摘要：随着集成电路特征尺寸的不断缩小，对晶圆制造工艺提出来更大挑战。彩虹效应是指晶圆局部或边缘处因异物，膜内分层，镀层厚度等原因导致晶粒表面所呈现的变色现象。本文基于模拟开关芯片开展失效分析，在芯片内晶粒局部检测到彩虹效应。并通过应用失效验证，电学参数测试，依据 E

彩 虹 缺 陷 的 失效 验 证 方法 及 机 理 分 析

龚 瑜，黄彩清

(深圳赛意法微电子有限公司)

摘 要

随着集成电路特征尺寸的不断缩小，对晶圆制造工艺提出来更大挑战。彩虹效应是指晶圆局部或边缘处因异物，膜内分层，镀层厚度等原因导致晶粒表面所呈现的变色现象。本文基于模拟开关芯片开展失效分析，在芯片内晶粒局部检测到彩虹效应。并通过应用失效验证，电学参数测试，依据 EMMI，OBIＲCH 的漏电流定位结果及电路原理图分析验证了彩虹效应对集成电路的电性能参数的影响。同时，借用 FIB，EDS，XPS 等物理分析方法，揭示了彩虹效应的失效机理。该案例展示了 EMMI，OBIＲCH 在集成电路内部缺陷无损定位和分析的作用，为边缘缺陷的验证提供技术手段。

集成电路内部缺陷的验证是芯片故障定位及失效分析的重要技术基础。随着集成电路复杂程度的增加，晶圆制造工艺也面临着更严峻的挑战。常规的失效分析流程是依次完成板级，封装级，晶圆级检查依次判断是否存在外部应力冲击，封装缺陷，晶圆缺陷等的物理损伤痕迹，然后通过电学通路上假设性分析进行根本原因的判断。此方法的局限性在于无法对失效过程进行模拟，无法将物理损伤与电学失效特征进行直接的匹配验证。尤其对于一些边缘缺陷，如晶圆的彩虹缺陷，因其位置分散，不导电的特性导致对电路失效的判断停留在理论推 理 阶段。而 且，当芯 片内 同时 存 在 几 种 缺陷，判断哪一种缺陷是芯片失效的根本原因就极其重要。

本文通过对几款模拟开关芯片( Analog IC) 的失效分析，利用 EMMI ( 微光显微镜)，OBIＲCH ( 光束诱导电阻变化) 技术，结合电路原理图分析将电学失效与失效位置特征相匹配。同时借助聚焦离子束截面分析以及物理分析方法，揭示彩虹缺陷常见失效机理。由此介绍了针对彩虹缺陷的集成电路故障定位和失效验证思路。

1 基本原理

1. 1 集成电路结构

完整的集成电路具有多层结构，其钝化膜双层结构主要包括三种: SiO2 －PSG 结构，SiO2 －Si3N4 结构，SiO2 －Al2O3 结构。图 1a 为某 BCD 工艺的集成电路双层 SiO2 －Si3N4 钝化膜结构图。在前段工艺中已经将器件做好。后端制程就是将器件用金属( Al+1%Cu) 连接出去; 为了不让金属层之间直接接触而发生短路，用绝缘体加以隔离，这层绝缘介质材料称为 “内金属介电层”( inter metal dielectric，IMD)，主要材质为 SiO2。常规生长的热氧化 SiO2电阻率在 1015 Ω·cm 以上，介电强度不低于 5 × 106V / cm，具有良好的绝缘性能，也用作 Six Ny 层的应力缓解层; 为了保护下层电路，以避免与外界水汽，空气相接触而造成电路损害，还会 在 IMD 层 外 沉 积Si3N4 层( Nitride) 。单晶硅基底颜色呈现银灰色，掺杂阱区域颜色因掺杂物不同而有所差异，如图 1a 所示，P 掺杂区域呈现淡绿色，N+ 掺杂区域呈现粉色。金属铝的颜色呈现白色，Si3N4，SiO2，Poly-Si 材料呈现无色透明。

1. 2 彩虹效应

1. 2. 1 色彩成因

颜色与光是密不可分的。光是具有一定频率的电磁波［1］。一般认为可见光的波长范围是 380 ～780 nm。占整个电磁波很小部分。光源发出的光一般是复色光，是由不同波长的单色光混合而成。人的颜色视觉是由光，物体和视觉系统共同决定的。

