(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路における信号を検出する方法であって、
光源からの赤外光線を、半導体基板の背面を通り集積回路の能動領域のＰ−Ｎ接合近傍の空乏領域であって上記能動領域に印加されたバイアスの影響を受ける空乏領域を通るように送るステップと、
上記能動領域の付近で上記信号に応答してフリー・キャリアを変調することによってフリー・キャリア吸収によって赤外光線を振巾変調するステップと、
上記Ｐ−Ｎ接合に電界を付与することによって電気吸収によって赤外光線を振幅変調するステップと、
上記Ｐ−Ｎ接合の屈折率の変化によって赤外光線を振幅変調するステップと、
上記空乏領域を通り、半導体基板の背面を介した反射赤外光線の、上記フリー・キャリア吸収による振幅変調と上記電気吸収による振幅変調と上記屈折率の変化による振幅変調の合計の振幅変調を検出するステップと
から構成されることを特徴とする検出方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
上記光源と集積回路との間の後に、λ／２の半波長板、偏光ビーム・スプリッタおよびλ／４の４分の１波長板とを備え、これらを通った赤外光線が上記半導体基板に向けられ、該半導体基板からの反射赤外光線が上記λ／４の４分の１波長板および上記偏光ビーム・スプリッタを通る、方法。
【請求項３】
集積回路内の信号を検出するための装置であって、この装置は、
赤外光線を出力するように構成された光源と、
上記光源と集積回路との間に設けられたビーム・スプリッタと、
該ビーム・スプリッタと上記集積回路の間に配置され、上記赤外光線を、半導体基板の背面を通り上記集積回路の能動領域のＰ−Ｎ接合近傍の空乏領域であって上記能動領域に印加されたバイアスの影響を受ける空乏領域に向ける対物レンズと、
上記空乏領域からの反射赤外光線を上記対物レンズとビーム・スプリッタを介して受ける検出器と
を備え、
上記検出器によって検出される赤外光線には、
上記能動領域の付近で上記信号に応答してフリー・キャリアが変調されることによるフリー・キャリア吸収による振巾変調と、
上記Ｐ−Ｎ接合に電界を付与することによる電気吸収による振幅変調と、
上記Ｐ−Ｎ接合の屈折率の変化による振幅変調と
の合計の振幅変調が含まれていることを特徴とする装置。
【請求項４】
集積回路内の信号を検出するための装置であって、この装置は、
赤外光線を出力するように構成された光源と、
上記光源と集積回路との間に設けられたλ／２の半波長板、偏光ビーム・スプリッタおよびλ／４の４分の１波長板と、
該λ／４の４分の１波長板と上記集積回路の間に配置され、上記赤外光線を、半導体基板の背面を通り上記集積回路の能動領域のＰ−Ｎ接合近傍の空乏領域であって上記能動領域に印加されたバイアスの影響を受ける空乏領域に向ける対物レンズと、
上記空乏領域からの反射赤外光線を上記対物レンズとλ／４の４分の１波長板、偏光ビーム・スプリッタおよびλ／２の半波長板を介して受ける検出器と
を備え、
上記検出器によって検出される赤外光線には、
上記能動領域の付近で上記信号に応答してフリー・キャリアが変調されることによるフリー・キャリア吸収による振巾変調と
、
上記Ｐ−Ｎ接合に電界を付与することによる電気吸収による振幅変調と、
上記Ｐ−Ｎ接合の屈折率の変化による振幅変調と
の合計の振幅変調が含まれていることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、１９９６年１２月１２日に出願され、本出願の譲受人に譲渡された、「Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ａｎ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｂａｓｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｂｅ  Ｆｏｒ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄｓ  Ｄｉｒｅｃｔｌｙ  Ｆｒｏｍ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｒｅｇｉｏｎｓ  Ｉｎ  Ａｎ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ」という名称の同時継続の特許出願第０８／７６６，１４９号に関係している。
【０００２】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、一般に、集積回路テストに関し、より詳細には、集積回路の光学ベースのプロービング技術に関する。
【０００３】
（関連技術の説明）
