ОБЗОР ЛАЗЕРНЫХ СКАНИРУЮЩИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР
Аннотация
Развитие высокотехнологичных отраслей современной промышленности и повсеместное использование изделий микроэлектроники предъявляют повышенные требования к качеству и надежности микросхем. Одним из наиболее эффективных методов повышения надежности электронных систем является применение набора методологий, включая диагностический неразрушающий контроль (НК) и выборочное разрушающее тестирование в особых случаях. Исследования с использованием визуального осмотра и электрических испытаний, состоящие из функционального и параметрического контроля, не дают достаточно информации для выявления скрытых дефектов (например, макродефектов в слоях SiO2 в КМОП микросхемах) и выявления подделок. Поддельная интегральная схема (ИС) может содержать не декларированные функции, называемые аппаратными закладками. Распространенными инструментами исследования структуры ИС являются системы на основе микрофокусных рентгеновских источников излучения (ИИ), сканирующих акустических микроскопов, оптических и растровых электронных микроскопов, рентгенофлуоресцентных спектроскопов. Необходимость отсутствия разрушения изделия является принципиальным моментом, например, для контроля технологического процесса на кристальном производстве, где для оценки глубины легирования прибегают к разрушению дорогостоящих пластин. Исследование ИС с помощью светового микроскопа – один из наиболее доступных и распространенных методов НК микросхем. Сканирование структуры со стороны приборного слоя микросхем ограничено экранирующим действием металлизации, поскольку металл непрозрачен для света. Но данное ограничение преодолевается проведением исследований ИС со стороны подложки кристалла с помощью лазерных источников в ближнем ИК диапазоне. В данной работе приведен обзор основных методов, используемых в лазерной сканирующей микроскопии для анализа структур, откликов и особенностей режимов работ полупроводниковых схем. Описаны основные преимущества и ограничения в использовании оптических методов, а также какую информацию об изделии можно получить в результате лазерного сканирования.
Ключевые слова
Полный текст:
PDFЛитература
1. Becker G.T., Regazzoni F., Paar C. et al. Stealthy dopant-level hardware Trojans: extended version. J Cryptogr Eng 4, 2014,
p. 19–31. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s13389-013-0068-0.
2. Martin A. Green, Mark J. Keevers. Optical properties of intrinsic silicon at 300 k, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 3. 1995, p. 189–192.
DOI: http://dx.doi.org/10.1002/PIP.4670030303.
3. Sood A., Zeller J. SiGe focal plane array detector technology for nearinfrared imaging, International Journal of Engineering Research and Technology 10. 2017, p. 81–103. URL: https://www.researchgate.net/publication/318111138_SiGe_Focal_Plane_Array_Detector_Technology_for_Near-Infrared_Imaging (дата обращения: 20.10.2022).
4. Green M.A. Self-consistent optical parameters of intrinsic silicon at 300 k including temperature coefficients, Solar Energy Materials and Solar Cells 92. 2008, p. 1305–1310.
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.solmat.2008.06.009.
5. Azzini G.A., Arman G., Montangero P. The scanning optical microscope: A powerful tool for failure analysis of electronic devices, Microelectronics Reliability. 1992, vol. 32, Issue 11,
p. 1599–1604,
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0026-2714(92)90461-s.
6. Cemine Vernon Julius, Buenaobra Bernardino, Blanca Carlo, Saloma Caesar (2007). Localization and Imaging of Integrated Circuit Defect Using Simple Optical Feedback Detection. Science Diliman. 16. URL: https://www.researchgate.net/publication/277152404_Localization_and_Imaging_of_Integrated_Circuit_Defect_Using_Simple_Optical_Feedback_Detection (дата обращения: 20.10.2022).
7. Soref R.A. and Bennett B.R. Electrooptical effects in silicon. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1987,
vol. 23, no. 1, p. 123–129.
DOI: http://dx.doi.org/10.1109/JQE.1987.1073206.
8. Light Induced Voltage Alteration. URL: https://www.semitracks.com/reference-material/failure-and-yield-analysis/failure-analysis-die-level/light-induced-voltage-alteration.php (дата обращения: 20.10.2022).
9. Laird J.S., Chen Y., Vo T., Edmonds L., Scheick L., Adell P. Temperature dependence of spatially resolved picosecond laser induced transients in a deep submicron CMOS inverter. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2009, vol. 56, no. 1, p. 220–228. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TNS.2008.2010939.
10. Gordienko A.V., Mavritskii O.B., Egorov A.N., Pechenkin A.A., Savchenkov D.V. Ultrashort pulsed laser tools for testing of semiconductor elements hardness to single event effects, caused by cosmic heavy charged particles. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 2015, vol. 9355, art. no. 93551C.
DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.2079758.
