TWI479167B - 使用同步化雷射脈衝的雷射輔助裝置修改系統及方法 - Google Patents

Description

使用同步化雷射脈衝的雷射輔助裝置修改系統及方法

本案主張美國臨時專利申請案(Provisional Patent Application)648,042號，申請日2012年5月16日之優先權，該案的全部內容併入本案作為參考。

政府享有之權利

本發明是由美國情報先進研究計劃機構(IARPA)得標之美國空軍(USAF)合約第FA8650-11-C-7140號所資助。美國政府對本發明具有相當權利。

本發明的技術領域為以雷射光在積體電路(Integrated Circuits,IC)進行缺陷定位分析的技術。更精確地說，本發明為有關使用雷射輔助裝置修改技術(Laser-Assisted Device Alteration,LADA)進行積體電路的設計除錯及/或失敗分析的技術。

所謂LADA技術的原理是利用連續波(continuous wave,CW)雷射對積體電路之背面照射，會在其內部產生局部的光電流(photocurrents)，並因而改變測試用激發信號施加在一「疑似瑕疵的」電晶體後，通過/不通過的結果，以定位疑似瑕疵的區域，該區域包括設計上或製程上的缺陷。該雷射用以暫時改變裝置中之電晶體之操作特性。使用該1,064nm之CW雷射時，其電流空間解析度(current spatial resolution)為240nm。

對於該LADA技術之說明可見於，例如Jeremey A.Rowlette及Travis M.Eiles著作Critical Timing Analysis in Microprocessors Using Near-IR Laser Assisted Device Alteration(LADA) 乙文，刊載於International Test Conference,IEEE，IEEE報告10.4第267-279頁，2003年。該報告描述使用一1,064nm或1,340nm波長之CW雷射之可能性。並說明該1,340nm波長可能因產生局部加熱而造成裝置操作改變，而該1,064nm波長則可能由於光電流的產生，造成裝置的操作改變。須注意的是，該1,064nm雷射具有空間解析度上面的優勢。因此，該文作者建議使用1,064nm雷射。

圖1顯示一種傳統的LADA系統，該系統使用一連續波雷射以將光子電子電洞對，從晶片的背面，導入到待測裝置(device under test-DUT)內。將一DUT 110耦接到一測試設備115，例如為一傳統自動化測試設備(Automated Testing Equipment-ATE)，該自動測試設備連接到一電腦150。該ATE是以傳統方式運作，發出測試向量以激發該DUT，並分析該DUT對測試向量所產生的反應。該DUT對測試向量所產生的反應可以使用LADA作進一步的研判。例如，如果該DUT在某些測試的結果失敗，則可用LADA來檢測該DUT在特定條件下是否就可通過測試，如果是，進一步判斷其中何種裝置(亦即電晶體)是造成瑕疵的原因。反之，如果該DUT通過某些測試，則可使用LADA來檢測該DUT在何種特定條件下就不能通過這些測試，如果發現此種情形存在，還可進一步查證其內的裝置(亦即電晶體)中，何者是造成測試失敗的主因。

圖1所示的LADA運作方式如下：使用偏斜鏡片130與135以及物鏡140將由CW雷射120產生的光束集中，掃描該DUT 110。這種操作可使該雷射120在該DUT的矽材質產生光載子，但不會使該裝置產生局部的發熱。所產生的電子電洞對會影響鄰近電晶體的時序(timing)，也就是縮短或延長電晶體的開關時間。該測試器乃是建置成對待測試裝置施加一具有選定電壓與頻率的遞回測試迴路(recurrent test loop)，而將待測試裝置的操作點推到一臨界狀態。其後使用雷射激發，去改變該測試裝置的測試通過/不通過狀態的結果。該光束在各點所投射的位置會與該測試機所產生的測試通過/不通過結果形成相關性，所以當偵測到一狀態變化之後，亦即當之前測試通過的電晶體變成不通過，或者之前測試不通過的電晶體變成通過，該雷射光束在該時點所投射的座標就指示到處在「臨界點」的電晶體位置。

在該LADA分析期間，該測試器乃是建置成將待測裝置的操作點推到一臨界狀態。其使用雷射激發，去改變該測試裝置的測試通過/不通過狀態的結果。上述現有技術的雷射輔助測試技術可支援錯誤的空間定位，其空間解析度約為240nm。對於單光子LADA在解析度上的進一步改進，受限於其雷射光的波長。如在該Rowletter報告所記載，該空間解析度可藉由使用更短波長來增強。然而，如果使用小於1064nm的波長，會被矽材質吸收，成為將波長較短的雷射光從背面提供到該電晶體最大的障礙。因此，隨著近來的設計規則要求縮小裝置體積，習知的LADA系統所提供的空間解析度將無法藉由使用較小波長雷射來改善。例如，在22nm的設計規則下，傳統的LADA設備是否有能力從4個相鄰的電晶體解析出特定的電晶體，實在令人懷疑。

光致電流(optical beam induced current-OBIC)乃是另一種測試及除錯分析方法，其方式是以雷射光束照射DUT。不過，與LADA不同的是，OBIC是一種統計型的測試方法，意即並不將激發信號提供到該DUT，而是使用雷射光束來在DUT內產生電流，並以低雜訊，高增益的電壓或電流放大器量測該感應電流。OBIC過去已經使用在單光子模式，也使用在雙光子吸收模式，後者通常稱為TOBIC或2P-OBIC(two-photon optical beam induced current)。

雙光子吸收(two-photo absorption-TPA)技術是同時吸收2個相同或不同頻率的光子，以將一分子從一狀態(通常是從基態)激發到一能量較高的電子狀態。使用時選擇其波長，使2個同時到達的光子的光子能量總和，等於該分子的較低狀態與較高狀態間的能量差值。雙光子吸收技術是一種二階程序，其強度值比線性(單光子)吸收技術的強度值小數個量級。與線性吸收的差別在於其吸收的強度與該光的強度平方成比例，因此是一種非線性的光學量測方法。

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，也因此並非用來特別指出本發明之關鍵性或是重要元件，也非用來界定本發明之範圍。其唯一目的僅 在以簡單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。

