JPH0627787B2 - 光プローブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は一般に集積回路用光プローブに関し、 特に信号により変化する集積回路の光特性をモニタする
ことによりこの集積回路内の信号をモニタする光プロー
ブに関する。

［従来の技術］ 典型的には、多数の集積回路は、１枚の半導体ウエハ内
に形成され、各集積回路は、その後相互に切り離し、ボ
ンディングしてパッケージの中に収める。損傷があるか
もしれない集積回路をボンディングしたりパッケージン
グしたりすることの出費を回避するためにもウエハの集
積回路はしばしば分離する前に試験す。ウエハ上の各集
積回路を試験するために、この集積回路のボンディング
・パッドの配置に適合して配置された小さな接触子を有
するウエハプローブを用いて、この接触子が取付けられ
た導体（信号路）を介して集積回路と試験装置との間で
試験信号を伝達してもよい。しかしながら、ウエハプロ
ーブを用いた試験システムは、しばしば高い周波数で使
用するとき、回路が発生した信号を正しくモニタしない
ことがある。これは、プローブが試験結果に重大な影響
を与えかねないキャパシタンス、インダクタンス、信号
反射その他の要因をもちこむからである。

一方、ウエハプローブは、分離され、パッケージされる
以前の段階のウエハ上の集積回路を試験することに用い
られているが、この様なプローブは、たいてい比較的大
きな回路のボンディングパッドに現われる信号をモニタ
するのに限定される。これは、プローブが回路のその他
の部分とは電気的に良い接触をしないからである。従っ
て、ボンディングパッドを介して直接信号をアクセスで
きない場合、集積回路内のこのような信号の動きを調べ
ることに、ウエハプローブを一般的には用いない。

１９８６年４月２１日号の「アプライド・フィジクス・
レターズ(Applied Physics Letters)」では、ハインリ
ッヒらが「集積シリコンデバイスのための非接触膜電荷
密度プローブ」と題する論文において非接触光プローブ
を説明している。同様なプローブは、１９８６年６月５
日号の「エレクトロニクス・レターズ(Electronics Let
ters)」の中でもハインリッヒらが「非接触光プローブ
を用いたシリコンバイポーラジャンクショントランジス
タ内の実時間デジタル信号の測定」と題する論文の中で
説明している。バイポーラトランジスタのエミッタ、ベ
ース、コレクタの各領域中の自由キャリアが、この領域
の屈折率を変化させることはよく知られている。これら
の領域での電荷密度は、トランジスタ中の信号によって
変調されるので、この領域での屈折率の変化を測定する
ことにより間接的に信号の動きをモニタできる。ハイン
リッヒらは、レーザによって発生した光ビームを偏光ビ
ームスプリッタ、複屈折ビームスプリッタ、及びレンズ
を介して伝達し、２本の空間的に分離した直角偏光ビー
ムを発生するモニタシステムを説明している。２本のビ
ームは集積回路の背面を通過して正面へ至り、１本のビ
ームが金属化層、例えば能動デバイスのエミッタ領域に
衝突する。もう１本のビームは能動デバイスとは異なる
集積回路の基準領域における金属化層に衝突する。この
金属化層は、ビームが集積回路、レンズ及び複屈折ビー
ムスプリッタを通つて戻れるようにビームを反射する。
この複屈折ビームスプリッタは、反射してきた２本のビ
ームを再び束ねて直角偏光された１本のビームにする。
この偏光ビームスプリッタは２種類の偏光を行ない、強
度変調干渉積を生成、光検出器へ伝達する。この２本の
ビームは、ビームが通過した領域の電荷密度に比例して
位相がずれているため、光検出器における強度変調干渉
積の大きさは、分離したビームによって調べられたエミ
ッタ領域と基準領域とでの電荷密度の相違の尺度とな
る。もし基準領域中の電荷密度が一定であるなら、光検
出器の出力中の変化は、エミッタ領域の電荷密度の変化
に比例する。このことは、実質的に基準領域に対するエ
ミッタ領域の電位の変化が比例することでもある。この
ようにバイポーラトランジスタのエミッタ領域に現われ
る信号の動きは、光検出器の出力信号の動きによって示
される。

