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1、半导体器件失效分析的研究Research on Semiconductor Device Failure Analysis中文摘要半导体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。随着集成度的提高，工艺尺寸的缩小，失效分析所面临的困难也逐步增大。因此，失效分析必须配备相应的先进、准确的设备和技术，配以具有专业半导体知识的分析人员，准确定位失效位置。在本文当中，着重介绍多种方法运用Photoemission显微镜配合IR-OBIRCH准确定位失效位置，并辅以多项案例。 Photoemission是半导体元器件在不同状态下二极管反向击穿、短路产生的电流、MOS管的饱和发光，等等，所产生的
2、不同波长的光被捕获，从而在图像上产生相应的发光点。Photoemission在失效分析中有着不可或缺的作用，通过对好坏品所产生的发光点的比照，可以为后面的电路分析打下坚实的根底，而且在某些情况下，异常的发光点就是最后我们想要找到的defect的位置。IR-OBIRCH(Infrared Optical beam Induced Resistance Change)主要是由两局部组成：激光加热器和电阻改变侦测器。电阻的改变是通过激光加热电流流经的路径时电流或者电压的变化来表现的，因此，在使用IR-OBIRCH时，前提是必须保证所加电压两端产生的电流路径要流过defect的位置，这样，在激光加热到
3、defect位置时，由于电阻的改变才能产生电流的变化，从而在图像上显现出相应位置的热点。虽然Photoemission和IR-OBIRCH可以很好的帮助我们找到defect的位置，但良好的电路分析以及微探针(microprobe)的使用在寻找失效路径方面是十分重要的，只有通过Photoemission的结果分析，加上电路分析以及微探针(microprobe)测量内部信号的波形以及I-V曲线，寻找出失效路径后，IR-OBIRCH才能更好的派上用场。因此，在失效分析中，各个步骤缺一不可。关键词：失效分析；Photoemission；IR-OBIRCH；微探针microprobe;ABSTRACTT
4、echnology of failure analysis is extremely important for reliability of IC.Due to advance of IC, failure analysis is more difficult.Advanced equipment,rational methods and professional of failure analysis is needed. How to use Photoemission and IR-OBIRCH to find defect location will be performed in
5、this article.The abnormal emission site can be acquired by Photoemissione.g reverse biased junction, silicon leakage currents, MOS transistors saturated mode and so on. Then the abnormal emission site is showed on IC image. Photoemission is very important in failure analysis, we can study the IC sch
6、ematic and layout overlay base on Photoemission result, and sometimes the abnormal emission site is just the defect location.The IR-OBIRCH(Infrared Optical beam Induced Resistance Change) method simultaneously uses two main processes: laser-beam heating and resistance-change detection. The resistanc
