協(xié)同分析在集成電路失效定位中的應(yīng)用探討

虞勇堅，鄒巧云，呂棟，陸堅

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫214035）

協(xié)同分析在集成電路失效定位中的應(yīng)用探討

虞勇堅，鄒巧云，呂棟，陸堅

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫214035）

隨著集成電路規(guī)模和制造工藝的發(fā)展，對失效電路進(jìn)行失效點定位的難度也越來越大，單獨依靠一種分析方法很難實現(xiàn)失效點定位。利用先進(jìn)分析儀器設(shè)備，采用多種方法協(xié)同分析，成為針對大規(guī)模集成電路失效定位分析的必然選擇。從有效實現(xiàn)失效定位為出發(fā)點，根據(jù)失效分析的標(biāo)準(zhǔn)和流程，將定位分析過程和設(shè)備儀器劃分成三個層次，結(jié)合在各分析階段發(fā)現(xiàn)的失效案例，說明多種分析方式協(xié)同使用可以實現(xiàn)大規(guī)模集成電路失效點的快速、準(zhǔn)確定位，分析過程中獲取的信息可以為后續(xù)的失效機(jī)理和失效原因分析提供可靠依據(jù)。

集成電路；失效分析；協(xié)同分析；失效定位

1 引言

《GJB3233-1998半導(dǎo)體集成電路的失效分析程序和方法》[1]中給出了最低限度、基本分析和全面分析這三個層次的分析程序和方法，指出了從外部分析到內(nèi)部解剖分析，從非破壞性分析、半破壞性分析到破壞性分析的順序和原則。

集成電路的整個失效分析流程中，各個階段的分析過程實際上是借助于各類儀器設(shè)備和分析方法實現(xiàn)失效定位的過程，需要對失效模式進(jìn)行準(zhǔn)確辨別，也是剖析失效機(jī)理的先決條件。集成電路常見的失效模式主要包括漏電、短路、開路、參數(shù)漂移及功能失效等，而典型的失效機(jī)理則包括靜電放電、過電應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力損傷、工藝缺陷及封裝缺陷等[2~5]。伴隨著集成電路工藝制程的發(fā)展，芯片的布線層數(shù)越來越多，其關(guān)鍵尺寸也越來越小，集成電路的失效機(jī)理有了新的發(fā)展，如TDDB、HCI等效應(yīng)更為顯著，失效分析難度也越來越大。要高效、準(zhǔn)確地達(dá)到集成電路失效分析的目的，需要借助更為先進(jìn)的高精度儀器設(shè)備、恰當(dāng)?shù)姆治龇椒ê秃侠淼姆治霾襟E，采用多種分析方法協(xié)同進(jìn)行的方式，快速、準(zhǔn)確地定位失效位置，為后續(xù)的機(jī)理分析和失效原因分析提供可靠的依據(jù)。

2 協(xié)同分析過程中的儀器設(shè)備

在《GJB3233-1998半導(dǎo)體集成電路的失效分析程序和方法》中給出了開展失效分析和定位過程中常用的電特性測試設(shè)備、觀察測量設(shè)備、實驗設(shè)備、解剖工具和輔助設(shè)備、化學(xué)工作間設(shè)施、物理分析設(shè)備的名稱和分析方法，伴隨著技術(shù)的發(fā)展，一些新型的失效定位工具逐步得到應(yīng)用，并具有優(yōu)越的效果。

針對這些新型的儀器設(shè)備和分析方法，按照在失效分析過程中具有的功能和所處地位，大體來說可以分成非破壞性分析儀器、半破壞性分析儀器和破壞性分析儀器三大類。例如，ATE自動測試設(shè)備、I-V曲線測試儀、X射線測試儀、掃描超聲測試儀等可歸為非破壞性分析儀器設(shè)備；EMMI、紅外熱像儀等需要對樣品進(jìn)行開封，但保留電路內(nèi)部和電性連接完好，可將其歸為半破壞性分析儀器設(shè)備；而SEM+EDS、FIB等設(shè)備，則需要對樣品進(jìn)行一定程度的預(yù)先制樣，例如金相制樣、切割等，可歸為破壞性分析儀器設(shè)備。

