一种用于检测半导体器件硬缺陷故障点的定位装置及方法

摘要

本发明公开一种用于检测半导体器件硬缺陷故障点的定位装置及方法，装置包括光源模块、光学模块、物镜、信号提取系统、三维移动台、移动台控制箱、控制计算机；方法包括采集物镜焦点处被测器件的红外显微图像,并记录该图像对应的物镜焦点坐标以及坐标点的频率信号强度，获得频率强度分布图；通过将红外显微图像和频率强度分布图进行叠加，获得信号强度分布图；通过分析信号强度分布图，定位被测器件上硬缺陷故障点的位置；本发明用于Flip‑Chip封装的集成电路进行故障点定位以及集成电路内部的扫描链电路全功能的故障点定位，同时适用于短路、漏电、观察微小失效如晶体管击穿、铝硅互熔短路和介质层裂纹这几种失效模式并且定位准确。

权利要求

1.一种用于检测半导体器件硬缺陷故障点的定位装置，其特征在于，包括：光源模块，用于产生非相干光；

光学模块(3)，与所述光源模块连接，用于传输所述非相干光，并接收所述非相干光的反射光信号；

物镜(4)，设置在所述光学模块(3)与被测器件(5)之间，用于将所述非相干光聚焦在所述被测器件(5)的内部，并将所述反射光信号传输到所述光学模块(3)；

信号提取系统，与所述光学模块(3)连接，用于将所述反射光信号转换为电信号，并提取所述电信号的时域电信号或频域电信号；

三维移动台(6)，用于固定并移动所述被测器件(5)；

移动台控制箱(14)，与所述三维移动台(6)连接，用于控制所述三维移动台(6)；

控制计算机(13)，分别与所述光源模块、所述移动台控制箱(14)、所述光学模块(3)、所述信号提取系统连接，控制所述故障点定位装置进行工作；

动态故障点定位时，激光穿过芯片背部的硅衬底聚焦在被测器件的有源区，自由载流子吸收效应导致入射光光强变化，LVP和LVI通过探测光强变化分别从时域和频域定位故障点位置；

静态故障点定位时，OBIRCH焦点处的光能量部分转化为热能，金属互联线的缺陷位置的温度无法迅速散开，导致缺陷处的温度累计升高，进一步引起金属线电阻发生改变从而导致被测器件的静态工作电流变化，被测器件供电线上的串联电阻将这种电流变化转变为电压变化，通过对采集到的电压信号进行傅里叶变换在频域中定位故障点位置。

2.根据权利要求1所述的一种用于检测半导体器件硬缺陷故障点的定位装置，其特征在于，

所述光源模块包括，

非相干光源(1)，用于获得波长大于1100nm的所述非相干光；

调制模块(2)，分别与所述非相干光源(1)、所述控制计算机(13)连接，用于调制所述非相干光的光强。

3.根据权利要求2所述的一种用于检测半导体器件硬缺陷故障点的定位装置，其特征在于，

所述信号提取系统包括，

光电探测器(9)，与所述光学模块(3)连接，用于将所述反射光信号转变为电信号；

放大器(10)，与所述光电探测器(9)连接，用于放大所述电信号；

隔直器(11)，与所述放大器(10)连接，用于隔离掉所述电信号中无用的大的直流背景分量，输出交流信号；

信号提取器(12)，与所述隔直器(11)连接，用于提取所述电信号的所述时域电信号或所述频域电信号，其中，所述信号提取器(12)为频谱分析仪或示波器。

4.根据权利要求3所述的一种用于检测半导体器件硬缺陷故障点的定位装置，其特征在于，

所述光学模块(3)包括，光隔离器，第一偏振分束棱镜，空间滤波系统，第二偏振分束棱镜，法拉第旋光器，半透半反镜，聚焦透镜；

所述光隔离器通过所述第一偏振分束棱镜与所述空间滤波系统连接；

所述空间滤波系统通过所述第二偏振分束棱镜分别与所述法拉第旋光器、所述聚焦透镜连接；

所述法拉第旋光器与所述半透半反镜连接；

所述聚焦透镜与所述光电探测器(9)连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于检测半导体器件硬缺陷故障点的定位装置，其特征在于，

所述光学模块(3)还包括红外成像单元，所述红外成像单元用于获得所述被测器件(5)的内部红外版图；

所述红外成像单元包括分束镜、红外照明光源、成像透镜、红外相机；

所述分束镜分别与所述红外照明光源、所述成像透镜、所述半透半反镜连接；

所述成像透镜与所述红外相机连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于检测半导体器件硬缺陷故障点的定位装置，其特征在于，

