使用扫描激光SQUID显微镜的检查方法及装置

摘要

本发明提供可确定故障部位的非破坏型的检查方法和装置。取得分别向第1、第2试料进行照射的激光进行扫描而得到的磁场分布的像(第1步骤)，当磁场分布的像存在差时，在向第1、第2试料的预定部位照射激光的状态下，利用磁场传感器扫描第1、第2试料，根据由此得到的磁场分布取得各个电流像(第2步骤)，取电流像间的差，可根据差像识别第1试料和所述第2试料的所述预定部位所相关的电流路径的差异。

说明书

技术领域

本发明涉及非破坏检查装置和检查方法，特别涉及适合使用扫描激光SQUID(Supercon ducting QUantam Interference Device，超导量子干涉元件)显微镜、确定到半导体装置的故障部位的装置和方法。

背景技术

作为半导体晶片等的试料的非破坏检查，公知的有扫描激光SQUID显微镜法。扫描激光SQUID显微镜，在某种缺陷时，对缺陷部或其相关部位照射激光时，流过电流，以SQUID磁通计检测由电流引发的磁场，通过扫描激光或试料而得到像(非专利文献1)。在向作为试料的半导体基板照射激光束时，由激光束的照射产生的电子/空穴对由于p-n结部等的电场而成为电流，将其称为OBIC(Optical BeamInduced Current，光束感应电流)电流。或者，照射激光束而加热时，产生由于缺陷等而导致的温度梯度的不均衡，还由于热电效应而具有流动的电流(参照非专利文献1、专利文献1等)。

另外，在专利文献2中公开了下述的非破坏检测装置：移动试料中激光的照射位置而扫描试料，通过试料的扫描而利用SQUID磁通计来检测磁场，取得磁场分布数据，从磁场分布数据和标准分布数据中的一个减去另一个而生成差分数据，将差分数据与正的第1阈值、负的第2阈值进行比较，在差分数据为第1阈值以上时，判断为在激光照射位置上存在第1种缺陷，在差分数据为第2阈值以下时，判断为在该激光照射位置上存在第2种缺陷。

专利文献1特开2002-313859号公报

专利文献2特开2004-93211号公报

非专利文献1二川清、井上彰二“走查レ一ザSQUID顕微镜の試作·評価と故障·不良解析および工程モニタヘの応用提案-完全非接触·非破壞の新解析手法-”LSIテステイングシンポジウム/2000会議録(H12.11.9-10)、第203-208頁

非专利文献2Bradley J.Roth，Nestor G.Sepulveda，and John P.Wikswo，Jr.，“Using a magnetometer to image a two-dimensional currentdistribution，”J.Appl.Phys.，65(1)，1January 1989.

然而，通过现有的扫描激光SQUID显微镜的检查方法得到的像表示激光照射所致的p-n结部等的光电流产生部位，有时并非是短路或断路的故障产生部位。因此，在现有的检查方法中，除了特殊情况之外难以确定故障产生部位。

即，例如非专利文献1等所示，在如Polysi(栅电极)和n型扩散层之间的栅极氧化膜上产生短路、其下的p-n结部上产生的OBIC电流将短路部位作为闭合电路电流路径的一部分而流过的情况下，也可以通过现有的扫描激光SQUID显微镜的检查方法来确定故障产生部位。然而，在现有的扫描激光SQUID显微镜的检查中，显示与激光照射位置对应的磁场信息，因此所得到的磁场分布像是专门与光电流产生源对应的像，而不是在远离与光电流产生源对应的位置的部位产生的布线等的短路或断路之类的缺陷(故障)所对应的像。其结果是，很难根据通过现有的扫描激光SQUID显微镜得到的像，高精度地进行故障部位的确定。

发明内容

本发明就是鉴于上述课题而提出的，使试料和激光束的照射位置相对移动而扫描试料，并利用磁场检测器来检测磁场，检测试料和合格品的磁场分布的像之差。对在试料的像中发现了差的部位照射激光束，磁场检测器进行扫描，将取得的磁场分布转换为电流像，取试料和合格品的电流像之差。根据该差像，可确定故障部位。

