Semiconductores
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Muchas fallas dan como resultado la generación de electrones calientes. Estos son observables bajo un microscopio óptico, ya que generan fotones de infrarrojo cercano detectables por una cámara CCD. Los enclavamientos "Enclavamiento (electrónica)") se pueden observar de esta manera.[8] Si es visible, la ubicación de la falla puede presentar pistas en donde se ve la sobrecarga. Los recubrimientos de cristal líquido se pueden utilizar para la localización de fallas: los cristales líquidos colestéricos son termocrómicos y se usan para visualizar las ubicaciones de producción de calor en los chips, mientras que los cristales líquidos nemáticos responden al voltaje y se usan para visualizar fugas de corriente a través de defectos de óxido y de carga. estados en la superficie del chip (particularmente estados lógicos).[2] El marcado láser que marca los paquetes encapsulados en plástico puede dañar el chip si las esferas de vidrio en el empaque se alinean y dirigen el láser hacia el chip.[3].
Ejemplos de fallas de semiconductores relacionadas con cristales semiconductores incluyen:.
• - Nucleación y crecimiento de dislocaciones "Dislocación (defecto cristalino)"). Esto requiere un defecto existente en el cristal, como lo hace la radiación, y es acelerado por el calor, la alta densidad de corriente y la luz emitida. Con los LED, el arseniuro de galio y el arseniuro de galio de aluminio son más susceptibles a esto que el fosfuro de arseniuro de galio y el fosfuro de indio; el nitruro de galio y el nitruro de galio de indio son insensibles a este defecto.
• - Acumulación de portadores de carga atrapados en el óxido de compuerta de los MOSFET. Esto introduce una corriente de polarización de compuerta permanente, que influye en el voltaje umbral del transistor; puede ser causada por la inyección de portadores calientes, radiación ionizante o uso nominal. Con las células EEPROM, este es el factor principal que limita el número de ciclos de borrado-escritura.
• - Migración de portadores de carga desde puertas flotantes. Esto limita la vida útil de los datos almacenados en estructuras EEPROM y EPROM flash.
• - Pasivación inadecuada. La corrosión es una fuente importante de fallas retrasadas; los semiconductores, las interconexiones metálicas y las gafas de pasivación son susceptibles. La superficie de los semiconductores sometidos a humedad tiene una capa de óxido; el hidrógeno liberado reacciona con capas más profundas del material, produciendo hidruros volátiles.[9].
Errores de parámetros
Las vías son una fuente común de resistencia en serie no deseada en los chips; las vías defectuosas muestran una resistencia inaceptablemente alta y, por lo tanto, aumentan los retrasos de propagación. A medida que su resistividad disminuye con el aumento de la temperatura, la degradación de la frecuencia máxima de funcionamiento del chip de la otra manera es un indicador de tal falla. Las mordeduras de ratón son regiones donde la metalización tiene un ancho disminuido; tales defectos generalmente no se muestran durante las pruebas eléctricas, pero presentan un riesgo importante de confiabilidad. El aumento de la densidad de corriente en la mordedura de ratón puede agravar los problemas de electromigración; se necesita un gran grado de micción para crear un retardo de propagación sensible a la temperatura.[8].
A veces, las tolerancias del circuito pueden dificultar el rastreo del comportamiento errático; por ejemplo, un transistor de controlador débil, una mayor resistencia en serie y la capacitancia de la compuerta del transistor posterior pueden estar dentro de la tolerancia, pero pueden aumentar significativamente el retardo de propagación dela señal. Estos pueden manifestarse solo en condiciones ambientales específicas, altas velocidades de reloj, bajos voltajes de fuente de alimentación y, a veces, estados de señal de circuito específicos; variaciones significativas pueden ocurrir en un solo dado.[8] El daño inducido por el estrés excesivo, como las derivaciones óhmicas o una corriente de salida de transistor reducida, puede aumentar dichos retrasos, lo que lleva a un comportamiento errático. Como los retrasos de propagación dependen en gran medida de la tensión de alimentación, las fluctuaciones ligadas a la tolerancia de esta última pueden desencadenar tal comportamiento.
Los circuitos integrados monolíticos de microondas de arseniuro de galio pueden tener estas fallas:[10].
• - Degradación de I[11] por hundimiento de compuerta y envenenamiento por hidrógeno. Esta falla es la más común y fácil de detectar, y se ve afectada por la reducción del canal activo del transistor en el hundimiento de la compuerta y el agotamiento de la densidad del donante en el canal activo para la intoxicación por hidrógeno.
