下载文档原格式
由版图引起的CMO S ESD保护电路失效的分析陶剑磊,方培源,王家楫(复旦大学国家微分析中心,上海200433)摘要:ES D保护电路已经成为C MOS集成电路不可或缺的组成部分,在当前C MOS IC特征尺寸进入深亚微米时代后,如何避免由ES D应力导致的保护电路的击穿已经成为C MOS IC设计过程中一个棘手的问题。
光发射显微镜利用了IC芯片失效点所产生的显微红外发光现象可以对失效部位进行定位,结合版图分析以及微分析技术,如扫描电子显微镜SE M、聚焦离子束FI B等的应用可以揭示ES D保护电路的失效原因及其机理。
通过对两个击穿失效的C MOS功率ICES D保护电路实际案例的分析和研究,提出了改进ES D保护电路版图设计的途径。
关键词:C MOS IC;静电放电;失效分析中图分类号:T N306 文献标识码:A 文章编号:10032353X(2007)1121003204Study of Layout2I nduced F ailure in ESD Protection Circuit in CMOS ICT AO Jian2lei,FANG Pei2yuan,WANGJia2ji(National Micro2Analysis Center,Fudan Univer sity,Shanghai200433,China)Abstract:ES D(electrostatic discharge)protection circuit is an indispensable part in C MOS IC.It is a hard problem to av oid over2ES D2stress2induced breakdown in the protection circuit with the deep sub2micron characteristic dimensions of C MOS IC.Photon emission microscopy(PE M)is an efficient tool to localize the y out analysis and micro2analysis methods such as scanning electron microscopy(SE M)and focused ion beam(FI B)were used to find out the cause and the m ode of the failure in ES D protection circuit.T w o cases of breakdown in ES D protection circuit in C MOS power IC were studied,and s ome methods to im prove the lay out design of ES D protection circuit were proposed.K ey w ords:C MOS IC;ES D;failure analysis1 引言静电放电(ES D)是两个靠近的带电体之间电荷再次平衡的过程,当带静电的人或物体与MOS 器件的引脚接触,并通过器件向地或者其他物体放电时,高电压及其产生的大电流可能造成器件的损伤。
芯片失效分析的原因（解决方案/常见分析手段）一般来说，芯片在研发、生产过程中出现错误是不可避免的，就如房缺补漏一样，哪里出了问题你不仅要解决问题，还要思考为什么会出现问题。
随着人们对产品质量和可靠性要求的不断提高，失效分析工作也显得越来越重要，社会的发展就是一个发现问题解决问题的过程，出现问题不可怕，但频繁出现同一类问题是非常可怕的。
本文主要探讨的就是如何进行有效的芯片失效分析的解决方案以及常见的分析手段。
失效分析失效分析是一门发展中的新兴学科，近年开始从军工向普通企业普及。
它一般根据失效模式和现象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效的机理的活动。
失效分析是确定芯片失效机理的必要手段。
失效分析为有效的故障诊断提供了必要的信息。
失效分析为设计工程师不断改进或者修复芯片的设计，使之与设计规范更加吻合提供必要的反馈信息。
失效分析可以评估不同测试向量的有效性，为生产测试提供必要的补充，为验证测试流程优化提供必要的信息基础。
失效分析基本概念1.进行失效分析往往需要进行电测量并采用先进的物理、冶金及化学的分析手段。
2.失效分析的目的是确定失效模式和失效机理，提出纠正措施，防止这种失效模式和失效机理的重复出现。
3.失效模式是指观察到的失效现象、失效形式，如开路、短路、参数漂移、功能失效等。
4.失效机理是指失效的物理化学过程，如疲劳、腐蚀和过应力等。
