蔚博士

檢測專欄

 

為何需要動態失效分析？動態EFA有哪些方法？

隨著科技進步，智能化產品與日俱增。從電腦、智能手機，再到汽車電子、人工智慧，晶元的需求日益增加。近十年趨勢半導體產業應用需求的發展, 晶元的類型發生了很大的變化，高附加價值且復雜結構的邏輯晶元產品的比重越來越大,這類晶元常伴隨有功能性失效,時程延遲,臨界區域失效等失效模式。

 

靜態電流測試無法全面測試集成電路內部邏輯單元,必須要動態信號驅動電路晶體管處於完全打開或關閉的狀態後才產生之失效現象，通過傳統定位EMMI(EMissionMIcroscope) / OBIRCH (Optical Beam Induced Resistance Change)技術已無法滿足這些晶元進行故障分析的需要。

 

動態EFA是讓器件在失效狀態下工作, 確認電路的失效模式, 利用失效向量鎖存器件失效狀態下進行定位；這方式確保兩個重點：一是確保訊號在失效時收集的減少訊噪比(S/N ratio)，二是有足夠的有效時間進行訊號收集。

 

本篇文章將會介紹動態EFA有哪些方法及總結動態失效分析適用情境。

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動態EFA有哪些方法                   

目前最常使用的有三種動態EFA的方式：(1)動態微光顯微鏡分析（DEMMI）(2) 動態雷射掃描分析（DALS） (3) 電光探測/電光頻率成像（EOP/EOPM)；圖1為三種動態EFA的方式的原理架構圖。以下介紹這三種動動態EFA的基本概念與應用及所需具備的分析工具。圖2為動態EFA 的裝置，圖中可看出ATE/ Loadboard/DUT board/ IC/Detector的相對位置及接線狀況。

 

圖1：目前最常使用的有三種動態EFA的方式：(1)動態微光顯微鏡分析（DEMMI）（2）動態雷射掃描分析（DALS）（3）電光探測/電光頻率成像（EOP/EOPM）。

 

圖2：為動態EFA的裝置，圖中可看出ATE/ Load board/DUT board/ IC/Detector的相對位置及接線狀況。

 

 

TLP設備原理

 

動態微光顯微鏡分析（DynamicEMMI）和傳統靜態主要的差異是驅動晶元電路的方式不同；靜態EMMI用直流偏壓驅動晶元，動態則是透過外部測試平臺(ATE)或其他應用板(EVB)提供信號驅使IC進入漏電狀態，再藉由微光顯微鏡偵測漏電位置。針對特定模式失效，如IDDQ  fail，scan test fail等，ATE可以加入特殊測試程式的驅動訊號給晶元， 例如：迴路程式(pattern looping)，鎖存於特殊狀態(enter a special mode –standby/  IDDQ..)。固定於特定向量 (stop at a specific vector)，讓晶元的失效狀態啟動並且產生漏電發出光子訊號，再由微光顯微鏡偵測漏電位置。

 

•需要具備什麼裝置/應用/條件?

DEMMI的設置很簡單，需要具備的工具包括(a)測試的ATE機台(或應用板) 及(b) FA的InGaAs EMMI；ATE只送測試訊號給晶元，不需要和EMMI互相有溝通。

 

圖3為DEMMI的實際案例，晶元測試結果為scanchain失效；一般靜態及全功能的測試下EMMI都無法偵測到亮點，改為迴路測試模式即可定位出異常點。

 

動態雷射掃描分析DALS

 

當器件的失效並不是全時固定式的失效模式，只和相關參數大小有關連性時, 例如電壓，頻率，溫度或任何其他參數設置。當參數設置的值讓IC失效處於臨界邊緣失效模式時，利用雷射光(1340nm或1064nm）加熱到某個可疑點時可以讓IC在失效及正常之間轉變, DALS則是提供提供雷射光掃瞄，搭配ATE 測試將造成臨界失效的位置偵測出來的方式。

 

•需要具備什麼裝置/應用/條件？

DALS的設置需要（a）測試的ATE機台及（b）FA的Laser scan/mapping兩者需要同步溝通以確認失效點的位置；一般運作的方式是當DALS雷射光加熱到晶元的位置，同步做ATE測試，晶元受加熱的機制改變PASS/FAIL的狀態 , 當掃瞄加熱的點有較高的失效率時，標上灰階色，對比有較高的正常率即可標示亮白色；這些顏色對比不同的點則為可能的失效位置。圖4是DALS的原理示意圖。

 

DALS基本的機制是當雷射光掃瞄加熱會改變晶元的狀態, 舉例說明如對結構上材料的熱漲冷縮，電路的電阻值變化 ; 這些的物理狀態改變足以改變晶元PASS/FAIL的狀態，因此可偵測如flip-flop scan test fail at one  loop，marginal fail cycle，timing related fail等等的softfailure。圖5是DALS應用案例，當雷射光掃瞄加熱在點A&點B時，失效的輸出端會在Hi：PASS和Low：FAIL轉換,針對這兩個點的區域迭上相對應的佈局圖，即可確認失效的電路可經由電路分析搭配物性分析，找到失效根因。

