半导体器件失效分析基础大全
半导体器件可靠性与失效全面分析
路各自的优点，达到优势互补的目的．
工艺： 用膜工艺制作无源元件，用半导体IC或
晶体管制作有源器件．
• 三种集成电路的比较 :
混合IC 成本低 可靠性好 自由度大 设计周期短 1~1M 1~10F 10mH
膜IC
半导体IC
批量时成本下降 在批量时下降
可靠性好
源极流经此区的电子成为热电子，碰撞增多 ---漏极雪崩热载流子；
注入栅极二氧化硅膜中，使其产生陷阱和界 面能级，阈值电压增加，氧化层电荷增加 或波动不稳，器件性能退化
• 与时间相关的介质击穿(Time Dependent Dielectric Breakdron)
击穿模型：I/E(空穴击穿)，E(热化学击穿)
影响因素：
几何因素：长度、线宽、转角、台阶、接 触孔等
材料性质：铜最好、铝较差、铝铜合金介 于其中
金属迁移
• 失效模式：金属互连线电阻值增大或开路 • 失效机理：电子风效应 • 产生条件：电流密度大于10E5A/cm2
高温 • 纠正措施：高温淀积，增加铝颗粒直径，掺铜，
降低工作温度，减少阶梯，铜互连、平面化工艺
半导体器件可靠性与 失效全面分析
理论教学内容
1.元器件概述(1) 2.元器件制造工艺与缺陷(1) 3.微电子封装技术与失效(1) 4.可靠性试验与评价技术(3)
5.使用可靠性设计(2) 6.元器件的降额设计与热设计(4)
7.静电放电损伤及防护(2) 8.可靠性筛选(2)
9.破坏性物理分析与失效分析(6) 10.失效分析案例(4)
器已被快易优收录，由于采用了特殊的真空元件，随着近年
来制造水平的提高，灭弧室部分的故障明显降低。真空灭弧
半导体器件的检测与失效分析
半导体器件的检测与失效分析针对半导体器件失效分析主要涉及到了多种实验方法其中包括物理、化学以及金相的试验程序，进而明确器件失效的形式，分析失效的具体过程，从中探寻出导致这一事件原因所在，并设定相应的实施政策。
对此，文章对于半导体器件的失效与检测进行了具体的论述，并提出下面几点有效的检查方法，最终提升半导体元件的可靠性与耐用性。
关键词：半导体器件，检测，失效分析，无损检测，破坏性分析Detection and failure analysis of semiconductor devicesGao Shao-bin1,2, jin Li-hua(1. Shijiazhuang METDA Electronic Technology Limited Corporation,Shijiazhuang 050050, China;2. The 13th Research Institute，CETC, Shijiazhuang 050051, China)The failure analysis of semiconductor devices mainly involves a variety of experimental methods, including physical, chemical and metallographic test procedures, so as to clarify the form of device failure, analyze the specific process of failure, find out the cause of this event, and set the corresponding implementation policy. Inthis regard, the article specifically discusses the failure and detection of semiconductor devices, and puts forward the following effective inspection methods, so as to improve the reliability and durability of semiconductor devices.Key words: Semiconductor devices, testing, failure analysis, nondestructive testing, destructive analysis0引言失效分析技巧主要是探究电子元件产品失效的原理，提升产品可靠性的关键手段。
半导体器件失效原因分析
半导体器件失效原因分析发信站: 紫金飞鸿 (Mon Oct 2 12:02:48 2000)多年来，用户要求有更可靠的电子设备，而与此同时，电子设备发展得越来越复杂。
这两个因素的结合，促使人们更加关注电子设备在长期运行中确保无故障的能力。
通过失效分析可以深入理解失效机理和原因，引导元器件和产品设计的改进，有助于提高电子设备（系统）的可靠性。
半导体器件的失效通常是因为产生的应力超过了它们的最大额定值。
电气应力、热应力、化学应力、辐射应力、机械应力及其他因素都会造成器件失效。
半导体器件的失效机理主要划分成以下6种：一、包封失效。
这类失效发生在用于封装器件的包封出现缺陷，通常是开裂。
机械应力或热应力以及包封材料与金属引线之间热膨胀系数的不同都会引起包封开裂，当环境湿度很高或器件暴露在溶剂、清洗剂等中时，这些裂缝会使湿气浸入，产生的化学反应会使器件性能恶化，使它们失效。
二、导线连接失效。
由于通过大电流造成过量的热应力、或由于连接不当使连接线中产生机械应力、连接线与裸芯之间界面的开裂、硅中的电致迁移、以及过量的连接压力，都会引起导线连接失效。
