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5、表面失效机理 第五章微电子器件的可靠性问题——表面失效机理 引起器件失效的物理、化学过程。 有的人这样理解失效分析 医药学的历史与人类的病痛一样长。大量医药科学的进步都是建立在外科医生进行的尸体解剖上。 在我们的专业领域，这一做法通常称为“失效分析”。 每个失效部件都应被视为进行可靠性改进的机会。失效部件有时甚至是“珍贵的”。 对失效分析的理解 大多数可靠性工作，只要按流程做就能得到结果。 失效分析有时却难以得到期望的结果。 但它却是决定性的！ 5.1微电子器件的失效模式和失效机理 失效--丧失功能或降低到不能满足规定的要求。 失效模式--失效现象的表现形式，与产生原因无关。如开路、短路、参数漂移、不稳定等 失效机理--失效模式的物理化学变化过程，并对导致失效的物理化学变化提供了解释。如电迁移开路、银电化学迁移短路。工程上，有时会把失效原因说成是失效机理。 应力—驱动产品完成功能所需的动力和加在产品上的环境条件。是产品退化的诱因。 其实最重要的要求是“证据”！ 失效模式就是失效的外在表现形式，不需要验证和深入说明其物理原因。 按失效的持续性分类：致命性失效、间歇失效、缓慢退化 按失效时间分类：早期失效、随机失效、磨损失效 按电测结果分类：开路、短路或漏电、参数漂移、功能失效 常见失效模式 外表观察的失效形式 油漆脱落，型号等标志不清，外引线断、松动，管壳明显缺陷 电功能测试的失效形式 开路，短路，无功能，电参数漂移，结特性退化或穿通 器件启封后的失效形式 芯片组装不良或脱开，键合点不牢，或被腐蚀，内引线严重损伤、断裂尾部过长、内引线与管脚键合不良，芯片上有外来异物、裂缝、表面金属腐蚀，氧化层划伤、不均匀等缺陷 主要失效机理 表面失效机理 SiO2中正电荷、Si-SiO2界面陷阱电荷、可动离子、氧化物缺陷电荷、氧化层缺陷、热载流子效应等 体内失效机理 晶体原生缺陷，二次缺陷，重金属杂质，二次击穿，部分辐射损伤等引起器件性能劣化 电极系统及封装失效机理 电迁移，台阶断铝，铝腐蚀，金属化层再结构，键合缺陷，过电应力，封装漏气 设计引起的失效机理 工艺、版图、电路、结构等设计缺陷 使用引起的失效 静电损伤，电浪涌，机械损伤，超最大额定使用 二、失效模式模型 即失效模式分布：即将各种失效模式按其百分比画成分布图，称此图为失效模式模型 对实际生产是有重要意义的，它表示出目前产品存在的问题和问题的主要方面，为改进设计、工艺和质量控制提供第一手资料 举例 改进建议： 改进键合质量或改变键合方法。加强镜检。 用磷硅玻璃或其他钝化方法减少氧化层电荷和可动电荷的影响。加强工艺卫生，杜绝氧化层针孔等缺陷。 改进金属化系统或提高铝膜质量或采用磷硅玻璃钝化，减少铝膜损失，被腐蚀，电迁移可引起的失效。 混合集成电路污染物及来源 5.2二氧化硅层缺陷对器件性能的影响 SiO2在平面工艺中的作用 作杂质扩散的掩蔽膜 器件表面的保护和钝化 某些器件的组成部分 二氧化硅层中常存在的缺陷 氧化层针孔，划伤，毛刺，钻蚀等 一、氧化层针孔对器件性能的影响 针孔 光刻工艺中，由于掩膜版上有小岛、光刻胶中有杂质微粒，或在硅片上沾附灰尘，胶膜上有气泡，氧化层质量较差等原因，在光刻腐蚀后留下的氧化层上存在针状小孔 破坏二氧化硅层的绝缘作用 破坏二氧化硅对杂质的掩蔽作用 隔离光刻时，基区位置上的不同针孔a，b，c。对器件的性能的影响 发射区光刻时，若在收集区表面有针孔，会有什么影响？ 引线孔光刻时，若在隔离槽边缘留下针孔，会有什么影响？ 二、其它氧化层缺陷对器件性能的影响 氧化层划伤，能使其厚度减小，甚至丧失对杂质扩散的掩蔽能力，或造成金属与硅之间短路 钻蚀、毛刺通常是由于表面不清洁、光刻胶粘附不牢、腐蚀时间过长等使氧化层边缘窗口不齐等引起的 氧化层过薄、厚薄不均匀、不致密均可使绝缘强度降低，以至于发生漏电、甚至短路 氧化层断裂，使表面金属连线与衬底断路。而MOS IC 中，不同区域的氧化层、厚度是不同的，造成很多氧化层台阶 5.3二氧化硅中正电荷对器件性能的影响 在Si-SiO2系统中存在四种电荷： 固定氧化物电荷Qf：离子化的硅或氧空位 可动离子电荷Qm：K+，Na+ 界面陷阱电荷Qit：结构缺陷（悬挂键）， 氧化物陷阱电荷Qot：辐射电离引起的 对器件可靠性的影响 一、pn结反向漏电 增加PN结反向漏电，降低了结的击穿电压，形成P区表面反型，形成沟道漏电，从而引起击穿 1、表面反型的判据 2、场感应结的反向特性 3、沟道漏电对双极电路的影响 在NPN晶体管中引起基区表面反型，产生沟道，导致TTL电路多发射极漏电增加，输出管高电平幅度降低 P+n结，加正栅压时，表面电场使重掺杂一侧形成场感应结，形成沟道漏电 1、表面击穿： P+n的n区表面趋向n+