本發明所揭示之各種實施例乃是藉由使用時間域的量測方法，以提高空間解析度，進而提高錯誤定位的空間解析度。本發明所揭示之實施例使用具有充足能量之脈衝雷射取代習知的連續波雷射。該脈衝雷射與該裝置之時鐘同步，因此可改善空間解析度。各種實施例利用1,064nm波長雷射於單光子LADA，或利用更長之波長以激發非線性雙光子吸收機制，產生感應性LADA效應。本案中所使用的雷射技術可以稱之為雙光子雷射輔助裝置修改(2pLADA)技術。

本發明已揭示的實施例使用測試向量激發一DUT，同時使用一飛秒級的脈衝雷射掃描該DUT之一待測區域，並在掃描的同時檢驗該DUT對測試向量的回應，以在將裝置內的錯誤作定位時，可達成較高的定位解析度。所選用的雷射光源乃是使其波長能提供在矽材質的能帶隙以下的光子能量，且能提供飛秒級的脈衝波寬。從該ATE獲得之時鐘信號，注入至該DUT及控制該脈衝雷射的電路。該脈衝之時序可相對於該ATE時鐘位移，以探各該裝置之通過/不通過特性。此外，藉由使用適當方法將該雷射脈衝同步至該時鐘，可以提高空間解析度，故可辨認出位在該雷射光束範圍內的多數裝置。

在替代之實施例中，係使用一固定式脈衝雷射系統。將該固定式脈衝雷射之時鐘信號傳送至該ATE，並用以產生供給DUT之測試信號。此外，為達到該脈衝時序相對於該測試信號位移之效果，將該固定式脈衝雷射之時鐘信號傳送至該ATE前先作位移。因此，由於該ATE是基於該已位移之雷射時鐘而產生測試信號，該測試信號已經相對於該雷射脈衝位移。藉由控制該雷射時鐘之位移，該測試信號已相對於該雷射脈衝位移，以能進行所需的LADA檢測。

本發明數種實施例提供一可與一自動化測試設備(ATE)連結操作之雷射輔助裝置修改(LADA)系統，以檢測測試中的積體電路裝置，並包括：一控制器，用以從該ATE接收並分析測試信號；時序控制電子元件，以從該ATE接收一時鐘信號，該時序控制電子元件包括一第一反饋迴路，用以產生一同步信號，用於將雷射脈衝同步於該時鐘信號；一可微調 脈衝雷射源，用以產生該雷射脈衝，並具有一可微調雷射腔，及一第二反饋迴路，以控制該可微調雷射腔，以產生該雷射脈衝所需之脈衝率；光學裝置，以從該可微調脈衝雷射源接收雷射脈衝，並導引該雷射脈衝至該待測裝置(DUT)上之所需位置；其中該時序控制電子元件建置成可將該雷射脈衝抵達該DUT內之電晶體之時間，設定成與該時鐘時間同步的時間，以改變該電晶體對於該ATE施加於該DUT之測試信號的反應，且其中該控制器建置成可偵測該經改變之電晶體回應。該第一反饋迴路及/或該第二反饋迴路可包括鎖相迴路(Phase-Locked Loop,PLL)。該光學裝置可包括一雷射掃描顯微鏡(laser scanning microscope-LSM)。該光學裝置可能更包括一固態浸沒透鏡(solid immersion lens-SIL)。該雷射脈衝之脈衝率可設定為該時鐘信號之倍數。該倍數可為大於1之整數或一分數。該時序控制電子元件可建置成可將該雷射脈衝相對於該時鐘信號延遲或提早。

根據本發明其他實施例，乃是提供一種可與一自動化測試設備(ATE)連結操作之雷射輔助裝置修改(LADA)系統，以檢測測試中的積體電路裝置，並包括：一控制器，用以從該ATE接收並分析測試信號；一固定脈衝雷射源，用以產生雷射脈衝，並產生脈衝率信號，以表示該雷射脈衝之脈衝率；時序控制電子元件，以接收該脈衝率信號並傳送一時鐘信號至該ATE；光學裝置，以從該固定脈衝雷射源接收雷射脈衝，並導引該雷射脈衝至該待測裝置(DUT)上之所需位置；其中該時序控制電子元件建置成可將ATE送出之測試信號抵達該DUT內之電晶體之時間，設定成與該雷射脈衝同步的時間，以偵測該雷射脈衝是否改變該電晶體對於該ATE施加於該DUT之測試信號的反應，且其中該控制器建置成可偵測該經改變之電晶體回應。該時序控制電子元件可另包括一可變相位電路，建置成可根據該脈衝率信號而改變該時鐘信號之相位。該可變相位電路可建置成將該測試信號依據該脈衝率信號延遲或提早。

根據本發明其他實施例，是提供一種使用雷射輔助裝置修改(LADA)技術，對耦接至一自動化測試儀器(ATE)的測試中積體電路裝置進行檢測的方法，該方法包括：從該ATE獲得時鐘信號，並提供該時鐘信號至該待測裝置(DUT)；獲得一測試迴路信號，並提供該測試迴路信號 到該DUT；施用一第一反饋迴路至一脈衝雷射源，以在可重複比率下產生雷射脈衝；提供該時鐘信號至一第二反饋迴路，以同步該雷射脈衝至該時鐘信號；及導引該雷射脈衝至該DUT上之所需區域。該第一及/或第二反饋迴路可包括一具有一外部參考信號之鎖相迴路。該外部參考信號可包括該時鐘信號。該雷射脈衝可包括皮秒(picosecond)至飛秒(femtosecond)級之雷射脈衝。可操作該脈衝雷射源以產生波長選為可產生單光子雷射輔助裝置修改的雷射脈衝。可操作該脈衝雷射源以產生波長選為可產生雙光子雷射輔助裝置修改的雷射脈衝。導引該雷射脈衝的方法可包括以該雷射脈衝掃描該DUT上之一所需區域。

根據本發明其他實施例，本發明提供一種使用雷射輔助裝置修改(LADA)技術，對耦接至一自動化測試儀器(ATE)的測試中積體電路裝置進行檢測的方法，該方法包括：使用一固定脈衝雷射源以在指定的脈衝率下產生雷射脈衝；從該固定脈衝雷射源獲得脈衝率信號，並從該信號產生時鐘信號；提供該時鐘信號至該ATE並由該ATE產生一測試迴路信號，並提供該測試迴路信號至該待測裝置(DUT)；及導引該雷射脈衝至該DUT上之所需區域。該方法可更包括根據該脈衝率信號改變該時鐘信號之相位。

