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Dynamic Analysis of Tester Operated Integrated Circuits Stimulated by Infra-Red Lasers
Dynamic Analysis of Tester Operated Integrated Circuits Stimulated by Infra-Red Lasers
Kiyan, Tuba
Inst. Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien
Laser Stimulationstechniken benutzen Laserstrahlung, um die elektrischen Eigenschaften von integrierten Schaltungen zu verändern. Die Bauelemente werden von der Rückseite oder Vorderseite Pixel für Pixel bestrahlt. Die Defekte können großere elektrische Veränderungen auslösen. Zur Lokalisierung werden die elektrischen Veränderungen pro Pixel gespeichert. Das stetige Erhöhen der Taktfrequenz von integrierten Schaltkreisen kann Geschwindigkeitsfehler auslösen. Deswegen sind zeitliche Analysen von Integrierten Schaltkreisen äußerst wichtig. Die meisten Defekte können durch statische Laser-Stimulationsmethoden gefunden werden. Soft Defekt Lokalisierung und Performanz Charakterisierung jedoch können lediglich durch Dynamische Laser Stimulations- (DLS-) Methoden durchgeführt werden. DLS-Techniken ermöglichen eine zeitliche Charakterisierung von Bauelementen nach Signallaufzeit, Frequenz, Jitter und weiteren Eigenschaften. DLS benötigt eine volle Inbetriebnahme der Bauelemente. Zudem kann die Auswertung von Laser-induzierten Ausgangsignalen sehr kompliziert sein. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit ist auf die Untersuchungen durch DLS von CMOS Bauelementen, sowie Verzögerungsketten und Rasterketten gerichtet. In dieser Arbeit werden zwei verschiedene Laser Dioden, mit 1300 nm und 1064 nm Wellenlänge, in Dauerstich- und Pulsbetrieb verwendet. Je nach Wellenlänge ist die dominierende Auswirkung entweder thermisch oder photoelektrisch. Die verwendeten Bauelemente sind Teststrukturen von Infineon Technologies AG in 90nm Prozesstechnologie. Um die sehr schwachen Laufzeitänderungen von Verzögerungsketten mit hoher Auflösung zu detektieren, werden verschiedene Messaufbauten vorbereitet und verglichen bezüglich Erfassungszeit und Signalqualität. Außerdem wird demonstriert, dass beim Laser-Pulsbetrieb die im Dauerstrich-Betrieb unerwünschten Nebenwirkungen vermieden werden können. Für die zeitliche Analyse von integrierten Schaltkreisen wurde eine neue systematische Methode entwickelt. Diese benutzt das “soft fault injection” Phänomen in Scan Chain Strukturen. Der Signalzustand kann mit Laser Stimulation durch Anwendung von gepulstem Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1064 nm auf das Empfindlichste identifiziert werden. Der photoelektrischer Effekt ist auf Schaltkreiselevel simuliert und die Einwirkungen auf Signallaufzeit sind analysiert worden. Zudem wird der “soft fault injection“ Mechanismus in die Software- Ebene reproduziert und die zeitliche Empfindlichkeit von Signalen bei Laser Stimulation geprüft.
Laser stimulation techniques use laser beam to change the electrical characteristics of active devices. The devices are irradiated from the backside or the frontside pixel by pixel. The defects present in the device might cause larger electrical changes. For the defect localization, the electrical changes are correlated to the laser beam position and saved for image acquisition. High clock rates may result in speed faults in Integrated Circuits (ICs). Due to the continually increasing clock rates, timing analysis of ICs is crucial. Most of the defects can be found by static laser stimulation techniques. On the other hand, soft defect localization and performance characterizations can only be obtained by dynamic laser stimulation (DLS) methods. DLS techniques allow timing analysis of devices, such as propagation delay, frequency, jitter etc. DLS requires full activation of the device under test (DUT). Moreover, the evaluation of the laser-induced output signals can be very hard. The scope of this work is to investigate the CMOS devices, like delay chains and scan chains by DLS techniques. In this work, two different laser diodes, with 1064 nm and 1300 nm laser wavelength, are utilized in continuous wave (CW) and pulsed mode. Depending on the wavelength, the dominant effect is either thermal or photoelectric. The investigated devices are produced in 90 nm process technology and provided by Infineon AG. In order to detect very small laser-induced propagation delay variations with high resolution on the delay chains, different experimental setups are built and they are compared considering the acquisition time and signal quality. Moreover, it is demonstrated that the pulsed laser can suppress the laser induced secondary effects in opposition to the CW laser. For the timing analysis of ICs, a new and systematic method is developed, which uses “soft fault injection” phenomenon on the scan chains. It can identify the most sensitive signal condition to the laser stimulation by using 1064 nm pulsed laser beam. The photoelectric effect is simulated in circuit level and the effects on the propagation delay of a delay chain are analyzed. In addition to that, soft fault injection mechanism in software level reproduced and the timing sensitivity of the signals on the laser stimulation is proved.
