半导体器件可靠性与失效微电子

半导体器件可靠性与失效分析

2011-2012-1教材：付桂翠,陈颖等,<电子元器件可靠性技术教程>北京航空航天大学出版社,2010年7月第一版.(普通高校“十一五”规划教材)参考书:孔学东,恩云飞,<电子元器件失效分析与典型案例>,国防工业出版社,2006年9月第一版.王蕴辉,于宗光等,<电子元器件可靠性设计>,科学出版社.孙青等,<电子元器件可靠性工程>,电子工业出版社.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)实验教学内容名称：集成压电类器件的破坏性物理分析学时：4学时实验性质：综合性实验元器件：选择包括有电阻电容等元件、集成电路等器件及其连接的较复杂、综合性强的集成类压电器件，例如(有源)压电蜂鸣器进行分析。

第一章元器件概述1.1元器件的定义与分类定义：欧洲空间局ESA标准中的定义：完成某一电子、电气和机电功能，并由一个或几个部分构成而且一般不能被分解或不会破坏的某个装置。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。器件：在工厂生产加工时改变了分子结构的成品，本身能产生电子，对电压电流的控制、变换(放大、开关、整流、检波、振荡和调制等)，也称电子器件。分类(来源：2007年版的《军用电子元器件合格产品目录》)电阻最可靠的元件之一失效模式：开路、机械损伤、接点损坏、短路、绝缘击穿、焊接点老化造成的电阻值漂移量超过容差电位器失效模式：接触不良、滑动噪声大、开路等二极管集成成电电路路失效效模模式式：：漏漏电电或或短短路路，，击击穿穿特特性性劣劣变变，，正正向向压压降降劣劣变变，，开开路路可可高高阻阻失效效机机理理：：电电迁迁移移，，热热载载流流子子效效应应，，与与时时间间相相关关的的介介质质击击穿穿(TDDB)，表表面面氧氧化化层层缺缺陷陷，，绝绝缘缘层层缺缺陷陷，，外外延延层层缺缺陷陷声表表面面波波器器件件MEMS压力力传传感感器器MEMS器件件的的主主要要失失效效机机理理1.粘附附----两个个光光滑滑表表面面相相接接触触时时，，在在力力作作用用下下粘粘附附在在一一起起的的现现象象；；2.蠕变变----机械械应应力力作作用用下下原原子子缓缓慢慢运运动动的的现现象象；；变变形形、、空空洞洞；；3.微粒粒污污染染----阻碍碍器器件件的的机机械械运运动动；；4.磨损损----尺寸寸超超差差，，碎碎片片卡卡入入；；5.疲劳劳断断裂裂----疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展失失效效。。真空空电电子子器器件件(vacuumelectronicdevice)指借借助助电电子子在在真真空空或或者者气气体体中中与与电电磁磁场场发发生生相相互互作作用用，，将将一一种种形形式式电电磁磁能能量量转转换换为为另另一一种种形形式式电电磁磁能能量量的的器器件件。。具具有有真真空空密密封封管管壳壳和和若若干干电电极极，，管管内内抽抽成成真真空空，，残残余余气气体体压压力力为为10-4～10-8帕。。有有些些在在抽抽出出管管内内气气体体后后，，再再充充入入所所需需成成分分和和压压强强的的气气体体。。广广泛泛用用于于广广播播、、通通信信、、电电视视、、雷雷达达、、导导航航、、自自动动控控制制、、电电子子对对抗抗、、计计算算机机终终端端显显示示、、医医学学诊诊断断治治疗疗等等领领域域。。