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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Prüfen bzw. Testen integrierter
Schaltungen, und im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung
die optische Prüfung
integrierter Schaltungen.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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In
der Branche für
integrierte Schaltungen werden kontinuierliche Anstrengungen unternommen,
die Geschwindigkeit integrierter Schaltungen sowie die Bausteindichte
zu erhöhen.
Als Folge dieser Bemühungen existiert
ein Trend in Richtung der Verwendung der Flip-Chip-Technologie bei
der Packung bzw. Unterbringung komplexer integrierter Schaltungen
mit hoher Geschwindigkeit. Die Flip-Chip-Technologie ist auch bekannt
als Chipverbindung mit gesteuertem Zusammenfall (C4) oder Flip-Chip-Unterbringung.
Bei der Flip-Chip-Unterbringungstechnologie
wird die Halbleiterscheibe der integrierten Schaltung auf den Kopf
gestellt. Dies steht im Gegensatz zu der heutigen Unterbringung
integrierter Schaltungen unter Verwendung der Drahtanschlusstechnologie.
Durch das auf den Kopf stellen können
Kugelverbindungen bzw. Kugelanschlüsse verwendet werden, um direkte
elektrische Verbindungen von den Anschlussflächen direkt mit den Stiften
der Flip-Chip-Packung bereitzustellen.
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Die
Abbildung aus 1A veranschaulicht eine Baueinheit
bzw. ein Gehäuse 101 für eine integrierte Schaltung,
wobei das Gehäuse
Drahtanschlüsse 103 an
Stelle von Kugelanschlüssen
verbindet, um die Anschlüsse
bzw. Verbindungen in der Halbleiterscheibe 105 der integrierten
Schaltung elektrisch über
Metallzwischenverbindungen 109 mit den Stiften 107 des
Gehäusesubstrats 111 zu
verbinden. Im Zuge einer Tendenz zu integrierten Schaltungen mit
hoher Geschwindigkeit wird die in den Drahtanschlüssen 103 des
kennzeichnenden Gehäuses 101 erzeugte
Induktanz zu einem immer schwerwiegenderen Problem.
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Die
Abbildung aus 1B veranschaulicht ein Flip-Chip-Gehäuse 151,
wobei die Halbleiterscheibe 155 der integrierten Schaltung
auf dem Kopf steht. Im Vergleich zu den Drahtanschlüssen 103 aus 1A sehen
die Kugelanschlüsse 153 des
Flip-Chip-Gehäuses 151 direktere
Verbindungen zwischen der Halbleiterscheibe 155 der integrierten
Schaltung und den Stiften 157 des Gehäusesubstrats 161 über Metallzwischenverbindungen 159 vor.
Als Folge dessen können
die Induktanzprobleme auf ein Minimum reduziert werden, die kennzeichnenden
Packungstechnologien für
integrierte Schaltungen, die Drahtanschlüsse verwenden, zugeordnet sind.
Im Gegensatz zu der Drahtanschlusstechnologie, die nur eine Verbindung
entlang der Peripherie des Halbleiterchips der integrierten Schaltung
zulässt,
ermöglicht
die Flip-Chip-Technologie
die Platzierung der Anschlüsse
bzw. der Verbindungen an jeder Stelle auf der Oberfläche des
Halbleiterchips der integrierten Schaltung. Dies führt zu einer
Leistungsverteilung mit sehr niedriger Induktanz an der integrierten
Schaltung, was einen weiteren Hauptvorteil der Flip-Chip-Technologie
darstellt.
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Eine
Folge des auf den Kopf Stellens des Halbleiterchips 155 der
integrierten Schaltung in dem Flip-Chip-Gehäuse 151 ist es, dass
der Zugang zu den internen Knoten des Halbleiterchips 155 der
integrierten Schaltung zu Prüfzwecken
eine erhebliche Aufgabe bzw. Herausforderung geworden ist. Im Besonderen während der
Silizium-Debugging-Phase eines neuen Produkts, das zur Unterbringung
in einem Flip-Chip gedacht ist, ist es häufig erforderlich, die elektrischen
Signale von internen Knoten des Chips an Ort und Stelle zu prüfen, während der
Chip in seiner ursprünglichen
Flip-Chip-Gehäuseumgebung
verpackt bzw. untergebracht ist. Während dem Fehlerbehebungsprozess
ist es häufig
erforderlich, bestimmte interne Knoten zu prüfen, um wichtige elektrische
Daten von der integrierten Schaltung zu erhalten. Zu den wichtigen
Daten zählen Messvorrichtungsparameter
wie unter anderem, ohne darauf beschränkt zu sein, Spannungswerte,
Zeitsteuerungsinformationen, Stromwerte und thermische Informationen.
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Das
aktuelle Fehlerbehebungsverfahren für die Drahtanschlusstechnologie
basiert auf der direkten Prüfung
der metallischen Zwischenverbindungen an der Vorderseite des Chips
mit einem Elektronenstrahl (E-Strahl) oder einer mechanischen Prüfeinrichtung.
Kennzeichnende integrierte Schaltungsbausteine weisen mehrere Schichten
metallischer Zwischenverbindungen auf, und es ist häufig schwierig,
auf Knoten zuzugreifen, die tief in dem Chip vergraben sind. Für gewöhnlich müssen andere
Werkzeuge bzw. Instrumente wie zum Beispiel Plasmaätzvorrichtungen
und fokussierte Ionenstrahlsysteme eingesetzt werden, um das Dielektrikum und/oder
Metall oberhalb des Knotens zu entfernen, um die Knoten für die Prüfung freizulegen.
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In
Bezug auf die Flip-Chip-Packungstechnologie ist diese Vorderseitenmethodik
allerdings nicht umsetzbar, da die Halbleiterscheibe der integrierten
Schaltung auf den Kopf gestellt wird. Wie dies in der Abbildung
aus 1B dargestellt ist, wird der Zugang zu den metallischen Zwischenverbindungen 159 zum
Zweck der herkömmlichen
Prüfung
durch das Packungs- bzw. das Gehäusesubstrat 161 behindert.
Stattdessen sind pn-Übergänge über die
Rückseite
des Siliziumsubstrats der Halbleiterscheibe 155 der integrierten
Schaltung zugänglich,
wobei die Übergänge aktive
und passive Bereiche 163 der integrierten Schaltung bilden.
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Die
Abbildung aus 2 veranschaulicht ein dem Stand
der Technik entsprechendes Verfahren, das zur Prüfung aktiv dotierter Bereiche
in integrierten Schaltungen eingesetzt wird. In der Konfiguration,
die in der Abbildung aus 2 dargestellt ist, weist ein
Testbaustein (DUT als englische Abkürzung von Device under Test) 231 einen
aktiven Bereich 239 und einen inaktiven Bereich (Metall) 241 auf.
