6、扫描荧光微热成像技术：集成电路故障分析新利器

扫描荧光微热成像技术：集成电路故障分析新利器

1. 背景与需求

随着集成电路（IC）特征尺寸不断缩小，对高空间分辨率热成像的需求日益增长。传统的热点检测技术，如红外热成像和液晶分析，存在明显局限性。红外热成像受长波长光限制，空间分辨率难以提升；液晶分析在大电流IC中定位发热缺陷存在困难。因此，荧光微热成像（FMI）技术的持续发展显得尤为迫切。

扫描激光显微镜（SLM）在IC故障分析中的应用日益广泛，其强大的成像能力和光束与样品的相互作用为故障分析带来了新机遇。例如，光诱导电压改变（LIVA）技术就是基于SLM发展而来的有效故障分析方法。而本文介绍的扫描荧光微热成像（SFMI）技术，为基于SLM平台的故障分析提供了又一有力工具。

2. 荧光微热成像技术回顾

标准的FMI技术基于在IC表面涂覆一层具有温度依赖荧光量子产率的薄膜。该薄膜将表面温度信息转换为可见光子强度，从而实现热成像。使用612nm的可见光，可实现0.3um的衍射极限空间分辨率。热分辨率则取决于薄膜厚度、缺陷处的功率密度、缺陷与荧光膜表面的距离以及光子统计等因素。理论上，在光子散粒噪声限制的成像系统中，热分辨率可达约1mK。

自20世纪80年代初该技术首次被描述以来，一直使用铕噻吩甲酰三氟丙酮（EuTTA）作为荧光化合物。EuTTA是一种稀土螯合物，其荧光特性已被深入研究。标准的FMI技术将EuTTA掺入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基质中，形成典型的混合溶液，其中包含1.2wt%的EuTTA、1.8wt%的PMMA和97wt%的甲基乙基酮（MEK）。MEK是一种高挥发性溶剂，蒸发后留下EuTTA/PMMA混合物在样品上。理想情况下，薄膜厚度应为几个光吸收长度，以确保大部分紫外光被吸收，同时不扭曲样品表面的热分布。

FMI技术的硬件相对简单，可在多种光学平台上实现，如探针台光学系统、标准光学显微镜和扫描激光显微镜等。其主要组成部分包括紫外光源（通常为汞、汞/氙或氙弧灯）、快门、激发滤光片、分束器、干涉滤光片和冷却的慢扫描CCD相机。相机是系统中最重要的元素，具有极低的暗电流、低读出噪声和高达16位的数据输出，以实现高灵敏度的热成像。

FMI图像通过采集IC的冷图像（无电源施加）和热图像（IC处于高电流状态），并对两者进行比值计算来确定各点的相对温度。具体关系如下：
[ \frac{Q(T_c)}{Q(T_H)} = \frac{S_c(x,y)}{S_H(x,y)} ]
其中，(Q(T_c))、(S_c(x,y))、(Q(T_H))和(S_H(x,y))分别是冷图像和热图像的量子效率和光强度。比例常数(\alpha)通过实验确定，为与图像处理软件兼容，通常使用比例因子（如30000）将强度比保持在灰度范围的中间。

3. SFMI技术原理与系统

3.1 SFMI技术原理

新开发的SFMI技术保留了经典FMI技术的许多特点和过程，但采用了与经典技术显著不同的图像采集方法。在SFMI中，使用扫描激光束逐点激发荧光，并通过单点探测器收集荧光，实现图像的串行采集，而不是像FMI那样并行采集。

除了添加适当的激光和荧光滤光片外，无需对SLM进行其他修改即可实现SFMI。这一优势在于无需使用昂贵的冷却CCD相机来收集荧光图像。

3.2 SFMI系统结构

SFMI系统的激光输入通过多个固定反射镜路由到系统中。光束经过分束器和一对扫描镜后，照射到被测器件（DUT）上。激光激发荧光，荧光由显微镜物镜收集，并通过扫描装置返回，经过干涉滤光片后到达探测器（通常为光电倍增管或PMT）。

以下是SFMI系统的工作流程mermaid图：

graph LR
    A[激光输入] --> B[固定反射镜]
    B --> C[分束器]
    C --> D[扫描镜]
    D --> E[被测器件（DUT）]
    E --> F[显微镜物镜收集荧光]
    F --> D
    D --> G[干涉滤光片]
    G --> H[探测器（PMT）]