本发明的一个方面的方法，对第1和第2试料分别进行下述处理，即，对试料的预先确定的预定部位照射激光，并利用磁场检测器扫描所述试料，由此取得磁场分布，根据所述磁场分布得到电流像；取分别对于所述第1和第2试料得到的所述电流像之差，根据所述电流像的差像，可以识别出对于所述第1和第2试料与所述预定部位相关的电流路径的差异。在本发明中，所述预定部位与下述部位对应：对所述第1和第2试料，相对地对分别向所述第1和第2试料照射的激光的照射位置进行扫描而得到的磁场分布的像存在差时，在所述磁场分布的像中确认了差的部位。

本发明的另一方面的装置，具有：照射部，向试料照射激光；磁场检测器；扫描部，相对移动所述试料中的所述磁场检测器的位置而扫描所述试料；控制部，在利用所述照射设备对于所述试料的预定部位照射激光的状态下，所述磁场检测器进行扫描，根据由此取得的磁场分布的像得到电流像；以及输出部，利用所述照射部分别对于第1和第2试料，向预定部位照射激光，所述磁场检测器进行扫描，输出根据由此取得的磁场分布的像得到的第1和第2电流像之差即差像。根据本发明，通过所述差像，可以识别与所述第1和第2试料的所述预定部位相关的电流路径的差异的有无、以及有差异时识别所述差异所在的部位。在本发明中，具有相对移动所述试料中的激光的照射位置并扫描所述试料的扫描设备，在照射所述第1和第2试料的激光在所述第1和第2试料上扫描而得到的磁场分布的像存在差时，所述预定部位为所述像中发现差的位置。

根据本发明，可以得到与短路或断路的缺陷位置对应的像，可以在非破坏的情况下确定故障部位。

附图说明

图1是用于说明本发明的一种实施方式的图。

图2是用于说明本发明的一种实施方式的图。

图3是用于说明本发明的一种实施方式的图。

图4是用于说明本发明的一种实施方式的图。

图5是用于说明本发明的一种实施方式的图。

图6是表示本发明的一个实施例的装置结构的图。

具体实施方式

为了对上述的本发明进行更详细的说明，以下参照附图来说明。在本发明中，相对移动检查对象的样本(试料)和激光束的照射位置而扫描试料，并利用磁传感器检测磁场，得到试料和合格品的磁场分布的像之差。向对于试料和合格品在磁场分布的像中发现差的部位照射激光束，磁场检测器进行扫描，将取得的磁场分布转换为电流像，取试料和合格品的电流像之差，由此可以确定故障部位。图1是用于说明本发明的检查方法的图。图2是用于说明本发明的方法的处理流程的图。

根据本发明，首先，如图1(A)所示，从IC芯片的背面照射激光束，由于激光束照射而流过OBIC等的电流时，引发磁场，通过配置在芯片主面侧而构成磁场检测器的SQUID磁通计来检测磁通。在IC芯片背面扫描激光束(或者固定激光，移动试料)，与芯片的扫描位置信息对应地将利用SQUID磁通计检测出的磁通的强度在显示装置上进行例如灰度显示(亮度显示)，由此可以得到与磁场分布对应的二维像。另外，SQUID磁通计输出与磁场强度对应的输出电压，在信号处理装置(或者数据处理装置)中，将来自SQUID磁通计的输出电压转换为与激光的照射位置对应的像素的灰度数据并显示在显示装置上。由此，得到磁场分布的图像数据。从芯片背面照射激光束是为了使激光到达IC芯片的硅基板表面附近的p-n结部(在IC芯片的主面侧，激光束被IC芯片的硅基板上层的金属布线层等反射而无法到达硅基板表面附近的p-n结部)。此外，当通过晶片检查时，优选为对晶片背面进行镜面研磨(精加工)。

按照图1(A)的第1步骤的方法，取得检查对象的IC芯片和合格品的IC芯片(Known Good Device；还称作“参考芯片”)各自的磁场分布的像(图2的步骤S11、S12)、取得2个磁场分布的像之差(图2的步骤S13)。根据得到的差像，得到与光电流产生源对应的磁通强度之差所存在的部位。也可以预先取得参考芯片的磁场分布的像，存储在存储装置中，在与检查对象的IC芯片的磁场分布进行比较时，从存储装置中读取并由运算装置取差，或向显示装置输出像之差。

