基于电路和版图辅助的集成电路失效定位研究

EMMI和OBIRCH是通用的集成电路失效定位方法,二者属于器件级定位,能够将失效缩小至局部,但可能无法精确定位失效结构。在EMMI或者OBIRCH技术基础上,提出一种基于电路原理/仿真、版图、微探针测试等来辅助电路分析的定位方法。首先通过有效电激励进行EMMI和OBIRCH分析,确认标记点是否属于失效的功能电路;再通过电路原理分析或版图确定可能的漏电位置和结构,最后经电路仿真或微探针测试等方法确定精确失效点。案例研究结果显示,基于电路和版图辅助法,可快速定位氧化层击穿形成的漏电、金属划伤引起的CMOS反相器负载低阻和金属刻蚀缺陷导致的功能失效,提高了失效分析的成功率。

FCBGA封装集成电路在实际应用中的失效研究

FCBGA封装集成电路在实际应用中会出现多种多样的失效模式和失效机理。介绍了在FCBGA封装集成电路失效分析中常用的检测设备与技术,包括X射线检测系统、声学扫描显微镜、OBIRCH背面定位技术和扫描电子显微镜等,并结合实际应用中的失效案例,对芯片开裂、凸点重熔、凸点开裂和过电应力4种失效机理展开了分析,为后续FCBGA封装集成电路的失效分析提供了参考方向。

银丝键合在实际应用中的失效研究

键合失效是常见的塑料封装器件失效类型,银丝键合在市场上的应用越来越普遍。介绍了电学失效定位、 CT、化学/机械开封和FIB/SEM等银丝键合失效常用的失效分析方法,阐述了3个在实际应用时出现银丝键合失效的案例,分析总结出3种银丝键合失效机理,包括:键合弹坑、键合丝间距过小、内键合点银迁移,为提高银丝键合可靠性提供了依据。通过失效案例的分析研究,讨论了针对不同失效机理的分析思路及合适的制样方法,并且描述了键合弹坑引发的次生烧毁形貌特征,为失效分析相关从业人员提供了一些分析经验,具有一定的参考价值。

静电放电对GaAs基光通信LED的影响

GaAs基LED具有体积小、寿命长、价格低廉、工艺成熟和发光效率高等优点,因此在中短距离光纤通信系统中具有广阔的应用前景,其可靠性也日益受到关注。由于LED是静电敏感型器件,静电放电损伤是LED常见的失效现象之一。为了研究LED的静电放电失效现象和特征,对GaAs基光通信LED进行10个负向脉冲、充电电压为1kV的人体模型静电放电实验,并研究了静电损伤对其电学特性的影响、失效区域的光发射和TEM微观形貌3个方面的内容,为判别静电失效提供了物理及工程上的判据。

基于热激光激发OBIRCH技术的失效分析

针对传统失效定位技术如光辐射显微镜(EMMI)和红外成像等无法对互连失效进行定位的问题,在半导体失效分析中引入了热激光激发(TLS)技术进行失效定位。该技术应用激光束对材料进行加热,改变材料电阻特性,从而检测到缺陷。光束感生电阻变化(OBIRCH)技术即为TLS技术的一种。对技术原理进行了综述,并利用OBIRCH激光扫描显微镜对功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、集成电路静电放电(ESD)保护端口和金属-绝缘体-金属(MIM)电容进行失效定位。结果表明TLS技术对于短路、漏电以及电流路径成像的定位十分有效。特别是难以观察的微小失效如晶体管击穿、铝硅互熔短路和介质层裂纹等。OBIRCH技术对精确和快速地定位多层金属化布线、新型封装的短路和阻性缺陷等方面有着重要的作用。

集成电路封装级失效及其定位

失效分析中有许多类型的封装级失效。由于封装材料限制或者无损检测要求,无法从外观直接观察到失效点,需要借助于设备进行失效定位才能快速、准确地进行分析。总结了集成电路封装级失效的几种常见失效机理和失效原因,提出三种有效的分析手段和分析方法进行失效定位:X射线检测、超声扫描声学显微镜以及热激光激发光致电阻变化(OBIRCH)技术,分别用于元器件结构观察、不同材料界面特性分析和键合损伤位置定位。从倒装芯片封装、陶瓷封装、塑料封装和金铝键合短路四个失效分析的实际案例出发,阐明三种封装级失效定位手段应用的领域、特点和局限性。结果表明在封装级失效中,通孔断裂开路、焊料桥连短路、键合损伤和界面分层等缺陷能够准确地被定位进而分析。

