TWI440869B - 使用雙光子吸收的雷射輔助裝置修改 - Google Patents

Description

使用雙光子吸收的雷射輔助裝置修改

本案主張美國臨時申請案第61/381,023號(申請日2010年9月8日)之優先權。該案的揭示內容全部作為本案的參考。

本發明屬於使用雷射技術對積體電路內的瑕疵作定位分析的技術領域，且特別是關於使用雷射照射對積體電路作設計除錯及錯誤分析的技術領域。

雷射輔助裝置修改(Laser Assisted Device Alternation-LADA)是一種應用在晶片設計的測試與除錯階段的技術。這種技術特別是使用在複雜、無錯誤的積體電路中，將關鍵的性能限制節點加以區隔出來。這種技術也廣泛使用在製程瑕疵的定位，因為LADA的作用可以很容易的調制電晶體的特性，使其表現與製程瑕疵相同。

該LADA技術的原理是使用一連續波(continuous wave-CW)雷射，在一積體電路的背面產生局部的光電流(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，該電晶體通過/無法通過測試的結果，以判斷錯誤的所在位置。所使用的雷射通常是一短波長的波長變化，約在1064nm的程度，這時其光子能量可以高於矽的間接帶隙(indirect band gap)(約為1107nm)。上述光子能量值對於產生單一光子效應實屬必要，該光子效應用來改變該電晶體的行為。由於在雷射波長的選擇上，其實並沒有太大的自由度，對於錯誤所在位置的定位，其電流空間解析度(current spatial resolution)大約是240nm。

第1圖顯示一種傳統的LADA系統，該系統使用一連續波雷射以將單一光子電子-電洞對，從晶片的背面，導入到待測裝置(device under test-DUT)內。一DUT 110是耦接到一測試機115，可例如為一傳統自動測試設備(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，進一步判斷其中的裝置(亦即電晶體)當中，何者是造成瑕疵的主因。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。

該LADA的運作方式如下；使用轉動鏡片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。

上述現有技術的雷射輔助測試技術可支援錯誤的定位，其解析度約為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。矽對於小於1064nm的光的吸收，成為將光從背面提供到該電晶體最大的障礙。不過，由於晶片設計上尺寸不斷在縮小，要在最新科技下所生產的晶片上定出錯誤的所在位置，必須要有更高的解析度。例如，在22nm的設計規則下，傳統的LADA設備是否有能力解析出4個相鄰的電晶體，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內產生感應電流，並以低雜訊，高增益的電壓或電流放大器量測。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。

第3圖為兩種方法的比較圖，左側為單光子吸收，右側為雙光子吸收。由於雙光子吸收是一種二階程序，其解析度比單光子吸收的解析度高出1.4倍(2倍)。不過，雙光子吸收需要有峰值功率較高的脈衝光束，才能將2個光子恰恰同時到達的機率，大幅提高。因此，在目前技術下需要使用飛秒(femtosecond)級的雷射脈衝，脈衝寬度約100fs，才能產生雙光子吸收。

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。

本發明的實施例可以達成在利用非線性雙光子吸收技術以產生感應性LADA效應，對錯誤作定位時，能夠提高分析的解析度的目的。在本案中，這種技術可以稱之為雙光子雷射輔助的裝置修改技術。

本發明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的一有興趣區域，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，可以達成較高的定位解析度。

本發明的實施例使用雙光子吸收(TPA)技術，以精確的將載子植入到一IC，用以使用LADA技術將其中的錯誤作定位。為要產生TPA，本發明的實施例乃是使用飛秒級，具有適當能量的脈衝雷射。本發明的技術是基於2個光子同時到達待測電晶體的焦點，並使其光子能量總和大於用來產生電子電洞對所需的能量。雙光子激發需要以飛秒級的雷射脈衝激發，且其光子能量需小於該待測半導體的帶隙。更精確的說法是，將入射的雷射光子能量設定成恰好等於或大於該材料帶隙的半數。由於雙光子吸收量是與峰值的強度平方成比例變化，該信號可強大的聚集在該雷射的焦點，以對錯誤的定位與影像的解析度，提供立即的改進，效果優於單光子LADA技術。

