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OBIRCH


第四章第四節

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4.4 紅外光阻值 紅外光阻值變化偵測儀(Infrared Optical Beam Induced Resistance Change, IR-OBIRCH)
4.4.1 機台原理
IR-Obirch是1998年所發展出來的最新缺陷定位技術,此技術應用至商業上後,大

大地擴展了故障分析可解決的範圍,尤其是針對高阻值的interconnect或ohmic short 更是超越傳統電性定位儀器的能力,因此Obirch已逐漸成為故障分析實驗室的標準 配備。 Obirch的基本架構如圖4.4.1[3-5],它可以與PEM架設在同個機台系統當中,只不過 它是利用雷射成像,藉著雷射透過鏡頭掃描所涵蓋的晶片表面,之後反射回的雷 射訊號由發光二極體感應放大,傳至電腦成像,其解析度可達512x512或 1024x1024。影像儲存之後,就可以開始進行缺陷定位的動作。系統會依照使用者 的設定給一個定電壓,並量取電流,此時量取的電流理想上是固定值,同時以波 長,如1300nm的雷射逐次掃描整個晶片,選定此波長的原因是因為其所具有的能 量小於Si的能間隙,因此不會被Si吸收而產生光電流,而影響了系統的電流讀取 值,而雷射會對照射到的地方加熱(local heating),而被照到的材質的阻值會因溫度 不同而有所變化,如半導體原料常見的矽和鋁的阻值分別會隨著溫度上升而升高 和降低。

圖4.4.1 Obirch的架構與操作示意圖

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當雷射照到某一位置並局部加熱時,阻值便有變化,電流也因而產生變動,系統 便會記錄這一點的電流變化量,以黑色或白色的形式在原先儲存好的晶片影像上 記錄起來,基本上,晶片上的每個點只要被雷射照到,阻值與電流就會有變化, 但是某些特別的點如操作中的元件或缺陷,它們的電流變化大都會較其他一般的 地方變動得更劇烈,隨著雷射掃描整個晶片次數增多,這種變化的差異性就隨之 累加起來,也就是說這些點會變得更黑或更白,而黑色與白色分別表示著電流量 減少與增加,機台供應商通常會把黑白兩色設定成紅綠兩色以做清楚的界定,但 要知道不管是什麼顏色,都是可能的異常點,而且這些點是電腦記錄或模擬出來 的點,並不是這些點發出了紅綠兩色的光,這是一般人容易混淆的地方。 圖4.4.2清楚的說明了Obirch的原理。其電流變化?I可以以下式表示

圖4.4.2 Obirch的原理解說

其中?R是材質受熱後的阻值變化量,V是所給的定電壓,R是量取試片或電路的等 效電阻,I則是未照射雷射情況下所量取的定電流,R0是局部受熱材質的電阻,而 阻值變化量取決於材質對熱的吸收度或溫度的變化量以及它的阻值的溫度係數, 表4-1列出了一些材質的單位阻值及其溫度係數[4-14]。

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Resistivity and Temperature Coefficient at 20C
Material Silver Copper Aluminum Tungsten Iron Platinum Manganin Lead Mercury Nichrome 100 (Ni,Fe,Cr alloy) Constantan Carbon* 3-60 (graphite) Germanium* Silicon* Glass Quartz 7.5 (fused) Hard rubber 1-100 x10^13 ... ... x10^17 ... ... 1-500 0.1-60 1-10000 x10^-3 ... x10^9 -0.05 -0.07 ... ... ... ... x10^-5 -0.0005 ... 49 x10^-8 ... 0.2 x10^-8 0.0004 0.1 Resistivity r (ohm*m) 1.59 1.68 2.65 5.6 9.71 10.6 48.2 22 98 x10^-8 x10^-8 x10^-8 x10^-8 x10^-8 x10^-8 x10^-8 x10^-8 x10^-8 Temperature coefficient per degree C 0.0061 0.0068 0.00429 0.0045 0.00651 0.003927 0.000002 ... 0.0009 Conductivity s x 107/Wm 6.29 5.95 3.77 1.79 1.03 0.943 0.207 0.45 0.1

