DE3920495C1 - IC voltage measuring device for CMOS circuit - superimposes second part of beam on reflected beam to produce interference which represents voltage to be measured - Google Patents
IC voltage measuring device for CMOS circuit - superimposes second part of beam on reflected beam to produce interference which represents voltage to be measuredInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mes sen von Spannungen in integrierten Schaltungen und insbeson dere zum Messen von Spannungen in CMOS-Schaltungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a device for measuring voltage in integrated circuits and in particular to measure voltages in CMOS circuits after Preamble of claim 1.
Insbesondere befaßt sich die vorliegende Erfindung mit der dynamischen Messung von Spannungsverläufen auf Leiterbahnen in CMOS-Schaltungen in einer zerstörungsfreien, die Funk tionsweise der Schaltung in keiner Weise beeinträchtigenden Art, so daß diese auch zur Fehlerlokalisierung in integrier ten Schaltungen verwendbar ist.In particular, the present invention is concerned with the dynamic measurement of voltage profiles on conductor tracks in CMOS circuits in a non-destructive, the radio tion of the circuit in no way impairing Kind, so that this also for error localization in integrier circuits can be used.
Aus der EP 02 84 771 A2 ist bereits eine Vorrichtung zum Messen von Spannungen in integrierten Schaltungen der ein gangs genannten Art bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung liegt auf der zu untersuchenden integrierten Schaltung ein elektro-optischer Kristall, dessen der integrierten Schal tung zugewandten Seite verspiegelt ist und dessen der inte grierten Schaltung abgewandten Seite mit einer leitfähigen Schicht versehen ist, oberhalb der ein YAG-Kristall angeord net ist. Mit einem senkrecht durch den YAG-Kristall und den elektro-optischen Kristall gerichteten Laserstrahl wird die integrierte Schaltung abgetastet. Aus den sich ergebenden optischen Effekten kann auf die Potentialverteilung in der integrierten Schaltung geschlossen werden. Irgendwelche Hinweise auf eine meßtechnische Auswertung für die Messung von Spannungen innerhalb der integrierten Schaltungen sind dieser europäischen Anmeldung nicht zu entnehmen. EP 02 84 771 A2 already describes a device for Measuring voltages in integrated circuits of the one known type mentioned. In the known device lies on the integrated circuit to be examined electro-optical crystal, of which the integrated scarf side facing is mirrored and the inte gried circuit facing away with a conductive Layer is provided, above which a YAG crystal is arranged is not. With one straight through the YAG crystal and the electro-optical crystal directed laser beam is the integrated circuit scanned. From the resulting optical effects can affect the potential distribution in the integrated circuit can be closed. Any Indications of a metrological evaluation for the measurement of voltages within the integrated circuits not to be inferred from this European application.
Zur Messung von Spannungen und Signalverläufen im Inneren von integrierten Schaltungen werden üblicherweise sogenannte Elektronenstrahltester verwendet. Elektronenstrahltester prüfen eine integrierte Schaltung, die innerhalb einer Vaku umkammer angeordnet ist, mit vergleichsweise hohen Strahl energien, so daß eine Zerstörung der zu prüfenden CMOS- Schaltungen durch die hohen Strahlenenergien nicht ausge schlossen werden kann. Die Notwendigkeit der Messung inner halb einer Vakuumkammer, die Gefahr der Zerstörung der Schaltung durch hohe Strahlenenergien sowie unerwünschte Auf ladungseffekte auf der Schaltung bedingt durch eine Passi vierungsschicht auf der Schaltungsoberfläche verhindert den Einsatz eines Elektronenstrahltests bei vielen Anwendungs fällen.For measuring voltages and signal curves inside of integrated circuits are usually so-called Electron beam tester used. Electron beam tester examine an integrated circuit within a vacuum umkammer is arranged with a comparatively high beam energies, so that a destruction of the CMOS to be tested Circuits due to the high radiation energies are not sufficient can be closed. The need to measure internally half a vacuum chamber, the risk of destroying the Switching through high radiation energies as well as unwanted on charge effects on the circuit due to a pass The coating layer on the circuit surface prevents the Use of an electron beam test in many applications fall.
