13、芯片故障分析中的光发射技术研究

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#芯片故障分析 # 光发射技术 # 背面发射显微镜

芯片故障分析中的光发射技术研究

在芯片故障分析领域，随着芯片技术的不断发展，如多层金属化超大规模集成电路（ULSIs）以及采用特定封装技术的动态随机存取存储器（DRAMs）的出现，传统的正面发射显微镜（Front - side EMS）在分析这些芯片故障时面临着越来越多的挑战。本文将详细介绍背面发射显微镜（Back - side EMS）以及一种新型光谱光发射显微镜（SPEMMI）在芯片故障分析中的应用。

1. 背面发射显微镜（Back - side EMS）的应用

随着先进专用集成电路（ASIC）设备采用多层金属化结构，以及高密度DRAMs使用芯片上引线（LOC）封装技术，正面发射显微镜在分析芯片故障时变得愈发困难，因为金属化层或LOC的内引线会覆盖故障点。为了解决这一问题，背面发射显微镜技术应运而生。

1.1 原理

背面发射显微镜通过硅衬底从芯片背面检测故障点发出的红外（IR）光。尽管故障产生的光会被硅衬底吸收，但波长大于900nm的红外光吸收速率较小。如果光发射中红外成分显著，就可以通过背面发射显微镜找到故障点。

1.2 分析系统

在研究中，使用了一个将发射显微镜与内存测试仪相连的系统进行DRAM功能故障分析。当设备在测试仪上出现故障时，故障点会发光，发射显微镜可以检测到该光发射。探测器的可检测波长范围为400nm至1100nm，包括红外光，因此可以像正面发射显微镜一样进行背面发射显微镜分析。通过发射显微镜的光子计数器和带通滤波器测量故障点发出光的波长光谱，使用了波长从500nm到1100nm、步长为100nm的七种滤波器。

1.3 不同故障机制的研究

对16MDRAMs或64MDRAMs中多种故障机制产生的光发射从芯片的背面和正面进行了研究，具体故障机制如下：
- 金属线间漏电
- 多晶硅线间漏电
- 氧化物击穿
- 多晶硅线与硅衬底间漏电
- 热电子
- pn结击穿（静电放电ESD）
- 闩锁

通过测量波长光谱来分析这些故障，以确定所有机制中的光发射是否包含可通过硅衬底检测到的红外光。当设备可以从正面进行分析时，计算背面发射显微镜和正面发射显微镜的光子计数比。以下是部分故障机制的分析结果：
|故障机制|设计规则（μm）|硅衬底厚度（μm）|背面波长范围（nm）|正面波长范围（nm）|光子计数比（%）|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|金属线间漏电|0.40|250|900 - 1100| - | - |
|多晶硅线间漏电|0.50|330|1000 - 1100|600 - 1100|40|
|氧化物击穿|0.45|236|900 - 1100| - | - |
|多晶硅线与硅衬底间漏电|0.50|380|900 - 1100|700 - 1100|65|
|pn结击穿（ESD）|0.45|300|1000 - 1100|800 - 1000|370|
|闩锁|0.40|250|800 - 1100|900 - 1100|1343|

从这些结果可以看出，在各种故障机制中，从芯片背面检测到的光发射波长大于900nm，且受硅厚度的影响不显著。背面发射显微镜和正面发射显微镜的光子计数比最小为40%，即使在这种情况下，也能通过背面发射显微镜找到故障点。这表明背面发射显微镜可以实际应用于半微米设计规则设备的超大规模集成电路中各种故障机制的评估。

mermaid图如下：

graph LR
    A[芯片故障] --> B[确定故障机制]
    B --> C{是否可正面分析}
    C -- 是 --> D[测量正背面波长光谱]
    C -- 否 --> E[仅测量背面波长光谱]
    D --> F[计算光子计数比]
    E --> G[分析背面光谱确定故障点]
    F --> G

2. 新型光谱光发射显微镜（SPEMMI）

发射显微镜是检测硅集成电路（IC）故障的强大分析工具，除了定位故障，对发射光进行光谱分析也有助于深入了解故障的物理性质。目前已经提出了多种发射强度光谱分析技术，但都存在一定的局限性。因此，一种新型的光谱光发射显微镜（SPEMMI）被提出。

2.1 系统组成

SPEMMI由传统的光发射显微镜（Hypervision - Visionary II）和高分辨率光谱部分组成，配备了高灵敏度的GENIII - NIR探测器。探测器安装在使用长工作距离近红外（NIR）物镜的光学显微镜顶部，整个系统连接到X - Y - Z扫描探针站，以便对整个晶圆进行扫描。在SPEMMI系统中，探测器安装在垂直的气压控制执行器上，可上下滑动，还有一个额外的执行器用于使单色仪在探测器和物镜之间平稳进出。