所述故障点定位装置还包括，

测试机(7)，用于为所述被测器件(5)提供周期性驱动信号；

恒压源(8)，用于为所述被测器件(5)提供恒定电压。

7.根据权利要求6所述的一种用于检测半导体器件硬缺陷故障点的定位装置，其特征在于，

所述物镜(4)为气隙透镜、液体浸没透镜或固体浸没透镜其中的一种；

所述光电探测器(9)为PIN二极管、雪崩光电二极管其中的一种；

所述放大器(10)为跨阻放大器。

说明书

一种用于检测半导体器件硬缺陷故障点的定位装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及集成电路测试领域，具体涉及一种用于检测半导体器件硬缺陷故障点的定位装置及方法。

背景技术

[0002] 集成电路是电子设备的核心，其可靠性将直接影响设备的安全性和使用寿命。失效分析作为集成电路可靠性保证体系的重要组成部分，主要包括以下几个过程：失效模式
验证，故障点定位，故障物理特性分析及其成因分析。其中，故障点定位是指通过一系列的
技术和方法从集成电路内部数以万计的元器件中精确地定位失效的元器件或者失效点位
置，在整个失效分析过程中起着决定性的作用，处于核心地位。

[0003] 硬缺陷故障点定位过程中采用的定位技术通常可以概括为两类：动态定位技术和静态定位技术。(专利号US7616312B2，美国专利，Apparatus and method for probing 
integrated circuits using laser illumination)中提出了两种动态定位技术：激光电
压探针技术(Laser Voltage Probing,LVP)和激光电压成像技术(Laser Voltage 
Imaging,LVI)，这两种技术可从集成电路的背面非接触式地对集成电路的内部MOS晶体管
或节点进行功能性测试。LVP和LVI的基本原理是半导体器件内部的自由载流子折射效应，
定位过程中芯片处于动态工作模式，激光穿过芯片背部的硅衬底聚焦在有源区，芯片内部
载流子浓度的变化导致半导体材料的折射率发生变化从而改变入射激光的相位。激光被芯
片正面的金属布线反射通过干涉手段将反射光的相位变化转变为光强变化，LVP和LVI分别
从时域和频域分析反射光信号，两种手段互补，从而定位故障点的位置。但是由于激光在被
测器件背部的硅衬底和空气的交界面也会发生反射，这个交界面处的干涉信号和自由载流
子折射效应造成的激光相位调制干涉信号叠加在一起，会造成探测信号的信噪比下降。同
时，激光的光程也极易受空气振动和温度变化导致的半导体材料厚度变化的影响，导致干
涉信号的波动，不利于故障位置的准确定位。

[0004] 静态定位技术中常用的技术是光诱导电阻变化技术(Optical Beam Induced Resistance Change,OBIRCH)，OBIRCH的基本原理是激光的热效应，故障点定位过程中只需
给被测器件的电源两端供电，被测器件无需运转。激光加热故障区域时会引起故障区域的
电阻变化，导致被测器件的供电端电流发生变化ΔI，通过分析电流变化ΔI定位故障点位
置。但是目前OBIRCH中电流放大器的最大量程通常为mA，在一些故障模式下，OBIRCH的信号
将会发生失真，影响故障点定位的准确性。同时器件中一些小的故障点区域在激光加热时
电流变化ΔI值较小，ΔI被淹没在噪声电流中，即便OBIRCH设备中存在电流放大器，但是电
流放大器会同时将噪声电流和电流变化ΔI放大，无法将ΔI从噪声中提取出来，导致故障
点定位失败。

[0005] 此外，已有的半导体器件硬缺陷故障点定位装置中，LVP和LVI通常被集成在一起作为一个独立的半导体器件动态硬缺陷故障点定位装置。由于已有的OBIRCH光路与LVP和
LVI的光路截然不同，OBIRCH只能作为一种独立的半导体器件静态硬缺陷故障点定位装置，
缺乏一种可将LVP、LVI以及OBIRCH集成在一起实现半导体器件动态和静态硬缺陷故障点定
位互补的装置去应对绝大多数半导体器件硬缺陷失效模式。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于，为解决现有的半导体器件硬缺陷故障点定位装置存在的缺陷，本发明提供了一种新的光路，基于该光路可以实现一种包含LVP、LVI以及OBIRCH这三种
功能的半导体器件硬缺陷故障点定位装置，实现半导体器件动态和静态硬缺陷故障点定位
的互补。本发明装置中LVP和LVI的基本原理是半导体器件内部的自由载流子吸收效应，非
相干聚焦在被测器件的有源区，通过直接探测反射光的强度变化定位故障点的位置，无需
干涉手段，从而消除了已有的定位手段中硅衬底和空气界面处的反射光干涉以及外界扰动
造成的光程变化对信号探测的影响，提高了硬缺陷故障点定位的准确性。

