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1、EMMI/OBIRCH的原理及应用,QRA/FA,Zhouhao,半导体器件和电路制造技术飞速发展，器件特征尺寸不断下降，而集成度不断上升。这两方面的变化都给失效缺陷定位和失效机理的分析带来巨大的挑战。而激光扫描显微技术（IR-OBIRCH: Infra-Red Optical Induced Resistance Change）和光发射显微技术（PEM: Photo Emission Microscope） 作为一种新型的高分辨率微观缺陷定位技术，能够在大范围内迅速准确地进行器件失效缺陷定位，因而在器件失效分析中得到广泛应用。它具有迅速（只需通过一次成像就能检查复杂IC的发光）、有通用性（能
2、与测试仪相连）、洁净（不需薄膜）、简单（与探针无相互作用，不会人为产生问题）、灵敏（漏电流可以小至uA量级）等优点。,Abstract,Failure Analysis Flow,将宏观的电学测试和微观的结构剖析连接起来,OBIRCH的基本原理 OBIRCH lock-in简介 OBIRCH的应用及实际失效案例分析 EMMI的基本原理 Advanced EMMI (InGaAs)简介 EMMI的应用及实际失效案例分析 OBIRCH与EMMI的区别,Outlines,OBIRCH的基本原理 OBIRCH lock-in简介 OBIRCH的应用及实际失效案例分析 EMMI的基本原理 Advance
3、d EMMI (InGaAs)简介 EMMI的应用及实际失效案例分析 OBIRCH与EMMI的区别,Construction and BASIC-Principle of IR-OBIRCH,Bias apply to device using with voltage source or current source. When laser scan, current (or voltage) is changed caused by resistance change with laser heating at the laser beam point.,OBIRCH的基本原理 OBIRC
4、H lock-in简介 OBIRCH的应用及实际失效案例分析 EMMI的基本原理 Advanced EMMI (InGaAs)简介 EMMI的应用及实际失效案例分析 OBIRCH与EMMI的区别,Principle of Lock-in Detection Method,OBIRCH的基本原理 OBIRCH lock-in简介 OBIRCH的应用及实际失效案例分析 EMMI的基本原理 Advanced EMMI (InGaAs)简介 EMMI的应用及实际失效案例分析 OBIRCH与EMMI的区别,Case Study of IR-OBIRCH,Via Chain Resistance Rela
5、ted,Metal Short Related,CSMC Real Case Study,Why PVC?,CSMC Real Case Study,OBIRCH的基本原理 OBIRCH lock-in简介 OBIRCH的应用及实际失效案例分析 EMMI的基本原理 Advanced EMMI (InGaAs)简介 EMMI的应用及实际失效案例分析 OBIRCH与EMMI的区别,Construction of Photo Emission,Principle of Photo Emission,Type B (broad spectrum from visible to nearly IR) C
6、urrent leakage at reversed biased PN junction Micro plasma leakage at oxide layer Hot electrons,Bremsstrahlung or Intra-band recombination,Type A (narrow spectrum at nearly IR) Forward biased PN junction Latch-up of CMOS device,Recombination of minority carrier,Forward biased PN junction,Type A：少子注入
7、pn结的复合辐射，非平衡少数载流子注入到势垒和扩散区并与多数载流子复合而产生光子；（如正偏结、三极管、闩锁）,光子由距p-n结一个扩散长度内的注入载流子从导带到价带的复合所产生。因此其光谱中强度峰值处于硅的禁带宽度（1.1eV，1100nm）处。,p-n结正向偏置时，发光的空间分布相对均匀，下图是正向偏置的p-n结的发光原理示意图和实际EMMI相片：,1.正偏p-n结及其相关结构的发光机制,Latch-up of CMOS device,2.闩锁时的发光机制 闩锁是CMOS电路中的一种失效机制。当发生闩锁时，两个寄生晶体管的发射结都正偏，在寄生晶体管中流过很大的电流，从而产生发光。这时的结电流
