16、半导体器件失效分析：台面二极管与发光二极管案例研究

半导体器件失效分析：台面二极管与发光二极管案例研究

在半导体器件的研究与应用中，失效分析是确保器件性能和可靠性的关键环节。本文将深入探讨台面二极管的树枝状生长失效以及激光扫描显微镜在分析化合物半导体正向电压回退现象中的应用。

台面二极管的树枝状生长失效

台面二极管是一种离散二极管，其 pn 结终止于芯片边缘。在实际应用中，曾出现一批台面二极管在使用中出现高比例的延时电气短路问题，引起了研究人员的关注。

台面二极管的结构与特性

台面二极管的反向击穿电压受多种因素影响。在平面二极管中，反向击穿电压受电子雪崩的启动限制，而在实际的离散二极管中，pn 结终止于半导体芯片边缘面时，雪崩击穿在结终端处的电压会低于 pn 结体内的击穿电压。这主要是由于表面正电荷导致 pn 结耗尽宽度减小，从而使边缘面处的电场增加，以及半导体表面缺陷增强了碰撞电离系数。

为了提高台面二极管的反向击穿电压，可以通过减小 pn 结终端的表面电场和降低硅表面缺陷密度来实现。具体方法包括减小芯片边缘面与 pn 结的夹角以增加硅表面的耗尽宽度，以及通过化学蚀刻去除芯片边缘面的机械扰动层。

在本文研究的台面二极管中，其具有负斜角结，即从 n 区到 p + 区横截面面积减小。这种结构导致 n 区表面的耗尽层减小，p + 区表面的耗尽层增加，但由于 n 区掺杂较轻，最终负斜角结表面的耗尽层会减小，从而产生比远离表面的 pn 结体内更高的表面电场。因此，提高这些台面二极管击穿电压的实际方法是通过蚀刻掉边缘面受扰动的硅材料来降低边缘面的碰撞电离系数。

台面二极管的制造过程包括在硅中蚀刻比 pn 结更深的凹槽，然后用含氧化铅的低熔点氧化物填充凹槽，形成钝化层。接着，芯片的上下表面进行金属化处理，并焊接到铜引线上，最后用环氧树脂封装。

失效模式观察

问题批次的台面二极管平均失效时间为几天。对失效样品进行开盖后，通常会发现芯片边缘曲面沿狭窄路径的硅发生熔化。为了研究失效模式，研究人员对该批次的 10 个二极管进行了实验室应力测试。测试在 85°C/85%相对湿度环境下，以 500Vdc 反向偏置进行，每 10 分钟读取一次泄漏电流。结果显示，除了一个二极管在测试 408 小时时泄漏电流突然增加到约 3mA 外，其余二极管的泄漏电流在整个测试过程中基本为零（约 1.5nA）。该失效二极管的泄漏电流增加幅度受 82kΩ 限流电阻限制，因此没有造成永久性损坏。当对该二极管进行开盖并使用 i - v 曲线跟踪测试时，它恢复了正常工作，可能是因为导致泄漏电流增加的缺陷在开盖操作中被发烟硫酸溶解。

失效分析

实验室应力测试中一个二极管开盖后恢复正常工作，这表明树枝状生长可能参与了失效机制。然而，由于未观察到泄漏电流尖峰，树枝状生长最初并未被视为主要的失效机制。直到对问题批次的几个随机选择的二极管进行荧光染料渗透测试，发现焊接助焊剂和焊后清洗溶剂可以通过二极管引线一直渗透到芯片表面，才促使研究人员进一步检查短路二极管边缘面的污染情况并寻找树枝状晶体。

通过仔细机械开盖，研究人员在二极管侧壁钝化氧化物上发现了铅树枝状晶体，这些树枝状晶体从 p + 侧的 Pb - Sn 焊料金属化层生长出来。同时，还观察到了一些氯化物污染，但电化学分析表明，观察到的树枝状晶体主要为铅，而不是锡，这意味着氯化物浓度不足以决定树枝状生长的结果，而是其他污染物促进了铅离子的浓度，从而促进了铅树枝状晶体的生长。

