【正文】 j?（ 2）電遷移失效由溫度梯度引起時 （ 19） e x p ( / )bnwdMT F Q K Tcj?綜合上述二式，并忽略指數(shù)前的溫度項(xiàng) 則 （ 20） Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 81 4，提高金屬薄膜抗電遷移能力的措施 （ 1）減小電流密度； （ 2）降低薄膜溫度； （ 3）增大薄膜中離子擴(kuò)散的激活能； （ 4）增大薄膜的厚度和寬度； （ 5）降低常數(shù) C。 ?這里， n＝ 1，對應(yīng)于小電流密度時的情況； n = 3,對應(yīng)于大電流密度時的情況。 C 為與薄膜結(jié)構(gòu)梯度、薄膜襯底及覆蓋層性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 82 （ 1）反應(yīng)速率隨溫度升高呈指數(shù)加快，而且是一放熱反應(yīng)； （ 2） SiO2因反應(yīng)消耗而穿透 ——短路； （ 3）對功率器件易產(chǎn)生熱斑 ——潛在的失效機(jī)構(gòu)。 167。 一，鋁與二氧化硅 2 2 34 3 2 3Al Si O Al O Si?? 1，高溫下 Al與 SiO2的化學(xué)反應(yīng) Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 83 2，克服措施 （ 1）版圖設(shè)計時考慮熱分布均勻，散熱好，熱阻低； （ 2）采用 SiO2Al2O3SiO2 或 Si3N4SiO2 復(fù)合介質(zhì)層和鈍化層； （ 3）采用 Al的雙金屬化系統(tǒng) ,如 TiN Al、 TiAl 、wAl 和 MoAl等； （ 4）對功率器件加鎮(zhèn)流電阻。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 84 二 鋁和硅 Si在 Al中的固溶度 ? 硅在鋁中的溶解總量是溫度、時間和鋁幾何尺寸的函數(shù)。 1，硅向鋁中的固態(tài)溶介 ? 鋁在硅中幾乎不溶解； ? 硅在鋁中有一定的溶解度，在共晶點(diǎn) 577℃ 時溶介度最大，達(dá) %(原子比）； Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 85 滲透坑形成過程 i, Al穿通原生 SiO2階段 。 4Al+3SiO2=2Al2O3+3Si ?Al對 SiO2的穿透率強(qiáng)烈依賴于溫度。 1 7 2 . 5 6 2 /3 . 1 8 1 0 KTe ???穿透率 (A/min)= （ 1）硅向鋁中的溶介過程 iii, Si飽和以后，滲透坑的變粗階段。 ii, Si在 Al中飽和溶解階段； Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 86 (2) 影響 Si向 Al中溶介的因素 : i, 晶向 〈 100〉 面坑深，近于四邊形 。〈 111〉 面坑淺，坑徑大，呈三角形 。 Ii, 坑數(shù)遠(yuǎn)大于位錯數(shù) ——位錯不是決定坑的因素； Iii,機(jī)械劃痕線起坑的核心作用 ——最大滲透坑沿 著這種劃痕線； IV, 最易出現(xiàn)在 Al的晶粒間界和晶界三相點(diǎn)處； V, 應(yīng)力較大區(qū)域（例 :接觸窗口邊界處等）； VI, 大電流密度能加速滲透坑形成。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 87 2，硅在鋁中的電遷移； 溶介在鋁膜中的硅原子，由于分布不均勻，存在濃度梯度，便要向外擴(kuò)散；如有大電流通過，電子的動量也要傳遞給硅原子，使之沿電子流方向移動，即產(chǎn)生電遷移。 ? 這種遷移在高溫下更易發(fā)生； ? 當(dāng)電流由鋁膜流入硅中時，促使鋁中的硅向鋁表面遷移，從而加劇了接觸窗口下硅向鋁中的溶解，使硅上的滲透坑加深，以至 PN結(jié)短路。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 88 3，鋁在硅中的電熱遷移； ? 只要存在有熱斑或者說存在高溫、高的溫度梯度和高電流密度的區(qū)域，在 AlSi界面就可能發(fā)生 Al的電熱遷移。 (1)這種遷移通常沿 PN結(jié)在 SiSiO2界面硅表面處進(jìn) 行 ,在溫度梯度最大 ,熱阻最小 ,路徑最短處呈絲狀滲入 , 故金屬離子最易橫向遷移，并形成溝道。 (2)也可縱向進(jìn)行，硅不斷向鋁中擴(kuò)散，遠(yuǎn)離界面向鋁表面遷移，同時在硅中留下大量空位；于是，加劇了 AlSi 接觸處鋁在硅中的電熱遷移使 Al進(jìn)入 Si后的滲透坑變深變粗，形成合金釘，嚴(yán)重時可穿越 PN結(jié)使之短路。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 89 必須指出 ： ? AlSi界面因局部電流集中出現(xiàn)熱斑而發(fā)生的 硅向鋁中的固體溶解、硅在鋁中的電遷移和鋁在硅中的電熱遷移這三個物理過程 幾乎是同時發(fā)生的 ,而且是相互作用 ,互有影響 ,加速了器件的失效； ? Si向 Al中溶介時 ,Si中留下了大量空位 ,加劇了Al在 Si中的電熱遷移；反過來 ,Al中空位濃度的增加 ,又加劇了 Si在 Al中的擴(kuò)散和電遷移。如此反復(fù)進(jìn)行，加速了 AlSi界面處鋁、硅原子的相互滲透，致使器件失效。