CN116990728A - 一种基于nv色心的集成电路三维诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于NV色心的集成电路三维诊断方法，包括以下步骤：S1：将一颗均匀植入近表面NV色心的金刚石放置在电流附近，距离要探测的集成电路表面几百纳米的距离；S2：通过在NV色心执行光学探测磁共振，探测金刚石晶格中多个NV取向上的塞曼相互作用，利用高敏感相机测量金刚石色心表面的荧光分布变化，实现将微波磁场幅值转换为相机拍摄的像素点光强读数的功能；S3：利用无限线近似改写后的Biot‑Savart定律可以解析垂直方向z上的信号，得到来自两个或者多个电流层的磁场分布。S4：利用Biot‑Savart定律逆运算实现三维电流分布的反演，通过检查缺陷电路异常电流部分，从而实现失效分析和故障诊断。

Description

一种基于NV色心的集成电路三维诊断方法

技术领域

本发明涉及非侵入式集成电路芯片诊断领域，具体涉及一种基于NV色心的集成电路三维诊断方法。

背景技术

硅集成电路(IC)的快速增长和缩小已经彻底改变了现代社会的许多领域。然而，如果说半导体界50多年来一直通过缩小电子元件尺寸来支持摩尔定律，那么缩小路线图就接近尾声了。因此下一代技术，如自动驾驶或量子处理器，依赖于一种新的策略，芯片的三维架构。但现在缺乏在三个维度上直接可视化电流的方法，对于具有亚微米元件尺寸的多层芯片尤其如此。大多数磁场成像技术通过不受半导体设备材料影响的相关磁场来反演电流传输。一种方法是将芯片分层并使用微针探测磁场。超导量子干涉装置(SQUID)显微镜可以实现无损电流成像，但固有距离将空间分辨率限制在几十微米。巨磁阻(GMR)显微镜以低得多的场灵敏度为代价提供了良好的空间分辨率，但是SQUID和GMR显微镜仅对磁场的一个分量敏感，这将可靠的电流成像限制在二维区域。综上，现有技术中的非侵入性技术要么灵敏度低，要么空间分辨率差，而且局限于二维空间映射。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于NV色心的集成电路三维诊断方法，能够对集成电路进行三维诊断，并且具有高灵敏度和空间分辨率。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

本发明提供一种基于NV色心的集成电路三维诊断方法，用于探测在多层集成电路中电流流动所产生的磁场，从而反推出电流的分布，包括以下步骤：

S1：将一颗均匀植入近表面NV色心的金刚石放置在电流附近，距离要探测的集成电路表面几百纳米的距离；

S2：通过在NV色心执行光学探测磁共振，探测金刚石晶格中多个NV取向上的塞曼相互作用，利用选取合适的微波脉冲时间，利用高敏感相机测量金刚石色心表面的荧光分布变化，一次性得到待测样品表面所有区域的磁场分布情况，对应各点的磁场幅值，实现将微波磁场幅值转换为相机拍摄的像素点光强读数的功能；

S3：利用无限线近似改写后的Biot-Savart定律可以解析垂直方向z上的信号，得到来自两个或者多个电流层的磁场分布。

S4：利用Biot-Savart定律逆运算实现三维电流分布的反演，通过检查缺陷电路异常电流部分，从而实现失效分析和故障诊断。

在一些实施例中，本发明还包括以下技术特征：

步骤S2中，每个NV色心荧光的变化对应的是色心所在位置的磁场，利用高敏感相机测量金刚石色心表面的荧光分布变化，在微波脉冲时间t很短的条件下，荧光强度和磁场成线性关系。

步骤S2具体为，通过每一次测量待测样品不同位置的拉比振荡，对应其位置上的磁场强度，测量出拉比振荡的周期之后，选取1/4个周期作为微波脉冲时间，根据磁场光强成正比，可以通过测量荧光分布的变化，一次性得到待测样品表面所有区域的磁场分布情况，并对应各点的磁场幅值，实现将微波磁场幅值转换为相机拍摄的像素点光强读数的功能。

相机每个像素读数对应一个特定微小区域的磁场幅值均值，微小区域的大小由成像系统和相机像素大小决定。

拉比振荡的测量具体步骤为，将微波频率调整到磁共振谱的一个峰上，打开532nm激光将色心抽运到m_s＝0态上进行态制备，之后打开时间为t_mw的微波脉冲，微波脉冲结束后再打开532nm激光脉冲进行探测，记录探测过程收集到的荧光信号，根据记录的信号，确定拉比振荡的频率和幅度。

拉比振荡的测量中，扫描时间t_mw并多次重复实验，荧光信号呈振荡曲线。

磁场光强成正比公式为B(x,y)＝ΔI(x,y)/a，其中系数a是荧光强度与磁场的关系。

步骤S3中，利用无限线近似改写后的Biot-Savart定律具体为：

I_y,x为横向电流振幅，r_xy表示在xy-plane上的观测位置，r_wire是在xy-plane上的电流源位置，Δz是电流源与纵轴上观测位置之间的距离，通过拟合过程揭示了来自两个或者多个电流层的磁场分布。