失效分析的意义1.失效分析是确定芯片失效机理的必要手段。
2.失效分析为有效的故障诊断提供了必要的信息。
3.失效分析为设计工程师不断改进或者修复芯片的设计，使之与设计规范更加吻合提供必要的反馈信息。
4.失效分析可以评估不同测试向量的有效性，为生产测试提供必要的补充，为验证测试流程优化提供必要的信息基础。
失效分析主要步骤和内容芯片开封：。
随着电子电器行业的不断发展，消费者水平也在不断提升，人们已经不仅仅满足于产品的外观和功能，电子电器产品的可靠性已成为产品质量的重要部分。
RTS.LTD 可靠性测试能帮助电子电器制造企业尽可能地挖掘由设计、制造或机构部件所引发的潜在性问题，在产品投产前寻找改善方法并解决问题点，为产品质量和可靠性做出必要的保证。
失效分析RTS.LTD 可靠性实验室配备了扫描电子显微镜、傅立叶转换红外光谱仪、能谱仪、切片、金相显微镜等精密设备提供失效分析，可进行切片测试、焊点拉伸强度、可焊性测试、镀层厚度测试、锡须观察、成分分析等实验。
气候环境试验RTS.LTD 环境可靠性实验室拥有一批国际、国内著名的专业环境试验设备制造商生产的气候环境试验设备，设备技术先进、性能稳定、功能齐全，可编程控制，自动绘制试验曲线。
测试项目测试范围高温室温~300 ℃低温室温~-70 ℃恒温恒湿20 ℃~ 95 ℃，20 ~ 98%RH低湿 5 ℃~ 95 ℃，5 ~ 98%RH温度/ 湿度循环-70 ℃~ 150 ℃，20 ~ 98%RH冷热冲击-65 ℃~ 150 ℃快速温变-70 ℃~ 150 ℃，25~98%RH ，≦15 ℃/min高压蒸煮105 ℃~ 142.9 ℃, 75~100%RH, 0.020~0.196Mpa盐雾中性盐雾、醋酸盐雾、铜加速醋酸盐雾气体腐蚀SO 2, H 2 S, Cl 2 , NO 2 ，NH 3臭氧测试0---500ppmUV 老化UV exposure UVA340, UVA351,UVB313太阳辐射辐照度：450W/m 2 ----1200W/m 2低气压室温~200 ℃，常压~10kPa防水滴水、摆管淋雨、喷水（IPX0~IPX8 ）防尘钢球、铰接试指、金属丝、防尘箱（IP0Y~IP6Y ）机械环境实验RTS.LTD 机械环境实验室拥有具有国际先进水平的高频振动实验系统和机械冲击实验系统，100kg 自由跌落实验台等机械环境实验设备。
芯片emmi失效分析的原理
芯片emmi失效分析的原理是通过对芯片电磁辐射进行分析，检测芯片内部故障的一种方法。
具体原理如下：
1. 芯片电磁辐射：当芯片发生故障时，电子元件之间的电流变化会产生电磁辐射，这种辐射包含了故障产生的特征信号。
2. 辐射检测：借助电磁辐射检测设备（例如电磁兼容测试仪），可以对芯片表面或周围的电磁辐射进行监测。
通过将芯片放置在电磁辐射检测设备下，可以获取与芯片故障相关的辐射信号。
3. 信号分析：采集到的辐射信号被传输到分析设备中，进行信号处理和分析。
通过对信号进行波形分析、频谱分析、相关分析等方法，可以得到与芯片故障相关的特征信息。
4. 故障诊断：通过对得到的特征信息进行诊断和解析，可以确定芯片的故障类型和位置。
例如，可以确定是否存在电源供应故障、时钟信号异常、电压异常或瞬变等。
5. 故障定位：根据诊断结果，可以对芯片进行进一步的定位，确定具体故障点所在的电子元件或电路。
通过发现故障点并进行修复，可以恢复芯片的正常工作。
总之，芯片emmi失效分析利用了故障产生的辐射信号以及相应的信号分析技术，实现了对芯片内部故障的定位和诊断。
这种方法具有非侵入性、高效性和高精度等优点，在芯片故障分析和故障排除方面具有重要应用。
常⽤失效分析⽅法整理常⽤失效分析⽅法整理 C-SAM（超声波扫描显微镜)，⽆损检测:sonix１.材料内部的晶格结构，杂质颗粒．夹杂物．沉淀物．2. 内部裂纹. 3.分层缺陷.4.空洞,⽓泡,空隙等. X－Ray⽆损检测:德国依科视朗服务介绍：X-Ray是利⽤阴极射线管产⽣⾼能量电⼦与⾦属靶撞击，在撞击过程中，因电⼦突然减速，其损失的动能会以X-Ray形式放出。
⽽对于样品⽆法以外观⽅式观测的位置，利⽤X-Ray 穿透不同密度物质后其光强度的变化，产⽣的对⽐效果可形成影像，即可显⽰出待测物的内部结构，进⽽可在不破坏待测物的情况下观察待测物内部有问题的区域。
服务范围：产品研发，样品试制，失效分析，过程监控和⼤批量产品观测服务内容：1.观测DIP、SOP、QFP、QFN、BGA、Flipchip等不同封装的半导体、电阻、电容等电⼦元器件以及⼩型PCB印刷电路板2.观测器件内部芯⽚⼤⼩、数量、叠die、绑线情况3.观测芯⽚crack、点胶不均、断线、搭线、内部⽓泡等封装缺陷，以及焊锡球冷焊、虚焊等焊接缺陷显微镜分析OM ⽆损检测:蔡司⾦相显微镜OM服务介绍：可⽤来进⾏器件外观及失效部位的表⾯形状，尺⼨，结构，缺陷等观察。
