CN101889337B - 用于测试半导体器件的方法和半导体器件测试系统 - Google Patents

Abstract

一种用于测试半导体器件(50)的方法包括：利用光束(41)照射所述半导体器件内的晶体管，其中照射晶体管在该晶体管内感生电流(68)；以及响应于所述照射，检测来自所述晶体管的光子发射。一种半导体器件测试系统(10)包括：光束发射器(18)，该光束发射器向进行测试的器件(DUT)(12)提供光束，以在该DUT中感生电流；过滤器(22)，该过滤器接收来自所述DUT的光子发射，并且从所述光子发射中去除从所述DUT反射的反射光束，以提供过滤后光子发射；以及光子检测器(32)，该光子检测器检测所述过滤后光子发射。

Description

用于测试半导体器件的方法和半导体器件测试系统

技术领域

本公开总体上涉及半导体器件，并且更具体地说，涉及半导体器件的测试。 

背景技术

当半导体器件不能适当地工作时，执行故障分析，以确定问题的起因。故障分析涉及对器件节点的功能性微探测(functionalmicroprobing)。这可以通过诸如e射束探测、金属互连探测、激光电压探测以及时间分辨发光显微术(TRLEM)的许多不同处理来执行。TRLEM是一种优选方法并且在电源电压高的情况下工作良好。然而，如果电源电压小(例如，大约1.5V或更小)，则由TRLEM生成的信号可能太小而无法检测，并且不能很好地执行故障分析。另外，因为TRLEM波形获取技术需要信号随着时间积分，所以测试可能太慢(例如，12小时或更多)。 

附图说明

本发明通过示例的方法进行说明，并且不局限于附图，在附图中，相同标号指相似部件。图中的部件出于简化和清楚的目的示出，并且不必按比例绘制。 

图1示出了根据一实施例的系统和进行测试的器件的示意图； 

图2示出了根据一实施例的反相器(inverter)的示图；以及 

图3示出了波形。 

具体实施方式

诸如激光器的发光源被用于激发光束感生电流(OBIC)，所述 光束感生电流产生被检测的电致发光(光子)。这些光子可以通过将它们与激发光子的高强度背景分离来检测。当发光源照射晶体管时，生成电流并且可以发射光子。通过检测发射出的光子，可以确定晶体管的状态及其状态间的变化。这个信息可用于半导体器件的故障分析。 

图1示出了根据一实施例的系统10和进行测试的器件(DUT)12的示意图。在一个实施例中，DUT 12是包括一个或多个集成电路的封装件。DUT 12可以是任何封装类型(例如，倒装芯片、球栅阵列、四方扁平封装)。在测试期间，DUT 12被加电。 

该系统包括耦合至计算机16的测试器14，该计算机控制测试器14。在一个实施例中，计算机16生成通过测试器14施加至DUT 12的测试矢量。在一个实施例中，将多个测试矢量在DUT 12上迭代地执行。在该实施例中，对于每一次迭代来说，可以执行在此描述的测试方法。因此，该方法可以是时间分辨(time resolved)方法。在另一实施例中，在将测试矢量施加至DUT 12之后执行所述测试方法。因此，该方法可以是静态方法。例如，在测试期间，该系统可以在时间矢量上暂停，并且可以检测结果，接着可以在不同区域中恢复测试。因为作为被检测主体的光子无法在每次利用光照射DUT 12(或其晶体管)时发射，或者无法沿检测器的方向发射，所以可能希望执行测试矢量的循环或迭代。在一个实施例中，按大于一兆赫兹的速度执行测试矢量。这比执行速度小得多的现有技术的故障分析方法有利。 

系统10还包括：光束发射器18、准直仪20、带通过滤器22、分束器26(其可以是二色分束器)、物镜24、过滤器28、准直仪30、光子检测器32，以及定时分析器38。在一个实施例中，这些特征被并入到红外线显微镜中。如在进一步的讨论之后将更好地理解的，在这个实施例中，该显微镜可以对DUT 12成像并收集被用于执行故障分析的光子发射46。 

当测试器发出(assert)信号(例如，触发信号)时，其开启光子检测器32。系统10可以包括其它特征，如成像装置或特征，或快门。快门是一种机械隔板，其可以被用于仅暴露或观看DUT 12的小 区域(例如，一个晶体管)。 

在一个实施例中，光束发射器18是激光器。该激光器可以是Nd:YAG激光器。该光束发射器也可以是超高功率光源或发射光的任何其它器件。光束发射器18激发针对DUT 12的OBIC信号。更具体地说，光束发射器18生成并发射通过准直仪20的光束40，该准直仪将光束40对准成并行光束，以使其既不聚焦也不发散。在光束40通过准直仪20之后，该光束可以通过带通过滤器22，如果带通过滤器22存在的话，则仅过滤预定波长或预定范围的预定波长，以生成激励光束41。在一个实施例中，带通过滤器22是针对1064nm波长光的激光线过滤器。在一个实施例中，激励光束41的能量大于被照射晶体管的半导体材料(例如，沟道区域)的能带隙能量。在一个实施例中，该激励光束41以大约90度反射离开分束器26。在一个实施例中，分束器26是二色分束器，其反射大约95％的1064nm光，而透射具有大于1100nm的波长的光。 

