數字集成電路的失效分析與技術研究

摘要：隨著社會的不斷發展，集成電路應運而生，并在人們的生產和生活中扮演著重要的角色，其集成度也從最初的小規模向中、大規模演進。在集成電路生產中，硅是主要的材料，過去很長一段時間里，以硅為基礎生產的集成電路占集成電路總數的90%以上。以硅為生產材料不僅可以提高集成電路的成品率，還可以縮小光刻線寬，而且單晶硅在質量和尺寸上的工藝提升，還促進了集成電路在監控技術、測量技術、制造工藝、設計技術等方面的應用發展。

關鍵詞：集成電路；技術研究；失效分析

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.06.028

中圖分類號：TN 431.2" " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）06-00-03

Abstract： With the continuous development of society， integrated circuits have emerged and play an important role in people's production and life. Its integration has also evolved from initial small-scale to medium to large-scale. In the production of integrated circuits， silicon is the main material. For a long time， integrated circuits based on silicon accounted for over 90% of the total number of integrated circuits. Using silicon as a production material can not only improve the yield of integrated circuits， but also reduce the width of photolithography lines. Moreover， the process improvement of single crystal silicon in terms of quality and size also promotes the application and development of integrated circuits in monitoring technology， measurement technology， manufacturing technology， design technology， and other aspects.

Key words： integrated circuit; technical research; failure analysis

1" 電子元件的可靠性與失效分析概述

1.1 電子元件的可靠性

21世紀人類社會進入信息化時代，而電子元件在信息技術的發展中起著重要的作用。隨著社會信息技術水平的不斷提升，電子產品的生產質量要求也越來越高。一些可靠性較低、質量較差的電子元件很難獲得成功。所以，要提升元件質量就要對元件的可靠性進行研究。在制造集成電路時，不僅要保證制造車間的高度清潔，還需要購買昂貴的設備，其產品生產過程也相對復雜和漫長。因此，在實際生產過程中，要在可靠性和成本之間求得平衡，而保持適宜的可靠性往往比追求最高可靠性更有價值[1]。

1.2 失效分析概述

可靠性對于電子器件來說十分重要，為了對電子設備的可靠性進行研究，美國還成立了專門的顧問小組，該小組主要對電子器件的失效性進行分析和研究。失效分析主要是對各種電子元件的失效機理、失效狀況進行研究和觀察，并分析其失效原因，研究的理論基礎是失效物理。20世紀60年代，為了強化對電子產品的可靠性研究，我國建立了相應的電子產品研究所，這為產品的可靠性試驗提供了基礎平臺。在社會生產中，一些新材料、新工藝、新器件產品的出現，大大增加了器件失效分析的難度，我們需要借助先進的技術設備對其進行有效分析[2]。

2" 集成電路的失效模式與機理

2.1 集成電路的失效分類

（1）電性失效，這種失效情況通常是由設計和設備問題引起的，或者是在運輸、操作過程中由于靜電放電產生的，因此具有一定的隨機性。而電路中電流、電壓超過電路負載能力是發生這一失效的根本原因。由于生產環境、操作過程、操作人員、操作環境的不同，客戶和廠家都可能會造成此類問題。因此，在半導體行業中，降低器件的電過載敏感性顯得十分重要[3]。

（2）內在失效，這種失效情況主要和集成電路自身的可靠性以及器件材料有關。失效類型包括工藝失誤、一般wafe、晶體位錯、晶體缺陷和制造前道工序等問題

（3）外來失效，這種失效情況主要和電路通路、封裝以及鈍化層有關，而鈍化層和通路又與wafe的后道工序相關。因為打線部分包含在封裝范圍以內，因此外來失效和封裝工藝有很大關系。隨著集成電路工藝的日益成熟和完善，鈍化層和通路部分已經相當可靠，因此影響器件可靠性的最大原因就是封裝。例如，在微處理器中，復雜的封裝形式是影響器件可靠性的主要因素。

