JP2005517188A - 集積回路の動的診断テスティング装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明の原理に従うシステムおよび方法によって、集積回路内の様々な種類の電気作用をコンタクトレスに測定することが可能になる。本発明は、デバイス・プロセシングの種々の段階中のウェハ上の種々のデバイス、または製造サイクルの終わりにおけるパッケージ部品上の種々のデバイスについての高帯域幅のアット・スピード・テスティングに対して、用いることができる。テスト回路への電力の印加を、従来の機械的プローブまたは他の手段を用いて、たとえばＣＷレーザ光をテスト回路上に設けた受光器に印加して行なう。テスト回路内への電気テスト信号の導入を、コンタクトレスな方法を用いて回路を刺激することによって、たとえば１つまたは複数のモードロック・レーザの出力を回路上の高速受取器上に送ることによって、または高速のパルス・ダイオード・レーザを用いることによって行なう。テスト信号に応答する回路内の電気作用の検知を、受取器要素、たとえば時間分解フォトン・カウンティング検出器、静的放出カメラ・システムによって、またはアクティブ・レーザ・プロービング・システムによって行なう。収集された情報は、種々の目的のために用いられる。たとえば、製造プロセス・モニタリング、新しいプロセスの認定、およびモデル検定である。

Description

本発明は一般に、集積回路のテスティングに関し、より具体的には、半導体デバイス作製環境における集積回路のイン・ライン高帯域動的診断テスティングに関する。

高性能マイクロプロセッサ・チップなどの最新の集積回路（ＩＣ）は、半導体ウェハの表面上に所定のパターンの電子コンポーネントたとえばロジック・ゲートを形成することによって製造される。前述の電子コンポーネントは、一連の別個の操作または作製プロセス・ステップを用いてウェハ上に形成される。このようなステップとしては、これらに限定されないが、ウェハの表面をフォトレジストでコーティングすること、コーティングされた表面を入射光ビームに露出させること、表面の化学的またはプラズマ・エッチングを行なうこと、材料（すなわち金属または酸化物）を堆積させること等が挙げられる。これらのステップのシーケンス全体は、所定の順序で行なわれ、半導体作製プロセスまたは単にプロセスと呼ばれる。

マイクロ電子デバイスを大量生産する際に、１つまたは複数のプロセス・ステップについてデザインが不適切であるかまたはおそらく具体化が不正確である場合には、結果として生じる集積回路は不完全であるか、またはその予想される性能仕様通りに動作しないことが考えられる。当業者であれば容易に分かるように、作製プロセス・ステップの障害またはプロセス・パラメータからのずれは、できるだけ早く検出することが望ましい。第１に、最新の集積回路の作製プロセスおよびパッケージング・プロセスは非常にコストがかかる。したがって作製プロセスを連続的にモニタして、不完全なまたは所定の性能範囲の外にあるデバイスを特定して生産から取り除くことを、その後に何らかの作製ステップおよび／またはパッケージング・ステップを不完全なデバイスに対して行なうことでさらなるコストを招く前に、行なうことが好ましい。第２に、不完全な作製プロセス・ステップまたは手順を実現可能な限り早く特定して修正することで、仕様からさらにずれることを防ぎ、またその後のウェハ上に非（または下方）動作のデバイスが作製されることを防ぐことが絶対に必要である。こうするためには、製造されるデバイスの重要な性能特性（すなわち、パワー・ドローまたは動作クロック速度）を連続的にモニタすることが好ましい。

集積回路作製プロセスの品質および完全性をモニタするための多くの電気テスト方法が、開発されている。このような方法はすべて、部分的に処理されたウェハから得られる測定値を用いて、完成した集積回路の性能を予測することに基づいている。このような方法の１つによれば、ある種のパラメータ測定の結果を用いて、キー・プロセスに関係したパラメータを決定することによって、プロセスの堅固性をモニタする。たとえばウェハ上の酸化膜の厚みを、抵抗率の測定を通して決定することができる。加えて、前述のパラメータ測定を用いて、作製プロセスに直接つながる特定の重要なデバイス・パラメータを決定することができる。たとえば閾値電圧を用いて、拡散のドーピング・レベルを決定することができる。これらのパラメータ測定は、部分的に処理されたウェハに対する種々の段階において行なわれる。

パラメータ測定は、プロセスに関係する物理および電気パラメータを測定するために具体的に行なわれ、回路速度などの回路性能を直接決定するわけではない。言い換えれば、パラメータ測定値と実際のデバイス性能との間に存在するのは間接的な関係だけである。典型的なパラメータ測定としては、トランジスタ閾値電圧およびオフ電流リークの測定が挙げられる。これらの測定の間、電気およびプロセス・テストの一定（ＤＣ）電圧または小信号（ＡＣ）電圧が、ウェハ上の所定の位置に印加されて、ウェハ全体に渡る複数の別個の位置にあるデバイス構造を作動させる。プロセスの完全性は、ＤＣ回路パラメータの測定値を予想値の組と比較することによって、確認される。

しかし集積回路の幾何学的形状が小さくなるにつれて、前述のパラメータ測定、さらには従来の重要な寸法（幾何学的回路パラメータとも言われる）の測定は、最終的な回路性能の挙動を予測およびモニタする上でそれほど効果的ではなくなる。この既存の技術の限界は、ディープ・サブ・ミクロンの幾何学的形状の集積回路の場合に、特に重大になる。用語「ディープ・サブ・ミクロンの幾何学的形状の回路」は、本明細書で用いる場合、０．２５μｍ未満の特徴的なライン幅寸法を有する回路を表わす。具体的には、ＤＣパラメータ測定だけでなく重要な寸法の測定によっても、このような回路のアット・スピード（高周波数）パラメータを正確に予測できるわけではない。デバイス性能（すなわちタイミング、速度など）と、測定されたＤＣパラメータ、幾何学的パラメータ、または物理的プロセス・パラメータとの間の相関関係は、ライン幅寸法がさらに小さいデバイス（以後、サブ０．１３μｍデバイスと言う）の場合には、さらに弱くなる。

集積回路の製造業者が、より小さいライン幅寸法に合わせて製造プロセスを変えるために、これまで無視することができた性能関連の問題が重要になり始める。最新型の製品の大規模製造における固有のプロセス変動性、さらにはそのモニタリングにおいては、前述した弱い相関関係の問題がさらに悪化し、また最新型の製品が高歩留まりで得られるようにデザインおよび作製すること、ならびに必要な作製プロセスの特徴づけを行なうことがさらに難しくなる。

最後に、部分的に処理された集積回路内にテスト信号を結合させるために用いられる従来の機械的プローブには、プローブ針がコンタクト・パッドを引っ掻いて傷つけることさらには高周波数性能が良好でないことに起因する信頼性の問題がある。また機械的プローブからは破片が生じる可能性があり、その結果、ウェハが汚染される恐れがある。これらの従来の信号注入および測定値取得の方法は、製造業界が要求する集積回路の高周波数、高帯域幅、イン・ラインの生産テスティングには適していない。

したがって現在の診断技術（計測および電気の両方とも）は、ウェハ・レベルでの集積回路上において高帯域幅のコンタクトレスな電気測定を行なう能力が不十分である。さらにこれらの従来のアプローチは、作製およびデザイン堅固性における最終的な決定要因である重要な性能情報（速度、タイミング、および消費電力など）を得る上で効果的でない。

本発明は、最新のＩＣデザインおよび製造の計測および電気テストに付随する前述のおよび他の問題の１つまたは複数を実質的に未然に防ぐ方法およびシステムに向けられている。本発明の典型的な実施形態に従って、集積回路の動的なイン・ライン診断を行なうための方法が提供される。

本発明の方法の一実施形態によれば、刺激エネルギー源を用いて集積回路の所定の領域を電気的に刺激することによって、集積回路内へテスト信号を注入する。刺激エネルギー源は、刺激エネルギーを集積回路の領域へ、その領域と機械的に接触することなく与えても良い。注入されたテスト信号に応答して集積回路内に発生するその後の電気作用を、検出器を用いて検出する。最後に、検出された電気作用に基づいて集積回路の特性を決定する。