Aus der Fachzeitschrift: Electronic Engineering, Februar 1989, Seiten 35-42 ist es bekannt, Felder in elektroni schen integrierten Schaltungen dadurch nachzuweisen, daß diese selbst aus einem elektro-optisch aktiven Halbleiter, wie beispielsweise GaAs bestehen oder diese mit einem elektro-optisch aktiven Kristall überlagert werden, wobei polarisiertes Licht durch den Kristall oder das elektro- optisch aktive Halbleitermaterial hindurchgeschickt wird und nach seiner Reflexion und dem anschließenden Rücklauf durch den Kristall oder das elektro-optisch aktive Material durch einen weiteren Polarisator geführt wird, nach dessen Durchlaufen die Intensität als Funktion des anliegenden elektrischen Feldes erfaßt wird. Eine direkte Spannungs messung ist mit dieser Anordnung nicht möglich.From the journal: Electronic Engineering, February 1989, pages 35-42 it is known to fields in electroni to prove integrated circuits by the fact that this itself from an electro-optically active semiconductor, such as GaAs or these with a electro-optically active crystal are superimposed, whereby polarized light through the crystal or the electro- optically active semiconductor material is sent through and after its reflection and the subsequent return through the crystal or the electro-optically active material another polarizer is guided, according to which Go through the intensity as a function of the adjacent electric field is detected. A direct tension measurement is not possible with this arrangement.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen von Spannungen in integrierten Schaltungen so weiterzubil den, daß ohne Zerstörung der integrierten Schaltung bei der Messung und ohne Verwendung einer Vakuumkammer für die Messung eine Auswertung des Spannungswertes innerhalb der integrierten Schaltung mit einfachen Maßnahmen vorgenommen werden kann.The present is in relation to this prior art Invention, the object of an apparatus for measuring of voltages in integrated circuits the that without destroying the integrated circuit in the Measurement and without using a vacuum chamber for the Measurement an evaluation of the voltage value within the integrated circuit made with simple measures can be.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1 mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. This task is done in a device according to the Oberbe handle of claim 1 with in the characterizing part of claim 1 specified features.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer Vorrichtung der gattungsgemäßen Art eine einfache Auswertung der Spannungsverläufe innerhalb der zu vermessenden inte grierten Schaltungen dann möglich ist, wenn diese über eine Interferenzanordnung verfügt, mit der ein Interferenzmuster als Maß für die zu messende Spannung erzeugbar ist.The invention is based on the knowledge that at a Device of the generic type a simple evaluation the voltage profiles within the inte grierte circuits is possible if this over a Interference arrangement with which an interference pattern can be generated as a measure of the voltage to be measured.
Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 2-9.Preferred developments of the device according to the invention are the subject of dependent claims 2-9.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Zeich nung eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsmeßvorrichtung näher erläutert. Es zeigen:In the following, with reference to the drawing a preferred embodiment of the invention Voltage measuring device explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Span nungsmeßvorrichtung; und Fig. 1 shows an embodiment of a voltage measuring device according to the invention; and
Fig. 2 eine grafische Darstellung des Zusammenhanges zwischen der zu messenden Spannung und der Pha senänderung des reflektierten Laserlichtes. Fig. 2 is a graphical representation of the relationship between the voltage to be measured and the phase change of the reflected laser light.
