EMMI/OBIRCH的原理及应用的原理及应用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。AbstractFailure Analysis Flow将将宏观的电宏观的电学测试和微学测试和微观的结构剖观的结构剖析连接起来析连接起来1.OBIRCH的基本原理的基本原理2.OBIRCH lock-in简介简介3.OBIRCH的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析4.EMMI的基本原理的基本原理5.Advanced EMMI (InGaAs)简介简介6.EMMI的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析7.OBIRCH与与EMMI的区别的区别Outlines1.OBIRCH的基本原理的基本原理2.OBIRCH lock-in简介简介3.OBIRCH的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析4.EMMI的基本原理的基本原理5.Advanced EMMI (InGaAs)简介简介6.EMMI的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析7.OBIRCH与与EMMI的区别的区别Construction and BASIC-Principle of IR-OBIRCHBias 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.1.OBIRCH的基本原理的基本原理2.OBIRCH lock-in简介简介3.OBIRCH的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析4.EMMI的基本原理的基本原理5.Advanced EMMI (InGaAs)简介简介6.EMMI的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析7.OBIRCH与与EMMI的区别的区别Principle of Lock-in Detection Method1.OBIRCH的基本原理的基本原理2.OBIRCH lock-in简介简介3.OBIRCH的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析4.EMMI的基本原理的基本原理5.Advanced EMMI (InGaAs)简介简介6.EMMI的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析7.OBIRCH与与EMMI的区别的区别Case Study of IR-OBIRCHVia Chain Resistance RelatedMetal Short RelatedCSMC Real Case StudyCase itemL16 Via Open and High Resistance Fail AnalysisFail site detection on high resistance fail by OBIRCHFail site detection on complete open fail by PVCI_V curveFail site locationFIB imagecommentVia1 W missingVia2 W missingVia1 W missingVia1 missingWhy PVC?CSMC Real Case StudyCase Item0.13 SRAM Leakage Fail Analysis Sample IDABCDEFault isolationPhysical analysiscommentM4 bridgeDefect between M5Poly bridgeTO bridgeVia3 W defect1.OBIRCH的基本原理的基本原理2.OBIRCH lock-in简介简介3.OBIRCH的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析4.EMMI的基本原理的基本原理5.Advanced EMMI (InGaAs)简介简介6.EMMI的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析7.OBIRCH与与EMMI的区别的区别Construction of Photo EmissionPrinciple of Photo EmissionType B (broad spectrum from visible to nearly IR)Current leakage at reversed biased PN junctionMicro plasma leakage at oxide layerHot electronsBremsstrahlung or Intra-band recombinationType A (narrow spectrum at nearly IR)Forward biased PN junctionLatch-up of CMOS deviceRecombination of minority carrierForward biased PN junctionType A：少子注入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 junctionType 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 layer2.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 electrons3.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MOS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：1.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)2.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3.以上两种机制的综合。1.OBIRCH的基本原理的基本原理2.OBIRCH lock-in简介简介3.OBIRCH的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析4.EMMI的基本原理的基本原理5.Advanced EMMI (InGaAs)简介简介6.EMMI的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析7.OBIRCH与与EMMI的区别的区别Comparison of C-CCD/MCT/InGaAs2FAB1 FAI EMMIEmission Leakage at PN junctionESD DamageHot CarrierLeakage at OxideTunneling current/Avalanche breakdownFAB2 PHEMOS-1000 InGaAsSub defects such as Crystal defects, stacking faults, mechanical damage junction leakage contact spikinghot electrons, saturated transistorslatch-upoxide current leakage polysilicon filaments EMMI and InGaAs1.OBIRCH的基本原理的基本原理2.OBIRCH lock-in简介简介3.OBIRCH的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析4.EMMI的基本原理的基本原理5.Advanced EMMI (InGaAs)简介简介6.EMMI的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析7.OBIRCH与与EMMI的区别的区别Real Case StudyCase1：SW TDDB ISD Analysis STI corner breakdown was observed at the EMMI spot MVP #1MVP #2EMMIFIBFIB cuttingFIB cuttingReal Case StudyCase2：QH619C Logic Function AnalysisWord line poly break was found at EMMI spotReal Case StudyCase3： HX0050AA ESD Failure Analysis ReportESD damage was found at specifically position of ESD circuit1.OBIRCH的基本原理的基本原理2.OBIRCH lock-in简介简介3.OBIRCH的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析4.EMMI的基本原理的基本原理5.Advanced EMMI (InGaAs)简介简介6.EMMI的应用及实际失效案例分析的应用及实际失效案例分析7.OBIRCH与与EMMI的区别的区别Difference between IR-OBIRCH and EMMIComparison of LCD/OBIRCH and EMMI设备原理模式应用范围优点缺点图例LCD（Liquid crystal detection）Thermo emission detection被动式1. Impurity、defect and ESD Damage induced leakage current2. Abnormal distributing of current3. Leakage at Oxide4. Latch up设备简易，成本低，热点不易被厚铝阻挡灵敏度较差：hot spot能量 1uW才能被探测到；仅能做正面分析；液晶有毒性；OBIRCH（Optical beam induced resistance change）Beam induced thermo effect主动式1. Leakage path2. Defects in the metal (void, Si nodule)3. Abnormal resistance (material, structure)4. Functional failure （need to link ATE）灵敏度较高，附属装置lock-in可以有效提高信噪比；操作方便快速；可作背面分析；无毒性设备价格高昂（800，000USD）；对于厚铝产品laser穿透性较差PEM (Photo emission )Photo emission detection被动式1. Sub defects such as Crystal defects, stacking faults, mechanical damage 2. junction leakage 3. contact spiking4. hot electrons, saturated transistors5. latch-up6. oxide current leakage 7. polysilicon filaments灵敏度高，波长探测范围广（400nm 1.6um）；操作方便快速；可作背面分析；无毒性设备价格高昂（800，000USD）；对于厚铝产品emission穿透性较差Q&A