⾦相显微镜系统是将传统的光学显微镜与计算机（数码相机）通过光电转换有机的结合在⼀起，不仅可以在⽬镜上作显微观察，还能在计算机（数码相机）显⽰屏幕上观察实时动态图像，电脑型⾦相显微镜并能将所需要的图⽚进⾏编辑、保存和打印。
服务范围：可供研究单位、冶⾦、机械制造⼯⼚以及⾼等⼯业院校进⾏⾦属学与热处理、⾦属物理学、炼钢与铸造过程等⾦相试验研究之⽤服务内容：1.样品外观、形貌检测2.制备样⽚的⾦相显微分析3.各种缺陷的查找体视显微镜OM ⽆损检测:蔡司服务介绍：体视显微镜，亦称实体显微镜或解剖镜。
是⼀种具有正像⽴体感的⽬视仪器，从不同⾓度观察物体，使双眼引起⽴体感觉的双⽬显微镜。
对观察体⽆需加⼯制作，直接放⼊镜头下配合照明即可观察，成像是直⽴的，便于操作和解剖。
漏电流的伏安特征曲线在分立器件失效分析中的应用陈松;王友彬【摘要】针对半导体分立器件漏电流失效在后道封装工厂难以确定失效模式和失效机理的问题,引入漏电流的伏安特征曲线分析的方法,针对各种漏电流失效模式进行实验分析,利用漏电流特征曲线的方法将有可靠性风险的器件筛选出来.通过此方法在后道封装测试工厂大规模推广应用,大大提高了失效分析的效率和准确性,提升了产品质量,节约了成本,很好地达到了客户对产品质量和成本的期望.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2018(018)011【总页数】4页(P44-47)【关键词】特征曲线;失效分析;缺陷【作者】陈松;王友彬【作者单位】英飞凌科技(无锡)有限公司,江苏无锡214028;英飞凌科技(无锡)有限公司,江苏无锡214028【正文语种】中文【中图分类】TN3061 引言传统的分立器件封装测试领域，经过多年发展，产量越来越高。
由于人们对汽车电子等涉及安全性领域的要求越来越高，对分立器件的质量要求也越发严苛，特别是针对测试过程中关键电参数失效的过程控制越发严格，对于电参数失效特别是漏电流失效的失效机理的确认，目前最有效的方法是做全面的失效分析（FA），然而全面的失效分析由于时间太长、成本太高而无法在生产过程控制中广泛应用，但没有最终的失效模式和失效机理的确认，产品质量的提高也将是句空话。
2 分立器件漏电流的失效模式和失效机理的确立通过对大量漏电流样本的失效分析得知，半导体后道封装测试中导致半导体分立器件漏电流失效的失效机理有以下几种。
（1）芯片制成过程中造成的失效，例如晶体缺陷（如图1所示为扫描电子显微镜SEM或者发射式电子显微镜EMMI下的晶体缺陷）造成局部漏电流过大，晶体缺陷不会造成器件可靠性风险。
（2）过度掺杂（图2所示为器件横截面图）是由于掺杂过程中离子过度扩散，基极宽度变窄，导致三极管击穿电压变小，漏电流变大。
过度掺杂不会造成器件可靠性风险。
（3）封装过程中造成的缺陷，例如金（铜）线的键合过应力造成的芯片表面弹坑、碎裂，破坏了芯片绝缘层（图3所示为光学显微镜下的键合缺陷）。
EMMI 的分析原理何文豪2008,08,15故障分析的工具1. EMMI (微光顯微鏡)利用Energy偵測的方式, 找出IC故障的位置2. InGaAs(砷化鉀銦微光顯微鏡)特色: 機器較精密, 可以用更短的時間, 照到故障的異常點3. OBIRCH (雷射光束電阻異常偵測)特色: 利用雷射光束在IC表面掃描，找出連接線間的故障點造成的能量差異。
適合找出MetalMetal、Poly、Well 等Short 或是Bridge等異常4. LC (液晶熱點偵測)在IC表面塗佈液晶,利用液晶受熱特性會變化的差異,可藉由顯微鏡目視的方法,找出大電流的異常位置。
EMMI (微光顯微鏡)EMMI: EM ission Mi croscope (微光顯微鏡)原理: EMMI(微光顯微鏡)，可偵測到半導體元件中電子－電洞對再結合時所發射出來的Energy。
Energy 範圍: EMMI 機台能偵測到Energy的波長範圍約在350nm ~ 1100nm 左右。
適用領域: Gate oxide defects / Leakage、Latch up、ESD Damage、Junction Leakage 等。
操作方式:1. 做EMMI 前，一定要先確認耗電流，要有不正常的耗電流，才有照EMMI的意義。
2. 將IC 設定在Standby Mode 或是Sleep Mode 這種不耗電的工作模式。
此時故障IC的耗電，一定是發生在故障的Device 或是Junction 上。
此時使用EMMI 偵測Energy 的方式，就可找出散發Energy 的位置，即是IC 異常耗電的故障點。
3. EMMI 盡量避免操作於Operation Mode ，以免照到了正常耗電的亮點，而引起誤判。
