微电子器件基础- 课件 第6章 表征与测量

第六章

表征与测量第六章表征与测量表征是对没有标准的参数或特性进行研究。测量是按照国际标准进行，确保测试是有意义。半导体产业链相关的表征和测量半导体测试具有“及时性”????????原位测试，即监测半导体材料器件在实时和原位条件下的变化，也是以无损检测技术为主的，对测试速度和测试环境有更高的要求。离线测试：无太多限制，可以使用机械、电子束、离子束等。在线测试：多以无损检测技术为主，比如光学、激光、X射线、光电、电容、超声波及热磁等。第六章表征与测量6.1来料检测类型：以用途不同分类；质量：纯度要求在99.999999999%以上，表面平整度小于1nm，微粒小于1nm；（以12寸单晶硅晶圆为例）工业生产中的晶圆（1）表面缺陷（2）电阻率（3）导电类型（4）其他相关的测试项目全自动晶圆挑片分选机AP-1800晶圆检测仪

NC-6800方法目的用途抛光片研磨和化学腐蚀去除平整性瑕疵，去除表面缺陷存储芯片、功率器件外延片以原始硅片为籽晶进行薄膜沉积控制晶格缺陷，满足线宽需求；调控外延层参数，优化芯片结构CPU、GPU等先进制程退火片在惰性气体环境中进行高温退火减少抛光引起局部的原子晶格缺陷及硅片表面的含氧量CMOS电路、DRAMSOI片键合或离子注入减小寄生电容、抑制短沟道效应，提高集成度、提高运行速度、降低功耗射频芯片、功率器件、传感器等结隔离片光刻、离子注入和热扩散实现客户特定的电气性能需求—第六章表征与测量6.1来料检测表面冗余物：通过计数每平方厘米多少个颗粒；（8寸晶圆表面每平方厘米少于0.13个颗粒，尺寸要小于或等于0.08μm）晶体缺陷：通过计数的方式计算缺陷密度；（12寸晶圆中每平方厘米的缺陷不到1个）表面缺陷人工目检（镜检）：人工获取图像+人工识别半自动检测AVI：自动获取图像+人工识别自动光学检测AOI：自动获取图像+机器视觉识别相关的测试项目机械划伤：不允许存在，通过研磨抛光等方式消除；一般只做外观测试，不能做功能测试，主要采用光学的方式进行检测或捕捉。第六章表征与测量6.1来料检测图像采集摄影系统（光电传感器）、照明系统和控制系统；数据处理背景噪声减小（低通滤波+积分/平均值平滑）、图像增强和锐化等（例如二值化、傅里叶变换、直方图）；图像分析特征提取（如直方图）、分割图像(如灰度阈值分割法）、模板比较（包括模板匹配、模式匹配、统计模式匹配等）；缺陷报告增加比对次数和扩大范围进行多重判定；表面缺陷——AOI第六章表征与测量6.1来料检测电阻率晶圆图（WaferMapping）IC芯片用硅片：1～10Ω·m功率器件用硅片：MΩ级正方形薄层在半导体工业中，方块电阻Rs是设计和制造之间的接口基于编码来可视化半导体器件或芯片的性能；可扩展到设计、封装、测试等步骤中，实现半导体工业全流程的可追溯性；分析半导体制造过程中数据的最流行的方法之一。第六章表征与测量6.1来料检测电阻率——接触测量四探针法直接测量，作为其他方法测量的参考标准；线性四点法：测量传感方向电阻率不同；范德堡法：围绕样品周边放置的探针；（常与霍尔系数测试集成在一起）肖特基结探针法三探针法：一根探针与半导体构成肖特基结；C-V法：探针与硅片表面接触，形成金-半结构；测量电阻率与深度的关系：剥离表面（薄层）→测量电阻率→剥离→测量...第六章表征与测量6.1来料检测电阻率——非接触测量电学测量电容法、电感法、微波法等；涡流法：电感法的一种，用于测试均匀掺杂晶圆、半导体上金属层的电阻和厚度。