JP5873669B2 - ２フォトン吸収を用いたレーザ・アシステッド・デバイス・オルタレーション - Google Patents

Description

（関連出願）本願は、２０１０年９月８日に出願された米国仮特許出願第６１／３８１，０２３号の優先権による利益を主張し、その開示は、全体が参照によりここに組み入れられる。

本発明は、レーザに基づいた集積回路の欠陥位置解析の分野に関し、より具体的には、レーザ照射を用いた集積回路の設計デバッグ及び／又は故障解析の分野に関する。

レーザ・アシステッド・デバイス・オルタレーション（ＬＡＤＡ：laser assisted device alteration）は、チップ設計のテスト及びデバッグ段階において用いられる技術である。これは特に、複雑な、欠陥のない集積回路において、クリティカルな、性能を制限するノードを分離するために用いられる。ＬＡＤＡ効果はプロセス欠陥と同じパスにおいてトランジスタ特性を容易に変化させるので、ＬＡＤＡはプロセス欠陥の位置を特定するのに広く使えることが分かっている。

ＬＡＤＡ技術は、連続波（ＣＷ：continuous wave）レーザが集積回路の裏面に局所的な光電流を発生させ、「敏感な」トランジスタに対するテスト刺激の合否結果を変化させ、故障箇所を特定することができることに基づいている。レーザは、典型的には１０６４nm程度の短波長であり、フォトンのエネルギーはシリコンの間接的バンドギャップ（約１１０７nm）より大きい。このフォトンのエネルギーは、トランジスタの挙動を変化させるために使われる単一フォトン効果の開始のために必要である。レーザ波長の選択には限度があるので、位置が特定された故障の現在の空間分解能は、約２４０nmである。

図１は、従来のＬＡＤＡシステムを示しており、このシステムは、チップの背面からＣＷレーザを使って、テスト対象デバイス（ＤＵＴ：device under test）に単一フォトンによる電子・正孔対を誘起する。ＤＵＴ１１０は、例えば従来の自動テスト装置（ＡＴＥ：automated testing equipment）であるテスタ１１５に結合されており、ＡＴＥはコンピュータ１５０に接続されている。ＡＴＥは、従来のやり方でＤＵＴにテストベクトルで刺激を与え、そのテストベクトルに対するＤＵＴの応答を調べるために使われる。そのテストベクトルに対するＤＵＴの応答は、ＬＡＤＡを用いて更に詳細に調べることができる。例えば、ＤＵＴがあるテストに不合格になるのであれば、そのＤＵＴがある条件下で合格できるか、もし合格できるなら、どのデバイス（すなわち、トランジスタ）が不合格の原因であるのかを詳しく調べるために、ＬＡＤＡを用いることができる。逆に、ＤＵＴがあるテストに合格するのであれば、どの条件下でＤＵＴがこれらのテストに不合格になるのか、もし不合格になるのであれば、どのデバイス（すなわち、トランジスタ）が不合格の原因であるのかを詳しく調べるために、ＬＡＤＡを用いることができる。

ＬＡＤＡシステムは以下のように動作する。チルト可能な鏡１３０及び１３５並びに対物レンズ１４０は、ＣＷレーザ１２０からＤＵＴ１１０上への光線の焦点を合わせ、スキャンするために使われる。これにより、レーザ１２０は、局所的に加熱しないようにしながらＤＵＴのシリコンに光キャリアを発生させることができる。このようにして発生した電子・正孔対は、近傍のトランジスタのタイミングに影響する。すなわち、トランジスタのスイッチング時間を減少又は増加させる。テスタは、選択された電圧及び周波数の繰り返しテストループを適用することにより、ＤＵＴの動作点を限界の状態にするように構成されている。そしてレーザ刺激がテスタの合否結果を変更するために用いられる。各点における光線の位置はテスタの合否結果に関係しており、変化が検出される場合、すなわち、以前は合格だったトランジスタが今は不合格になったり、その逆の場合には、その時のレーザ光線の座標が「ボーダーライン」トランジスタの位置を示す。