4. 做EMMI 操作時，要確認Interface端的接線狀況，不能有不正常的Floating Input狀態，否則Input Buffer會有異常耗電。
第３８卷第２期２０１９年４月电㊀子㊀显㊀微㊀学㊀报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙＳｏｃｉｅｔｙＶｏｌ ３８ꎬＮｏ ２２０１９￣０４文章编号:１０００￣６２８１(２０１９)０２￣０１５６￣０３㊀㊀微光显微镜(ＥＭＭＩ)在器件失效分析中的应用丁鸷敏ꎬ吴照玺ꎬ段㊀超(中国空间技术研究院电子元器件可靠性中心ꎬ北京１０００９４)摘㊀要㊀㊀本文对某款模拟开关开展失效分析ꎬ在芯片表面无异常的情况下采用微光显微镜(ＥＭＭＩ)对器件内部损伤点进行准确定位ꎬ并开展静电模拟试验对失效原因进行了验证ꎮ该案例展示了ＥＭＭＩ在半导体芯片内部缺陷无损定位和分析中的作用ꎬ为半导体芯片失效分析提供技术手段ꎮ关键词㊀㊀ＥＭＭＩꎻ元器件失效分析ꎻ缺陷定位中图分类号:ＴＨ７４２ꎻＴＮ３０７㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀ｄｏｉ:１０ ３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１０００￣６２８１ ２０１９ ０２ ０１１收稿日期:２０１８－０７－１９ꎻ修订日期:２０１８－０８－１７作者简介:丁鸷敏(１９８７－)ꎬ女(汉族)ꎬ北京人ꎬ工程师.Ｅ￣ｍａｉｌ:Ｄｉｎｇｚｍ１１３０＠１６３.ｃｏｍ㊀㊀半导体芯片的内部缺陷定位是半导体芯片工艺改进和失效分析的重要技术基础ꎮ随着半导体芯片复杂程度的提升ꎬ对半导体芯片定位技术也提出了更高的要求ꎮ目前半导体芯片定位技术可分为有损和无损两大类ꎮ其中有损分析ꎬ如去层㊁纵切等ꎬ为不可逆的技术手段ꎬ且定位的效率极低ꎬ无法应用于失效分析工作中[１]ꎮ无损定位方法中常用的包括液晶定位技术㊁红外显微技术和微光显微技术(ＥＭＭＩ)ꎮ液晶定位技术的精度较差ꎬ且对芯片漏电流要求较为严苛ꎬ需要在ｍＡ级以上ꎬ操作难度大ꎬ对操作人员的要求较高[２]ꎻ红外显微技术的精度明显优于液晶定位技术ꎬ对漏电流的要求为μＡ级ꎬ但红外定位仅针对特定缺陷类型有效ꎬ对于不发热的缺陷类型则无法定位[３]ꎻＥＭＭＩ对于半导体芯片内部通电后可以发光的缺陷均可实现定位ꎬ且ＥＭＭＩ对漏电流要求低ꎬｐＡ级的漏电流即可被检测ꎮＥＭＭＩ的定位精度高ꎬ对于大规模集成电路的定位具有无可比拟的优势ꎮ由于目前器件内部芯片金属互联技术的发展ꎬ使得金属化层数越来越高ꎬ工作电压越来越小ꎬ其他技术如液晶技术就无法满足其缺陷检定的要求ꎬ因此ＥＭＭＩ在失效分析中起着极为重要的作用[４]ꎮ本文采用ＥＭＭＩ对失效器件进行分析ꎬ采用了微光模式分析出了芯片失效位置ꎬ并通过模拟试验进行了确认ꎮ１㊀失效案例分析１ １㊀故障现象描述某款模拟开关在使用过程中出现失效ꎬ对失效器件进行电测试发现其功能异常ꎮ该器件为１６通道模拟开关ꎬ正常情况下１６通道在使能开启状态下ꎬ无衰减的传输０~５Ｖ电平信号ꎬ在使能关闭时ꎬ输出为高阻态ꎮ故障器件的异常现象为:１至１４和１６通道传输０Ｖ时输出为０ ９５Ｖꎬ传输５Ｖ时输出为５ ４５Ｖꎬ使能关闭时输出为８ ６Ｖꎻ而第１５通道传输５Ｖ和０Ｖ电平均正常ꎮ器件在上述功能异常状态下在ＶＤＤ(＋１２Ｖ)和Ｖｓｓ(－１２Ｖ)均存在６ｍＡ的漏电ꎬ正常情况下该漏电流为μＡ级别ꎮ１ ２㊀失效区域定位针对器件内部结构进行检查ꎬ器件内部键合丝㊁芯片表面金属化㊁钝化层㊁扩散阱等结构均正常ꎮ对器件的芯片版图进行分析ꎬ器件传输通道的版图芯片如图１所示ꎮ１ ３㊀故障定位采用ＱＦＩ微光显微镜对送分析器件内部损伤点进行定位ꎬ对器件正负电源施加ʃ１２Ｖ电压ꎬ此时在第１５通道控制信号单元电源端保护二极管和后级Ｐ型ＭＯＳ管栅极处存在发光现象ꎬ表明以上两个位置出现异常漏电ꎬ如图２中虚线框所示位置ꎮ２㊀机理及原因分析该器件传输通道电路原理如图３所示[５]ꎬ采用ＥＭＭＩ定位中发现的发光二极管和栅极击穿ＭＯＳ如图中虚线框所示ꎮ其中二极管为器件电源端保护二极管Ｄ１ꎬ栅穿ＭＯＳ管为通道开关管的控制二极管Ｐ１ꎮ在第１５通道未选通时ꎬＰ１栅极信号为低电平ꎮ而该ＭＯＳ栅穿后ꎬ导致反相器输出Ｇ电压为低电平ꎬＰ１㊁Ｐ２管打开ꎬＮ１㊁Ｐ３和开关管关闭ꎮ当㊀第２期丁鸷敏等:微光显微镜(ＥＭＭＩ)在器件失效分析中的应用㊀㊀图１㊀器件传输通道的版图芯片ＥＭＭＩ像ꎮａ.器件ＩＮ１５通道形貌ꎻｂ.器件ＩＮ１５通道输入㊁输出位置形貌ꎻｃ.器件ＩＮ１５通道发热区域形貌ꎮＦｉｇ.１㊀ＬａｙｏｕｔｃｈｉｐＥＭＭＩｉｍａｇｅｓｏｆｄｅｖｉｃｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｎｎｅｌ.ａ.ＩｍａｇｅｏｆＩＮ１５ｃｈａｎｎｅｌꎻｂ.ＩｎｐｕｔａｎｄｏｕｔｐｕｔｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＩＮ１５ｃｈａｎｎｅｌꎻｃ.ＡｒｅａｏｆＩＮ１５ｃｈａｎｎｅｌｈｅａｔｉｎｇｒｅｇｉｏｎ.图２㊀芯片失效点微光定位的ＥＭＭＩ像ꎮＦｉｇ.２㊀ＥＭＭＩｉｍａｇｅｏｆｍｉｃｒｏｃｈｉｐｌｏｃａｔｉｏｎｆｏｒｃｈｉｐｆａｉｌｕｒｅｐｏｉｎｔ.Ｐ１栅穿时ꎬ电源对反相器输出端会产生电流ꎬ此时反相器输出电平被拉高ꎬ进而导致Ｐ２关闭ꎬＮ１开启ꎮ此时Ｐ３栅极为低电平开启ꎬ因此开关管Ｖｉｎ和Ｖｏｕｔ电平与Ａ点电平一致ꎬ输出高电平ꎬ即测试时发现的悬空时输出端电平为８ ７Ｖꎮ而当选通第１５通道时ꎬ反相器输出Ｇ电压为高电平ꎬ与正电源之间电平相同ꎬＰ１㊁Ｐ２管关闭ꎬＮ１㊁Ｐ３和开关管打开ꎬ此时电源漏电流消失ꎬ通道功能正常ꎮ该器件静电敏感等级为１级ꎬ抗静电能力为１０００Ｖꎬ且发生失效的ＭＯＳ管属于与电源直接相连的位置ꎬ处于异常电应力易引入的路径上ꎮ选取同批次样管开展静电模拟试验ꎬ对其正电源进行人图３㊀器件输出通道电路原理图ꎮＦｉｇ.３㊀Ｃｉｒｃｕｉｔｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｕｔｐｕｔｃｈａｎｎｅｌ.㊀㊀㊀体模型的静电放电ꎬ放电电压为１０００Ｖꎬ之后对样管进行测试ꎬ发现该器件功能异常ꎬ对其正负电源供电后ꎬ输出端存在８Ｖ左右电平输出ꎬ与失效器件故障现象一致ꎮ随后采用ＥＭＭＩ对器件芯片进行故障定位ꎬ样管芯片ＥＭＭＩ形貌如图４所示ꎮ图中可看出器件的１６路传输通道的保护二极管均存在发光现象ꎬ与失效器件一致ꎮ静电模拟试验样管的故障现象与故障位置与失效器件一致ꎬ表明器件失效的原因为静电放电引起ꎮ７５１㊀㊀电子显微学报㊀Ｊ.Ｃｈｉｎ.Ｅｌｅｃｔｒ.Ｍｉｃｒｏｓｃ.Ｓｏｃ.第３８卷图４㊀样管芯片ＥＭＭＩ像ꎮａ.静电模拟试验失效点ＥＭＭＩ形貌ꎻｂ.静电模拟试验失效点ＥＭＭＩ形貌(局部)ꎮＦｉｇ.４㊀ＥＭＭＩｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｓａｍｐｌｅｃｈｉｐ.ａ.ＥＭＭＩｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｆａｉｌｕｒｅｐｏｉｎｔｉｎｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔꎻｂ.ＥＭＭＩｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｆａｉｌｕｒｅｐｏｉｎｔｉｎｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔ(ｌｏｃａｌ).３㊀结论通过以上分析可知ꎬ该器件失效原因为第１５通道开关管栅控ＰＭＯＳ管栅穿ꎮＭＯＳ管栅氧化层位于芯片内层ꎬ无法通过直接检查进行定位ꎮＥＭＭＩ通过激发芯片缺陷位置发光ꎬ准确定位该芯片的失效点位置ꎬ且静电模拟试验验证了分析和定位的正确性ꎮ该案例展示了ＥＭＭＩ在半导体芯片内部缺陷分析和定位中的作用ꎬ可以高效准确的定位芯片内部不可见的缺陷和失效ꎬ是一种效率高㊁精度高的无损定位方法ꎮ在ＥＭＭＩ精确定位的基础上ꎬ开展聚焦离子束(ＦＩＢ)纵切ꎬ可实现已定位失效点的直接观测和分析ꎮ参考文献:[１]㊀范帝玮.半导体器件缺陷定位技术研究[Ｄ].天津:天津大学ꎬ２０１１.[２]㊀龚欣ꎬ王旭.时序逻辑电路失效分析[Ｊ].半导体技术ꎬ２００９ꎬ３４(１０):９７４－９７７.[３]㊀张滨海ꎬ方培源ꎬ王家楫.红外发光显微镜及其在集成电路失效分析中的应用[Ｊ].分析仪器ꎬ２００８(５):１５－１８.[４]㊀梁山安.先进失效定位技术 ＥＭＭＩ/ＭＣＴ与ＯＢＩＲＣＨ在９０ｍｎ制程失效分析中的运用[Ｄ].上海:复旦大学ꎬ２００７.[５]㊀兀革ꎬ石寅.高精度单向模拟开关的设计及其基于ＣＭＯＳ工艺的电路实现[Ｊ].半导体学报ꎬ２０００ꎬ２１(１２):１２１４－１２１９.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｍｉｓｓｉｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ(ＥＭＭＩ)ｉｎｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓＤＩＮＧＺｈｉ￣ｍｉｎꎬＷＵＺｈａｏ￣ｘｉꎬＤＵＡＮＣｈａｏ(ＣｈｉｎａＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００９４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ㊀㊀Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｃｅｒｔａｉｎａｎａｌｏｇｓｗｉｔｃｈｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ.