目前有很多资料介绍放射显微镜(图1)可以探测到由损坏的硅半导体器件发出的光辐射。绝大多数有缺陷的芯片会发出可见光或近红外线(NIR),但由于这些光线的强度相差很远,因此用放射显微镜对这类缺陷进行定位具有一定难度；而先进复杂的芯片设计其内部线路的金属化层数通常还要增加,从而更是加大了检测难度。芯片金属化超过三层以后,缺陷发出的射线会被金属化层吸收,这时只能在使用放射显微镜观察之前,先在芯片背面将硅片减薄然后才能进行检测。
放射显微镜能生成两种图像:一种是发出的光所形成的一个或多个光点,另一种是单独的芯片电路图。系统软件将这两个图重叠在一起,就可显示出电路缺陷的位置。为作出缺陷的光辐射图,放射显微镜一直使用各类电荷耦合器件(CCD)来记录光子。一旦发现缺陷并确定位置之后,技术人员就可以采取相应的纠正措施。
采用CCD的放射显微镜自1986年开始应用以来,灵敏度已越来越高,但硅片本身的带隙却限制了这种显微镜的进一步使用。CCD是一种固态硅器件,其感应范围为波长在400～800nm的可见光以及波长800～1200nm的近红外线。这个有效感应范围只与缺陷发出射线的一部分对应,因为后者的范围大致在550nm到1500nm左右,阻性器件还要超过3000nm。CCD的特点是在可见光范围内具有很高的空间分辨率和检测灵敏度。
使用存储和定时综合技术之后,采用CCD的显微镜可以感应到非常微弱的射线并能探测到低至几纳安的漏泄电流。然而如今很多放射检测必须要从差不多80μm薄的硅片后面来进行,此时即使是不掺杂的硅片也如同一个过滤器一样会进一步减少光电子传输,如果硅片内掺有杂质,这种过滤效果会变得更大,缺陷处发出的射线强度可能会降低三个数量级。
如今研究人员已开发出一种汞镉碲化物(HgCdTe)阵列技术解决这两个问题,该项技术曾用在哈勃太空望远镜上的一种传感器中。在哈勃望远镜上,这种传感器可以感应到太空星体发出的近红外和短波红外(SWIR)波长射线。就半导体射线而言,HgCdTe传感器对1200nm以上的射线特别敏感,这正好是CCD传感器由于硅片带隙而不能很好探测到的区域。Hypervision公司设计了一种同时使用CCD平面聚焦阵列(FPA)和HgCdTe FPA的系统,具有很高的空间分辨率,且对整个400nm到1500nm范围内的射线都有很高敏感度,而这一范围也更接近芯片缺陷所发出射线的实际波长。
把这两种完全不同的传感器放在一起也带来了一个很大难题,就是汞镉碲阵列(MCT FPA)包含的像素(40μm)比CCD传感器(约7μm)大得多,两种不同格式影像图的FPA纵横比是不一样的。目前已有一种软件可以把MCT图调整后放入到显示芯片电路的CCD加亮图片中。
该套完整的系统采用分光束处理这两种FPA数据,CCD传感器用于400～1200nm范围,在650nm时达到总功率峰值的50～80%(根据具体的CCD设计情况而定),而在1200nm时降到几乎为零。MCT传感器检测波长范围为1000～1500nm,这个范围内它的总功率可达峰值的80%以上。在对图片像素大小与长宽比例进行校正之后,可将其覆盖到显示芯片电路的加亮图片上。CCD传感器具有12位百万级小像素阵列,能得到空间分辨率达0.25μm的高分辨率图片。将两种传感器并用得到的图片空间分辨率非常高,并且还带有高灵敏度MCT检测结果。
在该系统的开发阶段,MCT传感器曾被认为比CCD传感器灵敏度要高好几倍。早期的试验显示,对一个波长跨越1200nm而超出CCD感应区的辐射点,MCT传感器的灵敏度是CCD的7～10倍；对整个系统的进一步研究表明,MCT传感器在一些掺杂器件如DRAMS的灵敏度上可以达到CCD传感器的100倍以上。也就是说在检测同一个辐射源时,MCT传感器只需要CCD所需电平的百分之一就可以了。同样给人深刻印象的是,对那些掺杂严重的器件所需电流也要小很多。
在对前端金属化非常厚的器件作后端辐射成像时,提高传感器灵敏度尤为重要,因为后端辐射范围趋向于1000～1500nm。然而尽管灵敏度非常高,也并不是说硅片后端不需要再减薄,因为如果不将硅片后端变薄,那么微弱的辐射还是会被大块堆积的硅吸收,此时任何一种传感器都将无法感测到。只要将硅片后端变薄,传感器的检测灵敏度与空间分辨率就可以达到最大。CCD传感器后端空间分辨率为0.4μm,而MCT FPA则是1mm。为了更进一步提高空间分辨率,MCT成像图先覆盖在高分辨率CCD图片上,而后又加在CAD图上,这种“虚拟”覆盖能使空间分辨率达到0.2μm以下。该双重摄像系统可以使当今的0.15μm工艺以及小尺寸芯片的性能更加完善。
通过移向更长波长频段,MCT传感器还可用于更大范围的缺陷类型。例如轻度损坏的门氧化膜发出的射线大多在900nm以下,属于可见光谱且在CCD的灵敏度范围内,但是严重损坏的门氧化膜射线的波长则要更长一些,达到1200nm或更高,而这正好又在MCT传感器工作的区域。前向偏压、反向偏压以及饱和晶体管的辐射主要都在1200nm到1500nm范围,该部分也是MCT的领域；对于在1100～1500nm范围与金属短路有关的纯阻性缺陷,MCT技术也能完全检测到。
常规近红外光到1800nm的地方就截止了,但人们对波长在1800nm以上的部分也很有兴趣。这已不是硅片衬底辐射而属于另外的应用,如先进芯片设计上多个金属化层内阻性短路发出的红外热之类。如今的裸片设计最多可达7个金属层,此时短路检测是一件很困难的事,不过技术发展并没有停步,现正在开发新型采用硅化铂(PtSi)或锑化铟(InSb)的探测器,以进一步推进半导体红外线探测,更清楚了解这种黑箱幅射。这类探测器的探测范围为1000到5000nm。
图2显示的是覆盖范围在400到1200nm的CCD感应图,图中的辐射从一个氧化门测试结构的缺陷发出,属于可见光(箭头所示),但是很弱。很明显,类似这样强度较低的射线CCD很可能会看不到。
CCD感应器和MCT感应器互相补充,能使工程师在整个400nm到1500nm的范围都能探测到光辐射。组合在一起的感应器可用于泄漏缺陷(受到偏置时会连续发出辐射)和功能缺陷(只有用特定测试向量时才会发出辐射)的探测,这种组合式感应器可更容易和准确地对缺陷发出的即使很微弱的射线进行对位。
京公网安备 11011202001138号