7、e change appears as current change or voltage change only when the laser beam irradiates a line where a current is flowing. This results in imaging current paths.Photoemission and IR-OBIRCH can help us to find the defect location, but professional of circuit analysis and usage of microprobe is also
8、important. Base on Photoemission result, after IC schematic and layout overlay study, then microprobe is performed to trace the internal signal and find the abnormal IV-Curves. IR-OBIRCH can be used to find the defect location at last.Keywords: failure analysis; Photoemission; IR-OBIRCH; microprobe;
9、目 录第一章 绪论1引言1失效分析的概述1第二章 失效分析的根本流程22.1 失效分析流程遵循的根本规律22.2 失效分析的步骤22.3 失效分析应用到的技术32.4 失效分析流程实例4第三章 失效分析中的封装检查63.1 封装介绍63.2 外观检查63.3 X射线检查X-ray73.4 超声波扫描显微镜检查C-SAM73.4.1 C-SAM概述73.4.2 C-SAM原理83.4.3 C-SAM应用实例10第四章 Photoemission显微镜介绍124.1 半导体物理的一些根本知识124.2 Photoemission显微镜的介绍134.3 Photoemission显微镜的物理机理14
10、4.4 Photoemission显微镜的正面分析和反面分析154.5 Photoemission显微镜光学系统164.5.1 Photoemission探测器PEM Detector174.5.2 光谱探测率184.5.3 影响灵敏度的因素194.6 Photoemission光谱学204.6.1 Photoemission光谱学的设备204.6.2 Photoemission光源分类21第五章 失效分析中的激光感应技术265.1 激光感应技术介绍265.2 IR-OBIRCH介绍265.3 IR-OBIRCH原理275.4 IR-OBIRCH的实践应用285.5 SDL技术335.5.1
11、SDL技术介绍335.5.2 案例研究34第六章 失效分析的实际案例38案例138案例241第七章 结论43参 考 文 献44第一章 绪论1.1 引言随着社会的开展，科技的进步，集成电路在人们的日常生活和社会开展中所占的比率逐步增大，各种集成电路产品也层出不穷。在市场竞争的鼓励下，集成规模逐步增高,功能集成也日渐加大，对可靠性的要求也越来越高。对此，对于集成电路的失效分析变的越来越重要，但随着集成度的提高、工艺尺寸的缩小，失效分析所面临的困难也急剧增大。1.2 失效分析的概述失效分析的目的是通过失效机理、失效原因分析获得产品的改良的建议，防止类似失效事件的发生，提高产品的可靠性。失效分析是元器
12、件可靠性工程中的一个重要组成局部。电子元器件的失效分析是借助各种测试技术和分析方法明确元器件的失效过程，分辨失效模式或机理，确定最终的失效原因。开展电子元器件失效分析工作需要具备相应的测试与分析手段、元器件失效机理等专业根底知识，并需要逐步积累失效分析经历。用于失效分析的设备很多且各有特点，应根据失效分析的要求，选用适当的分析技术和设备，充分利用其功能与特点，降低电子元器件失效分析本钱，加快失效分析进度，提高失效分析成功率。所谓失效是指电子元器件丧失或局部丧失了预定功能。而失效模式是指电子元器件失效的外在宏观表现，对于半导体器件，失效模式有很多，主要有开路、短路、参数漂移、等等。不同类别的电子
