讲一下失效分析中最常用的辅助实验手段：亮点分析（EMMI）
最近手里有两款芯片在做fa（失效分析），正好就讲一下失效分析中最常用的辅助实验手段：亮点分析（emmi）。
一.emmi设备简介
emmi：emission microscopy 。与sem，fib，eb等一起作为最常用的失效分析手段。而emmi应用于ic的失效分析还可以追溯到三十几年前。这里结合三篇文献来说明一下emmi的原理以及结合实例进行emmi结果分析。
图一.emmi设备示意图。
emmi是一种极其灵敏的显微镜，其光谱能从可见光区延伸到红外光区，并能捕捉到微弱的荧光。通过将捕捉到的荧光图片与芯片照片重合便能确定荧光产生的位置。
图二.emmi中mcp电子放大腔示意图。
图二是emmi中最为重要的器件之一。通过该器件，emmi可以探测到极其微弱的荧光。（简单形容下原理：emmi把捕捉到的光子通过在放大腔中放大，形成可观测的光束。）
**emmi的本质只是一台光谱范围广，光子灵敏度高的显微镜。**而为何其能应用于ic失效分析，这里就要铺垫些半导体的相关知识。
图三.半导体荧光原理图。
二.集成电路荧光原理简介
2.1.载流子复合
半导体材料分为直接带隙半导体和间接带隙半导体，而si是典型的直接带隙半导体，其禁带宽度为1.12ev。所以当电子与空穴复合时，电子会弹射出一个光子，该光子的能量为1.12ev，根据波粒二象性原理，该光子的波长为1100nm，属于红外光区。通俗的讲就是当载流子进行复合的时候就会产生1100nm的红外光。这也就是产生亮点的原因之一：载流子复合。所以正偏二极管的pn结处能看到亮点。如果mos管产生latch-up现象，（体寄生三极管导通）也会观察到在衬底处产生荧光亮点。
2.2.热载流子
随着器件尺寸的逐渐变小，mos器件的沟道长度也逐渐变短。短沟道效应也愈发严重。短沟道效应会使得mos管的漏结存在一个强电场，该电场会对载流子进行加速，同时赋予载流子一个动能，该载流子会造成中性的si原子被极化，产生同样带有能量的电子与空穴对，这种电子与空穴被称为热载流子，反映在能带图中就是电位更高的电子和电位更低的空穴。一部分热载流子会在生成后立马复合，产生波长更短的荧光，另一部分在电场的作用下分离。电子进入栅氧层，影响阈值电压，空穴进入衬底，产生衬底电流。归因于短沟道效应能在mos管的漏端能看到亮点，同样在反偏pn结处也能产生强场，也能观察到亮点。
2.3.绝缘层漏电
随着mos管的氧化层越来越薄，其本身的鲁棒性也在下降，无论是氧化层本身的缺陷还是“软”失效，在电场的作用下其本身更容易产生隧穿电子，隧穿电子会造成中性的原子发生极化，变成微等离子体的同时产生光子。同样也会在emmi中反映出亮点。
图四.不同机制下的荧光光谱。
目前ic中能产生荧光的原因主要就是上述三种，而ic的失效分析中是给予失效点一个偏压，然后emmi捕获电流中产生的微弱荧光。 原理上，不管ic是否存在缺陷，只要满足其机理在emmi下都能观测到荧光， 那如何才能根据emmi的结果确定失效位置，这就需要具体问题具体分析。
话不多说，接下来举几个简单的例子方便理解：
三.emmi应用实例
3.1实例一
实例一.差分输出电路。
第一个实例是个差分输出，该电路的症状是两边输出电压不一样，从电路分析来看应该t2坏了，接下来在v+和gnd之间给一个 小电压偏置 （小于pn结反偏击穿电压，大于pn结正向导通电压）然后上emmi， 将左右两个三极管的结果进行对比 。然后结果如下图。
实例一.emmi与sem图像。
从emmi上明显看出左右两个三极管的亮点存在差异，左侧三极管亮点分布不均匀，而右侧亮点均匀，强度较低。两边的三极管都存在vb-e偏压，都是正偏二极管，整个pn结都会因为载流子的复合产生亮点。但是左边复合强度更强，而且复合产生的荧光分布不均匀，在缺陷处复合强度明显偏高，亮点更集中。sem的结果说明左侧的三极管发生损坏，缺陷会变成陷阱中心加速载流子的复合，所以emmi上左侧更亮，更集中。
3.2.实例二
