半导体器件失效分析的研究
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。
半导体器件可靠性与失效分析1
半导体器件可靠性与失效分析1半导体器件可靠性与失效分析1半导体器件在各种电子设备中起着至关重要的作用，如芯片、传感器、集成电路等。
然而，由于工作环境的复杂性和器件本身的特性，半导体器件的可靠性是一个重要的问题。
本文将介绍半导体器件的可靠性与失效分析，并讨论一些常见的失效模式和分析方法。
半导体器件的可靠性是指在给定的工作条件下，器件长时间运行期间不发生失效的能力。
为了提高可靠性，需要对器件进行系统的设计、工艺制造和测试。
同时，可靠性的评估和失效分析也非常重要，可以帮助找出失效的原因并采取相应的措施来提高产品质量。
1.电学失效：包括死机、开路、短路等。
这些失效通常与器件内部的电气结构有关，例如金属线路的断裂、金属间的绝缘损坏等。
2.热失效：器件在高温环境下长时间工作可能导致热失效。
例如，温度过高可能导致金属线材的熔化、介质的老化或者金属与半导体材料之间的界面反应。
3.力学失效：包括机械应力引起的失效，例如振动、冲击、热胀冷缩等。
这些应力可能导致半导体芯片的破裂、金属线路的断裂等。
4.环境失效：包括湿度、化学气体、辐射等环境因素引起的失效。
湿度可能导致金属腐蚀、晶体管漏电等问题；化学气体可能导致金属腐蚀或者氧化等；辐射可能引起电荷捕捉或者场效应晶体管的击穿。
为了进行可靠性分析，可以采用以下方法：1.加速寿命试验：通过在加速条件下对器件进行测试，以模拟其长期工作环境，可以缩短测试时间并提前发现失效。
2.失效分析：对失效的器件进行详细的分析，包括外观观察、断面分析、器件测试等。
这可以帮助找出失效的原因，从而采取相应的措施。
3.统计分析：通过对多个器件进行失效统计和分析，可以了解失效的趋势和规律。
例如，可以计算失效率、寿命分布等参数，以评估器件的可靠性。
4.故障树分析：通过将失效事件和可能的失效原因进行组合，可以构建故障树来分析失效的可能性和影响。
这有助于识别潜在的风险和对策。
总之，半导体器件的可靠性与失效分析是确保电子设备长期稳定工作的关键。
半导体器件失效分析的研究
半导体器件失效分析的研究摘要随着现代电子设备的普及和应用，半导体器件的失效问题越来越受到重视。
本文探讨半导体器件失效的原因以及失效分析的方法，帮助相关从业人员解决类似问题。
引言随着半导体技术的不断发展，半导体器件已经成为当今电子行业不可或缺的部分。
半导体器件的失效问题不仅会直接影响电子设备的性能和质量，还会导致一定的经济损失。
因此，对半导体器件失效问题的研究和分析显得异常重要。
半导体器件失效的原因半导体器件失效通常是由以下原因造成的：1.应力或温度引起的损坏，例如在硅可靠性测试过程中，漏电流仪量测中高应力和高温度就是主要的失败机制。
2.断路或短路造成的内部损坏。
3.腐蚀、电子迁移、枝晶、金属迁移或氧化等导致材料层面的失效。
4.环境问题，例如化学污染、湿度或氧化。
半导体器件失效分析的方法半导体器件失效分析方法通常来说可以分为以下几步：1.收集失效器件的历史资料，如原始故障记录等，并尽可能了解失效器件的使用情况及用途。
2.进行外观检查，查看失效器件是否存在表面损坏、丝印损伤等问题。
3.进行器件标识检查，确保失效器件型号与设备实际使用的型号是否一致。
4.进行失效器件电性测试，确定失效器件的电参数是否正常。
5.进行仪器分析，如扫描电镜观察、光学显微镜观察等，以确定失效器件的内部是否存在缺陷或损坏。
6.进行化学分析，以确定失效器件是否受到了污染或者氧化。
半导体器件失效问题是电子行业一个不可忽视的问题。
本文介绍了半导体器件失效的原因以及分析方法，希望这些方法能帮助相关从业人员对半导体器件失效问题有更全面的了解，更好的保证电子设备的质量和性能。
半导体器件可靠性与失效分析微电子
半导体器件可靠性与失效分析微电子半导体器件可靠性与失效分析是微电子领域的重要课题。
半导体器件的可靠性是指在一定的使用环境和使用条件下，器件在规定时间内能够正常工作的概率。
而失效（Failure）是指器件不能在规定的时间内正常工作。
半导体器件的可靠性与失效分析旨在通过对器件的性能和可靠性进行评估和分析，找出器件失效的原因，并提出相应的改进措施，从而提高器件的可靠性。
1.可靠性评估：通过一系列实验和测试，评估器件在特定环境和使用条件下的可靠性。
常见的可靠性评估方法包括寿命测试、温度循环测试、湿度测试、可靠性建模等。
通过这些评估手段，可以得到器件的失效概率和失效的规律，进而为改进器件的设计和制造提供依据。
2.失效分析：失效分析是通过对失效的器件进行物理和电学特性分析，找出失效的原因和机制。
