一般的に、半導体デバイスの開発、製造、そして使用において、少量の故障を回避することは困難です。製品品質要件の継続的な向上に伴い、故障解析の重要性はますます高まっています。特定の故障チップを解析することで、回路設計者はデバイス設計上の欠陥、プロセスパラメータの不整合、周辺回路の不適切な設計、あるいは問題に起因する誤動作などを発見することができます。半導体デバイスの故障解析の必要性は、主に以下の側面に現れています。
（１）故障解析は、デバイスチップの故障メカニズムを決定するために必要な手段である。
（２）故障解析は、効果的な故障診断に必要な基礎と情報を提供する。
（３）故障解析は、設計エンジニアがチップ設計を継続的に改善または修正し、設計仕様に従ってより合理的なものにするために必要なフィードバック情報を提供します。
（４）故障解析は、生産試験に必要な補足情報を提供し、検証試験プロセスの最適化に必要な情報基盤を提供することができる。
半導体ダイオード、オーディオ素子、または集積回路の故障解析では、まず電気的パラメータを試験し、光学顕微鏡による外観検査を行った後、パッケージを取り外します。チップ機能の完全性を維持しながら、チップ内部および外部のリード線、ボンディングポイント、および表面を可能な限り保護し、次の解析ステップに備えます。
走査型電子顕微鏡とエネルギースペクトルを使用して、以下の分析を行います。顕微鏡形態の観察、故障点の検索、欠陥点の観察と位置の特定、デバイスの顕微鏡的形状のサイズと粗面の電位分布の正確な測定、およびデジタルゲート回路の論理的判断（電圧コントラスト画像法を使用）が含まれます。エネルギー分光計または分光計を使用して、以下の分析を行います。顕微鏡的元素組成分析、材料構造または汚染物質分析。
01. 半導体デバイスの表面欠陥および焼け
図 1 に示すように、集積回路の精製層の欠陥である半導体デバイスの表面欠陥と焼損は、どちらも一般的な故障モードです。
図2は集積回路の金属化層の表面欠陥を示しています。
図 3 は、集積回路の 2 つの金属ストリップ間のブレークダウン チャネルを示しています。
図 4 は、マイクロ波装置のエアブリッジにおける金属ストリップの崩壊と歪み変形を示しています。
図5はマイクロ波管のグリッド焼損を示しています。
図 6 は、一体型電気金属化ワイヤの機械的損傷を示しています。
図 7 はメサ ダイオード チップの開口部と欠陥を示しています。
図 8 は、集積回路の入力における保護ダイオードの破壊を示しています。
図9は、集積回路チップの表面が機械的衝撃によって損傷していることを示しています。
図 10 は集積回路チップの部分的な焼損を示しています。
図11はダイオードチップが破壊され、激しく焼損し、破壊点が溶融状態に変化したことを示しています。
図12は、燃焼した窒化ガリウムマイクロ波出力管チップを示しており、燃焼点は溶融スパッタリング状態を呈している。
02. 静電気破壊
半導体デバイスは、製造、包装、輸送から基板への実装、溶接、機械組立などの工程に至るまで、静電気の脅威にさらされています。これらの工程では、頻繁な移動や外部から発生する静電気への容易な曝露により、輸送中に損傷が発生することがあります。そのため、輸送中の静電気対策には特別な注意を払い、損失を軽減する必要があります。
ユニポーラMOSチューブやMOS集積回路を備えた半導体デバイスは静電気に対して特に敏感で、特にMOSチューブは、自身の入力抵抗が非常に高く、ゲート・ソース電極間の容量が非常に小さいため、外部の電磁場や静電誘導の影響を受けやすく、帯電しやすく、静電気が発生するため、適切なタイミングで電荷を放電することが困難です。そのため、静電気が蓄積してデバイスが瞬時に破壊される可能性があります。静電気破壊の形式は主に電気的に独創的な破壊であり、グリッドの薄い酸化層が破壊されてピンホールが形成され、グリッドとソース間またはグリッドとドレイン間のギャップが短絡します。
MOS集積回路の静電気破壊耐性は、MOS管に比べてやや優れています。これは、MOS集積回路の入力端子に保護ダイオードが装備されているためです。大きな静電気電圧やサージ電圧が流入した場合、ほとんどの保護ダイオードはグラウンドに切り替わりますが、電圧が高すぎる場合や瞬間増幅電流が大きすぎる場合は、図8に示すように、保護ダイオード自体がオフになることがあります。
図13に示すいくつかの写真は、MOS集積回路の静電破壊トポグラフィーです。破壊点は小さく深く、溶融スパッタリング状態を示しています。
図14はコンピュータのハードディスクの磁気ヘッドの静電破壊の様子を示しています。
投稿日時: 2023年7月8日
