[논문 리뷰] Three-dimensional imaging of integrated-circuit activity using quantum defects in diamond

Marwa Garsi, Rainer Stöhr외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 22.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 73인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다층형 집적회로에서 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 이용해 비침습적이고 3차원적 전류 밀도 영상 기록을 구현한다. 실온에서 마이크로미터 이하의 전류 흐름이 생성하는 오어스테드 자기장을 감지함으로써, 이 방법은 마이크로미터 이하의 공간 해상도와 약 10 μA/μm² 수준의 감도를 달성하며, 3차원 전류 성분의 재구성과 칩의 각 층을 관통하는 비정상적인 전류 흐름의 국소화를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 비침습적 전류 영상 기술이 2차원 공간 맵핑에 국한되어 있는 한계를 극복하기 위해.
• 나노스케일 해상도로 다층형 집적회로 내 전류 밀도의 3차원 시각화를 가능하게 하기 위해.
• 개발 이전의 반도체 칩에서 전류 흐름을 실온에서 비파괴적으로 탐측할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 3D IC의 다양한 층을 관통하는 전류 분포를 국소화하고 비정상적인 전류 행동을 탐지하기 위해.
• 다음 세대 나노스케일 전자 장치의 실패 분석 및 최적화를 위한 양자 센싱의 발전을 위해.

제안 방법

• 집적회로 내 전류 흐름이 생성하는 자기장을 감지하기 위해 다이아몬드 내 浅층 질소빈자리(NV) 중심을 나노스케일 자장계로 활용.
• 532 nm 레이저 조명과 마이크로파 조사로 광학적으로 탐지된 자기공명(ODMR)을 유도하기 위해 광역 영역 영상 촬영 기술을 적용.
• 50× 목표렌즈(NA 0.95)와 CCD 카메라를 갖춘 맞춤형 형광 현미경을 구축하여 NV 중심의 형광을 기록.
• NV 중심의 스핀 상태의 degeneracy를 해소하기 위해 약 5.5 mT의 외부 자기장을 적용하여 자기장의 3개 성분을 모두 감지 가능하게 함.
• Oersted 자기장이 전류가 흐르는 도체와의 제이만 상호작용으로 인해 발생하는 공명 주파수 이격을 측정하기 위해 ODMR 분광법을 적용.
• 최소한의 간격을 확보하기 위해, 표면 근처에 NV 중심이 존재하는 1–2 μm 두께의 다이아몬드 판을 자외선 경화성 접착제로 IC에 직접 부착함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드 내 NV 중심이 다층형 집적회로에서 비침습적이고 3차원적 전류 밀도 맵핑을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 실온에서 비파괴적인 환경에서 NV 기반 자장 측정법으로 최소로 감지 가능한 전류 밀도는 얼마인가?
• RQ3 이 방법은 3D IC의 다양한 층을 관통하는 전류 흐름을 구분하고 비정상적인 전류 경로를 식별할 수 있는가?
• RQ4 분리 시퀀스와 재료 최적화를 통해 공간 해상도와 감도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 이 기술은 실제 기술적으로 관련된 칩에서 마이크로미터 이하 해상도로 정량적인 3차원 전류 밀도 재구성을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 실온에서 약 10 μA/μm²의 감도로 전류 밀도 성분의 3차원 재구성을 달성하였다.
• 광역 영역 형광 현미경과 ODMR 감지를 통해 약 192 nm의 효과적 픽셀 크기로 마이크로미터 이하의 공간 해상도를 입증하였다.
• 다층형 IC의 여러 층을 관통하는 전류 국소화가 성공적으로 수행되었으며, 서로 다른 금속 층에서 별개의 전류 경로가 드러났다.
• 칩의 특정 영역에서 비정상적인 전류 흐름이 관측되어 장치 결함이나 균일하지 않은 전류 분포의 가능성을 시사하였다.
• 보호 코ating을 관통하여 전류가 흐르는 도체에서 발생하는 오어스테드 자기장을 탐지함으로써 비침습적 작동의 가능성을 확인하였다.
• 향후 동적 분리 시퀀스와 최적화된 NV 중심을 활용하면 감도를 나노암페어(nA) 수준으로 낮추고 마이크로미터 이하 해상도를 확보할 수 있을 것으로 기대된다.