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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-10-27 18:19
前段制程（FEoL）常見的失效機理
1）與時間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿（TDDB）-- 柵極氧化物
2）熱載流子注入（HCI）
3）負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性（NBTI）
4）表面反轉(zhuǎn)（移動離子）
5）浮柵非易失性存儲器數(shù)據(jù)保持
6）局部電荷捕獲非易失性存儲器數(shù)據(jù)保持
7）相變（PCM）非易失性存儲器數(shù)據(jù)保持
后段制程（BEoL）常見的失效機理
1）與時間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿（TDDB）-- low k材質(zhì)電介質(zhì)/移動銅離子
2）鋁電遷移（Al EM）
3）銅電遷移（Cu EM）
4）鋁和銅腐蝕
5）鋁應(yīng)力遷移（Al SM）
6）銅應(yīng)力遷移（Cu SM）
封裝/界面常見的失效機理
1）因溫度循環(huán)和熱沖擊導(dǎo)致的疲勞失效
2）因溫度循環(huán)和熱沖擊導(dǎo)致的界面失效
3）因高溫導(dǎo)致的金屬間化合物和氧化失效
4）錫須
5）離子遷移動力學(xué)（PCB）--組件清潔度
本文對BEoL階段的與時間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿（TDDB）模型進(jìn)行研究
BEoL TDDB研究的對象：
1）low k材質(zhì)電介質(zhì)
2）移動銅離子
low k材質(zhì)電介質(zhì)
雖然與時間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿（TDDB）是前段制程（FEoL）的一個關(guān)鍵可靠性課題，但TDDB不僅僅是柵氧化層的問題，如下圖所示用于后端制程（BEoL）應(yīng)用的不同電介質(zhì)的TDDB壽命趨勢與電場的關(guān)系。
注：
1）等離子體增強TEOS（PETEOS）的結(jié)果引用自參考文獻(xiàn)[2]；
2）SiO2 的結(jié)果是針對柵氧化層；
3）SiOF、SiOC 和多孔 MSQ（P-MSQ）是low k材質(zhì)互連電介質(zhì)的示例；
4）對于BEoL電介質(zhì)，其電介質(zhì)可靠性隨著low k材質(zhì)電介質(zhì)常數(shù)的降低，擊穿強度呈現(xiàn)下降趨勢。
隨著low k材質(zhì)電介質(zhì)引入到互連堆疊，BEoL TDDB也成為了關(guān)鍵可靠性課題。與傳統(tǒng)的基于二氧化硅的BEoL電介質(zhì)相比，low k材質(zhì)能夠顯著改善RC性能（即減少電路延遲）；但在漏電和耐擊穿能力方面，比二氧化硅材質(zhì)的柵氧化層要差得多。如上圖所示，low k材質(zhì)電介質(zhì)通常表現(xiàn)出較差的TDDB可靠性特性。
相鄰互連金屬層之間的金屬間電介質(zhì)（IMD）間距正在接近幾十年前使用的柵氧化層的物理尺寸。因此，討論在電應(yīng)力下電介質(zhì)退化的物理模型類型很重要，特別是其與施加電場強度的相關(guān)性。
早期關(guān)于柵氧化層的工作表明，TDDB壽命模型與電場（E或1/E，參見前面關(guān)于柵氧化層TDDB的討論以比較模型《FEoL TDDB模型》）呈指數(shù)關(guān)系。E模型將TDDB描述為鍵斷裂模型，施加的電場可以拉伸硅-氧（Si-O）鍵，從而削弱它們并使它們發(fā)生熱斷裂。1/E模型遵循福勒-諾德海姆（F-N）傳導(dǎo)模型，電子穿過電介質(zhì)因加速導(dǎo)致電介質(zhì)碰撞發(fā)生電離損傷。
