Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2566
Main Title: Expanding the scope of laser stimulation techniques for functional analysis and reliability of semiconductor devices by in-depth investigation of the optical interaction with the devices
Translated Title: Erweiterung des Einsatzbereiches von Laserstimulationstechniken für die Funktionsanalyse und Zuverlässigkeitsprüfung von Halbleiterbauelementen durch eingehende Untersuchung optischer Wechselwirkungen
Author(s): Glowacki, Arkadiusz
Advisor(s): Boit, Christian
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die kontinuierliche Steigerung der Komplexität und Integrationsdichte von integrierten Schaltungen (integrated circuit – IC) in der Mikroelektronik stellt hohe Ansprüche an die Techniken und Methoden der Fehleranalyse (FA). Um mit den Entwicklungen der Technologie Schritt halten zu können, müssen die Techniken der FA ständig weiterentwickelt und neuen Bedingungen und Standards angepasst werden. Die Laserstimulation (LS) ist eine der meist genutzten Techniken in der heutigen Fehleranalyse. Sie dient in erster Linie der Defektlokalisierung in ICs. Dabei gibt es verschiedene Arten der LS. Abhängig von der genutzten Wellenlänge des Lasers, kann photoelektrische (PLS) oder thermische Laserstimulation (TLS) durchgeführt werden. Mit dem technologischen Fortschritt ergeben sich verschiedene Probleme, die gelöst werden müssen, um die Anwendung von LS auch für moderne Produkte gewährleisten zu können. Die größte Sorge ist dabei die nötige Auflösung. Heutzutage sind die Dimensionen der Transistoren bereits weit unter dem Auflösungsvermögen der LS Systeme. Obwohl es mit raffinierten Methoden verbessert werden kann, wie z.B. durch den Einsatz von Festkörperimmersionslinsen (solid immersion lens - SIL), wird das auf Dauer vermutlich nicht für die kontinuierlich schrumpfenden Dimensionen der Bauelemente, sowie die wachsende Integrationsdichte und Komplexität ausreichen. Somit ist es notwendig, neben den Bemühungen der Auflösungsverbesserung, die LS auch auf die einzelnen Komponenten eines ICs anzuwenden, um auf diese Weise umfassende Erkenntnisse über die Effekte der LS auf die Bauelemente zu gewinnen, in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lasers, dem Betriebszustand des Bauelementes, der stimulierten Fläche und den verwendeten Materialien. Das Ziel dieser Arbeit ist die ausführliche Untersuchung verschiedener Komponenten eines ICs mit statischer LS, angefangen mit der Analyse einfacher Leiterbahnen, über Widerstände aus Polysilizium, thermoelektrische Materialübergänge, pn-Übergänge bis hin zu Feldeffekttransistoren. Die Kombination verschiedener Laserwellenlängen, vorder- und rückseitiger Analyse und unterschiedlicher elektrischer Betriebszustände der Bauteile wurde ausführlich untersucht und diskutiert. In einigen Fällen wurde ein theoretisches Modell für das Bauteil bei Laserbestrahlung entwickelt, um damit Simulationsergebnisse zu erzeugen und diese den Daten der Experimente gegenüberzustellen. Mit statischer LS können Informationen über die Empfindlichkeit einzelner Bereiche eines Bauteils bei lokaler LS gesammelt werden. Diese Methode eignet sich für einfache Defektlokalisierung, liefert aber keine Daten zu der Dynamik des LS Prozesses. Das dynamische Verhalten des Bauteils bei LS ist abhängig von Parametern des LS Systems und Eigenschaften der untersuchten Probe, wie z.B. Geometrie, Materialien und elektrischer Betriebszustand. Die Untersuchung der Veränderung des LS Signals liefert wertvolle Erkenntnisse über das Bauteilverhalten und mögliche Defekte. Auch für die Defektlokalisierung kann es nützlich sein, falls die genaue Lage eines Fehlers nicht bekannt ist und er sich beispielsweise auf einer mittleren Metallebene befindet, unerreichbar für eine direkte Stimulation, weder von der Vorder- noch von der Rückseite des Chips. Das dynamische Verhalten des LS Systems wurde zuerst analysiert, um später einschätzen zu können, wie groß der Einfluss des zu testenden Bauteils auf die Dynamik des gesamten LS Prozesses ist. Nächster Schritt war die Untersuchung der Veränderung des LS Signals verschiedener Bauteiltypen. Für diese Charakterisierung wurde die Signalverzögerung mit einem digitalen Oszilloskop aufgenommen und mit Hilfe eines Lock-In-Verstärkers die Phasenverschiebung des LS Signals gemessen. Nach der Analyse der gesammelten Messergebnisse, wurden abschließend Erklärungen für das dynamische Verhalten der LS formuliert und ausführlich diskutiert.
