半导体器件失效分析研究

安云玲

摘  要：半导体器件是现代电子设备控制系统的关键元件，其可靠性水平直接关系到整机的实用性。而失效分析是提高电子元器件可靠性的重要技术措施。随着现代科技的发展，尤其是尖端科学仪器装备，对仪器元件可靠性的要求越来越高。因此，器件的失效分析越来越受到人们的重视。本文首先阐述了元器件失效分析工作的重要性，论述了元器件失效类别、模式及原因，并重点探讨了半导体器件失效检测法。

关键词：半导体器件;失效分析;检测方法

半导体器件是构成电子产品的关键与核心器件。电子产品的可靠性，在很大程度上取决于这些核心器件的可靠性。而失效分析技术是研究电子元器件产品失效机理、提高产品成品率及可靠性的重要手段。随着现代半导体制造技术从深亚微米时代进入纳米时代，开展失效分析越来越困难，只有借助更先进、更精确的设备和技术，辅以合理的失效分析步骤，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应用水平的重要手段。一个成功的失效分析，确认器件失效模式和失效机理的同时也会发现导致失效的触发因素，了解器件品质或应用的薄弱点。对器件制造商而言，通过失效分析能不断改进器件设计、制造工艺，从而不断提高器件的固有可靠性;而对器件使用者而言，通过失效分析能掌握器件应用的可靠性要点，积累器件应用的经验，从而不断提高产品设计水平。

2、失效分析是硬件问题决策的重要依据。器件失效可大致分为固有偶然失效、批次失效、使用不当失效。若是偶然失效，更换器件就可以。对批次失效，必须进行物料隔离，避免更大范围的损失。而若是使用不当导致的失效，则需查找使用中的问题并进行改进，提高使用可靠性。因此通过失效分析，能界定问题的性质和相关部门工作的职责，从而使问题能及时、正确地得到解决。

二、元器件失效类别、模式及原因

失效是指电子元器件丧失功能或降低到不能满足规定的要求。电子元器件的失效模式通常指使元器件未达到规定的电性能或物理性能要求而确定为失效元器件的拒收原因。它是表面的直观原因，对于半导体器件包括：开路、短路，性能退化、参数漂移、无输出等。

元器件的主要失效分為两大类，即元器件固有缺陷引起的本质失效和使用不当引起的使用失效。元器件固有的缺陷大多是由于设计材料、生产工艺中存在问题，使元器件留下潜在隐患，当元器件装机使用一段时间后，在外界各种应力的作用下，最终发生失效。而导致元器件使用不当而失效原因包括：设计不当、元器件选型不当、操作失误、过电应力损伤、装配工艺及装配环境的不良造成元器件失效等。

三、半导体器件失效检测法

1、破坏性检验法

1）光学检测。通常，因半导体元器件本身发生短路所造成的失效，其表面现象很难被肉眼发现。所以可通过一百倍的显微镜去观察其元器件上的划痕，但有些缺陷就算使用高倍显微镜也很难看到，例如绝缘层针孔出现短路。所以针对这些难以检查的缺陷，要把芯片取下来然后把金属化铝层腐蚀，再使用显微镜进行判断。

2）化学检验。这种检验法不但可用于分析器件材料、鉴别污染情况，而且还能用染色从增强其可见度的方式检查晶片的裂纹和针孔。例如，染色的晶片表面漂洗后，因渗透到裂纹的染料被漏出而使裂纹区着色的电化学铬酸盐染色法，能使极性不同的区域染成浓淡不同的棕色，被着色剂所覆盖的集成电路表面一旦施加电压时，易看到任何形式的裂纹区或断裂区，这是由于这些缺陷使表面电势产生明显差异，从而在芯片上呈现不同色调棕色的缘故。化学检验法，由于需技艺熟练的分析人员操作，因而限制了其广泛应用。

3）电子显微镜检验。检测氧化层针孔这种微小缺陷，需用小于0.5μm高分辨率的光学仪器。作为可见光波长，它已接近于光学显微镜分辨率的极限。当然，X射线的波长要短得多，但能聚焦X射线的显微镜，目前尚不能放大到200倍以上。采用透射式电子显微镜测量集成电路选定截面的尺寸、形状，或确定堆垛层错，能帮助找出电路在电学性能上不稳定的原因。这种技术通常要制备一块很薄的样片，而且减薄处理常使被检器件遭到损坏，所以在失效分析中只限于观察抛光损伤和晶体缺陷。若采用扫描电镜，只要电子束在样品上逐点扫描，无论是表面散射的电子还是被表面吸收的电子，都能转换成图像进行直观检测。

2、非破坏性检测

1）激光扫描分析。激光扫描在研究有源半导体器件内部工作状况方面，是一种用途广泛的新方法。对器件不损伤的扫描激光，不但能探测晶体管内直流和高频的增益变化，揭示器件非线性方式的工作区，检测器件内部温度，而且能确定集成电路内部的逻辑状态及对这些状态进行有选择的改变;同时，它还可用来完成迄今尚不能实现倒焊器件的测量，也就是说，通过芯片的背面可观察到电路的工作状态和金属化图形。鉴于大规模和超大规模集成电路的出现，生产无缺陷的集成电路掩膜显得越来越重要。然而，采用显微镜这种常规检查法，无论在生产能力还是检测效果上，都满足不了质量要求。若用激光扫描法，仅在相当短的时间内就能对掩膜做到100%的有效检查，确实是一种快速高效检查掩膜的成功途径。

2）红外显微分析。红外显示技术早在50年代就被用来观察硅中位错的分布，近年来才在失效分析中得到重视和推广。锗、硅等半导体材料（包括薄的金属层）对近红外辐射基本是透明的。人们利用红外显微镜可直接观察半导体器件和集成电路的金属化缺陷、位错和P-N结表面缺陷、芯片裂纹，以及利用反射红外光观察芯片与管座的焊接情况;利用红外显微镜与红外电视技术结合组成的所谓红外电视显微镜，还可在电视监视器屏幕上检查表面抛光质量和表面缺陷，检查金属化系统有否开路或金属与绝缘层之间的短路等。

四、结语

总之，半导体器件失效分析是通过对失效器件进行各种测试和物理、化学、金相试验，确定器件失效的形式（失效模式），分析造成器件失效的物理和化学过程（失效机理），寻找器件失效原因，制订纠正和改进措施。加强半导体器件的失效分析，提高其固有可靠性和使用可靠性，是改进电子产品质量最积极、最根本的办法，对提高整机可靠性有着重要的作用。

参考文献

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