钝化层与器件可靠性研究

扫描点

图2 有生成物样品表面形貌

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图1 无生成物样品表面形貌 钝化层与器件可靠性研究1

李雨辰，何友琴，章安辉，马农农

中国电子科技集团第四十六研究所质检中心，天津 (300192)

E-mail ：liyuchen@

摘 要：本文采用了X 光电子能谱仪（XPS ）、扫描电镜、二次离子质谱仪（SIMS ）等多种分析手段对某半导体器件厂失效器件进行失效原因分析，并与国内外的同类产品进行了对比，通过大量的实验和数据分析，查明器件失效的主要因素是芯片表面的氮化硅钝化层存在缺陷。同时，总结出单一使用XPS 测试手段表征钝化层质量的方法。由于这种手段具有信息全面、方便快捷的优势。它不仅可以分析样品的元素和相对含量，还可以通过分析元素的结合能而得到元素的价态信息，并可以进行深度剖析；对于大多数样品都不需要特殊的处理，对样品导电性也没有要求。因此，可以全面的表征氮化硅钝化层质量。 关键词：XPS ，氮化硅，钝化层，失效分析

1 引言

2006年，某研究所一次整机试验中，发现线路中某器件厂家生产的一只3DK9D 三极管失效。失效现象为集电极电压18V ，正常情况应为28V ，分析认为是三极管C 、E 漏电导致的，漏电流大的原因与器件内部、水汽含量高、存在沾污等缺陷有关，在用户特定的使用条件下暴露出来。但这一结论缺乏有效证据。我们模拟该器件出现失效的实际工作环境，并复现了器件失效的情况。经初步失效分析，结论为器件发生铝腐蚀，电极附近有生成物。进一步分析重点集中在证实器件失效产生的原因，弄清导致失效的铝腐蚀产生机理，以便对器件生产厂家乃至国内整个器件生产行业的工艺改进和可靠性控制起到指导作用。

2 实验与讨论

2.1扫描电镜分析

利用扫描电子显微镜进行了无生成物和有生成物的芯片的对比观察，试验发现无生成物样品的电极边缘（图1所示）和有生成物样品的电极边缘（图2所示）有明显区别。图2所示扫描点所在位置为基极边缘，生成物沿电极台阶的边缘分布，具有典型的水纹状的形貌，由此可以判断生成物应在芯片钝化层的表面有分

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本课题得到天津市应用基础研究计划面上项目（紫外光激发下砷化镓表面特性研究）的资助。

图3 有生成物样品电镜能谱图

布，水纹状形貌很有可能是在温度循环试验中水汽反复在管壳和芯片上凝结所形成的。由于温度循环试验是在通电情况下进行，生成物的分布在基极边缘，所以很有可能发生了电化学反应。从扫描电镜能谱图中（图3）可以看到生成物部分成份包括Si 、Al 、Ni 等元素，而没有生成物的芯片表面只有Si 元素。初步判断Si 应为氮化硅钝化层中所含的Si 元素，Al 元素为Al 电极被腐蚀产物，Ni 为管壳中的成份。由于扫描电镜灵敏度相对较低，而且信息深度大，无法判断腐蚀反应发生的确切深度，所以使用X 光电子能谱仪（XPS ）来得到更多信息以便更准确地找到失效原因。

2.2 XPS 分析

2.2.1 XPS 原理

本文用于XPS 分析的仪器为美国Φ公司生产的PHI5300型X 射线光电子能谱仪和岛津公司AXIS-ULTRA 小面积X 射线光电子能谱仪。

X 光电子能谱实质就是X 光激发的光电离过程。当一束X 光照射到样品表面时，它可以穿透微米数量级的深度，在这个范围内的电子被激发而脱离轨道束缚成为自由电子，称为光电子。大量的光电子经过非弹性散射丧失其动能，只有临近表面的光电子才能逃逸出样品，进入能量分析器中被检测到。一般情况下，XPS 分析的光电子的动能范围在20-1000eV 之间，在此区间内电子的非弹性散射平均自由程λ约为1-5nm ，也就是说XPS 采集和分析的信号来源于样品的表面层（约为3λ）。[1]

由于原子中电子的状态会受到周围化学环境的影响而发生变化，体现在XPS 谱图上就是谱峰位置的偏移，这种由于化学环境的变化所引起的峰位移动称作化学位移，这也是XPS 进行元素化学状态分析的原因。[1]

XPS 光电子成像，是收集样品表面发射的单一能量的光电子，对应不同的元素，通过计算电子来源的位置得到该元素在样品表面的分布情况。 2.2.2试验分析

根据扫描电镜分析的结果，选择图1、2样品进行XPS 分析，在采集芯片表面元素像后得到图4和图5。

元素像视场面积为800x800微米，经过10分钟的Ar 离子表面清洗，图4中红色光点为Si ，绿色光点为N ，黄色为两种元素重合部分。图5中红色光点为Al ，绿色光点为Si ，黄色为两种元素重合部分。

分析两图可以发现，有生成物的芯片其氮化硅钝化层的厚度分布很不均匀。由于两个样品经过10分钟Ar 离子表面清洗，根据溅射速率推算只是去除了表面沾污，但从图5中，可以很明显的看到，左上角的Si （SiNx ）出现了缺失，表明这里的氮化硅膜很薄。这也反映出钝化层整体分布的不均与性，图中标出的扫描点是生成物分布的区域，此处的氮化硅钝化膜存在缺陷。而图4呈现出相对比较均匀的分布。

两者对比可以初步判定，有生成物的样品芯片表面钝化层质量较差，以至于可能使部分电极暴露在外，导致水汽对电极产生腐蚀作用。

进一步对两个样品所标注的扫描点进行XPS 能谱分析。这两个点在两个芯片上的位置是对应的，都处于基极和等位环之间台阶的位置。图6、7分别为无生成物和有生成物的芯片样品在扫描点位置采集到的全扫描谱图。图中除C 、N 、O 之外的各元素与扫描电镜的结果一致，图6所示无生成物芯片表面除不含Ni 元素之外，N 、Si 、Al 元素相对含量有所不同（以峰高的相对值判断）。

表1 有生成物样品 Ni 元素拟合

结合能 百分比 可能的化合态

852.87 23.52% NiO 与Al(OH)3/Al 2O 3的混合物 854.71 18.29%

NiO

856.35 43.24% Ni （OH ）2或Ni 2O 3 858.57 14.95%

接近NiF 2中Ni 的结合能

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图4 无生成物样品XPS 元素图Si N 缺陷

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图5 有生成物样品XPS 元素图Si Al

图7 表面有生成物管芯XPS 谱图

图6 表面无生成物管芯XPS 谱图