低成本的物理分析技術——半導體失效分析

低成本的物理分析技術

半導體失效分析

J. Y. GLACET和G. GUERRI DALL 'ORO

湯姆森消費電子公司，17bd . Gaston Birgk b.p. 826, 49008惹怒了Cedex，法國

由于技術的不斷發展，半導體元件的失效分析不僅是一項成本越來越高的工作，而且在經濟上難以支持、發展和證明其合理性。集成電路針對針電測試、滴酸器開塑料包裝、液晶熱點檢測、EBIC、靜態電壓對比和電壓編碼等分析技術可以在低成本設備的故障分析實驗室中開發和應用。雖然它們的目的不是要取代一些著名的昂貴和復雜的分析工具，但它們可以提供有效的結果。

介紹

半導體器件的失效分析對于元器件制造商和元器件用戶來說是一個非常有價值的工具。在發現故障根源的過程中，提供必要的反饋，以不斷提高產品的質量和可靠性。微電子技術的發展涉及越來越多的挑戰和非常復雜的分析技術。然而，僅僅依靠最新最昂貴的設備并不是進行故障分析的最佳途徑，而技術、知識和經驗豐富的人員是必要的。*

作為一個故障分析實驗室，位于消費電子行業，我們面臨著一個特定的環境，其特點是大批量生產，高量和廣泛的組件，持續的技術發展，制造成本降低，提高質量和可靠性水平。據此，我們定義了一種電子元件物理分析的具體方法^。它意味著物理分析工具的選擇和開發

(a）低成本

(b)性能

(c)不是在浪費時間

(d)適應現代技術。

在本文中，我們打算給出一個實際的概述，我們在我們的實驗室中使用的不同的失效分析技術，以正確地指導分析方法，定位缺陷，并確定失效模式的起源和原因。

0748-801 /92/020093- o6 $05.00 1992 John Wiley & Sons, Ltd

電氣測試

作為半導體元件失效分析程序的一部分，在開始時要進行電氣測試以確認或檢查失效，并據此進行分析。它提供了一些關于缺陷類型和可能的故障原因的信息，同時幫助識別缺陷的功能或元素。

電測試可以通過不同的方式完成，例如使用標準曲線跟蹤器進行參數化，使用特定的測試器進行參數化/泛函化，或者在給定的應用中直接進行功能測試。由于集成電路引腳數高，曲線跟蹤器的實用性不強。特定的集成電路測試器提供優異的性能，但在投資和程序開發方面非常昂貴。應用程序中的測試要求收集電子產品或系統，以覆蓋要測試的組件范圍。

作為一名參與電視機制造的半導體元件用戶，我們決定在故障分析實驗室實施以下行動:

(a)開發一種用于集成電路電氣測試的曲線追蹤設備

(b)使用集成電路的不同電視機

功能測試。

集成電路針對針I-V半自動測試儀

曲線特征

半導體器件的電流-電壓(I-V)特性曲線追蹤是半導體器件的基本工具

1991年5月6日收到

故障分析~。在分立元件的情況下，電學測試很容易，而對集成電路則需要針對針的I-V測量。具體的針對針表征設備已被描述，但它們要么是n ~ al部分，要么是手動的，或復雜的。8-10我們提出了一個可以用標準和低成本設備實現的解決方案(圖1)。

該系統由一臺配備了IEEE-488控制器的個人計算機控制。我們使用Keithley 236源測量單元作為電壓源/電流監視器，用于I-V曲線測量，使用惠普3497A數據采集控制單元和3498A擴展器進行pin開關。所有的儀器都通過IEEE總線使用我們自己的軟件進行控制。系統連接一個專門設計的集成電路測試夾具。它分為兩部分:一部分用于參考組件，另一部分用于被測設備(DUT)。有幾個平行的集成電路測試插座，以覆蓋不同的封裝類型。有了這個系統，我們能夠測試標準浸出，收縮浸出，SOP和PLCC包裝多達68個針。然而，引腳的數量是沒有限制的。它可以增加一個修改的測試夾具和一個額外的HP 3498A擴展器。操作員可以通過計算機鍵盤選擇用于I-V曲線追蹤的pin組合?？梢钥焖偻瓿蓪﹄娐返耐暾麥y試。通過比較DUT和參考分量的I-V曲線，可以直觀地解釋電測試(圖2)。如果需要，可以將曲線存儲并打印出來。系統中還包括一個組件數據庫，并在屏幕上顯示各種集成電路引腳說明。我們目前每天都非常有效地使用這個系統。

塑料包裝打開技術

使用一個簡單的滴液器和一個熱板,或與一個特定的機器。等離子體蝕刻塑料包裝是非常緩慢和不實際的處理高容量的組件。一些特定的濕式化學蝕刻設備可以非常有效，并提供高質量和可重復的結果。然而，它們往往是昂貴的，而且必須設計得能承受酸腐蝕。滴酸技術是非常實用的，盡管它需要監督化學反應，以限制包裝的過蝕和隨后的組件損壞。最好使用紅色發煙硝酸，因為它在低溫下反應，將焊盤腐蝕的風險降到最低，而硫酸在高溫下反應，往往腐蝕金屬。然而，必須用硫酸來溶解某些塑料。我們認為酸滴技術是失效分析實驗室中應用最簡單、最容易的方法。它只需要很少的設備，而且非常便宜。

