体故障解析装置であって、
解析対象となる半導体デバイスに対してバイアス電圧を印加する電圧印加手段と、
前記半導体デバイスの画像を取得する撮像手段と、
前記撮像手段によって取得された画像に対して、前記半導体デバイスの故障解析に必要な画像処理を行う画像処理手段とを備え、
前記撮像手段は、前記半導体デバイスに前記バイアス電圧が印加された状態での発熱像をそれぞれ含む複数の解析画像と、前記バイアス電圧が印加されていない状態での複数の背景画像とを取得するとともに、
前記画像処理手段は、
前記複数の解析画像及び前記複数の背景画像のそれぞれについて、その撮像位置を算出する撮像位置算出手段と、
前記複数の解析画像及び前記複数の背景画像のそれぞれでの前記撮像位置に対して、前記撮像位置の位置頻度分布を参照して設定された領域分割単位を用意し、前記領域分割単位にしたがって分割されたＮ個の領域（Ｎは２以上の整数）のどの領域に前記撮像位置が属するかによって、前記複数の解析画像及び前記複数の背景画像をＮ個の画像グループに分類する画像分類手段と、
分類された前記Ｎ個の画像グループについて個別に、故障解析に用いられる前記解析画像と前記背景画像との差分画像を生成する差分画像生成手段と
を有することを特徴とする半導体故障解析装置。
【請求項２】
前記画像分類手段は、前記複数の解析画像及び前記複数の背景画像のそれぞれでの前記撮像位置の前記位置頻度分布を求めるとともに、前記複数の解析画像の前記位置頻度分布での平均位置μ１及び分布幅ｗ１と、前記複数の背景画像の前記位置頻度分布での平均位置μ２及び分布幅ｗ２とに基づいて、前記領域分割単位を設定することを特徴とする請求項１記載の半導体故障解析装置。
【請求項３】
前記画像分類手段は、前記領域分割単位を調整するための調整係数αを設定するとともに、前記複数の解析画像についての領域単位μ１±α×ｗ１と、前記複数の背景画像についての領域単位μ２±α×ｗ２とを求め、それらの領域単位の共通範囲を前記領域分割単位として設定することを特徴とする請求項２記載の半導体故障解析装置。
【請求項４】
前記画像分類手段は、操作者によって入力された係数値に基づいて、前記調整係数αを設定することを特徴とする請求項３記載の半導体故障解析装置。
【請求項５】
前記画像分類手段は、前記複数の解析画像の前記位置頻度分布での前記分布幅ｗ１と、前記複数の背景画像の前記位置頻度分布での前記分布幅ｗ２とを、それぞれ標準偏差σによって求めるとともに、前記調整係数αを、条件１≦α≦２を満たす範囲内で設定することを特徴とする請求項３または４記載の半導体故障解析装置。
【請求項６】
前記差分画像生成手段は、前記Ｎ個の画像グループのそれぞれについて求められるＮ個の前記差分画像に対して、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいた重み付けを行うことで、故障解析に用いられる差分画像を生成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の半導体故障解析装置。
【請求項７】
前記差分画像生成手段は、前記Ｎ個の画像グループのそれぞれについて求められるＮ個の前記差分画像に対して、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいて、故障解析に用いられる差分画像を選択することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の半導体故障解析装置。
【請求項８】
前記差分画像生成手段は、前記Ｎ個の画像グループのそれぞれについて求められるＮ個の前記差分画像に対して、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいた重み付けを行うことで、故障解析に用いられる差分画像を生成する第１解析モードと、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいて、故障解析に用いられる差分画像を選択する第２解析モードとを切り替え可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の半導体故障解析装置。
【請求項９】
半導体デバイスの発熱像を用いて故障解析を行う半導体故障解析方法であって、
解析対象となる半導体デバイスに対してバイアス電圧を印加する電圧印加ステップと、
前記半導体デバイスの画像を取得する撮像ステップと、
前記撮像ステップによって取得された画像に対して、前記半導体デバイスの故障解析に必要な画像処理を行う画像処理ステップとを備え、
前記撮像ステップは、前記半導体デバイスに前記バイアス電圧が印加された状態での発熱像をそれぞれ含む複数の解析画像と、前記バイアス電圧が印加されていない状態での複数の背景画像とを取得するとともに、
前記画像処理ステップは、
前記複数の解析画像及び前記複数の背景画像のそれぞれについて、その撮像位置を算出する撮像位置算出ステップと、
前記複数の解析画像及び前記複数の背景画像のそれぞれでの前記撮像位置に対して、前記撮像位置の位置頻度分布を参照して設定された領域分割単位を用意し、前記領域分割単位にしたがって分割されたＮ個の領域（Ｎは２以上の整数）のどの領域に前記撮像位置が属するかによって、前記複数の解析画像及び前記複数の背景画像をＮ個の画像グループに分類する画像分類ステップと、
分類された前記Ｎ個の画像グループについて個別に、故障解析に用いられる前記解析画像と前記背景画像との差分画像を生成する差分画像生成ステップと
を有することを特徴とする半導体故障解析方法。
【請求項１０】
前記画像分類ステップは、前記複数の解析画像及び前記複数の背景画像のそれぞれでの前記撮像位置の前記位置頻度分布を求めるとともに、前記複数の解析画像の前記位置頻度分布での平均位置μ１及び分布幅ｗ１と、前記複数の背景画像の前記位置頻度分布での平均位置μ２及び分布幅ｗ２とに基づいて、前記領域分割単位を設定することを特徴とする請求項９記載の半導体故障解析方法。
【請求項１１】
前記画像分類ステップは、前記領域分割単位を調整するための調整係数αを設定するとともに、前記複数の解析画像についての領域単位μ１±α×ｗ１と、前記複数の背景画像についての領域単位μ２±α×ｗ２とを求め、それらの領域単位の共通範囲を前記領域分割単位として設定することを特徴とする請求項１０記載の半導体故障解析方法。
【請求項１２】
前記画像分類ステップは、操作者によって入力された係数値に基づいて、前記調整係数αを設定することを特徴とする請求項１１記載の半導体故障解析方法。
【請求項１３】
前記画像分類ステップは、前記複数の解析画像の前記位置頻度分布での前記分布幅ｗ１と、前記複数の背景画像の前記位置頻度分布での前記分布幅ｗ２とを、それぞれ標準偏差σによって求めるとともに、前記調整係数αを、条件１≦α≦２を満たす範囲内で設定することを特徴とする請求項１１または１２記載の半導体故障解析方法。
【請求項１４】
前記差分画像生成ステップは、前記Ｎ個の画像グループのそれぞれについて求められるＮ個の前記差分画像に対して、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいた重み付けを行うことで、故障解析に用いられる差分画像を生成することを特徴とする請求項９〜１３のいずれか一項記載の半導体故障解析方法。
【請求項１５】
前記差分画像生成ステップは、前記Ｎ個の画像グループのそれぞれについて求められるＮ個の前記差分画像に対して、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいて、故障解析に用いられる差分画像を選択することを特徴とする請求項９〜１４のいずれか一項記載の半導体故障解析方法。
【請求項１６】
