标签: 失效分析

失效分析最常观察到的现象是EOS过电失效，分为过压失效及过流失效的两种失效模式。对于以功率器件为代表的EOS过电失效样品，其失效表征往往表现为芯片的大面积熔融，导致难以进一步判定其失效模式。 本文以常规MOS、IGBT场效应管为例，从芯片内部结构进行分析和明确过压击穿容易出现的失效位置及机理解释。 承压结构分析根据芯片结构图示，可见芯片关闭时，承受偏压的结构主要包括栅氧、PN交界面（橙色箭头分布区域）。 不同承压位置分析 元胞区栅氧与PN交界面耐压分析分析 单个元胞，可见承压主要由N-区耗尽层承担。耗尽层的存在，使得电压被均匀分担到该面积区域内。 实物芯片均由以上单个元胞（四方形、六角形、长条形等）重复排列组成，因此只要相邻P区足够近，耐压导致的耗尽层就会重叠，最终表现为整个元胞区耗尽层底面近似平面。耗尽层将栅氧、PN交界面包覆在内，承压主要由耗尽层实现。 元胞区平面结与终端柱形结耐压分析 芯片最终耐压考量转化为元胞耗尽层平面（平面结）与终端耗尽层曲面（柱形结）耐压能力的对比。 目前业内针对耗尽层耐压能力的研究，主要借助泊松方程推算，最终得到耐压与曲率半径、耗尽层宽度的关系式。由于耗尽层宽度远高于曲率半径，因此算得柱形结耐压强度远低于平面结。（Fundamentals of Power Semiconductor Devices. B. Jayant Baliga.P107~111）从常理也不难理解，侧面P掺杂主要为向下掺杂的副产物，其厚度及浓度均较低，对应感应产生的耗尽层抗压能力会弱很多。 终端柱形结与球形结耐压分析 扩展到三维结构，还需考虑P区掺杂两个柱形结相交球形结。与柱形结同理，球形结位置对应击穿电压会更低。并且无论单个元胞形状如何设计（四方形、六角形、长条型等），只要距离够近其内部掺杂区耗尽层均会重叠，最终均表现为最外围球形结及耗尽层耐压最差。 终端区场限环分析 针对此问题，业内普遍选用场限环+场板的工艺结构，进一步延伸终端耗尽层的分布区域，从而达到尽可能扩大承压面积的目的。因此场限环的宽度、间距、数量成为决定器件耐压的主要影响因素，也是各家产品设计重点关注方向。 总结 综合以上分别对元胞区栅氧、PN交界面，耗尽区平面结、柱形结、球形结，终端区场限环的结构、位置原理分析，可以明确芯片耐压最脆弱位置往往表现在源区边缘，特别是转角位置。失效现象表现为较小面积的烧蚀黑点。 广电计量服务能力 广电计量在功率晶体管领域积累了丰富的失效机理及对应失效表现分析经验，包括但不限于：封装失效类别及表现、电压击穿机理及表现、电流烧蚀机理及表现、栅氧缺陷机理及表现、动态/静态闩锁机理及表现、雪崩击穿机理及表现、二次击穿机理及表现、辐照失效机理及表现，协助客户从半导体基础原理深入分析其失效机理。

高温栅偏（High Temperature Gate Bias，HTGB）、高温反偏（High Temperature Reverse Bias，HTRB）、高温高湿反偏（High Humidity High Temperature Reverse Bias，H3TRB）等环境可靠性测试是进行功率器件寿命评估所必备的试验。由于不同标准下的试验条件并不相同，因而理解上述环境可靠性测试采用的加速老化物理模型是十分必要的。 温度场、湿度场和电场是老化测试的加速因子。温度场的作用是为了增大电子或空穴迁移率，增大碰撞电离或暴露污染离子，进而加速栅氧化层或钝化层老化；电场的作用是为了增大电子迁移速率或积聚污染离子，进而加速栅氧化层或钝化层老化。湿度场的作用是为了增大金属离子电化学迁移现象的速率，加快电树枝的形成，进而加速钝化层老化。一般情况下是上述电场、温度场和湿度场对功率期间进行共同作用。 本文基于JEDEC标准简要介绍了HTGB、HTRB、H3TRB试验所采用的加速老化模型与其适用范围。 