TW201617634A - 雷射電壓成像系統與方法 - Google Patents

Abstract

本發明所揭露的是一種以雷射電壓測試待測半導體裝置之方法。該系統允許對於待測半導體裝置中的元件作雷射電壓探測及雷射電壓成像。透過照射待測半導體裝置的一選定區域來讓它接收測試信號，並產生某些作用元件的變化。自待測半導體裝置反射的光被收集起來並轉換為電信號。一類比數位轉換器被用來作該電信號之採樣，並將其輸出傳送至一現場可程式柵陣列裡。該現場可程式柵陣列在信號上運作，提供一模擬頻譜分析儀及向量分析儀的輸出。

Description

雷射電壓成像系統與方法

本申請案與美國專利案8,754,633號相關，該案公開內容全文已涵蓋在本案中。

本發明是關於使用雷射照射法探測積體電路的裝置及方法。該照射法是藉由一作用式待測半導體裝置之變化來調整被反射的雷射光。

探測系統向來被使用在積體電路設計及圖形排列之測試與除錯技術上。許多採用以雷射為基礎的系統來探測積體電路之方式皆為已知之先前技術。在這裡爰提供部分先前技術之描述，讀者可參閱美國專利案5,208,648, 5,220,403以及5,940,545，該等專利案全文已涵蓋在本案中。其他相關資訊可以參考下列資料：2000年出版之測試及失效分析國際評論集第3至第8頁，Yee, W.M.等人之評論文-雷射電壓探測：一個嶄新的覆晶封裝微處理器的光學探測技術 (Laser Voltage Probe (LVP): A Novel Optical Probing Technology for Flip-Chip Packaged Microprocessors)。1999年出版之測試及失效分析國際評論集第19至第25頁，Bruce, M等人的評論文-以電光探測法自矽元素背面取得之波形 (Waveform Acquisition from the Backside of Silicon Using Electro-Optic Probing) 。2001年出版之測試及失效分析國際評論集第51至第57頁，Kolachina, S等人的評論文- 光學波形探測- 非覆晶裝置及其他應用策略(Optical Waveform Probing– Strategies for Non-Flipchip Devices and Other Applications)。1987年出版之量子電子學期刊第123至129頁，Soref, R.A. and B.R. Bennett 之論文-矽的電光效應 (Electrooptical Effects in Silicon)。1999年出版之微電子學可靠性期刊第957頁，Kasapi, S.等人之論文-互補式金屬氧化物半導體之雷射光束背面探測(Laser Beam Backside Probing of CMOS Integrated Circuits)。2000年出版的測試及失效分析國際評論集第479至第485頁，Wilsher, K.等人的評論文- 以光學相位偏移偵測法來探測積體電路之波形(Integrated Circuit Waveform Probing Using Optical Phase Shift Detection)。1990年出版之IBM研究及發展期刊第162到172頁，Heinrich, H.K之評論文-覆晶矽積體電路內部電信號之皮秒光學偵測(Picosecond Noninvasive Optical Detection of Internal Electrical Signals in Flip-Chip-Mounted Silicon Integrated Circuits)。1986年出版之應用物理通訊第1066至第1068頁，Heinrich, H.K., D.M. Bloom 及B.R. Hemenway之評論文-積體矽元件之片式電荷密度 探測(Noninvasive sheet charge density probe for integrated silicon devices)及第1811頁之勘誤。1986年出版之IEEE電子儀器通訊第650至第652頁，Heinrich, H.K.等人的評論文-以光學探測法量測雙載子接面矽電晶體的即時數位信號(Measurement of real-time digital signals in a silicon bipolar junction transistor using a noninvasive optical probe)。1987年出版之雙載子接面矽電晶體電學通訊第783至第784頁，Hemenway, B.R.等人的評論文- 以多模式雷射二極體探測法作積體電路裡電荷調節之光學探測(Optical detection of charge modulation in silicon integrated circuits using a multimode laser-diode probe)。1987年IEEE電子儀器通訊第344至第346頁及2008年第19次歐洲電子儀器可靠性、失效性物理及分析評論，A. Black, C. Courville, G Schultheis, H. Heinrich之評論文- 吉赫茲電荷密度調節之光學採樣(Optical Sampling of GHz Charge Density Modulation)。2008年出版之微電子學可靠性期刊第1322至1326頁，Kindereit U, Boit C, Kerst U, Kasapi S, Ispasoiu R, Ng R, Lo W之評論文- 120奈米及65奈米之特大型及最小型元件之雷射電壓探測及映射結果之比較(Comparison of Laser Voltage Probing and Mapping Results in Oversized and Minimum Size Devices of 120nm and 65nm Technology)。

眾所皆知，在對積體電路除錯及測試時，可使用一商業化測試平台，如自動化測試裝置(也稱作自動化測試及評估測試裝置，Automated Testing and Evaluation tester – ATE tester)，以產生測試樣型(也稱作測試向量test vectors)，用來施加在待測積體電路半導體裝置上。也有各種系統及方法可用來測試待測半導體裝置對於該等測試樣型所產生的反應。其中一個方法一般稱作雷射電壓探測法(laser voltage probing –LVP)。當使用一種以雷射為基礎之系統，例如LVP來作測試，是以雷射光照射待測半導體裝置，並以探測系統收集從待測半導體裝置反射的光。當雷射光束射到待測半導體裝置上，該雷射光束會因待測半導體裝置各種組成元件(開關電晶體)對於測試樣型的反應，而受到調製。這是因為自由載流子密度的電性調製，以及因積體電路材料(大部分是因為矽)對於光之折射指數及吸收係數所致之擾動現象。因此，分析反射光的內容可以提供有關待測半導體裝置中各種元件的資訊。

圖1之示意圖顯示根據先前技術，以雷射為基礎的電壓探測系統結構100的主要組成元件。圖1中，虛線代表光的路徑，實線則代表電信號的路徑。以弧線表示的光路徑通常是指光纖纜線。探測系統100包含一雷射源，在本例中，為一雙雷射源(dual laser source – DLS)110、一光學機臺112以及一資料取得及分析裝置114。該光學機臺112包含安置待測半導體裝置之設備160。

