器件失效係指達不到預期的效能和規範的器件或正常工作的器件，經過一定時間的應力實驗或使用後，其電學特性引數或物理、化 學效能降低到不能滿足規定的要求。
半導體器件失效分析（failure analysis）係指產品失效後，透過運用各種電學和物理測試，確定器件失效的形式
（失效模式）
、分析造成器件失效的物理和化學過程
（失效機理）
、尋找器件的
失效原因
， 從而制訂糾正和改善措施。
失效分析通常需要了解失效模式、失效機理和失效原因三方面的工作內容：
失效模式（failure mode）
——器件失效的形式和現象，如“管腳開路”，漏電流超標，Voh/Vol 失效等。記憶體產品的Single Bit、Block、 Bit Line、Word Lind失效。
失效機理（failure mechanism）
——導致失效的實質原因，即引起器件失效的物理或化學過程，如金屬互聯的電遷移、腐蝕、通孔缺失、柵氧化層擊穿及光罩缺陷等。
失效原因（root cause）
——失效機理髮生的起因，如設計、機器引數（電壓，氣體流量，溫度）漂移，封裝引數設定（如bonding force）等。
14。1。1 失效分析基本原則
失效分析是一系列嚴謹、邏輯性地解決問題的過程。任何隨意的、缺乏縝密計劃的分析可能破壞結果的一致性，導致錯誤的分析結果。因此，失效分析必須遵守一定的原則。
（1）先非破壞性分析，後破壞性分析：
這一原則始終貫穿於分析的每一個關鍵步驟。可靠性試驗後失效的樣品數目通常很少，電性表徵完成後，常需進行外觀檢測和非破壞性分析，如X-Ray，SAM。
（2）好壞樣品的電性比較
，失效分析尤其失效定位是非常關鍵的原則。電性表徵時，由於實驗室探針臺和半導體引數測試儀的侷限性或對失效產品、引數和引數程式理解的侷限性，所測的電性特徵有時無法完全模擬複雜、昂貴的自動測試機（ATE）的測試程式和設定。 對好壞樣品的電特性進行比較，分析差異，找出可能導致失效的特 性，在後續失效定位時設定合理的偏置條件，激勵失效線路，有效定位。
（3）失效定位儘可能定到最小的器件單元
，越精準的失效定位， 後續物理失效分析和化學分析成功發現失效機理的機率越高。
此外，進行失效分析還要考慮以下幾個原則：
（1）接件時先進行可行性分析，失效分析常常費時耗力，如果不值得或無法分析，就不要浪費寶貴的時間和資源。
（2）要模擬、重現失效模式。
（3）分析時遵循物理原理。
（4）得到或匯出的失效機理同失效模式要有關聯性。
（5）結果、成本導向，先快速、簡單、非破壞性的分析手法，再耗時、複雜、破壞性的方法，先便宜的機器，再昂貴的機器。
14。1。2 失效分析流程
失效分析要從失效現場直至追溯到製造、設計及使用的各個階段。分析過程通常可以劃分為以下四大類：
（1）電性表徵；
（2）非破壞性分析；
（3）失效定位；
（4）物理分析。
積體電路從設計、生產、產品良率、可靠性試驗、評估，封裝，到客戶端應用，其失效原因紛繁複雜，因此只能建立一個基本的、具有邏輯性的解決問題的系統性流程而非適用於所有失效的通用分析步驟。同時，建立失效分析報告資料庫，以保證合理的失效分析成功率和分析週期。
通用的失效分析流程可以概括為：
（1）登入失效分析報告系統；
（2）資料收集和分析；
（3）鑑別失效模式；
（4）失效現象的觀察和判定；
（5）檢查外觀；
（6）證實失效；
（7）非破壞性分析；
（8）半破壞性分析；
（9）電學檢驗複測；
（10）失效定位；
（11）物理分析/化學分析；
（12）FA報告：總結結論、提出建議和改正措施；
（13）完成報告，在失效分析系統中結案。
各個主要失效分析階段的具體工作內容可以總結如下。
1．資料收集和分析
（1）製造廠、型號名稱、外殼型別、生產日期、批號。
（2）使用者、使用裝置名稱、臺號、失效部位、累計執行時間。
