半導(dǎo)體器件可靠性物理市公開課一等獎省賽課獲獎?wù)n件

半導(dǎo)體器件可靠性與測試北京大學(xué)微電子學(xué)系王金延、解冰Tel：6275257962759297jywang@xieb@

DepartmentofmicroelectronicsPekingUniversity第1頁課程目標(biāo)1.了解半導(dǎo)體器件可靠性研究發(fā)展過程2.熟悉引發(fā)半導(dǎo)體電路失效主要模式3.熟悉引發(fā)器件退化主要退化機(jī)制4.基本掌握器件退化主要表征技術(shù)和檢測方法課程目標(biāo)第2頁課程要求1.知道引發(fā)MOS電路失效主要幾個失效模式主要失效規(guī)律2.了解MOS器件失效主要退化機(jī)制掌握相關(guān)分析和判定方法3.熟悉當(dāng)前主要MOS器件退化檢測方法和表征技術(shù)課程要求第3頁課程參考書1. 半導(dǎo)體物理學(xué)，劉恩科、朱秉升、羅晉生編著，西安交通大學(xué)出版社，19982. 半導(dǎo)體器件物理，SM.Z.，黃振崗譯、魏策軍校，電子工業(yè)出版社，19873.半導(dǎo)體器件可靠性物理，高光勃、李學(xué)信編著，科學(xué)出版社，19873. 微電子器件可靠性，史保華、賈新章、張德勝，西安電子科技大學(xué)出版社，19994. 硅－二氧化硅界面物理，郭維廉，國防工業(yè)出版社，1988課程參考書第4頁半導(dǎo)體器件可靠性物理緒論MOS器件退化機(jī)制和模型E2PROM退化機(jī)理和模型

靜電放電(ESD)損傷電極系統(tǒng)退化、失效機(jī)理

電學(xué)退化表征和測量技術(shù)

