20、集成电路失效分析与设计修改技术研究

集成电路失效分析与设计修改技术研究

在集成电路（IC）的研发与生产过程中，失效分析和设计修改是至关重要的环节。随着IC复杂度的不断提升，传统技术面临着诸多挑战，因此新的技术和方法不断涌现。本文将介绍三种相关技术：单接触电子束感应电流显微镜（SCEBIC）、聚焦离子束（FIB）沉积绝缘体的特性研究以及激光辅助有机金属沉积技术在IC设计修改中的应用。

单接触电子束感应电流显微镜（SCEBIC）

在IC失效分析中，可视化结区域是关键步骤。传统的电子束感应电流（EBIC）成像技术虽能提供结区域的有价值信息，但在分析复杂IC时，由于可直接连接到电流放大器的结区域极少，其应用受到限制。SCEBIC技术应运而生，它利用EBIC图像中未连接结的对比度，仅使用芯片的衬底接触，无需像传统EBIC技术那样将结连接到成像电子设备。

SCEBIC技术的原理基于一个等效电路模型。当电子束撞击结时，产生的电子和空穴分别漂移到n型和p型区域，导致电流在放大器中被记录，同时对寄生电容充电。二极管正向偏置，且偏置随时间增加。当正向偏置电流和电子束感应电流相等时，测量电流变为零，二极管偏置稳定。该模型由Ong首次提出，用于解释未连接结对比度的存在。

为验证SCEBIC模型，研究人员进行了一系列实验。使用平面光电探测器二极管，在飞利浦505扫描电子显微镜（SEM）中进行实验。将周期性消隐的电子束定位在结上，使束方向垂直于结。得到的SCEBIC瞬态被数字化并存储以供进一步分析。实验结果表明，生成电流越大，衰减时间越短。通过绘制Im(t=0)与Ig的关系图以及G与In(lg)的关系图，验证了相关方程的线性关系，从而提取出各种参数的值。

SCEBIC显微镜的主要优点是无需连接IC中的所有结即可成像结，但其缺点是需要复杂的仪器来生成和处理瞬态SCEBIC电流。为了获得良好的信噪比，研究人员使用了门控积分器来积分瞬态电流，并将积分器输出重定向到SEMICAPS图像采集系统。

SCEBIC技术在NPN和CMOS晶体管的成像实验中表现出色。在NPN晶体管的成像中，SCEBIC图像能清晰显示集电极 - 衬底结、集电极 - 基极结和基极 - 发射极结，为器件表征和失效分析提供了详细信息。在CMOS晶体管阵列的成像中，SCEBIC图像可有效用于器件的图像分析，且在某些情况下包含更多信息。

聚焦离子束（FIB）沉积绝缘体的特性研究

在亚微米、多层集成电路（IC）技术的器件修改中，在FIB系统中沉积绝缘材料的能力变得越来越重要。大多数商用FIB系统现在能够通过离子束诱导化学气相沉积，从硅氧烷或TEOS前驱体中形成绝缘材料，这些前驱体可能与氧气共沉积。

研究人员对FIB沉积的三种不同气体化学性质的绝缘体进行了研究，包括两种硅氧烷化合物和TEOS与氧气的共沉积。通过在FIB系统中制造金属 - 绝缘体 - 金属（MIM）电容器结构，测量了泄漏电流、击穿电压和电容等参数，并计算了有效电阻和击穿场。

实验结果表明，基于TMCTS的绝缘体具有最高的击穿场，OMCTS绝缘体的泄漏电流最低，有效电阻最高，而基于TEOS的绝缘体整体电气性能最差。微束卢瑟福背散射光谱（RBS）分析和微傅里叶变换红外（FTIR）光谱用于表征薄膜的化学成分和结构。RBS结果表明，薄膜中的Si:O比基本符合化学计量比，但含有大量的Ga。表面的绝缘体沉积物相对于薄膜主体贫Ga，且薄膜底部存在一个混合区域，包含来自衬底的Al以及Si、O和Ga。