HTGB加速老化模型 HTGB试验对应器件栅氧化层失效的加速老化物理模型为时间相关介质击穿（Time-Dependent Dielectric Breakdown，TDDB），涉及到电场与温度场共同作用。在TDDB模型中，基于F-N隧穿效应的1/E模型与基于电偶极子交互作用的E模型以其良好的物理机理及拟合结果被广泛应用。 HTRB加速老化模型 HTRB试验通过在高温下对器件施加阻断电压进而考核器件的终端和钝化层，同样涉及到电场与温度场的共同作用，其对应失效的加速老化物理模型为含电压加速因子的扩充Eyring模型与逆幂律模型。 H3TRB加速老化模型 H3TRB考核功率半导体器件漏极在电应力以及高温高湿条件下的可靠性，同样涉及到温度场、湿度场与电场的共同作用，相对应的加速老化物理模型为Peck模型与HV-H3TRB模型。 广电计量半导体服务优势 工业和信息化部“面向集成电路、芯片产业的公共服务平台” 工业和信息化部“面向制造业的传感器等关键元器件创新成果产业化公共服务平台” 国家发展和改革委员会“导航产品板级组件质量检测公共服务平台” 广东省工业和信息化厅“汽车芯片检测公共服务平台” 江苏省发展和改革委员会“第三代半导体器件性能测试与材料分析工程研究中心” 上海市科学技术委员会“大规模集成电路分析测试平台” 在集成电路及SiC领域是技术能力最全面、知名度最高的第三方检测机构之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百个型号的芯片验证，并支持完成多款型号芯片的工程化和量产。 在车规领域拥有AEC-Q及AQG324全套服务能力，获得了近50家车厂的认可，出具近400份AEC-Q及AQG324报告，助力100多款车规元器件量产。

本期内容以系统架构设计为例，讲解如何在ISO 26262产品开发过程中实施安全分析，半导体层面的芯片设计也可以参考本文相关内容执行安全分析。 安全分析方法 ISO 26262要求根据不同ASIL等级组合地使用“演绎分析”和“归纳分析”，如表1所示： 表1：安全分析方法 根据表1所列信息，开发团队会常常误认为ASIL B是不需要执行“演绎分析”。事实上，ISO 26262的要求对于连续数字（1，2，3……）所列方法，“+”、“++”分别是推荐、强烈推荐实施的。因此，ASIL B也是推荐实施“演绎分析”的（若没有实施，则需要提供理由）。 演绎分析：人们以一定反映客观规律的理论认识为依据，从服从该事物的已知部分，推理得到事物的未知部分的思维方法。即，从一般规律到个例。通常，“演绎分析”方法采用FTA（Fault Tree Analysis，故障树分析）。 归纳分析：人们以一系列经验事物或知识素材为依据，寻找出其服从的基本规律或共同规律，并假设同类事物中的其他事物也服从这些规律。即：从个例到一般规律。通常，“归纳分析”方法采用FMEA（Failure Mode and Effects Analysis，失效模式和影响分析）。 FMEA分析步骤 关于FMEA方法，建议参考AIAG-VDA FMEA手册，市面上已经有很多成熟的软件工具支持FMEA分析。值得一提的是，在根据AIAG-VDA第5版FMEA手册中，增加FMEA-MSR（Monitoring and System Response，监视和系统响应），作为DFMEA的补充。 通常，FMEA按下图所示的七步法进行： 图1：FMEA七步法 1、DFMEA分析步骤 第1步-策划和准备：确定负责人和团队、项目名称、时间安排和分析工具等信息。 第2步-结构分析：结构化分析对象，例如设计系统架构。 第3步-功能分析：产品功能可视化，例如确定系统架构要素的功能。第3步是在第2步的基础上实施的，因此第2步的“要素”和第3步的“功能”是对应的。 