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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Bildgebung von Halbleitervorrichtungen
und, im Besonderen, auf Verfahren zur Bildgebung solcher Vorrichtungen
unter Benutzung von Zwei-Photonen-Absorption.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Bildgebung von Strukturen innerhalb von Halbleitern ist nicht nur
als ein Forschungshilfsmittel von Interesse, sondern auch als eine
Technik von bemerkenswerter praktischer Bedeutung in dem Entwurf
(Design), in der Herstellung und in dem Test von elektronischen
und optoelektronischen Halbleitervorrichtungen wie beispielsweise
integrierten Schaltungen. Die Betriebskomponenten solcher Vorrichtungen
sind winzige Strukturen, die sogenannte Features (Merkmale) im Bereich
unterhalb des Mikrometerbereichs aufweisen, die in aussagekräftiger Weise nur
mit Hilfe von mikroskopischen Techniken betrachtet werden können.
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Man
begegnet einer beträchtlichen
Problematik bei der Betrachtung einer Halbleitervorrichtung nach
dem Stand der Technik, da mehrere Schichten einer verbindenen Metallisierung über den
operativen Komponenten auf dem oberen Teil liegen und eine relativ
dicke Siliziumschicht unter den Komponenten auf dem Boden liegt.
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Ein
Ansatz für
eine mikroskopische Bildgebung der Komponenten ist es, eine Bildgebung
mittels durch optischen Strahl induzierten Stroms zu verwenden.
Ein fokussierter Lichtstrahl mit einer Frequenz, die geeignet ist
für das
Anregen von Elektronen aus dem Halbleitervalenzband zu dem Leitungsband,
wird über
den Halbleiterchip gescannt und der resultierende Strom wird gemessen.
Aus dem generierten Strom und der Lage des scannenden Strahls kann
ein Com puter mit einer Bildverarbeitungssoftware ein Bild generieren,
das für
die Merkmale der Vorrichtung repräsentativ ist.
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Da
das obere Ende üblicherweise
mit Metall bedeckt ist, wird die Vorrichtung für gewöhnlich durch den Boden hindurch
gescannt, wie es durch
US 5 334
540 (ISHII), 2. August 1994 offenbart ist. Die Problematik
bei diesem Ansatz ist jedoch, dass der Strahl einer Absorption ausgesetzt
ist, indem er durch das unterliegende Substrat hindurchtritt, bevor er
die aktive Schicht auf der oberen Oberfläche der Vorrichtung erreicht.
Dies reduziert das Licht, das verfügbar ist zum Anregen von Strom
an der komponentenreichen aktiven Schicht und überlagert störende Hintergrundeffekte.
Das Ergebnis ist eine Begrenzung hinsichtlich der Genauigkeit, mit
welcher Komponenten abgebildet werden können. Demgemäß besteht
ein Bedürfnis
für verbesserte
Verfahren und eine Vorrichtung zur Abbildung von Halbleitervorrichtungen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
werden Halbleitervorrichtungen unter Benutzung von Zwei-Photonen-Absorption
abgebildet. Das Verfahren ist ähnlich
zur herkömmlichen,
mittels optischen Strahl induzierten Bildgebung, mit der Ausnahme,
dass die benutzten Lichtstrahle Frequenzen (Photonenenergien) aufweisen,
die unzureichend sind, um Elektronen jenseits des Halbleiterbandabstandes
anzuregen. Vielmehr wird die Momentanintensität des Lichts einer unteren Frequenz
erhöht,
wie durch Verwendung einer gepulsten Laserquelle, so dass Elektronenübergänge durch
Zwei-Photonen-Absorption vorwiegend in dem lokalisierten Bereich
auftreten, wo der Strahl fokussiert wird. Das Ergebnis ist eine
minimale Absorption während
des Durchtritts durch das Substrat und eine maximale Absorption
in der komponentenreichen aktiven Schicht, wo der Strahl fokussiert
wird. Dies verbessert die Bildgebung von Halbleitervorrichtungen mit
hohem Detaillierungsgrad. Im Besonderen verbessert die quadratische
Abhängigkeit
der Erzeugung von freien Trägern
von der Anregungsintensität sowohl
die Auflösung
und stellt ein dreidimensionales Aufteilungsvermögen bereit.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Vorteile, die Art und verschiedene zusätzliche Merkmale der Erfindung
werden unter Betrachtung der veranschaulichenden Ausführungsformen
vollständiger
erscheinen, die nun im Detail in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen beschrieben werden. In den Zeichnungen sind:
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1 ein
Blockdiagramm von den Schritten, die eingebunden sind in die Bildgebung
einer Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung, die in Ausübung des
Verfahrens der 1 verwendbar ist;
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3 eine
vereinfachte Energiebanddarstellung eines typischen Halbleiters,
verwendbar in der Erläuterung
des Verfahrens der 1;
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4 veranschaulicht
den elektronischen Steuer- und Messabschnitt der Vorrichtung nach 3;
und
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5, 6 und 7 sind
beispielhafte Bilder, die gemäß dem Verfahren
der 1 von einer integrierten Schaltungsvorrichtung
gemacht wurden.