Ｉｎｔｈｅｃａｓｅｏｆｎｏａｂｎｏｒｍａｌｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｃｈｉｐꎬｔｈｅｍｉｃｒｏｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ(ＥＭＭＩ)ｉｓｕｓｅｄｔｏａｃｃｕｒａｔｅｌｙｌｏｃａｔｅｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｄａｍａｇｅｐｏｉｎｔｓｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅꎬａｎｄｔｈｅｓｔａｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｃａｕｓｅ.ＴｈｉｓｃａｓｅｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｔｈｅｒｏｌｅｏｆＥＭＭＩｉｎｔｈｅｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｃｈｉｐｉｎｔｅｒｎａｌｄｅｆｅｃｔｓꎬａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓａｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｅａｎｆｏｒｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｃｈｉｐｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ㊀㊀ＥＭＭＩꎻｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓꎻｄｅｆｅｃｔｌｏｃａｔｉｏｎ８５１。
红外发光显微镜EMMI及其在集成电路失效分析中的应用发布日期：2008-08-04 作者：张滨海方培源王家楫阅读次数：132红外发光显微镜EMMI及其在集成电路失效分析中的应用复旦大学材料科学系张滨海方培源王家楫摘要随着超大规模集成电路(VLSI)的发展，半导体芯片中元器件的特征尺寸越来越小，已经进入了深亚微米时代。
近几年新发展起来的红外发光显微技术（Emission Microscopy，EMMI）利用了IC器件中大多数缺陷都呈现微弱的红外发光现象，能够迅速准确地定位失效点，使得它成为现今对IC进行失效缺陷定位的有力工具。
本文将介绍EMMI技术所利用到的半导体发光机理、EMMI仪器的基本结构、主要部件及具体技术特点，并通过对两个IC失效样品的实际分析案例，介绍EMMI及其补充技术——激光束诱导电阻率变化测试（Optical Beam Induced Resistance Change，OBIRCH）在IC失效分析中的具体应用。
关键词： IC失效分析发光显微镜 OBIRCH一. 引言半导体技术和半导体制造业在近25年来发展迅速。
进入21世纪后，每块IC芯片已可包含超过226个器件。
与之相对应的是，IC器件的尺寸越来越小，掩模版数量和薄膜层数大幅度增加。
集成电路不断向高性能、低功耗、高集成度的方向发展，对可靠性有着越来越高的要求。
而深亚微米工艺的普及，使得各种各样的失效情况出现在半导体器件中。
在失效分析技术中，对于缺陷的定位是非常重要的一环。
但是，器件尺寸的缩小，多层布线复杂性的增加，对关注与缺陷定位和失效认定的失效分析工程师提出了巨大的挑战。
传统进行IC失效点定位的技术有红外热像、液晶、电子束探针等，但是，IC进入深亚微米时代后，上述方法的性能逐渐成为瓶颈，难以对微区域的缺陷进行比较精确的定位，使得针对IC中缺陷的定位和失效的认定变得愈加困难。
因此，IC产业迫切需要开发新的缺陷定位技术和工具以在日益复杂的IC结构中更迅速、有效地进行缺陷分析。
二、半导体器件的显微红外发光EMMI技术是利用利用半导体的发光机理进行失效定位。
我们都知道，在半导体内部，会发生着各式各样的电子跃迁过程。
电子从高能态到空的低能态的跃迁过程中，既可能是辐射的也可能是非辐射的（多声子发射），其中只有前者才会导致发光。
如图1所示，按照1966年Irey的观点，可以把半导体跃迁过程分为三类。
第一类为带间跃迁，包括（1）可能涉及声子和激子、能量接近禁带能量的跃迁过程，以及涉及（2）热电子或者（3）热空穴的能量较高的跃迁过程。
