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1、电子元器件失效分析技术Failure Analysis,编著：张红波,一、电子元器件失效分析技术,1.1、失效分析的基本概念1.2、失效分析的重要意义1.3、失效分析的一般程序1.4、收集失效现场数据1.5、以失效分析为目的的电测技术1.6、无损失效分析技术1.7、样品制备技术1.8、显微形貌像技术1.9、以测量电压效应为基础的失效定位技术1.10、以测量电流效应为基础的失效定位技术1.11、电子元器件化学成份分析技术,1.1 失效分析的基本概念,目的：确定失效模式和失效机理，提出纠正措施，防止这种失效模式和失效机理重复出现。失效模式：指观察到的失效现象、失效形式，如开路、短路、参数漂移、功能
2、失效等。失效机理：指失效的物理化学过程，如疲劳、腐蚀和过应力等。,引起开路失效的主要原因：过电损伤、静电击穿（SEM、图示仪）、金属电迁移、金属的化学腐蚀、压焊点脱落、闩锁效应。其中淀积Al时提高硅片的温度可以提高Al原子的晶块体积，可以改善电迁移。,典型的闩锁效应电源对地的IV曲线,引起漏电和短路失效的主要原因：颗粒引发短路、介质击穿、PN结微等离子击穿、SiAl互溶,Al,穿钉,正常PN结反向曲线,微等离子击穿PN结反向曲线,引起参数漂移的主要原因：封装内水汽凝结、介质的离子粘污、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤例：Pad点处无钝化层，有水汽的话，会导致短路，水汽蒸发后又恢复绝缘性，表现
3、为工作时参数不稳定。,失效物理模型：1、应力强度模型（适于瞬间失效）失效原因：应力强度例如：过电应力（EOS）、静电放电（ESD）、闩锁（Latch up）等。2、应力时间模型（适于缓慢退化）失效原因：应力的时间积累效应，特性变化超差。例如：金属电迁移、腐蚀、热疲劳等。,3、温度应力时间模型反应速度符合下面的规律,（M是温度敏感参数，E是与失效机理有关的激活能）,（十度法则：从室温开始，每提高10度，寿命减半）,积分,产品平均寿命的估算,B,lnL,1.2失效分析的重要意义,电子元器件研制阶段 纠正设计和研制中的错误，缩短研制周期电子元器件生产阶段、测试和使用阶段 查找失效原因，判定失效的责任
4、方根据分析结果，生产厂可以改进元器件的设计和工艺，用户可以改进电路板的设计、改进器件和整机的测试和使用的环境参数或者改变供货商。,失效分析案例,案例1：GaAs微波器件的失效分析，表现为 缓慢减小，通过研究金属半导体接触退化的机理，确定了金半接触处原子互扩散是根本原因，提出了增加阻挡层作为改进措施，通过对比改进前后的可靠性评价，证明了失效分析的有效性。,MESFET端面图,为最大饱和漏电流,1.3失效分析的一般程序,1、收集失效现场数据2、电测并确定失效模式3、非破坏性分析4、打开封装5、镜检6、通电激励芯片7、失效定位8、对失效部位进行物理、化学分析9、综合分析，确定失效原因，提出纠正措施,
5、1.4 收集失效现场数据,、应力类型与元器件失效模式或机理的关系举例,收集失效现场数据的主要内容 失效环境、失效应力、失效发生期以及失效样品在失效前后的电测试结果。,失效环境包括：温度、湿度、电源环境、元器件在电路图上的位置和所受电偏置的情况。,失效应力包括：电应力、温度应力、机械应力、气候应力和辐射应力。失效发生期包括：失效样品的经历、失效时间处于早期失效、随机失效或磨损失效。,1.5以失效分析为目的的电测技术,电子元器件的电测失效分类：连接性失效（开路、短路、电阻变化等）多数是ESD和EOS引起的，比例大概50。电参数失效（值超出范围和参数不稳定）例如：电流增益、光电流、暗电流等。功能失效
