半导体技术概论

介绍

集成电路是一种小而复杂的装置，实现多种电子功能。 它由两个主要部分组成:一个微小且非常脆弱的硅片(芯片)和一个封装主要在保护内部硅芯片并为用户提供实用的方法处理组件。 这篇笔记描述了各种“前端”和“后端”制造过程，并以晶体管为例，因为它使用MOS技术。 事实上，在电子公司生产的大多数集成电路都采用了这种技术。

半导体器件的制造

集成电路的制造阶段可分为两个步骤。 第一, 晶圆制造，是极其精密和复杂的制造工艺硅片。 二是装配，是对模具进行包装和老化的高度精确和自动化的过程。 这两个阶段通常被称为“前端”和“后端”。 他们包括两个测试步骤:晶圆探测和最终测试。

图1所示。 集成电路制造流程图

晶圆(前端) 略

全晶片探测测试 略

线焊接操作 略

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集成电路制造工艺- 半导体器件失效分析概论

器件失效系指达不到预期的性能和规范的器件或正常工作的器件，经过一定时间的应力实验或使用后，其电学特性参数或物理、化 学性能降低到不能满足规定的要求。

半导体器件失效分析（failure analysis）系指产品失效后，通过运用各种电学和物理测试，确定器件失效的形式（失效模式） 、分析造成器件失效的物理和化学过程（失效机理） 、寻找器件的失效原因 ， 从而制订纠正和改善措施。

失效分析通常需要了解失效模式、失效机理和失效原因三方面的工作内容：

失效模式（failure mode） ——器件失效的形式和现象，如“管脚开路”，漏电流超标，Voh/Vol 失效等。内存产品的Single Bit、Block、 Bit Line、Word Lind失效。

失效机理（failure mechanism） ——导致失效的实质原因，即引起器件失效的物理或化学过程，如金属互联的电迁移、腐蚀、通孔缺失、栅氧化层击穿及光罩缺陷等。

失效原因（root cause） ——失效机理发生的起因，如设计、机器参数（电压，气体流量，温度）漂移，封装参数设置（如bonding force）等。

14.1.1 失效分析基本原则

失效分析是一系列严谨、逻辑性地解决问题的过程。任何随意的、缺乏缜密计划的分析可能破坏结果的一致性，导致错误的分析结果。因此，失效分析必须遵守一定的原则。

（1）先非破坏性分析，后破坏性分析： 这一原则始终贯穿于分析的每一个关键步骤。可靠性试验后失效的样品数目通常很少，电性表征完成后，常需进行外观检测和非破坏性分析，如X-Ray，SAM。

（2）好坏样品的电性比较 ，失效分析尤其失效定位是非常关键的原则。电性表征时，由于实验室探针台和半导体参数测试仪的局限性或对失效产品、参数和参数程序理解的局限性，所测的电性特征有时无法完全模拟复杂、昂贵的自动测试机（ATE）的测试程序和设置。 对好坏样品的电特性进行比较，分析差异，找出可能导致失效的特 性，在后续失效定位时设置合理的偏置条件，激励失效线路，有效定位。

（3）失效定位尽可能定到最小的器件单元 ，越精准的失效定位， 后续物理失效分析和化学分析成功发现失效机理的几率越高。

此外，进行失效分析还要考虑以下几个原则：

（1）接件时先进行可行性分析，失效分析常常费时耗力，如果不值得或无法分析，就不要浪费宝贵的时间和资源。

（2）要模拟、重现失效模式。

（3）分析时遵循物理原理。

（4）得到或导出的失效机理同失效模式要有关联性。

（5）结果、成本导向，先快速、简单、非破坏性的分析手法，再耗时、复杂、破坏性的方法，先便宜的机器，再昂贵的机器。

14.1.2 失效分析流程

失效分析要从失效现场直至追溯到制造、设计及使用的各个阶段。分析过程通常可以划分为以下四大类：

（1）电性表征；

（2）非破坏性分析；

（3）失效定位；

（4）物理分析。

集成电路从设计、生产、产品良率、可靠性试验、评估，封装，到客户端应用，其失效原因纷繁复杂，因此只能建立一个基本的、具有逻辑性的解决问题的系统性流程而非适用于所有失效的通用分析步骤。同时，建立失效分析报告数据库，以保证合理的失效分析成功率和分析周期。