第二类跃迁是涉及化学杂质和缺陷的跃迁，包括（4）导带到受主杂质能级的跃迁，（5）施主杂质能级到价带的跃迁，（6）施主杂质能级到受主杂质能级的跃迁（对发射）以及（7）通过深能级陷阱的跃迁。
第三类跃迁是涉及热载流子退激发的带内跃迁，包括（8）热电子退激发和（9）热空穴退激发。
并非所有的跃迁都是辐射性的。
俄歇效应、表面和界面复合、通过缺陷的复合和多声子发射一般是非辐射跃迁。
除此之外的其它过程本质上是辐射性的。
目前，电子跃迁引起的发光现象和其背后的失效机理之间的联系仍是复杂的研究课题。
下表归纳了主要的一些发光情况。
半导体要实现发光，通常需要通过一定形式的激发在半导体材料中产生非平衡状态。
这些激发可以是电偏置、光激发、机械激发或者电子束激发。
用发光显微镜（EMMI）所观察到的半导体器件的发光激发源是电致发光。
三、红外发光显微镜红外发光显微镜（Photon Emission Microscopy，EMMI），正是利用了半导体的发光现象，在近几年发展起来的一种在存在漏电流的器件中定位缺陷的有效的分析技术。
EMMI技术的基本功能是对失效器件中的失效点进行初步定位，将宏观的电学测试和微观的结构剖析连接起来。
它具有诸多优点：迅速（只需通过一次成像就能检查复杂IC的发光）、有通用性（能与测试仪相连）、洁净（不需薄膜）、简单（与探针无相互作用，不会人为产生问题）、灵敏（漏电流可以小至pA量级），是满足现今IC失效分析要求的有力和有用的工具。
尽管IC的复杂性不断增加（包括5层布线和小于的尺寸），这项技术仍对小尺寸集成电路的失效分析有着巨大的帮助。
图2是显微发光技术的基本原理图。
在存在着漏电、击穿、热载流子效应的器件中，会有光子从失效点发射出来（Photon Emission）。
通过传统的光学显微镜获得DUT（Device Under Test，被测试器件）的反射像，并将光子从DUT传输到图像增强器（Image Intensifiers，II），在II中，通过光电阴极传感器和微通道板（Micro Channel Plate，MCP）将微弱的光信号放大，再用电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD）将增强的信号转化为视频信号。
用计算机对其进行图像处理（Image Processor），得到发光像，并将其与DUT的反射像叠加，对缺陷进行定位。
在采用该技术进行发光失效点的定位时，为了与后面提到的另一种检测失效方法OBIRCH区分，我们通常称其为EMMI方法。
用EMMI进行测量时，可以用红外或近红外光作为产生反射像的光源。
由于硅对这些波长光的透明性，这些近红外和红外光可以从器件背面入射和出射，从而避免了器件正面多层结构的吸收和反射。
因此，具有红外波段成像能力的发光显微镜，可以从器件背面进行失效点的定位。
如果发光显微镜配备有分离光学滤镜或者分光仪，就可以利用它进行光谱分析，为发光背后的失效机制的认定提供有用的信息。
利用具有光子计数功能的发光显微镜还可以对高速开关器件的电路延迟进行测量。
虽然各种型号的发光显微镜可能由于其应用范围的差异而有不同的结构，但都可以被分成四个子系统：光学系统、控制系统、电源系统和辅助系统。
其中，控制系统控制样品台的运动，扫描激光束的产生和扫描等。
电源系统为整个系统提供能量，并提供在样品上所加的偏置。
辅助系统包括C-CCD冷却装置、紧急情况下的报警装置等。
而光学系统是整个显微系统的主要部分，它包括光学平台、物镜、图像增强器和C-CCD（Cooled CCD）信号转换器等。
其中CCD信号转换器是整台仪器的核心部件，它决定了EMMI的性能。
目前使用的CCD分为冷却Si-CCD和化合物半导体CCD两类。
冷却Si-CCD是其中使用最为广泛的一种，它的光谱区宽，适用范围广，但是灵敏度在复合辐射区会下降一个量级。
化合物半导体CCD中较为流行的是HgCdTe-CCD，它的光谱灵敏区延伸至红外区，在背分析和低驱动电压IC中有重要应用。
但是，为了减少噪声和热辐射造成的暗电流，其工作温度要比室温低很多，因此价格也非常昂贵。
近几年，另一种化合物半导体InGaAs-CCD，由于其在0.9-1.7um波段具有非制冷室温工作、探测率高、均匀性好的优点，也逐渐成为短波红外CCD的较好选择。
四、红外激光扫描显微镜在众多器件的失效机理中，有相当一部分缺陷并不是伴随着发光的现象（如金属熔融造成互连短路），此时便无法用EMMI进行分析，此时就需要另外一种红外激光扫描显微技术来进行检测。
图4是根据红外激光扫描所产生的回路电阻变化OBIRCH技术（Optical Beam Induced Resistance Change）来进行C缺陷定位的的原理图，仪器会用激光束在器件表面进行扫描，激光束的部分能量会转化为热量。
