eng
Выпуск #6/2025
В. Плебанович, В. Светенкова, В. Гришкевич
ФОТОННАЯ ЭМИССИЯ – ИННОВАЦИОННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ДЕФЕКТОВ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
ФОТОННАЯ ЭМИССИЯ – ИННОВАЦИОННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ДЕФЕКТОВ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Просмотры: 972
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.247.6.150.152
Аналитический комплекс «Фотон», разработанный совместно ОАО «Оптоэлектронные системы» и НТЦ «Белмикросистемы», решает проблему выявления скрытых дефектов ИС, таких как структурные дефекты кристаллической решетки, локальные утечки тока и перегрев силовых элементов.
Аналитический комплекс «Фотон», разработанный совместно ОАО «Оптоэлектронные системы» и НТЦ «Белмикросистемы», решает проблему выявления скрытых дефектов ИС, таких как структурные дефекты кристаллической решетки, локальные утечки тока и перегрев силовых элементов.
Фотонная эмиссия – инновационный метод анализа дефектов
в микроэлектронике
В. Плебанович, к.т.н., В. Светенкова, В. Гришкевич
Современная микроэлектроника сталкивается с проблемой поиска дефектов на полупроводниковых кристаллах, в процессе производства и контроля качества.
Традиционные методы диагностики часто оказываются недостаточно эффективными для выявления скрытых дефектов ИС, таких как структурные дефекты кристаллической решетки, локальные утечки тока и перегрев силовых элементов. Решением этой проблемы
стал аналитический комплекс «Фотон», разработанный совместно ОАО «Оптоэлектронные системы» и НТЦ «Белмикросистемы» (г. Минск).
В основе комплекса – микроскоп, построенный на принципе контроля фотонной эмиссии – технологии, позволяющей визуализировать дефекты в полупроводниковых структурах по их слабому излучению в инфракрасном спектре. В статье подробно рассмотрены принципы работы «Фотона», его аппаратная реализация и практическое применение в промышленности.
Физика фотонной эмиссии
Фотонная эмиссия возникает в полупроводниках при прохождении тока через области с аномальной активностью. Основные механизмы эмиссии перечислены ниже.
Рекомбинация носителей заряда
При рекомбинации электронов и дырок в p-n-переходах выделяется энергия в виде фотонов. Для кремния в зонах дефектов кристаллической решетки вероятность излучательной рекомбинации резко возрастает.
Длина волны: 1 100–1 300 нм (ближний ИК-диапазон).
Пример: утечки в подзатворном, локальном диэлектрике МОП-транзисторов, вызванные несовершеством кристаллической структуры.
Лавинный пробой
При пробивном напряжении p-n-перехода ниже рабочего напряжения возникает ток утечки, приводящий к лавинному умножению носителей (лавинный пробой). «Горячие» электроны теряют энергию, испуская фотоны.
Длина волны: 500–700 нм (видимый диапазон).
Пример: пробой изоляции p-n-перехода.
Туннелирование через диэлектрики
В тонких оксидных слоях (менее 5 нм) туннелирование электронов сопровождается слабым ИК-излучением.
Длина волны: 800–1 000 нм.
Пример: деградация транзисторов в процессорах.
Практическое применение метода
Локализация дефектов в интегральных схемах
При подаче напряжения на микросхему дефектные
области начинают излучать фотоны в инфракрасной области спектра. Наблюдая в аналитическом комплексе «Фотон» функционирующую микросхему можно локализовать области, где происходит эмиссия фотонов. Анализируя спектр и интенсивность излучения, можно определить тип дефекта:
Примеры из промышленности
В микросхемах прибора №1 и №2 методом фотонной эмиссии были выявлены утечки тока через микротрещины в металлизации. Интенсивность излучения коррелировала с отклонениями в потреблении энергии (9,6–19,8 мкА).
Преимущества метода
Особенности метода фотонной эмиссии:
Ограничения и перспективы
Сложности: низкая интенсивность сигнала требует длительной экспозиции (до 300 с).
Развитие:
квантовые сенсоры для детектирования единичных фотонов;
ИИ-анализ спектральных паттернов для автоматической классификации дефектов.
