WO2003052366A1 - Microscope a thermoreflectance pour la mesure de la temperature d'un circuit integre. - Google Patents
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- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
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Definitions
- Thermoreflectance microscope for measuring the temperature of an integrated circuit.
- the present invention relates to point-to-point temperature measurement of an integrated circuit, which requires, taking into account the current size of the components of such circuits, a submicron spatial resolution, of the order of 200 nm.
- thermoreflectance measurements are carried out either in the infrared domain, or in the visible. Infrared thermography is in common use but has the disadvantage of a resolution of a few micrometers. Spectroscopic methods such as the Raman effect or photoluminescence using wavelengths of the visible spectrum offer a resolution of the order of a micrometer but have the drawback of being suitable only for certain types of materials.
- thermoreflectance To access a quantitative temperature measurement by thermoreflectance, it is of course necessary to take into account the coefficient of thermoreflectance of the object observed, here circuits.
- circuits are made of different materials. For the same temperature, each of these materials delivers a different thermoreflectance signal. It is therefore generally considered necessary to carry out a calibration operation for each of the materials or stacks of materials present in the measured circuit. The simultaneous presence of dozens of materials on current circuits makes this operation long and delicate.
- the object of the invention is therefore to propose a thermoreflectance microscope for measuring the temperature of an integrated circuit which overcomes the difficulties set out above.
- thermoreflectance of a single material is measured and allows access to the temperature of the components which it covers whatever its nature.
- the passivation layer no longer has to be crossed, the measurement is carried out in a spectral range where this layer is sufficiently opaque or almost opaque, which, for the materials most used for the formation of the layers of passivation, can be a domain located in the ultraviolet.
- a second advantage is thus obtained, which is the improvement of the spatial resolution of the measurement.
- thermoreflectance microscope for measuring the temperature of integrated circuits
- a passivation layer for circuits covered with a passivation layer.
- This layer may be a layer usually used in the context of the manufacture of the integrated circuit considered or may, in certain cases, be added on purpose for carrying out the measurement.
- This microscope comprises a light source emitting in a wavelength range ( ⁇ i, ⁇ 2 ), an optical focusing system, detection means.
- the passivation layer is sufficiently opaque in the spectral domain ( ⁇ i, ⁇ 2 ).
- the microscope of the invention has the following non-limiting characteristics:
- the spectral domain ( ⁇ 1 t ⁇ 2 ) is in the ultraviolet
- the passivation layer contains silicon nitride Si 3 N 4 and the source is a source emitting in a spectral domain ( ⁇ - ⁇ , ⁇ 2 ) between 150 and 300 nm
- the passivation layer contains silica Si0 2 and the source is a source emitting in a spectral range ( ⁇ i, ⁇ 2 ) between 150 and 200 nm,
- the light source is a laser
- the detection means are single-channel detection means and the thermoreflectance microscope comprises means for moving the circuit relative to the optical focusing system, the temperature to be measured is modulated at a frequency Fi by the supply of the integrated circuit,
- the detection means are multi-channel means (camera, acquisition and processing of images),
- the detection means are heterodyne multichannel detection means (supplying the circuit at a frequency F1, from the source at F1 + f and detection frequency at least equal to 3f).
- - Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of a single-channel thermoreflectance microscope according to the invention
- - Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of a single-channel thermoreflectance microscope according to the invention
- - Figure 3 is a schematic representation of an embodiment of a single-channel thermoreflectance microscope according to the invention, in heterodyne operation;
- FIG. 4 is a schematic representation of a multi-channel thermoreflectance microscope according to the invention.
- FIG. 5 is a schematic representation of a multi-channel thermoreflectance microscope according to the invention in heterodyne operation.
- FIG. 1 represents the implementation of the invention by a point-to-point measurement and with synchronous detection.
- the integrated circuit 1 is covered with a passivation layer 2.
- An optic 4 for example and without limitation a molten silica lens, focuses this beam on a point of the passivation layer 2.
- the flux reflected by the passivation layer 2 is collected by an optic 5 which focuses it on a photodetector 6.
- the collection optic 5 can also and without limitation be a molten silica lens and the photodetector 6, a silicon photodiode.
- the integrated circuit is supplied by one or more voltages supplied by the supply 7, at least one of which is modulated at a frequency Fi and serves as a reference for synchronous detection 8 which supplies the result of the measurement to a processing unit 9
- the modulation of the voltage generates the modulation of the temperature to be measured.
- the processing unit 9 therefore collects the result of the measurement for each of the points measured and is capable, after processing, of providing a thermal image of the passivation layer and therefore in fact of the integrated circuit.
