[发明专利]用于超大规模集成电路设备的经优化的波长光子发射显微镜

说明书

相关申请

本申请主张要求于2015年10月5日提交的序列号为62/237,399的美国临时申请的优先权权益，其所有的公开内容作为整体被并入本文。

政府许可授权

本发明是基于由美国国家情报总监办公室(ODNI)、高级情报研究技术署(IARPA)经由美国空军研究实验室(AFRL)合同编号FA8650-11-C-7150所资助的工作。在本文中所包含的构思和结论属于发明人，不应当被理解为必须具有ODNI、IARPA、AFRL或美国政府的明示或暗示的官方背书。

技术领域

本申请属于光子发射显微镜的领域。

背景技术

背侧光子发射显微镜检查(PEM)常常被用于对VLSI(超大规模集成电路)设备(晶片)的电路诊断和分析。PEM的前提是，在VLSI电路内的个体逻辑门在切换状态时发射“热载流子”(HC)光子。这些光子通常位于波谱的红外线(IR)部分，而由于硅在这些波长处是透明的，能够通过背侧(基底侧，与金属层侧相对)观察动作中的电路(待测试电路，或者DUT)。

电子空穴复合是在正向偏置的p-n结中占主导地位的机制；这会出现在双极或双CMOS(BiCMOS)电路、闭锁CMOS、某些类型的门或电源短路、以及某些多晶硅纵梁条件中，仅以这些为例。发射在波谱上是相对窄的，并且中心在1150nm附近。正向偏置的p-n结二极管即使在不存在强电场的情况下也发射该光线。所述发射来源于双极复合，而并非来源于热载流子。因此，该信号发生在低电压处。通常，由于将获得极高的电流密度，不能够具有超过1-2V的p-n结正向偏置。因此，高电压的情况不是特别重要的；但是，如果可以实现高正向偏置电压，波谱将与低电压情况接近相同。

容易获得跨IR范围的敏感的相机(探测器阵列)，其具有在图1中所示的频率响应。通常，MCT相机(碲化镉汞，HgCdTe)被用于该目的，因为其在扩展至LWIR(大约18um)的宽的波谱范围内的响应是均匀的。也通常使用其他类型的探测器，诸如MOS CCD、锑化铟(InSb)或铟镓砷(InGaAs)。

来自半导体门的发射的波谱特性取决于许多因素，诸如激励电压、缺陷类型和制作技术。所述发射的重要部分在于波长超过常规阈值1.55um(通常由在液氮温度下工作的InGaAs相机观察到)。

然而，对于普通的VLSI设备，HC发射是非常微弱的，并且因为源于热发射(其伴随黑体发射波谱分布)的噪音的量随着波长而增加，在这些较长波长处对观察造成更多的干扰。

因此，在波谱的每个带中，存在如下两者：来自DUT的构成信号的HC发射，以及来自DUT和显微镜的光学器件两者的对噪音有贡献的源自热的发射。具有大的信噪比(SNR)对于实现好的观察非常重要。

弱的HC发射还导致曝光时间长达数百秒，这使得观察复杂化。缩短这样的曝光时间的一种方式是增加SNR。

一些现有的设计将观察的范围限制到1.5um(其符合InGaAs相机的灵敏度)，并且因为热噪声在这些波长处相当微弱，所以对于工作电压高于800mV的设备而言，这样的系统工作良好。

对于这样的波长，被动设计被用于减少在显微镜的标定光学路径之外产生的热噪声，但是其不能够完全消除噪声，也不能够消除在光学路径内所产生的热噪声。在现有技术的系统中，在物镜与探测器之间放置延迟透镜，并且在延迟透镜与探测器之间在对应于物镜的光圈的成像位置的地方(如由延迟透镜所成像的)放置冷光圈。这种布置使由相机的主体发射的杂散热辐射最小化。对于进一步的信息，读者可参考例如美国专利6,825,978。

发明内容

下文包括了本发明的概要，以便提供对本发明的某些方面和特征的基本理解。该概要不是对本发明的广泛概述，并且这样，其并不意图具体识别本发明的关键或重要元件或者限定本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本发明的某些概念，作为下文呈现的更加详细的描述的前言。

所公开的各方面使得能够使用视场中的IC晶体管的发射的波谱强度来识别由于工艺、设计或操作问题而不能恰当工作的晶体管。