2.1 自動測試設(shè)備（Automatic Test Equipment，ATE）和I-V曲線測試儀（I-V Curve Tracer，I-V）

兩者都屬于電特性測試設(shè)備，測試機(jī)臺的精度、功能都有了巨大的發(fā)展。

市場上成熟的高精度ATE自動測試設(shè)備廠家有很多，最有代表性的是日本愛德萬公司和美國泰瑞達(dá)公司，程序開發(fā)工程師可以根據(jù)電路種類和產(chǎn)品規(guī)范內(nèi)的技術(shù)指標(biāo)，在設(shè)備上編寫測試程序，對器件的各個端口進(jìn)行連通性測試、對各個輸入端口進(jìn)行高低電平漏電測試、對各輸出端口的驅(qū)動能力進(jìn)行輸出高低電平測試，對器件的靜態(tài)電流、動態(tài)電流、時序、功能等進(jìn)行全參數(shù)測試，并可在測試過程中對器件同步施加高、低溫等環(huán)境應(yīng)力條件。

由于器件內(nèi)部的鍵合點PAD與電路內(nèi)部之間有ESD保護(hù)電路存在，該保護(hù)電路從本質(zhì)上可以等效為一個反偏的二極管[3,6]。I-V曲線測試儀主要用于考察該保護(hù)二極管在一定范圍內(nèi)的電壓-電流特性，測試時設(shè)定電壓輸入范圍（橫坐標(biāo)），考察電流的變化趨勢（縱坐標(biāo)），通過對正常端口和異常端口的比較，確定失效端口以及失效模式。

2.2 X射線測試系統(tǒng)（X-ray System，X-ray）和掃描超聲顯微鏡（Scanning Acoustic Microscope，SAM）

兩者屬于觀察測量設(shè)備，是對失效器件進(jìn)行內(nèi)在缺陷的檢測。

利用X射線的穿透特性，對器件內(nèi)部的不可見區(qū)域進(jìn)行2D成像，用于分析元器件內(nèi)部諸如鍵合絲倒伏、密封環(huán)失效、多余可動顆粒物、內(nèi)部元件安裝錯誤等結(jié)構(gòu)缺陷；利用其3D成像能力，可“剝離”器件內(nèi)部包含基板在內(nèi)的所有內(nèi)部層次和任意需要的觀察面。

掃描超聲顯微鏡通過比較不同區(qū)域發(fā)射和接收穿透物體后反射回的聲波傳輸時間差，獲取觀察面的特性，例如芯片和基板分層、裂縫、界面剝離等缺陷。

2.3 微光顯微鏡(Emission Microscope，EMMI)和紅外熱像儀（Infrared Thermal Imaging Systems）

兩者屬于物理分析設(shè)備，是通過激發(fā)缺陷后與正常區(qū)域的對比實現(xiàn)失效定位工具。

對于光學(xué)顯微鏡不能定位的損傷，特別是端口漏電流異常的電路，EMMI是有效的失效定位探測手段[7,8]。通過在異常端口施加合適的電應(yīng)力，在黑暗的環(huán)境下，電制冷的探測器接收來自器件內(nèi)部的PN結(jié)漏電微光，與光學(xué)圖像復(fù)合后，在失效定位方面具有直觀、快速、可重復(fù)的特點。

紅外熱像儀可與EMMI配合使用，對于缺陷和失效點，施加電應(yīng)力后往往會在失效位置出現(xiàn)的異常熱點，EMMI觀察不到的現(xiàn)象，可嘗試?yán)靡旱评浼t外熱像儀尋找漏電熱點，進(jìn)行失效定位，另外紅外熱像儀的分析功能可用于結(jié)溫測量。

2.4 掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）、能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）和聚焦離子束（Focused Ion beam,FIB）