第4步-失效分析：每个功能的潜在失效影响，失效模式和失效起因。 第5步-风险分析：分析针对失效起因的现行预防控制；分析针对失效起因和（或）失效模式的现行探测控制。 第6步-优化：识别、实施降低风险的必要措施。 第7步-结果文件化 将上述第1步～第6步的实施情况记录在FMEA模板或分析工具中，形成完整的FMEA报告。FMEA的总结与分析，包含以下内容： a.文件化FMEA过程中的所有分析记录和采取的措施； b.组织内部/顾客/供应商对结果和分析结论进行沟通，组织FMEA评审验证； c.持续跟进预防措施和探测措施的实施情况，定期动态更新AP值，确保在设计定稿前风险已降到可接受的程度。 2、FMEA-MSR 2.1、FMEA-MSR决策流程 FMEA-MSR作为DFMEA的补充，更加关注产品在实际用户条件下的失效，因此进一步地完善了FMEA在安全相关机电系统（所谓机电系统就是系统中至少包括传感器、电子控制器和执行器或它们的组件）领域的应用。在实际项目开发过程中，研发人员容易把DFMEA和FMEA-MSR搞混，导致了许多重复或遗漏的分析工作。 下图展示了FMEA-MSR决策流程，提供了一个DFMEA和FMEA-MSR配合使用的思路。 图2：FMEA-MSR决策流程 1)在上述流程中，若一个失效模式的严重度被评为8、9、10分，则认为是违背法律法规或功能安全要求。 2)若上述1)不成立，继续执行第5、6步的DFMEA分析。可选择性地根据组织现有流程以及改进计划，增加MSR机制。 3)若上述1)成立，则此时需要分析系统是否已经存在针对客户操作期间发生该失效模式的MSR机制。 4)若上述3）不成立，继续执行第5、6步的DFMEA分析，必须增加MSR机制。增加MSR机制后，由于作了设计变更，因此更新DFMEA，更新后上述第3)点成立，执行第5)点。这里需要注意的是，作为MSR本身而言，通过DFMEA来分析即可。 5)若上述3）成立，则此时直接针对该失效模式进行FMEA-MSR分析。 总结上述内容，下图提供一个形成DFMEA文件和FMEA-MSR文件的思路。事实上，两者既可合并在一起，也可以单独形成文件，取决于开发组织自身的流程。 图3：DFMEA文件和FMEA-MSR文件 2.2、FMEA-MSR分析步骤 FMEA-MSR同样采用图1所示的七步法，且仅第5、6步与DFMEA不同，下面只针对这两个步骤的分析展开描述。 第5步-风险分析（FMEA-MSR）：分析失效模式发生频率F（也可称为频度），指系统在实际工作时间内产生失效的频率，该频率需要统计数据论证其合理性；分析针对失效起因的现行诊断监视；分析针对诊断到失效模式后的现行系统响应；分析MSR起作用后的失效影响严重度。 第6步-优化（FMEA-MSR）：识别、实施降低风险的必要措施。 FMEA分析示例 如下图所示，假设现有一个用于ADAS系统的ALC（自动车道居中）的ECU（电子控制单元）的系统架构，其主要功能是从Ext_01接口接收外部传感器SPI数据，作为MCU的路径规划决策输入。 图4：ALC的ECU系统架构 （注：该架构仅方便用于FMEA分析，不考虑其内部合理性，不作为真实架构用途） 1、DFMEA的分析示例 以下示例假设其中一个模块（Sys_element01）故障，假设ECU针对Sys_element01故障没有任何诊断监视措施，按照DFMEA的分析步骤展开。 