- This image has the resolution allowed by the use of an ultraviolet source and can be calibrated in temperature after a calibration of the only thermoreflectance properties of the passivation layer.
- FIG. 2 represents another embodiment of the invention implementing an illumination and collection optic constituted by an optical focusing system 10, a polarization splitter cube 11, a quarter wave plate 12 whose axes are at 45 ° from the polarization directions produced by the cube 11, and a focusing optic 13.
- the passivation layer 2 is illuminated through the focusing system 10 by polarized light and all of the light which it reflects is directed thanks to the polarization splitter cube 11 through the focusing optics 13 towards the photodetector 6.
- the assemblies of FIGS. 1 and 2 can be equipped with a fast photodetector and make it possible to work with detection frequencies ranging from hertz and which can exceed megahertz.
- FIG. 3 is a schematic representation of the implementation of the invention using an operation heterodyne and a single-channel detector
- the light source 3 is modulated at the frequency Fi + f by the power supply 14 while the integrated circuit 1 has a temperature field modulated at the frequency Fi by the power supply 7.
- the electronic system 15 makes it possible to synchronize the supply of the circuit 7 and that of the light source 14 and generates the difference frequency f which serves as a reference for the synchronous detection 8.
- Figures 4 and 5 are schematic representations of the implementation of the invention using a multi-channel detection such as that designed by some of the inventors of the present application and which has been previously fully described, for example in French patent FR-2,664,048.
- FIG. 4 is a representation of this implementation with a synchronous triggering of the camera and FIG. 5 is a representation of a heterodyne synchronous operation.
- the passivation layer 2 is illuminated by the light source 3 through the focusing system 10 by reflection on the semi-reflecting plate 16.
- a camera 17 receives the image of the passivation layer 2 through the focusing system 10. According to the provisions of the patent mentioned above, this camera 17 acquires images at a frequency multiple of the frequency of modulation of the temperature of the circuit integrated 1 and the passivation layer 2 produced by the power supply 7 of the integrated circuit.
- the camera is triggered by a synchronization system 18 working at a frequency greater than or equal to 3 Fi and preferably equal to 4 Fi.
- An image acquisition and processing unit 19 then supplies the thermal image of the passivation layer 2 and thereby of the integrated circuit 1.
- the light source 3 is modulated at the frequency Fi + f by the power supply 14 while the integrated circuit 1 has a temperature field modulated at the frequency Fi, thanks to the power supply 7.
- the electrical system 15 makes it possible to synchronize the power supply of circuit 7 and that of light source 14 and generates the difference frequency f which is multiplied by an integer greater than or equal to 3 and preferably equal to 4, said frequency obtained being used to trigger the camera 17.
- the methods described in FIGS. 1, 2 and 4 allow measurement or imaging of slower thermal phenomena than the sensors used while the methods described in FIGS. 3 and 5 allow measurement or imaging of phenomena faster than the sensors used, whatever their slowness compared to the measured or imagined thermal phenomena.
- thermoreflectance measurement is therefore obtained with the spatial precision permitted by the ultraviolet sources and with extremely simple calibration operations.
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Abstract
L'invention concerne un microscope ô thermoréflectance pour la mesure de la température d'un circuit intégré (1).Ce circuit est recouvert d'une couche de passivation (2).La source lumineuse (3) émet dans un domaine de longueur d'onde (λ1, λ2), un système optique de focalisation (10) assure les conjugaisons optiques de la source et du détecteur (6) avec le circuit mesuré.Selon l'invention, la couche de passivation (2) est suffisamment opaque dans le domaine spectral (λ1, λ2). Sa température mesurée représente celle des composants qu'elle recouvre.Le domaine spectral (λ1, λ2) est avantageusement dans l'ultraviolet.
Description
Microscope à thermoréflectance pour la mesure de la température d'un circuit intégré.
La présente invention concerne la mesure de température point à point d'un circuit intégré, ce qui nécessite, compte tenu de la dimension actuelle des composants de tels circuits, une résolution spatiale submicronique, de l'ordre de 200 nm.
L'augmentation de la densité d'intégration des circuits intégrés à semiconducteur fait de échauffement et de la dissipation de la chaleur des problèmes majeurs. Des outils d'imagerie thermique à très haute résolution sont donc nécessaires pour mesurer ces échauffements et détecter les éventuels points chauds qui peuvent être des sources de défaillances. Ces outils sont utilisés aussi bien en amont, pour permettre aux concepteurs de circuits intégrés de valider leurs modèles de propagation de la chaleur à petite échelle en détectant les points chauds sur des prototypes, qu'en aval, pour permettre aux fabricants de tester ces produits, d'en évaluer la qualité et d'en prévoir les risques de défaillances.
