OBIRCH原理 Thermal Laser Stimulation (TLS) OBIRCH, TIVA,SEI利用雷射加熱IC局部區域,改變其電特性,用以定位問題點定義: 利用雷射光束(例: 波長: 1.3 um, 能量:100mW, 聚焦點:0.65um, )掃描晶片,造成局部加熱的效果,並偵測其電性變化用以定位(可能)有問題的點.功用:原發展用於定位內連接線(interconnect)的問題點 也可應用於 polysilicon short, ESD Defect, soft gate oxide short, on-state transistors. 可與PEM建構在一起,互補功能的不同,用以定位問題點 。 雷射激發名詞(縮寫)名詞(縮寫) Thermally Induced Voltage Alterations(TIVA)，Optical Beam Induced Resistance Change (OBIRCH) Seebeck Effect Imaging (SEI) 下表除了熱刺激也包括了光刺激) 物理原理測方式 FA 利用雷射光照射加熱(波長>1.1um),使該點外加定電流, 產生阻抗變化.(因熱量測電壓變化,外加定改變阻抗係數) 電壓, 量測電流變化 應用 Location of Shorts, Vias with Incorrect Resistance 塞(席)貝克效應(Seebeck effect/ Thermal Couple):指兩種不同一般不加偏壓 的導體接觸點會因溫度差而產生電動勢 Light Induced Volta當照射雷射光的能量外加定電流, ge Alterations 比能隙(bandgap)大,量測電壓變化 (LIVA)註 將刺激半導體產生電子電動對(electron-hole pairs),進而影響空乏區的電流變化(非空乏區會再結合) Optical Beam Induce 直接量測(不加偏壓) d current 加定電壓, (OBIC)註 量測電流變化 Location of Opens Location of Open Junctions and Substrate Damage buried diffusion regions defective/damaged junction gate oxide short 註: OBIC/LIVA不屬於雷射加熱刺激,因為其為改變接面(PN接面的空乏區)狀況,訊號強度為好LST的好幾倍 其他名詞: CC-OBIRCH: Constant Current Optical Beam Induced Resistance Change. 與 TIVA 同義 IR-OBIRCH: Infrared Optical Beam Induced Resistance Change. 與 OBIRCH同義 TBIP: Thermal Beam Induced phenomenon, XIVA: Externally Induced Voltage Alterations. 此兩名詞均指利用OBIRCH量測架構,不過修正量測電流的方式,基本上是使用電感與電壓放大器.(inductor and voltage amplifier),其與OBIRCH差異為 輸入定電壓,量測電壓變化 SOM: Scanning Optical microscope;掃描式光學顯微鏡
基本原理摘要:使用紅外線: 因位矽能隙(bandgap)關係,須使用波長大於 1.1 um(1.1eV)的近紅外線(NIR)雷射, 因為波長小於1.1會產生光電流 利用此雷射光束加熱金屬性元件(metallic element); 可以延伸到多晶矽(polysilicon)與重摻雜的基材(highly doped substrate area) 改變加熱區域的電(阻)特性 此電阻改變引發電流或電壓的變動 內部的電流電壓改變可由電源供應器(power supply)端量測到變化 利用雷射的掃描點與電源功率變化(電壓或電流改變),可定位IC上對熱敏感點(電阻變化點)
TLS分為兩類: 電阻變化(resistance variation): OBIRCH, TIVA 塞(席)貝克效應(Thermoelectric energy conversion or Seebeck effect): SEI OBIRCH, TIVA, 改變短路區域的電阻變化, 若為導體(conductor)短路電阻隨溫度增加而增加, 若為半導體(semiconductor)短路電阻隨溫度增加而減少 使用紅外線可穿越Si底材(Substrate,波長>1.1um),所以可以使用於晶背(back side)的FA. 其穿透量與摻雜物質 & 濃度有關,底材若為摻雜Si,須磨薄(約100 um) 阻值變化:
電阻隨溫度改變關係如下式所示:
[tr]物質ρ0(μΩ*cm)αTCR(oC-1)[/ Δρ=ρ0αTCR(T-T0)
tr][tr]Cu1.554.33*10-3[tr][tr]Al
ρ0:電阻率(resistivity); ΔT:為溫度變化; 2.54.67*10-3[tr][tr]W4.894.83*10 αTCR:電阻的溫度係數(thermal coefficient o-3[tr][tr]Ti425.5*10-3[tr][tr]Ta
12.43.6*10-3[tr][tr]CoSi2203.1*1f resistance);
0-3[tr][tr]C3.5*105-0.5*10-3[tr]外加電源時,熱引起的電阻改變:
[tr]Si640*108-75*10-3[tr][tr]TaN 提供定電流源(current source)量電壓變化