據統計，電性失效占據所有失效的68%，而在器件失效后復原的占17%，因為制造、設計和封裝造成的失效占25%。

2.2 集成電路的失效機理

集成電路常見失效機理包括ESD和EOS兩種，并且靜電擊穿（ESD）和電過載（EOS）損傷占所有電路失效的一半以上。在陶瓷和塑料封裝中，由于EOS/ESD損傷造成的失效排在首位。如果外部管腳加載，那么內部電流和電壓就容易超過電路的最大承受限度，從而出現電過載（EOS）損傷，這是由于其能量集中在某個區域造成的。不但會引起器件的漏電和短路，還會讓器件失去應有的功能。從某種程度上來講，ESD與EOS之間沒有絕對的界限區分，二者的主要區別就是能量脈沖的上升時間，在失效機理上都是因為局部放熱導致的器件失效。出現EOS失效，通常是因為金屬層燒傷或金線熔斷，發生熔斷和燒傷是由于能量收集過多導致的。而多晶硅熔斷器，一般是由靜電放電引起的接觸面失效。因為這些地方能量小、熱脈沖上升快，因此，只有運用光學顯微鏡才能對EOS失效進行仔細觀察，而ESD則需要分層以后才能進行觀察。在EOS失效中，最常見的失效是短路、漏電和管腳斷路，因為金絲熔斷器燒斷了連接處，并導致斷路，而多晶硅熔化并連到金屬路徑導致短路，在氧化層和金屬層之間的熔合連接處產生漏電[4]。

3" 集成電路失效分析的技術與方法

3.1 光學顯微分析

要對集成電路進行失效分析，光學顯微鏡是重要的工具之一，通常情況下金相顯微鏡、立體顯微鏡使用較多。立體顯微鏡具有放大率低、可連續調節、景深大等優點。其次，因為金相顯微鏡的物鏡放大倍數調節范圍在幾十倍到上千倍之間，因此通過改變倍數，我們就能對芯片進行仔細觀察。但它也有一個缺點，就是景深相對較小。如果在分析集成電路失效原因時，將兩種顯微鏡進行結合，就可以有效彌補這一缺點，并且還能觀察到由于燃燒、擊穿、芯片劃痕、裂紋、引線鍵合等引起的芯片損壞現象[5]。

3.2 聲學顯微分析

在不同介質中超聲波的反射和投射情況有所不同，借助這一特性，我們可以利用超聲波來檢測相關設備，并能對檢測材料的斷口進行準確把握。因此，在對芯片結構和內部斷裂進行檢測時通常會使用這一方法，因為它不容易損害芯片，這也促進了超聲檢測技術的快速發展。一般情況下，我們要在確保芯片不被損害的基礎上來對芯片內部進行檢查。而掃描激光聲學顯微鏡、掃描聲學顯微鏡以及C型掃描聲學顯微鏡是最常見的三類工具，在集成電路的失效分析中也有較多的運用。

3.3 液晶熱點檢測技術

因為ESD或EOS（電氣過載）引起的電流泄漏，是集成電路中的常見缺陷，而這一情況也可能會發生在工藝處理過程中。輸入和輸出端是泄漏電流主要的聚集處，并且導電路徑中還會產生相應的熱量，我們稱之為熱點。要對這些熱點的準確位置進行檢測，就會使用液晶熱點檢測技術。由于液體和晶體的特質會同時存在于液晶中，因此，在液晶溫度低于臨界點時就會出現晶體異性，在液晶溫度高于臨界點時就會變為同性液體。如果在芯片表面覆蓋一層液晶，當液晶發生相變時，我們就可以判定其電流發生了泄露，通過對相變的準確觀察就可以確定熱點位置。

3.4 光輻射顯微分析技術

熱離子分析儀也被稱為光輻射顯微鏡，主要用于檢測半導體器件，由于觸發內部載流子轉換而產生光子。基本的操作原理是：因為局域電場中傳導帶電子會獲得一定的能量，所以其不能在晶格中處于平穩位置，這些存在的導帶電子就是我們常說的熱電子。運轉速度過快的熱電子會與晶格原子發生強烈的碰撞，從而產生電子空穴對。這些電子空穴對會以多種方式進行結合，并發射光子。要對光子進行有效收集，可以使用紅外掃描顯微鏡來完成。通過對芯片表面發出的光子數進行統計和計算，就可以找到相應的發射中心，并對發射缺陷位置進行準確定位。該技術通常用于檢測材料和工藝中的不合理設計與缺陷，如光斑、尖端擴散、鋁膜局部發熱和針孔等。

3.5 微探針

因為集成電路具有高度集成化的特點，所以當內部電路需要進行直接測量時，一般測量儀器的探頭很難觸及到測量點，在這種情況之下，就需要使用微探針。機械式微探針系統通常由機械式定位裝置和微探針組合而成。而系統的測量能力主要取決于機械定位的精度和探針針尖的尺寸大小。在現代的微探針系統中，其探頭直徑可以小到微米或納米級，并且還能夠通過計算機系統來進行準確定位，要隔離電路則可以通過激光切割裝置和超聲波來完成。然而，這種測量方法也有一個缺點，就是容易劃傷芯片表面，損傷其金屬層，從而影響分析準確性。