非电学测量以光学方法为主;光调制光反射（热探针）：主要用于测量低剂量离子注入；太赫兹时域光谱：高灵敏度；Therma-Probe®680XP第六章表征与测量6.1来料检测几何尺寸——直径几何尺寸——厚度通过中心点横穿表面且不包含参考面或基准区的直线尺寸光学比较仪（轮廓投影仪）D=L+(S-F)给定点处穿过晶圆的垂直距离，中心点的厚度称为标称厚度静电电容法干涉法第六章表征与测量6.1来料检测几何尺寸——平坦度几何尺寸——粗糙度晶圆表面平整、均匀、无表面不规则的程度；属于宏观几何形状误差；总厚度偏差TTV、弯曲度bow、翘曲度Warp、总指示读数TIR等静电电容法和红外线干涉法；晶圆表面平整、均匀、无表面不规则的程度；属于微观几何形状误差；表面平均粗糙度Ra、均方根粗糙度Rq、最大高度粗糙度Rmax等测量方法与平坦度基本相同；第六章表征与测量6.1来料检测其他——导电类型热电动势法（冷热探针）利用温度梯度产生的热电动势来判断导电类型整流法利用金属探针与半导体材料表面容易构成整流接触的特点，可根据检流计的偏转方向或示波器的波形判断导电类型。对于n型衬底：第六章表征与测量6.1来料检测其他——少子寿命微波光电导衰减法μ-PCD测量有效寿命，但不适合寿命分布不均匀的样品准稳态光电导法QSSPC利用金属探针与半导体材料表面容易构成整流接触即微波信号的变化量与电导率的变化量成正比第六章表征与测量6.1来料检测其他——碳氧含量间隙氧OI氧原子融入晶格内形成间隙杂质，在一定温度下倾向于从硅中以SiOx的形式沉淀出来，可以吸收杂质或形成缺陷，改变电阻率和反向击穿电压。替位碳CS碳原子通常占据硅原子的位置,可能形成SiOx积累的中心，会影响OI的行为方式，增大漏电流。傅里叶转换红外光谱FTIR第六章表征与测量6.2工艺监测质量工程工艺能力指数Cpk找到最佳性能的工艺，并将干扰因子的影响减到最小；来料检查：事前预防控制工艺监测：事中过程控制出货检查：事后验证，将量测结果与规范进行比较工艺能力指数下限工艺能力指数=(平均—下限值)/(3σ)上限工艺能力指数=(上限值—平均值)/(3σ)多采用统计过程控制（SPC）1）测量过程；2）消除过程中的差异，使其保持一致；3）监控过程；4）改进工艺。循环并持续改进实际工艺中要求不大于1.33，即±1.5σ或99.379%第六章表征与测量6.2工艺监测薄膜量测分类光学检测：基于光的波动性和相干性电子束检测：高精度X射线量测：表征薄膜检测（Inspection）在晶圆表面上或电路结构中，检测其是否出现异质情况，如颗粒污染、表面划伤、开短路等对芯片工艺性能具有不良影响的特征性结构缺陷。量测（Metrology）对被观测的晶圆电路上的结构尺寸和材料特性做出的定量描述。复检（Review）工业中多采用光学检测和电子束检测互补的形式第六章表征与测量6.2工艺监测量测——膜厚THK透明薄膜：光学方法不透明薄膜：通过方块电阻与横截面积计算（如金属）椭偏光谱仪SE在椭偏仪的基础上加入光栅单色仪组件，产生波长连续变化的入射光，突破单波长量测的限制，向多波长的光谱量测拓展。适用于表征单层薄膜、复杂多层膜及超薄膜等结构。白光干涉光谱WLRS利用光学干涉原理量测膜厚并获得表面轮廓，通常使用宽带光源（UV、VIS或NIR），不同基底厚度对应不同范围的光谱。适用于表面粗糙度、台阶高度、微观结构分析等方面的测量。第六章表征与测量6.2工艺监测量测——关键尺寸CD半导体芯片中的最小线宽一般称为关键尺寸光学关键尺寸OCD将偏振光投射到被测对象表面，受到表面形貌的影响而反射，通过收集被测试对象的关键宽度及其他形貌（如单/多层膜高度、侧壁角等）尺寸的散射信息来实现精确量测。（类似于SE）速度快、成本低、稳定性和重复性，无接触对样本无损的优点关键尺寸扫描电子显微镜CD-SEM用电子枪射出电子束聚焦后轰击样品表面，并做光栅状扫描，通过探测电子作用于样品所产生的信号来观察并分析样品表面的组成、形态和结构。半导体工业中，多以OCD和CD-SEM相结合第六章表征与测量6.2工艺监测量测——套刻精度OVL半导体制造中晶圆当前层图形相对于参考层图形沿x和y方向的偏差（通常是CD的1/5~1/3）基于成像IBO利用具有图像识别和量测功能的高分辨率明场光学显微镜，多采用CD-SEM；需要多次测试，测试速度慢，套刻标识尺寸过大；基于衍射DBO套刻标识是两个周期性的结构，一个位于晶圆的参考层中，一个在光刻胶上。