前記差分画像生成ステップは、前記Ｎ個の画像グループのそれぞれについて求められるＮ個の前記差分画像に対して、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいた重み付けを行うことで、故障解析に用いられる差分画像を生成する第１解析モードと、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいて、故障解析に用いられる差分画像を選択する第２解析モードとを切り替え可能に構成されていることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか一項記載の半導体故障解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスの発熱像を用いて故障解析を行う半導体故障解析装置、及び半導体故障解析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体デバイスの故障解析を行う装置として、半導体デバイスで発生する熱を検出して、その故障箇所を特定する故障解析装置が用いられている。このような故障解析装置では、例えば、半導体デバイスに含まれる電子回路に対してバイアス電圧を印加する。そして、赤外光の波長領域に感度を有する撮像装置を用いて半導体デバイスを撮像することで発熱像を取得し、その発熱像を解析することによって、半導体デバイスにおける発熱箇所を特定する（例えば、特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２７５８５６２号公報
【特許文献２】特開平９−２６６２３８号公報
【特許文献３】特開平１１−３３７５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した半導体故障解析装置では、赤外撮像装置によって取得される半導体デバイスの画像は、半導体デバイスで発生する熱による発熱像と、半導体デバイスでの回路パターンによるパターン像とを含む。この場合、このような画像からパターン像を除去して発熱像を抽出する方法として、差分法が考えられる。すなわち、半導体デバイスにバイアス電圧が印加された状態での発熱像＋パターン像による解析画像とは別に、バイアス電圧が印加されていない状態でのパターン像のみによる背景画像を取得する。そして、解析画像と背景画像との差分をとることによって、発熱像のみを抽出することができる。
【０００５】
ここで、上記の方法では、解析画像及び背景画像は、通常、それぞれ時系列に複数ずつ取得されて故障解析に用いられる。一方、このような故障解析装置では、温度変化の影響によって撮像装置による半導体デバイスに対する撮像位置が変動する温度ドリフトが発生する。すなわち、解析画像及び背景画像の時系列での取得中に温度が変化すると、故障解析装置を構成している各部品が、その材質やサイズの違いなどに応じて異なる条件で伸縮することで位置変動が発生し、それによって撮像位置がずれることとなる。
【０００６】
このような温度による撮像位置ずれは、装置自体が熱の発生元であり、また、サンプルの出し入れに伴う外気の入出などもあり、完全に排除することはできない。そして、撮像位置ずれが発生した状態で取得された解析画像及び背景画像について、発熱像に対応する差分画像を生成すると、半導体デバイスにおける回路パターンのエッジ部分がノイズとして差分画像に現れる（エッジノイズ成分）。このようなエッジノイズ成分は、発熱像を用いて半導体デバイスの故障解析を行う上で問題となる。
【０００７】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、半導体デバイスの発熱解析画像における撮像位置ずれの影響を抑制することが可能な半導体故障解析装置、故障解析方法、及び故障解析プログラム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】
【０００８】
このような目的を達成するために、本発明による半導体故障解析装置は、半導体デバイスの発熱像を用いて故障解析を行う半導体故障解析装置であって、（１）解析対象となる半導体デバイスに対してバイアス電圧を印加する電圧印加手段と、（２）半導体デバイスの画像を取得する撮像手段と、（３）撮像手段によって取得された画像に対して、半導体デバイスの故障解析に必要な画像処理を行う画像処理手段とを備え、（４）撮像手段は、半導体デバイスにバイアス電圧が印加された状態での発熱像をそれぞれ含む複数の解析画像と、バイアス電圧が印加されていない状態での複数の背景画像とを取得するとともに、（５）画像処理手段は、複数の解析画像及び複数の背景画像のそれぞれについて、その撮像位置を算出する撮像位置算出手段と、複数の解析画像及び複数の背景画像のそれぞれでの撮像位置に対して、撮像位置の位置頻度分布を参照して設定された領域分割単位を用意し、領域分割単位にしたがって分割されたＮ個の領域（Ｎは２以上の整数）のどの領域に撮像位置が属するかによって、複数の解析画像及び複数の背景画像をＮ個の画像グループに分類する画像分類手段と、分類されたＮ個の画像グループについて個別に、故障解析に用いられる解析画像と背景画像との差分画像を生成する差分画像生成手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による半導体故障解析方法は、半導体デバイスの発熱像を用いて故障解析を行う半導体故障解析方法であって、（１）解析対象となる半導体デバイスに対してバイアス電圧を印加する電圧印加ステップと、（２）半導体デバイスの画像を取得する撮像ステップと、（３）撮像ステップによって取得された画像に対して、半導体デバイスの故障解析に必要な画像処理を行う画像処理ステップとを備え、（４）撮像ステップは、半導体デバイスにバイアス電圧が印加された状態での発熱像をそれぞれ含む複数の解析画像と、バイアス電圧が印加されていない状態での複数の背景画像とを取得するとともに、（５）画像処理ステップは、複数の解析画像及び複数の背景画像のそれぞれについて、その撮像位置を算出する撮像位置算出ステップと、複数の解析画像及び複数の背景画像のそれぞれでの撮像位置に対して、撮像位置の位置頻度分布を参照して設定された領域分割単位を用意し、領域分割単位にしたがって分割されたＮ個の領域（Ｎは２以上の整数）のどの領域に撮像位置が属するかによって、複数の解析画像及び複数の背景画像をＮ個の画像グループに分類する画像分類ステップと、分類されたＮ個の画像グループについて個別に、故障解析に用いられる解析画像と背景画像との差分画像を生成する差分画像生成ステップとを有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による半導体故障解析プログラムは、（ａ）解析対象となる半導体デバイスに対してバイアス電圧を印加する電圧印加手段と、半導体デバイスの画像を取得する撮像手段とを備え、半導体デバイスの発熱像を用いて故障解析を行うとともに、（ｂ）撮像手段は、半導体デバイスにバイアス電圧が印加された状態での発熱像をそれぞれ含む複数の解析画像と、バイアス電圧が印加されていない状態での複数の背景画像とを取得する半導体故障解析装置に適用され、（ｃ）撮像手段によって取得された画像に対して、半導体デバイスの故障解析に必要な画像処理をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、（ｄ）複数の解析画像及び複数の背景画像のそれぞれについて、その撮像位置を算出する撮像位置算出処理と、（ｅ）複数の解析画像及び複数の背景画像のそれぞれでの撮像位置に対して、撮像位置の位置頻度分布を参照して設定された領域分割単位を用意し、領域分割単位にしたがって分割されたＮ個の領域（Ｎは２以上の整数）のどの領域に撮像位置が属するかによって、複数の解析画像及び複数の背景画像をＮ個の画像グループに分類する画像分類処理と、（ｆ）分類されたＮ個の画像グループについて個別に、故障解析に用いられる解析画像と背景画像との差分画像を生成する差分画像生成処理とをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１１】
上記した半導体故障解析装置、方法、及びプログラムでは、半導体デバイスに対し、バイアス電圧が印加された状態での発熱像＋パターン像の解析画像と、バイアス電圧が印加されていない状態でのパターン像のみの背景画像とを、それぞれ時系列に複数ずつ取得する。そして、それらの解析画像及び背景画像のそれぞれについて撮像位置を算出するとともに、撮像位置の変動に対して領域分割単位を用意し、領域分割単位によって分割されたＮ個の領域を用いて解析画像及び背景画像をＮ個の画像グループに分類して、発熱像が抽出された差分画像の生成を行っている。
