半导体器件的技术分析与检测

李新霞

中国电子科技集团公司第十三研究所 050000

半导体器件的技术分析与检测

李新霞

中国电子科技集团公司第十三研究所 050000

在半导体器件的技术应用中，半导体器件的失效会对相关产品的正常使用造成相应的影响。本文结合作者工作实践，针对半导体器件工作失效的原因，以及造成的失效进行技术分析并且总结了几种检测方法。以供同仁参考。

半导体器件；失效；检测

1.半导体器件失效技术分析

半导体失效的原因有好多种，通过工作中的实践总结，以下我们对其原因从几方面尽心分析。

1.1 金属化与器件失效

半导体器件或集成电路稳定可靠性受周边环境应力的影响很大。金属化及其键合处就是最重要的一个不容忽视的造成半导体器件失效的原因。到目前为止，大部分的半导体器件平面处理工艺都采用二氧化硅的掩膜钝化层。为了在芯片上实现真正互连，就会在开窗口的二氧化硅层处理层上淀积铝膜，这就是所谓的金属化。半导体器件失效的机理从物理、化学的角度进行分析，主要包括一膜层张力、二内聚力、三机械疲劳、四退火效应、五杂质效、六电迁移几种因素。

1.2 晶体的缺陷与半导体器件失效

由于晶体缺陷而导致的器件失效的机理相当复杂，到目前还有些问题解释不清楚，晶体缺陷分为晶体材料固有缺陷和二次缺陷两类。二次缺陷是在半导体器件在制造过程中，由于氧化过程或者热处理过程中出现的器件缺陷。

1.2.1 位错

造成晶体缺陷主要是指晶体形成过程中造成的位错，还有的原因是半导体晶体器件在工艺中造成的位错。晶体位错使得位错沿位错线扩散和析出加剧，从而造成晶体半导体器件劣化。在实际经验中，晶体位错沿位错边缘惊醒的扩散比完美半导体晶体快的更多，直接造成的后果就是半导体晶体界面不平整或者造成穿通现象。位错所具有的“吸除效应”，对点缺陷引起的内部吸收的作用，反而使得半导体晶体的适量位错对半导体器件生产更有利。

1.2.2 沉淀物

除位错造成不均匀掺杂外，外界杂质沾污也会带来严重后果，特别是重金属沾污，在半导体工艺中是经常发生的。如果这些金属杂质存在于固溶体内，其危害相对小一些；但是，一旦在P-N结处形成沉积物，则会产生严重失效，使反向漏电增大，甚至达到破坏的程度。沉积需要成核中心，而位错恰恰提供了这种中心。硅中的二次孪生晶界为沉积提供了有利的成核场所，所以具有这种晶界的二极管，其特性明显变软。

1.2.3 二次缺陷。二次缺陷是半导体器件工艺生产过程中造成的，二次缺陷直接威胁着半导体晶体器件产品的成品率。二次缺陷有失配位错、滑移位错及氧化层错。失配位错往往会导致浅结NPN管基区前沿下沉，最终影响器件截止频率和噪声系数。滑移位错除引起结特性变软外，还会导致穿通。

2.半导体器件失效检测法

半导体器件失效的原因主要检测方法可以分为两类：一、破坏性的检测方法，主要是指打开器件的装备所进行的检测；二、非破坏性的原因检测方法，就是对器件不进行物理性的破坏下进行的检测。但是，这种非破坏性检测也可能会或多或少的对元器件检测造成一定的伤害，在性能数据上也会发生一些改变。因此进行失效检测必须做好相关准备事宜，按照操作流程进行操作。

2.1 破坏性检验法

2.1.1 光学检测

在实际工作中，由于半导体晶体元器件自身电路短路造成的晶体器件失效，这种原因造成的器件失效通过肉眼很难发现。所以需要我们采用光学的检测方法进行检测，已达到检查缺陷，找出原因并得到及时的修复。

2.1.2 电子显微镜检验

从光学可见波长方面来说，电子显微镜的分辨率已经接近于光学显微镜分辨率的极限。目前能够聚焦X射线的显微镜还不能够实现放大两百倍以上。为了能准确的查找出半导体元器件上失效的电学不稳定因素，我们可以通过使用透射式电子显微镜来进行检测从而发现半导体器件中的问题。但这种检测技术通常是通过制作一种很薄的样片，来进行技术分析，最终找到器件失效的原因。直接后果是这种减薄处理很容易造成对被检测器件的破坏，因此在进行失效检测技术分析时因仅限于观察晶体缺陷，以减少的器件的伤害。

2.1.3 化学检测

采用这种检测方法不仅能够检测半导体元器件的污染情况还能够具体地分析元器件材料，同时还能够通过染色方法观看其可见度的方式来检查针孔是否出现问题。例如，我们把染色的晶片经过漂洗，已经渗透到裂纹中的染料就会流出来，我们通常把这种裂纹区着色叫做染色法，主要是通过不同的裂纹区域会有不同的棕色，然后通过施加一定的电压，就非常容易看到一些形式的裂纹区。这主要是因为这些缺陷导致器件表面形成了很明显的差异，所以通过着色法就能够使其表现出不同深度的棕色。这种检测方法必须由专门的工作人员操作，所以限制了这种方法的应用和发展。

2.2 非破坏性检测

现代生活中，在绝大多数的电子产品中半导体器件是最重要的组成部分，产品质量的运行可靠性是生产厂家以及消费者共同的要求。以前那种十分复杂或者带有破坏性的检测方法就不能满足当前的需要。我们需要有更经济更快捷的检测方法。现在应用的是快速自动检测方法，这种方法基本上能满足生产线环节的测试工作。对于半导体晶体器件失效的检测，非破坏的检测中有许多种检测方法，并且实践中检测效果很好。主要非破坏性检测常见方法如下几种。

2.2.1 俄歇电子能谱分析

这种分析方法主要是通过使用小于一千伏的低能电子束对靶材料进行不同能量的二次电子，通过能量分析这些二次电子能够获得一些能量的分布曲线，再通过这些曲线能够得出一系列的能谱，在能谱中能够直观的反映出某些元素的存在。同时能够根据峰值的强度测出不同元素的含量，这种检测数据主要来自被检测器件的表面原子层，进而分析出半导体表面的组成。这种分析方法是一种具有速度快、稳定性好的非破坏性检测方法。在进行元器件失效分析过程中，这种一起能够通过半导体元器件表面的状态分析出半导体器件失效的原因。此外，使用这种方法不仅能够对半导体元件做出精度的深度成分分析，还能够测试出器件损坏的原理。

2.2.2 激光扫描分析

此中检测是现在最经常应用的检测方法，用于检测半导体器件的实际工作状况的。这种检测方法对半导体器件不会造成伤害，同时还能检测出集成电路的内部工作状态、以及半导体器件晶体管的直流增减变化情况、同时还能检测到器件的运行温度变化情况。能够实现对器件的检测，简而言之就是通过半导体器件芯片背面就能够对电路的工作情况进行检测，通过具体数据与图形分析出检测的结果。为了满足市场对集成电路的需求，制造出令人满意的集成电路产品是我们共同的目标。

[1]方华.半导体电路测试[J].半导体科技，2002.

[2]区林.半导体元器件的应用[J].吉林大学学报1990.