• - Degradación en la corriente de fuga de la puerta. Esto ocurre a pruebas de vida acelerada o altas temperaturas y se sospecha que es causado por efectos de estado superficial.
• - Degradación en tensión de pellizco. Este es un modo de falla común para los dispositivos de arseniuro de galio que operan a alta temperatura, y se deriva principalmente de las interacciones semiconductor-metal y la degradación de las estructuras metálicas de compuerta, siendo el hidrógeno otra razón. Puede verse obstaculizado por un metal de barrera adecuado entre los contactos y el arseniuro de galio.
• - Aumento de la resistencia de drenaje a fuente. Se observa en dispositivos de alta temperatura y es causada por interacciones metal-semiconductor, hundimiento de puertas y degradación por contacto óhmico.
Fallos de metalización
Las fallas de metalización son causas más comunes y graves de degradación del transistor FET que los procesos de materiales; los materiales amorfos no tienen límites de grano, lo que dificulta la interdifusión y la corrosión.[12] Ejemplos de tales fallas incluyen:.
• - La electromigración mueve los átomos fuera de las regiones activas, causando dislocaciones y defectos puntuales que actúan como centros de recombinación no radiativos que producen calor. Esto puede ocurrir con compuertas de aluminio en MESFET con señales de RF, causando una corriente de drenaje errática; la electromigración en este caso se llama hundimiento de la puerta. Este problema no ocurre con las puertas de oro.[12] Con estructuras que tienen aluminio sobre una barrera metálica refractaria, la electromigración afecta principalmente al aluminio, pero no al metal refractario, lo que hace que la resistencia de la estructura aumente erráticamente. El aluminio desplazado puede causar cortocircuitos a las estructuras vecinas; 0.5-4% de cobre en el aluminio aumenta la resistencia a la electromigración, el cobre se acumula en los límites del grano de aleación y aumenta la energía necesaria para desalojar los átomos de ellos.[13] Aparte de eso, el óxido de indio y estaño y la plata están sujetos a electromigración, lo que provoca corriente de fuga y (en LED) recombinación no radiativa a lo largo de los bordes de las virutas. En todos los casos, la electromigración puede causar cambios en las dimensiones y parámetros de las compuertas del transistor y las uniones de semiconductores.
• - Tensiones mecánicas, altas corrientes y ambientes corrosivos formando bigotes y cortocircuitos. Estos efectos pueden ocurrir tanto dentro del embalaje como en las placas de circuito.
• - Formación de nódulos de silicio. Las interconexiones de aluminio pueden ser dopadas con silicio a saturación durante la deposición para evitar picos de aleación. Durante el ciclo térmico, los átomos de silicio pueden migrar y agruparse formando nódulos que actúan como vacíos, aumentando la resistencia local y reduciendo la vida útil del dispositivo.[2].
• - Degradación por contacto óhmico entre las capas de metalización y semiconductores. Con el arseniuro de galio, se utiliza una capa de aleación de oro-germanio (a veces con níquel) para lograr una baja resistencia al contacto; un contacto óhmico se forma por difusión de germanio, formando una región delgada y altamente dopada bajo el metal que facilita la conexión, dejando el oro depositado sobre él. Los átomos de galio pueden migrar a través de esta capa y ser eliminados por el oro de arriba, creando una zona agotada de galio rica en defectos bajo el contacto; El oro y el oxígeno luego migran de manera opuesta, lo que resulta en una mayor resistencia del contacto óhmico y el agotamiento del nivel efectivo de dopaje.[12] La formación de compuestos intermetálicos también juega un papel en este modo de falla.
Sobrecarga eléctrica
La mayoría de las fallas de semiconductores relacionadas con el estrés son de naturaleza electrotérmica microscópicamente; el aumento local de las temperaturas puede conducir a una falla inmediata al fundir o vaporizar las capas de metalización, fundir el semiconductor o cambiar las estructuras. La difusión y la electromigración tienden a acelerarse por las altas temperaturas, acortando la vida útil del dispositivo; el daño a las uniones que no conduce a una falla inmediata puede manifestarse como características alteradas de corriente-voltaje de las uniones. Las fallas de sobrecarga eléctrica se pueden clasificar como fallas inducidas térmicamente, relacionadas con la electromigración y relacionadas con el campo eléctrico; ejemplos de tales fallas incluyen:.
• - Fuga térmica, donde los racimos en el sustrato causan pérdida localizada de conductividad térmica,lo que lleva a daños que producen más calor; las causas más comunes son los vacíos causados por la soldaduraincompleta, los efectos de electromigración y la micción de Kirkendall. La distribución agrupada de la densidad de corriente sobre la unión o los filamentos de corriente conducen a la corriente abarrotando los puntos calientes localizados, que pueden evolucionar a una fuga térmica.