［発明が解決しようとする課題］ 上述の集積回路中の信号をモニタする方法にはいくつか
の欠点がある。第１に２本のビームが集積回路基板の表
面で交差するなど不適切に屈折しないように集積回路の
背面を研磨しておかねばならない。集積回路の背面は通
常研磨されてはいないため、製造段階に研磨工程分だけ
費用がかかる。さらにこの方法は金属化層を反射する２
本のビームに依存するが、金属化層は、調べたい領域に
いつも具わっているわけではない。さらに、もし試験さ
れ能動デバイスの領域から適当な領域のところに適当な
基準領域がなければ、ビームを発生する光学機器は、ビ
ームの分離を調整するために変形しなければならない。

さらにハインリッヒらが説明する光プローブは、光ビー
ムが被試験デバイスの電気的動作にたいした影響を与え
ないという意味において非接触的であるとしても、通常
の使用条件での集積回路の信号をモニタすることには使
用できない。通常の使用条件下では、集積回路はパッケ
ージに収められてから回路基板上に取付けられ、これら
のピンは外部回路に接続される。ハインリッヒらが説明
する信号モニタの方法では、光ビームが集積回路を通過
することが必要であるため、これをモニタするときは集
積回路をパッケージに収めたり、これを回路基板に取付
けたりすることができない。このように、集積回路の通
常の使用条件下でのモニタしたい信号への影響は観測す
ることができない。さらに集積回路はパッケージに収め
られておらず回路基板に取付けられてもいないので、悪
影響を与える機械的プローブにより外部電源グランド、
入力信号をこの集積回路に接続しなければならない。こ
のプローブの電気的特性は、ハインリッヒらが説明して
いる光プローブでモニタされる集積回路中の信号を歪ま
せる。ゆえにハインリッヒらが説明する光プローブが、
まだウエハの状態にある集積回路内の信号をモニタする
ことに有用であるとしても、悪影響を与える機械的プロ
ーブと共に用いなければならず、通常の使用条件下での
集積回路内の信号をモニタすることには有用ではない。

そこで本発明の目的は、集積回路内の信号をモニタする
ための改善された方法及び装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、通常の使用条件下におかれ、パッ
ケージされた集積回路内の信号をモニタするための改善
された非接触手段を提供することにある。

［発明の概要］ 本発明の光プローブによれば、信号に起因する集積回路
の光学的特性の変化をモニタすることにより、集積回路
内の信号をモニタすることができるようになる。このプ
ローブは、集積回路の頂面から異なる屈折率を有する２
つの半導体領域の境界面へと通過するレーザビームを発
生する。このレーザビームが境界面にあたると、レーザ
ビームの一部は反射し、この反射ビームの強度は、境界
面にまたがる屈折率勾配の関数となる。この反射ビーム
は集積回路の頂面を通って戻り、反射したビームの強度
に比例した出力信号を出す光検出器に入射する。

半導体結晶の屈折率は、これの内部の自由電荷密度に応
じて変化し、境界領域において自由電荷密度に勾配があ
る場合、これに対応した屈折率の勾配が発生する。この
ように、例えばビームがボイポーラトランジスタのベー
スとコレクタ間の接合面に向けられると、反射ビームの
強度はこの接合面にまたがる電荷密度の勾配の関数とな
る。そして、この電荷密度の勾配は、ベースとコレクタ
間の接合面における電位差によって決定される。反射ビ
ームの強度は電荷密度勾配と共に変化するために、反射
ビームをモニタしている光検出器の出力の強度は、ベー
スとコレクタ間の電位差と関連して変化する。このよう
に、光検出器の出力信号の動きは、ベースとコレクタの
電位差の動きを示している。

このプローブは、光ビームが被試験デバイス内の信号の
動きに重大な影響を与えないために非接触的である。さ
らに集積回路パッケージのカバーを外して集積回路の表
面をレーザビームにさらすようにすれば、集積回路の通
常の使用条件（例えばパッケージされ回路基板上に取付
けられているような）での信号をモニタすることに利用
できる。この集積回路が通常の条件で使用できるため、
悪影響を与える機械的プローブにより電力、接地、入力
信号を集積回路に与えることによる信号測定誤差の原因
が絶たれる。これはこれらの機械的プローブを必要とし
ないからである。そして通常の使用条件下においてモニ
タしようとする信号による集積回路への影響が観測され
る。

