半導(dǎo)體器件的技術(shù)分析與檢測(cè)

李新霞

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 050000

半導(dǎo)體器件的技術(shù)分析與檢測(cè)

李新霞

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 050000

在半導(dǎo)體器件的技術(shù)應(yīng)用中，半導(dǎo)體器件的失效會(huì)對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的正常使用造成相應(yīng)的影響。本文結(jié)合作者工作實(shí)踐，針對(duì)半導(dǎo)體器件工作失效的原因，以及造成的失效進(jìn)行技術(shù)分析并且總結(jié)了幾種檢測(cè)方法。以供同仁參考。

半導(dǎo)體器件；失效；檢測(cè)

1.半導(dǎo)體器件失效技術(shù)分析

半導(dǎo)體失效的原因有好多種，通過工作中的實(shí)踐總結(jié)，以下我們對(duì)其原因從幾方面盡心分析。

1.1 金屬化與器件失效

半導(dǎo)體器件或集成電路穩(wěn)定可靠性受周邊環(huán)境應(yīng)力的影響很大。金屬化及其鍵合處就是最重要的一個(gè)不容忽視的造成半導(dǎo)體器件失效的原因。到目前為止，大部分的半導(dǎo)體器件平面處理工藝都采用二氧化硅的掩膜鈍化層。為了在芯片上實(shí)現(xiàn)真正互連，就會(huì)在開窗口的二氧化硅層處理層上淀積鋁膜，這就是所謂的金屬化。半導(dǎo)體器件失效的機(jī)理從物理、化學(xué)的角度進(jìn)行分析，主要包括一膜層張力、二內(nèi)聚力、三機(jī)械疲勞、四退火效應(yīng)、五雜質(zhì)效、六電遷移幾種因素。

1.2 晶體的缺陷與半導(dǎo)體器件失效

由于晶體缺陷而導(dǎo)致的器件失效的機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，到目前還有些問題解釋不清楚，晶體缺陷分為晶體材料固有缺陷和二次缺陷兩類。二次缺陷是在半導(dǎo)體器件在制造過程中，由于氧化過程或者熱處理過程中出現(xiàn)的器件缺陷。

1.2.1 位錯(cuò)

造成晶體缺陷主要是指晶體形成過程中造成的位錯(cuò)，還有的原因是半導(dǎo)體晶體器件在工藝中造成的位錯(cuò)。晶體位錯(cuò)使得位錯(cuò)沿位錯(cuò)線擴(kuò)散和析出加劇，從而造成晶體半導(dǎo)體器件劣化。在實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中，晶體位錯(cuò)沿位錯(cuò)邊緣驚醒的擴(kuò)散比完美半導(dǎo)體晶體快的更多，直接造成的后果就是半導(dǎo)體晶體界面不平整或者造成穿通現(xiàn)象。位錯(cuò)所具有的“吸除效應(yīng)”，對(duì)點(diǎn)缺陷引起的內(nèi)部吸收的作用，反而使得半導(dǎo)體晶體的適量位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體器件生產(chǎn)更有利。

1.2.2 沉淀物

除位錯(cuò)造成不均勻摻雜外，外界雜質(zhì)沾污也會(huì)帶來嚴(yán)重后果，特別是重金屬沾污，在半導(dǎo)體工藝中是經(jīng)常發(fā)生的。如果這些金屬雜質(zhì)存在于固溶體內(nèi)，其危害相對(duì)小一些；但是，一旦在P-N結(jié)處形成沉積物，則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重失效，使反向漏電增大，甚至達(dá)到破壞的程度。沉積需要成核中心，而位錯(cuò)恰恰提供了這種中心。硅中的二次孿生晶界為沉積提供了有利的成核場(chǎng)所，所以具有這種晶界的二極管，其特性明顯變軟。

1.2.3 二次缺陷。二次缺陷是半導(dǎo)體器件工藝生產(chǎn)過程中造成的，二次缺陷直接威脅著半導(dǎo)體晶體器件產(chǎn)品的成品率。二次缺陷有失配位錯(cuò)、滑移位錯(cuò)及氧化層錯(cuò)。失配位錯(cuò)往往會(huì)導(dǎo)致淺結(jié)NPN管基區(qū)前沿下沉，最終影響器件截止頻率和噪聲系數(shù)?；莆诲e(cuò)除引起結(jié)特性變軟外，還會(huì)導(dǎo)致穿通。

2.半導(dǎo)體器件失效檢測(cè)法

半導(dǎo)體器件失效的原因主要檢測(cè)方法可以分為兩類：一、破壞性的檢測(cè)方法，主要是指打開器件的裝備所進(jìn)行的檢測(cè)；二、非破壞性的原因檢測(cè)方法，就是對(duì)器件不進(jìn)行物理性的破壞下進(jìn)行的檢測(cè)。但是，這種非破壞性檢測(cè)也可能會(huì)或多或少的對(duì)元器件檢測(cè)造成一定的傷害，在性能數(shù)據(jù)上也會(huì)發(fā)生一些改變。因此進(jìn)行失效檢測(cè)必須做好相關(guān)準(zhǔn)備事宜，按照操作流程進(jìn)行操作。

2.1 破壞性檢驗(yàn)法

2.1.1 光學(xué)檢測(cè)