如果完全对准，那么在光照下的衍射条纹就是对称的；精度较高，设备引起的测量误差较小，测量结果的重复性很好；第六章表征与测量6.2工艺监测量测——其他台阶高度和台阶覆盖率台阶高度：晶圆表面从一个水平面到另一个水平面的垂直距离台阶覆盖率：台阶处的膜层厚度与平坦区域的膜层厚度的比值测量光学或电容探针位移变化，评估薄膜的均匀性晶圆形貌接触式和非接触式（如基于模型的红外反射光谱MBIR），可提取沟槽参数、膜厚及材料组成等信息杂质含量XPS，是有机物、聚合物和氧化物的表面分析工具MBIR第六章表征与测量6.2工艺监测检测——无图形检测裸晶圆从晶圆制造商处获得认证，在开始生产之前半导体晶圆厂收到后再次认证的检测过程，防止缺陷逃逸。光散射利用散射原理,通过算法提取和比较多通道的表面缺陷信号，可实时识别晶圆表面缺陷、判别缺陷的种类。光致发光PL利用光激发发光体所引起的发光现象，发光的频率、相位、振幅、方向、偏振态等携带了材料的大量基本信息。第六章表征与测量6.2工艺监测检测——有图形检测将测试芯片的空间像与相邻芯片的空间像进行比较，以获得仅有非零随机缺陷特征信号的空间差分图像，在缺陷的位置会生成缺陷图（类似于晶圆映射）明场检测定向照明光路，即照明光角度与采集光角度完全或部分相同，最终的成像是通过反射光形成的追求更亮的光学照明、更大的数值孔径、更大的成像视野等暗场检测照明光角度与采集光角度完全不同，最终的成像是通过图形表面的结构散射得到的。追求更高的成像分辨率、检测扫描速度及更高效的噪声控制第六章表征与测量6.2工艺监测检测——掩膜版检测在线检测是指每次曝光之前和之后对掩模版表面进行检测离线检测指定期地把掩模从系统中调出来做缺陷检测。振幅型缺陷表层缺陷，多采用电子束或AFM和TEM结合的方式，速度过低，仅能量测表面形貌，很难满足补偿的要求相位型缺陷位于掩模版多层膜底部，且不能修复，需使用工作波长检测，直接评估掩模的实际工作情况物理补偿主要采用电子束/离子束蚀刻和沉积，从而修复吸收层，使图形接近理想形貌；软件补偿通过吸收层的修正或偏移，主要是将真实空间和理想空间的像差作为评估函数，通过多次仿真优化实现补偿（难度很大）第六章表征与测量6.2工艺监测复检目的：更详细地观察、分类和分析检测到的缺陷与颗粒的形状及成分，以及所在位置的背景环境，为识别哪道工序、哪台设备、哪种材料引起的缺陷提供有效信息，从而分析和判断缺陷产生的原因和对应的工艺步骤，并进行针对性的缺陷改善。流程：首先使用OM或SEM复检，通过与相邻管芯的电路图案进行比较，或者通过图像和芯片设计图形的直接比对，确认检测步骤并排查缺陷是否存在（类型、位置、发生的工序），然后将自动缺陷检测系统生成的文件（包含半导体晶圆的格标识、槽标识，相应的缺陷信号二进制信息）重新加载SEM，通过缺陷类别的位置信息来确定缺陷位置，并拍照和存储缺陷的放大图像，最后系统按照预定规则对缺陷分类，将相关信息发送到质量控制部门，以便在故障和缺陷分析中使用。通常使用差分图像方法，将多个缺陷图像与同一参考图像进行比较，提高复检速度第六章表征与测量6.3晶圆可接受测试可接受测试为了确定是否满足规范或合同的要求而进行的测试，可能涉及化学测试、物理测试或性能测试。分类晶圆可接受测试WAT：通常只测试直流参数；批次可接受测试LAT：批量验收；封装后筛选：产品交付客户前的最后一道关键的检验工序；晶圆可接受测试WAT研发阶段，用来验证设计的可行性，以及预期性能、可靠性和稳定性等，从而获得器件或电路的基本特征；试生产阶段，验证器件成品率、特性一致性等量产能力，同时是工艺调整的依据；量产阶段，反映产线工艺的波动，最大化生产能力和降低成本。MIL-PRF-38534LK级，是规范中的最高可靠性等级。它适用于航空应用。H级，是标准的军工等级。G级，是H级的低配版本，温度范围-40℃至+85℃。D级，商用质量等级，温度范围0℃至+70℃。E类，L、K、H、G或F类以外的情况。L级，是非密封器件的最高质量等级。F级，是非密封器件的标准质量等级。