激光测距传感器芯片功能异常分析

余应森 ， 黄彩清

（深圳赛意法微电子有限公司，广东 深圳 518038）

0 引言

激光测距传感器是一种使用近红外激光来测试距离的半导体器件，其实际的测距方法是利用信号在2个光子接收感应器之间的往返飞行时间，计算出测量节点间的距离[1]。激光距离传感器的芯片是基于CMOS工艺的半导体产品，其核心功能是由单光子雪崩二极管（SPAD）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）组合实现的。SPAD是一种具有单光子探测能力的光电探测雪崩二极管，而VCSEL则是一种半导体激光器[2-3]。通过多个SPAD组合而成的SPAD功能矩阵模块，传感器芯片将可以VCSEL发射的光子信号进行读取并计算转换成为距离。因此，当传感晶圆发生线路异常或失效时，围绕SPAD功能矩阵工作的模块无法正常工作，产品就会发生失效。

本研究结合常见的失效分析方法，介绍基于激光测距传感器功能异常的特定失效分析的步骤及方法，如电性能、I-U测试分析、失效定位（OBIRCH）、芯片的去层化处理和Plasma FIB微切等，最后找出准确的失效点，为激光测距传感器功能异常的失效提供有效的证明。这一系列的失效分析，可以有效地帮助理解失效模式与失效机理，从而为芯片的设计、生产制造工艺甚至客户的应用端提供更多有效的信息帮助。

1 试验过程与结果

1.1 ATE电测分析及测试板测试分析

ATE（Automatic Test Equipment）是指自动测试机测试，自动测试机在不同的半导体产品的测试方面有着不同的测试内容，对于激光测距传感器，电测内容包括器件连接及程序自检、连续性测试、正负极漏电测试、功能参数测试以及激光安全测试等。

本研究案例的失效出现在产品封装完成后的二次重测，失效的电测项目出现在功能参数测试，失效项是VHV Sweep Auto。VHV指Very High Voltage，由于激光测距传感器的芯片的工作核心SPAD是由多个光子雪崩二极管组合而成的矩阵，多个SPAD矩阵的工作需要超过正常的工作电压来驱动，因此，通过对ATE电测结果的初步分析，该芯片失效可能来自电压供应（VDD）或者高压电源供应（HVSPAD）的通电线路；而除了ATE测试之外，通过PCB测试夹具和数字源表对产品的主要功能进行简单测试，结合器件特定的功能软件的读写功能，可以对失效样品各项寄存器功能进行阈值的修改。

为验证电压供应对样品功能的影响，本研究将测试板的AVDD电源输出端口与数字源表进行相连，断开测试板上AVDD的连接并用数字源表给予电压，测试结果显示：当启动样品测试驱动电压AVDD时，正常样品需要的电压仅为1.445 V，而失效样品则需要3.070 V，这说明当维持相同工作状态，失效样品需要提供更多的电压。因此，如图1所示，AVDD及HV SPAD的线路，可能是失效点的存在区域。

图 1 AVDD及HV SPAD线路Fig.1 Circuit of AVDD and HV SPAD

1.2 晶圆表面观察

在进行完失效样品的ATE测试分析及EVK测试分析后，失效区域的范围缩小到了电荷泵浦（Charge Pump）功能区及HV SPAD的线路，因此，本研究使用工具刀对样品进行简单的开盖，同时使用金相显微镜对晶圆的表面进行观察，着重在晶圆的各个功能区、SPAD区域以及各个焊线区域，寻找是否有EOS或者明显的缺陷痕迹。通过对传感芯片的表面观察，芯片表面规整正常，金属光泽层次分明，各个SPAD区域及焊线区域均未发生异常，因此，失效并未扩散到晶圆表面的铝层及钝化层（图2）。

图 2 晶圆表面光学显微镜Fig.2 Optical microscopy of sensor chip

1.3 芯片的连续性测试

I-U曲线测试是检测线路短路、开路、漏电或阻值异常等失效的最常见方法，本研究使用Keysight B1505A和探针台，用0.5 µm的探针对激光测距传感器晶圆上的焊线区进行搭针，使正极对AVDD、HV SPAD，负极对接地区（GND）。VDD使用±3 V的驱动电压，HV SPAD使用+16 V的驱动电压。如图3所示，AVDD对GND的I-U曲线没有发现短路、漏电的异常，与正常的样品对比，曲线完全重合，结果表明，在AVDD对地的线路上，并没有连续性的异常；如图4所示的HV SPAD对GND的I-U曲线，对比正常的样品可知，当驱动电压达到6 V时，线路开始出现漏电，当驱动电压达到14 V时，线路漏电流急剧加大。因此，结合ATE测试的结果，失效的范围可以确定在高压电源供应（HV SPAD）的通电线路上。

