[論文レビュー] Three-dimensional imaging of integrated-circuit activity using quantum defects in diamond

Marwa Garsi, Rainer Stöhr+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2021

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 73被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心を用いて、室温下で非破壊的かつ三次元的な電流密度イメージングを、多層型集積回路に対して実現した。微小な電流が生成するオルステッド磁界を検出することで、1μm未塔の空間分解能と約10 μA/μm²の感度を達成し、3次元的な電流成分の再構成と、チップの各層における異常電流の局在化を可能にした。

ABSTRACT

The continuous scaling of semiconductor-based technologies to micron and sub-micron regimes has resulted in higher device density and lower power dissipation. Many physical phenomena such as self-heating or current leakage become significant at such scales, and mapping current densities to reveal these features is decisive for the development of modern electronics. However, advanced non-invasive technologies either offer low sensitivity or poor spatial resolution and are limited to two-dimensional spatial mapping. Here we use near-surface nitrogen-vacancy centres in diamond to probe Oersted fields created by current flowing within a multi-layered integrated circuit in pre-development. We show the reconstruction of the three-dimensional components of the current density with a magnitude down to about $\approx 10 \, m μA / μm^2$ and sub-micron spatial resolution at room temperature. We also report the localisation of currents in different layers and observe anomalous current flow in an electronic chip. Our method provides, therefore a decisive step toward three-dimensional current mapping in technologically relevant nanoscale electronics chips.

研究の動機と目的

• 既存の非破壊的電流イメージング技術が2次元的な空間マッピングに限定されているという制限を克服すること。
• ナノスケール分解能を有する多層型集積回路における電流密度の三次元可視化を可能にすること。
• 開発段階の半導体チップにおける電流の流れを非破壊的かつ室温下でプローブする手法の開発。
• 3次元集積回路の異なる層における電流分布の局在化と、異常電流行動の検出。
• 次世代ナノスケール電子デバイスの故障解析および最適化のための量子センシングの前進。

提案手法

• 集積回路内の電流が生成する磁界を検出するために、ダイヤモンド中の浅い窒素空孔（NV）中心をナノスケール磁力計として利用すること。
• 532 nmのレーザー励起とマイクロ波照射を用いた、光学的に検出可能な磁気共鳴（ODMR）を駆動するための広視野光学顕微鏡の採用。
• NV中心からの光励起を記録するために、50×の焦点距離（NA 0.95）とCCDカメラを備えたカスタム製蛍光顕微鏡の実装。
• NV中心のスピン状態の degeneracy を解消するために、約5.5 mTのバイアス磁界を用い、磁界の3つのベクトル成分を検出可能にした。
• Oersted磁界によるゼーマン効果に起因する共鳴周波数のシフトを測定するために、ODMR分光法を適用。
• 最小限のスタンドオフ距離を確保するため、表面に近いNV層を有する1–2 μm厚のダイヤモンドプレートをUV硬化接着剤でICに直接接着。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンド中のNV中心は、多層型集積回路における非破壊的かつ三次元的な電流密度マッピングを可能にするか？
• RQ2 室温下で非破壊的セットアップにおいて、NVベースの磁力計測で検出可能な最小電流密度はどの程度か？
• RQ3 この手法は、3次元集積回路の異なる層における電流の流れを解像可能であり、異常電流パスを同定できるか？
• RQ4 デカップリングシーケンスと材料最適化を用いることで、空間分解能と感度をどの程度向上できるか？
• RQ5 この技術は、実用的な技術的関連チップにおいて、1μm未塔の分解能で定量的な3次元電流密度再構成を提供できるか？

主な発見

• 本手法は、室温下で約10 μA/μm²の感度を達成し、電流密度成分の三次元再構成に成功した。
• 広視野蛍光顕微鏡とODMR検出を用いて、192 nmの有効ピクセルサイズという1μm未塔の空間分解能を実証した。
• 多層型ICの複数の層における電流の局在化に成功し、異なる金属層における明確に異なる電流パスを明らかにした。
• チップの特定領域で異常電流の流れが観察され、デバイス欠陏または非均一な電流分布の兆候を示した。
• 保護被膜を通過しても電流が流れる導体からのオルステッド磁界を検出できたため、非破壊的動作が確認された。
• 将来の動的デカップリングシーケンスと最適化されたNV中心の適用により、感度をnAレベルまで低下させ、1μm未塔の分解能を達成できると期待される。