*The resistivity of semiconductors depends strongly on the presence of impurities in the material, a fact which makes them useful in solid state electronics.[4-16]

表4-1 各材質的阻值與溫度係數

從公式中可以了解,系統要能夠辨別出特別的點,以別於其他一般的地方,那麼 這個點的阻值變異?R與其它地方的阻質變異的差距要夠大,如果Obirch 找到的點 不明顯,我們可以控制的是加大雷射的輸出功率(最大可升至400mW)以提升溫度 的變化量,或者提高輸入電壓以增加電流,如此就有機會逼出特殊的亮點出來, 不過在實務操作上,我們會先給予較小的電壓,如果找不到亮點,再逐步升高電 壓以觀察亮點抓取情形。

4.4.2 亮點解析

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根據Obirch的公式原理,它是在雷射局部加熱之後,找出阻值變異最大的地方,也 就是電流變異最大的所在,但這有個前提,就是假設阻值變異最大的地方即是問 題點,但在一些範例上,阻值變異最大的地方與問題點的關係未必是絕對的,舉 例如下 Si片電阻 跟poly(Si) 結構有關之Obirch亮點,我們可以改寫Obirch公式成為下式

其中給的定電壓V是個定值,而假設結構中每一點受到雷射加熱後的溫度增加 量也是固定的,那麼我們只要了解其它參數的值即可知道亮點好發於何處。 從表4-1來看,poly相較於金屬,比如鋁,有較大的阻值與溫度係數,因此結 構中的等效電阻R可以忽略掉金屬的部份,而直接把它看做是poly的電阻,所 以R也是固定值,那麼因雷射加熱而產生的電流變化量就取決於受熱材質的電 阻與溫度係數的乘積,至此從公式就可以明白地看出在Si 結構中,poly部份 受熱後會產生比金屬部份還要大的電流變化,造成亮點容易產生於poly上,在 此情形下,如果金屬部份的缺陷處受熱後所產生的電流變化不及於poly的話, 那麼就有可能找到非問題點的亮點,要解決此問題,就必須再加大電壓使缺 陷處的亮點突顯出來,這是在處理具有Si片電阻的結構時需特別注意的。 元件操作 實務的經驗上讓我們曉得操作中的MOSFET是會產生Obirch亮點的,這跟Si與 金屬受熱所產生的阻值變化機制impurity scattering與lattice vibration又有所不 同,操作元件的通道電阻(channel resistance)的阻值變化與溫度變化並不是線 性的關係,最主要的是載子遷移率(mobility)與臨界電壓(threshold voltage, Vth) 會因溫度變化而有所不同,其關係式如下[4-15]

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其中T為元件溫度,T0為室溫300K,κ為Vth的溫度係數,約等於2.5mV/K,m 是載子遷移率的溫度指數係數,約等於1.5,而α則是載子飽和速度率。 圖4.4.3即是1.2V元件的NMOS與PMOS的汲極電流對溫度的變化圖,可以知道 元件的通道阻值溫度係數是可能有正有負的。

