CN113030713B - 一种激光探测集成电路内部电平状态的系统 - Google Patents

一种激光探测集成电路内部电平状态的系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光探测集成电路内部电平状态的系统，包括：连续激光器、光学模块、物镜、三维移动台、测试机、光电探测器、放大器、信号分离器、信号提取器、控制计算机、移动台控制箱；本发明利用激光穿过芯片背部硅衬底无损直接探测其内部节点电平状态，时间分辨率高，可大面积二维扫描芯片，采用基于硅基半导体器件固有不对称性的共光路探测方案，能实现集成电路内部特定频率工作点的定位和电平状态变化波形提取。

Description

一种激光探测集成电路内部电平状态的系统
技术领域
本发明属于集成电路测试领域，特别是涉及一种激光探测集成电路内部电平状态的系统。
背景技术
集成电路自问世以来就在各个领域被广泛应用，小到日常生活中的手机、电脑，大到工业领域中的各种设备，都能发现它的身影。随着半导体工艺的发展，集成电路的集成度也由最初几个元器件的集成发展到上亿个晶体管的集成，金属互联层不断增多，芯片封装时也出现倒封装工艺。
继集成电路生产后，工程师对其进行可靠性测试过程中通常需探测其内部某些节点来获得其电平状态信息，常用探测手段有电子束和机械探针。这两种手段需要从芯片正面探测内部节点电平状态，但是金属互连层的增多和倒封装工艺的出现使得正面探测变得困难。专利号US 7769981 B2，美国专利，Apparatus and method for probing integratedcircuits using polarization difference probing提出了一种利用激光从芯片背面探测的偏振差分探测方案，但是此方案存在激光扫描显微镜受限于物镜通光孔径的大小，不能对大尺寸芯片进行大面积二维扫描，扫描过程中也很难保证激光聚焦平面的位置始终处于使反射回来的激光光强最强的位置。
因此，寻找一种利用激光穿过芯片背部硅衬底无损直接探测其内部节点电平状态的系统成为研究人员关注的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种激光探测集成电路内部电平状态的系统，利用激光穿过芯片背部硅衬底无损直接探测其内部节点电平状态，时间分辨率高，样品扫描面积大，采用基于硅基半导体器件固有不对称性的共光路探测方案，结构简单，能实现集成电路内部特定频率工作点的定位和电平状态变化波形提取。
为实现上述目的，本发明提出一种激光探测集成电路内部电平状态的系统，包括：连续激光器、光学模块、物镜、三维移动台、测试机、光电探测器、放大器、信号分离器、信号提取器、控制计算机、移动台控制箱；
所述连续激光器通过自由空间光路或保偏光纤与所述光学模块连接；所述光学模块通过自由空间光路与所述三维移动台连接，所述光学模块和所述三维移动台中间设有物镜；所述三维移动台上的被测器件与所述测试机连接，所述测试机与所述信号提取器连接；
所述光学模块与所述控制计算机接；所述控制计算机通过所述移动台控制箱与所述三维移动台连接；
所述光学模块依次与所述光电探测器、放大器和信号分离器连接，所述信号分离器分别与所述信号提取器和所述控制计算机连接；所述信号提取器与所述控制计算机连接。
优选地，所述连续激光器采用固体激光器、半导体激光器或光纤激光器；所述连续激光器用于提供探测用的连续激光，所述连续激光的波长采用小于1100nm的侵入性波长或大于1100nm的非侵入性波长。
优选地，所述物镜采用气隙物镜、液体浸没物镜或固体浸没透镜物镜。
优选地，所述光学模块包括探测成像系统和半透半反控制器；所述探测成像系统包括：分光棱镜、光功率计、光隔离器、偏振分束棱镜、1/8波片、半透半反镜、照明光源、准直透镜组、聚焦透镜、分束镜、成像透镜和红外相机；
沿所述连续激光器发出的激光光路依次设置有所述分光棱镜、光隔离器、偏振分束棱镜、1/8波片和所述半透半反镜，所述半透半反镜通过物镜与所述被测器件连接；所述分光棱镜还与所述光功率计连接，所述偏振分束棱镜还通过所述聚焦透镜与所述光电探测器连接；所述半透半反镜与所述分束镜连接；所述分束镜通过所述准直透镜组与所述照明光源连接，所述分束镜通过所述成像透镜与所述红外相机相连。