Les mesures optiques utilisées actuellement sont effectuées soit dans le domaine infrarouge, soit dans le visible. La thermographie infrarouge est d'utilisation courante mais présente l'inconvénient d'une résolution de quelques micromètres. Les méthodes spectroscopiques telles que l'effet Raman ou la photoluminescence utilisant des longueurs d'onde du spectre visible offrent une résolution de l'ordre du micromètre mais présentent l'inconvénient de n'être adaptées qu'à certains types de matériaux. Les mesures de thermoréflectance sont fondées sur le principe suivant : lorsque la température d'une surface varie de ΔT, le coefficient de réflexion R de cette surface est modifié d'une quantité ΔR = ΔT x δR/δT. La mesure optique de ΔR et la connaissance préalable (éventuellement par étalonnage) du coefficient δR/δT permettent donc de connaître l'élévation de température ΔT. Pour accéder à une mesure quantitative de la température par thermoréflectance, il est bien entendu nécessaire de prendre en compte le coefficient de thermoréflectance de l'objet observé, ici des circuits. Or, les circuits intégrés sont constitués de différents matériaux. Pour une même température, chacun de ces matériaux délivre un signal de thermoréflectance différent. Il est donc généralement considéré comme nécessaire de procéder à une opération de calibrage pour chacun des matériaux ou empilements de
matériaux présents dans le circuit mesuré. La présence simultanée de dizaines de matériaux sur les circuits actuels rend cette opération longue et délicate.
Lors de leur fabrication, la plupart des circuits intégrés sont maintenant protégés par une couche dite de passivation ou encore d'encapsulation destinée à les protéger contre les dégradations. Cette couche est généralement transparente à la lumière visible, ce qui a permis, jusqu'à présent, de faire des mesures de thermoréflectance sur les matériaux constitutifs des circuits intégrés au travers de cette couche. On a toutefois constaté que l'épaisseur de cette couche n'est pas complètement uniforme et qu'elle induit des interférences qui modifient la réponse du matériau situé sous elle, ce qui s'avère particulièrement gênant puisque ces modifications ne sont pas uniformes sur l'ensemble de la surface du composant et/ou d'un composant à l'autre.
Le but de l'invention est donc de proposer un microscope à thermoréflectance pour la mesure de température d'un circuit intégré qui s'affranchisse des difficultés exposées plus haut.
Au lieu de considérer en effet la couche de passivation ou d'encapsulation comme une contrainte, comme un obstacle qui doit être franchi pour accéder à la mesure des matériaux qu'elle recouvre, il a été choisi d'utiliser cette couche en mesurant sa température propre qui est représentative des matériaux au contact desquels elle se trouve.
On obtient ainsi un avantage considérable en ce que la thermoréflectance d'un seul matériau est mesurée et permet d'accéder à la température des composants qu'elle recouvre quelle qu'en soit la nature. Pour ce faire, puisque la couche de passivation n'a plus à être traversée, on effectue la mesure dans un domaine spectral où cette couche est suffisamment opaque ou quasi opaque, ce qui, pour les matériaux les plus utilisés pour la formation des couches de passivation, peut être un domaine situé dans l'ultraviolet. On obtient ainsi un deuxième avantage qui est l'amélioration de la résolution spatiale de la mesure.
Ainsi, l'invention (un microscope à thermoréflectance pour la mesure de la température de circuits intégrés) s'adresse à des circuits recouverts d'une couche de passivation.
Cette couche peut être une couche habituellement utilisée dans le cadre de la fabrication du circuit intégré considéré ou peut, dans certains cas, être ajoutée à dessein pour la réalisation de la mesure.
Ce microscope comporte une source lumineuse émettant dans un domaine de longueur d'onde (λi, λ2), un système optique de focalisation, des moyens de détection.
Selon l'invention, la couche de passivation est suffisamment opaque dans le domaine spectral (λi, λ2).
