[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究利用钻石中的氮-vacancy (NV) 缺陷，在室温下实现了对多层集成电路的非侵入式、三维电流密度成像。通过检测亚微米尺度电流流动产生的奥尔斯特场，该方法实现了亚微米级空间分辨率和约10 μA/μm²的灵敏度，能够重建三维电流分量，并定位芯片各层中的异常电流流动。

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.

研究动机与目标

• 克服现有非侵入式电流成像技术仅限于二维空间映射的局限性。
• 实现在纳米尺度分辨率下对多层集成电路中电流密度的三维可视化。
• 开发一种室温、非破坏性的方法，用于探测预开发半导体芯片中的电流流动。
• 定位三维IC不同层之间的电流分布，并检测异常电流行为。
• 推动量子传感在下一代纳米尺度电子器件故障分析与优化中的应用。

提出的方法

• 利用浅层氮-vacancy (NV) 缺陷作为纳米尺度磁力计，检测集成电路中电流流动产生的磁场。
• 采用532 nm激光激发和微波辐照的宽场光学显微技术，实现对NV缺陷的光学生磁共振（ODMR）检测。
• 使用自建荧光显微镜，配备50×物镜（NA 0.95）和CCD相机，记录NV缺陷的光致发光。
• 施加约5.5 mT的偏置磁场，以解除NV缺陷自旋态的简并，实现对磁场三个矢量分量的检测。
• 应用ODMR光谱技术，测量由于电流导体产生的奥尔斯特场与塞曼相互作用引起的共振频率偏移。
• 使用紫外光固化粘合剂，将1–2 μm厚的含近表面NV层的钻石片直接粘附于IC表面，确保最小距离。

实验结果

研究问题

• RQ1 钻石中的NV缺陷能否实现对多层集成电路中电流密度的非侵入式、三维映射？
• RQ2 在室温、非破坏性设置下，基于NV磁力计的检测方法可实现的最小可检测电流密度是多少？
• RQ3 该方法能否分辨三维IC中不同层的电流流动并识别异常电流路径？
• RQ4 通过使用解耦序列和材料优化，空间分辨率和灵敏度可提升到何种程度？
• RQ5 该技术能否在真实技术相关的芯片中实现亚微米分辨率的定量三维电流密度重建？

主要发现

• 该方法在室温下实现了约10 μA/μm²灵敏度的三维电流密度分量重建。
• 通过宽场荧光显微镜与ODMR检测，实现了约192 nm有效像素尺寸的亚微米级空间分辨率。
• 成功实现了对多层IC中多个层电流分布的定位，揭示了不同金属层中不同的电流路径。
• 在芯片某区域观察到异常电流流动，表明可能存在器件缺陷或电流分布不均。
• 该技术成功检测到电流导体通过保护性钝化层产生的奥尔斯特场，证实了非侵入式操作。
• 未来通过动态解耦序列和优化NV缺陷，有望将灵敏度提升至nA量级，同时保持亚微米分辨率。