本発明の方法の一特徴によれば、集積回路の電気作用の検出を、受動的な非侵入性の方法を用いて回路に電気的に「負荷をかけ」ない仕方で、行なっても良い。

本発明の他の態様によれば、集積回路の電気特性を測定するための装置が提供される。本発明の装置は、集積回路の領域を刺激することによって集積回路内へテスト信号を注入するための刺激エネルギー源を備える。刺激は、刺激エネルギー源を回路の被刺激領域と機械的に接触させることなく行なう。加えて本発明の装置は、注入されたテスト信号に応答する集積回路内の電気作用を検出するための検出器を含んでいても良い。検出された電気作用を用いて、集積回路の特性を決定しても良い。

本発明の装置の一特徴によれば、検出器は、集積回路内の電気作用の検出を電気的に無負荷または最小限の負荷の仕方で行なうように、動作しても良い。

本発明に関するさらなる態様が、以下の説明においてある程度述べられ、説明からある程度明らかになり、または本発明を実施することによって分かり得る。本発明の態様は、添付の特許請求の範囲で特に指摘された要素および組み合わせによって、実現または達成され得る。

前述および後述する記載は両方とも、典型的で説明的なものに過ぎず、特許請求される発明を限定することは、どんな方法であれ何であれ、意図されていないことを理解されたい。

添付図面は、本明細書に取り入れられてその一部を構成するものであるが、本発明の実施形態を例証し、また明細書本文とともに本発明の技術の原理を説明かつ例示する役目を果たすものである。

以下の詳細な説明では、添付図面を参照する。図面では、同一の機能要素は同様の数字で示されている。前述の添付図面は、本発明の原理に従う特定の具体化を例として示しており、限定としてではない。これらの具体化は、当業者が本発明を実施できる程度に十分詳細に説明されている。他の具体化を用いても良いこと、および本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく構造的変化を行なっても良いことを理解されたい。したがって以下の詳細な説明は、限定的な意味に解釈してはならない。

本発明の原理に従うシステムおよび方法によって、部分的または完全に処理されたウェハまたはパッケージ・デバイス上の集積回路を、コンタクトレスで高帯域幅で動的テスティングすることが可能になる。本発明の診断方法は、既存の技術と比べると、集積回路プロセスをデザインおよび作製する両方の間に、さらにはそれを制御する間に、より広範囲な作製プロセス障害を特定できる可能性がある。具体的には、本発明の技術によって、ウェハ・レベルにおける集積回路の高速で高帯域幅の動的特性を直接測定するための手段が得られる。本発明の技術のいくつかの特徴として、以下のものを挙げることができるが、これらに限定されるわけではない。（１）非侵入性で非接触なプロービングを用いている（おそらくＤＣ回路電力および接地のためのものは除く）、（２）プロセスの初期の段階（すなわち金属レベル１（Ｍ１）および金属レベル２（Ｍ２）層）で測定を行なうことができる、（３）プロセス問題の初期審査を行なうことができる、（４）高速で動的な測定を行なうことができる、（５）ゲート間の遅延タイミングを行なうことができる、（６）トランジスタのスイッチング時間を測定することができる、（７）温度制御されたウェハ・チャックを用いて温度依存性現象を測定することができる、（８）接合における相対電流を測定することができる。本発明の技術のこれらの特徴および他の特徴を考慮すれば、本発明の方法は、作製プロセス開発およびプロセス・モニタリングの両方において用途があり得ることが当業者には明らかとなる。加えて本発明の方法は、現在の半導体製造方法に適合するものである。

本発明の診断技術の一実施形態によれば、テスト用集積回路の所定の領域を、刺激エネルギー源を用いて刺激する。この刺激エネルギーの正確な種類は、本発明にとってはそれほど重要なことではない。具体的には、前述の刺激エネルギー源は、レーザなどの電磁放射源であっても良い。あるいは刺激エネルギー源は、電子ビーム源などの荷電粒子源または機械的プローブであっても良い。テスト用回路に印加されたときに、刺激エネルギーによって電気テスト信号が回路内に誘起される。こうするために、刺激エネルギーを、集積回路の表面近傍に配置された１つまたは複数の「受取器」に向かって送っても良い。

前述の電気テスト信号を、刺激エネルギー源を用いてテスト用回路内に注入することによって、回路内に電気応答が刺激される。テスト用回路が適切なデザイン仕様に従って動作するかどうかを決定するために、電気作用検出装置を用いて前述の応答による電気作用を検出および測定する。最後に、回路内の測定された応答による電気作用に基づいて、テスト用回路の特性を決定する。次に、本発明の診断システムを構成するコンポーネントを、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１を参照して、本発明の原理に従う診断システム１００の典型的な実施形態を示す。本発明の測定技術を具体化する診断システム１００の示された実施形態は、ウェハ１０３上に配置された１つまたは複数の光信号受取器１０２を刺激するための光学的刺激源１０１を備える。前述の光学的刺激源１０１は、対応する信号受取器１０２と、光学的結合セットアップ１０４を介して光学的に結合している。光学的結合セットアップ１０４の示された実施形態は、走査レンズ１０５、位置調整手段１０６、および対物レンズ１０７を含んでいても良い。図１において、光学的刺激源１０１によって生成される刺激電磁エネルギーのビームを、数字１０８を用いて示す。

図１に示す本発明の実施形態においては、光学的刺激源１０１は電磁放射源である。具体的には、モードロック・レーザまたはＱスイッチ・レーザなどのパルス・レーザ源であっても良い。他の実施形態においては、刺激源１０１は、変調連続波（ＣＷ）レーザであっても良い。前述のＱスイッチおよび変調連続波（ＣＷ）レーザは、当業者に良く知られており、市販されている。モードロック・レーザは、外部同期が可能であるが、やはり当該技術分野において良く知られており、いくつかの製造業者から市販されている。たとえば、タイム・バンドウィドゥス・プロダクツ（Time Bandwidth Products）（チューリッヒ、スイス）およびライトウェーブ・テクノロジ社（Lightwave Technologies Inc.）（カリフォルニア）である。

ＣＷレーザを変調する方法はいくつかある。たとえばＣＷレーザ光を、電気光学変調器に通すことができる。電気光学変調器は、変調器の入力および出力に配置された１組の交差する偏光子を備えていても良い。前述の入力および出力の偏光子の間には、入力光の偏光を回転させる電気光学結晶が配置されている。回転は、結晶に対してサンドイッチ状に配置された２つの電気プレートによって結晶に印加される電界に依存する量だけ行なわれる。変調器の光出力は、入力および出力の偏光子の方向とともに電気光学結晶に印加された電圧に依存する。説明したＣＷレーザの変調方法だけでなく他のこのような方法も、当業者には良く知られている。ニュー・フォーカス社（New Focus, Inc.）（カリフォルニア）などの製造業者から適切な機器が市販されている。本発明の診断システムの一実施形態においては、刺激源１０１は、タイムベースまたはクロック信号に外部同期される。この実施形態においては、結晶ベースのクロック発生器などの外部タイムベース発生器を、本システムの種々のコンポーネントの動作を同期させるために設けても良い。代替的な実施形態においては、刺激源１０１が独自のタイムベースを有しているならば、刺激源１０１が、本システムの残りの部分に対してタイムベースを与えても良い。その結果、光学的刺激信号１０８は、診断システム１００の残りの部分によって共有されるタイムベースによって駆動される。

本発明の一実施形態においては、刺激信号１０８は、ウェハ１０３上に配置される受光器１０２によって検出される。本発明のシステムでの適用に適した典型的な受取器は、以下の文献に記載されている。ツィンマーマン（Zimmermann）およびハイデ（Heide）、「１μｍＣＭＯＳ技術におけるモノリシックに集積された１Ｇｂ／ｓの光学的受取器（A Monolithically Integrated 1-Gb/s Optical Receiver in 1um CMOS Technology）」、ＩＥＥＥフォトニクス・テクノロジ・レターズ（IEEE Photonics Technology Letters）、第１３巻、第７号、ｐ．７１１−７１３、２００１年７月、ならびにツィンマーマンおよびハイデ、「モノリシック高速ＣＭＯＳ受光器（A Monolithic High-Speed CMOS- 受光器）、ＩＥＥＥフォトニクス・テクノロジ・レターズ」、第１１巻、第２号、２５４−２５６頁、１９９９年２月。なおこれらの文献は、本明細書において参照により取り入れられている。具体的には、受光器１０２は、ＣＭＯＳ一体化のｐ−ｉ−ｎ光ダイオードであっても良い。このダイオードの特徴は、高速度および高量子効率である。このような受取器の製造は、工業的な１．０μｍＣＭＯＳプロセスによって、エピタキシャル層内のドーピング濃度を減らして行なうことができる。前述のＣＭＯＳ一体化のｐ−ｉ−ｎ光ダイオードに対する製造プロセスは、当業者に良く知られている。また受取器１０２の正確なデザインは本発明にとってはそれほど重要ではないことも、当業者によって理解される。

