半导体器件可靠性物理市公开课一等奖省赛课获奖课件

半导体器件可靠性与测试北京大学微电子学系王金延、解冰Tel：6275257962759297jywang@xieb@

DepartmentofmicroelectronicsPekingUniversity第1页课程目标1.了解半导体器件可靠性研究发展过程2.熟悉引发半导体电路失效主要模式3.熟悉引发器件退化主要退化机制4.基本掌握器件退化主要表征技术和检测方法课程目标第2页课程要求1.知道引发MOS电路失效主要几个失效模式主要失效规律2.了解MOS器件失效主要退化机制掌握相关分析和判定方法3.熟悉当前主要MOS器件退化检测方法和表征技术课程要求第3页课程参考书1. 半导体物理学，刘恩科、朱秉升、罗晋生编著，西安交通大学出版社，19982. 半导体器件物理，SM.Z.，黄振岗译、魏策军校，电子工业出版社，19873.半导体器件可靠性物理，高光勃、李学信编著，科学出版社，19873. 微电子器件可靠性，史保华、贾新章、张德胜，西安电子科技大学出版社，19994. 硅－二氧化硅界面物理，郭维廉，国防工业出版社，1988课程参考书第4页半导体器件可靠性物理绪论MOS器件退化机制和模型E2PROM退化机理和模型

静电放电(ESD)损伤电极系统退化、失效机理

电学退化表征和测量技术

课程内容第5页绪论第6页绪论半导体可靠性物理学研究领域、研究任务、研究内容半导体可靠性物理学产生过程及其主要性半导体可靠性物理学课程重点绪论是什么？干什么？为何学？学什么？第7页绪论半导体可靠性物理学研究领域是什么？六十年代后期崛起一门新兴边缘学科，当前尚处于不停发展和完善阶段。半导体可靠性物理学半导体物理学半导体工艺学材料学化学冶金学电子学环境工程学系统工程学第8页绪论干什么？半导体可靠性物理学研究任务简而言之，半导体可靠性物理学主要是从发生在半导体内部各种物理效应角度，从原子、分子运动角度来研究怎样提升半导体可靠性一门学科。失效规律、模式失效机理表征技术可靠性评定、可靠性设计和使用规范等第9页主要研究内容Whatfailed?绪论研究领域和任务什么Howdiditfailed?Whydiditfailed?怎么为何器件失效(氧化层击穿、器件特征退化)、电迁移等某种条件下，电学特征改变规律判定退化机制及其对器件行为影响第10页半导体可靠性物理学与半导体物理学区分绪论研究领域和任务研究范围电应力(电压、电流、频率等)界面态缺点氧化层缺点第11页研究对象半导体可靠性物理学与半导体物理学区分绪论研究领域和任务研究范围t=0半导体物理学半导体可靠性物理学半导体物理学半导体可靠性物理学第12页器件可靠性指产品寿命特点、使用维修情况、完成任务能力大小，是产品质量主要指标之一。半导体器件可靠性绪论研究领域和任务半导体可靠性物理学主要分支器件可靠性问题也是产品质量问题第13页制造过程半导体加工切割、封装设计晶片芯片使用过程…产品报废、失效筛选过程绪论半导体器件可靠性问题？产生问题失效分析第14页进行器件失效分析半导体器件可靠性问题主要研究内容失效分析(failureanalysis)系指产品失效后，经过对产品及其结构、使用和技术文件系统研究，从而判别失效模式、确定失效原因、机理和失效演变过程。这一门技术就是失效分析。绪论第15页绪论研究内容主要包含两个层次半导体器件可靠性问题主要研究内容评价可靠性水平怎样提升可靠性即使器件可靠性研究首先是从评价可靠性水平开始，但研究重点逐步在转向怎样提升可靠性方面。可靠性数学、可靠性试验可靠性评定失效分析、失效物理工艺监控、可靠性设计第16页绪论失效分析基本内容常见失效模式即失效形式最常见有烧毁、管壳漏气、管腿腐蚀或断腿、芯片表面内涂树脂裂缝、芯片粘合不良、键合点不牢或腐蚀、芯片表面铝腐蚀、铝膜伤痕、光刻/氧化层缺点、漏电流大、PN结击穿、阈值电压漂移等等。半导体器件可靠性问题主要研究内容失效情况调查失效模式判别失效特征描述假设失效机理证实失效机理提出纠正办法新失效原因考虑开路短路无功效特征退化重测合格结构不好第17页绪论主要失效机理指器件失效实质原因。即引发器件失效物理或化学过程。键合缺点引发失效：键合颈部损伤、键合强度不够、键合面沾污金－铝合金、键合位置不妥、键合丝损伤、键合丝长尾、键合应力过大损伤硅片。表面劣化机理：钠离子沾污引发沟道漏电、辐照损伤，表面击穿、表面复合引发小电流增益降低等。使用问题引发损坏：静电损伤、电浪涌损伤、机械损伤，过高温度引发破坏、干扰信号引发故障、焊剂腐蚀管腿等。设计问题引发缺点体内退化机理氧化层缺点金属化系统退化封装退化机理版图工艺方案电路和结构二次击穿CMOS闩锁效应中子辐射损伤重金属沾污材料缺点针孔厚度不均匀接触孔钻蚀介质击穿等金铝合金电迁移铝腐蚀铝划伤铝缺口台阶断铝过电应力烧毁管腿腐蚀管腿损伤漏气外来物引发漏短路绝缘珠裂缝标志不清第18页工艺和设计纠正办法工艺质量控制可靠性试验使用和设计纠正办法原材料生产工序工艺筛选机器装调和运行工艺规范失效分析产品筛选绪论器件失效分析作用第19页半导体器件可靠性两个概念绪论研究领域和任务不一样之处：失效－更强调出现不正确器件、电路功效强调两个概念：器件失效和退化共同之处：器件特征偏离了正常指标在当前许多文件中，二者是等效。但严格地讲，二者有区分。本课程中，二者可相互替换。第20页绪论半导体可靠性物理学研究领域、研究任务半导体可靠性物理学产生过程及其主要性半导体可靠性物理学课程重点绪论是什么？干什么？为何学？学什么？第21页绪论半导体可靠性物理学产生过程其产生与其它边缘性学科(比如，环境工程学，系统工程学，生物工程学)一样，是科学技术发展必定。伴随电子系统发展，其复杂性和可靠性成了尖锐矛盾，系统越复杂，所用元器件越多，失效概率就越大，即可靠性越不易确保。