第六章表征与测量6.3晶圆可接受测试修调测试结构第六章表征与测量6.3晶圆可接受测试工艺部分设计规则器件之间的隔离对电路的性能影响很大，其测试主要查看漏电情况对于短路或桥接：验证制程中同层版图之间器件的隔离能力多采用交叉梳状非串联的两端结构，加上衬底构成三端器件，测试仪器对其加载1.1倍的芯片直流工作电压，测试所需的电流来判断对于开路，主要用于验证金属层、多晶硅层对关键尺寸控制能力采用梳状串联的两端结构，在有效隔离宽度外放置条状图形，测试所得电学参数与短路的测试结果共同分析，判定所在层是否正常。对于绝缘，主要用于验证制程中不同层版图之间器件的隔离能力与开路类似，但需要通过调整电极所在版图层，以便测试多晶硅层间、金属层间、有源区间及多晶硅层－金属层等情况。第六章表征与测量6.3晶圆可接受测试工艺部分电阻对于多晶硅有源区电阻，可采用哑铃状（受到PAD间距限制）或蛇状设计版图对于接触电阻，采用链条结构,是通过增加接触孔的数目，测试得到的整体电阻平均化后得到更准确的阻值。其他栅氧完整性GOI：当栅氧不均匀或界面有缺陷时，会失去氧隔离能力，产生漏电流，包括GOI电容Cox、GOI栅氧厚度Tox、GOI击穿电压BVoxCD测量：由测量两条同长度，不同宽度的电阻，换算出其宽度CD大小（ΔW（即CD的损失）和Rs）额外规则：以漏电流来检测接触覆盖性，版图通常为十字架结构，可以有效发现误触发等问题。当W=W1时，Rs为薄层电阻，可测得电阻R1R1=Rs×L/(W1-ΔW)当W=W2时，可测得电阻R2R2=Rs×L/(W2-ΔW)所以

R1/R2=(W2-ΔW)/(W1-ΔW)第六章表征与测量6.3晶圆可接受测试器件部分MOS器件击穿电压BVd：评估MOS器件耐压能力；关断电流Ioff：反映器件关断状态下漏电流大小；饱和电流Ids：评估器件在饱和区工作时漏电流大小；衬底电流Isub：反映器件中衬底与源漏之间的电流情况；阈值电压Vth：表征MOS器件开启电压；双极型晶体管放大倍数hfe：评估晶体管放大能力反向击穿电压Vb：评估晶体管耐压能力二极管结电容Cj：反应结区电荷存储能力结漏电流Ileak：评估漏电流大小反向击穿电压Vb：评估耐压能力第六章表征与测量6.3晶圆可接受测试探针测试基于点接触探针测试：主要用于评估器件的电学参数；扫描探针测试：主要用于分析表面形貌、载流子分布及表面功函数等特性原子力显微镜AFM在芯片截面成像应用中有明显优势开尔文探针测量半导体材料的表面功函数与单色光结合构成表面光电压谱SPV，可以表征表界面缺陷状态与AFM结合，构成了开尔文探针力显微镜KPFM，获得关于半导体掺杂、能带弯曲、电介质中的电荷捕获和腐蚀等信息与飞秒激光器和高性能示波器结合，构成瞬态Kelvin探针，可获得电荷传输等信息接触(AC)模式非接触(DC)模式KPFM第六章表征与测量6.3晶圆可接受测试探针测试扩散电阻分布SPR用于研究半导体材料中的扩散电阻、电阻率及载流子浓度与深度关系的方法加入5mV左右的电压就可以克服探针-硅电阻（接近欧姆接触），同时保持探针尖端电阻和其他连接电阻最小化，从而精确地测量扩散电阻。扩散电阻显微镜SSRM测量的是探针尖端和横截面之间的接触，以避免与倾斜相关的载流子溢出效应，配合宽范围放大器可实现对亚纳米尺度半导体器件的分析。Thurber曲线第六章表征与测量6.4测试测试可信性衡量测试设备提供正确测试结果的一致性；影响因素：接触不良、设置不当、湿气、设备的可重复性；可信性超过95%，无需重测；低于85%，则认为可无效。测试产量通过电气测试的芯片数量与总芯片数量的比值；评估工艺能力和预测产品的性能；泊松模型、墨菲模型、Seed模型、指数模型。测试保护带面对生产的测试计划：要求更为严格；面对质量保证的测试计划：最终测试；之间就是测试保护带——引入CPK评估Y=[(1-e(-AD))/(AD)]2.Y=(1-e(-2AD))/(2AD)校准≠验证第六章表征与测量6.4测试缺陷与故障缺陷主要是因制造条件的不正常和工艺设计有误等造成的物理结构的改变，如工艺、材料、寿命和封装等缺陷。