Die Gesamtheit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung zum Messen von Spannungen in integrierten Schaltungen ist mit dem Be zugszeichen 1 bezeichnet und umfaßt eine Laservorrichtung 2 zum Erzeugen eines Laserstrahles, eine Interferenzanordnung 3 und einen elektro-optisch aktiven Kristall 4, der oberhalb einer nur in Querschnittsdarstellung skizzenhaft gezeigten integrierten Schaltung 5 angeordnet ist, die eine Leiterbahn 6 umfaßt, welche bezüglich ihrer Spannung mit der Spannungs meßvorrichtung 1 zu vermessen ist.The entirety of the arrangement shown in Fig. 1 for measuring voltages in integrated circuits is designated by the reference numeral 1 and comprises a laser device 2 for generating a laser beam, an interference arrangement 3 and an electro-optically active crystal 4 , which is only in one above Cross-sectional representation sketchily shown integrated circuit 5 is arranged, which comprises a conductor track 6 , which is to be measured with respect to its voltage with the voltage measuring device 1 .
Zwar kann die Laservorrichtung 2 durch jede übliche Einrich tung zum Erzeugen eines Laserstrahles gebildet sein, jedoch besteht sie bei der bevorzugten Ausführungsform aus einem Laser-Raster-Mikroskop, das nicht nur zur Erzeugung des ge nannten Laserstrahles dient, sondern ebenfalls zur optischen Überprüfung der Positionierung der integrierten Schaltung 5 unterhalb der Interferenzanordnung 3. Das Laser-Raster- Mikroskop 2 erzeugt einen positionierbaren, polarisierten Laserstrahl.Although the laser device 2 can be formed by any conventional device for generating a laser beam, in the preferred embodiment it consists of a laser scanning microscope which is used not only to generate the named laser beam but also for the optical checking of the positioning the integrated circuit 5 below the interference arrangement 3 . The laser scanning microscope 2 generates a positionable, polarized laser beam.
Die Interferenzanordnung 3 hat ein optoelektronisches Wand lerelement, das vorzugsweise durch eine pin-Diode 7 gebildet ist. Im Lichtweg zwischen der Laservorrichtung 2 und dem Kristall 4 liegt ein halbdurchlässiger, als Strahlteiler arbeitender Spiegel, der im 45°-Winkel zu dem Lichtweg zwi schen der Laservorrichtung 2 und dem Kristall 4 angeordnet ist und gleichfalls im Schnittpunkt des genannten Lichtweges mit einem zweiten optischen Lichtweg liegt, der zwischen der pin-Diode 7 und einem justierbaren Einstellspiegel 9 ver läuft. Gegebenenfalls kann zwischen dem Strahlteiler 8 und dem Einstellspiegel 9 ein Kompensator 10 angeordnet sein, der bei der bevorzugten Ausführungsform als Lambda/Viertel- Plättchen ausgeführt ist.The interference arrangement 3 has an optoelectronic wall element, which is preferably formed by a pin diode 7 . In the light path between the laser device 2 and the crystal 4 is a semitransparent, working as a beam splitter mirror, which is arranged at a 45 ° angle to the light path between the laser device 2 and the crystal 4 and also at the intersection of the said light path with a second optical Light path lies between the pin diode 7 and an adjustable adjusting mirror 9 runs ver. If necessary, a compensator 10 can be arranged between the beam splitter 8 and the adjusting mirror 9 , which in the preferred embodiment is designed as a lambda / quarter plate.