【００１２】
上記構成では、撮像位置ずれの位置ずれ量に応じて、複数の解析画像及び複数の背景画像がＮ個の画像グループに分類され、分類後の画像グループ毎に差分画像が生成される。このような構成によれば、領域分割単位を適切に設定することにより、撮像位置ずれの影響を低減して、半導体デバイスの故障解析に用いられる差分画像における、撮像位置ずれによるエッジノイズ成分などのノイズの発生を抑制することが可能となる。
【００１３】
なお、Ｎ個の画像グループについて画像グループ毎に行われる解析画像と背景画像との差分画像の生成については、半導体デバイスの故障解析の具体的な方法等に応じて、Ｎ個の画像グループのそれぞれについて差分画像を生成して、Ｎ個の差分画像を取得する構成としても良い。あるいは、Ｎ個の画像グループの少なくとも１個について差分画像を生成する構成としても良い。
【００１４】
ここで、解析画像及び背景画像のＮ個の画像グループへの分類については、複数の解析画像及び複数の背景画像のそれぞれでの撮像位置の位置頻度分布を求めるとともに、複数の解析画像の位置頻度分布での平均位置μ１及び分布幅ｗ１と、複数の背景画像の位置頻度分布での平均位置μ２及び分布幅ｗ２とに基づいて、分類に用いられる領域分割単位を設定することが好ましい。このような構成によれば、半導体デバイスの画像取得における撮像位置ずれの実際の発生状況に応じて領域分割単位を適切に設定して、複数の解析画像及び複数の背景画像を好適にＮ個の画像グループに分類することができる。
【００１５】
上記構成での領域分割単位の設定については、具体的には、領域分割単位を調整するための調整係数αを設定するとともに、複数の解析画像についての領域単位μ１±α×ｗ１と、複数の背景画像についての領域単位μ２±α×ｗ２とを求め、それらの領域単位の共通範囲を領域分割単位として設定する構成を用いることができる。また、領域分割単位の設定方法については、このような構成に限らず、様々な構成を用いて良い。
【００１６】
また、上記のように領域分割単位の設定において調整係数αを用いる構成では、具体的な故障解析条件等に応じて調整係数αを自動で設定する構成を用いることができる。あるいは、操作者によって入力された係数値に基づいて、調整係数αを手動で設定する構成を用いても良い。このような手動設定の構成では、撮像位置ずれの実際の発生状況、及び半導体デバイスの具体的な解析条件等を考慮した操作者の判断に基づいて、領域分割単位を好適に設定することができる。
【００１７】
さらに、上記した調整係数αの具体的な設定については、複数の解析画像の位置頻度分布での分布幅ｗ１と、複数の背景画像の位置頻度分布での分布幅ｗ２とを、それぞれ標準偏差σ１、σ２によって求めるとともに、調整係数αを、条件１≦α≦２を満たす範囲内で設定することが好ましい。標準偏差σ１、σ２に対する調整係数αの数値範囲を上記のように設定することにより、撮像位置の変動による位置頻度分布に対して、領域分割単位を適切に設定することができる。
【００１８】
解析画像と背景画像との差分画像の生成については、Ｎ個の画像グループのそれぞれについて求められるＮ個の差分画像に対して、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいた重み付けを行うことで、故障解析に用いられる差分画像を生成する構成を用いることができる。あるいは、Ｎ個の画像グループのそれぞれについて求められるＮ個の差分画像に対して、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいて、故障解析に用いられる差分画像を選択する構成を用いることができる。これらの構成によれば、最終的に半導体デバイスの故障解析に用いられる差分画像を好適に導出することができる。
【００１９】
また、差分画像の生成については、Ｎ個の画像グループのそれぞれについて求められるＮ個の差分画像に対して、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいた重み付けを行うことで、故障解析に用いられる差分画像を生成する第１解析モードと、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいて、故障解析に用いられる差分画像を選択する第２解析モードとを切り替え可能に構成されていることとしても良い。このような構成によっても、自動で、または操作者が手動で解析モードを選択することにより、最終的に半導体デバイスの故障解析に用いられる差分画像を好適に導出することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の半導体故障解析装置、方法、及びプログラムによれば、解析対象の半導体デバイスに対し、バイアス電圧が印加された状態での解析画像と、バイアス電圧が印加されていない状態での背景画像とを複数ずつ取得し、解析画像及び背景画像のそれぞれについて撮像位置を算出するとともに、撮像位置の変動に対して領域分割単位を用意し、領域分割単位によって分割されたＮ個の領域を用いて解析画像及び背景画像をＮ個の画像グループに分類して、発熱像に対応する差分画像の生成を行うことにより、半導体デバイスの発熱解析画像における撮像位置ずれの影響を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】半導体故障解析装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した半導体故障解析装置において実行される故障解析方法について模式的に示す図である。
【図３】図１に示した半導体故障解析装置において実行される故障解析方法について模式的に示す図である。
【図４】解析画像と背景画像との差分画像の生成方法を示す図である。
【図５】撮像位置の位置頻度分布及び領域分割単位について示す図である。
【図６】撮像位置の変動による位置頻度分布の導出方法について示す図である。
【図７】位置頻度分布を参照した領域分割単位の設定方法について示す図である。
【図８】表示装置に表示される操作画面の一例を示す図である。
【図９】半導体デバイスの通常のパターン画像を示す図である。
【図１０】解析画像と背景画像との差分画像の例を示す図である。
【図１１】解析画像と背景画像との差分画像の例を示す図である。
【図１２】解析画像と背景画像との差分画像の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面とともに本発明による半導体故障解析装置、故障解析方法、及び故障解析プログラムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２３】
図１は、本発明による半導体故障解析装置の一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。この装置１Ａは、半導体デバイスＳの発熱像を用いて故障解析を行う故障解析装置である。図１に示した半導体故障解析装置１Ａは、試料ステージ１０と、電圧印加部１４と、撮像装置１８と、制御部２０と、画像処理部３０とを備えて構成されている。
【００２４】
解析対象となる半導体デバイスＳは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向（水平方向）、及びＺ軸方向（垂直方向）にそれぞれ駆動可能なＸＹＺステージを用いた試料ステージ１０上に載置されている。このステージ１０は、ステージ駆動部１２によってＸ、Ｙ、Ｚ方向に駆動可能に構成されており、これにより、半導体デバイスＳに対する撮像の焦点合わせ、撮像位置の位置合わせ等が行われる。ステージ１０の上方には、半導体デバイスＳの２次元の画像を取得する撮像手段である撮像装置１８が設置されている。撮像装置１８としては、半導体デバイスＳの発熱像による画像を取得するため、所定の波長領域に感度を有する撮像装置、例えば赤外光の波長領域に感度を有する赤外撮像装置が好適に用いられる。