110、210‧‧‧待測裝置

115、215‧‧‧測試設備

120‧‧‧連續光雷射源

130、230‧‧‧Y偏斜鏡片

135、235‧‧‧X偏斜鏡片

140、240‧‧‧物鏡

150、250‧‧‧電腦

223‧‧‧雷射脈衝序列

224、227、229‧‧‧脈衝序列

225‧‧‧雷射光源

245‧‧‧觸發信號

255‧‧‧固定脈衝雷射

260‧‧‧時序控制電子元件

265‧‧‧時序控制電子元件

275‧‧‧相位位移器

本發明的其他面向及特徵可從以下詳細說明中獲得清楚的理解。詳細說明乃是參考下列圖式所為。必須說明的是，該詳細說明及圖式僅提供本發明各種實施例的各種非限制性實例。本發明的範圍應由所附的申請專利範圍來界定。

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表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為描繪一已知技術之CW LADA系統之系統圖。

圖2為描繪本發明一實施例之脈衝雷射LADA系統之系統圖。

圖2A為描繪本發明兩個反饋迴路之實施例示意圖。

圖2B為描繪本發明一實施例利用固定脈衝雷射源以產生時鐘信號之示意圖。

圖3為描繪本發明達成同步機制之實施例方塊圖。

圖4為說明本發明脈衝雷射LADA如何在位置相鄰的PMOS及NMOS電晶體中辨認及分離個別電晶體的方法示意圖。

圖5為說明因提供準確定位雷射脈衝，改進空間解析度的方法示意圖。

圖6為本發明一實施例中雷射重複率鎖定機制之示意圖。

圖2顯示本發明一實施例，使用一具有足夠能量的脈衝雷射取代連續波雷射之系統圖。此實施例關於提供光子吸收以準確注入載子至一積體電路(IC)，以使用LADA技術判斷錯誤所在位置，且可用於IC的特性化及尋找改進設計之方法。該技術的主要原理是將光子在該電晶體上聚焦後，使所傳輸之光子能量大於產生電子電洞對(Electron Hole Pair Creation)所需的能量(例如，如為矽，為大於1.1電子伏特(eV)，如為其他IC如砷化鎵(GaAs)，矽鍺(SiGe)，磷化銦(InP)等，則具有不同能帶隙能量)。在此實施例中，光子激發(Photon Stimulation)需要以納秒(nanosecond)級至飛秒(femtosecond)級範圍的雷射脈衝激發。該訊號聚集於該雷射的焦點，在錯誤定位上提供一立即改善。電子電洞對產生的有效數量似乎因該同步而減少。本實施例乃利用精密的時序控制電子元件，以精確控制該雷射脈衝的時序，以符合測試裝置的時鐘信號的轉換緣。此種控制可達成精密的改變在進行雷射輔助裝置修改時，信號在疑似有瑕疵的電晶體傳播的延遲或提前。

圖2顯示本發明一實施例，其中一待測裝置(device under test-DUT)210耦接至一自動測試設備(Automated Testing Equipment-ATE)215，與先前技術同。然而，在圖2之實施例中，納秒至飛秒級之脈衝雷射藉由脈衝雷射光源225產生，並接著透過偏斜鏡片230及235和物鏡240聚焦至該DUT 210上。在本發明的2pLADA中，該雷射光源225提供一波長長於矽的能帶隙長之脈衝雷射光束，即波長超過1,107nm。在一實 施例是使用1,550nm的波長，而在其他實施例則使用1,340nm或1,250nm的波長。另一方面，相同裝置也可適用於單一光子LADA，在此情況下，該雷射源可提供的脈衝束波度例如約1,064nm。在此實施例中，該偏斜鏡片230及235是以一雷射掃描顯微鏡(Laser Scanning Microscope,LSM)實施。同時，在某些實施例，則使用固態浸沒透鏡(Solid Immersion Lens,SIL)做為該物鏡配置之一部分。

在傳統的LADA系統中，雷射光源是常開(ON)。但是在本發明的實施例中，則是使用時間極短的脈衝。因此，讓裝置在該雷射脈波到達時發生轉態，極為重要。為達成此目的，本發明使用一觸發信號245，該信號從該ATE取得，輸入到時序控制電子元件260，以控制脈衝雷射光源225，使其雷射脈波能夠與該ATE的測試信號同步。

使用第2圖所示的系統時，首先操作該測試設備(ATE)215，以一組測試向量測定該DUT 210的臨界設定值。也就是說，隨時改變測試向量的電壓與頻率，以判斷DUT接近無法通過測試的時點，或者正達到測試失敗時的臨界點。此即該DUT的測試通過/不通過臨界點條件。該電壓與頻率的設定值其後將用來產生一重複的測試信號，在該測試通過/不通過臨界條件下，重複的激發該DUT。

於該DUT在其臨界條件下受到激發的同時，該測試設備215送出一觸發信號245到該時序控制電子元件260。該時序控制電子元件260控制該雷射光源225以產生具有飛秒級脈衝寬度，且波長大於矽的帶隙的雷射脈衝(用於2pLADA)或短於矽的帶隙的雷射脈衝(用於單光子LADA)。通常而言，該用於2pLADA之波長約在1,250nm到1,550nm之間，脈衝寬度則約為100fs。該用於單光子LADA之波長為1,064nm，且其脈衝寬度約為100fs。該雷射脈衝掃描通過該DUT 240的一待測試區域，以延長或縮短該DUT的開關時間，並將該DUT逼到超過該臨界點。其作法是，如果該測試向量的電壓/頻率是設定成使該DUT接近無法通過測試的值，則將該雷射脈衝的時序調成會使該DUT測試失敗的值。反之，如果該測試向量的電壓/頻率是設定成使該DUT正達到測試失敗的值，則將該雷射脈衝的時序調成會使該DUT測試通過的值。在該時間中，監視該DUT的輸出， 以判斷該裝置中產生錯誤的位置。其作法是，在該DUT所輸出的信號顯示該裝置無法通過測試(如果該雷射光束不存在，該DUT即可通過測試)的同時，判斷該光束投射在DUT的位置何在，並以該位置作為造成錯誤的電晶體所在位置。反之，在該DUT所輸出的信號顯示裝置通過測試(如果該雷射光束不存在，該DUT即無法通過測試)的同時，判斷該光束投射在DUT的位置何在，並以該位置作為之前造成錯誤但現在則通過測試的電晶體所在位置。