一傳統的自動化測試及評估測試裝置140提供激勵信號並自待測半導體裝置160接收反應信號142，可能也提供觸發信號及時鐘信號144給一時基板155。從測試裝置發出的信號通常藉由測試板、待測半導體裝置板(轉接板)以及連接各組成部分的各種纜線和介面，傳輸到待測半導體裝置。一般來說，自動化測試及評估裝置及雷射電壓探測系統會分別由不同且不相關聯的公司來製造販賣。因此，本發明系統實施例之描述僅與雷射電壓探測有關，而不及於自動化測試及評估裝置。意即，自動化測試及評估裝置並非該探測系統100之一部分。

回到探測系統100。該時基板155會將待測半導體裝置的激勵信號與雷射源發出的雷射脈波兩者的信號取得同步。工作站170是用來控制、接收、處理及顯示信號接收板150、時基板155以及光學機臺112的資料。

以下就探測系統100的各種組成元件作更詳細的描述。因時間解析度在測試待測半導體裝置時有著高度重要性，圖1之實施例即利用已知技術，用雷射光脈波的寬度來決定系統的時間解析度。雙雷射源110由二種雷射光源組成：一脈波型鎖模雷射源(pulsed mode-locked laser – pulsed MLL) 104，用以產生10至35皮秒寬之脈波；以及一連續波雷射源(continuous-wave laser source – CWL) 106，可以藉由外部閘控，產生大約1微秒寬之脈波。MLL鎖模雷射源104在固定的頻率(通常為100 MHz)下工作，且必須透過時基板155上的鎖相迴路(phase-locked loop-PLL) ，與提供給待測半導體裝置160的激勵信號142同步，並與該自動化測試與評估裝置所提供的觸發及時鐘信號144同步。雙雷射源110的輸出經由光纖纜線115傳輸到光學機臺112。該輸出光束嗣後由光束光學系統125整治後，引導去照射該待測半導體裝置160的選定區域。該光束光學系統125是由一雷射掃描顯微鏡(Laser Scanning Microscope – LSM)及一光束整治光學系統(beam manipulation optics – BMO)組成。該光束光學系統125所使用的光學元件如接物鏡等，在圖中並沒有顯示出來。一般來說，光束整治系統135是由整治光束所必需的光學元件所組成，用來整治光束的形狀、焦點和偏振方向等，以符使用需求。而雷射掃描顯微鏡130則是由使光束掃描待測半導體裝置特定區域所必須的元件組成。除了使光束掃描以外，該雷射掃描顯微鏡130尚提供一向量指向模式，用來引導及「停駐」雷射光束，使光束停留在雷射掃描顯微鏡及接物鏡的視野內。該X-Y-Z平臺120則用以相對於靜止的待測半導體裝置160 之方式，移動光束光學系統125。透過使用平臺120及雷射掃描顯微鏡130的向量指向模式，任何待測半導體裝置160上的待測點(point of interest)皆能受到照射及探測。

為了探測待測半導體裝置160，自動化測試及評估裝置140傳送激勵信號142給待測半導體裝置，該信號傳送並與提供給時基板155上的鎖相迴路的觸發及時鐘信號同步。該鎖相迴路控制鎖模雷射源104，將其脈波輸出與激勵信號同步。脈波型鎖模雷射源104發出雷射脈波照射待測半導體裝置上正受到激勵信號的特定待測元件。自待測半導體裝置反射的光由光束光學系統125收集後，經由光纖纜線134傳輸到光偵測器138。該反射光束會依據該待測元件對該激勵信號的反應，改變性質(如強度)。

有時候為了例如補償雷射功率的波動，需要監控入射雷射的功率。這時該光學機臺112可以將一部分的鎖模雷射源104的入射脈波轉向，經由光纖纜線132傳到光偵測器136。

光偵測器136及138的輸出信號傳送到信號接收板150後，該接收板再將信號傳到控制器(工作站)170。藉由時基板155上的鎖相迴路操控，控制器170可以精確控制脈波型鎖模雷射源140的脈波，相對於待測半導體裝置160的激勵信號142的時間位置。透過改變該時間位置並監控該光偵測器的信號，控制器170可以分析待測半導體裝置對於激勵信號142的時序回應。該分析的時間解析度則取決於脈波型鎖模雷射源104的脈波寬度。

在技術領域中另一種已知的方法是連續波雷射電壓探測技術，是以一連續波雷射來照射待測半導體裝置上的一個元件並連續地收集反射光。連續的反射光線包含與反應信號相關的時間資訊，也就是該作用元件因不同激勵信號所發生的開關動作。反射光信號是由一光偵測器，例如雪崩光電二極管(avalanche photodiode – APD)連續轉換為電信號，並加以放大。時間資訊是包含在所產生的電信號裡，且代表了經該元件調製而被偵測到的信息。該信息可以藉由示波器顯示其時域信息，或藉由頻譜分析儀顯示其頻域信息。

當使用連續波進行雷射電壓探測時，會將光束集中在一矽晶片裡的作用電晶體上。有時電晶體反射光的量與通過電晶體的電壓量形成函數關係，因此反射的雷射光束帶有重疊的振幅調製信號，該振幅調製信號的波封會複製要探測的電波形。該反射光被光偵測器捕捉後，該光偵測器並將經過振幅調製的光學信號轉換回一複製的矽晶電壓波形。雖然反射率的變化相對地小(一般來說僅有100ppm)，但是透過一個高速低噪的探測器以及一個非常高速的示波器，可以使用這種光學探測技術重建多重吉赫波形。這個技術或可稱作「慢雷射，快偵測」的方法，因為在這個情況下雷射是連續波(非常慢)，而探測器及電子操作必須非常快。