树枝状晶体本身由于其亚微米级的厚度，无法直接影响台面功率二极管的电气性能。但它们会通过产生电场间接导致二极管短路和损坏。当在二极管上施加 350Vdc 反向偏置时，附着在阳极的树枝状晶体带有负电荷，会使 n 侧硅表面附近的耗尽区扩大，p + 侧硅表面附近的耗尽区缩小。此外，- 350Vdc 偏置的树枝状晶体的电场会导致 n 区表面严重的能带弯曲，形成反型层，从而允许带间电子隧穿。电子隧穿产生的电子 - 空穴对被反向偏置二极管的电场加速，通过碰撞电离产生二次电子 - 空穴对。当电子和空穴浓度超过阈值时，会发生雪崩，导致二极管沿芯片边缘面的狭窄路径熔化。

为了更定量地研究这种现象，研究人员使用 FIELDAY 程序进行了数值器件模拟。模拟结果表明，在有 - 350Vdc 偏置的树枝状晶体存在时，考虑热载流子产生（TG）、场依赖的碰撞电离（II）和带间隧穿（BB）等物理机制，器件会在约 50Vdc 反向偏置时发生雪崩击穿。而在没有树枝状晶体的情况下，器件不会出现击穿行为。

此外，在硅 - 钝化氧化物界面观察到的纯铅结节，很可能是在钝化氧化物回流操作中根据化学反应 2PbO + Si = SiO₂ + 2Pb 形成的。考虑到铅结节的小尺寸和较大的结节间距，它们对台面二极管的性能和可靠性没有显著影响。

综上所述，问题批次台面二极管的失效是由于铅树枝状晶体的生长，其电场影响了硅 - 氧化物界面附近的电子能带，导致电子隧穿和碰撞电离，最终引发雪崩击穿。

以下是台面二极管失效分析的流程：
1. 观察失效现象：发现问题批次台面二极管出现高比例延时电气短路。
2. 进行应力测试：对 10 个二极管在 85°C/85%相对湿度、500Vdc 反向偏置环境下进行测试，记录泄漏电流。
3. 染料渗透测试：发现焊接助焊剂和溶剂可渗透到芯片表面。
4. 开盖检查：发现铅树枝状晶体和氯化物污染。
5. 电化学分析：确定污染物对树枝状生长的影响。
6. 数值模拟：研究树枝状晶体对二极管击穿的影响。

步骤	操作	目的
观察失效现象	发现问题批次台面二极管的电气短路问题	确定研究对象
进行应力测试	在特定环境下对二极管进行测试，记录泄漏电流	观察失效模式
染料渗透测试	检查焊接助焊剂和溶剂的渗透情况	寻找可能的污染途径
开盖检查	仔细机械开盖，观察二极管边缘面	发现树枝状晶体和污染物
电化学分析	分析离子浓度和还原电位	确定树枝状生长的原因
数值模拟	使用 FIELDAY 程序进行模拟	定量研究击穿机制

mermaid 流程图如下：

graph LR
    A[观察失效现象] --> B[进行应力测试]
    B --> C[染料渗透测试]
    C --> D[开盖检查]
    D --> E[电化学分析]
    E --> F[数值模拟]

激光扫描显微镜在分析化合物半导体正向电压回退现象中的应用

在分析硅掺杂砷化镓（GaAs）发光二极管（LED）时，观察到了正向电压（Vf）回退现象。本文重点介绍了分析过程中使用的技术以及获得的信息，特别是激光扫描显微镜（LSM）的应用。

正向电压回退现象的表征

LED 通常在正向偏置时正常工作，典型情况下，正常器件在 10mA 时 Vf 约为 1.2V。Vf 回退的特征是正向电压先超过典型值，达到一个高电压点，然后下降到较低值。这种现象会导致 LED 电气上类似于四层器件，从而影响 LED 的正常工作。

分析方法

为了分析 Vf 回退现象，研究人员采用了多种分析技术，包括标准曲线跟踪表征、两种微切片技术以及激光扫描显微镜的光发射（PE）显微镜和光束感应电流（OBIC）分析。

