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(shí)驗(yàn)手段：亮點(diǎn)分析（EMMI）。

一.EMMI設(shè)備簡(jiǎn)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(xiàn)來(lái)說(shuō)明一下EMMI的原理以及結(jié)合實(shí)例進(jìn)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(jiàn)光區(qū)延伸到紅外光區(qū)，并能捕捉到微弱的熒光。通過(guò)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(guò)該器件，EMMI可以探測(cè)到極其微弱的熒光。（簡(jiǎn)單形容下原理：EMMI把捕捉到的光子通過(guò)在放大腔中放大，形成可觀測(cè)的光束。）

**EMMI的本質(zhì)只是一臺(tái)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(shí)。

圖三.半導(dǎo)體熒光原理圖。

二.集成電路熒光原理簡(jiǎn)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(shí)，電子會(huì)彈射出一個(gè)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(zhǎng)為1100nm，屬于紅外光區(qū)。通俗的講就是當(dāng)載流子進(jìn)行復(fù)合的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生1100nm的紅外光。這也就是產(chǎn)生亮點(diǎn)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(diǎn)。如果MOS管產(chǎn)生latch-up現(xiàn)象，（體寄生三極管導(dǎo)通）也會(huì)觀察到在襯底處產(chǎn)生熒光亮點(diǎn)。

2.2.熱載流子

隨著器件尺寸的逐漸變小，MOS器件的溝道長(zhǎng)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(huì)使得MOS管的漏結(jié)存在一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，該電場(chǎng)會(huì)對(duì)載流子進(jìn)行加速，同時(shí)賦予載流子一個(gè)動(dòng)能，該載流子會(huì)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(duì)，這種電子與空穴被稱(chēng)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(huì)在生成后立馬復(fù)合，產(chǎn)生波長(zhǎng)更短的熒光，另一部分在電場(chǎng)的作用下分離。電子進(jìn)入柵氧層，影響閾值電壓，空穴進(jìn)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(diǎn)，同樣在反偏PN結(jié)處也能產(chǎn)生強(qiáng)場(chǎng)，也能觀察到亮點(diǎn)。

2.3.絕緣層漏電

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

圖四.不同機(jī)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(diǎn)一個(gè)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(jī)理在EMMI下都能觀測(cè)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(wèn)題具體分析。

話不多說(shuō)，接下來(lái)舉幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子方便理解：

三.EMMI應(yīng)用實(shí)例

3.1實(shí)例一

實(shí)例一.差分輸出電路。

第一個(gè)實(shí)例是個(gè)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(lái)看應(yīng)該T2壞了，接下來(lái)在V+和GND之間給一個(gè) 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(gè)三極管的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比 。然后結(jié)果如下圖。

實(shí)例一.EMMI與SEM圖像。

從EMMI上明顯看出左右兩個(gè)三極管的亮點(diǎn)存在差異，左側(cè)三極管亮點(diǎn)分布不均勻，而右側(cè)亮點(diǎn)均勻，強(qiáng)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(gè)PN結(jié)都會(huì)因?yàn)檩d流子的復(fù)合產(chǎn)生亮點(diǎn)。但是左邊復(fù)合強(qiáng)度更強(qiáng)，而且復(fù)合產(chǎn)生的熒光分布不均勻，在缺陷處復(fù)合強(qiáng)度明顯偏高，亮點(diǎn)更集中。SEM的結(jié)果說(shuō)明左側(cè)的三極管發(fā)生損壞，缺陷會(huì)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(shí)例二

實(shí)例二.電路圖。

實(shí)例二是一個(gè)HBM 2KV ESD防護(hù)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(diǎn)，在Input和GND之間 施加一個(gè)2.5V的偏壓 ，然后用EMMI觀察亮點(diǎn)。根據(jù)電路特性，如果ESD單元正常工作，在GGNMOS的drain端只會(huì)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(shuō)明該處存在問(wèn)題，后對(duì)NMOS進(jìn)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(diǎn)。

實(shí)例二.EMMI圖像。

實(shí)例二.失效點(diǎn)SEM圖像。

3.3.實(shí)例三

實(shí)例三是放大器中的一部分，電路圖如圖所示。

實(shí)例三.放大器電路圖。

該電路的癥狀為VDD到GND電阻短接，問(wèn)題鎖定在T1，T2，T3三個(gè)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(diǎn)。但是EMMI的結(jié)果顯示只有T1存在亮點(diǎn)，說(shuō)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(diǎn)。EMMI結(jié)果如圖所示。

實(shí)例三.EMMI與SEM圖像。

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

而實(shí)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(guò)大，正常的器件都會(huì)存在大量的熱載流子和雪崩擊穿，造成整個(gè)片子都是亮點(diǎn)，這也沒(méi)法分析了。同樣靈敏度過(guò)高也會(huì)造成這種結(jié)果。而且需要對(duì)具體情況進(jìn)行具體的偏壓設(shè)置。目前這只是靜態(tài)的EMMI測(cè)試，隨著芯片情況越來(lái)越復(fù)雜，還有動(dòng)態(tài)EMMI測(cè)試的應(yīng)用，這種情況就更難分析了。