半导体芯片失效分析

半导体芯片失效分析 半导体器件失效分析与检测付 鸣深圳市深爱半导体公司 广东省深圳市 518054 摘要本文对半导体器件的失效做了详尽分析并介绍了几种常用的失效检测。叙词:半导体 器件 失效分析 检测 FailureAnalysisandTestingofSemiconductorDevicesFuMingShenzhenSheaiSemiconducto rCorporationShenzhen518054Guangdong Abstract:ThefailureofsemiconductorDevicesisanalyzedindetailinthispa2perandseveraltesti ngmethodsmostinuseforfailurearepresented.KeyWords:SemiconductorDeviceFailureAnal ysisTesting.一、引 言失效分析是研究产品失效机理、提高产品成品率和可靠性的重要技术措施。下图为元器件生产过程中失效分析机构图。由图不难看出失效分析工作者要从不同渠道收集失效榈解剖分析搞清机理给出数据然后对元器件、材料和工艺提出改进的措施或再经质量管理部门认可并及时反馈到生产线以提高产品质量水平。图二、半导体器件失效分析半导体器件失效的因素很多这里着重就金属化及材料晶体缺陷对器件失效所引起作用加以分析。11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二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二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。21键合与器件失效半导体器件失效约有1413是由键合引起的。这种失效大都和金丝与铝层或铝丝与镀金管脚键合时形成AuAl系金属化合物有关。金相研究表现键合失效一是金铝在高35第12期仪表技术与传感器 温下相互扩散形成 0。由于其晶格常数、膨胀系数不同加之电导率低故在长期有色金属间化物即/紫斑 使用或高温环境下AuAl键合处会发生键合强度降低、变脆以及接触电阻增大等现象最后导致器件开路或电性能退化另一个失效机理即形成富金的金属间化合物即/柯肯德尔效应0kirk2endall。在高温时金向铝中迅速扩散形成富金化合物结果使金大量逸出造成焊点周围出现黑色环形孔这就很可能使焊点同铝膜部分或全部脱开致使器件失效。应当指出键合丝的脱开有些是永久性的有些是时断时通而且受温度影响其作用类似一个/机械开关0。31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至今尚不清楚。晶体缺陷分晶体材料固有缺陷如微缺陷和二次缺陷两类。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。毫无疑义两种缺陷或者彼此相互作用都将导致器件性能的退化。二次击穿就是晶体缺陷招来的严重后果。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结的结平面不平整甚至穿通。鉴于位错具有/吸除效应0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。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。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ec穿通。氧化层错会引起氧化膜针孔使P-N结反向漏电增加氧化层错与杂质相互作用造成反向软击穿同时在硅二氧化硅界面引起截流子散射导致载流子迁移率下降影响MOS电路的跨导和开关速度并使电荷存贮器中电荷存贮时间减少器件抗辐射性能下降。三、半导体器件失效检测法半导体器件失效检测法可分破坏性和非破坏性两大类。破坏性检测是指器件打开封帽以后的检验而非破坏检验是对器件不产生物理损伤的检测。失效检测每一步基本都是一次性的。实际上即使/非破坏性检验0也会不同程度地改变器件性能。例如射束探针法由于它的辐射效应很可能使样品损伤或者不适用再做试验。所以失效分析必须严格地按程序有、有步骤地进行。操作人员必须做到/谨小慎微、三思而后行0。否则会把真正的失效因子或迹象毁掉或者引入新的失效困子。11破坏性检验法1电学检测 这主要在管壳开封后针对集成电路芯片上各接触区或布线所进行探针测试。此时集成电路电压和电流通常要在示波器上显示出来。在灵敏度为01003pA或2nV的静态表头上可读出小于1nA和50LV的电 -5105或10-198cm电容电桥测量范围为102171F电感电流电压电阻值测量范围应在10 桥测量范围为10-1136 仪表技术与传感器1997年103H。探针可由两根简单的金属丝组成对于小的电压测量不能忽略接触电阻或热效应。2光学检测 一般说来因器件短路而失效所暴露的表面迹象如此紫斑用肉眼也易发现如果用放大100倍的双目显微镜还会清晰地观察到机械划痕。有些缺陷象导致短路的绝缘层针孔即使用高倍显微镜也不易发现。欲检测这类缺陷必须把芯片从装架上移出并腐蚀金属化铝层然后用化学法和低倍显微镜判断针孔。3电子显微镜检验 检测氧化层针孔这种微小缺陷须用小于015Lm高分辨率的光学仪器。作为可见光波长来说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够聚焦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、形状或者确定堆垛层错能够帮助我们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。如果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可以转换成图象进行直观检测。扫描电镜对研究集成电路形貌确定失效模式乃是一种十分有力的工具。但其电子束会永久性地改变一个器件的电学特性从这个角度说电子显微镜也属于破坏性检测。4化学检测 这种检测法不仅可用于分析器件材料鉴别污染情况而且还可以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由于渗透到裂纹的染料被漏出而使裂纹区着色的所谓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则很容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。化学检测法由于需要技艺娴熟的分析人员操作因而限制了它的广泛应用。51非破坏性检测半导体器件或集成电路是各种现代化电子系统中的关键元件。对这些元器件做可靠性分析无论生产厂或用户都是十分必要的。然而以往那种冗长的、只限于镜检的常规检测法远不能满足需要。人们希望能有一套既经济又快速的检测法目前发展起来的快速自动检测系统基本是适用的至少可应付生产线上的功能试验。但从失效分析角度说一套全面的可靠性检测不仅包括电学特性的检测还应包括实际的或潜在的失效模式的研究。从这个意义上讲非破坏性检测则是 最理想的方法。下面概括介绍现代非破坏性检测中常用的几种方法。1电子微探针和离子探针分析 它们都是基于以射束电子束、离子束为探针进行表面分析的方法。电子微探针分析是将微细电子束打在被分析的样片上固体被激发产生标帜X射线通过对标帜X射线的分析来判断样品成份所以亦称电子探针X射线显微分析。在失效分析中利用其背射电子图象可观察硅中缺陷P-N结区重金属杂质的沉积以及用来分析半导体材料微区域杂质、扩散层剖面杂质分布等以确定潜在的失效模式。离子微探针分析是将聚集离子束一次离子束轰击试样产生特征离子束二次离子束然后按荷质比进行分离从而分析出试样的成分。用离子探针可检查集成电路Al-Si接触从中找出电路失效机理。电子微探针和离子微探针技术能够检测电学上活性和非活性的杂质这对测量和控制那些后期会变成活性而使器件失效的杂质来说是十分重要的。射束探针法已广泛用于半导体及其绝缘膜、器件结构的分析尤其适于测37第12期仪表技术与传感器 量杂质浓度分布、表面沾污和界面特性等。但是应当指出射束探针法虽然检测灵敏度高而且能做到定量或半定量分析但不能解决失效分析中的所有的问题亦即在射速探针法做精确的定量测量之前还应辅助以其它适合测量的常规方法。2俄歇电子能谱分析 用低能