受取器１０２は、テスト用回路の作製で用いられるものと同じ作製プロセス技術を用いて製造しても良い。製造プロセスの初期にウェハをプローブすることができるため、ウェハの前面上に配置される受取器に光を結合できることを理解されたい。したがって光学刺激源は、シリコンによって強く吸収される１μｍ未満の波長の光を用いて動作しても良い。光学的刺激源１０１および光学的受取器１０２の他のデザインを用いても良い。たとえば、高出力のピグテール型レーザ・ダイオード源を、標準的なテーシス（Thesys）の１．５μｍのｎ−ウェル・プロセスを用いて製造される種々のタイプの光ダイオード受取器とともに用いる光信号注入方式が、Ｈ．Ｈ．バーガー（H. H. Berger）ら、「ウェハ上の集積回路のコンタクトレス機能テスト（Contactless Function Test of Integrated Circuits on the Wafer）」、第２２回テスティングおよび故障解析国際シンポジウム（22^nd International Symposium for Testing and Failure Analysis）、１９９６年、１１月１８〜２２日、ロサンゼルス、カリフォルニアの会議録において、詳細に説明されている。なおこの文献は、本明細書において参照により取り入れられている。Ｆ．エスファハーニ（F. Esfahani）らによる論文、「高速ＣＭＯＳ回路に対する小面積光入力（Small Area Optical Inputs for High Speed CMOS Circuits）」、第９回ＩＥＥＥ国際年次ＡＳＩＣ会議および展示会（9^th Annual IEEE International ASIC Conference and Exhibit）、１９９６年、９月２３〜２７日、ロチェスタ（Rochester）、ニューヨーク（この文献は、本明細書において参照により取り入れられている）では、可視光領域で感度が良いＣＭＯＳタイプのオン・チップ光ダイオードを用いてウェハまたはパッケージ・レベルにおいて集積回路内へ信号を光学的に注入する他の技術が示されている。本発明の技術の一態様においては、シリコンによる吸収効率が高い短い波長（＜１μｍ）の光源を用いても良いことを理解されたい。

本発明の一実施形態においては、刺激源１０１によって生成される電磁エネルギーによって光信号受取器１０２内に誘起される電気テスト信号を、テスト用回路１０９に印加する前に、増幅、コンディショニング、またはバッファリングしても良い。こうするために、前述のウェハ１０３上に配置される集積回路は、任意の信号増幅、バッファリング、およびコンディショニング回路（図１には示さず）を含んでいても良い。このような回路をデザインおよび具体化するための方法は、当該技術分野において良く知られている。たとえば、好適な信号コンディショニング回路の一実施形態が、Ｈ．Ｈ．バーガーらによる前述の論文の中で説明されている。

電気テスト信号がテスト用回路１０９内へ注入されることによって、応答による電気作用が内部に誘起される。テスト用回路が適切なデザイン仕様に従って動作するかどうかを決定するために、前述のテスト信号によって回路内に誘起されるこのような応答によるわずかな電気作用も検出および測定する必要がある。集積回路内の種々の電気信号を検出および定量測定するための最新技術が、数多く開発されている。具体的には、応答による電気作用を、集積回路の種々のコンポーネントによって放出されるフォトンを検出することで、測定しても良い。検出されるフォトン放出に基づいて回路内の電気作用を測定する方法は、当該技術分野において良く知られている。前述の方法の典型的な実施形態は、クラーナ，Ｎ．（Khurana, N.）およびＣ．Ｌ．チアン（C. L. Chiang）、「ゲート・エミッション顕微鏡による製品ホット・エレクトロン問題の分析（Analysis of Product Hot Electron Problems by Gated Emission Microscopy）」、国際信頼性物理学シンポジウム（International Reliability Physics Symposium）（ＩＲＰＳ）１９８６年の会議録、および米国特許第５，９４０，５４５号明細書において説明されている。なおこれらの文献は、本明細書において参照により全体として取り入れられている。

図１に示す実施形態においては、電気テスト信号によってテスト用回路１０９内に誘起される電気作用を、電気作用検出装置１１０を用いて検出および測定する。前述の電気作用検出装置１１０の典型的な実施形態は、テスト用回路１０９から発散されるフォトン放出を検出するためのホット・エレクトロン放出検出器１１１を備える。電気作用検出装置１１０の放出検出器１１１は、集積回路１０９によって生成される極めて弱い発光を検出できる必要がある。こうするために放出検出器１１１は、最初に入力発光信号を増幅して、従来の手段による検出に適した振幅にしても良い。こうするために、放出検出器１１１の入力段階に、適切な光信号インテンシファイアを備えていても良い。好適な信号インテンシファイアとしては、時間分解を行なうフォトン・カウンティング検出器、たとえば光電子増倍管（ＰＭＴ）、またはガイガー・モードで動作するアバランシェ・フォトン検出器（ＡＰＤ）が含まれていても良い。

ＰＭＴおよびＡＰＤ検出器を用いるフォトン検出技術は、当業者には良く知られている。これらの光検出デバイスの典型的な実施形態は、Ｓ．チャーボネアウ（S. Charbonneau）、Ｌ．Ｂ．アラード（L. B. Allard）、Ｊ．Ｆ．ヤング（J. F. Young）、Ｇ．ディック（G. Dyck）、Ｂ．Ｊ．カイル（B. J. Kyle）、レビュー・オブ・サイエンティフィック・インスツルメンツ（Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．）（６３、５３１５、（１９９２））に記載されている。これらのデバイスは、多くの供給業者、たとえばクァンタ・テクノロジ（Quantar Technology）社（サンタ・クルーズ（Santa Cruz）、カリフォルニア）から市販されている。図１において数字１１７で示される光学フィルタが、刺激源１０１によって生成された光信号が検出器１１１に入ることを防ぐために、設けられている。フィルタ１１７は、光学干渉フィルタであっても良い。本発明の一実施形態においては、フィルタリングを容易にするために、光学的刺激源１０１によって生成される光信号の周波数を、集積回路の放出スペクトルとは異なるように設定する。フィルタ１１７の伝達特性を、刺激源１０１によって生成される光を妨げることができる一方で、集積回路によって放出される光に対しては実質的に透明となるように選択しても良い。たとえば、刺激レーザの波長は４００ｎｍとすることができる。この波長は、市販のパルス・ダイオード・レーザ、たとえばポリテック（Polytec）ＰＩによって製造されるもの、を用いて生成することができる。一方で、検出される放出波長スペクトルは、ＩｎＧａＡｓシングル・フォトン・アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）を用いて、１．０μｍと１．５μｍとの間にすることができる。

集光レンズ１０８によって、発光検出およびテスト構造画像の取得が容易になる一方で、チューブ・レンズ１２０によって、テスト構造の照明が制御される。フィールド・レンズ１１９は、テスト構造１０９の上面の中間画像をフィールド・アパーチャ１１６の面内に形成することによって、検出器１１１の視野の幅を制御する。システム制御モジュール１２２は、タイミング、画像取得、ウェハの位置決めなどを制御することによって、装置の動作全体を制御する。電源モジュール１２１によって、テスト用回路に電力が供給される。