必須說明的是，由於該測試裝置會產生一同步信號，故可改變該雷射脈衝的時序，以改變該光學生成(單光子或雙光子)效應對該電晶體的作用量。其方式是，改變該雷射脈衝的時序，以延長或縮短該DUT的開關時間。這種測試功能除可以用來判斷錯誤的位置之外，尚可判斷錯誤的嚴重性。

本發明之實施例亦使用時序控制電子元件，以精確的控制該雷射脈衝相對於該測試裝置(例如ATE)的時鐘脈衝邊緣轉換之時序。以這種控制方式可以微調改變該信號經過該目標電晶體的延遲或提早傳遞。在一實例中，如圖2A所描繪，是利用兩個鎖相迴路(Phase Locked Loops,PLL)以準確地控制該脈衝雷射。在圖2A，該ATE 215提供一時鐘信號及一測試迴路信號。兩者皆傳入至該DUT且已鍵入並傳送至該時序控制電子元件260，即該第一PLL。該雷射光源225中則已包括一第二PLL。

也就是，該雷射光源225之PLL可確保該脈衝率穩定並準確地達到預期頻率。相對地，該時序控制電子元件之第一PLL提供該第二PLL頻率可同步於該ATE之時鐘信號(Clock Signal)。值得注意的是，在此發明中，同步並不一定代表該雷射脈衝及該時鐘脈衝同時發生，而是指兩者可於一測試迴圈期間同步。因此可例如將該雷射脈衝之時序位移，以使該脈衝於該時鐘信號之每個時鐘脈衝中間產生1，如圖中脈衝序列227所顯示，也可在每一時鐘脈衝之末端產生，如脈衝序列229所顯示等。也就是，該雷射脈衝可能相對於該ATE之時鐘信號延遲或提早，但保持同步至該ATE之時鐘信號。

另一種做法是反之如下將闡述，該雷射脈衝之頻率設為該 ATE時鐘信號的倍數。例如，雷射脈衝序列223的脈衝數為7倍，在ATE之每個時鐘脈衝時間即產生7個雷射脈衝。利用一大於1的乘數，即可探測裝置的錯誤是在升緣、降緣或其他時間產生。同時，因為相對於每一個時鐘脈衝已有數個雷射脈衝提供提早或延遲的顯示功能，故不需將脈衝作延遲或位移處理。反之，也可使用一小於1倍之乘數。例如，在脈衝序列224，其乘數為0.5倍，如此每隔一個時鐘信號才有一雷射脈衝到達。此一裝置可用於驗證裝置的瑕疵確實是因為該雷射脈衝導致，因為如果為真，則該裝置將會有50%的時間內驗出失敗。

圖3顯示本發明一實施例，用以達成同步的機制。可經由一中介PLL電路(3)將從一脈衝雷射源(1)輸出，時間長度為納秒到飛秒的脈衝，同步至一積體電路(IC)(2)的時鐘週期。在此設計下，該PLL電路接受該IC之時脈週期頻率並將其鎖定於一內部石英振盪器，該石英振盪器頻率相同，在本實施例中，該時脈頻率與該石英振盪器之頻率均固定於100兆赫(MHz)，該頻率可藉由該ATE(未顯示)產生。此種設計能夠形成1：1的光脈衝對電晶體開關事件同步比率。在此條件下，實際上的做法是將該頻率設定成1千赫(kHz)-10吉赫(GHz)之間的任何值，再根據該光子吸收率的效率逐一消去，得到所需的值。

在此須注意，高於1GHz的光源並不是用在非線性量測，例如本發明的2pLADA方法。這是因為通常各脈衝的峰值光功率是與重複率形成反比，因此，高重複率即等於峰值低光功率，所產生的雙光子吸收效率即使存在，也不足以應用。反之，如果是使用1064nm來進行1：1同步率的單光子量測，則以數個GHz的光源較為有利，因為其光電效應是隨入射光的能量大小而縮放。此外，也應注意雙光子吸收的效率是與入射脈衝期間直接成正比，因此飛秒級的光脈衝產生的峰值光能量比皮秒級或奈秒級的光脈衝高出許多，因此可改善非線性吸收現象。因此，在非線性量測應用上，必須使用超高速(飛秒級或皮秒級)的光脈衝。反之，在單光子的量測應用上，其脈衝期間對吸收率而言，即非屬限制性的參數，因此不會影響量測效果。反而是可以提供額外的探測參數，例如可用來量測光脈衝對光電裝置激發的交互反應期間。不但如此，對於單光子波長(小於 1,130nm)而言，矽的吸收係數較大，如果與以雙光子吸收微調的波長(.λ1250nm)比較。

為了維持系統的效率，應用時可修正該同步化機制，以使人射光脈衝的整數倍與電晶體的開關事件(或裝置的時鐘頻率)達成一致。為達成這項目的，需將該雷射光源設計成可產生大於1GHz的重複率，並具有一可縮放的脈衝選用模組，置於脈衝最佳化之後，以供修改其同步比例。例如，可不將各入射光脈衝形成與各電晶體的開關事件達成一致，而將各每個第二脈衝形成與每個下一開關事件一致，因而產生一種2：1的同步比例。在實際應用上，這種作法可以使用一200MHz重複率的雷射及一100MHz的裝置頻率加以達成，也可以一1GHz重複率的雷射及一500MHz的裝置頻率加以達成。餘此類推。另一種作法則是可將該比例調整成3：1或4：1，只要該比例與一光電時序安排相當，使其時鐘脈衝可與測試迴路信號達成同步即可。在這種同步機制下，光子吸收的效率不會下降，但是吸收的發生比率則會，故所產生的光子信號強度會與其同步比例形成負向縮放比。須請注意，以上所述並非以雷射誘發量測積體電路技術的限制性參數。對於每個待測裝置而言，都必須執行光子縮放校正，才能判斷同步比例的最大容許值。此外，如果將一可微調光源(亦即1000-1600nm輸出波長)整合到這種系統內，則在應用時可在單光子吸收與雙光子吸收兩種機制中互換，因為就矽材質而言，當波長大於大約1200nm十，雙光子吸收將優於單光子吸收。