與此相反，脈波型鎖模雷射技術是使用一種非常快的雷射，以及相對較慢的電子操作。所使用的雷射是一超短雷射鎖模雷射，用以輸出一系列如半峰全寬為5皮秒，重複率為100 MHz的脈波。鎖模雷射技術的光電子探測機制可能跟連續波雷射技術相同，但因為其脈波在時間上是侷限在僅5皮秒，各個鎖模雷射光學脈波都代表對波形所做的非常快速(最多5皮秒)的取樣。因為脈波每10奈秒只產生1次(以一100 MHz的雷射而言)，相對來說探測電子的操作會比5皮秒的光學脈波來得慢。事實上，可以使用一種脈波挑選機制，以僅讓一個5皮秒的光學脈波通過，使該探測器在每一個測試循環週期中只需要紀錄該單一脈波的亮度，如此可有效降低探測機制所需速度。

上述二種方法隱藏的複雜性在於測量結果的信號雜訊比(SNR)非常低，通常遠小於1。這是因為待測半導體裝置的反射光非常微弱，加上相對低度的調製效率(大約100 ppm)使然素。因此，必須重複做數千甚或數百萬次的測量，才能使信雜比達到足堪使用的標準(例如SNR 10)。兩種方法存在的其他問題詳如下述。

在連續波探測方法，一開始由一紅外線探射器偵測到由待測半導體裝置反射，經過振幅調製的連續波雷射光束。通常由探測器所偵測到的雷射光，強度為50到100微瓦(µW)，振幅則以一100到500 ppm的信號調製。最大的兩個雜訊源為探測器的雜訊等效功率(NEP)，以及雷射光束本身的散粒雜訊，前者又微大於後者。探測器的雜訊等效功率大約為10 pW/√Hz，而可用的雷射是指雷射本身的雜訊只稍高於散粒雜訊。結果使連續波探測法只能提供信雜比小於1的輸出信號，也只能提供一個振幅太小的輸出信號，直接傳送到一數位化示波器。因此探測器需要使用一個射頻放大器。幸好來自於探測器的雜訊很大，以至於在射頻放大器階段所產生的雜訊，不至於影響量測結果。有一點值得注意的是，雖然放大器的雜訊並不顯著，但放大器的頻寬對於受測信號上升時間的影響則是很顯著，因此若能將放大器從該系統中去除，將會比較理想。

通常，對反射波形的取樣是使用示波器。因為波形的信雜比會小於1，所以必須將多數波形加總平均，成為單一可用的輸出信號。這個步驟是由示波器以下列方式執行：以同步方式從重複的測試循環中擷取資料、平均化資料以及回報單一的輸出，代表已經調製的波形。

鎖模雷射法的主要難題是由於該方法在各個測試循環裡，僅允許一個鎖模雷射光學脈波投射到待測半導體裝置上。跟連續波探測法一樣，鎖模雷射的光學脈波經由待測半導體裝置的振幅調製後，回到探測器。該系統方法的限制在於探測器雜訊以及雷射的散粒雜訊。鎖模雷射法其中一個精妙之處與脈衝光的特性有關。如果連續波的平均強度和鎖模雷射相同，但鎖模雷射脈波的功率被限縮在僅僅5皮秒的半峰全寬期間，則在該5皮秒內鎖模雷射的強度將遠大於連續波的強度，且將隨時間一致地擴展。例如，假設鎖模雷射在僅5皮秒內釋放所有能量，而在每個10奈秒的循環中賸餘的9995皮秒中並不輸出功率，則該鎖模雷射光束的波峰強度大約是連續波光束的2000倍。結果是每次以鎖模雷射測量，都會擷取到相當於連續波探測法2000倍的資訊。不過代價是鎖模雷射僅能採樣到一5皮秒長的波形快照，而連續波系統的方法則可以捕捉到完整的波形。因此，為了填補到10奈秒的波形，必須做2000次鎖模雷射法的測量。而連續波卻可以利用相當於這段量測時間來執行2000個10奈秒長的完整波形的平均化。這兩種方法的效果有得有失，並沒有哪一種方法比另一種更有優勢。

近來雷射電壓成像技術發展到可以對待測半導體裝置中的特定區域裡的不同位置，取得一個與電壓相關的二元灰階圖像。更精確地說，雷射掃描顯微鏡以光柵掃描的方式掃描待測半導體裝置的一個區域，將該區域裡各個位置的反射光信號收集後，提供單筆的資料值。意即，並不是提供一定範圍頻率段內的頻譜，而是從頻譜分析儀中得到各個位置在特定頻譜中的信號強度值。實際操作時，頻譜分析儀被設定來提取一個注意頻率(frequency of interest，稱為零點-範圍)，並提供一與該頻率的接收信號強度成直線比例的輸出資料。因此，當雷射掃描顯微鏡掃描待測半導體裝置的選定區域時，如果在該注意頻率上沒有活動，頻譜分析儀的輸出量會很低或完全沒有；相對來說如果在該頻率上有活動，頻譜分析儀的輸出量就會很高。也就是說，頻譜分析儀提供一輸出信號，該輸出信號的振幅與該擇定信號在注意頻率的強度成比例。這樣的輸出可以用來產生該掃描區域的分布圖形，顯示相應於掃描區域各個位置元件活動的灰階度。

雖然上述系統及方法可以提供與待測半導體裝置功能性有關的珍貴資訊，但是吾人更希望能夠以非侵入的方式取得其他與待測半導體裝置裡各種作用元件對測試信號的反應相關資訊。

以下發明簡述提供作為對本發明數種面向及技術特徵之基本理解。發明簡述並非對本發明之廣泛介紹，因此也並非用來特別指出本發明之關鍵或是重要元素，也非用來界定本發明之範圍。其唯一之目的僅在以簡化之方式展示本發明之數種概念，並作為以下發明詳細說明之前言。

