(57)【要約】【課題】短時間で故障箇所の特定を行える半導体装置の検査方法及び半導体装置の検査装置を提供する。【解決手段】半導体装置の被観測領域に対してレーザ光を走査しながら複数箇所に局所的に照射し、同時に半導体装置を試験動作させ、この試験結果とレーザ光の照射位置とを対応付けて二次元画像化した良否判定像を生成して故障箇所を特定する半導体装置の検査方法であって、一画面あたりに許容された最大画素数で良否判定像を生成した場合に対して、レーザ光走査範囲は同じとしたまま照射点数は減らし且つ照射点間隔を広げて、レーザ光照射を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の被観測領域に対してレーザ光を走査しながら複数箇所に局所的に照射し、同時に前記半導体装置を試験動作させ、この試験結果と前記レーザ光の照射位置とを対応付けて二次元画像化した良否判定像を生成して故障箇所を特定する半導体装置の検査方法であって、
一画面あたりに許容された最大画素数で前記良否判定像を生成した場合に対して、レーザ光走査範囲は同じとしたまま照射点数は減らし且つ照射点間隔を広げて、レーザ光照射を行うことを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項２】
前記レーザ光の波長を、前記半導体装置に光励起電流を発生可能な波長とすることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の検査方法。
【請求項３】
前記レーザ光の光励起により電子・正孔対が発生可能な前記半導体装置におけるアクティブ領域の平面寸法よりも、前記照射点間隔を小さくすることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の検査方法。
【請求項４】
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザ光を半導体装置の被観測領域に対して走査しながら複数箇所に局所的に照射させる走査部と、
前記レーザ光の照射と同時に前記半導体装置を試験動作させるテスタと、
前記半導体装置の試験結果と前記レーザ光の照射位置とを対応付けて二次元画像化した良否判定像を生成する画像処理部と、
一画面あたりに許容された最大画素数で前記良否判定像を生成した場合に対して、レーザ光走査範囲は同じとしたまま照射点数は減らし且つ照射点間隔を広げて前記レーザ光の照射が行われるように前記走査部を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の検査装置。
【請求項５】
前記レーザ光源は、前記半導体装置に光励起電流を発生可能な波長のレーザ光を出力可能であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の検査方法及び半導体装置の検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近のＬＳＩの高集積化、高性能化により、ＬＳＩテスタを接続したファンクション不良解析の必要性が高まっている。その解析方法として、レーザ照射ダイナミック解析法がある（例えば非特許文献１参照）。ＬＳＩテスタからデバイスに対しテストパターンを入力して試験動作させた状態でレーザ光を照射すると、ボイド等の配線欠陥箇所や特性不良のあるトランジスタにおいてレーザ加熱により動作状態が変わり、デバイスのＰａｓｓ／Ｆａｉｌ状態（良否状態）が変化する。この変化を信号として取り込み画像化することで、動作状態に関係する時間遅延不良やマージナル不良箇所を特定可能となる。
【０００３】
レーザ照射ダイナミック解析法においては、半導体チップの被観測領域にレーザ照射を行いながら同時にテスタで機能試験を行い良否の判定を行う。この良否判定結果をレーザが照射されている箇所と対応させ、各レーザ照射点に対応した画素ごとに明暗あるいは擬似カラーで表示することで、マージナル不良箇所の絞り込みが可能となる。このような方法をとるため、一箇所にレーザ光を照射している間に少なくともテストパターンが１ループ回り、１回のテストが終了することが必要とされる。