集積回路業界では、集積回路の速度並びにデバイス密度を増大する努力が絶え間なく行われている。この努力の結果、業界の趨勢は、複雑な高速集積回路をパッケージングする際に、フリップ・チップ技術を使用する方向に向かっている。フリップ・チップ技術は、Ｃ４（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｃｏｌｌａｐｓｅ  ｃｈｉｐ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）またはフリップ・チップ・パッケージングとしても知られている。フリップ・チップ・パッケージング技術では、集積回路ダイは上下逆にされる。これは、今日、ワイヤ・ボンド技術を用いて集積回路をパッケージする方法とは反対である。ダイを上下逆にすることによって、ボール・ボンドを用いて、ボンド・パッドから直接フリップ・チップ・パッケージのピンに、直接電気的に接続することが可能である。
【０００４】
図１Ａは、集積回路ダイ１０５内の集積回路接続を、金属接続１０９を介してパッケージ基板１１１のピン１０７に電気的に接続するために、ボール・ボンドの代わりにワイヤ・ボンド１０３を使用する集積回路パッケージ１０１を示している。高速集積回路に向かうにつれて、通常の集積回路パッケージ１０１のワイヤ・ボンド１０３内で発生するインダクタンスが、ますます重要な問題となる。
【０００５】
図１Ｂは、上下逆にした集積回路ダイ１５５を有するフリップ・チップ・パッケージ１５１を示す。図１Ａのワイヤ・ボンド１０３と比較すると、フリップ・チップ・パッケージ１５１のボール・ボンド１５３は、金属相互接続１５９を介して集積回路ダイ１５５とパッケージ基板１６１のピン１５７の間により直接的な接続を行っている。その結果、ワイヤ・ボンドを使用する通常の集積回路パッケージ技術に伴うインダクタンスの問題が最小限に抑えられる。集積回路ダイの周囲に沿ったボンディングのみが可能なワイヤ・ボンド技術とは異なり、フリップ・チップ技術は、集積回路ダイ表面の任意の位置に接続を配置することが可能である。これにより、集積回路に対するインダクタンス・パワーの分布が非常に低い。これはフリップ・チップのもう１つの主要な利点である。
【０００６】
フリップ・チップ・パッケージ１５１では集積回路ダイ１５５が上下逆になっている結果、テストの目的で集積回路ダイ１５５の内部ノードにアクセスするのがかなり難しくなっている。特に、フリップ・チップにパッケージするように設計されている新しい製品のシリコン・デバッグ段階で、チップをその本来のフリップ・チップ・パッケージング環境でパッケージングしている間に、その場でチップの内部ノードから電気信号をプローブすることが必要となることがある。デバッグ・プロセスの間、集積回路から重要な電気データを獲得するために、いくつかの内部ノードをプローブすることが必要でなる。重要なデータには、それだけには限らないが、電圧レベル、タイミング情報、電流レベル、熱情報など測定デバイスのパラメータが含まれる。
【０００７】
ワイヤ・ボンド技術用の現在のデバッグ・プロセスは、電子ビームまたは機械プローバを用いて、チップの前面上で金属相互接続を直接プローブすることに基づくものである。通常の集積回路デバイスは、金属相互接続の複数の層を有しており、チップ内に深く埋め込まれているノードにアクセスするのは困難である。一般に、プロービングのため、ノードの上の誘電体およびまたは金属をミリングしてノードを露出させるのに、プラズマ・エッチング装置や集束イオン・ビーム・システムなどの他のツールを使用しなければならない。
【０００８】
しかし、フリップ・チップ技術を用いる場合は、集積回路ダイが上下逆にされるので、この前面方法は実行できない。図１Ｂに示すように、通常のプロービングの目的で金属相互接続１５９にアクセスすることは、パッケージ基板１６１によって妨害される。その代わりに、集積回路の能動領域および受動領域１６３を形成するＰ−Ｎ接合は、集積回路ダイ１５５のシリコン基板の背面を通してアクセス可能である。
【０００９】
図２は、集積回路内の能動ドープ領域をプローブするために使用する従来技術の方法を示す。図２に示す設定では、検出デバイス（ＤＵＴ）２３１は、能動領域２３９と非能動領域（金属）２４１とを含む。レーザ２２１は、ビーム・スプリッタ２２５を通り、複屈折ビーム・スプリッタ２２７および対象物レンズ２２９を通り、ＤＵＴ２３１のシリコンの背面を通って、ドープ領域２３９および金属２４１上にレーザ・ビーム２２３を集束させるように配置されている。図２に示すように、複屈折ビーム・スプリッタ２２７は、レーザ・ビーム２２３を、プローブ・レーザ・ビーム２３５と基準レーザ・ビーム２３７の２つの別々のレーザ・ビームに分離する。プローブ・レーザ・ビーム２３５と基準レーザ・ビーム２３７は両方とも、それぞれ能動領域２３９および金属２４１から反射され、再び対物レンズ２２９を通って複屈折ビーム・スプリッタ２２７に入る。次いでプローブ・レーザ・ビーム２３５と基準レーザ・ビーム２３７は、複屈折ビーム・スプリッタ２２７で再び組み合わされ、ビーム・スプリッタ２２５を通って検出器２３３内へ案内される。
【００１０】
ＤＵＴ２３１を動作させ、同時にプローブ・レーザ・ビーム２３５を能動領域２３９上に集束させ、基準レーザ・ビーム２３７を金属２４１上に集束させることによって、ＤＵＴ２３１のシリコン基板を通して、検出器２３３で波形を検出することが可能となる。検出が可能なのは、自由電荷領域の屈折率が電荷のない領域とは異なるというプラズマ光学効果のためである。バイアスを加えることにより自由電荷が生じ、したがってプローブした領域で複屈折率が変化されるが、基準ビーム下の領域の複屈折率は変化しない。これにより、プローブ・ビーム２３５と基準ビーム２３７の間で位相シフトが生じる。
