CIVA là gì và vì sao quan trọng trong phân tích lỗi IC?

Charge-Induced Voltage Alteration (CIVA, phát âm là “kiva”) là một kỹ thuật hiển vi điện tử quét (SEM) giúp định vị các đoạn dẫn điện bị hở trên mạch tích hợp (IC) đang được áp bias. CIVA hoạt động hiệu quả trên cả IC có lớp passivation và đã loại bỏ lớp này. Kỹ thuật này mang lại hình ảnh với độ tương phản rõ ràng tại vị trí lỗi, không cần xử lý hậu kỳ, và giúp xác định lỗi nhanh chóng, chính xác.

Các đoạn dẫn bị hở thường là kết quả của:

• Rỗng kim loại do ứng suất

• Hiện tượng điện di (electromigration)

• Dịch chuyển silic ở tiếp xúc

• Lỗi thiết kế hoặc quy trình chế tạo

CIVA giải quyết hạn chế của các kỹ thuật SEM truyền thống, giúp phát hiện hở mạch khó thấy, đặc biệt là các lỗi kiểu tunneling cơ học lượng tử.

Cách CIVA hoạt động: Cơ chế và thiết lập thí nghiệm

CIVA vận hành như một biến thể của kỹ thuật EBIC, trong đó chính IC là đầu dò tín hiệu. Tín hiệu CIVA được đo từ điện áp nguồn của nguồn dòng không đổi trong khi chùm điện tử quét trên bề mặt IC.

• Khi chùm electron chiếu đến các vùng dẫn bị hở, điện tích tích tụ làm thay đổi điện áp địa phương, ảnh hưởng đến điện áp toàn hệ thống.

• Khác với kỹ thuật tương phản điện trở có bias, CIVA không bị ảnh hưởng bởi nhiễu hay các yếu tố bất lợi từ thiết bị.

Thử nghiệm thực tế:

Cặp CMOS inverter 3 µm được sử dụng làm mẫu thử, với các biến thiên điện áp đầu vào cho thấy đáp ứng rõ ràng từ tín hiệu CIVA – minh hoạ cho cách điện tích từ chùm điện tử thay đổi điện áp đường dẫn bị hở.

Yếu tố ảnh hưởng và tối ưu hóa ảnh CIVA

Năng lượng chùm electron

• Với IC còn passivation: năng lượng tối thiểu cần thiết là 5 keV để xuyên qua lớp này.

• Với IC đã loại bỏ passivation: chỉ cần năng lượng thấp khoảng 300 eV.

Năng lượng quá cao có thể làm hư hại lớp oxide hoặc làm giảm độ chính xác do nhiễu từ các lớp kim loại khác.

Dòng điện chùm electron

• Dòng quá mạnh: gây "trôi" điện áp sau khi electron rời đi.

• Dòng quá yếu: không tạo ra sự thay đổi đủ lớn để phát hiện lỗi.

Việc thử nghiệm nhiều mức dòng sẽ giúp tối ưu hóa tín hiệu CIVA phù hợp với loại lỗi cần phát hiện.

Loại lỗi hở mạch trong CIVA

• Hở hoàn toàn: Không có dòng qua, tạo tín hiệu mạnh (~10–50%).

• Hở kiểu cơ học lượng tử (QM): Có dòng tunneling, tín hiệu yếu hơn và phụ thuộc vào tần số hoạt động

Ứng dụng CIVA hiệu quả trong phân tích lỗi IC

CIVA được sử dụng khi nghi ngờ có đoạn dẫn điện bị hở, kể cả tại:

• Đường dẫn kim loại

• Polysilicon

• Tiếp xúc kim loại–silicon hoặc kim loại–kim loại

Ưu điểm nổi bật:

• Không cần thay đổi trạng thái hoạt động của IC

• Phát hiện lỗi nhanh chóng, cả dưới lớp passivation

• Hiệu quả cao với lỗi xuất hiện ở tần số cao nhưng không lộ rõ ở tần số thấp

Hạn chế và cách khắc phục:

Một số lỗi có thể bị bỏ sót nếu:

• Mạch logic có cấu trúc song song hoặc nối tiếp

• Có nhiều lỗi trong cùng một đường dẫn

Giải pháp: sử dụng các vector tín hiệu kiểm tra khác nhau, kết hợp dữ liệu IDDQ hoặc vector lỗi chức năng để tăng khả năng phát hiện lỗi.

References on Charge-Induced Voltage Alteration

1. E.I. Cole Jr. and R. E. Anderson, "Rapid Localization of IC Open Conductors Using Charge-Induced Voltage Alteration (CIVA)", IRPS, March 30 - April 2, 1992, 167-178.

2. D.L. Barton and E.I. Cole Jr., "The Use of the Charge-Induced Voltage Alteration Technique to Analyze Precursors to Dielectric Breakdown", SPIE Microelectronic Processing '92, Sept 21-22, 1992, San Jose, CA.

3. E.I. Cole Jr. and J. M. Soden, "Localization of Pellicle-Induced Open Contacts Using Charge-Induced Voltage Alteration," ISTFA, Nov. 15-19, 1993, pp. 1-8.

4. E. I. Cole Jr., J. M. Soden, B. A. Dodd and C. L. Henderson, Low Electron Beam Energy CIVA Analysis of Passivated ICs," ISTFA, Nov, 14-18, 1994, pp. 23-32.