13、元器件失效模式的表现各不一样，即使对同一门类的电子元器件，由于其原理、构造和电气性能的差异，失效模式的表现也不尽一样。失效模式确实认是失效分析工作的重要环节。失效机理是指电子元器件失效的物理、化学变化，这种变化深层次的意义指失效过程中元器件内部的原子、分子、离子的变化，以及构造的变化，是失效发生的内在本质。失效机理的种类也很多，常见的有EOS、ESD、氧化层断裂，等等。只有正确的分析和确认失效的原因，对于失效发生的控制和改良措施才能做到有的放矢。第二章 失效分析的根本流程2.1 失效分析流程遵循的根本规律对于失效的半导体器件，每一个实验室都有自己的一套分析流程，但其遵循的根本原理都是以非破坏性
14、的检查为先，逐步分析，在非破坏性的检查不能发现失效根源的根底上，再对失效的半导体器件进展深一步的检查。需要注意的是由于不同的半导体器件或者不同的失效模式都分别对应着不同的分析流程，有的失效模式只需在封装检查局部就可以发现失效根源，而有的失效模式那么需要配合高精度的设备和深入的电路分析才可以得出相应的结果。2.2 失效分析的步骤广义上来讲，失效分析的一系列步骤如下所示：第一步：对失效模式进展验证。有可能存在这样一种情况，测试人员有可能错误的定义了半导体器件的失效模式，从而使得失效分析人员被告知的失效模式是错误的。因此对确认失效模式是否存在这一工序可以防止不必要的工作的产生。第二步：确认失效的种类
15、。失效种类可以对应为电性上的失效以及物理上的失效特征,对应电性的有参数上的失效，IV曲线有问题或者有漏电流的产生等。而对应物理的失效特征那么有封装损坏，腐蚀等。同时还要搞清楚失效产生时的测试环境，比方burn-in,ESD等。第三步：决定需要分析的失效种类。对应一个半导体器件有可能存在着很多个失效机理，但是不同的测试条件可能只对应其中一种特定的失效种类，而分析错误的失效种类最终得到的很可能不是期望得到的失效机理，因此选定正确的待分析的失效种类十分必要。第四步：确认失效机理确定失效位置。这一步可以说是非常关键的一步，所有失效分析可以使用的技术最终都是为了用来确定缺陷的位置以及失效的机理。第五步：
16、实施相应正确的改正行为。根本上到了这一步就不再是失效分析工程师单独的工作了，这一步应该是整个团队共同努力完成的，包括可靠性、工艺、设计和测试工程师等第六步：总结文档和一些后续行动。即使失效分析最终得到了正确的失效机理并确认了缺陷产生的位置，但是一些失效的种类还是会再次出现。因此，良好的文档总结可以减少失效分析的分析时间并加快工艺上相应的改良。 失效分析应用到的技术近几年，半导体器件的不断复杂化导致了实效分析投入的增加。因此，对失效种类确实认非常重要，在确认失效种类的前提下，将失效器件按失效种类的重要性排列出来，优先分析重要的失效种类。这样才可以充分利用失效分析的资源，以免造成不必要的消耗。失效
17、分析的技术可以分为两种：第一种是非破坏性的：这些非破坏性的技术不会对半导体器件产生毁坏从而导致一些失效机理的发生，同时这些非破坏性的技术也不会存在潜在的影响使后续的分析对半导体器件造成损坏。这些非破坏性的技术是失效分析十分需要的，而且在失效分析相关的工具和设备的开展都是以非破坏性为最终目标的。第二种是对半导体器件有破坏性的方法：这些破坏性的方法会对半导体器件造成不可逆的影响并使得对应失效种类的电性分析无法再进展了。所以，在进展这些有破坏性影响的操作之前，必须要确保相关的电性方面的测试以及非破坏性的分析手段全部完成。对失效的半导体器件进展破坏性的操作的目的是为了验证之前的电性测试和非破坏性技术分
18、析的结果是否正确。或者是确认某些失效根源的失效种类，比方ESD或者EOS等。总而言之，在进展破坏性的技术手段之前，必须要确认缺陷的位置所在。在很多案例中，破坏性的技术手段可以为失效种类的产生根源是否与我们所判断的一样给出明确的结果。下面给出一些典型的分析手段的描述.1. 光镜检测：半导体器件的外部的视觉上的检查主要是寻找是否有引脚弯曲,封装破裂,或者引脚腐蚀等。需要注意的是,在这一步的检查中,要防止对半导体器件造成破坏性的伤害在其他的检查环节中也是如此。2. 电性方面的测试：对半导体器件进展功能上的测试或者是测试平台上的测试都是为了定义失效种类的特性和并且保证失效模式可以被稳定的再现出来。在测