本發明的各種實施例提供了以雷射電壓對一待測半導體裝置作探測及/或成像的裝置及方法。在本發明實施例背後的概念是一種混合型的方法：使用快速的鎖模雷射光學脈波與緩和快速的電子進行探測及成像。特別是本發明的實施例並不使用脈波撿拾器在每個測試循環裡僅挑選一個鎖模雷射光學脈波，而是讓所有脈波都通過。結果所得的脈波量雖是每奈秒一個脈波 (100MHz)，但如果使用高速類比數位轉換器(ADC)，仍可將這種大量的脈波數位化。高速類比數位轉換器所輸出的大量資料可以用現場可程式閘陣列(FPGA)來收集及處理。而經過處理的資料會相對少量 – 相對於信號本身的量 – 故可使用相當慢的速度輸出。

本質上，鎖模雷射是仰賴速度快的雷射及速度慢的電子，而連續波雷射則相反，是使用速度慢的雷射及速度快的電子。但是本發明的實施例則是使用快速的雷射及「中等速度」的電子。確切來說，本發明是使用一鎖模雷射光束源，以產生高頻寬的信號，而其電子部分則只利用速度僅足以分別相鄰的反射脈波的光感測器。舉例而言，如果使用一個100 MHz的鎖模雷射，則光感測器只需要能在短於10奈秒的弛豫時間下運作，即其弛豫時間短於兩個脈波間的10奈秒間距，即足敷使用。該中等速度的電子是設定來捕捉各個雷射脈波經過調製後的振幅，所以必須具備對鎖模雷射的取樣能力。在本發明所提供的實例中，必須使用100MHz的取樣率，但這種取樣率已經小於連續波系統所需的GHz等級的取樣率。該電子部分包含一現場可程式閘陣列(FPGA)晶片，以在內部處理所有資料，並僅在處理完成後才傳送結果至晶片外。結果是，即使該系統只使用MHz等級的電子，因為其時序是根據高速的鎖模雷射產生，原則上該系統能夠提供與連續波系統相同的GHz等級的時序控制表現。

在本案所公開的實施例中，鎖模雷射只需能做微幅調整即可。例如，該鎖模雷射可以具有+/-50 ppm的調整率，亦即可以在100,000MHz正負5,000.0Hz之間的任何頻率下操作。這種特性對於鎖相迴路(PLL)電路來說很重要，因為鎖相迴路電路必須能夠調整該脈波時間，達到僅足以確保有一個整數量的10奈秒長脈波，可落在一個測試循環裡。在10奈秒的例子中，因為系統具有50 ppm的可調性，該脈波時間即為 10.0000+/-0.0005 奈秒長。

更明確地說，例如一個測試循環為100.05微秒。100.005微秒為100005奈秒，即10奈秒時鐘週期的10000.5倍。但10000.5並非整數。在這種情形下，即必須將時鐘脈波從10奈秒延展到10.0005奈秒，以使10000 (整數)個脈波可確實落在一個測試循環期間裡面。只要在一個測試循環裡能產生整數量的鎖模雷射脈波，就可以保證脈波在各個測試循環中都會排列在相同的相對位置上。基本上，該位置在一測試循環中，是相對於時間而固定。

本發明揭露了一種以雷射探測待測半導體裝置的裝置及方法。本發明的系統可以達成對待測半導體裝置內的元件進行雷射電壓探測及/或成像，並能產生元件狀態分布圖。本發明首先對正在接收測試信號的待測半導體裝置中的一個選定區域照射，以引起某些作用元件的開關動作。將自待測半導體裝置反射的光收集之後，以光探測器轉換為電信號。該光探測器的輸出再以類比數位轉換器採樣。將該類比數位轉換器的輸出輸入到一個特別程式化的現場可程式閘陣列，該閘陣列處理該信號，以提供一組多通路的輸出。該多通路輸出再以一數位類比轉換器(DAC)晶片轉換，例如對該現場可程式閘陣列的每個通路都分別提供一個數位類比轉換器，以進行轉換。該數位類比轉換器的輸出可予分別處理，用以模擬多數的頻譜分析儀的輸出信號。此外，該數位類比轉換器的輸出也可以以成對的方式處理，用以模擬多數的向量分析儀的輸出信號。

本發明的其他面向及特徵可從以下對各種實施例的詳細說明中，獲得清楚的理解。詳細說明的內容均含括在所附的申請專利範圍所示的本發明範圍及精神內。

本發明的各種實施例提供的裝置及方法，可用來以非侵入、無接觸的方式來探測待測半導體裝置中選定區域裡的作用電晶體。這些系統及方法在本案中稱作雷射電壓探測(laser voltage probing – LVP)或雷射電壓成像(laser voltage imaging – LVI)。本案所描述的方法論結合了鎖模雷射系統及連續波系統的優點，以改善先前技術的系統方法。以下將描述本發明各種實施例，以呈現實施本發明系統的實例。

圖2是一示意圖，顯示根據本發明一種實施例的系統，該系統可對一待測半導體裝置260進行雷射電壓探測或成像。圖中顯示，一鎖模雷射源204根據一觸發時鐘240的觸發信號，產生一列雷射脈波215。在本實例中，該觸發信號的頻率為100MHz，使得脈波215具有5皮秒的半峰全寬Full Width at Half Maximum –  FWHM)，且脈波與脈波間的間隔(脈波間隔)為10奈秒 。圖中的光束光學系統235包含一個偏振分束立方體(polarization beam splitter cube – PBS) 232、一個四分之一波長板234，以及一個物鏡236，依序佈置在該鎖模雷射源204與待測半導體裝置260之間。雷射脈波照射到待測半導體裝置260上後，經過振幅調製，並以光學雷射信號252的形式反射。該脈波252經一偵測器245 (光偵測器)偵測後，該偵測器245將該光學信號轉換為一類比電性信號。該偵測器245的電性信號輸入到一類比數位轉換器250。該類比數位轉換器對偵測器的輸出，以對該鎖模雷射同步的方式做採樣。在圖2的例子中，該100MHz頻率的信號被一分為二，其一送到該鎖模雷射源204，並鎖定在該時鐘頻率上；另一個則傳送到類比數位轉換器，以使類比數位轉換器一直可以在偵測器輸出信號的波峰進行取樣。在本實例裡，該類比數位轉換器相對每個時鐘信號會以每秒百萬樣本(Million Samples Per Second  – MSPS)的取樣率取樣。該類比數位轉換器的輸出即模擬一取樣示波器的輸出，但可以在不需要示波器的情況下，在雷射電壓探測系統取樣。

