微电子产品可靠性

单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,Semiconductor Reliability & Reliability Physics,集成电路可靠性与可靠性物理,单击此处编辑母版标题样式,*,集成电路可靠性和可靠性物理,P67,2,目录,第一章 概述,3,1.1,基本内容,3,1.2,可靠性工作的基本内容,8,第二章 可靠性概念及其主要数学特征,11,2.1,可靠性的定义,11,2.2,可靠度的定量表征,13,2.3,器件的失效规律,23,2.4,半导体器件常见的失效分布,26,第三章 集成电路的失效机理,37,3.1,集成电路的表面失效机理,37,3.2,金属化系统,60,3.3,静电效应,108,3.4,辐射效应对材料和器件的影响,161,3.5,湿度效应,210,3,第四章 可靠性试验,230 4.1,可靠性试验的分类及内涵,231 4.2,环境试验,239 4.3,寿命试验,250 4.4,加速寿命试验,255 4.5,可靠性筛选,266,第五章 失效分析技术,276,5.1,失效模式与失效分布,276,5.2,失效分析的内容与程序,279,5.3,微分析技术在失效分析中的应用,285,5.4,红外线显微分析,341,5.5,破坏性物理分析,346,第六章 集成电路的可靠性保证,348,6.1,可靠性设计,351,6.2,工艺可靠性,381,4,1.1,基本内容,一,.,课程特点,六十年代后期崛起的一门新兴边缘学科,.,1.,涉及面广,它包括器件从开发研究、设计、制造一直到包装、储存、运输和使用维修等各个环节；,第一章 概 述,从电路结构到电路的加工制造，工艺控制、质量管理等方面；,从学科上讲,它涉及,失效物理、数理统计、数学模型、化学反应、机械应力、环境工程、实验方法、生产管理等方面。,5,2.,可靠性工作最根本的目的是提高,IC,质量水平和可靠性水平；,IC,集成电路,3.,研究任务,研究硅器件,(,分立器件,及,IC),失效的各种条件,包括时间、空间、应力、外观变化及各种参数的变化等；,通过有效的检测和分析找出失效原因，确定失效机理；,通过理化等分析和统计，确定失效模型，对新的失效机理，作进一步的实验研究；,6,根据器件的失效机理，对产品进行可靠性试验,(,可靠性筛选、可靠性寿命测试等,),，并作出可靠性评估，以调整对新产品的可靠性设计、生产中的质量控制以及器件的正确使用,以最终提高器件的可靠性,集成电路可靠性物理是从发生在器件内部的各种物理、化学效应的角度来研究如何提高半导体器件可靠性的一门学科。,7,1.,相同点：,都是研究外界对器件施加影响（统称为应力）后，在器件内部产生的效应。,2.,不同的侧重点：,凡外加应力引起器件内部产生的效应是可以复原的问题，就属于器件物理研究的范围,；不能复原或在器件内部留下可能导致器件特性退化、引入潜在缺陷痕迹（宏观的或微观的）的，与这些不可复原效应有关的问题就属于器件可靠性物理研究的范畴,。,二,.,器件可靠性物理与器件物理的关系,8,器件物理研究,IC,的核心,芯片内部,发生的物理效应；,可靠性物理研究器件的失效机理,其不仅包括芯片，而且还包括器件的内外引线和封装即器件的整体。,三 内容和重点,基础：半导体物理、晶体管原理、集成电路工艺原理、数理统计等。,内容：从可靠性的数学描述出发，介绍,IC,失效机理、可靠性试验、,IC,失效分析的手段和方法等。,3,研究范围,9,一,.,集成电路可靠性工作的重要性,1.,集成电路技术发展的需要,2.,集成电路自身结构不断发展的需要,二,.,开展集成电路可靠性试验、研究的目的,1.,测定或验证电路的可靠性,提供整机或系统设计者参考；,2.,寻找各种电路的运用极限以及在正常和特殊条件下产生失效或退化的内在原因和规律,向电路的设计者、制造商,提出旨在消除这些失效因素的合理化建议，以便进一步改进和提高,IC,的可靠性；以及,向用户,指出正确合理的使用方法和维护条件。