一旦將上述頻率(即該時鐘及石英晶體震盪器之頻率)鎖定在一起，該PLL電路之輸出信號即經由一100Mz(或為時鐘之頻率)之電子濾波器傳送至該脈衝雷射，以作為其輸入激發信號。這種作法的原因是，該PLL線路對其輸出信號之相位具有完全控制。因此，可用來控制該雷射光輸出之重複率，進而控制該脈衝的抵達時間。此可藉由示波器(9)比較從該IC所輸出的時鐘頻率，與從該脈衝源輸出之激發輸出，加以驗證。在此實例中，該PLL線路可以電子方式達成大約600fs的相位延遲；然而，因其電路板會發生電性抖動，故而將相位延遲的最小值設定約為20ps。該系統之電性抖動與該光脈衝相對於個別驗證中電晶體開關時間所在之處的 準確度，具有直接比例關係。因此，從該系統之電性抖動為20ps可知，該光學位置的準確度亦為20ps，形成一對一配對。此為一關鍵參數，因為如果該光學位置誤差大於例如該2pLADA的飛秒脈衝期間，將會抵銷上述時序控制所獲得的功效。飛秒級的光脈衝可以提高區域的能量前度，以達成有效的雙光子吸收，但當該電性抖動蠶食上述分離的載體產生時間時，該抖動將會限制下一信號的產生，以及當時的時間解資料的時間精確度。

該雷射脈衝接著耦接至一雷射掃描顯微鏡(Laser Scanning Microscope,LSM)(4)，用以將該脈衝準確分布在該IC上一特定位置。利用一電腦(6)控制該LSM，該電腦提供圖形化使用者界面(Graphical User Interface,GUI)，以及一客製化數位訊號處理器(Digital Signal Processor,DSP)套裝。在本發明所揭示之實施例，此應用套裝經由一預設DSP線路(7)給予末端使用者可直接與該PLL線路交換資料之功能，而該PLL線路則提供對該脈衝抵達該裝置之時間之完全控制，例如可延遲或提早該脈衝。

現說明該裝置2。該裝置2可因電的激發而產生預設條件之LADA通過/不通過的值，顯示在一客製化應用介面(5)。該介面板將從一計數器、栓住器及位移暫存器組合所得到的即時取得值，與預先選定一重置開關而插入的置入參考值相比較。對於該即時置入計數器值的精密控制，可藉由一類比微調遲延電位計來達成。該類比微調遲延電位計提供在該應用介面板上，以改變該拴住器對該IC所致能的功能。上述架構提供使用者可以條件操控，使比較器的輸出值成為通過、不通過或各半。上述通過/不通過輸出值其後提供致一資料條件化電路，在此實例為一場效可規劃閘極陣列(FPGA 8)。該電路經程式化，以接收一即時數位通過/不通過激發信號，以條件化方式將該失敗(不通過)值轉變成0-100%的值，並輸出一平均化(以約40us的週期)的數位輸出，也以0-100%的值表示，以提高其可視性，並將所得的通過/不通過程度加以偏估後，顯示於該圖形化使用者介面。該資料條件化電路也可用來與該應用介面板連結，以在校正該應用介面板所輸出的電壓後，計算該雷射誘發的時序延遲的大小。

在上述之實施例中，是使用可微調之脈衝雷射源，並調整該 脈衝頻率以同步至該ATE時鐘。雖然上述實施例可行，但可微調之脈衝雷射源通常極為昂貴並需要使用上述之PLL。圖2B顯示本發明另一實施例，其中的LADA量測是使用一簡化的固定脈衝雷射255。例如，可使用一模式鎖定雷射源。所謂模式鎖定是指一種光學技術，可製成產生極短期間的光脈衝之雷射，該脈衝屬於皮秒或飛秒級。該雷射脈衝可充作時鐘信號，供給於時序控制電子元件265。傳統ATE具有時鐘輸出埠，並可程式規劃成利用該輸入時鐘信號以產生供該DUT使用的時鐘信號及測試迴路信號。因此，在本發明一實例中，乃是將該時序控制電子元件265的時鐘信號輸入到該ATE，而該ATE則以程式規劃成可使用該輸入信號已產生所需的時鐘信號及測試迴路信號。

然而，如上所述，為將該脈衝雷射LADA應用到極致，必須調整其脈衝，使其雷射脈衝在該時鐘周期的不同時間點到達該電晶體，例如使其在時鐘周期的上升緣、中間點或下降緣等時點，到達電晶體。在圖2、圖2A及圖3所示的實施例中，是將雷射脈衝提早或延遲來達成。但在圖2B的實施例中，該雷射脈衝為固定，無法改變，因此不能以延後或提早該雷射脈衝的方式來實施。因此，在本發明的一實施例中，是將該ATE以程式規劃，以延後或提早其時鐘信號，以與從該時序控制電子元件265得到的時鐘信號同步。以此方式使該雷射脈衝到達該電晶體的時間點可以微調到該ATE時鐘信號的上升緣、下降緣等時點。

另一方面，因為該ATE及該LADA測試器通常是由不同製造商製造，且實際上測試是由另一第三公司之測試工程師執行，如能簡化該測試工程師的操作，並免除該ATE延遲或提早該信號的任務，將更為有利。為達成此目的，可使用圖2B的實施例所示的相位位移器275。其方式是，使用該相位位移器275來使從該時序控制電子元件265輸出的時鐘信號，早於或晚於該雷射脈衝。所得的調整後信號之後送至該ATE，作為輸入時鐘信號。如此一來，當該ATE輸出其時鐘信號及測試迴路信號時，兩種信號都可相對於該雷射脈衝位移或延遲。

