講一下失效分析中最常用的輔助實驗手段：亮點分析（EMMI）

最近手里有兩款芯片在做FA（失效分析），正好就講一下失效分析中最常用的輔助實驗手段：亮點分析（EMMI）。

一.EMMI設(shè)備簡介

EMMI：Emission microscopy 。與SEM，F(xiàn)IB，EB等一起作為最常用的失效分析手段。而EMMI應(yīng)用于IC的失效分析還可以追溯到三十幾年前。這里結(jié)合三篇文獻來說明一下EMMI的原理以及結(jié)合實例進行EMMI結(jié)果分析。

圖一.EMMI設(shè)備示意圖。

EMMI是一種極其靈敏的顯微鏡，其光譜能從可見光區(qū)延伸到紅外光區(qū)，并能捕捉到微弱的熒光。通過將捕捉到的熒光圖片與芯片照片重合便能確定熒光產(chǎn)生的位置。

圖二.EMMI中MCP電子放大腔示意圖。

圖二是EMMI中最為重要的器件之一。通過該器件，EMMI可以探測到極其微弱的熒光。（簡單形容下原理：EMMI把捕捉到的光子通過在放大腔中放大，形成可觀測的光束。）

**EMMI的本質(zhì)只是一臺光譜范圍廣，光子靈敏度高的顯微鏡。**而為何其能應(yīng)用于IC失效分析，這里就要鋪墊些半導(dǎo)體的相關(guān)知識。

圖三.半導(dǎo)體熒光原理圖。

二.集成電路熒光原理簡介

2.1.載流子復(fù)合

半導(dǎo)體材料分為直接帶隙半導(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體，而Si是典型的直接帶隙半導(dǎo)體，其禁帶寬度為1.12eV。所以當(dāng)電子與空穴復(fù)合時，電子會彈射出一個光子，該光子的能量為1.12eV，根據(jù)波粒二象性原理，該光子的波長為1100nm，屬于紅外光區(qū)。通俗的講就是當(dāng)載流子進行復(fù)合的時候就會產(chǎn)生1100nm的紅外光。這也就是產(chǎn)生亮點的原因之一：載流子復(fù)合。所以正偏二極管的PN結(jié)處能看到亮點。如果MOS管產(chǎn)生latch-up現(xiàn)象，（體寄生三極管導(dǎo)通）也會觀察到在襯底處產(chǎn)生熒光亮點。

2.2.熱載流子

隨著器件尺寸的逐漸變小，MOS器件的溝道長度也逐漸變短。短溝道效應(yīng)也愈發(fā)嚴(yán)重。短溝道效應(yīng)會使得MOS管的漏結(jié)存在一個強電場，該電場會對載流子進行加速，同時賦予載流子一個動能，該載流子會造成中性的Si原子被極化，產(chǎn)生同樣帶有能量的電子與空穴對，這種電子與空穴被稱為熱載流子，反映在能帶圖中就是電位更高的電子和電位更低的空穴。一部分熱載流子會在生成后立馬復(fù)合，產(chǎn)生波長更短的熒光，另一部分在電場的作用下分離。電子進入柵氧層，影響閾值電壓，空穴進入襯底，產(chǎn)生襯底電流。歸因于短溝道效應(yīng)能在MOS管的漏端能看到亮點，同樣在反偏PN結(jié)處也能產(chǎn)生強場，也能觀察到亮點。

2.3.絕緣層漏電

隨著MOS管的氧化層越來越薄，其本身的魯棒性也在下降，無論是氧化層本身的缺陷還是“軟”失效，在電場的作用下其本身更容易產(chǎn)生隧穿電子，隧穿電子會造成中性的原子發(fā)生極化，變成微等離子體的同時產(chǎn)生光子。同樣也會在EMMI中反映出亮點。

圖四.不同機制下的熒光光譜。

目前IC中能產(chǎn)生熒光的原因主要就是上述三種，而IC的失效分析中是給予失效點一個偏壓，然后EMMI捕獲電流中產(chǎn)生的微弱熒光。 原理上，不管IC是否存在缺陷，只要滿足其機理在EMMI下都能觀測到熒光， 那如何才能根據(jù)EMMI的結(jié)果確定失效位置，這就需要具體問題具體分析。

