半導體器件失效分析研究

安云玲

摘 ?要：半導體器件是現代電子設備控制系統的關鍵元件，其可靠性水平直接關系到整機的實用性。而失效分析是提高電子元器件可靠性的重要技術措施。隨著現代科技的發展，尤其是尖端科學儀器裝備，對儀器元件可靠性的要求越來越高。因此，器件的失效分析越來越受到人們的重視。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，并重點探討了半導體器件失效檢測法。

關鍵詞：半導體器件;失效分析;檢測方法

半導體器件是構成電子產品的關鍵與核心器件。電子產品的可靠性，在很大程度上取決于這些核心器件的可靠性。而失效分析技術是研究電子元器件產品失效機理、提高產品成品率及可靠性的重要手段。隨著現代半導體制造技術從深亞微米時代進入納米時代，開展失效分析越來越困難，只有借助更先進、更精確的設備和技術，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用水平的重要手段。一個成功的失效分析，確認器件失效模式和失效機理的同時也會發現導致失效的觸發因素，了解器件品質或應用的薄弱點。對器件制造商而言，通過失效分析能不斷改進器件設計、制造工藝，從而不斷提高器件的固有可靠性;而對器件使用者而言，通過失效分析能掌握器件應用的可靠性要點，積累器件應用的經驗，從而不斷提高產品設計水平。

2、失效分析是硬件問題決策的重要依據。器件失效可大致分為固有偶然失效、批次失效、使用不當失效。若是偶然失效，更換器件就可以。對批次失效，必須進行物料隔離，避免更大范圍的損失。而若是使用不當導致的失效，則需查找使用中的問題并進行改進，提高使用可靠性。因此通過失效分析，能界定問題的性質和相關部門工作的職責，從而使問題能及時、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定的要求。電子元器件的失效模式通常指使元器件未達到規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，對于半導體器件包括：開路、短路，性能退化、參數漂移、無輸出等。

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失效和使用不當引起的使用失效。元器件固有的缺陷大多是由于設計材料、生產工藝中存在問題，使元器件留下潛在隱患，當元器件裝機使用一段時間后，在外界各種應力的作用下，最終發生失效。而導致元器件使用不當而失效原因包括：設計不當、元器件選型不當、操作失誤、過電應力損傷、裝配工藝及裝配環境的不良造成元器件失效等。

三、半導體器件失效檢測法

1、破壞性檢驗法

1）光學檢測。通常，因半導體元器件本身發生短路所造成的失效，其表面現象很難被肉眼發現。所以可通過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短路。所以針對這些難以檢查的缺陷，要把芯片取下來然后把金屬化鋁層腐蝕，再使用顯微鏡進行判斷。

2）化學檢驗。這種檢驗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其可見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著色的電化學鉻酸鹽染色法，能使極性不同的區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，易看到任何形式的裂紋區或斷裂區，這是由于這些缺陷使表面電勢產生明顯差異，從而在芯片上呈現不同色調棕色的緣故。化學檢驗法，由于需技藝熟練的分析人員操作，因而限制了其廣泛應用。

3）電子顯微鏡檢驗。檢測氧化層針孔這種微小缺陷，需用小于0.5μm高分辨率的光學儀器。作為可見光波長，它已接近于光學顯微鏡分辨率的極限。當然，X射線的波長要短得多，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量集成電路選定截面的尺寸、形狀，或確定堆垛層錯，能幫助找出電路在電學性能上不穩定的原因。這種技術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掃描，無論是表面散射的電子還是被表面吸收的電子，都能轉換成圖像進行直觀檢測。

2、非破壞性檢測

1）激光掃描分析。激光掃描在研究有源半導體器件內部工作狀況方面，是一種用途廣泛的新方法。對器件不損傷的掃描激光，不但能探測晶體管內直流和高頻的增益變化，揭示器件非線性方式的工作區，檢測器件內部溫度，而且能確定集成電路內部的邏輯狀態及對這些狀態進行有選擇的改變;同時，它還可用來完成迄今尚不能實現倒焊器件的測量，也就是說，通過芯片的背面可觀察到電路的工作狀態和金屬化圖形。鑒于大規模和超大規模集成電路的出現，生產無缺陷的集成電路掩膜顯得越來越重要。然而，采用顯微鏡這種常規檢查法，無論在生產能力還是檢測效果上，都滿足不了質量要求。若用激光掃描法，僅在相當短的時間內就能對掩膜做到100%的有效檢查，確實是一種快速高效檢查掩膜的成功途徑。

2）紅外顯微分析。紅外顯示技術早在50年代就被用來觀察硅中位錯的分布，近年來才在失效分析中得到重視和推廣。鍺、硅等半導體材料（包括薄的金屬層）對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體器件和集成電路的金屬化缺陷、位錯和P-N結表面缺陷、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結合組成的所謂紅外電視顯微鏡，還可在電視監視器屏幕上檢查表面拋光質量和表面缺陷，檢查金屬化系統有否開路或金屬與絕緣層之間的短路等。

四、結語

總之，半導體器件失效分析是通過對失效器件進行各種測試和物理、化學、金相試驗，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過程（失效機理），尋找器件失效原因，制訂糾正和改進措施。加強半導體器件的失效分析，提高其固有可靠性和使用可靠性，是改進電子產品質量最積極、最根本的辦法，對提高整機可靠性有著重要的作用。

參考文獻

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