圖4.4.3 不同的閘極電壓操作下,有不同的溫度係數

以一個5V元件來說,它的飽和電流假設約為5mA,則它的通道電阻相當於 1K??,此值可直接套用在計算Si片電阻結構時的公式中,因為此通道電阻比 metal電阻約大個100倍,那麼除非在此偏壓下的元件的阻值溫度係數比metal 要小個100倍以上,否則亮點必發生於操作的元件上。 界面(Interface)與空洞(Void) 到目前為止談到的都是材質本身阻值受熱後的變化,其實在實際的例子上也 有相當的比例碰到的問題是不同材質間界面或材質內空洞受熱後的情形,此 情況就比較複雜,難以用前述公式來概括說明,籠統的說,界面問題可以用 seebeck effect來闡述(圖4.4.4),即兩種材質的不同接面上的溫度不一樣時,就 會在此系統迴路內產生電流,依照此概念,如果此系統的某個界面有缺陷, 那麼當雷射照到此界面時所產生的電流變化必然與照到其它正常界面所產生 的電流變化不同,因而可以界定出缺陷位置。而空洞的問題則可以簡單地用 熱脹冷縮來解釋,也就是當受熱時,空洞周圍的金屬遇熱膨脹,壓縮了空洞 的範圍,即金屬截面積增大使得電流密度變大,阻值變小。

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圖4.4.4 Seebeck Effect : 當不同材質間的不同接面上有不同的溫度時,此迴路會有電流產生

Poly contact chain 有一poly contact chain的testkey結構,當輸入偏壓等於0V時,亮點總是在 testkey兩端點,但是當逐漸提高輸入電壓時,此時兩端點電壓會漸次變小,終 至消失,且另外產生隨機之亮點(圖4.4.5),這種隨著電壓變化而亮點轉移的 現象在via或diffusion contact chain偶而也會發生,但當輸入電壓等於0V時,亮 點絕不會產生於testkey兩端點,這表示poly contact chain相較於via和diffusion contact chain必有不同之處,這種現象原因仍不是很清楚,但一般相信這可能 跟材質與佈局方式有關,使得在進行雷射加熱時,熱能特別容易聚集在testkey 兩端。

圖4.4.5 poly contact chain中,不同的電壓,亮點會出現在不同的地方

為了澄清此問題,針對testkey兩端點、升壓後之亮點位置與未產生亮點之 testkey中央進行TEM觀察,發現三處的contact底部兩側皆有空洞的現象(圖 4.4.6),且嚴重程度差不多,這說明在此範例中,Obirch固然可以找到異常 點,但其位置可能隨電壓不同而有所變動,端看系統所界定出的阻值變異差 距大小,但為了謹慎起見,做此類案件時,並不建議輸入電壓設定為0V,因 為在筆者所接觸到的poly contact chain案件當中,0V時的亮點一定是在testkey 兩端點,沒有例外,萬一故障情形並不是全面性的問題,那麼去觀察端點位

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置則有可能錯失真正故障的地方。

圖4.4.6 圖由左至右分別為端點亮點、沒有亮點與中央亮點之切面觀察

Current path at corner 圖4.4.7為一記憶體陣列(cell array)的testkey,垂直畫面的Metal(已delayer去除) 為BL,連接所有在垂直線的contact,而平行於畫面的poly為WL,相鄰的WL 是給予不同的電位,相隔一條的WL的繞線則全部拉在一塊,此testkey是測試 相鄰WL間有無漏電,故相鄰WL的電壓一個給power,另一個則是接地。 從圖中紅色箭頭所指的位置看到有四個誤長的contact造成相鄰WL間有電流產 生,如圖4.4.7,但圖4.4.8的Obirch亮點卻顯示亮點只發生於異常contact平行位 置上的testkey兩側,這是因為testkey上方大塊metal的吸熱效應而使得熱能無 法傳遞至底層的poly上,但testkey兩端的poly是有裸露的,故還是能夠看到兩 側之亮點,這同時也說明Obirch顯現出電流路徑的能力。

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圖4.4.7 記憶體陣列中的缺陷描述

圖4.4.8 亮點不是發生在 電流路徑之兩

Metal 遮蔽效應 Metal吸熱的效應可由一些佈局的frontside亮點擷取圖像來得到驗證(圖 4.4.9)。相較於PEM,Obirch有熱能穿透各層到達缺陷處的能力,故可以把掩 藏在metal下的缺陷找出來,但從此例發現,這樣的能力並不是百分之百成功 的,隨著製程metal數增多,這方面的影響也勢必加劇,唯有透過backside的亮 點抓取才有可能減輕此一問題之產生。