實施例

建造一具有一脈衝光源之脈衝LADA系統，以提供該操作用裝置可評 估或測量的新面向。傳統單光子或替代性雙光子LADA是使用一CW雷射，所使用的光輻射持續的與個別電晶體互動，使其侵入性達到可能損害的程度。反之，本發明使用的是脈衝型的LADA技術，可使個別電晶體的開關行為特性能夠對比到高達2個物理維度。以下將討論該脈衝型LADA的延伸概念。

在傳統CW LADA激發下，裝置的理論及實務都證實，從一p型金屬氧化物半導體(PMOS)電晶體經雷射誘發的裝置微擾(perturbations)強度，將會主導其毗鄰的n型金屬氧化物半導體(NMOS)電晶體。由於雷射光束的直徑可能覆蓋p型及其毗鄰的n型半導體，所得到的空間解析度將不足以區別何者為有瑕疵的電晶體。反之，如果使用本發明的實施例，而以脈衝形式為之，則可以其時間解析度來得到提高的空間解析度，甚至使用波長較長的雷射，也可得到相同的結果。換言之，由於入射的脈衝已經微調到恰恰與驗證中的電晶體的開關時間間距相同，且因為各個脈衝所含的峰值能量遠大於使用CW技術的情形，故而可以從位在緊鄰位置的電晶體中，區別並分離出個別的PMOS與NMOS電晶體。這是過去使用CW激發方法所無法達成的，而本發明已經開創出一種新的實驗方法，可供半導體裝置的設計除錯與特性分析應用，並可運用在愈形小型化的設計規則中。本發明的方法已經解決了半導體裝置失敗分析產業的一大難題。該難題源於在最近的科技節點已經朝較低的奈米幾何條件縮小，使得光學誘發型電晶體辨認與操作特性分析更形重要，但卻苦無解決方法。因此，本發明的同步化脈衝LADA方法具有高於習知CW LADA方法的價值。

圖4A-4C顯示上述改進的一種機制範例。在連續波方法下，因為PMOS信號通常具有支配地位，故而只能得到單一信號的大致空間分布，即如圖4A所示。以這種方法極難以分離個別電晶體的實際分布及/或將所得的LADA顯示結果套用到電腦輔助設計(CAD)的布局圖上。理論上每個電晶體都會產生自己的LADA信號，無論其雷射誘發效應強度如何，如圖4B所示。這些信號可以用來完美的追蹤個別電晶體的實際位置，以進行快速的物理的及/或光電的辨認。這種現象也可以應用到脈衝領域， 以上述實施例加以實現。其做法是，控制雷射脈衝的時序，使其與測試信號同步，而令其根據使用者的選擇，到達各個PMOS與NMOS電晶體所在位置。該脈衝可調整到與PMOS電晶體的開關動作一致，以對電晶體作測試，也可調成與NMOS的開關動作一致，以測試該NMOS電晶體，即如圖4C所示。因此可以改善對特定電晶體的開關動作進行評估，並改進LADA信號的CAD強化實體對應與辨認，不受該雷射光束的空間覆蓋範圍所拘束。

此外，該超高速脈衝所產生提高的峰值功率除了能更有效產生LADA信號之功能，即所得結果含較少平均影像之外，通常可以提高或降低(視所需產生微擾的為PMOS或NMOS電晶體而定)雷射誘發臨界時序路徑微擾，因此可以改進LADA信號的收集。較強的誘發光功率可以提高矽材質中光注入載子的數量，並隨之提高在待測裝置的結構中激發光電變動(optoelectronic fluctuations)的機率。以這種方式可以達成顯著的LADA信號回應，而可僅使用較低程度的侵入性即能量測得到。脈衝光源實際上關閉(OFF)的時間長於打開(ON)的時間，故可降低熱量累積與產生損害的機率。例如，以脈衝期間為10ps的超高速雷射，在重複率為100MHz之下，雷射關閉的期間為10ns，形成一種1：1000的ON/OFF比，故可提供足夠的冷卻停機時間。不過須注意的是，產生加熱的最終原因還是其功率比。例如單一光脈衝如果含有1kJ的入射光學能量，即可滿足上述條件，但同時也含有足夠的能量而可能因其他熱學或非熱學的光電機制，對裝置產生永久性的傷害。

同時，由於需以非侵入性的方式對一特定電晶體注入相當程度的光功率，當然會產生使之前忽略的電晶體位置產生微擾的可能性。本來，要在一給訂的疑似瑕疵區域附近產生大規模的光載子(對於敏感度不等的電晶體作檢測時實屬常見)，就會提高將LADA檢測區域的可視範圍不當擴大的可能性。所要活化的區域可以使用約為10-100uA的雷射誘發光電流來激發。但是在使用超高速雷射脈衝所驅動的峰值光功率，只要趨近10-100kW即足以對待測裝置注入10-100mA的光電流，而仍維持安全程度的侵入性。這種能量即足以使「健康的」電晶體產生微擾。

要在矽材質中獲得有效的雙光子吸收，可以使用高於10 MW/cm2之焦點雷射功率密度。不過，用在單光子吸收時，其值大約小106倍。這是因為其相對吸收截面不同。要達成有效且非侵入性的光載子注入，該入射光功率(或局部功率密度)的大小需降低，因為待驗證的電晶體幾何規模已然縮小。同時雙光子吸收的發生並依存於特定的功率密度臨界值。雙光子吸收是一種瞬間的，量子力學定義的非線性過程，隨其三級非線性極化率(third-order nonlinear susceptibility)的虛數部分變化，亦即隨強度平方變化，而非隨功率密度變化。