19、试当中要注意电压和温度的影响。比方在测试IV曲线时要注意所选的电压范围和嵌位电流的大小，以防止对半导体器件造成破坏性的伤害。3. 非电性方面的测试：一些非电性方面的测试要用到一些射线照相检验的手段。比方X射线检查X-ray、超声波扫描显微镜等。X射线检查设备是一种非破坏性的检测方法，它能在不破坏半导体器件的情况下直接获取器件内部的影像。但是对于某些器件，比方EPROMS，X射线检查有潜在的危险。超声波扫描显微镜同样是非破坏性检查的一种方法。4. 开封：开封是破坏性的手段的第一步。对于塑料封装工艺，开封工序存在着潜在的可能对bond线，passivation和一些顶层金属造成伤害。开封技术分为化
20、学和机械两种，开封的工序需要保证在去除封装的同时对电性上的信号和功能不造成影像。5. 第一优先级的分析技术：开封之后，芯片外表显露出来电性功能依然存在。这时像光镜检测，Photoemission，IR-OBIRCH，液晶分析，电压比照VC等分析手段就可以进展了。6. 物理分析技术：一旦半导体器件的缺陷发生的位置被确定后，第二步就是确定失效的根本原因了，即要确认失效机理。物理上的分析手段可以发现金属短路或者开路，接触孔过深，硅上的损坏以及工艺上的问题。除了上述的一些分析手段以外，还有一些其他的分析手段，比方EDX，电子扫描镜SEM等。 失效分析流程实例以我所在的实验室为例，一般来讲，当失效的半导
21、体器件开场分析时，首先要做的是确认失效模式，由于不同的失效根源会造成不同的失效模式，因此失效模式确实认可以为有经历的工程师提供重要的线索。在失效模式确认的前提下，下一步要做的就是封装检查，封装检查分别包括：外观检查、X射线检查和超声波检查，这些检查都不会对失效的半导体器件造成不可逆的破坏。对于一些bond线断开、融化、芯片与框架分层等失效模式，封装检查这一步骤即可大致确认其缺陷所在的位置，在对失效的半导体器件进展开封decapsulation后，再通过光镜的检查即可确认其物理失效根源。需要注意的是，即使发现非常明显的缺陷，也要回过头来和最初的失效模式所联系，以确定最初确认的失效模式是否是由现在
22、所发现的缺陷所造成的，这一步的重要性在于确认我们所发现的失效根源到底是否是我们分析的特定的失效模式的根源抑或是其他的失效模式的失效根源。在封装检查这一步骤不能发现缺陷位置的时候，我们就要对失效的半导体器件进展更深一步的检查分析了，第一步依然是要对失效的半导体器件进展开封decapsulation检查开封这一步骤由于需要化学品方面的操作，因此需要有化学品操作资格的专业人员进展。在开封后首先要做的是再确认一遍失效模式是否存在或者改变，这是因为开封的操作也会有潜在的风险影响失效的半导体器件。在失效模式确认的情况下，光镜检查这一步是必不可少的，即使光镜检查不能直接发现问题所在，但在光镜检查的时候通过对
23、开封后的半导体器件的拍照也可以和后期一系列分析后的半导体器件比照，来判断我们的各种分析步骤是否对半导体器件产生了失效模式改变的影响。在以上的一系列步骤完成后，Photoemission这一步就可以开场进展，Photoemission可以给分析者大量的信息来判断失效的可能性，有时更可以直接定位失效位置的所在。在Photoemission的结果根底上，对于复杂的失效半导体器件，电路的分析配合微探针的使用，可以帮助我们找到失效的路径以及失效的模块。在发现失效路径上有短路或者通过与好品的比照发现了不同的IV曲线的情况下，IR-OBIRCH的运用就可以使我们准确定位缺陷的位置，后续的物理失效分析就可以在
24、定位的缺陷位置上进展，来发现最终的造成失效的失效机理。下面以图示的方法介绍复杂的功能失效的半导体器件分析流程。图2-1 失效分析流程第三章 失效分析中的封装检查3.1 封装介绍半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程1。封装过程为：来自晶圆前道工艺的晶圆通过划片工艺后，被切割为小的晶片Die，然后将切割好的晶片用胶水贴装到相应的基板引线框架架的小岛上，再利用超细的金属金、锡、铜、铝导线或者导电性树脂将晶片的接合焊盘Bond Pad连接到基板的相应引脚Lead,并构成所要求的电路；然后再对独立的晶片用塑料外壳加以封装保护，塑封之后，还要进展一系列操作，如后固化P