250(註)-0.085*10-3[tr][tr]TiN150 ΔV=ΔRICIS (TIVA, SEI)
(註)(註)[tr][/tr] 提供定電壓(voltage source)源量電流變化
ΔI=-(ΔRIC/RIC2)Vs (OBIRCH) 註:這些數值與其化學組成,結晶方 RIC為整顆IC的阻抗變化 式,有很大關係 若要更精確的估計可將各材質的串並聯考慮進去.如TaN/Cu為並聯
塞(席)貝克效應(seebeck):
所指為在不同金屬接面有溫度梯度(gradients),會產生電動勢(Electromotive),半導體中如 W-Al (Metal line, contact)
ΔV=(Q1-Q2)ΔT=Q1-2ΔT Q1,Q2: thermoelectric power
若未加偏壓,所量到的電壓變化
Seebeck係數(Seebeck coefficients): [tr]Q(μV/oC)[/tr]
Al -0.34註:1 W 3.6註:1 Al/n+Si 287註:2 Al/p+Si -202註:2
註: 1.相對於銅的值. 2.摻雜濃度: 1018cm-3
直接來自Seebeck 也可加偏壓量測,不過此效應大多被忽略,因為電阻改變的影響較大
利用有限元素法模擬[1][4]
模型架構如右圖;雷射功率:100 mW; 聚焦點:0.65um; 室溫: 25oC; 快掃:1.23m/s(5X(物鏡倍率);1024x1024(解析度);2sec); 慢掃:0.00768m/s(100X;1024x1024;16sec),並分為水平掃描與垂直掃描(相對於金屬線). 模擬結果:水平掃描快掃與慢掃均會在10us以內達到高溫 最高溫: [tr]快掃慢掃[/tr][tr]水平[td]76.2[tr]垂直[td]60.2
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[/img]
79.9 echnique\\OBIRCH.mht!79.4
溫度梯度:距離5um降到最高溫的一半以下,30um完全降到常溫(實際分佈請參考[4] 溫度上升與雷射能量成正比約為: ΔT=0.55oC/mW 電阻的變化率與金屬截面積成反比: ΔR(t)=ρ0αTCR(L/S)(Tavg(t)-T0) 垂直慢掃最大阻值變化為: ΔRmax=1.7x10-3 Ω/mW 最高溫與雷射中心點差距不大於0.1um 快掃可能達不到所需溫度, 5X;1024x1024 情況下,掃描時間須大於4 sec
FET 受熱雷射並不會直接加熱通道,熱會因傳導而影響電晶體特性 會被加熱的附近區域: 重摻雜(Heavily doped), 多晶矽閘極(polysilicon gates), Buried layers 溫度改變會造成電晶體的特性改變,由飽和區操作公式知電流會受到飄移速率(mobility)與VT(threshold)的影響. IDsat=Zμεox(VG-VT)2/2dL 設備
組成:近紅外線雷射掃描式顯微鏡(NIR laser-scanning microscopes) 雷射波長一般為 1300nm 或 1340nm, 最大功率500mW 電壓源或電流源提供偏壓(Voltage or current source to bias the IC) 低雜訊的放大器,可放大微小的電源變化(low noise amplification) 雷射掃描同步系統,可訂出電源變化時雷射的掃描位置 影像軟體:可將光學影像(OM)與TLS影像重疊定位出問題點[img]mhtm
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整設備的的好壞決定於電源雜訊大小,量測系統的好壞(抗雜訊能力) 較高阻抗的IC,適合使用定電壓源(OBIRCH) 低阻抗IC,適合使用定電流源可減少雜訊(TIVA)
接線配置[tr]TIVA, CC-BORICH, SEIOBIRCH, IROBIRCH[/tr]
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其他(未分類的內容)OBIRCH, TIVA, SEI 使用波長大於1.1 um的紅外線, 僅會加熱並不會引起電子電洞對的產生 SEI: 若線路沒有open, 溫度所產生的電位梯度(potential gradient),將很快的由驅動端/電源排除, 若為斷路(open)則其引發的電位改變將會使與其接觸的閘極受到影響, 進而影響該電晶體,也影響到外部功率消耗(power dissipation) SEI:所造成的溫度梯度( Temperature Gradient)最高為30oC, 一般為10o 或更小 SOM, 設備: OBIRCH : constant voltage, current amplifier, TIVA/SEI: current source, ac coupled amplifier. 一般來說商用的SOM(e.g. 1.3 um)可同時使用於這三種方式,依所需串接外加設備 增加雷射強度將會增加訊號強度 風險: 無物理性風險, soft defect localization (SDL):
soft defect: resistive vias, leaky gate oxides, oxide defects, process variations, timing marginality, etc.
在某些情況下會測到有問題,某些情況下會是正常. (溫度, 電壓, 操作頻率 使用 OBICH/TIVA/SEI做動態測試(在正常與不正常間做切換)