半导体器件的检测与失效分析

■ 文/公安部第一研究所 秦静

关键字：半导体器件 检测 失效分析

1 半导体器件失效分析

1.1 金属化与器件失效

环境应力对半导体器件或集成电路可靠性的影响很大。金属化及其键合处就是一个不容忽视的失效源。迄今，大多数半导体器件平面工艺都采用一氧化硅作为掩膜钝化层。为在芯片上实现互连，往往在开窗口的一氧化硅层上淀积铝膜即金属化。

从物理、化学角度分析，金属化失效机理大体包括膜层张力、内聚力、机械疲劳、退火效应、杂质效应及电迁移等。

1.2 晶体缺陷与器件失效

晶体缺陷导致器件失效的机理十分复杂，有些问题至今尚不清楚。晶体缺陷分晶体材料固有缺陷(如微缺陷)和一次缺陷两类。后者是在器件制造过程中，由于氧化、扩散等热处理后出现或增殖的大量缺陷。两种缺陷或者彼此相互作用，都将导致器件性能的退化。一次击穿就是晶体缺陷招来的严重后果。

1.2.1 位错

这种缺陷有的是在晶体生长过程中形成的(原生位错)，有的是在器件工艺中引入的(诱生位错)。位错易沿位错线加速扩散和析出，间接地促成器件劣化。事实证明，外表杂质原子(包括施主和受主)沿位错边缘的扩散比在完美晶体内快很多，其结果往往使P-N结的结平而不平整甚至穿通。鉴于位错具有“吸除效应”，对点缺陷如杂质原子、点阵空位、间隙原子等起到内部吸收的作用，故适量的位错反而对器件生产有利。

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。硅中的一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

它是在器件工艺过程中引入的,直接威胁着产品的成品率。常见的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

当前造成半导体器件出现失效的因素有很多，而具体的检测方法则可以分为两大类，一种是破坏性检测，具体指的是打开器件的封帽之后进行检测；另一种是非破坏性检测，顾名思义，就是在不对器件造成物理性破坏的前提下进行检测。不过，这种非破坏性检测也会或多或少的对元器件造成一定的伤害，在性能上也会发生一些改变。所以进行失效检测必须做好相关事宜，按照一定的计划和步骤进行。作为操作人员在实际工作时也应该谨小慎微，否则旧的失效迹象没有解决还会混进一些新的失效因素。

2.1 破坏性检测法

2.1.1 光学检测

通常来看，由于半导体元器件本身发生短路所造成的失效，其表面现象是很难被肉眼发现的。我们可以通过一百倍的显微镜去观察其元器件上的划痕。但是有些缺陷就算使用高倍显微镜也是很难看到的，例如绝缘层针孔出现短路。所以针对这些难以检查的缺陷，我们需要把芯片取下来然后把金属化铝层腐蚀，在使用显微镜进行判断。

2.1.2 电子显微镜检测

从可见波长方面来说，电子显微镜显然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以上。为了能够查找出半导体元器件上出现的电学不稳定因素，我们通常可以使用透射式电子显微镜来实现。这种检测技术主要是通过制作一种很薄的样片，但是注意的是这种减薄处理很容易造成被检测器件遭到破坏，所以在进行失效检测时候应该只限于观察晶体缺陷。除此之外，我们还可以使用电镜进行扫描，电镜形成的电子束通过扫描被检测元件后，不论是检测元件表面散落的电子还是已经被表面吸收的电子都会转化成图像，帮助我们更加直观的观察。相比其他的检测方法，使用电镜进行扫描是当前一种比较有效的检测半导体器件失效的工具。但是电镜所形成的电子束能够对被检测元件形成永久性的性能改变，所以这种方式属于破坏性检测。

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 非破坏性检测法

半导体器件是当前大多数电子元件中十分重要的组成部分，所以必须保证这些元件的可靠性满足相应的标准，这也是生产厂家必须达到的，也是当前市场经济对生产商的要求。但是以前那种十分复杂的检测方法远远不能满足当期的需要。这就需要我们找到一种经济快捷的检测方法。目前最为常用的就是快速自动检测系统，这种系统的应用基本能够满足生产线上的测试。但是从失效检测分析上来说，一套科学经济的检测犯法不仅仅包括电学特性检测，还包括很多其他的检测模式。通过实际的比较分析，非破坏性检测是当前十分理想的方法，下面我们就分析一下最为常用的几种方法。

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

这种检测技术是一种当前使用范围非常广泛的方法，主要被应用于检测有源半导体元器件内部的工作情况。采用这种方法不仅不会对器件造成损害，还能够检测出元器件晶体管内部的直流增减变化，同时能够探测术器件的内部温度，进而确定出集成电路内部的工作状态，此外，还能够实现对倒焊器件的检测，简单的说就是通过芯片背面就能够直接检测出电路的工作情况，通过具体的图形分析出检测结果。

3 结语

随着社会上对集成电路的需求量不断增加，生产出无缺陷的集成电路成为了相关企业的重要目标。