半导体器件可靠性物理(课堂PPT)
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失效规律、模式 失效机理
可靠性评估、可靠性设计和使用规范等
简而言之，半导体可靠性物理学主要是从发生在半导体内部
的各种物理效应的角度，从原子、分子运动的角度来研究如何 提高半导体可靠性的一门学科。
9
主要的研究内容
绪论
研究领域和任务
What failed? How did it failed? Why did it failed?
2. 半导体器件物理，SM.Z.，黄振岗译、魏策军校， 电子工业出版社，1987
3. 半导体器件可靠性物理，高光勃、李学信编著， 科学出版社，1987
3. 微电子器件可靠性，史保华、贾新章、张德胜， 西安电子科技大学出版社，1999
4. 硅－二氧化硅界面物理，郭维廉， 国防工业出版社，1988
4
课程内容
与半导体物理学的区别
t=0 半导体物理学
研究范围
半导体可靠性物理学
半导体物理学
半导体可靠性物理学
12
绪论
半导体可靠性物理学的主要分支
半导体器件的可靠性
研究领域和任务
器件可靠性指产品的寿命特点、使用维修情况、完 成任务的能力大小，是产品质量的重要指标之一。
器件可靠性问题也是产品质量问题
13
绪论
半导体器件可靠性问题
半导体器件可靠性与测试
北京大学微电子学系 王金延、解冰
Tel：62752579 62759297 jywang@ime.pku.edu.cn xieb@ime.pku.edu.cn
Department of microelectronics Peking Univ1ersity
课程目的
课程的目的
1. 了解半导体器件可靠性研究的发展过程 2. 熟悉引起半导体电路失效的主要模式 3. 熟悉引起器件退化的主要退化机制 4. 基本掌握器件退化的主要表征技术和检测方法
产生过程及其重要性
半导体可靠性物理学
课程的重点
绪论
是什么？ 干什么？ 为什么学？ 学什么？
21
绪论
半导体可靠性物理学
•金铝合金 •管腿腐蚀
•电迁移
•管腿损伤
•铝腐蚀
•漏气
•铝划伤
•外来物引起漏短路
•铝பைடு நூலகம்口
•绝缘珠裂缝
•台阶断铝 •标志不清
•过电应力烧毁
• 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
设计 芯片
晶片
报废、 失效
失效分析
半导体加工 制造过程 切割、封装
产品
使用过程…
筛 选 过 程
14
半导体器件可靠性问题
主要研究内容
进行器件的失效分析
绪论
失效分析(failure analysis)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。这一门 技术就是失效分析。
2
课程要求
课程的要求
1. 知道引起MOS电路失效的主要几种失效模式 主要的失效规律
2. 了解MOS器件失效的主要退化机制 掌握相关的分析和判定方法
3. 熟悉目前主要的MOS器件退化检测方法和表征技术
3
课程参考书
课程的参考书
1. 半导体物理学，刘恩科、朱秉升、罗晋生编著， 西安交通大学出版社，1998
半导体器件可靠性物理
• 绪论 • MOS器件退化机制和模型 • E2PROM退化机理和模型 • 静电放电(ESD)损伤 • 电极系统的退化、失效机理 • 电学退化的表征和测量技术
5
绪论
6
绪论
绪论
半导体可靠性物理学
研究领域、研究任务、 研究内容
半导体可靠性物理学
产生过程及其重要性
半导体可靠性物理学
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。
18
器件失效分析的作用
绪论
工艺和设计的纠正措施
原材料
工艺质量控制
失 效 分 析
可靠性试验
工艺规范
生产工序 工艺筛选
产品筛选
使用和设计的纠正措施
机器装调和运行
19
绪论
15
半导体器件可靠性问题
主要研究内容
研究内容主要包括两个层次
绪论
如何提高可靠性
失效分析、失效物理 工艺监控、可靠性设计
评价可靠性水平
可靠性数学、可靠性实验 可靠性评估
虽然器件可靠性研究首先是从评价可靠性水平开始的，但研究重点逐 渐在转向如何提高可靠性方面。
16
绪论
失效分析的基本内容 失效情况调查
半导体器件可靠性问题
主要研究内容
失效模式鉴别 失效特征描述
假设失效机理 证实失效机理
新失效因素的考虑
常见的失效模式 即失效的形式
开路
无功能
短路
特性退化
提出纠正措施
重测合格 结构不好
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、
课程的重点
是什么？ 干什么？
为什么学？
学什么？
7
绪论
半导体可靠性物理学
研究领域
是什么？ 六十年代后期崛起的一门新兴的边缘学科，目 前尚处于不断发展和完善阶段。
半导体可靠性物理学
半导体物理学 半导体工艺学 材料学 化学 冶金学 电子学
环境工程学
系统工程学
8
绪论
干什么？
表征 技术
半导体可靠性物理学
研究任务
什么 怎么 为什么
器件失效(氧化层击穿、 器件特性退化)、电迁 移等
某种条件下，电学特 性的变化规律
判定退化机制及其对 器件行为的影响
10
绪论
半导体可靠性物理学
研究领域和任务
与半导体物理学的区别
研究范畴
电应力(电压、电流、频率等)
氧化 层缺 陷
界面 态缺 陷
11
研究对象
绪论
半导体可靠性物理学
研究领域和任务
半导体器件的可靠性
两个概念
研究领域和任务
强调两个概念：器件的失效和退化
在目前许多的文献中，二者是等效的。但严格地讲，二者有区别。
共同之处：器件特性偏离了正常指标
不同之处：失效－更强调出现不正确的器件、电路 功能
本课程中，二者可互相替换。
20
绪论
半导体可靠性物理学
研究领域、研究任务
半导体可靠性物理学
漏电流大、PN结击穿、阈值电压漂移等等。
17
绪论
主要的失效机理
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。
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
可靠性评估、可靠性设计和使用规范等
简而言之，半导体可靠性物理学主要是从发生在半导体内部
的各种物理效应的角度，从原子、分子运动的角度来研究如何 提高半导体可靠性的一门学科。
9
主要的研究内容
绪论
研究领域和任务
What failed? How did it failed? Why did it failed?
