電子元器件失效分析技術(shù)及方法

戴俊夫，嚴(yán) 明

（1．中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032；2．沈陽軍區(qū)65042部隊，沈陽110035）

·大規(guī)模集成電路設(shè)計、制造與應(yīng)用·

電子元器件失效分析技術(shù)及方法

戴俊夫1，嚴(yán) 明2

（1．中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032；2．沈陽軍區(qū)65042部隊，沈陽110035）

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路在各個領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，同時對集成電路提出了更高的質(zhì)量要求，元器件失效分析在提高集成電路可靠性方面有著至關(guān)重要的作用。隨著集成度的提高，工藝尺寸的縮小，失效分析所面臨的困難也逐步增大。以實際工作為依托，對電子元器件的失效分析技術(shù)進(jìn)行了研究與總結(jié)，把失效分析工作主要分成失效現(xiàn)象確認(rèn)、樣品制備和保存、電性分析和物理分析四部分，電性分析是物理分析的前提，物理分析的結(jié)果是電性分析的目的和佐證。在失效分析中，各個步驟工作配合應(yīng)用，缺一不可。

失效分析；電子元器件；可靠性；失效機(jī)理；電性分析；物理分析

1 引 言

隨著社會的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，集成電路與社會的發(fā)展和人們的日常生活息息相關(guān)，它們的質(zhì)量決定著信息時代的發(fā)展［1］。在當(dāng)前市場競爭的激勵下，電子產(chǎn)品趨向微型化、智能化，市場對產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。電子產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性是密不可分的，可靠性研究對保障和提高電子產(chǎn)品質(zhì)量是至關(guān)重要的［2－4］，因此對失效分析的要求越來越高。產(chǎn)品失效分析的目的不僅在于失效性質(zhì)的判斷和失效原因的明確，更重要的還在于為積極預(yù)防重復(fù)失效找到有效途徑。電子元器件失效分析要做到模式準(zhǔn)確、原因明確、機(jī)理清楚、措施得力、模擬再現(xiàn)、舉一反三。本文以實際工作為依托，以集成電路失效分析為代表介紹了電子元器件失效分析原則、程序及分析技術(shù)方法。

2 失效分析的一般原則及要求

對于失效的電子元器件，其遵循的基本原理是以非破壞性的檢查為先，逐步分析。在非破壞性的檢查不能發(fā)現(xiàn)失效根源的基礎(chǔ)上，再對失效器件進(jìn)行深入探究。對失效器件的分析，每一步程序都要取得必要的信息。許多分析程序都是破壞性的，不可重復(fù)，不可逆的。因此失效分析時要按程序小心進(jìn)行，防止將真正的失效原因遺漏或引入新的失效因素。對電子元器件失效分析要遵循相關(guān)的原則，即：①先方案后操作；②先外檢后通電；③加電測試先弱后強(qiáng)；④先靜態(tài)后動態(tài)；⑤先外部后內(nèi)部；⑥先宏觀后微觀；⑦先一般后特殊；⑧先簡單后復(fù)雜；⑨先主要后次要；⑩先無損后破壞。

3 失效分析程序

廣義上來講，電子元器件失效分析的程序如圖1所示。

圖1 失效分析程序

4 失效分析技術(shù)方法

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料、新工藝和新技術(shù)不斷應(yīng)用，新的失效模式和機(jī)理也隨之不斷出現(xiàn)，對元器件而言分析技術(shù)都有一定的適用范圍和局限性，本部分主要針對失效現(xiàn)象確認(rèn)、樣品制備、電性分析、物理分析進(jìn)行介紹。

4．1 失效現(xiàn)象確認(rèn)

根據(jù)失效現(xiàn)象的結(jié)果分類，電子元器件失效可分為連接性失效、電參數(shù)失效和功能失效，這三種失效所對應(yīng)的測試分別稱為：連接性測試、電參數(shù)測試和功能測試。這三者之一均可能引起其他種類的失效，若器件存在連接性失效，那么可能引起電參數(shù)失效和功能失效；若器件輸入端漏電致使輸入電流（Iin）或輸入電壓（Vin）超出產(chǎn)品質(zhì)量要求，可能引起功能失效等。

