PEM/OBIRCH 用于集成電路漏電流失效定位

陳選龍，陳 航，劉麗媛，蔡金寶

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所 分析中心，廣州 510610)

0 引言

漏電流增大是集成電路失效的主要電學表現(xiàn)形式之一。不同電路的失效會產(chǎn)生各種各樣的漏電流表現(xiàn)模式，這是因為失效點本身可以產(chǎn)生漏電流，與失效點相連的電路也可以產(chǎn)生電流。由于集成電路結(jié)構(gòu)和工藝的復雜性，引起集成電路漏電流增大的原因有很多，見表1［1-2］。在失效樣品中，PN結(jié)擊穿、氧化層擊穿的失效仍占據(jù)較高的比例。

表1 集成電路漏電流增大失效原因Table 1 Failure causes for increasing leakage current of IC

光發(fā)射顯微鏡(Photon Emission Microscopy，PEM)［3］和光束感生電阻變化(Optical Beam Induced Current Changed，OBIRCH)技術(shù)是用于漏電流失效定位的兩種主要方法。兩者在漏電流缺陷特征的失效定位上有相似的也有明顯的不同，既互通又互補。有些缺陷只能使用一種定位方法，而有些缺陷必須結(jié)合使用兩種定位方法。例如，OBIRCH 僅用于大部分阻性互連缺陷分析，阻性缺陷一般不會產(chǎn)生光發(fā)射，則無法用PEM 捕捉發(fā)光缺陷點;PEM 檢測結(jié)區(qū)或者載流子躍遷發(fā)光，結(jié)區(qū)發(fā)光包含的意義有多種，OBIRCH 則無法探測。實際上，集成電路除了金屬化互連缺陷外，最為主要的缺陷就是PN 結(jié)異常。因此，由于兩種方法側(cè)重不同，對不同集成電路漏電流失效需要采用不同方法定位，需要嘗試兩種方法來分析。本研究采用PEM、OBIRCH 技術(shù)對集成電路漏電流增大失效進行失效定位，通過對失效分析案例的研究，提出幾種失效分析技巧。

1 失效定位原理與方法

集成電路有源區(qū)導電時，結(jié)區(qū)載流子躍遷形成光發(fā)射，輻射特定波長的光子，光譜包括可見光到近紅外光。躍遷有兩種形式:電子-空穴對的再復合和場加速載流子輻射。第一種機理主要存在于正偏PN 結(jié)、飽和態(tài)的雙極型晶體管(例如閂鎖狀態(tài))，產(chǎn)生的光波長約為1 100 nm。第二種機理主要存在于反偏PN 結(jié)、飽和態(tài)的金屬-氧化物-半導體晶體管(熱載流子效應)和柵氧化層缺陷，產(chǎn)生的光波長范圍為400～1 900 nm［4］。光子需要經(jīng)PEM 的硅探測器或者InGaAs 探測器接收成像，2 種探測波長范圍分別集中于400～1 100 nm、900～1 600 nm。隨著電壓和漏電流的降低，集成電路的缺陷點主要輻射近紅外光。因此，較高探測效率且探測波長集中于近紅外光的InGaAs 探測器顯得更為重要。根據(jù)集成電路的發(fā)光機理，可以確定PEM 中光發(fā)射的區(qū)域可能是直接失效位置(一般光發(fā)射不均勻)，也可能是由于失效導致偏置異常引起的間接發(fā)光(結(jié)區(qū)發(fā)光均勻);這就要結(jié)合版圖分析以及光發(fā)射的形貌來進行判斷［5］，必要時還需要用聚焦離子束對電路進行切割、微探針進行電測來確定［1］。

OBIRCH 近年來成為主要的集成電路漏電失效定位手段，特別是對于阻性缺陷造成的漏電，定位到的往往是原始缺陷［6］。OBIRCH 需要外部激勵來產(chǎn)生信號，除了電應力外，還需要激光熱激發(fā)或者光激發(fā)。漏電點在外部直流偏置下產(chǎn)生一定電流，1 340 nm 或者1 064 nm 的激光會逐個像素點地對集成電路進行加熱，熱量改變漏電回路的電阻特性，導致源端電流發(fā)生變化，進而探測到漏電回路或者漏電點。根據(jù)PEM 和OBIRCH 中的紅外光能夠部分穿透硅材料的特點，可以無損地從正面和背面對樣品進行失效定位［7-8］。對于多層布線和倒裝芯片封裝的樣品，背面光發(fā)射或OBIRCH 都是很好的定位方法，但對于重摻雜和非倒裝芯片，需經(jīng)過背面減薄、拋光等方法制樣后方能進行成像定位。