在正常使用條件下的電場強度范圍內(nèi)，F(xiàn)-N傳導(dǎo)不顯著；同時，由于互連電極是金屬（其少數(shù)載流子貢獻(xiàn)可忽略不計），陽極空穴注入模型也不適用。因此，在較低電流下，low k材質(zhì)的本征傳導(dǎo)模型可參考普爾-弗倫克爾（Poole-Frenkel）或肖特基（Schottky）模型，TDDB壽命基于這些傳導(dǎo)模型進(jìn)行預(yù)估（建議遵循所謂的√E型模型）。
電場加速因子γ可用于表征在很寬電場強度范圍內(nèi)的TDDB數(shù)據(jù)，γ因子根據(jù)研究結(jié)果總結(jié)得出為一個經(jīng)驗值：不同模型中l(wèi)n（失效時間）與電場的關(guān)系圖的斜率?？墒褂孟旅媪谐龅姆匠虡?biāo)識：
注：其中E是電介質(zhì)中的電場，T是確定γ時的固定溫度，TTF被視為TDDB測試的特征失效時間。G和α分別是1/E和√E模型中的場加速參數(shù)。
場加速因子隨電場的變化可以從上述方程中預(yù)測。例如，E模型的場加速因子隨電場恒定，其他模型預(yù)測觀察到的場加速因子應(yīng)隨電場強烈變化。
low k材質(zhì)電介質(zhì)有多種形式，由于工藝和集成方面的原因，行業(yè)的趨勢一直是采用基于氧化硅（SiOx）基質(zhì)的材料?；谘趸璧膌ow k材質(zhì)電介質(zhì)已被證明在恒定電壓應(yīng)力下具有較差的耐電壓擊穿強度和明顯更寬的失效分布，這些趨勢歸因于low k材質(zhì)電介質(zhì)中預(yù)先存在的缺陷，缺陷大致與low k材質(zhì)電介質(zhì)內(nèi)的孔隙成正比。有趣的是，low k材質(zhì)電介質(zhì)TDDB仍然遵循在柵氧化層中發(fā)現(xiàn)的相同退化物理模型。即在105°C時，場加速因子γ≈4Naperians per MV/cm（約13eÅ的有效分子偶極矩）。
因low k材質(zhì)電介質(zhì)是通過有意在電介質(zhì)中引入納米級孔隙而獲得的，所以材料的孔隙度是評估電介質(zhì)電性能的一個重要特征。但從可靠性的角度來看，“孔隙”被認(rèn)為是一個具有弱鍵的低極化率局部區(qū)域，在電應(yīng)力下會引入電荷陷阱。滲流建模以及與孔隙成正比的缺陷假設(shè)可以解釋low k材質(zhì)電介質(zhì)擊穿強度的下降和更寬的失效分布。
由于low k材質(zhì)電介質(zhì)的BEoL處理非常復(fù)雜，BEoL工序必然會改變low k材質(zhì)電介質(zhì)的局部特性，因此在使用先進(jìn)的low k材質(zhì)材料時，仔細(xì)評估其可靠性裕度是BEoL成功處理和集成這些新材料的必要部分。low k材質(zhì)電介質(zhì)的可靠性不僅僅會影響金屬間的絕緣問題[下圖（a）]，還有金屬層間和柵極-金屬接觸的幾何結(jié)構(gòu)也會收到影響。
另外，由于銅離子在電場下可移動，任何留下或允許銅離子進(jìn)入電介質(zhì)區(qū)域的缺陷都會使它們在金屬電極之間漂移，并對TDDB可靠性產(chǎn)生不利影響，水汽的存在也會對互連可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。
使用E模型的low k材質(zhì)電介質(zhì)TDDB壽命預(yù)估示例：
目標(biāo)：
使用E模型計算low k材質(zhì)電介質(zhì)在使用條件下因TDDB導(dǎo)致失效的加速因子（AF）。
注：外推的基礎(chǔ)是從在加速失效的應(yīng)力條件下獲得的測試結(jié)構(gòu)壽命數(shù)據(jù)得出的。
假設(shè)條件：
1）正常使用條件為：50°C芯片溫度和0.3MV/cm的電場加速條件
2）加速條件為：125°C測試溫度和4MV/cm的電場加速條件
3）電場加速參數(shù)/因子，γ：4Naperians per MV/cm
4）表觀活化能Eaa：0.75eV
AF計算公式：
AF(TTFuse/TTFaccel)=exp[–γ(Euse–Eaccel)]*exp[(Eaa/k)(1/Tuse–1/Taccel)]
假設(shè)條件代入計算：