优选地，所述光电探测器采用PIN二极管或雪崩光电二极管APD。
优选地，所述放大器采用跨阻放大器。
优选地，所述信号分离器采用偏置三通。
优选地，所述信号提取器采用是频谱分析仪和锁相放大器来提取电平信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明利用激光穿过芯片背部硅衬底无损直接探测其内部节点电平状态，时间分辨率高，样品扫描面积大，采用基于硅基半导体器件固有不对称性的共光路探测方案，结构简单，能够实现集成电路内部特定频率工作点的定位和电平状态变化波形提取。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例集成电路内部电平状态的激光探测系统示意图；
图2为本发明实施例的激光相位变化检测示意图；
图3为本发明实施例CMOS器件的固有不对称性导致不同偏振态激光相位调制不同的原理示意图；
图4为发明实施例的探测成像光路示意图；
图中：1-连续激光器、2-光学模块、2.1-探测成像系统、2.2-半透半反控制器、3-物镜、4-被测器件、5-三维移动台、6-测试机、7-光电探测器、8-放大器、9-信号分离器、10-信号提取器、11-控制计算机、12-移动台控制箱、13-自由空间光路、14-保偏光纤。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
参照图1所示，为本发明实施例集成电路内部电平状态的激光探测系统示意图。
其中，激光光源是连续激光器1提供探测用的连续激光。连续激光器1可使用固体激光器、半导体激光器、光纤激光器等。激光波长可采用侵入性波长，其波长＜1100nm(如1064nm)；也可采用非侵入性波长，其波长＞1100nm(如1310nm)。
连续激光经自由空间光路13或保偏光纤14传输到光学模块2。光学模块2将激光聚焦于被测器件4的有源区，三维移动台5通过移动被测器件4改变激光在被测器件4中的聚焦位置。控制计算机11通过发送控制指令到移动台控制箱12进而控制三维移动台5的移动。装置中激光的聚焦是通过物镜3实现的，物镜3可选择气隙物镜、液体浸没物镜或固体浸没透镜物镜。
光学模块2包含一个探测成像系统2.1和一个半透半反控制器2.2。半透半反控制器2.2由控制计算机11控制，控制计算机11通过控制信号控制半透半反控制器2.2控制探测成像系统2.1中的半透半反镜在光路中移动，当对透过芯片背部硅衬底对其内部进行红外显微成像时，半透半反控制器2.2将半透半反镜移入光路；当利用激光探测集成电路内部电平时，半透半反控制器2.2将半透半反镜移出光路。
从被测器件4反射回来的激光通过自由空间光路13到达光电探测器7，光电探测器可以是任何常规的光探测器，例如PIN二极管、雪崩光电二极管(APD)等。放大器8(例如，跨阻放大器)放大从光电探测器7的输出信号，同时将其输出发送到信号分离器9(例如，偏置三通)。信号分离器9输出两路信号包括直流分量DC和交流分量AC。直流分量DC是表示被测器件4反射率的电压信号，该电压信号被发送到控制计算机11，控制计算机11接收到直流分量DC后通过移动台控制箱11控制三维移动台5调整被测器件4的位置，直至直流分量DC电压信号最强，这时被测器件4被调整到后续激光探测的最佳位置。交流分量AC是通过激光探测到的芯片内部电平信号，由于芯片的电学活动对激光的调制在ppm量级，交流分量AC中信噪比较差，因此交流分量AC被发送到信号提取器10做进一步处理从而提取电平信号。信号提取器10可选择频谱分析仪或者锁相放大器，信号提取器10被控制计算机11控制，提取到的电平信号被发送到控制计算机11。控制计算机11提供一个简单可编程的操作界面，便于设备使用者更好地控制整个装置。
本发明集成电路内部电平状态的激光探测系统有两个工作模式：频率映射模式和波形采集模式。
