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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-11-03 11:21
《半導(dǎo)體器件的失效機理和模型》將針對硅基半導(dǎo)體器件常見的失效機理展開研究。這些失效機理大致按照從硅到封裝器件的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝流程進行了分類：前段制程（FEoL）、后段制程（BEoL）和封裝/界面失效機理。
注：失效機理研究只包括那些業(yè)界相對成熟，同時還包括這些失效機理的模型研究現(xiàn)狀。內(nèi)容主要來源為國內(nèi)外文獻的翻譯整理，供大家學(xué)習(xí)參考。
各階段常見的典型失效機理
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
本文對鋁電遷移（Al EM）模型進行研究
由于載流子與金屬晶格之間的動量交換，鋁離子能夠沿電子電流的方向漂移，這種漂移會產(chǎn)生應(yīng)力梯度，在穩(wěn)態(tài)下該應(yīng)力梯度與電流密度成正比。在足夠長的金屬導(dǎo)體和高電流密度下，會使金屬導(dǎo)體形成空洞甚至因空洞導(dǎo)致失效；在高壓縮應(yīng)力的位置也可能會擠壓形成小丘，導(dǎo)致鈍化層破損或引發(fā)短路。
在高電流密度測試條件下，需要考慮發(fā)熱（焦耳熱）產(chǎn)生的溫度梯度，故將失效時間數(shù)據(jù)從高電流密度外推到低電流密度時必須格外小心。
注：
1）焦耳熱應(yīng)限制在5°C以下，以避免溫度梯度引起的失效。
2）簡單鍵合焊盤連接的行業(yè)標準NIST領(lǐng)結(jié)型電遷移測試結(jié)構(gòu)已不適用于多層金屬布線產(chǎn)品。
3）過孔供電的測試結(jié)構(gòu)必須精心設(shè)計，以避免電阻飽和和水庫效應(yīng)，這會產(chǎn)生具有誤導(dǎo)性的t50和σ值，通常，過孔供電的測試結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果會過于樂觀。
測試溫度必須限制在250°C以下（包括焦耳熱）：在測試條件下的傳輸機制與使用條件下的相同（晶界擴散與晶格擴散）。另外，平衡微觀結(jié)構(gòu)也必須幾乎相同（相圖）。
如果不考慮上述情況，就不可能將測試條件外推到使用條件，在大多數(shù)情況下，錯誤的預(yù)測將會過于樂觀。
過孔（via）電遷移會根據(jù)電子電流的流動方向（M2到M1或M1到M2）表現(xiàn)出不同的退化速率，且退化速率與過孔結(jié)構(gòu)、過孔數(shù)量和版圖相關(guān)。同時，過孔退化還存在水庫效應(yīng)。
接觸（contact）的電遷移與硅化物的形成和阻擋層類型相關(guān)，如果在導(dǎo)體和硅之間沒有擴散阻擋層，硅的擴散是是導(dǎo)致接觸失效的主要原因。
失效時間（TTF）的模型公式如下：
在這個模型中，J必須遠大于Jcrit才能從測試條件外推到正常使用條件。J是平均電流密度。
必須強調(diào)的是，足夠長的金屬導(dǎo)體定義必須是該線的長度大大超過所施加電流密度下的布萊奇長度。如果線的長度不超過布萊奇長度的數(shù)倍，那么從測試中可以得到較大的表觀n值。
根據(jù)布萊奇關(guān)系公式：Lb×Jcrit=常數(shù)，布萊奇長度和臨界電流密度相關(guān)，鋁合金導(dǎo)體的常數(shù)在3000~7000A/cm左右。常數(shù)值由層間電介質(zhì)材料決定，附著力良好的較強電介質(zhì)表現(xiàn)出較高的值，而附著力差的較弱電介質(zhì)則值較低。例：對于約10mA/μm²（1×106A/cm²）的測試電流密度，金屬導(dǎo)體的長度應(yīng)至少為500μm，最好為1mm長。
因為由空洞引起的電阻增加量與金屬布線幾何形狀有相關(guān)性，有的因空洞增加阻值變化不明顯，因此通過產(chǎn)品性能判定的失效判據(jù)是有問題的。失效判據(jù)應(yīng)該是能夠可靠測量的最小電阻增加量。
以下是一些Al金屬材料的EM激活能：
Al和Al+少量Si的Eaa=0.5~0.6eV；
Al+摻雜少量Cu的Al合金的Eaa=0.7~0.8eV；
沉積在阻擋金屬上的細線（竹節(jié)結(jié)構(gòu)）Al合金的Eaa=0.9eV。
Al EM壽命預(yù)估示例：
目標：
計算加速條件下和正常使用條件下的加速因子（AF）。
假設(shè)條件：
被測樣品：具有大晶粒尺寸的長Al-Cu金屬導(dǎo)線
1）正常使用條件為：50°C芯片溫度和2.0×105A/cm²的電流密度
2）加速條件為：80°C芯片溫度和2.5×105A/cm²的電流密度
3）表觀活化能Eaa：0.8eV
4）J>>Jcrit，n=2
AF計算公式：
AF=(Juse/Jaccel)–n*exp[(Eaa/k)(1/Tuse–1/Taccel)]
假設(shè)條件代入計算：
AF=(2.0/2.5)–2*exp[(0.8eV/8.62x10–5eV/K)(1/(273+50)K–1/(273+80)K)]=1.56*11.5=18
結(jié)論：從炎熱、高電流密度的加速測試環(huán)境轉(zhuǎn)移到?jīng)鏊⒌碗娏髅芏鹊恼Ｊ褂铆h(huán)境，失效時間（TTF）值將增加約18倍。電流密度約占1.6倍，溫度約占12倍。
相關(guān)文獻：
1）Black, J., ”Electromigration—A brief survey and some recent results,” IEEE Transactions of Electron Devices, Vol. ED-16 (No. 4), 1969. pp. 338-347.
2）J.R. Lloyd, “Electromigration Failure,” Journal of Applied Physics, Vol. 69, Issue 11, 1991, p. 7601-7604.
3）Oates, A., “Electromigration Failure Distribution of Contacts and Vias as a Function of Stress Conditions in Submicron IC Metallizations,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 1996, pp. 164-171.
4）Maiz, J.A. and Segura, I., “A resistance change methodology for the study of electromigration in Al-Si interconnects,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 1988, pp. 209-215.
5）McPherson, J., Le, H., and Graas, C., “Reliability challenges for deep submicron interconnects,” Microelectronics and Reliability, Vol. 37, No. 10, 1997, pp. 1469-1477.
6）Ondrusek, J., Dunn, C., and McPherson, J., “Kinetics of Contact Wearout For Silicided (TiSi2) and Non-Silicided Contacts,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 1987, pp. 154-160.
7）Schafft, H.A., “Thermal Analysis of Electromigration Test Structures,” IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 34, Issue 3, 1987, pp. 664-672.
來源：Top Gun實驗室
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