半导体器件失效分析的研究.docx
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半导体器件失效分析的研究
半导体器件失效分析的研究
ResearchonSemiconductorDevice
FailureAnalysis
中文摘要
半导体失效分析在提高集成电路的可靠性方面有着至关重要的作用。
随着集成度的提高,工艺尺寸的缩小,失效分析所面临的困难也逐步增大。
因此,失效分析必须配备相应的先进、准确的设备和技术,配以具有专业半导体知识的分析人员,精确定位失效位置。
在本文当中,着重介绍多种方法运用Photoemission显微镜配合IR-OBIRCH精确定位失效位置,并辅以多项案例。
Photoemission是半导体元器件在不同状态下(二极管反向击穿、短路产生的电流、MOS管的饱和发光,等等),所产生的不同波长的光被捕获,从而在图像上产生相应的发光点。
Photoemission在失效分析中有着不可或缺的作用,通过对好坏品所产生的发光点的对比,可以为后面的电路分析打下坚实的基础,而且在某些情况下,异常的发光点就是最后我们想要找到的defect的位置。
IR-OBIRCH(InfraredOpticalbeamInducedResistanceChange)主要是由两部分组成:
激光加热器和电阻改变侦测器。
电阻的改变是通过激光加热电流流经的路径时电流或者电压的变化来表现的,因此,在使用IR-OBIRCH时,前提是必须保证所加电压两端产生的电流路径要流过defect的位置,这样,在激光加热到defect位置时,由于电阻的改变才能产生电流的变化,从而在图像上显现出相应位置的热点。
虽然Photoemission和IR-OBIRCH可以很好的帮助我们找到defect的位置,但良好的电路分析以及微探针(microprobe)的使用在寻找失效路径方面是十分重要的,只有通过Photoemission的结果分析,加上电路分析以及微探针(microprobe)测量内部信号的波形以及I-V曲线,寻找出失效路径后,IR-OBIRCH才能更好的派上用场。
因此,在失效分析中,各个步骤缺一不可。
关键词:
失效分析;Photoemission;IR-OBIRCH;微探针(microprobe);
ABSTRACT
TechnologyoffailureanalysisisextremelyimportantforreliabilityofIC.DuetoadvanceofIC,failureanalysisismoredifficult.Advancedequipment,rationalmethodsandprofessionaloffailureanalysisisneeded.HowtousePhotoemissionandIR-OBIRCHtofinddefectlocationwillbeperformedinthisarticle.
TheabnormalemissionsitecanbeacquiredbyPhotoemission(e.greversebiasedjunction,siliconleakagecurrents,MOStransistorssaturatedmodeandsoon).ThentheabnormalemissionsiteisshowedonICimage.Photoemissionisveryimportantinfailureanalysis,wecanstudytheICschematicandlayoutoverlaybaseonPhotoemissionresult,andsometimestheabnormalemissionsiteisjustthedefectlocation.
TheIR-OBIRCH(InfraredOpticalbeamInducedResistanceChange)methodsimultaneouslyusestwomainprocesses:
laser-beamheatingandresistance-changedetection.Theresistancechangeappearsascurrentchangeorvoltagechangeonlywhenthelaserbeamirradiatesalinewhereacurrentisflowing.Thisresultsinimagingcurrentpaths.
PhotoemissionandIR-OBIRCHcanhelpustofindthedefectlocation,butprofessionalofcircuitanalysisandusageofmicroprobeisalsoimportant.BaseonPhotoemissionresult,afterICschematicandlayoutoverlaystudy,thenmicroprobeisperformedtotracetheinternalsignalandfindtheabnormalIV-Curves.IR-OBIRCHcanbeusedtofindthedefectlocationatlast.