在本發明一種實施中，是使用一個選用的鎖相迴路板244，讓脈波可以在10皮秒左右的準確度下移動脈波。也就是說鎖相迴路板244可以相對於測試器的時鐘脈波，在該時鐘脈波中加入延遲時間。利用這種方式，可以用來測量任意大小的波形。舉例而言，在圖4所示的實例裡，鎖相迴路的輸出仍可用來決定頻率，儘管能改變的程度很微小(如50 ppm)。也就是說，時鐘240是一個壓控晶體振盪器，其可微調範圍非常小(+/-50 ppm)，但其微調受到鎖相迴路板的輸出控制。

此外，假如在第一筆資料集已經取樣後，將該雷射位移例如5奈秒，再對另一筆資料集取樣，則兩筆資料集可予內插(interleaved)處理，以產生高達200MSPS的資料量。其速率為該脈衝頻率的兩倍。另一個鎖相迴路板244附帶的好處是，該鎖相迴路板244會鎖在測試迴路時鐘上，且假設待測半導體裝置的時鐘是以某種方式鎖定在測試器時鐘上，則表示該類比數位轉換器250及現場可程式閘陣列260所模擬的「頻譜分析儀」時鐘，將可與待測半導體的時鐘同步。因此所測到的頻率即不會前後移動，而無法正確找到。在習知技術中，如果使測試器時鐘與頻譜分析儀在各自(有些微不同)的時間基礎上運作，即會發生無法找到正確頻率的現象。

雷射電壓成像(LVI)技術可以用來顯示在特定頻率下運作的電晶體的實際位置。為了取得雷射電壓影像，通常是將偵測器的信號輸入到頻譜分析儀裡。不過在圖2的實施例裡並非使用頻譜分析儀，而是將類比數位轉換器的資料輸入到一個特別建置的現場可程式閘陣列(Field-Programmable Gate Array – FPGA) 260裡。該閘陣列能複製雷射電壓探測的波形，或是作為一供雷射電壓影像探測的頻譜分析儀。在本發明一實施例中，該雷射可程式閘陣列(LPGA)對取樣資料執行一個預先定義的資料解構工作，例如快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform – FFT)。可使用的儀器包括美國加州聖荷西的賽靈思公司(Xilinx)所提供的Sparten-6現場可程式閘陣列，該Sparten-6閘陣列包含多達180個數位信號處理組件，可以程式規劃成具有48位元的累加器，執行18x18的帶號乘法，且該數位信號處理器可以在管線化的方式下以高達400MHz的速度運作。用查閱表格就可以確定Sine/Cosine、Log以及平方和(Sum-of-Squares)的值。這個例子的優勢在於當現場可程式閘陣列作快速傅立葉轉換的計算時，它是作完整的快速傅立葉轉換。換言之，資料相當完整，可以在1、2或甚至1000倍的頻率下顯示、監控或研究信號。

圖3的示意圖顯示本發明的類比數位轉換器250及現場可程式閘陣列260的一種實施例。在圖3的實例中，類比數位轉換器為14位元架構，其輸出量小於105 MSPS。類比數位轉換器250自時鐘240接收同步時鐘信號，該信號可為該自動化測試設備(ATE)的時鐘信號。在圖3的實例中，該時鐘信號的頻率與鎖模雷射相同，為100 MHz。類比數位轉換器250也從偵測器接收其信號v(t)，作為 輸入信號。在本例中，類比數位轉換器的14位元輸出被送進並列式匯流排。類比數位轉換器的輸出是以vn表示，並輸入到現場可程式閘陣列(FPGA) 260。現場可程式閘陣列260對vn作如圖3的虛線對話框所示的處理，以輸出多重數位信號。該多重信號可以供給數位類比轉換器270，以輸出類比信號。該類比信號基本上是模擬向量分析儀或頻譜分析儀形式的信號。如圖3所示，該數位類比轉換器270可以設計成單晶片多通道的形式；各個通道提供給該現場可程式閘陣列260的輸出中的一個，且各個通路分別對應到該類比數位轉換器250的輸出中的一個。在這裡描述的實施例裡，該現場可程式閘陣的輸出有八個通道，所以可以使用一個八通道架構的數位類比轉換器270。對該信號的處理可以成對為之，以提供四個輸出，用來模擬四個向量分析儀，也就是四個向量分析儀的(x,y) 或 (r,Ɵ)輸出。也可對各個通道的信號個別處理，以模擬八個頻譜分析儀的輸出。

圖4為波形圖，描繪了不同信號與類比數位轉換器相對各個脈波的輸出資料。最上面的波形是所探測到的待測半導體裝置輸出信號。其下方的波形是鎖模雷射脈波，再下方的波形代表偵測器的輸出信號。在偵測器信號的下方是類比數位轉換器的觸發脈波，該脈波與鎖模雷射脈波同步。在每個類比數位轉換器的觸發脈波(時鐘信號)下方提供的是與各該觸發脈波對應的類比數位轉換器輸出資料。

根據本發明一種實施例，只需使用一種性能介於鎖模雷射偵測器與連續波偵測器之間的偵測器，即可實施本發明。舉例來說，偵測器只需約有1GHz的性能即足敷應用。也就是說，不同於連續波系統，本發明並不需要使用到10或20GHz等級的偵測器。另一方面，通常使用在鎖模雷射系統中，較慢速的偵測器無法使用在本發明，因為這種偵測器無法清楚且快速地接收所有脈波。先前技術在一個測試循環中只容許一個脈波通過光探測器。本發明的作法反之。在本實施例中是使所有鎖模雷射的光學脈波都通過，所以所使用的偵測器速度必須夠快，但也只需要能夠在偵測到新的脈波之前，清除前一個脈波的資料即可。因此，偵測器需要在10奈秒內，即鎖模雷射的一個週期內，「清除自己」就前一個脈波的記錄資料。只需一個1GHz速度的偵測器即足以滿足這種需求。