在国际照明委员会( CIE) 规定的标准照明与标准观察条件下，传统样品的颜色在整个漫射角范围内应是相同的，但有部分材料的颜色具有随角度变化的特性。用目视方法评估变色材料，一般能看见三种主色: 近镜面反射色，直视色和侧视色。近镜面反射色是在非常接近镜面反射角时观察到的颜色，主要受干涉的影响。直视色是在传统的散射角和 45°角照明时，在样品法线方向观察的颜色，主要受传统着色剂的影响。侧视色是在与镜面反射角的相反方向观察样品时所看到的颜色，主要受漫反射和干涉的影响［2］。

膜结构的薄膜干涉如图 2 所示，其中 n0 为空气折射率，n1 为镀膜 1 材料折射率，n2 为镀膜 2 材料折射率，n3 为基底材料的折射率，X0 为膜厚度，Ф 为入射光角度，β 为折射光角度。氧化层厚度的建设性干涉( 从 Ф = 0° 进行观察)，可得如下公式。其中，人眼可区分的颜色不同的情况是两种膜厚度的差异大于 10 nm。

薄膜干涉的用途很广泛，因其可见性，操作的简便性也可用于集成电路缺陷的初步诊断。一般集成电路钝化层材料为无色透明材料形成的 Si3N4，SiO2 薄膜，其目视颜色由干涉色决定。利用菲涅耳方程反射率计算分析，建立集成电路表面 SiO2 厚度为 1 μm，Si3N4 厚度为 1 μm 的模型，其单色膜厚度变化引起的色彩变化如图 3a，3b 所示［3］。不同波长的可见光光线对双层镀膜的反射率呈现周期性变化，因此，以白光照射其表面，随薄膜厚度的增加，将呈现一系列色彩，这是薄膜干涉所致。可以根据薄膜颜色，估计薄膜厚度，显然，当厚度增大到后界面的影响可以忽略不计的程度( 相当于只有一个界面的半无限大情形)，则其颜色恢复为无色透明［4］。

1. 2. 2 彩虹缺陷

彩虹缺陷［5］( rainbow defect) 又称为集成电路变色缺陷，主要由于集成电路各层镀膜缺陷导致可见光建设性 干 涉 产 生 差 异，因而 呈现 色 彩 斑 斓 的 状态，如图 4a，4b 所示。

2 案例故障定位及分析研究

彩虹缺陷的失效认定是一个难题，因为影响这种缺陷的原因主要有镀膜厚度的差异导致不同波长光线折射率的变化，镀膜之间的结构变化( 镀膜之间产生分层，颗粒状异物，镀膜层结构变化等) 。这些缺陷的面积往往比较小，且缺陷不导电，缺陷位置比较分散，如图 5 中的 A，B，C 三种缺陷。出厂测试时无法完全筛选出这些故障，但随着时间的推移以及外部环境的恶化，这些缺陷品存在着可靠性风险。另外，在应用端的失效检测中，彩虹缺陷常常伴随 着 其 他 类 型 的 失效，如 过 电 应 力 ( electrical over stress，EOS)，静电释放( electro-staic discharge，ESD) 。EOS 与 ESD 失效的判定可通过发生背景，失效位 置，损伤 深 度和 失 效 路径 进行 判 断［6］。但是，对于集成电路结构缺陷所导致的 ESD 防护等级及预防闩锁效应级别降低的分析比较少，因此对于彩虹缺陷导致最终失效的验证就极其重要。

2. 1 彩虹缺陷的失效验证

2. 1. 1 彩虹缺陷光学显微镜

图 6 展示了同一种模拟开关芯片 4 个批次 11粒失效品初步失效分析的结果。芯片的外观检测，X-ray 射线检查，SAM 扫描检查均未发现封装缺陷。对样品进行去模封体处理，控制酸腐蚀时间确保晶粒裸露出来后电气性能不发生改变。对芯片内部晶粒表面进行光学显微镜检查，在样品 1，2，3，4 的晶粒表面不同位置检测到彩虹缺陷。样品 1，2，3 在晶粒表面没有检测到其他失效，样品 4 彩虹缺陷区域同时伴随灼烧痕迹。