三、裸芯粘接故障。
裸芯与衬底之间粘接不当时，就会恶化两者之间的导热性，结果会使裸芯过热，产生热应力和开裂，使器件失效。
四、本征硅的缺陷。
由晶体瑕疵或本征硅材料中的杂质和污染物造成的缺陷使器件失效，在器件制造期间扩散工艺产生的工艺瑕疵也会造成器件失效。
五、氧化层缺陷。
静电放电和通过器件引线的高压瞬时传送，可能会使氧化层（即绝缘体）断开，造成器件功能失常。
氧化层中的开裂、划伤、或杂质也会导致器件失效。
六、铝金属缺陷。
这类缺陷往往由下列几种情况造成：由于大电场导致在电流流动方向上发生铝的电迁移；由于大电流造成过量电气应力，导致铝导体断裂；铝被腐蚀；焊接引起铝金属耗损；接触孔被不适当地淀积上金属；有小丘和裂缝。
半导体器件应该工作在由生产厂确定的电压、电流和功耗限定范围内，当器件工作在这个“安全工作范围（SOA）”之外时，电气应力过度（EOS）就会引起内部电压中断，导致器件内部损伤。
半导体器件失效分析基础
5、失效分析程序
一、解剖前
1、失效情况调查，总结失效数据。
2、测试
功能测试，验证失效数据；
非功能测试（I-V曲线测试）：
• 输入端－输入端 输入端－VCC
• 输入端－GND
输出端－GND
• 输出端－VCC
输出端－输出端
• 输入端－输出端 VCC－GND
5、失效分析程序（续）
3、外观镜检
3、失效分析的基本内容（续）
失效分析是一门边缘科学，它跨越多种科 学技术领域并把各自独立的技术综合在一起， 它也可以说是一门综合性科学。所以进行失 效分析时要经常从器件设计、制造技术、器 件物理、器件使用、设备设计和制造以及可 靠性管理等方面进行调查和综合分析考虑。 只有这样才能准确地找出失效的真正根源。
（4）对市场上失效的元器件进行分析总结，对发现 的共性问题、重点问题问题组织专题攻关或反馈相 关部门进行攻关。将攻关成果反馈回用户及后续产 品设计中，以便达到提高产品可靠性的目的。
2失 、效 失价 效格 分析的目的和意义（续）
失效分析有很好的经济效益
期间 失效价格
（美元） 用途
民用
购进器件 期间
据相符，分析失效现象可能与哪些因素有关。 2、用立体显微镜检查外观：机械损伤、腐蚀、
标记完整性等。 3、解剖后根据芯片失效特征进行判断。
3、失效分析的基本内容（续）
三、失效特征描述 利用高倍显微镜和扫描电子显微镜等设备观察失
效部位的形状、大小、位置、颜色、机械和物理结 构、物理特性等，科学地表征和阐明与上述失效模 式有关的各种失效现象。
2、失效分析的目的和意义（续）
失效分析和失效物理研究立足于微观世界，它把 半导体器件不单纯看成是具有某种功能的“黑匣 子”，而是从物理、化学的微观结构上对它进行仔 细观察和分析研究，从本质上探究半导体器件的不 可靠因素。
半导体器件可靠性与失效分析培训教材(PPT52页)
GJB4027-2000《军用电子元器件破坏性物理分析 方法》中的定义：
在电子线路或电子设备中执行电气、电子、电磁、 机电或光电功能的基本单元，该基本单元可由一个 或多个零件组成，通常不破坏是不能将其分解的。
▪分类：两大类
▪元件：在工厂生产加工时不改变分子成分的 成品，本身不产生电子，对电压、电流无控 制和变换作用。
为10 ～10 帕。有些在抽出管内气体后，再 闩锁效应(Latch-up)----寄生PNPN效应
-4 即:单片集成电路(固体电路)
-8
迁移离子：Ag,Pb,Sn,Au,Cu
充入所需成分和压强的气体。广泛用于广播、 样品：SMA连接器(阴极)
三级封装(系统级封装)：将二极封装产品通过选层、互连插座或柔性电路板与母板连接起来，形成三维立体封装，构成完整的整机系统 (立体组装技术)
将直流能量转换成频率为300兆赫～3000吉赫电磁 振荡能量的微波电子管；
利用聚焦电子束实现光、电信号的记录、存储、转 换和显示的电子束管；
利用光电子发射现象实现光电转换的光电管；
产生X射线的X射线管； 管内充有气体并产生气体放电的充气管；
以真空和气体中粒子受激辐射为工作机理，将电磁 波加以放大的真空量子电子器件等。
自20世纪60年代以后，很多真空电子器 件已逐步为固态电子器件所取代，但在高频 率、大功率领域，真空电子器件仍然具有相 当生命力，而电子束管和光电管仍将广泛应 用并有所发展。[1] 真空电子器件里面就包含 真空断路器，真空断路器具有很多优点，所 以在变电站上应用很多。真空断路器已被快 易优收录，由于采用了特殊的真空元件，随 着近年来制造水平的提高，灭弧室部分的故 障明显降低。真空灭弧室无需检修处理，当 其损坏时，只能采取更换。真空断路器运行 中发生的故障以操作机构部分所占比重较大， 其次为一次导电部分，触头导电杆等。
半导体器件失效分析与检测
半导体器件失效分析与检测摘要：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方法。
1 半导体器件失效剖析经过剖析可知形成半导体器件失效的要素有很多，我们主要从几个方面进论述。
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牢靠性的影响很大。
金属化及其键合处就是一个不容无视的失效源。
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。
为在芯片上完成互连，常常在开窗口的二氧化硅层上淀积铝膜即金属化。