在激励光束41反射之后，该激励光束41通过物镜24，该物镜将激励光束41聚焦在DUT 12上。激励光束41的一部分被反射离开DUT12，以形成反射激励光束42。当激励光束42通过分束器26时，该反射激励光束42的一部分可以被过滤或者被防止穿越分束器26。在激励之后，光束42通过分束器26，该激励光束42变为衰减的反射激励光束44。接着，光束44被光学过滤器28高度衰减。如在图2的讨论之后将更好地理解的，当利用激励光束41照射DUT 12(例如，DUT12内的晶体管)时，感生出电流并产生光子发射。在一个实施例中，光子发射46包括因激励光束41而生成的光子和自然出现的光子。在一个实施例中，光子发射46还包括因施加测试矢量而发射的光子。光子发射46通过分束器26、过滤器28以及准直仪30，并且被光子检测器32接收。在一个实施例中，过滤器28是宽带过滤器(long passfilter)。该过滤器被用于从光子发射46中辨别来自光束发射器18的、作为衰减的反射激励光束44的光。该过滤可能因光具有不同能量(波长)并且过滤掉不希望的光波长而出现。在一个实施例中，如果过滤 器28存在，则选择过滤器28，以使其防止光束发射器18或带通过滤器22的具有相同波长或波长范围的光通过。因而，过滤器28仅允许作为光子反射的结果的光通过，而不允许源自光束发射器18的光通过。因而，系统10在入射光(反射为反射激励光束42的激励光束41)与光子发射46之间进行区分。这在所示实施例中利用过滤器28来执行，但可以将其它方法用于区分光。 

在一个实施例中，光子检测器32是安装在系统10的辅助端口上的外部检测器。在该实施例中，CW激光器或脉冲激光器可以被用作光束发射器18。脉冲激光器可以被希望用于逻辑状态的静态映射以及用于减少因样本发热而产生的光子发射噪声源。在一个实施例中，检测器是时间相关单一光子计数(TCSPC)检测器或另一类型的时间辨别检测器。 

光子检测器32在系统10被启动时向定时分析器38发送开始信号34，并且在光子检测器32接收到或检测到来自光子发射46的光子时发出停止信号36。当定时分析器38接收到该停止信号36时，其更新直方图。相对于停止信号36的时间，所述直方图可以被存储或在计算机16中观看，以生成波形，这在对图3的讨论之后将更好地理解。在一个实施例中，计算机16相对于光子检测器32检测到光子的时间，而累积光子计数。定时分析器38被耦合至计算机16。然而，在其它实施例中，代替波形，生成其它结果。例如，该结果可以是不同颜色的图。 

在一个实施例中，在利用激励光束41照射DUT 12时检测光子发射46。在另一实施例中，在照射DUT 12之后检测光子发射46。在一个实施例中，照射DUT 12，停止照射，然后检测光子发射。 

与激励光束41相比，光子发射46具有不同的光子能量。在一个实施例中，光子发射46的波长大于激励光束41的波长。在一个实施例中，光子发射46的波长小于激励光束41的波长。 

图2示出了根据一实施例的反相器70的图。该反相器70包括采用截面图形式示出的NMOS器件50，和采用示意图形式示出的PMOS 器件51。NMOS器件50被耦合至数据输入节点、数据输出节点、耦合至Vdd和Vss的PMOS器件51。当数据输入节点为高时，数据输出节点为低，反之亦然。NMOS器件50包括基板52，其在所示实施例中包括支承结构54、绝缘层56以及半导体层57。NMOS器件还包括控制电极(例如，栅电极)、电介质层64(例如，栅极电介质)、耦合至Vss或地的源极58、通过PMOS晶体管51耦合至Vdd的漏极60、以及沟道区62，其中，当NMOS器件50导通时产生沟道。当数据输出节点电压为高时，电场63存在于沟道区62的一部分和漏极60的一部分内，如虚线所示。 

当激励光束41撞击NMOS器件50时，该激励光束41中的一些被反射离开表面或分界面。在所示实施例中，激励光束41被反射离开半导体层57与绝缘层56之间的分界面，作为反射激励光束42。然而，该反射激励光束42可以是反射离开任何或多个表面或分界面的激励光束41。 