【００１１】
したがって、反射基準ビーム２３７とプローブ・レーザ・ビーム２３５の間の位相差を測定することによって、検出器２３３は、プローブの下のＰ−Ｎ接合領域の動作によって生じる電荷の変調に比例する出力信号２４１を生成することができる。次いで、この光学測定を従来のストロボ技術と組み合わせて、高周波数の電荷を、したがってＰ−Ｎ接合領域２３９からの電圧の波形を測定することができる。
【００１２】
図２に示す従来の技術には、多くの欠点がある。まず、位相検出方式であるため、位相信号を生成するのに、互いに干渉する２本のビームが必要である（基準ビーム２３７とプローブ・ビーム２３５）。これらのビームは、複屈折ビーム・スプリッタ２２７で生成される。したがって、プローブ・ビーム２３５と基準レーザ・ビーム２３７の両方を使用するには、図２に示すように、それらは距離ｘだけ離れていなければならないという制限がある。したがって、ＤＵＴ２３１内のドープ領域２３９および金属２４１のレイアウトは、金属２４１が、ドープ領域２３９から距離ｘのところに位置するようなものでなければならない。図示した従来の技術は、その手前に基準ビームが電荷の変調を受けつつあるプローブされる領域２３９に近接する（距離ｘ）ようにするために、電荷の変調がない反射表面２４１が必要なので、現代の多くの集積回路のレイアウトは、図２に示したような設定でプローブするのに適していないことを理解されたい。今日の先端技術でも、この要求を満たすことは困難である。
【００１３】
さらに、図２に示す技術は、バイポーラ接合トランジスタの技術にのみ適用されており、図２に示す従来の技術を、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術と共に使用して成功したことがないことに留意されたい。これは、逆バイアスＰ−Ｎ接合（たとえば、金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）トランジスタのドレイン）の空乏領域における電荷の変調が、順バイアスされるとき（たとえば、２極接合トランジスタのベース領域）同じ接合における電荷の変調よりもはるかに小さいからである。さらに、ＭＯＳデバイスのチャネルは横向きであるのに対し、２極デバイスのベース−エミッタ接合は垂直方向であり、ＭＯＳデバイスのチャネルにおける電荷の変調を直接測定するには、シリコンでの光の波長をはるかに下回る法外に小さいレーザ・スポット・サイズが必要となるので、不可能である。
【００１４】
集積回路をプローブする他の従来の光学技術では、電気光学効果またはポッケルス効果を使用する。この電気光学効果は、電界を印加したとき、非対称結晶内に生じる光学屈折率の変化を測定するものである。電界を印加すると、電気光学材料の屈折率が変化する。その結果、電気光学材料を通過する光線の偏光が、電気光学材料を横切って印加される電界または電圧の強さに応じて変化する。
【００１５】
図３は、ヒ化ガリウム基板３０１などの非対称な結晶を用いて、集積回路に電気光学効果を適用することを示す。図３に示す例では、フリンジング電界３０７が電極３０５間に存在する。プローブ・ビーム３０３は、基板３０１の背面から入射し、フリンジング電界３０７を通過して、電極３０５から反射される。プローブ・ビーム３０３の偏光の変化を、したがって基板３０１の屈折率の変化を測定することによって、電界３０７を測定することができる。しかし、この技術は、ヒ化ガリウムをベースとする集積回路で使用することは可能であるが、シリコンは対称な結晶であり、したがって電気光学効果またはポッケルス効果を示さないので、シリコンで電気光学サンプリングをすることはむりである。
【００１６】
したがって、シリコンの背面を通過してＣＭＯＳ集積回路内の能動領域をプローブする方法および装置が求められている。そのような方法は、基準レーザ・ビームが、プローブするドープ領域付近で金属から反射されることを必要とせずに、シリコンの背面を通過して、ＣＭＯＳ集積回路の能動領域をプローブすることができるべきである。さらに、この方法は、今日のＣＭＯＳ集積回路技術と両立すべきである。
【００１７】
（発明の概要）
集積回路における信号を検出する方法および装置を開示する。一実施態様では、この方法は、半導体基板の背面を通り集積回路の空乏領域を通って、赤外光線を送るステップを含む。空乏領域は、信号に応答して変化する。また、この方法は、空乏領域を通り、半導体基板の背面を通過した反射赤外光線の振幅変調を検出するステップを含む。本発明の追加の特徴および利点は、下記で述べる詳細な説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１８】
本発明を、添付の図に限定ではなく例として示す。
【００１９】
（詳細な説明）