2. 1. 2 应用失效验证

为 了 验 证 彩 虹 缺 陷 与 芯 片 应 用 故 障 的 相 关性。首先 借 助 外 围 电 路 激 发 芯 片 到 正 常 工 作 模式，对样品模拟电源 端 ( VCC) 接入 芯 片 工 作 电 压15V，接口低压驱 动 逻辑 输 入 端 ( LIN)，高 压 逻辑输入端( HIN) 分别接入数字信号( 波形 1，2)，进而完成电气性能进行检测。使用示波器完成模拟开关的输出检测，如图 7 所示。与正常品进行对比，异常品高压驱动输出端( HVG) 及低压驱动输出端( LVG) 均不能正 常 输 出 PWM 调 制 信 号 ( 波 形 3，4)，且 HVG，LVG 端口输出电压分别只有 42 mV，166 mV，因此验证了存在彩虹缺陷的芯片的 功 能失效。

2. 1. 3 电学参数测试

为了对芯片内部电路缺陷位置进行更精确的排查，依次对样品 1，2，3，4 完成管脚间 I/V 曲线测量。样品 1 结果显示当电压超过 12V 时，VCC 对接地端( GND) 存在漏电现象，样品 2 显示 HIN 对 GND端存在非阻性漏电现象，样品 3 显示 VCC 对 GND端存在阻性漏电流现象［7］，样品 4 显示电路电源端( BOOT) 对 VCC 端存在漏电流现象。曲线追踪结果检测结果如图 8( a ～ d) 所示。因此将样品 1，3 故障区域定位在 VCC，GND 所途经电路，样品 2 故障区域定位在 HIN，GND 之间电路，样品 4 故障区域定位在 BOOT，VCC 供电电路。

2. 1. 4 EMMI 及 OBIＲCH 失效位置验证

EMMI［8］和 OBIＲCH 可以将漏电电路更生动地展现在集成电路表面图案成像上，进而实现失效位置的验证。IV 曲线追踪的结果显示，样品 1 故障区域在 VCC，GND 电路，且对 VCC，GND 端施加偏压时，故障区域能够被激发。同理，样品 2，3，4 故障区域分 别 位于 VCC，GND 端，VCC，GND 端，BOOT，VCC 之间电路。因此，可以利用正常品与异常品漏电流的差别完成故障位置的精确定位。在实施失效定位过程中，因为彩虹缺陷引发的漏电流差别很小，且信号很微弱，因此，需要选择合适的位置以减小强热点区域的干扰。图 9a 所示为实施对彩虹缺陷的激光扫描图像，如果包含右下侧区域进行热点扫描时，则会因为右下侧区域电路激发状态下发光明显，OBICH 机器在自动调节图片分辨率时，对比度很低的缺陷漏电将被掩盖，如图 9b 所示。因此，需要移动 OBIＲCH 镜头，将信号强烈的不相关区域热点移除视野，最终得到比较清晰的缺陷漏电图片9c。图 9d 所示为彩虹缺陷光学图像，包含图像右侧区域进行发光点图像采集时，由于右侧区域在电路激发状态下发光明显，EMMI 机器在自动调节图片分辨率时，对比度很低的缺陷漏电被掩盖，如图 9e所示。因此，需要移动 EMMI 镜头，将信号强烈的不相关区域热点移除视野，最终得到比较清晰的缺陷漏电图 9f。

因此利用 IV 曲线测量结果同时规避不相关的信号强烈区 域 热 点，以 完 成 彩 虹 缺 陷 的 失效 位 置验 证。 分 别 对 样品 1，2，3，4 进行 EMMI 和OBIＲCH 扫描。结果 显 示 如 图 10 所 示，样品 1，2，4 在彩虹缺陷位置产生异常的热点信号。对样品 3 完成加电 EMMI 实验，通过 对 比 正 常 品 的发光情况，图例结构彩 虹 缺 陷 位 置 电 路 没 有 被 激 发产生发 光现 象。 由 此 验 证 缺 陷 位 置 即 为 漏 电 流位置。