图 3 AVDD对GND的I-U曲线Fig.3 I-U curve of AVDD vs GND

图 4 HV SPAD对GND的I-U曲线Fig.4 I-U curve of HV SPAD vs GND

1.4 晶圆的失效定位

图5是激光诱导电阻变化（Optical Beam Induced Resistance Change，OBIRCH）的原理图。用激光束在器件表面扫描，激光束的部分能量转化为热量。如果互连线中存在缺陷或者空洞，这些区域附近的热量传导不同于其他的完整区域，将引起局部温度变化，从而引起电阻值改变ΔR。如果对互连线施加恒定电压，则表现为电流变化ΔI=（ΔR/U）I2。通过此关系，将热引起的电阻变化和电流变化联系起来。将电流变化的大小与所成像的像素亮度对应，像素的位置和电流发生变化时激光扫描到的位置相对应。这样，就可以产生OBIRCH像来定位缺陷。利用OBIRCH方法，可以有效地对电路中缺陷定位，如线条中的空洞、通孔下的空洞、通孔底部高阻区等，也能有效地检测短路或漏电[4-5]。本研究使用HAMAMATSU的iPhemos进行传感晶圆失效点的定位，由前述可知，传感晶圆的失效位置确定在高压电源供应（HV SPAD）的通电线路上，因此，在使用OBIRCH进行失效点定位时，选择激活HV SPAD对GND的线路，并观察线路中是否有异常的发光点[6]。

如图6所示，当使用5倍的激光镜头进行OBIRCH失效点探测时，可以发现传感晶圆右方的SPAD区域出现了2个异常的发光点，同时，在SPAD区域附近也出现了1个发光点。为了方便定义失效位置，本研究称SPAD区域的异常发光点为A和B，称SPAD区域外的异常发光点为C。通过进一步将激光镜头放大到20倍时，可以发现B消失，而A、C仍然可以明显观察到。对照上文的HV SPAD对地的运行线路，可以发现A的位置处于有效线路上，而C的位置则处于有效线路外。在获得相应的失效定位信息后，研究将通过晶圆去层化处理及聚焦离子束进行晶圆切割，对可疑的失效位置进行分析与讨论。

图 5 OBIRCH原理图Fig.5 schematic diagram of OBIRCH

2 分析与讨论

晶圆去层化处理是一种针对半导体晶圆的失效分析方法[7]，激光距离传感器的晶圆是基于CMOS工艺制造的[8]，其晶圆结构如图7所示，晶圆的表面为Si3N4材料的钝化层，钝化层下面有铝层、氧化层（SiO2）、金属（Cu）等结构交替，本研究采取等离子蚀刻+化学蚀刻+精细研磨的方式，进行晶圆去层。等离子蚀刻是在等离子体存在的条件下，通过溅射、化学反应、辅助能量离子（或电子）与模式转换等方式，精确可控地除去衬底表面上一定深度的薄膜物质的一种加工方法[9]。这里使用等离子蚀刻来去除晶圆表面的钝化层。化学蚀刻用于去除铝层，精密研磨用于去除氧化层及金属层。在去层的同时使用高倍光学显微镜和SEM观察失效热点处每一层金属的表面形貌。

图 6 失效晶圆的OBIRCH失效定位Fig.6 OBIRCH failure localization of failure chip

图 7 CMOS工艺的晶圆结构示意图Fig.7 Layer diagram of chip by COMS process

图 8 失效热点的Layout示意图Fig.8 Layout diagram of failure hot spot

图 9 金属层3~1的失效情况Fig.9 Failure detection from metal layer 3 to layer 1

晶圆的Layout图如图8所示。本研究将OBIRCH探测到的可疑失效点A、B、C进行了标示，在使用晶圆去层化处理的方法进行观察时，着重观察可疑的失效点。从图9可以发现，当去层化到金属层3和金属层2时，在可疑失效点A、B、C处均没有发现可疑的失效；当去层化到金属层1时，在可疑失效点A处发现了一处异常（图9b左图），在原本应该有对称金属回路的地方，发现了一处金属层缺失，从晶圆的Layout图上进行对比后，确定缺失的金属部分是金属层1两个通孔之间的金属部分；在可疑失效点B处同样发现了对称金属回路有异常的对比度（图9b右图），但没有明显的缺陷；而在可疑失效点C处则没有发现任何异常。

为了进一步观察可疑失效点A处的情况，本研究使用XEIA3的聚焦离子束对去层化处理至金属层1的失效点A进行截面切割，为保护失效点及金属面，在离子束切割前先对样品表面进行小面积的Pt沉积[10-11]，并使用SEM进行观察，从图10的SEM截面图可以清楚地看到，失效点A处的缺陷是金属层1线路及其通孔和有源层发生了线路熔断，并引起了漏电，使HV SPAD无法正常的给予传感晶圆的SPAD矩阵模组工作电压，从而造成了传感晶圆功能的失效。

图 10 失效点A处的SEM截面图Fig.10 SEM cross-section view of defect point A

3 结论

1）失效点A处的缺陷电镜图显示，传感晶圆的金属层1及其通孔发生了线路熔断，同时有源层也遭到了损坏，是半导体常见的线路内部EOS现象。

2）分析失效点A处的缺陷，金属层1及其通孔的熔断，会造成局部的开路并无法提供SPAD矩阵运行需要的电压；线路的缺陷还造成了有源层Poly gate的损坏，造成PMOS与NMOS的桥连失效，最终反馈为HV SPAD对GND的高压漏电。

3）将电测的失效项与失效点处的缺陷进行关联，半导体晶圆的失效处线路是低压到高压的转换电路，从低压转到到高压会对线路造成较大负荷，从而造成转换线路中某处发生EOS，进而发生失效。