半導体内に配置された集積回路の能動領域における電圧を検出する方法および装置を開示する。本発明が完全に理解できるように、以下の説明では、例えば波長やエネルギーの値など、多くの具体的詳細について述べる。しかし、当分野の技術者には、本発明を実施するために、特定の詳細を使用する必要がないことは明らかであろう。他の場合には、本発明があいまいになるのを避けるために、周知の材料または方法については詳細には説明していない。
【００２０】
本発明の一実施形態は、集束赤外線（ＩＲ）レーザ・ビームを用いて、シリコンなどの半導体の背面を介して直接集積回路の能動領域から電界を、したがって電圧を測定する方法および装置を提供する。本発明の一実施形態は、赤外線レーザをベースとする技術を用いて、シリコンのチップの背面を介して集積回路の能動領域をプローブする。シリコンは、赤外線に対し部分的に透明なので、部分的に薄いシリコンの集積回路を通して赤外線を集束させ、直接能動領域に到達することができる。
【００２１】
図４は、本発明の教示による、半導体の背面を通過して、集積回路の能動領域４０３をプローブすることが可能な本発明の実施形態を示す。光源またはレーザ４０７は、能動領域４０３上に集束する光線またはレーザ・ビーム４１３を出力するように配置されている。レーザ・ビーム４１３は、ビーム・スプリッタ４０９と、レーザ・ビーム４１３を能動領域４０３上に集束させる対物レンズ４１１とを通過する。レーザ・ビーム４１３は、基板および能動領域４０３を通過し、能動領域の背後でコンタクト／金属から反射され、再び能動領域４０３および基板を通過する。反射レーザ・ビーム４１５は、対物レンズ４１１を通過して戻り、ビーム・スプリッタ４０９を通過して検出器４１７に導かれる。検出器４１７は、能動領域４０３の電圧に対応する出力信号４１９を生成する。以下でより詳細に説明するように、検出器４１７は、反射レーザ・ビーム４１５の振幅変調を検出し、能動領域４０３の電圧によって振幅を変調するようになっている光学検出システム内に含まれている。
【００２２】
図４に示すように、能動領域４０３は、被検デバイス（ＤＵＴ）４０５に含まれている。一実施形態では、ＤＵＴ４０５は、基板の背面からアクセス可能なシリコン内に配置されたＣＭＯＳ集積回路である。したがって、一実施形態では、ＤＵＴ４０５は、フリップ・チップでパッケージした製品である。ここで説明している技術は、反射ビームの位相変調とは反対の振幅変調を検出するので、干渉位相を検出するための基準ビームは必要でなくなる。本発明の一実施形態では、ＤＵＴ４０５は、プローブ前に、約１００〜２００μｍの厚さまで部分的に薄くしてある。これにより、最新のＶＬＳＩ集積回路で使用するように、高度にドープしたシリコン基板を通過するレーザ・ビーム４１３の透過を増大させることが可能となり、それに対応して、ＤＵＴ４０５のシリコンの背面を通過して戻る反射レーザ・ビーム４１５が増大される。本発明の一実施形態では、レーザ４０７は約１．０６４μｍの波長で動作するモード・ロック・レーザである。
【００２３】
本発明の動作は、下記の通りである。パワーＰの集束レーザ・ビーム４１３が、Ｐ−Ｎ接合４０３上に入射すると仮定する。レーザ・ビーム４１３の光子のエネルギーが、ＤＵＴ４０５のシリコンのバンド・ギャップ・エネルギーより大きいかまたは等しい場合、Ｐ−Ｎ接合で、ΔＰ程度のレーザ・ビームの光吸収が生じる。ΔＰとＰは、次式で与える基本的な吸収係数αによって関係付けられている。
ΔＰ＝αＰ                          （式１）
次いで電界ＥをＰ−Ｎ接合に印加するとき、電気吸収として知られているメカニズムによって、α−光吸収が変調させられる。Ｐ−Ｎ接合で吸収されるパワーは、次式の通りである。
Γ（Ｅ）・ΔＰ                      （式２）
Γ（Ｅ）は、電気吸収と電界の間の基本的な関係である。
【００２４】
レーザ４１３が、金属パッドなどの非能動領域から反射されるとき、検出器４１７によって検出されるレーザ・パワーはＰ0である。同じレーザ・ビーム４１３を能動領域４０３上に移動すると、検出器によって認識されるレーザ・パワーは、Ｐ−Ｎ接合における光吸収のために、ΔＰだけ減少してＰ−ΔＰ0となる。ＡＣ電界Ｅ（ｔ）をＰ−Ｎ接合に印加すると、検出器４１７によって認識されるレーザ・パワーは、次式のようになる。
Ｐ0−Γ［Ｅ（ｔ）］・ΔＰ0        （式３）
前と同様に、Γは電気吸収と電界Ｅ（ｔ）の間の基本的な関係である。したがって、検出器４１７を用いて検出された信号の交流成分と電界を、したがって電圧を測定することにより、変調を再生することができる。未知の関数Γは較正によって決定される。
【００２５】
Ｐ−Ｎ接合の領域は、その背後で、酸化膜４０４によって金属領域４０６から分離されているので、プローブ・レーザ・ビームは、金属４０６と酸化物と能動領域の界面４０８の両方から反射されることになる。後者が生じるのは、Ｐ−Ｎ接合を形成するシリコンと酸化膜の屈折率が異なるためである。電気吸収の他に電気屈折もあり、これにより、電圧の関数としてＰ−Ｎ接合における屈折率が変化することになる。したがって、Ｐ−Ｎ接合界面で発生した反射レーザ・ビームの部分も、この効果のために変調させられることになる。この効果は、電気吸収効果よりも小さい。この２つの効果があいまって、検出器４１７によって認識される、反射レーザ・ビームの振幅変調全体を与える。