产生背景伴随集成度提升失效原因增加－氧化层击穿、器件特征退化、电迁移、ESD、NBTI等等总体失效可能性增大－极难同时确保成千上万个器件都不失效第22页1957年美国先锋号卫星坠毁1980年美国科罗拉多州北美防空司令部预警系统发出假核警报。绪论半导体可靠性物理学产生过程系统稳定依赖于电子装备维修造成了一个国家军事预算中新电子装备购置开支与旧有电子装备维修费之间矛盾：四十年代末期，美国经过五年调查得出结论，设备维修费大约＝10×设备购置费第23页1962年9月召开了第一届国际电子学失效物理讨论会为了处理上述诸矛盾，以美国ROME航空发展中心为代表，首先着手现场失效器件失效分析绪论半导体可靠性物理学产生过程1967年从第六届开始，由IEEE参加并共同举行会议，易名为"可靠性物理年会"。一门边缘学科-"可靠性物理学"便应运而生了第24页绪论半导体可靠性物理学产生过程可靠性物理研究和失效分析快速发展并不单是为了学术研究需要，更主要是为了满足可靠性工程快速发展需要。60年代以后，伴随可靠性研究发展和高可靠性半导体器件及大规模集成电路出现，可靠性研究碰到了一下问题：第一，在试验时间、试验样品和人力物力方面碰到了难以克服困难(比如失效率10－7意味着用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品种及工艺更新速度很快，使得过去取得可靠性数据经常变得不适用。第三，当代电子设备和系统日益复杂化、综合化，并对器件提出了高可靠要求。为了处理以上问题，迫切需要一个既省时间，又省费用可靠性研究方法。失效分析就是为了到达这一目标而快速发展起来。第25页时间50年代60年代70年代及以后主要研究对象组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(巩固提升阶段)研究方法失效率法失效分析法可靠性确保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、可靠性标准研究目标计算失效率提升可靠性确保可靠性失效分析发展绪论第26页绪论失效分析主要性失效分析从物理、化学微观结构上对半导体器件进行仔细观察和分析研究，从本质上探究半导体器件不可靠原因，从根本上探索其工作条件、环境应力和时间等原因对器件发生失效所产生影响。失效分析工作不但在提升可靠性方面有很好效果，而且有很高经济效益。失效分析和反馈纠正办法能够显著提升器件成品率和可靠性，降低系统试验和现场使用期间失效器件。系统试验和现场使用期间发生故障经济损失很大，排除故障维修费用颇高，而且这种费用伴随可靠性等级提升而指数地上升。第27页绪论半导体可靠性物理学课程作用问题：对我们有什么用？跨学科－包括各领域工作(器件物理、材料科学、电路设计、工艺技术等)反过来，该课程也会有利于各领域工作对工艺线上工程师、研发人员、电路设计人员、设备制造者等，该门课会促进本事域工作。第28页绪论课程作用近30年，半导体工业已变得非常成熟。市场竞争异常激烈。突破性工作极难出现，产品性能都大致相当提升竞争力和市场拥有率，要求产品稳定－成品率高耐用－寿命长$－厂家生存条件提升竞争力和市场拥有率所以，可靠性工作得到重视。几乎全部半导体生产厂都有可靠性研发部门。第29页绪论半导体可靠性物理学研究领域、研究任务半导体可靠性物理学产生过程及其主要性半导体可靠性物理学课程重点绪论是什么？干什么？为何学？学什么？第30页绪论半导体可靠性物理学课程重点Whatfailed?Howdiditfailed?Whydiditfailed?什么失效?－判