当業者であれば、放出検出器１１１はイメージングであっても良いし、同様にノン・イメージングであっても良いことが理解される。具体的には、イメージング検出器１１１であれば、集積回路１０９の表面領域全体に渡っての放出フォトン信号の強度の空間分布を示す情報が得られる。このようなイメージング・システムは、時間分解を行なっても良いし、または回路内の通常の事象よりも長い（たとえば１００ｐｓよりも長い）時間に渡って入射フォトン・フラックス量の全体を収集しても良い。フォトン放出についての空間的な情報が得られるイメージング・システムとすることで、光学系の視野全体の中の放出源からフォトンを同時に収集することができる。その結果、システム・スループットが増加して、テスト用回路についてのより包括的な情報が得られる可能性がある。イメージング放出検出器の一例は、タイミング出力の全くない位置敏感フォトン検出器、たとえば冷却シリコン電荷結合素子（ＣＣＤ）検出器、または冷却水銀カドミウム・テルル（ＭＣＴ）検出器である。前述した電荷結合素子（ＣＣＤ）検出器、水銀カドミウム・テルル（ＭＣＴ）検出器、加えて他の好適な位置敏感フォトン検出器のデザインおよび動作方法は、当業者には良く知られている。電荷結合素子（ＣＣＤ）検出器を用いる集積回路イメージング・システムの一例が、米国特許第５，９４０，５４５号明細書に詳細に記載されている。なおこの文献は、本明細書において参照により全体として取り入れられている。

一方で、ノン・イメージング放出検出器１１１とすることで、放出信号の強度およびおそらくタイミング分布についての情報が得られるが、その空間分布については得られない。ノン・イメージング放出検出器の一例は、非位置敏感フォトン検出器、たとえば光ダイオードまたは光電子増倍管である。

本発明の診断技術の一実施形態においては、放出検出器１１１を、時間分解の仕方で動作するように用意しても良い。用語「時間分解放出検出器」は、本明細書で用いる場合、数ある情報の中でも検出信号のタイミング特性についてのデータを取得する放出検出器を指す。放出信号の前述のタイミング特性には、信号の強度の時間分布、またはその時間および空間分布を組み合わせたものが含まれる。

時間分解放出検出器の１つの典型的な実施形態は、ゲート放出検出器、たとえばマイクロ・チャネル・プレート（ＭＣＰ）光電子増倍管である。具体的には、ゲート放出検出器は、ゲート信号によって規定される所定の時間間隔の間のみ入力放出信号を収集するようにデザインされている。ゲーティングは、たとえばゲート信号を用いて前述のマイクロ・チャネル・プレート（ＭＣＰ）光電子増倍管の高電圧電力を制御することによって具体化しても良い。ゲート信号は、外部ロジックによって検出器に供給され、入力テスト信号に対して時間的に所定の関係で位置づけられる。ゲート信号とテスト信号との間の相対的な時間遅延を変えることによって、入力テスト信号に応答する集積回路のタイミング特性を詳しく調べることできる。したがって光源１０１のパルスと、検出器１１１に供給されるゲート信号との間の時間遅延を変えることによって、本発明の診断システムは、テスト用回路のタイミング特性についての情報を取得しても良い。

前述のノン・イメージング時間分解検出器の典型的な実施形態としては、しかしこれらに限定されないが、インジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）またはシリコン（Ｓｉ）シングル・フォトン・アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）が挙げられる。あるいは、超伝導ホット・エレクトロン・ボロメーターも、この目的のために用いることができる。ノン・イメージング時間分解放出検出器によるフォトンの吸収によって、測定可能な電圧パルスが生成され、この電圧パルスを用いてタイミング回路を開始または停止させることができる。こうするために、テスト信号を与える刺激光源１０１と、テスト信号に対する回路応答を測定する時間分解放出検出器１１１とを、同じタイムベースを用いて同期させても良い。

イメージング時間分解検出器の一例は、イメージ・インテンシファイア（いくつかの製造業者たとえばハママツ・フォトニクス（浜松、日本）から入手できる）、または抵抗性アノード位置読み出し付きの光電子増倍管（いくつかの製造業者、たとえばクァンタ・テクノロジ（サンタ・クルーズ、カリフォルニア）およびフォテック（Photek）社（イースト・サセックス（East Sussex）、英国）から入手できる）である。このようなイメージング時間分解検出器によって、検出フォトンの時間および位置の両方が得られるため、テスト用回路（ＣＵＴ）の領域を同時に分析することができる。

時間分解フォトン検出器のデザインおよび動作方法は、当業者には良く知られている
本発明の診断システムの他の実施形態においては、放出検出器１１１は非時間分解放出検出器であり、たとえば前述の冷却シリコン電荷結合素子（ＣＣＤ）および水銀カドミウム・テルル（ＭＣＴ）検出器アレイである。タイミング分解をしないフォトン敏感検出器を用いて、空間放出測定または全フォトン放出測定を行なっても良い。

集積回路内の応答による電気作用の検出および測定を、レーザ・ベースの波形サンプリング・システムを用いて具体化しても良い。このようなシステムの一例は、米国特許第５，９０５，５７７号明細書に記載されている。なおこの文献は、本明細書において参照により取り入れられている。具体的には、回路内の電気信号の波形を、レーザ・ビームをテスト用デバイス（ＤＵＴ）上にフォーカスして反射ビームを検出することによって、詳しく調べても良い。反射ビームは、ＤＵＴ内の電気信号についての情報を伝える。この情報を、反射ビームの振幅、位相、および／または偏光変調の形態でエンコーディングしても良い。反射レーザ・ビームの電気的に誘起された変調特性を分析することによって、システムはテスト回路内の電気信号の特性を決定しても良い。このようなレーザ・プロービング・システムの信号対雑音比を増加させるために、追加の参照レーザ・ビームを設けて、前述の２つのビームの振幅比を用いて波形分析を行なうことが好ましい。レーザ・プロービング・システムの他の例が、米国特許第５，８７２，３６０号明細書に詳細に記載されている。なおこの文献は、本明細書において参照により取り入れられている。記載されたシステムでは、シリコンなどの半導体のバンド・ギャップに近い波長のレーザ・ビームが、Ｐ−Ｎ接合上にフォーカスされている。照射される接合に外部電界を印加すると、電界吸収現象のために、照射されるレーザ光の光吸収の度合いが変化する。開示されたシステムでは、接合を通過するレーザ光の特性を測定して、接合における電気信号の特性を再構成している。レーザ・サンプリング・システムの他の多くのデザインが当業者には良く知られており、これらのデザインを、回路内の応答による電気作用を分析するために用いても良いことに注意されたい。

好適なレーザ・ベースのプロービング・システムのさらなるデザインが、以下の文献に記載されている。ヘメンウェイ（Hemenway）、ハインリッヒ（Heinrich）ら、「マルチモード・レーザ・ダイオード・プローブを用いたシリコン集積回路内の電荷変調の光学的検出（Optical Detection of Charge Modulation in Silicon Integrated Circuits Using a Multimode Laser-Diode Probe）」、ＩＥＥＥ電子デバイス・レターズ（IEEE Electron Device Letters）、第ＥＤＬ８巻、第８号、１９８７年、８月、ハインリッヒ、パクダマン（Pakdaman）ら、「フリップ・チップ・パッケージ・シリコンＶＬＳＩ回路内のピコ秒内部ゲート遅延の背面光学的測定（Backside Optical Measurements of Picosecond Internal Gate Delays in a Flip-Chip Packaged Silicon VLSI Circuit）」、ＩＥＥＥフォトニクス技術レターズ（IEEE Photonics Technology Letters）、第３巻、第７号、１９９１年７月、ハインリッヒ、パクダマンら、「フリップ・チップ搭載されたシリコンＶＬＳＩ回路内の内部信号のピコ秒背面光学的検出（Picosecond Backside Optical Detection of Internal Signals in Flip- Chip Mounted SiliconVLSI Circuits）」、マイクロ電子工学（Microelectronic Engineering）、第１６巻、ｐ．３１３−３２４、エルセビア（Elsevier）、１９９２年、ならびに米国特許第４，７５８，０９２号明細書、第５，９０５，５７７号明細書、および第５，８７２，３６０号明細書。列挙された開示物および特許文献はすべて、本明細書において参照により全体として取り入れられている。また、ある条件下では、レーザ・プロービングは、静電容量の小さいデバイス（たとえば０．１３μｍ未満の技術を用いて作製されたもの）またはシリコン・オン・インシュレータ・タイプのデバイスには、適してはいないことにも注意されたい。と言うのは、レーザをバンド・ギャップ付近で調整すると、過剰なリーク電流を発生させる可能性があるからである。