3.3 荧光材料吸收光谱分析

为了更好地理解SFMI技术的发展意义，需要了解荧光材料的吸收光谱。EuTTA在深紫外到约365nm范围内有强吸收区域，超过365nm后吸收迅速下降。目前大多数FMI系统使用365 - 400nm的波长范围。

对于SFMI，有三条激光线值得关注：氦镉（HeCd）激光的325nm和442nm线，以及氩离子激光的351.1nm和364nm线。325nm线被普通显微镜光学元件强烈吸收，不适用于SFMI，除非SLM进行了紫外操作设置。442nm线能被EuTTA/PMMA薄膜吸收并通过所有显微镜光学元件，具有重要意义。氩离子激光的351.1nm和364nm线更容易被EuTTA/PMMA薄膜吸收，但在大多数显微镜系统中损失较大。

不同激光线特性如下表所示：
|激光线波长（nm）|吸收情况|在显微镜系统中的传输情况|
| ---- | ---- | ---- |
|325|被普通显微镜光学元件强烈吸收|不适用于常规SFMI，除非特殊设置|
|442|能被EuTTA/PMMA薄膜吸收|可通过所有显微镜光学元件|
|351.1|易被EuTTA/PMMA薄膜吸收|在大多数显微镜系统中损失较大|
|364|易被EuTTA/PMMA薄膜吸收|在大多数显微镜系统中损失较大|

3.4 SFMI图像采集示例

使用442nm HeCd激光和标准光电倍增管在SLM上拍摄的第一张SFMI图像显示了一个电迁移测试结构，其中明亮区域对应于结构中电流产生的焦耳热。这表明在不修改SLM的情况下，无需昂贵的冷却CCD相机即可获取类似FMI的图像。

4. 信号平均与紫外漂白问题

4.1 信号平均

在高光子通量成像应用中，如果其他噪声源不存在，信噪比受光子散粒噪声限制。光子散粒噪声遵循泊松分布，其概率质量函数为：
[ p(x,\lambda) = \frac{e^{-\lambda}\lambda^x}{x!} ]
其中，(x)是随机变量，(\lambda)通常是单位时间单位面积的速率。

在标准FMI技术中，克服光子散粒噪声的方法包括调整单次冷热图像对的曝光时间，以尽量填充CCD阵列的电荷阱而不使其饱和；以及平均多个冷热图像以提高信噪比。

由于SFMI采用串行数据采集方法，某一点的光子统计由光束在该点的停留时间控制。因此，较慢的扫描速率将产生更高信噪比的图像，还可使用行和帧平均等技术。但扫描速率的降低受紫外漂白引起的荧光产率变化的限制。

4.2 紫外漂白

荧光化合物如EuTTA在紫外曝光下会逐渐失去荧光能力，这种现象称为漂白。研究表明，三种不同稀释度的EuTTA/PMMA薄膜在连续紫外曝光下，荧光强度最初迅速衰减，约20分钟后趋于稳定。稀释薄膜在稳定前的强度下降幅度比基础混合薄膜更大。

在SFMI中，当光束长时间停留在样品的某一位置时，会导致严重的紫外漂白。例如，使用351.1nm和364nm的氩离子激光线聚焦在IC上几秒钟，会对薄膜造成损伤。然而，FMI技术对薄膜不均匀性具有一定的耐受性，非均匀漂白通常不会影响SFMI热图像。但当光子统计变化导致图像中不同区域的信噪比显著不同时，非热特征可能会掩盖微弱的热信号。因此，需要找到既能获得最佳信噪比又不过度漂白的曝光条件。

以下是处理紫外漂白问题的步骤：
1. 了解不同稀释度的EuTTA/PMMA薄膜的漂白特性。
2. 避免光束长时间停留在样品的同一位置。
3. 在进行冷热图像采集时，控制曝光时间和扫描速率，以平衡信噪比和漂白效应。
4. 观察热图像，检查是否存在非热特征掩盖热信号的情况，并相应调整参数。

