微电子器件的失效分析内容简介讨论微电子器件的失效分析，包 括失效模式及分布、失效模型、失 效机理，失效分析的工作内容、方 法与步骤，以及常用微分析技术的 基本原理、方法与特点可靠性工 作不仅要了解、预计所讨论对象的 可靠性水平，更重要的是要提高其 可靠性1失效分析是对失效器件 进行分析检查，找出失效 发生的原因，从而为改进 、提高器件可靠性指明方 向，所以失效分析在可靠 性工程中具有重要的作用 2在半导体行业内部，失效 分析是大量诊断活动的代名词 ，经过这些诊断活动可找到失 效部位，明确失效模式和失效 机理，准确地判断失效的根本 原因，从而提高产品的成品率 ，改善产品的质量和可靠性 所以失效分析是可靠性研究工 作的重要方面，也是提高可靠 性的重要方法和途径 3失效分析的概念失效分析系指产品失效后，通过对产品 及其结构、使用和技术文件的系统研究，从 而鉴别失效模式、确定失效原因、机理和失 效演变的过程可靠性工作大体分为两类：一类是通过 分析总结过去的管理、技术、设计、生产和 试验的经验，从而形成标准、规范、手册和 条例并在研制到使用的各个阶段中执行这些 规定另一类是对工作中发生的故障（失效 ）通过分析、试验和研究，找出故障的根源 ，认识它的规律及改进措施总结成今后要遵 循的法规，它是一个“实践——认识——在实 践”的过程。
4l 失效分析是随着微电子等的飞速发展，半 导体器件已广泛应用于宇航、军品、工业和 民用产品中，而发展起来的 l 如今的半导体器件可靠性的研究内容主 要包括两方面：一是评价可靠性水平（如可 靠性数学、可靠性试验、可靠性评估等）， 、二是如何提高可靠性（如失效分析、失效 物理、工艺监控、可靠性设计等）虽然器 件可靠性研究首先是从评价可靠性水平开始 的，但是研究重点逐渐在转向如何提高可靠 性方面，因为可靠性研究不仅是为了评价器 件可靠性，更重要的是为了提高可靠性，所 以失效分析和失效物理研究越来越受到广大 可靠性工作者的重视，失效分析和失效物理 研究的迅速发展并不是为了学术研究的需要 ，更重要的是为了满足可靠性工程迅速发展 的需要5从狭义的角度来说，失效分析 是对一个完好的半导体器件部分或 全部丧失规定的功能后（即失效后 ）的失效件进行分析的过程，对象 主要有客户反馈的失效件或质量考 核工程评估中出现的失效件从广 义角度来说，失效分析包括多种诊 断活动的范畴例如，它包括工艺 发展的支持、设计故障的排除和在 芯片制造和组装过程中成品率的改 善分析诊断过程需要相关的工具 和技术的支持，并且通常要按照一 定的分析程序来进行。
6工艺和设计的纠正措施工艺质量控制可靠性试验使用和设计的纠正措施原材料生产工序 工艺筛选机器装调和运行工艺规范失效分析产品筛选器件失效分析的作用7目 录1. 失效模式与失效机理2. 失效模型 3. 失效分析的内容与程序4. 微分析技术的物理基础5. 电子显微镜6. 电子能谱及质谱7. 红外分析8. 破坏性物理分析PDA9. 失效分析实例 81. 失效模式与失效机理1.1 失效分析的目的和意义可靠性工作的目的不仅是了解、评 价微电子器件的可靠性水平，更重要的 是要改进、提高微电子器件的可靠性 所以在从使用现场或可靠性试验中获得 失效器件后，必须对它进行各种测试、 分析，寻找、确定失效原因，将分析结 果反馈给设计、制造、管理等有关部门 ，采取针对性强的有效纠正措施，以改 进、提高器件的可靠性这种测试分析 ，寻找失效原因或机理的过程，就是失 效分析(方法或程序)9从理论上讲，微电路的寿命应该是 很长的早期失效一般都是由于设计、结 构、选材、工艺及使用上存在一些缺陷所 引起工艺筛选在一定程度上可将存在某 些缺陷的器件淘汰掉，使剩下的器件在使 用中可靠性较高但筛选办法是消极的， 它提高不了器件的固有可靠性。
