半导体器件失效分析基础.ppt

1、半导体器件失效分析基础,内部资料，注意保密,课程说明,课程时长：4小时 授课方式：讲授 必备条件：数投、便携机、白板、扩音设备 课程简介：通过对半导体器件失效分析基础课程的讲解，使学员体会到产品进行元器件失效分析的重要性和迫切性，本课程主要讲授了器件常见失效模式、常见失效机理、失效分析流程、失效分析技术、失效分析委托流程等。通过典型失效分析照片讲解，加深学员对该课程的理解和提高学员对失效分析的兴趣,主要内容,1、失效分析产生和发展 2、失效分析目的及意义 3、失效分析基本内容 4、主要失效模式和机理 5、失效分析程序 6、开展失效分析具备的条件和注意事项 7、失效分析仪器设备一览表 8、失效分

2、析仪器设备介绍 9、典型失效分析照片介绍,内部资料，注意保密,内部资料，注意保密,1、失效分析的产生和发展,随着微电子学的飞速发展，半导体器件已广泛地应用于宇航、军事领域、工业、通讯和民用产品中。因此对半导体器件的可靠性进行研究具有非常重要的意义,内部资料，注意保密,1、失效分析的产生和发展（续,半导体器件可靠性研究的内容主要包括以下两方面： （1）评价可靠性水平 可靠性数学 可靠性试验 可靠性评估等,1、失效分析的产生和发展（续,2）如何提高可靠性 失效分析 失效物理 工艺监控 可靠性设计等,1、失效分析的产生和发展（续,器件可靠性研究首先是从评价可靠性开始的，但研究重点现在已逐渐转向如何提

3、高可靠性方面。 可靠性研究更重要的是为了提高可靠性，所以失效分析和失效物理成为可靠性研究的重点。 失效分析和失效物理的研究，它不单纯是学术研究，更重要的是为了满足可靠性工程迅速发展的需要,1、失效分析的产生和发展（续,传统的可靠性评价工作遇到的困难： （1）在试验时间、试验样品、人力、物力方面遇到了难以克服的困难。 （2）半导体器件和集成电路的品种及工艺更新速度很快，使得过去取得的可靠性数据常常变得不适用,1、失效分析的产生和发展（续,3）当代电子设备和系统日益复杂化，对器件提出了高可靠的要求。为了解决以上问题，迫切需要一种既省时间，又省费用的可靠性研究方法。 失效分析和失效物理研究就是为了达

4、到这一目的而迅速发展起来的,1、失效分析的产生和发展（续,失效分析的发展历史,1、失效分析的产生和发展（续,失效分析在60年代的突破 半导体器件可靠性在60年代发生全局性变化，是由于出现了重大的技术突破（平面工艺和集成电路的发明）。可靠性突破的三个因素是： （1）导弹、卫星、飞船、飞机对可靠性提出很高要求。 （2）研究出了能承受较高热应力和机械应力的器件。 （3）研究出了高纯的材料和先进的工艺、制造设备等,2、失效分析的目的和意义,失效分析是通过对现场使用失效样品、可靠性试验失效样品、筛选失效样品的解剖分析，得出失效模式（形式）和失效机理并准确判断失效原因，为提高产品的可靠性提供科学依据,2、

5、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,2、失效分析的目的和意义（续,失效分析对产品的贡献 （1）开展元器件的破坏性物理分析（ 简称DPA ，该工作与失效分析相辅相成，互为补充，配合使用有很好效果），它能为元器件认证提供技术服务，如：总结器件选型的关键点和薄弱点、总结器件选型的checklist。从源头上堵住质量问题，将隐患消灭在萌牙状态。对供应商提供的元器件，从工艺和质量方面起到检验和监督作用，发挥其对供应商的威慑作用,2、失

6、效分析的目的和意义（续,2）对研发中失效的元器件开展分析，帮助研发人员破解器件“黑匣子”，把分析结果反馈给研发人员，协助研发人员解决系统设计阶段存在的问题，将质量隐患消灭在产品研发阶段,2、失效分析的目的和意义（续,3）对生产线上失效的元器件快速响应，迅速准确的定位器件失效性质，为领导决策提供科学依据，确保生产线的顺利运行，将损失降低到最低程度。 （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、失效分析的目的和意义（续,失效分析有很好的经济效益,3、失效分析的基本内

7、容,失效情况调查； 失效模式鉴别； 失效特征描述； 假设失效机理； 证实失效机理； 提出纠正措施和新失效因素,3、失效分析的基本内容（续,一、失效情况的调查 1、制造厂、型号、名称、外壳类型、生产日期、批号。 2、用户、设备名称，台号、失效部位、累计运行时间。 3、失效的环境（调试、运行、高温、低温、振动、冲击、验收、现场使用等）、失效时间、判断人。 4、失效现象：无功能、参数变坏、开路、短路等,3、失效分析的基本内容（续,二、鉴别失效模式 1、电特性测试：判断失效现象是否与原始数据相符，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

