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电子元器件失效分析技术

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电子信息技术是当今新技术革命的核心, 电子元器件是发展电子信息技术的基础。了解造成元器件失效的因素,以提高可靠性, 是电子信息技术应用的必要保证。


  开展电子元器件失效分析, 需要采用一些先进的分析测试技术和仪器。


  1 光学显微镜分析技术


  光学显微镜分析技术主要有立体显微镜和金相显微镜。


  立体显微镜放大倍数小, 但景深大; 金相显微镜放大倍数大, 从几十倍到一千多倍, 但景深小。把这两种显微镜结合使用, 可观测到器件的外观, 以及失效部位的表面形状、分布、尺寸、组织、结构和应力等。如用来观察到芯片的烧毁和击穿现象、引线键合情况、基片裂缝、沾污、划伤、氧化层的缺陷、金属层的腐蚀情况等。显微镜还可配有一些辅助装置, 可提供明场、暗场、微分干涉相衬和偏振等观察手段, 以适应各种需要。


  2 红外分析技术


  红外显微镜的结构和金相显微镜相似。但它采用的是近红外( 波长为01 75~ 3 微米) 光源, 并用红外变像管成像。由于锗、硅等半导体材料及薄金属层对红外辐射是透明的。利用它, 不剖切器件的芯片也能观察芯片内部的缺陷及焊接情况等。它还特别适于作塑料封装半导体器件的失效分析。


  红外显微分析法是利用红外显微技术对微电子器件的微小面积进行高精度非接触测温的方法。器件的工作情况及失效会通过热效应反映出来。器件设计不当, 材料有缺陷, 工艺差错等都会造成局部温度升高。发热点可能小到微米以下, 所以测温必须针对微小面积。为了不影响器件的工作情况和电学特性, 测量又必须是非接触的。找出热点, 并用非接触方式高精度地测出温度, 对产品的设计、工艺过程控制、失效分析、可靠性检验等, 都具有重要意义。


  红外热像仪是非接触测温技术, 它能测出表面各点的温度, 给出试样表面的温度分布。


  红外热像仪用振动、反射镜等光学系统对试样高速扫描, 将发自试样表面各点的热辐射会聚到检测器上, 变成电信号, 再由显示器形成黑白或彩色图像, 以便用来分析表面各点的温度。


 3 声学显微镜分析


  超声波可在金属、陶瓷和塑料等均质材料中传播。用超声波可检验材料表面及表面下边的断裂, 可探测多层结构完整性等较为宏观的缺陷。超声波是检测缺陷、进行失效分析的很有效的手段。将超声波检测同先进的光、机、电技术相结合, 还发展了声学显微分析技术, 用它能观察到光学显微镜无法看到的样品内部情况, 能提供X 光透视无法得到的高衬度图像, 能应用于非破坏性分析。


  4 液晶热点检测技术


  如前所述, 半导体器件失效分析中, 热点检测是有效手段。


  液晶是一种液体, 但温度低于相变温度, 则变为晶体。


  晶体会显示出各向异性。当它受热, 温度高过相变温度,就会变成各向同性的液体。利用这一特性, 就可以在正交偏振光下观察液晶的相变点, 从而找到热点。


  液晶热点检测设备由偏振光显微镜、可调温度的样品台和样品的电偏置控制电路组成。


  液晶热点检测技术可用来检查针孔和热点等缺陷。若氧化层存在针孔, 它上面的金属层和下面的半导体就可能短路, 而造成电学特性退化甚至失效。把液晶涂在被测管芯表面上, 再把样品放在加热台上, 若管芯氧化层有针孔,则会出现漏电流而发热, 使该点温度升高, 利用正交偏振光在光学显微镜下, 观察热点与周围颜色的不同, 便可确定器件上热点的位置。