[0007] 本发明还将频域分析技术引入OBIRCH中，通过频域分析，将淹没在噪声中的电流信号提取出来。装置中激光光源的出射光强被周期性地调制，被调制的激光加热缺陷点时
会引起被测器件供电端的电流周期性地变化。被测器件供电线路上的串联电阻将这种周期
性地电流变化转变为电阻两端的电压变化。通过对串联电阻两端的电压信号进行傅里叶变
换，在频域中将噪声电压信号与有用信号电压分离开提高信噪比，从而提取出淹没在噪声
中的信号，提高OBIRCH硬缺陷故障点定位的准确性。此外，串联电阻还会降低供电电路中的
电流，使电路中的电流不至于太大而产生信号失真。根据上述技术目的，本发明提供了一种
用于检测半导体器件硬缺陷的故障点定位装置，包括：

[0008] 光源模块，用于产生非相干光；

[0009] 光学模块，与光源模块连接，用于传输非相干光，并接收从被测器件内部反射回来的非相干光；

[0010] 物镜，设置在光学模块与被测器件之间，用于将非相干光聚焦在被测器件的内部，并将反射光信号传输到光学模块；

[0011] 信号提取系统，与光学模块连接，用于将反射光信号转换为电信号，并提取电信号的时域信号或频域信号；

[0012] 三维移动台，用于固定并移动被测器件；

[0013] 移动台控制箱，与三维移动台连接，用于控制三维移动台；

[0014] 控制计算机，分别与光源模块、移动台控制箱、光学模块、信号提取系统连接，控制故障点定位装置进行工作。

[0015] 优选地，光源模块包括，

[0016] 非相干光源，用于获得波长大于1100nm的非相干光；

[0017] 调制模块，分别与非相干光源、控制计算机连接，用于调制非相干光的光强。

[0018] 优选地，信号提取系统包括，

[0019] 光电探测器，与光学模块连接，用于将反射光信号转变为电信号；

[0020] 放大器，与光电探测器连接，用于放大电信号；

[0021] 隔直器，与放大器连接，用于隔离掉电信号中无用的大的直流背景分量，输出交流信号；

[0022] 信号提取器，与隔直器连接，用于提取电信号的时域信号或频域信号，其中，信号提取器为频谱分析仪或示波器。

[0023] 优选地，光学模块包括，光隔离器，第一偏振分束棱镜，空间滤波系统，第二偏振分束棱镜，法拉第旋光器，半透半反镜，聚焦透镜；

[0024] 光隔离器通过第一偏振分束棱镜与空间滤波系统连接；

[0025] 空间滤波系统通过第二偏振分束棱镜分别与法拉第旋光器、聚焦透镜连接；

[0026] 法拉第旋光器与半透半反镜连接；

[0027] 聚焦透镜与光电探测器连接。

[0028] 优选地，光学模块还包括红外成像单元，红外成像单元用于获得被测器件的内部红外版图；

[0029] 红外成像单元包括分束镜、红外照明光源、成像透镜、红外相机；

[0030] 分束镜分别与红外照明光源、成像透镜、半透半反镜连接；

[0031] 成像透镜与红外相机连接。

[0032] 优选地，故障点定位装置还包括，

[0033] 测试机，用于为被测器件提供周期性驱动信号；

[0034] 恒压源，用于为被测器件提供恒定电压。

[0035] 优选地，光电探测器为PIN二极管、雪崩光电二极管其中的一种；

[0036] 放大器为跨阻放大器。

[0037] 一种用于检测半导体器件硬缺陷故障点的定位方法，包括以下步骤：

[0038] 采集物镜焦点处的被测器件的红外显微图像,记录红外显微图像对应的物镜的焦点坐标，对被测器件遍历扫描后生成被测器件的整体红外显微图像；

[0039] 被测器件被驱动信号驱动，采集每个坐标点的频率信号强度，获得被测器件的频率强度分布图；

[0040] 通过将被测器件的整体红外显微图像和被测器件的频率强度分布图进行叠加，获得被测器件的信号强度分布图，其中信号强度分布图为被测器件的特定工作频率强度分布
图或电流频率强度分布图；

[0041] 基于信号强度分布图，获得被测器件5上硬缺陷故障点的位置。

[0042] 优选地，在采集被测器件的驱动信号频率强度的过程中，

[0043] 通过周期性驱动信号对被测器件进行驱动，采集被测器件内部的频率信号强度，获得驱动信号频率强度分布图；

[0044] 通过将红外显微图像和驱动信号频率强度分布图进行叠加，获得被测器件的特定工作频率强度分布图；

[0045] 基于特定工作频率强度分布图，通过分析图中各点信号强度的大小并提取时域波形信号，获得被测器件的硬缺陷故障点的位置。

[0046] 优选地，在采集被测器件的电流频率信号强度的过程中，

[0047] 通过恒定电压对被测器件进行供电，周期性地调制激光光强，采集被测器件的被扰动的电流信号强度，获得电流扰动信号频率强度分布图；

[0048] 通过将红外显微图像和电流扰动信号频率强度分布图叠加，获得被测器件的电流频率强度分布图；

[0049] 基于电流频率强度分布图，通过图中各点信号强度的大小，获得被测器件的硬缺陷故障点的位置。

[0050] 本发明公开了以下技术效果：

[0051] 本发明提供的技术方案可对Flip‑Chip封装的集成电路进行故障点定位以及集成电路内部的扫描链电路全功能的故障点定位，同时适用于短路、漏电、观察微小失效如晶体
管击穿、铝硅互熔短路和介质层裂纹这几种失效模式，定位准确，为集成电路的故障检测提
供了技术思路。

