DD273695A1 - Verfahren zur erfassung schnell ablaufender prozesse in integrierten schaltkreisen unter verwendung eines laser-raster-mikroskopes mit obic-stufe - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erfassung schnell ablaufender Prozesse in integrierten Schaltkreisen unter Verwendung eines Laser-Raster-Mikroskopes mit OBIC-Stufe. Die Erfindung ist geeignet fuer die Testung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von integrierten Schaltkreisen. Die Loesung besteht darin, dass zwei gepulste Laserstrahlen unterschiedlicher Intensitaet und starrer Kopplung ihrer Impulsfolgefrequenzen vorgesehen sind, von denen der hoeherer Intensitaet auf der Oberflaeche des Schaltkreises wahlweise frei positioniert wird, der Laserstrahl geringerer Intensitaet zur Gewinnung einer raeumlichen Information die Oberflaeche abrastert und zur Gewinnung einer zeitlichen Information die Impulse der beiden Laserstrahlen zeitlich gegeneinander verzoegerbar sind.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung schnell ablaufender Prozesse in integrierten Schaltkreisen unter Verwendung eines Laser-Raster-Mikroskopes mit OBIC-Stufe. Die Erfindung kann in der Testung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von integrierten Schaltkreisen eingesetzt werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Der Funktionstest hochintegrierter Schaltkreise erfolgt üblicherweise in rechnergestützten Testanlagen. Die sehr zeitaufwendigen Testverfahren bieten den Eingängen des zu untersuchenden Schaltkreises ein Bitmuster an und aus der Analvse der resultierenden Ausgangsbelegung werden Fehlfunktionen des ICs erkannt. Eine Lokalisierung des Fehlers ist insofern schwierig, da die diskrete Anzahl der Ausgangspins (256) ein eindeutiges Zuordnen auf die um rund 3 Größenordnungen größere Anzahl von Schaltelementen (100000) nicht erlaubt.

Insbesondere während der Entwicklungsphase eines Schaltkreises müssen Pegelmessungen im Inneren der Schaltung durchgeführt werden. Die in der LSI-Technologie verwendeten Nadeltester sind in der VLSI- und ULSI-Technologie wegen der Kanalbreiten und der bei hohen Betriebsfrequenzen störenden Kapazitäten ungeeignet.

Zur Bestimmung der inneren logischen Zustände von ICs wurden in den letzten Jahren Laser-Raster-Mikroskope erfolgreich eingesetzt (R.Müller, Siemens Forschungs- und Entwicklungsbericht 13 [1985] 9-14; Scanning 7 [1,985] 88-96).

Die als OBIC-Verfahren (optisch induzierter Strom) bekanntgewordene Untersuchungsmethode beruht auf der punktweisen Abrasterung der Oberfläche des zu untersuchenden Schaltkreises mit einem fokussieren Laserbündel, wobei durch Absorption der Laserstrahlung im Halbleitersubstrat Elektron-Loch-Paare erzeugt werden. Im Bereich eines gesperrten p-n-Überganges werden diese Ladungsträger getrennt und bewirken im äußeren Stromkreis eine Stromänderung. Diese Stromänderung wird verstärkt und entsprechend der Rasterfrequenz des abtastenden Laserspots zum Aufbau eines Bildes genutzt.

Somit ist es möglich, ein Gesamtbild der inneren Pegel eines integrierten Schaltkreises zu bekommen. Nachteilig ist, daß die Bildaufbauzeit im Bereich einiger Sekunden liegt, der Schaltkreis somit nur mit statischer bzw. quasistatischer Eingangsbelegung getestet werden kann.

Ein anderes Verfahren, das es ermöglicht, den inneren logischen Pegel bei einigen MHz Taktfrequenz zu erfassen, wird von HENLEV beschrieben (US 4588950). Dabei wird mit einem intensitätsmodulierten Laser auf eine diskrete Stelle des ICs eingestrahlt und der modulierte Photostrom aus dem Betriebsstrom des ICs analysiert. Dieses Verfahren liefert aber keine Gesamtheit der logischen Zustände.

