Методы анализа отказов с использованием оптического излучения
В настоящее время методы поиска отказов интегральных микросхем, основанные на использовании оптического и лазерного излучения, получили широкое распространение. Благодаря методам, основанным на оптическом излучении, полученного применением инжекции носителей, возможен поиск дефектов в p-n-переходах, затворах и подзатворных областях транзисторов. Данные методы заключаются в сканировании лазерным лучом с длиной волны 1064 нм участка образца с полупроводниковыми приборами. В процессе сканирования с образца осуществляется считывание изменения тока или напряжения. Тот участок образца, на котором происходит изменение значения тока или напряжения из-за рекомбинации носителей и возникновения фототока под действием лазера, выделяется на изображении цветом. К методам тестирования интегральных схем, основанных на использовании оптического излучения, можно отнести: анализ тока, наведенного оптическим лучом (Optical Beam Induced Current, OBIC) и изменение напряжения, индуцированное оптическим лучом (LIVA). Далее рассмотрим эти методы подробнее.
Анализ тока, наведенного оптическим лучом (Optical Beam Induced Current, OBIC)
Метод визуализации тока, наведенного оптическим лучом (Optical Beam Induced Current, OBIC) заключается в получении изображений полупроводниковых областей микросхемы, в которых происходит изменение уровня Ферми в процессе сканирования оптическим лучом.
Сканирующий оптический микроскоп имеет в своем составе источник сфокусированного оптического (как правило, лазерного) излучения. Поток фотонов фокусируется в виде луча, с помощью которого осуществляется сканирование поверхности образца. В ходе сканирования происходит регистрация отраженного излучения, модифицированного в соответствии со свойствами исследуемой поверхности. Это эффект используется для получения изображения поверхности образца в процессе сканирования. Сканирование может осуществляться как путем перемещения луча, так и образца.
Если энергия фотонов первичного оптического луча больше, чем запрещенная зона полупроводника, проникновение света в полупроводник приводит к образованию электронно-дырочных пар (рис. 1). Эта энергия составляет 1,1 эВ, что соответствует длине волны 1,1 мкм для кремния.
Рисунок 1 – Физический принцип генерации сигнала OBIC
Электронно-дырочные пары обычно рекомбинируют случайным образом. Однако, если пары образуются вблизи области пространственного заряда (обедненной носителями области) p-n-перехода, носители разделяются потенциалом перехода до их рекомбинации, в результате чего возникает характерный ток. Этот ток, генерируемый в процессе сканирования оптическим лучом полупроводниковых структур ИС, измеряется и визуализируется в виде изображения.
Наиболее распространенными задачами поиска отказов ИС, для решения которых используется метод визуализации тока, наведенного оптическим лучом (OBIC), являются следующие:
- исследование скрытых диффузионных областей,
- выявление дефектных / поврежденных p-n-переходов,
- поиск коротких замыканий в слое подзатворного диэлектрика (после предварительного удаления вышележащих слоев) и других областей с локальными изменениями уровня Ферми.
При наличии источника ИК лазерного излучения имеется возможность тестирования микросхем методом визуализации тока, наведенного оптическим лучом (OBIC) со стороны подложки.
Рисунок 2 – Изображение, полученное в результате тестирования КМОП-устройства методом визуализации тока,
наведенного оптическим лучом (OBIC) путем регистрации тока, протекающего через шины питания. Напряжение питания на микросхему не подавалось.
Метод визуализации тока, наведенного оптическим лучом имеет две основных разновидности: NB-OBIC (без подключения напряжении питания) и CV-OBIC (при подключенном напряжении питания). Для повышения соотношения сигнал/шум метода визуализации тока, наведенного оптическим лучом (OBIC) может использоваться режим Lock-In.
Рисунок 3 – Результат применения метода визуализации тока, наведенного оптическим лучом – полость на ИС
Изменение напряжения, индуцированное оптическим лучом (LIVA)
Метод обладает высокой избирательностью, т.е. он дает возможность обнаружить дефект даже на выполненном с малым увеличением полном изображении кристалла ИС без постобработки. Проверка ИС методом изменения напряжения, индуцированного оптическим лучом (LIVA) с лицевой стороны выполняется с помощью лазерного источника с длиной волны видимого диапазона, а тестирование с обратной стороны кристалла – с использованием источника инфракрасного излучения. Подход метода изменения напряжения, индуцированного оптическим лучом (LIVA) также может использоваться для идентификации логических состояний транзисторов. В этом случае его эффективность гораздо больше, чем у ранее известных оптических методов.