真空空电电子子器器件件按按其其功功能能分分为为：：实现现直直流流电电能能和和电电磁磁振振荡荡能能量量之之间间转转换换的的静电电控控制制电电子子管管；将直直流流能能量量转转换换成成频频率率为为300兆兆赫赫～～3000吉吉赫赫电电磁磁振振荡荡能能量量的的微波波电电子子管管；利用用聚聚焦焦电电子子束束实实现现光光、、电电信信号号的的记记录录、、存存储储、、转转换换和和显显示示的的电子子束束管管；利用用光光电电子子发发射射现现象象实实现现光光电电转转换换的的光光电电管管；；产生生X射射线线的的X射射线线管管；管内内充充有有气气体体并并产产生生气气体体放放电电的的充气气管管；以真真空空和和气气体体中中粒粒子子受受激激辐辐射射为为工工作作机机理理，，将将电电磁磁波波加加以以放放大大的的真真空空量量子子电电子子器器件件等等。。自20世世纪纪60年年代代以以后后，，很很多多真真空空电电子子器器件件已已逐逐步步为为固态态电电子子器器件件所取取代代，，但但在在高高频频率率、、大大功功率率领领域域，，真真空空电电子子器器件件仍仍然然具具有有相相当当生生命命力力，，而而电电子子束束管管和和光光电电管管仍仍将将广广泛泛应应用用并并有有所所发发展展。。[1]真真空空电电子子器器件件里里面面就就包包含含真真空空断断路路器器，，真真空空断断路路器器具具有有很很多多优优点点，，所所以以在在变变电电站站上上应应用用很很多多。。真真空空断断路路器器已已被被快快易易优优收收录录，，由由于于采采用用了了特特殊殊的的真真空空元元件件，，随随着着近近年年来来制制造造水水平平的的提提高高，，灭灭弧弧室室部部分分的的故故障障明明显显降降低低。。真真空空灭灭弧弧室室无无需需检检修修处处理理，，当当其其损损坏坏时时，，只只能能采采取取更更换换。。真真空空断断路路器器运运行行中中发发生生的的故故障障以以操操作作机机构构部部分分所所占占比比重重较较大大，，其其次次为为一一次次导导电电部部分分，，触触头头导导电电杆杆等等。。第二章元器件制造造工艺与缺缺陷2.1芯芯片加工中中的缺陷与与成品率预预测芯片制造缺缺陷的分类类：全局缺陷：：光刻对准准误差、工工艺参数随随机起伏、、线宽变化化等；在成成熟、可控控性良好的的工艺线上上，可减少少到极少，，甚至几乎乎可以消除除。局域缺陷：：氧化物针针孔等点缺缺陷，不可可完全消除除，损失的的成品率更更高。点缺陷：冗冗余物、丢丢失物、氧氧化物针孔孔、结泄漏漏来源：灰尘尘微粒、硅硅片与设备备的接触、、化学试剂剂中的杂质质颗粒。2.2混混合集成电电路的失效效混合集成电电路工艺：：IC工艺：：氧化、扩扩散、镀膜膜、光刻等等厚膜工艺：：基板加工工、制版、、丝网印刷刷、烧结、、激光调阻阻、分离元元器件组装装等薄膜工艺：：基板加工工、制版、、薄膜制备备、光刻、、电镀等失效原因：：元器件失效效：31%互连失效：：23%，，引线键合合失效、芯芯片粘结不不良等；沾污失效：：21%关于混合集集成电路：：按制作工艺艺，可将集集成电路分分为:1.半导体体集成电路路(基片：：半导体)即:单片集集成电路(固体电路路)工艺:半导导体工艺(扩散、氧氧化、外延延等)2.膜集集成电路(基片：玻玻璃、陶瓷瓷等绝缘体体)工艺：薄膜膜集成电路路真空空蒸镀溅射化学气相沉沉积技术厚膜集成电电路浆浆料喷涂在在基片上经烧结而成成(丝网印印刷技术)3.混合合集成电路路(HybridIntegratedCircuit)特点：充分利用半半导体集成成电路和膜膜集成电路路各自的优优点，达到到优势互补补的目的．．