一種適用的偵測器是美國加州Irvine的Newport Corporation所販賣的Model 1611FC-AC偵測器。該偵測器是一種砷化鎵銦光接收器，可在30kHz到1GHz速度下運作，提供20 pW/√Hz的雜訊等效功率(NEP)。該偵測器在本發明的實施例中，希望提供的性能列舉如下。該偵測器是用來接收100µW的反射光束，該光束是經過待測半導體裝置約為200ppm等級的波形調製。使用100µW等級的鎖模雷射光學脈波以100 MHz的速度發出，產生每個光學脈波1 pJ的輸出。因為所選用的偵測器響應度為1A/W，該偵測器所產生的電荷為每個脈波1 pC，即6.25x106個電子。如果鎖模雷射有散粒極限，平均來說每個脈波會有1 -σ RMS的變化，亦即√(6.25 x 106 ) = 2500個電子。該偵測器的雜訊等效功率為20 pW/√Hz x √1GHz = 632nW，乘上其700 V/W的轉換增益，即得到443 µV的均方根結果。

至於光學脈波本身，該偵測器的上升下降時間是限定在每次400皮秒。假設1 pC的電荷要在800皮秒內散播，會得到如下的偵測器輸出:

在進行該測量時，所得的雜訊組成包括該偵測器的443µV雜訊等效功率，以及350µV的散粒雜訊，積分後得到一個564µV等級的雜訊均方根結果。

假設該次測量的信號為200 ppm，則可預期得到一個175µV的信號S (200ppm x 0.875V = 175µV)。

將所有資料綜合觀察，可以得到875 mV的脈波，其上有175 µV的信號及564 µV的雜訊，故信雜比為0.31(175/564)。要讓該測量達到信雜比為10的結果，需要一平均值N=1038(564/(175/10)² )。但是在這個實施例中，如同先前技術一般，光偵測器的信號可在不使用增幅器的情況下直接由類比數位轉換器250採樣。一般來說，所有增幅器都會在信號中加入一些雜訊，但因為實際上偵測器信號所含的雜訊更多，所以增幅器所增加的小量額外雜訊，實質上並不會使信號劣化。可能有人會因此認為加入增幅器並不會產生不良影響。但這是錯誤的認知，因為即使增幅器不會增加雜訊，增幅器的有限頻寬會使偵測器產生的所有高速信號邊緣變慢。結果信號本身可能實際上不含雜訊，但如果增幅器的頻寬為10GHz，則會讓例如40皮秒的偵測器信號邊緣稍微變寬，成為約50皮秒。為避免這種結果，在圖2及圖3的實施例中，該光探測器的信號是在沒有增幅器的干涉下，由類比數位轉換器直接取樣。當然，如果信號邊緣的變寬不會有影響或影響不大，還是可以將增幅器插置在該光探測器與該數位類比轉換器之間，以在數位類比轉換器取樣前先放大信號。

圖5的示意圖描繪一種使用雙雷射源510的本發明實施例，該雙雷射源510具有一鎖模雷射源504及一連續波雷射源506。在圖5中，與圖1相近的組成元件都標以相同的元件編號，但在圖5是以5開頭。除非為特別說明圖5的實施例而有需要，否則將不再重複描述這些組成元件。

以圖5的實施例即可使用鎖模雷射或連續波雷射進行雷射電壓探測/成像。測試時使用鎖模雷射照射待測元件，其方法請參考關於圖2到圖4的敘述。如果是使用鎖模雷射，是使用感測器545 (與圖2的偵測器245類似) 用來收集反射的光束。反之，如果適使用連續波雷射506，則可能使用一個速度較快的感測器533。該感測器533可能是一個9 GHz的感測器，也就是大約比感測器545快一個數量級。感測器533的輸出傳送至類比數位轉換器550，以根據一時鐘信號作取樣。該時鐘信號的頻率可能鎖定或不鎖定到測試器540同步信號。

如圖5所示，該連續波雷射產生的雷射波長可能為1064 或1310奈米(nm)。須注意的是，當使用1064 nm波長的連續波雷射時，該連續雷射光束可能會在待測半導體元件裡產生電子電洞對(electron-hole pairs)，並干擾到測試。因此，在本實施例中較好使用1310 nm的波長，因為1310 nm的連續光束並不會產生電子電洞對，所以全部的感測器信號都可以使用。圖6即是描繪使用連續波雷射時的一種設置實例。

圖6中顯示連續波雷射源506的雷射光束經過待測半導體元件反射後，由本實施例中以50MHz操作的探測器533接收。該探測器的輸出經過數位類比轉換器550以時鐘頻率採樣，在本實施例中為100MHz。該時鐘信號是由一外部時鐘540輸入到類比數位轉換550。該時鐘可能為該鎖模雷射504所使用的時鐘電路。該時鐘信號可藉由一選用的光學鎖相迴路板544作位移。該類比數位轉換器550的輸出再傳送到現場可程式閘陣列560，在本實施例中是以八通道的形式輸出。如圖中的對話框所示，該現場可程式閘陣列560對該類比數位轉換器550的輸出運算，且在本實施例中是以八通道的形式輸出。

圖7顯示圖5所使用的鎖模雷射的配置。圖中顯示，該鎖模雷射504根據時鐘540的時鐘信號產生脈波。在圖7的實例裡，該系統也接收測試器的時鐘信號，並可以一鎖相迴路板544對該時鐘信號540相對於該測試器時鐘信號作同步或位移，如圖中的方框ΔΦ所示。 以感測器545偵測從待測半導體裝置反射的脈波。在本實例中該感測器545是一個以1 GHz頻率運作的砷化鎵銦光接收器。該感測器545所輸出的信號則由類比信號轉換器550根據時鐘540的時鐘信號直接取樣。取樣的時點即如圖7中位在感測器545信號波形上方的點551所顯示。