AF=exp[–4.0/(cm/MV)(0.3MV/cm–4MV/cm)]*exp[(0.75eV/8.62x10–5eV/K)(1/(273+50)K–1/(273+125)K)]=2.7x106*1.6x102=4.3x108
結(jié)論：因此，正常使用壽命將比觀察到的加速應(yīng)力壽命長約4×108倍。其中，2,700,000倍是由于電場加速引起的，因溫度加速只有160倍。
注：從上述例子可知，電場加速因子遠(yuǎn)大于溫度加速因子。因此，可在正常使用溫度條件范圍增大電場強度進(jìn)行加速壽命測試試驗。但加速壽命測試有一些必要的注意事項。
1）首先，在加速條件下（更高的施加電場和/或更高的溫度）進(jìn)行測試可能會導(dǎo)致新的失效模型，這些模型并非與接近正常使用條件下的相關(guān)失效一致（例如，low k材質(zhì)電介質(zhì)中的銅離子在高于200°C時明顯變得可移動）；
2）其次，在加速條件下高度活化的缺陷（例如，游離銅）的存在會極大地扭曲壽命預(yù)測，盡管在這種條件下檢測到它們可以被視為進(jìn)一步改進(jìn)工藝的指標(biāo)；
3）最后，測試結(jié)構(gòu)的面積通常比實際器件中的互連面積小得多。
移動銅離子
如在影響器件功能的移動離子部分所提到的《移動離子失效模型》，在適度電場（≤1.0MV/cm）和溫度（~100°C）條件下，鋰、鈉和鉀之類的堿金屬元素在SiO2之類的電介質(zhì)中特別容易移動。
隨著銅金屬化成功集成到后段制程（BEoL）中，在電偏壓下的移動銅離子是一個更嚴(yán)峻的問題。例如，溝槽/過孔金屬阻擋層或溝槽電介質(zhì)阻擋層對銅離子擴散的阻擋完整性喪失或者存在與銅相關(guān)的腐蝕缺陷，都可能導(dǎo)致BEoL的絕緣電介質(zhì)可靠性大幅下降。通常，電場下的銅離子漂移導(dǎo)致互連的TDDB問題想比半導(dǎo)體器件中的表面反轉(zhuǎn)（移動離子）更是一個問題。對于基于銅的互連金屬，這種故障模型的機理是兩個金屬電極之間的局部low k材質(zhì)電介質(zhì)形成的金屬短路橋，如下圖所示。
注：在沉積覆蓋電介質(zhì)之前，對銅金屬化進(jìn)行化學(xué)機械拋光（CMP）和清洗可能會留下銅離子缺陷，這些缺陷未被阻擋材料完全與low k材質(zhì)電介質(zhì)隔絕。在施加的電應(yīng)力條件下，銅離子可以穿過電介質(zhì)區(qū)域發(fā)生漂移，導(dǎo)致金屬間電介質(zhì)（IMD）過早失效。嚴(yán)重的缺陷會對觀察到的TDDB可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。
Cu+離子可以通過增加Si-O鍵的局部電場來催化正常的Si-O鍵斷裂過程：Cu+離子將通過產(chǎn)生局部點缺陷對TDDB產(chǎn)生不利影響，這種點缺陷的產(chǎn)生在概念上類似于柵氧化層中的“空穴捕獲”--增強Si-O鍵周圍的局部電場，Si-O鍵斷裂最終導(dǎo)致low k材質(zhì)電介質(zhì)失效。
對于銅離子導(dǎo)致low k材質(zhì)電介質(zhì)失效確切作用以及在何種濃度下銅離子漂移會驅(qū)動low k材質(zhì)電介質(zhì)擊穿模型目前還沒有達(dá)成共識。但很明顯的是，充分遏制銅離子對于確保互連可靠性以防止電介質(zhì)過早擊穿和進(jìn)行電介質(zhì)可靠性評估至關(guān)重要。如果阻擋層的遏制銅離子失敗，那么與大量銅離子漂移相關(guān)的大規(guī)模缺陷將以兩種方式影響電介質(zhì)的可靠性：
1）隨著銅離子進(jìn)入電介質(zhì)并增加局部電場，有效電介質(zhì)間距會逐漸減小；
2）銅離子漂移導(dǎo)致金屬橋接缺陷，使兩個電極短路。
low k材質(zhì)電介質(zhì)中可移動銅離子的漂移最終橋接?？梢苿与x子通量由電場強度和溫度控制。因此，失效時間（TTF）的公式如下：
如果電場關(guān)閉并且對器件進(jìn)行烘烤（即無偏壓烘烤），則離子電流 Jion 有可能改變方向（反向擴散），器件可能會表現(xiàn)出一定程度的恢復(fù)，稱為“失效烘烤恢復(fù)”；然而，在BEoL中，遷移的金屬陽離子也很可能與來自陰極的電子重新結(jié)合，隨后“沉積”形成永久短路通道，從而排除這種烘烤恢復(fù)的可能性。