 

圖4是DALS的原理示意圖，一般運作的方式是當DALS雷射光加熱到晶元的位置同步做ATE測試，晶元受加熱的機制改變PASS/Low的狀態，當掃瞄加熱的點有較高的失效率時，標上灰階色，對比有較高的正常率即可標示亮白色；這些顏色對比不同的點則為可能的失效位置。

 

圖5是DALS應用案例,當雷射光掃瞄加熱在點A&點B時，失效的輸出端會在Hi：ASS和Loｗ：FAIL轉換，針對這兩個點的區域迭上相對應的佈局圖，即可確認失效的電路，可經由電路分析搭配物性分析，找到失效根因。

 

電光探測/電光頻率成像（EOP/EOFM)

 

當IC屬於功能性失效，如邏輯故障和時序延遲問題。要定位及分析出結構或物性的異常基本上很困難或根本不存在結構或物性異常的現象；先進失效分析可通過量測功能異常的電路中許多晶體管表現訊號的波型來做為判斷電路異常位置的依據，這個需求則需針對IC內部信號量測與分析。

 

早期量測晶體管訊號波型的方式是從晶元正面利用微米探針直接接觸進行量測，更進階的方式由電子束探針做非接觸式的測量，這兩者皆需要採取正面研磨去層處理之後，方可進行量測；如此破壞各層的線路會造成給IC訊號的完整性不夠，影響失效分析的覆蓋率及存在著試樣處理失敗的風險。

 

隨著技術節點變得越來越困難，從正面成功隔離失效變得非常昂貴且耗時。初期EOP / EOFM(EOP：Electro Optical Probing)/(EOFM: EO Frequency Mapping)應用程式都專註於集成電路（IC）的設計調試或設計表徵，後期這些技術逐漸被應用於全局功能失效隔離,發展成動態光學分析技術。

 

 電光探測（EOP）和電光頻率映射（EOFM）是光學接觸技術的方式，使我們能夠從背面調試納米級晶體管晶元;  EOP可用於探測電信號直接使用晶體管，可以使用EOFM來直觀電路圖上各區的頻譜分佈。

 

圖6是電光探測/電光頻率成像的原理機制，應用是使用NIR波長的光子從IC背面穿過硅基板到達晶體管，和晶體管作用後部分光被吸收和部分的光反射，主要原理是反射光會受到節點上的電信號被調制，調制後可以送入光檢測器以測量其時域(time domain)為波形的強度;這樣可以探測通過節點的訊號的波型數據。

 

另一方面，EOFM則是將通過節點的訊號的波型數據透過頻譜分析儀轉換成頻域(frequency domain)，再利用PC將頻率值使用灰度色表現將其轉換為mapping圖像。這個呈現有利於對懷疑的電路區域做直觀的頻率及振幅分辨,判斷異常與否。

 

•需要具備什麼裝置/應用/條件?

EOP/EOFM是從晶元背面分析，利用NIR來穿透硅基板；因光學的解析度是隨波長愈短而增加，因此SIL( Solid Immersion Lens-固態浸沒透鏡)可以增加空間解析度及訊號收集效率；另外的必要性為FA工程師必須和設計研發人員討論電路表徵和分析。

 

圖6是電光探測/電光頻率成像的原理機制，應用是使用NIR波長的光子從IC背面穿過硅基板到達晶體管，和晶體管作用後部分光被吸收和部分的光反射，主要原理是反射光會受到節點上的電信號被調制，調制後可以送入光檢測器以測量其時域(time domain)為波形的強度；這樣可以探測通過節點的訊號的波型數據。

 

圖7是EOFM/EOP的實際案例，針對一個28nm晶元的缺陷區域檢視其電路訊號時間延遲現象，利用EOFM的方式取得可疑部位的影像及其EOP的波形;結果顯示在部位5及6的EOFM影像和好的對比有程度上的差異，檢視EOP的波形發現在部位5的上升區段相對部位4有延遲現象，但下降區段則無差距。

 

因為此嚴重的延遲現象只發生在部位5及部位4之間，這顯示在這之間的線路接線或通孔存在有高阻值的缺陷。Source: Hamamatsu

 

動態EFA技術總結

 

 

DEFA結合ATE測試機台或系統板針對實時的失效作定位，那什麼項目是需要這個分析，以下作一個歸納：

1.先進工藝產品

2.量大的產品

3.復雜或高效能的產品

4.上市時間至關重要

5.倒裝晶元

6.關繫到測試功能性失效,時程延遲,臨界區域失效等失效模式

7.低良率或低ppm

8.新工藝導入,新產品或新晶元代工廠

●以上的關聯性愈大，則用DEFA的適合性愈高●

文章主筆：工程總處 失效分析實驗室 Phil Chen