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  失效分析与预防  2019, Vol. 14 Issue (2): 124-128  DOI: 10.3969/j.issn.1673-6214.2019.02.011
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引用本文 

余应森, 黄彩清. 激光测距传感器芯片功能异常分析[J]. 失效分析与预防, 2019, 14(2): 124-128. DOI: 10.3969/j.issn.1673-6214.2019.02.011.
YU Ying-sen, HUANG Cai-qing. Analysis on Function Failure of Laser Distance Measuring Sensor[J]. Failure Analysis and Prevention, 2019, 14(2): 124-128. DOI: 10.3969/j.issn.1673-6214.2019.02.011.

作者简介

余应森(1989年−),男,硕士,工程师,主要从事半导体及相关器件的失效分析等方面的研究

文章历史

[收稿日期] 2019-01-06
[修订日期] 2019-03-13
激光测距传感器芯片功能异常分析
余应森 , 黄彩清     
深圳赛意法微电子有限公司,广东 深圳 518038
摘要: 半导体芯片是所有封装半导体器件的核心功能部件,涉及芯片失效的分析是一项复杂且精细的工作,而对于特定使用性能的芯片,分析方法更是千差万别。本研究基于常见芯片发生异常的主要分析手段,介绍了激光测距传感器功能异常的失效分析方法,通过电性能测试及电路板的测试分析,缩小失效发生的功能区域,用I-U曲线测试确定失效的重现方法,最后使用光诱导电阻变化技术(OBIRCH)进行失效的定位,结合晶圆的去层化处理和聚焦离子束(Plasma FIB)微切,用扫描电子显微镜获得失效点的具体位置和形貌,确定失效原因为金属层连接通孔烧融,通孔熔断与造成芯片失效的机理一致,从而为芯片设计、生产工艺优化甚至客户的应用提供了有效的信息。
关键词: 激光测距传感器    半导体芯片    失效分析    通孔熔断    
Analysis on Function Failure of Laser Distance Measuring Sensor
YU Ying-sen , HUANG Cai-qing     
Shenzhen STS Microelectronics Co., Ltd., Guangdong Shenzhen 518038, China
Abstract: Semiconductor chips are core functional components of all semiconductor packages. The failure analysis of chips is a complex and precise job, and there is large difference between chips of different specified functions. Based on the failure analysis methods for general chips, this paper introduces the failure analysis method for laser distance measuring sensors with abnormal function. In this paper, electrical and PCB testing was the first step for narrowing the analysis of function failure area, and then fault localization was performed by I-U curve and OBIRCH. At last, after the chip delaying and the plasma FIB cross section, the position and appearance of the failure point was observed by SEM. It is found that the failure mode is through-hole melting of metal layers, consistent with the failure mechanism. The results provide useful information for chip design, production process improvement and even client applications.
Key words: laser distance measuring sensor    semiconductor chip    failure analysis    through-hole melting    
0 引言

激光测距传感器是一种使用近红外激光来测试距离的半导体器件,其实际的测距方法是利用信号在2个光子接收感应器之间的往返飞行时间,计算出测量节点间的距离[1]。激光距离传感器的芯片是基于CMOS工艺的半导体产品,其核心功能是由单光子雪崩二极管(SPAD)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)组合实现的。SPAD是一种具有单光子探测能力的光电探测雪崩二极管,而VCSEL则是一种半导体激光器[2-3]。通过多个SPAD组合而成的SPAD功能矩阵模块,传感器芯片将可以VCSEL发射的光子信号进行读取并计算转换成为距离。因此,当传感晶圆发生线路异常或失效时,围绕SPAD功能矩阵工作的模块无法正常工作,产品就会发生失效。

本研究结合常见的失效分析方法,介绍基于激光测距传感器功能异常的特定失效分析的步骤及方法,如电性能、I-U测试分析、失效定位(OBIRCH)、芯片的去层化处理和Plasma FIB微切等,最后找出准确的失效点,为激光测距传感器功能异常的失效提供有效的证明。这一系列的失效分析,可以有效地帮助理解失效模式与失效机理,从而为芯片的设计、生产制造工艺甚至客户的应用端提供更多有效的信息帮助。

1 试验过程与结果 1.1 ATE电测分析及测试板测试分析

ATE(Automatic Test Equipment)是指自动测试机测试,自动测试机在不同的半导体产品的测试方面有着不同的测试内容,对于激光测距传感器,电测内容包括器件连接及程序自检、连续性测试、正负极漏电测试、功能参数测试以及激光安全测试等。