• 光发射（PE）显微镜分析 ：将微切片后的 LED 置于装有探针台和 CCD 相机的暗箱中，使用探针和外部曲线跟踪器将 LED 置于正向偏置状态。打开 CCD 相机快门，收集光发射，然后将 CCD 图像叠加在光学图像上。PE 分析揭示了一些 LED 上存在的 Z 结异常，这种异常由于其物理形状呈“Z”形而得名。Z 结异常在表现出回退现象的器件和未表现出回退现象的器件上都可能出现，大多数情况下位于器件的一侧，极端情况下可延伸到芯片的整个长度。
• 光束感应电流（OBIC）分析 ：将被测器件用作太阳能电池，用 633nm 激光聚焦在结上，检测产生的电流。微切片后的 LED 放置在 LSM 探针台上，通过探针连接到外部样品电流放大器。当激光扫描样品时，电流放大器检测光束感应电流，信号转换为电压后显示在视频屏幕上。OBIC 分析表明，大多数表现出回退现象的器件在衬底到外延层界面存在意外的幻影结。

分析结果

• PE 分析结果 ：Z 结异常表明外延生长过程中存在湍流热梯度。由于 n 型和 p 型外延层的掺杂剂都是 Si，Si 原子形成的掺杂类型（施主或受主）与温度有关。随着生长温度降低，会发生从施主到受主的转变。Z 结异常在晶圆边缘更为明显，可能是由于该区域的热流导致 n 型到 p 型材料的不均匀转变。如果 Z 结延伸到芯片的整个长度，会形成四层 p - n - p - n 结构，从而导致 Vf 回退现象。
• OBIC 分析结果 ：在衬底到外延层界面发现的幻影结与另一项研究结果一致，该研究通过二次离子质谱（SIMS）在界面附近的外延层中发现了氧峰。氧被怀疑是 GaAs 中的深能级两性掺杂剂，OBIC 分析表明界面处的氧具有电活性，形成了幻影结。幻影结的存在会创建一个已知会导致回退现象的四层 p - n - p - n 器件结构。

综上所述，为了分析表现出正向电压回退特性的 LED 结构，PE 和 OBIC 分析技术相互补充。PE 技术揭示了 Z 结异常，这归因于液相外延生长过程中的晶圆温度梯度；而 OBIC 分析技术揭示了导致电压回退的主要原因是外延层与衬底界面处的氧掺杂无意幻影结。尽管 Z 结异常能够产生导致电压回退所需的四层结构，但这种极端情况的发生较为罕见。

以下是分析 LED 正向电压回退现象的步骤：
1. 表征 LED 电气特性：确定 Vf 回退现象。
2. 进行微切片：采用封装和未封装两种微切片技术。
3. 光发射（PE）显微镜分析：将微切片后的 LED 置于暗箱中，正向偏置，收集光发射并叠加图像。
4. 光束感应电流（OBIC）分析：将微切片后的 LED 置于 LSM 探针台上，用激光扫描，检测光束感应电流并显示信号。
5. 综合分析结果：结合 PE 和 OBIC 分析结果，解释 Vf 回退现象。

步骤	操作	目的
表征 LED 电气特性	测量正向电压，确定 Vf 回退现象	明确研究问题
进行微切片	采用封装和未封装两种技术对 LED 进行微切片	准备分析样品
光发射（PE）显微镜分析	在暗箱中正向偏置 LED，收集光发射并叠加图像	检测 Z 结异常
光束感应电流（OBIC）分析	用激光扫描微切片后的 LED，检测电流并显示信号	发现幻影结
综合分析结果	结合 PE 和 OBIC 分析结果	解释 Vf 回退现象

mermaid 流程图如下：

graph LR
    A[表征 LED 电气特性] --> B[进行微切片]
    B --> C[光发射（PE）显微镜分析]
    B --> D[光束感应电流（OBIC）分析]
    C --> E[综合分析结果]
    D --> E

通过对台面二极管的树枝状生长失效和 LED 正向电压回退现象的分析，我们可以看到失效分析在半导体器件研究中的重要性。准确识别失效机制有助于改进器件设计和制造工艺，提高半导体器件的性能和可靠性。

半导体器件失效分析：台面二极管与发光二极管案例研究

台面二极管失效分析的深入探讨

在台面二极管失效分析中，我们已经了解了其失效的主要原因是铅树枝状晶体生长导致的雪崩击穿。接下来，我们进一步探讨一些相关的细节和潜在影响。

树枝状晶体生长的影响因素

树枝状晶体的生长不仅与污染物有关，还可能受到环境因素的影响。例如，湿度和温度可能会加速离子的迁移和化学反应，从而促进树枝状晶体的生长。在本次研究中，应力测试是在 85°C/85%相对湿度环境下进行的，这种高温高湿的环境可能为树枝状晶体的生长提供了有利条件。