11. Mavritskii, O.B., Chumakov, A.I., Egorov, A.N. et al. Laser equipment for hardness evaluation of semiconductor elements exposed to heavy charged particles (Review). Instrum Exp Tech. 2016, 59, p. 627–649
DOI: http://dx.doi.org/10.1134/S0020441216050122.
12. Park H. et al. Laser-Induced Current Transients in Strained-Si Diodes. IEEE Transactions on Nuclear Science. Dec. 2009, vol. 56, no. 6, p. 3203–3209. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TNS.2009.2033361.
13. Aw S.E., Tan H.S., Ong C.K. (1991). Optical absorption measurements of band-gap shrinkage in moderately and heavily doped silicon. Journal of Physics: Condensed Matter, 3(42), 8213–8223.
DOI: http://dx.doi.org/10.1088/0953-8984/3/42/016.
14. Falk R.A. Near IR Absorption in Heavily Doped Silicon - An Empirical Approach. Proceedings of the 26th ISTFA, 2000. URL: https://www.researchgate.net/publication/237452116_Near_IR_Absorption_in_Heavily_Doped_Silicon_-_An_Empirical_Approach (дата обращения: 20.10.2022).
15. Rowlette J.A., Varner E.B., Seidel S. and Bailon I.C. Hot carrier emission from 50 nm n- and p-channel MOSFET devices. The 16th Annual Meeting of the IEEE Lasers and Electro-Optics Society, LEOS 2003., vol. 2,
p. 740–741. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/LEOS.2003.1253013.
16. Согоян А.В., Чумаков А.И., Смолин А.А. Оценка частоты одиночных радиационных эффектов для современных СБИС. Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем.
C. 170–176. DOI: http://dx.doi.org/10.31114/2078-7707-2018-4-170-176.
17. Chumakov A.I. Interrelation of equivalent values for linear energy transfer of heavy charged particles and the energy of focused laser radiation. Russ Microelectron. 2011, 40, p. 149–155.
DOI: http://dx.doi.org/10.1134/S1063739711030036.
18. Chumakov A.I., Vasil’ev A.L., Pechenkin A.A. et al. Single-event-effect sensetivity characterization of LSI circuits with a laser-based and a pulsed gamma-ray testing facilities used in combination. Russ Microelectron 41, 221–225 (2012). DOI: http://dx.doi.org/10.1134/S1063739712040051.
19. Savchenkov D.V. et al. Study of SEL and SEU in SRAM using different laser techniques. 14th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems (RADECS). 2013, p. 1–5.
DOI: http://dx.doi.org/10.1109/RADECS.2013.6937411.
20. Chumakov A.I., Pechenkin A.A., Savchenkov D.V., Tararaksin A.S., Vasil'ev A.L. and Yanenko A.V. Local laser irradiation technique for SEE testing of ICs. 12th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems. 2011, p. 449–453. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/RADECS.2011.6131420.
21. Chumakov A.I. et al. Compendium of SEE comparative results under ion and laser irradiation. 14th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems (RADECS). 2013, p. 1–4.
DOI: http://dx.doi.org/10.1109/RADECS.2013.6937390.
22. Gordienko A.V. et al. Correlation of the ionisation response at selected points of IC sensitive regions with SEE sensitivity parameters under pulsed laser irradiation. Quantum Electronics. 2014, 44(12): 1173.
DOI: http://dx.doi.org/10.1070/QE2014v044n12ABEH015519.
23. Стойкость-2020: тезисы докладов 23 Всероссийской научно-практической конференции по радиационной стойкости электронных систем, Лыткарино, 22–23 сентября 2020 года председатель оргкомитета Таперо К.И.; Научно-исследовательский институт приборов. Лыткарино: Научно-исследовательский институт приборов, 2020. – 173 с.
URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=44928221&selid=44930460 (дата обращения: 20.10.2022). – EDN MILEHO.
24. Печенкин А.А., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б. и др. Расширение возможностей лазерной установки «Фемто-Т» для облучения кремниевых ИС сквозь подложку. 22-я Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» – «Стойкость-2019». 2019. – 262 c.
URL: https://rusneb.ru/catalog/000200_000018_RU_NLR_BIBL_A_012096118/ (дата обращения: 20.10.2022).
25. Печенкин А.А., Савченков Д.В., Маврицкий и др. Оценка параметров чувствительности КМОП БИС по одиночным тиристорным эффектам при лазерном воздействии со стороны подложки. Микроэлектроника. 2015, т. 44, № 1, с. 41–48. DOI: http://dx.doi.org/10.7868/S054412691501007X. – EDN TCJCWP.
26. Melinger J.S. et al. Critical evaluation of the pulsed laser method for single event effects testing and fundamental studies. IEEE Transactions on Nuclear Science. 1994, vol. 41, no. 6, p. 2574–2584.