Keywords:
failureanalysis;Photoemission;IR-OBIRCH;microprobe;
目
录
第一章绪论...................................................................1
1.1引言................................................................1
1.2失效分析的概述......................................................1
第二章失效分析的基本流程.....................................................2
2.1失效分析流程遵循的基本规律............................................2
2.2失效分析的步骤........................................................2
2.3失效分析应用到的技术..................................................3
2.4失效分析流程实例......................................................4
第三章失效分析中的封装检查...................................................6
3.1封装介绍..............................................................6
3.2外观检查..............................................................6
3.3X射线检查(X-ray)...................................................7
3.4超声波扫描显微镜检查(C-SAM).........................................7
3.4.1C-SAM概述......................................................7
3.4.2C-SAM原理......................................................8
3.4.3C-SAM应用实例.................................................10
第四章Photoemission显微镜介绍..............................................12
4.1半导体物理的一些基本知识.............................................12
4.2Photoemission显微镜的介绍...........................................13
4.3Photoemission显微镜的物理机理.......................................14
4.4Photoemission显微镜的正面分析和背面分析.............................15
4.5Photoemission显微镜光学系统.........................................16
4.5.1Photoemission探测器(PEMDetector)...........................17
4.5.2光谱探测率.....................................................18
4.5.3影响灵敏度的因素...............................................19
4.6Photoemission光谱学.................................................20
4.6.1Photoemission光谱学的设备.....................................20
4.6.2Photoemission光源分类.........................................21
第五章失效分析中的激光感应技术..............................................26
5.1激光感应技术介绍.....................................................26
5.2IR-OBIRCH介绍.......................................................26
5.3IR-OBIRCH原理.......................................................27
5.4IR-OBIRCH的实践应用.................................................28
5.5SDL技术.............................................................33
5.5.1SDL技术介绍...................................................33
5.5.2案例研究.......................................................34
第六章失效分析的实际案例....................................................38