8、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,3、失效分析的基本内容（续,四、失效机理假设 以半导体器件失效机理的有关理论为根据，对上述失效模式和现象进行理论推理并结合材料性质、有关设计和工艺的理论及经验，提出导致该失效模式产生的内在原因或具体的物理化学过程。如有可能，更应以分子、原子学观点加以阐明或解释,3、失效分析的基本内容（续,五、失效机理证实 选择有关的分析、试验和观测设备对失效样品进行分析，验证失效机理的假设是否

9、正确。有时需要用良品进行类似的破坏性试验，观察是否产生相似的失效现象。 这种试验分析方法有利于验证失效假设，如果一次证实不了，则重复上述二、三、四、五等步骤，直到证实为止,3、失效分析的基本内容（续,六、提出纠正措施 根据失效分析结果，提出防止产生失效的设想和建议。它包括工艺、设计、结构、线路、材料、筛选方法和条件、使用和维护方法，质量控制和管理等方面的问题,3、失效分析的基本内容（续,七、新失效因素的考虑 经过失效分析和产品设计改进，器件原有的问题得到解决，但一些新的失效因素又将产生，对这些新因素要重新分析研究，并采取新的措施加以控制和消除。如此周而复始，不断发现问题和解决问题，从而使器件的

10、可靠性水平不断得到提高,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、主要失效模式和机理,一、常见的失效模式 失效模式就是失效的表现形式。它可以分为： 漏电、开路、烧毁、光刻缺陷、扩散缺陷、铝条腐蚀、铝缺口、铝划伤、内压焊点抬起、外压焊点抬起、键合丝断裂、芯片脱落、静电放电损伤、闩锁烧毁、电过应力损伤、钝化层开裂、MOS管栅穿、多余物、漏气、白道

11、击穿、引腿断裂、外引腿腐蚀、封装标志不清、电参数超标,4、主要失效模式和机理（续,如果将失效模式分别按时间、机器台号、器件品种或生产厂家、设备研制的不同阶段等进行统计，并画出百分比分布图就是所谓失效模式模型。根据失效模式模型的区别或变化过程就可以判断可靠性的现状以及变化过程，并能准确地找出主要问题和提出有效改进措施,4、主要失效模式和机理（续,二、主要失效机理 失效机理是器件失效的实质原因。即引起器件失效的物理或化学过程。它们包括以下几方面： 1、设计问题引起的劣化：版图、工艺方案、电路和结构等方面的设计缺陷。 2、体内劣化机理：二次击穿、CMOS闩锁效应、中子辐射损伤、重金属沾污和材料缺陷引

12、起的结特性退化、瞬间功率过载等,4、主要失效模式和机理（续,3、表面劣化机理：钠离子沾污引起沟道漏电、辐照损伤，表面击穿（蠕变）、表面复合引起小电流增益减小等。 4、金属化系统劣化机理：金铝合金、铝电迁移、铝应力迁移、铝腐蚀、台阶断铝、电过应力烧毁等。 5、氧化层缺陷引起的失效：针孔、氧化层厚度不均匀、接触孔钻蚀、介质击穿等,4、主要失效模式和机理（续,6、键合缺陷引起的失效：键合点颈部损伤、键合强度不够，键合区沾污、金铝合金、键合位置不当、键合丝损伤、键合丝长尾、键合应力过大损伤硅片。 7、封装劣化机理：管腿腐蚀、管腿损伤、漏气、壳内有外来物引起漏电或短路、壳内水汽含量高、绝缘珠裂缝、标志不

13、清。 8、使用问题引起的损坏：静电放电损伤、电浪涌损伤、雷击、塑封器件潮敏失效、机械损伤，高温引起的损伤、有害气体造成元器件腐蚀、沾污腐蚀、干扰信号引起的故障等,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 VCCGND,5、失效分析程序（续,3、外观镜检 镀层质量、引脚的锈蚀情况； 引脚根部和密封处的机械损伤； 污染或粘附物； 引脚与玻璃的粘附、密封缝的质量； 外观标志,5、失效分析程序（续,4、检漏。 5、失

14、效模式分类。 6、模拟实验。 7、现场调查,5、失效分析程序（续,二、电路和元器件解剖 不同电路和元件有不同的解剖方法。解剖时不能引入新的失效模式。 大规模、超大规模塑封集成电路的解剖。 超小型塑封器件的解剖。 TO型金属管壳 陶瓷扁平封装和陶瓷双列直插式封装 G型管壳封装 金属双列直插式封装,5、失效分析程序（续,采用的解剖手段： 化学方法 物理方法 机械方法 热分离方法 如：集成电路溅射解剖方法、集成电路分层剥离技术、砷化镓器件解剖技术、光器件解剖技术、金属和陶瓷封装电路解剖技术、BGA封装电路解剖技术、大体积封装IC的物理解剖方法等等,5、失效分析程序（续,三、解剖后的分析工作 1、高倍

