扫描电子显微镜电压对比定位技术在电子元器件失效分析中的应用研究

扫描电子显微镜电压对比定位技术在电子元器件失效分析中的应用研究

霍向东, ,代超   ,马兆庆

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摘要：电子元器件失效分析是通过对失效件的解剖、观察、分析研究，找出失效机理，查明造成失效件故障的根本原因，进而提出电子元器件改进措施，提高产品的良品率及可靠性。在电子元器件的设计、生产、测试以及应用等环节中，都离不开失效分析。随着电子元器件功能的多样化，外观的微型化，对于电子元器件失效分析能力的要求越来越高，如何对失效位置进行准确的定位成为失效分析的关键所在[1]。

关键词：电子元器件失效分析   扫描电子显微镜   电压对比

一、引言

在实际的失效分析过程中可以发现，电子元器件的失效模式多种多样，不同种类的器件有着各自不同的失效模式，即使是同一类型器件，在不同的环境条件下产生的失效模式，也会表现出截然不同的失效模式。一般失效分析的流程为：确认失效模式，检查外观，无损检测，电性能测量，启封，失效位置定位。当集成电路进入到纳米工艺，器件的晶体管集成度大幅增加，如果无法对失效点进行准确的定位，找出故障的原因无异于大海捞针。所以在整个失效分析流程中，失效位置的定位无疑是重中之重。

本文首先对扫描电子显微镜的原理及功能进行介绍，对电压对比定位技术进行分析，最后，结合实际失效分析中的具体应用，对电阻、集成电路及混合电路等具有代表产品的失效定位问题进行深入研究。该研究取得的成果已用于实际生产，极大地提高了失效分析的成功率，对后续的电子元器件失效分析及质量控制工作有一定的借鉴意义。

二、SEM电压对比定位技术

SEM一般应用在高放大倍数的微观观察和分析上。对于电子元器件失效分析而言，SEM主要的应用方向之一是使用电子束让样品表面形成的电压对比效应，从而对故障产品进行缺陷的观察及定位。

SEM的电压对比技术分为被动电压对比和主动电压对比，一般主动电压对比需要外加电压，而SEM的电压对比技术属于被动电压对比，不需要施加外来电压，而是根据样品自身特性来判别是否异常。一般样品可分为两类：一类为悬空结构，另一类为接地结构，接地结构的样品具有良好的接地特性，电子束入射到样品表面后，在样品表面激发出二次电子，同时样品表面会产生与之相等的正电荷。图二所示为样品的悬空结构及接地结构。当样品接地时，正电荷就会被导出，不影响二次电子的散射，这样二次电子就很容易地被探头接收，并形成发亮的图形；对于悬浮结构，正电荷无法导出时，正电荷会抑制二次电子的散射，所以探头接收比较困难，并形成较暗的图像，这就是简单电压对比的形成原理。

在实际情况中，图像表现为发亮或者发暗还与电子束的加速电压有关，在实际应用中，加速电压在1~3kV之间内[3]，器件表面才会堆积正电荷，在其它区间则堆积负电荷，堆积电荷情况还与SEM设备本身相关，设备的样品台接地情况，使用时的真空状态，电流值大小等因素均影响电荷的累积。若是加速电压在20~30kV之间时，器件表面还会累积较多的负电荷，导致器件表面形成高亮的图像。

四、扫描电子显微镜电压比对技术在电子元器件失效分析中的应用

某型号电阻在使用过程中，发现电阻阻值增大，在光学显微镜下，无法分辨电阻膜异常，用扫描电子显微镜对电阻膜表面进行观察，电阻膜表面存在一处高亮现象，对高亮位置进行能谱分析，该处存在腐蚀性介质Cl元素，对通过观察及能谱分析，故障位置定位至该处电阻膜腐蚀，导致电阻膜宽度变窄进一步造成阻值增大。图七所示为SEM下电阻表面形成高亮区域。

光学显微镜下芯片形貌

SEM下芯片表面形成较暗区域

图中是失效分析中，使用电压对比技术方法验证失效分析结论。对于某型号集成电路，在光学显微镜下观察芯片，芯片相邻的内键合点之间存在明显的多余物搭接现象，多余物位于钝化层的下面，从其形貌判断，多余物应为金属迁移形成的迁移产物，用扫描电子显微镜对电路进行观察，多余物位于钝化层底部，无法进行观察，但键合点之间无电荷累积，其它键合点之间存在明显的电荷累积，形成高亮状态。图八所示为SEM下芯片表面形成较暗区域。

电压比对对比图（a图），TEM照片（b图）

这是一个电路内部通孔链测试结构，测试中发现有断路的现象。分析中使用10kV加速电压观察整个结构，发现有明显的亮、暗异常。显然，问题就出在亮、暗的交界处，后续使用FIB及TEM分析可得，通孔底部开路，从而导致整个结构出现断路的测试现象[4]。图九所示为电压比对对比图（a图）及TEM照片（b图）。

解剖观察后，发现内部一只电容存在短路，但电容外部未表现出异常，分析中使用20kV加速电压观察整个结构，未发现有明显的亮、暗异常，可以定位为该电容某处存在漏电，经扫描电子显微镜进一步对电容侧边进行观察，输出端电容边缘已经超出陶瓷基板，电容侧边与其外键合区域的金导带间已经搭接且存在烧毁痕迹。而电容器被短接的原因是由于电容芯片边缘超出烧结区域，导致电容侧面与电容器外键合区域的金导带几乎搭接，电容器芯片侧面与外键合区金导带打火并形成导电通路。图十所示为电容上电极及电容边缘形貌。

三、结语

失效分析作为解决问题、探寻失效原因以及提高良率的重要手段显得越来越重要。而作为失效分析中最重要的一环，定位技术也在分析压力及需求的驱动下有了长足的进步。对于如今的大规模集成电路而言，要在数以千万计的器件中找出缺陷的位置，必须以精确的定位为前提。只有精确的失效点定位，后续的分析才有章可循，才有可能找到最终的失效机理和失效原因。

四、参考文献

1. 唐民，张素娟．先进成像技术在失效分析中的应用[J]．半导体技术：2001，26(2)：50-53．

2. 汪建民．材料分析[M]．台湾：中国材料科学学会，1989：175-236．

3. Rosenkranz R. Failure localization with active and passive voltage contrast in FIB and SEM[J]. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2011, 22(10): 1523-1535.

4.孔学东，恩云飞，电子元器件失效分析与典型案例，国防工业出版社