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圖4.4.9 ESD電路發生問題,但卻只有沒被大塊metal遮住的地方有亮點

4.4.3 亮點判斷
Obirch亮點的形式就像PEM亮點一樣五花八門,儘管知道它的學理基礎,臨場的應 變仍是屬於故障分析的專門技巧,以下提供幾個方法來幫助找出有意義的Obirch亮 點。 與PEM比較 Obirch是個功能佳的電性定位儀器,基本上,只要有異常的漏電,它都可以產 生亮點出來,但是這樣的能力有時反而帶給我們困擾,當我們確認亮點是製 程上的問題時,要逐層剝去各層layer來觀察不是很耗時嗎?或者全層次觀察 後仍然沒有發現到異常,此時會懷疑找到的亮點是否有意義呢?如果有這樣 的疑問,建議可以與PEM交叉分析,如果PEM也有產生亮點,那麼物性的分 析可以著重在前程的層次上,或判斷為電路上的誤動作問題,反之,則可以 把心力全部放在後段層次,謹慎小心地檢查各金屬層或interconnect有無問 題。 需有穩定之電流 Obirch的最大缺點就是電源必須由系統供應,當供給電壓時,也開始進行掃描 的動作,但有時候電路的問題使得IC在接上電源一開始,電流無法立即穩定 下來,電流會上下跳動或者漸漸降低,根據Obirch亮點判讀公式,在未雷射加 熱時的定電流是參與產生亮點與否的一個依據,如果這個定電流隨時都會變 動,那麼就有可能產生奇奇怪怪的亮點,因此在碰到此類問題時,可以先進 行即時(real-time)的亮點抓取,等到系統顯示的電流值穩定時,就可以開始以 積分方式抓取亮點的累加影像。 黑白亮點影像較為明確 前文說道,Obirch亮點是電腦計算電流變化量而在影像的相對應位置記錄起來 的,然後再轉化成紅綠兩色,在這轉化時,顏色又特別經過收斂,以避免亮 點太過擴散,集中式的亮點讓分析者可以更精確地認定故障位置,但是在一 些情況下,系統上好心的反應反而會讓我們錯失其他有意義的亮點,以圖 4.4.10 via chain的testkey結構為例,(a)圖顯示的是系統所抓取的亮點圖,有紅 綠共兩點,而(b)圖則是表示系統原始的、未進行收斂的黑白影像,顯示更多 的缺陷位置,不單單只有兩點而已,這讓人警覺到,如果太依賴紅綠色的亮

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點影像,是否有次要的亮點會被忽略掉,而根據之前的公式解說,次要的亮 點有可能才是真正的缺陷位置,因此在抓取紅綠亮點影像以確認故障位置之 前,必須檢查黑白亮點影像有無其他可疑的亮點,若有,則在手動調整紅綠 亮點影像時,就不要把這些可疑點給刪除。

圖4.4.10(a) 系統染色後產生紅綠共兩點

圖4.4.10(b) 系統原始的黑白亮點比紅綠亮點還 多

調整電壓 在進行Obirch掃描前,通常會用curve tracer來確認試片的IV curve,以求得偏 壓點,或者直接就在Obirch進行時試給可能的偏壓。由系統端看每個試片的等 效電阻都不一樣,自然偏壓也不一樣,偏壓直接的影響就是試片的定電流, 而定電流又會影響最大電流變化量的感測,也就是亮點的抓取,一般來說, 等效電阻越大,亮點產生就越不易,故調高電壓可以使亮點更趨明顯。 Backside觀測 Obirch的IR雷射波段的穿透率在Si來說是最好的(圖4.3.21)。進行晶片的除錯 時,如果電性上的問題無法釐清,那麼物性上的定位就是最後的手段,如果 連最後的定位動作都無法達成,那麼晶片設計者或製程工程師只能用亂槍打 鳥的方式來猜測是什麼問題,並嘗試著下些實驗的指令,但這畢竟是沒有效 率的方法,花費的時間過於冗長,因此當我們進行frontside的Obirch觀測時, 如果找不到亮點,千萬不要放棄再進行backside的觀察,畢竟backside的效果 要比frontside來得要好。