15、显微镜检查工艺缺陷，必要时拍照。 2、低倍立体显微镜检查组装工艺缺陷，必要时拍照。 3、电分析：变化试验条件进行参数测试，I-V特性曲线、内部元件的电性能测试。 4、机械探针台测试（必要时,5、失效分析程序（续,5、扫描电镜分析（必要时）。 6、试验分析（根据需要选择）。 7、去除铝金属化或SiO2膜。 8、芯片剖面分析（磨角染色）。 9、材料成份分析,5、失效分析程序（续,四、总结 整理分析数据和收集到的信息，写出完整的失效分析报告。提出改进措施,5、失效分析程序（续,五、常规的失效分析程序 1、电参数和功能测试。 2、模拟实验。 3、I-V曲线测试,5、失效分析程序（续,4、外观镜检。 5

16、、解剖分析。 6、内部镜检。 7、扫描电镜检查。 8、失效部位照相。 9、现场调查和验证。 10、失效分析报告,6、开展失效分析具备的条件和注意事项,一、开展失效分析的基本条件 1、必须有专业分析人员。 失效分析工作的成败主要取决于分析人员的工作能力和才干，分析人员应有较好的专业基础知识和丰富的工作经验。要具有广阔的思路和多方面的技能。 分析人员应具备半导体器件失效机理、失效分析技术、器件工艺、设计、测试、可靠性筛选、可靠性试验、物理、化学、冶金、数学等方面的知识和经验,6、开展失效分析具备的条件和注意事项（续,2、购买必要的分析设备，建立分析实验室。 基本配备如下： 观测设备； 电性能测试设

17、备； 试验设备； 各种解剖工具和辅助设备； 化学间； 化学药品； 应配备安全保护用品,6、开展失效分析具备的条件和注意事项（续,3、利用社会资源开展分析工作。 扫描电子显微镜 微探针台 俄歇电子微探针 电子微探什 离子微探针 红外热像仪 超声扫描显微镜等,6、开展失效分析具备的条件和注意事项（续,二、进行失效分析时的注意事项 1、器件失效后，由于仍存在着改变其失效状态的应力，所以在分析前，千万不要将机械、电、热应力加到失效器件上。 2、采用适当的分析设备。 3、为了能进行准确的失效分析，需要熟悉器件的设计和制造工艺。 4、应了解在试验和使用时加在器件上的应力，熟悉有关失效的记录资料,6、开展失

18、效分析具备的条件和注意事项（续,5、为了能广泛地应用失效分析结果，需作系统的记录和数据处理，写出完整的失效分析报告。 6、半导体器件的可靠性还取决于器件的电装条件、使用条件、环境条件等因素，这是元器件的共性。此外，电压、电场强度、电流密度、温度、湿度、环境、灰尘、机械应力、振动、冲击、射线、磁场强度等则是决定器件可靠性的应力因素。因此分析电路时应综合考虑各种因素对可靠性的影响,6、开展失效分析具备的条件和注意事项（续,三、验证失效机理的应力选择 为了验证假设的失效机理，需要用失效样品或合格样品进行试验验证。不同的失效机理需要选择不同试验方法和应力,附录,一、名词解释： 质 量：t=0 可靠性：

19、t=x 失效比例：% 或 PPM 失效率： 1FIT（10e-9/hour）=1菲特 宇航级：1FIT 航天级：10FIT 军用级：100FIT 工业级：200FIT 民用级：？（心脏起搏器除外,附录（续,器件的失效率满足浴盆曲线。 失效率的单位：1FIT（10e-9/hour）=1菲特 认 证：政府行为。 认 定：企业行为,附录（续,失效分析：是对失效元器件进行分析的一种方法。分析对象是失效品。 DPA分析：是对良品元器件进行破坏性物理分析的一种分析方法。分析对象是良品。 解剖分析：是失效分析、DPA分析中的一个过程。分析对象是失效品、良品,附录（续,二、潮湿敏感等级 (MOISTURE SENSITIVITY LEVEL) - 潮敏等级 存放时间 存放条件 - 1 级 无限制 常温85%RH （相对湿度） 2 级 一 年 30/60%RH（相对湿度） 3 级 一 周 30/60%RH（相对湿度） 4 级 72小时 30/60%RH（相对湿度） 5 级 48小时 30/60%RH（相对湿度） 6 级 24小时 30/60%RH（相对湿度）,附录（续,三、