2. 半导体器件物理，SM.Z.，黄振岗译、魏策军校， 电子工业出版社，1987
3. 半导体器件可靠性物理，高光勃、李学信编著， 科学出版社，1987
3. 微电子器件可靠性，史保华、贾新章、张德胜， 西安电子科技大学出版社，1999
4. 硅－二氧化硅界面物理，郭维廉， 国防工业出版社，1988
4
课程内容
与半导体物理学的区别
t=0 半导体物理学
研究范围
半导体可靠性物理学
半导体物理学
半导体可靠性物理学
12
绪论
半导体可靠性物理学的主要分支
半导体器件的可靠性
研究领域和任务
器件可靠性指产品的寿命特点、使用维修情况、完 成任务的能力大小，是产品质量的重要指标之一。
器件可靠性问题也是产品质量问题
13
绪论
半导体器件可靠性问题
半导体器件可靠性与测试
北京大学微电子学系 王金延、解冰
Tel：62752579 62759297 jywang@ime.pku.edu.cn xieb@ime.pku.edu.cn
Department of microelectronics Peking Univ1ersity
课程目的
课程的目的
1. 了解半导体器件可靠性研究的发展过程 2. 熟悉引起半导体电路失效的主要模式 3. 熟悉引起器件退化的主要退化机制 4. 基本掌握器件退化的主要表征技术和检测方法
产生过程及其重要性
半导体可靠性物理学
课程的重点
绪论
是什么？ 干什么？ 为什么学？ 学什么？
21
绪论
半导体可靠性物理学
•金铝合金 •管腿腐蚀
•电迁移
•管腿损伤
•铝腐蚀
•漏气
•铝划伤
•外来物引起漏短路
•铝பைடு நூலகம்口
•绝缘珠裂缝
•台阶断铝 •标志不清
•过电应力烧毁
• 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
设计 芯片
晶片
报废、 失效
失效分析
半导体加工 制造过程 切割、封装
产品
使用过程…
筛 选 过 程
14
半导体器件可靠性问题
主要研究内容
进行器件的失效分析
绪论
失效分析(failure analysis)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。这一门 技术就是失效分析。
2
课程要求
课程的要求
1. 知道引起MOS电路失效的主要几种失效模式 主要的失效规律
2. 了解MOS器件失效的主要退化机制 掌握相关的分析和判定方法
3. 熟悉目前主要的MOS器件退化检测方法和表征技术
3
课程参考书
课程的参考书
1. 半导体物理学，刘恩科、朱秉升、罗晋生编著， 西安交通大学出版社，1998
半导体器件可靠性物理
• 绪论 • MOS器件退化机制和模型 • E2PROM退化机理和模型 • 静电放电(ESD)损伤 • 电极系统的退化、失效机理 • 电学退化的表征和测量技术
5
绪论
6
绪论
绪论
半导体可靠性物理学
研究领域、研究任务、 研究内容
半导体可靠性物理学
产生过程及其重要性
半导体可靠性物理学
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。
18
器件失效分析的作用
绪论
工艺和设计的纠正措施
原材料
工艺质量控制
失 效 分 析
可靠性试验
工艺规范
生产工序 工艺筛选
产品筛选
使用和设计的纠正措施
机器装调和运行
19
绪论
15
半导体器件可靠性问题
主要研究内容
研究内容主要包括两个层次
绪论
如何提高可靠性
失效分析、失效物理 工艺监控、可靠性设计
评价可靠性水平
可靠性数学、可靠性实验 可靠性评估
虽然器件可靠性研究首先是从评价可靠性水平开始的，但研究重点逐 渐在转向如何提高可靠性方面。
16
绪论
失效分析的基本内容 失效情况调查
半导体器件可靠性问题
主要研究内容
失效模式鉴别 失效特征描述
假设失效机理 证实失效机理
新失效因素的考虑
常见的失效模式 即失效的形式
开路
无功能
短路
特性退化
提出纠正措施
重测合格 结构不好
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、
课程的重点
是什么？ 干什么？
为什么学？
学什么？
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绪论
半导体可靠性物理学
研究领域
是什么？ 六十年代后期崛起的一门新兴的边缘学科，目 前尚处于不断发展和完善阶段。
半导体可靠性物理学
半导体物理学 半导体工艺学 材料学 化学 冶金学 电子学
环境工程学
系统工程学
8
绪论
干什么？
表征 技术
半导体可靠性物理学
研究任务
什么 怎么 为什么
器件失效(氧化层击穿、 器件特性退化)、电迁 移等
某种条件下，电学特 性的变化规律
判定退化机制及其对 器件行为的影响
10
绪论
半导体可靠性物理学
研究领域和任务
与半导体物理学的区别
研究范畴
电应力(电压、电流、频率等)
氧化 层缺 陷
界面 态缺 陷
11
研究对象
绪论
半导体可靠性物理学
研究领域和任务
半导体器件的可靠性
两个概念
研究领域和任务
强调两个概念：器件的失效和退化
在目前许多的文献中，二者是等效的。但严格地讲，二者有区别。
共同之处：器件特性偏离了正常指标
不同之处：失效－更强调出现不正确的器件、电路 功能
本课程中，二者可互相替换。
20
绪论
半导体可靠性物理学
研究领域、研究任务
半导体可靠性物理学
漏电流大、PN结击穿、阈值电压漂移等等。
17
绪论
主要的失效机理
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。
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