,1.2,集成电路可靠性的工作内容,10,三 可靠性试验和研究与发展新工艺、新品种的关系,11,2.1,可靠性的定义,一 可靠性是指在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能（即正常工作）的能力。,(1),规定的条件,电路工作时所处的环境条件、负荷大小以及工作方式,;,(2),规定的时间,电路完成规定功能的工作时间,也即正常工作的时间,;,(3),规定的功能,电路的性能技术指标。,第二章 可靠性概念及其主要数学特征,12,二 电路的可靠性是一统计指标，它是大量失效,信息统计的结果。,1,电路的失效无法预测,随机事件。,2,从数理统计角度可靠性的定义,器件在规定的时间内和规定的条件下完成规定功能的概率。,3,定量化标准产品可靠性涉及到的数学描述,:,（,1,）失效密度函数,f(t),（,2,）累计失效率,F(t),（,3,）可靠度,R(t),（,4,）瞬时失效率,（,5,）平均寿命,（,6,）寿命方差和寿命标准方差,13,1,定义：产品在,t,时刻,在单位时间内失效的概率。,（,1,）,式中：,N,为参加实验器件的总数， 为,t,时刻附近 时间间隔内失效的器件数。,时间间隔内的,失效几率,2.2,可靠度的定量表征,一 失效密度函数,f(t),14,曲线阴影部分的面积代表了时间间隔内的失效率,二 累计失效率,失效概率,1,失效概率：器件在特定环境下，在时刻,t,以前失效的几率,;,2,时间内的失效几率可表示为,（,2,）,T,从,则,（,3,）,2,累计失效率：,从,0,t,时间内失效的累计量,（,4,）,15,（,2,）,为,F(t),在 时的斜率,（,5,）,（,3,）实际数据处理中,（,6,）,（,1,）,为图中阴影部分面积,3 f(t),与,F(t),的关系,16,2,可靠度与累计失效率（不可靠度）是一组对立事件。,（,7,）,（,8,）,1,可靠度即可靠性，指器件在给定时间内和规定条件下完成规定功能的概率。,三 可靠度,R(t),17,1Fit,的物理意义：指,10,亿个产品，在一小时内只允许有一个失效或每千小时只允许有百万分之一的失效概率。,（,9,）,（,10,）,四 瞬时失效率,(t),失效率,1,定义：器件在,t,时刻的失效率为器件工作到,t,时刻后，在单位时间内的失效率,2,失效率的单位,18,F(t):,反映的是累计的失效率；,(t):,反映的是,t,时尚未失效的器件,在单位时间内的失效率；,4 (t),与,f(t),、,F(t),和,R(t),间的关系,（,11,）,（,12,）,3 F(t),与,(t),19,。,（,13,）,则,（,15,）,（,16,）,（,14,）,且,20,设在 失效的器件数 为,则,五 产品的寿命特征,1,平均寿命,某批产品寿命的平均值,（,1,）不可修复产品：指失效前的工作或储存的平均时间。,（,2,）可修复产品：指两次相邻失效间，工作时间的平均值，即平均无故障工作时间。,21,（,1,） 引入寿命,“,方差,”,概念的目的,了解随机变量（寿命,t,）取值的分散程度。,其为，器件寿命,t,（随机变量）与平均寿命的差值平方的平均值：,（,2,）寿命标准离差则 取算术平方根。,2,寿命方差和寿命标准离差,22,（,2,）产品可靠度,r,L,=0.5,时的可靠寿命称为中位寿命,记作,t,0.5,，,（,1,）可靠度等于给定值,r,L,时,所对应的工作时间,t,称为,可靠寿命,记为,t,R,；,r,L,称为可靠水平,可靠寿命与可靠水平的关系,正好是产品失效一半时的时间,3,可靠寿命与中位寿命,23,A,，早期失效期,由产品本身,存在的缺陷造成；,B,，偶然失效期,产品最好的工作期，失效率低且稳定近似为一常数,使用寿命期；,C,，损耗（老化）失效期,产品使用后期，由于长期的磨损或疲劳使性能下降，造成失效迅速增加。