介紹

在現代半導體制造中，超大規模集成電路工藝（VLSL）的復雜性不斷提高和減少的流程開發可利用時間導致了對快速失效分析的需求增加。失效分析服務的壓力特別大的時候是在產品開發的良性學習期間，此時一些點缺陷類型（是產量損失的主要原因）被識別。 這些點缺陷發生在具有各種尺寸，形狀和物理特性的制造過程。因此，失效分析必須基于大樣本量。 但是由于特征尺寸的縮小，使用簡單的光學工具和大數量的樣本就使得幾乎沒有缺陷被找到可用來分析，這樣就必須進行更多耗時且復雜的分析。 這兩個因素導致了有效的制造開發所需要的失效分析成本呈指數增長。

為了減少失效分析的成本，許多方法（例如原位污染控制技術，自動檢查系統，集群工具等）被用于工業生產之中。本文討論的是一種被認為可以增加故障分析效率的方法。

這一方法基于軟件技術和分析標準測試儀數據，而不是傳統的失效分析技術。本文的目的是更新ESREF上提交的文稿的版本93,3，旨在調查基于軟件的技術的使用是否可以幫助降低失效分析成本。

基于軟件的失效分析

基于軟件的失效分析方法的主要原理如下：獲得某些缺陷類型的經驗可以

被重用，那么代價高昂的復雜失效分析技術只需應用于新的和未知類別的缺陷。 這樣如果將一些易于檢測的內容關聯起來，就會發現缺陷出現的癥狀特征。換句話說，更經濟的失效分析是基于與之相關缺陷特征的字典， 

當然，建立這樣的字典的想法不是新想法了，并且以及被發表和調查很多次了(see e.g. References 1 and 2)。但一種具有吸引力的方法是基于軟件的方法來構建缺陷字典。

它使用缺陷模擬器在缺陷尺寸，位置和其他物理屬性、故障電路中的可測量（可測試）缺陷之間創建鏈接。這個相對較新的想法也已經有相關研究了，但到目前為止還沒有人分析過基于大型工業實驗的質量。本文報道的研究目的的重點是在盡可能多的實際缺陷癥狀下將質量理解為“識別”。

實驗

實驗工具

參考文獻5中描述的16KX1 SRAM

在實驗中被用作測試工具?；A的SRAM單元是一個六晶體管單元，設計用于單雙金屬0.6微米CMOS工藝。 單元是使用最小尺寸來設計電池線寬，間距和接觸孔。位/位線在金屬2中運行，字線在金屬1中運行使用poly訪問單元格。 外圍電路中的晶體管數量約為占晶體管總數的百分之5，以及單元陣列占有源芯片面積的83％。

缺陷字典

為了獲得測試車輛的缺陷字典，應用了蒙特卡洛缺陷模擬器VLASIC6。該模擬器將缺陷建模為多余或缺少材料的平坦區域，這些缺陷可能會出現在IC的任何導電，半導電或絕緣層中。在每個蒙特卡洛循環中，

生成一個缺陷并將其“插入”到描述SRAM內核一部分的布局文件中，并且分析了缺陷的電氣結果。如果發現缺陷在SRAM中引起失效，則在電路仿真器TITANTM的幫助下對產生的故障電路進行仿真輸入測試圖案與測試儀所使用的相同。輸出電路仿真器的功能是SRAM陣列的故障位圖（故失效的模式）（請參見參考4）?？偣卜治隽?00萬個缺陷，以產生80個故障電路，從而產生80個位圖。在這80個位圖中，找到了44個唯一的模式，這些模式被選作在測試過程中模擬的所有缺陷的模擬步驟。因此，為SRAM獲得的缺陷字典是缺陷位圖映射。（表I顯示了該詞典中將位圖鏈接到缺陷特征的一部分。請注意可以通過簡單缺陷（例如多余金屬1的點缺陷生成的位圖的種類）。

實驗測試

在實驗的下一步中，為了確定缺陷字典的有效性，使用1OX模式測試了總共37個晶片（-7000 SRAM芯片）的故障。對于每個出現故障的芯片，都會創建一個實際的失效位圖。 然后將這些實際位圖與模擬位圖進行比較：

