红外发光显微镜EMMI及其在集成电路失效分析中的应用
                       复旦大学材料科学系 张滨海 方培源 王家楫

摘 要

    随着超大规模集成电路(VLSI)的发展，半导体芯片中元器件的特征尺寸越来越小，已经进入了深亚微米时代。近几年新发展起来的红外发光显微技术（Emission Microscopy，EMMI）利用了IC器件中大多数缺陷都呈现微弱的红外发光现象，能够迅速准确地定位失效点，使得它成为现今对IC进行失效缺陷定位的有力工具。本文将介绍EMMI技术所利用到的半导体发光机理、EMMI仪器的基本结构、主要部件及具体技术特点，并通过对两个IC失效样品的实际分析案例，介绍EMMI及其补充技术——激光束诱导电阻率变化测试（Optical Beam Induced Resistance Change，OBIRCH） 在IC失效分析中的具体应用。

关 键 词： IC失效分析 发光显微镜 OBIRCH

一. 引言
    半导体技术和半导体制造业在近25年来发展迅速。进入21世纪后，每块IC芯片已可包含超过226个器件。与之相对应的是，IC器件的尺寸越来越小，掩模版数量和薄膜层数大幅度增加。集成电路不断向高性能、低功耗、高集成度的方向发展，对可靠性有着越来越高的要求。而深亚微米工艺的普及，使得各种各样的失效情况出现在半导体器件中。
    在失效分析技术中，对于缺陷的定位是非常重要的一环。但是，器件尺寸的缩小，多层布线复杂性的增加，对关注与缺陷定位和失效认定的失效分析工程师提出了巨大的挑战。
    传统进行IC失效点定位的技术有红外热像、液晶、电子束探针等，但是，IC进入深亚微米时代后，上述方法的性能逐渐成为瓶颈，难以对微区域的缺陷进行比较精确的定位，使得针对IC中缺陷的定位和失效的认定变得愈加困难。因此，IC产业迫切需要开发新的缺陷定位技术和工具以在日益复杂的IC结构中更迅速、有效地进行缺陷分析。

 二、半导体器件的显微红外发光
    EMMI技术是利用利用半导体的发光机理进行失效定位。我们都知道，在半导体内部，会发生着各式各样的电子跃迁过程。电子从高能态到空的低能态的跃迁过程中，既可能是辐射的也可能是非辐射的（多声子发射），其中只有前者才会导致发光。

    如图1所示，按照1966年Irey的观点，可以把半导体跃迁过程分为三类。第一类为带间跃迁，包括（1）可能涉及声子和激子、能量接近禁带能量的跃迁过程，以及涉及（2）热电子或者（3）热空穴的能量较高的跃迁过程。第二类跃迁是涉及化学杂质和缺陷的跃迁，包括（4）导带到受主杂质能级的跃迁，（5）施主杂质能级到价带的跃迁，（6）施主杂质能级到受主杂质能级的跃迁（对发射）以及（7）通过深能级陷阱的跃迁。第三类跃迁是涉及热载流子退激发的带内跃迁，包括（8）热电子退激发和（9）热空穴退激发。并非所有的跃迁都是辐射性的。俄歇效应、表面和界面复合、通过缺陷的复合和多声子发射一般是非辐射跃迁。除此之外的其它过程本质上是辐射性的。目前，电子跃迁引起的发光现象和其背后的失效机理之间的联系仍是复杂的研究课题。下表归纳了主要的一些发光情况。

    半导体要实现发光，通常需要通过一定形式的激发在半导体材料中产生非平衡状态。这些激发可以是电偏置、光激发、机械激发或者电子束激发。用发光显微镜（EMMI）所观察到的半导体器件的发光激发源是电致发光。

三、红外发光显微镜
    红外发光显微镜（Photon Emission Microscopy，EMMI），正是利用了半导体的发光现象，在近几年发展起来的一种在存在漏电流的器件中定位缺陷的有效的分析技术。EMMI技术的基本功能是对失效器件中的失效点进行初步定位，将宏观的电学测试和微观的结构剖析连接起来。它具有诸多优点：迅速（只需通过一次成像就能检查复杂IC的发光）、有通用性（能与测试仪相连）、洁净（不需薄膜）、简单（与探针无相互作用，不会人为产生问题）、灵敏（漏电流可以小至pA量级），是满足现今IC失效分析要求的有力和有用的工具。尽管IC的复杂性不断增加（包括5层布线和小于的尺寸），这项技术仍对小尺寸集成电路的失效分析有着巨大的帮助。
    图2是显微发光技术的基本原理图。在存在着漏电、击穿、热载流子效应的器件中，会有光子从失效点发射出来（Photon Emission）。通过传统的光学显微镜获得DUT（Device Under Test，被测试器件）的反射像，并将光子从DUT传输到图像增强器（Image Intensifiers，II），在II中，通过光电阴极传感器和微通道板（Micro Channel Plate，MCP）将微弱的光信号放大，再用电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD）将增强的信号转化为视频信号。用计算机对其进行图像处理（Image Processor），得到发光像，并将其与DUT的反射像叠加，对缺陷进行定位。