課程內(nèi)容第5頁緒論第6頁緒論半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)研究領(lǐng)域、研究任務(wù)、研究內(nèi)容半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)產(chǎn)生過程及其主要性半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)課程重點緒論是什么？干什么？為何學(xué)？學(xué)什么？第7頁緒論半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)研究領(lǐng)域是什么？六十年代后期崛起一門新興邊緣學(xué)科，當(dāng)前尚處于不停發(fā)展和完善階段。半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體工藝學(xué)材料學(xué)化學(xué)冶金學(xué)電子學(xué)環(huán)境工程學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)第8頁緒論干什么？半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)研究任務(wù)簡而言之，半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)主要是從發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)部各種物理效應(yīng)角度，從原子、分子運動角度來研究怎樣提升半導(dǎo)體可靠性一門學(xué)科。失效規(guī)律、模式失效機(jī)理表征技術(shù)可靠性評定、可靠性設(shè)計和使用規(guī)范等第9頁主要研究內(nèi)容Whatfailed?緒論研究領(lǐng)域和任務(wù)什么Howdiditfailed?Whydiditfailed?怎么為何器件失效(氧化層擊穿、器件特征退化)、電遷移等某種條件下，電學(xué)特征改變規(guī)律判定退化機(jī)制及其對器件行為影響第10頁半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)與半導(dǎo)體物理學(xué)區(qū)分緒論研究領(lǐng)域和任務(wù)研究范圍電應(yīng)力(電壓、電流、頻率等)界面態(tài)缺點氧化層缺點第11頁研究對象半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)與半導(dǎo)體物理學(xué)區(qū)分緒論研究領(lǐng)域和任務(wù)研究范圍t=0半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)第12頁器件可靠性指產(chǎn)品壽命特點、使用維修情況、完成任務(wù)能力大小，是產(chǎn)品質(zhì)量主要指標(biāo)之一。半導(dǎo)體器件可靠性緒論研究領(lǐng)域和任務(wù)半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)主要分支器件可靠性問題也是產(chǎn)品質(zhì)量問題第13頁制造過程半導(dǎo)體加工切割、封裝設(shè)計晶片芯片使用過程…產(chǎn)品報廢、失效篩選過程緒論半導(dǎo)體器件可靠性問題？產(chǎn)生問題失效分析第14頁進(jìn)行器件失效分析半導(dǎo)體器件可靠性問題主要研究內(nèi)容失效分析(failureanalysis)系指產(chǎn)品失效后，經(jīng)過對產(chǎn)品及其結(jié)構(gòu)、使用和技術(shù)文件系統(tǒng)研究，從而判別失效模式、確定失效原因、機(jī)理和失效演變過程。這一門技術(shù)就是失效分析。緒論第15頁緒論研究內(nèi)容主要包含兩個層次半導(dǎo)體器件可靠性問題主要研究內(nèi)容評價可靠性水平怎樣提升可靠性即使器件可靠性研究首先是從評價可靠性水平開始，但研究重點逐步在轉(zhuǎn)向怎樣提升可靠性方面。可靠性數(shù)學(xué)、可靠性試驗可靠性評定失效分析、失效物理工藝監(jiān)控、可靠性設(shè)計第16頁緒論失效分析基本內(nèi)容常見失效模式即失效形式最常見有燒毀、管殼漏氣、管腿腐蝕或斷腿、芯片表面內(nèi)涂樹脂裂縫、芯片粘合不良、鍵合點不牢或腐蝕、芯片表面鋁腐蝕、鋁膜傷痕、光刻/氧化層缺點、漏電流大、PN結(jié)擊穿、閾值電壓漂移等等。半導(dǎo)體器件可靠性問題主要研究內(nèi)容失效情況調(diào)查失效模式判別失效特征描述假設(shè)失效機(jī)理證實失效機(jī)理提出糾正辦法新失效原因考慮開路短路無功效特征退化重測合格結(jié)構(gòu)不好第17頁緒論主要失效機(jī)理指器件失效實質(zhì)原因。即引發(fā)器件失效物理或化學(xué)過程。鍵合缺點引發(fā)失效：鍵合頸部損傷、鍵合強(qiáng)度不夠、鍵合面沾污金－鋁合金、鍵合位置不妥、鍵合絲損傷、鍵合絲長尾、鍵合應(yīng)力過大損傷硅片。表面劣化機(jī)理：鈉離子沾污引發(fā)溝道漏電、輻照損傷，表面擊穿、表面復(fù)合引發(fā)小電流增益降低等。使用問題引發(fā)損壞：靜電損傷、電浪涌損傷、機(jī)械損傷，過高溫度引發(fā)破壞、干擾信號引發(fā)故障、焊劑腐蝕管腿等。設(shè)計問題引發(fā)缺點體內(nèi)退化機(jī)理氧化層缺點金屬化系統(tǒng)退化封裝退化機(jī)理版圖工藝方案電路和結(jié)構(gòu)二次擊穿CMOS閂鎖效應(yīng)中子輻射損傷重金屬沾污材料缺點針孔厚度不均勻接觸孔鉆蝕介質(zhì)擊穿等金鋁合金電遷移鋁腐蝕鋁劃傷鋁缺口臺階斷鋁過電應(yīng)力燒毀管腿腐蝕管腿損傷漏氣外來物引發(fā)漏短路絕緣珠裂縫標(biāo)志不清第18頁工藝和設(shè)計糾正辦法工藝質(zhì)量控制可靠性試驗使用和設(shè)計糾正辦法原材料生產(chǎn)工序工藝篩選機(jī)器裝調(diào)和運行工藝規(guī)范失效分析產(chǎn)品篩選緒論器件失效分析作用第19頁半導(dǎo)體器件可靠性兩個概念緒論研究領(lǐng)域和任務(wù)不一樣之處：失效－更強(qiáng)調(diào)出現(xiàn)不正確器件、電路功效強(qiáng)調(diào)兩個概念：器件失效和退化共同之處：器件特征偏離了正常指標(biāo)在當(dāng)前許多文件中，二者是等效。但嚴(yán)格地講，二者有區(qū)分。本課程中，二者可相互替換。第20頁緒論半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)研究領(lǐng)域、研究任務(wù)半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)產(chǎn)生過程及其主要性半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)課程重點緒論是什么？干什么？為何學(xué)？學(xué)什么？第21頁緒論半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)產(chǎn)生過程其產(chǎn)生與其它邊緣性學(xué)科(比如，環(huán)境工程學(xué)，系統(tǒng)工程學(xué)，生物工程學(xué))一樣，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展必定。伴隨電子系統(tǒng)發(fā)展，其復(fù)雜性和可靠性成了尖銳矛盾，系統(tǒng)越復(fù)雜，所用元器件越多，失效概率就越大，即可靠性越不易確保。