4" 數字單片機集成電路的失效分析

4.1 單片機測試模式

在單片機的測試中，Test Mode測試模式專門用來測試08系列芯片。通常情況下，用戶會進入User Mode客戶模式。其常用的三種模式分別是CPU測試模式（CTM）、外圍測試模式（Peripheral Test Mode）和調試模式（Monitormode）。對于不同芯片來說，需要借助不同的條件才能進入，本文主要對08系列芯片的GP32進行說明。但無論使用哪種芯片，IRQ的電壓都需要達到2倍VDD。這時一些功能管腳會因為進入了測試模式，而導致定義發生改變，并且在測試模式下，一些寄存器也會變成專業寄存器。

4.2 管腳的開路、短路和漏電

在芯片使用過程中，管腳電特性失效會影響其正常運行。所以，在自動測試系統中，我們一定要對管腳的電特性進行檢測。從實際情況來看，最常見的失效情況就是ESD和EOS造成的芯片失效，而且管腳特性也經常受到影響。要對管腳電特性進行測試，不僅測試方法簡單，而且成功率也高。在設計芯片時，一般會設計一些保護電路，主要是為了防止電流過載和靜電擊穿，在輸出過程中一般利用二極管電路來對管腳進行保護。此外，還會使用晶體管來連接VSS、VDD和端口，如果端口處的正向電壓超載，就會和相連VDD的晶體管聯通，然后對VDD進行放電。如果端口處的負向電壓超載，就會和相連VSS的晶體管聯通，然后對VSS進行放電。因此在使用過程中，操作人員只需要開啟電壓進行設定，就可以避免因為電壓過大引起內部電路損壞。

如果ESD和EOS的能量超過標準范圍，保護電路就會失效，并且端口的電特性測試也會出現異常，例如，出現漏電、開路和短路等異常現象。在實驗室中，Curve-trace曲線追蹤器是最常用的測試工具，因為它能夠對失效情況進行直觀顯示。常用的失效分析法如下。

（1）檢查是否存在裂痕和管腳污染，對芯片封裝外形進行觀察。

（2）利用曲線追蹤器檢測管腳是否存在異常電特性。

（3）利用X-Ray對芯片表面和內部引線進行觀察，看是否存在交錯、斷裂現象。

（4）重點觀察芯片銀漿層和表面，通過SAM檢查，查看芯片內部是否出現分層現象。

（5）可使用顯微鏡對芯片進行開蓋觀察，查看引線盤周圍保護電路的位置是否正確。

（6）在短路和漏電觀察中，如果沒有看到明顯的燒毀現象，就可以進行light-emission檢查或液晶檢查，以此來對熱點進行捕捉。

（7）剝層觀察，直到襯底。

4.3 CPU的失效分析

在測試CPU的過程中，最好使用CTM測試程序。這樣我們就可以通過小型測試機進入CTM，然后對代碼進行逐一運行，篩選出所有的故障代碼，然后查看故障代碼的運行流程圖，并找到相應故障點，這樣就能對CPU的失效原因進行分析。具體的失效分析如下。

（1）在完成失效驗證后，我們要通過運行程序來捕捉熱點。

（2）與流程表、原理圖和版圖進行比對，確定失效信號和失效電路，檢查與熱點的吻合程度。

（3）將芯片的鈍化層去掉，并用微探針對失效信號進行測試，然后再與正常信號進行對比。

（4）逐層剝離進行檢查，尋找失效原因。

5" 結束語

隨著電子產業的飛速發展，元件本身的可靠性已成為電子產業所面臨的重大挑戰。因此，研究集成電路的失效分析非常必要。本文通過SAM、Light-emission、Mini-tester等技術對數字集成電路進行了失效分析，并對失效機理、失效模式等進行了詳細研究，制定了詳細的失效分析步驟，來對數字單片機的不同模塊進行測試。希望通過本文的研究，能夠促進集成電路失效分析技術的快速發展。

參考文獻

[1] 黃美蓮．關于芯片失效分析方法的討論[J]．信息通信，2018（2）：112-114.

[2] 費躍哲．集成電路應用和失效分析方法研究[J]．微處理機，2020，41（1）：19-21.

[3] 王龍．集成電路器件的檢測與失效分析[J]．集成電路應用，2022，39（2）：38-39.

[4] 汪小青，虞勇堅，馬勇，等．集成電路檢驗/失效分析過程芯片去層制備方法[J]．電子與封裝，2021，21（8）：89-93.

[5] 江國棟．混合集成電路內鍵合失效模式及機理分析．混合微電子技術，2019，30（4）：83-88.