【００２５】
ステージ１０と撮像装置１８との間の光軸上には、半導体デバイス１０の像を撮像装置１８へと導く導光光学系１６が設けられている。また、ステージ１０上の半導体デバイスＳに対して、電圧印加部１４が設けられている。電圧印加部１４は、発熱像による故障解析を行う際に、半導体デバイスＳの電子回路に対して必要なバイアス電圧を印加する電圧印加手段であり、電圧印加用の電源を含んで構成されている。なお、導光光学系１６についても、必要があればＸＹＺステージなどの駆動機構が設けられる。
【００２６】
このような構成において、撮像装置１８は、電圧印加部１４によって半導体デバイスＳにバイアス電圧が印加された状態での解析画像と、バイアス電圧が印加されていない状態での背景画像とを、それぞれ複数ずつ時系列に取得する。電圧印加状態で取得される解析画像は、半導体デバイスＳの発熱像と、半導体デバイスＳでの回路パターンによるパターン像とを含む画像である。一方、電圧未印加状態で取得される背景画像は、半導体デバイスＳのパターン像のみを含む画像である。
【００２７】
図１に示す故障解析装置１Ａでは、これらのステージ１０、ステージ駆動部１２、電圧印加部１４、導光光学系１６、及び撮像装置１８に対して、それらの動作を制御する制御部２０が設けられている。本実施形態における制御部２０は、撮像制御部２１と、ステージ制御部２２と、同期制御部２３とを有して構成されている。
【００２８】
撮像制御部２１は、電圧印加部１４によるバイアス電圧の印加動作、及び撮像装置１８による画像取得動作を制御することにより、半導体デバイスＳの解析画像及び背景画像の取得を制御する。また、ステージ制御部２２は、ＸＹＺステージ１０及びステージ駆動部１２の動作（ステージ１０上の半導体デバイスＳの移動動作）を制御する。また、同期制御部２３は、撮像制御部２１及びステージ制御部２２と、撮像装置１８に対して設けられた画像処理部３０との間で必要な同期をとるための制御を行う。
【００２９】
画像処理部３０は、撮像装置１８によって取得された画像に対して、半導体デバイスＳの故障解析に必要な画像処理を行う画像処理手段である。本実施形態における画像処理部３０は、画像記憶部３１と、撮像位置算出部３２と、画像分類部３３と、差分画像生成部３４とを有して構成されている。撮像装置１８で取得された半導体デバイスＳの画像は、画像処理部３０に入力され、必要に応じて画像記憶部３１に記憶、蓄積される。
【００３０】
撮像位置算出部３２は、撮像装置１８で取得された半導体デバイスＳの複数の解析画像及び複数の背景画像のそれぞれについて、その水平面内（ＸＹ面内）での撮像位置を算出する。ここで、故障解析装置１Ａにおける画像取得では、温度変化の影響によって半導体デバイスＳに対する撮像位置が変動する（温度ドリフト）。また、装置１Ａにおける振動等によっても撮像位置は変動する。撮像位置算出部３２は、このように変動する撮像位置を画像毎に求めて、その位置ずれ量を評価する。ここで、このような撮像位置の変動レベルは、通常、撮像装置１８の画素サイズよりも小さいレベルである。
【００３１】
画像分類部３３は、複数の解析画像及び複数の背景画像のそれぞれでの撮像位置に対して、その位置頻度分布を参照して設定された領域分割単位を用意する。そして、撮像位置の分布を領域分割単位にしたがってＮ個の領域（Ｎは２以上の整数）に分割し、撮像位置が分割されたＮ個の領域のうちのどの領域に属するかによって、解析画像及び背景画像をＮ個の画像グループに分類する。ここで、上記のように撮像位置の変動が画素サイズよりも小さい場合、画像分類に用いられる領域分割単位は画素サイズよりも小さく設定され、画像のグループ分けは画素サイズよりも小さい位置精度で行われる。
【００３２】
差分画像生成部３４は、画像分類部３３によって分類されたＮ個の画像グループについて個別に、故障解析に用いられる解析画像と背景画像との差分画像を生成する。ここで、解析画像は、上記したように発熱像とパターン像とを含む画像であり、背景画像は、パターン像のみを含む画像である。したがって、それらの差分をとった差分画像は、故障解析に必要な発熱像のみが抽出された画像となる。そして、その差分画像における発熱箇所を特定することによって、半導体デバイスの故障解析が行われる。
【００３３】
このような画像処理部３０は、例えばコンピュータを用いて構成される。また、この画像処理部３０に対して、入力装置３６及び表示装置３７が接続されている。入力装置３６は、例えばキーボードやマウス等から構成され、本装置１Ａにおける画像取得動作、故障解析動作の実行に必要な情報、指示の入力等に用いられる。また、表示装置３７は、例えばＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイ等から構成され、本装置１Ａにおける画像取得及び故障解析に関する必要な情報の表示等に用いられる。
【００３４】
なお、この画像処理部３０については、制御部２０とともに単一の制御装置（例えば、単一のコンピュータ）によって実現される構成としても良い。また、画像処理部３０に接続される入力装置３６及び表示装置３７についても、同様に、画像処理部３０のみでなく制御部２０に対する入力、表示装置としても機能する構成としても良い。
【００３５】
画像処理部３０において実行される解析画像及び背景画像のＮ個の画像グループへの分類、及び差分画像の生成について、図２及び図３を参照して概略的に説明する。ここで、図２、図３は、図１に示した半導体故障解析装置１Ａにおいて実行される故障解析方法について模式的に示す図である。ここでは、簡単のため、複数の解析画像（発熱像＋パターン像）と、複数の背景画像（パターン像のみ）とを時系列に取得する際（電圧印加ステップ、撮像ステップ）に、温度ドリフトまたは装置の振動等の影響によって、撮像装置１８による半導体デバイスＳの撮像位置がＰ１、Ｐ２の２つの位置に時系列に変動する場合を考え、そのような場合に行われる画像処理について説明する（画像処理ステップ）。
【００３６】
各画像の撮像位置を求めた結果（撮像位置算出ステップ）、撮像位置の変動について得られる位置頻度分布に対し、画像分類部３３は、図２（ａ）に示すように、分類後の個々の画像グループでの撮像位置の変動の許容範囲となる領域分割単位ΔＰを設定する。そして、この領域分割単位ΔＰにしたがって、撮像位置の分布領域を複数の領域、この例では第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の２個の領域に分割する。このとき、図２（ａ）の例では撮像位置Ｐ１は領域Ｒ１に属し、撮像位置Ｐ２は領域Ｒ２に属している。
【００３７】
これにより、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、領域Ｒ１に属する位置Ｐ１が撮像位置の画像が画像グループ１に分類され、また、領域Ｒ２に属する位置Ｐ２が撮像位置の画像が画像グループ２に分類される（画像分類ステップ）。図２に示す例では、時系列に取得された解析画像Ａ１〜Ａ６、背景画像Ｂ１〜Ｂ６のうち、解析画像Ａ１、Ａ２、Ａ４、及び背景画像Ｂ１、Ｂ３、Ｂ５が画像グループ１に分類されている。また、解析画像Ａ３、Ａ５、Ａ６、及び背景画像Ｂ２、Ｂ４、Ｂ６が画像グループ２に分類されている。
【００３８】
解析画像及び背景画像が画像グループに分類されると、差分画像生成部３４は、図３に示すように、画像グループ毎に、差分画像を生成する（差分画像生成ステップ）。まず、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、画像グループ１に分類された解析画像Ａ１、Ａ２、Ａ４の平均によって、平均解析画像Ａ７を生成し、また、背景画像Ｂ１、Ｂ３、Ｂ５の平均によって、平均背景画像Ｂ７を生成する。同様に、画像グループ２に分類された解析画像Ａ３、Ａ５、Ａ６の平均によって、平均解析画像Ａ８を生成し、また、背景画像Ｂ２、Ｂ４、Ｂ６の平均によって、平均背景画像Ｂ８を生成する。
【００３９】