Ein Laser 221 ist so positioniert, dass ein Laserstrahl 223 durch
einen Strahlenteiler 225, einen doppelbrechenden Strahlenteiler 227 und
eine Objektivlinse 229 durch die Rückseite des Silizium des Testbausteins 231 an
dem dotierten Bereich 239 und dem Metall 241 fokussiert
wird. Wie dies in der Abbildung aus 2 dargestellt
ist, trennt der doppelbrechende Strahlenteiler 227 den
Laserstrahl 223 in zwei getrennte Laserstrahlen, einen
Prüflaserstrahl 235 und
einen Referenzlaserstrahl 237. Sowohl der Prüflaserstrahl 235 als
auch der Referenzlaserstrahl 237 werden entsprechend von
dem aktiven Bereich 239 und dem Metall 241 zurück durch
die Objektivlinse 229 in den doppelbrechenden Strahlenteiler 227 reflektiert.
Danach werden der Prüflaserstrahl 235 und
der Referenzlaserstrahl 237 in dem doppelbrechenden Strahlenteiler 227 wieder
kombiniert und durch den Strahlenteiler 225 in den Detektor 233 geleitet.
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Durch
den Betrieb des Testbausteins 231 während dem Fokussieren des Prüflaserstrahls 235 auf
den aktiven Bereich 239 und des Referenzlaserstrahls 237 auf
Metall 241 können
Wellenformen durch den Detektor 233 durch das Siliziumsubstrat
des Testbausteins 231 detektiert werden. Die Detektierung
ist möglich
aufgrund des plasma-optischen Effekts, bei dem der Brechungsindex
eines Bereichs freier Ladung sich von einem Bereich ohne Ladung
unterscheidet. Die Anwendung einer Vorspannung bewirkt eine Modulation
der freien Ladung und somit des Brechungsindex in dem geprüften Bereich,
während
der Brechungsindex des Referenzstrahls unverändert bleibt. Dies führt zu einer
Phasenverschiebung zwischen dem Prüfstrahl 235 und dem
Referenzstrahl 237.
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Durch
Messen einer Phasendifferenz zwischen dem reflektierten Referenzstrahl 237 und
dem Prüflaserstrahl 235 kann
der Detektor 233 somit ein Ausgangssignal 241 erzeugen,
das proportional zu de Ladungsmodulation ist, die durch den Betrieb
des geprüften
pn-Übergangsbereichs
ist. Diese optische Messung kann danach mit herkömmlichen Stroboskoptechniken
kombiniert werden, um Hochfrequenzladung und Spannungskurvenformen
aus dem pn-Übergangsbereich 239 zu
messen. Ein derartiges Verfahren wird offenbart in „Picosecond
Backside Optical Detection of Internal Signals in Flip-Chip mounted
Silicon VLSI Circuits" von Heinrich
et al, Microelectronics Engineering 16 (1–4), März 1992, Seiten 313 bis 323.
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In
Bezug auf die in der Abbildung aus 2 dargestellte,
dem Stand der Technik entsprechende Technik gibt es eine Reihe von
Nachteilen. Erstens sind als Phasendetektionsmethode zwei Strahlen
erforderlich (ein Referenzstrahl 237 und ein Prüfstrahl 2359,
die sich gegenseitig stören,
um das Phasensignal zu erzeugen. Diese Strahlen werden durch einen
doppelbrechenden Strahlenteiler 227 erzeugt. Der Einsatz
des Prüflaserstrahls 235 und
des Referenzlaserstrahls 237 ist somit dahingehend beschränkt, dass
diese einen Abstand von x aufweisen müssen, wie dies in der Abbildung
aus 2 dargestellt ist. Folglich muss das Layout der dotierten
Bereiche 239 und Metalle 241 in dem Testbaustein 231 derart
beschaffen sein, dass ein Metall 241 in einem Abstand x
von dem dotierten Bereich 239 angeordnet ist. Hiermit wird
festgestellt, dass sich zahlreiche moderne Layouts für integrierte
Schaltungen nicht von selbst für
eine Prüfung
in Verbindung mit der Konfiguration aus 2 eignen,
da die dargestellte, dem Stand der Technik entsprechende Technik
eine reflektierende Oberfläche 241 ohne
vorgeschaltete Ladungsmodulation erfordert, so dass der Referenzstrahl
dicht (in einem Abstand x) an dem geprüften Bereich 239 angeordnet
ist, der einer Ladungsmodulation ausgesetzt ist. Es ist schwierig,
diese Anforderungen der heutigen modernen Technologien zu erfüllen.
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Ferner
wird hiermit festgestellt, dass die in der Abbildung aus 2 dargestellte
Technik nur auf die bipolare Sperrschicht-Transistortechnologie
angewandt worden ist, und wobei keine erfolgreichen Anwendungen
der dem Stand der Technik entsprechenden Technik gemäß der Abbildung
aus 2 in Verbindung mit der Komplementär-Metalloxid-Halbleitertechnologie
(CMOS als englische Abkürzung
von Complementary Metal Oxide Semiconductor) umgesetzt worden sind.
Der Grund dafür
ist es, dass die Ladungsmodulation in dem Verarmungsbereich eines
umgekehrt vorgespannten pn-Übergangs
(z.B. der Drain eines Metalloxid-Halbleiter-Transistors (MOS)) deutlich geringer
ist als die Ladungsmodulation in dem gleichen Übergang, wenn dieser eine Vorwärtsvorspannung
aufweist (z.B. dem Basisbereich eines bipolaren Sperrschicht-Transistors).
Da die Kanäle
von MOS-Bausteinen ferner lateral sind, während die Basis-Emitter-Übergänge bipolarer Bausteine vertikal
sind, ist eine direkte Messung der Ladungsmodulation in dem Kanal
eines MOS-Bausteins nicht möglich,
und zwar aufgrund der unerreichbar kleinen erforderlichen Laserpunktgröße, die
deutlich kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts in Silizium.
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Bei
einer weiteren dem Stand der Technik entsprechenden Technik zum
Prüfen
integrierter Schaltungen wird der elektrooptische Effekt bzw. der
Pockels-Effekt verwendet. Der elektrooptische Effekt umfasst das Messen
der Veränderung
des Brechungsindex, die in einem asymmetrischen Kristall auftritt,
wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Der Brechungsindex elektrooptischer
Materialien verändert
sich, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Als Folge dessen
verändert
sich die Polarisation eines optischen Strahls, der durch das elektrooptische
Material verläuft,
gemäß der Stärke des
elektrischen Felds oder der an dem elektrooptischen Material angelegten
Spannung.
