電子元器件失效分析知識

電子信息技術是當今新技術革命的核心，電子元器件是發展電子信息技術的基礎。了解造成元器件失效的因素，以提高可靠性，是電子信息技術應用的必要保證。

開展電子元器件失效分析，需要采用一些先進的分析測試技術和儀器。

1光學顯微鏡分析技術

光學顯微鏡分析技術主要有立體顯微鏡和金相顯微鏡。

立體顯微鏡放大倍數小，但景深大；金相顯微鏡放大倍數大，從幾十倍到一千多倍，但景深小。把這兩種顯微鏡結合使用，可觀測到器件的外觀，以及失效部位的表面形狀、分布、尺寸、組織、結構和應力等。如用來觀察到芯片的燒毀和擊穿現象、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、暗場、微分干涉相襯和偏振等觀察手段，以適應各種需要。

2紅外分析技術

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

紅外顯微分析法是利用紅外顯微技術對微電子器件的微小面積進行高精度非接觸測溫的方法。器件的工作情況及失效會通過熱效應反映出來。器件設計不當，材料有缺陷，工藝差錯等都會造成局部溫度升高。發熱點可能小到微米以下，所以測溫必須針對微小面積。為了不影響器件的工作情況和電學特性，測量又必須是非接觸的。找出熱點，并用非接觸方式高精度地測出溫度，對產品的設計、工藝過程控制、失效分析、可靠性檢驗等，都具有重要意義。

紅外熱像儀是非接觸測溫技術，它能測出表面各點的溫度，給出試樣表面的溫度分布。

紅外熱像儀用振動、反射鏡等光學系統對試樣高速掃描，將發自試樣表面各點的熱輻射會聚到檢測器上，變成電信號，再由顯示器形成黑白或彩色圖像，以便用來分析表面各點的溫度。

3聲學顯微鏡分析

超聲波可在金屬、陶瓷和塑料等均質材料中傳播。用超聲波可檢驗材料表面及表面下邊的斷裂，可探測多層結構完整性等較為宏觀的缺陷。超聲波是檢測缺陷、進行失效分析的很有效的手段。將超聲波檢測同先進的光、機、電技術相結合，還發展了聲學顯微分析技術，用它能觀察到光學顯微鏡無法看到的樣品內部情況，能提供X光透視無法得到的高襯度圖像，能應用于非破壞性分析。

4液晶熱點檢測技術

如前所述，半導體器件失效分析中，熱點檢測是有效手段。

液晶是一種液體，但溫度低于相變溫度，則變為晶體。

晶體會顯示出各向異性。當它受熱，溫度高過相變溫度，就會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，從而找到熱點。

液晶熱點檢測設備由偏振光顯微鏡、可調溫度的樣品臺和樣品的電偏置控制電路組成。

液晶熱點檢測技術可用來檢查針孔和熱點等缺陷。若氧化層存在針孔，它上面的金屬層和下面的半導體就可能短路，而造成電學特性退化甚至失效。把液晶涂在被測管芯表面上，再把樣品放在加熱臺上，若管芯氧化層有針孔，則會出現漏電流而發熱，使該點溫度升高，利用正交偏振光在光學顯微鏡下，觀察熱點與周圍顏色的不同，便可確定器件上熱點的位置。

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

半導體材料在電場激發下，載流子會在能級間躍遷而發射光子。半導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結的復合輻射，即非平衡少數載流子注入到勢壘，并與多數載流子復合而發出光子。二是電場加速載流子發光，即在強電場的作用下產生的高速運動載流子與晶格上的原子碰撞，使之電離而發光。三是介質發光。在強電場下，有隧道電流流過二氧化硅和氮化硅等介質薄膜時，就會有光子發射。

光輻射顯微鏡用微光探測技術，將光子探測靈敏度提高6個數量級，與數字圖象技術相結合，以提高信躁比。

20世紀90年代后，又增加了對探測到的光輻射進行光譜分析的功能，從而能夠確定光輻射的類型和性質。

做光輻射顯微鏡探測，首先要在外部光源下對樣品局部進行實時圖像探測，然后對這一局部施加偏壓，在不透光的屏蔽箱中，探測樣品的光輻射。

半導體器件中，多種類型的缺陷和損傷在一定強度電場作用下會產生漏電，并伴隨載流子的躍進而產生光輻射，這樣對發光部位的定位就可能是對失效部位的定位。目前，光輻射顯微分析技術能探測到的缺陷和損傷類型有漏電結、接觸尖峰，氧化缺陷、柵針孔、靜電放電損傷、閂鎖效應、熱載流子、飽和態晶體管以及開關態晶體管等等。

6微分析技術

微分析是對電子元器件進行深入分析的技術。元器件的失效同所用材料的化學成分、器件的結構、微區的形貌等有直接關系。失效也與工藝控制的起伏和精確度、材料的穩定性及各種材料的理化作用等諸多因素有關。為了深入了解和研究失效的原因、機理、模式，除了采用上述技術外，還要把有關的微區情況弄清楚，取得翔實的信息。

隨著元器件所用材料的多樣化，工藝的復雜和精細化，尺寸的微細化，對微分析的要求越來越迫切。目前在國外已廣泛應用這項技術作可靠性和失效分析。改革開放以來，我國引進大量大型分析測試儀器，已完全具備了開展微分析的條件。

微分析技術是用電子、離子、光子、激光束、X）射線與核輻射等作用于待分析樣品，激發樣品發射出電子、離子、光子等，用精密的儀器測出它們的能量、強度、空間分布等信息，從而用來分析樣品的成分、結構等。

微分析工作的第一步，多數是看形貌，看器件的圖形、線系以及定位失準等。為此可用掃描電鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（STM）來觀測，STM的放大倍數可達幾十萬倍，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）、二次離子質譜（SIMS）和X一光光電子譜（XPS）等儀器進行探測。還可在使用SEM和STM作形貌觀察時，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測試時，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，探測不同的元素常常采用不同的儀器。如用AES探測輕元素時，就不那么靈敏。

器件檢測的一個重要方面是對薄膜和襯底的晶體結構進行分析，包括了解襯底的晶體取向，探測薄膜是單晶還是多晶，多晶的擇優取向程度，晶粒大小，薄膜的應力等，這些信息主要由X一光衍射（XRD）儀來獲取。轉靶X一光衍射儀發出很強的X一射線，是結構探測很靈敏的儀器。SEM和STM在作形貌觀察的同時，還能得到有關晶體結構的信息，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。

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