首先使用频率映射模式，探测成像系统2.1中的红外显微成像光源发出的光被物镜3聚焦在被测器件4的内部，三维移动台5移动被测器件4实现聚焦成像光对被测器件4的遍历扫描，移动过程中探测成像系统2.1中的红外相机生成每个聚焦点的红外显微图像，并将其发送到控制计算机11中存储起来，同时移动台控制箱12也将每个聚焦点的坐标信息发送到控制计算机11中存储起来，红外显微图像和坐标信息一一对应。遍历扫描完成后，控制计算机11根据内部存储的每点红外显微图像和坐标信息生成整个被测器件4的红外显微图像存储下来，三维移动台5移动被测器件4回到最初的扫描位置。随后测试机6发送时钟信号重复驱动被测器件4，该模式下测试机6不需发送时钟信号到信号提取器10。控制计算机11发送控制信号控制半透半反控制器2.2将探测成像系统2.1中的半透半反镜从光路中移出，信号提取器10可由控制计算机11直接控制，在该模式下信号提取器10处使用频谱分析仪，频谱分析的响应频率设置为时钟信号的重复频率。连续激光器1发出的激光被物镜聚焦在被测器件4的内部，三维移动台5移动被测器件4实现聚焦激光对被测器件4的遍历扫描。移动过程中频谱分析仪将每个位置处的频率信号强度发送到控制计算机11存储下来，信号强度通过不同的颜色表征，同时移动台控制箱12将每点的坐标信息发送到控制计算机11存储起来，频率信号强度和坐标信息一一对应。扫描完成后，控制计算机11根据每点频率信号强度信息和坐标信息生成时钟信号重复频率的频率强度分布图。随后控制计算机11将整个被测器件的红外显微图像和频率强度分布图叠加在一起，生成被测器件特定工作频率强度分布图。得到的被测器件4的特定工作频率强度分布图中包含器件的版图信息、版图中每点对应的特定工作频率的信号强度和坐标位置信息。
然后使用波形采集模式，首先根据频率映射模式生成的被测器件4特定工作频率强度分布图，通过控制计算机11控制三维移动台5移动被测器件4将探测激光聚焦到信号探测目标区域，探测成像系统2.1中的半透半反镜依旧从光路中移出。测试机6发送时钟信号重复驱动被测器件4，同时向信号提取器10发送时钟信号用于同步信号提取器10，该模式下信号提取器10采用锁相放大器，锁相放大器输出的波形信号发送到控制计算机11显示波形即被测器件内部电平变化。
参照图2所示，本发明实施例的激光相位变化检测示意图。光学模块2将激光器发出的激光分成两个正交偏振的激光，垂直偏振光和水平偏振光，且经过的光路均相同，只是偏振态相互垂直。两束光都被聚焦在被测器件4上的相同位置。为了获得最好的试验效果，垂直偏振光、水平偏振光的偏振方向分别沿着被测器件4中的晶体管栅宽、栅长方向，两束光偏振态的不同使得它们与被测器件4相互作用后相位调制出现差异。垂直偏振光、水平偏振光与被测器件4相互作用之后原路返回发生干涉，得到干涉波形，即探测得到的被测器件4内部电平变化波形。
参照图3所示，硅基半导体器件的固有不对称性导致不同偏振态激光相位调制不同的原理示意图。
其中，激光1穿过被测器件4背部的硅衬底从器件背部入射。由于源漏之间的强电场，Ex方向(栅长方向)能带对于Ex方向的线偏振光来说是倾斜的，倾斜能带使半导体材料的吸收带边减小，光子能量略小于半导体材料带隙的光也被吸收，即弗朗兹-凯尔迪什效应。Ey方向(栅宽方向)的载流子在该方向的运动不受限制，在该方向上可认为载流子是等离子体，Ey方向线偏振光与半导体材料发生相互作用，即等离子体-光学效应。激光对Ey方向的等离子体-光学效应最敏感。因此，可将Ex方向线偏振光作为参考光束，Ey方向的线偏振光作为探测光束，两束光经过同样的路径指向被测器件上的同一位置探测器件内部电平。
参照图4所示，为发明实施例的探测成像光路示意图。连续激光器1发出的激光经过分光棱镜，一部分光被反射到达光功率计，光功率计的输出用来监视激光功率。剩余的激光穿过光隔离器(防止激光反射到激光器)，通过光隔离器后激光偏振态旋转45度，调整偏振分束棱镜的位置，使激光全部透过偏振分束棱镜。随后1/8波片将激光变换成椭圆偏振光，经过半透半反镜(由图1中半透半反控制器2.2控制)和物镜3，穿过被测器件4背面的硅衬底聚焦其内部有源区。
激光通过被测器件4正面的金属布线反射原路返回，穿过物镜3、半透半反镜和1/8波片变为圆偏振光，在偏振分束棱镜处一部分光被反射，通过聚焦透镜到达光电探测器7，以检测来自被测器件4中反射回来激光相位调制，从而确定被测器件中的电平变化。
图4中还包括用于红外显微成像的成像元件，包括产生照明光的照明光源，照明光经过准直透镜组、分束镜、半透半反镜和物镜，穿过被测器件4背面的硅衬底聚焦其内部有源区。照明光被被测器件4正面的金属布线反射，经过物镜3、半透半反镜、分束镜和成像透镜到达红外相机，形成被测器件4内部的红外显微图像。
