半導(dǎo)體器件失效分析研究

安云玲

摘 ?要：半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電子設(shè)備控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，其可靠性水平直接關(guān)系到整機(jī)的實(shí)用性。而失效分析是提高電子元器件可靠性的重要技術(shù)措施。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，尤其是尖端科學(xué)儀器裝備，對(duì)儀器元件可靠性的要求越來(lái)越高。因此，器件的失效分析越來(lái)越受到人們的重視。本文首先闡述了元器件失效分析工作的重要性，論述了元器件失效類別、模式及原因，并重點(diǎn)探討了半導(dǎo)體器件失效檢測(cè)法。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體器件;失效分析;檢測(cè)方法

半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電子產(chǎn)品的關(guān)鍵與核心器件。電子產(chǎn)品的可靠性，在很大程度上取決于這些核心器件的可靠性。而失效分析技術(shù)是研究電子元器件產(chǎn)品失效機(jī)理、提高產(chǎn)品成品率及可靠性的重要手段。隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體制造技術(shù)從深亞微米時(shí)代進(jìn)入納米時(shí)代，開(kāi)展失效分析越來(lái)越困難，只有借助更先進(jìn)、更精確的設(shè)備和技術(shù)，輔以合理的失效分析步驟，才能提高失效分析的成功率。

一、元器件失效分析工作的重要性

1、失效分析是提高器件應(yīng)用水平的重要手段。一個(gè)成功的失效分析，確認(rèn)器件失效模式和失效機(jī)理的同時(shí)也會(huì)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致失效的觸發(fā)因素，了解器件品質(zhì)或應(yīng)用的薄弱點(diǎn)。對(duì)器件制造商而言，通過(guò)失效分析能不斷改進(jìn)器件設(shè)計(jì)、制造工藝，從而不斷提高器件的固有可靠性;而對(duì)器件使用者而言，通過(guò)失效分析能掌握器件應(yīng)用的可靠性要點(diǎn)，積累器件應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，從而不斷提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平。

2、失效分析是硬件問(wèn)題決策的重要依據(jù)。器件失效可大致分為固有偶然失效、批次失效、使用不當(dāng)失效。若是偶然失效，更換器件就可以。對(duì)批次失效，必須進(jìn)行物料隔離，避免更大范圍的損失。而若是使用不當(dāng)導(dǎo)致的失效，則需查找使用中的問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn)，提高使用可靠性。因此通過(guò)失效分析，能界定問(wèn)題的性質(zhì)和相關(guān)部門工作的職責(zé)，從而使問(wèn)題能及時(shí)、正確地得到解決。

二、元器件失效類別、模式及原因

失效是指電子元器件喪失功能或降低到不能滿足規(guī)定的要求。電子元器件的失效模式通常指使元器件未達(dá)到規(guī)定的電性能或物理性能要求而確定為失效元器件的拒收原因。它是表面的直觀原因，對(duì)于半導(dǎo)體器件包括：開(kāi)路、短路，性能退化、參數(shù)漂移、無(wú)輸出等。

元器件的主要失效分為兩大類，即元器件固有缺陷引起的本質(zhì)失效和使用不當(dāng)引起的使用失效。元器件固有的缺陷大多是由于設(shè)計(jì)材料、生產(chǎn)工藝中存在問(wèn)題，使元器件留下潛在隱患，當(dāng)元器件裝機(jī)使用一段時(shí)間后，在外界各種應(yīng)力的作用下，最終發(fā)生失效。而導(dǎo)致元器件使用不當(dāng)而失效原因包括：設(shè)計(jì)不當(dāng)、元器件選型不當(dāng)、操作失誤、過(guò)電應(yīng)力損傷、裝配工藝及裝配環(huán)境的不良造成元器件失效等。

三、半導(dǎo)體器件失效檢測(cè)法

1、破壞性檢驗(yàn)法

1）光學(xué)檢測(cè)。通常，因半導(dǎo)體元器件本身發(fā)生短路所造成的失效，其表面現(xiàn)象很難被肉眼發(fā)現(xiàn)。所以可通過(guò)一百倍的顯微鏡去觀察其元器件上的劃痕，但有些缺陷就算使用高倍顯微鏡也很難看到，例如絕緣層針孔出現(xiàn)短路。所以針對(duì)這些難以檢查的缺陷，要把芯片取下來(lái)然后把金屬化鋁層腐蝕，再使用顯微鏡進(jìn)行判斷。