【０００４】
逆に言うと、各照射点について少なくとも１回のテスト（良否判定）が終了するまではレーザの照射箇所を動かせないということであり、そのテスト時間によって故障解析の総時間が大きく影響される。実際の観測時のシーケンスとしては、まず比較的広範囲を低倍率で観測し粗く故障被疑箇所の絞り込みを行った上で、絞り込まれた範囲について高倍率での詳細な場所特定のための観測を行うのが普通であり、場合によっては低倍率から中間倍率での観測を数回繰り返す必要もあり、解析の総時間が長時間になりがちであった。
【非特許文献１】二川清著、「ＬＳＩ故障解析技術のすべて」、株式会社工業調査会、２００７年１１月、ｐ．１０３−１０４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、短時間で故障箇所の特定を行える半導体装置の検査方法及び半導体装置の検査装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、半導体装置の被観測領域に対してレーザ光を走査しながら複数箇所に局所的に照射し、同時に前記半導体装置を試験動作させ、この試験結果と前記レーザ光の照射位置とを対応付けて二次元画像化した良否判定像を生成して故障箇所を特定する半導体装置の検査方法であって、一画面あたりに許容された最大画素数で前記良否判定像を生成した場合に対して、レーザ光走査範囲は同じとしたまま照射点数は減らし且つ照射点間隔を広げて、レーザ光照射を行うことを特徴とする半導体装置の検査方法が提供される。
【０００７】
また、本発明の他の一態様によれば、レーザ光源と、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を半導体装置の被観測領域に対して走査しながら複数箇所に局所的に照射させる走査部と、前記レーザ光の照射と同時に前記半導体装置を試験動作させるテスタと、前記半導体装置の試験結果と前記レーザ光の照射位置とを対応付けて二次元画像化した良否判定像を生成する画像処理部と、一画面あたりに許容された最大画素数で前記良否判定像を生成した場合に対して、レーザ光走査範囲は同じとしたまま照射点数は減らし且つ照射点間隔を広げて前記レーザ光の照射が行われるように前記走査部を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする半導体装置の検査装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、短時間で故障箇所の特定を行える半導体装置の検査方法及び半導体装置の検査装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
レーザ照射ダイナミック解析法における解析時間を短時間にするための方法として、テストパターンを短くしてテスタによるテスト時間を短くしたり、レーザ光の照射点数を減らすことが考えられる。
【００１０】
テストパターンを短くするためには、故障解析する際に対象半導体装置内の回路動作を理解し、且つその回路をテストするパターンを作成できるスキルを持った技術者が必要となる。しかし、実際の故障解析の際にそのような技術者を常時確保するのは困難である。また、近年の回路規模が大規模な半導体装置ではテストパターンをＣＡＤ（Computer Aided Design）ツールにより自動作成している場合がほとんどであり、短いテストパターンを作成しようにもその作成までの解析に時間をとられたり、場合によっては短くできない場合もあり、現実には故障を検出できている実績のあるテストパターンをそのまま用いている場合が多い。したがって、テスト時間そのものを短くするということはほとんどの場合できていないのが実情である。
【００１１】
