∙ | 微光顯微鏡原理介紹 Decap 之后通过 EMission Microscope 来Confirm leakage current. : K! D3 U' [ M+ Z+ U 微光顯微鏡原理介紹# K0 z: ^7 ?1 ]' O. p Poton Emission Microscopy (PEM) |4 o8 {3 u; D3 z- n" R. PEMission Microscope (EMMI) 4 g+ b4 V* l( j8 ]4 @( _此篇重點: {4 z% Z5 F' y1 c$ P• PEM 被證實為可用於確認出 IC 問題區域的方法 . F! Z X+ c% { W3 F• 其基本原理是可偵測非常微小的光放射 ) y! X/ G Q4 L • 其為簡單又便宜的方法可以指出Chip上有問題的區域' k1 p6 T4 m" F u (有問題區域並非一定為錯誤區域,有可能看到的是果而非因) : `" Y8 q1 |* y4 m L" } • 對點的定位能力比LC好(liquid crystal, 此方法利用局部高溫找問題點) 5 S9 w+ y9 }! `2 C• 了解"電致發光"(或翻為"場致發光", electroluminescence)其物理原理可更合理(正確)推論出可能的原因 9 L4 i0 Z S$ m: F9 S# Y6 j內容:% Z; a( o9 d1 e b) u1 C • 基本原理 $ i6 ^2 Y3 e" ^) O6 s3 p: w) w e• 半導體的發光: 說明發光原理,什麼是F-PE,R-PE ( `( F, |: u' s g T3 i k• P-N階面二極體發光 n9 ~$ t) y* x0 F' N+ E • 矽的能階圖:說明何謂間接(indirect)半導體 + R+ w* l# H$ D9 r7 P. p ? • 順偏 逆偏說明:利用能階說明發光機制 8 ?' r* o0 P3 v" K2 p' h: H• F-PE / R-PE 頻譜分佈 n0 j+ u- m6 n( Q• 設備介紹 煮菜 * O! n: Z, M; |• 設備架構 2 k* H! C/ b/ g" I • 光感測(受)器(Detector) : b" O8 u: A3 y1 `% { • 從晶背問題探討 连锁女装5 M' [" O/ j" k+ G `. `8 M• 發射源分類:電路上哪些情況會有由PEM測到亮點. / X- Z/ I8 r% D. I7 _ T; y6 s; Z• 發射機制的整理 ( V# \* g6 [6 U! N3 D: G0 A$ R• 判斷亮點是否為問題點 . ]3 I5 \; J g9 \ • 各種機制的頻譜分布 " n7 n, e# d; p# ?2 M" D3 {9 x8 h. `# X • 單項說明:逐一討論各種情形 - p0 c* S/ [3 Q0 U) l, \. _• 總結 1 s5 [: U4 p: [ 完成時間:2005-05-20 7 C) [2 b; u7 x' oE-mail連絡作者: . w: O I" `: u' @7 f ________________________________________8 o. i, \' m2 V0 B5 D6 X! v 基本原理:, q3 ~. ~8 K7 B* V, s* j$ c 半導體的發光(electroluminescence in miconductors)" d; b4 d' x: A; n6 V$ f. @4 C+ O4 z • 熱載子能量釋放(Relaxation accompanied with light emission) / X, ]. N; J- r- ]) v說明: ! ?% P3 z: s6 l• 一可移動載子(mobile charge carriers,可為電子或電洞)經過電場加速取得足夠的動能(kinetic,熱載子), 利用光將其累積的動能釋放 . P; E5 U4 M2 L1 U3 O0 Y• 此為PEM測得的主要光來源 7 @/ d i. F! Y$ }7 h* a • 此過程發生在同一能帶(intraband process).(即未跨過能階) 4 N$ _ V% b3 c( b • 簡稱代號: F-PE (F: Field) / e' A# n3 \0 @- j3 ` • 電子電洞結合(Radiative Band-Band Recombination):# N# h6 V. ]9 T s 說明: 7 [- K8 _# ?9 A! O! H• 導帶(conductance band)與價帶(valence band)的電子電洞結合 % V" e6 n0 L( @ |) T w$ g, Y • 不同能帶間轉換(interband process) ( j |. ]0 G& k; _• 簡稱代號: R-PE(R: Reconmination) 什么是行政许可. H, x p ]0 w$ P$ ]& U2 |% e• 右圖說明能帶的關係[2] / ~ W6 I5 f' R• (1)-(3) 稱為 interband transitions. ( [% b6 d1 v4 N i2 v• (4)-(7) 代表有摻雜物參與反應 * @. t" x) t# Y4 L( I/ ^7 u# u u• (8)-(9) 稱為 intraband transitions / q: z2 A# F" j1 N l8 Z • Si Bandgap: 1.12 eV(常溫;此值隨溫度升高而下降) # m, {; [; t7 c3 l! d, K7 B u" { ) q0 r7 Y* T+ ^4 K1 X9 {________________________________________( t X' g# A3 X1 d. V# a2 Q P-N 接面二極體發光 ) o; o; s$ `7 h4 ?9 ~• 需要足夠的電流才能有足夠的光線給PEM接收(受限於PEM靈敏度,右圖紅線) ) u3 d2 ` S2 x: R" W • 逆偏時需操作在崩潰(avalanche)區或很大的漏電流(leakage current)(F-PE);當然也需有足夠電位給予載子動能 / _ j: |# }& I) f4 L! r(註:此並不適合使用,因為測量過程可能會損害元件) 5 Y9 J! U k- @9 ?! S; U( | • 順向偏壓因為有大量的少數載子注入,所以在低電壓即有大量的電子電洞結合可用於PEM觀測(R-PE). 此現象非常有效率(LED 的發光原理); 4 C1 V! ~' Y7 Z6 L8 nSi晶圓上此現象並不明顯,因為其為間接能階(因其動量不同,下一段討論).不過PEM還是可以觀察的到 # x7 @) M5 [6 G' c* C* v A4 h: e* B& d6 I ________________________________________ 5 Z t; A# l# Z; `/ v矽的能階圖-間接(indirect)半導體, W5 J/ w0 ]" g8 t9 t9 ~( ] • 若連動量一起考慮則如右圖顯示Si為間接(能階)半導體;即其導帶最低處與價帶最高處並不在同一動量,所以其電子電洞結合會有一動量差 " G0 A @+ t# N2 a% X+ p. b• 因動量守恆(mementum convervation law)所以Si走路徑"1"的機率會遠少GaAs(右圖,為直接能階) o. j; x( Q8 @* ?' J2 Q+ R! {0 }• 走"1"的路徑會分為兩分量"動量轉換與能量轉換;藉由聲子(phonon)轉換動量(故走"1"這條路會包含光子與聲子的轉換) 7 N; q9 u: q' f2 ~2 k$ Z m• Si大多數的電子電洞結合都會走"2"-"3"這條路.此方式會經由中間階能階(或稱複合中心)當作中介轉換,使其轉換機率大增 ! r4 }! d4 u" ]# N! P5 o• 儘管如此,其順向偏壓所產生的光子足夠PEM偵測 5 E" _3 M! S" b1 i• 雷射半導體與LED均是使用直接能階 6 w( ^ w% Z1 V7 r 1 F t9 a9 X$ o! Y( h________________________________________1 B: F/ S4 ^" d- M* \) `- g 順偏 逆偏說明 7 p, v1 ^3 L$ J 2 C* A5 E9 G9 \) E! j # ^, ~1 g/ I9 Y" A+ n8 |順偏 逆偏 9 @8 Q. H8 H+ J5 V6 A• 上左顯示順偏時少數載子注入引發電子電洞結合 2 g2 o" ~; U) p% C • Si特性光譜,波長約為 1.1 um 的紅外光,(常溫1.1eV band gap).$ H! J$ ^" p7 p# h( i) b- } 註:可見光波長為為:380 到 780 nm + \5 R! X/ Q/ p• 能量分佈範圍為以1.1um為中心成高斯(gauss profile)分布(約 900nm 到 1300nm) • 逆偏時增加能量障壁(pn-energy barrier),空間電荷(SCR-space charge region)的電場 6 m% O; V3 ^( [. e7 P" N( m5 T • 通過此區的載子獲得加速及動能 ( O* o4 w! D5 t) X: ^- k • 於散射(scattering)過程放出能量,(某些情況包含電子-電洞結合) [8 ~& N; K: l0 z 原文(說明機制): They relax scattering at lattice disorders like phonons, crystal defects and charged coulomb centers, accompanied by light emission with high probability and in a few cas additionally by recombination 1 n- s p0 z9 S2 m' S k• 波長範圍從紅外光(IR)到可見光 $ G' L7 q4 k5 o2 r# U) S5 Z5 V, s! T( c8 ^ ________________________________________/ b+ u8 i5 P% s% i1 Y F-PE / R-PE 頻譜分佈 - }5 O! e$ W. K" O' D下圖為描繪F-PE 與 R-PE 頻譜強度佈圖(從參考資料[1]描繪,有需要請參考原圖)7 ^4 |; o; i5 `( J( P 9 ?, J; g$ r( F. u8 O2 c其他: 1 w {1 x0 p+ n! R- g* f• 電阻性元件('Ohmic' currents)並不會發出PEM可用的光,僅會引發其他部分發光時產生PEM可用訊號 8 }) D# w9 }; }" z! d( g7 f• PEM無法測得溫度,因其偵測的波長範圍需要超過 500k(黑體) 5 @/ d9 b/ \1 Y' T9 Y# |# ^________________________________________ ( c( } g2 a3 f+ K8 P7 T5 @( j設備介紹 ; z% W* t. r% m b' x下圖為基本結構[1][2] 0 a( z2 l# `! ?2 H ; q M8 j2 j5 z8 Z 6 {6 Y7 B9 @' @# C2 k" V0 Y. P; [+ O j$ C說明:" L2 {! t. X3 k' e$ G3 k Y • PEM就是將顯微鏡(OM)加上影像擷取系統,且能接收較大的波長範圍 (500nm - 1500nm) $ B9 `( @3 c, T X- @( }• 特性: ( m+ o: z5 a, y* n$ N+ I• 一般系統架設在探針(probes/probe cards)系統上,或局部開口的IC上(decap)+socket使用 3 K: w, z9 `# @5 W- g# ?• 此顯微鏡對所需接收的波長作最佳化 8 m# v$ z# Q% ^ Z$ l' h9 [ • 接收器(detector)需能接收微弱(faint)的光線 - A2 C+ w$ ^; Q5 i) d8 R' v• 能將PEM影像與OM(顯微鏡)所看到的線路影像作疊圖(overlay) % ?" @. R6 Z D% m • 光學系統: 9 _( f' v$ H D! U7 O, _+ a• PEM設備上決定其設備性能的關鍵 k* e5 e7 q' K! p5 \* T • 一般OM影像(反射式顯微鏡)因有強光源可反射,所以成像容易.需關注的是微小光源(PE)傳送到Detector過程中顯微鏡的好壞 + A, O# q5 R: ]/ b7 D: x9 R W7 O• 高的數值孔徑(numerical aperture, NA), 長焦距鏡頭(high working distance, WD),易於操作 , e1 h3 m. e6 G/ z. Z1 K4 X. X • 光感測器(Detector) ( a y* y/ g5 ]7 F • 上圖所示為先將光轉為電(非常微量無法偵測),然後利用倍增管將其放大然後打到螢光屏顯像 ( K x5 l- ^ p1 R• 目前設備為均用CCD取代,其特性下一段討論.(主要有 cooled Si-CCD, MCT-CCD) , K* g, U( g* ?8 W1 D' [• 在 FA (failure analysis)要求的為在低倍率有高敏感度. $ ^ X. p' g( N' y8 b& P• 第一次取影像需求為能取到整顆晶片(whole chip),並且能夠概略得到亮點區域.一般需配0.8x的鏡頭以取得整顆IC(whole chip) , e6 L* z, d j- i* G* P& ^• 觀測期間可移除全部不需要的鏡片(High transmission mode) ) x4 i- g6 O! v* f2 P• 提供全黑的環境,任何雜訊都將影響結果靈敏度 : z6 N( p$ h; C) l. e! P註: 1 |5 _5 \: ~* S. j# P g1.數值孔徑(NA) 是測量從一光點(light spot)放出通量(flux)F的光束,通過一倍率為M的光學系統到一CCD的像數(pixel) $ {: B3 x/ G8 \! Z b F=f(NA/M)2. M: magnification, NA: numerical aperture, F:light flux 下表為典型的物鏡(objectives)* T# h" U' ^9 g N- w- U6 V+ L Magnification NA rel. Flux5 T8 o3 e' S' `3 ^9 i L( W+ U 0.8 0.025 0,13 - ^9 G6 m ? h7 u) }- }8 e/ U0.8 Macro 0.40 321(39); `; y- y( X% u$ Z6 n8 H C 5 0.14 1 2 l$ A0 a+ Y+ z20 0.42 0,6 : k, c, C9 S# l0 u- j' ~100 0.50 0.03 ]% Q$ |+ K- Y; H7 G2.數值孔徑(Numerical Aperture)N.A.是決定物鏡的分辨率、焦深、圖像亮度的基本數據，當物鏡焦點對好後，物鏡前透鏡最邊緣處的傾斜光線與顯微鏡光軸所交角成α，此即該物鏡的半孔徑角設標本數據空間的折射率為n，則N.A.＝n×sinα 資料來源 9 B- M: B. {, x" ]/ x. c9 g ________________________________________6 e2 Y0 \' Y. g# [; B9 b; e 光感測(受)器(Detector):' A: y/ q# d; A2 e! l • 偵測波長範圍: 1500 nm to 500nm 5 S( ]5 G# Z5 {/ N( w• 含"頻閃觀測儀"(stroboscopic gating option)約在GHz的頻率,能輸出至 TV 影像的頻率 ' L6 v/ x4 a% s8 {6 K5 L7 e • 過去用: Phtocathode, Micro Channel Plate, Vidicon 9 O* {, @/ Q8 R. x1 u6 