25、ost Mold Cure、切筋和成型Trim&Form、电镀Plating以及打印等工艺。封装完成后进展成品测试，通常经过入检Incoming、测试Test和包装Packing等工序，最后入库出货。典型的封装工艺流程为：划片 装片 键合 塑封 去飞边 电镀 打印 切筋和成型 外观检查 成品测试 包装出货。每一个IC芯片,送到分析者手中，首先要做的就是封装方面的检查，以检测其在封装环节中是否有物理上的损坏，比方bond线的断裂，封装内部die和frame的分层等，这些都可以从封装检查这一环节来发现。这一环节包括：外观检查、X射线X-ray检查和超声波C-SAM检查。3.2 外观检查外观检查是对
26、返回来的不良品的外表外观进展光镜下的放大检查，主要目的是检查引脚是否有掉落、引脚之间是否连接短路，外表是否有毁坏等外观方面的失效。图3-1封装外表异常3.3 X射线检查X-ray X射线检查主要是检测bond线是否有断开、融化或者其他的封装方面的问题。下面以实际的案例来说明：Bond线断开 图3-2 X-ray检查3.4 超声波扫描显微镜检查C-SAM超声波扫描显微镜主要是检测die上是否有分层，一般情况下EOS和其他的一些封装上的问题会造成die上分层，超声波检查会以不同的位置为基准，如果有分层情况的存在，那么在图像成像上会高亮出相应的位置。在实际的案例中，超声波检测出缺陷位置的情况很多见。
27、3.4.1 C-SAM概述C-SAM即超声波扫描显微镜2C-Mode Scanning Acoustic Microscopy，其主要针对半导体器件，芯片，材料内部的失效分析。正常情况下，超声波扫描显微镜可以检测到材料内部的杂质颗粒、夹杂物、沉淀物、内部裂纹、分层缺陷、空洞、气泡、空隙。在一个较小尺寸的范围内，超声波会由于材料的物理特性发生相互作用。一旦材料的特性发生变化，样品内部的超声波就会被吸收、散射和反射。因为超声波无法很好通过空气进展传播，所以样品内的微小缝隙会被很容易的检测到。利用超声波的这种特性，可以把半导体材料内部的诸如分层，裂缝等的缺陷和不透光材料中的空隙等缺陷，成像在高分辨率
28、的图像上，给材料的可靠性分析带来方便。近年来，超声波扫描显微镜C-SAM已被成功地应用在电子工业，尤其是封装技术研究及实验室之中。由于超声波具有不用撤除组件外部封装之非破坏性检测能力，故C-SAM可以有效的检出IC构装中因水气或热能所造成的破坏如脱层、气孔及裂缝等。 C-SAM主要应用范围是半导体器件die外表处脱层 、锡球或填胶中之裂缝、die倾斜、各种可能之孔洞晶元接合面、锡球、填胶等。 C-SAM的主要应用领域除了半导体电子行业半导体晶圆片、封装器件、红外器件、光电传感器件、SMT贴片器件、MEMS等还可以应用于材料行业复合材料、镀膜、电镀、注塑、合金、超导材料、陶瓷、金属焊接、摩擦界面
29、等 以及生物医学活体细胞动态研究、骨骼、血管的研究等3.4.2 C-SAM原理超声波扫描显微镜(C-SAM)主要使用于封装内部构造的分析，因为它能提供IC封装因水气或热能所造成破坏分析，例如裂缝、空洞和脱层。 C-SAM内部造影原理为电能经由聚焦转换镜产生超声波触击在待测物品上，将声波在不同接口上反射或穿透讯号接收后影像处理，再以影像及讯号加以分析。 C-SAM可以在不需破坏封装的情况下探测到脱层、空洞和裂缝，且拥有类似X-Ray的穿透功能，并可以找出问题发生的位置和提供接口数据。超声波在行经介质时，假设遇到不同密度或弹性系数之物质时，即会产生反射回波。而此种反射回波强度会因材料密度不同而有所
30、差异.C-SAM即最利用此特性来检出材料内部的缺陷并依所接收之讯号变化将之成像。因此，只要被检测的IC上外表或内部芯片构装材料的接口有脱层、气孔、裂缝等缺陷时，即可由C-SAM影像得知缺陷之相对位置。图3-3 C-SAM 建立环境转换器转换镜是以压电晶体构成的，压电晶体主要的起两个作用，一个是通过在晶体上加电压，晶体通过电压的作用而改变自身的尺寸。同样的，在晶体上施加压力，晶体可以感知压力从而产生相应的电压。C-SAM的工作时，命令通过相应的软件发送给C-SAM设备，设备在承受到命令后会执行命令中的操作。最初发送命令，要求设备给晶体施加电压，晶体感知到设备给施加的电压后会产生延展，由于C-SA