5. 测试示例

为了展示SFMI技术的性能，我们使用了几种不同的测试样品和各种成像参数进行研究。评估热成像技术性能时，使用功率耗散特性已知的测试样品至关重要。本研究使用了两种测试结构：电迁移测试结构和n沟道MOSFET，并对一个之前用传统FMI分析过的CMOS SRAM故障进行了测试。

5.1 电迁移测试结构

电迁移测试结构采用1.25um设计规则、两层金属的CMOS工艺制造。该结构由两条4um宽的金属线组成，间距为4.5um，每条线的总长度约为3470um，总电阻约为30Ω。由于该结构位于该技术的顶层金属，发热特征离温度传感膜最近，因此相对于其他类型的结构，在最低功率密度下即可检测到热特征。

在100mA的电流负载下，功率密度仅为2.161×10³W/cm²。使用20X物镜、同时开启351.1nm和364nm的氩离子激光线、每秒16帧的扫描速率且不使用共焦光阑拍摄的SFMI热图像，具有良好的信噪比和少量的漂白现象。而提高扫描速率并使用共焦光阑拍摄的图像，虽然信噪比有所降低，但空间分辨率得到了显著提高。使用50X物镜、每秒4帧的扫描速率拍摄的更高放大倍数图像，同样显示出良好的信噪比和高空间分辨率。

5.2 n沟道MOSFET测试晶体管

n沟道测试晶体管采用Sandia的0.5um、三层金属的CMOS技术制造，是该系列中最小的晶体管，沟道长度为0.5um，沟道宽度为20um。在栅源电压VGS = 3.3V、漏源电压VDS = 3.3V的偏置条件下，晶体管的电流为6.82mA，功率耗散为22.5mW，功率密度为2.251×10⁵W/cm²。

由于大部分功率耗散在硅衬底中，检测难度相对较大。使用20X物镜、共焦光阑、每秒16帧的扫描速率且不进行平均拍摄的SFMI图像，显示出良好的信噪比和少量的薄膜漂白产生的空间伪像。

5.3 CMOS SRAM故障

这是一个1兆位的CMOS SRAM故障，标称工作电压为5V，待机电源电流小于1μA。经过动态老化后，SRAM在功能测试中失败，在5.0V时IDDQ升高至1.15mA。在1V以下，IDDQ较低；在1V以上，I - V曲线呈线性特征，表明高IDDQ是由电阻性短路引起的。

使用SFMI技术定位到了一个单一的“热点”。假设所有多余的功率都在该热点处耗散，功率密度为4.575×10⁴W/cm²。由于热点位于顶层金属，热检测相对容易。

不同测试样品的参数对比表格如下：
|测试样品|工艺|尺寸|电流|功率密度（W/cm²）|检测难度|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|电迁移测试结构|1.25um，两层金属CMOS|4um宽金属线，间距4.5um，长约3470um|100mA|2.161×10³|相对较低|
|n沟道MOSFET|0.5um，三层金属CMOS|沟道长度0.5um，宽度20um|6.82mA|2.251×10⁵|相对较高|
|CMOS SRAM| - | - |1.15mA（5.0V时）|4.575×10⁴|相对较低|

6. 结论

本文介绍了一种新的扫描荧光微热成像（SFMI）技术，并通过几种不同的测试样品和一个IC故障展示了其性能。由于所需的额外硬件极少，预计SFMI将成为扫描激光显微镜系统的标准选项。SFMI为利用扫描激光显微镜的独特功能增添了一种强大的故障分析工具。

整个SFMI技术的应用流程可以用以下mermaid流程图表示：

graph LR
    A[准备测试样品] --> B[设置SFMI系统]
    B --> C[选择合适的激光线和成像参数]
    C --> D[采集冷图像]
    D --> E[对样品施加偏置]
    E --> F[采集热图像]
    F --> G[进行图像比值计算和处理]
    G --> H[分析热图像，定位故障点]
    H --> I[评估测试结果]
    I --> J{是否满足要求}
    J -- 是 --> K[结束测试]
    J -- 否 --> C

综上所述，SFMI技术在集成电路故障分析领域具有广阔的应用前景，能够为工程师提供一种高效、准确的故障定位方法。通过合理选择测试样品、优化成像参数和处理紫外漂白等问题，可以充分发挥SFMI技术的优势，提高故障分析的效率和准确性。