激光測(cè)距傳感器芯片功能異常分析

余應(yīng)森 ， 黃彩清

（深圳賽意法微電子有限公司，廣東 深圳 518038）

0 引言

激光測(cè)距傳感器是一種使用近紅外激光來測(cè)試距離的半導(dǎo)體器件，其實(shí)際的測(cè)距方法是利用信號(hào)在2個(gè)光子接收感應(yīng)器之間的往返飛行時(shí)間，計(jì)算出測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離[1]。激光距離傳感器的芯片是基于CMOS工藝的半導(dǎo)體產(chǎn)品，其核心功能是由單光子雪崩二極管（SPAD）和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）組合實(shí)現(xiàn)的。SPAD是一種具有單光子探測(cè)能力的光電探測(cè)雪崩二極管，而VCSEL則是一種半導(dǎo)體激光器[2-3]。通過多個(gè)SPAD組合而成的SPAD功能矩陣模塊，傳感器芯片將可以VCSEL發(fā)射的光子信號(hào)進(jìn)行讀取并計(jì)算轉(zhuǎn)換成為距離。因此，當(dāng)傳感晶圓發(fā)生線路異常或失效時(shí)，圍繞SPAD功能矩陣工作的模塊無(wú)法正常工作，產(chǎn)品就會(huì)發(fā)生失效。

本研究結(jié)合常見的失效分析方法，介紹基于激光測(cè)距傳感器功能異常的特定失效分析的步驟及方法，如電性能、I-U測(cè)試分析、失效定位（OBIRCH）、芯片的去層化處理和Plasma FIB微切等，最后找出準(zhǔn)確的失效點(diǎn)，為激光測(cè)距傳感器功能異常的失效提供有效的證明。這一系列的失效分析，可以有效地幫助理解失效模式與失效機(jī)理，從而為芯片的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造工藝甚至客戶的應(yīng)用端提供更多有效的信息幫助。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 ATE電測(cè)分析及測(cè)試板測(cè)試分析

ATE（Automatic Test Equipment）是指自動(dòng)測(cè)試機(jī)測(cè)試，自動(dòng)測(cè)試機(jī)在不同的半導(dǎo)體產(chǎn)品的測(cè)試方面有著不同的測(cè)試內(nèi)容，對(duì)于激光測(cè)距傳感器，電測(cè)內(nèi)容包括器件連接及程序自檢、連續(xù)性測(cè)試、正負(fù)極漏電測(cè)試、功能參數(shù)測(cè)試以及激光安全測(cè)試等。

本研究案例的失效出現(xiàn)在產(chǎn)品封裝完成后的二次重測(cè)，失效的電測(cè)項(xiàng)目出現(xiàn)在功能參數(shù)測(cè)試，失效項(xiàng)是VHV Sweep Auto。VHV指Very High Voltage，由于激光測(cè)距傳感器的芯片的工作核心SPAD是由多個(gè)光子雪崩二極管組合而成的矩陣，多個(gè)SPAD矩陣的工作需要超過正常的工作電壓來驅(qū)動(dòng)，因此，通過對(duì)ATE電測(cè)結(jié)果的初步分析，該芯片失效可能來自電壓供應(yīng)（VDD）或者高壓電源供應(yīng)（HVSPAD）的通電線路；而除了ATE測(cè)試之外，通過PCB測(cè)試夾具和數(shù)字源表對(duì)產(chǎn)品的主要功能進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)試，結(jié)合器件特定的功能軟件的讀寫功能，可以對(duì)失效樣品各項(xiàng)寄存器功能進(jìn)行閾值的修改。

為驗(yàn)證電壓供應(yīng)對(duì)樣品功能的影響，本研究將測(cè)試板的AVDD電源輸出端口與數(shù)字源表進(jìn)行相連，斷開測(cè)試板上AVDD的連接并用數(shù)字源表給予電壓，測(cè)試結(jié)果顯示：當(dāng)啟動(dòng)樣品測(cè)試驅(qū)動(dòng)電壓AVDD時(shí)，正常樣品需要的電壓僅為1.445 V，而失效樣品則需要3.070 V，這說明當(dāng)維持相同工作狀態(tài)，失效樣品需要提供更多的電壓。因此，如圖1所示，AVDD及HV SPAD的線路，可能是失效點(diǎn)的存在區(qū)域。

圖 1 AVDD及HV SPAD線路Fig.1 Circuit of AVDD and HV SPAD

1.2 晶圓表面觀察

在進(jìn)行完失效樣品的ATE測(cè)試分析及EVK測(cè)試分析后，失效區(qū)域的范圍縮小到了電荷泵浦（Charge Pump）功能區(qū)及HV SPAD的線路，因此，本研究使用工具刀對(duì)樣品進(jìn)行簡(jiǎn)單的開蓋，同時(shí)使用金相顯微鏡對(duì)晶圓的表面進(jìn)行觀察，著重在晶圓的各個(gè)功能區(qū)、SPAD區(qū)域以及各個(gè)焊線區(qū)域，尋找是否有EOS或者明顯的缺陷痕跡。通過對(duì)傳感芯片的表面觀察，芯片表面規(guī)整正常，金屬光澤層次分明，各個(gè)SPAD區(qū)域及焊線區(qū)域均未發(fā)生異常，因此，失效并未擴(kuò)散到晶圓表面的鋁層及鈍化層（圖2）。