（3）發生失效的環境：除錯、執行、振動、衝擊、驗收、收場使 用等，如溫度、溼度、電源環境、元器件在電路圖上的位置和所受電 偏置的情況。
（4）失效應力，包括電應力、溫度應力、機械應力、氣候應力和 輻射應力等。
（5）失效時間/發生期，失效樣品的經歷、失效時間處於早期失 效、隨機失效或磨損失效。
（6）失效現象無功能、引數變壞、開路、短路等。即失效環境、 失效應力、失效發生期以及失效樣品在失效前後的電測試結果。
（7）對失效器件本身（線路、結構、版圖、工藝、效能、材料 等）應作全面瞭解。
2．鑑別失效模式/失效現象的觀察和判定
（1）外觀檢測：肉眼，立體顯微鏡，低、高倍光學顯微鏡觀測， 掃描電鏡/能譜觀測（如果需要化學成分分析）。
（2）機械損傷、腐蝕、管腳橋接、處於引腳之間的封裝表面上的汙染物（可能引起漏電或短路）、標記完整性等。
（3）器件外觀的完整性檢測，如微裂紋、黑膠和引線框架封接處的分層、焊縫上的裂紋、沙眼、空洞、焊區內的小缺陷等。
（4）EOS/熱效應引起的器件變色等。
電特性測試及電效能表徵。用半導體引數測試儀、示波器、
自動測試儀（ATE）
判斷失效現象是否與原始資料相符，分析失效現象可能與哪一部分有關。電測失效模式可能多種模式共存。一般只有一個主要失效模式，該失效模式可能引發其他失效模式。連線性失效、電引數失效和功能失效呈遞增趨勢，功能失效和電引數失效可以歸結於 連線性失效。在缺少複雜功能測試裝置時，利用簡單的連線性測試和引數測試，結合物理失效分析技術，仍然可以獲得令人滿意的失效分析結果。有報道顯示，將近30%的失效在重測或驗證時變成“好”樣 品，部分失效在驗證時恢復正常功能。潛在原因有：
（1）測試錯誤：測試時接觸不良；底座（socket）上微塵粒子 （particle）造成間歇性測試誤判。
（2）器件在測試時確實失效，但是引起失效的原因不存在，器件所含溼氣蒸發或應力釋放，激發閉鎖（latch-up）的條件不存在 （reset），可動離子擴散，引起漏電的機理/誘因不存在。
（3）間隙性/Soft failure失效：引起短路的鬆散接觸的微塵粒子移 動或只在特定的方向才會失效/短路，器件只在一定的溫度、電源電壓、頻率下失效，器件使用時施加的工作條件不恰當（如電壓、驅動 電流等）。
3．證實失效
透過外部電性測試/表徵，來判斷器件是否失效。
（1）為了證實器件失效，失效分析工作者在驗證時常需要嘗試不 同的測試條件，儘量模擬可能的失效狀況。對Soft failure或間歇性失 效，常用Schmoo圖，即在ATE/測試機測試時只改變其中一個引數，如電壓、溫度、頻率、脈衝寬度等，來表徵器件的好/壞界限和判斷器件 正常工作的區間。要注意的是，上述步驟均是非破壞性分析，在操作 時，要避免引入新的失效機理，或導致器件引數改變/惡化，發生二次失效現象。
（2）在初步驗證引數時，先低電壓、小電流，再適當逐步增加。 但不可超過資料手冊（Date Sheet）規定的上限，以防過載，或引起間 歇性失效復原。
（ 3 ） 嚴 格 遵 守 相 關 器 件 使 用 的 注 意 事 項 。 對 高 阻 抗 （impedance）器件，如MOS，低功率Schottky TTL等，要特別注意預 防EOS/ESD損傷。
4．根據所確定的失效模式擬定後續分析/測試的計劃
5．非破壞性分析
對器件不產生物理損傷的檢測。在失效分析流程中常指不必開啟 封裝對樣品進行失效定位和失效分析的技術。主要用於封裝缺陷和引 線斷裂的失效定位，採用的主要儀器包括X射線透視和掃描聲學顯微 鏡，具有不必開啟封裝的優點。
6．半破壞性分析
在器件外部實施了相應的非破壞性分析後，便可以進行半破壞性分析。主要包括：