レーザに支援された故障位置測定における現在の最新技術は、約２４０nmの分解能のものである。単一フォトンＬＡＤＡの分解能の更なる向上は、レーザ光の波長によって制限されている。シリコンの１０６４nm未満における光吸収が、背面を通してトランジスタへ光を届ける際の主な障害となる。しかし、チップ設計のスケール変更が続いているため、最新のチップにおいて故障位置測定をするためにはより高い分解能が必要である。例えば、２２nmデザインルールにおいて従来のＬＡＤＡが近接する４個のトランジスタを区別することができるかについては、疑わしい。

ＯＢＩＣ（optical beam induced current）は、レーザ光がＤＵＴを照射する、テスト及びデバッグによるもう１つの分析法である。しかし、ＬＡＤＡとは異なり、ＯＢＩＣはＤＵＴに刺激信号を与えないという意味で静的なテストである。そのかわり、ＤＵＴに電流を誘導するためにレーザ光が使われ、ＤＵＴは低雑音、高利得の電圧又は電流アンプを用いて測定される。ＯＢＩＣは、単一フォトンモード、及び、ＴＯＢＩＣ又は２Ｐ−ＯＢＩＣ（two-photon optical beam induced current）とも呼ばれる２フォトン吸収モードで使われている。

２フォトン吸収（ＴＰＡ）は、分子をある状態（通常は基底状態）からより高エネルギーの電子状態に励起するための、同一の又は異なる周波数の２個のフォトンの同時吸収である。波長は、同時に到着する２個のフォトンのフォトンエネルギーの合計が分子の低エネルギー状態と高エネルギー状態との間のエネルギー差に等しくなるように選択される。２フォトン吸収は２次的な（second-order）プロセスであり、線形（単一フォトン）吸収より規模が数桁小さい。吸収の強さが光の強度の２乗に依存し、非線形の光プロセスであるという点で、２フォトン吸収は線形吸収とは異なる。

図３は、左の単一フォトン吸収と右の２フォトン吸収との比較を示す。２フォトン吸収は２次的なプロセスであるので、単一フォトン吸収に対して１．４（√２）倍の高分解能が可能になる。しかし、２個のフォトンが正確に同時に到着する確率が劇的に増加するように、ピークパワーがより高い、パルス状の光線が必要である。したがって、２フォトン吸収を生じさせるために、この技術においてはパルス幅が約１００fsのフェムト秒レーザパルスが使われてきた。

本開示の以下の概要は、本発明のいくつかの局面及び特徴の基本的な理解をさせるために含まれている。この概要は、本発明の詳細な全体像ではなく、このため、本発明の不可欠な又は重要な要素を特定したり、本発明の範囲を詳細に示すことは意図されていない。その唯一の目的は、以下に示されたより詳細な説明の前置きとして、簡単な形で本発明のいくつかの概念を提示することである。

本発明の実施形態によると、非線形２フォトン吸収機構を利用することにより、より高分解能の故障位置測定においてＬＡＤＡ効果を起こさせることが可能になる。この技術を、ここでは２フォトン・レーザ・アシステッド・デバイス・オルタレーション（two-photon laser assisted device alteration）技術と称する。

本発明の実施形態によると、ＤＵＴを刺激するテストベクトルを使い、同時にフェムト秒パルスのレーザを使うことにより、より高分解能の故障位置測定において、ＤＵＴの関心領域をスキャンし、スキャン中にＤＵＴのテストベクトルに対する応答を検査することが可能になる。波長がシリコンのバンドギャップより低いフォトンエネルギーを供給し、フェムト秒パルス幅を有するパルスを供給するように、レーザ光源が選択される。

