(57)【要約】【課題】発光解析において、半導体装置の電流リーク箇所から発生する光から得られる発光像の解像度を向上する技術を提供する。【解決手段】半導体装置１に所定の電圧を印加して、半導体装置１を動作状態にする。そして、半導体装置１における電流リーク箇所から発生する光５を、半導体基板の主面に形成された、非球面レンズとして作用する凸部３を通して検出し発光像を得る。次に、得られた発光像に基づいて、半導体装置１の故障解析を行う。電流リーク箇所から発生した光５は、非球面レンズとして採用する凸部３を通して検出されるため、連続波長である光５から得られる発光像の解像度が向上し、故障解析精度が向上する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）非球面レンズとして作用する凸部が主面に形成された半導体基板を有する半導体装置を準備する工程と、
（ｂ）前記半導体装置における電流リーク箇所から発生する光を、前記凸部を通して検出して発光像を得る工程と、
（ｃ）前記発光像に基づいて、前記半導体装置の故障解析を行う工程と
を備える、故障解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電流リーク箇所から発生する光を検出して半導体装置の故障解析を行う技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の半導体装置の多層配線化に伴い、半導体基板の上面からの評価・解析は困難になり、半導体基板の裏面からのアプローチが必須となっている。裏面からの主な故障解析方法としては、電流リーク箇所から発生する微弱な光を検出することによって故障解析を行う発光解析（「エミッション解析」とも呼ばれる）や、レーザービームの照射によって発生する起電流または電源電流の変化を像に変換することにより故障箇所を特定するＯＢＩＣ（光起電流解析）及びＯＢＲＣＨ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｂｅａｍ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ＣＨａｎｇｅ）、さらにレーザービームを照射してその反射光の強度または位相変化を捉えることにより任意箇所での電位波形を観測するレーザーボルテージプローブ（ＬＶＰ）等がある。これらの半導体基板の裏面からの解析（以後、単に「裏面解析」と呼ぶ）では、厚さ数１００μｍの半導体基板を介して、その上面に形成されている半導体素子にアクセスする必要があるために、通常、シリコンを透過する赤外光が利用される。しかしながら、使用する赤外光の波長は１μｍ以上であるため、空間分解能は実効的に０．７μｍ以上となり、裏面解析の適用により像分解能が犠牲にならざるを得なかった。
【０００３】
そこで、空間分解能を改善する技術として、下記非特許文献１に、シリコンから成る固浸レンズを用いた技術が提案されている。この技術は、光の媒質の屈折率を増加させることにより、光の波長で制限される回析限界を超越する解像度を得るものである。
【０００４】
特許文献１に記載の技術によれば、略半球状の固浸レンズを半導体基板の裏面に密着させて、シリコンを透過する光をかかる固浸レンズを介して半導体基板に入射することによって、固浸レンズが無い場合よりも集光角を飛躍的に大きくすることができる。分解能ｄは、ｄ＝λ／（２・ｎ・ｓｉｎθ）で表現され、ｎ・ｓｉｎθで表される開口数ＮＡは、固浸レンズの適用により理想的には屈折率ｎの二乗倍にまで向上させることが可能である。なお、上記θ及びλはそれぞれ集光角及び光の波長を表している。
【０００５】
しかしながら、非特許文献１に記載の技術では、半導体基板と固浸レンズとの間に隙間が生じると、大幅に分解能が劣化することがあった。そこで、半導体基板を加工して、その表面に略半球状の凸部を形成し、この凸部を固浸レンズとして使用することによって、固浸レンズと半導体基板とを一体的に形成する技術が、下記特許文献１に記載されている。
【０００６】
特許文献１に記載の技術では、固浸レンズとして作用する凸部と半導体基板とが一体的に形成されているため、固浸レンズと半導体基板との間に隙間が生じることが無く、非特許文献１に記載の技術よりも分解能が向上する。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１８９０００号公報
【非特許文献１】
Ｓ．Ｂ．Ｉｐｐｏｌｉｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｈｉｇｈ  ｓｐａｔｉａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｏｎ  ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７８，Ｎｏ．２６，Ｊｕｎｅ  ２００１，ｐｐ．４０７１−４０７３