FIB沉积绝缘体的沉积产率差异可通过分子结构的差异来解释。硅氧烷化合物（TMCTS和OMCTS）是相对反应性的环状结构，而TEOS是更刚性、稳定的分子，因此TEOS的沉积产率比硅氧烷低得多。此外，氧在生产高质量FIB绝缘体中起着重要作用，与不与氧共沉积的TEOS基FIB绝缘体薄膜相比，本研究中的绝缘体薄膜不含大量的C，且Si:O比符合化学计量比。

激光辅助有机金属沉积技术在IC设计修改中的应用

随着IC设计修改复杂度的增加，传统的FIB铣削工具在沉积长的低电阻金属线时速度慢且电阻率高。激光辅助有机金属沉积技术作为一种补充技术，提供了快速沉积长的低电阻银线的能力。

该技术使用旋涂的有机金属液体，通过氩离子激光加热和曝光来图案化金属迹线。在冲洗未曝光的有机金属后，重复该过程以增加线厚度并实现导电低电阻迹线。沉积过程的优化参数包括卡盘温度、激光功率、沉积速度和有机金属液体浓度。

通过实验，研究人员对该过程的电阻率、厚度和粘附性能进行了表征。与传统FIB沉积技术相比，激光辅助银沉积技术具有更低的电阻和更快的沉积速度。然而，该技术也存在一些问题，如银迹线与氮化物钝化层的分层、薄银线的台阶覆盖问题以及银材料的保质期问题。

为了说明该技术的应用，文章给出了三个案例研究。第一个案例使用激光技术在内部信号线之间创建低电阻路径；第二个案例展示了激光沉积用于在两个复杂FIB修改之间路由互连；第三个案例尝试通过沉积银场板来重现电荷积累问题。此外，研究人员还对使用金作为沉积材料进行了初步研究，结果表明金和铂的粘附性比银好，但铂的电阻比银迹线高得多。

FIB沉积绝缘体实验参数

FIB	加速电压 (keV)	最小光斑尺寸 (nm)	束流 (nA)	像素停留时间 (μs)	像素间距 (μm)	相对沉积产率	硅氧烷/TEOS压力 (torr)	氧气压力 (torr)
TMCTS (30 keV)	30	25	1.7	0.5	0.75	8.5	0.5	3.0
TMCTS (50 keV)	50	5	6	0.5	0.6	8.5	0.2	3.5
OMCTS (50 keV)	50	5	10	0.2	0.75	5.5	0.2	3.5
TEOS (50 keV)	50	5	10	0.2	0.75	1	0.8	3.5
W 顶部电极	30	25	1.7	0.75	0.75	-	-	-

激光辅助银沉积实验结果

层数	激光功率 (mW)	厚度 (μm)	电阻 (Ohms)	宽度 (μm)
3	200	0.15	2.5k	13.5
4	200	0.2	1.6k	14.2
5	200	0.3	1k	14.0
3	250	0.15	1.3k	14.38
4	250	0.39	620	15.3
5	250	0.4	590	14.3

流程图：SCEBIC实验流程

graph LR
    A[准备样品] --> B[设置电子束参数]
    B --> C[定位电子束到结]
    C --> D[记录SCEBIC瞬态]
    D --> E[数字化和存储数据]
    E --> F[分析数据并验证模型]

综上所述，SCEBIC技术、FIB沉积绝缘体的特性研究以及激光辅助有机金属沉积技术在IC失效分析和设计修改中都具有重要的应用价值。这些技术相互补充，为解决IC领域的复杂问题提供了有效的手段。未来，随着技术的不断发展，这些技术有望进一步完善和优化，为IC产业的发展做出更大的贡献。

集成电路失效分析与设计修改技术研究

三种技术的对比与综合应用

为了更清晰地了解这三种技术的特点，我们对它们进行了对比，如下表所示：
| 技术名称 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
| — | — | — | — |
| SCEBIC技术 | 无需连接所有结即可成像结，能提供详细的器件信息 | 需要复杂仪器处理瞬态电流 | 器件表征和失效分析，尤其是复杂IC的结成像 |
| FIB沉积绝缘体技术 | 可在FIB系统中沉积绝缘材料，用于器件修改 | 含有大量Ga，可能影响性能；沉积产率受分子结构影响 | 亚微米、多层IC技术的器件修改 |
| 激光辅助有机金属沉积技术 | 快速沉积长的低电阻银线 | 存在银迹线分层、台阶覆盖和保质期问题 | IC设计修改，尤其是需要快速沉积低电阻线的场景 |