2 試驗結(jié)果與討論

以下試驗均是在工業(yè)和信息化部電子元器件失效分析中心完成，包括PN 結(jié)初始漏電位置定位、氧化層漏電定位、PEM 間接發(fā)光定位、芯片背面定位和金屬橋連定位。采用DCG systems 公司同時裝載PEM 和OBIRCH 技術(shù)的Trivision 激光掃描顯微鏡進行漏電流失效定位，主要配備In-GaAs 探測器、1 340 nm 激光源和1 064 nm 激光源。

2.1 PN 結(jié)初始漏電位置定位

集成電路硅表面主要由PN 結(jié)構(gòu)成，存在于主要結(jié)構(gòu)如二極管、三極管、擴散電阻中。圖1 失效電路PN 結(jié)為集成電路端口保護網(wǎng)絡，結(jié)壓在大于0.5 V 以后出現(xiàn)漏電，開封后芯片表面無法觀察到明顯的損傷。由于漏電并不是直接的阻性特性，采用PEM 和OBIRCH 結(jié)合的方式對漏電位置進行分析。分別對信號端加電0.6 V/200 μA 偏置進行OBIRCH 定位、施加0.7 V/650 μA 偏置進行PEM 定位。OBIRCH 定位的特點是精確定位到原始的漏電位置，并且能檢測電流路徑和鋁空洞(圖1a)。PEM 發(fā)光點不均勻(圖1b)，很可能是一個漏電缺陷點。經(jīng)過去層處理，在掃描電鏡下放大觀察，可見PN 結(jié)存在擊穿和局部開裂(圖1c)。

2.2 氧化層漏電定位

單片微波集成電路工作于射頻波段，一般不設計ESD 保護電路，內(nèi)部的電容氧化層就容易受到破壞，為靜電敏感器件。然而，因氧化層金屬電極阻檔，無法直接觀察確定漏電位置，也會因金屬阻擋光發(fā)射而無法進行PEM 定位，一般采用OBIRCH 技術(shù)?；祛l器電路雙中頻正交輸出端的功率不相等、鏡頻抑制能力失效，經(jīng)測試，RF 輸入端口的金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容絕緣性下降，經(jīng)OBIRCH 定位，失效點位于電容邊緣(圖2a)。在掃描電鏡下可以清晰地看到電容邊緣介質(zhì)區(qū)域已經(jīng)擊穿(圖2b)。

圖1 PEM/OBIRCH 應用于PN 結(jié)失效定位Fig.1 Fault localization of PN junction using PEM/OBIRCH

圖2 OBIRCH 應用于氧化層失效定位Fig.2 Fault localization of oxide using OBIRCH

2.3 PEM 間接發(fā)光定位

存在PEM 間接發(fā)光的缺陷是比較難定位的，主要是因為產(chǎn)生光發(fā)射的區(qū)域并不是原始漏電位置，可能僅僅是外部電路失效后產(chǎn)生的結(jié)果，如由于互連金屬化或通孔開路或短路導致結(jié)發(fā)光變?nèi)趸蛘咦儚娚踔吝M入飽和態(tài)等異常，需要結(jié)合電路原理圖和版圖進行分析，進而確定產(chǎn)生光發(fā)射的原因。樣品為雙模預置分頻器，是典型的雙極型集成電路，具備2 層金屬化布線，功能已失效。靜態(tài)參數(shù)測試時，V-端口輸出電壓與V+端口輸出電壓相比偏低，在V-與地之間施加電壓時，漏電流偏大，推測此回路內(nèi)部有明顯失效。在V-與地之間加電700 mV/412 μA 并在PEM 下觀察發(fā)現(xiàn)，T1晶體管均勻發(fā)光，T2晶體管未產(chǎn)生均勻發(fā)光(圖3a)，而均勻發(fā)光屬于正?，F(xiàn)象。從電路原理看(圖3b)，正常情況下T2晶體管應與T1晶體管均發(fā)生光發(fā)射，從PEM 發(fā)光情況可以推知T2晶體管已經(jīng)損壞，經(jīng)過反應離子刻蝕方法去層處理，再在掃描電鏡下放大觀察，可以明顯看到T2晶體管的BE 結(jié)發(fā)生擊穿(圖3c)。