,2.3,器件的失效规律,2.3.1,普通元器件的失效规律,失效过程明显成,“,浴盆状,”,分三个阶段：,普通元器件典型失效率曲线,24,半导体器件失效率曲线,2.3.2,半导体器件的失效规律,一 半导体器件寿命长的原因,3,表面钝化技术的应用。,1,气密性良好，漏气速度小于,2,不存在类似于热阴极等消耗，磨损部件；,25,只存在早期失效和偶然失效二个阶段，且在偶然失效阶段，失效率低，还随,t,有递降的趋势，不存在老化失效阶段。,1,两种解释,:,（,1,）认为老化期很长，各种寿命试验都无法观察到老化失效；,（,2,）认为目前的工艺技术水平还不足以使器件寿命延长到老化失效阶段,大多数失效是由于参数退化引起的。,(t),随,t,而下降，提供了一条提高器件和整机可靠性水平的有效途径 。,二,(t),与,t,的关系曲线,26,2.4,半导体器件常见的失效分布,指数分布、威布尔分布和对数正态分布,一 指数分布,1 ,可靠度,在偶然失效阶段，假定失效率,同时可得失效密度函数,f(t),这即为指数分布的函数形式,27,平均寿命,即,失效率 为常数时,失效率的倒数即为其平均寿命,指数分布时，只有,一个参数,一旦确定，分布也就确定。,指数分布时的,R(t),曲线,当,确定时，,R(t),与,t,的关系曲线是一负指数曲线,28,（,1,）设,则,指数分布时，工作时间达平均寿命时只有,37,器件还能正常工作；,（,2,）若,则,显然，器件工作时间愈短，可靠度愈高；工作时间愈长，可靠度愈底，达平均寿命时，可靠度只有,37%,。,2,器件工作时间与可靠度的关系,则,（,3,）若,则,29,（,1,）,t,0,尺度参数，它决定,f(t),曲线的坡度，表示器件 寿命的长短，,t,0,越大，寿命 越长,(,当,m,和,确定时）。,1,威布尔分布的失度函数,不同,t,0,值威布尔分布的失效密度函数,二 威布尔分布,1,威布尔分布的失效密度函数,2,威布尔分布有,t,0,、,m,和,三个参数,30,m1,时，曲线有一峰值，,m,愈大，曲线愈陡；,m3,时,可用来描述器件损耗（老化）失效阶段。,m,1,时，曲线为一负指数曲线,若,m = 1,、,= 0,、,t,0,= t,0,时,则,此时，,t,0,相当于平均寿命，可见指数分布相当于威布尔分布中,m = 1, = 0,的特例，可用来描述器件的偶然失效阶段。,32,（,3,）,为位置参数，它决定曲线的起点位置,不同,值的威布尔分布,值表示在不同的时刻器件开始有失效的可能,威布尔分布的主要特点是,(t),随不同的,m,值而变化，可描述失效分布的几个不同阶段。,33,式中，,u,为对数中位寿命，,为对数标准离差,正态分布的,概率密度函数,三对数正态分布,1,正态分布的概率密度函数,在 时，,f(x),有一极大,值； 愈大，则,f(x),愈小,;,2,对数正态分布：随机变量,“,X,”,本身不服从正态分布,而他的对数服从正态分布,;,对数正态分布的失效密度函数：,34,式中为标准正态分布函数,四，对数正态分布和 的威布尔分布用图表,法求解。,3,，对数正态分布时的累计失效率：,35,五 可靠性各主要特征量之间的关系,36,第三章 集成电路的失效机理,3.1,集成电路的表面失效机理,任何一种,IC,都可以看成是由多种部件或多种材料组合而成的串联或串并联系统，在这系统中存在许多固相交界面。,37,在温度（,T,）、交变温度,(T,）、电压（,V,）、电流（,I,）、湿度（,H,）等外界应力的作用下，界面间发生固,固扩散，离子电荷迁移，热电子注入，电化学腐蚀，甚至出现龟裂等，从而导致界面的热、电、机械特性的缓慢变化，引起器件参数的不稳定和退化，以至彻底失效。,38,3.1.1 Si-SiO,2,系统中的电荷,现已公认，,在,Si-SiO,2,界面,氧化层中存在着固定及可动的电荷，由于这些电荷浓度或位置的变化，调制了硅表面势，,因此，凡是与表面势有关的各种电参数均受到调制。