IREM per individuare i difetti dei circuiti integrati

La spettroscopia ad infrarossi anche chiamata IREM (infrared emission microscopes), rappresenta un valido strumento per l’individuazione delle parti fallenti su un die, nei laboratori di Failure Analysis. Infatti analizzare un intero chip al microscopio elettronico sarebbe impossibile, basta considerare che un device può arrivare tranquillamente a diversi milioni di transistor al suo interno. Pertanto individuare una metallizzazione non ben realizzata oppure un qualche altro problema sarebbe molto più dispendioso di “cercare un ago in un pagliaio”. L’utilizzo dell’IREM permette di individuare una zona molto più ristretta da esaminare successivamente al microscopio elettronico. Prima di analizzare il funzionamento e le parti che lo compongono, vediamo un po’ quelli che sono i principi fisici che generano emissione fotoni, insieme a qualche applicazione.

1. Elettroluminescenza

La luminescenza è un fenomeno fisico che consiste nell’emissione di fotoni ad una certa lunghezza fisica in seguito ad un eccitazione del materiale.
Ovviamente a seconda delle cause che generano luminescenza, quindi al variare della sorgente che provoca questo fenomeno si parla di chemiluminescenza, catodoluminescenza, sonoluminescenza, elettroluminescenza, etc.
Nel nostro caso il fenomeno è dovuto all’applicazione di un potenziale elettrico per cui abbiamo elettroluminescenza; il principio fisico alla base in linea di massima è semplice, infatti un elettrone nel minimo della banda di conduzione decadendo nella banda di valenza ricombina cedendo l’energia sotto forma di fotone, questo tipo di ricombinazione è detta radiativa.

emissione

Figura 1 - Ricombinazione radiativa

La lunghezza d’onda del fotone sarà proporzionale al band gap del materiale:

lunghezza d'onda

Nel caso del silicio ha un band gap di 1.12[eV], corrispondente ad una lunghezza d’onda di 1.107[µm], quindi nel pieno Infrarosso.

Una importante caratteristica del materiale è legata alla banda, infatti un materiale a band gap diretto ha una maggiore probabilità che un elettrone passando nella banda di valenza ricombini in modo radiativo, rispetto ad un materiale a band gap indiretto.

diretto vs indiretto

Figura 2 - Band gap diretto (a), band gap indiretto (b)

Nel caso di band gap diretto il minimo della banda di conduzione si trova in corrispondenza del massimo della banda di valenza ciò comporta che il passaggio dell’elettrone dalla banda di conduzione alla banda di valenza avviene con momento ρ costante. Diversamente nel caso di band gap indiretto il minimo della banda di conduzione e il massimo della banda di valenza non sono in corrispondenza, ciò comporta un momento ρ non costante (Δρ = ρ2 – ρ1), pertanto questo sarà compensato con l’emissione di un fonone che sarà dissipato per effetto Joule.

Il fenomeno dell’elettroluminescenza in dispositivi realizzati su substrato di Silicio può essere facilmente studiato considerando le modalità di funzionamento di una giunzione p-n:

  1. Rilassamento accompagnato da debole emissione dovuta a portatori liberi che hanno sufficiente energia cinetica per effetto dell’applicazione di un campo elettrico. Si tratta di un processo intra-banda ed è quello più usato nella diagnosi di fallimenti su circuiti integrati CMOS.
  2. Ricombinazione radiativa banda-banda di elettroni e lacune che interessa portatori della banda di valenza e di conduzione ed è quindi un processo inter-banda.
sensitivity

Figura 3 - Curva I - V di una giunzione p-n

Il primo processo descritto richiede un certo voltaggio applicato alla giunzione per poter avvenire e quindi è per lo più correlato al funzionamento di una giunzione in polarizzazione inversa. Il problema evidente è che i livelli di corrente sono piuttosto bassi.

D’altra parte una giunzione direttamente polarizzata inietta molti portatori minoritari incrementando la ricombinazione già a basse tensioni.

distrib spett

Figura 4 - Distribuzioni spettrali della radiazione emessa rispetto ai diversi meccanismi

Possiamo descrivere più in dettaglio i fenomeni di emissione che più frequentemente vengono osservati in Failure Analysis. Per maggiore chiarezza li riporto prima in una tabella riassuntiva:

tabell

Tabella 1 - Mostra le varie tipologie di ricombinazione

La maggior parte degli spot di emissione legati ad un fallimento sono indotti da un campo elettrico applicato (quindi legati a ricombinazione intra-banda), rientrano tra questi:

  • MOSFET in saturazione
  • leakage nel silicio
  • correnti elevate attraverso l’ossido di gate a causa di difetti
  • correnti di Fowler-Nordheim che inducono scattering nel silicio o nel polisilicio dovuti a ossidi più sottili di quanto imposto dal processo.

Di seguito un’analisi più dettagliata dei vari meccanismi descritti in tabella.

1.1. Giunzione p-n polarizzata inversamente

Una tensione negativa applicata alla regione di tipo p permette il passaggio di una corrente inversa che resta piccola fino al [...]

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2 Commenti

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 2 maggio 2015
  2. Antonio.La Mura Antonio.La Mura 5 maggio 2015

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