JPH07104397B2 - 半導体集積回路診断方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は集積回路の診断及びテス
トに係る技法に関し、特に、レーザー光を用いた非破壊
テスト技法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路チップをテストする代表
的な方法は、導電性プローブを有する導体をチップ上に
接触させ、この導体の電圧を測定することである。しか
しながら、プローブはそれ自体どうしても回路に影響を
与えてしまう。なぜなら、プローブが回路の電気的負荷
となるからである。マイクロエレクトロニクス回路の密
度が向上するにつれ、電気的負荷の有害な影響も増加す
る。さらに、プローブによって導体に対して信頼し得る
コンタクトを形成することもより困難になっている。

【０００３】ブルーム（Ｂｌｏｏｍ）らによる１９８７
年７月２１日付の米国特許第４、６８１、４４９号及び
アール・マジャイディ−アイ（Ｒ．Ｍａｊｉｄｉ−Ａｈ
ｙ）らによるアイ・トリプル・イー・エム・ティー・テ
ィー−エス（ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ）予稿集第２２９−
３０１頁に記載されている論文”エレクトロオプティッ
クサンプリングによるウエハ上１００ＧＨｚでのＳパラ
メータの測定”が、集積回路をテストするための光プロ
ービングの利用を記述した文献例である。光プロービン
グは、ポッケルス（Ｐｏｃｋｅｌ’ｓ）効果を示す材料
をテストされる導体に近接させることに基づいている；
この種の材料にかかる電界はその材料中を伝播するレー
ザー光の偏光を変調する。偏光したレーザー光をポッケ
ルス効果を示す材料中に導き、それを通過してきたレー
ザー光の偏光方向の変調を解析することによって導体上
の電圧を特徴付けることが可能となり、従って半導体チ
ップの動作をテスト（診断）することが可能となる。こ
の方法は”非破壊的”と示されることがある。なぜなら
ば、この方法は、物理的接触による負荷及び損傷の可能
性の双方を回避するからである。この方法はポッケルス
効果を本質的に有しているＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族半
導体チップに対して特に適用可能である。レーザープロ
ーブ光は、通常、ＧａＡｓを通過して金属導体によって
反射されるが、反射されることなくポッケルス効果を示
す材料中を通過するようにもされ得る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ポッケルス効果を示す
材料はレーザー光の偏光を変調するため、レーザー光は
最初から偏光していなければならない。変調された後に
偏光の変調が通常強度の変調に変換され、光検出器によ
って電気信号の変調に変換される。偏光した光は光ファ
イバーによって伝達され得ない、なぜなら、光ファイバ
ーは偏光に影響を与え、それが時間、温度及び曲げによ
るストレスによって変化するからである。従って、レー
ザー光は自由空間を通じて電子デバイスへ伝達されなけ
ればならない。すなわち、レーザー光プローブ装置の複
雑さを低減し、その目的に対して産業界でなされつつあ
るかなりの量の仕事を減らすことが望ましい；さらに、
レーザー光の伝達に光ファイバーを用いることも望まし
い。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の発明者らは、レ
ーザープロービングによってテストされる導体に近接し
てポッケルス効果を示す材料ではなくエレクトロクロミ
ック材料を用いることによって多くの利点が得られるこ
とを見いだした。エレクトロクロミック材料とは、印加
された電界に応答して光吸収係数が変化する材料であ
る。前記導体からエレクトロクロミック材料を通じて延
在する電界がこの材料を通して伝播するレーザー光を強
度変調するために用いられ得ることも見いだした。エレ
クトロクロミック材料を用いれば、プロービングに先立
ってレーザー光を偏光させる必要はなく、エレクトロク
ロミック材料を通過した強度変調されたレーザー光は直
接光検出器へと伝達され得る。

【０００６】本発明の利点は、エレクトロクロミック材
料が、光学的に非線型な色素をポリマー中に分散させる
ことによって得られることである。光学的に非線型な色
素を含むポリマー溶液が、半導体ウエハ表面に他の液体
を分配するのと同様にスピンコートされる。溶媒が蒸発
すると、色素を含むポリマーがウエハ表面上の導体と結
合し、この導体からの反射光を変調するために用いられ
る。本発明は、ポッケルス効果を示さないが故に従来技
術に係るレーザープロービングに適さないシリコン回路
をテストするのに特に適している。

