電子元器件失效分析技術

5 光輻射顯微分析技術

半導體材料在電場激發(fā)下， 載流子會在能級間躍遷而發(fā)射光子。半導體器件和集成電路中的光輻射可以分成三大類： 一是少子注入pn 結的復合輻射， 即非平衡少數(shù)載流子注入到勢壘， 并與多數(shù)載流子復合而發(fā)出光子。二是電場加速載流子發(fā)光， 即在強電場的作用下產生的高速運動載流子與晶格上的原子碰撞， 使之電離而發(fā)光。三是介質發(fā)光。在強電場下， 有隧道電流流過二氧化硅和氮化硅等介質薄膜時， 就會有光子發(fā)射。

光輻射顯微鏡用微光探測技術， 將光子探測靈敏度提高6 個數(shù)量級， 與數(shù)字圖象技術相結合， 以提高信躁比。

20 世紀90 年代后， 又增加了對探測到的光輻射進行光譜分析的功能， 從而能夠確定光輻射的類型和性質。

做光輻射顯微鏡探測， 首先要在外部光源下對樣品局部進行實時圖像探測， 然后對這一局部施加偏壓， 在不透光的屏蔽箱中， 探測樣品的光輻射。

半導體器件中， 多種類型的缺陷和損傷在一定強度電場作用下會產生漏電， 并伴隨載流子的躍進而產生光輻射，這樣對發(fā)光部位的定位就可能是對失效部位的定位。目前，光輻射顯微分析技術能探測到的缺陷和損傷類型有漏電結、接觸尖峰， 氧化缺陷、柵針孔、靜電放電損傷、閂鎖效應、熱載流子、飽和態(tài)晶體管以及開關態(tài)晶體管等等。

6 微分析技術

微分析是對電子元器件進行深入分析的技術。元器件的失效同所用材料的化學成分、器件的結構、微區(qū)的形貌等有直接關系。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。為了深入了解和研究失效的原因、機理、模式， 除了采用上述技術外， 還要把有關的微區(qū)情況弄清楚， 取得翔實的信息。

隨著元器件所用材料的多樣化， 工藝的復雜和精細化，尺寸的微細化， 對微分析的要求越來越迫切。目前在國外已廣泛應用這項技術作可靠性和失效分析。改革開放以來，我國引進大量大型分析測試儀器， 已完全具備了開展微分析的條件。

微分析技術是用電子、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， 用精密的儀器測出它們的能量、強度、空間分布等信息， 從而用來分析樣品的成分、結構等。

微分析工作的第一步， 多數(shù)是看形貌， 看器件的圖形、線系以及定位失準等。為此可用掃描電鏡( SEM) 和透射電子顯微鏡( STM) 來觀測， STM 的放大倍數(shù)可達幾十萬倍， 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) 、二次離子質譜( SIMS) 和X 一光光電子譜( XPS)等儀器進行探測。還可在使用SEM 和STM 作形貌觀察時，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， 邊作離子刻蝕邊作成分測試， 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 測試時， 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，探測不同的元素常常采用不同的儀器。如用AES 探測輕元素時， 就不那么靈敏。

器件檢測的一個重要方面是對薄膜和襯底的晶體結構進行分析， 包括了解襯底的晶體取向， 探測薄膜是單晶還是多晶， 多晶的擇優(yōu)取向程度， 晶粒大小， 薄膜的應力等，這些信息主要由X 一光衍射( XRD) 儀來獲取。轉靶X 一光衍射儀發(fā)出很強的X 一射線， 是結構探測很靈敏的儀器。SEM 和STM 在作形貌觀察的同時， 還能得到有關晶體結構的信息， 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。