31、M的建立环境是在水中，因此晶体的延展会在水中产生压力波即声波。与产生声波相反，当有声波反射给晶体后，由于声波的作用，晶体在感受到声波后在声波的作用下改变尺寸，进而由于尺寸的改变而产生电压，最终由设备测量到。C-SAM的工作主要建立在声波的产生和声波的检测上，如下列图示：图3-4晶体尺寸的改变推动水产生声波图3-5 声波推动晶体使其产生很小的电压声波是物体机械振动状态或能量的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进展的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数频率甚高，超
32、出了人耳听觉的上限20000Hz，人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在 25兆Hz之间，常用为33.5兆Hz每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=106Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在1620，000HZ 之间。超声波是声波大家族中的一员。频率高于人的听觉上限约为20000赫的声波，称为超声波，或称为超声。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规
33、律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比拟，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在一样强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。C-SAM在工作中，声波是由源向外传递的。首先是声波传向目标，当声波传到目标后，被目标反射，此时的
34、反射方向是由目标和声波源的排列决定的。而声波在粗糙外表是向各个方向散射。图3-6 声波散射3.4.3 C-SAM应用实例在平时的工作当中，通过C-SAM检测出半导体器件问题的案例有很多。C-SAM检测结果是以图片的形式显示出来的，在进展C-SAM检测时，C-SAM会首先聚焦在待测平面上一般为芯片外表进展测量，此时的声波检测是检测反射回来的声波，即声波的传递路线是首先从压电晶体产生，继而传递到待测外表，最后返回被探测器接收探测。第二种检测情况是从半导体器件的一面发射声波，在另一面检测，即所谓的穿透式through检测。下列图就是超声波检测的一个结果，可以很明显的检测出半导体器件上有异常情况存在。
35、图3-7 C-SAM实例以上两张图片表示的是同一个半导体器件的C-SAM检测结果，左面的图片的检测方式是声波探测器和发射声波都在同一方向的检测结果，右边的的图片那么是声波发射和声波探测分别在器件两端的检测结果。以左面的图片为例，我们可以很清晰的看到一些被红色覆盖的区域，这些区域代表的是声波探测到这些位置时发现了异常情况，即半导体器件的封装内部以芯片外表为检测的聚焦平面在这些红色覆盖的区域发生了分层或者空洞等。同样右边的图片在一样的位置也可以看出来与别的位置有明显的色差异常。需要注意的是，在上图的案例中，左边的图片显示的C-SAM结果中红色区域在芯片外表的两端也有显示，但是两端的红色区域并不代表
36、着肯定有异常发生，只有在芯片和连接芯片的衬底区域有明显的红色区域才是发生异常的有力证据。这是因为，在封装过程中靠近两端的红色区域显示的位置，有可能会有微小的分层产生，但是这并不一定会造成半导体器件的功能上的失效。对于右边的图片两端的深色区域也是如此。第四章 Photoemission显微镜介绍4.1 半导体物理的一些根本知识在介绍Photoemission的机制之前，首先要熟悉一下关于半导体物理的一些根本知识：首先是能带成因：当N个原子彼此靠近时，根据不相容原理，原来分属于N个原子的相同的价电子能级必然分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差异的能带2。其次是能带特点：分裂的每一个能带称为允带，允带