本発明の他の局面及び特徴は、詳細な説明から明らかであろう。詳細な説明は、以下の図面を参照して行われる。詳細な説明及び図面は、本発明の様々な実施形態の様々な限定的ではない例を提供すると理解されるべきであり、本発明は添付の請求項によって定義される。
図１は、先行技術によるＬＡＤＡシステムの図である。 図２は、本発明の実施形態による２フォトン・レーザ・アシステッド・デバイス・オルタレーション技術を実現するシステムの図である。 図３は、左の単一フォトン吸収と右の２フォトン吸収との比較を示す。

本発明の実施形態は、ＬＡＤＡ技術を用いた故障位置測定を目的として、２フォトン吸収（ＴＰＡ：two-photon absorption）をＩＣへのキャリアの正確な注入に適用する。ＴＰＡを生じさせるために、本発明の実施形態は、適切なエネルギーを有するフェムト秒パルスレーザを使用する。この技術は、トランジスタにおける焦点に同時に到着する２個のフォトンに基づいており、このため、フォトンエネルギーの合計は、電子・正孔対の生成に必要なものより大きい。２フォトンによる刺激は、テスト対象の半導体のバンドギャップより小さなフォトンエネルギーを有するフェムト秒レーザパルスによる励起を必要とする。より具体的には、入射レーザのフォトンエネルギーは、その物質のバンドギャップの半分に正確に等しい又はそれより大きいように設定される。２フォトン吸収はピーク強度の２乗に応じて決まるので、信号はレーザの焦点に強力に集中されて、故障位置測定の性能及び画像解像度を単一フォトンＬＡＤＡ技術に対して直ちに向上させる。

本発明の実施形態は、また、テスタ（例えばＡＴＥ）のクロックのエッジの遷移に対するレーザパルスのタイミングを正確に制御するために、タイミング電子回路を用いる。この種の制御により、注目しているトランジスタを通って伝搬する信号の遅延又は進みを精密に変更することができる。

２フォトン技術の利点は、トランジスタにわずかな損失で到達され得る、より長い波長の光を利用することができるということである。例えば、１２５０nm光の２個のフォトンの場合には、これらのフォトンは、波長６２５nmの単一のフォトンの効果を生じ、ＬＡＤＡ効果に必要な電子・正孔対を生成する。これは、それだけで現在のシステムの分解能をほぼ１．２１倍に向上させるであろう。更に、２フォトン生成の非線形な性質を利用することにより、電子・正孔対の生成が行われる部分の体積を減少させることができる。単一フォトンＬＡＤＡとは対照的に、２フォトン吸収によるキャリア生成は入射パワーとは非線形に変化し、実効的な焦点面積を半分に縮小し、軸方向の吸収深さを基板厚さと同等の値からわずか約１００nmに縮小する。このため、２フォトン刺激によると、ＬＡＤＡキャリア生成体積を潜在的には２０００分の１にも縮小することができる。

図２は、本発明の実施形態を図示し、先行技術と同様にＤＵＴ２１０はＡＴＥ２１５に結合されている。しかし、図２の実施形態においては、フェムト秒レーザパルスがパルスレーザ光源２２５によって生成され、レーザパルスは、チルト可能な鏡２３０及び２３５並びに対物レンズ２４０を用いて、ＤＵＴ２１０上に焦点が合わせられる。レーザ光源は、シリコンのバンドギャップより長い、すなわち、１１０７nmより長い波長のレーザ光線を供給する。一実施形態では１５５０nmの波長が用いられ、他の実施形態では１３４０nm又は１２５０nmが用いられる。この実施形態では、チルト可能な鏡２３０及び２３５は、レーザ走査顕微鏡（ＬＳＭ）として実装されている。また、ソリッドイマージョンレンズ（ＳＩＬ：solid immersion lens）が対物レンズ機構の一部として用いられるような実施形態もある。

従来のＬＡＤＡシステムでは、レーザは常に出力されている。しかし、本発明の実施形態によると、非常に短いパルスが使用される。したがって、レーザパルスがデバイスに到達するときにデバイス遷移が生じるということは重要である。これを実現するために、トリガー信号２４５がＡＴＥから得られてタイミング電子回路２６０に入力され、この回路はパルスレーザ２２５を制御してレーザパルスをＡＴＥのテスト信号に同期させる。