在實(shí)際工作中，由于半導(dǎo)體晶體元器件自身電路短路造成的晶體器件失效，這種原因造成的器件失效通過肉眼很難發(fā)現(xiàn)。所以需要我們采用光學(xué)的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，已達(dá)到檢查缺陷，找出原因并得到及時(shí)的修復(fù)。

2.1.2 電子顯微鏡檢驗(yàn)

從光學(xué)可見波長(zhǎng)方面來說，電子顯微鏡的分辨率已經(jīng)接近于光學(xué)顯微鏡分辨率的極限。目前能夠聚焦X射線的顯微鏡還不能夠?qū)崿F(xiàn)放大兩百倍以上。為了能準(zhǔn)確的查找出半導(dǎo)體元器件上失效的電學(xué)不穩(wěn)定因素，我們可以通過使用透射式電子顯微鏡來進(jìn)行檢測(cè)從而發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體器件中的問題。但這種檢測(cè)技術(shù)通常是通過制作一種很薄的樣片，來進(jìn)行技術(shù)分析，最終找到器件失效的原因。直接后果是這種減薄處理很容易造成對(duì)被檢測(cè)器件的破壞，因此在進(jìn)行失效檢測(cè)技術(shù)分析時(shí)因僅限于觀察晶體缺陷，以減少的器件的傷害。

2.1.3 化學(xué)檢測(cè)

采用這種檢測(cè)方法不僅能夠檢測(cè)半導(dǎo)體元器件的污染情況還能夠具體地分析元器件材料，同時(shí)還能夠通過染色方法觀看其可見度的方式來檢查針孔是否出現(xiàn)問題。例如，我們把染色的晶片經(jīng)過漂洗，已經(jīng)滲透到裂紋中的染料就會(huì)流出來，我們通常把這種裂紋區(qū)著色叫做染色法，主要是通過不同的裂紋區(qū)域會(huì)有不同的棕色，然后通過施加一定的電壓，就非常容易看到一些形式的裂紋區(qū)。這主要是因?yàn)檫@些缺陷導(dǎo)致器件表面形成了很明顯的差異，所以通過著色法就能夠使其表現(xiàn)出不同深度的棕色。這種檢測(cè)方法必須由專門的工作人員操作，所以限制了這種方法的應(yīng)用和發(fā)展。

2.2 非破壞性檢測(cè)

現(xiàn)代生活中，在絕大多數(shù)的電子產(chǎn)品中半導(dǎo)體器件是最重要的組成部分，產(chǎn)品質(zhì)量的運(yùn)行可靠性是生產(chǎn)廠家以及消費(fèi)者共同的要求。以前那種十分復(fù)雜或者帶有破壞性的檢測(cè)方法就不能滿足當(dāng)前的需要。我們需要有更經(jīng)濟(jì)更快捷的檢測(cè)方法?，F(xiàn)在應(yīng)用的是快速自動(dòng)檢測(cè)方法，這種方法基本上能滿足生產(chǎn)線環(huán)節(jié)的測(cè)試工作。對(duì)于半導(dǎo)體晶體器件失效的檢測(cè)，非破壞的檢測(cè)中有許多種檢測(cè)方法，并且實(shí)踐中檢測(cè)效果很好。主要非破壞性檢測(cè)常見方法如下幾種。

2.2.1 俄歇電子能譜分析

這種分析方法主要是通過使用小于一千伏的低能電子束對(duì)靶材料進(jìn)行不同能量的二次電子，通過能量分析這些二次電子能夠獲得一些能量的分布曲線，再通過這些曲線能夠得出一系列的能譜，在能譜中能夠直觀的反映出某些元素的存在。同時(shí)能夠根據(jù)峰值的強(qiáng)度測(cè)出不同元素的含量，這種檢測(cè)數(shù)據(jù)主要來自被檢測(cè)器件的表面原子層，進(jìn)而分析出半導(dǎo)體表面的組成。這種分析方法是一種具有速度快、穩(wěn)定性好的非破壞性檢測(cè)方法。在進(jìn)行元器件失效分析過程中，這種一起能夠通過半導(dǎo)體元器件表面的狀態(tài)分析出半導(dǎo)體器件失效的原因。此外，使用這種方法不僅能夠?qū)Π雽?dǎo)體元件做出精度的深度成分分析，還能夠測(cè)試出器件損壞的原理。

2.2.2 激光掃描分析

此中檢測(cè)是現(xiàn)在最經(jīng)常應(yīng)用的檢測(cè)方法，用于檢測(cè)半導(dǎo)體器件的實(shí)際工作狀況的。這種檢測(cè)方法對(duì)半導(dǎo)體器件不會(huì)造成傷害，同時(shí)還能檢測(cè)出集成電路的內(nèi)部工作狀態(tài)、以及半導(dǎo)體器件晶體管的直流增減變化情況、同時(shí)還能檢測(cè)到器件的運(yùn)行溫度變化情況。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)器件的檢測(cè)，簡(jiǎn)而言之就是通過半導(dǎo)體器件芯片背面就能夠?qū)﹄娐返墓ぷ髑闆r進(jìn)行檢測(cè)，通過具體數(shù)據(jù)與圖形分析出檢測(cè)的結(jié)果。為了滿足市場(chǎng)對(duì)集成電路的需求，制造出令人滿意的集成電路產(chǎn)品是我們共同的目標(biāo)。

[1]方華.半導(dǎo)體電路測(cè)試[J].半導(dǎo)體科技，2002.

[2]區(qū)林.半導(dǎo)體元器件的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)1990.