本発明の技術の他の実施形態においては、電気作用検出装置が、電子ビーム・プローブに基づいていても良い。具体的には、テスト用回路の所定の領域を、一次電子のビームを用いて照射しても良い。電子検出器をウェハ近傍に設けて、被テスト回路から発生するわずかな二次電子放出も記録および測定するようにしても良い。この放出情報を用いて、回路内の応答による電気作用を決定しても良い。より詳細には、電子ビームに露出された金属ラインによる二次電子の放出は、そのラインに印加された電圧に依存する。したがってライン上の電圧は、二次電子放出に関係づけて決定することができる。二次電子放出を時間分解して記録することによって、時間の関数としてのライン上の電圧を部分的に再構成することができる。電子ビーム・プロービング技術は、当業者には良く知られており、Ｌ．Ｃ．ワグナー（L. C. Wagner）編、「集積回路の故障解析（Failure Analysis of Integrated Circuits）」、道具および技術（Tools and Techniques）（クルワー・アカデミック出版（Kluwer Academic Publishers）１９９９年）に記載されている。しかしこのようなシステムは、周囲に真空を維持することが必要となる場合があり、製造プロセスによってはそれほど適用には向いていないこともある。

当業者であれば、電気作用検出装置の説明した実施形態は、電気的に無負荷（または最小限の負荷）で機械的にコンタクトレスな方法で動作することが分かる。具体的には、フォトン放出さらにはレーザおよび電子ビーム・プロービングに基づいて集積回路内の電気作用を検出する前述の手段は、プローブを集積回路に対して機械的にも容量的にも結合する必要がない。したがって電気作用検出装置を結合する説明した方法は実質的に、テスト用回路内の電気的負荷もインピーダンスも変えることがない。このような機械的にコンタクトレスな結合および信号検出の技術は、引き起こされる回路の電気的負荷が最小限であるかまったく無いので、本明細書では、電気的に無負荷な結合および電気的に無負荷な信号検出と呼ぶ。

あるいは、テスト用回路内の電気作用の検出を、機械的プローブを用いて、集積回路の表面上に配置された導電性パッドまたはコンタクトと機械的にはめ合わせてそれらと電気接続を確立するようにして、行なっても良い。このような機械的プローブを、適切な信号分析回路の入力に電気的に接続する。当業者であれば容易に分かるように、このような結合では、機械的プローブを当てた位置において回路のインピーダンスが変わる場合がある。

さらに他の実施形態においては、電気光学結晶を、電圧を測定するウェハ上の金属ラインに空間的に近接させて配置することができる。金属ラインに電圧が印加されると、結晶内の電界が変化する。前述した電界の変化によって、次に結晶の光学特性が変化する。結晶の光学特性は、金属ライン上の電圧を示しており、好適な光学系を用いて好適なレーザ・ビームを結晶上に送ることによってプローブすることができる。この技術は、米国特許第４，６８１，４４９号明細書に詳細に記載されている。なおこの文献は、本明細書において参照により取り入れられている。

最後に、電気作用を、プローブとテスト回路との容量結合を用いて検出することができる。より詳細には、平坦な導電性プローブを、集積回路の表面上のパッドまたはコンタクトに空間的に近接させて配置して、機械的なはめ合いを行なうことなく２つの間の容量結合を形成するようにしても良い。この目的のために、プローブの平坦な表面を、集積回路の表面に対して実質的に平行にアライメントしても良い。機械的プロービング方法と同様に、この結合技術は、集積回路内のインピーダンスおよび／または電気負荷の変化を引き起こす場合があり、したがって回路性能に影響を及ぼす場合がある。

ナビゲーション中に適切なテスト構造１０９をウェハ１０３上に配置することを助けるために、ウェハ１０３の表面を照明光源１１２を用いて照明しても良い。光源１１２によって生成される照明光を、ミラー１１８によってウェハ１０３に向けて送る。たとえば照明光源１１２を、光ファイバ技術を用いて具体化しても良い。図１に示した本発明の診断システムの一実施形態においては、テスト構造１０９の画像が、ウェハ１０３の表面によって反射される前述の照明光内に生成され、アレイ・カメラ１１３によって記録される。画像の取得が容易になるように、カメラ１１３にビーム・スプリッタ１１４とチューブ・レンズ１１５とが取り付けられている。要素１１８および１１４は、回路内の電気作用の検出中に光学系の軸から取り外して、ナビゲーション中に再び挿入しても良い。カメラ１１３によって形成されるウェハの画像をさらに、既知の種々の画像解析またはパターン認識の技術を用いて処理して、適切な回路がウェハ上で位置確認されるようにしても良い。

注入されたテスト信号を、テスト用回路（ＣＵＴ）に直接結合することもできるし、または増幅、コンディショニング、もしくはバッファリングして信号振幅およびエッジの鋭さを高めることもできる。テスト信号は、適切な光ビーム・スプリッタおよびレンズ構成を用いて、回路の１つまたは複数の位置に注入することができる。あるいは、複数の光学刺激源を用いることができる。テスト回路は、ダイ間とすることもできるし、ダイ内とすることもできる。ダイ間回路は通常、ウェハ全体に渡って間隔を置いて配置されている。これらを用いて、ウェハに渡ってプロセスおよび性能の変化をモニタすることができる。ダイ内回路は、ダイ内のプロセスおよび性能パラメータの変化をモニタするために用いることができる。このような変化としては、これらに限定されないが、閾値電圧、リーク電流の変化、加えて動的な回路挙動、たとえば信号立ち上がり時間を挙げることができる。

テスト用回路内に注入された電気テスト信号によって、応答による電気作用が内部に誘起される。テスト用回路が適切なデザイン仕様に従って動作するかどうかを決定するために、前述のテスト信号によって回路内に誘起されるこのような応答によるわずかな電気作用も検出および測定する必要がある。集積回路内の種々の電気信号を検出および定量測定するための最新技術が、数多く開発されている。具体的には、応答による電気作用を、テスト用集積回路の種々のコンポーネントによって放出されるフォトンを検出することで、測定しても良い。

通常の動作条件下では、集積回路内の種々の供給源からフォトンが放出され得る。フォトン放出メカニズムとしては、これらに限定されないが、以下のものを挙げることができる。（１）トランジスタ・ゲートと基板または拡散領域の何れかとの間のゲート酸化膜リークからの放出、（２）順方向バイアスされたｐｎ接合からの放出、（３）通常のスイッチング動作中の飽和状態のＭＯＳトランジスタからの放出、（４）開回路によって生じる飽和状態のＭＯＳトランジスタからの放出、（５）逆バイアスされた接合におけるトンネリングからの放出、（６）電子−正孔再結合からの放出。

集積回路内の特定の局所化された供給源からの放出を分離して検出することによって、注入されたテスト信号に応答する集積回路の挙動について結論を出すことが可能となる場合がある。たとえば、Ｐ．ベルッティ（P. Bellutti）らによる論文、「ＭＯＳダイオードからのファウラー・ノードハイム誘起発光（Fowler Nordheim Induced Light Emission From MOS Diodes）」、マイクロエレクトロン・テスト構造に関するＩＥＥＥ国際会議（IEEE International Conference on Microelectron Test Structures）、モンテレイ、カリフォルニア、２０００年３月１３〜１６日の議事録（この文献は本明細書において参照により取り入れられている）では、ゲート・リーク電流からのフォトン放出に基づいて、具体的にはゲート・ポリシリコンから酸化物層を通してシリコン内部へ至るファウラー・ノードハイム・トンネリングに基づいて、集積回路の挙動を調べる方法が記載されている。すでに詳述したように、本発明の一実施形態では、このような放出を時間分解フォトン・カウンティング検出器を用いて検出する。検出されたフォトン放出に基づいて、ゲート内のリーク電流の値を計算する。加えて、本発明の診断システムでは、ＭＯＳＦＥＴ構造の動的な放出を測定して、タイミング、ドレインおよび基板電流、さらには集積回路の他の特性を詳しく調べても良い。このことは実質的に、以下の文献に記載されている。Ｔ．オーゾネ（T. Ohzone）、Ｍ．ユザキ（M. Yuzaki）、Ｔ．マツダ（T. Matsuda）ら、「動的な動作中のｎ−ＭＯＳＦＥＴ内でのホット・キャリア誘起の光電子放出についての研究（A Study on Hot- Carrier-induced Photoemission in n-MOSFETs Under Dynamic Operation）」、マイクロエレクトロン・テスト構造に関するＩＥＥＥ国際会議、モンテレイ、カリフォルニア、２０００年３月１３〜１６日の議事録、ｐ．７５。なおこの文献は、本明細書において参照により取り入れられている。