將離子電流 Jion(x,t) 除以離子濃度 ρ(x,t)，可得到離子漂移的凈速度 Vion(x,t)。因此，失效時間的更明確表示為（電介質(zhì)厚度）/ Vion(x,t)。
注：
1）首先，這個表達(dá)式是一個近似值。例如，如果發(fā)生了足夠的金屬沉積，那么在失效前的實際電介質(zhì)間距可能小于標(biāo)稱電介質(zhì)厚度，并且在應(yīng)力期間的實際標(biāo)稱電場可能會隨時間增加。
2）其次，公式對所有溫度和電場都有效的假設(shè)是不正確的。例如，如果跳躍距離約為7Å，并且在電介質(zhì)上施加0.2MV/cm的電場，公式在50°C時無效，但在250°C時有效。
通常，對于準(zhǔn)確的加速因子確定和壽命預(yù)測，需要更復(fù)雜的漂移擴散表達(dá)式；然而，關(guān)于最有效的模型還沒有明確的共識。
在《移動離子失效模型》研究中，Stuart發(fā)現(xiàn)Na的活化能為0.75eV，而其他所有物質(zhì)約為1.1eV或更高。對于銅擴散到電介質(zhì)中，不同的作者根據(jù)測試結(jié)構(gòu)、測試方法和所用電介質(zhì)的類型，估算出不同的Eaa值（范圍從0.8eV到高達(dá)1.8eV。因此，對于本次討論，銅離子漂移擴散的Eaa選擇典型值1.0eV。
移動銅離子影響low k材質(zhì)電介質(zhì)TDDB壽命預(yù)估示例：
目標(biāo)：
計算加速因子（AF），即AF=TTFuse/TTFaccel；通用模型（但不一定準(zhǔn)確）。
假設(shè)條件：
1）正常使用條件為：50°C芯片溫度和1.0MV/cm的電場加速條件
2）加速條件為：250°C測試溫度和4MV/cm的電場加速條件
3）表觀活化能Eaa：1.0eV
失效判據(jù)：[Cu+n]=1018個離子/立方厘米
AF計算公式：
AF(TTFuse/TTFaccel)=(Jion,use/Jion,accel)-1*exp[(Eaa/k)(1/Tuse–1/Taccel)]
AF=(Eaccel/Euse)(Tuse/Taccel)*exp[(Eaa/k)(1/Tuse–1/Taccel)]
忽略反向擴散，Jion≈~（eE）*（ρDo/kT）
假設(shè)條件代入計算：
AF=(4.0MV/cm/1.0MV/cm)((273+50)K/(273+250)K)*exp[(1.0eV/8.62x10–5eV/K)(1/(273+50)K–1/(273+250)K)]=4.0*0.6176*9.223x105=~2.3x106
結(jié)論：電場是一個低加速因子，溫度是一個高加速因子。因此如果BEoL存在大量銅離子污染，電場低加速導(dǎo)致TDDB失效會造成芯片運行一定時間（較長的時間）失效。
相關(guān)文獻(xiàn)：
1）R. Tsu, J.W. McPherson, and W.R. McKee, “Leakage and Breakdown Reliability Issues Associated with Low-k Dielectrics in a Dual-Damascene Cu Process,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2000, pp. 348-353.
2）J. Noguchi, T. Saito, N. Ohashi, H. Ashihara, H. Maruyama, M. Kubo, H. Yamaguchi, D. Ryuzaki, K. Takeda, and K. Hinode, “Impact of Low-k Dielectrics and Barrier Metals on TDDB Lifetime of Cu Interconnects,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2001, pp. 355-359.
