激光测距传感器芯片功能异常分析
激光测距传感器芯片功能异常分析
作者:余应森;黄彩清;
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。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。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,AVDD 及 HV SPAD的线路,可能是失效点的存在区域。
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.
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。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; 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。
1.4 晶圆的失效定位
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/U)I2。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。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。
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 A和 B,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 A、C 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。
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 ,激光距离传感器的晶圆是基于CMOS工艺制造的,其晶圆结构,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,准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。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,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。晶圆的 Layout。本研究将OBIRCH探测到的可疑失效点 A、B、C 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。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 A、B、 C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,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,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。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,并使用SEM进行观察,从 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。
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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