缺陷是物理级失效的一种，映射到逻辑级就可以建模为故障（非正常状态），映射到行为级就是错误。故障模型：将故障特征进行抽象和分类，将具有相同效果的故障归为同一种故障类型和描述方式逻辑级：固定故障、静态电流故障、时延故障等。电路级：固定故障、桥接故障和时延故障等。第六章表征与测量6.4测试测试向量及生成过程如下：先建立描述电路“好”或“坏”的模型，然后设计出能检验电路“好”或“坏”的测试数据，再把设计好的数据加在被检验的电路上；观察被检验电路的输出结果；最后分析与理想的结果是否一致。向量生成建模——故障减少——故障仿真——可测试性度量——测试压缩——测试向量生成测试设备ATE：由机台、负载板/探针卡、分选机和测试程序等部分组成。负载板（FT）/探针卡（CP）附件工具：接触器、加热板等被测器件（DUT）第六章表征与测量6.4测试芯片探针CP目的是在封装前识别和剔除存在缺陷的芯片，从而确保封装质量的可靠性，有助于进一步优化生产工艺并降低封装成本。通过探针接触PAD再与ATE连接，对先进封装的产品尤为重要流程：基于DFT编写测试计划，根据芯片类型、测试内容、测试要求、成本选择ATE，并制作探针卡并编写程序，在测试过程中组调试程序和设备，达到量产测试。优化：将失效率较高的项目前移，较低的后移甚至删除第六章表征与测量6.4测试终测FT验证封装后的器件或电路在实际应用中的性能，并与可靠性测试相结合，以全面评估芯片的功能完整性和封装质量通常将CP和FT视为整体，综合设计测试方案长时间占用ATE，又称ATE测试流程：基于DFT和CP数据编写测试计划、选择ATE、制作负载卡和编写测试程序、调试设备和程序、量产测试，根据测试结果对芯片进行分类，针对特定类别的失效芯片进行深入分析或重测。第六章表征与测量6.4测试系统级测试SLT提高产品板的生产良率并降低生产成本将测试主机、测试板、测试插座上的芯片之间建立电气连接，硬件与FT类似（如Intel）内容主要有芯片功能测试、接口测试及内存相关测试等未来最重要的环节之一条带测试（Strip/mapTesting）器件在引线框条带中，在将其分割成单独芯片之前进行电气测试适用于小型封装的处理和测试，因为它解决了接触难题缺点：需要协调封装和测试两个独立环节，可能需要经历第二次测试过程第六章表征与测量6.4测试测试方法——ATPGATPG在半导体测试中检查器件故障或电路结构，根据相关算法自动生成所需的测试向量（集合）的过程主要通过ATPG算法实现，并用故障覆盖率和执行测试的成本来衡量和评价ATPG的好坏D算法：逐级敏化从故障到电路所有输出的全部可能通路。PODEM算法：对D算法的改进，它吸收了穷举法的优点，采用反向跟踪的方式。FAN算法：在利用拓扑信息来提高测试效率的基础上，采取了新的策略加速测试生成的完成流程建立故障模型——选择故障——故障激活——生成向量——模拟故障——移除故第六章表征与测量6.4测试测试方法——扫描路径法将时序电路简化为一个组合电路网络和带触发器的时序电路网络，提高了电路内部节点的可控性和可观测性流程①初始化过程，通过端口或内部寄存器控制，使芯片进入扫描路径模式。②移位模式，启动移位操作，将数据串行移入扫描链（寄存器），并移出测试结果。③捕获模式，关闭移位操作，让故障电路的输出被寄存器捕捉；④重复移位和捕获的过程，直到将所有故障通过扫描链串行输出并被ATE捕捉比较需要增加额外的电路面积和I/O引脚，测试时间往往较长第六章表征与测量6.4测试测试方法——边界扫描JTAG是一种遵循IEEE1149.1国际标准的测试协议，主要用于对芯片内部进行测试访问，下载、调试及边界扫描等功能。边界扫描是JTAG中的核心功能，它在I/O引脚间插入移位寄存器BSR，一般在边界（周围），当信号输入BSR时，可以观察到其中的记录，从而实现对连接芯片的测试。.TCK和TMS通过TAP控制器改变状态，可以选择使用IR或DR，并控制边界扫描测试的各状态。