換言之，藉由使用鎖相迴路板544，採樣的時間可以相對於測試器時鐘信號作位移。這種現象顯示在圖式裡的對話框中。其中，在第一個測試循環裡，鎖相迴路板544將取樣時鐘信號設定在相對於測試器時鐘信號的第一位置t0，執行複數次的取樣(例如1000次取樣)。取樣的過程顯示在圖8裡。所取的的樣本可經平均化，以得到各個取樣位置上的平均值。 之後進行第二個測試循環，以鎖相迴路板544將取樣時鐘信號的位置設定在第二位置t1。在本實施例中，該位置是相對於測試器時鐘信號稍微延遲。接著取得另一組樣本，並加以平均化。以上的過程可以重複多次，所得的平均值即可以用來重建該感測器545的實際輸出波形。如前述一般，該類比數位轉換器550的輸出將傳送給現場可程式閘陣列560，而該閘陣列的輸出則由多數的數位類比轉換器570轉換。

上開描述提供一個仿照從8個數位類比轉換器所作的頻譜及向量分析儀輸出的實例。不過依據其他實施例，現場可程式閘陣列的程式會被預編來進行時間的平均，並使幾乎即時產生波形變得可行。這樣的實施例可以被使用在例如要進行掃描鏈除錯的情形。在這個應用上，自動化測試及評估裝置會以相當低的頻率(通常低於20兆赫)重複注入一系列的1和0到掃描鏈裡。一個非常典型的掃描鏈除錯會注入「1,1,0,0」的無限重複信號，因此如果自動化測試及評估裝置以10兆赫的頻率傳送這些信號給待測半導體裝置，該循環週期將於1秒鐘重複250萬次。前面已揭露的類比數位轉為器及現場可程式閘陣列的設置可以捕捉到這個信號，該信號的保真度當然很差(信雜比＜1)，但因為該信號不斷重複，現場可程式閘陣列可以對許多連續週期的掃描鏈信號進行平均，且很快速地在掃描鏈中得到高信雜比的複製波形。

舉例來說，在「1 1 0 0」的信號以10兆赫的頻率注入待測半導體裝置的例子裡，僅一毫秒內能注入平均2500個信號。而若這些信號被現場可程式閘陣列透過一高速數位類比轉換器輸出(100MSPS)，就能得到一幾乎是「活生生」的波形成像結果。基本上使用者不能分辨1毫秒的遲延，所以不論使用者將雷射光束指往任何地方，探測得到的波形會幾乎跟真的一樣。

根據該實施例的測試方法如下所示。自動化測試及評估裝置經程式化以傳送由一系列重複的1和0位元組成的掃描鏈除錯信號。該系列信號應由少數的1和0組成，例如4或8位元等。現場可程式閘陣列260的程式被預先定義來平均從類比數位轉換器250接收到的信號。同樣地，類比數位轉換器250可能會在並列匯流排243上面以14位元的字組傳送其輸出。雷射接著會停駐在待測半導體元件的第一位置上，而掃描鏈除錯信號則被送到待測半導體元件。反射的信號接著被收集起來，現場可程式閘陣列260則將自類比數位轉換器250接收的信號作平均。當收集到了足夠的信號(例如在經過1毫秒之後)，光束會移動到下一個位置。此時現場可程式閘陣列260將前一個位置平均波形的結果傳送給數位類比轉換器270，並開始平均新位置的信號。這樣的過程被重複一定的次數以掃描任何想要掃描的晶片區域。

本發明於此之描述雖然是參考特定的實施例而來，但發明之範圍不限制在該等實施例。特別是在未偏離本發明之精神及範圍的情況下，可能因為已知技術而產生各種變化或修正，如附加的申請專利範圍內容所定義。另外，所有前面引用的先前技術資料在這裡僅是做為參考。

100‧‧‧探測系統
104‧‧‧脈波型鎖模雷射源
106‧‧‧連續波雷射源
110‧‧‧雙雷射源
112‧‧‧光學機臺
114‧‧‧資料取得及分析裝置
120‧‧‧X-Y-Z平臺
125‧‧‧光束光學系統
130‧‧‧雷射掃描顯微鏡
132‧‧‧光纖纜線
134‧‧‧光纖纜線
135‧‧‧光束整治系統
136‧‧‧光偵測器
138‧‧‧光偵測器
140‧‧‧自動化測試及評估測試裝置
142‧‧‧接收反應信號
142‧‧‧激勵信號
144‧‧‧觸發信號及時鐘信號
150‧‧‧信號接收板
155‧‧‧時基板
160‧‧‧待測半導體裝置
170‧‧‧工作站
204‧‧‧鎖模雷射源
215‧‧‧雷射脈波
232‧‧‧偏振分束立方體
234‧‧‧波長板
235‧‧‧光束光學系統
236‧‧‧物鏡
240‧‧‧觸發時鐘
243‧‧‧匯流排
244‧‧‧鎖相迴路板
245‧‧‧偵測器
250‧‧‧類比數位轉換器
252‧‧‧光學雷射信號
260‧‧‧待測半導體裝置
260‧‧‧現場可程式閘陣列
270‧‧‧數位類比轉換器
504‧‧‧鎖模雷射源
506‧‧‧連續波雷射源
510‧‧‧雙雷射源
533‧‧‧感測器
533‧‧‧探測器
540‧‧‧測試器
540‧‧‧時鐘信號
544‧‧‧鎖相迴路板
545‧‧‧感測器
550‧‧‧類比數位轉換
551‧‧‧點
560‧‧‧現場可程式閘陣列
570‧‧‧數位類比轉換器

附隨之圖式為本說明書所包含並構成本說明書之一部份，該等圖式例示本發明之實施例，並與發明詳細說明共同解釋並描述本發明之原理。該等圖式之目的在於以圖形之形式描述例示實施例之主要特徵。該等圖式並非用以描述實際實施例之每一特徵或描述各該構件之相對尺寸比，亦非按照比例描繪。

