了解集成電路失效分析的步驟

引言

失效分析就是判斷失效的模式，查找失效原因，弄清失效機(jī)理，并且預(yù)防類似失效情況再次發(fā)生。集成電路失效分析在提高集成電路的可靠性方面有著至關(guān)重要的作用，對集成電路進(jìn)行失效分析可以促進(jìn)企業(yè)糾正設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過程中的問題，實(shí)施控制和改進(jìn)措施，防止和減少同樣的失效模式和失效機(jī)理重復(fù)出現(xiàn)，預(yù)防同類失效現(xiàn)象再次發(fā)生。本文主要講述集成電路失效分析的技術(shù)和方法。

1.集成電路失效分析步驟

集成電路的失效分析分為四個步驟。

在確認(rèn)失效現(xiàn)象后，第一步是開封前檢查。

在開封前要進(jìn)行的檢查都是無損失效分析。

開封前會進(jìn)行外觀檢查、X光檢查以及掃描聲學(xué)顯微鏡檢查。第二步是打開封裝并進(jìn)行鏡檢。第三步是電性分析。電性分析包括缺陷定位技術(shù)、電路分析以及微探針檢測分析。第四步是物理分析。物理分析包括剝層、聚焦離子束（FIB）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）以及VC定位技術(shù)。通過上述分析得出分析結(jié)論，完成分析報(bào)告，將分析報(bào)告交給相關(guān)技術(shù)人員。

相關(guān)技術(shù)人員根據(jù)相應(yīng)的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，以此來實(shí)現(xiàn)對集成電路失效分析的意義。

2.無損失效分析技術(shù)

所謂無損失效分析，就是在不損害分析樣品，不去掉芯片封裝的情況下，對該樣品進(jìn)行失效分析。無損失效分析技術(shù)包括外觀檢查、X射線檢查和掃描聲學(xué)顯微鏡檢查。

在外觀檢查中，主要是憑借肉眼檢查是否有明顯的缺陷，如塑脂封裝是否開裂，芯片的管腳是否接觸良好等等。X射線檢查則是利用X射線的透視性能對被測樣品進(jìn)行X射線照射，樣品的缺陷部分會吸收X射線，導(dǎo)致X射線照射成像出現(xiàn)異常情況。X射線檢測主要是檢測集成電路中引線損壞的問題，根據(jù)電子器件的大小及電子器件構(gòu)造情況選擇合適的波長，這樣就會得到合適的分辨率。而掃描聲學(xué)顯微鏡檢測是利用超聲波探測樣品內(nèi)部的缺陷，主要原理是發(fā)射超聲波到樣品內(nèi)部，然后由樣品內(nèi)部返回。根據(jù)反射時(shí)間以及反射距離可以得到檢測波形，然后對比正常樣品的波形找出存在缺陷的位置。這種檢測方法主要檢測的是由于集成電路塑封時(shí)水氣或者高溫對器件的損壞，這種損壞常為裂縫或者是脫層。相對于有損失效分析方法的容易損壞樣品、遺失樣品信息的缺點(diǎn)，無損失效分析技術(shù)有其特有的優(yōu)勢，是集成電路失效分析的重要技術(shù)。

3.有損失效分析技術(shù)

無損失效分析技術(shù)只能對集成電路的明顯缺陷做出判斷，而對于存在于芯片內(nèi)部電路上的缺陷則無能為力。所以就要進(jìn)行有損失效分析，有損失效分析技術(shù)包括打開封裝、電性分析以及物理分析。

3.1 打開封裝

有損失效分析首先是對集成電路進(jìn)行開封處理，開封處理要做到不損壞芯片內(nèi)部電路。根據(jù)對集成電路的封裝方式或分析目的不同，采取相應(yīng)的開封措施。方法一是全剝離法，此法是將集成電路完全損壞，只留下完整的芯片內(nèi)部電路。缺陷是由于內(nèi)部電路和引線全部被破壞，將無法進(jìn)行通電動態(tài)分析。方法二是局部去除法，此法是利用研磨機(jī)研磨集成電路表面的樹脂直到芯片。優(yōu)點(diǎn)是開封過程中不損壞內(nèi)部電路和引線，開封后可以進(jìn)行通電動態(tài)分析。方法三是全自動法，此法是利用硫酸噴射來達(dá)到局部去除法的效果。

3.2 電性分析

電性分析技術(shù)包括缺陷定位、電路分析以及微探針檢測分析。

3.2.1 缺陷定位

定位具體失效位置在集成電路失效分析中是一個重要而困難的項(xiàng)目，只有在對缺陷的位置有了明確定位后，才能繼而發(fā)現(xiàn)失效機(jī)理以及缺陷的特性。缺陷定位技術(shù)的應(yīng)用是缺陷定位的關(guān)鍵。Emission顯微鏡技術(shù)、OBIRCH（Optical Beam Induce ResistanceChange）技術(shù)以及液晶熱點(diǎn)檢測技術(shù)為集成電路失效分析提供了快捷準(zhǔn)確的定位方法。

Emission顯微鏡具有非破壞性和快速精準(zhǔn)定位的特性。它使用光子探測器來檢測產(chǎn)生光電效應(yīng)的區(qū)域。由于在硅片上發(fā)生損壞的部位，通常會發(fā)生不斷增長的電子-空穴再結(jié)合而產(chǎn)生強(qiáng)烈的光子輻射。因而這些區(qū)域可以通過Emission顯微鏡技術(shù)檢測到。

