集成电路失效分析的技术和方法

北二桥头 · 发表于 2020-3-25 10:24

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摘要：集成电路的应用十分广泛，随着集成电路向着更小工艺尺寸，更高集成度方向发展，集成电路失效分析扮演着越来越重要的角色。一块芯片上集成的器件可达几千万，要想找到失效器件实属大海捞针，因此进行集成电路失效分析必须具备先进、准确的技术和设备，并由具有专业知识的半导体分析人员开展分析工作。

　　0 引言

　　失效分析就是判断失效的模式，查找失效原因，弄清失效机理，并且预防类似失效情况再次发生。集成电路失效分析在提高集成电路的可靠性方面有着至关重要的作用，对集成电路进行失效分析可以促进企业纠正设计、实验和生产过程中的问题，实施控制和改进措施，防止和减少同样的失效模式和失效机理重复出现，预防同类失效现象再次发生。本文主要讲述集成电路失效分析的技术和方法。

　　1.集成电路失效分析步骤

　　集成电路的失效分析分为四个步骤。

　　在确认失效现象后，第一步是开封前检查。

　　在开封前要进行的检查都是无损失效分析。

　　开封前会进行外观检查、X光检查以及扫描声学显微镜检查。第二步是打开封装并进行镜检。第三步是电性分析。电性分析包括缺陷定位技术、电路分析以及微探针检测分析。第四步是物理分析。物理分析包括剥层、聚焦离子束（FIB）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及VC定位技术。通过上述分析得出分析结论，完成分析报告，将分析报告交给相关技术人员。

　　相关技术人员根据相应的缺陷进行改进，以此来实现对集成电路失效分析的意义。

　　2.无损失效分析技术

　　所谓无损失效分析，就是在不损害分析样品，不去掉芯片封装的情况下，对该样品进行失效分析。无损失效分析技术包括外观检查、X射线检查和扫描声学显微镜检查。

　　在外观检查中，主要是凭借肉眼检查是否有明显的缺陷，如塑脂封装是否开裂，芯片的管脚是否接触良好等等。X射线检查则是利用X射线的透视性能对被测样品进行X射线照射，样品的缺陷部分会吸收X射线，导致X射线照射成像出现异常情况。X射线检测主要是检测集成电路中引线损坏的问题，根据电子器件的大小及电子器件构造情况选择合适的波长，这样就会得到合适的分辨率。而扫描声学显微镜检测是利用超声波探测样品内部的缺陷，主要原理是发射超声波到样品内部，然后由样品内部返回。根据反射时间以及反射距离可以得到检测波形，然后对比正常样品的波形找出存在缺陷的位置。这种检测方法主要检测的是由于集成电路塑封时水气或者高温对器件的损坏，这种损坏常为裂缝或者是脱层。相对于有损失效分析方法的容易损坏样品、遗失样品信息的缺点，无损失效分析技术有其特有的优势，是集成电路失效分析的重要技术。

　　3.有损失效分析技术

　　无损失效分析技术只能对集成电路的明显缺陷做出判断，而对于存在于芯片内部电路上的缺陷则无能为力。所以就要进行有损失效分析，有损失效分析技术包括打开封装、电性分析以及物理分析。

　　3.1 打开封装

　　有损失效分析首先是对集成电路进行开封处理，开封处理要做到不损坏芯片内部电路。根据对集成电路的封装方式或分析目的不同，采取相应的开封措施。方法一是全剥离法，此法是将集成电路完全损坏，只留下完整的芯片内部电路。缺陷是由于内部电路和引线全部被破坏，将无法进行通电动态分析。方法二是局部去除法，此法是利用研磨机研磨集成电路表面的树脂直到芯片。优点是开封过程中不损坏内部电路和引线，开封后可以进行通电动态分析。方法三是全自动法，此法是利用硫酸喷射来达到局部去除法的效果。

　　3.2 电性分析

　　电性分析技术包括缺陷定位、电路分析以及微探针检测分析。

　　3.2.1 缺陷定位

　　定位具体失效位置在集成电路失效分析中是一个重要而困难的项目，只有在对缺陷的位置有了明确定位后，才能继而发现失效机理以及缺陷的特性。缺陷定位技术的应用是缺陷定位的关键。Emission显微镜技术、OBIRCH（Optical Beam Induce ResistanceChange）技术以及液晶热点检测技术为集成电路失效分析提供了快捷准确的定位方法。