综上，本发明利用激光穿过芯片背部硅衬底无损直接探测其内部节点电平状态，时间分辨率高，样品扫描面积大，采用基于硅基半导体器件固有不对称性的共光路探测方案，结构简单，能实现集成电路内部特定频率工作点的定位和电平状态变化波形提取。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种激光探测集成电路内部电平状态的系统，其特征在于，包括：连续激光器(1)、光学模块(2)、物镜(3)、三维移动台(5)、测试机(6)、光电探测器(7)、放大器(8)、信号分离器(9)、信号提取器(10)、控制计算机(11)、移动台控制箱(12)；
所述连续激光器(1)通过自由空间光路(13)或保偏光纤(14)与所述光学模块(2)连接；所述光学模块(2)通过自由空间光路(13)与所述三维移动台(5)连接，所述光学模块(2)和所述三维移动台(5)中间设有物镜(3)；所述三维移动台(5)上的被测器件(4)与所述测试机(6)连接，所述测试机(6)与所述信号提取器(10)连接；
所述光学模块(2)与所述控制计算机(11)连接；所述控制计算机(11)通过所述移动台控制箱(12)与所述三维移动台(5)连接；
所述光学模块(2)依次与所述光电探测器(7)、放大器(8)和信号分离器(9)连接，所述信号分离器(9)分别与所述信号提取器和所述控制计算机(11)连接；所述信号提取器(10)与所述控制计算机(11)连接；
信号分离器(9)输出两路信号包括直流分量DC和交流分量AC；直流分量DC是表示被测器件(4)反射率的电压信号，该电压信号被发送到控制计算机(11)，控制计算机(11)接收到直流分量DC后通过移动台控制箱(11)控制三维移动台(5)调整被测器件(4)的位置，直至直流分量DC电压信号最强，这时被测器件(4)被调整到后续激光探测的最佳位置；
交流分量AC表示激光探测的芯片内部电平信号，交流分量AC传输到信号提取器（10），信号提取器（10）提取电平信号；信号提取器（10）被控制计算机（11）控制，信号提取器（10）提取到的电平信号被发送到控制计算机（11）；控制计算机（11）提供一个简单可编程的操作界面，便于设备使用者更好地控制整个装置。
2.根据权利要求1所述的激光探测集成电路内部电平状态的系统，其特征在于，所述连续激光器(1)采用固体激光器、半导体激光器或光纤激光器；
所述连续激光器(1)用于提供探测用的连续激光，所述连续激光的波长采用小于1100nm的侵入性波长或大于1100nm的非侵入性波长。
3.根据权利要求1所述的激光探测集成电路内部电平状态的系统，其特征在于，所述物镜(3)采用气隙物镜、液体浸没物镜或固体浸没透镜物镜。
4.根据权利要求1所述的激光探测集成电路内部电平状态的系统，其特征在于，所述光学模块(2)包括探测成像系统(2.1)和半透半反控制器(2.2)；所述探测成像系统(2.1)包括：分光棱镜、光功率计、光隔离器、偏振分束棱镜、1/8波片、半透半反镜、照明光源、准直透镜组、聚焦透镜、分束镜、成像透镜和红外相机；
沿所述连续激光器(1)发出的激光光路依次设置有所述分光棱镜、光隔离器、偏振分束棱镜、1/8波片和所述半透半反镜，所述半透半反镜通过物镜(3)与所述被测器件(4)连接；所述分光棱镜还与所述光功率计连接，所述偏振分束棱镜还通过所述聚焦透镜与所述光电探测器(7)连接；所述半透半反镜与所述分束镜连接；所述分束镜通过所述准直透镜组与所述照明光源连接，所述分束镜通过所述成像透镜与所述红外相机相连。
5.根据权利要求1所述的激光探测集成电路内部电平状态的系统，其特征在于，所述光电探测器(7)采用PIN二极管或雪崩光电二极管APD。
6.根据权利要求1所述的激光探测集成电路内部电平状态的系统，其特征在于，所述放大器(8)采用跨阻放大器。
7.根据权利要求1所述的激光探测集成电路内部电平状态的系统，其特征在于，所述信号分离器(9)采用偏置三通。
8.根据权利要求1所述的激光探测集成电路内部电平状态的系统，其特征在于，所述信号提取器(10)采用是频谱分析仪和锁相放大器来提取电平信号。
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