3）E.T. Ogawa, J. Kim, G.S. Haase, H.C. Mogul, and J.W. McPherson, “Leakage, Breakdown, and TDDB Characteristics of Porous Low-K Silica-Based Interconnect Dielectrics,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2003, pp. 166-172.
4） G.H. Haase, E.T. Ogawa, and J.W. McPherson, “Breakdown Characteristics of Interconnect Dielectrics,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2005, pp. 466-473.
5）J. McPherson, “Determination of the nature of molecular bonding in silica from time-dependent dielectric breakdown data,” Journal of Applied Physics, Vol. 95, Issue 12, 2004, pp. 8101-8109
6）J. Kim, E.T. Ogawa, and J.W. McPherson, “A Statistical Evaluation of the Field Acceleration Parameter Observed During Time Dependent Dielectric Breakdown Testing of Silica-Based Low-k Interconnect Dielectrics,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2006, pp. 478-483.
7）J. Suñe, D. Jimenez, and E. Miranda, “Breakdown Modes and Breakdown Statistics of Ultrathin SiO2 Gate Oxides,” Internation Journal of High Speed Electronics and Systems, Vol. 11, No. 3, 2001, pp. 789-848.
8）J.W. McPherson, R.B. Kamankhar, and A. Shanware, “Complementary model for intrinsic timedependent dielectric breakdown in SiO2 dielectrics,” Journal of Applied Physics, Vol. 88, Issue 9, 2000, pp. 5351-5359.
9）W. Wu, X. Duan, and J.S. Yuan, “A Physical Model of Time-Dependent Dielectric Breakdown in Copper Metallization,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2003, pp. 282-286.
10）J. Noguchi, N. Miura, M. Kubo, T. Tamaru, H. Yamaguchi, N. Hamada, K. Makabe, R. Tsuneda, and K. Takeda, “Cu-Ion-Migration Phenomena and its Influence on TDDB Lifetime in Cu Metallization,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2003, pp. 287-292.
11）M.M. Eissa, D.A. Ramappa, E. Ogawa, N. Doke, E. M. Zielinski, C.L. Borst, G. Shinn, and A.J.McKerrow, “Post-Copper CMP Cleans Challenges for 90 nm Technology,” Advanced Metallization Conference Proceedings, 2004, pp. 559-570.
12）F. Chen, K. Chanda, J. Gill, M. Angyal, J. Demarest, T. Sullivan, R. Kontra, M. Shinosky, J. Li, L. Economikos, M. Hoinkis, S. Lane, D. McHerron, M. Inohara, S. Boettcher, D. Dunn, M. Fukasawa, B.C. Zhang, K. Ida, T. Ema, G. Lembach, K. Kumar, Y.Lin, H. Maynard, K. Urata, T. Bolom, K. Inoue, J. Smith, Y. Ishikawa, M. Naujok, P. Ong, A. Sakamoto, D. Hunt, and J. Aitken, “Investigation of CVD SiCOH Low-k Time-dependent Dielectric Breakdown at 65nm Node Technology,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2005, pp. 501-507. 13）N. Suzumura, S. Yamamoto, D. Kodama, K. Makabe, J. Komori, E. Murakami, S. Maegawa, and K. Kubota, “A New TDDB Degradation Model Based On Cu Ion Drift In Cu Interconnect Dielectrics,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2006, pp. 484-489.
14）J.R. Lloyd, C.E. Murray, S. Ponoth, S. Cohen, and E. Liniger, “The effect of Cu diffusion on the TDDB behavior in a low-k interlevel dielectrics,” Microelectronics Reliability, Vol. 46, 2006, pp. 1643-1647.
15）S.-S. Hwang, S.-Y. Jung, J.-K. Jung, and Y.-C. Joo, “Study of Cu Migration-Induced Failure of Inter-Layer Dielectric,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2006, pp. 673-674.
16）K.N. Tu, J.W. Mayer, and L.C. Feldman, Electronic Thin Film Science, Macmillan Publishing, New York, 1992, p. 46.
來源：Top Gun實驗室
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