在实际应用中，这三种技术可以相互配合，发挥更大的作用。例如，在进行IC失效分析时，可以先使用SCEBIC技术对结区域进行成像，确定可能存在问题的区域；然后使用FIB沉积绝缘体技术对该区域进行绝缘处理，避免短路等问题；最后使用激光辅助有机金属沉积技术进行线路的修复和连接。

操作步骤详解

SCEBIC技术操作步骤

1. 样品准备 ：准备好需要分析的集成电路样品。
2. 设置电子束参数 ：根据样品的特性和分析需求，设置电子束的能量、电流等参数。
3. 定位电子束到结 ：将电子束定位到需要分析的结区域，确保束方向垂直于结。
4. 记录SCEBIC瞬态 ：使用电流计记录电子束撞击结时产生的瞬态电流。
5. 数字化和存储数据 ：将记录的瞬态电流数据进行数字化处理，并存储在计算机中。
6. 分析数据并验证模型 ：使用相关的软件对数据进行分析，验证SCEBIC模型的正确性，并提取所需的参数。

FIB沉积绝缘体技术操作步骤

1. 制造MIM电容器结构 ：在FIB系统中，使用硅氧烷或TEOS前驱体与氧气共沉积，制造金属 - 绝缘体 - 金属（MIM）电容器结构。
2. 测量参数 ：使用相关的仪器测量电容器的泄漏电流、击穿电压和电容等参数。
3. 计算有效电阻和击穿场 ：根据测量的参数，计算电容器的有效电阻和击穿场。
4. 表征薄膜 ：使用微束卢瑟福背散射光谱（RBS）分析和微傅里叶变换红外（FTIR）光谱对薄膜的化学成分和结构进行表征。

激光辅助有机金属沉积技术操作步骤

1. 旋涂有机金属液体 ：将旋涂的有机金属液体均匀地涂覆在集成电路表面。
2. 设置参数 ：根据需要，设置卡盘温度、激光功率、沉积速度和有机金属液体浓度等参数。
3. 激光曝光 ：使用氩离子激光对有机金属液体进行加热和曝光，图案化金属迹线。
4. 冲洗未曝光材料 ：使用稀释剂冲洗未曝光的有机金属液体。
5. 重复沉积 ：重复上述步骤，增加线厚度，实现导电低电阻迹线。

流程图：综合应用流程

graph LR
    A[IC失效分析需求] --> B{SCEBIC技术}
    B -->|结成像| C[确定问题区域]
    C --> D{FIB沉积绝缘体技术}
    D -->|绝缘处理| E[避免短路问题]
    E --> F{激光辅助有机金属沉积技术}
    F -->|线路修复连接| G[完成IC设计修改]

未来展望

随着集成电路技术的不断发展，对失效分析和设计修改技术的要求也越来越高。未来，这三种技术有望在以下方面得到进一步的发展和应用：
1. 技术优化 ：不断优化SCEBIC技术的仪器和算法，提高其成像质量和分析效率；改进FIB沉积绝缘体技术，减少Ga的含量，提高绝缘性能；优化激光辅助有机金属沉积技术，解决银迹线分层、台阶覆盖和保质期等问题。
2. 新应用领域 ：探索这三种技术在新兴领域的应用，如人工智能芯片、量子芯片等，为这些领域的发展提供支持。
3. 多技术融合 ：将这三种技术与其他先进技术，如机器学习、人工智能等相结合，实现更智能、高效的失效分析和设计修改。

总之，SCEBIC技术、FIB沉积绝缘体技术和激光辅助有机金属沉积技术在集成电路失效分析和设计修改中具有重要的应用价值。通过不断的研究和发展，这些技术将为集成电路产业的进步做出更大的贡献。