図２に示されたシステムを用い、ＤＵＴ２１０の限界の設定を決定するために、最初にテスタ（ＡＴＥ）２１５が操作されてテストベクトルの組が適用される。すなわち、ＤＵＴがテストに不合格になる寸前の点又はテストにちょうど不合格になる点を決定するために、テストベクトルの電圧及び周波数が変更される。これが、そのＤＵＴの合否境界である。そして、ＤＵＴをその合否境界で繰り返し刺激するための反復テスト信号を生成するために、この電圧及び周波数の設定が用いられる。

ＤＵＴが境界条件で刺激されるときに、同期信号２４５がテスタ２１５からタイミング電子回路２６０に送信される。タイミング電子回路２６０は、レーザ光源２２５を制御して、フェムト秒パルス幅を有しシリコンのバンドギャップより長い波長を有するレーザパルスを得る。一般に、波長は約１２５０nmから１５５０nmであり、パルス幅は約１００fsである。レーザパルスはＤＵＴ２１０上の関心領域をスキャンして、ＤＵＴのスイッチング時間を増加又は減少させ、ＤＵＴが境界を越えるようにする。すなわち、ＤＵＴが不合格になる寸前になるようにテストベクトルの電圧／周波数が設定されている場合には、ＤＵＴが不合格になるようにレーザパルスのタイミングが決められる。反対に、ＤＵＴがちょうど不合格なるようにテストベクトルの電圧／周波数が設定されている場合には、ＤＵＴがテストに合格するようにレーザパルスのタイミングが決められる。この間、ＤＵＴの出力は故障の位置を決定するために監視される。すなわち、ＤＵＴからの出力信号が不合格を示す瞬間（レーザ光線がなければＤＵＴは合格するであろう）において、ＤＵＴ上の光線の位置が求められ、不合格の原因となっているトランジスタの位置を求めることができる。反対に、ＤＵＴからの出力信号が合格を示す瞬間（レーザ光線がなければＤＵＴは不合格となるであろう）において、ＤＵＴ上の光線の位置が求められ、以前は不合格の原因となり、現在は合格しているトランジスタの位置を求めることができる。

同期信号がテスタから得られるので、トランジスタに対する２フォトン効果の量を変化させるためにレーザパルスのタイミングが変更可能であるということが理解されるべきである。すなわち、ＤＵＴのスイッチング時間の量を増加又は減少させるために、レーザパルスのタイミングが変更可能である。この能力は、故障の位置に加えて故障の重大度を決定する助けになり得る。

ここで説明されたプロセス及び技術は、本質的にいかなる特定の装置にも関係しておらず、構成要素のいかなる適切な組合せによっても実現され得る。更に、様々なタイプの汎用のデバイスをここに記載された教示に従って用いてもよい。また、ここに記載された方法のステップを実行するための専用の装置を構成することは、有益であることが分かるかも知れない。

本発明を特定の例に関して説明したが、これは全ての点において、限定的ではなく例示的であることが意図されている。ハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアの多くの異なる組合せが本発明の実施に適することを当業者は理解するであろう。更に、ここに開示された本発明の明細書及び実施を考慮することにより、本発明の他の実施態様が当業者には明らかであろう。本明細書及び例は、例示としてのみ考慮されることが意図されており、本発明の本質的な範囲及び趣旨は以下の請求項に示されている。

Claims (11)