Der von der Laservorrichtung 2 abgegebene Laserstrahl wird am Strahlteiler intensitätsmäßig halbiert, wobei ein erster Teil des Laserstrahls durch den Kristall 4 zur integrierten Schaltung 5 läuft, von dieser reflektiert wird und nach Um lenkung am Strahlteiler 8 in Richtung zur pin-Diode 7 läuft. Ein zweiter Teil des Laserstrahls wird nach Umlenkung am Strahlteiler 8 von dem Einstellspiegel 9 reflektiert und läuft gleichfalls zur pin-Diode 7. Eine Abstandsjustierung des Einstellspiegels 9 vom Strahlteiler 8 dient zur Einstel lung des Arbeitspunktes des als Interferometer arbeitenden optoelektronischen Wandlerelementes, das durch die pin-Diode 7 gebildet wird. Der Kompensator 10 in Form des Lambda/Vier tel-Plättchens wird eingsetzt, wenn der gewünschte Arbeits punkt durch alleinige Verstellung des Einstellspiegels 9 nicht erreicht wird.The laser beam emitted by the laser device 2 is halved in intensity at the beam splitter, a first part of the laser beam running through the crystal 4 to the integrated circuit 5 , being reflected by it and after being deflected around the beam splitter 8 in the direction of the pin diode 7 . After deflection at the beam splitter 8, a second part of the laser beam is reflected by the adjusting mirror 9 and likewise runs to the pin diode 7 . A distance adjustment of the adjusting mirror 9 from the beam splitter 8 is used to set the working point of the optoelectronic transducer element which functions as an interferometer and is formed by the pin diode 7 . The compensator 10 in the form of the lambda / four-tel platelet is used when the desired working point is not reached by simply adjusting the adjustment mirror 9 .
Vorzugsweise ist der Kristall 4 an seiner der integrierten Schaltung 5 abgewandten Seite mit einer optisch transparen ten, leitfähigen Schicht 11 versehen, an die ein konstantes Potential, vorzugsweise das Massepotential, angelegt wird. Nachfolgend wird das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Spannungsmeßvorrichtung 1 näher erläutert.The crystal 4 is preferably provided on its side facing away from the integrated circuit 5 with an optically transparent, conductive layer 11 , to which a constant potential, preferably the ground potential, is applied. The operating principle of the voltage measuring device 1 according to the invention is explained in more detail below.
Die erfindungsgemäße Spannungsmeßvorrichtung 1 bedient sich des elektro-optischen Effektes, der den Einfluß eines äußeren elektrischen Feldes auf die Brechzahlen eines elektro- optisch aktiven Kristalles bezeichnet.The voltage measuring device 1 according to the invention makes use of the electro-optical effect, which denotes the influence of an external electric field on the refractive indices of an electro-optically active crystal.
Die Änderung der Brechzahlen eines elektro-optisch aktiven Kristalles durch den elektro-optischen Effekt für einen ein fallenden, in Richtung der i-ten Kristallachse polarisierten Laserstrahl der Wellenlänge λ ist gegeben durchThe change in the refractive indices of an electro-optically active crystal due to the electro-optical effect for an incident laser beam of wavelength λ polarized in the direction of the i th crystal axis is given by
Δ n i = - (1/2) n i³ r ÿEj . Δ n i = - (1/2) n i ³ r ÿ E j .
Nach einem zweimaligen Durchgang des polarisierten Laser strahles durch den elektro-optisch aktiven Kristall 4 der Länge l wird die Phase des einfallenden Laserstrahles um folgende Phasendifferenz verändertAfter a double passage of the polarized laser beam through the electro-optically active crystal 4 of length l , the phase of the incident laser beam is changed by the following phase difference
Bevorzugt für Zwecke der vorliegenden Erfindung sind elek trooptisch aktive Kristalle der Kristallsymmetriegruppe 3m. Daher besteht bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform der elektro-optisch aktive Kristall 4 vorzugsweise aus Lithium niobat LiNbO₃, da dieser Kristall einen starken elektro- optischen Effekt in der gewünschten Richtung liefert. Eben falls in Betracht kommt beispielsweise Lithiumtantalatoxyd LiTaO₃ und Kaliumdihydrogenphosphat KD*P.Preferred for the purposes of the present invention are electro-optically active crystals of the crystal symmetry group 3 m . Therefore, in the embodiment of the invention, the electro-optically active crystal 4 preferably consists of lithium niobate LiNbO₃, since this crystal provides a strong electro-optical effect in the desired direction. Just in case, for example, lithium tantalate oxide LiTaO₃ and potassium dihydrogen phosphate KD * P.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Kristall 4 ein Lithiumniobatkristall, der in z-Richtung geschnitten ist.In the preferred embodiment, crystal 4 is a lithium niobate crystal cut in the z direction.
