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Optical interactions for internal signal tracking in ICs
a deeper understanding through numerical simulations, spectral investigations and specific digital & analog test structures
Vogt, Ivo
This work investigates and improves two common techniques of electronics failure analysis, (spectral) photon emission microscopy (PEM/SPEM) and electro-optical frequency mapping (EOFM). The scientific focus is set on the physical interaction between light and an active semiconductor device. Investigated test structures include 14-40nm FinFETs of several technology generations, as well as planar NAND-like structures, current mirrors, diodes and large area transistors.
The research on photon emission techniques in this thesis contains advances in FinFET failure analysis case studies, emission analysis of analog circuit elements (current mirrors), FinFET device parameter extraction and FinFET reliability assessment with SPEM. Furthermore a whole new 2d-tomography-like method for the enhancement of image quality and for dealing with difficult spectral emission patterns was developed including experimental, mathematical and physical considerations and numerical programming. Finally, all individual results are combined to assess the current status of photon emission techniques and forecast future application possibilities and limits with respect to shrinking device sizes, lower supply voltages and detector equipment.
Regarding electro-optical frequency mapping, the understanding and applicability of the technique towards complex analog devices (current mirrors) was expanded, thereby finding rules of thumb for EOFM signal courses. Similar analysis was performed on digital devices (NAND-like structures) investigating the influence of e.g. multiple devices in one laser spot. EOFM simulations in TCAD Sentaurus and measurements on a pn-junction deeply enlarge the physical knowledge about the laser-device interaction, influence of the spectral laser profile, bulk thickness, temperature, doping levels etc. and the evolution of electro-optical signals in general. These studies were accompanied by the development of a new method for self-heating detection of active semiconductor devices and new failure analysis case studies with EOFM.
Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Erforschung und Weiterentwicklung von zwei physikalischen Fehleranalysemethoden für integrierte Schaltkreise und Einzelbauelemente, der (spektralen) Photon-Emissions-Mikroskopie (PEM/SPEM) und der elektro-optischen Frequenzkartografie (EOFM). Der Fokus liegt dabei auf der Vertiefung des physikalischen Verständnisses der Wechselwirkung von Laser bzw. Licht einerseits und dem aktiven Halbleiterbauelement andererseits. Zu den experimentell untersuchten Strukturen zählen 14-40nm FinFETs verschiedener Hersteller und verschiedener Technologiegenerationen, sowie planare Baulemente z.B. verschiedene Stromspiegel, NAND-ähnliche Strukturen, Dioden und großflächige Transistoren.
Im Rahmen der Untersuchungen zur (spektralen) Photon-Emissions-Mikroskopie wurden neue Fehleranalysefallstudien an modernen FinFET Strukturen durchgeführt und somit das Repertoire dieser Methode erweitert. Außerdem wurde der Anwendungsbereich von spektraler Photon-Emission auf die Parameterextraktion und Zuverlässigkeitsuntersuchung moderner FinFETs erweitert. Die Untersuchung von verschiedenen Stromspiegeln konnte erfolgreich zum Abschluss gebracht und Daumenregeln für die Anwendung von PEM in analogen oder mixed-signal Schaltkreisen gefunden werden. Einen großen Teil stellt ebenfalls die Entwicklung einer neuen 2d-tomographieähnlichen Methode zur Verbesserung des Rausch-Signal-Verhältnisses von PEM und zum besseren Umgang mit komplizierten spektralen Emissionssignalen dar. Diese Methode wurde auf mathematischer, physikalischer und experimenteller Ebene aufwändig entwickelt und anschließend in Scilab programmiert. Als Synthese aus den erwähnten Untersuchungen wurden außerdem der aktuelle Stand und die zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten von PEM bezüglich stetig schrumpfender Technologieknotengröße, niedrigerer Betriebsspannungen und neuartiger Emissionsdetektoren analysiert.
Das Verständnis und das Anwendungsgebiet von elektro-optischen Untersuchungen an Halbleiterbauelementen konnte im Rahmen von Untersuchungen an mehreren analogen Bauelementen (Stromspiegel) deutlich erweitert werden. Es wurden zudem Daumenregeln für die in etwa zu erwartenden EOFM-Signalverläufe aufgestellt. Ähnliche Analysen an komplexeren digitalen Strukturen lieferten u.a. neue Erkenntnisse zum gleichzeitigen Einfluss mehrerer aktiver Bauelemente innerhalb des Laserspots auf das elektro-optische Signal. Mittels EOFM Simulationen in TCAD Sentaurus und experimenteller Referenzmessungen an realen pn-Übergängen konnte das physikalische Verständnis der Entstehung elektro-optischer Signale in Abhängigkeit diverser physikalischer Parameter wie spektralem Laserprofil, Substratdicke, Temperatur, Dopinglevel etc. stark erweitert werden. Außerdem konnte eine neue Methode zur Detektion von Selbstheizeffekten von aktiven Bauelementen mit Hilfe von EOFM gefunden und an Beispielen belegt werden. Darüber hinaus wurden neue Fehleranalyse-Fallstudien mittels EOFM analysiert und erfolgreich bestimmten Fehlermechanismen zugeordnet.