そして、図３（ｃ）に示すように、画像グループ１について、解析画像Ａ７と背景画像Ｂ７との差分をとることで、第１差分画像Ｃ７（＝Ａ７−Ｂ７）を生成する。同様に、画像グループ２について、解析画像Ａ８と背景画像Ｂ８との差分をとることで、第２差分画像Ｃ８（＝Ａ８−Ｂ８）を生成する。これらの画像グループ毎の差分画像Ｃ７、Ｃ８、あるいは差分画像Ｃ７、Ｃ８に対して加算、平均、選択等の処理を行って得られた差分画像が、実質的に発熱像のみを含み故障解析に用いられる発熱解析画像となる。
【００４０】
図１に示した故障解析装置１Ａの画像処理部３０において実行される故障解析方法に対応する処理は、撮像装置１８によって取得された画像に対して半導体デバイスＳの故障解析に必要な画像処理をコンピュータに実行させるための半導体故障解析プログラムによって実現可能である。例えば、画像処理部３０は、画像処理に必要な各ソフトウェアプログラムを動作させるＣＰＵと、上記ソフトウェアプログラムなどが記憶されるＲＯＭと、プログラム実行中に一時的にデータが記憶されるＲＡＭとによって構成することができる。このような構成において、ＣＰＵによって所定の故障解析プログラムを実行することにより、上記した画像処理部３０、及び故障解析装置１Ａを実現することができる。
【００４１】
また、故障解析の画像処理をＣＰＵによって実行させるための上記プログラムは、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録して頒布することが可能である。このような記録媒体には、例えば、ハードディスク及びフレキシブルディスクなどの磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ及びＤＶＤ−ＲＯＭなどの光学媒体、フロプティカルディスクなどの磁気光学媒体、あるいはプログラム命令を実行または格納するように特別に配置された、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ、及び半導体不揮発性メモリなどのハードウェアデバイスなどが含まれる。
【００４２】
本実施形態による半導体故障解析装置１Ａ、半導体故障解析方法、及び半導体故障解析プログラムの効果について説明する。
【００４３】
図１〜図３に示した半導体故障解析装置１Ａ、故障解析方法、及び故障解析プログラムでは、半導体デバイスＳに対し、電圧印加部１４によってバイアス電圧が印加された状態での発熱像＋パターン像を含む解析画像と、バイアス電圧が印加されていない状態でのパターン像のみを含む背景画像とを、それぞれ時系列に複数ずつ取得する。そして、それらの解析画像及び背景画像のそれぞれについて、撮像位置算出部３２において撮像位置を算出するとともに、画像分類部３３において、撮像位置の変動に対して領域分割単位を用意し、領域分割単位によって分割されたＮ個の領域を用いて解析画像及び背景画像をＮ個の画像グループに分類して、発熱像が抽出された差分画像の生成を行っている。
【００４４】
上記構成では、図２及び図３に示すように、撮像位置ずれの位置ずれ量に応じて、複数の解析画像及び複数の背景画像がＮ個の画像グループに分類され、分類後の画像グループ毎に差分画像が生成される。このような構成によれば、画像分類部３３において領域分割単位を適切に設定することにより、温度ドリフトや装置の振動などによる撮像位置ずれの影響を低減して、半導体デバイスＳの故障解析に用いられる差分画像における、撮像位置ずれによるエッジノイズ成分などのノイズの発生を抑制することが可能となる。
【００４５】
解析画像と背景画像との差分画像において発生するエッジノイズ成分、及びその抑制について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は、従来の故障解析方法による差分画像の生成方法を示している。また、図４（ｂ）は、上記実施形態の故障解析方法による差分画像の生成方法を示している。また、図４において、符号Ｄを付した矩形パターンは、撮像装置１８で取得される２次元画像での１画素（画素サイズ）を示し、また、符号Ｅを付した直線は、半導体デバイスＳにおける回路パターンでのエッジ部分を示している。
【００４６】
図４（ａ）に示す例では、バイアス電圧印加時の解析画像として画像Ａ１、Ａ２が、また、バイアス電圧未印加時の背景画像として画像Ｂ１、Ｂ２が取得されている。これらの画像では、画素Ｄの画素サイズによって決まる分解能での濃淡パターンとして、パターンエッジＥの像が取得されている。また、解析画像Ａ１とＡ２、背景画像Ｂ１とＢ２とで、撮像位置ずれによって画素構造に対するパターンエッジＥの位置が変動しており、その結果、各画像において得られている画素の濃淡パターンが異なるものとなっている。
【００４７】
このような画像データに対し、画像Ａ１、Ａ２の平均として解析画像Ａ０を求め、画像Ｂ１、Ｂ２の平均として背景画像Ｂ０を求め、それらについて減算処理Ａ０−Ｂ０を行うことで差分画像Ｃ０を生成する。このとき、解析画像Ａ０において発熱箇所が含まれていないにもかかわらず、解析画像Ａ０と背景画像Ｂ０との間での撮像位置ずれの影響でパターンエッジＥによるノイズ的な画像が生成されている。このようなエッジノイズ成分は、図４（ａ）から理解されるように、撮像位置ずれが画素サイズよりも小さいものであっても、画素のコントラストパターンがずれることによってノイズが発生する。
【００４８】
これに対して、図４（ｂ）に示す例では、解析画像Ａ１、Ａ２、及び背景画像Ｂ１、Ｂ２について、撮像位置による画像グループへの分類を行った後に、差分画像を生成する。例えば、図４（ｂ）において、解析画像Ａ２と背景画像Ｂ１とは、撮像位置がほぼ同じであり、画像のグループ分けにおいて同一の画像グループに分類される。したがって、これらの画像Ａ２、Ｂ１を、その画像グループでの解析画像Ａ０＝Ａ２、背景画像Ｂ０＝Ｂ１とし、それらについて減算処理Ａ０−Ｂ０を行うことにより、パターンエッジＥによるノイズが除去された差分画像Ｃ０を得ることができる。また、解析画像Ａ１、背景画像Ｂ２についても、他の画像グループにおいて同様の画像処理が行われる。
【００４９】
ここで、図２及び図３に示した例では、上述したように撮像位置がＰ１、Ｐ２の２つの位置で離散的に変動することを仮定しているが、実際には、撮像位置は連続的な位置頻度分布で変動する。具体的には、装置の振動による撮像位置ずれは、充分な枚数の画像が得られているとすると、正規分布状に発生する。また、この振動による撮像位置ずれの標準偏差σは、通常、例えば撮像装置１８の画素サイズの１／１０以下のレベルである。
【００５０】
また、温度ドリフトによる撮像位置ずれについては、一般的には電圧印加部１４の電源ＯＮの時に大きく、電源ＯＦＦの時に小さくなる。したがって、電圧印加状態で取得される解析画像と、電圧未印加状態で取得される背景画像とでは位置ずれ量が一致せず、正規分布状の位置頻度分布の中心位置が両者で異なる状態となる。
【００５１】
図５は、撮像位置の位置頻度分布及び領域分割単位について示す図である。この図５において、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、領域分割単位を大きめの分割単位ΔＰ１に設定した場合の解析画像及び背景画像の画像グループへの分類の例を示している。また、図５（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、領域分割単位を小さめの分割単位ΔＰ２に設定した場合の解析画像及び背景画像の画像グループへの分類の例を示している。また、これらの図において、図５（ａ）、（ｄ）は、分類前の解析画像の撮像位置の位置頻度分布（画像数分布）５０、及び背景画像の撮像位置の位置頻度分布５５を示している。これらの位置頻度分布５０、５５は、中心がずれた正規分布状の頻度分布となっている。
【００５２】
これに対して、図５（ｂ）は、分割単位ΔＰ１による分類後の解析画像の位置頻度分布（画像グループ毎の画像数分布）５１を示し、図５（ｃ）は、同様の分類後の背景画像の位置頻度分布５６を示している。また、図５（ｅ）は、分割単位ΔＰ２による分類後の解析画像の位置頻度分布５２を示し、図５（ｆ）は、同様の分類後の背景画像の位置頻度分布５７を示している。領域分割単位ΔＰの設定においては、後述するように、各画像グループでの画像数に応じた統計的な平均効果、及び領域分割での位置再現性等を考慮して、適切に設定することが好ましい。