這幾類同樣屬于物理分析設(shè)備，屬于破壞性分析儀器設(shè)備，技術(shù)的發(fā)展促使現(xiàn)在的儀器可以達(dá)到更高的顯示和分析精度。

掃描電鏡是重要的失效分析工具，可用于觀察失效形貌，例如極細(xì)微的漏電擊穿通道，配合EDS則可對異常區(qū)域或材料進(jìn)行定性的成分分析。

FIB可快速、準(zhǔn)確地對失效點進(jìn)行定點縱向解剖，獲取器件縱向上的失效分布、演變信息。

3 失效定位協(xié)同分析方法

伴隨集成電路設(shè)計和加工復(fù)雜度的提升，單項分析過程往往不能有效實現(xiàn)失效位置的準(zhǔn)確定位，這就要求失效分析工程師能夠在《GJB3233-1998半導(dǎo)體集成電路的失效分析程序和方法》給出的分析方法基礎(chǔ)上，充分利用資源，利用多種分析方法協(xié)同進(jìn)行分析。

圖1將新增失效定位分析方法劃分成非破壞性分析定位、半破壞性分析定位和破壞性分析定位三個過程。

圖1 失效定位協(xié)同分析流程圖

在進(jìn)行非破壞性分析定位過程中，有測試條件的可通過ATE測試分析，結(jié)合I-V曲線分析，從電性測試方面對失效端口進(jìn)行定位，確定失效模式；利用X-ray和掃描超聲分析檢驗工藝問題、組裝過程或其他階段引入的缺陷、失效。

破壞性分析定位則更進(jìn)一步，在半破壞性分析的基礎(chǔ)上利用解剖分析的方法，逐層去除芯片表面的各介質(zhì)層、金屬層和多晶層，直至襯底（有源區(qū)表面），在SEM下進(jìn)行平面觀察，尋找細(xì)微的物理損傷失效點如ESD擊穿痕跡；或者通過金相制樣的方法，利用SEM進(jìn)行剖面觀察，尋找器件的內(nèi)部分層開裂、引線脫落等失效點、失效界面；或者通過FIB的方法精確制作剖面，逐漸向失效點逼近，采集剖切過程中的離子束逐次磨拋的界面圖像，直至找到損傷點在縱向上的分布和演變過程。

3.1 ATE測試數(shù)據(jù)分析

應(yīng)根據(jù)器件失效時的環(huán)境，在相應(yīng)的環(huán)境條件下進(jìn)行測試，如高低溫失效的器件應(yīng)在相應(yīng)的高低溫環(huán)境下對器件進(jìn)行全參數(shù)測試，便于后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，有條件的可仿用戶環(huán)境搭載實驗平臺，以復(fù)現(xiàn)失效現(xiàn)象。

ATE的測試數(shù)據(jù)都具有可讀、規(guī)范化的格式，失效分析工程師可方便地解讀和判別。例如連接性測試可判斷端口開短路存在，而圖2所示的失效項，則表明器件端口（B26）的輸入漏電流超標(biāo)，這種參數(shù)變化往往代表器件的端口保護(hù)電路存在損傷。

圖2 端口漏電流超標(biāo)

ATE測試分析為后續(xù)開展I-V曲線分析、EMMI或紅外熱像分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)和基礎(chǔ)。

3.2 I-V曲線分析

為了保護(hù)器件內(nèi)部電路不受ESD損傷，器件在端口版圖上設(shè)計有保護(hù)電路，這種保護(hù)電路在電性能上可等效于二極管[3,6]，見圖3。

電路內(nèi)部經(jīng)歷長期的電化學(xué)腐蝕、模塑料分層、ESD或EOS損傷等應(yīng)力條件后，通過I-V曲線掃描可以發(fā)現(xiàn)其端口的二極管特性往往會發(fā)生退化，圖4顯示在端口保護(hù)管開啟前即呈現(xiàn)電阻特性，相當(dāng)于在保護(hù)管上并接一個電阻，表示器件內(nèi)部存在漏電通路，外在表現(xiàn)為端口漏電增加，如果這個并接的電阻進(jìn)一步減小，如發(fā)生ESD事件后溝道擊穿，那么曲線會進(jìn)一步上抬，直至貼近Y軸（短路）。