【０００７】別の実施例においては、エレクトロクロミ
ックポリマーが光ファイバーの先端（チップ）上に配置
される。その後、ファイバーはテストされるデバイスの
導体に接触させられる。レーザー光はファイバー内を伝
播して前記デバイスの導体に達し、そこで反射されて再
びファイバーへ入射してその後にファイバーから取り出
されて電気信号に変換される。導電プローブとは異な
り、光ファイバーは電気的な負荷とはならない。光ファ
イバーによって偏光が保持されないという事実は、本発
明に係る方法が偏光を用いないため重要ではない。

【０００８】本発明の目的、特徴及び利点は図を参照し
た以下の説明によってより明らかとなる。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明の原理に係る、テスト信号の
非破壊性を有する光プロービングを用いた集積回路デバ
イス１１内の高速すなわち高周波集積回路をテストする
回路の機能を示したブロック図である。集積回路デバイ
ス１１は、例えばシリコン等の半導体材料よりなる主体
１２とテスト信号を伝達する導体１３よりなる。テスト
信号は、具体的には、導体１３によってオシロスコープ
１６へと伝達される高周波テスト信号を発生するマイク
ロ波シンセサイザ１５によって生成される。当業者には
既知のことであるが、光プロービングは、主としておよ
そ５０ＭＨｚ以上の周波数で動作し約０．１ｍｍ未満の
導体を有する集積回路をテストするのに適している。

【００１０】本発明に従って、導体１３の上にはエレク
トロクロミック材料、すなわち、印加された電界の関数
として変化する光吸収係数を有する材料からなる層１７
が重ねられている。伝播するテスト信号は、レーザー光
１９を発生するレーザー１８を用いてサンプリングされ
る。レーザー光１９はビームスプリッター２０を通過し
て前記集積回路デバイスへと導かれる。導体１３上を伝
播するテスト信号に伴う電界がエレクトロクロミック材
料からなる層１７の光吸収特性を変調する。レーザー光
は導体１３自体で反射され、エレクトロクロミック材料
層１７を双方向に伝播するにつれてテスト信号の関数と
して強度変調される。

【００１１】反射された光はビームスプリッター２０に
よって検出器２１へ導かれる。この検出器２１は、強度
変調された入力光を電気的な強度変調に変換するのに充
分な高周波数応答を有する光検出器である。電気的な変
調信号はロックイン増幅器２５に入力され、その振幅及
び位相が示される。この表示によりテスト中の集積回路
デバイス１１に関する有用な特性が示され、それが適切
に機能しているか否かが決定される。

【００１２】レーザー１８は、マイクロ波シンセサイザ
２８によって生成されるマイクロ波周波数信号によって
励起されるパルスレーザーであることが望ましい。シン
セサイザ２８はレーザー１８を駆動して短時間パルス列
（パルストレイン）の形態の光を発生させる。これらの
パルスの周波数は前記テスト信号の周波数に関連してい
ることが望ましい；このことは、図示されているよう
に、２つのシンセサイザ１５及び２８を相互に接続する
ことにより実現される。加えて、レーザー光１９の一部
が前記ビームスプリッター２０によって検出器３０へと
反射されて位相のリファレンスをして用いられるように
なっていることが望ましい。検出器３０の出力とシンセ
サイザ１５の出力の一部はミキサ３１へと導かれ、ミキ
サ３１はレーザー光１９のパルス周波数と電子デバイス
１１へと導かれるテスト信号との周波数差に等しい周波
数を生成する。この差周波数はロックイン増幅器２５へ
と導かれ、検出器２１からロックイン増幅器２５へと導
かれた信号を解釈する際の位相のリファレンスとして用
いられる。

【００１３】前述されている従来技術に係る光プロービ
ング技法と同様、図１に示された装置は導体プローブを
用いたテストが不利であるような状況下における半導体
集積回路をテストするという目的を有している。およそ
５０ＭＨｚ以上の周波数においては、導体プローブがか
なり大きな負荷となる。導体の幅が０．１ｍｍ未満にな
ると、信頼性の高い物理的なコンタクトをとることが困
難となり、物理的損傷を与える危険性が増加する。この
ような理由から、図１に示されている集積回路デバイス
１１は５０ＭＨｚ以上の動作周波数を有し及び／あるい
はそこに形成されている導体１３が０．５ｍｍ未満の幅
を有すると仮定されている。半導体１２はこの例ではシ
リコンであるが、他の半導体が用いられてもよい。

