芯片失效分析：EMMI与OBIRCH的原理、作用与区别
时间:2025-09-17 20:43来源:MCU内外 作者:ictest8_edit 点击:
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概述
EMMI和OBIRCH都是用于集成电路（IC）失效分析和缺陷定位的非侵入式、高精度的光学检测技术。它们就像给芯片做“CT扫描”和“B超”，帮助工程师“看见”肉眼和传统电子测试无法发现的微小缺陷。尽管目的相似（定位缺陷），但它们的工作原理、敏感的缺陷类型和应用场景有显著区别。
光子发射显微镜 (EMMI)
原理
EMMI是一种被动检测技术。其核心原理是检测芯片在通电工作时，因特定物理效应产生的微弱光子发射。
芯片中在以下情况会产生光子：
1. 载流子跃迁：在反向偏压的PN结（如短路、漏电的结）中，高电场下的载流子发生雪崩击穿或隧穿效应，获得高能量后与晶格碰撞，退激时会发射光子。
2. 热载流子发光：在MOSFET的饱和区，沟道中的高能（热）载流子撞击硅原子，产生电子-空穴对并发光。
3. 栅氧化层漏电：当栅氧层存在缺陷导致 Fowler-Nordheim tunneling（F-N隧穿）时，电子穿过氧化层势垒时会发光。
4. 晶体管开关：在CMOS电路状态切换的瞬间，由于瞬态电流也会产生微弱的光子。
EMMI系统使用极其灵敏的相机（如冷却至-70°C以下的InGaAs或CCD相机）在完全黑暗的环境下捕捉这些微弱的光点。通过光学显微镜将这些光点与芯片的版图叠加，就能精确定位出发射源的位置。
作用与优势
· 主要作用：定位与漏电流和高电场相关的缺陷。
o PN结漏电或短路（如EOS/ESD损伤）
o 栅氧化层击穿（Gate Oxide Damage）
o 闩锁效应（Latch-up）
o 接触孔（Contact）或通孔（Via）问题导致的漏电
o 热载流子效应（Hot Carrier Effect）
· 优势：
o 被动检测：无需外部刺激，只需给芯片通电，对电路干扰小。
o 高灵敏度：能检测到nA级别的微弱漏电。
o 直观：直接看到发光点，与电路功能状态相关。
局限性
· 只能检测会发光的缺陷。对于金属连线短路、开路、高电阻通孔等不产生光发射的缺陷无能为力。
· 需要芯片在工作状态下测试，有时需要特定矢量（测试pattern）来激发缺陷。
· 背景噪声可能较强，需要经验来区分真实信号。
激光诱导电压变化 (OBIRCH)
原理
OBIRCH是一种主动探测技术。其核心原理是利用激光束作为外部刺激源，扫描通电工作的芯片表面，通过监测芯片电源电流或电压的变化来定位缺陷。
其工作流程如下：
1. 给待测芯片施加一个恒定的偏置电压（V_{bias}），并监测其电流（I_{bias}）的变化；或者施加恒定电流，监测电压变化。
2. 用一束聚焦的激光束（通常是波长1340nm的红外激光）逐点扫描芯片表面。
3. 当激光照射到不同材料结构时，会产生两种主要效应：
o 热效应（主要）：激光被吸收后产生局部热扰动。材料的电阻会随温度变化（TCR）。
o 光电效应：在某些情况下，激光可能产生电子-空穴对。
4. 缺陷定位机制：
o 当激光扫描到正常区域时，产生的电阻变化很小，电流/电压变化也很微弱且稳定。
o 当激光扫描到缺陷区域（如一条存在空洞（Void）的金属线，或一个高电阻的通孔）时，该处的电阻对本就敏感。激光产生的微小热扰动会显著改变该缺陷点的电阻值，从而引起整个回路电流（或电压）的剧烈变化。
5. 系统实时记录每个激光点对应的电流变化量（ΔI / I），并生成一张OBIRCH映射图。图中亮度异常（过亮或过暗）的点即对应缺陷位置。
作用与优势
· 主要作用：定位与电阻异常相关的缺陷，特别是对电流/电压敏感的开路和短路。
o 金属连线短路（Bridge/Short）
o 金属连线开路（Open）、通孔/接触孔电阻过高（High-Resistance Via/Contact）
o 硅基材料的缺陷（如Dislocation）
o 静电释放（ESD）损伤通道
· 优势：
o 主动灵敏：通过主动激发，能发现非常微小的、被动的EMMI无法发现的电阻性缺陷。
o 应用广泛：对前端（晶体管）和后端（互连金属层）的缺陷都有效。
o 不受光发射限制：即使缺陷不发光，只要它的电阻对热敏感，就能被探测到。
局限性
· 需要激光扫描，相比EMMI更耗时。
· 需要施加偏置电压，有时需要特定的静态工作状态（非动态工作）。
· 对纯粹的电容性缺陷或不引起电阻变化的缺陷不敏感。
核心区别总结
为了更直观地理解，下表列出了两者的核心区别：
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特性 |
EMMI (光子发射显微镜) |
OBIRCH (激光诱导电压变化) |
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工作原理 |
被动接收芯片自身发出的光子 |
主动发射激光，探测电流/电压变化 |
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物理机制 |
检测载流子跃迁（漏电、击穿）发出的光 |
检测激光引起的局部热扰动/电阻变化 |
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敏感缺陷 |
电流型缺陷（漏电、击穿） |
电阻型缺陷（开路、短路、高阻） |
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检测信号 |
光子（光） |
电流或电压（电） |
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所需状态 |
通常需要动态或工作状态 |
静态偏置状态即可，无需复杂工作 |
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比喻 |
“夜视仪”：在黑暗中观察芯片哪里在自发发光 |
“金属探测器”：用探针（激光）扫描，听哪里响声异常 |
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优势 |
对微弱漏电极其敏感，直观 |
对不发光的高阻/短路缺陷敏感，适用范围广 |
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局限性 |
无法检测不发光的电阻性缺陷 |
无法检测纯漏电且电阻无变化的缺陷 |
协同使用
在实际的故障分析流程中，EMMI和OBIRCH不是相互替代，而是高度互补的黄金搭档。
1. 初步定位：首先可能会用EMMI进行快速扫描，如果发现明显的发光点，则问题可能主要是漏电。
2. 深度分析：如果EMMI没有发现，或者发现的点无法解释故障现象，则会立即使用OBIRCH进行扫描，寻找是否存在电阻性异常。
3. 交叉验证：有时一个复杂的缺陷（如ESD损伤）可能同时包含漏电和电阻变化，两种技术都能在相近位置给出信号，相互验证，极大地提高了定位的准确性。
总结来说：EMMI是“抓漏电的专家”，而OBIRCH是“抓电阻异常的专家”。 现代高端故障分析实验室都会同时配备这两种工具，工程师根据初步的电性故障表现，选择合适的工具或组合工具，来高效、精准地找到纳米级芯片中那一个微小的致命缺陷。
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