テスト用回路の領域を分離することは、イメージング検出器を用いることによって、または光学的検出システム１１０内にアパーチャ１１６を設けて他のサイトからの放出を遮ることによって行なうことができる。フォトン放出のタイミングの検出は、放出検出器１１１によって、光学的刺激源１０１により生成されて回路内へ注入される信号のタイミングに対して行なわれる。こうするために、システムは、時間−振幅変換器（ＴＡＣ）または同様の他の精密なタイミング・デバイスを含んでいても良い。フォトン放出データの分析は、多くの方法で行なうことができる。たとえば、これらに限定されないが、以下のうちの１つまたは複数が挙げられる。（１）遷移事象のエッジ−エッジ・タイミング、（２）全フォトン放出、（３）ピークにおけるフォトン放出、（３）既知の良好なまたはシミュレートされたＣＵＴ放出と比較したＣＵＴ放出の形状、（５）フォトン放出源を探すための放出のスペクトル特性（スペクトル測定のために付加的な時間が必要となる場合がある）、（６）デバイス・バイアス変調用に刺激源を用いた場合の放出変調の強度。時間分解の放出検出器を用いた集積回路テスティング・システムの典型的な実施形態が、前述の米国特許第５，９４０，５４５号明細書に詳しく記載されている。

図２に、本発明の診断技術を用いるプロセス・モニタリング・システム２００の典型的な実施形態のレイアウト・ダイアグラムを例示する。このようなシステムは、集積回路の作製ライン内に設置しても良い。図において、ウェハ２０４がウェハ・ハンドリング手段２１０によって診断用に搬送される。ウェハ・ハンドラ２１０によって自動的に、ウェハ２０４が、ＸＹＺステージ２０２および２０３上に装着される。ＸＹＺステージ２０２および２０３は、ステージ制御器２０７によって制御される。ＸＹＺステーション２０２および２０３は、フレーム２０１上に搭載されていて、プローブ・カード２０５に対する所定の方位へのウェハ２０４の位置決めを行なう。またウェハ２０４上の種々のサイトのプロービングが容易になるように、ステージを用いてウェハを移動させても良い。プローブ・カード２０５は、光学的結合部材（図示せず）を備えており、ウェハ２０４上へ照射光を送っても良い。加えて、プローブ・カード２０５は、刺激光信号をテスト用回路の所定の領域上へ送っても良い。刺激光信号は、パルス光源たとえばレーザ・システム２０９によって生成しても良い。またプローブ・カード２０５は、テスト用回路によって生成されたフォトン放出を収集しても良い。従来の機械的プローブ・チップ２１１を用いて、ＤＣ電力を回路に供給する。説明した実施形態においては、ウェハ２０４を、温度制御された表面（図示せず）上に配置して、温度に依存する研究を行なっても良い。診断システムの動作全体は、システム・エレクトロニクス２０８によって制御される。

図３に、本発明の原理に従うテスト信号の注入および検出方法の典型的な実施形態を示す。電力および接地が、従来のプローブ・ピン３０１および３０２によって、パッド３０３および３０４にそれぞれ与えられている。パッド３０３および３０４は、集積回路の金属層Ｍ１、金属層Ｍ２、またはさらに高い金属層の一部を含んでいても良い。電気テスト信号を、刺激放射のビーム３０５を用いて回路内へ注入する。刺激放射のビーム３０５は、パルス・レーザ源３２１によって生成されて、ウェハ３０７上に配置された受光器３０６上に当たる。こうするために、パルス・レーザ源３１９は、受取器３０６に対する光学的アクセスを有していても良い。電気テスト信号を、バッファ回路３０８〜３１１を用いてバッファリングして、テスト用回路３１２内へ送っても良い。回路３１２からのフォトン放出信号３１３および３１４は、時間分解フォトン検出器３１５によって検出されて、時間分解フォトン放出信号（固有放出）が検出器内に生成される。フォトン放出に対して最適化された特別な構造３１６〜３１８を用いて、信号取得時間をスピード・アップしても良い。本発明の一実施形態においては、前述の特別な構造３１６〜３１８は、大きなロジック・インバータまたは相当に高い（Ｖｄｄよりも高い）バイアス電圧モードで動作するトランジスタを含んでいても良い。特別な構造３１６〜３１８によって、生成されるフォトン放出３１９は増加する。またフォトン放出３１９は、光学的入力−出力モジュール３２０内に配置された時間分解検出器３１５によって検出される。

図４および５に、本発明のハイブリッド型光電気プローブ・カード４０１の典型的な実施形態を示す。図示したプローブ・カードの実施形態は、電力およびテスト信号の両方をテスト用回路に与えるようにデザインされた。こうするためにプローブ・カード４０１は、標準的な機械的プローブ・チップ４０２および４０３を備えて、テスト用回路内のコンタクト領域と機械的にはめ合ってＤＣ電圧をそこに供給するようになっている。プローブ４０２および４０３は、それぞれ導電性ワイヤ４０４および４０５を用いて、適切な電源電圧源と接続されている。またプローブ・カード４０１は、ウェハ５０１上に配置された集積回路と光学的な接触を確立するために、光学的アクセス部材たとえば４０６、４０７、５０５、および５０６を含んでいても良い。光信号が、光ファイバ５０２、５０３、および５０４を介して、プローブ・カードとの間で送信される。光学部材４０６および４０７は、前述の光ファイバ５０２、５０３、および５０４の端と、さらにはファイバ端から好適な距離で配置されたフォーカシング・レンズ５０５および５０６とを、固定するための手段（図示せず）を含んでいる。固定は、フォーカシング・レンズを通して結合された光がウェハ上の受取器上に集まるように行なわれる。本発明のプローブ・カードの示された実施形態は、プローブ・チップ４０２および４０３によって光学的アクセス部材４０６、４０７、５０５、および５０６が遮られることを回避するように、デザインされている。代替的な実施形態においては、連続波（ＣＷ）レーザをウェハ上の受光器に光学的に結合することによって、電力および対応する接地をテスト用回路に与えても良い。

図６および７に、開口する光学的アクセス６０２を有する本発明のハイブリッド型光電気プローブ・カード６０１の他の典型的な実施形態を示す。図示した実施形態においては、フォーカシング・レンズ７０２が、プローブ・カード６０１の上方に搭載されている。光ビーム７０３が、光ファイバ７０４を経由してプローブ・カードに送られて、フォーカシング・レンズ７０２によってウェハ５０１の表面上にフォーカスされる。この光は、プローブ・カード６０１の光学的アクセス開口部６０２を通過する。この実施形態においては、プローブ・カード６０１は、フォーカシング・レンズとファイバ・アセンブリ７０２および７０４とに対して、移動しても良いことを理解されたい。

図８に、本発明の診断測定値取得回路８００の典型的な実施形態の概略的なダイアグラムを示す。一連のテスト・パルスを任意の負荷サイクルで生成するために、２つのモードロック・レーザ８０１および８０２を用いることができる。一方は、パルスの立ち上がりエッジの規定を（８０１）、他方は、パルスの立下りエッジの規定を（８０２）、図示した方法で行なうためのものである。あるいは、単一のモードロック・レーザを用いて固定幅のパルスを生成することもできるし、またはモードロック・レーザ・パルスをスプリットして、第２のレーザ・ビームに遅延を加えることもできる。図８に示したシステムでは、レーザ８０１および８０２によって生成された光信号を、ＥＯ変調器スイッチ８０９および８１０を用いて変調しても良い。レーザ・パルス８１１および８１２を、ウェハ８２２上に配置された受光器８１３および８１４によって検出する。結果として生じる電気信号を、バッファ８１５および８１６を用いてコンディショニングする。２つの出力ロジック・パルスを、「ＡＮＤ」ゲート８０３において結合してパルスを生成し、このパルスをテスト用回路８０４内へ入力する。テスト信号周波数で動作するゲート発生器８０５が、ＥＯ変調器８０９および８１０用のゲート・パルスを発生させる。またゲート発生器８０５は、ＩｎＧａＡｓシングル・フォトン・アバランシュ検出器（ＳＰＡＤ）８０７用のトリガ発生器８０６に対してタイミング信号を与え、また時間−振幅変換器（ＴＡＣ）８０８用の停止パルスも与える。図示したように、レーザ８０１および８０２のタイムベースと、検出器トリガ発生器８０６のタイムベースとは、一緒にロックされている。テスト回路のゲート８１７〜８１９から、フォトン信号が放出される。これらのフォトン信号は、シングル・フォトン・アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）８０７によって検出される。フォトン放出に対して最適化された特別な構造８２０および８２１を設けて、信号取得時間をスピード・アップしても良い。時間−振幅変換器８０８から、テスト用回路８０４のタイミング特性についての情報が得られる。

