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用激光对集成电路进行失效分析 2005/4/12/11:0来源：中国激光网 ??? 用于修整集成电路的低功率Nd:YAG激光器已成为半导体工业中的一个普通工具。将Nd:YAG激光器装在分析接触的探测台上(见图1)，对新的和重新启用的集成电路进行失效分析，通过切割故障元件和其它线路之间金属连线，将故障元件隔离起来。激光还用来去除线路上面的钝化层，为线路中金属连线、接点间的连接提供通道。激光还可用来在含有绝缘体夹层和金属层在内的多层线路上打孔，允许为隐藏的线路通道制作电接触。 图1.安装在Micromanipulator的分析探测台（型号4060）上的激光切割机。 ??? 第一个装在探测台上、用于半导体失效分析的激光器是Alessi公司在20世纪90年代早期制造的。采用单个波长(1064nm)脉冲激光器切割金属连线,优点非常明显，精度高，切缝清晰，比以前的超声波切割技术要好得多。当亚微米线路技术出现的时候，超声波切割技术就很难再使用了。激光器装在分析台上，并通过上面的显微镜聚焦。在探测过程中，就可以对线路进行修整，从而使失效分析效率大大提高了。该产品在当年被评为突破性产品。??? Micromanipulator公司(Carson ?City, ?NV; ?)对这种激光切割机进行了进一步的改进，增加了Q-开关、光束衰减片，并改进了探测台上的显微镜样品架系统，使激光能更精确地对准目标。Q-开关提高了功率的均匀性，能将强有力的短激光脉冲(10ns)打到被测样品上。这样做，可将样品的熔化减到最少，切口更干净。通过衰减光束来代替改变闪光灯的功率，使功率控制变得更加线性，重复性也提高了。很容易理解：对准特性的改进受到了工业界的热烈欢迎。此外，还对激光进行了倍频,让它能输出绿色(532nm)波长。这可以去除更多的材料，包括钝化材料和夹层中的绝缘体材料。??? 后来，New ?Wave ?Research ?Inc. ?(Fremont, ?CA; ?)又将这种激光切割系统向前推进了一步，引入了一个可调节的矩形孔径，以进行矩形切割。他们还加入了一个可见的对准光束，与切割激光光束路径相同。 ?这些改善使切缝与半导体线路更加匹配，还能在激光发射之前，估计切缝的大小和形状。New ?Wave公司还对激光进行了3倍频，产生了355nm(紫外线)波长。他们的新贡献是：允许用户在基频光束(1064nm)的基础上，自由选择波长：通过旋转开关，或选倍频波长(532nm)，或选三倍频(355nm)波长。 表1 ?用于半导体失效分析的激光器规格 ??? 今天的激光切割机包含了上述所有的特征，只是激光器的功率相对低了一点，因为所要去除的材料厚度仅为几百埃到几微米。当代用于半导体失效分析的典型激光器的规格如表1所示。应用??? 这种激光器的主要用途是切断金属连线以便将失效的电路隔离起来。图2显示的是用激光切割金属连线的一个例子。该技术采用“外科手术”方法，从线路中去除可疑元件，如晶体管。通常，一个元件损害之后，会“拉”去太多的电流，这将会引起整个线路的电压下降。当线路在分析台上被探测时，线路中连接电源和输出端的金属连线，将被切断。只要在线路被损坏的部份被隔离之后，线路电压能够恢复正常,就可确定被去除的部分是罪魁祸首。 图2.切除金属连线。 ??? 但是，探测电路本身存在一个问题。 ?需要将一个很小的电接触探针放到电路的金属连线上，才能对电路的电压和电流进行监视。问题是，被探查的金属连线可能在集成电路的表面,也可能被埋藏在多层集成电路的下面某层。这些电路中的金属连线，交叉分布，当中由“绝缘体夹层”分开。??? 这个问题可以用激光切割来解决。通过选择正确的波长，改变光斑大小，设定正确的功率，可将上面的钝化层去除，然后，再将夹层中的绝缘体去除。这样，就可为下面的电路中需要探测的金属连线提供一个通道。 表2 ?用不同波长的激光去除的一些普通材料。 图3.去除钝化层 ??? 在开始时，失效分析家先用紫外波长和大尺寸的光斑来去除聚酰亚胺钝化层，让被测线路的顶层暴露出来(见图3)。如果要探测的连线不在顶层,则需要减小光斑，以免其它的连线受到破坏，然后，在绝缘体夹层中打出一个孔(见图4)，这样，就把需要探测的埋在下面一层的金属连线暴露出来了。 图4. ?绝缘体夹层去除之后,下面的电路就暴露出来了 ??? 扫描电子显微(SEM)照片显示了用渐渐减小的光斑对多层电路“打孔”的情况。这里，又显示了用激光切割多层电路的一个优点。这个孔不仅为到达下层金属连线提供了一个通道，而且，还能引导接触探针到达该连线，并使之停留在那儿。图5所示的就是这种情况：将尖探针插入该孔，以便与连线接触，并停在那里。 图5. ?探针插入孔中，以