【００２６】
図６は、ＤＵＴ６０５内の能動領域６０３のより詳細な図である。本発明の一実施形態では、能動領域６０３は、Ｐ−ドープ・シリコン基板内のＮ−ドープ領域である。これとは反対に、本発明の他の実施形態では、Ｎ−ドープ基板内のＰ−ドープ能動領域を使用することも可能であることを理解されたい。レーザ・ビーム６０９は、ＤＵＴ６０５のシリコンの背面を通過して能動領域６０３に入り酸化膜６０４を通過して、金属６０７から反射されてＤＵＴ６０５のシリコンの背面から出てくることが示されている。図６に示す実施形態では、レーザ・ビーム６０９は赤外線レーザ・ビームであり、したがって、シリコンは赤外光に対し部分的に透明なので、ＤＵＴ６０５のシリコンを通過することができる。
【００２７】
能動領域６０３にバイアスを印加すると、能動領域６０３とＤＵＴ６０５のシリコン基板との間にあるＰ−Ｎ接合界面で、空乏領域６１１が増大する。能動領域６０３、およびＤＵＴ６０５の基板のドーピング密度が高い場合、Ｐ−Ｎ接合界面での空乏領域６１１は、非常に狭くなる。本発明の一実施形態では、空乏領域６１１は、わずかに約７０ｎｍの厚さである。したがって、通常の集積回路の動作電圧をそのような狭い空乏領域６１１の両端間に印加するとき、結果的に、１センチメートルあたり約１×１０5ボルトなどの高電圧が、空乏領域６１１の両端間に発生する。この高電圧はトンネリングの確率を増大し、基本的な吸収係数が増大することになる。この効果は、電気吸収効果またはフランツ−ケルディッシュ効果として知られている。
【００２８】
レーザ・ビーム６０９の光吸収の変調は、接合に印加される電圧の変化に依存する。このレーザ・ビームの吸収の変調は、接合に印加される電圧に関係するので、意味のある信号である。
【００２９】
さらに、電気吸収は電気屈折をもたらす。すなわち、電気吸収と電気屈折の効果はリンクしている。電気屈折により、屈折率が変化する。これは、屈折率が変化すると、同時に、接合／酸化膜界面から反射された光の反射係数が変調することを意味する。この変調が、電気吸収による変調に重ね合わされ、光検出器は、実際には両方の効果による合計振幅変調を測定する。
【００３０】
本発明では、図４の検出器４１７を使用して、印加した電圧によって生じた電気吸収と電気屈折の効果を両方同時に検出する。この２つの効果は、反射レーザ・ビーム４１５にパワー変調を生じさせる。検出器４１７は、これらの変調を出力信号４１９に変換する。振幅変調の度合は、式２の関数Γによって、Ｐ−Ｎ接合の両端間に印加される電界（すなわち電圧）に関係付けられる。Γは、既知の印加電圧に対して検出器の出力を較正することによって決定される。ＤＵＴ４０５を動作させ、同時にレーザ・ビーム４１３を能動領域４０３に集束させることによって、図５の波形５０１、５０３、５０５と同様の電気波形を、検出器４１７でＤＵＴ４０５の基板を介して測定することが可能である。この波形は、能動領域４０３に印加される変動電圧に対応している。次いでこの光学測定を従来のストロボ技術と組み合わせて、能動領域４０３からの高周波数電圧の波形を測定することができる。
【００３１】
図７は、基板の両端間に高電圧が印加される高度にドープされたシリコン基板において、様々な温度で測定した測定電気吸収を、波長の関数としてプロットしたグラフ７０１である。グラフ７０１のプロット７０３、７０５、７０７は、ドープ・シリコン基板を通過する赤外ビーム線の光子の全透過にわたる測定した透過率の変化を、光子の波長の関数として示したものである。特に、プロット７０３は、室温で１センチメートルあたり約１×１０5ボルトの電圧が外部からシリコン基板に印加される場合における、薄いシリコン基板を通過する全透過にわたる透過率の波長に対する変化を示す。図７からわかるように、約１．０６４μｍのところに電気吸収のピークがある。プロット７０５は、室温で電圧が印加されていない場合の、波長に対する、同じ薄いシリコン基板を通過する光子の全透過にわたる透過率の変化の関係を示す。図７に示すように、プロット７０５では、１．０６４μｍの所に対応する電気吸収のピークはない。図７は、高電圧がシリコンに特徴的な電気吸収に及ぼす効果を示している。電気吸収の大きさは、シリコンの電圧の大きさに直接関係付けられている。この関数関係を較正することによって、Ｐ−Ｎ接合に印加された印加電圧を抽出することができる。
【００３２】
プロット７０３および７０５で使用するシリコン・サンプルのドーピング・レベルを用いて、本発明の一実施形態では、プロット７０３のピークに一致する波長で動作する高周波数の赤外モード・ロック・レーザを実装することによって、電気吸収を測定する。本発明の実施形態の光学部品は、モード・ロック・レーザ・パルスをプローブする能動領域上に集束させる。このプローブ・システムは、完全フリップ・チップ・パッケージ集積回路のシリコンの背面を通過して、Ｐ基板に配置されたＮドープ領域内に集束する単一ビームからなる。また本発明は、Ｎ基板に配置されたＰドープ領域を有する集積回路と共に使用することも可能であることを理解されたい。レーザ・ビームは、Ｐ−Ｎ接合界面を通過し、前面の金属から反射され、再びＰ−Ｎ接合領域を通過して戻り、シリコン表面から出る。