The continuous increase of the complexity and integration density of microelectronic integrated circuits (IC) sets high requirements for failure analysis (FA) techniques and methods. In order to keep pace with the technology advancements, these techniques must be under constant development and have to be adjusted to the rapidly changing conditions and standards. Laser stimulation (LS) represents one of the most commonly used group of techniques in today’s FA. It is mostly used for the purpose of localization of defects and anomalies in ICs. There are many flavours of LS. Choosing a proper laser light wavelength one can perform photoelectric (PLS) or thermal laser stimulation (TLS). Depending on whether the laser beam has constant power or is modulated, LS can be static (SLS) or dynamic (DLS). As a result of the technological progress, there are many problems that need to be solved in order to still be able to apply the LS to state-of-the-art products. The greatest concern is the resolution. Nowadays, the dimensions of transistors are already much smaller than the resolving power of the LS systems. Although it can be improved by using sophisticated approaches like, for instance, solid immersion lenses (SIL), it will probably not keep pace with the ever decreasing device dimensions, increasing integration density and overall complexity. Therefore, in parallel to struggling to improve the resolution, it is mandatory to apply the LS to all basic IC components, to perform thorough study aiming at understanding the interaction of laser beams with the devices, depending on the laser wavelength, device operating conditions, stimulation area and materials. The scope of this work was to study in detail the static LS of various IC components, beginning from the analysis of the simplest metallic interconnect, through polysilicon resistor, thermoelectric junction of two materials, p-n junction to field effect transistor. The combination of laser wavelength, front- and backside approach, and device electrical condition was analyzed and discussed in detail. In some cases an approach was undertaken to create a device-under-illumination model, simulate the results and confront with the experimental data. Static LS delivers information about the sensitivity of device areas to local LS. It is good enough for general localization purposes, but it does not deliver any information about the dynamics of the LS process. The transient behaviour of the device response during LS depends on the parameters of the LS system and on the DUT properties like: geometry, applied materials and electrical conditions. Studying the evolution of the LS signals delivers valuable information about the device performance and possible defects or anomalies. It can also help in device or defect localization, in cases when the exact location is not known, for instance when the device or defect is located in the middle of the metallization stack and is not accessible for the stimulation, neither from frontside nor backside of the chip. The dynamic behaviour of the LS system was evaluated at first, in order to be able to later estimate the device contribution to the LS dynamics. Then, various device types were studied in terms of LS signal evolution. The characterization was performed by direct delay measurements using digital oscilloscope and by lock-in amplifier-assisted phase-sensitive detection of LS signals. The measurement results were analyzed, explanation of LS dynamic behaviour proposed and discussed in detail.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-27769
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2863
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2566
Exam Date: 18-Feb-2010
Issue Date: 9-Sep-2010
Date Available: 9-Sep-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Fehleranalyse
Halbleiterbauelemente
Laserstimulation
Optische Verfahren
Zuverlässigkeit
Failure analysis
Laser stimulation
Optical techniques
Reliability
Semiconductor devices
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 4 Elektrotechnik und Informatik » Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_31.pdf7.57 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.