［実施例］ 第２図はレーザ光源１０が入射ビーム１２を集積回路１
６の表面１４に向けて照射しているところを示した図で
ある。断面図で示した集積回路１６は、エミッタ領域１
８、ベース領域２０、及びコレクタ領域２２を具えたバ
イポーラトランジスタを含んでいる。ビーム１２は集積
回路のベース領域２０に入射し、このベース領域とコレ
クタ領域との接合面２１に到達するまでベース領域をつ
き進む。このベース領域とコレクタ領域とは、夫々相互
に異なった屈折率ｎ1、ｎ2を典型的に有し、接合面２１
における屈折率の勾配は、入射ビーム１２が部分的には
反射し、部分的には屈折する原因となる。屈折したビー
ム２４はコレクタ領域２２に進み、反射したビーム２６
はベース領域に戻り、集積回路１６の外へ逃げる。

反射ビーム２６の強度は、入射ビーム１２の強度と比例
する。薄い接合面では屈折率が急に変化しているため、
入射ビームと反射ビームの強度間の比例定数ｋは、接合
面のどちらの側においても屈折率ｎ1とｎ2とによる下記
の関数になっている。

ｋ＝［（ｎ2−ｎ1）／（ｎ1＋ｎ2）］^２… 半導体結晶の屈折率は、自由キャリアの数との関連にお
いて変化し、ゆえに上記方程式における屈折率ｎ1、
ｎ2は、ビームが反射しているトランジスタ内で接合面
２１が境界となっているベース領域とコレクタ領域内で
の電荷密度の関連となっている。これらの電荷密度の相
異が、ベースとコレクタとの接合面における電位差によ
って制御されるので、反射ビームの強度は、ベース・コ
レクタ電圧と共に変化する。本発明は、集積回路中の信
号を非接触的にモニタするためにこの現象を利用するも
のである。

レーザ光によるビーム１２の波長は、好適には被試験デ
バイスが照射されるビームを透過することができるよう
に（例えばシリコン製の被試験デバイスの場合、１．３
マイクロメータの波長）選定する。しかしながら、被試
験デバイスが半透過的であるような波長のレーザビーム
でも使用可能である。例えばスペクトラムが可視的なレ
ーザビームも、それが量子的トンネル現象（quantum tu
nneling）のおかげで吸収されてしまう前にいくつかの
接合面まで到達するため、利用可能である。

第１図は、本発明に基づく光プローブの模範的な図であ
り、光ビームは破線で示してある。レーザ光源３０から
の光ビームは、レンズ３２のよって平行になり、ビーム
を直線偏光する偏光ビーム・スプリッタ立体３４を通過
する。直線偏光されたビームは、そこで、これを円偏光
ビームに変換する１／４波長板３６を通過する。円偏光
された光は、もう１つのレンズ３８によって集積回路４
０内の２つの領域の間（例えばベース領域５２とコレク
タ領域５４との間）の接合面上に焦点を結ぶようにして
ある。もしこれらの領域が異なった屈折率を有している
のであれば、ビームが接合面５０に衝突したとき、ビー
ムの一部は反射して集積回路４０の頂面を介して戻る。
入射ビームが反射することにより、その円偏光は逆転す
る。レンズ３８はこの反射ビームを平行にし、１／４波
長板３６は、この平行になった反射ビームを、１／４波
長板３６を逆方向に通過する偏光光に対して垂直な方向
に直線偏光する。光路制御手段でもある偏光ビーム・ス
プリッタ立体３４は、さらに反射ビームをもう１つのレ
ンズ４１に向けて反射させ、光ダイオード４２上に焦点
を結ばせる。

光ダイオード４２は、直流電圧源４４と、抵抗器４６に
よって接地されている増幅器４８の入力端との間に設け
られている。光ダイオード４２の導電度は、これに衝突
する光の強度と共に増加するため、抵抗器４６にかかる
電圧は、光ダイオード４２上に焦点を結ぶ反射光ビーム
の強度と共に増加する。増幅器４８はこの電圧を増幅し
て出力信号とし、オシロスコープ（図示せず）その他の
信号検出器によってこれをモニタする。

上述のように反射ビームの強度は、集積回路内の２領域
間の接合面における屈折率勾配の関数である。この屈折
率勾配は、接合面の電荷密度の勾配の関数であり、これ
はさらに領域間の電圧の関数である。ゆえに、増幅器４
８の出力信号の変化は、２つの領域間の接合面の電圧変
化を示している。従って第１図に示す光反射プローブ
は、電荷密度が異なった２領域間の接合面における電圧
変化を検出することと、この変化の方向を測定すること
とに利用することができる。