常见的失效分析方法包括显微镜观察、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱分析(EDX)、微动电压测量、故障注入方法等。
通过失效分析可以确定故障位置和失效原因，为改进器件的设计和制造提供指导。
3.失效模式与机制研究：失效模式与机制的研究是指通过理论和实验手段，研究器件失效的模式和机制。
通过对失效模式和机制的研究，可以了解器件失效的根本原因，并提出相应的改进措施。
例如，晶体管的漏电流增加、介质击穿等都是半导体器件失效的常见模式和机制。
4.退化机制分析：半导体器件的寿命会随着使用时间的增加而发生退化，导致器件性能下降甚至失效。
退化机制分析是指通过实验和测试，研究器件在使用过程中的退化机制。
常见的退化机制包括电子迁移、电子捕捉、热失效等。
通过退化机制分析可以确定退化的原因，为延长器件寿命提供参考。
半导体器件的可靠性与失效分析对于微电子行业具有重要的意义。
高可靠性的器件可以减少电子产品的故障率，提高产品的性能和稳定性。
同时，通过对失效原因和机制的研究，可以指导器件的设计和制造，提高器件的可靠性和寿命。
因此，半导体器件的可靠性与失效分析是微电子领域一个重要的研究方向，也是推动微电子技术发展的关键之一。
半导体器件可靠性与失效分析微电子
半导体器件可靠性与失效分析微电子
1.功能失效：指器件不能按照设计要求正常工作，如逻辑门无法实现
正确的逻辑功能。
2.电气失效：指器件发生电气故障，如短路、开路、漏电等。
3.热失效：由于器件内部寄生电阻、封装散热不良等原因，导致器件
温度升高，超过其承受范围，从而导致失效。
4.机械失效：指器件由于外力作用或压力过大等原因，发生物理损坏，如断裂、划伤等。
5.等离子体效应：在高电压或高频环境下，会产生等离子体，从而对
半导体器件产生有害影响。
为提高半导体器件的可靠性，需要进行失效分析，以了解器件失效的
原因
1.失效模式分析：对不同类型的失效进行分类和描述，以便查找相应
的失效原因。
2.加速寿命测试：通过在高温、高电压、高湿度等恶劣条件下进行长
时间测试，模拟器件在实际使用中的环境，加速失效过程，以便提前发现
问题。
3.失效分析方法：包括光学显微镜、电子显微镜、故障定位分析、X
射线衍射等多种方法，用于观察器件失效的具体细节，并找出失效的原因。
4.剖析和分析失效原因：通过对失效器件的分析和试验，找出失效的
原因和机理，如晶体缺陷、金属线断裂等。
5.提高设计和工艺：根据失效分析结果，改进器件的设计和工艺，以
提高器件的可靠性。
总之，半导体器件可靠性与失效分析在微电子领域中具有重要的意义，它不仅能提高半导体器件的可靠性，还能为微电子系统的设计和制造提供
理论指导和实践经验。
随着技术的进一步发展，可靠性和失效分析将继续
成为微电子行业的研究热点。
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。
IGBT失效分析
IGBT失效分析IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种重要的功率半导体器件，具有高性能和高集成度的特点，并广泛应用在电力电子设备中。
然而，由于IGBT长期工作在高温、高电压、高电流的环境下，容易出现失效的情况。
本文将对IGBT失效进行分析，重点从热失效、电压失效和电流失效三个方面进行论述。
首先，热失效是IGBT常见的失效形式之一、由于IGBT在工作过程中会产生大量的热量，如果散热不良或者长时间高温工作，会导致IGBT内部温度过高，从而造成失效。
常见的热失效原因包括过大的功率损耗、散热不良以及热应力等。
功率损耗过大会导致IGBT内部温度升高，从而热失效。
散热不良是指IGBT无法将产生的热量迅速散发出去，造成内部温度过高。
热应力则是指IGBT长时间在高温环境下工作，导致器件老化，最终失效。
其次，电压失效是指IGBT承受电压超过其额定值而失效的情况。
IGBT的电压承受能力受到其结构设计和材料特性的限制，如果工作电压超过了其额定值，会导致击穿、损伤甚至烧毁。
常见的电压失效原因包括过高的工作电压、过高的尖顶电压以及过高的幅值电压等。
过高的工作电压意味着IGBT需要承受更高的电场强度，容易导致击穿。
过高的尖顶电压和幅值电压则是指在电压波形上出现过高的尖顶值或幅值，会导致电压应力集中，容易造成失效。
最后，电流失效是指IGBT承受电流超过其额定值而失效的情况。
IGBT的电流承受能力受到其电流密度和结构设计的限制，如果工作电流超过了其额定值，会导致过载、击穿甚至烧毁。
常见的电流失效原因包括过高的工作电流、过高的尖顶电流以及过高的幅值电流等。