【００３３】
Ｐ−Ｎ接合の両端間にバイアスを印加するとき、結果的にＰ−Ｎ接合界面の両端間に電圧が生じる。プロット７０３は、電気吸収により、いくつかの光子がどのように吸収されるかを示す。全透過にわたる透過率の変化は、１．０６４μｍの波長で、約２×０-5となる。電圧を印加しない場合、光子の吸収は低減する。ＤＵＴを動作させ、同時にレーザ・ビームをプローブする能動領域上に集束させことによって、ドープ領域に印加された変動電圧に対応する電気波形を本発明の教示による検出器で検出し生成することが可能である。
【００３４】
シリコンのバンド・ギャップは、ドーピング濃度が増大し、温度が上昇するのに伴って減少することを理解されたい。例えば、高度にドープしたシリコンでは、バンド・ギャップは、摂氏１００度で、約３０ｍｅＶ減少することに留意されたい。したがって、対応するプロット７０７は、摂氏１００度で１センチメートルあたり約１×１０5ボルトの電圧を外部から印加した場合の、波長に対する、シリコン基板を通過する全透過にわたる透過率の変化を示す。したがって、プロット７０７から、電気吸収のピークが、室温上昇のために約１．０８５μｍに移動したことがわかる。
【００３５】
プローブする集積回路が高温で動作する場合、測定した光吸収のピークは、図７の比較プロット７０３および７０７に示すように、より長い波長の方に移動する。その結果、本発明の一実施形態は、１．０６４μｍの固定波長を有するモード・ロック・レーザを用いることに限定されない。その代わりに、本発明の一実施形態では、半導体材料のバンド・ギャップを変更する可能性がある温度または他の条件に応じて変更または調整することのできる、同調可能なモード・ロック・レーザを使用する。モード・ロック・レーザの波長が、プロット７０３、７０７のピークなどに追従し、合致することができるようにすることによって、本発明の一実施形態の信号対雑音比は、連続的に最適化される。シリコンの赤外線レーザの透過は、温度の関数として減少することに留意されたい。また、温度のためにシリコンの赤外線レーザの透過が減少することを補償する他の技術を使用して、信号雑音比を最適化することも可能であることを理解されたい。
【００３６】
本発明の一実施形態では、ＤＵＴ４０５は、出力波形が生成されるとき、テスタ装置（図示せず）上のテスタ環境で実行および動作させられている。本発明の他の実施形態では、ＤＵＴ４０５は、出力波形が生成されるとき、コンピュータのマザーボード上などのシステム環境で実行および動作することが可能である。すなわち、レーザ・ビーム４１３は、ドープ領域４０３上に直接集束され、したがって、波形５０１、５０３、５０５などの波形は、ＤＵＴ４０５を実際のシステムに装備し動作させながら獲得することが可能である。その結果、本発明の一実施形態では、部品がテスタ装置上またはシステム環境で動作している間に、フリップ・チップ・パッケージ集積回路をデバッグすることが可能である。
【００３７】
本発明は、ＤＵＴ４０５が動作している間、レーザ・ビーム４１３が、半導体基板の背面を通って能動領域４０３上に集束している限り、他のタイプのテスト環境で、ＤＵＴ４０５から波形を獲得することも可能であることを理解されたい。これが全て可能なのは、ＤＵＴを真空中で動作することを必要とする、電子ビーム・プローブ環境とは対照的に、ＤＵＴを真空中で動作させることに限定されていないからである。従来の電子ビームを用いて、大きなＰＣボード上などのシステム環境で動作するＤＵＴをプローブするのは、大きなＰＣボードを収容するために、電子ビーム・プローブの真空室が法外に大きいことが要求されるので、実用的ではないことに留意されたい。しかし、本発明は、ＤＵＴを真空室に配置することを必要としないので、様々な動作環境で波形を獲得することができる。
【００３８】
図８は、本発明の他の実施形態８０１の図である。１．０６４μｍで動作するモード・ロック・レーザ８０３は、光アイソレータ８０７を通過し、λ／２の半波長板８０８を通過し、偏光ビーム・スプリッタ８０９を通過し、λ／４の４分の１波長板８１０を通過し、ダイクロイック・ビーム・スプリッタ８１１を通過し、対物レンズ８１３を通過して、ＤＵＴ８１５のシリコンの背面を通ってドープ領域８１７上に集束するレーザ・ビーム８０５を生成する。
【００３９】
レーザ・ビーム８０５は、前面金属８１９から反射され、対物レンズ８１３を通過し、ダイクロイック・ビーム・スプリッタ８１１、λ／４の４分の１波長板８１０および偏光ビーム・スプリッタ８０９によって絞り８２１に導かれる。反射したレーザ・ビーム８０５は、絞り８２１によって導かれて、集束レンズ８２３を通過して光ダイオード８２５に入る。光ダイオード８２５は、エレクトロニクス８２７に結合されており、ＤＵＴ８１５から反射されたレーザ・ビームの光子の振幅変調を検出し、ドープ領域８１７での電圧の存在を決定する。
【００４０】
光アイソレータ８０７を使用して、レーザ８０３内に反射されて戻る光子の数を最小にする。λ／２の半波長板８０８およびλ／４の４分の１波長板８１０を偏光ビーム・スプリッタ８０９と共に使用して、ＤＵＴ８１５へのレーザ・ビーム８０５の透過率、並びにＤＵＴから絞り８２１に反射されたレーザ・ビーム８０５の透過率を増大させて、信号対雑音比を最適化する。