操作者が、集積回路上の測定したい点に光ビームを照射
することができるようにするため、ビームスプリッタ５
６を、偏光ビームスプリッタ立体３４と１／４波長板３
６との間の光路に挿入する。ビームスプリッタ５６は直
線偏光された入射光と信号検出に用いられる波長を有す
る反射ビームとを通過させるが、顕微鏡５８へ進む周囲
の光線は反射する。このように、集積回路４０の表面か
ら反射し、レンズ３８を通過してきた周囲の光線は、ビ
ームスプリッタ５６によって顕微鏡５８へと反射する。
このことにより、集積回路４０上の映像が見えるように
なる。例えば集積回路を好ましい位置にすえるために顕
微鏡５８を通して閉回路テレビジョンシステムを操作す
ることにより入射ビームに対する集積回路の位置をモニ
タすることができる。

第１図に示す光プローブは、接合トランジスタのベース
領域とコレクタ領域の接合面における電圧をモニタする
ことに利用できるように構成されているが、このプロー
ブは、ビームによりアクセス可能であり、反射性の金属
化層で覆われてさえなければ、半導体デバイスの他のど
んな領域における電位をも同様にモニタすべく利用可能
である。例えばポリシリコンゲートを有する型の電界効
果トランジスタ（ＦＥＴ）の場合、ゲートと大きな基板
との間の領域で急な電荷密度の勾配が形成されるため、
これのゲート電位をモニタすることにこのプローブを利
用することが可能である。同様にＦＥＴのドレイン領域
とソース領域とは基板に対してＰＮ接合を形成し、この
ＰＮ接合は信号によって急な電荷密度勾配を呈するの
で、本発明の光プローブでこれらの信号をモニタするこ
とが可能である。

第１図に示す本発明の光プローブは、半導体内の電荷密
度勾配をもたらす信号をモニタすることに利用される。
しかしながら、ガリウムヒ素のような複屈折性半導体材
料の場合、電界は、必ずしも対応する電荷密度勾配をも
たらすことなく屈折率の勾配を作り出すことができる。
反射ビームの強度が電界の強度を示しうるのもであれ
ば、いいかえれば電界を生ずる信号の強度を示しうるも
のでありさえすれば、本発明の光プローブは、電界に起
因して屈折率勾配が起こる領域に入射ビームの焦点を合
わすことによってこのような電界を生じる信号をモニタ
することに利用できる。

本発明の光プローブは、通常の使用条件下における集積
回路内の信号をモニタするための非接触的な手段を提供
するものとして特に有用である。このような場合、ビー
ムが集積回路内へ到達するためには、もし集積回路パッ
ケージの頂部のカバーが入射レーザビームに対して透過
的でないならば、これらを外す。たいていの場合、パッ
ケージのカバーを外しても実質的には集積回路の使用条
件を変化させない。

このように、本発明により半導体デバイス中の領域にま
たがる屈折率勾配を生じる信号は、この領域にて反射す
るレーザ・ビームの強度をモニタすることにより、非接
触的にモニタされるのである。

［発明の効果］ 本発明により、パッケージ内に収められ、回路基板に取
付けられるなどの通常の使用条件下にある集積回路内に
流れる信号を、これに擾乱を与えることなく非接触的に
モニタすることのできる光プローブが提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく光プローブを模型的に示した
図、第２図は、バイポーラトランジスタの接合面で反射
するレーザビームを示した図である。 これらの図において、３０が光源、３２が第１レンズ、
３４が直線偏光手段、３６が円偏光手段、３８が第２レ
ンズ、３４、４１が光路制御手段、４２が光検出手段で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入射光の強度に応じて出力信号を発生する
   光検出手段と、 光を発生する光源と、 該光源からの光を平行にする第１レンズと、 該第１レンズからの光を直線的に偏光する第１偏光手段
   と、 該第１偏光手段からの光を円偏光する第２偏光手段と、 該第２偏光手段からの光を集光し、被試験デバイスの測
   定点に焦点合わせすると共に、上記被試験デバイスから
   反射された反射光を再び平行光線にする第２レンズと、 該第２レンズからの光を上記光検出手段へ向ける光路制
   御手段とを具えた光プローブ。