半導(dǎo)體技術(shù)和半導(dǎo)體制造業(yè)近幾年迅速發(fā)展，集成電路特征尺寸逐漸減小，多層互連以及新型封裝如倒裝芯片、疊層芯片、功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管等發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體的可靠性有著更高要求，半導(dǎo)體器件也出現(xiàn)了各種失效，如靜電放電損傷、氧化層裂紋和電遷移等。對(duì)這些失效進(jìn)行分析并找到根本原因，進(jìn)而進(jìn)行工藝改進(jìn)，可以快速提高產(chǎn)品可靠性。由于紅外光穿透性更好，可以對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行無(wú)損失效分析和缺陷定位，本文將介紹紅外測(cè)試手段在半導(dǎo)體電學(xué)失效中應(yīng)用。 ?

01 紅外探測(cè)器歷史

紅外線介于可見(jiàn)光和微波之間，波長(zhǎng)范圍0.76~1000μm。凡是高于絕對(duì)零度(0 K，即-273.15℃)的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線，也叫黑體輻射。由于紅外肉眼不可見(jiàn)，要察覺(jué)這種輻射的存在并測(cè)量其強(qiáng)弱離不開(kāi)紅外探測(cè)器。

1800年英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫胥爾首次發(fā)現(xiàn)了紅外線，隨著后續(xù)對(duì)紅外技術(shù)的不斷研究以及半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，紅外探測(cè)器得到了迅猛的發(fā)展，先后出現(xiàn)了硫化鉛(PbS)、碲化鉛(PbTe)、銻化銦(InSb)、碲鎘汞(HgCdTe，簡(jiǎn)稱MCT)、銦鎵砷(InGaAs)、量子阱(QWIP)、二類超晶格(type-II superlattice，簡(jiǎn)稱T2SL)、量子級(jí)聯(lián)(QCD)等不同材料紅外探測(cè)器等，如圖1所示。

圖1 第一代至第四代紅外探測(cè)器發(fā)展路線及大事記 從工作原理來(lái)看紅外探測(cè)器主要分兩類：熱探測(cè)器和光電探測(cè)器。熱探測(cè)器利用熱電效應(yīng)通過(guò)熱電偶將溫度轉(zhuǎn)換為電壓，比如熱電堆、熱電探測(cè)器和熱輻射計(jì)等。光電探測(cè)器通過(guò)光電效應(yīng)將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 從材料來(lái)看紅外探測(cè)器主要有兩大類：以氧化釩、非晶硅為代表的非制冷型材料;以MCT、InSb、T2SL等為代表的制冷型材料。非制冷型材料主要利用紅外輻射熱效應(yīng)進(jìn)行工作，制冷型材料主要利用光電效應(yīng)工作。如表1所示。

表1 制冷型和非制冷型紅外探測(cè)器對(duì)比 從波長(zhǎng)范圍來(lái)看常見(jiàn)的紅外探測(cè)器及響應(yīng)波段如下表2所示。

表2 典型紅外探測(cè)器響應(yīng)波段

02 紅外失效分析頻譜選擇

大氣對(duì)電磁輻射具有散射和吸收作用，在具體應(yīng)用中會(huì)選擇散射和吸收作用小的波段，即大氣窗口。水汽分子和二氧化碳是紅外輻射的最主要吸收體，較強(qiáng)的水汽吸收帶位于5～8.0μm，二氧化碳的吸收帶位于在13.5～17μm處出現(xiàn)，這些吸收帶間的空隙形成一些紅外窗口。從圖2中可以看出，3～5μm以及8～14μm波段范圍吸收小，是比較理想的熱紅外應(yīng)用波段。

圖2 大氣透射曲線，圖下方表明主要的吸收源 3-5 μm中紅外波段的探測(cè)器被廣泛應(yīng)用于電學(xué)失效分析領(lǐng)域中，其中應(yīng)用最廣泛的是碲鎘汞（HgCdTe，MCT）探測(cè)器，但MCT探測(cè)器有以下缺點(diǎn)：