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Es
ist so zu verstehen, dass diese Zeichnungen für die Zwecke der Veranschaulichung
der Konzepte der Erfindung sind und, mit Ausnahme der Fotografien,
nicht maßstäblich sind.
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Detaillierte
Beschreibung
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen ist 1 ein Blockdiagramm
eines Verfahrens zur Bildgebung einer Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung.
Wie es in Block A gezeigt ist, besteht der erste Schritt darin,
eine Halbleitervorrichtung in einer geeigneten Darbietung für die Bildgebung
zur Verfügung
zu stellen. Ty pischerweise ist die Vorrichtung in der Form eines
Halbleiterchips gebildet, wie beispielsweise ein monokristalliner
Siliziumchip, mit seinen aktiven Komponenten benachbart zu einer
oberen planaren Oberfläche
geformt. Diese Komponenten können verschiedene
Störstellen-dotierte
Bereiche umfassen, die elektronische Vorrichtungen, wie z.B. Widerstände, Kondensatoren
oder Transistoren, oder photoelektronische Vorrichtungen, wie z.B.
LEDs Festkörperlaser
oder planare Wellenleiter, definieren.
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Bei
Abwesenheit einer Verdeckung bzw. Blockierung können die Vorrichtungen entweder
von oberhalb der aktiven Oberfläche
oder von unterhalb durch das unterliegende Substrat hindurch abgebildet
werden. Jedoch wird ein optischer Zugriff von oben häufig durch
darüberliegende
Schichten einer Metallisierung versperrt. Obwohl das Metall entfernt werden
kann, wird eine solche Entfernung häufig die Strukturen, die betrachtet
werden sollen, beschädigen.
Aus diesem Grund werden die Vorrichtungskomponenten von unterhalb
abgebildet werden, durch das Substrat hindurch.
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2,
welche eine schematische Darstellung einer bevorzugten Vorrichtung
für die
Ausübung des
Verfahrens der 1 ist, veranschaulicht eine bevorzugte
Darbietung der Halbleitervorrichtung 20, die in einem Kunststoffkörper 201 eingebettet
ist, wobei der Substratboden 202 für das Betrachten exponiert
ist und eine komponentenreiche obere Oberfläche 203 innerhalb
des Kunststoffs eingebettet ist. Leitende Verbindungen 204, 205 zu
Elektroden jenseits des abzubildenden Bereichs werden aus dem Kunststoff
herausgeführt.
Die Oberfläche
bei dem Substratboden 202 wird vorteilhafterweise zu einer ergänzenden
Oberflächenausführung poliert.