实例二.电路图。
实例二是一个hbm 2kv esd防护单元，而esd模块也是最容易发生失效的模块。该电路的症状为input port到gnd之间存在较大的漏电流。为了确定失效点，在input和gnd之间 施加一个2.5v的偏压 ，然后用emmi观察亮点。根据电路特性，如果esd单元正常工作，在ggnmos的drain端只会存在极其微弱的荧光，但是emmi的结果显示ggnmos其中一根finger的drain端存在大面积的荧光，说明该处存在问题，后对nmos进行sem观察，确定了失效位置，该esd单元的漏端产生损伤，从而造成了漏电流和emmi光点。
实例二.emmi图像。
实例二.失效点sem图像。
3.3.实例三
实例三是放大器中的一部分，电路图如图所示。
实例三.放大器电路图。
该电路的症状为vdd到gnd电阻短接，问题锁定在t1，t2，t3三个三极管之中。vin与gnd间施加适当偏压，t1，t2，t3的b-e结正偏，正常情况下都存在载流子复合，形成亮点。但是emmi的结果显示只有t1存在亮点，说明t1的b-e结是正常的，而t2，t3都失效了。去除金属化后发现t2的失效点。emmi结果如图所示。
实例三.emmi与sem图像。
上述三个实例都较为简单，但是也体现出了emmi在fa中的分析方法。第一个例子是将 差分单元的emmi进行对比 ，然后根据机理分析，emmi亮度不均匀的管子出了问题。 而第二个实例就是在不该出现亮点的地方出现亮点，说明电路出现问题。第三个实例是应该出现亮点的地方，反倒不出现亮点，这说明电路也出现了问题。 所以emmi的分析并不是单纯的说明有亮点就出现问题，更不是说明有亮点就是温度高 （虽然高温确实能加速载流子复合），emmi的分析需要基于对其原理的理解与具体电路的分析。
而实操中emmi也需要调整偏置电压的大小与探头的灵敏度。如果偏置电压过大，正常的器件都会存在大量的热载流子和雪崩击穿，造成整个片子都是亮点，这也没法分析了。同样灵敏度过高也会造成这种结果。而且需要对具体情况进行具体的偏压设置。目前这只是静态的emmi测试，随着芯片情况越来越复杂，还有动态emmi测试的应用，这种情况就更难分析了。
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图一.emmi设备示意图。
emmi是一种极其灵敏的显微镜，其光谱能从可见光区延伸到红外光区，并能捕捉到微弱的荧光。通过将捕捉到的荧光图片与芯片照片重合便能确定荧光产生的位置。
图二.emmi中mcp电子放大腔示意图。
图二是emmi中最为重要的器件之一。通过该器件，emmi可以探测到极其微弱的荧光。（简单形容下原理：emmi把捕捉到的光子通过在放大腔中放大，形成可观测的光束。）
**emmi的本质只是一台光谱范围广，光子灵敏度高的显微镜。**而为何其能应用于ic失效分析，这里就要铺垫些半导体的相关知识。
图三.半导体荧光原理图。
二.集成电路荧光原理简介
2.1.载流子复合
半导体材料分为直接带隙半导体和间接带隙半导体，而si是典型的直接带隙半导体，其禁带宽度为1.12ev。所以当电子与空穴复合时，电子会弹射出一个光子，该光子的能量为1.12ev，根据波粒二象性原理，该光子的波长为1100nm，属于红外光区。通俗的讲就是当载流子进行复合的时候就会产生1100nm的红外光。这也就是产生亮点的原因之一：载流子复合。所以正偏二极管的pn结处能看到亮点。如果mos管产生latch-up现象，（体寄生三极管导通）也会观察到在衬底处产生荧光亮点。
2.2.热载流子
随着器件尺寸的逐渐变小，mos器件的沟道长度也逐渐变短。短沟道效应也愈发严重。短沟道效应会使得mos管的漏结存在一个强电场，该电场会对载流子进行加速，同时赋予载流子一个动能，该载流子会造成中性的si原子被极化，产生同样带有能量的电子与空穴对，这种电子与空穴被称为热载流子，反映在能带图中就是电位更高的电子和电位更低的空穴。一部分热载流子会在生成后立马复合，产生波长更短的荧光，另一部分在电场的作用下分离。电子进入栅氧层，影响阈值电压，空穴进入衬底，产生衬底电流。归因于短沟道效应能在mos管的漏端能看到亮点，同样在反偏pn结处也能产生强场，也能观察到亮点。