本発明の測定技術は、集積回路デバイスの生産ライン内で用いても良い。説明した診断システム内へ、ウェハを自動的に装着しても良い。前述したように、診断システムは、テスティング前に、標準的な電気プローブ・ピンを通してテスト用回路に対する電力および接地の接続を与えても良い。

テスト用回路のパラメータの測定を行なうためには、テスト用回路を最初にウェハの表面上で位置確認しなければならず、またウェハを、光電気プローブ・カードに対して所定の位置に回路が配置されるように、移動させなければならない。具体的には、テスト用回路の受取領域と放出領域とを、プローブ・カードの対応する領域とアライメントしなければならない。ウェハ上の回路の正確な位置を、当業者に良く知られた多くの好適な技術を用いて決定しても良い。このように回路をウェハ上で位置確認する方法の１つは、光学的パターン認識技術である。テスト用回路をプローブ・カードとアライメントするために、ウェハを可動ＸＹＺステージ上で位置合わせしても良い。ＸＹＺステージは、コンピュータ制御することができる。

いったん回路を、ウェハ上で位置確認して、必要な何らかの光学的および／または機械的接続を確立するように、プローブ・カードに対して所定の方法で適切にアライメントしたら、光学的刺激システムによって、変調されたテスティング信号がテスト用回路内へ注入される。この信号によって、応答による電気作用が回路内で生じる。テスト用回路の動作中に放出されるフォトンを、電気作用検出装置によって記録する。テスト用回路の特性を、検出されたフォトン信号に基づいて決定する。フォトン信号は、回路内の応答による電気作用を示す。

説明した測定は、種々の条件下で行なっても良い。具体的には、前述した集積回路の診断を、種々の回路温度において、さらには種々の刺激周波数、負荷サイクル、パターン、または電圧振幅を用いて、行なっても良い。加えて、説明した診断技術を用いて、供給電源の電圧に対する集積回路の性能特性の依存性を詳しく調べても良い。

本明細書で説明した本発明の診断技術を、最新の集積回路デバッグ応用例で用いても成功し得ることが、当業者によって理解される。このような応用例としては、これらに限定されないが、以下のものが含まれていても良い。（１）ゲート遅延および速度性能の研究、（２）デバイス消費電力の測定、（３）導体クロストークおよび配線容量の研究、（４）リーク電流の測定、（５）ＯＦＦ電流の測定、（６）ゲート酸化膜の完全性の確認、（７）抵抗性の相互接続およびビアの特性のテスティングおよび測定。

本発明のテスティングのコンセプトは、他の重要な応用例を見出すこともできる。たとえば、いわゆるシリコン・デバッグ手順において、集積回路のソフトウェア・モデリングが正確であることを保証するために、生産環境内のウェハ上で測定を行なうことである。加えて、本発明の技術は、速度および消費電力などの意図された回路性能パラメータをプロセスが実現することを保証するために、作製プロセス・モニタリングおよび自動プロセス制御（ＡＰＣ）におおける応用例を見出すことができる。

種々の変更、置換、および変形を、本発明のシステムおよび方法において、さらには本発明のエンジニアリングの具体化において、本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく行なえることが、当業者には明らかである。

前述したように、電気作用検出技術の正確な性質は、本発明にはとってはそれほど重要なことではない。具体的には、テスト用回路によって放出されたフォトンは、フォトン・カウンティング、時間分解検出器を用いて検出しても良い。あるいはフォトンを、非時間分解検出器、たとえば冷却シリコン電荷結合素子（ＣＣＤ）検出器、または液体窒素冷却水銀カドミウム・テルル（ＭＣＴ）検出器で、検出しても良い。前述の電荷結合素子（ＣＣＤ）検出器、さらには水銀カドミウム・テルル（ＭＣＴ）検出器は、当業者には良く知られており、市販されている。

他の実施形態においては、すでに詳述したように、集積回路内の電気作用を、レーザ・プローブ、機械的プローブ、または電子ビーム・プローブを用いて測定しても良い。フォトン信号、静的放出信号、またはレーザ・プローブ信号を分析して、デバイスの性能についての情報が得られる。

図示してはいないが、他の具体化においては、光学的刺激信号を、ＤＣパラメータのテスティングと組み合わせることができる。ＤＣパラメータのテスティング技術は、当該技術分野において良く知られている。このような組み合わせ測定システムの具体化には、前述のコンポーネントの全部または一部、加えてさらなるプローブ・チップおよびＤＣパラメータの測定を行なうための測定機器が、含まれていても良い。他の実施形態においては、光学的に注入された信号を用いて、ＤＣバイアスの種々の組み合わせを伴ってまたは伴わずに、回路内で高速の小信号変調を行なうことができる。

また、集積回路テスティング・プロセスで使用しても良い特別な構造は何れも、その後のソーイングまたはダイシング操作において被テスト集積回路から分離されるウェハ領域に配置しても良いことに注意されたい。具体的には、前述のコンタクト、パッド、バッファ、増幅器、さらには発光および受光構造を、たとえば集積回路の作製プロセスのソーイング段階で除去されるウェハのダイ間部品内に配置しても良い。

最後に、本発明の診断技術を用いて、作製プロセスの種々の段階で集積回路をテストしても良いことが当業者には明らかになる。具体的には、部分的に処理された半導体ウェハを、集積回路生産サイクルの何れかの適切なステップを施した後に、本明細書で説明した原理に従って診断してテストしても良い。さらに、機能的に完全な集積回路のテスティングを、パッケージングの前に行なっても良いし、パッケージングの後で行なっても良い。

本明細書で説明したプロセスおよび技術は、特定の何れかの装置に本来的に関係しているわけではなく、好適であればコンポーネントのどんな組み合わせによって具体化しても良いことを理解されたい。さらに、種々のタイプの多目的デバイスを、本明細書で説明した教示に従って用いても良い。また本明細書で説明した方法ステップを行なうために、専用の装置を作製することが有利であると分かるかも知れない。

本発明を、特定の実施例に関して説明してきたが、これらは、あらゆる点において、説明するためであり限定するためではないことが意図されている。当業者であれば、ハードウェア、ソフトウェア、およびファームウェアの多くの異なる組み合わせが、本発明を実施するのに適していることが分かる。

さらに、本発明の他の具体化も、本明細書で開示した本発明の仕様および実施を考慮して当業者には明らかである。仕様および実施例は単に典型的なものであると考えるべきであり、本発明の真の範囲および趣旨は添付の特許請求の範囲によって示されることが意図されている。

本発明の原理に従う診断システムの典型的な実施形態を示す図である。 本発明の診断技術を用いるプロセス・モニタリング・システムの典型的な実施形態を示すレイアウト・ダイアグラムである。 本発明の原理に従うテスト信号注入および検出の方法の典型的な実施形態を示す図である。 本発明のハイブリッド型光電気プローブ・カードの典型的な実施形態を示す図である。 本発明のハイブリッド型光電気プローブ・カードの典型的な実施形態を示す他の図である。 開口する光学的アクセスを有する本発明のハイブリッド型光電気プローブ・カードの典型的な実施形態を示す図である。 開口する光学的アクセスを有する本発明のハイブリッド型光電気プローブ・カードの典型的な実施形態を示す他の図である。 本発明の診断測定値取得回路の典型的な実施形態を示す概略的なダイアグラムである。