积极 而主动地寻找失效原因，从根本上降低失 效率，提高固有可靠性因此失效分析是 一项重要而有意义的工作，经过失效分析 ，旧的失效问题解决了，可能又会引起新 的失效问题，再进行失效分析，如此反复 循环，不断提高产品的可靠性10常见的失效模式 即失效的形式最常见的有烧毁、管壳漏气、管腿腐蚀或断腿、芯片表面内涂树脂裂缝、芯片粘 合不良、键合点不牢或腐蚀、芯片表面铝腐蚀、铝膜伤痕、光刻/氧化层缺陷、漏 电流大、PN结击穿、阈值电压漂移等等半导体器件失效分析的基本内容失效情况调查失效模式鉴别失效特征描述假设失效机理证实失效机理提出纠正措施新失效因素的考虑开路 短路无功能 特性退化重测合格 结构不好11失效分析的目的和意义：l 失效分析是通过对现场使用失效样品、可 靠性试验失效样品和筛选失效样品的解剖分析 ，得出失效模式（形式）和失效机理并准确判 断失效原因，为迅速提高产品的可靠性提供科 学依据 l 失效分析和失效物理研究立足于微观世界 ，对半导体器件不单纯看成是具有某种功能的 “黑盒子”，而是从物理、化学的微观结构上对 它进行仔细观察，分析研究，从本质上探究半 导体器件的不可靠性因素，从根本上探索其工 作条件、环境应力和时间等因素，对器件发生 失效所产生的影响。
因此，失效分析在可靠性 设计、材料选择、工艺制造和使用维护等方面 都能为有关人员提供各种有用的科学依据，失 效分析是质量管理工作中的一个重要环节，如 果无失效分析则不能形成质量管理上的闭环系 统，质量管理工作就无法进行121.2 失效模式及模式分布失效是指正常工作的器件，经过一定 应力试验或使用后，其电参数或理化性能不 再满足原规定的要求失效模式是指器件失效的形式和现象 ，它只表示器件是怎样失效的，不涉及器件 为什么会失效器件的失效模式可分为：开 路、短路、无功能、参数漂移或退化、重测 合格等13再分细一点，可以是管壳漏气 、管内有多余物、管脚松动或折断 、芯片与管座粘结不良、引线键合 不良或脱开、互连线腐蚀、损伤短 路或断开、烧毁、表面漏电、PN结 退化或击穿、光刻未对准、钻蚀、 氧化层不完整、缺陷或击穿、阈值 电压漂移等，有了一定数量的失效 器件，按各种失效模式所占百分数 ，就可绘出失效模式分布图(失效模 式分布或失效模式模型)图4.l为 某种失效模式分布的示例1415失效模式分布可按器件的类型、生 产阶段或日期、厂家等的不同来绘制 从失效模式分布中抓主要矛盾，解决主 要失效模式的失效问题，提高产品的可 靠性。
从有关的失效模式分布中，了解 模式间的不同与变化过程，就可了解器 件可靠性现状及变化过程因此及时绘 制失效模式分布图，对失效分析和可靠 性管理都是有益的失效模式的数据可以用几种方法 得到：从类似工艺的已知模式，根据产 品抽样模底试验的数据，或用户使用后 的结果用户提供的数据最为可靠，但 要等交付使用较长一段时间后才能取得 161.3 主要失效机理失效机理是器件失效的实质 原因，说明器件是如何失效的 ，即引起器件失效的物理、化 学过程，有关器件失效的主要 失效机理在上一章中已作了叙 述17主要的失效机理失效机理指器件失效的实质原因，即引起器件失效的物理或化学过程• 键合缺陷引起的失效：键合颈部损伤、键合强度不够、键合面沾污金－铝合金 、键合位置不当、键合丝损伤、键合丝长尾、键合应力过大损伤硅片• 表面劣化机理：钠离子沾污引起沟道漏电、辐照损伤，表面击穿、表面复合引 起小电流增益减少等• 使用问题引起的损坏：静电损伤、电浪涌损伤、机械损伤，过高温度引起的破 坏、干扰信号引起的故障、焊剂腐蚀管腿等设计问题引 起的缺陷体内退化 机理氧化层 缺陷金属化系 统退化封装退化 机理•版图 •工艺方案 •电路和结 构•二次击穿 •CMOS闩锁效应 •中子辐射损伤 •重金属沾污 •材料缺陷•针孔 •厚度不均匀 •接触孔钻蚀 •介质击穿等•金铝合金 •电迁移 •铝腐蚀 •铝划伤 •铝缺口 •台阶断铝 •过电应力烧毁•管腿腐蚀 •管腿损伤 •漏气 •外来物引起漏短路 •绝缘珠裂缝 •标志不清182. 失效模型微电子器件本身的可靠性是由设计时 所赋予的抗各种外部应力的能力所决定。