本研究案例的失效出现在产品封装完成后的二次重测,失效的电测项目出现在功能参数测试,失效项是VHV Sweep Auto。VHV指Very High Voltage,由于激光测距传感器的芯片的工作核心SPAD是由多个光子雪崩二极管组合而成的矩阵,多个SPAD矩阵的工作需要超过正常的工作电压来驱动,因此,通过对ATE电测结果的初步分析,该芯片失效可能来自电压供应(VDD)或者高压电源供应(HVSPAD)的通电线路;而除了ATE测试之外,通过PCB测试夹具和数字源表对产品的主要功能进行简单测试,结合器件特定的功能软件的读写功能,可以对失效样品各项寄存器功能进行阈值的修改。

为验证电压供应对样品功能的影响,本研究将测试板的AVDD电源输出端口与数字源表进行相连,断开测试板上AVDD的连接并用数字源表给予电压,测试结果显示:当启动样品测试驱动电压AVDD时,正常样品需要的电压仅为1.445 V,而失效样品则需要3.070 V,这说明当维持相同工作状态,失效样品需要提供更多的电压。因此,如图1所示,AVDD及HV SPAD的线路,可能是失效点的存在区域。

图 1 AVDD及HV SPAD线路 Fig.1 Circuit of AVDD and HV SPAD
1.2 晶圆表面观察

在进行完失效样品的ATE测试分析及EVK测试分析后,失效区域的范围缩小到了电荷泵浦(Charge Pump)功能区及HV SPAD的线路,因此,本研究使用工具刀对样品进行简单的开盖,同时使用金相显微镜对晶圆的表面进行观察,着重在晶圆的各个功能区、SPAD区域以及各个焊线区域,寻找是否有EOS或者明显的缺陷痕迹。通过对传感芯片的表面观察,芯片表面规整正常,金属光泽层次分明,各个SPAD区域及焊线区域均未发生异常,因此,失效并未扩散到晶圆表面的铝层及钝化层(图2)。

图 2 晶圆表面光学显微镜 Fig.2 Optical microscopy of sensor chip
1.3 芯片的连续性测试

I-U曲线测试是检测线路短路、开路、漏电或阻值异常等失效的最常见方法,本研究使用Keysight B1505A和探针台,用0.5 µm的探针对激光测距传感器晶圆上的焊线区进行搭针,使正极对AVDD、HV SPAD,负极对接地区(GND)。VDD使用±3 V的驱动电压,HV SPAD使用+16 V的驱动电压。如图3所示,AVDD对GND的I-U曲线没有发现短路、漏电的异常,与正常的样品对比,曲线完全重合,结果表明,在AVDD对地的线路上,并没有连续性的异常;如图4所示的HV SPAD对GND的I-U曲线,对比正常的样品可知,当驱动电压达到6 V时,线路开始出现漏电,当驱动电压达到14 V时,线路漏电流急剧加大。因此,结合ATE测试的结果,失效的范围可以确定在高压电源供应(HV SPAD)的通电线路上。

图 3 AVDD对GND的I-U曲线 Fig.3 I-U curve of AVDD vs GND
图 4 HV SPAD对GND的I-U曲线 Fig.4 I-U curve of HV SPAD vs GND
1.4 晶圆的失效定位

图5是激光诱导电阻变化(Optical Beam Induced Resistance Change,OBIRCH)的原理图。用激光束在器件表面扫描,激光束的部分能量转化为热量。如果互连线中存在缺陷或者空洞,这些区域附近的热量传导不同于其他的完整区域,将引起局部温度变化,从而引起电阻值改变ΔR。如果对互连线施加恒定电压,则表现为电流变化ΔI=(ΔR/UI2。通过此关系,将热引起的电阻变化和电流变化联系起来。将电流变化的大小与所成像的像素亮度对应,像素的位置和电流发生变化时激光扫描到的位置相对应。这样,就可以产生OBIRCH像来定位缺陷。利用OBIRCH方法,可以有效地对电路中缺陷定位,如线条中的空洞、通孔下的空洞、通孔底部高阻区等,也能有效地检测短路或漏电[4-5]。本研究使用HAMAMATSU的iPhemos进行传感晶圆失效点的定位,由前述可知,传感晶圆的失效位置确定在高压电源供应(HV SPAD)的通电线路上,因此,在使用OBIRCH进行失效点定位时,选择激活HV SPAD对GND的线路,并观察线路中是否有异常的发光点[6]