レーザ光照射点数（得られる良否判定像における画素数に対応）を減らすと良否判定像を一画面分取得するのに要する時間を短くすることができる。しかし、図４に示すように例えば（行数５１２×列数５１２）個の照射点に対してレーザ光照射及びテストを行っていた場合に対して、図５に示すように単純に照射点数を例えば（行数１２８×列数１２８）個に減らした場合には、レーザ光走査範囲すなわち良否判定を行う範囲が狭くなる。
【００１２】
故障の被疑箇所がどこにあるかある程度の範囲を予め絞り込むことが可能であれば、比較的広い範囲を低倍率または中間倍率で観測することを省略して、すぐに絞り込んだ範囲についての高倍率での観測を行うことができ、より照射点数を減らした狭い範囲のみのレーザ光照射及びテストだけで済み観測時間の短縮が可能となる。
【００１３】
しかし、一般にマージナル不良は予めどこにあるか範囲を絞り込むことが難しく、あるいは可能であっても故障解析は短時間で結果を出すことを求められることが多く、事前の準備期間を十分にとれず絞り込むことなしに解析を行わざるを得ない場合も多い。レーザ光照射点数を減らすべくレーザ光走査範囲を狭めた場合において、故障の被疑箇所が絞り込まれていない場合には、狭い範囲の短時間の観測を何度も繰り返すことになり、結局トータルで必要となる観測時間は短縮できないことになる。
【００１４】
以上のような実情を鑑み、実際の故障解析の場面では、事前の故障箇所の絞り込み作業なしでも観測時間を短縮できる方法が望まれている。
【００１５】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
一般に、製造工程の途中あるいは製造が完了した時点で機能を満たしていないものを不良品といい、その現象を不良という。製造完了時には良品であったものが、その後不良になる現象を故障という。故障したものは故障品とも不良品ともいう。本明細書では、「故障」という言葉で不良も含めて表す。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置の検査装置の構成を示す模式図である。
【００１８】
本実施形態に係る半導体装置の検査装置は、主要構成要素として、レーザ光源１１、１２、走査部１３、テスタ１４、処理装置１５、表示装置１８を備える。
【００１９】
レーザ光源１１とレーザ光源１２とは出力するレーザ光の波長が異なる。レーザ光源１１は、例えば波長１．３μｍの赤外レーザ光を出力する。レーザ光源１２は、検査対象である半導体装置１０に形成されたトランジスタのアクティブ領域（ｐｎ接合を含む領域）に光励起電流を発生可能な波長（例えば１．０６μｍ）のレーザ光を出力する。レーザ光源１１からの赤外レーザ光は、半導体装置１０に光励起電流を発生させない。なお、異なる２波長のレーザ光を切り換えて出力可能な一つのレーザ光源を用いてもよい。
【００２０】
レーザ光源１１またはレーザ光源１２から出力されたレーザ光は、図示しないマイクロスコープなどで細く収束させられて半導体装置（半導体チップ）１０におけるトランジスタや配線などの集積回路が形成された被観測領域に照射される。このレーザ光は、走査部１３によって所定範囲を走査されながら半導体装置１０の被観測領域の複数箇所に局所的に照射される。
【００２１】
テスタ１４は、上記レーザ光照射を受けている半導体装置１０にテストパターンを入力し、半導体装置１０を試験動作させる。なお、ここでの「試験動作」には、テストパターンが入力された状態に限らず、定電圧または定電流が与えられた状態も含む。
【００２２】
また、テスタ１４は、レーザ光照射を受け且つ試験動作させられている半導体装置１０の状態変化を検出し、その状態変化に基づいて良否判定を行う。「状態変化」とは、抵抗変化、電圧変化、電流変化、Ｐａｓｓ／Ｆａｉｌ状態（良否状態）の変化などである。一箇所の照射点がレーザ光照射を受けている間に、少なくともテストパターンは１ループまわり１回のテストが終了し、各照射点ごとにそれぞれ対応した良否判定結果が得られるようにする。逆に言えば、１回のテストが終了するまでは対象となるある一つの照射点はレーザ光照射を受け続けている。
【００２３】