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Die
Abbildung aus 3 veranschaulicht die Anwendung
des elektrooptischen Effekts auf eine integrierte Schaltung, die
ein asymmetrisches Kristall verwendet, wie etwa ein Galliumarsenid-Substrat 301.
In der Abbildung aus 3 existiert zwischen den Elektroden 305 ein
streuendes elektrisches Feld 307. Ein Prüfstrahl 303 tritt über die
Rückseite
des Substrats 301 ein, verläuft durch das streuende elektrische
Feld 307 und wird von einer Elektrode 305 reflektiert.
Durch Messen der Polarisationsveränderungen des Prüfstrahls 303 und
somit der Veränderungen
des Brechungsindex des Substrats 301, kann das elektrische
Feld 307 gemessen werden. Hiermit wird jedoch festgestellt,
dass diese Technik zwar in integrierten Schaltungen auf der Basis von Galliumarsenid
eingesetzt werden kann, wobei jedoch keine elektrooptische Abtastung
in Silizium möglich ist,
da Silizium ein symmetrisches Kristall ist und somit nicht den elektrooptischen
oder Pockels-Effekt aufweist. Ein derartiges Verfahren wird in dem
U.S. Patent US-A-5,164,664 offenbart.
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Benötigt werden
somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen aktiver Bereiche in integrierten CMOS-Schaltungen
durch die Rückseite
des Siliziums. Ein derartiges Verfahren sollte in der Lage sein,
aktive Bereiche einer integrierten CMOS-Schaltung durch die Rückseite
des Siliziums zu prüfen,
ohne dass ein Referenzlaserstrahl nahe dem zu prüfenden dotierten Bereich von
einem Metall reflektiert werden muss. Darüber hinaus sollte das Verfahren
mit der aktuellen Technologie für
integrierte CMOS-Schaltungen verträglich bzw. kompatibel sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Offenbart
werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren eines
Signals in einer integrierten Schaltung. In einem Ausführungsbeispiel
umfasst das Verfahren die Schritte des Leitens eines optischen Infrarotstrahls
durch eine Rückseite
eines Halbleitersubstrats der integrierten Schaltung durch einen
Verarmungsbereich der integrierten Schaltung. Der Verarmungsbereich
wird als Reaktion auf das Signal moduliert. Das Verfahren umfasst
ferner den Schritt des Detektierens einer Amplitudenmodulation eines
reflektierten optischen Infrarotstrahls, der durch den Verarmungsbereich
durch die Rückseite
des Halbleitersubstrats getreten ist. Weitere Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung,
den Abbildungen und den Ansprüchen
deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen beispielhaft
und ohne einzuschränken veranschaulicht.
Es zeigen:
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1A eine
aktuelle Drahtanschlusstechnologie;
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1B einen
Flip-Chip oder eine Flip-Chip-Gehäusetechnologie;
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2 ein
Diagramm eines dem Stand der Technik entsprechenden Verfahrens zum
Prüfen
eines aktiven Bereichs durch die Rückseite eines bipolaren Sperrschicht-Silizium-Transistors unter
Verwendung von zwei Laserstrahlen sowie das Messen der Phasenverschiebung
aufgrund der Ladungsdichtemodulation eines der Laserstrahlen in
Bezug auf den anderen Laserstrahl;
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3 ein
Diagramm eines dem Stand der Technik entsprechenden Verfahrens der
optischen Prüfung integrierter
Schaltungen unter Verwendung des elektrooptischen Effekts, der in
einem Galliumarsenidsubstrat zum Einsatz kommt;
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4 ein
Diagramm eines aktiven Bereichs, der unter Verwendung eines einzelnen
Laserstrahls gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung geprüft
wird;
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5 verschiedene
Kurvenformen, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erzeugt
werden können;
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6 einen
Verarmungsbereich in einem pn-Übergang,
der durch einen einzelnen Laserstrahl gemäß den Lehren der vorliegenden
Erfindung geprüft
wird;
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7 einen
Graphen, der Darstellungen der gemessenen Elektroabsorption als
eine Funktion der Wellenlänge
in einem hoch dotierten Siliziumsubstrat veranschaulicht, wobei
hohe Spannungen an das Substrat angelegt und bei verschiedenen Temperaturen
gemessen werden;
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8 ein
Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung, wobei ein aktiver Bereich gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung geprüft
und überwacht
wird;
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9A ein
Diagramm freier Träger
nahe einem pn-Übergang
in Abwesenheit eines naheliegenden Verarmungsbereichs; und
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9B ein
Diagramm, das die Abwesenheit freier Träger in einem Verarmungsbereich
nahe eines pn-Übergangs
veranschaulicht.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Offenbart
werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren einer
Spannung in einem aktiven Bereich einer integrierten Schaltung,
die in einem Halbleiter angeordnet ist. In der folgenden Beschreibung sind
zahlreiche besondere Einzelheiten ausgeführt, wie zum Beispiel Wellenlängen und
Energiewerte, um ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung
zu vermitteln. Für
den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ist es jedoch offensichtlich,
dass die besonderen Einzelheiten für die Ausführung der vorliegenden Erfindung
nicht verwendet werden müssen.
In anderen Fällen
wurde auf die genaue Beschreibung allgemein bekannter Materialien
oder Verfahren verzichtet, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verschleiern.
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Vorgesehen
sind gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Messen elektrischer Felder und somit Spannungen direkt aus einem
aktiven Bereich einer integrierten Schaltung mit einem fokussierten
Infrarot-Laserstrahl (IR-Laserstrahl) durch die Rückseite
eines Halbleiters, wie zum Beispiel Silizium. Ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung prüft
direkt aktive Bereiche der integrierten Schaltung durch die Siliziumrückseite
des Chips unter Verwendung von Infrarotlasertechniken. Da Silizium
in Bezug auf Infrarotlicht teilweise transparent bzw. durchlässig ist,
kann der Infrarotlaserstrahl durch eine teilweise verdünnte integrierte
Siliziumschaltung fokussiert werden, so dass er direkt die aktiven
Bereiche erreicht.
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Die
Abbildung aus 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, das eine Prüfung eines aktiven Bereichs 403 der
integrierten Schaltung durch die Rückseite eines Halbleiters gemäß den Lehren der
vorliegenden Erfindung ermöglicht.
