目录第一章半导体器件使用的可靠性第二章表面失效机理第三章体内失效机理第四章核辐射失效及抗核失效第五章电极系统的失效机理第六章封装系统的失效机理第七章厚膜电路的失效机理第八章失效分析程序第九章失效分析技术第十章半导体器件的静电损伤及防护第十一章 半导体器件使用的可靠性第十二章 失效分析实例第一章半导体器件失效分析概论1*失效分析的产生与发展随着微电子学的飞速发展，半导体器件已广泛应用于宇航 /军事/工业和民用产品中。 所以对半导体器件的可靠性研究也更加重要。半导体器件的可靠性的研究主要包括两方面：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，所以失效分析的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单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。特别是 60 年代以后，随着可靠性研究的发展和高可靠半导体器件及大规模 集成电路的出现，可靠性研究遇到了难以克服的困难（例如失效率 10-7意味着 10000 个器 件作 1000 小时试验之后才能得出这一结果）。第二，半导体器件和集成电路的品种及工艺 更新速度很快，使得过去取得的可靠性数据常常变得不适用。第三。当代电子设备和系统 的日益复杂化/综合化，并对器件提出了高可靠的要求。为了解决以上的问题，迫切需要一 种既省时间，又省费用的可靠性研究方法。失效分析和失效物理研究就是为了达到这一目 的而迅速发展起来的，发展的情况如表 1-1 所示。表 1-1 失效分析的发展 时间50 年代60 年代70 年代以后 主要研究对象阻容元件 / 电子管晶体管 / 集成电路集成电路和大规模/ 超大规模集成电路 发展阶段统计失效阶段（开始 阶段）控制失效阶段（大发 展阶段）消除失效阶段（巩固 提高阶段） 研究方法失效率法失效分析法可靠性保证法 理论基础可靠性数学失效物理可靠性物理 研究重点失效规律失效机理工艺控制 /可靠性设 计/可靠性标准 研究目的计算失效率提高可靠性保证可靠性失效分析发展最快的时期是 60 年代和 70 年代。60 年代后期出现的平面工艺和集成电 路两项发明，开辟了利用集成电路的新时期，使集成电路的可靠性得到了很大提高，并成 功地用于“民兵”洲际弹道导弹，成为美国宇航局在阿波罗计划中 广泛使用集成电路的典 范。集成电路用于“民兵”导弹在可靠性方面的意义可定量说明如下：在 1958 年，要求微 型电路的平均失效率为 7*10-9。然而，那时侯晶体管的失效率大约是 1*10-5。 “民兵”计划 的改进措施（主要是以失效分析为中心的元器件质量保证计划）致使集成电路的失效率降 低到 3*10-9。其中失效分析对半导体器件可靠性的提高发挥了很大的推动作用。半导体器件可靠性在 60 年代之所以发生全局性变化，是由于出现了重要的技术突破 （即：平面工艺和集成电路的发明）。促成可靠性突破的三个因素是：1高可靠性的要求。象“民兵”导弹迫切要求提高可靠性。2研究出了能承受较高热应力和机械应力试验的器件结构。3有了较好的材料/较好的工艺控制。通过改进器件的设计，控制材料和生产过程就 能够制造出相当可靠的器件。在失效分析发展过程中，美国罗姆航空研究中心作了大量研究工作，起了巨大的推动 作用。1962 年 9 月，由罗姆航空研究中心和伊利诺斯工艺研究所共同发起，在芝加哥召开 了第一届“国际电子学物理讨论会”。会议以半导体器件为中心议题，以后每年召开一次年 会。随着失效分析的深入，从失效分析角度找到工艺缺陷，再从工艺物理角度进行研究，第二章 表面失效机理1*半导体器件常见的失效模式和机理失效机理是指引起器件失效的实质原因，即引起器件失效的物理或化学过程。半导体 器件包括二极管/三极管/集成电路和可控硅器件等。