图5：带故障的ECU 1）识别每个模块的功能，例如Sys_element01的主要功能是向MCU传输传感器数据；（DFMEA第3步） 2）识别模块的失效行为，例如Sys_element01故障导致传感器数据错误、延迟、丢失等；（DFMEA第4步） 3）确定传感器数据错误将导致的后果严重程度（得到严重度S评分），例如：该故障发生时导致MCU路径规划错误，影响行车安全，严重度达到S=10；（DFMEA第4步） 4）确定是否存在预防控制措施，例如，该系统架构使用可信的设计方案、使用鲁棒性设计、通过设计评审等；（DFMEA第5步） 5）定在上述预防控制措施之下该模块的故障频度（得到频度O评分），例如：已使用可信设计、鲁棒性设计、设计评审后，故障频度可降至O=2；（DFMEA第5步） 6）确定是否存在探测控制措施，例如，功能测试、故障注入测试、DV测试、量产测试等；（DFMEA第5步） 7）确定上述探测控制措施的探测度（得到探测度D评分）；例如：实施功能测试、故障注入测试、DV测试、量产测试后，探测度可达D=3；（DFMEA第5步） 8）根据S、O、D评分，综合得出措施优先级AP值，AP=L；（DFMEA第5步） 9）必要时，根据AP值，制定进一步的风险降低措施；（DFMEA第6步） 10）文件化将上述分析步骤。（DFMEA第7步） 根据第3)步骤显示，该示例中的ECU是一个安全相关的机电系统，且存在失效模式导致违背功能安全，满足2.1节FMEA-MSR决策流程第4)的条件，在后续的设计优化中必须增加MSR机制。 2、FMEA-MSR的分析示例 本节基于前面1节DFMEA的分析示例的ECU示例，在其基础上增加了MSR机制，优化了该ECU的系统架构，如下图所示。其中绿色模块（安全相关）为分配了ASIL等级的安全需求，灰色模块（非安全相关）开发为QM要素。其中： · Sys_element04开发为安全要素； · 增加Sys_element06用于诊断来自Sys_element01的数据的正确性和一致性； · 增加Sys_element07故障收集和诊断模块； · 增加Sys_element08用于诊断MCU内部失效。 图6：优化后的ECU系统架构（注：该架构仅方便用于FMEA分析，不考虑其内部合理性，不作为真实架构用途） 下面同样假设其中一个模块（Sys_element01）故障，假设ECU针对Sys_element01故障已经采取诊断监视措施，按照FMEA-MSR的分析步骤展开。 图7：带故障的ECU及其诊断路径 1）识别每个模块的功能，例如Sys_element01的主要功能是向MCU传输传感器数据；（FMEA-MSR第3步） 2）识别模块的失效行为；例如：假设Sys_element01（SPI通信模块）故障导致传感器数据错误；（FMEA-MSR第4步） 3）确定传感器数据错误将导致的后果严重程度（得到严重度S评分），例如：该故障发生时导致MCU路径规划错误，影响行车安全，严重度达到S=10；（FMEA-MSR第4步） 4）确定该模块的故障频率（得到频率F评分），例如，这里假设Sys_element01在其使用生命周期内故障发生的概率非常低（实际项目中应结合可靠性预测结果来评估），频率F=3；（FMEA-MSR第5步） 5）确定系统中是否有监控措施（即监视和系统响应，或者称之为安全机制）及其监控能力，例如，该Sys_element01发生故障时，不能通过Sys_element06的校验，由Sys_element07向上级系统发出错误警报（如图7红色曲线路径所示），假设该安全机制的诊断覆盖率为99%，监视则可评定为M=3。在汽车功能安全中，一个非常重要的概念是FTTI（故障容错时间间隔），如下图所示。 图8：功能安全概念中的时间约束 FTTI可以用来衡量安全机制的有效性，它来自车辆层面的安全目标，用于表示车辆部件在某个场景下发生故障直到产生对人身产生危害事件的这段时间间隔。进一步地细分，相关的时间概念还有FDTI（故障检测时间隔离）、FRTI（故障响应时间时间）以及FHTI（故障处理时间间隔）。在设计监视和系统响应机制时需要考虑上述时间约束，确保系统或子系统满足分配其的时间要求：FDTI + FRTI = FHTI < FTTI。