Eine Erweiterung des OBIC-Verfahrens mit einem Laser-Raster-Mikroskop stellt die Untersuchung des dynamischen Verhaltens eines integrierten Schaltkreises dar. Um innerhalb eines Schaltkreises die Elemente zu lokalisieren, die im dynamischen Betrieb die Arbeitsgeschwindigkeit limitieren oder die dynamisch fehlerhaft arbeiten, sind Laser ausgesprochen gut geeignet. Zum einen kann man mit Hilfe von elektrooptischen bzw. akustooptischen Modulatoren die Sirahlungsintensität und damit den induzierten Photostrom bis in den Bereich einiger 100MHz modulieren. Das Signal, das bei fester oder beliebiger Position des Laserspots auf der Schaltkreisoberfläche erzeugt wird, wird dann mit Lock-in-Technik (US 4563642) oder schnellen Oszillographen (US 2203550) aufgenommen. Es können damit sowohl Grenzfrequenz als auch Ladungsträgerlebensdauern bestimmt werden. Das Laser-Raster-Mikroskop dient dabei zur Strahlpositionierung. Um größere Grenzfrequenzen registrieren zu können, werden modensynchronisierte Laser mit Impulslängen von einigen Pikosekunden bis Sub-Pikosekunden eingesetzt (IEEE QE-19 [1983] 658). Das durch optisches Durchschalten eines Transistors erzeugte elektrische Signal wird mit hochfrequenten Sampling-Oszillographen untersucht.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, das es ermöglicht, OBIC-Bilder von ICs mit einem Laser-Raster-Mikroskop aufzunehmen, die den logischen Zustand nach definierten Zeitintervallen darstellen, wobei die zeitliche Auflösung im Pikosekundenbereich liegt, das dynamische Verhalten auch innerer Strukturen des ICs zu testen und interne Schalt- und Laufzeiten zu registrieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das in der Lage ist, interne Schalt- und Laufzeiten eines hochintegrierten Schaltkreises zu bestimmen und OBIC-Bilder von ICs mit einem Laser-Raster-Mikroskop aufzunehmen, die den logischen Zustand nach definierten Zeitintervallen darstellen, wobei die zeitliche Auflösung im Pikosekundenbereich liegt. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Laser-Raster-Mikroskop mit OBIC-Stufe erfindungsgemäß dadurch, daß zwei gepulste Laserstrahlen unterschiedlicher Intensität und starrer Kopplung ihrer impulsfolgefrequenzen vorgesehen sind, von denen der höherer Intensität auf der Oberfläche des Schaltkreises wahlweise frei positioniert wird, der Laserstrahl geringerer Intensität zur Gewinnung einer räumlichen Information die Oberfläche abrastert und zur Gewinnung einer zeitlichen Information die Impulse der beiden Laserstrahlen zeitlich gegeneinander verzögerbar sind. Als Laserstrahlungsquelle wird ein modensynchronisierter Laser mit der Impulsbreite tP und der Impulsfolgefrequenz fL verwendet.

Mit dieser fokussieren Strahlung (hohe räumliche Auflösung) wird die Oberfläche des integrierten Schaltkreises abgerastert. Der von der Oberfläche reflektierte Strahlungsanteil wird einem Photoempfänger zugeführt und dient dem Aufbau eines Reflexionsbildes {Auflichtverfahren) zur Orientierung auf dem Schaltkreis. Der von der Laserstrahlung induzierte Photostrom wird zum Aufbau eines OBIC-Bildes benutzt. Dabei muß gelten, daß die Scanfrequenz des Laserspots fS wesentlich kleiner als die Laserfolgefrequenz fL ist (fS < fL), damit pro Bildpunkt eine Vielzahl von Laserimpulsen zur Messung beitragen (hohes Signal-Rausch-Verhältnis). D6r im Vergleich zu fL langsame elektrische Abgriff des photoinduzierten Stromes bewirkt eine Integration über diese Vielzahl von Laserimpulsen beim Bildaufbau. Die Intensität dieses im weiteren als Teststrahl bezeichneten Laserbündels muß so gering sein, daß bei Einstrahlung auf einen Transistor dessen Schaltzustand nicht geändert wird. Mit diesem Teststrahl wird im Laser-Raster-Mikroskop mit OBIC-Stufe ein Bild erzeugt, das Auskunft über den aktuellen Zustand der logischen Pegel im IC gibt.