処理装置１５は、画像処理部１７と制御部１６を有する。画像処理部１７は、テスタ１４から上記良否判定結果を受け、良否判定結果とこの良否判定結果を得たときにレーザ光が照射されている照射点位置とを対応付けて二次元画像化した良否判定像を生成し、表示装置１８に表示させる。制御部１６は、走査部１３を制御し、レーザ光の走査ステップ（照射点間隔、走査ライン間隔など）を制御する。
【００２４】
前述した装置を使って行う本発明の実施形態に係る半導体装置の検査方法によれば、半導体装置の故障箇所を特定できるが、特にマージナル不良を特定する具体例について以下に説明する。マージナル不良は、本来正常動作すべき電源電圧やタイミングの範囲でも電源電圧やタイミングによってはＦａｉｌ（不良）となってしまう不良である。
【００２５】
例えばレーザ光源１１から赤外レーザ光を半導体装置１０の被観測領域に走査しながら照射し、同時にＰａｓｓ（良）とＦａｉｌ（不良）の境界付近の電源電圧やタイミング条件で設定したテストパターンをテスタ１４から半導体装置１０に与える。レーザ光照射を受けた部分は加熱により抵抗が変化し、故障箇所ではその抵抗変化によりＰａｓｓ／Ｆａｉｌ状態が変化する場合がある。
【００２６】
テスタ１４はＰａｓｓ／Ｆａｉｌ状態の変化から各照射点ごとに良否判定を行い、画像処理部１７はその良否判定結果をレーザ光照射点の位置と対応付けて二次元画像化し良否判定像を生成する。良否判定像において故障箇所は正常箇所に対して輝度（明暗）または色の違いとして表示される。
【００２７】
上記良否判定像は、レーザ光照射と、テスタ１４による良否判定結果とをリンクさせて得られる像であるが、本実施形態に係る装置においてレーザ光照射を行うユニットはテスタ１４とリンクさせなければ、半導体装置１０の被観測領域の単なる光学像（集積回路パターン像）を得るレーザ走査顕微鏡としても機能する。
【００２８】
すなわち、レーザ光照射ユニットは、半導体装置１０の被観測領域に対して走査・照射されたレーザ光の反射光を検出する光検出器をさらに備え、この光検出器の出力信号は画像処理部１７にて処理されて被観測領域の光学像が生成される。
【００２９】
さらに、画像処理部１７は、その光学像と上記良否判定像とを重ね合わせた画像を生成する。良否判定像は同一視野且つ同倍率の光学像と重ね合わせられる。この重ね合わせ画像から故障箇所が集積回路のどこにあるのかを特定することが可能となる。
【００３０】
故障箇所の特定を行うにあたっては観測範囲を段階的に狭めて故障箇所を絞り込んでいく。まず、被観測領域の全体もしくは比較的広い範囲にわたって低倍率（例えば１倍）や中間倍率（例えば５倍〜２０倍）で良否判定像の取得を行い、故障箇所が疑われる範囲をある程度絞った上で、その絞り込まれた狭い範囲について高倍率（例えば５０〜２００倍）で良否判定像を取得し、より詳細に故障箇所を特定していく。
【００３１】
絞り込まれた比較的狭い範囲を観測する高倍率観測においては、観測範囲が狭いため、レーザ光の照射点数（良否判定像における画素数に対応）を減らすことができ、良否判定像を一画面分取得するのに要する時間もそれほどかからない。
【００３２】
しかし、低倍率や中間倍率での比較的広い範囲を観測する場合には、レーザ光照射点数が多く良否判定像の取得に時間を要していた。
【００３３】
例えば、一つの照射点につきレーザ光照射が行われている間の１回のテストに１０ミリ秒かかり、レーザ光の照射を一画面あたり行数５１２×列数５１２個の照射点数（画素数）に対して行うとすると、良否判定像の一画面の取得時間は５１２×５１２×１０ミリ秒≒２６００秒≒４３分かかることになる。
【００３４】
これに対して本発明の実施形態では、一画面あたりに許容された最大画素数で良否判定像を生成した場合に対して、レーザ光走査範囲は同じとしたまま照射点数は減らし且つ照射点間隔を広げてレーザ光の照射を行う。これは、制御部１６によって走査部１３を制御することによって実現できる。
【００３５】
最大画素数での照射例を図４に、本発明の実施形態による照射点数を減らした照射例を図２に示す。図２及び図４とも、得られる良否判定像の一画面に対応するレーザ光走査範囲２０は同じ範囲（面積）である。各図においてレーザ光の照射点を黒丸で模式的に示す。