Eine optische Quelle oder ein Laser 407 ist so positioniert,
dass er einen optischen Strahl oder einen Laserstrahl 413 vorsieht,
der auf einen aktiven Bereich 403 fokussiert wird. Der
Laserstrahl 413 tritt durch einen Strahlenteiler 409 und
eine Objektivlinse 411, welche den Laserstrahl 413 auf
den aktiven Bereich 403 fokussiert. Der Laserstrahl 413 tritt
durch das Substrat und den aktiven Bereich 403, wird von
dem Kontakt/Metall hinter dem aktiven Bereich reflektiert und verläuft zurück durch
den aktiven Bereich 403 und das Substrat. Der reflektierte
Laserstrahl 415 verläuft
zurück
durch die Objektivlinse 411 und wird durch den Strahlenteiler 409 in
den Detektor 417 geführt.
Der Detektor 417 erzeugt ein Ausgangssignal 419,
das der Spannung in dem aktiven Bereich 403 entspricht.
Wie dies nachstehend im Text näher
beschrieben wird, ist der Detektor 417 in einem optischen
Detektionssystem vorgesehen, das Amplitudenmodulationen in dem reflektierten
Laserstrahl 415 detektiert und die Amplitudenmodulationen
der Spannung in dem aktiven Bereich 403 zuordnet.
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Wie
dies in der Abbildung aus 4 dargestellt
ist, weist der Prüfbaustein
bzw. der Testbaustein (DUT) 405 einen aktiven Bereich auf.
In einem Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dem DUT 405 um eine integrierte CMOS-Schaltung,
die in Silizium angeordnet ist und von der Rückseite des Substrats zugänglich ist.
In einem Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dem DUT 405 somit um ein Flip-Chip-Gehäuseprodukt.
Da die gerade beschriebene Technik die Amplitudenmodulation im Gegensatz
zu der Phasenmodulation in dem reflektierten Strahl detektiert,
kann auf einen Referenzstrahl für
die interferometrische Phasendetektierung verzichtet werden. In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird der DUT 405 vor der Prüfung teilweise
auf eine Dicke von ungefähr
100 bis 200 μm
verdünnt,
um eine höhere Übertragung
des Laserstrahls 413 durch hoch dotierte Siliziumsubstrate
zu ermöglichen,
wie sie etwa in integrierten Modem-VLSI-Schaltungen eingesetzt werden, und wobei
entsprechend der reflektierte Laserstrahl 415 erhöht wird,
der durch die Rückseite
des Siliziums des DUT 405 zurückkehrt. In einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Laser 407 um
einen phasenverriegelten Laser, der mit einer Wellenlänge von
ungefähr 1,064 μm arbeitet.
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Der
Ablauf der vorliegenden Erfindung ist wie folgt gegeben. Angenommen
wird ein fokussierter Laserstrahl 413 der Leistung P, der
auf einen pn-Übergang 403 aufprallt.
Wenn die Energie der Photonen des Laserstrahls 413 größer oder
gleich der Bandabstandsenergie des Siliziums der DUT 405 ist,
so ist eine bestimme Photoabsorption ΔP des Laserstrahls in dem pn-Übergang gegeben. ΔP und P stehen
durch den fundamentalen Absorptionskoeffizienten α im Verhältnis zueinander,
das wie folgt gegeben ist: ΔP = αP (Gleichung 1)
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Wenn
danach ein elektrisches Feld E dem pn-Übergang zugeführt wird,
so moduliert ein als Elektroabsorption bekannter Mechanismus α die Fotoabsorption.
Die in dem pn-Übergang
absorbierte Leistung wird dann zu: T(E)·ΔP (Gleichung 2) wobei
T(E) die funktionale Beziehung zwischen der Elektroabsorption und
dem elektrischen Feld ist.
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Wenn
der Laser 413 von einem inaktiven Bereich reflektiert wird,
wie etwa von einer metallischen Anschlussfläche, so entspricht die durch
den Detektor 417 detektierte Laserleistung P0.
Wenn der Laserstrahl 413 in einen aktiven Bereich 403 bewegt
wird, so wird die dann von dem Detektor bestimmte Laserleistung
aufgrund der Photoabsorption in dem pn-Übergang durch ΔP0 auf P – ΔP0 reduziert. Wenn ein elektrisches Wechselstromfeld
E(t) dem pn-Übergang
zugeführt
wird, entspricht die von dem Detektor 417 erkannte Laserleistung: P0 – T[E(t)] – ΔP0 (Gleichung 3) wie
vorstehend steht T für
die funktionale Beziehung zwischen der Elektroabsorption und dem
elektrischen Feld E(t). Durch das Messen der Wechselstromkomponente
des detektierten Signals, des elektrischen Felds und somit der Spannung
durch den Detektor 417 kann somit die Modulation zurückgewonnen
werden. Die unbekannte Funktion T wird durch Kalibrierung bestimmt.
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Da
der pn-Übergang
von dem dahinter liegenden Metallbereich 406 durch einen
Oxidfilm 404 getrennt ist, wird der prüfende Laserstrahl von dem Metall 406 und
der Grenzfläche 408 zwischen
Oxid und dem aktiven Bereich reflektiert. Letzteres ist der Fall,
da sich der Brechungsindex des den pn-Übergang bildenden Siliziums und
des Oxids unterscheiden. Zusätzlich
zu der Elektroabsorption gibt es auch eine Elektro-Brechung, die
zu einer Modulation des Brechungsindex in dem pn-Übergang
als eine Funktion der Spannung führt.
Der Abschnitt des reflektierten Laserstrahls, der seinen Ursprung
an der Grenzfläche
zwischen Oxid und pn-Übergang
hat, wird somit ebenfalls durch diesen Effekt moduliert. Dieser
Effekt ist kleiner als der Effekt der Elektroabsorption. Die beiden
Effekte ergeben kombiniert eine Amplitudenmodulation insgesamt in
der reflektierten Laserleistung, die von dem Detektor 417 erfasst
wird.
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Die
Abbildung aus 6 zeigt eine detailliertere
Ansicht eines aktiven Bereichs 603 in einem DUT 605.
In einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem aktiven Bereich 603 um
einen n-dotierten Bereich in einem p-dotierten Siliziumsubstrat.
Andererseits wird hiermit festgestellt, dass ein anderes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung einen p-dotierten aktiven Bereich in
einem n-dotierten Substrat verwenden kann. Gemäß der Abbildung tritt der Laserstrahl 609 durch
die Rückseite
des Siliziums des DUT 605 in einen aktiven Bereich 603 durch
den Oxidfilm 604 und wird von dem Metall 607 aus
der Rückseite
des Siliziums des DUT 605 reflektiert. In dem Ausführungsbeispiel
aus 6 handelt es sich bei dem Laserstrahl 609 um
einen Infrarot-Laserstrahl, der somit durch das Silizium des DUT 605 verlaufen
kann, da Silizium in Bezug auf Infrarotlicht teilweise transparent
bzw. durchlässig
ist.
