分析造成元器件失效的因素 提高可靠性

　　電子信息技術(shù)是當(dāng)今新技術(shù)革命的核心，電子元器件是發(fā)展電子信息技術(shù)的基礎(chǔ)。了解造成元器件失效的因素，以提高可靠性，是電子信息技術(shù)應(yīng)用的必要保證。

　　開展電子元器件失效分析，需要采用一些先進(jìn)的分析測(cè)試技術(shù)和儀器。

　　1 光學(xué)顯微鏡分析技術(shù)

　　光學(xué)顯微鏡分析技術(shù)主要有立體顯微鏡和金相顯微鏡。

　　立體顯微鏡放大倍數(shù)小，但景深大;金相顯微鏡放大倍數(shù)大，從幾十倍到一千多倍，但景深小。把這兩種顯微鏡結(jié)合使用，可觀測(cè)到器件的外觀，以及失效部位的表面形狀、分布、尺寸、組織、結(jié)構(gòu)和應(yīng)力等。如用來(lái)觀察到芯片的燒毀和擊穿現(xiàn)象、引線鍵合情況、基片裂縫、沾污、劃傷、氧化層的缺陷、金屬層的腐蝕情況等。顯微鏡還可配有一些輔助裝置，可提供明場(chǎng)、暗場(chǎng)、微分干涉相襯和偏振等觀察手段，以適應(yīng)各種需要。

　　2 紅外分析技術(shù)

　　紅外顯微鏡的結(jié)構(gòu)和金相顯微鏡相似。但它采用的是近紅外(波長(zhǎng)為0175~3微米)光源，并用紅外變像管成像。由于鍺、硅等半導(dǎo)體材料及薄金屬層對(duì)紅外輻射是透明的。利用它，不剖切器件的芯片也能觀察芯片內(nèi)部的缺陷及焊接情況等。它還特別適于作塑料封裝半導(dǎo)體器件的失效分析。

　　紅外顯微分析法是利用紅外顯微技術(shù)對(duì)微電子器件的微小面積進(jìn)行高精度非接觸測(cè)溫的方法。器件的工作情況及失效會(huì)通過(guò)熱效應(yīng)反映出來(lái)。器件設(shè)計(jì)不當(dāng)，材料有缺陷，工藝差錯(cuò)等都會(huì)造成局部溫度升高。發(fā)熱點(diǎn)可能小到微米以下，所以測(cè)溫必須針對(duì)微小面積。為了不影響器件的工作情況和電學(xué)特性，測(cè)量又必須是非接觸的。找出熱點(diǎn)，并用非接觸方式高精度地測(cè)出溫度，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程控制、失效分析、可靠性檢驗(yàn)等，都具有重要意義。

　　紅外熱像儀是非接觸測(cè)溫技術(shù)，它能測(cè)出表面各點(diǎn)的溫度，給出試樣表面的溫度分布。

　　紅外熱像儀用振動(dòng)、反射鏡等光學(xué)系統(tǒng)對(duì)試樣高速掃描，將發(fā)自試樣表面各點(diǎn)的熱輻射會(huì)聚到檢測(cè)器上，變成電信號(hào)，再由顯示器形成黑白或彩色圖像，以便用來(lái)分析表面各點(diǎn)的溫度。

　　3 聲學(xué)顯微鏡分析

　　超聲波可在金屬、陶瓷和塑料等均質(zhì)材料中傳播。用超聲波可檢驗(yàn)材料表面及表面下邊的斷裂，可探測(cè)多層結(jié)構(gòu)完整性等較為宏觀的缺陷。超聲波是檢測(cè)缺陷、進(jìn)行失效分析的很有效的手段。將超聲波檢測(cè)同先進(jìn)的光、機(jī)、電技術(shù)相結(jié)合，還發(fā)展了聲學(xué)顯微分析技術(shù)，用它能觀察到光學(xué)顯微鏡無(wú)法看到的樣品內(nèi)部情況，能提供X光透視無(wú)法得到的高襯度圖像，能應(yīng)用于非破壞性分析。

　　4 液晶熱點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)

　　如前所述，半導(dǎo)體器件失效分析中，熱點(diǎn)檢測(cè)是有效手段。

　　液晶是一種液體，但溫度低于相變溫度，則變?yōu)榫w。

　　晶體會(huì)顯示出各向異性。當(dāng)它受熱，溫度高過(guò)相變溫度，就會(huì)變成各向同性的液體。利用這一特性，就可以在正交偏振光下觀察液晶的相變點(diǎn)，從而找到熱點(diǎn)。

　　液晶熱點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備由偏振光顯微鏡、可調(diào)溫度的樣品臺(tái)和樣品的電偏置控制電路組成。

　　液晶熱點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)可用來(lái)檢查針孔和熱點(diǎn)等缺陷。若氧化層存在針孔，它上面的金屬層和下面的半導(dǎo)體就可能短路，而造成電學(xué)特性退化甚至失效。把液晶涂在被測(cè)管芯表面上，再把樣品放在加熱臺(tái)上，若管芯氧化層有針孔，則會(huì)出現(xiàn)漏電流而發(fā)熱，使該點(diǎn)溫度升高，利用正交偏振光在光學(xué)顯微鏡下，觀察熱點(diǎn)與周圍顏色的不同，便可確定器件上熱點(diǎn)的位置。