（FMEA-MSR第5步） 6）分析在MSR起有效作用后，即系统响应安全机制后失效的严重度；例如，如上述第5)点的监控措施启动后，车辆通知向驾驶员发出接管方向盘的警示，尽管车道偏离可能已经偏离，但在FTTI的时间内驾驶员已经及时接管方向盘并将方向回正（假设驾驶员有能力处理这种情况），此时原先定义的严重度可适当降低到S=6；（FMEA-MSR第5步） 7）根据S、F、M评分，综合得出措施优先级AP值，AP=L；（FMEA-MSR第5步） 8）必要时，根据AP值，制定进一步的风险降低措施；（FMEA-MSR第6步） 9）文件化将上述分析步骤。（DFMEA第7步） 这里需要注意的是，如2.1FMEA-MSR决策流程第4）点所述，对比DFMEA的分析示例： · Sys_element04由于设计变更（由原先的QM要素开发为安全要素），需要更新其先前的DFMEA结果； · 新增Sys_element06~08的三个模块，需要新增它们的DFMEA。 广电计量功能安全服务能力 广电计量在汽车、铁路系统产品检测方面拥有丰富的技术经验和成功案例，能为主机厂、零部件供应商、芯片设计企业提供整机、零部件、半导体、原材料等全面的检测、认证服务，保障产品的可靠性、可用性、可维护性和安全性。 广电计量拥有技术领先的功能安全团队，专注于功能安全（包括工业、轨道、汽车、集成电路等领域）、信息安全和预期功能安全领域的专家，具有丰富的集成电路、零部件和整机功能安全实施经验，可根据相应行业的安全标准为不同行业的客户提供培训、检测、审核和认证一站式服务。 广电计量半导体服务优势 工业和信息化部“面向集成电路、芯片产业的公共服务平台”。 工业和信息化部“面向制造业的传感器等关键元器件创新成果产业化公共服务平台。 国家发展和改革委员会“导航产品板级组件质量检测公共服务平台”。 广东省工业和信息化厅“汽车芯片检测公共服务平台”。 江苏省发展和改革委员会“第三代半导体器件性能测试与材料分析工程研究中心。 上海市科学技术委员会“大规模集成电路分析测试平台”。 在集成电路及SiC领域是技术能力最全面、知名度最高的第三方检测机构之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百个型号的芯片验证，并支持完成多款型号芯片的工程化和量产。 在车规领域拥有AEC-Q及AQG324全套服务能力，获得了近50家车厂的认可，出具近400份AEC-Q及AQG324报告，助力100多款车规元器件量产。

2022年8月汽车电子委员协会（AEC）正式发布了AEC-Q102-003光电多芯片模组（OE-MCMs）的认证标准。Q102-003标准颁布的目的是在AEC-Q104多芯片模组的基础上对含光电多芯片模组的实际测试细节进行规范指导，满足目前逐渐增加的光电模组的认证需求。主要面向的对象是矩阵前照灯、智能RGB led及红外传感器（重点是激光雷达模组）等产品。 认证范围 AEC-Q102-003中定义的OE-MCMs是由至少包含一种光电器件的多个有源或无源器件组成，这些子组件通过焊接或胶粘方式相互连接到线路板上构成复杂电路封装在单个多芯片模组内。构成模组内的子组件可以是封装（例如塑封）和/或者未封装（例如裸芯）的形态。从标准规范、测试认证、商业和维护的角度考虑，多芯片模组在认证上是不可分割的，因此需要注意的是，如果产品仅以OE-MCM的形式通过认证，则模组中的任何单个子组件都不能被视为通过AEC认证。 OE-MCMs的主要目的是检测光信号或发射光信号，但有一些OE-MCMs是利用其自身内部光电信号功能(例如，光耦、光栅传感器)。标准中给出了OE-MCMs五种常见类型分类，见下图1，具体如下： · Type A 由不同家族光电器件组成MCM模组（例如红外线反射式光电开关）。 · Type B 由不同家族的光电器件组成,这些光电器件不是用来作为光信号的输入、输出，只是利用其内部的光电信号功能（例如光耦、光栅传感器）。 · Type C 由光电器件与其他IC器件组成（例如RGB LED灯）。 · Type D MCM或PCB上的光电器件和其他芯片不可分割组成(例如矩阵式LED头灯)。 · Type E 包含光电器件的IC封装（CMOS传感器）。 · Type F 带有光电和其他子组件的PCB或基板，但不被作为单独个体，被用于直接连接到电路板(例如，通过焊接或胶粘方式)作为组件出售（例如，脉冲激光模组）。需重点说明的是，在实际情况下可能会很难明确产品是否符合该类型，需要兼顾产品的实际使用情况，客户需求进行灵活调整。 图1 OE-MCMs五种常见类型分类 OE-MCM认证流程 OE-MCM的认证应覆盖所有子组件的失效、组件到基板的连接性能及子组件之间相互作用构成的失效。因此，OE-MCM的认证除了所有子组件需要进行的必要测试外，还需要补充一些额外的测试，各子组件中一些相同的测试可以同时进行或者替换。完整的一套认证流程如图2所示： 图2 OE-MCM认证流程 · Step1:针对一个完整OE-MCM创建超集认证测试如图3。如果OE-MCM中至少包含一个IC集成电路,Q100测试应该是测试超集的一部分。如果至少包含一个分立半导体器件，Q101测试应该是超集的一部分。同样的方法也适用于光电器件(Q102)，MEMS器件(Q103)，无源器件(Q200)和其他未来可能会发布的元件组。在此之外，还需要有针对整个OE-MCM模组的特定测试，如板级可靠性、X-Ray和超声波扫描。 · Step2:将测试超集中相同失效机理的测试项合并为一组。 · Step3:评估每一组是否可以用一个测试条件和时间覆盖所有的测试项目。如果可以就只进行这一项测试。这里要注意，测试条件不得超过模组产品规格书宣称的范围。 · Step 4:可以使用通用数据和来自子组件级认证测试做替代测试。例如，可以使用其他封装的AEC-Qxxx测试的通用数据，但与封装相关的测试认证仍然必须在OE-MCM级别进行完成。如果在完整的OE-MCM中不能处理和测试所有子组件功能，可以优先考虑在子组件级别进行测试，然而，子组件级别的测试可能无法检测出不同子组件之间相互作用产生的失效机制和可靠性问题。子组件级的测试并不能完全排除供应商在OE-MCM中可能存在的风险和确保子组件可靠性的责任。因此还需要进行其他额外测试，以排除不同子组件之间可能出现的相互作用，包括： 1）均匀或非均匀热应力； 2）机械应力； 3）来自LED辐射产生的光电流； 4）与来自OE-MCM挥发有机物质反应。 · Step 5: 在OE-MCM级别上执行未在步骤3和4中省略的所有超集测试。 图3完整OE-MCM超集图示 超集创建注意事项 光电多芯片模组内子组件种类繁多，图3中的超集图示也不能完全涵盖所有种类。例如，AEC-Q103在超集中没有被提及。如果OE-MCM包含MEMS子组件，应以同样的方法创建超集并考虑AEC-Q103测试。同样，后续AEC-Q标准持续更新新项目也应同理纳入超集认证范围。 一些测试只适用于AEC-Q标准中的某些组件类型。例如，AEC-Q102中的低温工作寿命试验（LTOL）只适用于激光组件，不适用于LED组件。在这种情况下，不含激光组件的OE-MCM不需要考虑AEC-Q102 LTOL。每个AEC标准都会不时地更新，这可能会对超集产生影响。供应商和用户在制定综合鉴定测试计划、数据展示和超集模板时应使用标准最新的有效版本。每个标准都可在http://www.aecouncil.com单独下载。在测试中，可以根据实际情况调整OE-MCM的具体测试条件。例如，由于热限制或OE-MCM的设计概念，可能无法同时操作D型OE-MCM的所有LED模具(像素)。具体的测试条件和变化需经过供应商和用户双方达成协议并详细记录实验数据。 