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Wenn
an einen aktiven Bereich 603 eine Vorspannung angelegt
wird, wird ein Verarmungsbereich 611 an der pn-Übergangsgrenzfläche zwischen
dem aktiven Bereich 603 und dem Siliziumsubstrat des DUT 605 erhöht. Bei
den hohen Dotierungsdichten der aktiven Bereiche, des Bereichs 603 und
des Substrats des DUT 605, ist der Verarmungsbereich 611 an
der pn-Übergangsgrenzfläche sehr
schmal. In einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist der Verarmungsbereich 611 nur
etwa 70 nm dick. Wenn somit eine für eine integrierte Schaltung
kennzeichnende Betriebsspannung an einem schmalen Verarmungsbereich 611 angelegt
wird, wird eine hohe Spannung wie zum Beispiel von ungefähr 1 × 105 Volt pro Zentimeter als Folge dessen an
dem Verarmungsbereich 611 erzeugt. Die hohe Spannung erhöht die Wahrscheinlichkeit
für einen
Tunneleffekt, was wiederum zu einem Anstieg des fundamentalen Absorptionskoeffizienten
führt.
Dieser Effekt ist auch als Elektroabsorption oder Franz-Keldysh-Effekt
bekannt.
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Die
Modulation der Photoabsorption des Laserstrahls 609 ist
von der Modulation der an dem Übergang angelegten
Spannung abhängig.
Die Modulation der Absorption des Laserstrahls ist das relevante
Signal, da sie im Verhältnis
zu der an dem Übergang
angelegten Spannung steht.
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Darüber hinaus
führt die
Elektroabsorption auch zu einer Elektro-Refraktion. Das heißt, die
Effekte der Elektroabsorption und der Elektro-Refraktion sind miteinander
verknüpft.
Die Elektro-Refraktion führt
zu einer Veränderung
des Brechungsindex. Dies bedeutet, dass die Veränderung des Brechungsindex
gleichzeitig zu einer Modulation des Reflexionskoeffizienten für Licht
führt,
das von der Grenzfläche
zwischen dem Übergang und
Oxid reflektiert wird. Diese Modulation überlagert die Modulation durch
Elektroabsorption, und der Fotodetektor misst tatsächlich die
auf beide Effekte zurückzuführende Amplitudenmodulation
insgesamt.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet den Detektor 417 aus 4,
um gleichzeitig die beiden Effekte der Elektroabsorption und der
Elektro-Refraktion zu detektieren, die durch die angelegte Spannung
bewirkt werden. Diese beiden Effekte verursachen eine Leistungsmodulation
in dem reflektierten Laserstrahl 415. Der Detektor 417 wandelt
diese Modulationen in das Ausgangssignal 419 um. Der Grad
der Amplitudenmodulation steht im Verhältnis zu dem angelegten elektrischen
Feld (d.h. der Spannung) an dem pn-Übergang, und zwar durch die
Funktion T aus Gleichung 2. T wird durch Kalibrierung der Detektorausgabe
gemäß den angelegten Spannungen
bestimmt. Durch den Betrieb des DUT 405, während der
Laserstrahl 413 auf einen aktiven Bereich 403 fokussiert
wird, können
elektrische Kurvenformen, die den Kurvenformen 501, 503 und 505 aus 5 ähnlich sind,
durch den Detektor 417 durch das Substrat des DUT 405 detektiert
werden, welche dem aktiven Bereich 403 zugeführten, variablen
Spannungen entsprechen. Diese optische Messung kann danach mit herkömmlichen
Stroboskoptechniken kombiniert werden, um Spannungskurvenformen
mit hoher Frequenz aus dem aktiven Bereich 403 zu messen.
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Die
Abbildung aus 7 zeigt einen Graphen 701,
der Darstellungen der gemessenen Elektroabsorption als eine Funktion
der Wellenlänge
in einem Siliziumsubstrat mit hoher Dotierung darstellt, wobei eine
hohe Spannung an das Substrat angelegt und auf verschiedenen Temperaturen
gemessen wird. Die Darstellungen 703, 705 und 707 des
Graphen 701 zeigen die gemessene Veränderung der Übertragung über die
Gesamtübertragung
der Photonen eines Infrarotstrahls, der als eine Funktion der Photonenwellenlänge durch
ein dotiertes Siliziumsubstrat verläuft. Im Besonderen zeigt die
Darstellung 703 die Veränderung
in der Übertragung über die Übertragung
insgesamt durch ein verdünntes
Siliziumsubstrat im Vergleich zu der Wellenlänge, bei einer extern angelegten
Spannung von ungefähr
1 × 105 Volt pro Zentimeter, die bei Zimmertemperatur
an das Siliziumsubstrat angelegt wird. Wie dies aus der Abbildung
aus 7 deutlich wird, ist ein Spitzenwert der Elektroabsorption
bei ungefähr
1,064 μm
gegeben. Die Darstellung 705 zeigt die Beziehung zwischen
der Veränderung
der Übertragung über die
Gesamtübertragung
der Photonen im Vergleich zu der Wellenlänge durch das gleiche verdünnte Siliziumsubstrat,
ohne dass eine Spannung bei Zimmertemperatur angelegt wird. Wie dies
in der Abbildung aus 7 dargestellt ist, ist in der
Darstellung 705 bei 1,064 μm keine entsprechende Spitze
der Elektroabsorption gegeben. Die Abbildung aus 7 zeigt
den Effekt, den eine hohe Spannung auf die Eigenschaften der Elektroabsorption
in Silizium hat. Die Höhe
der Elektroabsorption steht im direkten Verhältnis zu der Höhe der Spannung
in dem Silizium. Durch Kalibrierung dieser funktionalen Beziehung
kann die an den pn-Übergang
angelegte Spannung extrahiert werden.
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Bei
den Dotierungswerten der in den Darstellungen 703 und 705 verwendeten
Siliziumprobe misst ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die Elektroabsorption, indem ein phasenverriegelter
Infrarotlaser mit hoher Frequenz implementiert wird, der mit einer
Wellenlänge
arbeitet, die der Spitze in der Darstellung 703 entspricht.