其次，根据在图2的步骤S13得到的差像，在检查对象的IC芯片和参考芯片的像之间发现了差时，对发现该差的部位如图1(B)所示固定激光束而进行照射，SQUID磁通计在试料表面上扫描(参照图2的步骤S2)。即，分别对于检查对象的IC芯片和参考芯片，如图1(B)所示，在固定激光束的照射部位而进行照射的状态下SQUID磁通计进行X-Y扫描，取得检查对象的IC芯片和参考芯片的磁场分布的像(磁场像)(图2的步骤S21、S22)。另外，当然也可以固定SQUID磁通计，激光束和试料同时进行扫描，取代SQUID磁通计进行扫描。

其次，分别将检查对象的IC芯片和参考芯片的磁场像转换为表示二维电流的分布的像，得到电流分布像(图2的步骤S23、S24)、得到2个电流分布的差像(图2的步骤S25)。在该差像中，在出现短路或断路等的故障时，在与该故障部位对应的位置显示该故障。

另外，在图1(A)、图1(B)的第1步骤和第2步骤中，也可以使用同一装置，或者，在第1步骤和第2步骤中，也可以分别使用不同的装置。例如，第1步骤的SQUID磁通计使用大型磁通计而提高磁场检测精度，另一方面，在第2步骤中所使用的装置中，也可以使用小型磁通计作为SQUID磁通计。小型的SQUID磁通计不仅有助于对得到高空间分辨率有效，还有助于扫描机构的小型化、轻量化等。以下，根据具体的实施例进行说明。

(实施例)

图3至图5是用于说明本发明的IC芯片的故障部位的确定过程的一个实施例的示意图。如图3(A)所示，在芯片(合格品)中，在一端与p-n结部e连接的布线a和布线b的另一端之间没有短路。另一方面，如图3(B)所示，在芯片(次品)中，在一端与p-n结部e连接的布线a和布线b的另一端上存在短路缺陷。

图4(A)表示关于图3(A)的芯片，在图1(A)的第1步骤(激光束扫描)中得到的磁场分布的像(图像数据)。图4(B)表示图3(B)的芯片在所述第1步骤(激光束扫描)得到的磁场分布的像(图像数据)。另外，虽没有特别限制，但在图4(A)、图4(B)的像中，使磁通强度与灰度对应，并使得磁通强度越强灰度越浓。

在图3(A)的芯片(合格品)的情况下，通过向p-n结部e的激光照射而生成的电流流过与p-n结部e连接而构成闭合回路的布线c。此外，通过向p-n结部f的激光照射而生成的电流流过与p-n结部f连接而构成闭合回路的布线d。一端与p-n结部e连接的布线a和布线b的另一端之间未短路(因为处于断开状态)，因此布线a、b不形成电流环。

另一方面，在图3(B)的芯片(次品)的情况下，由于与p-n结部e连接的布线a、b有短路缺陷，因此通过向p-n结部e的激光照射而生成的电流流过由p-n结部e、布线a、b构成的闭合回路、以及与p-n结部e连接而构成闭合回路的布线c。通过向p-n结部f的激光照射生成的电流流过与p-n结部f连接而构成闭合回路的布线d。

在图3(A)的芯片情况下，由SQUID磁通计检测出关于p-n结部e来自一个电流闭合回路c的磁场(参照图4(A))。在图3(B)的芯片情况下，由SQUID磁通计检测出关于p-n结部e来自2个电流闭合回路的合成磁场(参照图4(B))。

如果求出图4(A)和图4(B)的磁场分布像的差像，则得到图4(C)。也可以按照与激光照射位置对应的磁场的每个值取差，也可以按照每个像素数据进行图像运算而得到差像。根据图4(C)的差像，得知在图3(A)的芯片和图3(B)的芯片中与p-n结部e对应的磁场中存在差异。另一方面，在图3(A)的芯片和图3(B)的芯片中，与p-n结部f对应的磁场分布相同，因此在图4(C)的差像中不会作为灰度信号(亮度信号)被显示。另外，当然也可以在用于得到图4(C)的差像的运算处理的过程中，在差的值(或者差的绝对值)超过预定阈值后，显示存在差的情况。