失效判据 1）不符合OE-MCM规范。 2）整体OE-MCM以及每个单独的芯片性能和光参数(如通量，颜色，亮度)的漂移超出允许值。 3）对于一些OE-MCM (例如，用于高分辨率前灯矩阵功能的led)，额外失效标准可由供应商和用户双方协商确定。 样品数量 认证所需样本数量在超集定义文件中有明确规定，具体超集文件可从http://www.aecouncil.com下载。对于非常复杂的OE - MCM(例如，用于非常高分辨率前照灯矩阵功能的led)，受成本因素影响，在供应商和用户之间的达成协议的基础上，样本数量可以从3 x 26个减小到3 × 10个。此外，对于复杂性非常高的OE - MCM，根据供应商和用户之间的协议，测试ELFR的样本量也可以减少，数量由供应商和用户确定。 广电计量服务优势 ●测试能力全：覆盖现有发布标准类测试和客户所需定制化的测试，满足不同测试需求。 ●测试经验丰富：专业测试团队由技术专家和资深测试人员组成，具备成熟的测试分析和开发能力。 ●专业测试场地和设备：既有标准化专业测试场地，也有个性定制化公开道路，测试场景丰富，可全面、高质量完成测试任务。

本期话题 芯片被称为信息产业的粮食和“大脑”，是信息社会的基石，在信息化、智能化不断加快的今天，芯片已经成为战略性、基础性产业。可以说，芯片作为支撑中国经济持续高质量发展、特别是支撑战略性新兴产业崛起，其地位更是无可替代。然而，芯片制造是一项极为复杂和精细的工艺，很多重要环节都需要精密的检测手段发现缺陷。本期“专家访谈”栏目邀请半导体显微技术大咖、无锡广电计量副总经理陈振博士，畅谈电子显微技术在芯片、半导体检测领域的应用，破解芯片制造难题。 陈 振 无锡广电计量副总经理 复旦大学博士，上海“科技创新行动计划”专业技术服务平台项目负责人，江苏省第三代半导体器件性能测试与材料分析工程研究中心副主任，南京大学和西安电子科技大学硕士研究生兼职导师，所主持的先进制程芯片显微分析项目获得2023年度上海市“十大检验检测创新案例”。 精通多种显微分析技术，在显微分析技术领域拥有近10年的研究积累，主要从事半导体材料及工艺的显微分析、芯片失效分析等相关技术的研究与工程应用工作，具有丰富的为晶圆厂、封装厂、芯片设计公司等提供半导体分析检测服务的经验。参与多项国家级研究课题，发表SCI论文及英文论著十多篇。 芯片先进制程不断迭代 良率危机凸显 随着集成电路制造技术的不断发展，芯片结构和功能日益复杂，芯片的制造难度也日益增加，新材料、新工艺的导入为芯片设计、生产和制造带来了全新的挑战，特别是工艺制程不断迭代，芯片关键结构的尺寸逐渐减小到常规检测手段无法观测的纳米级尺寸。芯片晶圆制造工艺中的微纳结构的精准分析，是提升芯片制造良率和产品性能的关键，也成为芯片晶圆制造行业普遍关注的问题。 芯片良率就是晶圆上合格芯片数量与芯片总数的比值，这个数值越大，说明有用芯片数量越多，浪费越少，成本也就越低，利润越高。芯片制造的每一个阶段，从晶圆制造、中测、封装到成测，每一步都会对总良率产生影响。 芯片良率如此重要，全行业都非常关注，晶圆厂、IC设计企业、半导体设备和材料厂商，以及行业科研机构都在进行各种研究探索，为提升芯片良率添砖加瓦。在此背景下，分辨率可达到原子尺度的电子显微技术，如透射电子显微镜（TEM）等，就成为了芯片制造工艺监控、失效分析、良率提升、工艺研发和失效分析必不可少的工具。 擦亮工业“眼睛” 突破“卡脖子”技术 人眼的分辨能力大概只能到0.1-0.2mm，光学显微镜的分辨能力大概只能到0.2um左右，如果想观察更微小的结构，就需要借助到基于电子显微技术的电子显微镜去实现。电子显微镜是一种借助电子束作为光源，利用 电磁透镜 聚焦成像的高端科学仪器。它能让人看到纳米级的微观世界，近些年发展的高分辨透射电子显微镜甚至可以让人看到皮米级的原子像。