0 绪论-半导体器件可靠性物理 北大上课教材

1、2021/6/161半导体器件可靠性与测试半导体器件可靠性与测试北京大学微电子学系王金延、解冰Tel：62752579 Department of microelectronics Peking University2021/6/162课程的目的课程的目的1. 了解半导体器件可靠性研究的发展过程2. 熟悉引起半导体电路失效的主要模式3. 熟悉引起器件退化的主要退化机制4. 基本掌握器件退化的主要表征技术和检测方法课程目的2021/6/163课程的要求课程的要求1. 知道引起MOS电路失效的主要几种失效模式主要的失效规律2. 了解MOS器件失效的主要退化机制掌握相关的分析和判定方法3. 熟悉目前

2、主要的MOS器件退化检测方法和表征技术课程要求2021/6/164课程的参考书课程的参考书1. 半导体物理学，刘恩科、朱秉升、罗晋生编著，西安交通大学出版社，19982. 半导体器件物理，SM.Z.，黄振岗译、魏策军校，电子工业出版社，19873. 半导体器件可靠性物理，高光勃、李学信编著，科学出版社，19873. 微电子器件可靠性，史保华、贾新章、张德胜，西安电子科技大学出版社，19994. 硅二氧化硅界面物理，郭维廉，国防工业出版社，1988课程参考书2021/6/165半导体器件可靠性物理半导体器件可靠性物理 绪论绪论 MOS器件退化机制和模型器件退化机制和模型 E2PROM退化机理和模

3、型退化机理和模型 静电放电静电放电(ESD)损伤损伤 电极系统的退化、失效机理电极系统的退化、失效机理 电学退化的表征和测量技术电学退化的表征和测量技术 课程内容2021/6/166绪绪 论论2021/6/167绪论绪论半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学研究领域、研究任务、研究领域、研究任务、研究内容研究内容半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学产生过程及其重要性产生过程及其重要性半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学课程的重点课程的重点绪论是什么？是什么？干什么？干什么？为什么学？为什么学？学什么？学什么？2021/6/168绪论半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学研究领域研究领域是什么？是什

4、么？六十年代后期崛起的一门新兴的边缘学科，目前尚处于不断发展和完善阶段。半导体可靠性物理学半导体物理学半导体工艺学材料学化学冶金学电子学环境工程学系统工程学2021/6/169绪论干什么？干什么？半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学研究任务研究任务简而言之简而言之，半导体可靠性物理学主要是从发生在半导体内部的各种物理效应的角度，从原子、分子运动的角度来研究如何提高半导体可靠性的一门学科。失效规律、模式失效机理表征技术可靠性评估、可靠性设计和使用规范等2021/6/1610主要的研究内容主要的研究内容What failed?绪论研究领域和任务研究领域和任务什么什么How did it faile

5、d?Why did it failed?怎么怎么为什么为什么器件失效(氧化层击穿、器件特性退化)、电迁移等某种条件下，电学特性的变化规律判定退化机制及其对器件行为的影响2021/6/1611半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学与半导体物理学的区别与半导体物理学的区别绪论研究领域和任务研究领域和任务研究范畴研究范畴电应力(电压、电流、频率等)界面态缺陷氧化层缺陷2021/6/1612研究对象研究对象半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学与半导体物理学的区别与半导体物理学的区别绪论研究领域和任务研究领域和任务研究范围研究范围t=0半导体物理学半导体可靠性物理学半导体物理学半导体可靠性物理学2021/

6、6/1613器件可靠性指产品的寿命特点、使用维修情况、完成任务的能力大小，是产品质量的重要指标之一。半导体器件的可靠性半导体器件的可靠性绪论研究领域和任务研究领域和任务半导体可靠性物理学的主要分支半导体可靠性物理学的主要分支器件可靠性问题也是产品质量问题2021/6/1614制造过程制造过程半导体加工半导体加工切割、封装切割、封装设计设计晶片晶片芯片芯片使用过程使用过程产品产品报废、报废、失效失效筛选过程筛选过程绪论半导体器件可靠性问题半导体器件可靠性问题失效分析失效分析2021/6/1615进行器件的失效分析进行器件的失效分析半导体器件可靠性问题主要研究内容主要研究内容失效分析(failur