【００５３】
なお、分類されたＮ個の画像グループについて、画像グループ毎に行われる解析画像と背景画像との差分画像の生成については、故障解析の具体的な方法等に応じて、Ｎ個の画像グループのそれぞれについて個別に差分画像を生成して、全体としてＮ個の差分画像を取得する構成としても良い。あるいは、Ｎ個の画像グループのうちで故障解析に必要とされる少なくとも１個の画像グループについて差分画像を生成する構成としても良い。
【００５４】
また、最終的に半導体デバイスＳの故障解析に用いられる差分画像の生成については、例えば、Ｎ個の画像グループのそれぞれについて求められるＮ個の差分画像に対して、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいた重み付けを行うことで、故障解析に用いられる差分画像を生成する構成を用いることができる。また、この場合の具体的な重み付け方法としては、例えば、各差分画像を重み付けして加算する方法、各差分画像を重み付けして加算平均をとる方法等を用いることができる。
【００５５】
あるいは、差分画像の生成について、Ｎ個の画像グループのそれぞれについて求められるＮ個の差分画像に対して、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいて、故障解析に用いられる差分画像を選択する構成を用いることができる。この場合の具体的な選択方法としては、例えば、Ｎ個の画像グループのうちで最も画像数が多い画像グループでの差分画像を選択する方法を用いることができる。あるいは、画像数が多い２以上の画像グループでの差分画像を選択し、それらの差分画像から加算、平均等によって最終的な差分画像を算出する方法を用いても良い。これらの差分画像に対して重み付け、画像の選択等を行う構成によれば、最終的に半導体デバイスＳの故障解析に用いられる差分画像を好適に導出することができる。
【００５６】
また、差分画像生成部３４で行われる差分画像の生成において、２以上の解析モードを切り替え可能とする構成を用いても良い。そのような構成としては、例えば、Ｎ個の画像グループのそれぞれについてのＮ個の差分画像に対して、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいた重み付けを行うことで、故障解析に用いられる差分画像を生成する第１解析モードと、それぞれの画像グループに属する画像数に基づいて、故障解析に用いられる差分画像を選択する第２解析モードとを切り替え可能とする構成が挙げられる。
【００５７】
このように、差分画像生成部３４での解析モードが切り替え可能な構成によっても、自動で、または操作者が手動で解析モードを選択することにより、実際に半導体デバイスＳの故障解析に用いられる、発熱像が抽出された差分画像を好適に導出することができる。この場合、具体的には、表示装置３７に解析モード選択画面を表示し、その表示内容を参照して操作者が入力装置３６を介して解析モードを選択する構成とすることが好ましい。あるいは、差分画像生成部３４が、実際の画像の位置頻度分布等を参照して、自動で解析モードを設定または切り替える構成としても良い。
【００５８】
図１に示した故障解析装置１Ａにおいて、半導体デバイスＳの画像を取得する撮像装置１８としては、具体的には例えば、赤外光の波長領域（例えば波長３．７μｍ〜５．２μｍ）に感度を有する画素数３２０×２４０、撮像サイズ９．６ｍｍ×７．２ｍｍ、フレームレート１４０Ｈｚの赤外ＩｎＳｂカメラを用いることができる。また、このような赤外カメラを用いた構成において、光学系１６で０．８倍対物レンズを用いた場合、全体の視野サイズは概算でＸ＝１１９２３μｍ、Ｙ＝８９３１μｍ、１画素あたりのサイズは３７μｍである。また、４倍対物レンズを用いた場合、視野サイズはＸ＝２３７９μｍ、Ｙ＝１７８８μｍ、画素サイズは７．４μｍである。また、１５倍対物レンズを用いた場合、視野サイズはＸ＝６２９μｍ、Ｙ＝４７４μｍ、画素サイズは２μｍである。
【００５９】
また、電圧印加状態での解析画像（ＯＮ画像）、及び電圧未印加状態での背景画像（ＯＦＦ画像）の取得画像数については、必要に応じて設定すれば良いが、通常は１秒以上は画像取得を行うため、例えば上記したフレームレート１４０Ｈｚの撮像装置を用いた場合には、それぞれの画像数は１４０以上となる。
【００６０】
この画像数については、画像数が多ければ位置頻度分布が正規分布に近づくため、ある程度の画像数は必要である。この点を考慮すると、例えば、解析画像及び背景画像のそれぞれについて画像取得時間４秒〜８秒（画像数５６０〜１１２０）程度に設定することが好適と考えられる。一方、画像数が多くなって画像取得時間が長くなると、温度ドリフトによる撮像位置ずれが大きくなる可能性がある。この点を考慮すると、解析画像及び背景画像のそれぞれについて画像取得時間１０秒以下に設定することが好適と考えられる。
【００６１】
この場合、画像取得時間の設定の一例として、半導体デバイスＳにおける発熱が弱い場合は上記した８秒程度、発熱が強い場合は４秒程度とし、発熱が特に強くオーバーフローの可能性がある場合には１秒程度とする設定が考えられる。また、解析画像及び背景画像の取得動作の繰返し回数（ＯＮ／ＯＦＦ回数）については、通常、電圧印加状態において所定の時間で複数の解析画像を取得し、続いて、電圧未印加状態において所定の時間で複数の背景画像を取得する画像取得動作を１回行うが、発熱の強さや取得画像数等を考慮して、必要があれば２回以上繰り返して画像取得動作を行う構成としても良い。
【００６２】
また、このような構成の故障解析装置１Ａにおいて、撮像位置の変動の原因となる温度ドリフトは、例えば、金属の膨張・収縮による歪み、装置中の非対称な機構、重心バランスの不均等などによって発生する。また、装置の振動は、例えば、赤外カメラのスターリングサイクルクーラーなどの冷却機構、外来の振動による共振、顕微鏡光学系、光学系ステージ、試料ステージなどによって発生する。
【００６３】
故障解析装置１Ａの画像処理部３０において行われる画像処理について、さらに具体的に説明する。最初に、撮像位置算出部３２による各画像での撮像位置の算出について説明する。図６は、撮像装置１８で取得される半導体デバイスＳの画像における、撮像位置の変動による位置頻度分布の導出方法について示す図である。解析画像、及び背景画像の各画像での撮像位置の算出は、通常の画像認識技術を利用して行うことができる。具体的な算出方法としては、例えば、オプティカルフローで認識したものの平均値を用いる方法、位相相関法、テンプレートマッチングによる方法等がある。
【００６４】
オプティカルフローを用いた撮像位置の算出方法の一例を説明する。オプティカルフロー自体にも様々な方式があるが、例えばLucas-Kanadeアルゴリズムによる方式を用いることができる。まず、図６（ａ）の画像６５において模式的に示すように、１枚目の画像について、その特徴点（コーナー）６６をHarrisオペレータによって認識する。特徴点６６の点数については、例えば、撮像装置１８で取得される解像度３２０×２４０の画像に対して２００点の特徴点を抽出する。また、抽出された特徴点をサブピクセル化する。
【００６５】
次に、２枚目の画像について、同様に、その特徴点６７をHarrisオペレータによって認識し、抽出された特徴点をサブピクセル化する。そして、図６（ａ）中に矢印で示すように、１枚目と２枚目の画像間で、特徴点６６、６７間の距離（画像間の位置ずれ量）を計測する。ここでは、２００点の特徴点のそれぞれで特徴点間の距離が求められるが、対応がとれない点がある場合には、得られる距離データは２００点よりも少なくなる。
【００６６】