通用的失效分析流程可以概括为：

（1）登入失效分析报告系统；

（2）资料收集和分析；

（3）鉴别失效模式；

（4）失效现象的观察和判定；

（5）检查外观；

（6）证实失效；

（7）非破坏性分析；

（8）半破坏性分析；

（9）电学检验复测；

（10）失效定位；

（11）物理分析/化学分析；

（12）FA报告：总结结论、提出建议和改正措施；

（13）完成报告，在失效分析系统中结案。

各个主要失效分析阶段的具体工作内容可以总结如下。

1．资料收集和分析

（1）制造厂、型号名称、外壳类型、生产日期、批号。

（2）用户、使用设备名称、台号、失效部位、累计运行时间。

（3）发生失效的环境：调试、运行、振动、冲击、验收、收场使 用等，如温度、湿度、电源环境、元器件在电路图上的位置和所受电 偏置的情况。

（4）失效应力，包括电应力、温度应力、机械应力、气候应力和 辐射应力等。

（5）失效时间/发生期，失效样品的经历、失效时间处于早期失 效、随机失效或磨损失效。

（6）失效现象无功能、参数变坏、开路、短路等。即失效环境、 失效应力、失效发生期以及失效样品在失效前后的电测试结果。

（7）对失效器件本身（线路、结构、版图、工艺、性能、材料 等）应作全面了解。

2．鉴别失效模式/失效现象的观察和判定

（1）外观检测：肉眼,立体显微镜，低、高倍光学显微镜观测， 扫描电镜/能谱观测(如果需要化学成分分析)。

（2）机械损伤、腐蚀、管脚桥接、处于引脚之间的封装表面上的污染物(可能引起漏电或短路)、标记完整性等。

（3）器件外观的完整性检测，如微裂纹、黑胶和引线框架封接处的分层、焊缝上的裂纹、沙眼、空洞、焊区内的小缺陷等。

（4）EOS/热效应引起的器件变色等。

电特性测试及电性能表征。用半导体参数测试仪、示波器、自动测试仪（ATE） 判断失效现象是否与原始资料相符，分析失效现象可能与哪一部分有关。电测失效模式可能多种模式共存。一般只有一个主要失效模式，该失效模式可能引发其他失效模式。连接性失效、电参数失效和功能失效呈递增趋势，功能失效和电参数失效可以归结于 连接性失效。在缺少复杂功能测试设备时，利用简单的连接性测试和参数测试，结合物理失效分析技术，仍然可以获得令人满意的失效分析结果。有报道显示，将近30%的失效在重测或验证时变成“好”样 品，部分失效在验证时恢复正常功能。潜在原因有：

（1）测试错误：测试时接触不良；底座（socket）上微尘粒子 （particle）造成间歇性测试误判。

（2）器件在测试时确实失效，但是引起失效的原因不存在，器件所含湿气蒸发或应力释放，激发闭锁（latch-up）的条件不存在 （reset），可动离子扩散，引起漏电的机理/诱因不存在。

（3）间隙性/Soft failure失效：引起短路的松散接触的微尘粒子移 动或只在特定的方向才会失效/短路，器件只在一定的温度、电源电压、频率下失效，器件使用时施加的工作条件不恰当（如电压、驱动 电流等）。

3．证实失效

通过外部电性测试/表征，来判断器件是否失效。

（1）为了证实器件失效，失效分析工作者在验证时常需要尝试不 同的测试条件，尽量模拟可能的失效状况。对Soft failure或间歇性失 效，常用Schmoo图，即在ATE/测试机测试时只改变其中一个参数，如电压、温度、频率、脉冲宽度等，来表征器件的好/坏界限和判断器件 正常工作的区间。要注意的是，上述步骤均是非破坏性分析，在操作 时，要避免引入新的失效机理，或导致器件参数改变/恶化，发生二次失效现象。

（2）在初步验证参数时，先低电压、小电流，再适当逐步增加。 但不可超过数据手册（Date Sheet）规定的上限，以防过载，或引起间 歇性失效复原。

（ 3 ） 严 格 遵 守 相 关 器 件 使 用 的 注 意 事 项 。 对 高 阻 抗 （impedance）器件，如MOS，低功率Schottky TTL等，要特别注意预 防EOS/ESD损伤。

4．根据所确定的失效模式拟定后续分析/测试的计划

5．非破坏性分析

对器件不产生物理损伤的检测。在失效分析流程中常指不必打开 封装对样品进行失效定位和失效分析的技术。主要用于封装缺陷和引 线断裂的失效定位，采用的主要仪器包括X射线透视和扫描声学显微 镜，具有不必打开封装的优点。