圖3 端口ESD保護(hù)管等效電路

圖4 端口ESD保護(hù)管串阻特性退化的I-V特性

3.3 X-ray分析

為檢驗失效電路內(nèi)部是否存在會引起ATE測試和I-V曲線分析所表現(xiàn)出的失效現(xiàn)象，可在不損傷器件的情況下，通過X-ray檢驗器件的密封環(huán)結(jié)構(gòu)、芯片粘接、鍵合引線布局、電路組裝工藝等是否存在缺陷和失效。

X-ray對于器件內(nèi)部存在的異常物理性損傷和缺陷具有很好的檢測能力，例如利用其2D成像能力，檢驗器件內(nèi)部的工藝差錯、缺陷和鍵合引線損傷；在植球工藝或組裝工藝過程中，檢驗倒裝芯片內(nèi)凸點互聯(lián)短路現(xiàn)象，見圖5；對于板級組裝后的環(huán)境試驗過程中焊球脫離的現(xiàn)象，利用3D成像能力，可擬合出焊球的形貌，有助于判斷失效位置。

這樣一個明顯的弱點似乎是對一種理論判了死刑。但是，許多科學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球膨脹論仍然比大陸漂移理論更加合理，而大陸漂移理論在二戰(zhàn)結(jié)束前似乎是激進(jìn)的。更重要的是，地球膨脹論除了能夠解決大陸分布問題之外，似乎也可以解釋另一個地質(zhì)之謎，即海底比地球上的陸地年輕數(shù)十億年的奇怪事實。

3.4 掃描超聲顯微鏡分析

對于塑封器件，引線框架與塑封料、芯片與塑封料之間的內(nèi)部分層是引起電路失效的一大主因，引起鍵合引線與芯片焊點、引線框架接觸不良，甚至開路。掃描超聲顯微鏡分析可快速、有效地對這種失效模式進(jìn)行鑒別和定位，見圖6中標(biāo)記的位置，引線框架與模塑料分層，與X-ray檢查對照后發(fā)現(xiàn)，該處也是外鍵合點所在的位置。

圖5 高溫下內(nèi)凸點熔化互連短路

圖6 引線框架（外鍵合點）與塑封料分層

3.5 OM內(nèi)部觀察

利用光學(xué)顯微鏡對電路外觀和內(nèi)部進(jìn)行檢查，可以快速、直觀地定位可見缺陷，如芯片表面的EOS損傷、鍵合引線熔斷、沾污、腐蝕等現(xiàn)象，進(jìn)一步確認(rèn)失效現(xiàn)象，定位失效區(qū)域。圖7中鍵合引線熔斷開路，圖8中端口ESD保護(hù)管過電燒毀（ATE測試數(shù)據(jù)對應(yīng)圖2）。

圖7 鍵合引線熔斷

圖8 端口ESD保護(hù)管EOS燒毀

3.6 EMMI分析

通過ATE測試、I-V曲線測試可以基本判斷器件的失效模式，已經(jīng)可定位具體的失效端口，若在X-ray、掃描超聲和OM檢查中未能觀察到損傷情況，可進(jìn)一步進(jìn)行EMMI分析。

在失效端口施加合適的電應(yīng)力，使端口保護(hù)管處于反偏狀態(tài)，通過EMMI機(jī)臺內(nèi)電制冷CCD探測漏電位置的微弱發(fā)光，可定位電路內(nèi)部具體的失效區(qū)域，見圖9。

EMMI分析可探測到的缺陷和損傷類型，主要和有源區(qū)層的缺陷或損傷漏電有關(guān)，見圖10中黑色虛線框內(nèi)的區(qū)域，PN結(jié)漏電、接觸尖峰、氧化缺陷、柵針孔、ESD擊穿（柵氧擊穿）、閂鎖等[4,8]均發(fā)生在這一層面。