8、主要是耗尽区中注入载流子的复合。,闩锁发生时，器件发光的区域很大，下图是闩锁的发光原理示意图和实际EMMI相片：,Current leakage at reversed biased PN junction,Type B：加速载流子发光，即在局部的强场作用下产生的高速载流子与晶格原子发生碰撞离化，发射出光子；（如反偏结、局部高电流密度、热载流子发光等）,反偏p-n结的发光原理是隧穿产生的电子和价带中空穴的复合或者是雪崩产生的电子空穴对的复合。所发射的光子的能量可以大于禁带能量。其光谱在可见光范围内有一个宽的分布（ 650-1050 nm ）。只有当反偏p-n结已经击穿，或者结上存在缺陷而产生漏
9、电时，反偏p-n结发的光才能被探测到。,1.反偏p-n结及其发光机制,下图是反向偏置的p-n结发光原理示意图和实际EMMI相片。当p-n结反偏至雪崩击穿后，首先在局部观察到明亮的发光点。表明对应位置有更高的电场强度。当反偏电压增加时，发光强度和发光区的面积都增大，直到整个结区都发光。,Micro plasma leakage at oxide layer,2.局部高电流密度发光机制,栅氧化层缺陷是显微镜发光技术定位的最重要的失效之一。但薄氧化层击穿不一定会产生空间电荷区，特别是多晶硅和阱的掺杂类型相同时。它发光的解释是：电流密度足够高，在失效区产生电压降。这一电压降导致了发光显微镜光谱区内的场
10、加速载流子散射发光。,下图是反向偏置的p-n结发光原理示意图和实际EMMI相片（栅氧击穿 GOI short loop）,一些发光点不稳定，在一段时间内消失掉。这是因为高的局部电流密度熔化了击穿区，扩大了击穿区使电流密度下降。,Hot electrons,3.热载流子发光机制,MOSFET在工作时会发射波长范围较广的光子。这一发光现象和热载流子有关。流过MOS晶体管反型沟道的电流并不产生发光。只有在饱和时，电流通过空间电荷区从夹断区到达漏极。发光正比于衬底偏置和衬底电流。这意味着显微发光信号正比于空间电荷区的载流子倍增。夹断区中倍增产生的载流子一部分参透到栅氧化层成为热载流子。 热载流子是被M
11、OS晶体管漏端的局部沟道电场加热而具有高能量的导带电子和价带空穴。 到目前为止，热载流子发光现象背后的真实机制仍是一个研究和讨论的很多的领域。 对工作在饱和区的MOSFET中的热电子发光现象，应用最广泛的解释包括以下一些机制：,热载流子在漏区电离杂质的库仑场中的轫致行为（轫致辐射) 热电子和空穴的复合。其中空穴由沟道中强电场作用下的热电子碰撞电离产生 以上两种机制的综合。,OBIRCH的基本原理 OBIRCH lock-in简介 OBIRCH的应用及实际失效案例分析 EMMI的基本原理 Advanced EMMI (InGaAs)简介 EMMI的应用及实际失效案例分析 OBIRCH与EMMI的
12、区别,Comparison of C-CCD/MCT/InGaAs2,FAB1 FAI EMMI Emission Leakage at PN junction ESD Damage Hot Carrier Leakage at Oxide Tunneling current/Avalanche breakdown,FAB2 PHEMOS-1000 InGaAs Sub defects such as Crystal defects, stacking faults, mechanical damage junction leakage contact spiking hot electron
13、s, saturated transistors latch-up oxide current leakage polysilicon filaments,EMMI and InGaAs,OBIRCH的基本原理 OBIRCH lock-in简介 OBIRCH的应用及实际失效案例分析 EMMI的基本原理 Advanced EMMI (InGaAs)简介 EMMI的应用及实际失效案例分析 OBIRCH与EMMI的区别,Real Case Study,Case1：SW TDDB ISD Analysis,STI corner breakdown was observed at the EMMI sp
14、ot,FIB cutting,FIB cutting,Real Case Study,Case2：QH619C Logic Function Analysis,Word line poly break was found at EMMI spot,Real Case Study,Case3： HX0050AA ESD Failure Analysis Report,ESD damage was found at specifically position of ESD circuit,OBIRCH的基本原理 OBIRCH lock-in简介 OBIRCH的应用及实际失效案例分析 EMMI的基本原理 Advanced EMMI (InGaAs)简介 EMMI的应用及实际失效案例分析 OBIRCH与EMMI的区别,Difference between IR-OBIRCH and EMMI,Comparison of LCD/OBIRCH and EMMI,Q&A,