OBIRCH用于集成电路短路的背面失效定位

基于光束感生电阻变化(OBIRCH)的热激光激发定位技术广泛应用于半导体器件的失效分析,特别是大规模集成电路的短路失效定位。详细介绍了OBIRCH技术在芯片背面失效定位时的原理和方法,通过精密研磨、抛光等先进制样手段对失效样品进行开封、芯片背面减薄。采用OBIRCH方法从芯片背面进行激光成像,成功对0.18μm工艺6层金属化布线的集成电路gg NMOS结构保护网络二次击穿和PMOS电容栅氧化层损伤进行了失效定位,并对背面定位图像和正面定位图像、In Ga As CCD成像进行了对比分析。结果表明,In Ga As CCD成像模糊并无法定位,OBIRCH背面定位成像比正面成像清楚,可以精确定位并观察到缺陷点。因此,OBIRCH技术用于集成电路短路的背面失效定位是准确的,可解决多层结构的正面定位难题。

联用动态EMMI与FIB的集成电路失效分析

EMMI被广泛应用于集成电路的失效分析和机理判定。针对端口I-V特性曲线的异常现象,采用静态电流的发光效应对漏电点进行光发射定位。静态电流法无法全面测试集成电路内部逻辑单元,需要使用动态信号驱动集成电路,使内部失效部位能够产生光发射。对样品在动态失效工作状态进行光发射捕捉,再结合良品对比、电路原理图和版图分析等辅助手段进行故障假设,以定位失效点,最后利用FIB系统对电路进行剖面切割制样,找出物理损伤点。对砷化镓数字集成电路的不稳定软失效案例进行分析,动态EMMI法与FIB系统联用可成功应用于芯片内部金属化互连异常的失效分析,解决传统静态光发射法无法定位的技术难题。

集成电路失效定位技术现状和发展趋势

集成电路(IC)失效分析包含了不同的分析流程,但所有的步骤都是以失效定位和故障隔离作为第一步工作。失效定位指的是不断地缩小半导体器件故障范围直至可以进行破坏性物理分析的过程。根据IC的结构特点和分析思路,将整个失效分析流程中失效定位分为封装级失效定位、器件级失效定位和物理分析失效定位。通过定位技术结合案例分析的形式,重点介绍了时域反射、X射线断层扫描、扫描声学分析、锁相红外成像、光发射分析、激光激发技术和电压衬度等关键的失效定位技术原理和方法。总结了不同失效定位技术的适用范围和面临的挑战。同时,也对未来失效分析技术发展趋势进行了展望。

PEM/OBIRCH用于集成电路漏电流失效定位

漏电流增大是集成电路的主要失效表现,通过光发射显微镜(PEM)和光束感生电阻变化(OBIRCH)技术互补地结合使用,对集成电路中常见的PN结漏电、介质层绝缘性降低、间接漏电流失效和芯片的背面分析案例进行研究,分析由过电应力、金属化桥连、静电放电损伤导致漏电的定位特性。得出以下结论:根据光发射显微镜得到的缺陷形貌和位置可以断定是否为原始失效或间接失效,结合电路分析进而可以解释发光的原因;OBIRCH对原始缺陷的定位更为准确,多层结构的背面OBIRCH分析更有优势。

基于失效物理的集成电路故障定位方法

超大规模集成电路后道工艺(BEOL)中的失效日益增多,例如多层金属化布线桥连、划伤,栅氧化层的静电放电(ESD)损伤、裂纹等失效模式,由于失效点本身尺寸小加上电路规模大,使得失效分析难度增加。为了能够对故障点进行快速、精确定位,提出了基于失效物理的集成电路故障定位方法。根据CMOS反相器电路的失效模式提出了4种主要故障模型:栅极电平连接至电源(地)、栅极连接的金属化高阻或者开路、氧化层漏电和pn结漏电。结合故障模型产生的光发射显微镜(PEM)和光致电阻变化(OBIRCH)现象的特征形貌和位置特点,进行合理的失效物理假设。结果表明,基于该方法可对通孔缺陷、多层金属化布线损伤以及栅氧化层静电放电损伤失效进行有效的定位,快速缩小失效范围,提高失效分析的成功率。