附图说明

[0052] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还根据这些附图获得其
他的附图。

[0053] 图1为本发明实施例所述的半导体器件硬缺陷故障点定位装置示意图；

[0054] 图2为本发明实施例所述的动态硬缺陷故障点定位示意图；

[0055] 图3为本发明实施例所述的静态硬缺陷故障点定位示意图；

[0056] 图4为本发明实施例所述的光路示意图；

[0057] 其中，1为非相干光源，2为调制模块，3为光学模块，4为物镜，5为被测器件，6为三维移动台，7为测试机，8为恒压源，9为光电探测器，10为放大器，11为隔直器，12为信号提取
器，13为控制计算机，14为移动台控制箱。

具体实施方式

[0058] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本
发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实
施例，都属于本发明保护的范围。

[0059] 如图1‑4所示，本发明提供了一种用于检测半导体器件硬缺陷故障点的定位装置，包括：

[0060] 光源模块，用于产生非相干光；

[0061] 光学模块3，与光源模块连接，用于传输非相干光，并接收从被测器件内部反射回来的非相干光；

[0062] 物镜4，设置在光学模块3与被测器件5之间，用于将非相干光聚焦在被测器件5的内部，并将反射光信号传输到光学模块3；

[0063] 信号提取系统，与光学模块3连接，用于将反射光信号转换为电信号，并提取时域电信号或频域电信号；

[0064] 三维移动台6，用于固定并移动被测器件5；

[0065] 移动台控制箱14，与三维移动台6连接，用于控制三维移动台6；

[0066] 控制计算机13，分别与光源模块、移动台控制箱14、光学模块3、信号提取系统连接，控制故障点定位装置进行工作。

[0067] 光源模块包括，非相干非相干光源1，用于获得波长大于1100nm的非相干光；调制模块2，分别与非相干光源1、控制计算机13连接，用于调制非相干光的光强。

[0068] 信号提取系统包括，光电探测器9，与光学模块3连接，用于将反射光信号转变为电信号；放大器10，与光电探测器9连接，用于放大电信号；隔直器11，与放大器10连接，用于隔
离掉电信号中无用的大的直流背景分量，输出交流信号；信号提取器12，与隔直器11连接，
用于提取时域电信号或频域电信号，其中，信号提取器12为频谱分析仪或示波器。

[0069] 光学模块3包括，光隔离器，第一偏振分束棱镜，空间滤波系统，第二偏振分束棱镜，法拉第旋光器，半透半反镜，聚焦透镜；光隔离器通过第一偏振分束棱镜与空间滤波系
统连接；空间滤波系统通过第二偏振分束棱镜分别与法拉第旋光器、聚焦透镜连接；法拉第
旋光器与半透半反镜连接；聚焦透镜与光电探测器9连接。

[0070] 光学模块3还包括红外成像单元，红外成像单元用于获得被测器件5的内部红外版图；红外成像单元包括分束镜、红外照明光源、成像透镜、红外相机；分束镜分别与红外照明
光源、成像透镜、半透半反镜连接；成像透镜与红外相机连接。

[0071] 故障点定位装置还包括，测试机7，用于为被测器件5提供周期性的驱动信号；恒压源8，用于为被测器件5提供恒定电压。

[0072] 光电探测器9为PIN二极管、雪崩光电二极管其中的一种；放大器10为跨阻放大器。

[0073] 一种用于检测半导体器件硬缺陷故障点的定位方法，包括，

[0074] 采集物镜4焦点处的被测器件5的红外显微图像,记录所述红外显微图像对应的所述物镜4的焦点坐标，对所述被测器件5遍历扫描后生成所述被测器件5的整体红外显微图
像；

[0075] 被测器件5被驱动信号驱动，采集每个坐标点的频率信号强度，获得被测器件5的频率强度分布图；通过将所述被测器件5的整体红外显微图像和所述被测器件5的频率强度
分布图进行叠加，获得所述被测器件5的信号强度分布图，其中所述信号强度分布图为被测
器件的特定工作频率强度分布图或电流频率强度分布图；基于所述信号强度分布图，获得
所述被测器件5上硬缺陷故障点的位置。

[0076] 在采集所述被测器件5的所述驱动信号频率强度的过程中，通过周期性驱动信号对所述被测器件5进行驱动，采集所述被测器件5内部的频率信号强度，获得驱动信号频率
强度分布图；通过将所述红外显微图像和所述驱动信号频率强度分布图进行叠加，获得所
述被测器件5的所述特定工作频率强度分布图；基于所述特定工作频率强度分布图，通过分
析图中各点信号强度的大小并提取时域波形信号，获得所述被测器件5的所述硬缺陷故障
点的位置。