Dans différents modes de réalisation susceptibles d'être combinés et présentant chacun leurs avantages spécifiques, le microscope de l'invention présente les caractéristiques non limitatives suivantes :
- le domaine spectral (λ1 t λ2) est dans l'ultraviolet, - la couche de passivation contient du nitrure de silicium Si3N4 et la source est une source émettant dans un domaine spectral (λ-ι, λ2) compris entre 150 et 300 nm,
- la couche de passivation contient de la silice Si02 et la source est une source émettant dans un domaine spectral (λi, λ2) compris entre 150 et 200 nm,
- la source lumineuse est un laser,
- les moyens de détection sont des moyens de détection monocanal et le microscope à thermoréflectance comporte des moyens de déplacement du circuit par rapport au système optique de focalisation, - la température à mesurer est modulée à une fréquence Fi par l'alimentation du circuit intégré,
- les moyens de détection sont synchrones,
- la détection synchrone a pour référence un multiple de la différence des fréquences d'alimentation de la source lumineuse et de la fréquence de modulation du circuit,
- les moyens de détection sont des moyens multicanal (caméra, acquisition et traitement des images),
- les moyens de détection sont des moyens de détection multicanal hétérodyne (alimentation du circuit à une fréquence F1 , de la source à F1 + f et fréquence de détection au moins égale à 3f).
L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation d'un microscope à thermoréflectance monocanal selon l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation d'un microscope à thermoréflectance monocanal selon l'invention ;
- la figure 3 est une représentation schématique de réalisation d'un microscope à thermoréflectance monocanal selon l'invention, en fonctionnement hétérodyne ;
- la figure 4 est une représentation schématique d'un microscope à thermoréflectance multicanal selon l'invention ;
- la figure 5 est une représentation schématique d'un microscope à thermoréflectance multicanal selon l'invention en fonctionnement hétérodyne.
Plus précisément, la figure 1 représente la mise en œuvre de l'invention par une mesure point à point et avec une détection synchrone. Le circuit intégré 1 est recouvert d'une couche de passivation 2.
La couche de passivation 2 est éclairée par une source lumineuse 3, par exemple et de manière non limitative un laser Ti : saphir émettant un faisceau centré sur une longueur d'onde λ = 750 nm, divisée par trois de sorte à obtenir un faisceau centré sur la longueur d'onde λ = 250 nm. Une optique 4, par exemple et de manière non limitative une lentille de silice fondue, focalise ce faisceau sur un point de la couche de passivation 2. Le flux réfléchi par la couche de passivation 2 est collecté par une optique 5 qui le focalise sur un photodétecteur 6. L'optique de collecte 5 peut également et de manière non limitative être une lentille de silice fondue et le photodétecteur 6, une photodiode au silicium.
Le circuit intégré est alimenté par une ou plusieurs tensions fournies par l'alimentation 7 dont l'une au moins est modulée à une fréquence Fi et sert de référence à la détection synchrone 8 qui fournit le résultat de la mesure à une unité de traitement 9. La modulation de la tension engendre la modulation de la température à mesurer. L'unité de traitement 9 recueille donc le résultat de la mesure pour chacun des points mesurés et est susceptible, après traitement, de fournir une image thermique de la couche de passivation et donc en fait du circuit intégré.
Cette image a la résolution permise par l'utilisation d'une source ultraviolette et peut être étalonnée en température après un calibrage des seules propriétés de thermoréflectance de la couche de passivation.
La figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'invention mettant en œuvre une optique d'illumination et de collecte constituée par un système optique de focalisation 10, un cube séparateur de polarisation 11, une lame quart d'onde 12 dont les axes sont à 45° des directions de polarisation produites par le cube 11 , et une optique de focalisation 13.
Ainsi, la couche de passivation 2 est éclairée au travers du système de focalisation 10 par une lumière polarisée et l'intégralité de la lumière qu'elle réfléchit est dirigée grâce au cube séparateur de polarisation 11 au travers de l'optique de focalisation 13 vers le photodétecteur 6. Les montages des figures 1 et 2 peuvent être dotés d'un photodétecteur rapide et permettent de travailler avec des fréquences de détection allant du hertz et pouvant dépasser le mégahertz. Ils permettent d'obtenir ainsi une sensibilité de la mesure sur la variation relative du coefficient de réflexion ΔR/R de l'ordre de 10"6. La figure 3 est une représentation schématique de la mise en œuvre de l'invention utilisant un fonctionnement hétérodyne et un détecteur monocanal. Dans ce cas, la source lumineuse 3 est modulée à la fréquence F-i + f par l'alimentation 14 tandis que le circuit intégré 1 présente un champ de température modulé à la fréquence Fi grâce à l'alimentation 7. Le système électronique 15 permet de synchroniser l'alimentation du circuit 7 et celle de la source lumineuse 14 et génère la fréquence différence f qui sert de référence à la détection synchrone 8.
Les figures 4 et 5 sont des représentations schématiques de la mise en œuvre de l'invention à l'aide d'une détection multicanal telle que celle conçue par certains des inventeurs de la présente demande et qui a été précédemment entièrement décrite, par exemple dans le brevet français FR-2.664.048.