圖 2 晶圓表面光學(xué)顯微鏡Fig.2 Optical microscopy of sensor chip

1.3 芯片的連續(xù)性測(cè)試

I-U曲線測(cè)試是檢測(cè)線路短路、開路、漏電或阻值異常等失效的最常見方法，本研究使用Keysight B1505A和探針臺(tái)，用0.5 μm的探針對(duì)激光測(cè)距傳感器晶圓上的焊線區(qū)進(jìn)行搭針，使正極對(duì)AVDD、HV SPAD，負(fù)極對(duì)接地區(qū)（GND）。VDD使用±3 V的驅(qū)動(dòng)電壓，HV SPAD使用+16 V的驅(qū)動(dòng)電壓。如圖3所示，AVDD對(duì)GND的I-U曲線沒有發(fā)現(xiàn)短路、漏電的異常，與正常的樣品對(duì)比，曲線完全重合，結(jié)果表明，在AVDD對(duì)地的線路上，并沒有連續(xù)性的異常；如圖4所示的HV SPAD對(duì)GND的I-U曲線，對(duì)比正常的樣品可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到6 V時(shí)，線路開始出現(xiàn)漏電，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到14 V時(shí)，線路漏電流急劇加大。因此，結(jié)合ATE測(cè)試的結(jié)果，失效的范圍可以確定在高壓電源供應(yīng)（HV SPAD）的通電線路上。

圖 3 AVDD對(duì)GND的I-U曲線Fig.3 I-U curve of AVDD vs GND

圖 4 HV SPAD對(duì)GND的I-U曲線Fig.4 I-U curve of HV SPAD vs GND

1.4 晶圓的失效定位

圖5是激光誘導(dǎo)電阻變化（Optical Beam Induced Resistance Change，OBIRCH）的原理圖。用激光束在器件表面掃描，激光束的部分能量轉(zhuǎn)化為熱量。如果互連線中存在缺陷或者空洞，這些區(qū)域附近的熱量傳導(dǎo)不同于其他的完整區(qū)域，將引起局部溫度變化，從而引起電阻值改變?chǔ)。如果對(duì)互連線施加恒定電壓，則表現(xiàn)為電流變化ΔI=（ΔR/U）I2。通過此關(guān)系，將熱引起的電阻變化和電流變化聯(lián)系起來。將電流變化的大小與所成像的像素亮度對(duì)應(yīng)，像素的位置和電流發(fā)生變化時(shí)激光掃描到的位置相對(duì)應(yīng)。這樣，就可以產(chǎn)生OBIRCH像來定位缺陷。利用OBIRCH方法，可以有效地對(duì)電路中缺陷定位，如線條中的空洞、通孔下的空洞、通孔底部高阻區(qū)等，也能有效地檢測(cè)短路或漏電[4-5]。本研究使用HAMAMATSU的iPhemos進(jìn)行傳感晶圓失效點(diǎn)的定位，由前述可知，傳感晶圓的失效位置確定在高壓電源供應(yīng)（HV SPAD）的通電線路上，因此，在使用OBIRCH進(jìn)行失效點(diǎn)定位時(shí)，選擇激活HV SPAD對(duì)GND的線路，并觀察線路中是否有異常的發(fā)光點(diǎn)[6]。

如圖6所示，當(dāng)使用5倍的激光鏡頭進(jìn)行OBIRCH失效點(diǎn)探測(cè)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)傳感晶圓右方的SPAD區(qū)域出現(xiàn)了2個(gè)異常的發(fā)光點(diǎn)，同時(shí)，在SPAD區(qū)域附近也出現(xiàn)了1個(gè)發(fā)光點(diǎn)。為了方便定義失效位置，本研究稱SPAD區(qū)域的異常發(fā)光點(diǎn)為A和B，稱SPAD區(qū)域外的異常發(fā)光點(diǎn)為C。通過進(jìn)一步將激光鏡頭放大到20倍時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)B消失，而A、C仍然可以明顯觀察到。對(duì)照上文的HV SPAD對(duì)地的運(yùn)行線路，可以發(fā)現(xiàn)A的位置處于有效線路上，而C的位置則處于有效線路外。在獲得相應(yīng)的失效定位信息后，研究將通過晶圓去層化處理及聚焦離子束進(jìn)行晶圓切割，對(duì)可疑的失效位置進(jìn)行分析與討論。