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Der
nächste
Schritt, der in Block B gezeigt ist, ist, die Vorrichtung Licht
mit einer Wellenlänge auszusetzen,
welche normalerweise nicht durch das Substrat absorbiert wird, jedoch
welche, in ausreichender Intensität, durch Zwei-Photonen-Absorption absorbiert
werden wird. Dies kann durch Betrachtung der 3 nachvollzogen
werden, welche die bekannte Energiebandcharakteristik von kristallinen Halbleitern
schematisch veranschaulicht. Im Wesentlichen gibt es eine "verbotene" Energielücke 30 zwischen
einem Valenzband 31 und einem Leitungsband 32,
in welchem sich keine Elektronen befinden können. Die Energiedifferenz
zwischen diesen Bändern
ist die Lücken-
oder Abstandsenergie E. Licht 33 mit einer Photonenenergie
hf1 größer als
die Abstandsenergie E kann Elektronen von dem Valenzband (unter
Hinterlassung von leitenden "Löchern") zu dem Leitungsband
anregen, so dass solches Licht absorbiert werden kann. Licht 34 mit
einer Photonenenergie hf2, die geringer
ist als die Abstandsenergie E, wird normalerweise einen Elektronenübergang nicht
anregen. Solches Licht von normaler Intensität wird durch den Halbleiter
ungedämpft
hindurchtreten. Falls jedoch die Summe aus zwei größer ist
als E, das heißt,
2hf2 > E,
werden, bei ausreichender Intensität, manche Elektronen gleichzeitig
zwei Photonen 35, 36 absorbieren, und werden aus
dem Valenzband zu dem Leitungsband angeregt, wobei hierbei Ladungsträger und
Strom generiert werden.
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Wie
in Block C gezeigt, wird das auf die Vorrichtung scheinende Licht
konzentriert, um Zwei-Photonen-Absorption zu erreichen, ohne die gerade
abgebildete Vorrichtung zu beschädigen.
In typischen Anwendungen bedeutet dies, dass das Licht im Raum konzentriert
wird, wie durch Fokussierung. Es wird vorteilhafter Weise ebenso
in zeitlicher Hinsicht konzentriert, wie durch die Benutzung einer gepulsten
Laserlichtquelle. Es ist ein Vorteil dieses Verfahrens, dass Licht
durch das Halbleitersubstrat im Wesentlichen ungedämpft hindurchtritt,
bis es ausreichend an dem Fokuspunkt konzentriert ist, um Zwei-Photonen-Absorption
anzuregen. Durch Steuerung der Tiefe des Fokus kann man die Tiefe
in die Vorrichtung des untersuchten Bereichs auswählen. Es
ist daher möglich,
einen bestimmten planaren Bereich von Interesse abzubilden, oder,
durch sukzessive Untersuchung von versetzten planaren Bereichen, ein
dreidimensionales Bild der Vorrichtung zu erzeugen. Die Benutzung
eines gepulsten Lasers konzentriert nicht nur die verfügbare optische
Leistung, sondern es minimiert auch, durch die Reduzierung der durchschnittlichen
benötigten
Leistung, Beschädigung
an der Halbleitervorrichtung. Während
des Aufnahmeschritts, gezeigt in Block D, wird das Licht gescannt
und der Strom, der durch Zwei-Photonen-Absorption in dem gescannten
Bereich generiert wird, wird gemessen.
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Der
letzte Schritt, gezeigt in Block E, ist vorgesehen, um ein Bild
des gescannten Bereichs zu erstellen, basierend auf dem Strom, der
an jeder Strahllage generiert wird. Dies wird vorteilhafter Weise
unter Benutzung eines Computers bewerkstelligt, um gleichzeitig
die Abtastung (Scannen) zu steuern und den gemessenen Strom für jede Abtastungslage
aufzunehmen.
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2 veranschaulicht
in schematischer Weise eine bevorzugte Vorrichtung für die Bildgebung
einer Halbleitervorrichtung 20, umfassend eine Belichtungsquelle 21 zur
Bereitstellung eines Lichtstrahls mit einer nicht-absorbierenden
Frequenz f, die in Zwei-Photonen-Absorption absorbieren wird (hf < ε < 2hf). Die Quelle 21 kann
in geeigneter Weise einen Pumplaser 210 umfassen, sowie
einen optischen parametrischen Oszillator 211, und einen
Dämpfer 212 zur
Steuerung der Beleuchtungsintensität. In einer bevorzugten Vorrichtung
ist der Laser 210 ein sogenannter Modelocked Femtosekunden
Ti: saphirgepulster Laser, vermarktet durch Spectra Physics unter
dem Handelsnamen Tsunami. Der Oszillator 211 ist ein optischer
parametrischer Oszillator, vermarktet durch Spectra Physics, Mountainview,
CA unter dem Handelsnamen Opal. Der Dämpfer kann ein 50G00AV.1 der
Newport Corporation, Irvine, CA, sein. Zur Abbildung einer integrierten
Siliziumschaltung ist eine beispielhafte Anregungspulsweite 120 fs,
wobei die Wiederholungsrate 80 MHz sein kann und die Wellenlänge länger sein
sollte als 1,2 Mikrometer, um Einzel-Photonen-Absorption zu vermeiden.