• - Sesgo inverso. Algunos dispositivos semiconductores están basados en la unión de diodos y son nominalmente rectificadores; sin embargo, el modo de ruptura inversa puede estar a un voltaje muy bajo, con un voltaje de sesgo inverso moderado que causa degradación inmediata y falla enormemente acelerada. 5 V es un voltaje máximo de polarización inversa para los LED típicos, y algunos tipos tienen cifras más bajas.
• - Diodos Zener severamente sobrecargados en cortocircuito de sesgo inverso. Un voltaje suficientemente alto causa la ruptura de la avalancha de la unión Zener; eso y una gran corriente que pasa a través del diodo causa un calentamiento localizado extremo, fundiendo la unión y metalización y formando una aleación de silicio-aluminio que cortocircuita los terminales. Esto a veces se usa intencionalmente como un método de cableado de conexiones a través de fusibles.[13].
• - Enganches (cuando el dispositivo está sujeto a un pulso de sobretensión o subtensión); una estructura parásitaria que actúa como un SCR activado puede causar una falla basada en sobrecorriente. En los circuitos mics, los enganches se clasifican como internos (como las reflexiones de la línea de transmisión y los rebotes en el suelo)o externos (como las señales introducidas a través de pines de E/S y rayos cósmicos); los cierres externos pueden desencadenarse por una descarga electrostática, mientras que los cierres internos no pueden. Los enganches pueden ser activados por portadores de carga inyectados en el sustrato de la viruta u otro enganche; el estándar JEDEC78 prueba la susceptibilidad a los enganches.[8].
Descarga electrostática
La descarga electrostática (ESD) es una subclase de sobrecarga eléctrica y puede causar fallas inmediatas en el dispositivo, cambios permanentes de parámetros y daños latentes que causan una mayor tasa de degradación. Tiene al menos uno de los tres componentes, generación de calor localizado, alta densidad de corriente y alto gradiente de campo eléctrico; la presencia prolongada de corrientes de varios amperios transfiere energía a la estructura del dispositivo para causar daños. ESD en circuitos reales causa una onda amortiguada con polaridad que se alterna rápidamente, las uniones se estresan de la misma manera; tiene cuatro mecanismos básicos:[14].
• - La descomposición del óxido ocurre a intensidades de campo superiores a 6–10 MV/cm.
• - El daño de la unión que se manifiesta como fuga de sesgo inverso aumenta hasta el punto de cortocircuito.
Metalización y agotamiento por polisilicio, donde el daño se limita a interconexiones de metal y polisilicio, resistencias de película delgada y resistencias difusas.
• - Inyección de carga, donde los portadores calientes generados por la descomposición de la avalancha se inyectan en la capa de óxido.
Los modos de falla catastrófica de ESD incluyen:.
• - Agotamiento de la unión, donde se forma un camino conductor a través del cruce y lo cortocircuita.
• - Agotamiento por metalización, donde la fusión o vaporización de una parte de la interconexión metálica la interrumpe.
• - Perforación de óxido, formación de una trayectoria conductora a través de la capa aislante entre dos conductores o semiconductores; los óxidos de compuerta son más delgados y, por lo tanto, más sensibles. El transistor dañado muestra una unión de baja óhmica entre los terminales de compuerta y drenaje.
Una falla paramétrica solo cambia los parámetros del dispositivo y puede manifestarse en pruebas de esfuerzo; a veces, el grado de daño puede disminuir con el tiempo. Los modos de falla de ESD latente ocurren de manera retrasada e incluyen:.
• - Daño del aislante por debilitamiento de las estructuras aislantes.
• - Daño de la unión al reducir la vida útil de los portadores minoritarios, aumentar la resistencia al sesgo hacia adelante y aumentar la fuga del sesgo inverso.
• - Daños por metalización por debilitamiento del conductor.
Las fallas catastróficas requieren los voltajes de descarga más altos, son los más fáciles de probar y son más raros de ocurrir. Las fallas paramétricas ocurren a voltajes de descarga intermedios y ocurren con más frecuencia, luego las fallas latentes son las más comunes. Por cada fallo paramétrico, hay de 4 a 10 latentes.[15] Los circuitos VLSI modernos son más sensibles a ESD, con características más pequeñas, menor capacitancia y mayor relación voltaje-carga. La deposición de silicio de las capas conductoras las hace más conductoras, reduciendo la resistencia al lastre que tiene un papel protector.