2.3.绝缘层漏电
随着mos管的氧化层越来越薄，其本身的鲁棒性也在下降，无论是氧化层本身的缺陷还是“软”失效，在电场的作用下其本身更容易产生隧穿电子，隧穿电子会造成中性的原子发生极化，变成微等离子体的同时产生光子。同样也会在emmi中反映出亮点。
图四.不同机制下的荧光光谱。
目前ic中能产生荧光的原因主要就是上述三种，而ic的失效分析中是给予失效点一个偏压，然后emmi捕获电流中产生的微弱荧光。 原理上，不管ic是否存在缺陷，只要满足其机理在emmi下都能观测到荧光， 那如何才能根据emmi的结果确定失效位置，这就需要具体问题具体分析。
话不多说，接下来举几个简单的例子方便理解：
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第一个实例是个差分输出，该电路的症状是两边输出电压不一样，从电路分析来看应该t2坏了，接下来在v+和gnd之间给一个 小电压偏置 （小于pn结反偏击穿电压，大于pn结正向导通电压）然后上emmi， 将左右两个三极管的结果进行对比 。然后结果如下图。
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从emmi上明显看出左右两个三极管的亮点存在差异，左侧三极管亮点分布不均匀，而右侧亮点均匀，强度较低。两边的三极管都存在vb-e偏压，都是正偏二极管，整个pn结都会因为载流子的复合产生亮点。但是左边复合强度更强，而且复合产生的荧光分布不均匀，在缺陷处复合强度明显偏高，亮点更集中。sem的结果说明左侧的三极管发生损坏，缺陷会变成陷阱中心加速载流子的复合，所以emmi上左侧更亮，更集中。
3.2.实例二
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实例二是一个hbm 2kv esd防护单元，而esd模块也是最容易发生失效的模块。该电路的症状为input port到gnd之间存在较大的漏电流。为了确定失效点，在input和gnd之间 施加一个2.5v的偏压 ，然后用emmi观察亮点。根据电路特性，如果esd单元正常工作，在ggnmos的drain端只会存在极其微弱的荧光，但是emmi的结果显示ggnmos其中一根finger的drain端存在大面积的荧光，说明该处存在问题，后对nmos进行sem观察，确定了失效位置，该esd单元的漏端产生损伤，从而造成了漏电流和emmi光点。
实例二.emmi图像。
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实例三.emmi与sem图像。
上述三个实例都较为简单，但是也体现出了emmi在fa中的分析方法。第一个例子是将 差分单元的emmi进行对比 ，然后根据机理分析，emmi亮度不均匀的管子出了问题。 而第二个实例就是在不该出现亮点的地方出现亮点，说明电路出现问题。第三个实例是应该出现亮点的地方，反倒不出现亮点，这说明电路也出现了问题。 所以emmi的分析并不是单纯的说明有亮点就出现问题，更不是说明有亮点就是温度高 （虽然高温确实能加速载流子复合），emmi的分析需要基于对其原理的理解与具体电路的分析。
而实操中emmi也需要调整偏置电压的大小与探头的灵敏度。如果偏置电压过大，正常的器件都会存在大量的热载流子和雪崩击穿，造成整个片子都是亮点，这也没法分析了。同样灵敏度过高也会造成这种结果。而且需要对具体情况进行具体的偏压设置。目前这只是静态的emmi测试，随着芯片情况越来越复杂，还有动态emmi测试的应用，这种情况就更难分析了。
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