6．半破坏性分析

在器件外部实施了相应的非破坏性分析后，便可以进行半破坏性分析。主要包括：

（1）开封：电子器件两类常用的开封方法是机械方法和化学方法。半破坏分析常用化学方法中的自动（Jet Etch；塑封器件喷射腐蚀 开封）开封，一般用于环氧树脂密封的器件。即对器件进行部分开 封，暴露芯片表面或背面，但保留芯片、管脚和内引线和压焊点的完 整性及电学性能完整，为后续失效定位做准备。因此，也常被归在失 效定位的范畴内。此步骤的关键是保持器件的电学特性开封前后的一 致性。

（2）内部检查：立体显微镜；低、高倍显微镜和扫描电镜观测。

（3）复测电特性，验证失效情况。

（4）真空烘焙（可选）：当故障可能是由离子污染或迟缓状态/ 束缚电荷泄漏路径如反型层及由使芯片上的电荷分散引起时，对半导 体器件进行高温烘焙可以“治愈”或逆转变坏的电气特性，这表明器件 失效是由于制造缺陷所引起。而在低温真空干燥后，器件如果复原， 则报告的失效则可能是由于外表面曾吸附或聚集了潮气。Jet Etch后的 塑封器件（在封装上打一个孔）进行低温烘焙能除去封装内部的潮气 和挥发性气体。随后的电性复原，说明内部存在潮气或挥发性污染 物。10-5mmHg，150～250℃条件下烘焙两小时，测量并记录由烘焙 所引起漏电流的任何变化（optional）。再进行电学检验复测。

要注意的是：步骤5和步骤6（非破坏性分析和半破坏性分析）， 理想状况下不会引起被分析器件电学特性变化，但是随着器件功能的 复杂化、物理尺寸的精细化、器件封装技术的发展（chip scale package）和应用要求、X射线探测，严格意义上，不是绝对无损分 析，由于它产生的高能量粒子，很可能使样品损伤，或者不适用再做 试验。对某些敏感器件，如内存，可能因辐射损伤引起细微的参数漂 移或引起产品功能退化、甚至失效。开封可能引起的器件连接性 （continuity）失效，Bond Pad腐蚀等，常常有类似报道。因此，引入 电学性能检验/复测是必要的。

7．失效定位

利用多种不同的技术，在每个芯片的几十万到几千万个甚至上亿个元件中，缩小导致失效的范围。在深亚微米领域集成电路进行失效 分析，找到失效部位并进行该部位的失效机理分析是整个失效分析中 最关键的步骤之一。失效定位技术包括电测技术、无损失效分析技 术、信号寻迹技术、二次效应技术、样品制备技术，通常，这些技术 又分为芯片级定位技术（global technique）和探针技术。芯片级定位 技术试图确认失效引起的二次效应。分析实验室常用热探测技术探测失效，检测短路或漏电部位引起的发热点；光反射显微镜检测芯片上失效部位因电子-空穴复合产生的发光点。

8．物理分析/化学分析

通过样品制备，如Cleave、研磨、干湿法剥层（delayering）、聚 焦粒子束（FIB）等，利用一系列光子束（高倍显微镜）、电子束 （扫描电子显微镜，透射电镜）、化学元素成分分析（EDX）和表面 分析（Auger、XPS、SIMS等）设备观察失效部位的形状、大小、位 置、颜色、机械和物理结构、特性、成分及分布等，科学地表征和阐 明与上述失效模式有关的各种失效现象。

9．FA报告

总结结论、提出建议和改正措施，如（add FA Report Component and Format here）：

（1）失效原因：以半导体器件失效机理的有关理论为根据，对上 述失效模式和现象进行理论推理并结合材料性质、有关设计和工艺理 论及经验，提出导致该失效模式产生的内在原因或具体物理化学过 程。如有可能，更应以分子、原子学观点加以阐明或解释。

（2）失效原因未完全确定，但失效特征已有较好的了解。

（3）分析失败。失效原因无法确定。

（4）提出纠正措施。失效分析的终极目标是提高产品良率、品质 和可靠性。根据失效分析结果，和相关部门合作，提出防止产生失效 的设想和建议。它包括工艺、设计、结构、线路、材料、筛选方法和 条件、使用方法和条件、质量控制和管理等方面，如此周而复始，不 断发现问题，分析解决问题，使器件的可靠性不断得到提高。

10．完成报告

在失效分析系统中结案。

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