集成电路的失效分析技术研究

摘要：随着科学技术的发展 , 集成电路在电子设备中的应用越来越广泛。IC 的可靠性也逐渐成为制约产品质量的关键因素之一 ,IC的失效分析工作越来越受到重视。本文主要对集成电路失效分析的过程、方法、技术、发展等方面进行了详细的分析和阐述 , 对提高集成电路可靠性起到了

集成电路的失效分析技术研究

宋孝霖，项卓

(国营芜湖机械厂）

摘要：

随着科学技术的发展 , 集成电路在电子设备中的应用越来越广泛。IC 的可靠性也逐渐成为制约产品质量的关键因素之一 ,IC的失效分析工作越来越受到重视。本文主要对集成电路失效分析的过程、方法、技术、发展等方面进行了详细的分析和阐述 , 对提高集成电路可靠性起到了借鉴作用。

电子业界的快速进步使得电子设备的集成性不断提升。作为电子设备的关键部分，集成电路负责数据信息的处理。一旦出现问题，整个设备也可能会产生严重的故障。电子设备可靠性的高低 , 很大程度上是由使用情况决定的。集成电路在生产和使用过程中 ,由于制造工艺、生产环境应力、使用条件、寿命损耗等各种因素的影响 , 不可避免地会出现失效的情况。

失效分析是提高集成电路质量和可靠性的重要手段 ,失效分析工程师需要利用电、物理、化学等多种技术定位失效点、查找失效分析失效机理、提供改进设计制造工艺的资料。失效分析的目的是通过实验 , 从故障器件中寻找相关信息 ( 失效等 ), 归纳、总结、发现、验证集成电路的失效并采取有效的措施 , 最终使产品的可靠性不断提高。

1 集成电路失效形式和失效机理

1.1 集成电路的失效来源分类

（1）电信号故障。这种故障情况通常与电路设计、供电设备等有关 , 或运输、安装过程中产生静电放电等原因造成的故障 , 具有一定的随意性 , 难以总结规律。其本质是电路中的电流、电压超过集成电路本身所具有的负荷能力。造成此类故障的原因存在于集成电路生产环境、操作人员、测试等各个方面 , 使用单位和生产厂家都存在导致此类问题的可能性。所以 , 在集成电路的生产和使用过程中 , 很重要的一点就是降低电过载的敏感性。

（2）内部失效。这种故障状况主要与集成电路本身的设计有关 , 也与器件材料等造成的可靠性问题有关。这种失效也可以叫作集成电路内在失效。故障类型包括结构设计缺陷、工艺错误位置、晶体缺陷和制造前工序等问题。这类问题的解决主要依赖于集成电路厂商对器件本身的结构、工艺、材料等方面的改进 ,用户只能通过改善外围电路来减少此类故障的风险而不能根除。

（3）外来异物失效。这种故障主要与集成电路通路、钝化层及外设封装工艺过程有关 , 其中钝化层及通路与晶圆后道工序存在一定的关联。目前，集成电路工艺比较完善 , 钝化层和通路部分可靠性较高 , 芯片内部的键合部分通常保护在封装范围内 , 因此，外来物失效最大的原因在于封装工艺。例如 , 在微处理器中 , 复杂的封装形式是器件可靠性的主要影响因素。这类失效的现象一般比较稳定 , 会在集成电路寿命较早的时候出现 , 这类失效集成电路可以通过适当的筛选提出。

1.2 集成电路失效机理

集成电路失效机理是指与集成电路性能有关，引起失效的各种应力因素及其相互作用过程，如电学、温度、机械、气候环境和辐射等。根据应力条件的不同，可以将失效机理分为几大类，包括电应力应力环境应力应力等。

（1）电应力故障的成因。主要有静电放电（ESD）、过电应力（EOS）和电迁移等几方面。静电放电基本上是指在两个静电电压不同的物体间发生的静电电荷交换，通常的放电模型主要分为三种：人体带电的放电模型、设备带电的放电模型和充电器具的放电模型。过电应力是指外部施加集成电路的造成的故障 , 可进一步划分为会导致局部电路击穿或发热烧坏的过压应力均为过电所致。电迁移现象是指集成电路内部的导体 ( 通常是金属互连线 ) 在长时间处于大电流电场中 , 离子的定向移动积累 , 会引起金属连线断开或内部短路等现象而产生的质量输送现象。

（2）温度应力失效机理。温度应力失效主要是指由于外界极端温度发生剧烈变化而引起的失效 , 通常温度过高引起的故障较多。它主要作用于两个方面 , 一是温度变化引起内部的机械应力 , 包括界面剪切力和内部水汽膨胀引起的的爆米花效应；另一种是高温会使高能载流子的增加使芯片内部晶体管结构发生雪崩击穿的机会增加 , 电路耐压能力下降 , 整体特性退化。

（3）机械应力失效机理。机械应力来源主要是集成电路安装、使用过程中产生的外部因素，会对集成电路内部结构造成机械损害。外部因素主要有不合理的安装机械应力、脚部成型不当引起的静态机械应力、外部震动、冲击引起的机械应力等。会产生内部的机械损伤，包括内部裂纹、黏合损伤等。