  由于功耗小, 此法灵敏度高, 空间分辨率也高。


  5 光辐射显微分析技术


  半导体材料在电场激发下, 载流子会在能级间跃迁而发射光子。半导体器件和集成电路中的光辐射可以分成三大类: 一是少子注入pn 结的复合辐射, 即非平衡少数载流子注入到势垒, 并与多数载流子复合而发出光子。二是电场加速载流子发光, 即在强电场的作用下产生的高速运动载流子与晶格上的原子碰撞, 使之电离而发光。三是介质发光。在强电场下, 有隧道电流流过二氧化硅和氮化硅等介质薄膜时, 就会有光子发射。


  光辐射显微镜用微光探测技术, 将光子探测灵敏度提高6 个数量级, 与数字图象技术相结合, 以提高信躁比。


  20 世纪90 年代后, 又增加了对探测到的光辐射进行光谱分析的功能, 从而能够确定光辐射的类型和性质。


  做光辐射显微镜探测, 首先要在外部光源下对样品局部进行实时图像探测, 然后对这一局部施加偏压, 在不透光的屏蔽箱中, 探测样品的光辐射。


  半导体器件中, 多种类型的缺陷和损伤在一定强度电场作用下会产生漏电, 并伴随载流子的跃进而产生光辐射,这样对发光部位的定位就可能是对失效部位的定位。目前,光辐射显微分析技术能探测到的缺陷和损伤类型有漏电结、接触尖峰, 氧化缺陷、栅针孔、静电放电损伤、闩锁效应、热载流子、饱和态晶体管以及开关态晶体管等等。


6 微分析技术


  微分析是对电子元器件进行深入分析的技术。元器件的失效同所用材料的化学成分、器件的结构、微区的形貌等有直接关系。失效也与工艺控制的起伏和精确度、材料的稳定性及各种材料的理化作用等诸多因素有关。为了深入了解和研究失效的原因、机理、模式, 除了采用上述技术外, 还要把有关的微区情况弄清楚, 取得翔实的信息。


  随着元器件所用材料的多样化, 工艺的复杂和精细化,尺寸的微细化, 对微分析的要求越来越迫切。目前在国外已广泛应用这项技术作可靠性和失效分析。改革开放以来,我国引进大量大型分析测试仪器, 已完全具备了开展微分析的条件。


  微分析技术是用电子、离子、光子、激光束、X) 射线与核辐射等作用于待分析样品, 激发样品发射出电子、离子、光子等, 用精密的仪器测出它们的能量、强度、空间分布等信息, 从而用来分析样品的成分、结构等。


  微分析工作的第一步, 多数是看形貌, 看器件的图形、线系以及定位失准等。为此可用扫描电镜( SEM) 和透射电子显微镜( STM) 来观测, STM 的放大倍数可达几十万倍, 几乎能分辨出原子。


  为了了解制作元器件所用的材料, 可用俄歇电子能谱(AES) 、二次离子质谱( SIMS) 和X 一光光电子谱( XPS)等仪器进行探测。还可在使用SEM 和STM 作形貌观察时,用它们附带的X 一光能谱或波谱作成份分析。AES 还能给出表面上成份分布。为了了解成分的深度分布, AES 和XPS 等仪器还有离子枪, 边作离子刻蚀边作成分测试, 便可得知成分按深度如何分布。为了得到更高的横向分辨率,作AES 测试时, 电子束的焦斑要小, 要用小光斑的XPS.


  电子元器件所用的材料包括从轻元素到金铂和钨等重元素,探测不同的元素常常采用不同的仪器。如用AES 探测轻元素时, 就不那么灵敏。


  器件检测的一个重要方面是对薄膜和衬底的晶体结构进行分析, 包括了解衬底的晶体取向, 探测薄膜是单晶还是多晶, 多晶的择优取向程度, 晶粒大小, 薄膜的应力等,这些信息主要由X 一光衍射( XRD) 仪来获取。转靶X 一光衍射仪发出很强的X 一射线, 是结构探测很灵敏的仪器。SEM 和STM 在作形貌观察的同时, 还能得到有关晶体结构的信息, 如观察薄膜的晶粒。还可在STM 上作电子衍射, 它比普通的X 一光衍射更加灵敏。


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