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4.4.4 特殊偏壓方式
Obirch的原理是要有電流變化才可能會定義出亮點,但在diffusion contact chain的 testkey結構上發現到特殊的應用方式。在此結構中,如果某個contact open了,就不 會有電流,沒有電流就沒有電流變化,那麼將不會產生任何亮點出來,不過,當 我們只給予power,接地端浮接時,亮點將會產生於open contact周圍的diffusion區 域,如圖4.4.11的黃色部份,如此將會讓我們更容易的找出open的位置,而不像過 去一樣需對試片進行研磨處理,再放進FIB裡進行voltage contrast定位。 這樣的結構與偏壓方式之所以能照出亮點可能是因為seebeck effect的原因,Obirch 的chuck(基座)等同於接地,當雷射照到圖中open處右方的接面時,會產生內部的 封閉電流,並且讓系統量測到,但是照到了open處左方的部份時,因為迴圈路徑中 有個斷路的部份,就不會產生內部電流,如此在open處就出現了明顯的分際點,前 文說道,當有Si材質在電流路徑時,亮點將會產生於阻值較大的Si上,因此我們將 會看到亮點分布在N+上,針對亮點去做切面的觀察就能看到contact open的現象。 如果我們把系統的接地接到另一邊的pad上,則不會產生亮點,此種特殊的偏壓方 式目前只適用於testkey結構,但在產品上,如果有某些結構類似contact chain,然 後又剛好發生contact open的話,或許此種偏壓方式就有應用的機會。

圖4.4.11 contact chain中如果有open現象,則只給予一pad電壓,另一pad不接, 就可以看到亮點,亮點形狀與其下的diffusion區域一樣

4.4.5 LCD、PEM與Obirch的比較
在介紹了基本的三種電性定位儀器之後,分析者一定想知道,在一開始接觸到全

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新的案件時,他們該怎麼選擇使用哪一個電性定位儀器,以在第一時間就切中要 害,找到問題的發源地,表4-2列出了此三種儀器的基本比較。
LCD Leakage Current Metal Bridge Poly Bridge MOS Operation Latch-up ESD Gox Damage Open/High Resistance Frontside Backside Bias Resolution Thru-put >300uA V V V V V ○ X V X External Normal Fast PEM <1mA X ○ ~Vg=1/2Vdd V V V X V V External Good Slow Obirch >1nA V V V V V V X V V Internal Best Medium

表4-2 三種基本電性偵測儀器在各種故障機制偵測能力的比較

首先就漏電來看,這裡的漏電指的是在操作電壓下所吃的電流,不是經過缺陷處 的電流,一般來講,LCD所需的電流較大,以使熱點明顯的浮現出來,大致上會 以1mA為基準來作個粗略的判斷,但理論上只要大於300uA就可一試,而使用PEM 的漏電流不可過大,以免有其它元件在開啟狀態遮蔽了或模糊了真正的缺陷位 置,而Obirch是電流解析度很大的儀器,以它的設計原理而言,只要大於1nA的電 流應該就有機會做到亮點。 在poly bridge部份,PEM有機會做到亮點,但不是百分之百,它可以做到亮點並不 是因為poly brdige會有電子電洞對結合或熱載子的產生,而是poly bridge的異常部 份與基底間有了漏電的情形。 三種儀器都可以偵測到操作中的MOS元件,但需要再次強調的是,PEM只能夠偵 測到Vg=1/2Vdd附近時的飽和區操作狀態,不是像一般故障分析資料所宣稱的可偵 測在飽和區操作的元件那樣不嚴謹的陳述。 基本上,三種儀器都可以偵測到Gox damage,但在LCD這裡仍然取決於漏電的大 小,如果只是輕微的Gox pinhole所造成的小漏電,因為電流過小,是不足以產生熱