这 些外部应力包括电、热、机械、湿气的作用 等当器件工作时，它承受一定的外界应力 及负载，器件会因某种缺陷而失效为了分 析失效数据，解释所观察到的失效现象，描 述失效发生的物理、化学过程，找出应力条 件，环境与时间等各因素之间的关系．就有 了失效物理模型或失效模型，目前常引用的 失效物理模型有下列几种192.1 应力－强度模型若产品失效 是由于外界的某 种应力，超过了 该产品对此种应 力所能承受的限 度(强度)而引起 的，就可用应力 －强度模型来描 述图4.2为这种 模型的示意图 202.2 Arrhenius模型Arrhenius（阿尔赫纽斯）模型是在 总结化学反应数据的基础上提出来的， 说明反应过程中反应速率与反应温度间 的关系由于微观的分子、原子发生了 物理的或化学的变化，导致在产品特性 参数上的退化，当其积累到一定程度时 即发生失效，退化所经历的时间即产品 的寿命，目前已成功地应用于电子元器 件的可靠性试验中21lArrhenius模型反映电子元器件的寿命与 温度之间的关系，这种关系本质上为化学 变化的过程方程表达式为l式中：dM/dt为化学反应速率；Ea为激活 能量（eV）； k为波尔兹曼常数 0.8617×10-4 eV/K；A为常数；T为绝对温 度（K）。
式(4.1)可化为 l lnt=a+b/T (4.3)22式中：F0为累计失效概率； t(F0)为产 品达到某一累计失效概率 F(t)所用的时 间算出b后，则 式(4.2)是以Arrhenius方程为基础的反 映器件寿命与绝对温度T之间的关系式 ，是以温度T为加速变量的加速方程， 它是元器件可靠性预测的基础 232.3 Eyring模型Eyring（艾琳）模型它也是一种反 应速率论模型，它描述了温度、湿度、 电压、电流、振动等多种应力和寿命之 间的关系，其反应速率R(T,S)为：242.4 最弱环模型由若干环组成的一根链条，在外力 作用下，某个强度最弱的环发生断裂， 整个链条断开，这就叫最弱环模型一 个电子产品也可以看成是由若干个相互 独立的失效因素构成的串联系统，其中 某个因素失效就导致产品失效如晶体 管或集成电路中，可能因PN结击穿而 失效，而击穿总是由结界面上最弱的一 点开始，这最弱点可能是设计不合理或 工艺缺陷引起，它在一定条件下产生局 部热点而击穿252.5 累积损伤模型外界应力对产品的作用有两类：一 类是可逆的，当应力移去后，产品性能 会自动恢复。
另一类为不可逆的，当应 力消失后，应力作用的后果仍然存在或 部分存在应力每次作用都给产品以一 定的损伤，当损伤积累到一定极限值时 产品会失效这种模型叫累积损伤模型 可靠性试验中的步进应力试验和序进 应力试验，就是以这种模型为依据的263. 失效分析的内容与程序失效分析是器件失效后进行的一种 检查，以验证所报告的失效模式和确 定失效机理失效分析的内容，是指 为完成失效分析应进行哪些工作；而 失效分析程序是指进行失效分析的计 划和步骤，它们是密切相关的，是对 同一问题的不同侧面的叙述27失效分析程序的基本原则是：①先调查、了解与失效有关 的情况(器件类型、运用时应力 条件、失效现象等)，后分析失 效器件②先做外部分析，后做内 部(解剖)分析③先做非破坏性分析，后 做破坏性分析28失效分析的基本内容l失效分析的基本内容包括：失效情况调查， 失效模式鉴别，失效特征描述，假设失效机 理，证实失效机理，提出纠正措施和新的失 效因素的考虑等失效分析着重于查明失效 模式，追查失效机理以及探讨改进方法 l(1.)失效情况的调查：la．器件的有关信息b．使用信息c．环境 信息 d．失效现象e．失效的过程。