1.從仿真和測試儀數據中獲取匹配位圖的百分比。

2.確定發生不匹配的原因。

3.通過傳統的故障分析，驗證仿真數據與測試數據之間的匹配是否表明實際缺陷與用于仿真的缺陷模型之間的匹配。

結論

模擬位圖與測量位圖之間的比較得出以下結果：

1. 從測試結果獲得的實際39個位圖模式中，共有26個與模擬的位圖模式匹配。 這些位圖圖案占晶片上有缺陷芯片總數的-80％。

2. 對于這26個匹配的位圖模式，發現缺陷位圖字典的分辨率非常好。 大多數位圖類型僅映射到一種或兩種缺陷類型。 另外，如果還使用讀/寫電流對位圖進行進一步分類，則字典的分辨率會進一步提高。

3. 如果使用字典中的單個條目的組合來匹配從測試儀獲得的實際位圖，則可以用缺陷字典表征的缺陷數量進一步增加。

為了驗證缺陷字典，對約15個具有已知位圖圖案的芯片進行了SEM分析。 發現所有這些芯片都由于缺陷字典所預測的缺陷類型而發生故障。 圖1給出了一個示例。在這種情況下，故障位圖（圖1（a））顯示一個單元未能輸出0。位圖可能是由內部單元節點之一和Vdd線之間的金屬1短路引起的。 如如圖1（b）所示，該預測通過SEM分析得到證實。 由于可以使用字典分析80％的故障位圖，因此發現使用缺陷字典可以排除對大部分缺陷進行傳統故障分析的需要。對于-20％的缺陷（13位圖模式）缺乏匹配是由于兩個原因：（a）在仿真過程中使用的缺陷模型的簡單性，以及（b）對物理的理解仍然不足參與缺陷形成。但是，如結果3所示，可以部分解決缺陷模型的簡單性，從而進一步提高該技術的使用率。借助圖2演示了如何使用字典中的單個條目來產生關于相當常見的一種缺陷的性質的正確診斷的示例。

圖1  對應于預測位圖的缺陷的示例（a）故障位圖的部分，顯示單個單元發生故障：*：功能單元； 0：單元讀取失敗0（單元s-a-1）； 1：單元1讀取失?。▎卧猻-a-0）（b）此缺陷在金屬1級的SEM照片

圖2（a）顯示了一個SRAM的實測故障位圖芯片。這樣的位圖在缺陷字典中不存在。但是，可以將以下位圖重新組合為：（a）針對金屬2中缺少材料的區域進行模擬的位圖，并在位線中造成開路；以及（b）在字線之間進行短距離模擬的位圖和GND線，這是由多余的金屬引起的1個區域（請參閱表I）。出現在同一位置的兩個位圖的組合表示單個缺陷會影響金屬1和金屬2層。 因此，可以推斷出圖2（a）所示的位圖必須由3-D（三維）缺陷產生。 圖2（b）和（c）顯示了此缺陷的SEM圖片，證實了上述假設。

因此，上述實驗可以通過以下具體觀察得出結論。

由于字典可以描述80％的故障位圖，因此可以大大減少傳統故障分析的應用。

圖2.源自三維缺陷的故障位圖示例。 （a）組合故障位圖未充分考慮的部分。 （b）該缺陷在金屬2水平的SEM照片。 （c）該缺陷橫截面的SEM照片

當然，對于未識別或部分識別的癥狀使用位圖坐標也很有幫助。 據估計，例如，僅通過提供快速的缺陷定位方法，使用位圖生成的坐標可以將傳統SEM故障分析的速度提高大約30％。

結論

本文的目的是報告一項評估基于軟件的特性的實驗失效分析方法。 獲得的結果得出以下結論：

1. 軟件生成的電氣故障及其在測試中的相應行為的詞典可以非常有效地用于確定VLSI工藝中大部分缺陷的特性。 這樣，制造商可以將昂貴的傳統故障分析技術的使用僅限于字典無法識別的少量樣本。

2. 如果仿真軟件使用更現實的缺陷模型（尤其是考慮了3D缺陷），則可以提高通過這種方法可以診斷出的缺陷的百分比

總的來說，實驗表明，基于仿真的故障技術應被認為是緩解現代失效分析實驗室中某些瓶頸的良好選擇。

致謝

作者要感謝M. Bollu在H.-D.計算機設施方面的幫助。 Oberle和F. Karl幫助進行測試。 SRC還根據Grant 91-DC-068的要求為這項研究提供了支持，并由SEMATECHISRC根據合同89-MC- 511進行。