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《半導(dǎo)體器件的失效機(jī)理和模型》將針對(duì)硅基半導(dǎo)體器件常見的失效機(jī)理展開研究。這些失效機(jī)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(jìn)行了分類：前段制程（FEoL）、后段制程（BEoL）和封裝/界面失效機(jī)理。

注：失效機(jī)理研究只包括那些業(yè)界相對(duì)成熟，同時(shí)還包括這些失效機(jī)理的模型研究現(xiàn)狀。內(nèi)容主要來源為國內(nèi)外文獻(xiàn)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(jī)理

 

前段制程（FEoL）常見的失效機(jī)理

1）與時(shí)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(dòng)離子）

5）浮柵非易失性存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持

6）局部電荷捕獲非易失性存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持

7）相變（PCM）非易失性存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持

后段制程（BEoL）常見的失效機(jī)理

1）與時(shí)間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿（TDDB）-- low k材質(zhì)電介質(zhì)/移動(dòng)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(jī)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(dòng)力學(xué)（PCB）--組件清潔度

 

本文對(duì)銅電遷移（Cu EM）模型進(jìn)行研究

 

就像鋁（Al）的情況一樣，在銅（Cu）線中，載流電子與銅（Cu）離子之間的動(dòng)量交換會(huì)導(dǎo)致銅離子沿電子電流的方向漂移這種漂移會(huì)產(chǎn)生與電流密度成正比的應(yīng)力梯度，其可能是拉伸的也可能是壓縮的。

在足夠長的金屬導(dǎo)體中和電流密度足夠高的情況下，負(fù)發(fā)散位點(diǎn)的拉伸應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致其形成空洞，隨著空洞的增長而導(dǎo)致故障；正發(fā)散位點(diǎn)的壓縮應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致其形成擠出物或小丘，導(dǎo)致鈍化層開裂或由于擠出的銅而使相鄰導(dǎo)體短路。

對(duì)于銅制程，電流密度指數(shù)n約為1.1。目前尚不清楚該指數(shù)為何不完全等于1，可能是由于銅中存在非金屬雜質(zhì)。在某些結(jié)構(gòu)中，n的值可能大于1.1但小于2。數(shù)值較高的原因也不明確，但不是因?yàn)榻苟鸁帷?/span>

同鋁線，銅線在高電流密度測(cè)試條件下，需要考慮發(fā)熱（焦耳熱）產(chǎn)生的溫度梯度，未考慮到的自熱可能會(huì)產(chǎn)生明顯大于2的電流密度指數(shù)，從高電流密度到低電流密度的失效時(shí)間數(shù)據(jù)外推必須考慮到這一點(diǎn)。另外，由于金屬走線和過孔中銅晶界的密度、位置和電流傳輸路徑的差異，金屬走線和過孔的電遷移動(dòng)力學(xué)不同。

注：與鋁一樣，具有簡單鍵合焊盤連接的單層金屬走線電遷移測(cè)試結(jié)構(gòu)比過孔供電測(cè)試結(jié)構(gòu)的壽命長得多，因此簡單鍵合焊盤連接的單層金屬走線電遷移測(cè)試結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生過于樂觀的壽命預(yù)測(cè)。此外，這種結(jié)構(gòu)在實(shí)際中很少存在，過孔端接的測(cè)試結(jié)構(gòu)更能代表產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

過孔端接測(cè)試結(jié)構(gòu)（Via-terminated test structures）壽命分布會(huì)受到電子流方向、過孔數(shù)量和布局的影響，設(shè)計(jì)師需要考慮電阻和飽和效應(yīng)。過孔端接測(cè)試結(jié)構(gòu)必須精心設(shè)計(jì)，以避免電阻飽和和水庫效應(yīng)，這會(huì)產(chǎn)生具有誤導(dǎo)性的t50和σ值。

 

 

