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集成電路失效分析是一門(mén)新興發(fā)展中的學(xué)科，它是借助各種測(cè)試分析技術(shù)和分析程序確認(rèn)集成電路的失效現(xiàn)象，分辨其失效模式和失效機(jī)理，確認(rèn)最終的失效原因，反饋給設(shè)計(jì)、制造和使用，共同研究和實(shí)施糾正措施，防止失效的重復(fù)出現(xiàn)，提高產(chǎn)品的可靠性。

 

一、失效分析流程

 

集成電路失效分析通常按以下步驟進(jìn)行：

 

1、失效背景調(diào)查：產(chǎn)品失效現(xiàn)象？失效環(huán)境？失效階段（設(shè)計(jì)調(diào)試、中試、早期失效、中期失效等等）？失效比例？失效歷史數(shù)據(jù)？

 

2、非破壞分析：X射線透視檢查、超聲掃描檢查、電性能測(cè)試、形貌檢查、局部成分分析等。

 

3、破壞性分析：開(kāi)蓋檢查、剖面分析、探針測(cè)試、聚焦離子束分析、熱性能測(cè)試、體成分測(cè)試、機(jī)械性能測(cè)試等。

 

4、使用條件分析：結(jié)構(gòu)分析、力學(xué)分析、熱學(xué)分析、環(huán)境條件、約束條件等綜合分析。

 

5、模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：根據(jù)分析所得失效機(jī)理設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行驗(yàn)證。

 

集成電路典型失效分析流程如下圖所示：

 

 

 

二、集成電路常見(jiàn)的失效分析方法簡(jiǎn)介

 

1、外觀檢查：失效元器件的外觀檢查十分重要，它可以為后續(xù)的分析提供重要信息。通常采用放大倍數(shù)在4~80倍的立體顯微鏡，有時(shí)也可采用放大倍數(shù)在50~1000倍的金相顯微鏡來(lái)觀察失效元器件。

 

2、IV測(cè)量：利用SMU(Source measurement unit)供應(yīng)電壓或電流，驗(yàn)證與量測(cè)半導(dǎo)體組件特性(Diode I-V Curve、MOSFET特性曲線等)，確認(rèn)故障現(xiàn)象是否和整機(jī)故障現(xiàn)象吻合。

 

 

3、超聲波掃描顯微鏡：原理根據(jù)超聲波于不同密度材料之反射速率及能量不同的特性，來(lái)進(jìn)行分析。利用純水當(dāng)介質(zhì)傳遞超聲波信號(hào)，當(dāng)信號(hào)遇到不同材料的接口時(shí)，會(huì)部分反射、部分穿透，機(jī)臺(tái)就會(huì)接收這些信號(hào)組成影像。超聲波可用來(lái)檢測(cè)芯片組件內(nèi)部不同位置的脫層(Delaminaiton)、裂縫(Crack)、氣洞及粘著狀況，多用于檢察芯片封膠內(nèi)的缺陷。

 

4、X射線檢查：

 

X-ray對(duì)物品的穿透力很強(qiáng)，物品內(nèi)部結(jié)構(gòu)中密度較高的地方 X-ray穿透較少，因此接收器獲得較少的能量從而成像;X-ray（2D X-ray）檢測(cè)，是當(dāng)前非破壞檢測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部缺陷分析有效率且快速的方法，X-ray可檢測(cè)待測(cè)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)及是否有缺陷、空洞(Void)、Crack等異常。

 

 

3D X-Ray 顯微鏡 (High Resolution 3D X-Ray Microscope) 是以非破壞性 X 射線透視的技術(shù)，再搭配光學(xué)物鏡提高放大倍率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，其實(shí)驗(yàn)過(guò)程是將待測(cè)物體固定后進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，在這過(guò)程中收集各個(gè)不同角度的 2D 穿透影像，之后利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算重構(gòu)出待測(cè)物體之實(shí)體影像。3D X-ray檢測(cè)，可針對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行斷層分析，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐一切割及顯現(xiàn)各層不同深度，使微小缺陷能更清晰地顯現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)而達(dá)到判別缺陷的目的。

