半导体器件的检测与失效分析

半导体器件的检测与失效分析

高韶宾 1,2 , 晋李华 1,2

（ 1.石家庄麦特达电子科技有限公司，石家庄， 050000； 2. 中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050050）

针对半导体器件失效分析主要涉及到了多种实验方法其中包括物理、化学以及金相的试验程序，进而明确器件失效的形式，分析失效的具体过程，从中探寻出导致这一事件原因所在，并设定相应的实施政策。对此，文章对于半导体器件的失效与检测进行了具体的论述，并提出下面几点有效的检查方法，最终提升半导体元件的可靠性与耐用性。

关键词：半导体器件，检测，失效分析，无损检测，破坏性分析

Detection and failure analysis of semiconductor devices

Gao Shao-bin^1,2, jin Li-hua

(1. Shijiazhuang METDA Electronic Technology Limited Corporation, Shijiazhuang 050050, China;

2. The 13^th Research Institute，CETC, Shijiazhuang 050051, China)

The failure analysis of semiconductor devices mainly involves a variety of experimental methods, including physical, chemical and metallographic test procedures, so as to clarify the form of device failure, analyze the specific process of failure, find out the cause of this event, and set the corresponding implementation policy. In this regard, the article specifically discusses the failure and detection of semiconductor devices, and puts forward the following effective inspection methods, so as to improve the reliability and durability of semiconductor devices.

Key words: Semiconductor devices, testing, failure analysis, nondestructive testing, destructive analysis

0 引言

失效分析技巧主要是探究电子元件产品失效的原理，提升产品可靠性的关键手段。伴随着当前半导体生产技术的不断优化和发展，由深亚微米时代进入到了纳米时代，导致开展失效分析这一工作的难度逐渐增大。因此，相关部门需要按照当前先进与精准技术，再按照科学、失效分析步骤，从而不断提升其成功率。

1. 半导体器件的失效分析

1.1 金属化和器件失效

对半导体元件和集成电路可靠性产生重大影响的是环境污染，金属化就是一个不能忽略的失效核心点。截止到今天，大部分的半导体表面工艺都是采用了二氧化硅，并将其作为了掩膜钝化层。为了充分达到芯片连接的理想目的，有关企业通常需要在二氧化硅的表层开窗口位置上放一些铝膜，也就是金属化。从化学的层面上来讲，金属化失效的原理具体包含了膜层张力、内聚力以及机械疲劳退火效应等内容^[1]。

1.2 晶体问题和器件失效

晶体问题也是导致器件失效的因素之一，而且还使其变得逐渐复杂，部分问题到现在为止还没有解决。晶体问题在材质上总共有两个问题，其一是入微问题，另一个是二次缺陷问题。后者是由于元件在生产过程中氧化后产生的大量缺陷，以及因为散热速度过快而造成的，在这两种缺陷问题的相互阻碍和影响下，使得元件的性能逐步衰减，最终导致晶体问题和器件失效。

2. 半导体器件失效的检测方法

现阶段，造成元件失效的因素有很多，一般的检查方法可以分成两个方面：一是和勘测元件开启有关的破坏性检查方法；第二种是非破坏性方法，主要是在不损坏检查装备的基础上进行勘察工作的。但是，后一种方法会对器件造成些许的损坏，从而改变其性能。下文将对这两种方法进行详细地论述，具体内容如下所示。

2.1破坏性检验法

1. 产品内部光学检测

一般而言，因为半导体元器件的自身会发生短路，进一步造成失效，但是这种现象从表面来看是很难被发掘的。我们只有利用多倍的显微镜，从中详细的观察，才能发现其器件上的划痕。然而部分缺陷就算采用高倍的显微镜也很难找到，比如，绝缘层针孔发生短路。这就需要我们针对这些难以发觉的缺陷，将其芯片取下来，随后将金属化铝层进行腐蚀，再利用显微镜去探究和判断。