產(chǎn)生背景伴隨集成度提升失效原因增加－氧化層擊穿、器件特征退化、電遷移、ESD、NBTI等等總體失效可能性增大－極難同時確保成千上萬個器件都不失效第22頁1957年美國先鋒號衛(wèi)星墜毀1980年美國科羅拉多州北美防空司令部預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出假核警報。緒論半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)產(chǎn)生過程系統(tǒng)穩(wěn)定依賴于電子裝備維修造成了一個國家軍事預(yù)算中新電子裝備購置開支與舊有電子裝備維修費之間矛盾：四十年代末期，美國經(jīng)過五年調(diào)查得出結(jié)論，設(shè)備維修費大約＝10×設(shè)備購置費第23頁1962年9月召開了第一屆國際電子學(xué)失效物理討論會為了處理上述諸矛盾，以美國ROME航空發(fā)展中心為代表，首先著手現(xiàn)場失效器件失效分析緒論半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)產(chǎn)生過程1967年從第六屆開始，由IEEE參加并共同舉行會議，易名為"可靠性物理年會"。一門邊緣學(xué)科-"可靠性物理學(xué)"便應(yīng)運而生了第24頁緒論半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)產(chǎn)生過程可靠性物理研究和失效分析快速發(fā)展并不單是為了學(xué)術(shù)研究需要，更主要是為了滿足可靠性工程快速發(fā)展需要。60年代以后，伴隨可靠性研究發(fā)展和高可靠性半導(dǎo)體器件及大規(guī)模集成電路出現(xiàn)，可靠性研究碰到了一下問題：第一，在試驗時間、試驗樣品和人力物力方面碰到了難以克服困難(比如失效率10－7意味著用10000個器件作1000小時試驗之后才能得出這一結(jié)果)。第二，半導(dǎo)體器件和集成電路品種及工藝更新速度很快，使得過去取得可靠性數(shù)據(jù)經(jīng)常變得不適用。第三，當(dāng)代電子設(shè)備和系統(tǒng)日益復(fù)雜化、綜合化，并對器件提出了高可靠要求。為了處理以上問題，迫切需要一個既省時間，又省費用可靠性研究方法。失效分析就是為了到達(dá)這一目標(biāo)而快速發(fā)展起來。第25頁時間50年代60年代70年代及以后主要研究對象組容元件電子管晶體管集成電路集成電路和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路發(fā)展階段統(tǒng)計失效階段(開始階段)控制失效階段(大發(fā)展階段)消除失效階段(鞏固提升階段)研究方法失效率法失效分析法可靠性確保法理論基礎(chǔ)可靠性數(shù)學(xué)失效物理可靠性物理研究重點失效規(guī)律失效機(jī)理工藝控制、可靠性設(shè)計、可靠性標(biāo)準(zhǔn)研究目標(biāo)計算失效率提升可靠性確?？煽啃允Х治霭l(fā)展緒論第26頁緒論失效分析主要性失效分析從物理、化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)上對半導(dǎo)體器件進(jìn)行仔細(xì)觀察和分析研究，從本質(zhì)上探究半導(dǎo)體器件不可靠原因，從根本上探索其工作條件、環(huán)境應(yīng)力和時間等原因?qū)ζ骷l(fā)生失效所產(chǎn)生影響。失效分析工作不但在提升可靠性方面有很好效果，而且有很高經(jīng)濟(jì)效益。失效分析和反饋糾正辦法能夠顯著提升器件成品率和可靠性，降低系統(tǒng)試驗和現(xiàn)場使用期間失效器件。系統(tǒng)試驗和現(xiàn)場使用期間發(fā)生故障經(jīng)濟(jì)損失很大，排除故障維修費用頗高，而且這種費用伴隨可靠性等級提升而指數(shù)地上升。第27頁緒論半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)課程作用問題：對我們有什么用？跨學(xué)科－包括各領(lǐng)域工作(器件物理、材料科學(xué)、電路設(shè)計、工藝技術(shù)等)反過來，該課程也會有利于各領(lǐng)域工作對工藝線上工程師、研發(fā)人員、電路設(shè)計人員、設(shè)備制造者等，該門課會促進(jìn)本事域工作。第28頁緒論課程作用近30年，半導(dǎo)體工業(yè)已變得非常成熟。市場競爭異常激烈。突破性工作極難出現(xiàn)，產(chǎn)品性能都大致相當(dāng)提升競爭力和市場擁有率，要求產(chǎn)品穩(wěn)定－成品率高耐用－壽命長$－廠家生存條件提升競爭力和市場擁有率所以，可靠性工作得到重視。幾乎全部半導(dǎo)體生產(chǎn)廠都有可靠性研發(fā)部門。第29頁緒論半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)研究領(lǐng)域、研究任務(wù)半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)產(chǎn)生過程及其主要性半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)課程重點緒論是什么？干什么？為何學(xué)？學(xué)什么？第30頁緒論半導(dǎo)體可靠性物理學(xué)課程重點Whatfailed?Howdiditfailed?Whydiditfailed?什么失效?－判