圖1為一概要圖，用以表示一種根據先前技術，以雷射為基礎的電壓探測系統結構的主要組成元件。 　　圖2為表示一種根據本發明一個實施例的探測系統主要構成元件示意圖。 　　圖3為根據本發明一個實施例的類比數位轉換器及現場可程式閘陣列配置示意圖。 　　圖4描述由圖2、圖3的實施例所產生的信號波形圖。 　　圖5表示本發明一種使用雙雷射源，即鎖模雷射及連續波雷射的實施例概要示意圖。 　　圖6表示一種類比數位轉換器及現場可程式閘陣列的配置示意圖。該配置使用連續波雷射，並可以與圖5的實施例一起使用。 　　圖7表示一種類比數位轉換器及現場可程式閘陣列的配置示意圖。該配置使用鎖模雷射，並可以和圖5的實施例一起使用。 　　圖8描述由圖5、圖7的實施例所產生的信號波形圖。

以下將依照本發明顯示於圖式中的特定實施例，說明本發明之內容。然而，必須了解的是，各個在圖式中顯示的實施例目的僅是舉例，並不得用以限制所附申請專利範圍所定義的本發明範圍。

204‧‧‧鎖模雷射源

215‧‧‧雷射脈波

232‧‧‧偏振分束立方體

234‧‧‧波長板

235‧‧‧光束光學系統

236‧‧‧物鏡

240‧‧‧觸發時鐘

244‧‧‧鎖相迴路板

245‧‧‧偵測器

250‧‧‧類比數位轉換器

252‧‧‧光學雷射信號

260‧‧‧現場可程式閘陣列

270‧‧‧數位類比轉換器

Claims (23)

1. 一種雷射電壓測試方法，用於測試待測半導體裝置內的作用元件，包括： 　　用雷射光束照射待測半導體裝置的選定區域，待測半導體裝置接收測試信號，使某些作用元件改變其狀態； 　　收集自選定區域反射的光； 　　將反射光轉換為電信號； 　　用一類比數位轉換器(ADC)作電信號採樣並提供資料輸出； 　　將該輸出的資料送到一現場可程式閘陣列(FPGA)，該閘陣列則在資料輸出上作業，並產生相當於選定區域內作用元件狀態改變的雷射電壓信號。
2. 如請求項1的方法，現場可程式閘陣列的作業包含在輸出的資料上進行已被定義的資料解構工作。
3. 如請求項1的方法，現場可程式閘陣列的作業包含在輸出的資料上進行快速傅立葉轉換(FFT)。
4. 如請求項1的方法，資料輸出包含提供自複數個通道通過的複數個數位信號。
5. 如請求項4的方法，產生雷射電壓測試信號包含產生自複數個FPGA通道通過的複數個測試信號。
6. 如請求項5的方法，另包含傳送各個複數測試信號到一數位類比轉換器(DAC)。
7. 如請求項6的方法，各個成對的複數測試信號被設定成模擬向量分析儀的輸出。
8. 如請求項7的方法，各對測試信號包含一對(R-Θ)或一對(X,Y)。
9. 如請求項7的方法，各個複數測試信號被設定成模擬頻譜分析儀的輸出。
10. 如請求項1的方法，照射一選定區域包含依據一時鐘信號產生一系列的雷射脈波。
11. 如請求項10的方法，另包括讓時鐘信號與一測試同步信號互相產生關聯。
12. 如請求項11的方法，電信號的採樣包含將電信號在沒有放大干擾下直接傳送到類比數位轉換器(ADC)裡。
13. 如請求項11的方法，另包含對應於測試同步信號去改變時鐘信號。
14. 如請求項1的方法，另包含： 　　運作一自動化測試及評估裝置(ATE)，以至少1秒100萬次的週期傳送一系列重複的1跟0到一掃描鏈裡。待測半導體元件接收重複的測試信號後，　部分作用元件會重複產生狀態的變化； 　　使用現場可程式柵陣列來平均一連續期間內的掃描鏈信號，來複製掃描鏈裡信雜比比掃描鏈信號還高的的波形。
15. 一針對待測半導體裝置裡作用元件的雷射電壓測試系統，包含： 　　一鎖模雷射源(MLL)，提供一列脈波分離時間為t奈秒的雷射脈波； 　　一光束光學系統，被設定來引導脈波射在待測半導體裝置的選定區域裡，並收集自待測半導體裝置反射的脈波，再將該反射脈波導入一光偵測器； 　　一光偵測器，被設定來接收反射脈波並輸出相應於反射脈波的電信號。該光偵測器之弛豫時間比脈波分離時間t奈秒更短； 　　一類比數位轉換器(ADC)，與光偵測器耦接，並自光偵測器與鎖模雷射同步的電信號中取樣； 　　一現場可程式柵陣列(fpga)，與類比數位轉換器耦接，接收來自類比數位轉換器的樣本並運作於其上，輸出與選定區域內作用元件之狀態變化相對應的雷射測試信號。
16. 如請求項15之方法，另包含一鎖相迴路(PLL)版，與鎖模雷射源及類比數位轉換器耦接。接收時鐘信號及同步信號，讓時鐘信號可以作相對應於同步信號的變化。
17. 如請求項15之方法，現場可程式柵陣列在樣本上進行一個已被定義的資料解構工作。
18. 如請求項15之方法，現場可程式閘陣列在樣本上進行快速傅立葉轉換(FFT)。
19. 如請求項15之方法，另包含一數位類比轉換器，與現場可程式閘陣列耦接，並用來轉換現場可程式閘陣列的輸出。
20. 如請求項15之方法，類比數位轉換器(ADC)在沒有放大器干擾的情況下，直接與光偵測器耦接。
21. 如請求項15之方法，類比數位轉換器自數個通道輸出數個樣本信號。FPGA則以數個處理通道來處理樣本信號。
22. 如請求項15之方法，另包含一連續波雷射。
23. 如請求項22之方法，另包含第二個光偵測器來接收從待測半導體裝置反射的連續波雷射光束。