步骤S4中，三维电流分布的反演公式如下：

或

或

其中，j_x、j_y、b_x、b_y、b_z分别是电流x、y分量和磁场x、y、z分量的傅里叶变换，k_x、k_y是空间频率k的分量。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于NV色心的集成电路三维诊断方法，能够对集成电路进行三维诊断，并且具有高灵敏度和空间分辨率。

附图说明

图1是本发明实施例集成电路三维诊断原理示意图。

具体实施方式

为使本发明技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图对本发明实施例的技术方案进行完整地描述。显然，所描述的实施例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。

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

远程磁场是根据Biot-Savart定律通过移动电荷而产生的，将均匀植入近表面NV色心的金刚石放置在距电流表面几百纳米处。

通过在NV色心执行光学探测磁共振(ODMR)来探测金刚石晶格中多个NV取向上的塞曼相互作用，利用选取合适的微波脉冲时间，利用高敏感相机测量金刚石色心表面的荧光分布变化，可一次性得到待测样品表面所有区域的磁场分布情况，对应各点的磁场幅值，实现将微波磁场幅值转换为相机拍摄的像素点光强读数的功能。

此外，利用无限线近似改写后的Biot-Savart定律可以解析垂直方向z上的信号，得到来自两个或者多个电流层的磁场分布。

最后，利用Biot-Savart定律逆运算实现三维电流分布的反演，公式如下：

或

或

其中，j_x、j_y、b_x、b_y、b_z分别是电流x、y分量和磁场x、y、z分量的傅里叶变换，k_x、k_y是空间频率k的分量。

通过检查缺陷电路异常电流部分，从而实现失效分析和故障诊断。

基于半导体的技术不断扩展到微米和亚微米级别，导致了更高的器件密度和更低的功耗。许多物理现象，如自热或电流泄漏在这样的尺度发生显著的干扰，电流密度成像来揭示这些特征对于现代电子技术的发展是决定性的。然而，先进的非侵入性技术要么灵敏度低，要么空间分辨率差，而且局限于二维空间映射。在这里，我们使用金刚石中的氮-空位(Nitrogen Vacancy,简称NV)色心来探测在多层集成电路中电流流动所产生的磁场，从而反推出电流的分布。

芯片导线加上电流后会在周边产生磁场，根据毕奥-萨伐尔定律

式中μ₀为真空磁导率，r为观测点处的空间坐标，J(r′)为源平面内的电流分布。磁场贡献随着距离电流源的距离而合并，导致模式模糊。

将一颗均匀地分布有近表面氮-空位色心金刚石放置在电流附近，距离集成电路表面只有几百纳米的距离。每个色心的电子自旋通过塞曼相互作用受到磁场的影响γ_NV是电子自旋旋磁比，B是NV色心附近的总磁场，S代表电子自旋算子，/>是考虑自旋三重态，在自旋算符本征矢下NV色心的哈密顿量形式中的塞曼项。通过对NV色心进行光学检测的光探测磁共振谱，固定频率后，每个NV色心荧光的变化对应的是色心所在位置的磁场，利用高敏感相机测量金刚石色心表面的荧光分布变化，在微波脉冲时间t很短的条件下，荧光强度和磁场成线性关系。通过每一次测量待测样品不同位置的拉比振荡可以对应其位置上的磁场强度，其中拉比振荡的测量，是使用光学检测器测量样品中的光学信号，并记录信号的强度和特征，当微波场的持续时间改变时，观察到信号的周期性变化，根据记录的信号，可以确定拉比振荡的频率和幅度。具体是将微波频率调整到磁共振谱的一个峰上，打开532nm激光将色心抽运到m_s＝0态上进行态制备，之后打开时间为t_mw的微波脉冲，微波脉冲结束后再打开532nm激光脉冲进行探测，记录探测过程收集到的荧光信号。扫描时间t_mw并多次重复实验(如从0～500ns)，荧光信号呈振荡曲线。

测量出拉比振荡的周期之后，选取1/4个周期作为微波脉冲时间，根据磁场光强成正比，即B(x,y)＝ΔI(x,y)/a，其中系数a是荧光强度与磁场的关系，可以通过测量荧光分布的变化，一次性得到待测样品表面所有区域的磁场分布情况，并对应各点的磁场幅值，实现将微波磁场幅值转换为相机拍摄的像素点光强读数的功能。相机每个像素读数对应一个特定微小区域的磁场幅值均值，微小区域的大小由成像系统和相机像素大小决定。由于色心对磁场的响应由其量子特性决定，与材料和设备结构无关，因此无需重复标定。

