漏電流的伏安特征曲線在分立器件失效分析中的應(yīng)用

陳 松，王友彬

（英飛凌科技（無錫）有限公司，江蘇無錫 214028）

1 引言

傳統(tǒng)的分立器件封裝測試領(lǐng)域，經(jīng)過多年發(fā)展，產(chǎn)量越來越高。由于人們對(duì)汽車電子等涉及安全性領(lǐng)域的要求越來越高，對(duì)分立器件的質(zhì)量要求也越發(fā)嚴(yán)苛，特別是針對(duì)測試過程中關(guān)鍵電參數(shù)失效的過程控制越發(fā)嚴(yán)格，對(duì)于電參數(shù)失效特別是漏電流失效的失效機(jī)理的確認(rèn)，目前最有效的方法是做全面的失效分析（FA），然而全面的失效分析由于時(shí)間太長、成本太高而無法在生產(chǎn)過程控制中廣泛應(yīng)用，但沒有最終的失效模式和失效機(jī)理的確認(rèn)，產(chǎn)品質(zhì)量的提高也將是句空話。

2 分立器件漏電流的失效模式和失效機(jī)理的確立

通過對(duì)大量漏電流樣本的失效分析得知，半導(dǎo)體后道封裝測試中導(dǎo)致半導(dǎo)體分立器件漏電流失效的失效機(jī)理有以下幾種。

（1）芯片制成過程中造成的失效，例如晶體缺陷（如圖1所示為掃描電子顯微鏡SEM或者發(fā)射式電子顯微鏡EMMI下的晶體缺陷）造成局部漏電流過大，晶體缺陷不會(huì)造成器件可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

（2）過度摻雜（圖2所示為器件橫截面圖）是由于摻雜過程中離子過度擴(kuò)散，基極寬度變窄，導(dǎo)致三極管擊穿電壓變小，漏電流變大。過度摻雜不會(huì)造成器件可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

（3）封裝過程中造成的缺陷，例如金（銅）線的鍵合過應(yīng)力造成的芯片表面彈坑、碎裂，破壞了芯片絕緣層（圖3所示為光學(xué)顯微鏡下的鍵合缺陷）。鍵合過應(yīng)力失效導(dǎo)致器件漏電流變大，有嚴(yán)重的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 晶體缺陷

圖2 過度摻雜

圖3 芯片表面彈坑

（4）過電應(yīng)力損傷（EOS）。在測試過程中加入過電應(yīng)力測試，如MOSFET器件測試中加入柵極電壓力測試、雪崩測試等來測試器件芯片抗過應(yīng)力的能力，有缺陷的器件將會(huì)在過電應(yīng)力測試后遭到破壞。通過過電應(yīng)力測試的器件沒有可靠性風(fēng)險(xiǎn)。圖4所示為液晶熱譜LCT下的EOS。

從上面的失效模式和機(jī)理的分析可以看出，對(duì)于漏電流失效的每種失效模式和失效機(jī)理的確認(rèn)最好的方法是對(duì)器件做全面的失效分析。

圖4 過電應(yīng)力失效

全面失效分析的一般程序?yàn)椋海?）收集失效現(xiàn)場數(shù)據(jù)；（2）電測并初步確定失效模式；（3）非破壞性分析；（4）打開封裝；（5）鏡檢；（6）通電激勵(lì)芯片；（7）失效定位；（8）對(duì)失效進(jìn)行物理、化學(xué)分析；（9）綜合分析，確定失效原因，提出糾正措施。

3 全面的失效分析方法在后道封裝測試生產(chǎn)中的問題

在實(shí)際的后道封裝測試生產(chǎn)中，每天會(huì)有大量的產(chǎn)品以LOT（批）為單位被生產(chǎn)出來，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)篩選出漏電流失效比例達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的LOT，需要做進(jìn)一步的失效分析，確定失效模式和失效機(jī)理，并且針對(duì)不同的失效模式進(jìn)行相應(yīng)的處理，見表1。

表1 失效模式的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和處理方法

然而全面的失效分析由于時(shí)間太長、成本太高而無法在實(shí)際大規(guī)模生產(chǎn)的過程控制中廣泛應(yīng)用，所以在后道封裝測試生產(chǎn)線迫切需要找到一種快速、準(zhǔn)確度高的確定失效模式的方法。

4 漏電流伏安特征曲線在后道封裝測試生產(chǎn)中的引入

通過對(duì)大量的漏電流樣本的漏電流特征曲線的研究發(fā)現(xiàn)，雖然造成漏電流失效的機(jī)理很多，也很復(fù)雜，但還是有一定的規(guī)律，比如過度摻雜造成的擊穿電壓偏移的漏電流特征曲線（圖5）和晶體缺陷（圖6）、鍵合缺陷（圖7）有明顯不同。

圖5 過度摻雜的伏安特征曲線

圖6 晶體缺陷的伏安特征曲線

圖7 鍵合缺陷的伏安特征曲線

從上面各個(gè)漏電流失效模式的特征曲線可以看出，過度摻雜的特征曲線表現(xiàn)出所有的失效器件在擊穿電壓附近出現(xiàn)一致的漏電流激增的曲線，而晶體缺陷和鍵合缺陷會(huì)在遠(yuǎn)離擊穿電壓的區(qū)域并且隨著缺陷程度不同出現(xiàn)沒有規(guī)律的激增。

5 漏電流失效模式在后道封裝測試工廠快速確定的方法

如上一節(jié)所述，我們可以利用不同漏電流失效模式的漏電流特征曲線首先區(qū)分出沒有可靠性風(fēng)險(xiǎn)的過度摻雜的失效，過度摻雜的產(chǎn)品可以快速處理而無需做進(jìn)一步失效分析。非過度摻雜的失效如果需要可再進(jìn)一步用光學(xué)或者紅外顯微鏡確定有可靠性風(fēng)險(xiǎn)的鍵合缺陷，剩下的失效中包括有可靠性風(fēng)險(xiǎn)的晶體缺陷和其他缺陷，可以進(jìn)一步用SEM/EMMI進(jìn)行失效機(jī)理分析，圖8為失效分析流程圖。

6 結(jié)論

漏電流特征曲線在半導(dǎo)體分立器件后道封裝測試生產(chǎn)線上的應(yīng)用，能迅速、準(zhǔn)確地將沒有風(fēng)險(xiǎn)的因?yàn)檫^度摻雜造成的導(dǎo)致?lián)舸┠蛪鹤冃《a(chǎn)生的漏電流偏大的失效和其他會(huì)造成可靠性風(fēng)險(xiǎn)的晶體缺陷和鍵合缺陷區(qū)分出來，使得占80%批次的產(chǎn)品能快速、安全地部署。而由引入漏電流特征曲線對(duì)失效分析流程的改進(jìn)（圖8），在質(zhì)量第一的前提下，采取按失效模式確認(rèn)的難易和所耗時(shí)間進(jìn)行合理優(yōu)化，可以有選擇、有針對(duì)性地對(duì)產(chǎn)品的失效進(jìn)行進(jìn)一步處理，以前類似的產(chǎn)品失效需要做全面的失效分析，大約需要1周時(shí)間才能得到報(bào)告，而新流程只需要2小時(shí)，大大提高了失效分析的效率，使得新流程能在后道封裝測試工廠得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。幾種失效分析工具的對(duì)比見表2。

表2 失效分析工具對(duì)比

自漏電流特征曲線分析得到應(yīng)用以來，我們通過對(duì)關(guān)鍵失效中漏電流失效的快速準(zhǔn)確的分析處理，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約了成本，很好地達(dá)到了客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和成本的期望。