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低成本的物理分析技术——半导体失效分析

低成本的物理分析技术

半导体失效分析

J. Y. GLACET和G. GUERRI DALL 'ORO

汤姆森消费电子公司,17bd . Gaston Birgk b.p. 826, 49008惹怒了Cedex,法国


由于技术的不断发展,半导体元件的失效分析不仅是一项成本越来越高的工作,而且在经济上难以支持、发展和证明其合理性。集成电路针对针电测试、滴酸器开塑料包装、液晶热点检测、EBIC、静态电压对比和电压编码等分析技术可以在低成本设备的故障分析实验室中开发和应用。虽然它们的目的不是要取代一些著名的昂贵和复杂的分析工具,但它们可以提供有效的结果。


介绍

半导体器件的失效分析对于元器件制造商和元器件用户来说是一个非常有价值的工具。在发现故障根源的过程中,提供必要的反馈,以不断提高产品的质量和可靠性。微电子技术的发展涉及越来越多的挑战和非常复杂的分析技术。然而,仅仅依靠最新最昂贵的设备并不是进行故障分析的最佳途径,而技术、知识和经验丰富的人员是必要的。*

作为一个故障分析实验室,位于消费电子行业,我们面临着一个特定的环境,其特点是大批量生产,高量和广泛的组件,持续的技术发展,制造成本降低,提高质量和可靠性水平。据此,我们定义了一种电子元件物理分析的具体方法^。它意味着物理分析工具的选择和开发

(a)低成本

(b)性能

(c)不是在浪费时间

(d)适应现代技术。

在本文中,我们打算给出一个实际的概述,我们在我们的实验室中使用的不同的失效分析技术,以正确地指导分析方法,定位缺陷,并确定失效模式的起源和原因。

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

电气测试

作为半导体元件失效分析程序的一部分,在开始时要进行电气测试以确认或检查失效,并据此进行分析。它提供了一些关于缺陷类型和可能的故障原因的信息,同时帮助识别缺陷的功能或元素。

电测试可以通过不同的方式完成,例如使用标准曲线跟踪器进行参数化,使用特定的测试器进行参数化/泛函化,或者在给定的应用中直接进行功能测试。由于集成电路引脚数高,曲线跟踪器的实用性不强。特定的集成电路测试器提供优异的性能,但在投资和程序开发方面非常昂贵。应用程序中的测试要求收集电子产品或系统,以覆盖要测试的组件范围。

作为一名参与电视机制造的半导体元件用户,我们决定在故障分析实验室实施以下行动:

(a)开发一种用于集成电路电气测试的曲线追踪设备

(b)使用集成电路的不同电视机

功能测试。

集成电路针对针I-V半自动测试仪

曲线特征

半导体器件的电流-电压(I-V)特性曲线追踪是半导体器件的基本工具

1991年5月6日收到

故障分析~。在分立元件的情况下,电学测试很容易,而对集成电路则需要针对针的I-V测量。具体的针对针表征设备已被描述,但它们要么是n ~ al部分,要么是手动的,或复杂的。8-10我们提出了一个可以用标准和低成本设备实现的解决方案(图1)。

该系统由一台配备了IEEE-488控制器的个人计算机控制。我们使用Keithley 236源测量单元作为电压源/电流监视器,用于I-V曲线测量,使用惠普3497A数据采集控制单元和3498A扩展器进行pin开关。所有的仪器都通过IEEE总线使用我们自己的软件进行控制。系统连接一个专门设计的集成电路测试夹具。它分为两部分:一部分用于参考组件,另一部分用于被测设备(DUT)。有几个平行的集成电路测试插座,以覆盖不同的封装类型。有了这个系统,我们能够测试标准浸出,收缩浸出,SOP和PLCC包装多达68个针。然而,引脚的数量是没有限制的。它可以增加一个修改的测试夹具和一个额外的HP 3498A扩展器。操作员可以通过计算机键盘选择用于I-V曲线追踪的pin组合。可以快速完成对电路的完整测试。通过比较DUT和参考分量的I-V曲线,可以直观地解释电测试(图2)。如果需要,可以将曲线存储并打印出来。系统中还包括一个组件数据库,并在屏幕上显示各种集成电路引脚说明。我们目前每天都非常有效地使用这个系统。

塑料包装打开技术

使用一个简单的滴液器和一个热板,或与一个特定的机器。等离子体蚀刻塑料包装是非常缓慢和不实际的处理高容量的组件。一些特定的湿式化学蚀刻设备可以非常有效,并提供高质量和可重复的结果。然而,它们往往是昂贵的,而且必须设计得能承受酸腐蚀。滴酸技术是非常实用的,尽管它需要监督化学反应,以限制包装的过蚀和随后的组件损坏。最好使用红色发烟硝酸,因为它在低温下反应,将焊盘腐蚀的风险降到最低,而硫酸在高温下反应,往往腐蚀金属。然而,必须用硫酸来溶解某些塑料。我们认为酸滴技术是失效分析实验室中应用最简单、最容易的方法。它只需要很少的设备,而且非常便宜。