1. テスタによって刺激が与えられるテスト対象のデバイス（ＤＵＴ）における故障位置測定を行うシステムであって、
   フェムト秒パルス幅及びシリコンのバンドギャップより長い波長を有するレーザ光パルスを供給するレーザ光源と、
   前記レーザ光パルスを受け取り、前記レーザ光パルスを前記ＤＵＴの関心領域に送出する光学素子と、
   前記テスタから同期信号を受信し、前記同期信号に従って前記レーザ光源のタイミングを制御するタイミング電子回路とを備え、
   前記レーザ光パルスのパルス幅及び波長は、前記ＤＵＴにおいて２フォトン吸収を生じさせるように選択され、
   前記タイミング電子回路は、前記ＤＵＴに対する２フォトン効果の量を変化させるために前記レーザ光パルスのタイミングを制御して、前記ＤＵＴのスイッチング時間を増加又は減少させ、前記ＤＵＴにおける故障の重大度の決定を支援する
   システム。
2. 前記レーザ光源は、１２５０nmと１５５０nmとの間の波長のレーザ光パルスを供給する
   請求項１のシステム。
3. 前記レーザ光源は、約１００フェムト秒のパルス幅のレーザ光パルスを供給する
   請求項２のシステム。
4. 前記光学素子は、レーザ走査顕微鏡（ＬＳＭ）を含む
   請求項２のシステム。
5. 前記光学素子は、更にソリッドイマージョンレンズを含む
   請求項４のシステム。
6. テスタからのテストベクトルによって刺激が与えられるテスト対象のデバイス（ＤＵＴ）のスイッチング時間を変更する方法であって、
   フェムト秒パルス幅及びシリコンのバンドギャップより長い波長を有するレーザ光パルスを生成し、
   前記レーザ光パルスを前記ＤＵＴの関心領域に送出し、
   前記テスタからの同期信号に従って、前記レーザ光パルスを生成するレーザ光源のタイミングを制御し、
   前記レーザ光パルスのパルス幅及び波長は、前記ＤＵＴにおいて２フォトン吸収を生じさせるように選択され、
   前記方法は、更に、前記ＤＵＴに対する２フォトン効果の量を変化させるために前記レーザ光パルスのタイミングを変更して、前記ＤＵＴのスイッチング時間を増加又は減少させ、前記ＤＵＴにおける故障の重大度の決定を支援する
   方法。
7. 前記レーザ光パルスは、１２５０nmと１５５０nmとの間の波長を有する
   請求項６の方法。
8. 前記レーザ光パルスは、約１００フェムト秒のパルス幅を有する
   請求項６の方法。
9. テスタによって刺激が与えられるテスト対象のデバイス（ＤＵＴ）をテストする方法であって、
   前記テスタからのテストベクトルの第１の組を前記ＤＵＴに適用して、前記ＤＵＴの限界の設定を決定し、
   前記ＤＵＴの前記限界の設定に従って、前記テスタのテストベクトルの第２の組の電圧及び周波数を設定し、
   前記テスタからのテストベクトルの前記第２の組を前記ＤＵＴに繰り返し適用し、
   前記テスタから同期信号を受け取り、
   前記同期信号をレーザ光源に適用して、フェムト秒パルス幅及びシリコンのバンドギャップより長い波長を有するレーザ光パルスを受け取り、
   前記レーザ光パルスを前記ＤＵＴの関心領域に適用して、前記ＤＵＴのスイッチング時間を増加又は減少させ、
   前記ＤＵＴの出力を監視して、故障の位置を決定し、
   前記ＤＵＴに対する２フォトン効果の量を変化させるために前記レーザ光パルスのタイミングを変更して、前記ＤＵＴのスイッチング時間を増加又は減少させ、前記ＤＵＴにおける故障の重大度の決定を支援する
   方法。
10. 前記ＤＵＴの出力の監視は、各時点において前記ＤＵＴの合否を監視し、前記合否の結果をその時点の前記レーザ光パルスが照射する場所に関連付けることを含む
    請求項９の方法。
11. 前記限界の設定の決定は、テストベクトルの電圧及び周波数を、前記ＤＵＴが前記テストに不合格になる寸前になるように、又は前記テストにちょうど不合格になるように決定することを含む
    請求項９の方法。

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