Эффект генерации электронно-дырочных пар фотонами в методе изменения напряжения, индуцированного оптическим лучом (LIVA) используется для получения информации о функционале и дефектах ИС. По сути, метод изменения напряжения, индуцированного оптическим лучом (LIVA) является аналогом метода визуализации изменений напряжения, вызванных зарядом (Charge-induced voltage alteration, CIVA), за исключением того, что в первом случае используется оптический пучок, а во втором – электронный. В обоих этих методах на исследуемое устройство подается питание с источника постоянного тока. Изображения в методе изменения напряжения, индуцированного оптическим лучом (LIVA) создаются путем отслеживания изменений напряжения питания в процессе сканирования поверхности устройства оптическим лучом. Флуктуации напряжения возникают, когда появляется большой ток рекомбинации, оказывающий влияние на энергопотребление ИС.
При последовательном подключении большинство систем усиления имеют заметные ограничения по току (обычно максимальный ток составляет 250 мА), что приводит к уменьшению диапазона измерений. Также нередко возникают трудности при регистрации фототока, значение которого мало по сравнению с постоянным фоновым током. Для определения напряжения измерительный прибор подключается параллельно ИС, в связи с чем влияние образца на результат измерений сведено к минимуму, и, следовательно, в этом случае отсутствуют ограничения по максимальному току. В ходе тестирования методом изменения напряжения, индуцированного оптическим лучом (LIVA) областей ИС, содержащих такие дефекты, как поврежденные электростатическим разрядом полупроводниковые структуры или соединенные с разрушенными проводниками транзисторы, возникают сигналы, уровень которых превышает уровень сигналов, характерных для бездефектных участков, в 10 – 1000 раз. Это различие позволяет получать изображения в методе изменения напряжения, индуцированного оптическим лучом (LIVA), обладающие высокой избирательностью по отношению к дефектам.
Рисунок 4 – Тестирование микроконтроллера методом LIVA с обратной стороны кристалла: а - изображение, на котором видно местоположение дефектного контакта, соединяющего металлическую дорожку нижнего слоя с кремниевой структурой; б - изображение, полученное при регистрации отраженного излучения с таким же увеличением, что и на рисунке 4а; в - изображение, полученное с более высоким увеличением, чем на рисунке 4а; г - изображение, полученное при регистрации отраженного излучения с таким же увеличением, что и на рисунке 4в. С лицевой стороны ИС обнаруженный дефект полностью закрыт шиной питания верхнего слоя металлизации
Рисунок 5 – Исследование внутренней СОЗУ микроконтроллера с обратной стороны кристалла: а - изображение логических состояний транзисторов; б - изображение массива ячеек памяти, полученное путем детектирования отраженного излучения
Заключение
Методы поиска отказов ИС, основанные на использовании оптического излучения, заслуживают внимания как производителей, так и исследователей. В первую очередь, это вызвано тем, что данные методы позволяют получить изображения с хорошим пространственным разрешением и относительно большой глубиной фокуса при минимальных усилиях, затрачиваемых на настройку оборудования.
С другой стороны, пользователей привлекают простота использования оптических методов тестирования, а также возможность локального воздействия на интересующие топологические структуры ИС. Появление подходящих источников инфракрасного лазерного излучения позволило разработать целый ряд оригинальных способов тестирования ИС со стороны подложки.
Можно утверждать, что высокая эффективность этих способов тестирования и заложенный в них потенциал развития будут являться причиной активного использования оптического излучения в качестве инструмента поиска отказов ИС в обозримом будущем, а также иметь хорошие перспективы дальнейшего совершенствования.
Подходящее оборудование для работы в рамках методов, основанных на оптическом излучении - MERIDIAN-IV от Thermo Fisher Scientific (ранее Emiscope DCG Sysmtems*). 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.
* С 2016 года DSG Systems входит в состав FEI (Thermo Fisher Scientific).
При подготовке статьи были использованы следующие материалы:
-
“Semicondactor Reliability Handbook” Renesas Electronics Rev 2.50 Jan 2017;
-
J. Ross “Microelectronics Failure Analysis Desc Reference. Sixth Edition” USA: ASM International, 2011 г. – 660 стр.