Die Optik des Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung fokussiert die phasenverriegelten Laserimpulse
auf die zu prüfenden
aktiven Bereiche. Das Prüfsystem
weist einen Einzelstrahl aus, der durch die Rückseite des Siliziums einer
integrierten Schaltung mit vollständigem Flip-Chip-Gehäuse in die n-dotierten
Bereiche fokussiert wird, die in einem p-Substrat angeordnet sind.
Hiermit wird festgestellt, dass die vorliegende Erfindung auch in
Verbindung mit integrierten Schaltungen mit p-dotierten Bereichen
eingesetzt werden kann, die in einem n-Substrat angeordnet sind. Der Laserstrahl
tritt durch die Grenzfläche
des pn-Übergangs,
wird von dem Metall der Vorderseite reflektiert und verläuft zurück durch
den Bereich des pn-Übergangs
und zurück
aus der Siliziumoberfläche.
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Wenn
eine Vorspannung an den pn-Übergang
angelegt wird, führt
dies zu einer Spannung an der Grenzfläche des pn-Übergangs. Die Darstellung 703 veranschaulicht,
wie einige der Photonen durch die Elektroabsorption absorbiert werden.
Die Veränderung
der Übertragung über die
Gesamtübertragung
entspricht bei einer Wellenlänge
von 1,064 μm
ungefähr
2 × 10–5.
Wenn keine Spannung angelegt wird, reduziert sich die Photonenabsorption.
Durch den Betrieb des DUT während
der Prüflaserstrahl
auf den zu prüfenden
aktiven Bereich fokussiert wird, können elektrische Kurvenformen
detektiert werden, die den veränderlichen
Spannungen entsprechen, die an den dotierten Bereich angelegt werden,
und wobei eine Erzeugung unter Verwendung eines Photodetektors gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung erfolgt.
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Hiermit
wird festgestellt, dass der Bandabstand von Silizium sowohl mit
zunehmender Dotierstoffkonzentration als auch mit zunehmender Temperatur
kleiner wird. Hiermit wird zum Beispiel festgestellt, dass der Bandabstand
bei 100 Grad Celsius und hoch dotiertem Silizium um ungefähr 30 meV
abnimmt. Die entsprechende Darstellung 707 zeigt somit
die Veränderung
der Übertragung über die
Gesamtübertragung
durch das Siliziumsubstrat im Verhältnis zu der Wellenlänge bei
einer extern angelegten Spannung von ungefähr 1 × 105 Volt
pro Zentimeter bei 100 Grad Celsius. Aus der Darstellung 707 ist
ersichtlich, dass sich die Spitze der Elektroabsorption aufgrund
des Temperaturanstiegs entsprechend auf 1,085 μm verschoben hat.
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Wenn
die geprüfte
integrierte Schaltung auf erhöhter
Temperatur arbeitet, verschiebt sich die Spitze der gemessenen Fotoabsorption
auf längere
Wellenlängen,
wie dies durch die vergleichenden Darstellungen 703 und 707 aus 7 dargestellt
ist. Als Folge dessen ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung nicht auf den Einsatz eines phasenverriegelten Lasers
mit einer festen Wellenlänge
von 1,064 μm
beschränkt. Stattdessen
verwendet das Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung einen einstellbaren phasenverriegelten
Laser, der in Bezug auf die Temperatur oder andere Bedingungen,
die den Bandabstand des Halbleitermaterials verändern können, angepasst bzw. geregelt
werden kann. Indem die Wellenlänge
des phasenverriegelten Lasers den Spitzen der Darstellungen 703, 707 oder
dergleichen folgen und an diese angepasst werden kann, wird der
Rauschabstand eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung kontinuierlich optimiert. Hiermit wird
festgestellt, dass die Übertragung
eines Infrarotlasers in Silizium als eine Funktion der Temperatur
abnimmt. Ferner wird hiermit festgestellt, dass andere Techniken
zum Ausgleichen des Rückgangs der Übertragung
eines Infrarotlasers in Silizium aufgrund der Temperatur eingesetzt
werden können,
um den Rauschabstand zu optimieren.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird der DUT 405 in einer Test-
bzw. Prüfumgebung
an einer Test- bzw.
Prüfvorrichtung
(nicht abgebildet) betrieben, wenn die Ausgangskurvenformen erzeugt
werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann der DUT 405 in einer Systemumgebung
betrieben werden, wie zum Beispiel auf einer Grundplatine eines
Computers, wenn die Ausgangskurvenformen erzeugt werden. Das heißt, der
Laserstrahl 413 wird direkt auf den dotierten Bereich 403 fokussiert,
und Kurvenformen, wie etwa die Kurvenformen 501, 503 und 505 können erhalten
werden, während der
DUT 405 in einem echten System angebracht und betrieben
wird. Als Folge dessen ermöglicht
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die Fehlerbehebung von integrierten Schaltungen
mit Flip-Chip-Gehäuse,
während
die Bauteile an einer Test- bzw. Prüfvorrichtung oder in einer
Systemumgebung betrieben werden.
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Hiermit
wird festgestellt, dass die vorliegende Erfindung Kurvenformen aus
dem DUT 405 in andersartigen Test- bzw. Prüfumgebungen
erreichen kann, solange der Laserstrahl 413 durch die Rückseite
des Halbleitersubstrats auf den aktiven Bereich 403 fokussiert
wird, während
der DUT 405 betrieben wird. All dies ist möglich, da
der DUT nicht auf einen Betrieb in einem Vakuum beschränkt ist,
im Gegensatz zu einer E-Strahl-Prüfumgebung,
bei der es erforderlich ist, dass der DUT in einem Vakuum betrieben
wird. Hiermit wird festgestellt, dass die Prüfung eines DUT ungeeignet ist,
der in einer Systemumgebung arbeitet, wie etwa auf einer großen PC-Platine
unter Verwendung einer herkömmlichen
E-Strahl-Prüfung,
da die Vakuumkammer der E-Strahl-Prüfung unmöglich groß sein müsste, um geeignet für die große PC-Platine
zu sein. Da es bei der vorliegenden Erfindung jedoch nicht erforderlich
ist, dass sich der DUT in einer Vakuumkammer befindet, können jetzt
in einer Vielzahl von Betriebsumgebungen Kurvenformen erreicht werden.
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Die
Abbildung aus 8 zeigt ein Diagramm eines weiteren
Ausführungsbeispiels 801 der
vorliegenden Erfindung. Ein mit 1,064 μm arbeitender phasenverriegelter
Laser 803 erzeugt einen Laserstrahl 805, der durch
den optischen Isolator 807, eine λ/2 Halbwellenplatte 808,
einen polarisierenden Strahlenteiler 809, eine λ/4 Viertelwellenplatte 810,
den dichroitischen Strahlenteiler 811 und die Objektivlinse 813 verläuft, wobei
er durch die Rückseite
des Siliziums des DUT 815 auf den dotierten Bereich 817 fokussiert
wird.