6、（给定输入信号，输出异常）多数是集成电路。,电子元器件电测失效之间的相关性,例如数字集成电路，连接性失效可引起电参数失效和功能失效。输入端漏电输入电流Iin、输入电压Vin达不到要求功能失效、静态电流IDDQ失效 输入端开路和输出端开路功能失效 电源对地短路功能失效、静态电源电流IDDQ失效,电测的重要结论：,电测失效模式可能多种模式共存。一般只有一个主要失效模式，该失效模式可能引发其他失效模式。连接性失效，电参数失效和功能失效呈递增趋势，功能失效和电参数失效时常可以归结于连接性失效。在缺少复杂功能测试设备时，有可能用简单的连接性测试和参数测试，结合物理失效分析技术，仍然可以获得令人满意的失效
7、分析结果。,1.6无损失效分析技术,定义：不必打开封装对样品进行失效定位和失效分析的技术。无损失效分析技术：X射线透视技术和反射式扫描声学显微技术（CSAM）,表2、X射线透视技术和反射式扫描声学显微术（CSAM）的比较,C-SAM的工作原理图,典型的CSAM扫描出的图片,红色区域为芯片与L/F之间有空隙,1.7样品制备技术,主要步骤：1、打开封装2、去钝化层3、去除金属化层4、剖切面5、染色,打开封装,机械开封（磨，撬，加热等方法）主要针对金属封装的器件。化学开封（磨，钻，发烟硝酸、发烟硫酸腐蚀法等）主要针对塑料封装的器件。,去除塑料封装机器(decapsulator),1.7.2 去钝化层
8、技术,1为什么要去除钝化层？,2去除钝化层的方法：化学腐蚀（各向同性）等离子腐蚀PIE（各向同性）反应离子刻蚀RIE（各向异性）,各向同性腐蚀和各向异性腐蚀,金属,介质,去除金属化层技术,用途：观察CMOS电路的氧化层针孔和AlSi互溶引起的PN结穿钉现象，以及确定存储器的字线和位线对地短路或开路的失效定位配方：30的硫酸或盐酸溶液，3050，该配方不腐蚀氧化层和硅。,机械剖切面技术,一般步骤：固定器件（石蜡、松香和环氧树脂Epoxy）研磨（毛玻璃、粗砂纸）粗抛光（金相砂纸）细抛光（抛光垫加抛光膏）染色金相观察,测量结深的抛光染色图片,1.8显微形貌像技术,光学显微镜和扫描电子显微镜的比较,光
9、学照片与SEM照片对比,1.9基于测量电压效应的失效定位技术,、扫描电子显微镜的电压衬度像工作原理：电子束在处于工作状态下的被测芯片表面扫描，仪器的二次电子探头接收到的电子数量与芯片表面的电位分布有关。从而得到包含器件中电极的电势信息的SEM图象（IFA Imagebased Failure Analysis）。判定内容：芯片的金属化层开路或短路失效。,1、某芯片的电压衬度像,2、应用电压衬度像做失效分析实例,现象描述：4096位MOS存储器在电测试时发现，从一条字线可以存取的64个存储单元出现故障，现只能存储“0”信号。初步推断：译码电路失效，译码器与字线之间开路，0V或12V的电源线短路。
10、电压衬度像分析：照片中发现一处异常暗线，说明其电压为12V，而有关的译码器没有异常，说明字线与12V电源之间存在短路。由二次电子像证实，在铝条字线与多晶硅电源线之间的绝缘层中有一个小孔。,芯片内部节点的波形测量,机械探针台,EBT测试原理,EBT在线检测的芯片照片,有信号时的照片,无信号时的照片,局部放大图片,有信号时的图象 无信号时的图象,EBT测试波形,EOS激光测试系统,1.10基于测量电流效应的失效定位技术,1、显微红外热像分析技术 2、液晶热点检测技术 3、光辐射显微分析技术（PEM）(Photo Emission Microscope),液晶热点检测的特点,1、速度快，大概10分钟