圖3 間接的漏電流造成光發(fā)射Fig.3 Consequential leakage current photon emission

2.4 芯片背面定位

集成電路的發(fā)展趨勢之一是金屬化層增加、特征尺寸降低。多層布線的集成電路對正面定位是一個挑戰(zhàn)。原因是:一方面由于層數(shù)增加，激光無法加熱到底層金屬位置的失效點，光子無法傳播至芯片表面;另一方面是金屬層增加時，熱輻射區(qū)域面積比較大，OBIRCH 定位到的點會增大、模糊。因此，現(xiàn)在一個趨勢是用背面定位來取代正面定位。

以一個0.18 μm 尺寸、7 層金屬化的CMOS復雜可編程邏輯器件為例。經(jīng)歷傳輸線脈沖試驗后，器件電源端口的漏電流明顯增加，由于電源端口有退耦電容和柵極接地的ESD 保護結(jié)構(gòu)，無法確定失效點，需要進行失效分析。用化學方法分別采用背面開封和正面開封，并進行OBIRCH 分析。兩種方法均能明顯找到失效點，但背面方法能夠清晰看到失效區(qū)域形貌(圖4a)，而正面成像定位區(qū)域較為模糊(圖4b)，且真正短路點成為一個一個區(qū)域，盡管縮小了觀察范圍，其效果也不如背面成像精確。經(jīng)過去層處理，可見內(nèi)部PMOS電容邊緣擊穿(圖4c)。

圖4 正面定位與背面定位對比Fig.4 Comparison of frontside localization and backside localization

2.5 金屬橋連定位

因工藝中多余物的存在或者介質(zhì)破裂導致金屬化橋連是另一類常見的漏電失效。此類缺陷若可以經(jīng)由端口測試到則易于定位，如果是功能性失效，但無法通過電學測試進行電學定位，則需要集成電路在工作狀態(tài)下進行動態(tài)下探測光發(fā)射逐步縮小范圍定位，由于OBIRCH 可以明顯記錄電流的通過路徑，可以定位到金屬化橋連位置。失效樣品為可變增益放大器，信號輸入端為短路特性，在兩端口之間施加200 μA 之間電流進行OBIRCH 定位。圖5a 為激光掃描成像，圖5b 為OBIRCH 圖像，OBIRCH 技術(shù)記錄了電流通路的圖像，短路位置特征更為明顯。金屬化橋連的觀察需要剖面得到，因此利用聚焦離子束(Focus Ion Beam，F(xiàn)IB)對橋連位置進行剖切，可以看出金屬化通過破裂的介質(zhì)層而橋連在一起(圖5c)。

3 結(jié)論

1)從PN 結(jié)擊穿的PEM 間接光發(fā)射和直接光發(fā)射定位、發(fā)光點的形狀和位置分析出發(fā)光是漏電的原始位置還是作為結(jié)果性的漏電，結(jié)合集成電路版圖分析和電路原理圖分析有助于快速判斷原始失效位置;

2)介質(zhì)層絕緣性降低和金屬化橋連案例表明OBIRCH 對原始漏電位置和阻性失效的定位更為準確;

圖5 金屬化橋連失效Fig.5 Metal bridge failures

3)OBIRCH 的背面定位失效分析應用于多層布線定位更為精確。

［1］Wu C L，Yao S Y，Corinne B.Leakage current study and relevant defect localization in integrated circuit failure analysis［J］.Microelectronics Reliability，2015，55(3-4):463-469.

［2］恩云飛，羅宏偉，來萍.電子元器件失效分析及技術(shù)發(fā)展［J］.失效分析與預防，2006，1(1):40-42.

［3］Shade G.光輻射顯微鏡分析技術(shù)的原理［J］.來萍，譯.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，1998(4):30-35.

［4］Ross R J，Boit C，Staab D.Microelectronic failure analysis，desk reference［M］.USA:ASM International，2011:279-291.

［5］Hartmann C，Wieberneit M.Layout analysis as supporting tool for failure localization:Basic principles and case studies［J］.Microelectronics Reliability，2008，48(8-9):1343-1348.

［6］陳選龍，劉麗媛，鄺賢軍，等.基于熱激光激發(fā)OBIRCH 技術(shù)的失效分析［J］.半導體技術(shù)，2015，40(1):73-78.

［7］Liebert S.Failure analysis from the backside of a die［J］.Microelectronics Reliability，2001，41(8):1193-1201.

［8］陳選龍，劉麗媛，孫哲，等.OBIRCH 用于集成電路短路的失效定位［J］.半導體技術(shù)，2015，40(11):856-860.