,39,一，,Si-SiO,2,系统中的电荷及其对可靠性的影响,1.,界面陷阱电荷,(Q,it,),(ntece,apped charge),2.,固定氧化物电荷,(Q,f,),(xed Oxide Charge),3.,可动离子电荷,(Q,m,),(bile ionic charge),4.,氧化物陷阱电荷,(Q,ot,),xide apped charge,40,1,固定电荷,Q,f,固定电荷来源示意图,正电荷,电荷密度,。,固定电荷是由,Si-SiO,2,界面附近过剩的,Si,离子或者说是氧空位引起的，其存在于,SiO,2,中，距,Si-SiO,2,界面约几十埃的范围内。,41,特性,界面固定电荷密度与晶向关系,（,1,）固定电荷的面密度是固定的，不随外加偏压和,Si,表面势变化；,（,2,）,SiO,2,层厚度、,Si,衬底掺杂类型及浓度（,10,14,10,17,/cm,3,内）对,Q,f,无明显影响；,（,3,）在相似的工艺条件下，,Q,f,随晶体的取向而明显变化，并按（,111,）,（,110,）,(100),顺序递减，近似呈,3,：,2,：,1,，如表所示；,42,界面固定电荷密度与晶向关系,43,（,4),固定电荷密度,Q,f,与工艺条件密切相关,遵循,Deal,三角形规律,Deal,三角关系,(Deal Triangle),斜边代表了,Q,f,和氧化温度的关系，温度越高，,Q,f,越小；,垂直边表示氧化温度不变，只要改变气氛,(N,2,或,Ar),会使,Q,f,大大降低；,底边表示不论氧化时温度如何,只要经过干氮或氩气退火,就可以得到较低的,Q,f,值。,Deal,三角形,44,影响,(1),使,mos,结构的,C-V,曲线向负方向平移，而不改变其形状,;,(2),由于,Q,f,固定，仅影响阈值电压的大小，但不会导致阈值电压的不稳定。,45,原因：钠性质活泼；含量高；在,SiO,2,中的扩散数仅次于,H,，比,B,、,P,、,As,大近万倍。,氧化层中杂质的扩散系数,2,可动离子电荷,Q,m,氧化层中的可动离子电荷,(Li,+,、,K,+,、,Na,+,等碱金属离子和,H,离子等）其中以钠离子（,Na,+,）影响最大,;,46,*,引起,PNP,管集电区反型产生沟道，使击穿电压降低,漏电流增大。,影响,(1),降低了,pn,结击穿电压，增加了漏电流。,PNP,管的场感应结及其击穿特性,47,NPN,管的场感应结及其击穿电压,*,引起,NPN,管基区反型，产生沟道，导致,TTL,电路多发射极晶体管交叉漏电流增加，使前级输出高电平降低以至失效；导致集电区表面,n+,化，使击穿电压下降。,48,(2),引起晶体管电流增益漂移；,理论分析指出，在厚度为,d,ox,的,SiO,2,中，可动电荷密度为,（,x,）时，,Si,SiO,2,界面可动有效净电荷密度为,:,p,（,x,）变化,Vt,漂移。,栅氧化层中的离子电荷,(3),引起,MOS,器件阈值电压漂移；,49,式中，,Q,f,为,SiO,2,层中的固定电荷，,Q,m,为层内可动电荷密度，,Q,SDmax,为表面耗尽层最大电荷密度,C,0,为单位面积的栅氧化层电容，,ms,为金属半导体功函数差，,F,为半导体衬底的费米电势。,在温度偏压作用下,SiO,2,中可动离子电荷移动,（,x,）,变化,Q,m,变化 ,V,T,漂移。,对,N,沟,MOS,器件，其阈值电压,50,3,界面陷阱电荷,Q,it,快表面态或界面态,密度,:,起源于,Si,SiO,2,界面的结构缺陷、氧化感生缺陷以及金属杂质和辐射等因素引起的一些缺陷。,这种结构缺陷可接受空穴或电子而带一定电荷，即界面陷阱电荷。,电荷可能是正、负或者中性；可以与硅交换电荷，所带电荷状态取决于偏压,51,Q,it,与,Si,基片晶向有关，按（,111)(110) (100),递减 。