从物理、化学角度剖析，金属化失效机理大致包括膜层张力、内聚力、机械疲倦、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招致器件失效的机理非常复杂，有些问题至今尚不分明。
晶体缺陷分晶体资料固有缺陷(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、扩散等热处置后呈现或增殖的大量缺陷。
两种缺陷或者彼此互相作用，都将招致器件性能的退化。
二次击穿就是晶体缺陷招来的严重结果。
1.2.1 位错这种缺陷有的是在晶体生长过程中构成的(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，表面杂质原子(包括施主和受主)沿位错边缘的扩散比在圆满晶体内快很多，其结果常常使P-N结的结平面不平整以至穿通。
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消费有利。
1.2.2 沉淀物除位错形成不平均掺杂外，外界杂质沾污也会带来严重结果，特别是重金属沾污，在半导体工艺中是经常发作的。
假如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结处构成堆积物，则会产生严重失效，使反向漏电增大，以至到达毁坏的水平。
堆积需求成核中心，而位错恰恰提供了这种中心。
硅中的二次孪生晶界为堆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。
半导体器件失效分析的研究
半导体器件失效分析的研究Research on Semiconductor Device Failure Analysis中文摘要半导体失效分析在提高集成电路的可靠性方面有着至关重要的作用。
随着集成度的提高，工艺尺寸的缩小，失效分析所面临的困难也逐步增大。
因此，失效分析必须配备相应的先进、准确的设备和技术，配以具有专业半导体知识的分析人员，精确定位失效位置。
在本文当中，着重介绍多种方法运用Photoemission显微镜配合IR-OBIRCH精确定位失效位置，并辅以多项案例。
Photoemission是半导体元器件在不同状态下（二极管反向击穿、短路产生的电流、MOS管的饱和发光，等等），所产生的不同波长的光被捕获，从而在图像上产生相应的发光点。
Photoemission在失效分析中有着不可或缺的作用，通过对好坏品所产生的发光点的对比，可以为后面的电路分析打下坚实的基础，而且在某些情况下，异常的发光点就是最后我们想要找到的defect的位置。
IR-OBIRCH(Infrared Optical beam Induced Resistance Change)主要是由两部分组成：激光加热器和电阻改变侦测器。
电阻的改变是通过激光加热电流流经的路径时电流或者电压的变化来表现的，因此，在使用IR-OBIRCH时，前提是必须保证所加电压两端产生的电流路径要流过defect的位置，这样，在激光加热到defect位置时，由于电阻的改变才能产生电流的变化，从而在图像上显现出相应位置的热点。
虽然Photoemission和IR-OBIRCH可以很好的帮助我们找到defect的位置，但良好的电路分析以及微探针(microprobe)的使用在寻找失效路径方面是十分重要的，只有通过Photoemission的结果分析，加上电路分析以及微探针(mi croprobe)测量内部信号的波形以及I-V曲线，寻找出失效路径后，IR-OBIRCH 才能更好的派上用场。
半导体器件失效分析
半导体器件失效分析半导体器件失效分析就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，提高它的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十分重要的作用。
半导体器件与使用有关的失效十分突出，占全部失效器件的绝大部分。
进口器件与国产器件相比，器件固有缺陷引起器件失效的比例明显较低，说明进口器件工艺控制得较好，固有可靠性水平较高。
1. 与使用有关的失效与使用有关的失效原因主要有：过电应力损伤、静电损伤、器件选型不当、使用线路设计不当、机械过应力、操作失误等。
①过电应力损伤。
过电应力引起的烧毁失效占使用中失效器件的绝大部分，它发生在器件测试、筛选、安装、调试、运行等各个阶段，其具体原因多种多样，常见的有多余物引起的桥接短路、地线及电源系统产生的电浪涌、烙铁漏电、仪器或测试台接地不当产生的感应电浪涌等。
按电应力的类型区分，有金属桥接短路后形成的持续大电流型电应力，还有线圈反冲电动势产生的瞬间大电流型电应力以及漏电、感应等引起的高压小电流电应力；按器件的损伤机理区分，有外来过电应力直接造成的PN结、金属化烧毁失效，还有外来过电应力损伤PN结触发CMOS电路闩锁后引起电源电流增大而造成的烧毁失效。
②静电损伤。
严格来说，器件静电损伤也属于过电应力损伤，但是由于静电型过电应力的特殊性以及静电敏感器件的广泛使用，该问题日渐突出。
静电型过电应力的特点是：电压较高(几百伏至几万伏)，能量较小，瞬间电流较大，但持续时间极短。
与一般的过电应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电过程中，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。
从静电对器件损伤后的失效模式来看，不仅有PN结劣化击穿、表面击穿等高压小电流型的失效模式，也有金属化、多晶硅烧毁等大电流失效模式。