即使1,250nm之雙光子波長可有效性地在該矽內部產生625nm的吸收(其中該吸收截面大於1,064nm)，因該吸收過程依存於強度之特性也會降低其吸收的總相對比例。雙光子吸收是直接與入射光強度的平方成正比。此外，矽的摻雜程度也會影響其結果，亦即提高或降低摻雜濃度將會影響吸收的效率，其關係為波長的函數。然而這種經過單光子影響的機率卻實現了另一種新穎的雷射探測與裝置特性分析平台，可提供對電晶體內作信號區分及轉換等級的高精密時序分析。傳統的CW LADA方法並無法提供這種形式的檢驗分析，因為受限於其侵入性特質(因其雷射為常開)，以及有限的功率傳遞能力。相反的，本發明使用時間解的脈衝探測方法，則已空前的提供對無瑕疵的，設計定義的節點，並連同對其後續下游裝置的表現及互動，進行失敗分析，以檢驗其電晶體開關動作的物理學。為能有效實現如本發明型態的裝置特性分析，必須先對所需的入射光功率強度有所了解。使「健康的」電晶體產生微擾，需要使用高的峰值功率，但同時必須維持最小程度的侵入性。在此條件下，將入射光脈衝的時間期間最佳化，極有必要。如同已知，在1064nm波長下，皮秒級的脈衝期間在電晶體層次可提供相當強度的入射光功率(以及產生足夠的光載子)，因為例如10ps的雷射脈衝，重複率為100MHz，且平均功率為4mW時，可產生4W的峰值功率。但是這種條件在該雷射重複率搭配到從待測裝置所得的時鐘頻率高於1GHz時，將無法達成。提高重複率的結果將導致峰值功率下降。因此，另一種適當的替代方式是使用一飛秒級的雷射光源。該雷射重複率可以依據該裝置的工作頻率作縮放，同時提供提高等級的峰值光功率，因為其脈衝期間已經縮短1000倍，故可將其峰值功率提高 相同的倍數，在上例中即為4kW。使用飛秒級的脈衝期間另一項優點是改善其時間特性分析效果，不過所提高的效果受限於該同步化機制的電性抖動的強度，均已說明如上。最後，飛秒級的脈衝與皮秒級或奈秒級的脈衝相比，可提供較小程度的光學侵入性，從而將對裝置的雷射誘發損害發生可能性，降至最低。

此外，本發明的脈衝型LADA系統已證明因其能正確的控制脈衝時序，而可提高檢測的空間解析度。再與習知CW方法比較，該CW方法是以雷射持續的激發一疑似瑕疵的特定區域，以即時的演繹出LADA資訊。所產生的結果是空間上的平均值二維LADA影像，因為在電路功能性的較高階層順序之間，即傳播信號路徑與時間之間，並無法產生區別，只能得到結合後的分布資訊，其中又因受到PMOS支配，而產生偏差。與此相對，本發明的脈衝型方法則能區別出不同傳播速度的路徑，其精確度達到20ps，故可供高解析度的LADA信號顯示使用，而提供提升的側向解析度，原因在於所得結果可個別的以時間區別空間上相分離的相鄰電晶體；這些電晶體並未設定在該時間執行開關動作，而是在之後的裝置操作周期才開關。本發明可提升LADA的區別解析度以及實際上的LADA解析度。

圖5A-5D顯示本發明的架構範例。在連續波模式下，因為該LADA信號的空間分布是以時間平均，所得的二維LADA分布圖只能提供大致的光電結構，且顯示結果是經個別電晶體的LADA信號強度左右(因為PMOS通常較NMOS更具主導能力)，產生偏差。所得的影像即如圖5A所示，圖中顯示其空間解析度不佳，且與CAD套圖的能力有限。與此相對，在本發明的脈衝型模式下，所得的LADA影像品質較佳，且其空間解析度提高，因在取得信號方法上的時間解特性所致。因為將個別電晶體的個別位置設為空間與時間的函數，(並因能提供足夠的入射光功率以移除可能的PMOS主導效應)相鄰電晶體的影響已經透過微擾該LADA資料取得而有效移除，而得到一種測試器驅動，依存於電晶體的，控制裝置操作的事件序列。每個電晶體都設定成以一系統化，時間依存的順序開關，而使入射光脈衝能夠直接以2個物理維度(即X與Y)以及以時間軸，描繪及量測 各個電晶體。如此一來，所的到的LADA信號的空間解析度即獲得改善，且因此可以抽取額外的，先前技術所無法得到的裝置相關資料，即如圖5B與5C的順序所示，圖中顯示由不同時間取得的影像，均可提供時間上與空間上的區別性。

除了可以利用本發明收集LADA相關資料之外，本發明也可用來判斷其他的光電現象。其中一例即是量測雷射誘發載子的生命週期。在現有技術下，對裝置上特定位置的載子生命週期的量化極度困難。這是因為這種量測需取得多數不同的光電參數，例如材料組成分、尺寸大小、幾何條件以及電場強度與方向等等。但是如果使用本發明的脈衝型LADA技術，則可藉由偽泵探針型(pseudo pump-probe type)技術，直接量測其電子時序表(timescale)。量測時是將一特定電晶體的LADA事件的發生，連結到一雷射脈衝的到達時間。所量得的載子生命週期可能需要以該系統的電子反應時間調整(即減除)，已得到更正確的量測結果。

雷射光源

現有技術已能提供重複率高達數GHz的雷射光源。該雷射光源經過精密規制其共振腔長度，即：震盪腔越短，其重複率越高。對腔室長度的控制可以利用一壓電致動器設置在一腔內共振器反射鏡的相反側，加以達成並鎖定。這是目前工業標準的重複率鎖定技術，但用來實施本發明機制的電子混波器電路，在設計上及實施上可能有所不同。為能將該微調脈衝雷射光源納入以上所述的實施例的LADA測試器，需使用2組反饋迴路。一者用來控制該雷射脈衝的重複率，另一用來將該脈衝的時序同步於該DUT的時鐘。第一組用來控制重複率的反饋迴路包括一個混波器，用來比較該雷射的自由運行(free-running)重複率頻率與一輸入時鐘激發信號，以產生一高電壓驅動的差動信號。該差動信號即輸入到該壓電傳導器，以調整該共振腔的長度，進而將所需的長度調整到使脈衝的重複率與輸入時鐘信號相匹配。這個步驟的一種實例顯示在圖6。除在圖6所顯示的電路之外，另一次級穩定化機制也可包括在系統中，以持續監控並改正該分數-整數放大器的輸出電壓。以此方式確保該高電壓放大器可常時的得到正確的輸入電壓，以在較長的時段內，例如在數日中而非數十分鐘內，穩定的鎖定重 複率。

必須說明的是，以上所述之方法及技術本質上並不限於任何特定之裝置，且可以任何適用之元件組合加以達成。此外，各種態樣之泛用性裝置也可適用在所述之發明中。也可以使用特製的裝置，以執行上述之發明方法步驟，而獲得更多優勢。