11、就能做一次分析。2、空间分辨率（1um）和热分辨率（3uw）3、适用不良种类：确定芯片能耗分布，确定漏电通道，PN结内不规则的电流分布，CMOS电路闩锁区域等,显微红外热像分析技术,1、测试原理：芯片通电过程中会发热，由于芯片各部位电流强度不同，导致芯片表面温度不同，红外热像仪扫描整个芯片，可以获得芯片温度分布图。输出图的颜色对应该点的温度。2、仪器性能指标：热分辨率0.1,空间分辨率5um，测温范围30550,最灵敏温度范围80180。,3、显微红外热像仪的应用 主要是功率器件和混合集成电路,10.2 液晶热点检测技术,1、什么是液晶：液晶是一种既具有液体的流动性，又具有晶体各向异性的物质。
12、它具有一个独特性质，当温度高于某一临界温度Tc时，就会变成各向同性。2、液晶热点检测设备要求偏振显微镜（长工作距离）温控样品台（温度精度0.1）样品的电偏置（prober或packaged device）,3、液晶热点检测的关键技术显微镜在正交偏振光下观察，提高图象对液晶相变的灵敏度应控制样品温度在临界温度上下反复变化，以便找到合适的工作点检测时若偏置电压偏高，图象会变模糊，可改用脉冲偏置电压以改善图象质量,液晶工作点的选择,10.3 光辐射显微分析（PEM）,1、原理：半导体许多缺陷类型在特定电应力下会产生漏电，并伴随电子跃迁而导致光辐射。2、操作方法：首先，在外部光源下对制品进行数码照相。
13、然后对此局部加偏压（直流偏压或信号），并在不透光的暗箱中进行微光照相。最后两相片叠加。,3、适用范围：漏电结、接触尖峰、氧化缺陷、栅针孔、静电放电（ESD）损伤、闩锁效应（Latch up）、热载流子、饱和晶体管及开关管等4、缺点：有些光辐射是正常的器件，如饱和晶体管，正偏二极管等。有些很明显的失效并不产生光辐射，如欧姆型短路等。还有些缺陷虽产生辐射，但由于在器件的深层或被上层物质遮挡，无法探测。,5、优点：操作简单、方便，可以探测到半导体器件中的多种缺陷和机理引起的退化和失效，尤其在失效定位方面具有准确、直观和重复再现性。无需制样，非破坏性，不需真空环境，可以方便的施加各种静态和动听过的电应
14、力。精度：几十PA/um2，定位精度为1微米。另外还有光谱分析功能，通过对辐射点的特征光谱分析来确定辐射的性质和类型。,不良品光发射照片,光辐射显微分析技术分析实例,良品光发射照片,1.11 电子元器件化学成份分析技术,1、重要性：器件失效主要原因是污染（颗粒污染和表面污染），确认污染源是实施改进措施的先决条件。另外，界面之间原子互扩散也会引起特性退化和失效，也许要化学分析确认。,2 常用电子元器件化学成份分析技术,1.11 电子元器件化学成份分析技术,1、重要性：器件失效主要原因是污染（颗粒污染和表面污染），确认污染源是实施改进措施的先决条件。另外，界面之间原子互扩散也会引起特性退化和失效，