OBIRCH技術(shù)是利用激光束感應(yīng)材料電阻率變化的測試技術(shù)。對不同材料經(jīng)激光束掃描可測得不同的材料阻值的變化；對于同一種材料若材料由于某種因素導(dǎo)致變性后，同樣也可測得這一種材質(zhì)電阻率的變化。我們就是借助于這一方法來探測金屬布線內(nèi)部的那些可靠性隱患。液晶熱點(diǎn)檢測是一種非常有效的分析手段，主要是利用液晶的特性來進(jìn)行檢測。但液晶熱點(diǎn)檢測技術(shù)的要求較高，尤其是對于液晶的選擇，只有恰當(dāng)?shù)囊壕Р拍苁箼z測工作順利進(jìn)行。液晶熱點(diǎn)檢測設(shè)備一般由偏振顯微鏡、可以調(diào)節(jié)溫度的樣品臺以及控制電路構(gòu)成。在由晶體各向異性轉(zhuǎn)變?yōu)榫w各向同性時(shí)所需要的臨界溫度的能量要很小，以此來提高靈敏度。同時(shí)相變溫度應(yīng)控制在30-90攝氏度的可操作范圍內(nèi)，偏振顯微鏡要在正交偏振光下使用，這樣可以提高液晶相變反應(yīng)的靈敏度。

3.2.2 電路分析

電路分析就是根據(jù)芯片電路的版圖和原理圖，結(jié)合芯片失效現(xiàn)象，逐步縮小缺陷部位的電路范圍，最后是利用微探針檢測技術(shù)來定位缺陷器件，從而達(dá)到對于缺陷器件定位的要求。

3.2.3 微探針檢測技術(shù)

微探針的作用是測量內(nèi)部器件上的電參數(shù)值，如工作點(diǎn)電壓、電流、伏安特性曲線等。微探針檢測技術(shù)一般是伴隨電路分析配合使用的，兩者的結(jié)合可以較快的搜尋失效器件。

3.3 物理分析

物理分析技術(shù)包括聚焦離子束、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡以及VC定位技術(shù)。

3.3.1 聚焦離子束（FIB）

聚焦離子束就是利用電透鏡將離子束聚焦成為微小尺寸的顯微切割器，聚焦離子束系統(tǒng)由離子源、離子束聚焦和樣品臺組成。聚焦離子束的主要應(yīng)用是對集成電路進(jìn)行剖面，傳統(tǒng)的方法是手工研磨或者是采用硫酸噴劑，這兩種方法雖然可以得到剖面，但是在日益精細(xì)的集成電路中，手工操作速度慢而且失誤率高，所以這兩種方法顯然不適用。聚焦離子束的微細(xì)精準(zhǔn)切割結(jié)合掃描電子顯微鏡高分辨率成像就可以很好的解決剖面問題。聚焦離子束對被剖面的集成電路沒有限制，定位精度可以達(dá)到0.1um以下，同時(shí)剖面過程中集成電路受到的應(yīng)力很小，完整地保存了集成電路，使得檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3.3.2 掃描電子顯微鏡（SEM）

掃描電子顯微鏡作為一種高分辨率的微觀儀器，在集成電路的失效分析中有著很好的運(yùn)用。掃描電子顯微鏡是由掃描系統(tǒng)和信號檢測放大系統(tǒng)組成，原理是利用聚焦的電子束轟擊器件表面從而產(chǎn)生許多電子信號，將這些電子信號放大作為調(diào)制信號，連接熒光屏便可得到器件表面的圖像。對于不同層次的信號采集可以選用不同的電子信號，那樣所得到的圖像也將不同。

3.3.3 透射電子顯微鏡（TEM）

透射電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到0.1nm,其大大優(yōu)于掃描電子顯微鏡。集成電路的器件尺寸在時(shí)代的發(fā)展中變得越來越小，運(yùn)用透射電子顯微鏡可以更好的研究產(chǎn)品性能，在集成電路失效分析中，透射電子顯微鏡可以清晰地分析器件缺陷。透射電子顯微鏡將更好地滿足集成電路失效分析對檢測工具的解析度要求。

3.3.4 VC定位技術(shù)

前文講述的利用Emission/OBIRCH/液晶技術(shù)來定位集成電路中的失效器件，在實(shí)際應(yīng)用過程中熱點(diǎn)的位置往往面積偏大，甚至?xí)x失效點(diǎn)幾十個微米，這就需要一種更精確的定位技術(shù)，可以把失效范圍進(jìn)一步縮小。VC（Voltage Contrast）定位技術(shù)基于SEM或FIB,可以把失效范圍進(jìn)一步縮小，很好地解決了這一難題。VC定位技術(shù)是利用SEM或者FIB的一次電子束或離子束在樣品表面進(jìn)行掃描。硅片表面不同部位具有不同電勢，表現(xiàn)出來不同的明亮對比度。VC定位技術(shù)可以通過檢測不同的明亮對比度，找出異常亮度的點(diǎn)，從而定位失效點(diǎn)的位置。

4.總結(jié)

我們認(rèn)識了常用的集成電路失效分析技術(shù)和方法，而更深刻地了解各種技術(shù)的應(yīng)用還需要在實(shí)際的分析工作當(dāng)中積累經(jīng)驗(yàn)，再認(rèn)識再提高。