当输入引脚连接TDI端口并输入信号时，可以实现内部节点的测试。通过IR识别的数据被存储到DR，测试结果数据由TDO输出。在实际测试中，外部测试设备接收输出测试结果，并将其与预期结果进行比较，从而可以定位并发现故障。需要专用接口和调试器，这增加了调试的成本第六章表征与测量6.4测试测试方法——BIST内置自测试使用自己的电路测试自己的功能或参数，从而降低对外部ATE的依赖。流程：测试向量生成器根据外部输入信号生成测试向量，对内部被测电路进行测试，并将结果输出到响应分析器进行对比，以确定是否有故障，信号的输入、输出及被测电路的时钟由BIST控制器控制；逻辑BIST：通过伪随机测试图形生成器生成测试图形，应用于器件内部扫描，采用多输入寄存器获得输出信号；存储器BIST：通常由加载、读取和比较测试图形的测试电路组成，采用March、MATS+等算法来检测器件中的缺陷；提高了芯片设计的复杂性，并需要额外的晶圆面积、加工要求和封装尺寸及引脚等；第六章表征与测量6.4测试测试参数——直流连接性测试（开路/短路）VOL/IOLIDDGrossIDD第六章表征与测量6.4测试测试参数——交流上升时间和下降时间。传输时延。建立时间。保持时间。最小脉宽。最大工作频率。第六章表征与测量6.5可靠性可靠性测试可靠性是指产品在特定条件下和规定时间内实现其功能的能力。规定时间：在产品的生命周期内规定功能：要求产品符合相关的电气、外观和机械规范可靠性测试通过模拟严苛的环境条件对芯片进行冲击，以评估产品的寿命和潜在的质量风险。应力是指外界对产品造成的破坏力，包括机械、环境和电气等多方面的因素可靠度是产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率失效率是产品在单位时间内失效的概率平均无失效工作时间MTBF是产品无失效工作时间的平均值早期失效期：失效率高偶发失效期：失效率较低：有效寿命磨损失效期：失效率高第六章表征与测量6.5可靠性可靠性试验统计试验用于验证产品的可靠性或寿命是否符合规定要求，如材料设备鉴定试验和产品验收试验等；工程试验通过获得的可靠性数据，可以揭示产品在材料、设计、制造和组装等方面存在的缺陷，并提出相应的改进措施。包括筛选试验、可靠性研制试验和可靠性增长实验；第六章表征与测量6.5可靠性老化（burn-in）又称功率老炼，用于检测半导体器件的早期失效。在正常使用之前进行测试，老化能够暴露各种问题，从而有效地降低失效率，确保元器件的可靠性。筛选实验的一部分静态老化：在非工作模式下仅加载电源电压动态老化：提供输入激励信号，通过检测相关信号判断样品的老化状态或极端环境下的工作状态。老化中测试：在动态老化过程中采样电参数，并完成全部或部分功能测试。常温老化：民品高温老化：时间过长的老化热循环老化：航空航天领域精密筛选：航空航天、军工等高可靠性领域第六章表征与测量6.5可靠性寿命实验——寿命分布寿命实验时可靠性鉴定与验收试验中的核心环节，用于在实验室环境下模拟实际工作条件以评估产品的寿命特性。寿命分布与失效机制、失效模式及所施加的应力类型密切相关威布尔分布对数正态分布是半导体工业中分析寿命或可靠性数据的重要工具指数分布由大量电子元器件构成的系统在稳定工作状态第六章表征与测量6.5可靠性寿命实验——加速寿命确定产品寿命分布，一是通过试验，这需大量试验样本和时间，二是利用现有模型，可以节省时间并减少所需样本，但可能不够精确，且模型变量的赋值较复杂。加速寿命试验贮存寿命：在规定的环境条件下进行非工作状态的存放试验工作寿命试验：在规定的条件下进行加负荷的试验加速寿命试验：采用加大应力的方法，使样品在短期内失效，以预测在正常工作或存储条件下的可靠性加速寿命试验模型恒定应力试验：分几组同时进行，每组对应不同的负荷步进应力试验：在不同时间段对产品施加不同水平的负荷序进应力试验：加载的应力水平随时间连续上升第六章表征与测量6.5可靠性寿命实验——加速寿命试验加速寿命试验ALT适用于描述由损耗造成的失效机理，适用于可靠性评价和失效结构的鉴定，验证MTBF目标，并检测超出标准的失效情况高加速寿命试验HALT采用的应力多为破坏性，以更短的时间找到产品的各种工作极限与破坏极限。