【００４１】
また、図８に示す実施形態８０１は、タングステン照明源８２９を含む、モニタ用の撮像要素を含む。タングステン照明源８２９は、赤外線フィルタ８３３を通過し、コリメータ・レンズ８３５を通過し、ビーム・スプリッタ８３７を通過し、ダイクロイック・ビーム・スプリッタ８１１を通過し、対物レンズ８１３を通過して、ＤＵＴ８１５のシリコンの背面を通ってドープ領域８１７上に送られる光８３１を生成する。光８３１は、ＤＵＴ８１５から反射されて再び対物レンズ８１３を通過し、ダイクロイック・ビーム・スプリッタ８１１を通過し、ビーム・スプリッタ８３７および集束レンズ８４１を通過して赤外線カメラ８４３へと反射される。反射光８３９により、赤外線カメラ８４３を用いて、ＤＵＴ８１５の背面を撮像することが可能となる。ビデオ・モニタ８４５は、赤外線カメラ８４３に結合されており、ＤＵＴ８１５のシリコンの背面の画像を観測する。これにより、プローブする必要のあるドープ領域にレーザを集束させながら、その場でドープ領域を直接観測することが可能となる。
【００４２】
本発明のさらに他の実施形態では、レーザ８０３は、走査レーザ光源としても働くように構成することが可能である。この実施形態では、レーザ・スポットは、撮像の目的で、ＤＵＴ８１５の背面を横切って走査されラスタ化される。この実施形態では、ＤＵＴ８１５から反射されたレーザ光は赤外線カメラ８４３に送られ、したがって、ＤＵＴ８１５の画像をビデオ・モニタ８４５上で観測することが可能である。この実施形態では、光学検出システムは、共焦点ベースの光学システムである。
【００４３】
本発明のさらに他の実施形態では、光源またはレーザ４０７は、ＤＵＴの半導体基板中を透過可能な波長で動作される。一実施形態では、レーザ４０７は、シリコン基板を通る約０．９μｍより長い波長で動作させられる。簡単に図４を参照すると、レーザ４０７は、シリコン基板中を透過可能な約０．９μｍより長い波長の光線またはレーザ・ビーム４１３を供給する。図４に示すように、レーザ４０７は、能動領域４０３上に集束される。一実施形態では、光源またはレーザ４０７は、赤外線連続波レーザ、またはＱスイッチ・レーザなどのパルス・レーザ、モード・ロック・レーザなどである。
【００４４】
一実施形態では、レーザ・ビーム４１３は、薄いシリコン基板を通過して能動領域４０３に集束する。他の実施形態では、レーザ４０７は、約１．３μｍの波長で動作させられ、レーザ・ビーム４１３は、薄くないシリコン基板を通過して集束する。レーザ・ビーム４１３は、ビーム・スプリッタ４０９と、レーザ・ビーム４１３を能動領域４０３上に集束させる対物レンズ４１１とを通過する。レーザ・ビーム４１３は、基板および能動領域４０３を通過し、能動領域４０３の背後でコンタクト／金属４０６から反射され、再び能動領域４０３および基板を通過する。反射レーザ・ビーム４１５は、対物レンズ４１１を通過して戻り、ビーム・スプリッタ４０９を通過して検出器４１７に導かれる。検出器４１７は、能動領域４０３における信号に対応する、出力信号４１９を生成する。この実施形態では、反射レーザ・ビーム４１５は、能動領域４０３付近の変化する空乏領域の結果として生じるフリー・キャリアの吸収に応答して変調される。
【００４５】
例えば、図９Ａは、ＤＵＴ９０５の基板内のフリー・キャリア９１１を示す。一実施形態では、ＤＵＴ９０５の基板はシリコンを含む。レーザ・ビーム９０９は、ＤＵＴ９０５のシリコンの背面を通過して能動領域９０３に入り、アイソレータ９０４を通過し、金属９０７から反射されてＤＵＴ９０５のシリコンの背面から出ることが示されている。一実施形態では、能動領域９０３はＰ−Ｎ接合を含む。これは、一実施形態では、ＭＯＳトランジスタのドレインなどである。図９Ａに示す実施形態では、シリコンは赤外光に対し部分的に透明なので、レーザ・ビーム９０９は、ＤＵＴ９０５のシリコン中を透過可能な波長を有する赤外線レーザ・ビームである。フリー・キャリア吸収の結果、レーザ・ビーム９０９は、Ｐ−Ｎ接合の付近で部分的に吸収される。
【００４６】
図９Ａは、能動領域９０３の付近に空乏領域がないとき、フリー・キャリア９１１が能動領域の付近に分布していることを示している。しかし、図９Ｂは、バイアスが能動領域９０３に印加されているとき、空乏領域９１３が能動領域９０３の付近で形成され、それによりフリー・キャリア９１１が、能動領域９０３から一掃されることを示している。能動領域９０３に印加するバイアスを変化させることによって、それに応じて空乏領域９１３が変化する。空乏領域９１３が変化することによって、能動領域９０３付近のフリー・キャリア９１１が変化される。能動領域に加えられた信号に応答して能動領域９０３付近のフリー・キャリア９１１が変化することによって、それに応じてレーザ・ビーム９０９のフリー・キャリア吸収が変調される。
【００４７】
これは、数学的に以下のように説明することができる。
【００４８】
標準Ｐ−Ｎ接合モデルを使用することによって、Ｐ−Ｎ接合の空間電荷分布プロファイルは、片側階段接合として近似することができる。この場合、電界Ｅおよび空乏層の幅Ｗは、次式で与えられる。
