Сергей Максимов
В мире микроэлектроники поиск причины отказа чипа размером с ноготь – это задача, сравнимая с поиском иголки в стоге сена. Когда электрические тесты указывают лишь на аномалию (например, высокий ток утечки или обрыв цепи), на первый план выходят три ключевых физических метода анализа: термография (Thermo), эмиссионная микроскопия (EMMI) и метод детектирования изменения сопротивления, индуцированного лазерным излучением (OBIRCH).
Основная задача – быстро и точно перейти от симптоматики к точным координатам физического дефекта. Это особенно критично, поскольку современные полупроводниковые технологии стремятся к постоянному уменьшению топологических норм. Структуры чипа становятся настолько малыми, что невидимы для обычных оптических микроскопов, а дефект – будь то микротрещина в металлизации или короткое замыкание в оксидном слое – может иметь размер в единицы нанометров, катастрофически влияя на работу всего устройства.
Применение данных методов в анализе отказов позволяет выявлять дефекты не только на поверхности, но на приповерхностных слоях, проникая на сотни микрометров в глубь полупроводниковых структур.
Методы Thermo, EMMI и OBIRCH эффективно дополняют друг друга, образуя универсальный диагностический инструмент для анализа отказов и локализации дефектов:
▪ Thermo: для быстрого скрининга и грубой локализации «горячих точек».
▪ EMMI: для точечного поиска источников фотонной эмиссии от дефектов, связанных с токами утечки и пробоями.
▪ OBIRCH: активный метод для локализации «тёмных», резистивных дефектов, которые не светятся и не нагреваются явным образом.
Комбинированное применение этих методов позволяет инженеру-аналитику максимально эффективно отследить путь от электрической аномалии до локализации физического дефекта, получая обратную связь для совершенствования технологических процессов и повышения надёжности микроэлектронных устройств. Каждый из методов реализован в виде самостоятельного оборудования и, несмотря на общую задачу – анализ отказов и локализацию дефектов с высокой точностью, основан на разных физических принципах.
Принцип действия Thermo
Метод Thermo основан на детектировании теплового излучения, возникающего из-за диссипации мощности в месте дефекта (РИС 1). Любое нештатное сопротивление, будь то короткое замыкание или повышенное сопротивление перехода, приводит к локальному разогреву.
Этот нагрев фиксируется высокочувствительной инфракрасной камерой, работающей в спектральных диапазонах 3–5 мкм или 8–12 мкм (РИС 2).
На практике процедура выглядит проще, чем теория регистрации тепловых излучений, обработки сигналов и их интерпретации:
▪ На устройство подаётся напряжение, достаточное для проявления дефекта, но недостаточное для его катастрофического разрушения.
▪ Чип сканируется ИК-камерой через специальную инфракрасную оптику.
▪ На тепловой карте (термограмме) области с аномальным нагревом отображаются ярким цветовым градиентом на фоне более холодной подложки.
Применение этого метода позволяет выявить короткие замыкания в металлизации, пробои p-n-переходов, а также дефекты, вызывающие лавинообразный саморазогрев (РИС 3, 4).
Метод Thermo применяется для:
▪ диагностики микроэлектронных устройств: локализация горячих точек, короткое замыкание, утечка тока;
▪ исследования тепловых свойств материалов: локальная теплопроводность, контактные сопротивления;
▪ анализа устройств в динамике: переходные и высокочастотные тепловые процессы в транзисторах и силовой электронике;
▪ контроля технологических процессов: выявление дефектов пайки, термических аномалий в сборках.
Преимущества метода Thermo
Исключительно высокая чувствительность – главное достоинство метода. Способность обнаруживать дефекты с тепловыделением в единицы и даже доли микроватт (мкВт), чувствительность по температуре достигает десятков микрокельвинов (мкК) после накопления сигнала. Это позволяет находить предельно малые токи утечки, недоступные для других методов.
Возможность 3D-локализации. Благодаря анализу фазового сдвига, возможно не только точно определить местоположение дефекта по осям X и Y, но
и оценить глубину его залегания (ось Z).
Устойчивость к внешним факторам. Метод «съедает» постоянные шумы и дрейфы температуры окружающей среды, а также нечувствителен к паразитным отражениям. Это позволяет проводить измерения без специального экранирования.
Отсутствие пробоподготовки. LIT не требует нанесения на поверхность кристалла каких-либо чувствительных слоев (как, например, жидкие кристаллы или флуоресцентные красители). Анализ проводится непосредственно по собственному ИК-излучению прибора.
Ограничения метода Thermo
Ограниченное пространственное разрешение. Разрешение стандартных микроскопных ИК-установок ограничено дифракционным пределом, который
для используемого средневолнового ИК-диапазона (3-5 мкм) составляет около 5 мкм.