[0077] 在采集所述被测器件5的所述电流频率信号强度的过程中，通过恒定电压对所述被测器件5进行供电，周期性地调制激光光强，采集所述被测器件5的被扰动的电流信号强
度，获得电流扰动信号频率强度分布图；通过将所述红外显微图像和所述电流扰动信号频
率强度分布图叠加，获得所述被测器件5的所述电流频率强度分布图；基于所述电流频率强
度分布图，通过图中各点信号强度的大小，获得所述被测器件5的所述硬缺陷故障点的位
置。

[0078] 实施例1：本发明提供了一种半导体器件硬缺陷故障点定位的方法及装置，该装置可实现半导体器件动态和静态硬缺陷故障点定位的互补，能够很好地应对绝大多数失效模
式。动态故障点定位时，激光穿过芯片背部的硅衬底聚焦在被测器件的有源区，自由载流子
吸收效应导致入射光光强变化，LVP和LVI通过探测反射光光强变化分别从时域和频域定位
故障点位置，尤其适用于对Flip‑Chip封装的集成电路进行故障点定位以及集成电路内部
扫描链电路全功能的故障点定位；静态故障点定位时，OBIRCH焦点处的光能量部分转化为
热能，如果金属互联线存在缺陷，缺陷位置的温度将无法迅速通过金属线传导散开，这将导
致缺陷处的温度累计升高，并进一步引起金属线电阻发生改变从而导致被测器件的静态工
作电流变化，被测器件供电线上的串联电阻将这种电流变化转变为电压变化，通过对采集
到的电压信号进行傅里叶变换在频域中定位故障点位置，适用于短路、漏电、观察微小失效
如晶体管击穿、铝硅互熔短路和介质层裂纹这几种失效模式。

[0079] 一种半导体器件硬缺陷故障点动态定位方法，尤其适用于对Flip‑Chip封装的集成电路进行故障点定位以及集成电路内部扫描链电路全功能的故障点定位.该方法包括以
下步骤：

[0080] LVI确定特定频点的位置和强度分布

[0081] 红外成像单元中的红外显微成像光源发出的光被物镜聚焦在被测器件的有源区，三维移动台6移动被测器件实现成像光对被测器件5的遍历扫描，移动过程中红外成像单元
中的红外相机生成每个聚焦点的红外显微图像并将其发送到控制计算机13中存储起来，同
时移动台控制箱14也将每个焦点处的坐标信息发送到控制计算机13中存储起来，存储的红
外显微图像和坐标信息一一对应。被测器件5遍历扫描完成后，控制计算机13根据内部存储
的每个坐标点的红外显微图像和坐标信息生成整个被测器件的红外显微图像并存储起来，
同时将三维移动台6恢复到最初的扫描位置。测试机7发送周期性驱动信号重复驱动被测器
件5，LVI模式下测试机7不发送时钟信号到信号提取器12。信号提取器12由控制计算机13直
接控制，LVI模式下信号提取器12处为频谱分析仪，频谱分析仪的响应频率被设置成与被测
器件5驱动信号相同的频率。控制计算机13控制三维移动台6移动被测器件5实现聚焦光对
被测器件5的遍历扫描，移动过程中频谱分析仪将每个焦点处的频率信号强度发送到控制
计算机13中存储下来，存储时通过不同的颜色表征不同的信号强度，同时移动台控制箱14
也将每个焦点处的坐标信息发送到控制计算机13中存储起来，这时每个焦点处的频率信号
强度和坐标信息将一一对应。扫描完成后，控制计算机13根据每个坐标点处的频率信号强
度信息和坐标信息生成被测器件5的驱动信号频率强度分布图。随后控制计算机13将整个
被测器件5的红外显微图像和频率强度分布图叠加在一起，生成被测器件5的特定工作频率
强度分布图。测试得到的特定工作频率强度分布图中包含器件的版图信息、版图中每个位
置处特定工作频率的信号强度以及坐标位置信息。

[0082] LVP探测频点时域波形定位故障点位置

[0083] 控制计算机13控制三维移动台6移动被测器件5将光聚焦到信号探测目标区域，测试机7发送周期性驱动信号重复驱动被测器件5，同时向信号提取器12发送时钟信号用于同
步信号提取器12，该模式下信号提取器12处为示波器，示波器对采集到的波形进行多次平
均消除噪声提高信噪比从而提取出时域信号波形。示波器输出的波形信号发送到控制计算
机13中，操作者通过分析波形准确定位被测器件5中的故障点位置。