另外，当利用激励光束41照射NMOS器件50时，形成电子-空穴对，如图2中圆圈内分别用减号和加号所示。在照射期间，当数据输出节点电压被设置成高时，存在电场63，并且使电子加速至漏极60，生成光束感生电流68。在该处理期间探测NMOS器件50的漏极。如果数据输出节点电压被设置成使得电场63大于NMOS器件50的饱和电场，则电子将成为热电子，其可以发出光子发射46。 

图3示出了现有技术的光子发射波形84和根据一实施例的光子发射波形90的波形图。x轴80是时间轴，其在一个实施例中可以为皮秒(picosecond)。y轴82是光子计数比率轴82。现有技术的光子发射波形84是利用TRLEM生成的波形的例子。现有技术的光子发射波形84包括高-低漏极转变峰(drain transition peak)86和来自检测器的噪声88，以及由系统10自然生成的任何杂散光子。因而，通过利用现有技术的TRLEM技术，通过观察高-低漏极转变峰86，可以确定何时DUT 12进行高-低漏极转变。然而，如上所述，当针对半导体器件电源电压降低时，该技术不太有用。当电源电压降低时， 光子计数比率降低，使得高-低漏极转变峰86更难于与噪声88区分。 

与此相反，光子发射波形90可以与具有低电源电压的器件一起使用。光子发射波形90包括噪声92。因为波形采用相同的比例，所以光子发射波形90中的噪声92被显示为大于现有技术的光子发射波形84的噪声88。然而，如果希望的话，技术人员可以优化该处理以降低噪声92。光子发射波形90包括高-低漏极转变峰94，因为其位于相同时间点处，因此其类似于现有技术的高-低漏极转变峰86。另外，光子发射波形90包括另一峰，这是未意料到的益处。该新峰是低-高漏极转变峰96。因而，利用光子发射波形90，可以确定反相器70的数据输入节点何时从低变到高并接着从高变到低。另外，可以确定NMOS器件70处于高状态多久。 

波形100示出了施加至数据输出的对应电压。x轴102是时间轴，并且对应于时间轴80。y轴104是电压轴。在部分106期间，数据输出为低(例如，“0”)，并且NMOS器件50处于第一状态。当数据输出切换成高(例如，“1”)时，该电压增加并且出现转变108，从而将NMOS器件50切换成第二状态。因而，部分110是数据输出为高并且NMOS器件50处于第二状态的时间。当数据输出切换成低时，电压降低并且出现转变112，从而将NMOS器件50切换成第三状态，该第三状态可以与第一状态相同，如图3所示实施例中所示。在部分114期间，NMOS器件50处于第三状态，其可以和第一状态相同。在电压改变时出现的转变108和112对应于光子发射波形90的转变94和96。因而，转变94和96表示DUT 12的晶体管中存在饱和电流。在转变96与94之间出现的高状态98下的光束感生发射检测DUT 12的晶体管中的泄漏电流，其中，该泄漏电流是由于光束造成的。因而，通过生成光子发射波形90，可以检测DUT 12中的晶体管的漏极的状态变化。 

可以将TRLEM系统用于检测光子。然而，可以使用其它系统。例如，可以使用非时间分辨系统。该系统应当可用于利用SOI基板的45nm技术的节点。使用SOI基板的技术更难于测试。虽然本行业未 确切地获知为什么SOI基板更难于测试，但其很可能归因于利用SOI基板构建的器件中的漏极周围的电场小于(例如，小100倍)构建在主体基板(例如，硅基板)上的器件中的漏极周围的电场。例如，可以将激光电压探测用于测试以较小几何结构构建在主体基板上的器件，但无法用于构建在SOI基板上的器件(该系统可以被用于逻辑状态映射)。 

至此，应当清楚，已经提供了一种用于测试半导体器件的方法和系统，其中，该器件中的OBIC电流导致发射光子。因为通过照射晶体管来生成OBIC电流，所以该方法和系统使用非被动(nonpassive)方法来测量加电半导体器件的光子。与可以用于不同功能的其它测量技术(例如，拉曼光谱法)不同，将被分析特征(在此为半导体器件)加电。因此，存在电流。所述方法和系统改进了用于功能调试和故障分析的内部信号获取。由此，改进了信噪比。在一个实施例中，该方法和系统可以被用于检测1千兆赫兹或以上的发射。在一个实施例中，该方法和系统可以被用于检测大于1兆赫兹的发射。 

尽管本发明已经参照特定导电性类型或电势极性进行了描述，但技术人员清楚该导电性类型和电势极性可以相反。例如，可以代替NMOS晶体管，照射PMOS晶体管。 

此外，本描述中和权利要求书中的术语“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”等(若有的话)被用于描述性目的而不必用于描述永久的相对位置。应当理解，这样使用的术语在适当的环境下可互换，从而使得在此描述的本发明的实施例与在此示出或以其它方式描述的那些实施例相比，例如能够按其它取向操作。 

