电子元件失效分析技术.ppt

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,1.4 收集失效现场数据,1.4.1、应力类型与元器件失效模式或机理的关系举例,1.4.2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（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,1.7.1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,1.7.3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。,1.7.4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,1.9.1、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。 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。,1.9.2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,1.10.1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。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。 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，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,2.1.1、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象。,2.1.2、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。,2.1.3、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）,2.1.4、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； 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。,2.1.5、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。,2.1.6、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）,2.1.7、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： CSAM 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、,2.2.3、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。,2.2.4、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,