[0084] 一种半导体器件硬缺陷故障点静态定位方法，适用于短路、漏电、观察微小失效如晶体管击穿、铝硅互熔短路和介质层裂纹这几种失效模式。该方法包括以下步骤：

[0085] 红外成像单元中的红外显微成像光源发出的光被物镜聚焦在被测器件5的内部，三维移动台6移动被测器件5实现成像光对被测器件5的遍历扫描，移动过程中变换成像系
统中的红外相机生成每个聚焦点的红外显微图像并将其发送到控制计算机13中存储起来，
同时移动台控制箱14也将每个焦点处的坐标信息发送到控制计算机13中存储起来，存储的
红外显微图像和坐标信息一一对应。被测器件5遍历扫描完成后，控制计算机13根据内部存
储的每个坐标点的红外显微图像和坐标信息生成整个被测器件5的红外显微图像并存储起
来，同时将三维移动台6恢复到最初的扫描位置。光源发出的光被调制模块2调制成光强以
一定频率变化占空比50％的光输出，经物镜聚焦在被测器件5的金属布线层。控制计算机13
发送控制信号到偏振分束棱镜控制器将第二偏振分束棱镜从光路中移出。

[0086] 恒压源8以恒定电压给被测器件5供电，供电线路上有一串联电阻，串联电阻两端的电压信号被传输到信号提取器12，信号提取器12由控制计算机13直接控制，该模式下的
信号提取器12为频谱分析仪，频谱分析仪的响应频率被设置为调制模块2对光源的调制频
率。三维移动台6移动被测器件5实现聚焦光对被测器件5的遍历扫描，移动过程中频谱分析
仪将每个焦点处的频率信号强度发送到控制计算机13中存储下来，通过不同的颜色表征不
同的信号强度，同时移动台控制箱14也将每个焦点处的坐标信息发送到控制计算机13中存
储起来，每个焦点处的频率信号强度和坐标信息一一对应。扫描完成后，控制计算机13根据
每个焦点处的频率信号强度信息和坐标信息生成光调制频率的频率强度分布图。控制计算
机13将被测器件5的红外显微图像和频率强度分布图叠加在一起，生成被测器件5被调制光
扰动时电流频率强度分布图。电流频率强度分布图中包含器件的版图信息、版图中每点对
应的扰动电压信号强度和坐标位置信息。通过分析频率强度分布图确定缺陷位置。

[0087] 图1是本发明一个实施例的半导体器件硬缺陷故障点定位装置示意图。光源是非相干光源1，如超辐射发光二极管，提供系统所需的非相干光。非相干光源1的波长采用＞
1100nm的非侵入性波长。非相干光源1发出的光经自由空间光路/保偏光纤传输到调制模块
2，调制模块2由控制计算机13控制。当使用LVP和LVI进行动态故障点定位时，调制模块2不
工作，光直接透过调制模块2到达光学模块3。当使用OBIRCH进行静态故障点定位时，控制计
算机13控制调制模块2将非相干光源1输入的光调制成光强以一定频率变化占空比50％的
光输出。调制模块2输出的光经自由空间光路/保偏光纤传输到光学模块3。光学模块3包含
变换成像系统和偏振分束棱镜控制器。变换成像系统用于调控入射光并将光聚焦在被测器
件5的有源区同时对被测器件5的内部版图进行红外成像。系统中光的聚焦是通过物镜4实
现的，物镜可选择气隙透镜、液体浸没透镜或固体浸没透镜。偏振分束棱镜控制器由控制计
算机13控制，当我们使用系统的OBIRCH功能时，偏振分束棱镜控制器将偏振分束棱镜移出
光路，此时将不再有光进入光电探测器9中。当我们使用系统的LVP和LVI功能时，偏振分束
棱镜控制器将偏振分束棱镜移入光路，从被测器件5反射回来的光被偏振分束棱镜全部反
射通过自由光路/光纤到达光电探测器9，光电探测器可以是任何常规的光探测器，例如PIN
二极管、雪崩光电二极管(APD)等。放大器10(例如，跨阻放大器)放大来自光电探测器9的输
入信号，同时将其输出信号发送到隔直器11，隔直器11可以隔离掉信号中无用的大的直流
背景分量，仅输出交流信号到信号提取器12。信号提取器12可选择频谱分析仪或者示波器，
信号提取器12被控制计算机13控制，信号提取器12处理后的信号被发送到控制计算机13用
于操作者分析。控制计算机13提供一个简单可编程的操作界面，便于操作者更好地控制整
个装置。