为了解析垂直方向z上的磁场分布，使用无限长导线近似，

I_y,x为横向电流振幅，r_xy表示在xy-plane上的观测位置，r_wire是在xy-plane上的电流源位置，Δz是电流源与纵轴上观测位置之间的距离。通过拟合过程揭示了来自两个或者多个电流层的磁场分布，从而实现三维电流分布的反演。对上电后集成电路的磁场测量，通过Biot-Savart定律逆运算，及Hanning窗口等去噪声手段，反演出三维电流分布，有缺陷的电路部分电流分布出现异常，通过检查异常电流的大小和位置，为标定缺陷位置和故障种类提供依据。

下面对本发明的一种具体实施方式进行描述。

如图1，532nm激光器利用声光调制器产生光脉冲，通过柱透镜和物镜形成片状光束从色心金刚石侧面入射，形成均匀照射，实现色心态制备和探测。色心金刚石与待测器件紧贴，外加的微波信号通过开关和功放形成微波脉冲作用于色心金刚石，其拉比振荡频率与磁场幅度成正比，其中，γ_NV是电子自旋旋磁比，B是NV色心附近的总磁场，S代表电子自旋算子。对ODMR光谱上的每个像素提取共振频率，代入式中得磁场幅度。色心金刚石发出的荧光通过物镜和透镜，成像到sCMOS相机，得到荧光二维平面分布，双色镜和长通滤光片滤除杂散的532nm激光提高信噪比。通过对sCMOS相机采集图像数据的处理，可重构出色心金刚石表面附近待测集成电路芯片的磁场幅值和相位信息。待测芯片安装于三维纳米促动调节平台上，移动待测芯片扫描测量位置，获得芯片矢量磁场分布全貌。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”和“示例”等述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相对的实施例或示例中以合适的方式结合。

必须指出，以上实施例的说明不用于限制而只是用于帮助理解本发明的核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，对本发明进行的任何改进以及与本产品等同的替代方案，也属于本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于NV色心的集成电路三维诊断方法，用于探测在多层集成电路中电流流动所产生的磁场，从而反推出电流的分布，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将一颗均匀植入近表面NV色心的金刚石放置在电流附近，距离要探测的集成电路表面几百纳米的距离；

S2：通过在NV色心执行光学探测磁共振，探测金刚石晶格中多个NV取向上的塞曼相互作用，利用选取合适的微波脉冲时间，利用高敏感相机测量金刚石色心表面的荧光分布变化，一次性得到待测样品表面所有区域的磁场分布情况，对应各点的磁场幅值，实现将微波磁场幅值转换为相机拍摄的像素点光强读数的功能；

S3：利用无限线近似改写后的Biot-Savart定律可以解析垂直方向z上的信号，得到来自两个或者多个电流层的磁场分布；

S4：利用Biot-Savart定律逆运算实现三维电流分布的反演，通过检查缺陷电路异常电流部分，从而实现失效分析和故障诊断。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，每个NV色心荧光的变化对应的是色心所在位置的磁场，利用高敏感相机测量金刚石色心表面的荧光分布变化，在微波脉冲时间t很短的条件下，荧光强度和磁场成线性关系。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2具体为，通过每一次测量待测样品不同位置的拉比振荡，对应其位置上的磁场强度，测量出拉比振荡的周期之后，选取1/4个周期作为微波脉冲时间，根据磁场光强成正比，可以通过测量荧光分布的变化，一次性得到待测样品表面所有区域的磁场分布情况，并对应各点的磁场幅值，实现将微波磁场幅值转换为相机拍摄的像素点光强读数的功能。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，相机每个像素读数对应一个特定微小区域的磁场幅值均值，微小区域的大小由成像系统和相机像素大小决定。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，拉比振荡的测量具体步骤为，将微波频率调整到磁共振谱的一个峰上，打开532nm激光将色心抽运到m_s＝0态上进行态制备，之后打开时间为t_mw的微波脉冲，微波脉冲结束后再打开532nm激光脉冲进行探测，记录探测过程收集到的荧光信号，根据记录的信号，确定拉比振荡的频率和幅度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，拉比振荡的测量中，扫描时间t_mw并多次重复实验，荧光信号呈振荡曲线。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，磁场光强成正比公式为B(x,y)＝ΔI(x,y)/a，其中系数a是荧光强度与磁场的关系。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，利用无限线近似改写后的Biot-Savart定律具体为：

I_y,x为横向电流振幅，r_xy表示在xy-plane上的观测位置，r_wire是在xy-plane上的电流源位置，Δz是电流源与纵轴上观测位置之间的距离，通过拟合过程揭示了来自两个或者多个电流层的磁场分布。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，三维电流分布的反演公式如下：

或

或

其中，j_x、j_y、b_x、b_y、b_z分别是电流x、y分量和磁场x、y、z分量的傅里叶变换，k_x、k_y是空间频率k的分量。