Für einen in Richtung der optischen Achse einfallenden La serstrahl und für elektrisches Feld parallel zur Lichtfort pflanzung (E₁ = 0, E₂ = 0, E₃ 0) ergibt sich aus der Glei chung (1) bei Annahme einer Polarisation in der x-Richtung folgende Gleichung für die Änderung des Brechungsindex:For a laser beam incident in the direction of the optical axis and for an electric field parallel to the propagation of light ( E ₁ = 0, E ₂ = 0, E ₃ 0), the equation (1) assumes a polarization in the x - Direction following equation for changing the refractive index:
Δ n₁ = - (1/2)n₀³ r₁₃E₃ . Δ n ₁ = - (1/2) n ₀³ r ₁₃ E ₃.
Für den reflektierten Laserstrahl, der den Kristall der Länge l nochmals durchquert hat, gilt für die Phasendiffe renz folgende Gleichung:The following equation applies to the phase difference for the reflected laser beam that has traversed the crystal of length 1 again:
Wie sich aus obiger Gleichung (4) ergibt, entspricht das Produkt E₃×l, das die Feldstärke im Kristall E₃ und die Kristalldicke l umfaßt, der Potentialdifferenz U sig(t) zwischen der leitenden Schicht 11 und der Leiterbahn 6 im Inneren der Schaltung unter der Annahme, daß das Gesamtfeld innerhalb des Kristalles 4 vorliegt.As can be seen from the above equation (4), the product E ₃ × l , which includes the field strength in the crystal E ₃ and the crystal thickness l , corresponds to the potential difference U sig (t) between the conductive layer 11 and the conductor 6 inside Circuit assuming that the entire field is present within crystal 4 .
Bei Anlegen einer Gleich- und Wechselspannung zwischen der Schicht 11 und der Leiterbahn 6 und einer Anfangsphasen differenz zwischen den beiden Interferometerstrahlen von π/2 modolu 2 π, die durch Justierung des Spiegels 9 einstellbar ist, ist die Lichtintensität im Zentrum der pin-Diode 7 die Summe der Einzelintensitäten I₁+I₂. Das Überlagern einer Wechselspannung mit dem zeitlichen Signal verlauf U sig(t) induziert eine kleine, zeitlich veränderli che Phasendifferenz im senkrechten Teilstrahl.When a direct and alternating voltage is applied between the layer 11 and the conductor 6 and an initial phase difference between the two interferometer beams of π / 2 modolu 2 π , which can be adjusted by adjusting the mirror 9 , the light intensity is in the center of the pin diode 7 the sum of the individual intensities I ₁ + I ₂. The superimposition of an AC voltage with the signal U sig (t) over time induces a small, time-varying phase difference in the vertical partial beam.
Aus der Theorie des Interferometers ergibt sich für die In tensitätsänderung und damit für den Wechselstrom Δ I(t) am Ausgang der pin-Diode 7 folgende Gleichung:The following equation results from the theory of the interferometer for the change in intensity and thus for the alternating current Δ I (t) at the output of the pin diode 7 :
Δ I(t) = -2(I₁I₂)1/2 sin (Δ ϕ₃) ≈ -2(I₁I₂)1/2 Δ ϕ₃ . Δ I (t) = -2 (I ₁ I ₂) 1/2 sin ( Δ ϕ ₃) ≈ -2 (I ₁ I ₂) 1/2 Δ ϕ ₃.
Unter Berücksichtigung der Gleichung (4) ergibt sich die ge wünschte Abhängigkeit:Taking into account equation (4), the ge results Desired dependency:
Δ I(t) ∼ U sig(t) . Δ I (t) ∼ U sig (t).
Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Phasenänderung Δ ϕ₃ von der angelegten Spannung zwischen der leitenden Schicht 11 und der Leiterbahn 6 bei einer Wellenlänge λ=633 nm, bei einer Brechzahl n₀=2,286 und bei einem elektro-optischen Koeffizienten in der Richtung (13) r₁₃=8,6×10-12 m/V. Fig. 2 shows the dependence of the phase change Δ ϕ ₃ on the voltage applied between the conductive layer 11 and the conductor 6 at a wavelength λ = 633 nm, with a refractive index n ₀ = 2.286 and with an electro-optical coefficient in the direction ( 13 ) r ₁₃ = 8.6 × 10 -12 m / V.
In Abweichung zu der beschriebenen Ausführungsform kann eine andere Laservorrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahles als ein Laser-Raster-Mikroskop eingesetzt werden, auch wenn je nes deswegen bevorzugt wird, weil es gleichzeitig für die Positionierung der integrierten Schaltung 5 herangezogen werden kann.In deviation from the described embodiment, a laser device other than a laser scanning microscope for generating a laser beam can be used, even if it is preferred because it can also be used for the positioning of the integrated circuit 5 .
Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht die Interferenz anordnung aus einem geringfügig modifizierten Interferenzob jektiv, bei dem das optoelektronische Wandlerelement an ei nem Ort angeordnet ist, an dem bei üblichen Anwendungsfällen der Strahleingang liegt. Jedoch genügen für die Zwecke der vorliegenden Erfindung auch andere Anordnungen, mit denen die Interferenz zwischen dem von der Laservorrichtung er zeugten Laserstrahl und dem von der integrierten Schaltung 5 reflektierten Laserstrahl als Maß für die über den Kristall abfallende Spannung ermittelbar ist. In the preferred embodiment, the interference arrangement consists of a slightly modified interference lens, in which the optoelectronic transducer element is arranged at a location at which the beam input is located in conventional applications. However, other arrangements are sufficient for the purposes of the present invention with which the interference between the laser beam generated by the laser device and the laser beam reflected by the integrated circuit 5 can be determined as a measure of the voltage drop across the crystal.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist ein von der inte grierten Schaltung 5 separater Kristall 4 vorgesehen. In Abweichung von dieser Ausführungsform kann der Kristall 4 jedoch auf dem Substrat der integrierten Schaltung 5 aufge wachsen sein. Gleichfalls ist es denkbar, den Kristall als separates Element fortzulassen, wenn der Halbleiter selbst eine elektro-optisch aktive Kristallstruktur hat, wie dies beispielsweise bei GaAs der Fall ist.In the preferred embodiment, a crystal 4 separate from the integrated circuit 5 is provided. In deviation from this embodiment, however, the crystal 4 can be grown on the substrate of the integrated circuit 5 . It is also conceivable to omit the crystal as a separate element if the semiconductor itself has an electro-optically active crystal structure, as is the case with GaAs, for example.
Claims (10)
- - einer Laservorrichtung (2) zum Erzeugen eines Laser strahles, und
- - einem elektro-optisch aktiven Kristall (4), der auf der oder oberhalb der integrierten Schaltung (5) an geordnet ist,
- - A laser device ( 2 ) for generating a laser beam, and
- - An electro-optically active crystal ( 4 ) which is arranged on or above the integrated circuit ( 5 ),
- - eine Interferenzanordnung (3), der der Laserstrahl von der Laservorrichtung (2) zuführbar ist, die einen ersten Teil desselben durch den Kristall (4) auf die integrierte Schaltung (5) richtet, und den von der integrierten Schaltung (5) reflektierten Laserstrahl mit einem zweiten Teil des Laserstrahles von der La servorrichtung (2) zum Erzeugen einer die zu messende Spannung darstellenden Interferenz überlagert.- An interference arrangement ( 3 ), to which the laser beam can be fed from the laser device ( 2 ), which directs a first part of the same through the crystal ( 4 ) onto the integrated circuit ( 5 ), and the laser beam reflected from the integrated circuit ( 5 ) overlaid with a second part of the laser beam from the laser servo device ( 2 ) to generate an interference representing the voltage to be measured.
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