La figure 4 est une représentation de cette mise en œuvre avec un déclenchement synchrone de la caméra et la figure 5 est une représentation d'un fonctionnement synchrone hétérodyne. Dans le cas de la Figure 4, la couche de passivation 2 est éclairée par la source lumineuse 3 au travers du système de focalisation 10 par réflexion sur la lame semi-réfléchissante 16.
Une caméra 17 reçoit l'image de la couche de passivation 2 au travers du système de focalisation 10. Selon les dispositions du brevet mentionné plus haut, cette caméra 17 acquiert des images à une fréquence multiple de la fréquence de modulation de la température du circuit intégré 1 et de la couche de passivation 2 produite par l'alimentation 7 du circuit intégré.
Le déclenchement de la caméra est effectué par un système de synchronisation 18 travaillant à une fréquence supérieure ou égale à 3 F-i et de préférence égale à 4 F-i.
Une unité d'acquisition et de traitement des images 19 fournit alors l'image thermique de la couche de passivation 2 et par là du circuit intégré 1.
Dans le cas de la Figure 5, la source lumineuse 3 est modulée à la fréquence F-i + f par l'alimentation 14 tandis que le circuit intégré 1 présente un champ de température modulé à la fréquence F-i, grâce à l'alimentation 7. Le système électrique 15 permet de synchroniser l'alimentation du circuit 7 et celle de la source lumineuse 14 et génère la fréquence différence f qui est multipliée par un entier supérieur ou égal à 3 et de préférence égal à 4, ladite fréquence obtenue servant à déclencher la caméra 17. Les méthodes décrites par les figures 1, 2 et 4 permettent de mesurer ou d'imager des phénomènes thermiques plus lents que les capteurs utilisés alors que les méthodes décrites par les figures 3 et 5 permettent de mesurer ou d'imager des phénomènes thermiques plus rapides que les capteurs utilisés, quelle que soit leur lenteur par rapport aux phénomènes thermiques mesurés ou imagés.
Dans les différents modes de réalisation de l'invention, on obtient donc une mesure de thermoréflectance avec la précision spatiale permise par les sources ultraviolettes et avec des opérations de calibrage extrêmement simples.
Claims
1. Microscope à thermoréflectance pour la mesure de la température d'un circuit intégré (1), ledit circuit étant recouvert d'une couche de passivation (2) comportant : - une source lumineuse (3) émettant dans un domaine de longueur d'onde (λi, λ2),
- un système optique de focalisation (4, 10),
- des moyens de détection (6, 17 ), caractérisé en ce que la couche de passivation (2) est suffisamment opaque dans le domaine spectral (λ-i, λ2).
2. Microscope à thermoréflectance pour la mesure de la température d'un circuit intégré (1) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le domaine spectral (λi, λ2) est dans l'ultraviolet.
3. Microscope à thermoréflectance pour la mesure de la température d'un circuit intégré (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche de passivation (2) contient du nitrure de silicium Si3N4 et que la source (3) est une source émettant dans un domaine spectral (λ-ι, λ2) compris entre 150 et 300 nm.
4. Microscope à thermoréflectance pour la mesure de la température d'un circuit intégré (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche de passivation (2) contient de la silice Si02 et que la source (3) est une source émettant dans un domaine spectral (λi, λ2) compris entre 150 et 200 nm.
5. Microscope à thermoréflectance pour la mesure de la température d'un circuit intégré (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source lumineuse est un laser.
6. Microscope à thermoréflectance pour la mesure de la température d'un circuit intégré (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de détection (6) sont des moyens de détection monocanal et qu'il comporte des moyens de déplacement du circuit par rapport au système optique de focalisation
(4, 10).
7. Microscope à thermoréflectance pour la mesure de la température d'un circuit intégré (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la température à mesurer est modulée à une fréquence Fi par l'alimentation (7) du circuit intégré (1).
8. Microscope à thermoréflectance pour la mesure de la température d'un circuit intégré (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de détection sont synchrones.
9. Microscope à thermoréflectance pour la mesure de la température d'un circuit intégré (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la détection synchrone (8) a pour référence un multiple de la différence des fréquences d'alimentation de la source lumineuse et de la fréquence de modulation du circuit.
10. Microscope à thermoréflectance pour la mesure de la température d'un circuit intégré (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de détection sont des moyens multicanal (caméra (17), acquisition et traitement des images 19)).
11. Microscope à thermoréflectance pour la mesure de la température d'un circuit intégré (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de détection sont des moyens de détection multicanal hétérodyne (alimentation du circuit à une fréquence F1, de la source à F1 + f et fréquence de détection au moins égale à 3 f).
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