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許文献１及び非特許文献１に記載の技術は、半導体装置の外部から単色光を照射する場合には分解能が向上するため有効な技術であるが、発光解析に適用した場合には以下の問題が生じる。
【０００９】
発光解析では、電流リーク箇所から発生する光を検出し発光像を得ることによって故障箇所を特定しているが、通常、電流リーク箇所から発生する光は様々な波長の光を含んでおり、その波長は連続波長である。また発光解析では、発光像だけではなく、半導体装置のパターン像を得る必要がある。通常このパターン像は、半導体装置の外部から赤外線等の単色光を照射し、その反射光を検出することによって得られる。特許文献１及び非特許文献１に記載の技術は、このようにしてパターン像を得る場合には、そのパターン像の解像度が向上するため有効である。しかしながら、半球状の固浸レンズは球面レンズとして作用するため、単色光では無い、電流リーク箇所から発生する連続波長の光を、半球状の固浸レンズを介して検出したとしても、色収差のために発光像の解像度はほとんど向上しない。そのため、特許文献１及び非特許文献１に記載の技術を用いた場合であっても、十分な解析精度を得ることができない。
【００１０】
そこで、本発明は上述の問題に鑑みて成されたものであり、発光解析において、半導体装置の電流リーク箇所から発生する光から得られる発光像の解像度を向上する技術を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の故障解析方法は、（ａ）非球面レンズとして作用する凸部が主面に形成された半導体基板を有する半導体装置を準備する工程と、（ｂ）前記半導体装置における電流リーク箇所から発生する光を、前記凸部を通して検出して発光像を得る工程と、（ｃ）前記発光像に基づいて、前記半導体装置の故障解析を行う工程とを備える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態に係る故障解析方法を示すフローチャートであって、本実施の形態に係る故障解析方法では、発光解析によって半導体装置の故障解析が行われる。また、図２は本実施の形態に係る故障解析方法を実施するために使用される故障解析装置１０の構成を示す図であって、図３は本実施の形態に係る故障解析方法での解析対象である半導体装置１の構造を示す図である。
【００１３】
まず、図３を参照して半導体装置１について説明する。図３（ａ）は半導体装置１の断面図であって、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す半導体装置１を矢視Ａから見た際の平面図である。
【００１４】
図３に示すように、半導体装置１は、例えばシリコン基板が採用される半導体基板２を有している。半導体基板２の一方の主面４ａには、非球面レンズとして作用する凸部３が形成されている。そして、半導体基板２の他方の主面４ｂ上にはデバイス形成層８が設けられており、そこには、図示しない、ＭＯＳトランジスタ等の半導体素子、層間絶縁膜、コンタクトプラグ、配線などが形成されている。
【００１５】
非球面レンズとして作用する凸部３の形状は例えば半楕円体である。そのため、その表面は楕円面となっている。この楕円面は、例えば、半導体基板２の厚さ方向を短軸、それに垂直な方向を長軸とする楕円を、短軸のまわりに回転して得られる横に長い回転楕円面の一部である。このため、図３（ａ）に示す凸部３の断面形状は楕円形であって、図３（ｂ）に示す凸部３の平面形状は円形である。
【００１６】
一般的に、Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ軸の直交座標系では、３つの主軸の長さをそれぞれ２ａ，２ｂ，２ｃとすると、楕円面は以下の式で表される。
【００１７】
【数１】
2004219193.tif 000003
【００１８】
本実施の形態では、図３に示されるように、半導体基板２の厚さ方向をＺ軸とする直交座標系を定義し、その原点Ｏを、半導体基板２の主面４ａからその内部に向って、厚さ方向に距離ｃのところに位置する点に設定した際に、上記式で表される楕円面の一部が、凸部３の表面形状となっている。
【００１９】
そして、本実施の形態では、上記式中のａ，ｂ，ｃは、例えばそれぞれ４００μｍ，４００μｍ，３００μｍに設定されている。また、半導体基板２の厚みとデバイス形成層８の厚みとを足し合わせた値ｄｗは４００μｍに設定されている。従って、Ｚ軸方向における原点Ｏと半導体基板２の主面４ｂとの距離と、デバイス形成層８の厚みとを足し合わせた値ｄ０は１００μｍとなる。
【００２０】
凸部３の形状をこのように設定することによって、凸部３が非球面レンズとして作用する。
【００２１】
