Фотоэмиссионная микроскопия - описание метода, принцип работы
Фотоэмиссионная микроскопия (ФЭМ, англ. photoelectron microscopy - PEM) – это один из наиболее распространенных методов определения местонахождения дефектов в электрических цепях интегральных схем (ИС).
Фотоэмиссионная микроскопия (ФЭМ/PEM) появилась в качестве более простой и дешевой альтернативы жидкокристаллической термографии. Метод основан на регистрации излучения света слабой интенсивности и позволяет достаточно быстро и с высокой чувствительностью обнаружить неисправности в микросхеме.
В настоящее время существуют специально разработанные для ФЭМ оптические системы и детекторы, которые позволяют достичь хорошей эффективности метода даже при тестировании современных ИС с низким напряжением питания. Наиболее значительный прорыв в развитии ФЭМ произошел в начале 90-х годов XX века, когда было установлено, что активные полупроводниковые устройства в некоторых режимах работы могут генерировать оптическое излучение.
Последующее развитие ФЭМ привело к появлению детекторов с пикосекундным временным разрешением. Это, в свою очередь, позволило использовать явление фотоэлектронной эмиссии для динамических исследований временных параметров сигналов. Дополнительное преимущество метода - возможность исследования современных ИС с большим числом слоев металлизации и корпусами типа «Flip-Chip» (монтаж методом перевернутого чипа).
Механизмы, обеспечивающие возможность работы ФЭМ
В основе электролюминесценции в полупроводниковых приборах лежат два механизма, которые, по сути, напрямую связаны с двумя режимами работы p-n-перехода кремниевого транзистора – прямое и обратное смещение. Основные механизмы электролюминесценции в полупроводниковых приборах следующие:
- Релаксация, сопровождаемая излучением света подвижными носителями заряда, которые получили значительное количество кинетической энергии в электрическом поле (F-PE). Это внутризонный процесс, который происходит в одном энергетическом диапазоне. Данный эффект является доминирующим в КМОП-схемах.
- Излучательная межзонная рекомбинация электронов и дырок (R-PE). В рекомбинации участвуют носители из зоны проводимости и валентной зоны.
Оборудование для работы по методу ФЭМ
Установка фотоэмиссионного тестирования
Установка фотоэмиссионного тестирования (рис. 1) обычно построена на базе зондовой станции, в которой электрические сигналы на исследуемый образец подаются с помощью механических зондов / зондовой платы или, как в случае ИС с частично удаленным корпусом, на внешние выводы устройства.
В рамках работы такой установки используется оптический микроскоп с некоторыми доработками для применения его в ФЭМ. Эмиссия от полупроводниковых структур отличается низкой интенсивностью, поэтому для ее регистрации используют высокочувствительные детекторы, особенно в случае необходимости проведения динамических измерений. Для локализации дефекта полученное изображение ФЭМ необходимо совместить с изображением топологической структуры.
Рисунок 1 – Упрощенная схема установки фотоэмиссионного тестирования
Рисунок 2 – Регистрация световой эмиссии биполярного диода: а) прямосмещенный диод (площадь контактной площадки 100х100 мкм2, ток 100 мкА); обратносмещенный диод (ток в местах, указанных стрелкой, составляет 10 мкА)
Рисунок 3 – Паразитный биполярный транзистор в активном режиме и режиме насыщения
Заключение
Для успешной локализация отказов с помощью ФЭМ (PEM) требуется, чтобы в кремниевой микросхеме возникали участки оптического излучения. Ключевая проблема - локально сконцентрированная высокая плотность тока, которая приводит к возникновению следующих явлений:
- локальное электрическое поле, вызывающее ускорение достаточного количества носителей для рассеяния, сопровождаемого световым излучением в чувствительном для ФЭМ диапазоне (GOX-пробой);
- достаточное количество носителей в области пространственного заряда (ОПЗ) для подтверждения существенного количества событий лучевого рассеяния носителей;
- достаточное количество носителей для диффузии в качестве неосновных носителей для подтверждения существенного количества событий рекомбинационного излучения в активном режиме работы транзистора.
Подходящее оборудование для работы в рамках методов, основанных на оптическом излучении - MERIDIAN-IV от Thermo Fisher Scientific. Meridian-IV - это целостная система для анализа отказов, разработанная для облегчения анализа статических и параметрических дефектов в технологиях 45 нм. Meridian-IV предназначен для решения задач анализа и локализации динамических и параметрических отказов, связанных с целым комплексом процессов или граничными режимами работы устройства, которые проявляются при определенных уровнях напряжения и частоты.
При подготовке статьи были использованы следующие материалы:
- J. Ross “Microelectronics Failure Analysis Desc Reference. Sixth Edition” USA: «ASM International», 2011. – 660 стр.
Если Вам необходима консультация по ФЭМ методу, заинтересовала система Meridian-IV или необходимо подобрать оборудование для работы в рамках методов, основанных на оптическом излучении, присылайте Ваши заявки на эл.почту: info@sernia.ru или позвоните: +7 (495) 204 13 17.