【００１４】エレクトロクロミック層１７は、ワイ・ヒ
ライ（Ｙ．Ｈｉｒａｉ）らによるアプライド・フィジッ
クス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌ
ｅｔｔｅｒｓ）誌第４３巻第７号第７０４−７０５頁
（１９８３年１０月１日付）に記載されている論文”ポ
リマー固体システムにおける有機材料のエレクトロクロ
ミズム”において議論されている種類の材料のいずれか
よりなる。ディスパーズ・レッド１色素のポリメチル・
メタクリレート（ＰＭＭＡ）１０％溶液が導体電極パタ
ーンを有するシリコンウエハ上にスピンコートされる。
スピンコートされ硬化した時点におけるＰＭＭＡ層の厚
みは２〜３μｍのオーダーであることが望ましい。波長
０．５２７μｍのモード同期Ｎｄ：ＹＬＦレーザーの第
二高調波が５μｍ幅の電極導体の頂部に集光される。レ
ーザー光は例えば繰り返し周期９９．８ＭＨｚの５０ピ
コ秒幅のパルストレインよりなる。シリコンウエハ上の
電極はシンセサイザ１５によって９９．９１ＭＨｚで駆
動される。ビームスプリッター２０は、５０％反射５０
％透過の部分反射鏡である。ロックイン増幅器２５は、
例えばイー・ジー・アンド・ジー・プリンストン・アプ
ライド・リサーチ（ＥＧ＆Ｇ Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ａ
ｐｐｌｉｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）社（ニュージャージ
ー州プリンストン）から市販されているモデル５３０１
Ａである。前記シンセサイザは、ヒューレット・パッカ
ード社（Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ Ｃｏｍｐａ
ｎｙ）（カリフォルニア州パルトアルト）から市販され
ているモデル８３４１−Ｂシンセサイザである。検出器
２１を導体１３上を伝播するエネルギーに係る電界から
遮蔽することに注意が払われるべきである。ロックイン
増幅器２５の表示は、通常、テスト信号を特徴付け、そ
れによって集積回路デバイス１１を診断しテストするの
に充分である。

【００１５】図２は、本発明に係る、図１に示されてい
る実施例と基本的には同様に機能し同様の結果を生む本
発明の別な実施例を示している。図２に示されている素
子のうち図１の実施例におけるものと同様の構造及び機
能を有するものは同一の参照番号がつけられている。主
要な差異は、レーザーの出力が光ファイバーカップラ３
４に導かれていることであり、この光ファイバーカップ
ラは、例えば、ワイ・ヨカハマ（Ｙ．Ｙｏｋａｈａｍ
ａ）らによるジャーナル・オブ・ライトウエーブ・テク
ノロジー（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）誌第ＬＴ５巻第７号第９１０
−９１５頁（１９８７年７月）の”自動化溶融引き延ば
しプロセスによる低過剰損失及び高結合比精度を有する
ファイバーカップラの作製”という表題の論文に記載さ
れている種のものである。カップラ３４の出力は光ファ
イバー３５であり、その一部はホルダー３６によって保
持されている。

【００１６】図３において、光ファイバーはガラスのク
ラッド層３９によって取り巻かれた中央部のガラスコア
３８よりなる。本発明の一側面に従って光ファイバーの
自由端すなわちチップが、図１の層１７において用いら
れたものと同一の材料よりなるエレクトロクロミック材
料層４０によってコートされている。再び図２に戻っ
て、光ファイバー３５の先端チップはテストさるべき導
体１３へ接触させられるプローブとして用いられる。光
ファイバー３５によって伝播させられた光はエレクトロ
クロミック層４０を通過して伝播し、導体１３によって
反射されて再びエレクトロクロミック層４０を通過して
光ファイバーカップラ３４に達する。その後、導体１３
によって強度変調されたレーザー光はカップラ３４によ
って検出器２１へと導かれ、図１に示された場合と同様
電気信号に変換されてロックイン増幅器２５によって表
示される。

【００１７】図２に示されている実施例の利点は、テス
トされる各々の回路をコートする必要がないという点で
ある。すなわち、エレクトロクロミック層４０を有する
光ファイバープローブが電子回路１１のテスト及び診断
に用いられている。このように、エレクトロクロミック
材料を応用したことによって光ファイバープローブの利
用が可能となる。なぜならば本発明に係る方法において
は偏光した光をテストされる回路まで導く必要がないか
らである。光ファイバーは従来技術に係る光プロービン
グシステムにおいて必要とされる偏光した光の偏波面を
保持することはできない。