4．1．1 電參數(shù)測試

對正常的電子元器件按標(biāo)準(zhǔn)要求施加電應(yīng)力進(jìn)行測試，屬于無損測試，對電子元器件不會產(chǎn)生額外影響；若元器件存在缺陷或問題，其性能無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求時，而在失效分析的過程中還需施加質(zhì)量要求的電應(yīng)力，可能會加劇元器件的失效程度，引入新的失效模式。

4．1．2 功能測試

隨著科技發(fā)展，元器件的功能測試越來越復(fù)雜，在進(jìn)行功能測試的時候，我們常采用自動測試設(shè)備（ATE），根據(jù)既定功能模擬應(yīng)用條件施加給器件進(jìn)行測試，通過編寫特定的運行程序，完成自動測試，分析動、靜態(tài)的測試結(jié)果，得出結(jié)論。

4．1．3 連接性測試

（1）待機(jī)電流測試

對集成電路施加正常的電源電壓，電路產(chǎn)生待機(jī)電流，待機(jī)電流的好壞是確定失效因素和確定失效分析后續(xù)程序的基本依據(jù)之一；如果電路待機(jī)電流偏大，則芯片內(nèi)部存在局部漏電區(qū)域，應(yīng)采用光輻射顯微鏡（EMM）做漏電區(qū)失效定位；如果電路待機(jī)電流較小，則芯片內(nèi)部電源端或地端相連部分金屬化互連線或內(nèi)引線有開路；開路失效可以通過X射線照相或開封后的鏡檢進(jìn)行分析。

（2）端口測試

靜電放電（ESD）保護(hù)電路廣泛應(yīng)用于CMOS電路，電源端對輸入／輸出端及輸入／輸出端對地端可等效為兩個串聯(lián)的二極管，如圖2所示，而CMOS電路內(nèi)電路的輸入端為MOS器件，由于MOS器件柵極是絕緣的，各端口對地端／電源端及電源端對地端的電流－電壓（I－V）特性與二極管的I－V特性相似。定位失效端口，可根據(jù)電路各端口對地端或?qū)﹄娫炊苏聪虻碾娮璐笮泶_定。柵氧化層損傷是最常見的ESD電壓型失效［5］。

圖2 輸入／輸出端防靜電保護(hù)電路的等效電路圖

4．2 樣品制備和保存

電子元器件封裝材料具有多層布線結(jié)構(gòu)和低透明度，使得在研究電子元器件大部分失效分析問題時，必須采用解剖分析技術(shù)，才能實現(xiàn)芯片表面和內(nèi)部的分析。所以必須有選擇地進(jìn)行剝層分析，制備可測試分析的樣品。

4．2．1 去鈍化層技術(shù)

由于鈍化層的低導(dǎo)電性和對觀察及測試芯片的阻礙作用，去鈍化層可以說是芯片分析樣品制備的主要步驟。

（1）化學(xué)腐蝕去鈍化層

化學(xué)腐蝕又稱濕法腐蝕，去鈍化層的優(yōu)點是試驗條件比較簡單，設(shè)備要求較低，缺點是腐蝕位置和范圍不可控。采用該方法去除鈍化層的同時會腐蝕內(nèi)引線和金屬層未鈍化的部分，很可能造成失效分析結(jié)果不準(zhǔn)確，或者樣品損壞。去SiO2鈍化層所用試劑為：HF∶H2O＝1∶1；去SiNx鈍化層所用試劑為：85% HPO3，腐蝕液溫度為160℃；去硼磷硅玻璃所用試劑為：10ml H2O加100ml 36%HCl加10ml 40%HF。