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Der
Laserstrahl wird von dem Vorderseitenmetall 819 zurück durch
die Objektivlinse 813 reflektiert und über den dichroitischen Strahlenteiler 811,
die λ/4
Viertelwellenplatte 810 und den polarisierenden Strahlenteiler 809 zu
der Öffnung
bzw. Apertur 821 geleitet. Der reflektierte Laserstrahl 805 wird
durch die Apertur 821 durch die Fokussierlinse 823 in
die Fotodiode 825 geleitet. Die Fotodiode 825 ist
mit einer Elektronik 827 gekoppelt, um die Amplitudenmodulation
von Photonen in dem reflektierten Laserstrahl von dem DUT 815 zu detektieren,
um das Vorhandensein einer Spannung an dem dotierten Bereich 817 zu
bestimmen.
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Der
optische Isolator 807 wird zur Minimierung der Anzahl der
zurück
in den Laser 803 reflektierten Photonen verwendet. Die λ/2 Halbwellenplatte 808 und
die λ/4
Viertelwellenplatte 810 werden in Verbindung mit dem polarisierenden
Strahlenteiler 809 verwendet, um die prozentuale Übertragung
des Laserstrahls 805 zu dem DUT 815 zu erhöhen sowie
zur Erhöhung
der prozentualen Übertragung
des Laserstrahls 805, der von dem DUT 815 zu der
Apertur 821 reflektiert wird, um den Rauschabstand zu optimieren.
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Das
in der Abbildung aus 8 dargestellte Ausführungsbeispiel
801 weist ferner Bilddarstellungselemente zur Überwachung auf, darunter eine
Wolfram-Beleuchtungsquelle 829, die Licht 831 erzeugt,
das durch einen Infrarotfilter 833, durch Kollimationslinsen 835,
durch den Strahlenteiler 837, durch den dichroitischen
Strahlenteiler 811 und durch die Objektivlinse 813 durch
die Rückseite
des Siliziums des DUT 815 auf den dotierten Bereich 817 geleitet
wird. Das Licht 831 wird von dem DUT 815 zurück durch
die Objektivlinse 813, durch den dichroitischen Strahlenteiler 811 in
die Infrarotkamera 843, durch den Strahlenteiler 837 und die
Fokussierlinse 841 reflektiert. Das reflektierte Licht 839 ermöglicht ferner
die bildliche Darstellung bzw. die Abbildung der Rückseite
des DUT 815 mit der Infrarotkamera 843. Ein Videomonitor 845 ist
mit der Infrarotkamera 843 gekoppelt, um die Bilder der
Rückseite
des Siliziums des DUT 815 überwachen zu können. Dies
ermöglicht
die direkte Beobachtung bzw. Observation dotierter Bereiche an Ort
und Stelle, während
der Laser auf die dotierten Bereiche fokussiert wird, die geprüft werden
müssen.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann der Laser 803 auch so konfiguriert
werden, dass er als eine abtastende Laserlichtquelle arbeitet. In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird
ein Laserpunkt zu Zwecken der bildlichen Darstellung über die
Rückseite
der DUT 815 abgetastet. In dem Ausführungsbeispiel wird von dem
DUT 815 reflektiertes Laserlicht an die Infrarotkamera 843 übertragen,
so das ein Bild des DUT 815 auf dem Videomonitor 845 beobachtet
werden kann. In dem Ausführungsbeispiel handelt
es sich bei dem optischen Detektionssystem um ein optisches System
auf konfokaler Basis.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird die optische Quelle oder der Laser 407 auf
einer Wellenlänge
betrieben, die durch das Halbleitersubstrat des DUT übertragen
werden kann. In einem Ausführungsbeispiel
wird der Laser 407 mit einer größeren Wellenlänge als
ungefähr
0,9 μm durch ein
Siliziumsubstrat betrieben. In kurzem neuerlichem Bezug auf die
Abbildung aus 4 ist ein Laser 407 so positioniert,
dass ein optischer Strahl oder ein Laserstrahl 413 mit
einer Wellenlänge
von über
ungefähr
0,9 μm bereitgestellt
wird, der durch ein Siliziumsubstrat übertragen werden kann. Wie
dies in der Abbildung aus 4 dargestellt
ist, wird der Laser 407 auf den aktiven Bereich 403 fokussiert.
In einem Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei der optischen Quelle oder dem Laser 407 um
einen Infrarot-Dauerstrichlaser
oder einen Impulslaser, wie zum Beispiel einen Q-Switch-Laser, einen
phasenverriegelten Laser oder dergleichen.
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In
einem Ausführungsbeispiel
wird der Laserstrahl 413 durch ein verdünntes Siliziumsubstrat auf
den aktiven Bereich 403 fokussiert. In einem anderen Ausführungsbeispiel
wird der Laser 407 mit einer Wellenlänge von ungefähr 1,3 μm betrieben,
und der Laserstrahl 413 wird durch ein nicht verdünntes Siliziumsubstrat fokussiert.
Der Laserstrahl 413 verläuft durch den Strahlenteiler 409 und
die Objektivlinse 411, welche den Laserstrahl 413 auf
den aktiven Bereich 403 fokussiert. Der Laserstrahl 413 tritt
durch das Substrat und den aktiven Bereich 403, wird von
dem Kontakt/Metall 406 hinter dem aktiven Bereich 403 reflektiert
und tritt durch den aktiven Bereich 403 und das Substrat.
Der reflektierte Laserstrahl 415 verläuft zurück durch die Objektivlinse 411 und
wird durch den Strahlenteiler 409 in den Detektor 417 geführt. Der
Detektor 417 erzeugt ein Ausgangssignal 419, das
dem Signal an dem aktiven Bereich 403 entspricht. In dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird der reflektierte Laserstrahl 415 als Reaktion auf
die freie Trägerabsorption
moduliert, die als Reaktion auf einen modulierten Verarmungsbereich
nahe dem aktiven Bereich 403 auftritt.