圖9 EMMI測試定位漏電位置

圖10 保護(hù)管縱向結(jié)構(gòu)

需要注意的是，在進(jìn)行失效定位分析時，務(wù)必要在器件端口加載能夠呈現(xiàn)缺陷狀態(tài)的電應(yīng)力，因為正向?qū)ǖ腜N結(jié)也可呈現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象，需要和缺陷、損傷引起的漏電發(fā)光加以區(qū)分。

3.7 紅外熱像分析

紅外熱像分析往往可以和EMMI連用，對于某些失效電路，在表層有密集金屬層遮擋或缺陷和損傷存在于器件的金屬互連層時，單靠配置冷CCD探測器的EMMI也是無法探測到亮點的，若器件具有明顯的熱分布特性，可借助紅外熱像儀對漏電產(chǎn)生異常熱分布的探測能力進(jìn)行失效點定位，見圖11中發(fā)白區(qū)域。測試過程只需從EMMI機(jī)臺直接遷移待測電路，不必像OBIRCH需對樣品進(jìn)行額外制樣。

圖11 紅外熱像儀熱點分析

3.8 SEM+EDS分析

SEM在失效分析過程中，特別是對于一些微納米尺度的損傷，具有OM所無法替代的優(yōu)勢，例如在觀察器件縱向結(jié)構(gòu)和進(jìn)行材料成分分析等過程。

圖12為一倒裝焊電路經(jīng)過500次溫循后，電測發(fā)現(xiàn)某端口開路，利用X-ray設(shè)備和掃描超聲檢查未發(fā)現(xiàn)明顯的失效點。經(jīng)縱向制樣，SEM下觀察發(fā)現(xiàn)該端口的凸點內(nèi)部存在開裂。

圖12 內(nèi)凸點開裂

EDS分析是針對可疑區(qū)域和物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，從材料、成分角度對失效原因進(jìn)行判斷。

3.9 FIB分析

在進(jìn)行上述分析的基礎(chǔ)上，例如完成EMMI或紅外熱像分析后，可以利用FIB進(jìn)一步對失效點進(jìn)行縱向分析[7~9]。

圖13中所示器件，在ATE測試和I-V曲線分析過程中，均發(fā)現(xiàn)柵極和源漏間存在短路，通過FIB剖切發(fā)現(xiàn)Metal 2存在刻蝕殘留導(dǎo)致柵極和源漏間Metal 2短路。

圖14中則顯示Metal 1的Al接觸孔在制造過程中填充不良，Metal 1在接觸孔邊緣過薄、截面積過小，在工作過程中因電流密度過大容易引起該處熔斷、線路開路。

圖13 刻蝕殘留引起短路

圖14 接觸孔填充不良導(dǎo)致線路截面積過小

3.10 去層分析方法

去層分析是在進(jìn)行分析定位的基礎(chǔ)上進(jìn)行的破壞性分析定位方法，通過等離子刻蝕、化學(xué)腐蝕、機(jī)械研磨等方法，逐層剝離芯片表面的各層介質(zhì)、金屬化布線，直至達(dá)到損傷位置的過程，另外依照《GJB3233-1998半導(dǎo)體集成電路的失效分析程序和方法》方法5.3“全面的失效分析程序和方法”中的要求，特別是對器件端口的結(jié)構(gòu)和邏輯做進(jìn)一步判斷的情況下，需要對擴(kuò)散層進(jìn)行PN結(jié)染色判斷。

在分析過程中，需要對各層圖形、失效現(xiàn)象進(jìn)行拍照，并根據(jù)失效現(xiàn)象和物理版圖、制造工藝等信息進(jìn)行機(jī)理分析。圖15為圖8中B26端口去除各介質(zhì)層、金屬化層以及擴(kuò)散區(qū)PN結(jié)染色的OM照片。