　　Emission显微镜具有非破坏性和快速精准定位的特性。它使用光子探测器来检测产生光电效应的区域。由于在硅片上发生损坏的部位，通常会发生不断增长的电子-空穴再结合而产生强烈的光子辐射。因而这些区域可以通过Emission显微镜技术检测到。

　　OBIRCH技术是利用激光束感应材料电阻率变化的测试技术。对不同材料经激光束扫描可测得不同的材料阻值的变化；对于同一种材料若材料由于某种因素导致变性后，同样也可测得这一种材质电阻率的变化。我们就是借助于这一方法来探测金属布线内部的那些可靠性隐患。液晶热点检测是一种非常有效的分析手段，主要是利用液晶的特性来进行检测。但液晶热点检测技术的要求较高，尤其是对于液晶的选择，只有恰当的液晶才能使检测工作顺利进行。液晶热点检测设备一般由偏振显微镜、可以调节温度的样品台以及控制电路构成。在由晶体各向异性转变为晶体各向同性时所需要的临界温度的能量要很小，以此来提高灵敏度。同时相变温度应控制在30-90摄氏度的可操作范围内，偏振显微镜要在正交偏振光下使用，这样可以提高液晶相变反应的灵敏度。

　　3.2.2 电路分析

　　电路分析就是根据芯片电路的版图和原理图，结合芯片失效现象，逐步缩小缺陷部位的电路范围，最后是利用微探针检测技术来定位缺陷器件，从而达到对于缺陷器件定位的要求。

　　3.2.3 微探针检测技术

　　微探针的作用是测量内部器件上的电参数值，如工作点电压、电流、伏安特性曲线等。微探针检测技术一般是伴随电路分析配合使用的，两者的结合可以较快的搜寻失效器件。

　　3.3 物理分析

　　物理分析技术包括聚焦离子束、扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及VC定位技术。

　　3.3.1 聚焦离子束（FIB）

　　聚焦离子束就是利用电透镜将离子束聚焦成为微小尺寸的显微切割器，聚焦离子束系统由离子源、离子束聚焦和样品台组成。聚焦离子束的主要应用是对集成电路进行剖面，传统的方法是手工研磨或者是采用硫酸喷剂，这两种方法虽然可以得到剖面，但是在日益精细的集成电路中，手工操作速度慢而且失误率高，所以这两种方法显然不适用。聚焦离子束的微细精准切割结合扫描电子显微镜高分辨率成像就可以很好的解决剖面问题。聚焦离子束对被剖面的集成电路没有限制，定位精度可以达到0.1um以下，同时剖面过程中集成电路受到的应力很小，完整地保存了集成电路，使得检测结果更加准确。

　　3.3.2 扫描电子显微镜（SEM）

　　扫描电子显微镜作为一种高分辨率的微观仪器，在集成电路的失效分析中有着很好的运用。扫描电子显微镜是由扫描系统和信号检测放大系统组成，原理是利用聚焦的电子束轰击器件表面从而产生许多电子信号，将这些电子信号放大作为调制信号，连接荧光屏便可得到器件表面的图像。对于不同层次的信号采集可以选用不同的电子信号，那样所得到的图像也将不同。

　　3.3.3 透射电子显微镜（TEM）

　　透射电子显微镜的分辨率可以达到0.1nm,其大大优于扫描电子显微镜。集成电路的器件尺寸在时代的发展中变得越来越小，运用透射电子显微镜可以更好的研究产品性能，在集成电路失效分析中，透射电子显微镜可以清晰地分析器件缺陷。透射电子显微镜将更好地满足集成电路失效分析对检测工具的解析度要求。

　　3.3.4 VC定位技术

　　前文讲述的利用Emission/OBIRCH/液晶技术来定位集成电路中的失效器件，在实际应用过程中热点的位置往往面积偏大，甚至会偏离失效点几十个微米，这就需要一种更精确的定位技术，可以把失效范围进一步缩小。VC（Voltage Contrast）定位技术基于SEM或FIB,可以把失效范围进一步缩小，很好地解决了这一难题。VC定位技术是利用SEM或者FIB的一次电子束或离子束在样品表面进行扫描。硅片表面不同部位具有不同电势，表现出来不同的明亮对比度。VC定位技术可以通过检测不同的明亮对比度，找出异常亮度的点，从而定位失效点的位置。

　　4.总结

　　我们认识了常用的集成电路失效分析技术和方法，而更深刻地了解各种技术的应用还需要在实际的分析工作当中积累经验，再认识再提高。