过高的工作电流意味着IGBT需要承受更高的电流密度，容易导致击穿。
过高的尖顶电流和幅值电流则是指在电流波形上出现过高的尖顶值或幅值，会导致电流应力集中，容易造成失效。
综上所述，IGBT的失效主要包括热失效、电压失效和电流失效。
热失效是由于功率损耗过大、散热不良或者长时间高温工作而导致的，电压失效是由于工作电压超过额定值而导致的，电流失效是由于工作电流超过额定值而导致的。
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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(micr oprobe)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。
因此，在失效分析中，各个步骤缺一不可。
关键词：失效分析；Photoemission；IR-OBIRCH；微探针（microprobe）;ABSTRACTTechnology of failure analysis is extremely important for reliability of IC.Due to advance of IC, failure analysis is more difficult.Advanced equipment,rational methods and professional of failure analysis is needed. How to use Photoemission andIR-OBIRCH to find defect location will be performed in this article.The abnormal emission site can be acquired by Photoemission（e.g reverse biased junction, silicon leakage currents, MOS transistors saturated mode and so on）. Then the abnormal emission site is showed on IC image. Photoemission is very important in failure analysis, we can study the IC schematic and layout overlay base on Photoemission result, and sometimes the abnormal emission site is just the defect location.The IR-OBIRCH(Infrared Optical beam Induced Resistance Change) method simultaneously uses two main processes: laser-beam heating and resistance-change detection. The resistance change appears as current change or voltage change only when the laser beam irradiates a line where a current is flowing.This results in imaging current paths.Photoemission and IR-OBIRCH can help us to find the defect location, but professional of circuit analysis and usage of microprobe is also important. Base on Photoemission result, after IC schematic and layout overlay study, then microprobe is performed to trace the internal signal and find the abnormal IV-Curves. IR-OBIRCH can be used to find the defect location at last.Keywords: failure analysis; Photoemission; IR-OBIRCH; microprobe;目录第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 