　　由于功耗小，此法靈敏度高，空間分辨率也高。

　　5 光輻射顯微分析技術(shù)

　　半導(dǎo)體材料在電場(chǎng)激發(fā)下，載流子會(huì)在能級(jí)間躍遷而發(fā)射光子。半導(dǎo)體器件和集成電路中的光輻射可以分成三大類：一是少子注入pn結(jié)的復(fù)合輻射，即非平衡少數(shù)載流子注入到勢(shì)壘，并與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)出光子。二是電場(chǎng)加速載流子發(fā)光，即在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的高速運(yùn)動(dòng)載流子與晶格上的原子碰撞，使之電離而發(fā)光。三是介質(zhì)發(fā)光。在強(qiáng)電場(chǎng)下，有隧道電流流過(guò)二氧化硅和氮化硅等介質(zhì)薄膜時(shí)，就會(huì)有光子發(fā)射。

　　光輻射顯微鏡用微光探測(cè)技術(shù)，將光子探測(cè)靈敏度提高6個(gè)數(shù)量級(jí)，與數(shù)字圖象技術(shù)相結(jié)合，以提高信躁比。

　　20世紀(jì)90年代后，又增加了對(duì)探測(cè)到的光輻射進(jìn)行光譜分析的功能，從而能夠確定光輻射的類型和性質(zhì)。

　　做光輻射顯微鏡探測(cè)，首先要在外部光源下對(duì)樣品局部進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像探測(cè)，然后對(duì)這一局部施加偏壓，在不透光的屏蔽箱中，探測(cè)樣品的光輻射。

　　半導(dǎo)體器件中，多種類型的缺陷和損傷在一定強(qiáng)度電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生漏電，并伴隨載流子的躍進(jìn)而產(chǎn)生光輻射，這樣對(duì)發(fā)光部位的定位就可能是對(duì)失效部位的定位。目前，光輻射顯微分析技術(shù)能探測(cè)到的缺陷和損傷類型有漏電結(jié)、接觸尖峰，氧化缺陷、柵針孔、靜電放電損傷、閂鎖效應(yīng)、熱載流子、飽和態(tài)晶體管以及開關(guān)態(tài)晶體管等等。

　　6 微分析技術(shù)

　　微分析是對(duì)電子元器件進(jìn)行深入分析的技術(shù)。元器件的失效同所用材料的化學(xué)成分、器件的結(jié)構(gòu)、微區(qū)的形貌等有直接關(guān)系。失效也與工藝控制的起伏和精確度、材料的穩(wěn)定性及各種材料的理化作用等諸多因素有關(guān)。為了深入了解和研究失效的原因、機(jī)理、模式，除了采用上述技術(shù)外，還要把有關(guān)的微區(qū)情況弄清楚，取得翔實(shí)的信息。

　　隨著元器件所用材料的多樣化，工藝的復(fù)雜和精細(xì)化，尺寸的微細(xì)化，對(duì)微分析的要求越來(lái)越迫切。目前在國(guó)外已廣泛應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)作可靠性和失效分析。改革開放以來(lái)，我國(guó)引進(jìn)大量大型分析測(cè)試儀器，已完全具備了開展微分析的條件。

　　微分析技術(shù)是用電子、離子、光子、激光束、X)射線與核輻射等作用于待分析樣品，激發(fā)樣品發(fā)射出電子、離子、光子等，用精密的儀器測(cè)出它們的能量、強(qiáng)度、空間分布等信息，從而用來(lái)分析樣品的成分、結(jié)構(gòu)等。

　　微分析工作的第一步，多數(shù)是看形貌，看器件的圖形、線系以及定位失準(zhǔn)等。為此可用掃描電鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(STM)來(lái)觀測(cè)，STM的放大倍數(shù)可達(dá)幾十萬(wàn)倍，幾乎能分辨出原子。

　　為了了解制作元器件所用的材料，可用俄歇電子能譜(AES)、二次離子質(zhì)譜(SIMS)和X一光光電子譜(XPS)等儀器進(jìn)行探測(cè)。還可在使用SEM和STM作形貌觀察時(shí)，用它們附帶的X一光能譜或波譜作成份分析。AES還能給出表面上成份分布。為了了解成分的深度分布，AES和XPS等儀器還有離子槍，邊作離子刻蝕邊作成分測(cè)試，便可得知成分按深度如何分布。為了得到更高的橫向分辨率，作AES測(cè)試時(shí)，電子束的焦斑要小，要用小光斑的XPS.

　　電子元器件所用的材料包括從輕元素到金鉑和鎢等重元素，探測(cè)不同的元素常常采用不同的儀器。如用AES探測(cè)輕元素時(shí)，就不那么靈敏。

　　器件檢測(cè)的一個(gè)重要方面是對(duì)薄膜和襯底的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，包括了解襯底的晶體取向，探測(cè)薄膜是單晶還是多晶，多晶的擇優(yōu)取向程度，晶粒大小，薄膜的應(yīng)力等，這些信息主要由X一光衍射(XRD)儀來(lái)獲取。轉(zhuǎn)靶X一光衍射儀發(fā)出很強(qiáng)的X一射線，是結(jié)構(gòu)探測(cè)很靈敏的儀器。SEM和STM在作形貌觀察的同時(shí)，還能得到有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的信息，如觀察薄膜的晶粒。還可在STM上作電子衍射，它比普通的X一光衍射更加靈敏。