液晶热点检测

对一个失败的集成电路进行电气测试,在最坏的情况下可能会显示某种泄漏电流或短路。通常,包装打开后,通过光学显微镜观察不到任何物理损伤。通常,由于电路的大小和复杂性,缺陷要么是不可见的,要么是很难发现的。液晶热点检测是一种非常有用的功耗定位技术。 17-19 它使用液晶和偏振光。如果集成电路的某一区域被加热到一定程度,液晶就会变成各向同性的相位,在交叉偏光下出现黑点。通过对液晶过渡点附近芯片表面温度的精确控制,可以提高灵敏度。这个技巧设置起来很简单,


或化学。机械开封既快又容易,但通常会破坏包装的电气完整性,因此并不总是适合进行故障分析。化学打开可以在等离子体,14或湿化学蚀刻

 

无损、实用、快速、灵敏、价格低廉,适用于任何标准光学显微镜。它是失效分析实验室中必不可少的基本工具

电子束感应电流(EBIC)

电子束感应电流分析是一种非常有用的方法

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图1所示。集成电路针对针I-V曲线表征系统

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图2。用集成电路针对针测试仪获得的测量示例


它还可用来研究氧化锌和金属氧化物中的缺陷。在这种技术中,半导体内的冲击电子束产生的电流被增强并用于调制SEM CRT。这种电流很大程度上取决于缺陷,或者光束穿透芯片表面进入半导体的能力的局部变化。EBIC方法的主要优点是简单、灵敏、快速、在标准扫描电镜上增加了低成本的设备和破坏性小。我们使用它作为一种有效的技术定位结和表面缺陷的二极管和晶体管。集成电路的分析比较费时、困难。

静态和动态电压对比

电压对比是分析集成电路故障的有效工具。研究了表面电位对二次电子电流能量分布的影响。较负的区域产生较清晰的图像,因为相对于检测器有较高的电位差。根据要分析的故障类型,电压对比可用于静态或动态模式。静态模式是实用的观察直流电势和检测电子开路或短路在集成电路。然而,在这种情况下,钝化器件的电压反差很快消失。动态模式对于功能失效分析是必要的,对于一般情况下的钝化部件的分析也是如此。设备已经发展在一种标准的SEM26,28或专门为那个目的设计.29

 

它性能很好,但价格昂贵且复杂,因此在故障分析实验室中不容易得到。然而,我们认为一些可以安装在标准扫描电子显微镜上的简单设备能够提供低成本的电压对比分析能力。在电压编码方式中包含了简单的静态电压对比和动态电压对比。虽然电压编码技术的表现不如频闪复制,它是简单的,非常有用的观察信号传播,并可以获得良好的结果高达1 MHz

EBIC电压对比系统

用于故障分析

半导体组件

我们的系统是围绕飞利浦扫描电子显微镜开发的(图3)。SEM配备了一个“标本电流检测”选项和一个用于EBIC成像的电流放大器。附加的电子器件包括用于静态偏置的直流电源、用于动态刺激的脉冲发生器和惠普8175A数字信号发生器、电视视频同步信号提取电路、晶体图像处理器、视频监视器和用于图像存储的录像机。我们使用特定的测试夹具和真空室馈线,能够分析多达68个引脚的各种封装的集成电路。所有的68个频道是可在一个外面板与BNC连接器。

采用脉冲发生器进行实时低频动态电压对比。这是实际的快速可视化的潜力在芯片上。然而,当频率增加时,它是必要的

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图3。EBICholtage对比失效分析系统

使信号与显微镜的电子束扫描同步。这是电压编码技术的基础。为此,使用HP 8175A的外部输入触发其数字信号输出。在慢扫描模式下,线消隐信号从显微镜直接应用到这个输入。在电视扫描模式下,需要从SEM的复合视频信号中提取线帧同步信号。与扫描电镜慢扫描和电视扫描信号同步,根据HP 8175A内部时钟周期值和信号模式,允许从低频率到高频率的电压编码性能。

我们目前使用该系统进行半导体元件的失效分析。图4显示了在一个失败的二极管上测量的I-V曲线。开包及光学检查均未见缺陷。然而,缩小的EBIC信号(图5)定位缺陷,这是一个裂缝在硅片(图6)。

图7是用我们的系统得到的典型电压编码图像。元件为氮化硅钝化的记忆集成电路。

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图5。同样的二极管观察与SEM:一个缺陷的EBIC信号可见

在本例中,动态信号与电视帧扫描同步,从而产生水平黑白色条纹。在集成电路的故障分析中,使用VCR进行图像存储,并将故障部件与参考部件进行比较。

结论

随着微电子技术的日益复杂和分析技术的发展,半导体元器件失效分析的成本越来越重要。因此,启动或维护一个良好的失效分析实验室是非常昂贵的。然而,失效分析是非常有用和必要的组件制造商和用户。

基于多年的经验,并考虑到消费电子行业的特殊背景,我们认为我们所描述的低成本和高效率的技术和设备已经取得了令人满意的结果。

对于未来,我们的努力将特别集中于寻找,并实施,新的失效分析技术,根据

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同样的基本目标是成本效益,以及培训和技能方面的人的因素。


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