37、间的能量范围称为禁带。内层原子受到的束缚强，共有化运动弱，能级分裂小，能带窄；外层原子受束缚弱，共有化运动强，能级分裂明显，能带宽。晶体中电子由能量本征值分裂成一系列能带，每个能带均由N个准连续能级组成N为晶体原胞数，所以每个能带可容纳2N个电子。晶体电子从最低能级开场填充，被电子填满的能带称作满带，被电子局部填充的能带为不满带，没有电子填充的能带称为空带。能带论解释固体导电的根本观点是：满带电子不导电，而不满带中的电子对导电有奉献。 下面以图解的方式说明金属、半导体和绝缘体的能带：图4-1 金属、半导体和绝缘体能带 如果晶体电子恰好填满了最低的一系列能带，能量再高的能带都是空的，而且最高的满
38、带与最低的空带之间存在一个很宽的禁带如Eg = 5eV,那么，这种晶体就是绝缘体。如果晶体的能带中，除了满带外，还有不满带，那么，这种晶体就是金属。半导体晶体电子填充能带的状况与绝缘体没有本质不同，只是最高满带与最低空带之间的带隙较窄为Eg = 1 3eV,这样，在T等于0K时，晶体是不导电的，在T不等于0K时，将有局部电子从满带顶部激发到空带的底部，使最高的满带及最低的空带都变成局部填充电子的不满带，晶体因而具有一定的导电能力。 下面给出常用的禁带宽度：硅的禁带宽度为，锗的禁带宽度为，砷化镓的禁带宽度为。4.2 Photoemission显微镜的介绍在失效分析中，对缺陷位置的定位可以说是最重
39、要的一个环节，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。目前，定义缺陷位置和鉴定失效机理以及特征主要有两种技术种类：一种是主动的技术，一种是被动的。Photoemission显微镜可以说是被动的技术手段中用来定位缺陷位置的非常常用的技术。而且，在很多情况下，通过Photoemission显微镜的使用，可以直接定义出缺陷的特性。相对的，主动的技术会用到扫描离子束scanning ionizing beam，比方激光束，主动的技术会用这些离子束来鼓励失效，尤其是一些对载流子的变化敏感或者热敏感的失效种类。Photoemission显微镜使用光子探测器来定义过多的光电效应
40、的区域，这些区域意味着过多的电流和反向击穿等现象发生。在硅片上发生损坏的部位，因为不断增长的电子-空穴再结合而导致的强烈的光子辐射可以被能定位P-N结漏电的这种技术检测到。由热电子效应引起的红外线发射也可以被photoemission设备检测到。Photoemission显微镜具有非破坏性，和快速定位emission点的特性，在die外表Photoemission显微镜可以照到的局部，Photoemission都可以对其进展检测。在一些情况下，这项技术可以使分析者不必对半导体器件进展有物理接触的操作即可确定缺陷的位置，因为对半导体器件进展物理操作就必定存在着潜在伤害半导体器件的可能。因此在做半
41、导体器件的失效分析时所遵循的规律是以非伤害性的分析优先，在此情况下，Photoemission的非破坏性操作的优点对半导体器件的失效分析可以起到十分重要的作用。尤其是对于复杂的功能性失效的半导体器件，Photoemission的分析可以提供重要的线索，甚至直接定位缺陷的位置。但是Photoemission也存在着功能上的限制以致它不能直接定位缺陷的点或者甚至无法探测到异常点。举例说明：结之间漏电、金属线之间没有蚀刻干净产生的金属桥Metal bridge、ESD或者EOS造成的接触孔Contact渗漏进硅中、晶体管饱和状态热电子、雪崩击穿、Latch-up、衬底毁坏、CMOS或者双极晶体管饱和
42、状态。以上这些情况都有潜在的可能被Photoemission捕捉到并在最终成像的时候以光点的形式显现出来。但是由于Photoemission本身的功能限制，有些情况下是很难检测成像的，比方：阻性的漏电、残留的金属颗粒造成的金属线互连等。还有一种情况就是本来可以被Photoemission检测到，但是由于某种情况被掩盖了，比方：掩埋层的结、在大片金属下产生的漏电。4.3 Photoemission显微镜的物理机理当电子从高能量状态像低能量状态跃迁的时候，必然释放一定的能量，这些能量如果以发射光子的形式释放，那么称这种跃迁为辐射跃迁。反之，没有辐射出光子的跃迁就称为无辐射跃迁。如果这种电致发光的方