7、e analysis)系指产品失效后，通过对产品及其结构、使用和技术文件的系统研究，从而鉴别失效模式、确定失效原因、机理和失效演变的过程。这一门技术就是失效分析。绪论2021/6/1616绪论研究内容主要包括两个层次半导体器件可靠性问题主要研究内容主要研究内容如何提高可靠性虽然器件可靠性研究首先是从评价可靠性水平开始的，但研究重点逐渐在转向如何提高可靠性方面。可靠性数学、可靠性实验可靠性评估失效分析、失效物理工艺监控、可靠性设计2021/6/1617绪论失效分析的基本内容失效分析的基本内容常见的失效模式常见的失效模式 即失效的形式最常见的有烧毁、管壳漏气、管腿腐蚀或断腿、芯片表面内涂树脂裂缝、

8、芯片粘合不良、键合点不牢或腐蚀、芯片表面铝腐蚀、铝膜伤痕、光刻/氧化层缺陷、漏电流大、PN结击穿、阈值电压漂移等等。半导体器件可靠性问题主要研究内容主要研究内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新失效因素的考虑开路短路无功能特性退化重测合格结构不好2021/6/1618绪论主要的失效机理主要的失效机理指器件失效的实质原因。即引起器件失效的物理或化学过程。 键合缺陷引起的失效：键合颈部损伤、键合强度不够、键合面沾污金铝合金、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。 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、表面复合引起小电

9、流增益减少等。 使用问题引起的损坏：静电损伤、电浪涌损伤、机械损伤，过高温度引起的破坏、干扰信号引起的故障、焊剂腐蚀管腿等。设计问题引起的缺陷体内退化机理氧化层缺陷金属化系统退化封装退化机理版图工艺方案电路和结构二次击穿CMOS闩锁效应中子辐射损伤重金属沾污材料缺陷针孔厚度不均匀接触孔钻蚀介质击穿等金铝合金电迁移铝腐蚀铝划伤铝缺口台阶断铝过电应力烧毁管腿腐蚀管腿损伤漏气外来物引起漏短路绝缘珠裂缝标志不清2021/6/1619工艺和设计的纠正措施工艺质量控制可靠性试验使用和设计的纠正措施原材料生产工序工艺筛选机器装调和运行工艺规范失效分析产品筛选绪论器件失效分析的作用器件失效分析的作用2021/

10、6/1620半导体器件的可靠性两个概念两个概念绪论研究领域和任务研究领域和任务不同之处：失效更强调出现不正确的器件、电路功能强调两个概念：器件的失效失效和退化退化共同之处：器件特性偏离了正常指标在目前许多的文献中，二者是等效的。但严格地讲，二者有区别。本课程中，二者可互相替换。2021/6/1621绪论绪论半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学研究领域、研究任务研究领域、研究任务半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学产生过程及其重要性产生过程及其重要性半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学课程的重点课程的重点绪论是什么？是什么？干什么？干什么？为什么学？为什么学？学什么？学什么？2021/6/162

11、2绪论半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学产生过程产生过程其产生与其他边缘性学科(例如，环境工程学，系统工程学，生物工程学)一样，是科学技术发展的必然。随着电子系统的发展，其复杂性和可靠性成了尖锐的矛盾，系统越复杂，所用元器件越多，失效的概率就越大，即可靠性越不易保证。 产生背景产生背景随着集成度的提高随着集成度的提高 失效因素增加氧化层击穿、器件特性退化、电迁移、ESD、NBTI等等 总体失效的可能性增大很难同时保证成千上万个器件都不失效2021/6/16231957年年美国先锋号卫星坠毁1980年年美国科罗拉多州北美防空司令部的预警系统发出假核警报。绪论半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学