[0088] 图1装置中有两种工作模式：动态硬缺陷故障点定位模式和静态硬缺陷故障点定位模式。当使用动态硬缺陷故障点定位模式时，需使用系统的LVI和LVP功能，不使用OBIRCH
功能。动态硬缺陷故障点定位时首先使用LVI确定特定频点的位置和强度分布。变换成像系
统中的红外显微成像光源发出的光被物镜4聚焦在被测器件5的有源区，三维移动台6移动
被测器件5实现成像光对被测器件5的遍历扫描，移动过程中变换成像系统中的红外相机生
成每个聚焦点的红外显微图像并将其发送到控制计算机13中存储起来，同时移动台控制箱
14也将每个焦点处的坐标信息发送到控制计算机13中存储起来，存储的红外显微图像和坐
标信息一一对应。被测器件5遍历扫描完成后，控制计算机13根据内部存储的每个坐标点的
红外显微图像和坐标信息生成整个被测器件的红外显微图像并存储起来，同时将三维移动
台6恢复到最初的扫描位置。测试机7发送周期性驱动信号重复驱动被测器件5，LVI模式下
测试机7不发送时钟信号到信号提取器12。信号提取器12由控制计算机13直接控制，LVI模
式下信号提取器12处使用频谱分析仪，频谱分析仪的响应频率被设置成与被测器件5的驱
动信号相同的频率。控制计算机13控制三维移动台6移动被测器件5实现聚焦光对被测器件
5的遍历扫描，移动过程中频谱分析仪将每个焦点处的频率信号强度发送到控制计算机13
中存储下来，存储时通过不同的颜色表征不同的信号强度，同时移动台控制箱14也将每个
焦点处的坐标信息发送到控制计算机13中存储起来，这时每个焦点处的频率信号强度和坐
标信息将一一对应。扫描完成后，控制计算机13根据每个坐标点处的频率信号强度信息和
坐标信息生成被测器件5的驱动信号频率强度分布图。随后控制计算机13将整个被测器件5
的红外显微图像和频率强度分布图叠加在一起，生成被测器件5的特定工作频率强度分布
图。测试得到的频率强度分布图中包含器件的版图信息、版图中每点对应的特定工作频率
的信号强度和坐标位置信息。

[0089] 在获取被测器件5的特定工作频率强度分布图后，通过系统的LVP功能分析每个频率点的时域波形，进一步确定被测器件5中缺陷点的位置。控制计算机13控制三维移动台6
移动被测器件5从而将光聚焦到信号探测目标区域，测试机7发送周期性驱动信号重复驱动
被测器件5，同时向信号提取器12发送时钟信号用于同步信号提取器12，该模式下信号提取
器12使用示波器，示波器对采集到的波形进行多次平均消除噪声提高信噪比。示波器输出
的波形信号发送到控制计算机13中，操作者通过分析波形准确定位被测器件5中的故障点
位置。

[0090] 当使用静态硬缺陷故障点定位模式时，只使用系统的OBIRCH功能。变换成像系统中的红外显微成像光源发出的光被物镜4聚焦在被测器件5的内部，三维移动台6移动被测
器件5实现成像光对被测器件的5遍历扫描，移动过程中变换成像系统中的红外相机生成每
个聚焦点的红外显微图像并将其发送到控制计算机13中存储起来，同时移动台控制箱14也
将每个焦点处的坐标信息发送到控制计算机13中存储起来，存储的红外显微图像和坐标信
息一一对应。被测器件5遍历扫描完成后，控制计算机13根据内部存储的每个坐标点的红外
显微图像和坐标信息生成整个被测器件5的红外显微图像并存储起来，同时将三维移动台6
恢复到最初的扫描位置。非相干光源1发出的光被调制模块2调制成光强以一定频率变化占
空比50％的光输出，经物镜4聚焦在被测器件5的金属布线层。控制计算机13发送控制信号
到偏振分束棱镜控制器将偏振分束棱镜从光路中移出。恒压源8以恒定电压给被测器件5供
电，供电线路上有一串联电阻，串联电阻两端的电压信号被传输到信号提取器12，信号提取
器12由控制计算机13直接控制，该模式下信号提取器12处使用频谱分析仪，频谱分析仪的
响应频率被设置为调制模块2对非相干光源1的调制频率。三维移动台6移动被测器件5实现
聚焦光对被测器件5的遍历扫描，移动过程中频谱分析仪将每个焦点处的频率信号强度发
送到控制计算机13中存储下来，通过不同的颜色表征不同的信号强度，同时移动台控制箱
14也将每个焦点处的坐标信息发送到控制计算机13中存储起来，每个焦点处的频率信号强
度和坐标信息一一对应。扫描完成后，控制计算机13根据每个焦点处的频率信号强度信息
和坐标信息生成光调制频率的频率强度分布图。控制计算机13将被测器件5的红外显微图
像和频率强度分布图叠加在一起，生成被测器件5被调制光扰动时电流频率强度分布图。电
流频率强度分布图中包含器件的版图信息、版图中每点对应的扰动电压信号强度和坐标位
置信息。通过分析频率强度分布图确定硬缺陷故障点位置。

[0091] 图2是根据本发明实施例的动态硬缺陷故障点定位示意图，非相干光穿过被测器件5背部的硅衬底聚焦在有源区。来自图1中非相干光源1的光通过光学模块3和物镜4被聚
焦在被测器件5的有源区，有源区的自由载流子吸收效应在被测器件5周期性驱动信号的作
用下周期性地调制入射激光光强，调制后的激光被芯片正面的金属布线层反射原路返回，
反射光依次通过物镜4和光学模块3。反射光在光学模块3中被全部反射到光电探测器9，光
电探测器9输出强度周期性变化的电信号，即LVP/LVI信号。

