半導(dǎo)體技術(shù)和半導(dǎo)體制造業(yè)近幾年迅速發(fā)展，集成電路特征尺寸逐漸減小，多層互連以及新型封裝如倒裝芯片、疊層芯片、功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管等發(fā)展對半導(dǎo)體的可靠性有著更高要求，半導(dǎo)體器件也出現(xiàn)了各種失效，如靜電放電損傷、氧化層裂紋和電遷移等。對這些失效進行分析并找到根本原因，進而進行工藝改進，可以快速提高產(chǎn)品可靠性。由于紅外光穿透性更好，可以對半導(dǎo)體器件進行無損失效分析和缺陷定位，本文將介紹紅外測試手段在半導(dǎo)體電學(xué)失效中應(yīng)用。 ?

01 紅外探測器歷史

紅外線介于可見光和微波之間，波長范圍0.76~1000μm。凡是高于絕對零度(0 K，即-273.15℃)的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線，也叫黑體輻射。由于紅外肉眼不可見，要察覺這種輻射的存在并測量其強弱離不開紅外探測器。

1800年英國天文學(xué)家威廉·赫胥爾首次發(fā)現(xiàn)了紅外線，隨著后續(xù)對紅外技術(shù)的不斷研究以及半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，紅外探測器得到了迅猛的發(fā)展，先后出現(xiàn)了硫化鉛(PbS)、碲化鉛(PbTe)、銻化銦(InSb)、碲鎘汞(HgCdTe，簡稱MCT)、銦鎵砷(InGaAs)、量子阱(QWIP)、二類超晶格(type-II superlattice，簡稱T2SL)、量子級聯(lián)(QCD)等不同材料紅外探測器等，如圖1所示。

圖1 第一代至第四代紅外探測器發(fā)展路線及大事記 從工作原理來看紅外探測器主要分兩類：熱探測器和光電探測器。熱探測器利用熱電效應(yīng)通過熱電偶將溫度轉(zhuǎn)換為電壓，比如熱電堆、熱電探測器和熱輻射計等。光電探測器通過光電效應(yīng)將紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號。 從材料來看紅外探測器主要有兩大類：以氧化釩、非晶硅為代表的非制冷型材料;以MCT、InSb、T2SL等為代表的制冷型材料。非制冷型材料主要利用紅外輻射熱效應(yīng)進行工作，制冷型材料主要利用光電效應(yīng)工作。如表1所示。

表1 制冷型和非制冷型紅外探測器對比 從波長范圍來看常見的紅外探測器及響應(yīng)波段如下表2所示。

表2 典型紅外探測器響應(yīng)波段

02 紅外失效分析頻譜選擇

大氣對電磁輻射具有散射和吸收作用，在具體應(yīng)用中會選擇散射和吸收作用小的波段，即大氣窗口。水汽分子和二氧化碳是紅外輻射的最主要吸收體，較強的水汽吸收帶位于5～8.0μm，二氧化碳的吸收帶位于在13.5～17μm處出現(xiàn)，這些吸收帶間的空隙形成一些紅外窗口。從圖2中可以看出，3～5μm以及8～14μm波段范圍吸收小，是比較理想的熱紅外應(yīng)用波段。

圖2 大氣透射曲線，圖下方表明主要的吸收源 3-5 μm中紅外波段的探測器被廣泛應(yīng)用于電學(xué)失效分析領(lǐng)域中，其中應(yīng)用最廣泛的是碲鎘汞（HgCdTe，MCT）探測器，但MCT探測器有以下缺點：

1）MCT晶體很難均勻生長，晶體生長困難增加了探測器成本；

2）MCT探測器量子效率低；

3）MCT含有重金屬元素汞，不符合RoHS標準。 相比于MCT材料襯底昂貴、大面積組分不均勻等缺點，InSb材料均勻性和穩(wěn)定性更好，InSb材料具有載流子壽命長、吸收系數(shù)大等優(yōu)點，是一種更具應(yīng)用前景的中紅外光電材料。InSb探測器，具有較高的靈敏度和比探測率，是小型化、低功耗、高靈敏度和快響應(yīng)中紅外探測最佳選擇之一。 圖3為MCT探測器與InSb探測器在3-5 μm波段時相對靈敏度對比，在該波段InSb探測器比MCT探測器具有更佳探測靈敏度。

圖3 MCT探測器與InSb探測器在3-5 μm波段的相對靈敏度對比

03 紅外微光顯微儀工作的原理

微光紅外顯微儀（Thermal EMMI）是利用InSb材質(zhì)的偵測器，接收故障點通電后產(chǎn)生的熱輻射分布，藉此定位故障點(熱點、亮點Hot Spot)位置，同時利用故障點熱輻射傳導(dǎo)的時間差，即能預(yù)估芯片故障點的深度位置。圖4為微光紅外顯微儀工作原理。

圖4 微光紅外顯微儀工作原理

為了提高定位精確度，發(fā)展鎖相熱成像技術(shù)（Lock-in Thermography）如圖5所示，將鎖相技術(shù)和熱成像技術(shù)有機結(jié)合，通過對系統(tǒng)電源進行調(diào)制，即按照某一固定頻率的供電模式，對電源進行通斷或高低點位開關(guān)，通過同步器件的電源供應(yīng)與紅外圖像的捕獲來減小噪聲，通過軟件進行積分運算，來測量器件微觀的溫度分布，利用鎖相熱成像技術(shù)幅位用來定位XY方向以確定缺陷位置，相位用來定位Z方向（時間/周期）通過對應(yīng)的相位角，可以換算出缺陷深度或所在層數(shù)，從而精準定位失效位置。 鎖相熱成像是一種動態(tài)紅外熱成像提供了更好的信號噪聲比，更高的靈敏度和較高的功能穩(wěn)態(tài)的熱成像分辨率比。圖6是一失效器件在不同測試頻率下熱成圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著測試頻率的升高，噪聲信號減弱，熱成像越來越收斂，分辨率越來越好，定位更精確。

圖5 熱鎖成像紅外測試原理圖

圖6 不同測試頻率下熱成像圖 而對于3D封裝產(chǎn)品，以往要找到失效點，都必須利用去層的方式，一層一層的做異常排除確認，耗時又費工，利用thermal EMMI設(shè)備測試出失效點熱輻射傳導(dǎo)的相位差，預(yù)估3D封裝的失效點深度(Z軸方向)，快速判斷是失效點在哪一層芯片。圖7不同深度空間下失效點與相位關(guān)系示意圖。

圖7 不同空間深度下失效點與相位關(guān)系示意圖

04 具體應(yīng)用與示例

微光紅外顯微儀可以實現(xiàn)對封裝器件或芯片如下失效方式的檢測：

1）檢測芯片封裝打線和芯片內(nèi)部線路短路

2）介電層 （Oxide）漏電

3）晶體管和二極管的漏電

4）TFT LCD面板&PCB/PCBA的金屬線路缺陷和短路

5）ESD閉鎖效應(yīng)

6）3D封裝（Stacked Die）失效點的深度預(yù)估

7）低阻抗短路（＜10 ohm）的問題分析

8）檢測芯片鍵合對準精度

審核編輯：黃飛

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