Необходимость в импульсном источнике питания. Необходимо подавать на дефект четко синхронизированное импульсное питание с контролируемой частотой и скважностью. Для некоторых типов дефектов или режимов работы это может быть сложно реализовать.
Чувствительность только к «теплым» дефектам.
Обнаруживает только те неисправности, которые выделяют тепло (диссипируют мощность). «Холодные» дефекты, такие как чистые обрывы металла (разрыв цепи без утечки и нагрева), этим методом не выявляются.
Ограничения по частоте. Выбор частоты модуляции влияет на результат. Низкие частоты дают лучший сигнал (выше амплитуда нагрева), но ухудшают пространственное разрешение из-за большего теплового расплывания. Высокие частоты улучшают разрешение, но снижают соотношение сигнал/шум.
Время измерения. Для достижения рекордной чувствительности (единицы мкК) требуется длительное время накопления сигнала, которое может составлять десятки минут.
Принцип действия EMMI
Метод EMMI основан на детектировании слабых потоков фотонов, которые спонтанно излучаются при определённых электрических процессах в полупроводнике. Применение метода направлено на обнаружение и локализацию дефектов: токи утечки через затвор, пробой диэлектрика, прямое смещение p-n-переходов, проколы в оксидных слоях и других,
которые приводят к электронно-дырочной рекомбинации.
Высокочувствительные датчики с очень низким уровнем шума улавливают мельчайшие частицы света, возникающие в процессе этой рекомбинации.
(РИС 6).
Основные физические механизмы излучения:
▪ Инжекционная люминесценция – при прямом смещении p-n-перехода инжектированные носители рекомбинируют с излучением фотонов (с
энергией, близкой к ширине запрещённой зоны кремния ~1.1 эВ, ИК-диапазон).
▪ Люминесценция при пробое – в условиях обратного смещения перехода или пробоя (туннелирование, лавинный пробой) разогретые («горячие») носители теряют энергию, излучая фотоны в широком спектре (видимый и ближний ИК-диапазон).
▪ Излучение, вызванное токами утечки. В отличие от Thermo, где устройство также находится под напряжением, при использовании метода EMMI устройство помещают в абсолютно тёмный бокс. Детектирование излучения обеспечивает сверхчувствительная камера с длительной выдержкой,
которая накапливает фотоны, испускаемые чипом.
Преимущество метода EMMI
Высочайшая чувствительность к токам утечки – главное преимущество метода. Способность обнаруживать дефекты, вызывающие токи утечки вплоть до пикоамперного (пА) диапазона. Это делает метод незаменимым для диагностики современных низкопотребляющих микросхем.
Наглядность и точность. Дает прямое визуальное подтверждение дефекта в виде светящейся точки. Пространственное разрешение составляет единицы микрометров, что позволяет точно привязать место дефекта к элементам топологии.
Пассивность и неразрушающий характер. Не требует внешнего воздействия на образец, кроме подачи рабочего напряжения. Просто «наблюдает» за свечением, не вмешиваясь в работу схемы и не рискуя дополнительно ее
повредить.
Широкая область применения. Эффективен для поиска множества типов дефектов, включая:
▪ токи утечки и пробой p-n-переходов (Junction Leakage/Breakdown);
▪ дефекты подзатворного диэлектрика (Gate Oxide Defects);
▪ последствия электростатического разряда (ESD Failure);
▪ эффект «защелкивания» (Latch-up);
▪ дефекты, вызванные горячими носителями (Hot Carriers Effect).
Ограничения метода EMMI
Обнаруживает только «светящиеся» дефекты – это фундаментальное ограничение. Дефекты, которые не сопровождаются излучением фотонов, такие как чистые обрывы металлических проводников (металл просто
не светится) или увеличение переходного сопротивления в контактах, останутся невидимыми для EMM.
Экранирование металлом (проблема Frontside). Активные области кремния, где происходит свечение, часто расположены под несколькими слоями
металлизации. Металл непрозрачен для видимого и ближнего ИК-света, поэтому он может полностью заблокировать сигнал от дефекта. В таких случаях приходится проводить анализ с обратной стороны кристалла (Backside EMMI), что требует сложной пробоподготовки (шлифовка и полировка подложки).
Размер пятна. В некоторых случаях, особенно для глубоких дефектов или при анализе с обратной стороны, наблюдаемое пятно свечения может быть
больше реального размера дефекта из-за рассеяния света в кремнии.
Необходимость пробоподготовки. Для стандартного анализа с лицевой стороны требуется вскрытие корпуса микросхемы для обеспечения доступа к кристаллу. Для обратной стороны требуется дополнительная обработка.