由于它们在材料和工艺制造上差别较 小，所以失效机理大致相同，只是因器件种类不同，对各种失效机理的灵敏度有所不同， 即使 MOS 电路和大规模集成电路（LSI），除了少数特殊问题外，其基本失效机理大致相 同。因为所有半导体器件都是由芯片。电极系统/封装系统等几大部分组成。并且制造工艺 和所用材料十分类似，所以基本失效机理是一致的。常见的失效机理如表 2-1 所示。集成 电路失效机理如表 2-2 所示。2* SiO2-Si 系统中的电荷由于 SiO2 的钝化作用，硅平面器件的稳定性和可靠性有了很大提高，但它并不是完 美无缺的，仍然存在着很大的不稳定性。近几十年来，人们对 SiO2-Si 系统中引起的器件 不稳定的原因进行了大量的研究，实验分析表明，SiO2Si 系统内存在四种电荷：固定电 荷/界面态/可动正离子和电离陷阱。它们将严重地影响器件的可靠性和稳定性，这些电荷 的分布如图 2-1 所示。一可动正离子SiO2 的可动正电荷是碱金属离子沾污，它们是钠离子 /钾离子/锂离子等正电荷。其中 最主要的是钠离子。因为钠离子不仅迁移率较大 （比钾离子高一个数量级）而且钠离子在 地球上含量最多（储量在化学元素中占第 16 位），而锂 （Li）元素在半导体器件工艺中却 很少遇到，因此可动电荷主要来源于钠离子沾污。器件生产中所用的材料/玻璃器皿/化学 式剂/去离子水/石英管等，钨丝以及不锈钢镊子等都含有钠离子。例如每克硼硅玻璃中含 有 7*1020个钠离子。造成热生长 SiO2 中钠离子含量高的另一个原因是钠离子在 SiO2 中的 扩散系数很大，它仅次于氢离子，比常用的杂质元素 P/B/As 大近万倍。因此可以说在硅平 面工艺的各种热处理过程中，SiO2 对于钠离子是“透明”的，在温度-偏压实验中（如高 温电老化）钠离子能在 SiO2 中横向及纵向移动，从而调制了器件有关表面的表面势，引 起器件参数的不稳定，甚至失效。在常规工艺生长的氧化层中存在着 1012-1013个/cm2钠离子，在氧化膜生长过程中钠 离子倾向于 SiO2 表面积累（此时对半导体器件性能影响较小），但在温度 偏压条件下， 钠离子很快穿过 SiO2 并堆积到 Si-SiO2 界面附近，对半导体器件的影响增强，因此钠离 子在氧化层中的分布几率呈现“U”形分布。二固定电荷它是存在于氧化层中靠近 SiSiO2 界面的 25*10-10m 范围内的正电荷。它起源于氧化 过程引入的缺陷，由硅在氧化过程中硅界面氧化不完全，存在过量硅离子 （即氧空位）而 引起。硅在氧化过程中，SiO2 的增厚是由 O2 或 H2O 扩散过已生成的 SiO2 层，在 SiO2 Si 界面处与原子反应生成新的 SiO2 所致。由于 SiO2Si 界面附近的 O2 浓度很低这就造 成了该处 SiO2 结构中的缺氧状态，即氧空位，如图 2-2 所示。固定电荷的特征如下：1其表面密度是固定的不随外加偏压和硅表面势而变化。2二氧化硅层厚度/硅衬底掺杂类型及浓度对固定电荷无显著影响。3在相似的工艺条件下，固定电荷面密度随硅晶体取向而明显变化，并按（111） （110） （100）顺序递减，近似 3：2：1，如表 2-3 所示。4热氧化过程的气氛/高低温退火气氛及氧化温度对固定电荷数值均有很大影响。主 要取决于最后一道高温处理。固定电荷的影响是使 MOS 结构的 CV 曲线向负方向平移，而不改变其形状。使MOS第三章 体内失效机理1* 二次击穿一热电破坏引起器件二次击穿半导体器件的体内失效中，热电破坏是最主要得失效形式之一。热电破坏是器件因温 度升高而引起的器件参数退化或烧毁。最典型的例子是高反压器件和高功率器件的 “二次 击穿”。二次击穿是体内失效，它是导致功率管突然烧毁和早期失效的主要原因。（一）二次击穿概述二次击穿是指器件被偏置在某一特殊工作点时，电压突然下跌，电流突然上升 （出现 负阻）的物理现象。