,影响,Q,it,与工艺的关系,遵循,Deal,三角形规律,（,1,）干,O,2,氧化比湿氧氧化的,Q,it,大 ；,（,2,）氧化温度越低，,Q,it,越大；,（,3,）氧化后,N,2,气氛中退火可降低,Q,it,;,（,1,）小电流下的电流增益,h,FE,降低 ；,（,2,）,1/f,噪声增加；,（,3,）,MOS,器件的跨导和截止频率降低。,52,4.,氧化层陷阱电荷,Q,ot,主要来源：,Si-SiO,2,系统受到,射线、,射线、高能乃至低能各种辐射后产生的电子空穴对；也可以是雪崩或非雪崩下热载流子注入产生的电子空穴对。,Q,ot,可以是正电荷，也可以是负电荷，其取决于,SiO,2,陷阱中俘获的是空穴还是电子。,53,Q,ot,主要影响器件在宇宙空间和核环境中 的应用。,Q,ot,与工艺的关系,（,1,）,Q,ot,可在,H,2,或者惰性气氛中退火减少乃至消除。,（,2,）使用抗辐射的介质膜作表面钝化膜，可以提高器件的耐辐射能力。,54,3.1.2,热载流子注入效应,热载流子,能量比费米能级大几个,KT,以上的载流子。,热载流子与晶格不处于热平衡状态，当其能量达到甚至超过,Si,SiO,2,势垒（,3.1ev),时，便会注入到,SiO,2,中去,其中部分被,SiO,2,中的陷阱俘获，这就是热载流子的注入效应。,55,影响,PN,结击穿电压,的蠕变,1,，,PN,结击穿电压的蠕变,（,1,）当测量,PN,结的雪崩击穿电压时,随着击穿时间的延长,击穿电压在缓慢增加或降低,这种现象称为击穿电压的蠕变。,56,（,2,）现已公认，,PN,结击穿电压的蠕变是击穿过程中热载流子向氧化层注入的结果。,P,+,N,结雪崩击穿时热载流子注入,热载流子注入可以是多子注入，也可以是少子的注入,取决于,Si-SiO,2,界面的电场方向。,例：,57,2,，,N,沟道,MOS,器件中的热电子效应,沟道热电子示意图,引起,MOS,器件阈值电压的漂移和跨导的下降,58,小结：,由于,Si,SiO,2,界面存在氧化物电荷，引起器件参数不稳定，其中，影响最大的为可动离子电荷（例如,Na,+,),为减少,SiO,2,中,Na,+,沾污和降低,SiO,2,中,Na,+,的活性,在工艺中采取钝化措施。,钝化主要从三方面进行：,(1),“,无,Na,”,SiO,2,的生长；,(2),减弱,Na,+,的活性；,(3),防止芯片制成后,Na,+,的二次沾污。,59,3.2,金属化系统,3.2.1,铝的电迁移,定义：当直流电流流过金属薄膜时，导电电子与金属离子将发生动量交换而引起金属离子的迁移，这种现象称为金属的电迁移。,铝膜的电迁移现象,1966,年由,Blech,和,Sello,发现。,60,硅平面工艺中，用蒸发或溅射方法制备的金属薄膜是多晶膜,;,一 金属薄膜的缺陷和扩散,溅射过程示意图,61,淀积薄膜的过程,62,Al,和,Au,金属膜的晶粒尺寸,金属膜的晶粒直径取决于膜生长时衬底材料的温度及生长后的退火温度和时间；,a,63,1,，金属薄膜中存在的缺陷,缺陷：实际晶体结构中与理想点阵结构发生偏差的区域。,（,1,）点缺陷,零维缺陷（空位、间隙原子和杂质原子等）,（,2,）线缺陷,一维缺陷（位错等）,（,3,）面缺陷,二维缺陷（晶粒间界,多晶体内不同取向的晶粒界面）,这些缺陷在空间中有明确可辩的图象，在时间上也具有一定的延续性，所以，在一定程度上可以将这些缺陷当作独立的个体对待。,64,2,空位和晶界,在热力学平衡状态下，金属膜的空位浓度：,式中,u,f,为空位形成能（,ev), A,1,为与形成一个肖特基空位激活熵有关的常数。,(1),空位,定义：如在晶体中抽去处在正常格点上的原子，放到晶体表面上去，就形成所谓的肖特基空位。