图1 某产品内部目检图

2. 电子显微镜检测

从可见度这一层面来讲，电子显微镜十分地接近光学显微镜的辨认率与溶解率。目前，显微镜聚焦的 X 射线还没有达到放大200度优势效果。为了更好地寻找到半导体元件上所出现的电学化因素，我们一般可以应用带有透射性质的电子显微镜。这种检测技术应该会产生一些超薄的样片，但我们需要注意的是，对其进行细化处理，预防发生被检测元件破坏的事件。

图2 某芯片SEM检验图

如果我们在实施失效检监察工作的时候发现了误差，那么应该只观察晶体的问题。另外，我们还可以利用电子显微镜进行扫描，最终将元件表面散射的电子逐渐转变成图像，这有助于我们进行直观清晰的观察。

3. 化学检验

除了以上的勘察方式以外，我们还可以利用化学检验方法，进一步得出元件实际的污染情况，而且能够对其组成材料进行细致的分析。同时，我们也可以通过染色方式来检查元件的针孔问题。譬如，我们在对晶片进行漂洗和染色的时候，裂纹染料会流出来，通常我们将这种方法称之为着色法，针对不同的裂痕就会出现不一样的染色，然后，由于施加对应的电压，我们很容易就能看到一些形式的裂纹区域。这主要是因为一些缺陷而造成的，所以我们利用着色法，就能够让其显示出不同程度的棕色。要注意，这一有效方法必须由专业性的工作人员进行操作，从而限制了这种方法的进步和发展。

2.2 非破坏性检测法

半导体元件是构成所有电子元件的关键组成部分，所以我们一定要确保这些元件的可靠性，使其符合相关规定。同时，这是当前有关生产商家必须达到的标准，也是目前市场经济对企业发展提出的基础要求。然而，过去非常复杂的证明方法难以满足当下时代的发展需求。这就需要我们快速寻找到一种实惠且便捷的半导体元件检测方法。而目前最常用的就是快速自动勘测系统，该系统的运用基本上可以满足生产线的所有测试。但从故障检测分析这一角度而言，它不仅是对电气特性的检查，同时还对众多其他特性的检查起到了科学和经济效果作用。

1. 俄歇电子能谱分析

这种探析方式，主要是借助低于千伏低能电子素材上的不同能量进行二次电子分析。我们通过对这些二次电子能量的探析，从中能够得出一些能量分布曲线信息，再通过部分曲线信息可以得到一系列的能谱，进而直接反映出部分元素的存在状况。另外，我们还可以按照峰的强度来确定不同元素的含量，这一检测数据主要来自于被勘测器件的表层，然后再对半导体表面的成分进行细致地论述。这种探析方法是一种高速且稳定性较好的非损坏性检测方式^[2]。

图3 俄歇电子的产生

2. 激光扫描勘测分析

这种检测技术是一种应用十分普遍的方法，主要适用于检测半导体有源器件内部的工作状态，这一方法不仅能够有效地检测出元件的损坏程度，还可以检测其晶体管中直流电的变化。此外，我们利用方法也能够探测出器件内部的温度，进一步明确集成电路的内部工作现状。同时，激光扫描方法可以达到对倒装芯片的识别目的，通过芯片的背面直接勘测电路的工作状态。伴随着当前社会对集成电路的需求量越来越大，导致生产完好的集成电路成为了相关商家核心目标，从而有效地提高他们的工作效率和质量^[3]。

3 结论

总而言之，在当前半导体生产技术的不断发展的过程中，相关部门应该加大失效分析和勘察工作的力度，进而提升这一方面的工作效率和质量。另外，我们还应该需要按照当前先进与精准技术，再根据科学、失效分析具体步骤，从而不断优化其成功率。

参考文献：

[1] 秦静.半导体器件的检测与失效分析[J].中国安全防范技术与应用，2018(06):34-36.

[2] 肖顺.半导体器件失效分析研究[J].军民两用技术与产品，2014，000(019):23-23.

[3] 李玉蛟，韦东.半导体元器件失效分析研究[J].信息周刊，2019，000(028):1-2.