多用于产品研发设计阶段。高/低温度试验分别在低温和高温阶段进行，直至产品出现异常。返回常温后恢复正常为工作极限，无法恢复正常为破坏极限。温度循环TC也称为热疲劳失效检查样品是否出现可恢复性故障，并确定其可操作界限第六章表征与测量6.5可靠性寿命实验——加速寿命试验通过升高环境温度来进行加速寿命试验可以加速产品失效的过程。高/低温工作寿命HTOL/LTOL采用高/低温和电压加速，预测半导体器件在未来长时间内的正常工作寿命，即生命周期的预估在150℃测试条件下通过1000h的HTOL测试，相当于使用8年，属于抽样测试高/低温贮存寿命HTSL/LTSL评估器件在无电应力施加的高/低温环境下长期存储的可靠性在HTSL测试过程中不会对样品施加电应力，因此不能替代老化；通常达到1000h，以充分评估高温和时间对器件可靠性的影响第六章表征与测量6.5可靠性环境实验——力学环境试验模拟产品在实际运输和使用过程中可能遇到的力学条件，来检验产品的结构的完整性和耐冲击能力。机械冲击试验利用重力加速度进行多次冲击，以暴露可能存在的结构缺陷、封装异物、芯片粘片、芯片裂纹、引线键合和外引线缺陷等。跌落试验也是冲击的一种恒定加速度试验确定产品经受恒加速度环境所产生的力（重力除外），可以揭示机械冲击不一定能检测出的结构和机械缺陷，如间歇短路/开路等；通过离心机等速旋转获得不同的恒加速度数值第六章表征与测量6.5可靠性环境实验——气候环境试验模拟产品在各种气候条件下的适应性盐雾试验评估产品耐盐雾腐蚀性能国军标中“三防”试验之一评级法作为结果判断方法，即通过计算腐蚀面积与总面积的百分比，并观察金属表面是否生锈、生锈类型、腐蚀程度及是否有气泡/开裂等情况，同时检查电气功能是否受到影响，太阳辐射试验评估产品的稳定性、可靠性和性能等红外光谱：可导致产品短时高温和局部过热，引发结构材料的机械破坏及绝缘体材料的过热损坏等问题。紫外光谱：产生光化学效应，与温度、湿度等因素共同作用时，机械性能和电气性能也会随之降低。关注热效应第六章表征与测量6.5可靠性环境实验——综合环境试验将环境、力学环境试验与电测试紧密结合的一种评估方法预处理PC模拟器件在应用到电子产品前可能经历的外部环境流程：初始电性能测试、目检、温度循环、烘烤、潮湿浸泡、回流、助焊剂浸渍、清洗、烘干、目检及最终电性能检测。高压釜试验AC评估产品承受极端温度和湿度条件能力在严苛的温湿度及压力环境下测试，几小时到1000小时温度、湿度、偏置THB旨在加速金属腐蚀85℃/85%RH/1000h，并在规定的时间点施加偏压进行测试第六章表征与测量6.5可靠性环境实验——高加速应力筛选HASS在生产阶段进行的一种筛选方法，确保工艺材料的变更不会引入新的缺陷，并要求所有产品参与；采用的应力值通常高于实际环境应力，但不超过设计极限，以避免性能下降或寿命缩短；制定HASS条件筛选验证量产HASSHALT（高加速寿命试验）、HASS（高加速应力筛选）和HASA（高加速应力抽检筛选）作为验证设计与制造质量的试验方法，已成为工业界的标准。第六章表征与测量6.5可靠性电应力类试验——ESD过度电应力EOS是指由于过大的电压、电流或功率而对电路造成的破坏；静电放电ESD是正负电荷失衡时产生的一种现象，具有积聚时间长、低电量、大电流和作用时间短等特点，瞬间电压可达几千伏，远大于大多数器件和电路的极限，产生EOS破坏，是最高频的失效原因之一；人体放电模式HBM器件充电模式CDM机器放电MM第六章表征与测量6.5可靠性电应力类试验——闩锁评估芯片在出现闩锁效应时的过流能力。发生在电源与地之间，由于寄生PNP和NPN相互作用形成低阻抗通路，进而引发大电流并可能烧毁器件。对VCC引脚做电压测试，即施加1.5VCC或最大偏压，并测试其他引脚以确认电压是否符合要求。