如前所述，在图4(C)的差像中，在图3(A)和图3(B)的芯片之间存在差的部位是p-n结部等的光电流产生部位，并不一定是所谓短路或断路的故障产生部位。即，如前所述，仅根据图4(C)的像，除特别的情况之外是无法确定故障产生部位的。

因此，在本实施例中，对于图3(A)的芯片和图3(B)的芯片，从芯片背面向芯片的基板表面的p-n结部e固定照射激光，在芯片主面侧SQUID磁通计进行扫描，对通过该扫描得到的芯片的磁场分布的像(二维数据)实施使用傅立叶变换的变换，得到二维的电流值的像。对磁场分布实施利用傅立叶变换的变换而得到电流分布的方法，例如参照非专利文献2。图5(A)是这样得到的图3(A)的IC芯片的电流像，图5(B)是图3(B)的芯片的电流像。

如果通过图像运算求出图5(A)和图5(B)的电流像之差，则得到图5(C)的差像。如图5(C)所示，作为电流差像，在显示装置上显示输出由图3(B)的布线a、b的短路缺陷引起的电流环作为像。即，图5(C)的电流差像显示出图3(A)的芯片和图3(B)的芯片的电流路径的差异，在短路缺陷的情况下，图5(C)的电流路径的差像的一部分为短路缺陷部位。根据在图3(A)的芯片(合格品)中，布线a、b的端部之间为断开的情况，在图3(B)的芯片中，通过图5(C)的差像得知布线a、b的端部之间为短路。另外，当然也可以在得到图5(C)的电流差像的过程中，在差的值(绝对值)超过预定阈值时，表示有差。

另外，根据短路缺陷的例进行了说明，但断路缺陷的情况也相同，可以根据电流像的差像确定故障部位。例如，假设如图3(B)所示，布线a和布线b的端部连接的是合格品，在图3(A)的芯片中有断路缺陷(布线a和布线b断开)。此时，得知，图5(B)成为合格品的电流像，图5(A)成为次品的电流像，取它们的差时，得到图5(C)的电流差像，在次品中未形成图5(C)所示的电流环，即断开。

这样，根据本发明，可以确定在现有的检查方法中很难确定的芯片的短路或断路等的物理故障部位。即，确认了可适用于短路或断路等的故障的确定等半导体器件的缺陷分析。

图6(A)是表示用于实施本发明的装置结构的一个实施例的图。图6(B)是说明图6(A)的基准信号1、调制信号2、磁场信号4的时序波形的一例的图。参照图6(A)，该检查装置具有：调制束生成部10，生成由与预定基准信号1同步的调制信号2进行强度调制的调制光，会聚而生成调制束61；试料台71，装载样本70，并使其移动为调制束61照射在样本的预定照射位置上；磁场检测部20，检测在向样本70照射调制束61时生成的电流所引发的磁场(磁通)，输出磁场信号4；信号提取部30，提取磁场强度、基准信号1和磁场信号4的相位差6(参照图6(B))，分别作为强度信号5和相位差信号7输出；控制部40，进行下述运算处理，即，进行调制束61向样本70照射的控制和根据照射位置信息对试料台71的定位控制，输入强度信号5和相位差信号7，与照射位置信息对应地输出，并且对磁场分布的像实施使用傅立叶变换的变换而取得电流像；以及显示部50，输入强度信号5和相位差信号7中的至少一个和照射位置信息，进行图像显示。

调制束生成部10具有：脉冲产生器11，生成与基准信号1以及和基准信号1同步的调制信号2(参照图6(B))并输出；激光产生器12，由带有调制机构的光纤激光器等构成，产生被从脉冲产生器11输出的调制信号2调制强度的调制光(激光)；对激光进行波导的光纤14；以及光学系统单元13，会聚被光纤14波导的光而生成调制束61。