Zusätzlich zum Teststrahl wird ein zweiter Laserstrahl, im weiteren als Anregungsstrahl bezeichnet, auf den Chip fokussiert, wobei der Einstrahlungsort fest, aber beliebig ist. Der Anregungsstrahl besteht ebenfalls aus Laserimpulsen der Folgefrequenz fL. Seine Intensität wird so gewählt, daß er den Schaltzustand des bestrahlten Transistors im Schaltkreis ändert. Somit wird im IC ein elektrischer Impuls erzeugt, dessen Anstiegsflanke im wesentlichen die Impulsdauer des Anregungsimpulses und dessen Abfallflanke die Verweildauer der photoinduzierten Ladungsträger im bestrahlten Transistor repräsentieren. Die Verweildauer t der Ladungsträger ist ein Ausdruck für Rekombinations- und Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger im Bauelement.

Die Laserimpulsfolgefrequenz fL muß so gewählt werden, daß VfL > t gilt, nur dann ist der optisch erzeugte elektrische Impuls abgeklungen, wenn der nächste Laserimpuls auf den zu schaltenden Transistor fällt. Der Anregungsimpuls erzeugt somit eine Folge von elektrische ι Impulsen der Impulsfolgefrequenz fL mit einer charakteristischen Einzelimpulsbreite, die sich im IC ausbreitet und nachfolgende Transistoren in andere logische Zustände schaltet. Werden die Impulse des Teststrahles bezüglich der Impulse des Anregungsstrahles um die Zeit dt verzögert, so entsteht nach Abrastern des gesamten Bildfeldes ein OBIC-BiId, das dem Zustand der inneren logischen Pegel nach der Zeit dt entspricht. Somit ist es möglich, trotz Bildaufbauzeiten von einigen Sekunden eine Zeitauflösung im Pikosekundenbereich zu erreichen. Aus der Verschiebung dtO zwischen Anregungs- und Testimpuls wird die Laufzeit des elektrischen Impulses im IC zwischen den diskreten Elementen bestimmt. Die Änderung des -Schaltzustandes eines getesteten Transistors entspricht der Korrelationsfunktion der elektrischen Response des angeregten und des getesteten Transistors.

i'.'u - Registrierung des geringen Photostromes, der durch den Teststrahl erzeugt wird, bei Vorhandensein eines starken P'iotostromes, der durch das Durchschalten eines Transistors mittels Anregungsstrahl entsteht, wird die Teststrahlung ζ jsätzlich mit einer oder mehreren Frequenzen fM moduliert und der OBIC-Stufe werden frequenzselektive Verstärker bzw. F hasenempfindliche Gleichrichter für die Frequenz fM vorgeschaltet.

Für die Modulationsfrequenz muß gelten fM < fL, damit über eine bestimmte Anzahl von Einzelimpulsen die Intensität moduliert wird, zum anderen muß aber fM > fS gelten, damit an einem Bildpunkt über mehrere Modulationsperioden gemessen werden kann.

Eine weitere Version des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolgefrequenz des Laserstrahls geringerer Intensität ein ganzzahliges Vielfaches der des anderen ist. Damit kann bei langsameren Folgefrequenzen der Betriebsstrom beim ersten Impuls mit Anregungsstrahl, beim zweiten Impuls ohne Anregungsstrahl gemessen werden. Durch Differenzbildung wird der Meßwert gewonnen, der damit unabhängig von Temperatur- und Langzeitdrift ist.