DOI: http://dx.doi.org/10.1109/23.340618.
27. Ramsay E. & Reid D. & Wilsher K. Three-dimensional imaging of a silicon flip chip using the two-photon optical-beam induced current effect. Applied Physics Letters. 2002, 81, p. 7–9.
DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.1491301.
28. Wu C. et al. A novel and low-cost method to detect delay variation by dynamic thermal laser stimulation. International Reliability Physics Symposium, 2011, p. FA.1.1–FA.1.5.
DOI: http://dx.doi.org/10.1109/IRPS.2011.5784574.
29. Edward I. Beam-Based Defect Localization Techniques. Microelectronics Failure Analysis Desk Reference, Sixth Edition. 2011, p. 246 URL: https://www.researchgate.net/publication/255245776_Beam-based_defect_localization_techniques (дата обращения: 20.10.2022).
30. Lawrence C. Wagner. Failure Analysis of Integrated Circuits: Tools and Techniques. 1999. 255 p.
DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4615-4919-2.
31. Felix Beaudoin, Edward Cole, Jr. Physics of Laser-Based Failure Analysis, Microelectronics Failure Analysis: Desk Reference, 7th ed., Edited by Tejinder Gandhi, ASM International. 2019, p. 196–208. DOI: https://doi.org/10.31399/asm.tb.mfadr7.t91110196.
32. Cole E.I., Jr.; Tangyunyong P.; Benson D.A.; Barton D.L. TIVA and SEI developments for enhanced front and backside interconnection failure analysis. Microelectron. Reliab. 1999, vol. 39, p. 991–996.
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0026-2714(99)00136-5.
33. Reissner M. Fault localization at high voltage devices using thermally induced voltage alteration (TIVA). Microelectron. Reliab. 2007, vol. 47, Issues 9–11, p. 1561–1564. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.microrel.2007.07.016.
34. Processes of the Reliability and Degradation Mechanism of High-Power Semiconductor Lasers.
DOI: https://doi.org/10.3390/cryst12060765.
35. Boit C. Fundamentals of Photon Emission (PEM) in Silicon – Electroluminescence for Analysis of Electronic Circuit and Device Functionality. In: Microelectronics Failure Analysis: Desk Reference Fifth Edition (ASM International). 2004, p. 356–368. URL: https://www.researchgate.net/publication/288257293_Fundamentals_of_photon_emission_PEM_in_silicon_-_Electroluminescence_for_analysis_of_electronic_circuit_and_device_functionality (дата обращения: 20.10.2022).
36. Baluev A.A., Ukolov D.S., Pechenkin A.A. and Mozhaev R.K. Application of Confocal Microscopy Methods for Research and Non-destructive Examination of Semiconductor Structures and Integrated Circuits. IEEE 32nd International Conference on Microelectronics (MIEL). 2021, p. 135–138.
DOI: http://dx.doi.org/10.1109/MIEL52794.2021.9569106.
37. Ukolov D., Baluev A., Gromova P., Pechenkin A. and Mozhaev R. Laser scanning confocal IR microscopy for non-destructive testing of semiconductors. Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). 2022, p. 1–3. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/MWENT55238.2022.9802329.
38. Mavritskii O.B., Egorov A.N., Nastulyavichus A.A., Pechenkin A.A., Smirnov N.A., Chumakov A.I. NIR Microscopy Possibilities for the Visualization of Silicon Microelectronic Structure Topology through the Substrate. Physics Procedia. 2015, vol. 73, p. 183–188. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.phpro.2015.09.152.
39. Dong Z, Wang W, Huang B J et al. A 630dpi dynamic LED display array in standard Si-based CMOS technology. Sci China Inf Sci. 2012, 55, 2409–2416. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s11432-011-4498-y.
40. Kim J. H., Kawazoe T., & Ohtsu M. Dependences of emission intensity of Si light-emitting diodes on dressed-photon–phonon-assisted annealing conditions and driving current. Applied Physics A. 2017, 123, 606.
DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s00339-017-1215-8.
41. Boit C., Beyreuther A., Herfurth N. Photon Emission in Silicon Based Integrated Circuits. In: Microelectronics failure analysis: Desk referenceю 2019, p. 180– 195. DOI: http://dx.doi.org/10.31399/asm.tb.mfadr7.t91110180.
42. Photoemission optical bench. URL: https://www.alphanov.com/en/products-services/photoemission-optical-bench (дата обращения: 20.10.2022).
43. Mozhaev R., Pechenkin A. and Gorbunov M. Near-Infrared Electroluminescence of Silicon Thyristor Structure and Its Possible Applications. Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). 2022, p. 1–4. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/MWENT55238.2022.9802395.
DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2022.4.09
Ссылки
- На текущий момент ссылки отсутствуют.
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.