そして、それらの特徴点間の距離データの平均値を求めることによって、１枚目の画像での撮像位置を基準位置ゼロとしたときの２枚目の画像の撮像位置を算出する。このような処理を複数の解析画像及び背景画像のそれぞれについて行うことにより、図６（ｂ）のグラフに示すように、各画像での撮像位置、及びそれによる位置頻度分布６０が求められる。なお、特徴点となるコーナー検出のアルゴリズムについては、具体的には、上記したHarris以外にも、例えばMoravec、SUSANなど、他の方法を用いても良い。
【００６７】
図６（ｂ）に示す位置頻度分布６０は、図５と同様に、中心位置６１に対して正規分布状の頻度分布となっている。このような位置頻度分布に対する領域分割単位の設定、及びそれによる画像のグループ分けについては、画像分類部３３において、解析画像及び背景画像のそれぞれでの撮像位置の位置頻度分布を求めるとともに、解析画像の位置頻度分布での平均位置μ１及び分布幅ｗ１と、背景画像の位置頻度分布での平均位置μ２及び分布幅ｗ２とに基づいて、領域分割単位ΔＰを設定することが好ましい。このような構成によれば、撮像位置ずれの実際の発生状況に応じて領域分割単位を適切に設定して、解析画像及び背景画像を好適にＮ個の画像グループに分類することができる。なお、位置頻度分布の分布幅ｗについては、標準偏差σ、半値幅などの値を用いることができる。
【００６８】
画像分類のための領域分割単位ΔＰの設定について、具体的に説明する。領域分割単位の設定では、（１）平均効果によるＳ／Ｎ比の向上のため、各画像グループの画像数は多いことが好ましく、そのためには分割単位ΔＰを広くする必要がある。一方、（２）エッジノイズ成分の除去効果の向上を考慮すると、領域分割での位置再現性が高いことが好ましく、そのためには分割単位ΔＰを狭くする必要がある。したがって、領域分割単位ΔＰについては、条件（１）、（２）のバランスを考慮して設定することが好ましい。
【００６９】
また、例えば最終的に故障解析に用いる差分画像を、各画像グループでの画像数に基づいた重み付けを行って求めるような場合、図６（ｂ）に示した正規分布状の位置頻度分布６０において、中心の平均位置６１を含む画像グループが最終的な差分画像に最も影響する。このような点を考慮すると、この平均位置６１を含む画像グループのための分割範囲を適切に設定することが第１に重要になると考えられる。
【００７０】
正規分布の特性から、位置頻度分布６０の分布幅ｗとして標準偏差σを与えれば、平均位置μ（図６（ｂ）中の位置６１）からの位置ずれが±１σ以内の範囲に撮像位置が含まれる確率は６８．３％、±１．５σ以内の範囲に含まれる確率は８６．６％、±２σ以内の範囲に含まれる確率は９５．４％となる。実際には、取得される画像数は有限であり、また、ノイズによる撮像位置の認識ずれ、認識精度不足等も発生する。このため、領域分割単位ΔＰの位置範囲を±２σ程度に広く設定すると、平均位置μから±２σ離れた位置では画像が得られる頻度が減り、ノイズ成分となる可能性もある。具体的には、平均位置μでの頻度を１００％とすると、位置μ±２σでの頻度は１３．５％である。
【００７１】
これらの正規分布の特性等を考慮し、ここでは、標準的な領域分割単位ΔＰとして、位置範囲μ±１．５σを採用する。図６（ｂ）において、左右の撮像位置６２は、平均位置６１から±１．５σ離れた位置を示している。この場合、平均位置６１（＝μ）での頻度を同様に１００％とすると、位置６２（＝μ±１．５σ）での頻度は３２．５％である。また、図６（ｂ）において、平均位置μからの位置ずれが±１．５σ以内の範囲６３に含まれる画像数は、全体の画像数に対して８６．６％である。
【００７２】
図７は、解析画像及び背景画像のそれぞれについての位置頻度分布を参照して領域分割単位を設定する場合の設定方法について示す図である。ここで、図５に関して上述したように、解析画像と背景画像とでは、通常、その位置頻度分布は、互いに中心がずれた正規分布状の頻度分布となる。この場合、領域分割単位ΔＰの設定においては、それらの２つの位置頻度分布をともに考慮することが好ましい。そのような設定方法としては、具体的には、解析画像についての領域単位と、背景画像についての領域単位とを求め、それらの領域単位の共通範囲（領域単位が重複する範囲、領域単位の積集合）を領域分割単位ΔＰとして設定する方法を用いることができる。
【００７３】
図７（ａ）に示す例では、解析画像の位置頻度分布７０と、背景画像の位置頻度分布７５とで、その分布幅ｗ１、ｗ２に対応する標準偏差σ１、σ２は、同一の値σとなっている。また、その平均位置μ１、μ２は、位置ずれ量＝σで異なる位置となっている。
【００７４】
また、図７（ａ）のグラフにおいて、解析画像についての領域単位７１は、位置頻度分布７０の平均位置μ１から±１．５σの範囲を示している。同様に、背景画像についての領域単位７６は、位置頻度分布７５の平均位置μ２から±１．５σの範囲を示している。これらの領域単位７１、７６に対して、領域分割単位ΔＰは、その共通範囲７２によって設定される。また、このとき、領域分割単位ΔＰによって分割される領域の中心領域となる範囲７３に含まれる画像数は、全体の画像数に対して５２．４％である。
【００７５】
図７（ｂ）に示す例では、解析画像の位置頻度分布８０と、背景画像の位置頻度分布８５とで、その分布幅ｗ１、ｗ２に対応する標準偏差σ１、σ２が異なり、σ２＝１．２×σ１となっている。また、その平均位置μ１、μ２は、位置ずれ量＝σ１で異なる位置となっている。
【００７６】
また、図７（ｂ）のグラフにおいて、解析画像についての領域単位８１は、位置頻度分布８０の平均位置μ１から±１．５σ１の範囲を示している。同様に、背景画像についての領域単位８６は、位置頻度分布８５の平均位置μ２から±１．５σ２の範囲を示している。これらの領域単位８１、８６に対して、領域分割単位ΔＰは、その共通範囲８２によって設定される。また、このとき、領域分割単位ΔＰによって分割される領域の中心領域となる範囲８３に含まれる画像数は、全体の画像数に対して５６．９％である。
【００７７】
また、上記した領域分割単位の設定例では、位置範囲μ±１．５σを標準的な領域分割単位ΔＰとして設定しているが、この標準偏差σ（一般には分布幅ｗ）に対して分割単位を決定する係数１．５については、自動または操作者により手動で変更が可能な調整係数αとしてもよい。この場合、具体的には、画像分類部３３において、領域分割単位ΔＰを調整するための調整係数αを設定するとともに、解析画像についての領域単位μ１±α×ｗ１と、背景画像についての領域単位μ２±α×ｗ２とを求め、それらの領域単位の共通範囲を領域分割単位ΔＰとして設定する構成を用いることができる。また、領域分割単位ΔＰの設定方法については、このような構成に限らず、様々な構成を用いて良い。
【００７８】
さらに、調整係数αの具体的な数値設定については、解析画像の位置頻度分布での分布幅ｗ１と、背景画像の位置頻度分布での分布幅ｗ２とを、標準偏差σ１、σ２によって求めるとともに、調整係数αを、上記したα＝１．５を中心値として、条件１≦α≦２を満たす範囲内で可変に設定することが好ましい。標準偏差σ１、σ２に対する調整係数αの数値範囲を上記のように設定することにより、撮像位置の変動による位置頻度分布に対して、領域分割単位ΔＰを適切に設定することができる。また、調整係数αの設定、変更においては、上述したＳ／Ｎ比を向上する条件（１）と、エッジノイズ成分の除去効果を向上する条件（２）とのバランスを考慮することが好ましい。
【００７９】
また、領域分割単位ΔＰの設定において調整係数αを用いる構成では、具体的な故障解析条件等に応じて、画像分類部３３において調整係数αを自動で設定する構成を用いることができる。あるいは、操作者によって入力装置３６を介して入力された係数値に基づいて、調整係数αを手動で設定する構成を用いても良い。このような手動設定の構成では、撮像位置ずれの実際の発生状況、及び半導体デバイスの具体的な解析条件等を考慮した操作者の判断に基づいて、領域分割単位ΔＰを好適に設定することができる。
【００８０】
図８は、調整係数αの設定に関して、表示装置３７に表示される操作画面の一例を示す図である。この操作画面４０には、その上方部分において、画像表示領域４１と、α値設定領域４２と、重畳率設定領域４３とが設けられている。画像表示領域４１は、半導体デバイスＳについて取得された解析画像、背景画像、差分画像等の画像を表示する際に用いられる。また、画像表示領域４１においては、必要があれば、本装置１Ａにおいて取得される発熱解析画像に加えて、半導体デバイスＳの通常のパターン画像、あるいは半導体デバイスＳの設計情報を含むレイアウト画像等をも表示する構成としても良い。