凸部３は、例えば、上述の特許文献１に記載されている形成方法のように、所定の形状の研磨ツールを用いて、半導体基板２をその主面４ａから加工することによって形成することができる。また凸部３の形状は、半導体基板２の厚みや、故障解析箇所の位置によって決定される。なお、本実施の形態に係る凸部３の表面は楕円面であるが、双曲面や放物面などの二次曲面であっても良い。
【００２２】
次に、図２に示す故障解析装置１０について説明する。故障解析装置１０は、表示部１１と、半導体装置１の電流リーク箇所から発生する光５を検出する光検出部１２と、ウェハ状態の半導体装置１が載置されるウェハステージ１３と、半導体装置１に所定の電圧を与える電源１４とを備えている。
【００２３】
ウェハステージ１３は透明ガラスで形成されており、その上面には、凸部３が形成されている半導体基板２の主面４ａを下にして、半導体装置１が搭置される。言い換えれば、ウェハステージ１３の上面と、半導体基板２の主面４ａとが接するように、ウェハステージ１３に半導体装置１が載置される。
【００２４】
光検出部１２は、光子レベルの非常に微弱な光を検出することが可能であって、集光レンズ、光電子増倍管、撮像素子などで構成されている。そして、光検出部１２には、半導体装置１の電流リーク箇所から発生する光５が、半導体基板２の凸部３及びウェハステージ１３を通って入力される。
【００２５】
次に、図１を参照して本実施の形態に係る故障解析方法について説明する。まずステップｓ１において、半導体装置１を準備して、かかる半導体装置１に電源１４を用いて所定の電圧を印加する。これにより、半導体装置１が動作状態となる。
【００２６】
次に、ステップｓ２において、光検出部１２は、半導体装置１の電流リーク箇所、例えば半導体基板２の主面４ｂ上の層間絶縁膜中での電流リーク箇所から発生する光５を、半導体基板２の凸部３及びウェハステージ１３を通して検出する。光検出部１２では、入力された光５は集光レンズで集光され、光電子増倍管で光電子に変換される。そして、光電子は光電子増倍管で電子増倍されて、再び光に変換され、撮像素子に入力される。撮像素子は光５の発光位置及び強度を検出データとして表示部１１に出力する。そして、表示部１１が、光検出部１２から受け取った検出データをもとに、電流リーク箇所から発生した光５の発光位置及び強度を発光像としてモニタ（図示せず）に表示することによって、発光像が得られる。
【００２７】
このようにして、半導体装置１における電流リーク箇所から発生する光５が発光像として検出される。なおこのとき、表示部１１は、予めデータとして記憶しておいた半導体装置１のパターン像もモニタに表示する。これによって、パターン像と発光像とが重ね合わされて表示される。
【００２８】
次に、ステップｓ３において、モニタに表示された発光像及びパターン像をもとに、半導体装置１の故障解析を行う。具体的には、モニタに表示されている発光像の位置や、その明るさなどによって、故障箇所の特定や、故障モードの特定などを行う。これによって、半導体装置１が有する酸化膜の欠陥や配線の断線などが検出できる。また、電流リークに伴う半導体装置１のファンクション故障なども検出できる。
【００２９】
このように、本実施の形態に係る故障解析方法によれば、半導体装置１の電流リーク箇所から発生する光５を、半導体基板２の主面４ａに形成された、非球面レンズとして作用する凸部３を通して検出している。通常、電流リーク箇所から発生する光５の波長は、図４に示すように連続波長であって、非球面レンズは球面レンズよりも色収差を軽減することができる。そのため、連続波長の光５から得られる発光像の解像度を向上することができる。従って、上述の特許文献１及び非特許文献１に記載の技術よりも、半導体装置１の故障解析を精度良く行うことができる。
【００３０】
【発明の効果】
この発明に係る故障解析方法によれば、電流リーク箇所から発生する光を、半導体基板の主面に形成された、非球面レンズとして作用する凸部を通して検出している。通常、電流リーク箇所から発生する光の波長は連続波長であって、非球面レンズは色収差を軽減することができる。従って、電流リーク箇所から発生する光から得られる発光像の解像度が向上し、精度良く故障解析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る故障解析方法を示すフローチャートである。
【図２】本発明の実施の形態に係る故障解析装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す図である。
【図４】電流リーク箇所から発生する光の発光強度の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  半導体装置、２  半導体基板、３  凸部、４ａ  主面、５  光。
【図１】
2004219193.tif 000004
【図２】
2004219193.tif 000005
【図３】
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【図４】
2004219193.tif 000007