【００３６】
一画面あたりに許容された最大画素数が例えば図４に示すように（行数５１２×列数５１２）画素とすると、本実施形態では、図２に示すように例えば（行数１２８×列数１２８）画素に減らす。ただし、レーザ光走査範囲２０は、最大画素数（図４）の場合と同じとしたまま、照射点間隔を最大画素数の場合よりも広げることで、観測範囲を狭めることなく照射点数を減らすことができる。
【００３７】
図２に示す例では、各照射点の列間の間隔および行間の間隔を最大画素数の場合に比べて広げ、各照射点間の間隔は列方向及び行方向で等しくされ、照射点すなわち観測点が走査範囲２０の全体にわたって偏ることなく配置されている。
【００３８】
照射点がない領域というのは観測されない領域であるので、観測領域の実質的な縮小を回避するために照射点はレーザ光走査範囲２０内に偏ることなく全体にわたって存在することが望ましい。また、照射点数も最大画素数に対して少なければよく、１２８×１２８に限ることはない。
【００３９】
以上説明したように本実施形態によれば、最大画素数に対して照射点数（画素数）を減らせる。例えば上記具体例の場合、照射点数を（５１２×５１２）から（１２８×１２８）に減らせるので、最大画素数と同じ走査範囲２０についての一画面の良否判定像を取得するためにレーザ光照射及びテストすべき箇所を最大画素数の場合の１／１６に減らすことができ、一画面取得時間も１／１６に短縮できる。しかも走査範囲すなわち観測範囲の縮小を伴わないため、トータルで取得すべき良否判定像の画面数の増大、すなわち全体の観測時間の増大を抑えることができる。
【００４０】
このような本実施形態の方法は、特に比較的広範囲の観測を行う低倍率（例えば１倍）や中間倍率（例えば５倍〜２０倍）での観測に有効である。したがって、半導体装置の動作条件（テストパターン）の変更や事前の解析に時間をかけることなく、低倍率や中間倍率での観測時間を大幅に低減することが可能になる。結果として、故障解析に要する全体の時間短縮が図れる。
【００４１】
また、レーザ照射ダイナミック解析法を行うための既存の装置に対して、走査部１３をどのように制御するかといったソフトウェア的なアプローチだけで前述した本発明の実施形態を実現でき、既存の装置構成に対してハードウェア的には変更を加える必要がない、あるいは変更を加えるとしても極めて小規模の変更で実現可能であるため、本発明の実施形態の実現に伴うコストアップを最低限に抑えることが可能である。
【００４２】
照射箇所を加熱するだけのレーザ光源１１を用いた場合、異常箇所（例えば導通不良の異常ビア）が直接レーザ光の照射を受けて加熱されたときには、正常箇所への加熱時と異なる試験結果が得られ良否判定が可能となる。しかし、レーザ光が異常箇所に当たらなかった場合には、異常箇所加熱時特有の試験結果が得られず、異常箇所を検出できない。特に、前述した実施形態のように照射点の間隔を最大画素数に対して広げて観測を行う場合には、異常箇所にレーザ光が照射されず異常箇所を見落とす可能性がある。
【００４３】
そこで、光励起電流（ＯＢＩＣ：Optical Beam Induced Current）を発生可能な波長のレーザ光を出力するレーザ光源１２を使うことが有効である。
【００４４】
図３（ａ）は、半導体装置１０の被観測領域におけるある一部分を示す。ここに示す領域には、トランジスタのアクティブ領域（ｐｎ接合を含む領域）５ａ、５ｂとこれらアクティブ領域５ａ、５ｂ間を接続する配線６が形成されている。また、配線６の途中には異常ビア９があるとする。また、同図においてレーザ光の照射点を黒丸で模式的に示す。
【００４５】
レーザ光源１２からのレーザ光がアクティブ領域５ａ、５ｂに照射されると、光励起により電子・正孔対が発生し、その発生箇所に電位勾配がある状態に設定しておくと光励起電流が発生する。このアクティブ領域５ａ、５ｂで発生した光励起電流は、配線６を伝播する信号の伝播時間に影響を与える。したがって、配線６に異常ビア９があるかないかで配線６を伝播する信号が光励起電流から受ける影響の程度が異なり、配線６を伝播する信号の伝播時間をテスタ１４で検出することで、異常ビア９にレーザ光が直接当たっていなくても、アクティブ領域５ａ、５ｂを接続する配線６における異常を判定することが可能となる。
