失效分析系列之—熱點定位

失效分析（Failure analysis）的作用是針對異常芯片（電性/可靠性測試異常）進行失效點定位，并結(jié)合芯片的原始設(shè)計情況判斷芯片失效的機理。失效分析需要全面的知識，比如電子、工藝、結(jié)構(gòu)、材料、理化等很多方面都會涉及到。失效定位在不破壞樣品或者部分破壞樣品的情況下，定位出失效問題的物理位置。

熱點定位的原理依據(jù)，激光作用于半導(dǎo)體材料時，會產(chǎn)生兩種效應(yīng)，一種是熱效應(yīng)（熱輻射），另一種是光生載流子效應(yīng)（光子輻射)。（1）如果激光波長的能量小于半導(dǎo)體能帶，半導(dǎo)體僅僅發(fā)生熱效應(yīng)；（2）當(dāng)大于或接近半導(dǎo)體能帶時，會產(chǎn)生熱和光生載流子，且載流子占主導(dǎo)作用。光子輻射和熱輻射均能導(dǎo)致半導(dǎo)體電阻發(fā)生變化或者產(chǎn)生電流。

（1）OBIRCH（Optical Beam Induced Resistance Change）即光束誘導(dǎo)電阻變化，是先進制程里最有效的定位方法，通過用高度聚焦的激光掃描通過加電壓芯片的表面，可以找到短路/漏電的故障點。高度聚焦的激光會在聚焦的區(qū)域內(nèi)造成局部溫度上升，從而造成電阻變化，最后導(dǎo)致外加電壓或電流的變化。激光掃描的方法有兩種激光波段1340nm和1064nm，可以適用于硅片和III-V族器件的正面和背面分析。

OBIRCH正是基于半導(dǎo)體的熱效應(yīng)的新型高分辨率微觀缺陷定位技術(shù)，該技術(shù)依托于背面光發(fā)射顯微鏡，可以在大范圍內(nèi)準確并迅速定位集成電路中的微小失效點，并通過后續(xù)的去層處理、電鏡掃描和光學(xué)顯微鏡觀察，對缺陷進行界定，找出失效機理并進行根因分析，因而在器件和集成電路失效分析中得到廣泛應(yīng)用。它具有迅速（只需通過一次成像就能檢查復(fù)雜集成電路的發(fā)光）、通用（能與測試儀相連）、潔凈（不需薄膜）、簡單（與探針無相互作用，不會人為產(chǎn)生問題）、靈敏（漏電流可以小至uA量級）等優(yōu)點。

OBIRCH能快速準確的進行IC中元件的短路、布線和通孔互聯(lián)中的空洞、金屬中的硅沉積等缺陷。其工作原理是利用激光束在恒定電壓下的器件表面進行掃描，激光束部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，如果金屬互聯(lián)線存在缺陷，缺陷處溫度將無法迅速通過金屬線傳導(dǎo)散開，這將導(dǎo)致缺陷處溫度累計升高，并進一步引起金屬線電阻以及電流變化，通過變化區(qū)域與激光束掃描位置的對應(yīng)，定位缺陷位置。OBIRCH模式具有高分辨能力，其測試精度可達nA級。

應(yīng)用范圍：

常用于芯片內(nèi)部電阻異常及電路漏電路徑分析。

1.可快速對電路中缺陷定位，金屬線/Poly/Well短路（Metal Short/Metal Bridge）。

2.閘極氧化層漏電，金屬導(dǎo)通孔/接觸孔阻值異常任何有材質(zhì)或厚度不一樣的Short/Bridge/Leakage/High Resistance。

3.利用鐳射激光穿透芯片背面晶背（Si或者GaAs）進行表面檢查。

4.高級PCB上的金屬走線失效缺陷的定位等的芯片失效情況。

此外還包括以下缺陷類型的定位：

• IDDQ (Idd guiescent current)靜態(tài)電流故障分析

• 偵測金屬線內(nèi)的缺陷(空洞，矽瘤Silicon Nodules)

• 偵測金屬接觸孔的阻值異常(via, contact的接觸不良或漏電特性皆可偵測到)

• Metal或poly的橋接

• 線路或元件的燒毀

• 閘極氧化層漏電

• ESD/Latch-up故障分析

• P-N接面漏電或崩潰

• 操作中的元件，如電晶體與二極體

IC上每個點被雷射照到，阻值與電流都會有變化，而缺陷位置，電流變化一般比其他位置更明顯，影像中的點會變得更黑或更白，黑色和白色分別表示電流量減少與增加（即電阻的增加與減少），為了更明顯區(qū)分，機臺供應(yīng)商把黑白兩色設(shè)定為紅綠兩色。

紅點：表示當(dāng)Obirch laser加熱物質(zhì)時，電流變化量變大，即物質(zhì)越加熱阻值變得越低。

綠點：表示當(dāng)Obirch laser加熱物質(zhì)時，電流變化量變小，即物質(zhì)越加熱阻值變得越高。

如果Obirch找到的異常點不明顯，可以控制加大雷射的輸出功率提升溫度的變化量，或者提高輸入電壓增加電流。Obirch一般適用于DC靜態(tài)失效分析，如果引起失效的缺陷不和電源或地相連，如signal，Obirch分析所加偏置不易激勵失效線路。

（2）InGaAs EMMI： IC在通電的狀態(tài)下，MOS器件發(fā)生介質(zhì)擊穿、熱載流子注入、PN結(jié)反向漏電以及CMOS電路發(fā)生閂鎖效應(yīng)時，電子空穴對復(fù)合 (EHP-Electron Hole Pairs Recombination) 并放出光子。

EMMI detector

故障處或者非故障處都有可能放出光子。這些光子流通過收集和光增益放大，再經(jīng)過CCD光電轉(zhuǎn)化和圖像處理，得到一張發(fā)光圖，將發(fā)光圖和器件表面的光學(xué)發(fā)射像疊加，對失效點和缺陷進行定位。

歐姆特性短路、金屬互連短路、表面反型層和擴散電阻等缺陷產(chǎn)生的光輻射波長不在可見光范疇或信號太弱，一般不適用于用EMMI來定位。

(3) Lock-in Thermal: 利用高靈敏度的InSb detector 偵測IC在通電狀態(tài)下，缺陷位置產(chǎn)生出的熱輻射分布，從而定位出失效所在位置。

如果為3D封裝，異常位置在疊層die上，即使做backside處理，亮點也會被遮擋。Thermal EMMI可以利用失效點熱輻射傳導(dǎo)的相位差，預(yù)估3D封裝的失效點深度(Z軸方向)，定位是某一層die或者封裝體本身出現(xiàn)異常。

深度預(yù)估

計算過程

此外，如果樣品需要在EVB上調(diào)至某一工作狀態(tài)才會出現(xiàn)漏電流的情況，因樣品需焊接在EVB上，無法參考EMMI（InGaAs）和Obirch做backside處理，只能從正面開蓋，實驗中亮點很可能被metal層遮擋。針對IC動態(tài)工作狀態(tài)下的異常問題，用Thermal EMMI分析也較為方便。