***
Фотонная эмиссия – мощный инструмент диагностики. Применение метода на предприятиях позволяет сократить время на поиск недостатков конструкции и причин, приводящих к отказу микросхем в процессе эксплуатации. Метод продолжает развиваться, открывая новые возможности для анализа широкозонных полупроводников (SiC, GaN) и гибкой электроники.
в микроэлектронике
В. Плебанович, к.т.н., В. Светенкова, В. Гришкевич
Современная микроэлектроника сталкивается с проблемой поиска дефектов на полупроводниковых кристаллах, в процессе производства и контроля качества.
Традиционные методы диагностики часто оказываются недостаточно эффективными для выявления скрытых дефектов ИС, таких как структурные дефекты кристаллической решетки, локальные утечки тока и перегрев силовых элементов. Решением этой проблемы
стал аналитический комплекс «Фотон», разработанный совместно ОАО «Оптоэлектронные системы» и НТЦ «Белмикросистемы» (г. Минск).
В основе комплекса – микроскоп, построенный на принципе контроля фотонной эмиссии – технологии, позволяющей визуализировать дефекты в полупроводниковых структурах по их слабому излучению в инфракрасном спектре. В статье подробно рассмотрены принципы работы «Фотона», его аппаратная реализация и практическое применение в промышленности.
Физика фотонной эмиссии
Фотонная эмиссия возникает в полупроводниках при прохождении тока через области с аномальной активностью. Основные механизмы эмиссии перечислены ниже.
Рекомбинация носителей заряда
При рекомбинации электронов и дырок в p-n-переходах выделяется энергия в виде фотонов. Для кремния в зонах дефектов кристаллической решетки вероятность излучательной рекомбинации резко возрастает.
Длина волны: 1 100–1 300 нм (ближний ИК-диапазон).
Пример: утечки в подзатворном, локальном диэлектрике МОП-транзисторов, вызванные несовершеством кристаллической структуры.
Лавинный пробой
При пробивном напряжении p-n-перехода ниже рабочего напряжения возникает ток утечки, приводящий к лавинному умножению носителей (лавинный пробой). «Горячие» электроны теряют энергию, испуская фотоны.
Длина волны: 500–700 нм (видимый диапазон).
Пример: пробой изоляции p-n-перехода.
Туннелирование через диэлектрики
В тонких оксидных слоях (менее 5 нм) туннелирование электронов сопровождается слабым ИК-излучением.
Длина волны: 800–1 000 нм.
Пример: деградация транзисторов в процессорах.
Практическое применение метода
Локализация дефектов в интегральных схемах
При подаче напряжения на микросхему дефектные
области начинают излучать фотоны в инфракрасной области спектра. Наблюдая в аналитическом комплексе «Фотон» функционирующую микросхему можно локализовать области, где происходит эмиссия фотонов. Анализируя спектр и интенсивность излучения, можно определить тип дефекта:
- рекомбинацию носителей заряда;
- лавинный пробой;
- туннелирование через диэлектрики;
- короткое замыкание: точечные вспышки;
- электромиграцию: диффузное свечение в ИК-спектре.
Примеры из промышленности
В микросхемах прибора №1 и №2 методом фотонной эмиссии были выявлены утечки тока через микротрещины в металлизации. Интенсивность излучения коррелировала с отклонениями в потреблении энергии (9,6–19,8 мкА).
Преимущества метода
Особенности метода фотонной эмиссии:
- неразрушающий контроль: не требует нарушать целостность кристалла ИС;
- высокая чувствительность: детектирует токи утечки до 10–12 А;
- спектральная селективность: позволяет отличать типы дефектов по длине волны;
- скорость: анализ чипа 10 × 10 мм занимает 15–20 мин.
Ограничения и перспективы
Сложности: низкая интенсивность сигнала требует длительной экспозиции (до 300 с).
Развитие:
квантовые сенсоры для детектирования единичных фотонов;
ИИ-анализ спектральных паттернов для автоматической классификации дефектов.
***
Фотонная эмиссия – мощный инструмент диагностики. Применение метода на предприятиях позволяет сократить время на поиск недостатков конструкции и причин, приводящих к отказу микросхем в процессе эксплуатации. Метод продолжает развиваться, открывая новые возможности для анализа широкозонных полупроводников (SiC, GaN) и гибкой электроники.
Отзывы читателей