Ausführungsbeispiel

Das Wesen der Erfindung soll anhand einer in der Zeichnung dargestellten Anordnung zur Durchführung des Verfahrens erläutert werden.

Als Strahlungsquelle dient ein modensynchronisierter Laser, der Impulse der Impulsbreite tP und der Folgefrequenz fL emittiert. Typische Impulslängen liegen im Bereich von 100ps. Die Impulsfolgefrequenz von typisch 100MHz beschränkt den möglichen Zeitbereich für t auf 10ns. Eine Reduzierung der Impulsfolgefrequenz, ζ. B. durch die Methode des ,cavity dumping' erscheint deshalb je nach Untersuchungsgegenstand sinnvoll. An einem Strahlteiler T1, z. B. Glasplatte, wird die Laserstrahlung in zwei Strahlen ungleicher Intensität.die schwache Teststrahlung und die intensive Anregungsstrahlung, aufgeteilt. Der Teststrahl wird mit einem Modulator M in seiner Intensität mit der Frequenz fM moduliert und gelangt über zwei Spiegel (Sx, Sy), die die

Ablenkung in χ- bzw. y-Richtung bewirken, und zwei TeilerwUrfel (T2, T3) zum Mikroskopobjektiv (OBJ). Der zu untersuchende Schaltkreis befindet sich in der Fokusebene des Objektivs. Das von der Oberfläche reflektierte Licht wird über Objektiv und Teiler T2 einem Photoempfänger zugeführt und dient zum Bildaufbau des Auflichtbildes. Der vom Laser im Halbleiterbauelement erzeugte Photostrom wird von der OBIC-Stufe mit Eingangsfrequenzfilter verstärkt und

dem Prozeßrechner zum Bildaufbau zugeführt.

Der Anregungsstrahl gelangt nach Strahlteüer T1 auf eine optische Verzögerungsstrecke, in der über Änderung der Weglänge

die Zeitverschiebung zwischen den Impulsen der Anregungs- und Teststrahlung eingestellt wird.

Über einen TeiHrwürfel T3 wird die Anregungsstrahlung in den Strahlengang des Laser-Raster-Mikroskopes eingekoppelt, an

einer Stelle, an der im Mikroskop eine parallele Strahlenführung erfolgt. Dadurch wird die Anregungsstrahlung ebenfalls vom

Objektiv auf die Chipoberfläche fokussiert. Damit der Bestrahlungsort fest aber beliebig ist, muß Teiler T3 hinter den Scannerspiegeln Sx, Sy im Mikroskopstrahlengang

liegen und der Anregungsstrahl muß durch einen Strahlversetzer (SV) z. B. zwei Keilplatten, in x- und y-Richtung innerhalb des

Bildfeldes versetzbar sein. Zur Erzielung einer möglichst hohen Anregungsintensität ist es günstig, T3 hinter T2 anzuordnen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Erfassung schnell ablaufender Prozesse in integrierten Schaltkreisen unter Verwendung eines Laser-Raster-Mikroskopes mit OBIC-Stufe, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gepulste Laserstrahlen unterschiedlicher Intensität und starrer Kopplung ihrer Impulsfolgefrequenzen vorgesehen sind, von denen der höherer Intensität auf der Oberfläche des Schaltkreises wahlweise frei positioniert wird, der Laserstrahl geringerer Intensität zur Gewinnung einer räumlichen Information die Oberfläche abrastert und zur Gewinnung einer zeitlichen Information die Impulse der beiden Laserstrahlen zeitlich gegeneinander verzögerbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl geringerer Intensität zusätzlich intensitätsmoduliert wird und das im Schaltkreis optisch induzierte elektrische Signal auf dieser Modulationsfrequenz selektiv erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolgefrequenzen der beiden Laserstrahlen gleich sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolgefrequenz des Laserstrahls geringerer Intensität ein ganzzahliges Vielfaches der des anderen Laset ötrahls ist.