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 90 4 失效模式 （ 1） AlSi或 Al多晶硅界面退化最為敏感的莫過于雙極型淺結(jié)器件的 eb結(jié)退化、反向漏電流增加、擊穿變軟 ,以及嚴(yán)重時造成 pn結(jié)的短路； （ 2）肖特基勢壘二極管失效： SBD勢壘因 Si向 Al中的溶介或 Si片驟冷后便有 P型 Si層析出 ,使勢壘增高 ,SBD作用逐漸消失 ,以至器件失效； （ 3） IC在浪涌電流作用下 ,引起 Si向 Al中溶介 ,并在 Al中電遷移造成電路內(nèi)出現(xiàn)結(jié)間短路現(xiàn)象。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 91 (a). (b). a. Al多晶硅反應(yīng)引起淺結(jié)器件 eb結(jié)短路 b. Al在 Si中電熱遷移形成 N+間短路 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 92 5 防止 AlSi界面退化的措施 : （ 1）采用 AlSi合金 (含 Si %)代替純 Al。 （ 2）采用薄 Al厚 Al蒸發(fā)工藝； （ 3）采用 Al的雙層金屬膜 , 在 AlSi間加阻擋層； （ 4）多晶硅做阻擋層。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 93 三 , 在氧化層臺階上的鋁膜斷裂 , PSG臺階為 90176。 45? 1,氧化層臺階 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 94 2，蒸發(fā)過程中鋁的自掩蔽效應(yīng) SiO2上 Al的蒸發(fā)情況 （ 1）臺階陰面入射粒子的死角產(chǎn)生空隙 （ 2）拐角處形成原子密度低的區(qū)域 —強(qiáng)度低 。 （ 3）臺階處鋁層薄，電流密度大 —易產(chǎn)生電遷移。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 95 發(fā)射極條上電流密度分布示意圖 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 96 四，鋁的腐蝕 1 鋁與金 （ 1）鋁與金的化學(xué)勢不同，經(jīng)長期使用或 200℃以上高溫存貯后將產(chǎn)生 Au5Al Au4Al、 Au2Al、 AuAl 和 AuAl2等多種化合物，其晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)均不相同，在鍵合點(diǎn)產(chǎn)生很大應(yīng)力，且電導(dǎo)率較低。 ?其中， AuAl2 — 紫斑； Au2Al — 白斑 ?反應(yīng)造成 Al層變薄，粘附力下降，接觸電阻增大，最后導(dǎo)致開路。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 97 （ 2） Au — Al接觸在 300℃ 以上容易發(fā)生空洞 — Kirkendall效應(yīng)。這是高溫下 Au向 Al中迅速擴(kuò)散并形成 Au2Al 的結(jié)果。它在鍵合點(diǎn)四周出現(xiàn)環(huán)形空洞，造成高阻或開路。 ? 金 鋁球形熱壓焊出現(xiàn) 的金屬間化合物及空洞 A, Au4Al。 B, Au5Al2。 C, Au2Al。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 98 3 22 6 3Al H Al H??? ? ? ?3 32 6( ) 2 ( )Al OH Al OH????3 33 ( ) ( )Al O H Al O H????2，鋁與環(huán)境氣氛 （ 1）當(dāng)有水、酸、鹽氣氛存在時，易發(fā)生 : 或者 3()Al OH （ 2）電介腐蝕生成 2 2 3 22 ( ) 3A l O H A l O H O? ? ?高 溫 老 化此外 326 2 2 3H C l Al AlC l H? ? ? ?3 2 32 6 2 ( ) 6A lC l H O A l O H H C l? ? ?Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 99 鋁金屬化表面的再結(jié)構(gòu) ?電路經(jīng)多次循環(huán)的熱沖擊（高溫少循環(huán)或低溫多循環(huán)）鋁金屬化表面出現(xiàn)小丘、晶須或皺紋，使表面粗糙化，這種現(xiàn)象稱為鋁金屬化表面的再結(jié)構(gòu)。 ?鋁金屬化表面的再結(jié)構(gòu)會引起鋁膜薄層電阻增大、極間短路、多層布線層間短路、促使電遷移現(xiàn)象發(fā)生以至電極開路等。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 100 鋁金屬化表面的再結(jié)構(gòu) ⑵ 溫升時， Al膜受壓應(yīng)力；冷卻時，受脹應(yīng)力。 2, 應(yīng)力釋放的結(jié)果： 產(chǎn)生小丘、晶須、晶粒分裂、空隙、皺紋等。 260606023 .6 10 /4. 20 10 /0. 5 10 /AlSiSiOaCaCaC?????????2A l Si SiOa a a?? 一 鋁膜表面再結(jié)構(gòu)的原因 1，原因： AlSiO2,AlSi結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)的不匹配 (1) Al、 SiO Si的線膨脹系數(shù)：