2.2 单色仪

单色仪由直接视觉棱镜和聚焦透镜组成。特定波长的光通过棱镜时无偏差，不同波长的光会有一定的角度偏差，根据偏差，不同波长的光会被透镜聚焦在探测器的不同像素位置。因此，在传统发射显微镜中成像为一个点的发光点，在单色仪的作用下会在探测器上投影为一条长线，线上某点的光强度对应相应波长带的强度。系统的光谱分辨率由每像素的波长数的倒数给出。

2.3 校准过程

光谱校准 ：使用光谱校准的氪灯来校准SPEMMI系统并测量其光谱分辨率。通过不同灵敏度拍摄氪灯的光谱图像，结合窄带通滤波器和石英钨卤灯（QTH）的测量结果，以及根据棱镜和透镜的物理参数计算得到的波长与像素的关系，确定系统的光谱分辨率。在可见光区域，系统具有较好的分辨率（约0.5nm/像素），而在近红外区域分辨率约为4.5nm/像素。
强度校准 ：使用强度校准的石英钨卤灯（QTH）来确定探测器灵敏度随波长的变化，并测量其饱和极限。在校准过程中，将灯置于SPEMMI覆盖箱外，通过特殊的光路设置避免物镜受热损坏，并控制光照强度以避免探测器局部饱和。同时，使用螺旋灯进行校准，两种校准数据显示出很好的一致性。

2.4 测量原理

光谱分析步骤如下：
1. 将探测器置于原始位置，定位发射点。
2. 提升探测器，单色仪保持在“退出”位置。
3. 当探测器到达预定高度时，机械传感器自动关闭，探测器停止。
4. 将发射点显示在固定像素位置。
5. 插入单色仪，使其位于发射光和探测器的光路中。
6. 将该点的光谱聚焦在探测器上并开始采集。

在探测器处于较高位置时，也可以进行发射显微镜定位，只是放大倍数会略有增加。唯一的缺点是不能使用数值孔径较高的0.8x透镜，因为无法聚焦。

通过对饱和NMOS晶体管中的热载流子以及正向和反向偏置条件下的二极管的光谱进行测量，验证了SPEMMI系统的功能。此外，将SPEMMI应用于工业长时失效的超大规模集成电路（VLSI）芯片的故障定位和表征，结果表明该系统能够快速、简单地获取与IC故障相关的发射点光谱，有助于快速识别故障。

综上所述，背面发射显微镜和新型光谱光发射显微镜（SPEMMI）在芯片故障分析中具有重要的应用价值，为解决现代芯片故障分析中的难题提供了有效的方法。

芯片故障分析中的光发射技术研究

3. 两种显微镜在实际故障分析中的对比

为了更清晰地了解背面发射显微镜（Back - side EMS）和新型光谱光发射显微镜（SPEMMI）在实际芯片故障分析中的表现，下面从多个方面进行对比。

3.1 故障检测范围

背面发射显微镜 ：主要适用于多层金属化或采用特定封装技术导致正面分析困难的芯片，能够检测从金属层到硅衬底的多种故障机制，如金属线间漏电、多晶硅线间漏电、氧化物击穿等。
新型光谱光发射显微镜 ：可用于检测硅集成电路（IC）中的各种故障，不仅能定位故障点，还能对发射光进行光谱分析，有助于深入了解故障的物理性质，适用于多种类型的芯片故障。

3.2 检测灵敏度

背面发射显微镜 ：通过检测波长大于900nm的红外光来定位故障点，在一些故障机制中，即使正面发射显微镜受金属层或内引线影响无法有效检测，背面发射显微镜仍能发挥作用，光子计数比最小为40%，能保证一定的检测灵敏度。
新型光谱光发射显微镜 ：配备高灵敏度的GENIII - NIR探测器，能够测量低发射强度的光谱，其灵敏度优于文献中报道的大多数系统，甚至在小电流引起的低发射强度情况下也能进行光谱测量。

3.3 分析能力

背面发射显微镜 ：主要通过测量波长光谱和计算正背面光子计数比来分析故障，能够确定故障机制中是否包含可通过硅衬底检测到的红外光，从而定位故障点。
新型光谱光发射显微镜 ：除了定位故障点外，还能对发射光进行光谱分析，通过分析光谱特征来了解故障的物理性质，例如区分正向和反向偏置二极管的不同发射机制。

对比项目	背面发射显微镜	新型光谱光发射显微镜
故障检测范围	多层金属化或特定封装芯片的多种故障	硅集成电路的各种故障
检测灵敏度	通过红外光检测，光子计数比最小40%	高灵敏度探测器，可测低发射强度光谱
分析能力	测量光谱和计算比值定位故障	定位故障并分析光谱了解故障物理性质

mermaid图如下：

graph LR
    A[芯片故障分析] --> B{选择显微镜类型}
    B -- 多层金属化或特定封装芯片 --> C[背面发射显微镜]
    B -- 硅集成电路多种故障 --> D[新型光谱光发射显微镜]
    C --> E[测量光谱和计算比值]
    D --> F[定位故障点]
    D --> G[分析发射光光谱]
    E --> H[定位故障点]
    F --> I[了解故障物理性质]
    G --> I