2）化學(xué)檢驗(yàn)。這種檢驗(yàn)法不但可用于分析器件材料、鑒別污染情況，而且還能用染色從增強(qiáng)其可見(jiàn)度的方式檢查晶片的裂紋和針孔。例如，染色的晶片表面漂洗后，因滲透到裂紋的染料被漏出而使裂紋區(qū)著色的電化學(xué)鉻酸鹽染色法，能使極性不同的區(qū)域染成濃淡不同的棕色，被著色劑所覆蓋的集成電路表面一旦施加電壓時(shí)，易看到任何形式的裂紋區(qū)或斷裂區(qū)，這是由于這些缺陷使表面電勢(shì)產(chǎn)生明顯差異，從而在芯片上呈現(xiàn)不同色調(diào)棕色的緣故?；瘜W(xué)檢驗(yàn)法，由于需技藝熟練的分析人員操作，因而限制了其廣泛應(yīng)用。

3）電子顯微鏡檢驗(yàn)。檢測(cè)氧化層針孔這種微小缺陷，需用小于0.5μm高分辨率的光學(xué)儀器。作為可見(jiàn)光波長(zhǎng)，它已接近于光學(xué)顯微鏡分辨率的極限。當(dāng)然，X射線的波長(zhǎng)要短得多，但能聚焦X射線的顯微鏡，目前尚不能放大到200倍以上。采用透射式電子顯微鏡測(cè)量集成電路選定截面的尺寸、形狀，或確定堆垛層錯(cuò)，能幫助找出電路在電學(xué)性能上不穩(wěn)定的原因。這種技術(shù)通常要制備一塊很薄的樣片，而且減薄處理常使被檢器件遭到損壞，所以在失效分析中只限于觀察拋光損傷和晶體缺陷。若采用掃描電鏡，只要電子束在樣品上逐點(diǎn)掃描，無(wú)論是表面散射的電子還是被表面吸收的電子，都能轉(zhuǎn)換成圖像進(jìn)行直觀檢測(cè)。

2、非破壞性檢測(cè)

1）激光掃描分析。激光掃描在研究有源半導(dǎo)體器件內(nèi)部工作狀況方面，是一種用途廣泛的新方法。對(duì)器件不損傷的掃描激光，不但能探測(cè)晶體管內(nèi)直流和高頻的增益變化，揭示器件非線性方式的工作區(qū)，檢測(cè)器件內(nèi)部溫度，而且能確定集成電路內(nèi)部的邏輯狀態(tài)及對(duì)這些狀態(tài)進(jìn)行有選擇的改變;同時(shí)，它還可用來(lái)完成迄今尚不能實(shí)現(xiàn)倒焊器件的測(cè)量，也就是說(shuō)，通過(guò)芯片的背面可觀察到電路的工作狀態(tài)和金屬化圖形。鑒于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，生產(chǎn)無(wú)缺陷的集成電路掩膜顯得越來(lái)越重要。然而，采用顯微鏡這種常規(guī)檢查法，無(wú)論在生產(chǎn)能力還是檢測(cè)效果上，都滿足不了質(zhì)量要求。若用激光掃描法，僅在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)就能對(duì)掩膜做到100%的有效檢查，確實(shí)是一種快速高效檢查掩膜的成功途徑。

2）紅外顯微分析。紅外顯示技術(shù)早在50年代就被用來(lái)觀察硅中位錯(cuò)的分布，近年來(lái)才在失效分析中得到重視和推廣。鍺、硅等半導(dǎo)體材料（包括薄的金屬層）對(duì)近紅外輻射基本是透明的。人們利用紅外顯微鏡可直接觀察半導(dǎo)體器件和集成電路的金屬化缺陷、位錯(cuò)和P-N結(jié)表面缺陷、芯片裂紋，以及利用反射紅外光觀察芯片與管座的焊接情況;利用紅外顯微鏡與紅外電視技術(shù)結(jié)合組成的所謂紅外電視顯微鏡，還可在電視監(jiān)視器屏幕上檢查表面拋光質(zhì)量和表面缺陷，檢查金屬化系統(tǒng)有否開(kāi)路或金屬與絕緣層之間的短路等。

四、結(jié)語(yǔ)

總之，半導(dǎo)體器件失效分析是通過(guò)對(duì)失效器件進(jìn)行各種測(cè)試和物理、化學(xué)、金相試驗(yàn)，確定器件失效的形式（失效模式），分析造成器件失效的物理和化學(xué)過(guò)程（失效機(jī)理），尋找器件失效原因，制訂糾正和改進(jìn)措施。加強(qiáng)半導(dǎo)體器件的失效分析，提高其固有可靠性和使用可靠性，是改進(jìn)電子產(chǎn)品質(zhì)量最積極、最根本的辦法，對(duì)提高整機(jī)可靠性有著重要的作用。

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