失效分析

第四章–失效分析

•§4.1 失效模式与失效机理

•§4.2 失效模型

•§4.3 失效分析的内容与程序

•§4.4 微分析技术的物理基础

•§4.5 电子显微镜

•§4.6 电子能谱及质谱

•§4.7 红外分析

•§4.8 破坏性物理分析

•§4.9 失效分析实例

注：本章内容主要参考张开华老师课件

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概述

本章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。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。

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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。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。

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§4.1失效模式与失效机理

元器件的选择和控制是一个多学科的综合工程，要求电路设计师独立完成是不现实的，因为在知识爆炸的时代，不可能要求一个电路设计师同时也是元器件方面的专家。由于元器件有上万个品种，每种元器件都有特定的性能和使用要求，要做到合理选用元器件，通常要由元器件工程师、可靠性工程师与电路设计师配合，共同完成。

在整机系统的研制过程中，合理地选用元器件，不仅是保证整机系统功能和电性能的需要，而且是保证整机系统可靠性的一个重要环节。

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• 4.1.1 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)。

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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。

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• 4.1.2 失效模式及模式分布

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。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)。

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失效模式分布

(a)直方图；(b)饼图

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。

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§4.2 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5种。

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• 4.2.1 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。

应力-强度模型示意图

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• 4.2.2 Arrhenius模型

Arrhenius（阿伦尼乌斯）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。

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