（2）等離子腐蝕鈍化層

等離子腐蝕又稱干法腐蝕，具有一定的材料選擇性。如采用的反應(yīng)氣體為CHF3＋O2，等離子腐蝕可去除芯片的多種鈍化層，包括SiO2、SiNx和聚酰亞胺，而且不會對鋁等金屬層產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕作用。由于等離子腐蝕是同一種材料沿多個方向均勻腐蝕，腐蝕后金屬層與介質(zhì)層間的接觸面積減小，金屬化層會升高，脫離介質(zhì)層，容易將新的失效模式引入樣品。為了制備可測試分析的樣品，必須保證腐蝕精度，嚴(yán)格監(jiān)控腐蝕過程。每隔一定時間停止反應(yīng)，取出樣品用光學(xué)顯微鏡觀察，根據(jù)顏色變化確定腐蝕程度。反應(yīng)時腔體內(nèi)壓強(qiáng)越大，氣體流量越大，離子腐蝕速率越高；反之，腐蝕速率越低。

（3）多層結(jié)構(gòu)芯片的反應(yīng)離子腐蝕（RIE）技術(shù)

缺乏方向選擇性的腐蝕技術(shù)，稱為各向同性腐蝕技術(shù)；有明顯的方向選擇性的腐蝕技術(shù)，稱為各向異性腐蝕技術(shù)，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 各向同性／異性腐蝕技術(shù)

濺射腐蝕技術(shù)是一種各向異性腐蝕技術(shù)。向反應(yīng)室內(nèi)通入惰性氣體，氣體在射頻電源所提供電場的加速作用下，形成等離子體轟擊樣品表面，利用等離子的高能量，通過碰撞，從樣品表面刻蝕材料。這種技術(shù)材料選擇性差，腐蝕速度由材料硬度決定。

RIE技術(shù)是PIE技術(shù)和濺射腐蝕技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，同時具有材料選擇性和腐蝕方向性，能滿足芯片失效分析的需要，又具有較低的制樣風(fēng)險。

4．2．2 去金屬化層技術(shù)

主要用于觀察CMOS電路的氧化層針孔和鋁－硅互熔引起的PN結(jié)穿釘現(xiàn)象，或確定存儲器的字線或位線對地短路或者開路的失效定位。濕法去除鋁層所用溶液為鋁腐蝕液，其酸值為16．1－ 16．5%，工作溫度從室溫到55℃均可，該溶液對氧化層和硅無損傷，使用時只需通過控制工作溫度，即可達(dá)到對腐蝕速率的控制。

4．3 電性分析

通過電性分析（EFA，Electrical Failure Analysis）能夠完成缺陷位置的定位，是失效分析技術(shù)中不可或缺的一部分，EFA主要包括缺陷定位、可靠性測試、電路分析等。

4．3．1 缺陷定位

現(xiàn)在單個芯片的集成度越來越高，要在數(shù)以萬計的單元里確定某一個單元是否失效，如果沒有很好的定位技術(shù)，那無疑比在大海里撈針還要困難。所幸的是失效分析人員現(xiàn)在已經(jīng)掌握了很多種缺陷定位技術(shù)和可用于定位測試的設(shè)備，包括Emission顯微鏡；OBIRCH（Optical Beam Induce Resistance Change）技術(shù)是利用激光束感應(yīng)材料電阻率變化的測試技術(shù)，是主動式缺陷定位技術(shù)［6］；液晶熱點檢測技術(shù)。

4．3．2 電路分析

運用模擬、數(shù)字電路知識，根據(jù)上述分析流程得到的信息，對芯片的電路進(jìn)行分析。有效減小失效范圍，再結(jié)合可靠性測試定位失效元器件。

4．3．3 可靠性測試

若上述測試已可確定測試出電路的某個功能塊失效時，可將這一功能塊（或某元器件）隔離開，然后進(jìn)行可靠性測試。如上述測試未能確定出電路的某個功能塊失效，那么采用分段測試手段，搜尋失效部位，探究失效模式。

4．4 物理分析

物理失效分析技術(shù)是對半導(dǎo)體器件的材料和工藝進(jìn)行表征和分析的綜合性技術(shù)，器件所用材料和元器件的微區(qū)形貌、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分對失效有直接的關(guān)系。物理失效分析的最終目的是通過分析手段完成缺陷表征、分析，最終確定失效機(jī)理。掃描電子顯微鏡（SEM）、聚焦離子束（FIB）、剝層技術(shù)、透射電子顯微鏡（TEM）及對缺陷進(jìn)行化學(xué)分析的能量色散譜EDS技術(shù)等都是常用的物理失效分析技術(shù)［7－8］。