Vorteilhafter Weise ist die Wellenlänge in dem Bereich von 1,6
bis 1,2 Mikrometern. In alternativer Weise kann die optische Anregung
durch andere Quellen bereitgestellt werden, wie z.B. gepulste Sub-Pikosekunden-Laser
entwickelt für
Telekommunikationsanwendungen in den 1300 nm und 1550 nm Wellenlängenbereichen.
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Es
wird ein Scanner 22 für
das Scannen des Strahls 23 über die abzubildene Vorrichtung
bereitgestellt. Ein bevorzugter Scanner ist ein Rasterscanner ge bildet
aus zwei Scanspiegeln, wie z.B. ein 6800 Minor Positioning System
vermarktet durch Cambridge Technology, Inc., Watertown, MA.
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Steuerlinsen 24A, 24B werden
vorteilhafter Weise zur Abbildung der Scanspiegel auf die rückwärtige Öffnung einer
objektivischen Linse 25 bereitgestellt. Die Steuerlinsen
dienen auch dazu, den Strahldurchmesser zu steuern. Geeignete Steuerlinsen
sind von Spindler & Hoyer
Inc. verfügbar.
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Die
objektivische Linse 25 fokussiert den Beleuchtungsstrahl 23 auf
den gewünschten
Bereich der Vorrichtung 20. Anwender benutzten vier objektivische
Linsen, bezogen von Carl Zeiss Inc., Thornwood, NY (10×/0.3NA;
20×/0.5NA;
100×/1.3NA;
und 63×/1.4NA).
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In
einer Alternative zu der oben beschriebenen Scan- und Fokussierungseinrichtung
kann man vorteilhafter Weise ein kommerziell verfügbares Scan-Mikroskop,
wie z.B. das LSM321R von Carl Zeiss, Inc. oder das MRC600 von Biorad
Inc. substituieren. Die OEM Lichtquelle wird durch eine Lichtquelle,
die zur Anregung von Zwei-Photonen-Absorption geeignet ist, wie
z.B. die oben beschriebene Quelle 21 ersetzt. Die Computersoftware
dieser kommerziellen Mirkroskope kann benutzt werden, um das Zwei-Photonen-Abbild
zu bilden.
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Der
Charakter und die Vorteile der Erfindung können nun durch Betrachtung
des folgenden spezifischen Beispiels klarer nachvollzogen werden.
Ein μA741
Operationsverstärkerchip
von Texas Instruments wurde zur Darbietung, wie in 2 gezeigt, präpariert.
Wie es in 4 gezeigt ist, wurde der Verstärker-Vorspannstrom des
Chips 40 über
den Verstärker 41 und
A/D-Wandlern 42 mit demselben Computer 43 verbunden,
der zur Steuerung des Scanners 44 benutzt wird. Der Computer
hat daher die Positions- und Strominformation, um die gewünschte Abbildung
zu verarbeiten.
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5 zeigt
eine Darstellung, die unter Benutzung einer 10×/0.3NA objektivischen Linse
generiert wurde. Die Bildhelligkeit veranschaulicht das induzierte
Stromniveau. Der Strom kann von einer der Polaritäten sein,
wobei die Bereiche der integrierten Schaltung, die dunkler sind
als der Hintergrund, einen Strom aus dem negativen Eingang kennzeichnen.
Es wurde in dieser Ansicht eine Randbetonung benutzt. Der Pfeil
markiert einen Transistor.
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6 stellt
den markierten Transistor in einer stärkeren Vergrößerung dar,
die mit einer 100×/1.3NA Öl-Immersions-Linse
aufgenommen wurde. Es wurde keine Randbetonung verwendet. 7 ist
eine stärkere
Vergrößerungsansicht
des umrahmten Teils der 6.
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Es
ist so zu verstehen, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen
nur einige von den vielen spezifischen Ausführungsformen darstellen, welche
Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert
ist, repräsentieren
können.