电应力类试验——浪涌来自于电源的过载电流或电容、电感的充放电短脉宽浪涌：产生的热量来不及被散热器吸收，可以估算芯片内部温度上升的情况长脉宽浪涌：等效于直流，主要受到热斑效应的影响器件内的体二极管所能承受的最大电流就是浪涌电流第六章表征与测量6.6失效分析FA流程失效分析FA探究半导体器件/芯片失效的原因和机制分类：功能失效&参数失效从验证样品的失效现象开始，进而分析失效模式，当测试结果共同指向同一失效部位，获得失效原因或机制的信息。流程受到多种因素的影响，包括器件类型、失效现象、失效前承受的应力、失效位置、失效率、失效模式、失效特性和失效机制等，不存在真正意义上的“标准”流程，需要根据实际情况灵活应对。简单流程：收集失效信息——验证失效类型——外部目检——小型试验——曲线跟踪——X射线检查——超声扫描显微镜检查——开封——内部目检——热点检测——光发射显微镜。微探针检查——芯片逆处理第六章表征与测量6.6失效分析失效机制失效模式描述器件如何发生失效，包括偏离标准的程度，如过大的失调电压或偏置电流。失效机制是器件失效的物理现象，如金属腐蚀、ESD/EOS过大等。根本原因是指引发器件失效的最初始、最关键的条件或因素，例如，器件接地不当导致ESD损坏等。分类：与晶体缺陷相关、与芯片相关、与封装相关失效验证验证样品失效的过程，过程标准与生产标准一致小型测试:配备电源、万用表、频率计、示波器、曲线跟踪器等，还需要搭建电路来模拟实际应用。曲线跟踪：IV第六章表征与测量6.6失效分析开封（去壳）剥离芯片的上层，暴露下面的缺陷部位对于塑封，进行开封，逐层剥离，方法包括手动化学蚀刻、喷射蚀刻、热机械开封和等离子蚀刻等。对于气密性封装，进行去壳，方法包括切割】拧开等。蚀刻层实例氮化物钝化90%CF4/10%O2等离子刻蚀二氧化硅25°C，Silox刻蚀铝金属线60°C，磷酸/乙酸/硝酸刻蚀Ti-W阻挡层60°C，双氧水刻蚀SiCr电阻90%CF4/10%O2等离子刻蚀多晶硅层25°C，湿法刻蚀微切片用机械方法暴露芯片或封装内目标平面通过重复锯切、研磨、抛光和染色等步骤第六章表征与测量6.6失效分析非破坏性分析——X射线照相原理：材料阻挡X射线的能力与其密度成正比应用：精细检查封装细节和缺陷，如引线偏移/键合、焊接错位、芯片连接空隙、封装空隙/裂纹及封装组件的定位等。第六章表征与测量6.6失效分析非破坏性分析——气密性测试细检漏用于检查封装损坏或导致小泄漏的缺陷氦示踪气体法：灵敏度高粗检漏用于检查因较大的损坏或缺陷造成的漏气。氟碳检漏：使用高沸点氟油和低沸点氟油由于测试方法不同，两者不能互相取代，也不能单独进行，一般是先粗检漏再细检漏。染料渗透试验第六章表征与测量6.6失效分析非破坏性分析——扫描声学显微镜SAM非破坏性分析——XRD可以获得晶体结构、晶向、晶体尺寸、缺陷等信息具有设备简单、无须制样和无损伤等特点，是研究半导体材料与器件的重要工具。又称超声波无损检测特别适用于检查不透明材料的内部结构。可以检测的失效机制包括内部裂纹、芯片连接空隙、塑封到芯片分层、塑封到芯片连接分层、塑封到引线框分层等第六章表征与测量6.6失效分析破坏性分析——缺陷检测热点检测低温下，液晶呈现固态，各向同性相较高温下，液晶呈透明液体，向列相可以用于检测介电短路或击穿、金属化短路、结漏电、移动离子污染等。电子束感应电流EBIC检测寄生pn结、掺杂及导致集电极漏电流的c-e通道等,耗尽层宽度和少子寿命，确定ESD/EOS故障点。原理：电子束穿透半导体时会在无电场条件下冲击电子和空穴，使其产生移动并重新复合；如果半导体器件内存在电场，载流子移动受到影响，被分离并被扫到不同的区域,它们的变化可显示为图像。第六章表征与测量6.6失效分析破坏性分析——缺陷检测光束感应电流OBIC主要用于定位和识别半导体样品上的各种缺陷或异常，还可以确认BJT的工作状态。使用超快激光束扫描样品表面，并依赖单光子吸收传递能量，能够克服半导体带隙，为电子提供足够的能量，使其跃迁至导带，从而