,65,C,点称为鞍点（,saddle point),鞍点和正常空位点的能量差为空位移动的激活能,U,m,;,空位运动过程,空位是可以在晶格中移动的：,66,式中,A,2,为决定于移动激活熵的常数,Z,1,为配位数。,空位的自扩散,i,空位以频率,在晶体中的无规则运动称为晶体中空位的自扩散；空位的存在是产生自扩散的条件。,ii,若原子的振动频率为,，每次振动跃过势垒,U,m,的概率为 ，则空位移动频率,为：,67,定义,:,多晶体内,不同取向的晶粒界面，称为晶粒间界，简称晶界。,i,晶界处结构疏松，位错密度大,空位浓度高；,ii,金属多晶膜的内吸附特性,使外来的杂质沉积于晶界处；,iii,晶界一般很薄,不超过,2-3,个原子层。,(2),晶界,68,3.,多晶材料固态扩散有三个途径：,(1),晶格扩散,(,或体扩散,),扩散系数,D,L,(2),晶界扩散,扩散系数,D,GB,(3),表面扩散,扩散系数,D,S,。,一般认为,D,S, D,GB, D,L,扩散激活能,Q,S, Q,GB, Q,L,金属薄膜中三种扩散途径示意图,Al,、,Au,金属薄膜的扩散激活能（,ev,）,69,实验发现，这三种扩散均是各向异性的，杂质的存在对扩散速率有影响，这种影响可以加速扩散，也可以减缓扩散。一般来讲，杂质与金属原子若发生反应，便可减缓扩散；若杂质的加入可以引入新的缺陷，便可以加速扩散。,70,二，电迁移的离子流密度,J = NV (1),式中，,V = F (2),这里，,N,为粒子流密度，,V,为离子运动速度,为离子迁移率,F,为作用在离子上的力,F = F,q,+F,e,= q,（,Z-Z,）,E = qZ,*,E (3),式中，,F,q,为电场力，,F,e,为载流子（电子）与金属离子间动量交换产生的摩擦力,;Z,*,相当于有效的原子价数,Z,*,q,称为有效电荷。,71,式中，,D,0,为扩散常数，,Q,b,为扩散激活能，,f,为取决于晶格类型的修正因子。,此式即为电迁移离子流方程。, (7), E = j (4),自扩散系数,迁移率, F = q Z,*,j (5),式中，,j,为电子流密度，,为电阻率,则，,J = NF = NqZ,*,j (6),72,各种金属的有效原子价数,Z,*,1,，,IC,常用的金属,Al,和,Au,其,Z,*, 0,说明,“,电子风,”,导致金 属离子向负电极方向移动；,5, Pt,、,Co,的,Z,*,很小，抗电迁移能力很强。,73,即,则,(10),三，离子流散度,式（,7,）中，,N,、,D,o,、,f,、,Z,*,和,等参数均与金属薄膜微结构的变化有关，与结构有关的项用,B,表示，则（,7,）式可表示为,(8),则,(9),一般认为,(,例,:,）,若认为,Q,b,为常数,或,(11),74,1,是由膜的结构无规性造成的。,（,1,）金属薄膜晶粒尺寸梯度 的存在；,（,2,）三相点,三个晶界结点的存在。,2,，薄膜的电迁移主要发生在晶粒间界处。,在微小晶粒和粗大晶粒交界处， （与结构,有关的平均晶粒尺寸,S,的梯度）使 出,现净质量的堆积和亏损,。,实验发现：,75,三相点示意图,3,三相点即三个晶粒交会处，为了使离子流平衡,即 则必须有,式中，,为离子沿晶界扩散方向与电场方向之间的夹角,由于,D,1,、,D,2,、,D,3,之间的差异，上式很难满足，所以，金属薄膜三相点往往是散度源。,76,总之：,通常金属薄膜的离子流散度不为零时会发生金属薄膜的电迁移。,引起离子流散度不为零的因素，主要是薄膜的结构梯度和温度梯度。这些结构梯度有时和温度梯度叠加使影响增大。,实际金属化系统往往电流密度梯度、温度梯度和材料的结构梯度三者都起作用，影响就更为复杂。,适当控制这些梯度的大小，理论上是可以获得电迁移寿命很长的金属薄膜的。,77,四，电迁移平均失效时间,MTF,（,Median time to failure,）,MTF,反映器件表面金属化抗电迁移的能力,严格地讲，应译成,“,中值失效前时间,”,，简称,t,50,。