2. 1. 5 电路原理图分析

为了进一步验证缺陷位置与芯片失效的相关性。对各缺陷区域电路区域电路图进行分析，样品1，2，3，4 缺 陷 位 置 分 别 对 应 于 图 11 所 示 电 路 的MOS1，Ｒ1，D1，MOS2，当彩虹缺陷产生时，会分别改变样品 1 电路 MOS 绝缘厚度，产生漏电通道; 降低样品 2 电路对地电阻，增加电路功耗，引发 VCC 对HIN 漏电; 破坏样品 3 的 VCC 与 GND 电路中的齐纳二极管，引发漏电; 破坏样品 4 的 BOOT 与 VCC电路间的绝缘结构，产生源极漏极的漏电现象。最终导致芯片无法正常启动，产生 HVG，LVG 无输出异常。

2. 2 彩虹缺陷失效机理分析

为了进一步了解彩虹缺陷的失效机理，利用先进分析技术聚焦离子束切割( focus ion beam，FIB)，能量 色 散 X 射线 光 谱 仪 ( energy dispersive X-ray spectroscopy，EDX)，X 射线光电子谱( X-ray photo-electronic spectroscopy，XPS) 等物理分析方法进一步从物理结构上对失效现象进行分析。分析结果显示，其失效机理主要包括四个方面: 光刻胶残留，离子残留，应力引起的界面分层，颗粒物残留。

2. 2. 1 光刻胶残留

对 样品 1 变 色 区 域 完 成 FIB 切 割 及 成分 分析，结果如 图 12 所 示。 MOS 结构 钝 化 层 结构 的SiO2 层与衬底结构间存 在 一 层 均 匀 薄膜，薄膜 的成分分 析 结 果 与 厚 度和 光 刻 胶 一 致。 这 是 由 于在进行金属淀积工 艺 时，对 光 刻 胶 的 脱 膜 过程 不彻底［9］，导致部分光刻胶残留 在 底 部。而 光 刻 胶薄膜的干涉系数与 SiO2 不同，因此产生钝化层的色彩变化。

2. 2. 2 离子污染

对样品 2 变色区域完成 FIB 切割及成分分析。结果显示，集成电路内部金属层出现变形，钝化层薄膜产生空洞，影响薄膜的局部建设性干涉，产生变色现象。对比正常品完成失效品的 EDS 分析，失效品金属层及空洞间检测到高比例氯离子，如图 13所示。对晶圆制造工艺调查显示，同批次晶粒在含氯氧化工 艺 制 造 中，HCL / O2 浓 度 偏 高，残留 的 Cl造成晶粒内部离子污染。

2. 2. 3 应力引起界面分层

样品 3 变色区域 FIB 切割结果显示，晶粒边缘钝化层结构产生翘起，变色区域钝化层结构 SiO2 层及 Si3N4 之间产生了机械应力作用下的分层开裂现象［10］，如图 14 所示。对比正常品，分层区域镀膜结构增加了空气层，改变了光干涉的路径，因而影响了目视下的光学成像，产生色彩差异。

2. 2. 4 颗粒物残留

对样品 4 变色区域进行 FIB 截面分析，检测结果显示 沉 积的 磷 硅 玻璃 层 ( phospho silicate glass，PSG) 及 侧 墙 隔离 介质 ( sidewall spacer) 之 间 产 生裂纹，同时 存 在 颗粒 物 残留，金 属 层 厚 度 ( 0. 43μm) 小于正常值( 1. 3 μm) 的异常，如图 15 所示。通过 XPS Avantage 软 件 中的 全 谱谱 峰 识 别 功 能( Survey ID) 对全谱进行识别，缺陷区域含有 F、O、N、C、Si、Al 等元素，且主要以有机氟、氟化物的形式存在。

3 结论

本文详细论述了针对彩虹缺陷的验证方法及常见的失效机理。结合电性能测试，电路原理图分析逐步缩小故障范围，然后借用 EMMI，OBIＲCH 完成参数失效的漏电流验证。同时，利用 FIB 截面分析技术和物理分析方法，最终找到芯片失效机理。分析结果表明，EMMI，OBIＲCH 对于完成彩虹缺陷的验证有重要影响。提高了失效分析的效率，优化了寻找失效机理的流程，也突破了彩虹缺陷是否与参数失效相关的难题。

来源：半导体封装工程师之家一点号