Capacitive Coupled Voltage Contrast (CCVC): Phân Tích Điện Áp Động Trong IC Bằng Kính Hiển Vi Điện Tử Quét

CCVC là gì và hoạt động như thế nào?

Capacitive Coupled Voltage Contrast (CCVC) là một kỹ thuật phân tích sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) với điện áp chùm tia thấp để chụp ảnh và đo điện áp động bên dưới lớp passivation của mạch tích hợp. Bằng cách phân tích độ sáng của ảnh điện tử thứ cấp theo sự thay đổi điện áp, CCVC cho phép xác định mức logic tại các node kiểm tra nội bộ của mạch.

Khác với static voltage contrast, CCVC không gây hư hại do chiếu xạ và chỉ hiển thị các vùng có điện áp thay đổi, giúp ảnh hiển thị rõ ràng hơn và dễ phân tích hơn.

Lý do nên sử dụng CCVC trong phân tích IC?

• Đo điện áp động: CCVC đo sự thay đổi logic trên các đường dẫn đã passivated trong IC.

• Phát hiện hở mạch: Quan sát tín hiệu CCVC dọc theo đường dẫn giúp xác định điểm đứt hoặc gián đoạn tín hiệu.

• Xác minh logic nội bộ: Bằng cách áp dụng tín hiệu động, kỹ thuật này kiểm tra đầu vào/đầu ra của các cổng logic.

• Không gây hư hại: Không giống kỹ thuật static, CCVC không làm hỏng cấu trúc do chiếu xạ electron.

CCVC yêu cầu các đường dẫn trong IC có trạng thái logic thay đổi, do đó cần có nguồn tạo điện áp động bên ngoài.

Cách CCVC tạo ảnh điện áp động

• Lớp passivation hoạt động như một tụ điện, truyền tín hiệu điện áp động xuống các cấu trúc bên dưới.

• Khi cấu trúc dưới bề mặt thay đổi điện áp, một điện tích liên kết hình thành, gây thay đổi tạm thời cường độ tín hiệu điện tử thứ cấp.

• Tín hiệu này bị tiêu tán khi chùm tia quét qua, và trạng thái cân bằng được phục hồi. Thời gian phân rã phụ thuộc vào vật liệu passivation, mật độ chùm tia, và độ sâu cấu trúc.

Thiết bị cần thiết

• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) có khả năng quét tốc độ video.

• Bộ feedthrough chân không để cấp điện động.

• Nguồn điện và mạch chuyển mạch.

• Hệ thống thu ảnh số để trung bình nhiều khung hình, cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR).

Ví dụ: Hình ảnh CCVC trung bình 16 khung có thể xác định vị trí đứt trong SRAM bằng thay đổi độ sáng tại điểm hở mạch.

Khi nào nên áp dụng CCVC trong quy trình phân tích?

• Ngay sau các kỹ thuật quang học như phát quang hoặc tinh thể lỏng.

• Trước khi thực hiện kỹ thuật voltage contrast tĩnh để tránh hư hại IC.

• Sau kỹ thuật CIVA (Charge Induced Voltage Alteration) vì CIVA dễ thiết lập hơn.

CCVC là công cụ mạnh mẽ để xác định đứt mạch, tiếp xúc hở, hoặc xác minh trạng thái logic bên trong IC, ngay cả khi không thể tiếp cận trực tiếp các vùng bị phủ kim loại.

CCVC được thực hiện như thế nào?

Để hiểu cách thực hiện CCVC, trước tiên cần hiểu về voltage contrast (VC) và CCVC.

Ảnh VC tận dụng sự khác biệt trong hiệu suất phát xạ điện tử thứ cấp khi áp dụng phân cực lên IC. Với chùm tia điện tử chính có năng lượng 10 keV tác động vào silicon, các điện tử thứ cấp được định nghĩa là những điện tử có năng lượng ≤ 50 eV thoát ra sau va chạm. Các điện tử này được tạo ra ở độ sâu khoảng 30 nm hoặc ít hơn từ bề mặt. Dạng phổ năng lượng điện tử thứ cấp điển hình có dạng như hình minh họa. Tỷ lệ điện tử thoát ra so với điện tử chùm tia vào phụ thuộc vào vật liệu và năng lượng chùm tia điện tử. Với năng lượng chùm tia thấp (<2 keV), nhiều điện tử có thể thoát ra hơn so với số được chùm tia cung cấp, gây tích điện dương bề mặt, từ đó làm giảm số lượng điện tử thứ cấp có thể thoát. Một điện áp cân bằng sẽ hình thành tại đó số điện tử thoát ra và được tiêm vào là bằng nhau (ví dụ ~0.5V với chùm tia 1 keV).

Nếu điện áp tại một vị trí trên bề mặt bị thay đổi cưỡng bức từ bên ngoài, ảnh điện tử thứ cấp sẽ thay đổi độ sáng tương ứng với chênh lệch giữa điện áp áp dụng và điện áp cân bằng. Trong trường hợp IC đã loại bỏ lớp passivation, các đường dẫn có thể bị kích hoạt như vậy để tạo ảnh điện áp tương phản rõ ràng.

CCVC tận dụng lớp passivation như một tụ điện phóng điện để tạo ảnh động mô tả sự thay đổi điện áp dưới bề mặt. CCVC được thực hiện với tốc độ quét chùm tia nhanh (~tốc độ TV) để cải thiện độ phân giải thời gian của tín hiệu động. Như đã mô tả, ở điện áp chùm tia thấp (<2 keV), bề mặt sẽ tích điện dương do dòng điện tử thoát ra lớn hơn dòng tiêm vào, làm giảm tín hiệu ảnh điện tử thứ cấp. Điện áp cân bằng đạt được khi điện tích tịnh không thay đổi theo thời gian.

Khi các cấu trúc dưới độ sâu xuyên thấu của chùm tia thay đổi điện áp, một điện tích bề mặt liên kết sẽ hình thành do vật liệu giữa cấu trúc đó và bề mặt bị phân cực. Tín hiệu CCVC chính là sự thay đổi tạm thời số lượng điện tử thứ cấp phát ra do sự hình thành điện tích này. Khi chùm tia điện tử quét qua, điện tích này bị tiêu tán nhờ sự khác biệt trong hiệu suất phát xạ, và trạng thái cân bằng được tái lập. Thời gian để điện tích liên kết này phân rã phụ thuộc vào loại vật liệu passivation, năng lượng chùm tia, độ sâu cấu trúc, và mật độ chùm tia điện tử. Mật độ tia càng thấp thì thời gian phân rã càng dài, nhưng đồng thời cũng làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR).

References on Capacitive Coupled Voltage Contrast

1. "Advanced Scanning Electron Microscopy Methods and Applications to Integrated Circuit Failure Analysis", Scanning Microscopy (1988).

Hình ảnh CCVC hiển thị hình ảnh trung bình 16 khung hình của một dây dẫn hở trong SRAM.