磁场检测部20具有：SQUID磁通计；以及电路(还称作“SQUID电路”)22，控制SQUID磁通计21，根据SQUID磁通计的输出信号3(电压输出)生成并输出磁场信号4。例如，SQUID磁通计21可以使用高温超导型SDQUID磁通计。电路22可以使用FLL(Flux-LockedLoop)电路。

虽然没有特别限制，但信号提取部30例如由二相位锁定放大器(未图示)构成，从电路22输入磁场信号4，从脉冲产生器11输入基准信号1，从磁场信号4中提取与基准信号1相同频率成分，输出强度信号5、以及与磁场信号4和基准信号1的相位差6(参照图6(B))对应的相位差信号7。

控制部40例如通过工作台扫描信号来控制试料台71(样本70)的位置，在图1(A)的第1步骤等中，根据需要，根据激光扫描信号来控制调制束生成部10的光学系统单元13，使调制束61在样本70上进行扫描，并且照射样本70。另一方面，在图1(B)的第2步骤中，也可以固定试料台71和光学系统单元13，将调制束61的照射位置定位到样本70的预定部位，并向该位置进行固定照射，通过来自控制部40的SQUID磁通计的扫描信号(未图示)，使SQUID磁通计21进行X-Y扫描。或者，也可以固定SQUID磁通计21，将调制束61的照射位置定位到样本70的预定部位，对试料台71和光学系统单元13一体地进行X-Y扫描，由此进行SQUID磁通计21的磁场扫描。

并且，控制部40从信号提取部30取入强度信号5和相位差信号7，使工作台扫描、激光照射位置、或SQUID磁通计的扫描同步，进行为了作为扫描激光SQUID显微镜像而显示的控制。在图1(A)的第1步骤中的激光扫描的情况下，控制部40按照调制束61的照射位置信息和与该照射位置信息对应的强度信号5或相位差信号7的组合输出图像显示信号8。在图1(B)的第2步骤中的SQUID磁通计的扫描的情况下，控制部40输出图像信号8，该图像信号8用于显示与SQUID磁通计的位置信息和与该照射位置信息对应的强度信号5或相位差信号7的组合相对应而得到的电流分布。

显示部50具有PC(个人计算机)51和显示器52，接收来自控制部40的图像显示信号8，输出激光束扫描位置(第1步骤)上的磁场所对应的磁场信号4的强度像81或与基准信号1的相位差所对应的相位差像82。或者，输出SQUID磁通计的扫描位置(第2步骤)上的磁场所对应的电流的强度像81或相位差像82。另外，在图3至图5的上述说明中，为了简化说明，磁场分布的图像显示为一种，但如图6(A)所示，优选为使用强度像81和相位差像82。

其次，说明图6所示的本实施例的装置的动作的一例。在本实施例中，作为样本70，使用IC芯片、Si晶片等。当然也可以是化合物半导体晶片、TFT基板等。将样本70装载到试料台71上，通过脉冲产生器11来生成基准信号1和与其同步的调制信号2，将基准信号输出给信号提取部30，将调制信号2输出给由内置了调制功能的光纤激光器(例如波长为1065nm)构成的激光产生器12，产生实施了强度调制的激光，通过光纤14导入光学系统单元13，在样本70上确定调制束(激光束)。

向最初的照射点照射调制束61，通过SQUID磁通计21检测来自样本70的磁气，从电路22作为磁场信号4输出。将该磁场信号4输入到信号提取部30中，信号提取部30将强度信号5和相位差信号7输出给控制部40。

控制部40使强度信号5和相位差信号7与调制束61的照射位置对应，作为图像显示信号8向PC 51输出，PC 51将强度信号5和相位差信号7存储到PC 51的存储部中。

将工作台扫描信号的试料台71的X-Y扫描、根据需要进行的激光扫描信号的调制束61的扫描进行组合，进行下述处理：依次选择样本70的所期望的被检查区域的各照射点，照射调制束61，使强度信号5和相位差信号7与该照射点的位置信息对应，作为图像显示信号8存储到PC 51的存储部中。