6.1案例1.............................................................38
6.2案例2.............................................................41
第七章结论..................................................................43
参考文献..................................................................44
1.1
第一章绪论
第一章绪论
引言
随着社会的发展,科技的进步,集成电路在人们的日常生活和社会发展中
所占的比率逐步增大,各种集成电路产品也层出不穷。
在市场竞争的激励下,集成规模逐步增高,功能集成也日渐加大,对可靠性的要求也越来越高。
对此,对于集成电路的失效分析变的越来越重要,但随着集成度的提高、工艺尺寸的缩小,失效分析所面临的困难也急剧增大。
1.2
失效分析的概述
失效分析的目的是通过失效机理、失效原因分析获得产品的改进的建议,
避免类似失效事件的发生,提高产品的可靠性。
失效分析是元器件可靠性工程中的一个重要组成部分。
电子元器件的失效分析是借助各种测试技术和分析方法明确元器件的失效过程,分辨失效模式或机理,确定最终的失效原因。
开展电子元器件失效分析工作需要具备相应的测试与分析手段、元器件失效机理等专业基础知识,并需要逐步积累失效分析经验。
用于失效分析的设备很多且各有特点,应根据失效分析的要求,选用适当的分析技术和设备,充分利用其功能与特点,降低电子元器件失效分析成本,加快失效分析进度,提高失效分析成功率。
所谓失效是指电子元器件丧失或部分丧失了预定功能。
而失效模式是指电子元器件失效的外在宏观表现,对于半导体器件,失效模式有很多,主要有开路、短路、参数漂移、等等。
不同类别的电子元器件失效模式的表现各不相同,即使对同一门类的电子元器件,由于其原理、结构和电气性能的差异,失效模式的表现也不尽相同。
失效模式的确认是失效分析工作的重要环节。
失效机理是指电子元器件失效的物理、化学变化,这种变化深层次的意义指失效过程中元器件内部的原子、分子、离子的变化,以及结构的变化,是失效发生的内在本质。
失效机理的种类也很多,常见的有EOS、ESD、氧化层断裂,等等。
只有正确的分析和确认失效的原因,对于失效发生的控制和改进措施才能做到有的放矢。
1
第二章失效分析的基本流程
第二章失效分析的基本流程
2.1失效分析流程遵循的基本规律
对于失效的半导体器件,每一个实验室都有自己的一套分析流程,但其遵循的基本原理都是以非破坏性的检查为先,逐步分析,在非破坏性的检查不能发现失效根源的基础上,再对失效的半导体器件进行深一步的检查。
需要注意的是由于不同的半导体器件或者不同的失效模式都分别对应着不同的分析流程,有的失效模式只需在封装检查部分就可以发现失效根源,而有的失效模式则需要配合高精度的设备和深入的电路分析才可以得出相应的结果。
2.2失效分析的步骤
广义上来讲,失效分析的一系列步骤如下所示:
第一步:
对失效模式进行验证。
有可能存在这样一种情况,测试人员有可能错误的定义了半导体器件的失效模式,从而使得失效分析人员被告知的失效模式是错误的。
因此对确认失效模式是否存在这一工序可以避免不必要的工作的产生。
第二步:
确认失效的种类。
失效种类可以对应为电性上的失效以及物理上的失效特征,对应电性的有参数上的失效,IV曲线有问题或者有漏电流的产生等。
而对应物理的失效特征则有封装损坏,腐蚀等。
同时还要搞清楚失效产生时的测试环境,比如burn-in,ESD等。
第三步:
决定需要分析的失效种类。
对应一个半导体器件有可能存在着很多个失效机理,但是不同的测试条件可能只对应其中一种特定的失效种类,而分析错误的失效种类最终得到的很可能不是期望得到的失效机理,因此选定正确的待分析的失效种类十分必要。
第四步:
确认失效机理确定失效位置。
这一步可以说是非常关键的一步,所有失效分析可以使用的技术最终都是为了用来确定缺陷的位置以及失效的机理。
第五步:
实施相应正确的改正行为。
基本上到了这一步就不再是失效分析工程师单独的工作了,这一步应该是整个团队共同努力完成的,包括可靠性、工艺、设计和测试工程师等
1
第二章失效分析的基本流程
第六步:
总结文档和一些后续行动。
即使失效分析最终得到了正确的失效机理并确认了缺陷产生的位置,但是一些失效的种类还是会再次出现。
因此,良好的文档总结可以减少失效分析的分析时间并加快工艺上相应的改进。
2.3失效分析应用到的技术
近几年,半导体器件的不断复杂化导致了实效分析投入的增加。
因此,对失效种类的确认非常重要,在确认失效种类的前提下,将失效器件按失效种类的重要性排列出来,优先分析重要的失效种类。
这样才可以充分利用失效分析的资源,以免造成不必要的消耗。
失效分析的技术可以分为两种:
第一种是非破坏性的:
这些非破坏性的技术不会对半导体器件产生毁坏从而导致一些失效机理的发生,同时这些非破坏性的技术也不会存在潜在的影响使后续的分析对半导体器件造成损坏。
这些非破坏性的技术是失效分析十分需要的,而且在失效分析相关的工具和设备的发展都是以非破坏性为最终目标的。
第二种是对半导体器件有破坏性的方法:
这些破坏性的方法会对半导体器件造成不可逆的影响并使得对应失效种类的电性分析无法再进行了。
所以,在进行这些有破坏性影响的操作之前,必须要确保相关的电性方面的测试以及非破坏性的分析手段全部完成。
对失效的半导体器件进行破坏性的操作的目的是为了验证之前的电性测试和非破坏性技术分析的结果是否正确。
或者是确认某些已知失效根源的失效种类,比如ESD或者EOS等。
总而言之,在进行破坏性的技术手段之前,必须要确认缺陷的位置所在。
在很多案例中,破坏性的技术手段可以为失效种类的产生根源是否与我们所判断的一样给出明确的结果。
下面给出一些典型的分析手段的描述.
