【正文】 260606023 .6 10 /4. 20 10 /0. 5 10 /AlSiSiOaCaCaC?????????2A l Si SiOa a a?? 一 鋁膜表面再結構的原因 1，原因： AlSiO2,AlSi結構熱膨脹系數(shù)的不匹配 (1) Al、 SiO Si的線膨脹系數(shù)： 。 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構 ⑵ 溫升時， Al膜受壓應力；冷卻時，受脹應力。 ?鋁金屬化表面的再結構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。 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。 C, Au2Al。 ? 金 鋁球形熱壓焊出現(xiàn) 的金屬間化合物及空洞 A, Au4Al。這是高溫下 Au向 Al中迅速擴散并形成 Au2Al 的結果。 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）鋁與金的化學勢不同，經長期使用或 200℃以上高溫存貯后將產生 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，在鍵合點產生很大應力，且電導率較低。 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 SiO2上 Al的蒸發(fā)情況 （ 1）臺階陰面入射粒子的死角產生空隙 （ 2）拐角處形成原子密度低的區(qū)域 —強度低 。 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。 （ 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。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 91 (a). (b). a. Al多晶硅反應引起淺結器件 eb結短路 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 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器件的 eb結退化、反向漏電流增加、擊穿變軟 ,以及嚴重時造成 pn結的短路； （ 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出現(xiàn)結間短路現(xiàn)象。如此反復進行，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。 (1)這種遷移通常沿 PN結在 SiSiO2界面硅表面處進 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。 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，即產生電遷移。 Ii, 坑數(shù)遠大于位錯數(shù) ——位錯不是決定坑的因素； Iii,機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處； V, 應力較大區(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。 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 。 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。 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 。 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)。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 83 2，克服措施 （ 1）版圖設計時考慮熱分布均勻，散熱好，熱阻低； （ 2）采用 SiO2Al2O3SiO2 或 Si3N4SiO2 復合介質層和鈍化層； （ 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。 167。 Semiconductor Reliability amp。 ?這里， n＝ 1，對應于小電流密度時的情況； n = 3,對應于大電流密度時的情況。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 80 3，由式（ 15）和（ 17）可知： 1M T Fj?（ 1）電遷移失效由材料結構梯度引起時 （ 18） 31M T Fj?（ 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 則 （ 20） Semiconductor Reliability amp。3 e x p ( / )bw d TM T F Q K TCj?∴ （ 17） 式中， C′ 為與金屬薄膜結構、擴散激活能有關的常數(shù)。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 78 1M TFJ? ??作為一級近似 （ 12） WdM TFJ? ?? Black證明， MTF正比于導體的橫截面積， 所以 （ 13） e x p ( / )bBjJ J B Q K TBT?? ? ? ? ? ? 1，小電流工作時，忽略金屬膜上的溫度梯度，由（ 10）式得 （ 14） e xp( / )bT W dM T F Q K TjB? ? 代入式（ 13） 則 （ 15） Semiconductor Reliability amp。 ? 失效的判據(jù)為薄膜電阻增大 100％。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 77 四，電遷移平均失效時間 MTF（ Median time to failure ） MTF — 反映器件表面金屬化抗電遷移的能力 ? 嚴格地講，應譯成 “ 中值失效前時間 ” ，簡稱 t50。 ? 適當控制這些梯度的大小，理論上是可以獲得電遷移壽命很長的金屬薄膜的。這些結構梯度有時和溫度梯度疊加使影響增大。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 76 ? 總之： ? 通常金屬薄膜的離子流散度不為零時會發(fā)生金屬薄膜的電遷移。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 75 三相點示意圖 1 1 2 2 3 3c o s c o s c o s 0D D D? ? ?? ? ?0J?? ?3, 三相點即三個晶粒交會處，為了使離子流平衡 即 則必須有 式中， θ 為離子沿晶界擴散方向與電場方向之間的夾角 ,由于 D D D3 之間的差異，上式很難滿足，所以，金屬薄膜三相點往往是散度源。 在微小晶粒和粗大晶粒交界處， （與結構 有關的平均晶粒尺寸 S的梯度）使 出 現(xiàn)凈質量的堆積和虧損 。 S?（ 1）金屬薄膜晶粒尺寸梯度 的存在； （ 2）三相點 ——三個晶界結點的存在。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 73 1bQKT ??2()bBQJ J TB K T?? ? ? ? ?即 則 (10) 三，離子流散度 式（ 7）中， N、 Do、 f、 Z*和 ρ 等參數(shù)均與金屬薄膜微結構的變化有關，與結構有關的項用 B表示，則（ 7）式可表示為 e x p ( / )bBjJ Q K TT??(8) 21e x p ( ) [ ( ) ]bbB j Q B QJTT K T B K T T??? ? ? ? ? ?則 (9) 21bQKT T?? 0 . 5 , 3 0 0 2 0bb e v T k KT? ? ?時 ，一般認為 (例 : ） 若認為 Qb為常數(shù) 21( ) e x p ( / )bbB j QJ B T Q K TT B K T? ? ? ? ?