PC 51在显示器52上按照与强度信号5或相位差信号7对应的灰度(亮度)进行显示(也可以是彩色显示)，在图1(A)的第1步骤中，如图4(A)、图4(B)所示，与样本70的激光照射点对应地进行显示。此时，也可以显示与强度信号5对应的强度像81和与相位差信号7对应的相位差像82中的一个。也可以与扫描点对应地将磁场的像实时地进行显示，也可以将一个样本的各扫描位置中的强度信号5和相位差信号7对应的灰度(亮度)与该扫描位置对应地存储在存储部中，在一个样本的所有扫描结束的时刻，或者此后任意的时刻，单独地将与扫描位置对应地存储在存储部中的强度信号5和相位差信号7所对应的灰度(亮度)的像显示在显示器52上。作为输出装置，除了显示器以外，当然也可以输出给打印机或文件装置等。

在本实施例中，使用附带调制机构的光纤激光器作为激光产生器12，由此可将调制信号2的频率设定为例如最大至1MHz的任意的值。在调制频率的选择中，磁场信号微弱而S/N(信噪比)比较差时，需要选择噪声较少的频率。此外，在调制束的照射产生的光电流所引发的磁场的信号(称为“激光激发磁场信号”)的频率依赖性较大时，也可以通过选择激光激发磁场信号变大的频率来改善S/N比。当根据样本70的位置，激光引发磁场信号的频率依赖性大不相同时，需要选择几个调制频率。在本实施例中，使用了波长1065nm的激光，因此在样本70为Si晶片的情况下，从其背面照射激光，透过Si基板，从而可以使调制束到达Si晶片表面附近的p-n结部。优选为对Si晶片背面进行镜面研磨。可使从Si晶片背面照射的调制束61有效地到达p-n结部。

作为SQUID磁通计21，使用HTS(高温超导)的SQUID磁通计，可以检测1pT以下的微小的磁通密度B。另外，具有磁屏蔽65。SQUID磁通计通常在垂直于样本70的方向上检测磁通。

在从电路22输出的磁场信号4中，通常混有噪声，因此由二相位锁定放大器(信号提取部30)仅取出与调制频率相同频率成分，由此改善S/N比。作为信号提取部30，使用二相位锁定放大器，由此不仅只取出与从脉冲产生器11输出的基准信号1相同的频率成分，还可将该成分与基准信号1的相位差信号7和强度信号5分离而输出。将芯片的大小例如设为6mm×10mm，将调制束61的光束直径挤成10μm，通过对由陶瓷工作台构成的试料台71进行X-Y扫描，得到磁场分布像。调制频率例如设为100KHz。得到芯片的强度像81和相位差像82。

在图1(B)的第2步骤中，固定样本70中的调制束61的照射位置(例如对图3(A)、(B)的与p-n结部e对应的部位进行固定照射)，使SQUID磁通计21向样本70进行扫描而取得磁场分布。此时，可以按照来自控制部40的控制信号向X-Y方向移动SQUID磁通计21，或者也可以固定SQUID磁通计，以将调制束61的照射位置固定到样本70上的状态将样本70和调制束61的照射位置一体地向X-Y方向移动。在该第2步骤中，也由输入从电路22输出的磁场信号4的信号提取部30输出强度信号5和相位差信号7，控制部40与扫描位置对应地使强度信号5和相位差信号7与扫描为之对应，存储在存储部中。一个样本70的扫描结束之后，对与扫描位置对应地存储在存储部中的磁场分布的二维数据实施利用傅立叶变换的变换而得到二维的电流分布数据。并且，在显示部50中，与SQUID磁通计21的扫描位置对应地将电流分布的像以灰度方式显示在显示器52上。

另外，图6(A)所示的结构根据从来自磁场检测部的磁场信号分别输出强度信号、表示磁场信号和基准信号的相位差的相位差信号的例子进行了说明，但当然可以适用于仅输出强度信号的结构。

根据上述实施例来说明了以上的本发明，但本发明不限于上述实施例的结构，当然包括在本发明的范围内只要是本领域普通技术人员就可导出的各种变形、变更。