5 結(jié)束語

失效分析是從結(jié)果推斷失效原因的過程，常常是一果多因，所以失效分析工作需要正確的分析思路和程序，它可以幫助分析人員快速、準(zhǔn)確地查明失效原因和機(jī)理。電子元器件是電子整機(jī)產(chǎn)品的源頭，失效分析是電子元器件質(zhì)量、可靠性工作的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，失效分析是基于對元器件工藝、結(jié)構(gòu)和電特性的了解、對其失效模式、失效特征及失效機(jī)理的掌握、以及對失效分析程序、失效分析技術(shù)的靈活運用。為了讓電子設(shè)備或電子系統(tǒng)可以正?？煽康剡\行，就必須保證電子元器件的可靠性，因此培養(yǎng)高水平的失效分析技術(shù)人員是現(xiàn)階段和將來我們努力的目標(biāo)，失效分析技術(shù)研究與失效預(yù)防任重道遠(yuǎn)。

［1］ 孔學(xué)東，恩云飛．電子元器件失效分析與典型案例［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2006．Kong XD，En YF．Electronic Component failure analysis and typical cases［M］．Beijing：National Defense Industry Press，2006．

［2］ Hu C．The berkeley reliability simulator bert：an ic reliability simulator［J］．Microelectronics Journal，1992，23（2）：97－102．

［3］ Verweij J F．VLSI reliability in Europe［J］．Proceedings of the IEEE，1993，81（5）：675－681．

［4］ Righter A W，Hawkins C F，Soden J M，et al．CMOS IC reliability indicators and burn－in economics［C］．Test Conference，1998．Proceedings．，International．IEEE，1998：194－203．

［5］ Pan Z，Holland S，Schroeder D，et al．Understanding the mechanisms of degradation and failure observed in ESD protection devices under system－level tests［J］．Device and Materials Reliability，IEEE Transactions on，2010，10（2）：187－191．

［6］ Nikawa K，Inoue S，Morimoto K，et al．Failure analysis case studies using the IR－OBIRCH（infrared optical beam induced resistance change）method［C］．Test Symposium，1999．（ATS＇99）Proceedings．Eighth Asian．IEEE，1999：394－399．

［7］ Wu H，Hooghan K，Cargo J．Physical failure analysis deprocessing and cross－section techniques for Cu／lowk technology［J］．Device and Materials Reliability，IEEE Transactions on，2004，4（1）：11－17．

［8］ Kiuchi M，Matsui S，sono Y．Mechanical characteristics of FIB deposited carbon nanowires using an electrostatic actuated nano tensile testing device［J］．Microelectromechanical Systems，Journal of，2007，16（2）：191－201．

Failure Analysis of Electronic Components

Dai Junfu1，Yan Ming2
（1．The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China；2．The Army 65042，Shenyang Military Region，Shenyang 110035，China）

As the rapid development of electronic technology，the integrated circuit is more and more widely used in various fields，and higher quality for the integrated circuit is required．Electronic components failure analysis is extremely important for improving the reliability of integrated circuit．With the raise of integration and shrinking of process dimensions，the difficulties faced by failure analysis are also gradually increasing．Base on the practical work，this paper researches and summarizes the failure analysis technology of electronic components．The failure analysis can be divided into failure phenomenon confirming，sample preparation and preservation，electrical analysis and physical analysis．The electrical analysis is the premise of physical analysis，the result of physical analysis is the purpose and evidence for electrical analysis，and analysis procedures should be cooperated each other．

Failure Analysis；Electronic Components；Reliability；Failure Mechanisms；Electronic Analysis；Physical Analysis

10．3969／j．issn．1002－2279．2015．04．001

TN40

A

1002－2279（2015）04－0001－03

戴俊夫（1983－），男（滿族），遼寧省鞍山市人，本科，助理工程師，主研方向：集成電路檢測技術(shù)研究。

2015－03－15