[0092] 图3是根据本发明实施例的静态硬缺陷故障点定位示意图，非相干光通过被测器件5背部的硅衬底聚焦在金属互连层。来自图1中非相干光源1的非相干光被调制模块2调制
成光强以一定频率周期性变化的光，经过光学模块3和物镜4被聚焦在被测器件5的金属互
连层，焦点处的光部分能量转化为热量。如果金属互连线中存在缺陷或者空洞，这些区域附
近的热量传导不同于其他的完整区域，将引起局部温度变化，从而引起电阻值改变ΔR。恒
压源8对互连线施加恒定电压V，激光加热导致的电流变化 由于电阻R1串联在
恒压源8的供电电路上，所以电阻R1两端的电压变化 通过此关系，
将热引起的电阻变化和电阻R1两端的电压变化联系起来，这时由于光热效应引起的金属互
连线电阻周期性的变化转变为电阻R1两端的电压的周期性变化。周期性的电压变化信号Δ
V1被送到信号提取器12中，这时信号提取器12处使用频谱分析仪，时域的电压信号转变为
频域电压信号从而定位硬缺陷故障点位置。

[0093] 图4是描述根据发明实施例的光路示意图。为方便介绍整个光路原理，我们分别从动态硬缺陷故障点定位和静态硬缺陷故障点定位两个方面说明该光路系统。当装置处于动
态硬缺陷故障点定位模式即LVI和LVP时，非相干光源1发出的非相干光经过光学斩波器(图
1中的调制模块2)时全部透过，光学斩波器不工作。随后非相干光穿过光隔离器(消除光反
馈，改善信噪比)到达第一偏振分束棱镜。第一偏振分束棱镜处一部分光被反射到光功率计
中用来监视非相干光源1的输出光功率，剩余的光穿过空间滤波系统。空间滤波系统由透镜
1、针孔光阑和透镜2组成，针孔光阑位于透镜1和透镜2的焦点处，该系统可用于改善接收信
号的信噪比和缩小光斑尺寸。从空间滤波系统出射的光经过第二偏振分束棱镜(由图1中的
偏振分束棱镜控制器控制)时全部透射，法拉第旋光器将线偏振光的偏振方向旋转45度，经
过半透半反镜和物镜，穿过被测器件背面的硅衬底聚焦其内部有源区。调制后的光被被测
器件正面的金属布线反射原路返回，经过物镜、半透半反镜和法拉第旋光器后变成与入射
线偏振光偏振态垂直的线偏振光，在第二偏振分束棱镜处被全部反射，通过聚焦透镜到达
光电探测器(即图1中光电探测器9)中以探测从被测器件中反射回来光相位变化，从而确定
被测器件中的频率信号特征和时域传输波形，进而定位硬缺陷故障点位置。

[0094] 当装置处于静态硬缺陷故障点定位模式即OBIRCH时，非相干光源1发出的非相干光经过光学斩波器时被调制成光强以一定频率周期性变化的光，调制光穿过光隔离器(消
除光反馈，确保非相干光源1的光功率稳定输出)到达第一偏振分束棱镜。此时一部分光被
反射到光功率计，光功率计的输出用来监视光功率，剩余的光穿过空间滤波系统。由于
OBIRCH操作时第二偏振分束棱镜从光路中移出，因此从空间滤波系统中出射的光直接到达
法拉第旋光器，随后经过半透半反镜和物镜，穿过被测器件背面的硅衬底聚焦在金属互连
层，焦点处激光的部分能量转化为热量，引起缺陷位置的电阻变化，器件的静态工作电流改
变，从而确定硬缺陷故障点位置。

[0095] 图4中还包括用于对被测器件内部版图进行红外显微成像的成像元件，包括产生成像所需的红外成像光的红外照明光源，红外照明光源发出的光经过分束镜、半透半反镜
和物镜，穿过被测器件背面的硅衬底聚焦其内部。照明光被被测器件正面的金属布线反射，
经过物镜、半透半反镜、分束镜和成像透镜到达红外相机，形成被测器件内部的红外显微图
像。

[0096] 以上内容描述了一种半导体器件硬缺陷故障点定位的方法及装置，该装置将LVP、LVI和OBIRCH集成在一起实现了半导体器件动态和静态硬缺陷故障点定位的互补，同时针
对LVP、LVI和OBIRCH的优化设计提高了半导体器件硬缺陷故障点定位的精度。

[0097] 本发明用于Flip‑Chip封装的集成电路进行故障点定位以及集成电路内部的扫描链电路全功能的故障点定位，同时适用于短路、漏电、观察微小失效如晶体管击穿、铝硅互
熔短路和介质层裂纹这几种失效模式并且定位准确。

[0098] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第
一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0099] 最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发
明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员
在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻
易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使
相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护
范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。