    在采用该技术进行发光失效点的定位时，为了与后面提到的另一种检测失效方法OBIRCH区分，我们通常称其为EMMI方法。用EMMI进行测量时，可以用红外或近红外光作为产生反射像的光源。由于硅对这些波长光的透明性，这些近红外和红外光可以从器件背面入射和出射，从而避免了器件正面多层结构的吸收和反射。因此，具有红外波段成像能力的发光显微镜，可以从器件背面进行失效点的定位。如果发光显微镜配备有分离光学滤镜或者分光仪，就可以利用它进行光谱分析，为发光背后的失效机制的认定提供有用的信息。利用具有光子计数功能的发光显微镜还可以对高速开关器件的电路延迟进行测量。
    虽然各种型号的发光显微镜可能由于其应用范围的差异而有不同的结构，但都可以被分成四个子系统：光学系统、控制系统、电源系统和辅助系统。其中，控制系统控制样品台的运动，扫描激光束的产生和扫描等。电源系统为整个系统提供能量，并提供在样品上所加的偏置。辅助系统包括C-CCD冷却装置、紧急情况下的报警装置等。而光学系统是整个显微系统的主要部分，它包括光学平台、物镜、图像增强器和C-CCD（Cooled CCD）信号转换器等。其中CCD信号转换器是整台仪器的核心部件，它决定了EMMI的性能。
    目前使用的CCD分为冷却Si-CCD和化合物半导体CCD两类。冷却Si-CCD是其中使用最为广泛的一种，它的光谱区宽，适用范围广，但是灵敏度在复合辐射区会下降一个量级。化合物半导体CCD中较为流行的是HgCdTe-CCD，它的光谱灵敏区延伸至红外区，在背分析和低驱动电压IC中有重要应用。但是，为了减少噪声和热辐射造成的暗电流，其工作温度要比室温低很多，因此价格也非常昂贵。近几年，另一种化合物半导体InGaAs-CCD，由于其在0.9-1.7um波段具有非制冷室温工作、探测率高、均匀性好的优点，也逐渐成为短波红外CCD的较好选择。

四、红外激光扫描显微镜
    在众多器件的失效机理中，有相当一部分缺陷并不是伴随着发光的现象（如金属熔融造成互连短路），此时便无法用EMMI进行分析，此时就需要另外一种红外激光扫描显微技术来进行检测。

    图4是根据红外激光扫描所产生的回路电阻变化OBIRCH技术（Optical Beam Induced Resistance Change）来进行C缺陷定位的的原理图，仪器会用激光束在器件表面进行扫描，激光束的部分能量会转化为热量。如果在金属互连线中存在缺陷，在这些缺陷附近产生的热量就不能迅速通过金属线传导散开。这会导致缺陷处的温度升高，并进一步引起导线电阻值的变化。如果对这个系统施加恒定的电压V，则激光束加热引起的电流变化为：其中， 是电阻变化，I是被加热的互连线中流过的电流。如果施加的是恒定的电流I，那么加热引起的电压变化为：。通过上述关系，热产生的电阻变化 被转化为电流的变化或者电压的变化。接下来，仪器将这一变化的量与所成像中像素的亮度相对应，像素的位置与电流电压发生变化时扫描激光束扫到的位置相对应。这样，就可以通过产生的OBIRCH像来定位缺陷。利用OBIRCH方法，可以有效地对金属互连线中缺陷进行定位，比如空洞、硅球瘤、通孔下的空洞、通孔底部高阻区等。该方法也能有效地检测IC器件中金属互连线的短路。

五、在集成电路失效分析中的应用
    以下是应用EMMI和OBIRCH仪器进行IC失效点定位的实际案例。
    图6是一个电源管理器件的实际光学扫描图。该器件在实际工作中发现功耗过大。为了便于迅速、准确地进行失效定位，在采用EMMI技术进行检测时，进行了对比分析。

    图7左是正常器件的EMMI检测图（局部），图中的一些亮点为正常发光点。右图是失效器件的EMMI图，通过对比，很容易发现了异常的发光点（图中白圆圈所示区域）。再用EMMI进一步放大观测，可以准确地定位到失效区域是在一组MOS管的栅控制端（图8所示）。可以初步分析，是栅极漏电流过大造成了器件功耗的上升。

    样品2（局部）如图9所示，失效区域是由功率管和ESD保护电路组成（图中中间为功率器件，下方为两个二极管构成的ESD保护电路）。

    先对样品进行IV曲线的测量，结果如图10所示。I-V曲线呈指数形式，暗示着该器件的失效分析涉及到有源区的工作。根据半导体发光理论，我们知道这类I-V曲线对应于半导体各种形式的电子跃迁而形成的电流这时往往伴随着发光现象。然而，当用EMMI进行测量后，即使将测试电流加大，P功率管甚至都已经进入大电流工作状态，依然没有明显的失效点能够被测试出（如图11所示）。

    当采用OBIRCH技术进行测试时，我们清晰地找到了失效点的位置（图12所示），可以看出是作为由于ESD产生的大电流，使得ESD保护电路中二极管的金属互连线中局部区域温度过高，造成二极管保护电路被ESD击穿。

六、总结：
    在众多IC失效点的定位方法中，发光电子显微镜（EMMI）凭借着其操作简单、分析精确，分析周期短、对样品无损耗等优点，目已正成为一项主流性的IC缺陷定位检测技术，拥有着很广阔的应用前景。而另一种红外激光扫描显微镜OBIRCH技术，正好针对EMMI不能检测未发光的半导体缺陷这一弱点，起到了很好的补充作用。两者相辅相成，为IC器件的各种失效检测提供了精确的缺陷定位功能。

参考文献
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