（4）气候环境压力失效原理。气候环境压力失效主要涉及湿度、外来污染和腐蚀等非温度压力下的环境因素对设备功能产生的影响。这种故障可能发生在生产过程中，也可能出现在使用过程中，主要与集成电路的气密性有关。

（5）辐射压力失效的原理。主要是讲的是当集成电路遭受宇宙射线或人工制造的高强度辐射时会导致的失效。这种失效大体上可以划分为三个主要类型：永久性损伤、半永久性损伤、及瞬时损伤。永久性损伤是即使将集成电路从辐射源中移开，其性能仍无法恢复到原有水平。半永久性损伤是从辐射源中移除集成电路后，其功能可以在较短的时间段内逐步回复。而瞬时损伤是只要删去辐射源，集成电路的性能可以即时重返原状。

2 集成电路失效分析过程

对于出现故障的集成电路，首先执行无损伤的检查，如果不能找出故障的来源，再对故障的集成电路进行无损检查。每种集成电路和故障类型都需要实施不同的分析程序，部分仅需对外壳进行检查就能识别故障类型，其他则需对电路展开详细分析，并借助高精度设备来确认其故障类型。因此，进行故障分析时必须谨慎，防止引入新的问题。

2.1 非破坏性分析

非破坏性分析就是在保证不对样本造成破坏的基础上，对样本的失效情况进行判断。主要的分析方式包括观察外在表象、电性能力的测试、应用 X 射线进行检查、采用扫描声学显微镜进行检测、利用粒子碰撞产生的噪音进行探测以及气体内部的成分进行分析。在外观分析中，通过肉眼或使用低倍数的光学显微镜对样本进行直接观察，以此评估电路表面是否存在损害等状况。电性能测试是对失效点和失效方式进行进一步确认 , 必要时，可在高温或潮热环境下进行试验。X光检查就是利用 X 光的透视原理来检测集成电路内部的构造是非常不错的。扫描声学显微镜检测是利用超声波传播的特性 , 检查集成电路内部的分层、裂纹、空洞等缺陷。粒子碰撞噪声检测内部气体成分分析 ,一般是针对气密性封装的腔体内环境 , 以及是否存在多余物体的颗粒进行检测。

2.2 开封制样和镜检

开封制样一般是在已经确认集成电路失效的情况下，需要对集成电路内部更深层次所需要的步骤进行观察和实验。由于不同集成电路在封装、结构等方面存在差异 , 应结合其具体特点采用这种处理方式 , 如机械启封、金相制样等。机开主要是针对陶瓷或金属封装的集成电路 , 利用研磨机、开盖机等设备对外壳体进行脱壳加工。化学开封主要是将塑封集成电路的封装料去除，一般采用发烟硝酸进行腐蚀处理。金相制样是在需要观察某一剖面的形貌时，才会采用金相制样、抛光等步骤进行制样。

2.3 内部电性能分析

在集成电路失效的情况下 , 内部芯片在开启后 , 其电量性能可作进一步分析。主要有三个关键步骤构成了芯片电性能的技术：确定缺陷点、电路分析以及微探测技术的应用。在寻找缺陷地点时，我们会以特定的问题点为目标，运用 OBIRCH 技术和 Emission 显微镜技术等专项检测技术进行精确定位。而电路分析方面，是通过有效地分析集成电路芯片的蓝图来逐步精确错误点，配合微探测技术最终完成缺陷定位。微探针检测技术是利用微探针在定位到芯片上某一模块或结构失效的情况下，对其进行相关电参数的单独隔离分段测试 , 以进一步确认其是否为失效点。

2.4 物理分析

物理分析法包括四种：聚焦离子束分析 ; 扫描电子显微镜分析；能谱分析；傅里叶红外光谱分析。

聚焦型离子光束主要是对集成电路表面进行精细切割或选择性地去除某一材料 , 以细致地观察芯片的深层形貌。与传统的研磨法相比更加精确 , 能够提高故障检测的精确性。扫描电子显微镜可以呈现集成电路最终的影像 , 并深入研究。一般用扫描电子显微镜对失效点的微小缺陷和成分进行分析 , 从而对故障发生的机理进行验证典型地，能谱分析需要配合扫描电子显微镜使用，它允许我们对电镜下观察到的特定微观区域执行元素的资质或定量评估。傅里叶红外光谱分析则是在某些情况下, 当能谱检测到的元素成分之间存在多种分子结构时，例如，有机物质成分证实了它们的进一步确认。

3 结语

集成电路可靠性工作的重要环节 , 了解集成电路的工艺、结构和电气特性 , 掌握集成电路失效分析的基础, 缺陷隔离、失效定位、物理分析失效分析的核心。通过对集成电路失效的几个基本类别和常见失效机理的分析 , 给出了集成电路失效的典型分析过程 , 可以准确定位失效产品 , 满足现阶段集成电路失效分析的基本需求。IC 发展速度迅猛 , 由此带来的故障分析挑战也是史无前例的，由于人们对集成电路失效原理的理解日益深入，并且失效分析工具持续进步，集成电路在设计、制造、使用的全过程中，失效分析的重要性必定会逐渐增强。