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Die
Abbildung aus 9A zeigt zum Beispiel freie
Träger 911 in
dem Substrat des DUT 905. In einem Ausführungsbeispiel weist das Substrat
des DUT 905 Silizium auf. Der Laserstrahl 909 verläuft in der
Abbildung durch die Rückseite
des Siliziums des DUT 905 in den aktiven Bereich 903 durch
den Isolator 904 und wird von dem Metall 907 zurück aus der
Rückseite
des Siliziums des DUT 905 reflektiert. In einem Ausführungsbeispiel
weist der aktive Bereich 903 einen pn-Übergang
auf, der in einem Ausführungsbeispiel
den Drain-Anschluss
eines MOS-Transistors oder dergleichen darstellen kann. In dem Ausführungsbeispiel
aus der Abbildung aus 9A handelt es sich bei dem Laserstrahl 909 um
einen Infrarot-Laserstrahl
mit einer Wellenlänge,
die durch das Silizium des DUT 905 übertragen werden kann, da Silizium
teilweise transparent ist in Bezug auf Infrarotlicht. Als Folge
der freien Trägerabsorption
wird der Laserstrahl 909 teilweise nahe dem pn-Übergang
absorbiert.
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Die
Abbildung aus 9A veranschaulicht, dass freie
Träger 911 in
Abwesenheit eines Verarmungsbereichs nahe dem aktiven Bereich 903 nahe
dem aktiven Bereich 903 verteilt werden können. Die
Abbildung aus 9B veranschaulicht, dass wenn
eine Vorspannung an den aktiven Bereich 903 angelegt wird,
ein Verarmungsbereich 913 nahe dem aktiven Bereich 903 gebildet
wird, und wodurch freie Träger 911 von
dem aktiven Bereich 903 weg gewischt werden. Durch Modulation
der an den aktiven Bereich 903 angelegten Vorspannung wird
der Verarmungsbereich 913 entsprechend moduliert. Durch
Modulation des Verarmungsbereichs 913 werden die freien
Träger 911 nahe
dem aktiven Bereich 903 moduliert. Durch Modulation der
freien Träger 911 nahe
dem aktiven Bereich 903 als Reaktion auf ein an den aktiven
Bereich 903 angelegtes Signal, wird die Absorption des
freien Trägers
des Laserstrahls 909 entsprechend moduliert.
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Dies
kann mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:
Unter Verwendung
eines standardmäßigen pn-Übergangsmodells
kann das räumliche
Ladungsverteilungsprofil des pn-Übergangs
näherungsweise
als einseitiger, abrupter Übergang
bestimmt werden. In diesem Fall sind das elektrische Feld E und
die Verarmungsschichtbreite w wie folgt gegeben: Elektrisches Feld
Verarmungsbreite
wobei
q die elektronische Ladung bezeichnet, wobei ε
s die
elektrische Feldkonstante von Silizium ist, wobei V
RB die
Umkehrvorspannung (oder das entsprechende Signal) bezeichnet, und
wobei
das integrierte Potenzial
des pn-Übergangs
ist.
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Als
anfängliche
Annäherung
kann angenommen werden, dass die Modulation des durch den Verarmungsbereich 913 verlaufenden
Laserstrahls 909 folgende Form aufweist: Modulation ~ (1 – e–a(w)) (3) wobei a(w)
den resultierenden Beitrag aufgrund der Absorption des freien Trägers in
dem Verarmungsbereich bezeichnet. Da bekannt ist, dass die Effekte
des freien Trägers
sehr gering sind (im Bereich von Teilchen je Million), kann die
Exponentialgröße aus Gleichung
3 über
eine Potenzreihenerweiterung näherungsweise
bestimmt werden.
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Da
für kleine
Werte von x, e–X ~ (1 – x), kann
Gleichung (3) wie folgt näherungsweise
bestimmt werden: Modulation ~ a(w) (4)
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Aus
Gleichung 4 ist ersichtlich, dass die optische Modulation des Laserstrahls 909 dabei
proportional zu der Breite des Verarmungsbereichs 913 ist.
Aus Gleichung 2 ergibt sich, dass das optische Signal dabei direkt
proportional ist zu dem elektrischen Signal (VRB),
das dem pn-Übergang
zugeführt
wird.
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Hiermit
wird festgestellt, dass die Lichtabsorption des freien Trägers proportional
zu dem Quadrat der Lichtwellenlänge
ist. Die durch den freien Träger
induzierte Modulation des Laserstrahls 909 ist somit proportional
zu dem Quadrat der Wellenlänge
des Laserstrahls 909. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
nimmt die Modulation des Laserstrahls 909 als Reaktion
auf die Absorption des freien Trägers
somit proportional zu dem Quadrat der Wellenlänge des Laserstrahls 909 zu.
Somit können
längere
Wellenlängen (>0,9 μm) zur Erhöhung des
Signalwertes verlängert
werden. Hiermit wird jedoch festgestellt, dass mit zunehmender Wellenlänge des
Laserstrahls 909 eine entsprechende Zunahme der Absorption
in dem Substrat gegeben ist, welche die maximal verwendbare Wellenlänge beschränken kann.
Ein Vorteil der Verwendung von größeren Wellenlängen als
ungefähr
1,1 μm,
der Bandabstandswellenlänge
von Silizium, für
den Laserstrahl 909 ist es, dass die längeren Wellenlängen niedrigere
Photonenenergien aufweisen als der Silizium-Bandabstand des DUT 905.
Somit wird bei 1,3 μm
ein sehr geringer Fotostrom durch den Laserstrahl 909 erzeugt. Dies
ermöglicht
den Einsatz einer höheren
einfallenden Laserleistung für
den Laserstrahl 909, was in einem größeren Rückführungssignal zu der Fotodiode
resultiert.
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Beschrieben
wurden somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren
eines elektrischen Felds an einem dotierten Bereich einer integrierten
Schaltung, die sich in einem Halbleiter befindet, ohne das Substrat
zerkleinern bzw. fräsen
zu müssen,
um einen dotierten Bereich offen zu legen, oder einen zweiten Laserstrahl
zuzuführen,
der als ein Referenzstrahl eingesetzt wird. In Bezug auf die hierin
beschriebene optische Prüfung
auf der Basis von Infrarotlaser wird eine Technik zum Messen von
Spannungen und elektrischen Feldern direkt aus dotierten Bereichen
durch die Rückseite
von Silizium an einer integrierten Schaltung mit Flip-Chip-Anbringung bereitgestellt.
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In
der vorstehenden genauen Beschreibung wurden das Verfahren und die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass diesbezüglich verschiedene
Modifikationen und Abänderungen
möglich
sind, ohne dabei von dem beanspruchten Umfang der vorliegenden Erfindung
abzuweichen.
wobei q die elektronische Ladung bezeichnet, wobei εs die elektrische Feldkonstante von Silizium ist, wobei VRB die Umkehrvorspannung (oder das entsprechende Signal) bezeichnet, und wobei
das integrierte Potenzial des pn-Übergangs ist.