电子显微镜的出现，把人们由宏观世界引入到了微观世界，极大的促进了当代科技的发展。 在工业发展中，电子显微镜是工业的“眼睛”，尤其是高科技相关领域的工业应用中，电子显微镜可以说具有极其重要的地位。电子显微镜常见的主要有三种，分别是透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束电子显微镜（FIB）。透射电子显微镜（TEM）曾被《科技日报》评为制约我国工业发展的35项“卡脖子”技术之一，可见其在工业应用中具有举足轻重的地位。 在芯片领域，为了不断提升芯片性能，制造商们需要将芯片内部的晶体管阵列设计得如同城市网络般复杂纷繁，达到在芯片中容纳更多晶体管的目的。因此，晶体管尺寸被设计得越来越小，它们之间的距离也靠得越来越近。如此精密的设计与排布，也令到行业遇到一个难题：如何才能在不破坏芯片的前提下，去观察芯片的内部结构？电子显微镜的应用，让工程师们能够看清楚芯片的内部结构，确保完工的芯片结构与最初的设计相吻合。 洞悉芯片微观构造 良率提升的关键手段 基于电子显微技术的电子显微镜，如透射电子显微镜、聚焦离子束电子显微镜等，在半导体制造领域具有非常广泛的用途，如晶圆制造工艺分析、芯片失效分析、芯片逆向分析等，成为了精准解析先进制程晶圆制造工艺中微纳结构的关键设备。 在半导体制造领域如芯片的晶圆制造领域，电子显微镜通常会作为新工艺研发、量产导入验证、量产工艺监控、量产良率提升和失效分析的分析手段，电子显微镜的使用，贯穿于大部分关键的芯片晶圆制造工艺段，如刻蚀、薄膜生长等工艺段，可以说，电子显微镜是工程师的眼睛，工艺监控和调整，时刻离不开电子显微镜的辅助。 除了应用在半导体制造领域外，电子显微镜还在半导体设备研发、新材料研发、新型微纳器件研发制造等领域具有非常广泛的应用。 在半导体设备研发领域，尤其是刻蚀设备和薄膜生长设备的研发，电子显微镜也充当了工程师的眼睛，是工程师验证设备性能的关键分析手段。 在新材料研发领域，如铁电材料、超导材料、新型电极材料、特种合金材料的研发等，电子显微镜也是关键的分析手段，可以借助电子显微镜的电子衍射、电子能量损失谱、电子能谱仪、高分辨成像等从极微观的角度来分析材料的基本特性，包括原子组成、原子构效关系、晶体结构、微区化学成分等，从而指导新型材料的研发。 在新型微纳器件研发制造领域，如半导体器件MEMS、激光器芯片、量子芯片等，电子显微镜也是辅助人们进行微纳结构设计、解剖、性能优化和量产良率提升的关键手段。 聚焦显微分析技术领域 找准“中国芯”对策 4nm制程晶圆级TEM分析图 国家正大力攻关集成电路领域，着力解决高端芯片 “卡脖子”问题，加快自主创新步伐。 广电计量 拥有透射电子显微镜（TEM）、双束聚焦离子束（DB FIB）、扫描电子显微镜（SEM）等电子显微分析常用到的高端设备，在半导体显微分析相关领域具有丰富的经验，能够更好地服务我国芯片设计及制造企业，保障自主知识产权安全。 在晶圆制造工艺分析方面，可以提供4nm及以上先进制程晶圆制造工艺分析、存储芯片晶圆制造工艺分析等； 在芯片失效分析方面，可以提供芯片失效点位置微观形貌及微区成分分析，包含漏电、短路、烧毁、异物等异常失效点位的平面制样分析、截面制样分析以及平面转截面分析。包含形貌观察、尺寸量测、微区成分分析，可精准到1.0 nm以内； 在芯片逆向分析方面，可以提供各种半导体器件关键微纳结构的解析能力，包括关键工艺结构解剖、尺寸量测、微区结构成分分析等； 在封装工艺分析方面，可以提供封装工艺异常分析，如TSV孔、Via孔、RDL布线层、凸点等异常分析；在半导体工艺分析方面，可以提供刻蚀设备工艺、成膜设备工艺的异常分析； 在材料分析方面，可以提供高分辨原子级成像分析、微区材料成分定性分析、晶格缺陷分析、析出相分析等。