15、也许要化学分析确认。,2 常用电子元器件化学成份分析技术,二、电子元器件主要失效机理与相应的分析技术,2.1、分立半导体器件和集成电路共有的失效部位、机理和分析技术2.2、超大规模集成电路（VLSI）的主要失效机理和分析技术,2.1、分立半导体器件和集成电路共有的失效部位、机理和分析技术,失效模式：开路、短路和点参数漂移失效部位和机理：过电应力（EOS）损伤、静电放电（ESD）损伤、封装失效、引线键合失效、金属半导体接触退化、钠离子沾污、氧化层针孔和芯片粘接失效等,、过电应力（EOS）和静电放电（ESD）损伤的失效分析技术,EOS：电源开关瞬间、交流电源的电压波动或接地不良、雷击等情况下，器件
16、受到瞬间高电压或大电流冲击，此时瞬时功率远远超过器件的额定功率，此类损伤属于过电应力损伤。EOS损伤现象：器件发生误动作、器件pn结或介质层漏电、甚至金属化互连线或内引线发热烧毁和开路等。,ESD：由于摩擦和感应作用，人和物体可能带有高压静电，带电体接触MOS器件、CMOS电路和双极器件、会引起介质层、pn结的潜在或明显的损伤。,EOS和ESD的失效分析方法,比较失效器件和正常器件不同管脚对地端和对电源端的I-V特性打开封装对芯片进行镜检，寻找 内引线、金属化互连线的熔断点、pn结缺陷、金属热电迁移的痕迹。对正常样品进行过电应力和静电放电损伤的模拟试验，比较实效器件和模拟器件的电测结果和显微图
17、象。,、封装失效的分析技术,封装泄漏或封入水汽，都会导致封装器件内部金属化层腐蚀和器件参数漂移或失效。高温高湿试验（微小泄漏）或负压法测泄漏（大泄漏）。气密性封装内水汽的质谱法或露点法测量。,、引线键合失效的分析技术,主要表现：金线与金属化铝布线的压焊点发生固相反应，形成紫斑（AuAl2）化合物，造成接触不良，或引线脱落。另外还有ball neck open、wire touch等。,分析方法：Wire touch XRay透视ball neck openXRay透视、SEM 键合引线脱落SEM、XRay能谱（紫斑）,、金属半导体接触退化,原因：器件工作时发热升温会导致金属半导体原子相互扩散；
18、水汽和杂质的侵蚀会导致金属半导体界面的化学腐蚀作用。,分析方法：电测法经过一定的计算步骤可获得接触电阻的数值，再对比失效品与良品的数值即可判断接触退化的程度。背面金相观察，寻找金属化层内表面被腐蚀的情况。用带有离子溅射枪的俄歇能谱仪或二次离子质谱仪等表面分析仪器，可逐层观察金属半导体相互扩散以至退化的证据，分辨率和灵敏度较高。,、钠离子沾污,现象：半导体表面反型或形成沟道、使器件表面状态及不稳定，导致电参数（反向漏电流、放大系数、击穿电压、阈值电压、暗电流）退化。测量难点：钠离子来源广泛在二氧化硅中极易迁移钠离子浓度很小,判定方法：做模拟试验，对器件高无反偏，使二氧化硅中的钠离子在电场作用下原
19、理或靠近介质半导体界面，改变pn结耗尽层宽度并引起反向漏电流的变化，此时测量电特性；然后重新高温贮存，钠离子会重新返回原处，再测量电特性；对比测试结果，如果特性能回复则可判定为钠离子沾污。,、氧化层针孔,失效原理：氧化层针孔使上面的金属和下面的半导体短路，造成电特性退化或失效。非破坏性分析方法：液晶热点分析（分辨率高，灵敏度高）破坏性分析方法：腐蚀Al层，观察针孔（简单易行）,、芯片粘接失效,芯片粘接的目的：使芯片和外界在电学上连接，并改善散热条件芯片粘接不良：电特性不稳定、芯片局部温度过高出现原因：工艺不良功率器件的开关引起的高低温的变化，导致芯片和外壳的焊料间发生热疲劳现象。,测试方法：C