圖 5 OBIRCH原理圖Fig.5 schematic diagram of OBIRCH

2 分析與討論

晶圓去層化處理是一種針對(duì)半導(dǎo)體晶圓的失效分析方法[7]，激光距離傳感器的晶圓是基于CMOS工藝制造的[8]，其晶圓結(jié)構(gòu)如圖7所示，晶圓的表面為Si3N4材料的鈍化層，鈍化層下面有鋁層、氧化層（SiO2）、金屬（Cu）等結(jié)構(gòu)交替，本研究采取等離子蝕刻+化學(xué)蝕刻+精細(xì)研磨的方式，進(jìn)行晶圓去層。等離子蝕刻是在等離子體存在的條件下，通過濺射、化學(xué)反應(yīng)、輔助能量離子（或電子）與模式轉(zhuǎn)換等方式，精確可控地除去襯底表面上一定深度的薄膜物質(zhì)的一種加工方法[9]。這里使用等離子蝕刻來去除晶圓表面的鈍化層?；瘜W(xué)蝕刻用于去除鋁層，精密研磨用于去除氧化層及金屬層。在去層的同時(shí)使用高倍光學(xué)顯微鏡和SEM觀察失效熱點(diǎn)處每一層金屬的表面形貌。

圖 6 失效晶圓的OBIRCH失效定位Fig.6 OBIRCH failure localization of failure chip

圖 7 CMOS工藝的晶圓結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Layer diagram of chip by COMS process

圖 8 失效熱點(diǎn)的Layout示意圖Fig.8 Layout diagram of failure hot spot

圖 9 金屬層3~1的失效情況Fig.9 Failure detection from metal layer 3 to layer 1

晶圓的Layout圖如圖8所示。本研究將OBIRCH探測(cè)到的可疑失效點(diǎn)A、B、C進(jìn)行了標(biāo)示，在使用晶圓去層化處理的方法進(jìn)行觀察時(shí)，著重觀察可疑的失效點(diǎn)。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)去層化到金屬層3和金屬層2時(shí)，在可疑失效點(diǎn)A、B、C處均沒有發(fā)現(xiàn)可疑的失效；當(dāng)去層化到金屬層1時(shí)，在可疑失效點(diǎn)A處發(fā)現(xiàn)了一處異常（圖9b左圖），在原本應(yīng)該有對(duì)稱金屬回路的地方，發(fā)現(xiàn)了一處金屬層缺失，從晶圓的Layout圖上進(jìn)行對(duì)比后，確定缺失的金屬部分是金屬層1兩個(gè)通孔之間的金屬部分；在可疑失效點(diǎn)B處同樣發(fā)現(xiàn)了對(duì)稱金屬回路有異常的對(duì)比度（圖9b右圖），但沒有明顯的缺陷；而在可疑失效點(diǎn)C處則沒有發(fā)現(xiàn)任何異常。

為了進(jìn)一步觀察可疑失效點(diǎn)A處的情況，本研究使用XEIA3的聚焦離子束對(duì)去層化處理至金屬層1的失效點(diǎn)A進(jìn)行截面切割，為保護(hù)失效點(diǎn)及金屬面，在離子束切割前先對(duì)樣品表面進(jìn)行小面積的Pt沉積[10-11]，并使用SEM進(jìn)行觀察，從圖10的SEM截面圖可以清楚地看到，失效點(diǎn)A處的缺陷是金屬層1線路及其通孔和有源層發(fā)生了線路熔斷，并引起了漏電，使HV SPAD無(wú)法正常的給予傳感晶圓的SPAD矩陣模組工作電壓，從而造成了傳感晶圓功能的失效。

圖 10 失效點(diǎn)A處的SEM截面圖Fig.10 SEM cross-section view of defect point A

3 結(jié)論

1）失效點(diǎn)A處的缺陷電鏡圖顯示，傳感晶圓的金屬層1及其通孔發(fā)生了線路熔斷，同時(shí)有源層也遭到了損壞，是半導(dǎo)體常見的線路內(nèi)部EOS現(xiàn)象。

2）分析失效點(diǎn)A處的缺陷，金屬層1及其通孔的熔斷，會(huì)造成局部的開路并無(wú)法提供SPAD矩陣運(yùn)行需要的電壓；線路的缺陷還造成了有源層Poly gate的損壞，造成PMOS與NMOS的橋連失效，最終反饋為HV SPAD對(duì)GND的高壓漏電。

3）將電測(cè)的失效項(xiàng)與失效點(diǎn)處的缺陷進(jìn)行關(guān)聯(lián)，半導(dǎo)體晶圓的失效處線路是低壓到高壓的轉(zhuǎn)換電路，從低壓轉(zhuǎn)到到高壓會(huì)對(duì)線路造成較大負(fù)荷，從而造成轉(zhuǎn)換線路中某處發(fā)生EOS，進(jìn)而發(fā)生失效。