1）MCT晶體很難均勻生長(zhǎng)，晶體生長(zhǎng)困難增加了探測(cè)器成本；

2）MCT探測(cè)器量子效率低；

3）MCT含有重金屬元素汞，不符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。 相比于MCT材料襯底昂貴、大面積組分不均勻等缺點(diǎn)，InSb材料均勻性和穩(wěn)定性更好，InSb材料具有載流子壽命長(zhǎng)、吸收系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，是一種更具應(yīng)用前景的中紅外光電材料。InSb探測(cè)器，具有較高的靈敏度和比探測(cè)率，是小型化、低功耗、高靈敏度和快響應(yīng)中紅外探測(cè)最佳選擇之一。 圖3為MCT探測(cè)器與InSb探測(cè)器在3-5 μm波段時(shí)相對(duì)靈敏度對(duì)比，在該波段InSb探測(cè)器比MCT探測(cè)器具有更佳探測(cè)靈敏度。

圖3 MCT探測(cè)器與InSb探測(cè)器在3-5 μm波段的相對(duì)靈敏度對(duì)比

03 紅外微光顯微儀工作的原理

微光紅外顯微儀（Thermal EMMI）是利用InSb材質(zhì)的偵測(cè)器，接收故障點(diǎn)通電后產(chǎn)生的熱輻射分布，藉此定位故障點(diǎn)(熱點(diǎn)、亮點(diǎn)Hot Spot)位置，同時(shí)利用故障點(diǎn)熱輻射傳導(dǎo)的時(shí)間差，即能預(yù)估芯片故障點(diǎn)的深度位置。圖4為微光紅外顯微儀工作原理。

圖4 微光紅外顯微儀工作原理

為了提高定位精確度，發(fā)展鎖相熱成像技術(shù)（Lock-in Thermography）如圖5所示，將鎖相技術(shù)和熱成像技術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)電源進(jìn)行調(diào)制，即按照某一固定頻率的供電模式，對(duì)電源進(jìn)行通斷或高低點(diǎn)位開(kāi)關(guān)，通過(guò)同步器件的電源供應(yīng)與紅外圖像的捕獲來(lái)減小噪聲，通過(guò)軟件進(jìn)行積分運(yùn)算，來(lái)測(cè)量器件微觀的溫度分布，利用鎖相熱成像技術(shù)幅位用來(lái)定位XY方向以確定缺陷位置，相位用來(lái)定位Z方向（時(shí)間/周期）通過(guò)對(duì)應(yīng)的相位角，可以換算出缺陷深度或所在層數(shù)，從而精準(zhǔn)定位失效位置。 鎖相熱成像是一種動(dòng)態(tài)紅外熱成像提供了更好的信號(hào)噪聲比，更高的靈敏度和較高的功能穩(wěn)態(tài)的熱成像分辨率比。圖6是一失效器件在不同測(cè)試頻率下熱成圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著測(cè)試頻率的升高，噪聲信號(hào)減弱，熱成像越來(lái)越收斂，分辨率越來(lái)越好，定位更精確。

圖5 熱鎖成像紅外測(cè)試原理圖

圖6 不同測(cè)試頻率下熱成像圖 而對(duì)于3D封裝產(chǎn)品，以往要找到失效點(diǎn)，都必須利用去層的方式，一層一層的做異常排除確認(rèn)，耗時(shí)又費(fèi)工，利用thermal EMMI設(shè)備測(cè)試出失效點(diǎn)熱輻射傳導(dǎo)的相位差，預(yù)估3D封裝的失效點(diǎn)深度(Z軸方向)，快速判斷是失效點(diǎn)在哪一層芯片。圖7不同深度空間下失效點(diǎn)與相位關(guān)系示意圖。

圖7 不同空間深度下失效點(diǎn)與相位關(guān)系示意圖

04 具體應(yīng)用與示例

微光紅外顯微儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)封裝器件或芯片如下失效方式的檢測(cè)：

1）檢測(cè)芯片封裝打線和芯片內(nèi)部線路短路

2）介電層 （Oxide）漏電

3）晶體管和二極管的漏電

4）TFT LCD面板&PCB/PCBA的金屬線路缺陷和短路

5）ESD閉鎖效應(yīng)

6）3D封裝（Stacked Die）失效點(diǎn)的深度預(yù)估

7）低阻抗短路（＜10 ohm）的問(wèn)題分析

8）檢測(cè)芯片鍵合對(duì)準(zhǔn)精度

審核編輯：黃飛

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