工艺：用膜工艺制制作无源元元件，用半半导体IC或晶体管管制作有源源器件．三种集成电电路的比较较:混合IC膜IC半导体IC成本低批量时成本下降在批量时下降可靠性好可靠性好可靠性最好自由度大自由度较大自由度受限制设计周期短设计周期较短设计周期长1~1M1~10M101~101k1~10F1.2F50pF10mH100H不能实现混合IC膜IC半导体IC无源元件精度：≥±10%有源器件精度：±10～20%无源元件精度：≥±５%有源器件精度：±10～20%无源元件精度：≥±20～30%差有源器件精度：±20~30%差集成度较低集成度较高集成度最高超高频、大(极低)功率、高压大电流、元件类型多的电路含无源元件多、阻值范围宽、精度高、跟踪温度系数好的模拟电路有源器件多，数字电路，脉冲电路，标准化模拟电路3.微电子子封装技术术与失效3.1微微电子封装装的分级：：零级封装：：通过互连连技术将芯芯片焊区与与各级封装装的焊区连连接起来；；一级封装(器件级封封装)：将将一个或多多个IC芯芯片用适宜宜的材料封封装起来，，并使芯片片的焊区与与封装的外外引脚用引引线键合(WB)、、载带自动动焊(TAB)和倒倒装焊(FC)连接接起来，使使之成为有有功能的器器件或组件件，包括单单芯片组件件SCM和和多芯片组组件MCM两大类二级封装(板极封装装)：将一一级微电子子封装产品品和无源元元件一同安安装到印制制板或其他他基板上，，成为部件件或整机。。三级封装(系统级封封装)：将将二极封装装产品通过过选层、互互连插座或或柔性电路路板与母板板连接起来来，形成三三维立体封封装，构成成完整的整整机系统(立体组装装技术)3.2微微电子的失失效机理1.热/机机械失效热疲劳热疲劳失效效主要是由由于电源的的闭合和断断开引起热热应力循环环，造成互互连焊点变变形，最终终产生裂纹纹失效分析例例子3-1连接器的过过机械应力力疲劳损伤伤样品：SMA连接器器(阴极)现象：外部部插头(阳阳极)与该该SMA接接头连接不不紧，装机机前插拔力力检验合格格失效模式：：接触不良良半圆弧夹片片明显偏离离(孔学东东,恩云飞飞主编的电电)插孔周边绝绝缘介质有有较深的插插痕(孔学东,恩云飞主主编的电)偏离的半圆圆夹片根部部有裂纹(孔学东,恩云飞主主编的电)半圆片裂纹纹断面(孔学东,恩云飞主主编的电)蠕变----材料在在长时间恒恒温、恒压压下，即使使应力没有有达到屈服服强度，也也会慢慢产产生塑性变变形的现象象蠕变导致焊焊点断裂脆性断裂当应力超过过某一值时时，陶瓷、、玻璃和硅硅等脆性材材料易发生生脆性断裂裂。断裂一一般发生在在有初始裂裂纹和刻痕痕的地方，，当原有裂裂纹扩展到到器件的有有源区时，，器件将失失效。塑性变形当应力超过过材料的弹弹性限度或或屈服点时时，将发生生塑性变形形(永久)：金属：电阻阻升高或开开裂陶瓷等脆性性材料：开开裂MEMS系系统：影响响精度甚至至不能正常常工作封装界面层层分层----粘粘连在一起起的不同层层之间出现现剥离或分分离的现象象原因：表面面缺陷表面存在水水汽和挥发发物材料不均或或表面粗糙糙等塑封件因热热膨胀系数数不同，温温度变化大大时会出现现；塑封件因吸吸收过多潮潮气，在受受热例如焊焊接过程中中出现分层层(爆米花花现象)；；BGA封装装中，模塑塑料与基体体界的界面面及粘胶处处易发生水水汽爆裂。。