,T,50,是指一组同样的金属薄膜，在同样的测试或工作条件下，使,50,金属薄膜失效所需要的时间。,失效的判据为薄膜电阻增大,100,。,78,作为一级近似,（,12,）,Black,证明，,MTF,正比于导体的横截面积，,所以 （,13,）,1,，小电流工作时，忽略金属膜上的温度梯度，由（,10,）式得 （,14,）,代入式（,13,）,则,（,15,）,79,2,大电流工作时， 很大，而 可忽略，由（,10,）式得 （,16,）,代入式（,13,）,则,（,17,）,式中，,C,为与金属薄膜结构、扩散激活能有关的常数。,80,3,，由式（,15,）和（,17,）可知：,（,1,）电迁移失效由材料结构梯度引起时,（,18,）,（,2,）电迁移失效由温度梯度引起时,（,19,）,综合上述二式，并忽略指数前的温度项,则,（,20,）,81,4,，提高金属薄膜抗电迁移能力的措施,（,1,）减小电流密度；,（,2,）降低薄膜温度；,（,3,）增大薄膜中离子扩散的激活能；,（,4,）增大薄膜的厚度和宽度；,（,5,）降低常数,C,。,这里，,n,1,，对应于小电流密度时的情况；,n = 3,对应于大电流密度时的情况。,C,为与薄膜结构梯度、薄膜衬底及覆盖层性质有关的参数。,82,（,1,）反应速率随温度升高呈指数加快，而且是一放热反应；,（,2,）,SiO,2,因反应消耗而穿透,短路；,（,3,）对功率器件易产生热斑,潜在的失效机构。,3.2.2,与铝有关的界面效应,一，铝与二氧化硅,1,，高温下,Al,与,SiO,2,的化学反应,83,2,，克服措施,（,1,）版图设计时考虑热分布均匀，散热好，热阻低；,（,2,）采用,SiO,2,-Al,2,O,3,-SiO,2,或,Si,3,N,4,-SiO,2,复合介质层和钝化层；,（,3,）采用,Al,的双金属化系统,如,TiN - Al,、,Ti-Al,、,w-Al,和,Mo-Al,等；,（,4,）对功率器件加镇流电阻。,84,二 铝和硅,Si,在,Al,中的固溶度,硅在铝中的溶解总量是温度、时间和铝几何尺寸的函数。,1,，硅向铝中的固态溶介,铝在硅中几乎不溶解；,硅在铝中有一定的溶解度，在共晶点,577,时溶介度最大，达,1.59%(,原子比）；,85,渗透坑形成过程,i, Al,穿通原生,SiO,2,阶段,;,4Al+3SiO,2,=2Al,2,O,3,+3Si,Al,对,SiO,2,的穿透率强烈依赖于温度。,穿透率,(A/min)=,（,1,）硅向铝中的溶介过程,iii, Si,饱和以后，渗透坑的变粗阶段。,ii, Si,在,Al,中饱和溶解阶段；,86,(2),影响,Si,向,Al,中溶介的因素,:,i,晶向,100,面坑深，近于四边形,;111,面坑浅，坑径大，呈三角形,;,Ii,坑数远大于位错数,位错不是决定坑的因素；,Iii,机械划痕线起坑的核心作用,最大渗透坑沿 着这种划痕线；,IV,最易出现在,Al,的晶粒间界和晶界三相点处；,V,应力较大区域（例,:,接触窗口边界处等）；,VI,大电流密度能加速渗透坑形成。,87,2,，硅在铝中的电迁移；,溶介在铝膜中的硅原子，由于分布不均匀，存在浓度梯度，便要向外扩散；如有大电流通过，电子的动量也要传递给硅原子，使之沿电子流方向移动，即产生电迁移。,这种迁移在高温下更易发生；,当电流由铝膜流入硅中时，促使铝中的硅向铝表面迁移，从而加剧了接触窗口下硅向铝中的溶解，使硅上的渗透坑加深，以至,PN,结短路。,88,3,，铝在硅中的电热迁移；,只要存在有热斑或者说存在高温、高的温度梯度和高电流密度的区域，在,Al-Si,界面就可能发生,Al,的电热迁移。,这种迁移通常沿,PN,结在,Si-SiO,2,界面硅表面处进 行,在温度梯度最大,热阻最小,路径最短处呈丝状渗入,故金属离子最易横向迁移，并形成沟道。