電子元器件失效分析技術(shù)

5 光輻射顯微分析技術(shù)

半導(dǎo)體材料在電場(chǎng)激發(fā)下， 載流子會(huì)在能級(jí)間躍遷而發(fā)射光子。半導(dǎo)體器件和集成電路中的光輻射可以分成三大類(lèi)： 一是少子注入pn 結(jié)的復(fù)合輻射， 即非平衡少數(shù)載流子注入到勢(shì)壘， 并與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)出光子。二是電場(chǎng)加速載流子發(fā)光， 即在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的高速運(yùn)動(dòng)載流子與晶格上的原子碰撞， 使之電離而發(fā)光。三是介質(zhì)發(fā)光。在強(qiáng)電場(chǎng)下， 有隧道電流流過(guò)二氧化硅和氮化硅等介質(zhì)薄膜時(shí)， 就會(huì)有光子發(fā)射。

光輻射顯微鏡用微光探測(cè)技術(shù)， 將光子探測(cè)靈敏度提高6 個(gè)數(shù)量級(jí)， 與數(shù)字圖象技術(shù)相結(jié)合， 以提高信躁比。

20 世紀(jì)90 年代后， 又增加了對(duì)探測(cè)到的光輻射進(jìn)行光譜分析的功能， 從而能夠確定光輻射的類(lèi)型和性質(zhì)。

做光輻射顯微鏡探測(cè)， 首先要在外部光源下對(duì)樣品局部進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像探測(cè)， 然后對(duì)這一局部施加偏壓， 在不透光的屏蔽箱中， 探測(cè)樣品的光輻射。

半導(dǎo)體器件中， 多種類(lèi)型的缺陷和損傷在一定強(qiáng)度電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生漏電， 并伴隨載流子的躍進(jìn)而產(chǎn)生光輻射，這樣對(duì)發(fā)光部位的定位就可能是對(duì)失效部位的定位。目前，光輻射顯微分析技術(shù)能探測(cè)到的缺陷和損傷類(lèi)型有漏電結(jié)、接觸尖峰， 氧化缺陷、柵針孔、靜電放電損傷、閂鎖效應(yīng)、熱載流子、飽和態(tài)晶體管以及開(kāi)關(guān)態(tài)晶體管等等。

6 微分析技術(shù)

微分析是對(duì)電子元器件進(jìn)行深入分析的技術(shù)。元器件的失效同所用材料的化學(xué)成分、器件的結(jié)構(gòu)、微區(qū)的形貌等有直接關(guān)系。失效也與工藝控制的起伏和精確度、材料的穩(wěn)定性及各種材料的理化作用等諸多因素有關(guān)。為了深入了解和研究失效的原因、機(jī)理、模式， 除了采用上述技術(shù)外， 還要把有關(guān)的微區(qū)情況弄清楚， 取得翔實(shí)的信息。

隨著元器件所用材料的多樣化， 工藝的復(fù)雜和精細(xì)化，尺寸的微細(xì)化， 對(duì)微分析的要求越來(lái)越迫切。目前在國(guó)外已廣泛應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)作可靠性和失效分析。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)引進(jìn)大量大型分析測(cè)試儀器， 已完全具備了開(kāi)展微分析的條件。

微分析技術(shù)是用電子、離子、光子、激光束、X) 射線與核輻射等作用于待分析樣品， 激發(fā)樣品發(fā)射出電子、離子、光子等， 用精密的儀器測(cè)出它們的能量、強(qiáng)度、空間分布等信息， 從而用來(lái)分析樣品的成分、結(jié)構(gòu)等。

微分析工作的第一步， 多數(shù)是看形貌， 看器件的圖形、線系以及定位失準(zhǔn)等。為此可用掃描電鏡( SEM) 和透射電子顯微鏡( STM) 來(lái)觀測(cè)， STM 的放大倍數(shù)可達(dá)幾十萬(wàn)倍， 幾乎能分辨出原子。

為了了解制作元器件所用的材料， 可用俄歇電子能譜(AES) 、二次離子質(zhì)譜( SIMS) 和X 一光光電子譜( XPS)等儀器進(jìn)行探測(cè)。還可在使用SEM 和STM 作形貌觀察時(shí)，用它們附帶的X 一光能譜或波譜作成份分析。AES 還能給出表面上成份分布。為了了解成分的深度分布， AES 和XPS 等儀器還有離子槍?zhuān)?邊作離子刻蝕邊作成分測(cè)試， 便可得知成分按深度如何分布。為了得到更高的橫向分辨率，作AES 測(cè)試時(shí)， 電子束的焦斑要小， 要用小光斑的XPS.

電子元器件所用的材料包括從輕元素到金鉑和鎢等重元素，探測(cè)不同的元素常常采用不同的儀器。如用AES 探測(cè)輕元素時(shí)， 就不那么靈敏。

器件檢測(cè)的一個(gè)重要方面是對(duì)薄膜和襯底的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析， 包括了解襯底的晶體取向， 探測(cè)薄膜是單晶還是多晶， 多晶的擇優(yōu)取向程度， 晶粒大小， 薄膜的應(yīng)力等，這些信息主要由X 一光衍射( XRD) 儀來(lái)獲取。轉(zhuǎn)靶X 一光衍射儀發(fā)出很強(qiáng)的X 一射線， 是結(jié)構(gòu)探測(cè)很靈敏的儀器。SEM 和STM 在作形貌觀察的同時(shí)， 還能得到有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的信息， 如觀察薄膜的晶粒。還可在STM 上作電子衍射， 它比普通的X 一光衍射更加靈敏。