12、产生过程产生过程系统的稳定 依赖于 电子装备的维修导致了一个国家军事预算中新电子装备的购置开支与旧有电子装备的维修费之间的矛盾：四十年代末期四十年代末期，美国通过五年调查得出结论， 设备的维修费大概 10 设备购买费2021/6/16241962年年9月召开了第一届国际电子学失效物理讨论会为了解决上述诸矛盾，以美国ROME航空发展中心为代表，首先着手现场失效器件的失效分析绪论半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学产生过程产生过程1967年年从第六届开始，由IEEE参与并共同举办会议，易名为可靠性物理年会。一门边缘学科-可靠性物理学便应运而生了2021/6/1625绪论半导体可靠性物理学半导体可靠

13、性物理学产生过程产生过程可靠性物理研究和失效分析的迅速发展并不单是为了学术研究的需要，更重要的是为了满足可靠性工程可靠性工程迅速发展的需要。60年代年代以后，随着可靠性研究的发展和高可靠性半导体器件及大规模集成电路的出现，可靠性研究遇到了一下问题：第一，在试验时间、试验样品和人力物力方面遇到了难以克服的困难(例如失效率107意味着用10000个器件作1000小时试验之后才能得出这一结果)。第二，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。第三，当代电子设备和系统日益复杂化、综合化，并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

14、费用的可靠性研究方法。失效分析就是为了达到这一目的而迅速发展起来的。2021/6/1626时间时间50年代60年代70年代及以后主要研究对象主要研究对象组容元件电子管晶体管集成电路集成电路和大规模、超大规模集成电路发展阶段发展阶段统计失效阶段(开始阶段)控制失效阶段(大发展阶段)消除失效阶段(巩固提高阶段)研究方法研究方法失效率法失效分析法可靠性保证法理论基础理论基础可靠性数学失效物理可靠性物理研究重点研究重点失效规律失效机理工艺控制、可靠性设计、可靠性标准研究目的研究目的计算失效率提高可靠性保证可靠性失效分析的发展失效分析的发展绪论2021/6/1627绪论失效分析的重要性失效分析的重要性失

15、效分析从物理、化学的微观结构上对半导体器件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，从根本上探索其工作条件、环境应力和时间等因素对器件发生失效所产生的影响。失效分析工作不仅在提高可靠性方面有很好的效果，而且有很高的经济效益。失效分析和反馈纠正措施可以显著提高器件的成品率和可靠性，减少系统试验和现场使用期间的失效器件。系统试验和现场使用期间发生故障的经济损失很大，排除故障的维修费用颇高，并且这种费用随着可靠性等级的提高而指数地上升。2021/6/1628绪论半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学课程的作用课程的作用问题：对我们有什么用？跨学科涉及各领域的工作(器件物理、材料科学、

16、电路设计、工艺技术等)反过来，该课程也会有助于各领域的工作对工艺线上的工程师、研发人员、电路设计人员、设备制造者等，该门课会促进本领域的工作。2021/6/1629绪论课程的作用课程的作用近30年，半导体工业已变得非常成熟。市场竞争异常激烈。突破性的工作很难出现，产品的性能都大体相当提高竞争力和市场占有率，要求产品稳定稳定成品率高 耐用耐用寿命长厂家的生存条件提高竞争力和市场占有率因此，可靠性工作得到重视。几乎所有的半导体生产厂都有可靠性研发部门。2021/6/1630绪论绪论半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学研究领域、研究任务研究领域、研究任务半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学产生过程及其重要性产生过程及其重要性半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学课程的重点课程的重点绪论是什么？是什么？干什么？干什么？为什么学？为什么学？学什么？学什么？2021/6/1631绪论半导体可靠性物理学半导体可靠性物理学课程的重点课程的重点What failed?How did it failed?Why did it failed?什么什么 失效?判定范围怎么怎么 失效?失效表征为什么为