 

5、芯片開(kāi)蓋：芯片失效分析時(shí)需分析內(nèi)部的芯片、打線、組件時(shí)，因封裝膠體阻擋觀察，利用laser蝕刻及濕式蝕刻兩種搭配使用，開(kāi)蓋(Decap)、去膠(去除封膠，Compound Removal)，使封裝體內(nèi)包覆的對(duì)象裸露出來(lái)，以便后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)處理、觀察。

 

6、芯片去層：以干、濕蝕刻及研磨(Polishing)等方法去除各Metal層做逆向分析，用光學(xué)顯微鏡(50x~1500x)或電子顯微鏡拍攝(更大倍率)，檢視是否有Metal Leakage或Burn Out、Metal Short等異常，且可利用電子顯微鏡做VC對(duì)照參考，判斷二次電子產(chǎn)生的亮暗異常。

 

7、剖面研磨：

 

1）剖面/晶備研磨是快速的樣品制備方式之一，即利用砂紙或鉆石砂紙，搭配研磨頭作局部研磨(Polishing)，研磨(Polishing)基本流程：

 

•切割：利用切割機(jī)裁將樣品裁切成適當(dāng)尺寸

 

•冷埋：利用混合膠填滿樣品隙縫，增強(qiáng)樣品之結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免受研磨應(yīng)力而造樣品毀損

 

•研磨：樣品以不同粗細(xì)之砂紙 (或鉆石砂紙)，進(jìn)行研磨

 

•拋光：于絨布轉(zhuǎn)盤(pán)上加入適當(dāng)?shù)膾伖庖?，進(jìn)行拋光以消除研磨所殘留的細(xì)微刮痕

 

 

2）離子束剖面研磨、離子束截面研磨(Cross Section Polisher, 簡(jiǎn)稱CP)，是利用離子束切割方式，去切削出樣品的剖面，不同于一般樣品剖面研磨，離子束切削的方式可避免因研磨過(guò)程所產(chǎn)生的應(yīng)力影響。任何材料都可以以離子束剖面研磨(CP)進(jìn)行約1mm大范圍剖面的制備，由于不受應(yīng)力影響，因此更適用于樣品表面之材料特性的分析(例如EDS、AES、EBSD等表面分析)，有效樣品處理范圍約可達(dá)500μm。

 

 

3）Dual Beam FIB(雙束聚焦離子束)機(jī)臺(tái)能在使用離子束切割樣品的同時(shí)，用電子束對(duì)樣品斷面(剖面)進(jìn)行觀察，亦可進(jìn)行EDX的成份分析。具備超高分辨率的離子束及電子束的Dual Beam FIB，能針對(duì)樣品中的微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行奈米尺度的定位及觀察。

 

 

 

8、掃描電子顯微鏡（SEM）：主要是利用微小聚焦的電子束(Electron Beam)進(jìn)行樣品表面掃描。此電子束(Electron Beam)與樣品間的交互作用會(huì)激發(fā)出各種信號(hào)，如: 二次電子、背向散射電子及特性X光等，SEM主要就是收集二次電子的信號(hào)來(lái)成像。SEM景深大、分辨率高，放大倍率可達(dá)到數(shù)十萬(wàn)倍以上，可用來(lái)觀察樣品表面及剖面微結(jié)構(gòu)。如在設(shè)備上加裝能量分散X光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer， 簡(jiǎn)稱EDS)時(shí)，可對(duì)樣品表面同時(shí)進(jìn)行微區(qū)之材料分析，包括定性、半定量之成分分析以及特定區(qū)域之Point、Line Scan、Mapping分析。

 

 

9、熱點(diǎn)定位（后續(xù)展開(kāi)分析熱點(diǎn)定位設(shè)備選用原則）

 

