半導體器件的檢測與失效分析

■ 文/公安部第一研究所 秦靜

關鍵字：半導體器件 檢測 失效分析

1 半導體器件失效分析

1.1 金屬化與器件失效

環(huán)境應力對半導體器件或集成電路可靠性的影響很大。金屬化及其鍵合處就是一個不容忽視的失效源。迄今，大多數半導體器件平面工藝都采用一氧化硅作為掩膜鈍化層。為在芯片上實現(xiàn)互連，往往在開窗口的一氧化硅層上淀積鋁膜即金屬化。

從物理、化學角度分析，金屬化失效機理大體包括膜層張力、內聚力、機械疲勞、退火效應、雜質效應及電遷移等。

1.2 晶體缺陷與器件失效

晶體缺陷導致器件失效的機理十分復雜，有些問題至今尚不清楚。晶體缺陷分晶體材料固有缺陷(如微缺陷)和一次缺陷兩類。后者是在器件制造過程中，由于氧化、擴散等熱處理后出現(xiàn)或增殖的大量缺陷。兩種缺陷或者彼此相互作用，都將導致器件性能的退化。一次擊穿就是晶體缺陷招來的嚴重后果。

1.2.1 位錯

這種缺陷有的是在晶體生長過程中形成的(原生位錯)，有的是在器件工藝中引入的(誘生位錯)。位錯易沿位錯線加速擴散和析出，間接地促成器件劣化。事實證明，外表雜質原子(包括施主和受主)沿位錯邊緣的擴散比在完美晶體內快很多，其結果往往使P-N結的結平而不平整甚至穿通。鑒于位錯具有“吸除效應”，對點缺陷如雜質原子、點陣空位、間隙原子等起到內部吸收的作用，故適量的位錯反而對器件生產有利。

1.2.2 沉淀物

除位錯造成不均勻摻雜外，外界雜質沾污也會帶來嚴重后果，特別是重金屬沾污，在半導體工藝中是經常發(fā)生的。如果這些金屬雜質存在于固溶體內，其危害相對小一些;但是，一旦在P-N結處形成沉積物，則會產生嚴重失效，使反向漏電增大，甚至達到破壞的程度。

沉積需要成核中心，而位錯恰恰提供了這種中心。硅中的一次孿生晶界為沉積提供了有利的成核場所，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

它是在器件工藝過程中引入的,直接威脅著產品的成品率。常見的二次缺陷有失配位錯、滑移位錯及氧化層錯。失配位錯往往會導致淺結NPN管基區(qū)前沿下沉,最終影響器件截止頻率和噪聲系數?；莆诲e除引起結特性變軟外,還會導致穿通。

2 半導體器件失效檢測法

當前造成半導體器件出現(xiàn)失效的因素有很多，而具體的檢測方法則可以分為兩大類，一種是破壞性檢測，具體指的是打開器件的封帽之后進行檢測；另一種是非破壞性檢測，顧名思義，就是在不對器件造成物理性破壞的前提下進行檢測。不過，這種非破壞性檢測也會或多或少的對元器件造成一定的傷害，在性能上也會發(fā)生一些改變。所以進行失效檢測必須做好相關事宜，按照一定的計劃和步驟進行。作為操作人員在實際工作時也應該謹小慎微，否則舊的失效跡象沒有解決還會混進一些新的失效因素。

2.1 破壞性檢測法

2.1.1 光學檢測

通常來看，由于半導體元器件本身發(fā)生短路所造成的失效，其表面現(xiàn)象是很難被肉眼發(fā)現(xiàn)的。我們可以通過一百倍的顯微鏡去觀察其元器件上的劃痕。但是有些缺陷就算使用高倍顯微鏡也是很難看到的，例如絕緣層針孔出現(xiàn)短路。所以針對這些難以檢查的缺陷，我們需要把芯片取下來然后把金屬化鋁層腐蝕，在使用顯微鏡進行判斷。

2.1.2 電子顯微鏡檢測

從可見波長方面來說，電子顯微鏡顯然已經接近于光學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實現(xiàn)放大兩百以上。為了能夠查找出半導體元器件上出現(xiàn)的電學不穩(wěn)定因素，我們通?？梢允褂猛干涫诫娮语@微鏡來實現(xiàn)。這種檢測技術主要是通過制作一種很薄的樣片，但是注意的是這種減薄處理很容易造成被檢測器件遭到破壞，所以在進行失效檢測時候應該只限于觀察晶體缺陷。除此之外，我們還可以使用電鏡進行掃描，電鏡形成的電子束通過掃描被檢測元件后，不論是檢測元件表面散落的電子還是已經被表面吸收的電子都會轉化成圖像，幫助我們更加直觀的觀察。相比其他的檢測方法，使用電鏡進行掃描是當前一種比較有效的檢測半導體器件失效的工具。但是電鏡所形成的電子束能夠對被檢測元件形成永久性的性能改變，所以這種方式屬于破壞性檢測。

2.1.3 化學檢測

采用這種檢測方法不僅能夠檢測半導體元器件的污染情況還能夠具體地分析元器件材料，同時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過漂洗，已經滲透到裂紋中的染料就會流出來，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)。這主要是因為這些缺陷導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用和發(fā)展。

2.2 非破壞性檢測法

半導體器件是當前大多數電子元件中十分重要的組成部分，所以必須保證這些元件的可靠性滿足相應的標準，這也是生產廠家必須達到的，也是當前市場經濟對生產商的要求。但是以前那種十分復雜的檢測方法遠遠不能滿足當期的需要。這就需要我們找到一種經濟快捷的檢測方法。目前最為常用的就是快速自動檢測系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的應用基本能夠滿足生產線上的測試。但是從失效檢測分析上來說，一套科學經濟的檢測犯法不僅僅包括電學特性檢測，還包括很多其他的檢測模式。通過實際的比較分析，非破壞性檢測是當前十分理想的方法，下面我們就分析一下最為常用的幾種方法。

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靶材料進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。同時能夠根據峰值的強度測出不同元素的含量，這種檢測數據主要來自被檢測器件的表面原子層，進而分析出半導體表面的組成。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方法。在進行元器件失效分析過程中，這種一起能夠通過半導體元器件表面的狀態(tài)分析出半導體器件失效的原因。此外，使用這種方法不僅能夠對半導體元件做出精度的深度成分分析，還能夠測試出器件損壞的原理。

2.2.2 激光掃描分析

這種檢測技術是一種當前使用范圍非常廣泛的方法，主要被應用于檢測有源半導體元器件內部的工作情況。采用這種方法不僅不會對器件造成損害，還能夠檢測出元器件晶體管內部的直流增減變化，同時能夠探測術器件的內部溫度，進而確定出集成電路內部的工作狀態(tài)，此外，還能夠實現(xiàn)對倒焊器件的檢測，簡單的說就是通過芯片背面就能夠直接檢測出電路的工作情況，通過具體的圖形分析出檢測結果。

3 結語

隨著社會上對集成電路的需求量不斷增加，生產出無缺陷的集成電路成為了相關企業(yè)的重要目標。