k# e5 i• 目前: 都是做成CCD的形式(直接用CCD),以下說明兩種目前最常用的CCD 2 E$ K) x* n9 _3 _2 tcooled Si-CCDs HgCdTe(MCT) CCD l* W6 p2 d( ^% ~• 偵測波長範圍: 500 - 1100 nm. , M, V* g+ {8 ] Z1 i• 可用於偵測 F-PE 與 R-PE / H: Q0 T0 F5 k: w2 B, h$ E • 靈敏(nsitivity)度不高 ) G7 B6 Y/ {/ P3 r# v) f • pixel field: 1056 x 1056 0 {; ]* _8 E) T9 t: R • 取影像需幾秒時間,無法用於動態影像 ) d% b H/ v- _! B, c. V. u( w- i: G• 可靠 省錢 => 矽(Silicon)為基材的CCD, 須有Peltier cooling • 另一型的CCD,利用不同材質(非使用Si) ; {( n, y( B e# ]( R • 將偵測波長往紅外光推.(可到 2.5 um,可測到黑體輻射)一般為防止干擾利用濾波器將其 接收範圍限制在1.4 um以下 0 i3 q ^+ f7 W • 對有興趣的波長範圍有更高的靈敏度 0 x9 @/ E3 G" I! j: f! X" ]• 可用於從晶背(backside)觀看PEM - e2 V, I! c+ u8 k: E$ _2 t+ W a • 可用於較低壓的IC " z' Q3 I/ W8 G4 W• pexel field: 256x256(典型) / d* ?1 D: }2 L! K0 C6 L' ~4 s7 d- u • 需用液態氮冷卻以減少雜訊 ; k) e5 l/ N! J/ d • 比Si-CCD貴很多 |+ }3 F' v- e9 Z+ ` 下圖顯示 Si-CCD, MCT-CCD比較[1]: / P) _; K. S9 ?; y8 ]' O$ i0 }9 M ! o6 M" q. S) n8 x% n' \' p4 c# E ________________________________________ 1 ] f9 ~8 h+ O' G U從晶背使用PEM(Backside) + O" o; l6 I6 C* {; {2 J% B8 P! s• 原因:製程上金屬層增加,覆晶封裝(flip-chip)無法從正面(front side)取得PEM影像 2 A4 U$ U/ V) E• 矽材質僅能穿透波長高於 1100nm 的光.因為能階的關係(bandgap) / K0 C5 Q; X2 ?* W u4 @% d$ d • 所面面臨問題: ! q4 B+ A G* h; c• CCD # b9 p u/ O+ A1 v1 e• Si-CCD不很適合使用, 因為其最佳吸收波長剛好與底材的吸收波長相同(穿透率不佳) , F. I9 o% U* ?• 若參雜不重(light doping),Si-CCD的吸收光譜小部分重疊(見右圖P-與Si CCD所圍區域), 此區間已可取得很多有用的資訊 , { {$ s9 I9 M" Q• 建議使用MCT-CCD v9 r9 X% k; T1 ^- k; W • Si 底材(substrate) / s" m% @$ y" C, h • si的diffraction index為3.4會造成光線發散,使影像模糊(因為只有小部分在聚焦點上) " Q6 X0 l/ c1 c; \1 o, X• 有特殊物鏡可以補償,不過須工作在特定的底材厚度 ) ~$ s! L3 K- z: B; V3 C; \5 P • 表面拋光(polish)對影像的結果有很大影響 + q3 `- O+ ?0 D( G • Si 底材重參雜(Heavy doping) , H! ?. T' C+ }! `0 R5 N* E • 嚴重影響光線傳輸,即使波長操過1100nm,原因為能階變窄(bandgap-narrowing) 被自由載子(free carriers)吸收(右圖P+所示穿透率不到10%) $ Q6 U- c X# K• 使用 Si-CCD問題更為嚴重, 需將底材磨到厚度小於 50 um 4 v+ j* q, l5 e3 H0 o+ c. B- a u9 v• 使用MCT-CCD問題此問題不嚴重 / x" K, E) h" p4 R5 y • 右圖紅線說明不同參雜濃度的透光率 特性光譜 & Si-CCD , s, g8 L3 [9 O, o ' s; K2 k! R! e( P# ?9 }4 n: e________________________________________ 3 V% z) p% T3 V; f發射源分類(Classification of Emission Source)% Z; e2 O$ K- P5 Z0 c' j, t 下表為發射機制的整理[1]: : k; F m+ ]+ x' k0 M! I3 ]F-PE Space Charge Region(SCR) : H4 ~0 c/ j, H4 R(空間電荷區域) Rever Biad Junction% k% h8 |1 i8 a [9 {% ~# f (PN 接面逆向偏壓) 4 L- ]$ |2 S w" f: W+ c Silicon Leakage Current * Z {# `7 w4 m- B5 K( b MOS Transistors / saturated mode : I' \1 ~: @ p; E(MOS操作於飽和區) - g, M" Q+ V; s0 M% L ESD Protection Breakdown( H+ j7 m# d1 W- v' f: a5 c- } (ESD保護電路Breakdown). C* }! I1 M+ o5 C S. f Bipolar Transistor / active mode 1 n/ J! U2 {! v; {(雙極性電晶體操作在主動區)# Q* u0 L* Y5 d9 ] Locally High Current . u G. f2 L5 M, R4 E' U(局部大電流) GOX-Defects / -Leakage,4 T5 c- h5 x6 _ (Gate Oxide 損壞或漏電): C% h. z2 E2 x$ p3 e) [ Fowler-Nordheim Current GOX Leakage Current$ z; [# I/ m0 P (F-N 產生的Gate Oxide 漏電電流) " s p9 S. f4 `. k: n1 cR-PE E-H-Recombination/ I) w( G3 G x (電子電洞結合) Farward Biad Junction ( O- ^% A6 v {1 i1 [(PN 接面順向偏壓) m# t4 | a f+ o" A( P Bipolar Transistors / saturated mode ' Z% g2 X2 I8 N' _1 ]3 M: u(雙極性電晶體操作在飽和區)( ~2 G4 B# E0 p# ?+ p Latch up1 _0 i( k1 {; z K5 r6 v% M$ B (發生閂鎖現象)# j; J" y$ `7 I3 \ F-PE => 電場加速後能量釋放 (Light Emission Generated by Scattering of Field Accelerated Carriers) |9 T7 |; A) D; W8 q2 L* a柯基断尾的原因• 大多數PEM的亮點都是取自此機制 - x+ A9 n9 j c" i• 包括 MOS操作在飽和區與大多數矽晶圓漏電的現象 # ^9 [. m" a/ r0 e, U, Y • 歐姆型的漏電(ohmic leakage current)發生在Gate Oxide也可測得.條件:局部電流密度(current density)大到能產生(F-PE) 8 m1 b$ k J7 `! t1 u5 g • GOX defect能夠用PEM測得通常需局部區域壓降大於2V 4 l, B( k/ j. G) p/ C; l. V) [ • F-N (Fowler-Nordheim) 電流通常由於發生在矽或多晶矽上的散射(scatter) ! @9 S/ J: w% h4 pR-PE => 電子電洞結合(Photoemission Generated by Radiant Electron-Hole Recombination)$ ~- b* y2 K( P) s • 主要用於 Latch up 分析 % D% L4 e* ~ B9 d+ { • well floating 才會有順偏的 PEM 2 B* n. o" L6 \$ I- P • 對於雙極性電晶體與Power IC, 其轉換過程極為重要 ! a! V# F+ A6 |! \4 [ 判斷亮點是否為問題點[3] # c E8 Z0 r6 {/ [* x; z- i很多人認為亮點即為有問題區域,這並不對應該利用下面兩項判斷 9 u8 ]- t, U/ F# t! c/ B1. 利用下表所分類的歸納可能原因 - o* s% g9 {, o$ x+ c0 Q8 W 2. 了解 PEM的原理與機制來判斷原因 * N- v, Q% y0 Z |: @+ a 偵測的到亮點 偵測不到亮點/ S3 P6 }: y, s o1 O5 r: G 故障點/有問題區 原來就會是亮點 $ W% ` q5 G% i+ A! Z(電路特性或測試條件造成) 不會出現亮點的故障 亮點被遮蔽 * f! Q$ ^* b% E ' e6 r; W' y" p+ x; R • junction Leakage 个性签名短句1 {# ?6 f9 @, B4 x3 J% B! o6 Q2 C% Y • Contact spiking ! B2 i$ N* B$ S. p% l; G* T• Floating Gates 2 m; h/ S; W# @5 x0 _7 R/ g•Hot electrons (saturated transistors) . c: I) g6 P; Z: S2 M • Junction Avalanche ! L+ F( A: I, X# E • Latch-Up + k! u8 o* S O' w- a9 A • Oxide current leakage . A$ m0 k ]( V1 o4 ~7 `- \* ] j • Polysilicon filaments ( k1 ^ w# n% W• Substrate damage • Saturated bipolar transistors ( t# |+ T6 Z9 O/ {9 o* ] • Saturated analog MOSFETs : `, J: _4 S7 G% W• Forward biad diodes • Ohmic shorts : j+ \' c* g) t • Shorted metal interconnects 3 q+ n* K+ v5 S8 P. T/ T$ t• Surface inversion 5 T( y, f0 n7 g5 F6 P) g9 @ • Silicon conduction paths (e.g. diffud resistor) $ F4 [0 z" m2 \•Sub-threshold conduction • Buried Junctions w. u6 @3 y W& k4 h• Leadkage sites under metal . k/ A+ {7 p. S8 r各種機制的頻譜分布[1]8 H! I8 \' T9 m+ o, s 9 n# C8 D. z2 B+ Q; g) T7 n% y( I% r放射頻譜(emission Spectra) ' a) D/ W5 R8 ~• 右圖為以下討論的總結 ) u/ a( u4 ~) E0 a( h J2 {• 電子電洞結合 R-PE (recombination radiation),由於電子溫度較低(low electron temperature)集中在一狹小區域. Lath-up時會將元件加熱所以其區域會有些不同 1 {0 T0 z( Q3 m* L+ v8 c {% Z3 [• 電場加速＆散射 F-PE(Radiant scattering of field accelerated carriers):遵守 Boltzmann statistics, 所以電子溫度(動能)大於 1500K且成指數下降(exponential slopes) * V" G0 h* W. M! d# i • FN-current (F-PE)電子直接穿過Oxide,並無特別的特徵除了在1.8e有上升一些 - t9 s; z3 D2 {$ w• 所有PEM量化的評估均建立在作用載子密度與發射量成正比,因為有太多因素會影響接收情況(如光學系統,傳輸經過的層次),所以無法建立適用於各種狀況的自動判斷的設備(automatic recognition) + ^9 q0 y( F Z/ \) o單項說明# f/ Q; q6 n8 \4 ` PN接面漏電(Leakage Current across a pn-Junction in Silicon)8 B; Q. E. g# D1 B6 J • 正常元件逆偏時,僅在發生壘增崩潰(avalanche mode)才會於PEM中見到(F-PE).(例外:well-substrate diodes) : }% g. f: W. z) ~2 u+ Y" z • 矽晶圓的漏電大多數情況可用PEM定位故障點(failure localization). 3 C4 |% y5 o1 y/ N$ t c• 亮點產生原因為載子通過SCR(F-PE) . x; k! z0 q% x% g; y8 @8 E• Contact spiking 也為接面漏電的一種 : r" g% N. A+ t# ?$ m/ j* P • 某些狀況可測到pA級得漏電.(Highly localized junctions or capacitors) , ^5 Q' l7 G w0 R MOS飽和區操作/熱電子(Saturated MOSFETs/Hot Electrons) ( ?5 ]2 r9 t$ h0 b1 ]• 當MOS於歐姆區操作(即Vd < Vg-Vt), 反轉區為一低電阻通道並不會釋放光.(右上圖) 难的近义词# f1 d; B: v" j. f" J1 Q • 於飽和區操作時,夾止(pinch-off)現象發生,在汲極與夾止點(pinch-off point)間會有空間電荷區(SCR) ' c x V' E6 H; F: n, ^+ k• 亮點強度與偏壓和基材電流有關 (back bias/substrate current).基材電流越大亮度越強 0 |' U! I6 }( @* E. {: d8 K. q • 正常的邏輯線路中若輸入為HIGH或 LOW並不會有亮點在PEM出現(指CMOS),因為沒有足夠電流 + F. s0 U) J+ {4 J F. H1 j0 \/ F( A• 靜態操作下PEM中見到亮點代表了: float gate, leaky gate, leaky junction, avalanche) p$ o* L* h% o7 C% t 動態操作下見到的 PEM亮點代表了: FET switch.(不在本主題範圍,參考 PICA-picocond imaging circuit analysis) ( Z" s9 j, b; X! t- z A( j% F • 此現象可用於IC功能確認與故障點定位,但若電源小於1 V的IC此方法將不適用 ) P$ T/ a8 @% j0 Z" R; c7 a • 電源電壓越低(製程越先進)發射量越小,且波長也會往較低能的紅外光(IR)區偏移, # `8 p* ^- A8 @• PEM訊號的強度與SCR區載子的倍增有關,若於夾止區倍增出的高能載子穿過Gate Oxide稱為熱載子(熱電子) 梦到吃花生7 \0 c! m Z. J$ x6 g( ~0 s• PEM可測得熱電子造成的損壞,利用PEM的頻譜分布圖可推得熱電子的溫度 , u3 f4 p- w' g( o4 U2 [+ d* q. t7 ?" B% c. Z6 