符号の説明

１００…診断システム
１０１…刺激源
１０２…受取器
１０３、２０４、３０７、５０１、８２２…ウェハ
１０４…光学的結合セットアップ
１０５…走査レンズ
１０６…位置調整手段
１０７…対物レンズ
１０８…集光レンズ
１０９…テスト用回路
１１０…光学的検出システム
１１１…検出器
１１２…光源
１１３…カメラ
１１４…ビーム・スプリッタ
１１５、１２０…チューブ・レンズ
１１６…アパーチャ
１１７…フィルタ
１１８…ミラー
１１９…フィールド・レンズ
１２１…電源モジュール
１２２…システム制御モジュール
２００…プロセス・モニタリング・システム
２０１…フレーム
２０２…ＸＹＺステージ
２０５、４０１、６０１…プローブ・カード
２０７…ステージ制御器
２０８…システム・エレクトロニクス
２０９…レーザ・システム
２１０…ウェハ・ハンドリング手段
２１１、４０２…プローブ・チップ
３０１…プローブ・ピン
３０３…パッド
３０５…ビーム
３０６…受光器
３０８、３０９、３１０、３１１…バッファ回路
３１２…テスト用回路
３１５…時間分解検出器
３１９…フォトン放出
３２０…出力モジュール
３２１…パルス・レーザ源
４０４…導電性ワイヤ
４０６…光学部材
４０７…光学的アクセス部材
５０２、５０３、５０４…光ファイバ
５０５…フォーカシング・レンズ
６０２…光学的アクセス開口部
７０２…フォーカシング・レンズ
７０３…光ビーム
７０４…光ファイバ
８００…診断測定値取得回路
８０１…レーザ
８０３…ゲート
８０４…テスト用回路
８０５…ゲート発生器
８０６…トリガ発生器
８０７…シングル・フォトン・アバランシュ検出器
８０８…時間−振幅変換器
８０９、８１０…ＥＯ変調器スイッチ
８１１…レーザ・パルス
８１３…受光器
８１５…バッファ
８１７、８１８、８１９…ゲート

Claims (38)

1. 集積回路の電気特性の測定方法であって、
   刺激エネルギー源を用いて前記集積回路の所定の領域を刺激することによって、前記集積回路内へテスト信号を注入するステップと、
   検出器を用いて、前記注入されたテスト信号に応答する前記集積回路内の電気作用を検出するステップと、
   前記検出された電気作用に基づいて前記集積回路の前記特性を決定するステップと、を含む方法。
2. 前記電気作用の前記検出を、電気的に無負荷な方法で行なう請求項１に記載の方法。
3. 前記テスト信号の前記注入を、前記刺激エネルギー源を前記集積回路の前記所定の被刺激領域と機械的に接触させることなく行なう請求項１に記載の方法。
4. 前記集積回路の前記所定の領域を、前記刺激エネルギー源によって放出される電磁放射のビームを用いて刺激する請求項１に記載の方法。
5. 前記集積回路の前記所定の領域を、前記刺激エネルギー源によって放出される荷電粒子のビームを用いて刺激する請求項１に記載の方法。
6. 前記回路内へ注入される前記テスト信号を、前記集積回路内に配置される信号コンディショニング・デバイスを用いてコンディショニングする請求項１に記載の方法。
7. 前記注入の前に、前記集積回路を、ウェハ上で位置確認して、前記刺激エネルギー源および前記検出器に対して所定の方法で位置づける請求項１に記載の方法。
8. 前記集積回路を前記ウェハ上で位置確認することを、前記ウェハの画像を使用し前記画像の光学的パターン認識分析を実行することによって行なう請求項７に記載の方法。
9. 前記集積回路を前記刺激エネルギー源および前記検出器に対して位置づけることを、機械的ステージを用いて行なう請求項７に記載の方法。
10. 前記注入の前に、前記集積回路に電力を供給する請求項１に記載の方法。
11. 前記集積回路に前記電力を供給することを、前記回路内に受光器を配置して前記受光器をエネルギー・ビームを用いて照射することによって行なう請求項１０に記載の方法。
12. 前記集積回路に前記電力を供給することを、前記集積回路内に配置された少なくとも１つの導電性パッドとはめ合う少なくとも１つの機械的プローブを用いて行なう請求項１０に記載の方法。
13. 前記注入を、前記集積回路の金属層を堆積した後に行なう請求項１に記載の方法。
14. 前記集積回路についてパラメータ測定を行なうステップと、前記パラメータ測定の結果を用いて前記集積回路の特性を決定するステップとをさらに含む請求項１に記載の方法。
15. 前記集積回路内の前記電気作用の検出を、前記集積回路によって放出されるフォトンの非時間分解検出を用いて行なう請求項１に記載の方法。
16. 前記集積回路内の前記電気作用の検出を、前記集積回路によって放出されるフォトンの時間分解検出を用いて行なう請求項１に記載の方法。
17. 前記集積回路内の前記電気作用の検出を、前記集積回路のレーザ・ビーム・プロービングを用いて行なう請求項１に記載の方法。
18. 前記集積回路内の前記電気作用の検出を、前記集積回路内に配置された少なくとも１つの導電性パッドとはめ合う少なくとも１つの機械的プローブを用いて行なう請求項１に記載の方法。
19. 前記集積回路内の前記電気作用の検出を、前記集積回路の電子ビーム・プロービングを用いて行なう請求項１に記載の方法。
20. 集積回路の電気特性の測定装置であって、
    前記集積回路の所定の領域を刺激することによって前記集積回路内へテスト信号を注入するための刺激エネルギー源と、
    前記注入されたテスト信号に応答する前記集積回路内の電気作用を検出する検出器と、を備え、
    前記検出された電気作用に基づいて前記集積回路の前記特性を決定する装置。
21. 前記検出器が、前記集積回路内の前記電気作用を電気的に無負荷な方法で検出するように動作する請求項２０に記載の装置。
22. 前記刺激エネルギー源が、前記集積回路の前記所定の被刺激領域との機械的な接触を設けることなく前記テスト信号を注入するように動作する請求項２０に記載の装置。
23. 前記刺激エネルギー源が、前記集積回路の前記所定の領域を、電磁放射のビームを前記所定の領域上へ送ることによって刺激する請求項２０に記載の装置。
24. 前記集積回路の前記所定の領域を、前記刺激エネルギー源によって放出される荷電粒子のビームを用いて刺激する請求項２０に記載の装置。
25. 前記回路内へ注入される前記テスト信号を、前記集積回路内に配置される信号コンディショニング・デバイスを用いてコンディショニングする請求項２０に記載の装置。
26. 前記注入の前に、前記集積回路を、ウェハ上で位置確認して、前記刺激エネルギー源および前記検出器に対して所定の方法で位置づける請求項２０に記載の装置。
27. 前記集積回路を前記ウェハ上で位置確認することを、前記ウェハの画像を使用し前記画像の光学的パターン認識分析を実行することによって行なう請求項２６に記載の装置。
28. 前記集積回路を前記刺激エネルギー源および前記検出器に対して位置づけることを、機械的ステージを用いて行なう請求項２６に記載の装置。
29. 前記注入の前に、前記集積回路に電力を供給する請求項２０に記載の装置。
30. 前記集積回路に前記電力を供給することを、前記回路内に受光器を配置して前記受光器をエネルギー・ビームを用いて照射することによって行なう請求項２９に記載の装置。
31. 前記集積回路に前記電力を供給することを、前記集積回路内に配置された少なくとも１つの導電性パッドとはめ合う少なくとも１つの機械的プローブを用いて行なう請求項２９に記載の装置。
32. 前記注入を、前記集積回路の金属層を堆積した後に行なう請求項２０に記載の装置。
33. 前記集積回路についてパラメータ測定を行なうためのセットアップをさらに備え、前記パラメータ測定の結果を用いて前記集積回路の特性を決定する請求項２０に記載の装置。
34. 前記集積回路内の前記電気作用の検出を、前記集積回路によって放出されるフォトンの非時間分解検出を用いて行なう請求項２０に記載の装置。
35. 前記集積回路内の前記電気作用の検出を、前記集積回路によって放出されるフォトンの時間分解検出を用いて行なう請求項２０に記載の装置。
36. 前記集積回路内の前記電気作用の検出を、前記集積回路のレーザ・ビーム・プロービングを用いて行なう請求項２０に記載の装置。
37. 前記集積回路内の前記電気作用の検出を、前記集積回路内に配置された少なくとも１つの導電性パッドとはめ合う少なくとも１つの機械的プローブを用いて行なう請求項２０に記載の装置。
38. 前記集積回路内の前記電気作用の検出を、前記集積回路の電子ビーム・プロービングを用いて行なう請求項２０に記載の装置。

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