【００８１】
α値設定領域４２は、領域分割単位ΔＰを設定する際に用いられる調整係数αの手動での設定、変更に用いられる。図８に示す例では、設定領域４２には、１．５を標準値として１．０≦α≦２．０の範囲で調整係数αの値を設定するための設定つまみが設けられている。また、重畳率設定領域４３は、画像表示領域４１において、発熱解析画像に対して通常のパターン画像、及びレイアウト画像を重畳して表示する際に用いられる重畳率の設定、変更に用いられる。図８に示す例では、設定領域４３には、パターン画像、レイアウト画像の重畳率を設定するための２つの設定つまみが設けられている。また、これらの設定領域４２、４３では、それぞれ設定数値の手動入力も可能な構成となっている。
【００８２】
また、操作画面４０の下方部分には、さらに、バイアス設定領域４４と、画像取得数設定領域４５と、ＯＮ／ＯＦＦ回数設定領域４６とが設けられている。バイアス設定領域４４は、電圧印加部１４の電源から半導体デバイスＳへと供給されるバイアス電圧、バイアス電流の値を設定する際に用いられる。また、画像取得数設定領域４５は、電圧印加状態（電源ＯＮ）で取得される解析画像の画像数、及び電圧未印加状態（電源ＯＦＦ）で取得される背景画像の画像数を設定する際に用いられる。また、ＯＮ／ＯＦＦ回数設定領域４６は、電源ＯＮ状態での複数の解析画像の取得と、電源ＯＦＦ状態での複数の背景画像の取得とによる画像取得動作を何回行うかを設定する際に用いられる。
【００８３】
上記実施形態による半導体故障解析装置１Ａ、及び故障解析方法を用いて取得される発熱解析画像について、その具体例とともに説明する。図９は、解析対象となる半導体デバイスＳの通常のパターン画像を示す図である。このようなパターン画像は、例えば撮像装置１８、または撮像装置１８とは別に設けられた撮像系を用いて取得される。ここでは、このような回路パターンの半導体デバイスＳに対し、電圧印加部１４により電圧１００ｍＶ、電流２０ｍＡでバイアスを印加して、その発熱像を取得する。
【００８４】
図１０〜図１２は、それぞれ、解析画像と背景画像との差分画像（発熱解析画像）の例を示す図である。なお、以下の図１０〜図１２に示す画像では、いずれも、スムージング処理を行った画像を示している。
【００８５】
図１０（ａ）は、解析画像及び背景画像の撮像位置による分類を行わない従来の方法で生成された差分画像を示している。この差分画像と、図９に示したパターン画像とを比較すると、従来法による差分画像では、解析画像と背景画像との間での撮像位置ずれの影響により、半導体デバイスＳのパターンエッジによるエッジノイズ成分が発生していることがわかる。
【００８６】
また、このときの解析画像での平均位置μ１、標準偏差σ１、及び背景画像での平均位置μ２、標準偏差σ２をＸ軸方向、Ｙ軸方向についてそれぞれ求めると、
平均位置：μ１Ｘ＝０．０２５、μ１Ｙ＝０．０１０
標準偏差：σ１Ｘ＝０．０４０、σ１Ｙ＝０．０２９
平均位置：μ２Ｘ＝０．０２６、μ２Ｙ＝０．０２１
標準偏差：σ２Ｘ＝０．０２５、σ２Ｙ＝０．０１８
であった。なお、上記の平均位置及び標準偏差の各数値は、導光光学系１６の対物レンズとして４倍対物レンズを用いて画像を取得した際の画素ずれ量である。例えば、解析画像と背景画像との間でのＹ軸方向の画素ずれ量は、μ２Ｙ−μ１Ｙ＝０．０１１画素であるが、これは位置ずれ量にすると約０．０８μｍに相当する。
【００８７】
図１０（ｂ）は、解析画像及び背景画像を撮像位置によって分類する上記実施形態の方法で生成された差分画像を示している。この差分画像は、上述した具体的な方法において調整係数をα＝１とし、１σによって領域分割単位ΔＰを設定するとともに、領域分割数をＮ＝９とした条件で求めたものである。このように、解析画像及び背景画像を画像グループに分類する方法を用いて得られた差分画像では、撮像位置ずれの影響が低減され、従来法の差分画像に発生していたエッジノイズ成分が除去されて、半導体デバイスＳの故障解析に用いられる発熱像が明瞭に確認できることがわかる。
【００８８】
また、このようなエッジノイズ成分の除去効果は、領域分割単位ΔＰを変えることで変化する。図１１（ａ）は、調整係数をα＝１．５とするとともに、領域分割数をＮ＝５とした条件で求めた差分画像を示している。また、図１１（ｂ）は、調整係数をα＝２とするとともに、領域分割数をＮ＝５とした条件で求めた差分画像を示している。これらの差分画像では、調整係数αの値を大きくして、領域分割単位ΔＰを広くするほど、エッジノイズ成分の除去効果が減少している。ただし、上述したように、逆に領域分割単位ΔＰを狭くするとＳ／Ｎ比が悪くなるため、領域分割単位ΔＰの設定においては、それらの条件のバランスを考慮する必要がある。
【００８９】
また、解析画像及び背景画像を分類した画像グループの取扱いについては、Ｎ個の画像グループの全てを差分画像生成に用いる構成、及びＮ個の画像グループのうちで画像数が多い一部（１または複数）の画像グループを選択して差分画像生成に用いる構成がある。一般には、平均効果によるＳ／Ｎ比の向上のためには、全ての画像グループを用いる方法が有利である。一方、エッジノイズ成分の除去効果の向上のためには、一部の画像グループを選択して用いる方法が有利である。したがって、これらの方法のいずれを用いるかについても、それらの条件のバランスを考慮する必要がある。
【００９０】
複数の解析画像、背景画像をＮ個の画像グループに分類した場合、画像グループに含まれる画像数は、平均位置μが含まれる画像グループが最も多く、平均位置μから離れるにしたがって画像数は減少する（図５〜図７参照）。この場合、平均位置から離れた位置の画像グループでは、画像数が少ないために位置の偏りが発生しやすく、差分をとったときにエッジノイズ成分が発生しやすい。このため、得られている画像数、Ｓ／Ｎ比、具体的な撮像条件等によっては、全てではなく一部の画像グループを選択して用いる構成の方が良い結果が得られる場合がある。
【００９１】
図１２（ａ）は、調整係数をα＝１．５、領域分割数をＮ＝５に設定するとともに、５個の画像グループの全てを用いて求めた差分画像を示している。また、図１２（ｂ）は、同じく調整係数をα＝１．５、領域分割数をＮ＝５に設定するとともに、平均位置を含む１個の画像グループのみを用いて求めた差分画像を示している。これらの差分画像では、平均位置を含む画像グループのみを用いた差分画像の方が、エッジノイズ成分の除去効果が向上している。
【００９２】
本発明による半導体故障解析装置、故障解析方法、及び故障解析プログラムは、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、半導体デバイスＳの画像取得に用いられるステージ１０、電圧印加部１４、導光光学系１６、及び撮像装置１８等の構成については、上記した構成以外にも、具体的には様々な構成を用いて良い。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、半導体デバイスの故障解析に用いられる発熱解析画像における撮像位置ずれの影響を抑制することが可能な半導体故障解析装置、故障解析方法、及び故障解析プログラムとして利用可能である。
【符号の説明】
【００９４】
１Ａ…半導体故障解析装置、Ｓ…半導体デバイス、１０…試料ステージ、１２…ステージ駆動部、１４…電圧印加部、１６…導光光学系、１８…撮像装置、２０…制御部、２１…撮像制御部、２２…ステージ制御部、２３…同期制御部、３０…画像処理部、３１…画像記憶部、３２…撮像位置算出部、３３…画像分類部、３４…差分画像生成部、３６…入力装置、３７…表示装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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