1）砷化鎵銦微光顯微鏡 (InGaAs)

 

砷化鎵銦微光顯微鏡(InGaAs)與微光顯微鏡(EMMI)其偵測(cè)原理相同，都是用來(lái)偵測(cè)故障點(diǎn)定位，尋找亮點(diǎn)、熱點(diǎn)(Hot Spot)的工具，其原理都是偵測(cè)電子-電洞結(jié)合與熱載子所激發(fā)出的光子。差別在于InGaAs可偵測(cè)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，范圍約在900nm到1600nm之間，等同于紅外線的波長(zhǎng)區(qū) (EMMI則是在350nm-1100nm)。

 

2）激光束電阻異常偵測(cè) (OBIRCH)

 

激光束電阻異常偵測(cè)(Optical Beam Induced Resistance Change，以下簡(jiǎn)稱OBIRCH)，以雷射光在芯片表面(正面或背面) 進(jìn)行掃描，在芯片功能測(cè)試期間，OBIRCH 利用laser掃瞄芯片內(nèi)部連接位置，并產(chǎn)生溫度梯度，藉此產(chǎn)生阻值變化，并經(jīng)由阻值變化的比對(duì)，定位出芯片Hot Spot(亮點(diǎn)、熱點(diǎn))缺陷位置。OBIRCH常用于芯片內(nèi)部電阻異常(高阻抗/低阻抗)、及電路漏電路徑分析。可快速對(duì)電路中缺陷定位，如金屬線中的空洞、通孔(via)下的空洞，通孔底部高電阻區(qū)等，也能有效的檢測(cè)短路或漏電。

 

 

 

3）Thermal 

 

Thermal EMMI是利用InSb材質(zhì)的偵測(cè)器，接收故障點(diǎn)通電后產(chǎn)生的熱輻射分布，藉此定位故障點(diǎn)(熱點(diǎn)、亮點(diǎn)Hot Spot)位置，同時(shí)利用故障點(diǎn)熱輻射傳導(dǎo)的時(shí)間差，即能預(yù)估芯片故障點(diǎn)的深度位置。

 

常見(jiàn)的應(yīng)用范圍：

 

•芯片未開(kāi)蓋的故障點(diǎn)的定位偵測(cè)

 

•低阻抗短路(＜10ohm)的問(wèn)題分析

 

10、PVC 測(cè)試（Passive Voltage Contrast電壓襯度像）：當(dāng)具有一定能量的電子發(fā)射到半導(dǎo)體樣品表面時(shí)，樣品表面會(huì)有二次電子散射出來(lái)，柵極上的接觸孔由于受到中間有柵氧化層的隔離，和襯底是絕緣的，只有接觸孔表面少量二次電子散射出去，因此看到的接觸孔的電壓襯度圖像很暗。

在PMOS有源區(qū)上的接觸孔，由于p型有源區(qū)和n阱之間構(gòu)成的pn結(jié)正偏導(dǎo)通，接觸孔上的電勢(shì)被拉低，所以n阱里的大量的電子很容易就被吸引到樣品表面上來(lái)，成為二次電子散射出去，大量二次電子被探測(cè)裝置收集到，因此接觸孔在SEM中的電壓襯度圖像就是明亮的。當(dāng)接觸孔在NMOS上時(shí)，n型有源區(qū)和p阱之間構(gòu)成的pn結(jié)反偏，所以接觸孔上的表面勢(shì)保持較高的水平，接觸孔在SEM中的電壓襯度圖像就顯得比較暗。

實(shí)際操作時(shí)要將芯片研磨到接觸孔露出來(lái)，然后采用低能量的電子發(fā)射到樣品表面（如1kV），然后觀察樣片表面接觸孔的亮度，通過(guò)對(duì)比同一區(qū)域的接觸孔亮度或者與好品進(jìn)行比較，找出異常的接觸孔，判別其失效類型，隨后可用FIB進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。