失效時(shí)間（TTF）的模型公式如下：

在這個(gè)模型中，J必須遠(yuǎn)大于Jcrit才能從測(cè)試條件外推到正常使用條件。J是平均電流密度。

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)，銅金屬導(dǎo)體的常數(shù)在3000A/cm左右。例：對(duì)于20mA/μm²量級(jí)的應(yīng)力電流密度，測(cè)試結(jié)構(gòu)的長度通常在200~400μm之間。

必須強(qiáng)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(cè)試中可以得到較大的表觀n值。

失效判據(jù)是電阻百分比增加（常用的是ΔR/R×100%=20%）。銅的電阻與時(shí)間R(t)曲線的表現(xiàn)與鋁的不同。鋁顯示出一個(gè)較短的不活躍期（電阻無變化），主要是由于潛伏期，隨后電阻隨時(shí)間線性增加；而銅顯示出一個(gè)較長的初始不活躍期，隨后電阻迅速躍升，然后電阻隨時(shí)間線性增加。

銅電遷移的過孔/線路測(cè)試結(jié)構(gòu)1.1<n<2，激活能Eaa=0.85~0.95eV。

Cu EM壽命預(yù)估示例：

目標(biāo)：

計(jì)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(cè)樣品：具有大晶粒尺寸的長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：0.9eV

4）J>>Jcrit，n=1.1

AF計(jì)算公式：

AF=(Juse/Jaccel)–n*exp[(Eaa/k)(1/Tuse–1/Taccel)]

 

假設(shè)條件代入計(jì)算：

 

AF=(2.0/2.5)–1.1*exp[(0.9eV/8.62x10–5eV/K)(1/(273+50)K–1/(273+80)K)]=1.28*15.6=20

結(jié)論：從電流密度高、溫度高的加速測(cè)試環(huán)境轉(zhuǎn)移到電流密度低、溫度低的正常使用環(huán)境，TTF（故障時(shí)間）值將增加約20倍。電流密度使故障加速約1.3倍，而溫度使故障加速約16倍。

 

相關(guān)文獻(xiàn)：

 

1）E.T. Ogawa, et al., “Electromigration Reliability Issues in Dual-Damascene Cu Interconnections,” IEEE Transactions on Reliability, Vol. 51, Issue 4, 2002, pp. 403-419. 

 

2）K.N. Tu, “Recent advances on electromigration in very-large-scale-integration of interconnects,” Journal of Applied Physics, Vol. 94, Issue 9, 2003, pp. 5451-5473. 

 

3）A.H. Fischer, O. Aubel, J.Gill, T.C.Lee, B.Li, C.Christiansen, F.Chen, M.Angyal, T.Bolom, E.Kaltalioglu "Reliability Challenges in Copper Metallizations arising with the PVD Resputter Liner Engineering for 65 nm and beyond," IEEE International Reliability Physics Symposium Proceeding,s 2007, pp. 511-515 

 

4）B. Li, T.D. Sullivan, and T.C. Lee, “Line Depletion Electromigration Characterization of Cu Interconnects,” IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, Vol. 4, Issue 1, 2004, pp. 80-85 

 

5）B. Li, et al., “Impact of Via-line Contace on Cu Interconnect Electromigration Performance,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2005, pp. 24-30. 

 

6）J.R. Black, “Electromigration Failure Modes in Aluminum Metallization for Semiconductor Devices,” Proceedings of the IEEE, Vol. 57, Issue 9, 1969, pp. 1587-1594. 

 

7）J.J. Clement, “Reliability analysis for encapsulated interconnect lines under dc and pulsed dc current using a continuum electromigration transport model,” Journal of Applied Physics, Vol. 82, Issue 12, 1997, pp. 5991-6000. 

 

8）R.G. Filippi, et al., “Electromigration Results with Large Sample Size for Dual Damascene Structures in a Copper/CVD Low-k Dilelectric Technology,” IEEE International Interconnect Technology Conference Proceedings, 2006, pp. 98-100.