【００４６】
なお、光励起電流を発生可能なレーザ光源１２を用いた場合でも、そのレーザ光が当たった箇所は加熱されるため、異常ビア９に直接レーザ光が当たれば、加熱による抵抗変化やＰａｓｓ／Ｆａｉｌ状態の変化から良否の判定を行うことができる。
【００４７】
図３（ｂ）は、同図（ａ）の領域を観測した結果得られた良否判定像を示す。レーザ光照射点に一対一で対応して画素Ｐが生成される。
【００４８】
異常ビア９にはレーザ光が当たらず、アクティブ領域５ａ、５ｂにレーザ光が当たることによる光励起電流を利用した前述の観測では、配線６を介してアクティブ領域５ａ、５ｂ間を伝播する信号の伝播時間に基づいた良否判定であるため、異常ビア９の位置そのものをピンポイントで特定することはできない。
【００４９】
したがって、図３（ｂ）に示される良否判定像においては、アクティブ領域５ａ、５ｂを表示するための画素を他の画素に対して輝度（明暗）を異ならせたり、色を異ならせて表示する。これにより、アクティブ領域５ａ、５ｂまたはこれらを接続する配線６に欠陥があるということが示される。
【００５０】
上記方法によってある程度故障箇所の存在範囲が絞られれば、その絞られたより狭い範囲について高倍率で観測を行うことで、異常ビア９の位置特定は可能となる。
【００５１】
以上説明したような光励起電流を利用した観測によれば、低倍率や中間倍率での比較的粗いレーザ光走査、すなわち照射点間隔が比較的広いレーザ光走査においてレーザ光が直接故障箇所に当たらなくても、故障の被疑箇所を短時間で絞り込むことが可能となる。
【００５２】
一般に、アクティブ領域の面積はビアに比べれば桁違いに大きく、照射点間隔を広げたとしても、ビアよりもアクティブ領域にはレーザ光が当たりやすい。ただし、確実にアクティブ領域にレーザ光が照射されるようにするため、アクティブ領域の平面寸法よりも、照射点間隔は小さくすることが望ましい。
【００５３】
例えば図３（ａ）に示す例では、アクティブ領域５ａ、５ｂの縦（行）方向寸法Ｙよりも、黒丸で示される照射点の行間隔を小さくし、アクティブ領域５ａ、５ｂの横（列）方向寸法Ｘよりも照射点の列間隔を小さくすれば、確実にレーザ光をアクティブ領域５ａ、５ｂに当てて光励起電流を発生させることができる。
【００５４】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００５５】
Ｐａｓｓ／Ｆａｉｌ状態に基づいて良否判定を行うことに限らず、単にレーザ光加熱により照射点の抵抗が変化することによる電流または電圧の変化を検出して、その変化の大小もしくは程度から良否判定を行うようにしてもよい。
【００５６】
また、上記実施形態で挙げた照射点数（画素数）、レーザ光波長などの具体的な数値は一例であって、それらに限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の検査装置の構成を示す模式図。
【図２】本発明の実施形態による照射点数を減らしたレーザ光照射例を示す模式図。
【図３】（ａ）は本発明の実施形態において光励起電流を発生可能な波長のレーザ光を用いた照射例を示し、（ｂ）は（ａ）に対応する領域の良否判定像を示す模式図。
【図４】最大照射点数（画素数）でのレーザ光照射例を示す模式図。
【図５】比較例による照射点数を減らしたレーザ光照射例を示す模式図。
【符号の説明】
【００５８】
５ａ，５ｂ…アクティブ領域、６…配線、９…異常ビア、１０…半導体装置、１１…レーザ光源、１２…レーザ光源、１３…走査部、１４…テスタ、１５…処理装置、１６…制御部、１７…画像処理部、１８…表示装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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