1.光镜检测:
半导体器件的外部的视觉上的检查主要是寻找是否有引脚弯曲,封装破裂,或者引脚腐蚀等。
需要注意的是,在这一步的检查中,要避免对半导体器件造成破坏性的伤害(在其他的检查环节中也是如此)。
2.电性方面的测试:
对半导体器件进行功能上的测试或者是测试平台上的测试都是为了定义失效种类的特性和并且保证失效模式可以被稳定的再现出来。
在测试当中要注意电压和温度的影响。
比如在测试IV曲线时要注意所选的电压范围和嵌位电流的大小,以避免对半导体器件造成破坏性的伤害。
3.非电性方面的测试:
一些非电性方面的测试要用到一些射线照相检验的手段。
比如X射线检查(X-ray)、超声波扫描显微镜等。
X射线检查设备是一种非破坏性的检测方法,它能在不破坏半导体器件的情况下直接获取器件内部
2
第二章失效分析的基本流程
的影像。
但是对于某些器件,比如EPROMS,X射线检查有潜在的危险。
超声波扫描显微镜同样是非破坏性检查的一种方法。
4.开封:
开封是破坏性的手段的第一步。
对于塑料封装工艺,开封工序存在着潜在的可能对bond线,passivation和一些顶层金属造成伤害。
开封技术分为化学和机械两种,开封的工序需要保证在去除封装的同时对电性上的信号和功能不造成影像。
5.第一优先级的分析技术:
开封之后,芯片表面显露出来电性功能依然存在。
这时像光镜检测,Photoemission,IR-OBIRCH,液晶分析,电压对比(VC)等分析手段就可以进行了。
6.物理分析技术:
一旦半导体器件的缺陷发生的位置被确定后,第二步就是确定失效的根本原因了,即要确认失效机理。
物理上的分析手段可以发现金属短路或者开路,接触孔过深,硅上的损坏以及工艺上的问题。
除了上述的一些分析手段以外,还有一些其他的分析手段,比如EDX,电子扫描镜(SEM)等。
2.4失效分析流程实例
以我所在的实验室为例,一般来讲,当失效的半导体器件开始分析时,首先要做的是确认失效模式,由于不同的失效根源会造成不同的失效模式,因此失效模式的确认可以为有经验的工程师提供重要的线索。
在失效模式确认的前提下,下一步要做的就是封装检查,封装检查分别包括:
外观检查、X射线检查和超声波检查,这些检查都不会对失效的半导体器件造成不可逆的破坏。
对于一些bond线断开、融化、芯片与框架分层等失效模式,封装检查这一步骤即可大致确认其缺陷所在的位置,在对失效的半导体器件进行开封(decapsulation)后,再通过光镜的检查即可确认其物理失效根源。
需要注意的是,即使发现非常明显的缺陷,也要回过头来和最初的失效模式所联系,以确定最初确认的失效模式是否是由现在所发现的缺陷所造成的,这一步的重要性在于确认我们所发现的失效根源到底是否是我们分析的特定的失效模式的根源抑或是其他的失效模式的失效根源。
在封装检查这一步骤不能发现缺陷位置的时候,我们就要对失效的半导体器件进行更深一步的检查分析了,第一步依然是要对失效的半导体器件进行开封(decapsulation)检查(开封这一步骤由于需要化学品方面的操作,因此需要有化学品操作资格的专业人员进行)。
在开封后首先要做的是再确认一遍失效模式是否存在或者改变,这是因为开封的操作也会有潜在的风险影响失效的半导体器件。
在失效模式确认的情况下,光镜检查这一步是必不可少的,即使光
3
第二章失效分析的基本流程
镜检查不能直接发现问题所在,但在光镜检查的时候通过对开封后的半导体器件的拍照也可以和后期一系列分析后的半导体器件对比,来判断我们的各种分析步骤是否对半导体器件产生了失效模式改变的影响。
在以上的一系列步骤完成后,Photoemission这一步就可以开始进行,Photoemission可以给分析者大量的信息来判断失效的可能性,有时更可以直接定位失效位置的所在。
在Photoemission的结果基础上,对于复杂的失效半导体器件,电路的分析配合微探针的使用,可以帮助我们找到失效的路径以及失效的模块。
在发现失效路径上有短路或者通过与好品的对比发现了不同的IV曲线的情况下,IR-OBIRCH的运用就可以使我们精确定位缺陷的位置,后续的物理失效分析就可以在定位的缺陷位置上进行,来发现最终的造成失效的失效机理。
下面以图示的方法介绍复杂的功能失效的半导体器件分析流程。
图2-1失效分析流程
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第二章失效分析的基本流程
第三章失效分析中的封装检查
3.1封装介绍
半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程[1]。
封装过程为:
来自晶圆前道工艺的晶圆通过划片工艺后,被切割为小的晶片(Die),然后将切割好的晶片用胶水贴装到相应的基板(引线框架)架的小岛上,再利用超细的金属(金、锡、铜、铝)导线或者导电性树脂将晶片的接合焊盘(BondPad)连接到基板的相应引脚(Lead),并构成所要求的电路;然后再对独立的晶片用塑料外壳加以封装保护,塑封之后,还要进行一系列操作,如后固化(PostMoldCure)、切筋和成型(Trim&Form)、电镀(Plating)以及打印等工艺。
封装完成后进行成品测试,通常经过入检(Incoming)、测试(Test)和包装(Packing)等工序,最后入
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