液晶熱點檢測

對一個失敗的集成電路進行電氣測試，在最壞的情況下可能會顯示某種泄漏電流或短路。通常，包裝打開后，通過光學顯微鏡觀察不到任何物理損傷。通常，由于電路的大小和復雜性，缺陷要么是不可見的，要么是很難發現的。液晶熱點檢測是一種非常有用的功耗定位技術。 17-19 它使用液晶和偏振光。如果集成電路的某一區域被加熱到一定程度，液晶就會變成各向同性的相位，在交叉偏光下出現黑點。通過對液晶過渡點附近芯片表面溫度的精確控制，可以提高靈敏度。這個技巧設置起來很簡單，

或化學。機械開封既快又容易，但通常會破壞包裝的電氣完整性，因此并不總是適合進行故障分析?；瘜W打開可以在等離子體，14或濕化學蝕刻

 

無損、實用、快速、靈敏、價格低廉，適用于任何標準光學顯微鏡。它是失效分析實驗室中必不可少的基本工具

電子束感應電流(EBIC)

電子束感應電流分析是一種非常有用的方法

圖1所示。集成電路針對針I-V曲線表征系統

圖2。用集成電路針對針測試儀獲得的測量示例

它還可用來研究氧化鋅和金屬氧化物中的缺陷。在這種技術中，半導體內的沖擊電子束產生的電流被增強并用于調制SEM CRT。這種電流很大程度上取決于缺陷，或者光束穿透芯片表面進入半導體的能力的局部變化。EBIC方法的主要優點是簡單、靈敏、快速、在標準掃描電鏡上增加了低成本的設備和破壞性小。我們使用它作為一種有效的技術定位結和表面缺陷的二極管和晶體管。集成電路的分析比較費時、困難。

靜態和動態電壓對比

電壓對比是分析集成電路故障的有效工具。研究了表面電位對二次電子電流能量分布的影響。較負的區域產生較清晰的圖像，因為相對于檢測器有較高的電位差。根據要分析的故障類型，電壓對比可用于靜態或動態模式。靜態模式是實用的觀察直流電勢和檢測電子開路或短路在集成電路。然而，在這種情況下，鈍化器件的電壓反差很快消失。動態模式對于功能失效分析是必要的，對于一般情況下的鈍化部件的分析也是如此。設備已經發展在一種標準的SEM26,28或專門為那個目的設計.29

 

它性能很好，但價格昂貴且復雜，因此在故障分析實驗室中不容易得到。然而，我們認為一些可以安裝在標準掃描電子顯微鏡上的簡單設備能夠提供低成本的電壓對比分析能力。在電壓編碼方式中包含了簡單的靜態電壓對比和動態電壓對比。雖然電壓編碼技術的表現不如頻閃復制，它是簡單的，非常有用的觀察信號傳播，并可以獲得良好的結果高達1 MHz

EBIC電壓對比系統

用于故障分析

半導體組件

我們的系統是圍繞飛利浦掃描電子顯微鏡開發的(圖3)。SEM配備了一個“標本電流檢測”選項和一個用于EBIC成像的電流放大器。附加的電子器件包括用于靜態偏置的直流電源、用于動態刺激的脈沖發生器和惠普8175A數字信號發生器、電視視頻同步信號提取電路、晶體圖像處理器、視頻監視器和用于圖像存儲的錄像機。我們使用特定的測試夾具和真空室饋線，能夠分析多達68個引腳的各種封裝的集成電路。所有的68個頻道是可在一個外面板與BNC連接器。

采用脈沖發生器進行實時低頻動態電壓對比。這是實際的快速可視化的潛力在芯片上。然而，當頻率增加時，它是必要的

圖3。EBICholtage對比失效分析系統

使信號與顯微鏡的電子束掃描同步。這是電壓編碼技術的基礎。為此，使用HP 8175A的外部輸入觸發其數字信號輸出。在慢掃描模式下，線消隱信號從顯微鏡直接應用到這個輸入。在電視掃描模式下，需要從SEM的復合視頻信號中提取線幀同步信號。與掃描電鏡慢掃描和電視掃描信號同步，根據HP 8175A內部時鐘周期值和信號模式，允許從低頻率到高頻率的電壓編碼性能。

我們目前使用該系統進行半導體元件的失效分析。圖4顯示了在一個失敗的二極管上測量的I-V曲線。開包及光學檢查均未見缺陷。然而，縮小的EBIC信號(圖5)定位缺陷，這是一個裂縫在硅片(圖6)。

圖7是用我們的系統得到的典型電壓編碼圖像。元件為氮化硅鈍化的記憶集成電路。

圖5。同樣的二極管觀察與SEM:一個缺陷的EBIC信號可見

在本例中，動態信號與電視幀掃描同步，從而產生水平黑白色條紋。在集成電路的故障分析中，使用VCR進行圖像存儲，并將故障部件與參考部件進行比較。

結論

隨著微電子技術的日益復雜和分析技術的發展，半導體元器件失效分析的成本越來越重要。因此，啟動或維護一個良好的失效分析實驗室是非常昂貴的。然而，失效分析是非常有用和必要的組件制造商和用戶。

基于多年的經驗，并考慮到消費電子行業的特殊背景，我們認為我們所描述的低成本和高效率的技術和設備已經取得了令人滿意的結果。

對于未來，我們的努力將特別集中于尋找，并實施，新的失效分析技術，根據

同樣的基本目標是成本效益，以及培訓和技能方面的人的因素。

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