本發明的實施例也使用時序控制電子元件，精確的控制該雷射脈衝相對於該測試裝置(例如ATE)的時鐘脈波邊緣的轉變的時間性。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程度。

該雙光子技術有一項優點，就是可以使用波長較長的光線，因而可以在耗損最低的情形下，將信號傳遞到電晶體。例如，在2個光子為1250nm光波時，可以產生如一波長為625nm的單光子的效果，以產生可發生LADA效應的電子電洞對。以這種方式本身就可以改善現有系統的解析度，提高1.21倍。不但如此，所產生的雙光子具有非線性特性，利用該特性可以減少電子電洞對產生的數量。如果與單光子LADA比較，雙光子吸收所產生的載子與入射功率成非線性變化，故可將有效的焦點面積縮小到一半，並將軸吸收深度縮短到相當於基板厚度僅為100nm時之程度。因此，雙光子吸收提供了減少LADA所產生載子量的方法，達到的程度可能高達2000倍。

第2圖顯示本發明的一種實施例，其中有一DUT 210連接到一ATE 215，與已知技術相同。不過，在第2圖所示的實施例中，飛秒級的雷射脈波是由脈波雷射源225所產生，使用轉動鏡片230與235及物鏡240，聚焦在該DUT 210上。該雷射光源提供一雷射光束，其波長大於矽的帶隙，亦即大於1107nm。在本發明一實施例中，是使用1550nm的波長。但在另一實施例中，則使用1340nm或1250nm的波長。在本實施例中，該轉動鏡片230與235是以雷射掃描顯微鏡(laser scanning microscope-LSM)的形態實施。同時，在本發明某些實施例中，是使用一固態浸沒透鏡(solid immersion lens-SIL)作為該物鏡裝置的一部份。

在傳統的LADA系統中，雷射光源是長開。但是在本發明的實施例中，則是使用極短的脈衝。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，以控制脈波雷射源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，首先操作該測試裝置(ATE)215，以一組測試向量測定該DUT 210的臨界設定值。也就是說，改變測試向量的電壓與頻率，以認定DUT接近無法通過測試，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。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，該測試裝置215送出一同步用之觸發信號245到該時序控制電子元件260。該時序控制電子元件260控制該脈波雷射源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。通常而言，該波長約在1250nm到1550nm之間，脈衝寬度則約為100fs。該雷射脈衝掃描通過該DUT 210的一有興趣區域，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與頻率是設定成使該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 的電壓與頻率是設定成使該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。

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。

本發明既已根據特定實例說明如上，該說明無論如何均只在例示本發明，不得用以限制其範圍。習於此藝之人均可利用各種不同之硬體、軟體、韌體之結合，實施本發明。此外，本發明之其他實施方式，也可由此行業之人根據本發明之專利說明書加以達成，完成實施。本案之說明書及所舉之實例，目的只是在展示，而本發明之專利真正範圍及精神，只能由以下申請專利範圍限定。

110‧‧‧DUT

115‧‧‧測試機

120‧‧‧CW雷射

130、135‧‧‧轉動鏡片

140‧‧‧物鏡

150‧‧‧電腦

210‧‧‧DUT

215‧‧‧測試裝置(ATE)

225‧‧‧脈波雷射源

230、235‧‧‧轉動鏡片

240‧‧‧物鏡

245‧‧‧觸發信號

260‧‧‧時序控制電子元件

本發明的其他面向及特徵從詳細說明中可獲得清楚的理解。詳細說明時乃是參考下列圖式。必須說明，該詳細說明及圖式提供本發明各種實施例的各種非限制例子，本發明的範圍應由所附的申請專利範圍來界定。