图 5 OBIRCH原理图 Fig.5 schematic diagram of OBIRCH

图6所示,当使用5倍的激光镜头进行OBIRCH失效点探测时,可以发现传感晶圆右方的SPAD区域出现了2个异常的发光点,同时,在SPAD区域附近也出现了1个发光点。为了方便定义失效位置,本研究称SPAD区域的异常发光点为AB,称SPAD区域外的异常发光点为C。通过进一步将激光镜头放大到20倍时,可以发现B消失,而AC仍然可以明显观察到。对照上文的HV SPAD对地的运行线路,可以发现A的位置处于有效线路上,而C的位置则处于有效线路外。在获得相应的失效定位信息后,研究将通过晶圆去层化处理及聚焦离子束进行晶圆切割,对可疑的失效位置进行分析与讨论。

图 6 失效晶圆的OBIRCH失效定位 Fig.6 OBIRCH failure localization of failure chip
2 分析与讨论

晶圆去层化处理是一种针对半导体晶圆的失效分析方法[7],激光距离传感器的晶圆是基于CMOS工艺制造的[8],其晶圆结构如图7所示,晶圆的表面为Si3N4材料的钝化层,钝化层下面有铝层、氧化层(SiO2)、金属(Cu)等结构交替,本研究采取等离子蚀刻+化学蚀刻+精细研磨的方式,进行晶圆去层。等离子蚀刻是在等离子体存在的条件下,通过溅射、化学反应、辅助能量离子(或电子)与模式转换等方式,精确可控地除去衬底表面上一定深度的薄膜物质的一种加工方法[9]。这里使用等离子蚀刻来去除晶圆表面的钝化层。化学蚀刻用于去除铝层,精密研磨用于去除氧化层及金属层。在去层的同时使用高倍光学显微镜和SEM观察失效热点处每一层金属的表面形貌。

图 7 CMOS工艺的晶圆结构示意图 Fig.7 Layer diagram of chip by COMS process

晶圆的Layout图如图8所示。本研究将OBIRCH探测到的可疑失效点ABC进行了标示,在使用晶圆去层化处理的方法进行观察时,着重观察可疑的失效点。从图9可以发现,当去层化到金属层3和金属层2时,在可疑失效点ABC处均没有发现可疑的失效;当去层化到金属层1时,在可疑失效点A处发现了一处异常(图9b左图),在原本应该有对称金属回路的地方,发现了一处金属层缺失,从晶圆的Layout图上进行对比后,确定缺失的金属部分是金属层1两个通孔之间的金属部分;在可疑失效点B处同样发现了对称金属回路有异常的对比度(图9b右图),但没有明显的缺陷;而在可疑失效点C处则没有发现任何异常。

图 8 失效热点的Layout示意图 Fig.8 Layout diagram of failure hot spot
图 9 金属层3~1的失效情况 Fig.9 Failure detection from metal layer 3 to layer 1

为了进一步观察可疑失效点A处的情况,本研究使用XEIA3的聚焦离子束对去层化处理至金属层1的失效点A进行截面切割,为保护失效点及金属面,在离子束切割前先对样品表面进行小面积的Pt沉积[10-11],并使用SEM进行观察,从图10的SEM截面图可以清楚地看到,失效点A处的缺陷是金属层1线路及其通孔和有源层发生了线路熔断,并引起了漏电,使HV SPAD无法正常的给予传感晶圆的SPAD矩阵模组工作电压,从而造成了传感晶圆功能的失效。

图 10 失效点A处的SEM截面图 Fig.10 SEM cross-section view of defect point A
3 结论

1)失效点A处的缺陷电镜图显示,传感晶圆的金属层1及其通孔发生了线路熔断,同时有源层也遭到了损坏,是半导体常见的线路内部EOS现象。

2)分析失效点A处的缺陷,金属层1及其通孔的熔断,会造成局部的开路并无法提供SPAD矩阵运行需要的电压;线路的缺陷还造成了有源层Poly gate的损坏,造成PMOS与NMOS的桥连失效,最终反馈为HV SPAD对GND的高压漏电。

3)将电测的失效项与失效点处的缺陷进行关联,半导体晶圆的失效处线路是低压到高压的转换电路,从低压转到到高压会对线路造成较大负荷,从而造成转换线路中某处发生EOS,进而发生失效。

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