話不多說，接下來舉幾個簡單的例子方便理解：

三.EMMI應(yīng)用實例

3.1實例一

實例一.差分輸出電路。

第一個實例是個差分輸出，該電路的癥狀是兩邊輸出電壓不一樣，從電路分析來看應(yīng)該T2壞了，接下來在V+和GND之間給一個 小電壓偏置 （小于PN結(jié)反偏擊穿電壓，大于PN結(jié)正向?qū)妷海┤缓笊螮MMI， 將左右兩個三極管的結(jié)果進行對比 。然后結(jié)果如下圖。

實例一.EMMI與SEM圖像。

從EMMI上明顯看出左右兩個三極管的亮點存在差異，左側(cè)三極管亮點分布不均勻，而右側(cè)亮點均勻，強度較低。兩邊的三極管都存在VB-E偏壓，都是正偏二極管，整個PN結(jié)都會因為載流子的復(fù)合產(chǎn)生亮點。但是左邊復(fù)合強度更強，而且復(fù)合產(chǎn)生的熒光分布不均勻，在缺陷處復(fù)合強度明顯偏高，亮點更集中。SEM的結(jié)果說明左側(cè)的三極管發(fā)生損壞，缺陷會變成陷阱中心加速載流子的復(fù)合，所以EMMI上左側(cè)更亮，更集中。

3.2.實例二

實例二.電路圖。

實例二是一個HBM 2KV ESD防護單元，而ESD模塊也是最容易發(fā)生失效的模塊。該電路的癥狀為Input port到GND之間存在較大的漏電流。為了確定失效點，在Input和GND之間 施加一個2.5V的偏壓 ，然后用EMMI觀察亮點。根據(jù)電路特性，如果ESD單元正常工作，在GGNMOS的drain端只會存在極其微弱的熒光，但是EMMI的結(jié)果顯示GGNMOS其中一根Finger的drain端存在大面積的熒光，說明該處存在問題，后對NMOS進行SEM觀察，確定了失效位置，該ESD單元的漏端產(chǎn)生損傷，從而造成了漏電流和EMMI光點。

實例二.EMMI圖像。

實例二.失效點SEM圖像。

3.3.實例三

實例三是放大器中的一部分，電路圖如圖所示。

實例三.放大器電路圖。

該電路的癥狀為VDD到GND電阻短接，問題鎖定在T1，T2，T3三個三極管之中。Vin與GND間施加適當(dāng)偏壓，T1，T2，T3的B-E結(jié)正偏，正常情況下都存在載流子復(fù)合，形成亮點。但是EMMI的結(jié)果顯示只有T1存在亮點，說明T1的B-E結(jié)是正常的，而T2，T3都失效了。去除金屬化后發(fā)現(xiàn)T2的失效點。EMMI結(jié)果如圖所示。

實例三.EMMI與SEM圖像。

上述三個實例都較為簡單，但是也體現(xiàn)出了EMMI在FA中的分析方法。第一個例子是將 差分單元的EMMI進行對比 ，然后根據(jù)機理分析，EMMI亮度不均勻的管子出了問題。 而第二個實例就是在不該出現(xiàn)亮點的地方出現(xiàn)亮點，說明電路出現(xiàn)問題。第三個實例是應(yīng)該出現(xiàn)亮點的地方，反倒不出現(xiàn)亮點，這說明電路也出現(xiàn)了問題。 所以EMMI的分析并不是單純的說明有亮點就出現(xiàn)問題，更不是說明有亮點就是溫度高 （雖然高溫確實能加速載流子復(fù)合），EMMI的分析需要基于對其原理的理解與具體電路的分析。

而實操中EMMI也需要調(diào)整偏置電壓的大小與探頭的靈敏度。如果偏置電壓過大，正常的器件都會存在大量的熱載流子和雪崩擊穿，造成整個片子都是亮點，這也沒法分析了。同樣靈敏度過高也會造成這種結(jié)果。而且需要對具體情況進行具體的偏壓設(shè)置。目前這只是靜態(tài)的EMMI測試，隨著芯片情況越來越復(fù)雜，還有動態(tài)EMMI測試的應(yīng)用，這種情況就更難分析了。