[發明專利]用于超大規模集成電路設備的經優化的波長光子發射顯微鏡

在審

• 申請號: 201611048107.9
• 申請日: 2016-10-08
• 公開（公告）號: CN106842537A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: H·德朗德
• 申請（專利權）人: FEI公司
• 主分類號: G02B21/36
• 分類號: G02B21/36;G01R31/311;G01R31/28;G01R31/265
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司72002
• 代理人: 王英,劉炳勝

相關申請

本申請主張要求于2015年10月5日提交的序列號為62/237,399的美國臨時申請的優先權權益，其所有的公開內容作為整體被并入本文。

政府許可授權

本發明是基于由美國國家情報總監辦公室(ODNI)、高級情報研究技術署(IARPA)經由美國空軍研究實驗室(AFRL)合同編號FA8650-11-C-7150所資助的工作。在本文中所包含的構思和結論屬于發明人，不應當被理解為必須具有ODNI、IARPA、AFRL或美國政府的明示或暗示的官方背書。

技術領域

本申請屬于光子發射顯微鏡的領域。

背景技術

背側光子發射顯微鏡檢查(PEM)常常被用于對VLSI(超大規模集成電路)設備(晶片)的電路診斷和分析。PEM的前提是，在VLSI電路內的個體邏輯門在切換狀態時發射“熱載流子”(HC)光子。這些光子通常位于波譜的紅外線(IR)部分，而由于硅在這些波長處是透明的，能夠通過背側(基底側，與金屬層側相對)觀察動作中的電路(待測試電路，或者DUT)。

電子空穴復合是在正向偏置的p-n結中占主導地位的機制；這會出現在雙極或雙CMOS(BiCMOS)電路、閉鎖CMOS、某些類型的門或電源短路、以及某些多晶硅縱梁條件中，僅以這些為例。發射在波譜上是相對窄的，并且中心在1150nm附近。正向偏置的p-n結二極管即使在不存在強電場的情況下也發射該光線。所述發射來源于雙極復合，而并非來源于熱載流子。因此，該信號發生在低電壓處。通常，由于將獲得極高的電流密度，不能夠具有超過1-2V的p-n結正向偏置。因此，高電壓的情況不是特別重要的；但是，如果可以實現高正向偏置電壓，波譜將與低電壓情況接近相同。

容易獲得跨IR范圍的敏感的相機(探測器陣列)，其具有在圖1中所示的頻率響應。通常，MCT相機(碲化鎘汞，HgCdTe)被用于該目的，因為其在擴展至LWIR(大約18um)的寬的波譜范圍內的響應是均勻的。也通常使用其他類型的探測器，諸如MOS CCD、銻化銦(InSb)或銦鎵砷(InGaAs)。

來自半導體門的發射的波譜特性取決于許多因素，諸如激勵電壓、缺陷類型和制作技術。所述發射的重要部分在于波長超過常規閾值1.55um(通常由在液氮溫度下工作的InGaAs相機觀察到)。

然而，對于普通的VLSI設備，HC發射是非常微弱的，并且因為源于熱發射(其伴隨黑體發射波譜分布)的噪音的量隨著波長而增加，在這些較長波長處對觀察造成更多的干擾。

因此，在波譜的每個帶中，存在如下兩者：來自DUT的構成信號的HC發射，以及來自DUT和顯微鏡的光學器件兩者的對噪音有貢獻的源自熱的發射。具有大的信噪比(SNR)對于實現好的觀察非常重要。

弱的HC發射還導致曝光時間長達數百秒，這使得觀察復雜化。縮短這樣的曝光時間的一種方式是增加SNR。

一些現有的設計將觀察的范圍限制到1.5um(其符合InGaAs相機的靈敏度)，并且因為熱噪聲在這些波長處相當微弱，所以對于工作電壓高于800mV的設備而言，這樣的系統工作良好。

對于這樣的波長，被動設計被用于減少在顯微鏡的標定光學路徑之外產生的熱噪聲，但是其不能夠完全消除噪聲，也不能夠消除在光學路徑內所產生的熱噪聲。在現有技術的系統中，在物鏡與探測器之間放置延遲透鏡，并且在延遲透鏡與探測器之間在對應于物鏡的光圈的成像位置的地方(如由延遲透鏡所成像的)放置冷光圈。這種布置使由相機的主體發射的雜散熱輻射最小化。對于進一步的信息，讀者可參考例如美國專利6,825,978。

發明內容

下文包括了本發明的概要，以便提供對本發明的某些方面和特征的基本理解。該概要不是對本發明的廣泛概述，并且這樣，其并不意圖具體識別本發明的關鍵或重要元件或者限定本發明的范圍。其唯一目的是以簡化的形式呈現本發明的某些概念，作為下文呈現的更加詳細的描述的前言。

所公開的各方面使得能夠使用視場中的IC晶體管的發射的波譜強度來識別由于工藝、設計或操作問題而不能恰當工作的晶體管。