技術文庫
前言
熱偵測技術亦廣泛使用於IC器件的失效點定位偵測中。因此這篇文章我們會詳細探討(1)熱偵測的技術原理,及其(2)使用方式及其(3)應用的優勢，進一步呈現(4)實際IC器件異常應用的案例分享，讓讀者能在實際資料的解讀及對IC器件異常的機理有更直接的判斷。IC器件通電後產生電流，在異常缺陷的位置電流會和正常狀況下有差異，此電流的差異通常會以兩種方式呈現在IC器件上，分別為(1)光子激發及(2)熱輻射，所以偵測器可以收集到這兩種訊號即能定位到此缺陷的位置。這篇文章我們會針對光子激發及熱輻射訊號作介紹,關於另一項常用的雷射光束引生的電阻變化異常檢驗(OBIRCH)在於下一篇文章做介紹。
光子激發的偵測原理 (EMMI detector)
IC器件的缺陷位置若是接近於基板，在通電的狀態下會引發電子－電洞對結合(EHP-Electron Hole Pairs Recombination) 並放出光子。以Si基板能階間隙1.1 eV而言，光子的波長為1100nm。失效分析常用的光子激發偵測器有兩種，一為傳統的Si-CCD EMMI偵測的波長範圍在400nm-1200nm：另一為InGaAs EMMI可偵測的波長比較長，範圍約在900nm到1700nm的紅外線波段，如(圖1)：
圖１：傳統的Si-CCD EMMI和InGaAs EMMI可偵測的波長範圍及靈敏度比較；Si基板能階間隙1.1 eV而言光子的波長為1100nm
隨著元件工藝縮小，操作電壓持續降低，熱載子的能量也變小，因此熱載子所激發出的光波長也跟著變長，進入紅外線的範圍。InGaAs的偵測靈敏度也比Si-CCD EMMI來得高所以InGaAs EMMI便非常適合先進製程對亮點定位的需求。因此為了獲得較好的亮點偵測能力，InGaAs EMMI是絕佳選擇。
Failure mode: Isb (3.5 mA) test failure
EMMI result: Onephoton emission was found in Isb condition
PFA results:
(a)As the unit wasde-layered to the contact layer, anomalous VC of contact was found. (b)After de-layering of poly-1 layer, it is found that there exists a gate oxide pinhole.
圖2： Isb失效的IC器件(a)利用EMMI偵測到亮點後，經由物性分析發現(b)contact異常VC對比，進一步分析得到(c)poly Si底部gate oxidepinhole
熱輻射偵測的原理(Thermal EMMI detector)
物體表面溫度若超過絕對零度(0K)即會輻射出電磁波，隨著溫度的不同其所輻射電磁波之強度與波長分佈特性亦隨之改變，波長約略介於0.75μm到1000μm間之電磁波概稱為「紅外線」通常將紅外波譜區分為近紅外- 0.75μm到1.5μm (near-infrared)，中紅外1.5μm到3μm (middle-infrared)和遠紅外3μm到1000μm (far-infrared)，如(圖3)：
圖3：紅外線是一種看不見的光線，其波長不同的分佈圖
IC器件表面的溫度範圍隨著器件應用種類不同而有高低，但一般都遠低於制程材料的熔點，但當器件內部有異常的缺陷造成線路間的歐姆特性短路引發異常電流時，會讓器件在短路的位置上有局部溫度上升的現象。溫度的範圍從絕對溫度數百K至千餘K或甚至更高，依電流及結構材料不同而定，物理性質的現象如金屬燒熔、介電層燒裂等等。此溫度反應出器件局部的熱輻射波長會大於中紅外線的範圍內，請參考(圖4)此波長範圍的IC熱輻射，可利用目前失效分析常用的偵測器(InSB)來收集器件缺陷所產生熱輻射範圍在3.2um-5.8um波長，如(圖5)：
圖4：物體表面温度的熱輻射波長;温度越高波長越短（左）
圖5：失效分析常用的偵測器(InSB)，接收缺陷所產生熱輻射範圍在3.2um-5.8um波長(右)
熱輻射偵測使用方式及其應用的優勢
首先，熱輻射可以穿透黑膠材質，因此IC器件在未開蓋前(非破壞工程分析)即可以熱輻射偵測來定位，這有利於提高失效分析的成功率熱偵測儀定位除了確認二維平面的位置能力外，還可以利用頻率鎖定(LIT-Lock in Tomography)的技術進而定位熱點的深度位置，有利於3D封裝IC的結構定位，如層別MCP熱點產生的IC及鑒別出封裝制程或晶片缺陷的問題LIT的技術是利用提供電源的頻率鎖定，比較接收到同頻率熱源訊號的時間延遲(phaseshift)，來判斷熱源的深度位置， phase shift越大代表熱源的深度越大，可判斷熱點的3D位置，請參考(圖6)：
圖6：利用頻率鎖定(LIT-Lockin Tomography)的技術定位熱點的深度位置，比較接收到同頻率熱源訊號的時間延遲(phaseshift)，來判斷熱源的深度位置，有利於3D封裝IC結構定位
(a)歐姆短路－ IC器件封裝打線/PCBtraces/內部金屬線路;金屬接觸孔的阻值異常部分( via/contact )
(b)漏電－介電層(dielectric) 缺陷/崩潰；
(c)閉鎖效應－ESD失效；
(d)熱源縱深判讀－3D封裝(MCP)故障點的深度預估
PFA results: bonding wires bridging was found at hot spot location by using 3D x-ray.
图7: IC器件測得短路失效(a)利用thermalEMMI 偵測到熱點後，經非破壞分析發現(b)打線異常橋接，(c)經過影像的處理放大,可更明顯獲得橋接的影像
總結：
IC器件異常缺陷的電流差異通常會以兩種方式呈現在IC器件上 (1) 一種為光子激發 (2)另一種為熱輻射，這兩種是由不同的失效機理產生，所以必須使用可對應的偵測器才能有效找出失效的缺陷位置；搭配亮點與物性分析的結果更容易推論失效真因。