43、式是由电场电流激发载流子，将电能直接转变为光能，那么这种辐射跃迁的过程我们称之为场致发光。辐射跃迁可以分为本征跃迁与非本征跃迁两种情况。本征跃迁即为带间跃迁，导带的电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，发射出光子。显然，这种带间的电子跃迁所引起的发光过程，是本征吸收的逆过程。本征跃迁为直接跃迁，其辐射效率较高。而间接带隙半导体，发生在带与带之间的跃迁是间接跃迁。在间接跃迁过程中，除了发出光子外，还有声子参与。因此，这种跃迁比直接跃迁的概率小得多。带间的跃迁所发射的光子能量与禁带宽度直接有关。非本征跃迁是指电子从导带跃迁到杂质能级，或者从杂质能级跃迁到价带，或者在杂质能级之间的跃迁，并发射出光子的现
44、象。在间接带隙半导体中，非本征跃迁起主要作用。图4-2是在硅器件上的辐射跃迁过程的原理图，这一过程根本可以归类为三种类型。第一种是带间跃迁，包括与带隙能量接近的本征跃迁和热电子或热空穴高于带隙能量的跃迁。由于硅是一个间接带隙的半导体，因此室温下带隙之间的跃迁还有声子的参与。在室温下的发射频带与硅的禁带宽度或波长有很大的关系。第二种是与化学杂质，物理缺陷或者深能级杂质有关，这些跃迁包括从导带到受主能级，施主能级到价带，施主能级到受主能级，导带到深能级，深能级到价带。这些辐射的发射能量通常是低于硅带隙的能量或者说波长大于硅带隙的波长。第三种转换是热电子或热空穴的带内跃迁。图4-2 硅器件上的辐射跃
45、迁过程物理缺陷引起的光子发射通常与PN结正向或者反向偏置，晶体管工作在饱和状态或者绝缘层击穿等有关。4.4 Photoemission显微镜的正面分析和反面分析对与失效的半导体器件来讲，使用Photoemission显微镜直接从正面进展分析的方法面临着严峻的挑战。由于多层金属构造的不断开展，导致在缺陷位置的光子散发被多层金属遮挡，从而不能被Photoemission显微镜的探测到，最终无法在成像阶段显示出缺陷的位置。在这种情况下，Photoemission显微镜对半导体器件反面进展分析就表达出了相应的优越性。由于硅对与近红外线来讲几乎是透明的，而且直接从反面进展分析也可以避开复杂的金属布线层的
46、干扰，从而使得对于有多层金属构造的失效器件，Photoemission显微镜不受复杂金属层的干扰，可以正常的探测到缺陷位置散发的光子。图4-3显示的是衬底p-Si厚度为500m时不同掺杂浓度下的光透射率，图4-4显示的是在掺杂浓度为1019cm-3时，不同的衬底p-Si厚度对于光透射率的的影响。由图可见，透射率在硅的带隙周围波长为1107nm时最大，然后随着掺杂浓度的增加明显减少。在实际操作当中，这意味着当分析的半导体器件是低掺杂浓度的衬底时，衬底厚度的影响并不大。而对于高掺杂浓度衬底的半导体器件而言，将衬底厚度适当的变薄可以有效的提高透射率。图4-3 衬底p-Si厚度为500m时不同掺杂浓度
47、下的光透射率图4-4 掺杂浓度为1019cm-3时不同的衬底p-Si厚度对于光透射率的的影响4.5 Photoemission显微镜光学系统图4-5显示的是Photoemission显微镜在反射成像模式下的一个典型的光学系统。在Photoemission显微镜成像阶段，为了得到最正确的敏感度，会把过滤器和分束器移出光轴范围3。图4-5 Photoemission显微镜PEM的光学系统4.5.1 Photoemission探测器PEM Detector硅CCD焦平面阵列作为探测器在Photoemission显微镜中被广泛的应用，CCD的英文全称是Charge-coupled Device，即电荷
48、耦合元件。也可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素Pixel。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。在对半导体器件进展反面分析中，背照式硅CCD焦平面阵列起到了非常重要的作用，因为硅CCD焦平面阵列可以提供更高的灵敏度，测量更大的波长范围。然而，波长范围在300nm到1100nm范围内的硅CCD只能观测到在硅帯隙以上能量转换的光子发射，并不能观测到带内跃迁的光子发射，而波长大约在1107nm或者更高的情况下，光子的发射才最强烈4