（1）開封：電子器件兩類常用的開封方法是機械方法和化學方法。半破壞分析常用化學方法中的自動（Jet Etch；塑封器件噴射腐蝕 開封）開封，一般用於環氧樹脂密封的器件。即對器件進行部分開 封，暴露晶片表面或背面，但保留晶片、管腳和內引線和壓焊點的完 整性及電學效能完整，為後續失效定位做準備。因此，也常被歸在失 效定位的範疇內。此步驟的關鍵是保持器件的電學特性開封前後的一 致性。
（2）內部檢查：立體顯微鏡；低、高倍顯微鏡和掃描電鏡觀測。
（3）複測電特性，驗證失效情況。
（4）真空烘焙（可選）：當故障可能是由離子汙染或遲緩狀態/ 束縛電荷洩漏路徑如反型層及由使晶片上的電荷分散引起時，對半導 體器件進行高溫烘焙可以“治癒”或逆轉變壞的電氣特性，這表明器件 失效是由於製造缺陷所引起。而在低溫真空乾燥後，器件如果復原， 則報告的失效則可能是由於外表面曾吸附或聚集了潮氣。Jet Etch後的 塑封器件（在封裝上打一個孔）進行低溫烘焙能除去封裝內部的潮氣 和揮發性氣體。隨後的電性復原，說明內部存在潮氣或揮發性汙染 物。10-5mmHg，150～250℃條件下烘焙兩小時，測量並記錄由烘焙 所引起漏電流的任何變化（optional）。再進行電學檢驗複測。
要注意的是：步驟5和步驟6（非破壞性分析和半破壞性分析）， 理想狀況下不會引起被分析器件電學特性變化，但是隨著器件功能的 複雜化、物理尺寸的精細化、器件封裝技術的發展（chip scale package）和應用要求、X射線探測，嚴格意義上，不是絕對無損分 析，由於它產生的高能量粒子，很可能使樣品損傷，或者不適用再做 試驗。對某些敏感器件，如記憶體，可能因輻射損傷引起細微的引數漂 移或引起產品功能退化、甚至失效。開封可能引起的器件連線性 （continuity）失效，Bond Pad腐蝕等，常常有類似報道。因此，引入 電學效能檢驗/複測是必要的。
7．失效定位
利用多種不同的技術，在每個晶片的幾十萬到幾千萬個甚至上億個元件中，縮小導致失效的範圍。在深亞微米領域積體電路進行失效 分析，找到失效部位並進行該部位的失效機理分析是整個失效分析中 最關鍵的步驟之一。失效定位技術包括電測技術、無損失效分析技 術、訊號尋跡技術、二次效應技術、樣品製備技術，通常，這些技術 又分為晶片級定位技術（global technique）和探針技術。晶片級定位 技術試圖確認失效引起的二次效應。分析實驗室常用熱探測技術探測失效，檢測短路或漏電部位引起的發熱點；光反射顯微鏡檢測晶片上失效部位因電子-空穴複合產生的發光點。
8．物理分析/化學分析
透過樣品製備，如Cleave、研磨、乾溼法剝層（delayering）、聚 焦粒子束（FIB）等，利用一系列光子束（高倍顯微鏡）、電子束 （掃描電子顯微鏡，透射電鏡）、化學元素成分分析（EDX）和表面 分析（Auger、XPS、SIMS等）裝置觀察失效部位的形狀、大小、位 置、顏色、機械和物理結構、特性、成分及分佈等，科學地表徵和闡 明與上述失效模式有關的各種失效現象。
9．FA報告
總結結論、提出建議和改正措施，如（add FA Report Component and Format here）：
（1）失效原因：以半導體器件失效機理的有關理論為根據，對上 述失效模式和現象進行理論推理並結合材料性質、有關設計和工藝理 論及經驗，提出導致該失效模式產生的內在原因或具體物理化學過 程。如有可能，更應以分子、原子學觀點加以闡明或解釋。
（2）失效原因未完全確定，但失效特徵已有較好的瞭解。
（3）分析失敗。失效原因無法確定。
（4）提出糾正措施。失效分析的終極目標是提高產品良率、品質 和可靠性。根據失效分析結果，和相關部門合作，提出防止產生失效 的設想和建議。它包括工藝、設計、結構、線路、材料、篩選方法和 條件、使用方法和條件、質量控制和管理等方面，如此週而復始，不 斷髮現問題，分析解決問題，使器件的可靠性不斷得到提高。
10．完成報告
在失效分析系統中結案。