此外，二极管的偏置电压也会影响树枝状晶体的生长和击穿过程。较高的偏置电压会增加电场强度，使得电子隧穿和碰撞电离更容易发生，从而降低了雪崩击穿的阈值电压。因此，在实际应用中，合理控制二极管的偏置电压对于防止失效至关重要。

失效对半导体系统的影响

台面二极管的失效可能会对整个半导体系统产生严重的影响。当二极管发生雪崩击穿时，会产生瞬间的大电流，可能会损坏与之相连的其他元件，如电阻、电容等。此外，失效还可能导致系统的电气性能下降，影响系统的正常运行。因此，及时发现和解决台面二极管的失效问题对于保障半导体系统的可靠性至关重要。

为了减少台面二极管失效对系统的影响，可以采取一些措施。例如，在电路设计中加入过流保护装置，当电流超过一定阈值时，自动切断电路，防止元件损坏。此外，定期对半导体系统进行检测和维护，及时发现潜在的失效问题并进行修复。

激光扫描显微镜分析 LED 正向电压回退现象的拓展

在分析 LED 正向电压回退现象时，激光扫描显微镜的 PE 和 OBIC 分析技术发挥了重要作用。下面我们进一步探讨这些技术的应用和潜在的改进方向。

PE 和 OBIC 技术的优势与局限性

PE 显微镜分析能够直观地显示出 LED 中的 Z 结异常，为研究外延生长过程中的热梯度问题提供了重要线索。然而，PE 技术也存在一定的局限性。由于 PE 分析主要基于光发射，对于一些非辐射性的缺陷，如幻影结，PE 技术可能无法有效检测。

OBIC 分析则能够检测到 LED 中的幻影结，揭示了正向电压回退现象的主要原因。但 OBIC 技术也有其不足之处。例如，OBIC 分析需要使用激光扫描，对于一些微小的缺陷，可能会存在检测精度不够的问题。此外，OBIC 分析只能检测到电气活性的缺陷，对于一些非电气活性的缺陷，如晶体结构缺陷，OBIC 技术无法检测。

改进分析技术的建议

为了提高对 LED 正向电压回退现象的分析精度，可以结合多种分析技术。例如，可以将 PE 技术和 OBIC 技术与其他技术，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等相结合，从不同的角度对 LED 进行分析。SEM 和 TEM 能够提供高分辨率的图像，帮助我们更清晰地观察 LED 的微观结构和缺陷。

此外，还可以改进激光扫描显微镜的性能。例如，提高激光的功率和分辨率，优化探测器的灵敏度，从而提高 PE 和 OBIC 分析的精度。同时，开发新的分析算法和软件，对分析结果进行更准确的处理和解释。

总结与展望

通过对台面二极管的树枝状生长失效和 LED 正向电压回退现象的分析，我们深入了解了半导体器件失效的机制和原因。失效分析在半导体器件研究中具有重要的意义，它能够帮助我们发现器件设计和制造过程中的问题，从而改进工艺，提高器件的性能和可靠性。

在未来的研究中，我们可以进一步拓展失效分析的方法和技术。例如，利用人工智能和机器学习算法对大量的失效数据进行分析，挖掘潜在的失效模式和规律。此外，加强对新型半导体材料和器件的失效分析研究，为半导体技术的发展提供有力的支持。

以下是台面二极管和 LED 失效分析相关因素的总结表格：
|器件类型|失效原因|影响因素|分析技术|改进措施|
|----|----|----|----|----|
|台面二极管|铅树枝状晶体生长导致雪崩击穿|污染物、湿度、温度、偏置电压|应力测试、染料渗透测试、开盖检查、电化学分析、数值模拟|加入过流保护装置、定期检测维护|
|LED|Z 结异常和幻影结导致正向电压回退|外延生长温度梯度、氧污染|PE 显微镜分析、OBIC 分析|结合多种分析技术、改进激光扫描显微镜性能|

mermaid 流程图展示未来失效分析研究的方向：

graph LR
    A[现有失效分析方法] --> B[结合人工智能和机器学习]
    A --> C[研究新型半导体材料和器件]
    B --> D[挖掘潜在失效模式和规律]
    C --> E[为半导体技术发展提供支持]

通过不断地深入研究和改进失效分析技术，我们有望提高半导体器件的质量和可靠性，推动半导体行业的持续发展。