基于SEM电压衬度的缺陷定位方法研究

光发射显微分析、光致电阻变化技术两种电失效定位方法在精确定位缺陷上存在局限性,为此提出了基于SEM电压衬度的联用方法用于精确定位集成电路缺陷。首先根据电特性测试进行光发射显微分析或者光致电阻变化分析,结合电路原理和版图,提出失效区域的假设,再进行电压衬度像分析,通过衬度翻转可精确和快速确定缺陷位置,最后通过FIB或者TEM对缺陷进行表征。案例研究显示,有源电压衬度可定位双极型电路铝金属化开路失效,无源电压衬度定位CMOS电路多晶硅栅刻蚀异常引起的漏电流失效,结合形貌和材料分析得出缺陷形成机理和根本原因。

集成电路氧化层失效定位技术研究

介绍了一种针对集成电路氧化层失效的定位和分析技术。采用光发射显微镜、光致电阻变化技术,对比出电路中不同的发光机构或电阻变化点。结合电路故障假设法和版图分析,对氧化层失效位置进行定位。最终,采用制样和物理分析方法,找到失效原因。案例分析表明,该方法精确、快速,可应用于CMOS集成电路的栅氧化层、双极集成电路的MOS电容氧化层、GaAs集成电路的MIM电容的失效定位,减少了后续FIB或RIE等物理分析方法的工作量,提高了失效分析的成功率。

GaAs集成电路的金属化缺陷失效定位研究

介绍了一种针对砷化镓集成电路(GaAs IC)金属化缺陷的失效定位方法。首先分析了GaAs IC不同金属化结构(如金属化互连、MIM结构、肖特基接触电极)的光发射显微及光致电阻变化(EMMI/OBIRCH)效应,再结合典型的电路原理,得到可能的电路缺陷模型与EMMI/OBIRCH结果之间的对应关系,从而快速、准确地由EMMI/OBIRCH图像得到金属化开路或者短路失效位置。案例研究结果表明,该方法可用于GaAs IC的失效定位,例如放大器、高速数字驱动电路、射频开关等,适用的失效模式包括基极金属化台阶断裂、源极金属通孔开裂形成的开路或MIM金属化桥连形成的低阻等。

应力诱发的电迁移失效分析

电迁移是半导体器件常见的失效机理,可以导致金属的桥连或者产生空洞,引起短路或者开路等互连失效。总结了两种典型的电迁移失效模式:热电迁移和电化学迁移,阐述了两种电迁移的失效应力诱发条件,以及失效分析方法。通过失效分析案例研究,加深对两种失效机理的认识并提供电迁移失效分析的基本思路。

气密封元器件内部气氛分析方法发展研究

近十余年,内部气氛分析方法的研究进展很大,主要体现在分析对象的扩展和分析方法的简化两个方面。研究了上述进步的深层次原因,并论述了MIL-STD-883K—2016和GJB 548B—2005中的相关内容。通过研究发现,MIL-STD-883K—2016中已对相关内容进行了修订,但GJB 548B—2005仍未修订。因此,希望相关人员及时地对GJB 548B—2005进行修改,以满足当前技术发展的需要。

铜丝键合在实际应用中的失效分析

研究并总结了铜丝键合塑封器件在实际应用环境中工作时发生的几种不同失效模式和失效机理,包括常见封装类型电路的失效,这些封装类型占据绝大部分铜丝键合的市场比例。和传统的实验室可靠性测试相比,实际应用中的铜丝失效能够全面暴露潜在可靠性问题和薄弱点,因为实际应用环境存在更多不可控因素。实际应用时的失效或退化机理主要包括:外键合点氯腐蚀、金属间化合物氯腐蚀、电偶腐蚀、键合弹坑、封装缺陷五种类型。对实际应用中的数据和分析为进一步改善铜丝键合可靠性、提高器件稳定性提供了依据。

锁相红外热成像与FIB在失效分析中的联用

锁相红外热成像技术是用来定位集成电路热部位的一种有效的失效分析手段,此技术可用来定位集成电路的低阻、高阻和功能失效。定位到热点后,要用物理分析方法如平面研磨、剖面制样手段验证热点是否为失效点。使用锁相红外热成像技术对小热点定位有一定的误差,联用FIB系统对电路进行剖面切割制样,找出失效根因,既能定位热点区域较小的失效点,又能避免化学处理对失效点的破坏。对集成电路阻值增大和漏电流偏大两种失效模式案例进行了分析,结果表明联用技术可成功应用于芯片内部多晶硅烧毁或层间击穿的失效分析,解决热点定位误差和化学处理破坏结构的难题。