讲一下失效分析中最常用的辅助实验手段：亮点分析（EMMI）

最近手里有两款芯片在做FA（失效分析），正好就讲一下失效分析中最常用的辅助实验手段：亮点分析（EMMI）。

一.EMMI设备简介

EMMI：Emission microscopy 。与SEM，FIB，EB等一起作为最常用的失效分析手段。而EMMI应用于IC的失效分析还可以追溯到三十几年前。这里结合三篇文献来说明一下EMMI的原理以及结合实例进行EMMI结果分析。

图一.EMMI设备示意图。

EMMI是一种极其灵敏的显微镜，其光谱能从可见光区延伸到红外光区，并能捕捉到微弱的荧光。通过将捕捉到的荧光图片与芯片照片重合便能确定荧光产生的位置。

图二.EMMI中MCP电子放大腔示意图。

图二是EMMI中最为重要的器件之一。通过该器件，EMMI可以探测到极其微弱的荧光。（简单形容下原理：EMMI把捕捉到的光子通过在放大腔中放大，形成可观测的光束。）

**EMMI的本质只是一台光谱范围广，光子灵敏度高的显微镜。**而为何其能应用于IC失效分析，这里就要铺垫些半导体的相关知识。

图三.半导体荧光原理图。

二.集成电路荧光原理简介

2.1.载流子复合

半导体材料分为直接带隙半导体和间接带隙半导体，而Si是典型的直接带隙半导体，其禁带宽度为1.12eV。所以当电子与空穴复合时，电子会弹射出一个光子，该光子的能量为1.12eV，根据波粒二象性原理，该光子的波长为1100nm，属于红外光区。通俗的讲就是当载流子进行复合的时候就会产生1100nm的红外光。这也就是产生亮点的原因之一：载流子复合。所以正偏二极管的PN结处能看到亮点。如果MOS管产生latch-up现象，（体寄生三极管导通）也会观察到在衬底处产生荧光亮点。

2.2.热载流子

随着器件尺寸的逐渐变小，MOS器件的沟道长度也逐渐变短。短沟道效应也愈发严重。短沟道效应会使得MOS管的漏结存在一个强电场，该电场会对载流子进行加速，同时赋予载流子一个动能，该载流子会造成中性的Si原子被极化，产生同样带有能量的电子与空穴对，这种电子与空穴被称为热载流子，反映在能带图中就是电位更高的电子和电位更低的空穴。一部分热载流子会在生成后立马复合，产生波长更短的荧光，另一部分在电场的作用下分离。电子进入栅氧层，影响阈值电压，空穴进入衬底，产生衬底电流。归因于短沟道效应能在MOS管的漏端能看到亮点，同样在反偏PN结处也能产生强场，也能观察到亮点。

2.3.绝缘层漏电

随着MOS管的氧化层越来越薄，其本身的鲁棒性也在下降，无论是氧化层本身的缺陷还是“软”失效，在电场的作用下其本身更容易产生隧穿电子，隧穿电子会造成中性的原子发生极化，变成微等离子体的同时产生光子。同样也会在EMMI中反映出亮点。

图四.不同机制下的荧光光谱。

目前IC中能产生荧光的原因主要就是上述三种，而IC的失效分析中是给予失效点一个偏压，然后EMMI捕获电流中产生的微弱荧光。 原理上，不管IC是否存在缺陷，只要满足其机理在EMMI下都能观测到荧光， 那如何才能根据EMMI的结果确定失效位置，这就需要具体问题具体分析。

话不多说，接下来举几个简单的例子方便理解：

三.EMMI应用实例

3.1实例一

实例一.差分输出电路。

第一个实例是个差分输出，该电路的症状是两边输出电压不一样，从电路分析来看应该T2坏了，接下来在V+和GND之间给一个 小电压偏置 （小于PN结反偏击穿电压，大于PN结正向导通电压）然后上EMMI， 将左右两个三极管的结果进行对比 。然后结果如下图。

实例一.EMMI与SEM图像。

从EMMI上明显看出左右两个三极管的亮点存在差异，左侧三极管亮点分布不均匀，而右侧亮点均匀，强度较低。两边的三极管都存在VB-E偏压，都是正偏二极管，整个PN结都会因为载流子的复合产生亮点。但是左边复合强度更强，而且复合产生的荧光分布不均匀，在缺陷处复合强度明显偏高，亮点更集中。SEM的结果说明左侧的三极管发生损坏，缺陷会变成陷阱中心加速载流子的复合，所以EMMI上左侧更亮，更集中。

3.2.实例二

实例二.电路图。

实例二是一个HBM 2KV ESD防护单元，而ESD模块也是最容易发生失效的模块。该电路的症状为Input port到GND之间存在较大的漏电流。为了确定失效点，在Input和GND之间 施加一个2.5V的偏压 ，然后用EMMI观察亮点。根据电路特性，如果ESD单元正常工作，在GGNMOS的drain端只会存在极其微弱的荧光，但是EMMI的结果显示GGNMOS其中一根Finger的drain端存在大面积的荧光，说明该处存在问题，后对NMOS进行SEM观察，确定了失效位置，该ESD单元的漏端产生损伤，从而造成了漏电流和EMMI光点。

实例二.EMMI图像。

实例二.失效点SEM图像。

3.3.实例三

实例三是放大器中的一部分，电路图如图所示。

实例三.放大器电路图。

该电路的症状为VDD到GND电阻短接，问题锁定在T1，T2，T3三个三极管之中。Vin与GND间施加适当偏压，T1，T2，T3的B-E结正偏，正常情况下都存在载流子复合，形成亮点。但是EMMI的结果显示只有T1存在亮点，说明T1的B-E结是正常的，而T2，T3都失效了。去除金属化后发现T2的失效点。EMMI结果如图所示。

实例三.EMMI与SEM图像。

上述三个实例都较为简单，但是也体现出了EMMI在FA中的分析方法。第一个例子是将 差分单元的EMMI进行对比 ，然后根据机理分析，EMMI亮度不均匀的管子出了问题。 而第二个实例就是在不该出现亮点的地方出现亮点，说明电路出现问题。第三个实例是应该出现亮点的地方，反倒不出现亮点，这说明电路也出现了问题。 所以EMMI的分析并不是单纯的说明有亮点就出现问题，更不是说明有亮点就是温度高 （虽然高温确实能加速载流子复合），EMMI的分析需要基于对其原理的理解与具体电路的分析。

而实操中EMMI也需要调整偏置电压的大小与探头的灵敏度。如果偏置电压过大，正常的器件都会存在大量的热载流子和雪崩击穿，造成整个片子都是亮点，这也没法分析了。同样灵敏度过高也会造成这种结果。而且需要对具体情况进行具体的偏压设置。目前这只是静态的EMMI测试，随着芯片情况越来越复杂，还有动态EMMI测试的应用，这种情况就更难分析了。