失效分析的概述 (1)第二章失效分析的基本流程 (2)2.1 失效分析流程遵循的基本规律 (2)2.2 失效分析的步骤 (2)2.3 失效分析应用到的技术 (3)2.4 失效分析流程实例 (4)第三章失效分析中的封装检查 (6)3.1 封装介绍 (6)3.2 外观检查 (10)3.3 X射线检查（X-ray） (7)3.4 超声波扫描显微镜检查（C-SAM） (11)3.4.1 C-SAM概述 (11)3.4.2 C-SAM原理 (12)3.4.3 C-SAM应用实例 (14)第四章 Photoemission显微镜介绍 (16)4.1 半导体物理的一些基本知识 (16)4.2 Photoemission显微镜的介绍 (17)4.3 Photoemission显微镜的物理机理 (18)4.4 Photoemission显微镜的正面分析和背面分析 (19)4.5 Photoemission显微镜光学系统 (20)4.5.1 Photoemission探测器（PEM Detector） (21)4.5.2 光谱探测率 (22)4.5.3 影响灵敏度的因素 (23)4.6 Photoemission光谱学 (24)4.6.1 Photoemission光谱学的设备 (24)4.6.2 Photoemission光源分类 (25)第五章失效分析中的激光感应技术 (25)5.1 激光感应技术介绍 (25)5.2 IR-OBIRCH介绍 (25)5.3 IR-OBIRCH原理 (26)5.4 IR-OBIRCH的实践应用 (27)5.5 SDL技术 (32)5.5.1 SDL技术介绍 (32)5.5.2 案例研究 (33)第六章失效分析的实际案例 (38)6.1 案例1 (38)6.2 案例2 (41)第七章结论 (43)参考文献 (44)第一章绪论第一章绪论1.1引言随着社会的发展，科技的进步，集成电路在人们的日常生活和社会发展中所占的比率逐步增大，各种集成电路产品也层出不穷。
在市场竞争的激励下，集成规模逐步增高,功能集成也日渐加大，对可靠性的要求也越来越高。
对此，对于集成电路的失效分析变的越来越重要，但随着集成度的提高、工艺尺寸的缩小，失效分析所面临的困难也急剧增大。
1.2失效分析的概述失效分析的目的是通过失效机理、失效原因分析获得产品的改进的建议，避免类似失效事件的发生，提高产品的可靠性。
失效分析是元器件可靠性工程中的一个重要组成部分。
电子元器件的失效分析是借助各种测试技术和分析方法明确元器件的失效过程，分辨失效模式或机理，确定最终的失效原因。
开展电子元器件失效分析工作需要具备相应的测试与分析手段、元器件失效机理等专业基础知识，并需要逐步积累失效分析经验。
用于失效分析的设备很多且各有特点，应根据失效分析的要求，选用适当的分析技术和设备，充分利用其功能与特点，降低电子元器件失效分析成本，加快失效分析进度，提高失效分析成功率。
所谓失效是指电子元器件丧失或部分丧失了预定功能。
而失效模式是指电子元器件失效的外在宏观表现，对于半导体器件，失效模式有很多，主要有开路、短路、参数漂移、等等。
不同类别的电子元器件失效模式的表现各不相同，即使对同一门类的电子元器件，由于其原理、结构和电气性能的差异，失效模式的表现也不尽相同。
失效模式的确认是失效分析工作的重要环节。
失效机理是指电子元器件失效的物理、化学变化，这种变化深层次的意义指失效过程中元器件内部的原子、分子、离子的变化，以及结构的变化，是失效发生的内在本质。
失效机理的种类也很多，常见的有EOS、ESD、氧化层断裂，等等。
只有正确的分析和确认失效的原因，对于失效发生的控制和改进措施才能做到有的放矢。
第二章失效分析的基本流程2.1 失效分析流程遵循的基本规律对于失效的半导体器件，每一个实验室都有自己的一套分析流程，但其遵循的基本原理都是以非破坏性的检查为先，逐步分析，在非破坏性的检查不能发现失效根源的基础上，再对失效的半导体器件进行深一步的检查。
需要注意的是由于不同的半导体器件或者不同的失效模式都分别对应着不同的分析流程，有的失效模式只需在封装检查部分就可以发现失效根源，而有的失效模式则需要配合高精度的设备和深入的电路分析才可以得出相应的结果。
2.2 失效分析的步骤广义上来讲，失效分析的一系列步骤如下所示：第一步：对失效模式进行验证。
有可能存在这样一种情况，测试人员有可能错误的定义了半导体器件的失效模式，从而使得失效分析人员被告知的失效模式是错误的。
因此对确认失效模式是否存在这一工序可以避免不必要的工作的产生。
第二步：确认失效的种类。
失效种类可以对应为电性上的失效以及物理上的失效特征,对应电性的有参数上的失效，IV曲线有问题或者有漏电流的产生等。