e8 A* C Fowler-Nordheim 電流 8 Z: |5 M- M: [8 l4 N1 ~• Fowler-Nordheim 穿透(tunneling): 其指當閘極氧化層很薄時,電子可穿過氧化成形成閘極電流 + j5 j. [7 e8 U* s e • 發光現象一樣為F-PE,不過其光譜有很大差異,在PEM記錄的區間幾乎為一定值並不隨波長而改變,且不易觀察因為雜訊很大 - W2 ~7 M0 Z t$ K$ p, ^: U• 與閘極氧化成厚度成反比,若閘極太薄波長將往藍光(或到紫外光)偏移,超出PEM可接收光線的範圍 + E `1 F$ ~. F u( h1 u 局部大電流 / 閘氧化層電崩潰(Locally High Currents / Thin Oxide Breakdown) : r/ z( s d+ i) G* N b• 閘氧化層崩潰產生的PEM亮點,在閘極與基材使用同一摻雜時,並不需利用SCR區產生亮源 $ m- X( D X4 S' H( F8 w2 ?• 故障區域將產生局部的高電流密度區,而產生足夠的電位差造成F-PE(typically > 2V ) E; l$ E: L7 P# K2 l9 h& L; L • 前一點說明了為什麼PEM能觀察閘極崩潰., p( R3 h4 D7 N7 }) g. D) Q" O 同時也說明了為什麼有時會觀察不到,如:局部高電流融掉了該區域,崩潰區域過大使電流密度不足產生亮點 6 v8 h" }" D" c Z% B* Y! Z二極體(Bipolar Diode) 6 m6 A+ I. q3 @- G8 _% p! s. q • 順偏: ( t0 F: F2 v7 z) t • 典型的R-PE影像會分佈較廣(不會集中一點,會成暈開的影像);因為載子的擴散 ! O, S1 a2 d; U+ q X# S• 載子的擴散的長度更可由此圖計算 : O9 C; ?9 e u1 b& F• 逆偏: * W; M4 } C8 z F. W v8 Y • 逆向偏壓的影像大不同,僅在邊緣看到非常集中的亮點(F-PE, avalanche condition) ! {9 a3 z ^# Y' L养兔• 反應了高電場發生在元件的邊緣與角落,若使用及時觀測此光點會強烈擺動(fluctuate) ( F* l9 q w1 F; k* c1 T9 F • 須到倍增崩潰(avalanche multiplication)發生才可產生足夠PEM接收的亮度 5 }$ n8 L S) G" T* I V • 典型的F-PE影像亮點集中在供高電場處 ( u1 R7 a8 {) M$ @6 Q雙載子電晶體(Bipolar Transistor) 0 a2 j: {( x; r; b* I5 N/ C • 以下說明為橫躺(lateral)的雙極性電晶體,一般IC上的雙極性電晶體為直立的(vaetically)的以下的說明並不會出現1 |, Y5 m4 s+ W7 l: j# `0 s (照片及詳細說明請見參考資料[1]) 5 X+ B4 h) a3 J8 a k% m7 {) O• 主動區: [' f) M2 y8 U M2 C4 E • PEM影像顯示主動區操作亮點集中且明亮,其為 F-PE; (參考前一段PN接面說明) 6 H7 ^9 ~9 O' Y' v6 G/ M( w+ b • 原因:主動區操作時基極集極逆向偏壓,使基極加深了擴散梯度(steeper diffusion slope),並將電流往集極方向集中 8 Z- i+ r" S/ @# g) f* J! c! H • 另一方面在很薄的基極發生電子電洞結合基機率很低,雖有大量少數載子進入,但缺少SCR所以不會見到亮點 6 v- f) U2 s4 ` { • 飽和區 7 Z- x g4 p9 T • 飽和區操作亮點比較擴散為R-PE.可以反證主動區操作時缺乏SCR 8 s8 u ?( r4 M1 o; |; {• 散佈的亮點可以說明載子的擴散與電場的加速 4 P" T5 C) S e9 Y& w6 |8 ?8 \9 R6 t. Q• 從PEM觀點可利用提高基極電流使PEM能取得亮點,不須做其他可能傷害元件的觸發 ! b0 e1 x1 p {: r 閂鎖效應(Latch up) / r( t f4 j u; s1 @. r7 | • 一CMOS會寄生兩電晶體形成類是閘流體(Thyistor, 即pnpn))結構(相關說明有時間在寫) ! ~/ }9 b+ Q q& H0 V• 在閂鎖效應穩定發生時為 R-PE, 順向衝越(forward-breakover) turn-on為F-PE 0 z% R8 Z6 m K# n; c) x3 w; Q0 W ________________________________________ 4 I# ~" V: ^: C總結 + B) w! A# C8 r: k/ P• 成功利用PEM訂出故障點,需要從矽晶圓上發出亮點. 且有局部有大的電流密度 4 q2 r0 K$ N0 G X! I• F-PE須有足夠的載子散射造成亮點(light emission).如:GOX breakdown ; Z/ L/ |' Q- j% _ _8 A • 需有足夠的載子進入SCR(space charge region) + K' R6 O Y7 g. x4 A7 Y' }( {• 順偏時須有足夠的載子才能產生亮點 - Y3 B' Y# p4 ]( C- K e+ z3 x • 前三項即是說須達到PEM所能接收的最小極限 4 V2 k* f( U; x. X4 q' a, t• 通常亮點並不一定是故障點.