【数１】
0004846902.tif 000002
上式でｑは電子の電荷、εsはシリコンの誘電率、ＶRBは逆バイアス電圧（または信号）、
【数２】
0004846902.tif 000003
はＰ−Ｎ接合のビルトイン・ポテンシャルである。
【００４９】
第１近似として、空乏領域９１３を通過するレーザ・ビーム９０９の変調は、次式の形であると仮定することができる。
変調〜（１−ｅ-a(w)）      （３）
ａ（ｗ）は、空乏領域９１３内のフリー・キャリア吸収により結果的に得られる寄与である。フリー・キャリアの効果は非常に小さいことが既知であるので（１００万あたり若干程度）、式３の指数関数は、べき級数展開によって近似することができる。
【００５０】
小さい値ｘに対し、ｅ-x〜（１−ｘ）なので、式（３）は次のように近似することができる。
変調〜ａ（ｗ）                  （４）
【００５１】
式（４）から、レーザ・ビーム９０９の光学変調は、空乏領域９１３の幅に比例することがわかる。式（２）から、光学信号は、Ｐ−Ｎ接合に印加された電気信号（ＶRB）に直接比例する。
【００５２】
光のフリー・キャリア吸収は、光の波長の２乗に比例することに留意されたい。したがって、レーザ・ビーム９０９のフリー・キャリアで誘導された変調は、レーザ・ビーム９０９の波長の２乗に比例する。したがって、レーザ・ビーム９０９のフリー・キャリアの誘導変調は、レーザ・ビーム９０９の２乗に比例する。したがって、一実施形態では、フリー・キャリア吸収に応答するレーザ・ビーム９０９の変調は、レーザ・ビーム９０９の波長の２乗に比例して増大する。したがって、より長い波長（＞０．９μｍ）を使用して、信号の大きさを増大させることができる。しかし、レーザ・ビーム９０９の波長が長くなるにつれ、それに対応して基板での吸収が増大し、これによって、使用できる最大波長が制限される可能性がある。レーザ・ビーム９０９に対し、シリコンのバンド・ギャップ波長である約１．１μｍより長い波長を使用する利点は、これより長い波長では、光子エネルギーがＤＵＴ９０５のシリコン・バンドギャップよりも低くなることである。したがって、１．３μｍで、レーザ・ビーム９０９によって生成される非常に小さい光電流があることになる。これにより、レーザ・ビーム９０９に対し、より大きな入射レーザ・パワーを使用することが可能となり、光ダイオードに対するより大きな戻り信号が得られる。
【００５３】
以上の説明は、半導体内に配置された集積回路のドープ領域で、ドープ領域を露出させるために基板をミリングする必要なく、または基準ビームとして使用する第２レーザ・ビームを供給する必要なく、電界を検出する方法および装置に関するものである。ここで説明している赤外レーザ・ベースの光プローブを用いると、フリップ・チップ・パッケージ集積回路上のシリコンの背面を介してドープ領域から直接電圧および電界を測定する技術が提供される。
【００５４】
上記の詳細な説明においては、本発明の方法および装置について、その特定の例示的実施形態に関して説明してきた。しかし、本発明のより広範な精神および範囲から逸脱することなく、本発明に対し様々な修正および変更を行うことが可能であることは明らかであろう。したがって、本明細書および図は、限定的なものではなく、例示的であると見なすべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  今日のワイヤ・ボンド技術を示す図である。
【図１Ｂ】  フリップ・チップまたはフリップ・チップ・パッケージング技術を示す図である。
【図２】  ２つのレーザ・ビームを用いて、シリコン２極接合の背面を介して能動領域をプローブし、電荷密度の変調による一方のレーザ・ビームと他方のレーザ・ビームの位相シフトを測定する従来の方法の図である。
【図３】  ヒ化ガリウム基板で使用される電気光学効果を用いて、集積回路を光学的にプローブする従来の方法の図である。
【図４】  本発明の教示による、単一レーザ・ビームを用いて能動領域をプローブする様子を示す図である。
【図５】  本発明を用いて生成することのできる様々な波形を示す図である。
【図６】  本発明の教示による、単一レーザ・ビームによってＰ−Ｎ接合内の空乏領域をプローブする様子を示す図である。
【図７】  高電圧が基板を横切って印加されている高度にドープされたシリコン基板において、様々な温度で測定した測定電気吸収を波長の関数としてプロットしたグラフである。
【図８】  本発明の教示による、能動領域をプローブおよびモニタする本発明の他の実施形態の図である。
【図９Ａ】  付近に空乏領域がないときの、Ｐ−Ｎ接合付近のフリー・キャリアを示す図である。
【図９Ｂ】  Ｐ−Ｎ接合付近の空乏領域にフリー・キャリアがないことを示す図である。
【図１ａ】
0004846902.tif 000004
【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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