Принцип действия OBIRCH
В отличие от Thermo и EMMI, OBIRCH является активным методом, основанным на эффекте локального теплового воздействия на электрическое сопротивление. Сфокусированный луч лазера (чаще всего с длиной волны 1340 нм для лучшего проникновения через кремний) сканирует поверхность чипа. Когда луч попадает на область с дефектом, происходит его локальный нагрев. Это приводит к двум основным эффектам, изменяющим сопротивление:
▪ Терморезистивный эффект: сопротивление металлических дорожек увеличивается с ростом температуры.
▪ Эффект Зеебека: в месте контакта разнородных материалов (например, алюминий–кремний) возникает термо-ЭДС, вызывающая дополнительный ток.
Принцип работы реализован следующим образом:
▪ На устройство подаётся фиксированное низкое напряжение или ток.
▪ Лазерный луч сканирует поверхность чипа пиксель за пикселем.
▪ Система постоянно отслеживает изменение напряжения или тока питания устройства.
▪ Когда луч попадает на критическую область, связанную с дефектом (например, на суженную перемычку над трещиной), локальный нагрев
вызывает скачок сопротивления. Это фиксируется как всплеск сигнала.
▪ Координаты лазерного луча в этот момент и есть точное местоположение дефекта.
Преимущество метода OBIRCH
Высокая чувствительность к различным дефектам. Обладает исключительной чувствительностью к токам утечки и позволяет обнаруживать не только основной путь утечки, но и дополнительные, потенциальные
пути обхода или слабые места. Эффективен для широкого спектра дефектов, включая:
▪ проблемы металлизации (короткие замыкания, пустоты (voids), высокая резистивность);
▪ дефекты контактов и переходных отверстий (via); ▪ пробой подзатворного диэлектрика;
▪ локализацию путей протекания тока.
Способность дополнять эмиссионную микроскопию (EMMI). Особенно полезен там, где EMMI малоэффективен, например из-за толстых слоев металла,
блокирующих фотоны, или из-за дефектов, которые не сопровождаются свечением (например, проблемы металлизации).
Скорость анализа. Это быстрый метод, что делает его привлекательным для первичной локализации дефектов в условиях высокой загрузки лаборатории. Даже если его разрешения недостаточно, он позволяет быстро отсеять очевидные дефекты, экономя время для более трудоемких методов.
Выявление скрытых дефектов надежности. Может указывать на наличие дефектов (например, структурных нарушений) еще до того, как они проявят себя в виде электрического отказа при стандартном тестировании. Это делает метод перспективным инструментом для контроля надежности (РИС 9, 10).
Ограничения метода OBIRCH
Чувствительность только к дефектам с аномальным
тепловыделением. Обнаруживает только те неисправности, которые вызывают изменение сопротивления при нагреве. «Холодные» дефекты, не меняющие сопротивление или не находящиеся под напряжением, останутся невидимыми.
Чувствительность к помехам от фотогенерации носителей. Хотя для OBIRCH используется лазер с длиной волны, не генерирующей электронно-дырочные
пары в кремнии, в некоторых случаях (например, при использовании лазеров с меньшей длиной волны или в определенных материалах) может возникать паразитный фототок, который маскирует полезный сигнал от изменения сопротивления.
Рассмотрев три ключевых метода локальной диагностики полупроводниковых приборов – Lock-in термография (THERMO/LIT), фотонная эмиссионная
микроскопия (EMMI) и лазерная стимуляция изменения сопротивления (OBIRCH) – можно с уверенностью утверждать, что они образуют методологический фундамент современного анализа отказов интегральных схем. Совокупность методов справедливо называют «Тремя китами», на которых держится успешнаялокализация дефектов в микроэлектронике. Каждый из методов обладает уникальным физическим принципом действия и, соответственно, занимает свою нишу в диагностическом процессе.
В практической работе инженера-диагноста эти методы не конкурируют, а гармонично дополняют друг друга. EMMI и OBIRCH часто используют в паре:
один ищет «светящиеся» утечки, другой – «несветящиеся» резистивные аномалии. THERMO, в свою очередь, выступает в роли высокочувствительного
инструмента первичной разбраковки, способного обнаружить микродефекты там, где другие методы бессильны. Возможность 3D-локализации делает Lock-in термографию незаменимым инструментом для анализа современных многослойных структур.
Таким образом, владение и комплексное применение методов THERMO, EMMI
и OBIRCH является обязательным условием для эффективного анализа отказов
в современной микроэлектронике. Вместе они образуют мощный аналитический комплекс, позволяющий с высокой точностью, чувствительностью и достоверностью выявлять коренные причины
неисправностей полупроводниковых приборов, обеспечивая контроль качества, надежность и возможность противодействия контрафактной продукции.