20、SAM红外热相仪观察解剖看端面,2.2超大规模集成电路（VLSI）的主要失效机理和分析技术,VLSI的特点：每芯片元件数巨大、线宽很窄、介质层厚度和元件尺寸都很小，电源电压不可能再降低，导致VLSI的单位元件内的电场强度、电流密度比分立器件大很多。,2.2.1 VLSI的主要失效机理,2.2.2 金属化互连线开路的失效机理和失效定位技术,发生原因：1、Latch up（EOS的一种），表现为电源对地的电流剧增，在电源接通时，即使去掉出发信号，大电流并不消失，闩锁的持续会导致电源和地间的金属互连线的烧毁。2、金属电迁移，主要是随着超大规模集成电路的密度增加，金属互连线变得更窄，电子动量的冲击使金
21、属产生疲劳。3、金属的应力迁移，热循环中的金属受到应力作用，产生疲劳现象。4、金属的化学腐蚀。,检测技术：SEM、电压衬度像、闪频电压衬度像、,、VLSI漏电和短路的主要失效机理和失效定位技术,失效机理：静电放电、过电损伤和正常电压下的介质击穿原因：VLSI CMOS的氧化层厚度小于30nm，但栅电压没有相应的降低，导致高场强使介质击穿成为主要失效机理。,介质击穿的种类：1、使用和测试中的过电应力（EOS）和静电放电（ESD）等异常应力超过介质的击穿强度引起。2、电应力作用下，由于介质缺陷引起局部高电场，导致介质击穿。3、与时间相关的击穿（TDDB），这是由于介质中的可动钠离子在电场作用下迁移
22、引起的。,介质缺陷的种类：介质过薄介质夹杂物介质针孔介质裂纹介质沾污介质多孔,VLSI漏电和短路的主要失效定位技术：液晶热点检测、显微红外热像仪 适用于发热型漏电失效，一般由欧姆短路引起。光发射显微镜（PEM）适用于光辐射型漏电失效，波长范围250nm1050nm，空间分辨率1um，检测灵敏度1uA。,、热载流子注入的失效机理与失效定位技术,热载流子效应：MOS器件在减小器件沟道和栅极尺寸而电压却没有相应按比例缩小，结果使沟道电场增加，当载流子在大于10000V/cm的高电场下运动时，它从电场获得的能量大于散射过程中与原子碰撞损失的能量，因而载流子的温度将超过晶格温度，因此称为热载流子。,热载
23、流子的种类,沟道热载流子载流子在漏极电压形成的高电场下，从源极向漏极加速运动，在达到漏极边缘之前，部分载流子获得足以克服SiSiO2界面势垒的能量，热电子会注入到栅极下面的SiO2层中。,雪崩热载流子某些热载流子与硅原子碰撞电离，产生电子空穴对，进而产生雪崩热载流子，使沟道电流倍增。这些载流子的大部分受到加速后能通过栅氧化层，形成可测量的栅极电流；其中一小部分载流子将被氧化层中的陷阱俘获，由于陷阱电子产生的电荷积累而引起电参数不稳定，表现为阈值电压漂移或跨导值降低。,失效分析：由于沟道电子与硅原子发生碰撞电离时，产生的雪崩热载流子会发生电子空穴对复合并发出微光，因此可以用光辐射显微镜来确认热载
24、流子失效位置。,2.2.5 VLSI失效分析技术的发展趋势,失效定位后的分析技术：带有激光切割的机械探针台，对可疑器件隔离探测。EBT高分辨率的取样示波器FIB高分辨率的快速剖切面技术微区成份分析仪器，俄歇电子谱仪，二次离子质谱仪等EBIC电子束感应电流像，PN结成像,案例3：一块CPU电路在整机可靠性鉴定试验中功能失常，各端口对地特性正常，开封分析可见电源正端的金属化互连线在一支路的窄小处烧断（箭头处），表面电源端对地曾经发生过大电流。现场调查：在试验中对整机加电操作时，曾发现供电电源发生输出电压过冲，瞬间电压变高的现象，之后整机工作电流出现异常，换电路后整机正常。说明过冲峰值电压串入CPU电路电源，造成电源端对地击穿，导致器件发生局部闩锁效应。闩锁效应产生的大电流导致金属化互连线烧毁。,CMOS电路的防闩锁设计,隔离环结构,保护环结构,