第1圖為已知技術中的LADA系統示意圖。

第2圖為用來實施根據本發明一實施例的雙光子雷射輔助裝置修改技術的系統示意圖。

第3圖顯示兩種技術之比較，左方表單光子吸收技術，右方表雙光子吸收技術。

210．．．DUT

215．．．測試裝置(ATE)

225．．．脈波雷射源

230、235．．．轉動鏡片

240．．．物鏡

245．．．觸發信號

260．．．時序控制電子元件

Claims (13)

1. 一種對待測裝置(device under test-DUT)執行錯誤定位的系統，其中該DUT是由一測試裝置激發，包括：一雷射光源，用以提供具有飛秒級脈衝寬度且波長大於矽的帶隙的雷射光束脈波；光學元件，用以接收該雷射光束脈波並將該雷射光束脈波導引到該DUT需檢測的部分；時序控制電子元件，用以接收該測試裝置的同步信號，並依據該同步信號控制該雷射光源的時序，其中該時序控制電子元件控制該雷射脈波的時序，用以延長或縮短該DUT的開關時間；其中，該雷射光束脈波的脈波寬度與波長是經過選擇，以在該DUT發生雙光子吸收。
2. 如申請專利範圍第1項的系統，其中該雷射光源提供的雷射光束脈波，波長在1250nm與1550nm之間。
3. 如申請專利範圍第2項的系統，其中該雷射光源提供的雷射光束脈波，脈波寬度約為100飛秒。
4. 如申請專利範圍第2項的系統，其中該光學元件包括一雷射掃描顯微鏡(LSM)。
5. 如申請專利範圍第4項的系統，其中該光學元件另包括一固態浸沒透鏡。
6. 如申請專利範圍第1項的系統，其中該雷射光束脈波之光子能量設定為矽的帶隙的半數。
7. 一種修改一待測裝置的開關時間的方法，該裝置是由一測試裝置的測試向量所激發，該方法包括：產生具有飛秒級脈衝寬度且波長大於矽的帶隙的雷射光束脈波；將該雷射光束脈波導引到該DUT的需檢測部分；依據該測試裝置的同步信號控制該雷射光源的時序，用以延長或縮短該 DUT的開關時間；其中，該雷射光束脈波的脈波寬度與波長是選用可以在該DUT產生雙光子吸收的值。
8. 如申請專利範圍第7項的方法，其中該雷射光束脈波的波長介於1250nm與1550nm之間。
9. 如申請專利範圍第7項的方法，其中該雷射光束脈波的脈衝寬度約為100飛秒。
10. 如申請專利範圍第7項的方法，其中該時序的方法包括控制該雷射脈衝的時序，以延長或縮短該DUT的開關時間。
11. 一種測試一待測裝置(device under test-DUT)的方法，該DUT是為一測試裝置所激發，該方法包括：將該測試裝置所產生的第一組測試向量，施用到該DUT，以判定該DUT的臨界設定值；根據該DUT的臨界設定值，設定該測試裝置的第二組測試向量的電壓與頻率；將該測試裝置的第二組測試向量反復供應到該DUT；從該測試裝置取得一同步信號；將該同步信號供應到一雷射光源，以得到具有飛秒級脈衝寬度且波長大於矽的帶隙的雷射脈衝；將該雷射脈衝供應到該DUT的一需檢測區域，以延長或縮短該DUT的開關時間；監視該DUT輸出，以判斷裝置內錯誤的位置。
12. 如申請專利範圍第11項的方法，其中監視該DUT輸出的步驟包括；在各個時間點監視該DUT的通過-不通過測試，以及將該通過-不通過測試的結果，關連到雷射脈衝在該時間點的位置。
13. 如申請專利範圍第11項的方法，其中該判定DUT臨界設定值的步驟包括：決定一測試向量的電壓與頻率，使得在該電壓與頻率下該DUT為接 近無法通過測試，或正達到測試失敗。