例如ㄧ正反器(flip-flop)失效造成其下一級的(another FET)閘極處在中間態並且成為亮點 + a2 v8 v) V9 @1 H• 重點就是要分析原因與元件的電路特性來斷定問題 6 Y2 ~ C4 X5 T/ d q0 C________________________________________% L# v6 @/ P2 @9 c3 [9 |0 T$ K 其他: . m8 }( S( S: v' S* I. S: ]• 50% CMOS電路僅加電源即可見到問題點 3 K4 K9 `* o) d6 ~" S0 i • 若有好的IC可以比對更容易判斷其是否為問題點.若沒有可以比對同一IC中相同功能的點 ( i) \' C# L5 F, R( M8 \ • 測試前需確認該IC的錯誤(failure)依然存在.即經過Decap, Socket等的環境改變錯誤依然發生;若需要可能需要 改變測試溫度或使用ATE等設備製造出環境 ! Q0 w `; I) _! y • Lach-up會引發很多地方一起發亮 + ?" O8 T3 M1 o, ^; {, H! K • Power bus pulling down, PEM會見到所引發的很多亮點, 不過不會見到問題點, 可用Voltage Contrast, internal probing, liquid crystal 測得 ( ]2 Q6 H u9 R* k5 m • CMOS Inverter探討: Output 與Vdd短路將引發 nMOS 發亮, 與Vss短路將為pMOS發亮; 對Input端則視短路電阻大小,與MOS參數決定哪一MOS發亮(或比較亮).此狀況MOS沒有問題(問題非一定發生在亮點) 6 A. b1 W6 n8 W0 I- p N. }• charge pumd (DRAMS), Large clock circuit, 都會引發亮點, 最好跟好的IC比對,以免誤判問題 9 b" Z2 |0 O- i, a4 Y/ ^) L• 確認每一I/O點都在應有的狀態(不能有輸入不確定),不然有可能出現不該有的亮點 1 k( _( b# }5 |; d________________________________________ ! m( {. E* X9 U' eReference:7 v; _+ [$ [+ @1 O 1. Fundamentals of Photon Emission (PEM) is Silicon - Electroluminescence for analysis of Electronic Circuit and Device Functionality. Christian Boit, Microelectronics Failure analysis Desk Reference Fifth Edition. p356-368 + H6 g: @9 T$ V6 b, v2. Semiconductor Device and Failure Analysis using photon Emissionj Microscopy, Wai Kin CHim, WILEY 1 }. ]0 G' H; `7 o# K 3. Photon Emission Microscopy. Gray Shade, Microelectronics Failure analysis Desk Reference Fifth Edition. p347-355 8 \* o5 n- E9 h1 ~; Z : m; S4 ~$ ]3 [: |" @; S4 d8 v 5 e9 Q% W6 O0 [ ?. f; v : m( o, I, z4 U; e* R; q V7 F3 y# W微光顯微鏡分析主要之應用範圍 ) ]5 y7 }9 C `2 u• 矽基材缺陷 (如: Crystal defects, stacking faults, mechanical damage) 3 J5 z4 e! `% U2 L4 q0 J1 b. d+ ]• 接面漏電 (junction leakage) 9 A; }6 V G* ] ~1 k$ B, n; o • 接點穿突 (contact spiking) + q* b9 ]( \$ V2 D7 c O • 熱載子效應 (飽和區電晶體) (hot electrons, saturated transistors) : K7 F; \, O! }( Y0 A3 b$ L, a • 閂鎖現象 (latch-up) 7 _2 S$ \0 R/ S8 f! [ • 閘極氧化層漏電流 (oxide current leakage) , k# p% h* o" t+ D2 l# M2 }• 復晶矽鎢絲型橋接 (polysilicon filaments) |
本文发布于:2023-07-31 13:09:03，感谢您对本站的认可！
本文链接：https://www.wtabcd.cn/fanwen/fan/89/1103108.html
版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系，我们将在24小时内删除。
| 留言与评论（共有 0 条评论） |