圖15失效位置去層分析、PN結(jié)染色

圖16 為去除所有介質(zhì)層和金屬化層后，在SEM下觀察到的PN結(jié)縱向擊穿、橫向擊穿和過流的圖片。

圖16 PN結(jié)縱向擊穿、橫向擊穿和閂鎖燒毀

3.11 其他失效定位分析方法

在GJB3233-1998中所列和以上所述的失效定位分析儀器設(shè)備和方法外，還有其他的先進(jìn)儀器和方法可輔助實現(xiàn)失效定位。

如EMMI機(jī)臺配備InGaAs探頭可將Si-CCD探測器的光譜相應(yīng)范圍從1 μm的近紅外擴(kuò)展到2 μm以上的中遠(yuǎn)紅外，有助于擴(kuò)展90 nm以后的定位探測能力；配備OBIRCH可有效地探測存在于金屬線路中的開短路[10~11]，并適用于倒裝結(jié)構(gòu)的芯片或者正面具有多層金屬遮擋的情況。

對有機(jī)化合物沾污進(jìn)行分析時可采用傅里葉紅外光譜儀（FTIR）；為實現(xiàn)器件納米級結(jié)構(gòu)和成分分析可采用透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行分析；為獲取失效點的縱向信息，可進(jìn)行金相制樣，磨拋到合適位置進(jìn)行SEM+EDS觀察分析；為檢驗失效電路內(nèi)部是否因水汽超標(biāo)造成器件低溫失效，可進(jìn)行內(nèi)部氣體成分分析；另可從實際需要出發(fā)，選擇如俄歇電子能譜分析、二次離子質(zhì)譜分析、X射線光電子能譜分析等技術(shù)，對失效電路進(jìn)行針對性的分析，以實現(xiàn)失效位置的查找和失效原因的分析。

4 結(jié)論

本文探討了在《GJB3233-1998半導(dǎo)體集成電路的失效分析程序和方法》的基礎(chǔ)上，針對大規(guī)模集成電路失效分析過程中失效點定位的難題，利用現(xiàn)代高精度儀器設(shè)備、采用多種分析方法協(xié)同進(jìn)行的方式，達(dá)到失效位置快速、準(zhǔn)確定位的目的。

伴隨著集成電路工藝制程向超深亞微米的發(fā)展，芯片的布線層數(shù)已經(jīng)超越20層，其關(guān)鍵尺寸也逐漸向10 nm以下發(fā)展，這些對集成電路的失效分析提出了更高的挑戰(zhàn)，單獨依靠一種分析方法很難實現(xiàn)失效點定位。為高效、準(zhǔn)確地實現(xiàn)集成電路失效定位必須借助先進(jìn)的高精度儀器設(shè)備、恰當(dāng)?shù)姆治龇椒ê秃侠淼姆治霾襟E，采用多種分析方式協(xié)同進(jìn)行，盡可能獲取有效信息，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行綜合分析，為后續(xù)進(jìn)行失效機(jī)理、失效原因分析以及提出改進(jìn)意見提供可靠依據(jù)。

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Application of Collaborative Analysis in Failure Location of Integrated Circuits

YU Yongjian,ZOU Qiaoyun,LV Dong,LU Jian
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China）

With the development of integrated circuit scale and manufacturing process,it is difficult to locate the failure point of failure circuits.Single analysis method may not obtain the expected result.Advanced analyticalinstruments and devices and multiple methods of collaborative analysis become inevitable choices for failure location analysis of large-scale integrated circuits.According to the failure analysis standards and process,equipment is divided into three levels.Various failure cases found in each analysis stage show that the multi-analysis method is conducive to achieve fast and accurate positioning of large-scale integrated circuit failure points.The analysis obtained during the process provides reliable reference for further failure analysis.

integrated circuit;failure analysis;collaborative analysis;failure location

TN407

A

1681-1070（2017）08-0036-05

虞勇堅（1978—），男，江蘇丹陽人，碩士，2004年畢業(yè)于南京理工大學(xué)，主要從事半導(dǎo)體集成電路可靠性分析工作。

2017-6-10