以上是對本發明例示性實施例之說明，其中顯示特定之材料與步驟。但對習於此藝之人士而言，從上述特定實例可產生或使用不同變化，而此種結構及方法均可在理解本說明書所描述及說明之操作，以及對操作之討論後，產生修改，但仍不會脫離本發明申請專利範圍所界定之範圍。

210‧‧‧待測裝置

215‧‧‧測試設備

225‧‧‧雷射光源

230‧‧‧Y偏斜鏡片

235‧‧‧X偏斜鏡片

240‧‧‧物鏡

245‧‧‧觸發信號

250‧‧‧電腦

223‧‧‧雷射脈衝序列

224、227、229‧‧‧脈衝序列

Claims (22)

1. 一種可與一自動化測試設備(ATE)連結操作之雷射輔助裝置修改(LADA)系統，以檢測測試中的積體電路裝置，並包括：一控制器，用以從該ATE接收並分析測試信號；時序控制電子元件，以從該ATE接收一時鐘信號，該時序控制電子元件包括一第一反饋迴路，用以產生一同步信號，用於將雷射脈衝同步於該時鐘信號；一可微調脈衝雷射源，用以產生該雷射脈衝，並具有一可微調雷射腔，及一第二反饋迴路，以控制該可微調雷射腔，以產生該雷射脈衝所需之脈衝率；光學裝置，以從該可微調脈衝雷射源接收雷射脈衝，並導引該雷射脈衝至該待測裝置(DUT)上之所需位置；其中該時序控制電子元件建置成可將該雷射脈衝抵達該DUT內之電晶體之時間，設定成與該時鐘時間同步的時間，以改變該電晶體對於該ATE施加於該DUT之測試信號的反應，且其中該控制器建置成可偵測該經改變之電晶體回應。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之系統，其中該第一反饋迴路包括鎖相迴路。
3. 如申請專利範圍第1項所記載之系統，其中該第二反饋迴路包括鎖相迴路。
4. 如申請專利範圍第1項所記載之系統，其中該光學裝置包括一雷射掃描顯微鏡。
5. 如申請專利範圍第4項所記載之系統，其中該光學裝置更包括一固態浸沒透鏡。
6. 如申請專利範圍第1項所記載之系統，其中該雷射脈衝之脈衝率設定為該時鐘信號之倍數。
7. 如申請專利範圍第6項所記載之系統，其中該倍數為大於1之整數。
8. 如申請專利範圍第6項所記載之系統，其中該倍數為一分數。
9. 如申請專利範圍第1項所記載之系統，其中該時序控制電子元件建置成可將該雷射脈衝相對於該時鐘信號延遲或提早。
10. 一種可與一自動化測試設備(ATE)連結操作之雷射輔助裝置修改(LADA)系統，以檢測測試中的積體電路裝置，並包括：一控制器，用以從該ATE接收並分析測試信號；一固定脈衝雷射源，用以產生雷射脈衝，並產生脈衝率信號，以表示該雷射脈衝之脈衝率；時序控制電子元件，以接收該脈衝率信號並傳送一時鐘信號至該ATE；光學裝置，以從該固定脈衝雷射源接收雷射脈衝，並導引該雷射脈衝至該待測裝置(DUT)上之所需位置；其中該時序控制電子元件建置成可將ATE送出之測試信號抵達該DUT內之電晶體之時間，設定成與該雷射脈衝同步的時間，以偵測該雷射脈衝是否改變該電晶體對於該ATE施加於該DUT之測試信號的反應，且其中該控制器建置成可偵測該經改變之電晶體反應。
11. 如申請專利範圍第10項所記載之系統，其中該時序控制電子元件另包括一可變相位電路，建置成可根據該脈衝率信號而改變該時鐘信號之相位。
12. 如申請專利範圍第11項所記載之系統，其中該可變相位電路建置成將該測試信號依據該脈衝率信號延遲或提早。
13. 一種使用雷射輔助裝置修改(LADA)技術，對耦接至一自動化測試儀器(ATE)的測試中積體電路裝置進行檢測的方法，該方法包括：從該ATE獲得時鐘信號，並提供該時鐘信號至該待測裝置(DUT)；獲得一測試迴路信號，並提供該測試迴路信號到該DUT；施用一第一反饋迴路至一脈衝雷射源，以在可重複比率下產生雷射脈衝；提供該時鐘信號至一第二反饋迴路，以同步該雷射脈衝至該時鐘信號；及導引該雷射脈衝至該DUT上之所需區域。
14. 如申請專利範圍第13項所記載之方法，其中該第一反饋迴路包括一具有一外部參考信號之鎖相迴路。
15. 如申請專利範圍第14項所記載之方法，其中該外部參考信號包括該時鐘信號。
16. 如申請專利範圍第13項所記載之方法，其中該第二反饋迴路包括一具有一外部參考信號之鎖相迴路。
17. 如申請專利範圍第13項所記載之方法，其中該雷射脈衝包括皮秒(picosecond)至飛秒(femtosecond)級之雷射脈衝。
18. 如申請專利範圍第13項所記載之方法，其中該脈衝雷射源經操作以產生波長選為可產生單光子雷射輔助裝置修改的雷射脈衝。
19. 如申請專利範圍第13項所記載之方法，其中該脈衝雷射源經操作以產生波長選為可產生雙光子雷射輔助裝置修改的雷射脈衝。
20. 如申請專利範圍第13項所記載之方法，其中該導引該雷射脈衝的方法包括以該雷射脈衝掃描該DUT上之一所需區域。
21. 一種使用雷射輔助裝置修改(LADA)技術，對耦接至一自動化測試儀器(ATE)的測試中積體電路裝置進行檢測的方法，該方法包括：使用一固定脈衝雷射源以在指定的脈衝率下產生雷射脈衝；從該固定脈衝雷射源獲得脈衝率信號，並從該信號產生時鐘信號；提供該時鐘信號至該ATE並由該ATE產生一測試迴路信號，並提供該測試迴路信號至該待測裝置(DUT)；及導引該雷射脈衝至該DUT上之所需區域。
22. 如申請專利範圍第21項所記載之方法，更包括根據該脈衝率信號改變該時鐘信號之相位之步驟。