尽管在此参照具体实施例描述了本发明，但在不脱离如下权利要求书中阐述的本发明的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。例如，图2中的NMOS器件仅是可以分析的器件的一个示例。例如，支承结构54可以不存在。这使得能够将更短波长用于成像并提供激励光束41。在一个不存在支承结构54的实施例中，UV波长激光器与物镜24一起使用。益处可以包括因OBIC生成处理效率增加而增加空间分 辨率以及提高信号-噪声改进。因此，本说明书和附图被视为示例性而非限制性意义，并且全部这种修改都意图被包括在本发明的范围内。针对在此相对于具体实施例描述的问题的任何益处、优点，或解决方案都不应被解释为任何或全部权利要求的关键性的、必需的，或基本特征或要素。 

如在本文中所使用的术语“耦合”不希望限于直接耦合或机械式耦合。此外，如本文中所使用的术语“一”或“一个”被定义为一个或一个以上。另外，权利要求中对引导性短语(如“至少一个”和“一个或多个”)的使用不应该被解释为暗示由不定冠词“一”或“一个”对另一个权利要求要素的引导将包含所引导的权利要求要素的任何特定权利要求限制于只包含一个该要素的发明，即使同一个权利要求包括引导性短语“一个或多个”或者“至少一个”以及例如“一”或“一个”的不定冠词也是如此。这同样适用于定冠词的使用。除非另外说明，如“第一”和“第二”等术语被用于任意地区分该术语所描述的要素。因此，这些术语不一定意图表示这些要素的时间或其它优先次序。 

Claims (18)

1.一种用于测试半导体器件的方法，该方法包括：

利用光束照射所述半导体器件内的晶体管，其中照射所述晶体管在该晶体管内感生电流；

响应于所述照射，检测来自所述晶体管的光子发射；以及

响应于所述照射并且在检测所述光子发射之前，过滤所述光子发射，以去除从所述半导体器件反射的反射光束。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，照射所述晶体管和检测所述光子发射同时执行。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在停止照射所述晶体管之后进行对所述光子发射的检测。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，进行对所述光子发射的检测，以指示在所述晶体管中存在饱和电流并且检测所述晶体管中的因所述光束而造成的泄漏电流。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，检测所述光子发射包括检测所述晶体管的漏极的状态变化。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光束具有能量大于所述晶体管的半导体材料的能带隙的波长。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

向所述半导体器件提供一个或多个测试矢量，其中，与提供一个或多个测试矢量至少部分同时地提供照射和检测。 

8.一种用于测试半导体器件的方法，该方法包括：

在所述半导体器件上迭代地执行多个测试矢量，其中，在执行所述多个测试矢量中的每一次迭代期间，所述方法还包括：

利用光束照射所述半导体器件内的晶体管，其中照射所述晶

体管在该晶体管内感生电流；

检测来自所述晶体管的光子发射；以及

根据检测到的所述光子发射累积光子计数，

其中，在执行所述多个测试矢量的每一次迭代期间，所述方法还包括：

响应于所述照射并且在检测所述光子发射之前，过滤所述光子发射，以去除从所述半导体器件反射的反射光束。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，在迭代地执行所述多个测试矢量之后，利用累积的光子计数来检测所述晶体管的漏极的状态变化。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，进行对所述光子发射的检测，以指示所述晶体管中存在饱和电流并且检测所述晶体管中的因所述光束而造成的泄漏电流。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述光束具有能量大于所述晶体管的半导体材料的能带隙的波长。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，以大于一兆赫兹的速度来进行执行所述多个测试矢量的操作。

13.一种半导体器件测试系统，包括：

光束发射器，向进行测试的器件提供光束，以在该进行测试的器件中感生电流； 

过滤器，接收来自所述进行测试的器件的光子发射，并且从所述光子发射中去除从所述进行测试的器件反射的反射光束，以提供过滤后的光子发射；以及

光子检测器，检测所述过滤后的光子发射。

14.根据权利要求13所述的半导体器件测试系统，还包括：

测试器，被耦合成向所述进行测试的器件提供测试矢量。

15.根据权利要求13所述的半导体器件测试系统，其中，所述光束是单色光束。

16.根据权利要求13所述的半导体器件测试系统，还包括：

计算机，该计算机相对于所述光子检测器检测到所述光子的时间而累积光子计数。

17.根据权利要求13所述的半导体器件测试系统，其中，所述半导体器件测试系统基于相对于时间的光子计数来确定所述进行测试的器件中的电路节点的状态变化。

18.根据权利要求13所述的半导体器件测试系统，还包括：

分束器，该分束器将来自所述光束发射器的所述光束引向所述进行测试的器件并且向所述过滤器传送来自所述进行测试的器件的所述光子发射。 

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