,也可纵向进行，硅不断向铝中扩散，远离界面向铝表面迁移，同时在硅中留下大量空位；于是，加剧了,Al-Si,接触处铝在硅中的电热迁移使,Al,进入,Si,后的渗透坑变深变粗，形成合金钉，严重时可穿越,PN,结使之短路。,89,必须指出,：,Al-Si,界面因局部电流集中出现热斑而发生的,硅向铝中的固体溶解、硅在铝中的电迁移和铝在硅中的电热迁移这三个物理过程,几乎是同时发生的,而且是相互作用,互有影响,加速了器件的失效；,Si,向,Al,中溶介时,Si,中留下了大量空位,加剧了,Al,在,Si,中的电热迁移；反过来,Al,中空位浓度的增加,又加剧了,Si,在,Al,中的扩散和电迁移。如此反复进行，加速了,Al-Si,界面处铝、硅原子的相互渗透，致使器件失效。,90,4,失效模式,（,1,）,Al-Si,或,Al-,多晶硅界面退化最为敏感的莫过于双极型浅结器件的,eb,结退化、反向漏电流增加、击穿变软,以及严重时造成,pn,结的短路；,（,2,）肖特基势垒二极管失效：,SBD,势垒因,Si,向,Al,中的溶介或,Si,片骤冷后便有,P,型,Si,层析出,使势垒增高,SBD,作用逐渐消失,以至器件失效；,（,3,）,IC,在浪涌电流作用下,引起,Si,向,Al,中溶介,并在,Al,中电迁移造成电路内出现结间短路现象。,91,(a). (b).,a. Al-,多晶硅反应引起浅结器件,eb,结短路,b. Al,在,Si,中电热迁移形成,N,+,间短路,92,5,防止,Al-Si,界面退化的措施,:,（,1,）采用,Al-Si,合金,(,含,Si 0.1 -0.3%),代替纯,Al;,（,2,）采用薄,Al-,厚,Al,蒸发工艺；,（,3,）采用,Al,的双层金属膜,在,Al-Si,间加阻挡层；,（,4,）多晶硅做阻挡层。,93,三,在氧化层台阶上的铝膜断裂,b.PSG-SiO,2,双层结构,PSG,台阶为,90,a.SiO,2,层台阶坡度,45,1,氧化层台阶,94,2,，蒸发过程中铝的自掩蔽效应,SiO,2,上,Al,的蒸发情况,（,1,）台阶阴面入射粒子的死角产生空隙,（,2,）拐角处形成原子密度低的区域,强度低,;,（,3,）台阶处铝层薄，电流密度大,易产生电迁移。,95,发射极条上电流密度分布示意图,96,四，铝的腐蚀,1,铝与金,（,1,）铝与金的化学势不同，经长期使用或,200,以上高温存贮后将产生,Au,5,Al,2,、,Au,4,Al,、,Au,2,Al,、,AuAl,和,AuAl,2,等多种化合物，其晶格常数和热膨胀系数均不相同，在键合点产生很大应力，且电导率较低。,其中，,AuAl,2,紫斑；,Au,2,Al,白斑,反应造成,Al,层变薄，粘附力下降，接触电阻增大，最后导致开路。,97,（,2,）,Au,Al,接触在,300,以上容易发生空洞,Kirkendall,效应。这是高温下,Au,向,Al,中迅速扩散并形成,Au,2,Al,的结果。它在键合点四周出现环形空洞，造成高阻或开路。,金,-,铝球形热压焊出现,的金属间化合物及空洞,A, Au,4,Al;,B, Au,5,Al,2,;,C, Au,2,Al,。,98,2,，铝与环境气氛,（,1,）当有水、酸、盐气氛存在时，易发生,:,或者,（,2,）电介腐蚀生成,此外,99,3.2.3,铝金属化表面的再结构,电路经多次循环的热冲击（高温少循环或低温多循环）铝金属化表面出现小丘、晶须或皱纹，使表面粗糙化，这种现象称为铝金属化表面的再结构。,铝金属化表面的再结构会引起铝膜薄层电阻增大、极间短路、多层布线层间短路、促使电迁移现象发生以至电极开路等。,100,3.2.3,铝金属化表面的再结构,温升时，,Al,膜受压应力；冷却时，受胀应力。,2,应力释放的结果：,产生小丘、晶须、晶粒分裂、空隙、皱纹等。,一 铝膜表面再结构的原因,1,，原因：,Al-SiO,2,Al-Si,结构热膨胀系数的不匹配,(1) Al,、,SiO,2,、,Si,的线膨胀系数：,