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點的。 原則上,三種儀器都無法偵測到高阻值和斷路的層次,因為三種儀器都是用來偵 測漏電流,高阻值與斷路在大多數情況下是不會造成比正常狀況下更大的漏電 的,但在某些情況下,三種儀器又可以偵測到高阻值與斷路,這是因為這些缺陷 造成下一級的準位飄移或浮接或者CMOS架構中輸入端的準位往1/2Vdd飄移所致, 儘管如此,亮點位置一般都不是缺陷所在,而是在附近,如果亮點隨機分布,即 已確認是製程上的問題,並且小心針對亮點去觀察仍然找不到亮點時,此時就應 放大搜尋範圍,並把斷路與高阻值的可能性考慮進去,不過這類案件發生的機率 較低,在處理一般的案件時只要照著基本的分析流程走即可。 無法用backside觀察是LCD的最大缺點,而無法用外灌電壓則是Obirch的最大壞 處,綜觀此表,如果不去考慮外灌電壓的部份,Obirch會是最強大的電性定位儀 器,所以除非是function fail等需外灌pattern的IC,一般選擇的電性定位儀器是LCD 或Obirch。

4.4.6 SDL(Soft Defect Localization)及RIL(Resistive Interconnect Leakage)
由於Obirch的偏壓是系統所供給,所以它不像PEM那樣可以做function fail的案件, 只能做些基本的DC測試,但自2001年陸續有幾篇研究論文是有關Obirch或其他 LSIM(Laser Signal Injection Microscope)在function fail上的應用[4-16~4-20],可以找 出類似高阻值的via、Gox的漏電、製程上的變異或timing marginality等屬於soft fail 的問題,下面的例子就是介紹via void的應用情形。 假設一個via內有一個void,如圖4.4.12,在雷射的加熱下,void周圍的金屬會膨脹 起來,壓縮了void的空間,那麼電流導通的面積增加,阻值降低,就有可能使得原 來故障的vector變成正常的,為了善用這個特性,在Obirch下操作的偏壓與timing必 須選擇在pass和fail的交界處靠近fail的地方,如圖4.4.13,如此缺陷阻值才會因熱度 使得測試輸出在pass與fail間做變動。

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圖4.4.12 via void會因溫度不同使得阻 值 有所變化,進而使產品 pass or fail

圖4.4.13 為了使產品因雷射加熱而在pass和fail 間變化,需先做shmoo,再選定操作電壓

選定好偏壓範圍之後,接下來就是建立Obirch的系統,使它能夠應用在這種特殊的 定位技巧上,圖4.4.14是此系統的簡單示意圖,與傳統DC方式不同的是,DC是偵 測電流變化,並把這種變化量以黑白影像疊加累計在IC影像上,但RIL或SDL則是 偵測pass與fail間的改變,若有變動,就記錄當時雷射照射的位置,以黑白影像疊 加累計在IC影像上,依照這樣的原理,可想而知,以via void這個例子而言,fail變 成pass的次數最多的點就是缺陷所在。這種新穎的定位技巧需要注意的是雷射信號 與測試機台的同步,即雷射照在一個像素位置上時,測試pattern就必須至少跑完一 次。

圖4.4.14 SDL的系統架設示意圖

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圖4.4.15~4.4.17為應用此法的範例,在成功定位之後,波形確實證明在定位點前後 有時間差的現象,而FIB切面則是此via有異常的證據。

圖4.4.16 正常與異常信號對時間的變化明顯不同

圖4.4.15 藉由SDL技巧找到可疑之亮點

圖4.4.17 亮點位置所在的via底部果然有異常現象

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