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芯片集成度越来越高,故障后失效分析该如何“追凶”?

2019-12-20 09:50
滨松
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随着科技进步,智能化产品与日俱增。从电脑、智能手机,再到汽车电子人工智能,如今在我们的生产生活中已随处可见。它们之所以能够得以发展,驱动内部收发信号的半导体芯片是关键。

芯片集成度越来越高,故障后失效分析该如何“追凶”?

我们这里讲的半导体为IC(集成电路)或者LSI(大规模集成电路)。制造的芯片可以分为逻辑芯片、存储芯片、模拟芯片、功率器件。根据摩尔定律,每18-24个月,集成电路上可以容纳的器件数目就会增加一倍,这将让更多的科技应用逐步实现,并得以优化。应用场景和市场的扩大,半导体芯片的需求无疑也会随之增长,对其质量则有了更高的要求。

比如汽车行业,除了传统的汽车电子,目前也有许多目光投向了自动驾驶。像这样高度涉及人身安全的车用芯片,在高温、低温、受潮、老化、长期工作等因素下,性能都必须保持稳定。所以,无论从半导体芯片的研发设计,再到前道工序,后道工序,甚至最终投入使用,每一个流程都需要有必要的检测来护航。

芯片集成度越来越高,故障后失效分析该如何“追凶”?

芯片制作流程概括性示意

对于芯片制造商来说,单纯知道芯片是否达标,以此来淘汰坏品保证输出产品质量,是远不够的。还需要“知其所以然”,保证良率,追根溯源,节约成本的同时给企业创造更高的效益。所以围绕着这个主题,将进行一系列的检测,我们将此称为半导体失效分析。它的意义在于确定半导体芯片的失效模式和失效机理,以此进行追责,提出纠正措施,防止问题重复出现。

失效分析检测简直就像一场“追凶”之旅。通过初步证据锁定嫌疑范围,再通过各种方法获得更多证据,步步锁定,拨开层层“疑云”去获得最终的真相。检测流程上,一般来说,制造商会首先对待测半导体晶圆(wafer)或裸片(die)实施传统的电性测量。一方面来确定芯片是否有故障的情况存在;一方面,若故障确切存在,也可以为后续失效分析提供必要的信息。

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已经过诸多工艺处理后的晶圆(wafer),裸片(die)即从其切割而来

但想达到溯源的目的,仅凭传统的电性测试是远不够的。还需要进一步了解缺陷具体存在的位置,甚至还原出失效的场景、模式,用以了解失效机理。这也就是在半导体失效分析中重要而困难的一项,缺陷定位。失效分析工程师结合测试机测得的失效模式以及其他故障信息,可以初步判断需要采取的定位方法,然后不断结合获得的新数据,逐步推测出失效发生在芯片的哪层结构中,及其根本缘由。

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缺陷定位

而半导体工艺日新月异发展飞速,制程上,从70年代的微米级芯片早已经提升至纳米级芯片。芯片层数增加和晶体管数量的急剧增加,让失效点越来越难以发现。不断提升的集成度,对检测设备的性能提出了更多的挑战。

芯片集成度越来越高,故障后失效分析该如何“追凶”?

芯片集成度越来越高,故障后失效分析该如何“追凶”?

1971年到2000年,英特尔芯片的发展

挑战 1:更高的弱光探测能力

首先,芯片集成化程度越来越高,芯片的层数也将逐渐增多,电路会变得越来越细,电压要求也随之降低。因此,在检测过程中,故障处可能发出的光信号就变得微弱,再加上层数的叠加,光信号将再次被削弱,这要求检测仪拥有更高的弱光探测能力。

挑战 2:更多检测功能

不断提高的集成度在带来了日趋强大的芯片功能外,也让可能出现的故障风险变得更多。一旦出现失效,其故障原因亦可能更加复杂。因此,在失效定位时,需要发展出更多、更细化的测试方法和功能模块,去对应这样的变化。

挑战 3:无损检测技术的推进

对于出现问题返厂的成品芯片,一般会在完成一系列无损检测(如X射线检测),以及打开封装后的显微镜检查后,再进入到传统电性测试这一步。对于愈加高集成化、紧凑的芯片来说,打开封装时内部裸片受损的可能性会增大,而这一步亦是不可逆的。受损后,失效模式将难以还原,继而无法得出失效的真正原因。因此,需要时,可以尽量达到无损检测,也是给失效定位提出的又一挑战。

早在30余年前,滨松就开始了在半导体失效分析应用中的研究。1987年,推出了第一代微光显微镜,并在此后逐渐组建起了专门针对半导体缺陷位置定位的PHEMOS系列产品。针对应用中呈现出的诸多要求,滨松亦在技术上做出了进一步的开发。

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滨松半导体失效分析系统PHEMOS系列

为了增强微光探测能力,滨松开发了C-CCD、Si-CCD、InGaAs等多类高端相机。用户可根据样品制程和结构,选择不同的相机加装在设备中。

芯片集成度越来越高,故障后失效分析该如何“追凶”?

IPHEMOS-MP的信号侦测示意

除了相机以外,滨松还不断为PHEMOS系列开发出了新的功能模块,实现更多元、更深入的检测,以应对越来越复杂的故障原因:

· 可通过Probing的方式给样品加电,广泛适用于从prober card到12英寸wafer的测试;

· 可搭载波长为1.3 μm的激光,实现OBIRCH(Optical beam induced resistance change 激光诱导电阻改变测试)。也可选配其他光源,将样品连接测试机进行DALS, EOP/EOFM测量,实现样品的动态缺陷检测分析。通过这些诱导侦测方法,能有效的截获因温度、频率、电压的改变而导致sample时好时坏的困扰;

· 可选配Laser marker功能,方便后续分析。Laser marker为脉冲激光,可自定义设置打点位置、次数、能量强度、打点形状等;

· 可选配Nano lens & Sil cap,从样品背面观察内部结构。Nano lens & Sil cap在工作时会与样品表面完全接触,增加了图像的清晰度,提升了分辨率便于观察更细的线路。搭配Nano lens的使用,用户还可以选配tilt stage,将样品调平,增强信号侦测强度;

· 除了Emission功能外,PHEMOS系列还具备Thermal的功能模块。通过配备InSb材料的高灵敏度热成像相机,可探测发射热点源,方便用于package样品侦测,不需要给待测品去除封装,实现无损检测。设备可以同时满足给样品加多路电,有效降低噪声提升信号敏感度。(可提供单独拥有此功能的Thermal-F1)

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高灵敏度热成像相机 C9985-06

半导体制造涉及众多工序,过程复杂。除了失效分析以外,滨松还有众多产品都被应用在了其中,以保证生产制造的顺利进行以及产品的质量。以沉淀了60余年的光子技术,为半导体制造提供支持。

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