应力迁移(StressMigration)引子：铜互互连替代铝铝互连，虽虽然铜的电电阻率较低低，抗电迁迁移和应力力迁移能力力强，但应应力迁移诱诱生空洞，，导致电阻阻增大甚至至完全断裂裂出现条件：：应力梯度度—绝缘介介质与铜之之间的热失失配所致位置：通孔孔和金属连连线边缘等等应力集中中区域影响因素：：应力、应应力梯度、、互连结构构、工作温温度、金属属介质界面面粘附性、、互连材料料的微观结结构铜导线上的的应力迁移移空洞2.电致失失效电迁移(ElectronicMigration)强电流经过过金属线时时，金属离离子等会在在电流及其其他因素相相互作用下下移动并在在线内形成成孔隙或裂裂纹的现象象原因：电场场作用下金金属离子扩扩散所致，，不同材料料机制不同同：焊点：晶格格扩散铝互连线：：晶界扩散散铜互连线：：表面扩散散驱动力：电电子与离子子动量交换换和外电场场产生的综综合力、非非平衡态离离子浓度产产生的扩散散力、机械械应力、热热应力影响因素：：几何因素：：长度、线线宽、转角角、台阶、、接触孔等等材料性质：：铜最好、、铝较差、、铝铜合金金介于其中中金属迁移失效模式：：金属互连连线电阻值值增大或开开路失效机理：：电子风效效应产生条件：：电流密度度大于10E5A/cm2高温纠正措施：：高温淀积积，增加铝铝颗粒直径径，掺铜，，降低工作作温度，减减少阶梯，，铜互连、、平面化工工艺互连线和焊焊点的电迁迁移闩锁效应(Latch-up)----寄生PNPN效效应由于MOS管存在寄寄生晶体管管效应(CMOS管管下面会构构成多个晶晶体管，它它们自身可可能构成一一个电路)，若电路路偶然出现现使该寄生生晶体管开开通的条件件，则寄生生电路会极极大影响正正常电路的的动作，使使原MOS电路承受受大于正常常状态很大大的电流，，可使电路路迅速烧毁毁。闩锁锁状状态态下下器器件件在在电电源源与与地地之之间间形形成成短短路路，，造造成成大大电电流流、、过过电电应应力力和和器器件件损损坏坏通信信接接口口集集成成电电路路的的闩闩锁锁失失效效(例例子子3-2)(孔孔学学东东,恩恩云云飞飞主主编编的的电电)现象象：：信信号号通通讯讯异异常常热载载流流子子效效应应(HotCarrierInjection栅极极电电压压Vg小小于于漏漏极极电电压压Vd时时，，栅栅极极绝绝缘缘膜膜下下的的沟沟道道被被夹夹断断，，漏漏极极附附近近电电场场增增高高；；源极极流流经经此此区区的的电电子子成成为为热热电电子子，，碰碰撞撞增增多多---漏漏极极雪雪崩崩热热载载流流子子；；注入入栅栅极极二二氧氧化化硅硅膜膜中中，，使使其其产产生生陷陷阱阱和和界界面面能能级级，，阈阈值值电电压压增增加加，，氧氧化化层层电电荷荷增增加加或或波波动动不不稳稳，，器器件件性性能能退退化化与时时间间相相关关的的介介质质击击穿穿(TimeDependentDielectricBreakdron)击穿穿模模型型：：I/E(空空穴穴击击穿穿)，，E(热热化化学学击击穿穿)I/E模模型型：：电电子子穿穿越越氧氧化化膜膜产产生生电电子子陷陷阱阱和和空空穴穴陷陷阱阱+电电子子空空穴穴对对空空穴穴隧隧穿穿回回氧氧化化层层，，形形成成电电流流空空穴穴易易被被陷陷阱阱俘俘获获在在氧氧化化层层中中产产生生电电场场缺缺陷陷处处局局部部电电流流不不断断增增加加，，形形成成正正反反馈馈陷陷阱阱互互相相重重叠叠并并连连成成一一个个导导电电通通道道时时，，氧氧化化层层被被击击穿穿。。E模模型型：：热动动力力学学过过程程，，处处于于热热应应力力和和外外加加电电场场下下的的偶偶极极子子相相互互作作用用破