如果在金属互连线中存在缺陷，在这些缺陷附近产生的热量就不能迅速通过金属线传导散开。
这会导致缺陷处的温度升高，并进一步引起导线电阻值的变化。
如果对这个系统施加恒定的电压V，则激光束加热引起的电流变化为：其中，是电阻变化，I是被加热的互连线中流过的电流。
如果施加的是恒定的电流I，那么加热引起的电压变化为：。
通过上述关系，热产生的电阻变化被转化为电流的变化或者电压的变化。
接下来，仪器将这一变化的量与所成像中像素的亮度相对应，像素的位置与电流电压发生变化时扫描激光束扫到的位置相对应。
这样，就可以通过产生的OBIRCH像来定位缺陷。
利用OBIRCH方法，可以有效地对金属互连线中缺陷进行定位，比如空洞、硅球瘤、通孔下的空洞、通孔底部高阻区等。
该方法也能有效地检测IC器件中金属互连线的短路。
五、在集成电路失效分析中的应用以下是应用EMMI和OBIRCH仪器进行IC失效点定位的实际案例。
图6是一个电源管理器件的实际光学扫描图。
该器件在实际工作中发现功耗过大。
为了便于迅速、准确地进行失效定位，在采用EMMI技术进行检测时，进行了对比分析。
图7左是正常器件的EMMI检测图（局部），图中的一些亮点为正常发光点。
右图是失效器件的EMMI图，通过对比，很容易发现了异常的发光点（图中白圆圈所示区域）。
再用EMMI进一步放大观测，可以准确地定位到失效区域是在一组MOS管的栅控制端（图8所示）。
可以初步分析，是栅极漏电流过大造成了器件功耗的上升。
样品2（局部）如图9所示，失效区域是由功率管和ESD保护电路组成（图中中间为功率器件，下方为两个二极管构成的ESD保护电路）。
先对样品进行IV曲线的测量，结果如图10所示。
I-V曲线呈指数形式，暗示着该器件的失效分析涉及到有源区的工作。
根据半导体发光理论，我们知道这类I-V曲线对应于半导体各种形式的电子跃迁而形成的电流这时往往伴随着发光现象。
然而，当用EMMI进行测量后，即使将测试电流加大，P功率管甚至都已经进入大电流工作状态，依然没有明显的失效点能够被测试出（如图11所示）。
当采用OBIRCH技术进行测试时，我们清晰地找到了失效点的位置（图12所示），可以看出是作为由于ESD产生的大电流，使得ESD保护电路中二极管的金属互连线中局部区域温度过高，造成二极管保护电路被ESD击穿。
六、总结：在众多IC失效点的定位方法中，发光电子显微镜（EMMI）凭借着其操作简单、分析精确，分析周期短、对样品无损耗等优点，目已正成为一项主流性的IC缺陷定位检测技术，拥有着很广阔的应用前景。
而另一种红外激光扫描显微镜OBIRCH技术，正好针对EMMI 不能检测未发光的半导体缺陷这一弱点，起到了很好的补充作用。
两者相辅相成，为IC器件的各种失效检测提供了精确的缺陷定位功能。
参考文献1. 《Photon Emission Microscope as an Inspection Tool for Semiconductor Device Reliability Analysis andFailure Diagnostics》Khine Nyunt 1st National Colloquium on Photonics NPC2005, 29-30 November 2005, ESSET, Malaysia2.《Photon Emission microscopy (EMMI)》Prof. Dr. –Ing. C. Boit, Dr. K. R. Wirth, Dipl.-Ing. S. K. Brahma, Dipl.-Phys. P. Sadewater3.《CMOS电路芯片ESD保护电路设计技术的发展》赵近等（电子部47所）电子产品可靠性和环境试验 1995年第1期 P14-204.《OBIRCH analysis of electrically stressed advanced graphic ICs》Liao JY, Marks HL, Beaudoin FMicroelectronic Reliability Vol 47 Issue: 9-11 Special Issue: Sp. Iss. SI Pages: 1565-15685. 《红外热像技术及其应用的研究进展》李国华等红外与激光工程 2004.6 第33卷第3期 P227-2306. 《New physical techniques for IC functional analysis of on-chip devices and interconnects》BoitApplied Surface Science Volume: 252 Issue: 1 Pages: 18-23 Published: SEP 30 20057.《CCD传感器及其应用研究》陈东雷等传感器世界 2007.7 P22-26。