【００１８】以上の説明は、本発明の実施に際し、偏光
した光を必要としない、本発明に係る装置における複雑
さの低減を示したものである；すなわち、用いられる光
は偏光していないかあるいはその偏光方向が任意すなわ
ち規定されていない。さらに、本発明に係る装置におい
ては、導体プローブと同様に光ファイバープローブを用
いることが可能であるが、この光プローブは回路に対し
て電気的な負荷となることがなくかつその物理的な接触
に関する要求がそれほど厳しくない。なぜなら、光プロ
ーブはテスト信号に伴う電界がエレクトロクロミック材
料中に延在することが可能となる程度に導体に近接して
いればよいからである。すなわち、導体プローブが用い
られる場合のように光プローブを導体中に”突き入
れ”、導体を損傷する必要がない。

【００１９】図２に示された実施例においては、シンセ
サイザ２８がミキサ３１に対して直接接続されて参照信
号として用いられる差周波数を生成する。このように直
接相互接続することにより、図１に示された実施例にお
いても、ビームスプリッタ２０及び検出器３０を用いる
必要をなくすことも可能である。いずれの実施例におい
ても、色素を含んだポリマーは電気信号に対する感度を
向上させるすなわち変調の深さを大きくするために”ポ
ーリング”され得る。”ポーリング”については、例え
ばアール・ディー・スモール（Ｒ．Ｄ．Ｓｍａｌｌ）ら
によるエス・ピー・アイ・イー（ＳＰＩＥ）第６８２巻
第１６０−１６８頁（１９８６年）に掲載された論文”
非線型光学のためのポリマー薄膜の処理”において議論
されているが、これはドープされたポリマー薄膜を高温
の下で比較的高いｄｃ電界にさらすことを含んでいる。
高温にすることによって色素分子が電界に応答して回転
する（配向する）ことが可能となり、それに引き続いて
温度を下げることによってその配向が実質的に固定され
る。このことにより薄膜中の色素分子の非線型感受率が
大きくなる。スピンコート以外の、例えばスプレー法あ
るいは滴下法等の方法も集積回路上に色素を含むポリマ
ーを堆積するために用いられる。

【００２０】以上の説明は、本発明の一実施例に関する
もので，この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、偏
光した光を用いることなく集積回路を光学的に非破壊テ
ストする技法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の原理に係る、集積回路チップをテス
トする光プロービング装置の機能を模式的に示したブロ
ック図。

【図２】 本発明の原理に係る光プロービング装置の他
の実施例を示す模式図。

【図３】 本発明の原理に従って作成された光ファイバ
ープローブチップを示す模式図。

【符号の説明】

１１ 集積回路デバイス １２ 主体 １３ 導体 １５ シンセサイザ １６ オシロスコープ １７ エレクトロクロミック材料層 １８ レーザー １９ レーザー光 ２０ ビームスプリッタ ２１ 検出器 ２５ ロックイン増幅器 ２８ シンセサイザ ３１ ミキサ ３４ 光カップラ ３５ 光ファイバー ３６ ホルダー ３８ コア ３９ クラッド ４０ エレクトロクロミック材料層

フロントページの続き (72)発明者 マイケル エス ヒューメーカー アメリカ合衆国 08628 ニュージャージ ー トレントン、ローワー フェリー ロ ード 732 (72)発明者 マーク ジー クジク アメリカ合衆国 99163 ワシントン プ ルマン、グリーンヒル コート サウスイ ースト 750 (72)発明者 ケネス デヴィッド シンガー アメリカ合衆国 44124 オハイオ ペッ パーパイク、エッジデール ロード 29450 (56)参考文献 特開 昭64−73634（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−298871（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−186282（ＪＰ，Ａ) 特公 昭54−38036（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバの一端をエレクトロクロミッ
   ク材料で被覆するステップと、 前記エレクトロクロミック材料を、集積回路の導体に近
   接させて配置するステップと、 第１の高周波電気信号を、当該信号の電界が前記エレク
   トロクロミック材料内に入るように前記導体に伝播させ
   るステップと、 非偏光または任意の偏光状態を有するレーザ光を前記光
   ファイバの他端から導入し、前記エレクトロクロミック
   材料が前記第１の高周波電気信号に従って当該レーザ光
   の少なくとも一部を変調するように当該レーザ光を前記
   エレクトロクロミック材料の少なくとも一部に透過させ
   るステップと、 変調されたレーザ光を第２の電気信号に変換するステッ
   プと、 前記第２の電気信号を、前記集積回路の診断を補助する
   ものとして用いるステップとからなることを特徴とする
   半導体集積回路診断方法。
2. 【請求項２】 前記エレクトロクロミック材料がポリマ
   ーに含有される色素からなることを特徴とする請求項１
   の方法。