二次击穿（简称 SB）现象不仅在双极功率管中存在，而且在点接触二 极管/CMOS 集成电路以及各种体效应器件中也同样存在。如果器件无限流装置或保护措 施，一旦发生二次击穿，器件会立即烧毁。只不过不同器件对二次击穿的敏感性不同，其 中功率器件和 CMOS 集成电路比较敏感。双极型晶体管的二次击穿现象如图 3-1 所示。根据发射结的偏置状态，可以分为正偏二次击穿和反偏二次击穿。图 3-1 所示曲线有 以下特点：1三种曲线皆存在一个电压开始跌落的点，这个点称为二次击穿触发点，其功率大小 为 PSB。在二次击穿触发点停留时间（d ）称为二次击穿“延迟时间”。2三条曲线中 PsbrPsboPsbf，可见反偏二次击穿的功率最小，正偏二次击穿的功率 最大。3三条曲线进入低压大电流时，其电压极限值近于相等，约为 1015V。二次击穿与雪崩击穿（一次击穿）不同，它们有本质的区别；雪崩击穿是电击穿，一 旦反偏电压下降，器件仍可恢复正常，可见一次击穿是非破坏性的，是可逆的。二次击穿 则不然，它是一种热电击穿，它属于破坏性的，是不可逆的。二次击穿发生时有很大的过 量电流流过 PN 结，PN 结有很高的温升，因此二次击穿会严重损伤 PN 结，甚至烧毁。小功率器件的二次击穿功率 Psb 比一次击穿功率 Pcm 大 15-100 倍，但大功率器件的 功率余量则很小，一般 Psb 比 Pcm 仅大 2-10 倍，两者相差一个数量级。因此二次击穿失 效对功率晶体管可靠性的危害特别严重。由于功率晶体管的功率余量不多，所以使用中往 往容易出现瞬间超过“二次击穿功率”而导致管子烧毁失效。特别是在晶体管突然截止或 负载突然发生开路的时候，容易出现反偏二次击穿。（二）二次击穿的机理双极型晶体管的二次击穿机理已有大量研究文章，但到目前为止尚没有一种理论能圆 满地说明二次击穿的问题。当前用得较多的理论有热不稳定理论 （称热模式）和雪崩注入 理论（或称电流模式）。1热不稳定理论认为，出现二次击穿的原因是热电反馈效应使电流在管芯的局部地区 集中，造成温度过高而产生热斑。当器件吸收能量达到了触发能量后，就会立即出现逆转 和电流骤增（负阻），从而导致二次击穿，触发二次击穿所需能量如下式所示：Esb=对（ （ic） （t）Vc（t）dt）积分从 0 到d式中：d 是延迟时间，一般为几十微秒到几十毫秒。2雪崩出入理论认为，二次击穿与器件从电源吸收的能量无关，而与器件局部点的瞬 时电流密度及该点对应的集电结处电场有关系。当电流密度达到了空间电荷限制电流密度 和集电结处局部场强达到雪崩临界场强时，便会诱发二次击穿。它与热不稳定二次击穿相 比，电流更加集中，电流聚集处瞬时功率密度更大，其延迟时间更短（约 ns 量级）。雪崩注入引起二次击穿，首先在集电区-衬底交界处（例如 NN+）发生，而热不稳定 引起的二次击穿则首先是在 BC 结处发生。第四章 核辐射失效及抗核加固1*核辐射环境由于核武器技术/空间技术和核动力的发展，大量的电子设备和系统必然要处于在 核武器爆炸和其它核环境下工作。核辐射环境对于电子系统来说是目前存在的最恶劣 环境。核武器爆炸时，除了产生大火球和蘑菇云外，还会产生具有巨大破坏作用的冲 击波/光热辐射/放射性沉降物/核辐射和核电磁脉冲等。其中，核辐射和核电磁脉冲对电 子和电力系统/电子元器件的破坏作用最为严重。电子元器件所受的辐射损伤可以分为永久损伤/半永久损伤和瞬时损伤等几种情 况。永久损伤就是在辐射源去除后，元器件仍丧失工作性能不能恢复性能效应；半永 久损伤是辐射源去除后，在不太长的时间内元器件可逐渐地自行恢复性能；瞬时损伤 效应是指在辐射源消失后，元器件的工作性能能立即得到恢复。人造地球卫星和宇宙飞船在空间飞行时，将受到空间各种高能粒子的轰击。空间 辐射的主要来源是天然辐射带和高