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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

 

本文對鋁和銅腐蝕模型進行研究

 

當(dāng)超大規(guī)模集成電路（ULSI）設(shè)備暴露于濕氣和污染物時，可能會發(fā)生腐蝕失效。腐蝕失效通常分為兩大類：焊盤腐蝕或內(nèi)部芯片腐蝕。焊盤腐蝕通常更常見，因為芯片的焊盤區(qū)域金屬沒有覆蓋鈍化層；若芯片鈍化層存在某些弱點或損壞，使得濕氣和污染物（例如氯離子）能夠到達金屬化層，那么內(nèi)部芯片金屬化腐蝕（芯片內(nèi)部，遠離焊盤）也可能發(fā)生。

腐蝕通?？梢杂?ldquo;原電池反應(yīng)”來描述，要發(fā)生原電池反應(yīng)需要有如下四個條件才能發(fā)生腐蝕：陽極，陰極，電解質(zhì)和導(dǎo)體，以及提供氧化/還原過程所需電子流動的路徑。原電池反應(yīng)的原理如下所示。

如果覆蓋金屬化層的原生氧化物存在缺陷，就會發(fā)生金屬腐蝕。一般來說，鋁會形成良好的自鈍化氧化物，其腐蝕性比銅小得多，盡管原電池序列所顯示的情況正好相反。然而，如果在水中加入氯離子，那么保護鋁的原生氧化鋁（Al?O?）將迅速減少，從而暴露出高活性的原始鋁表面，隨后鋁會迅速腐蝕。

 

為了使腐蝕以快速的速率繼續(xù)進行，污染物和金屬離子必須能夠分別快速擴散到腐蝕區(qū)域和從腐蝕區(qū)域擴散出來。這在液體中很容易發(fā)生，液體/濕腐蝕的活化能通常非常低（~0.3eV）。然而，研究表明腐蝕速率非常依賴于相對濕度百分比（%RH），在相當(dāng)寬的濕度條件范圍內(nèi)，表面遷移率已被證明與%RH呈指數(shù)關(guān)系。

 

常見的用于加速金屬腐蝕失效機制的行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)如下所示：

1）帶電雙八五（有偏壓，85°C和85%RH）；

2）高壓蒸煮（無偏壓，121°C和100%RH）

3）高加速應(yīng)力測試（HAST）（有偏壓，121°C和85%RH）

4）無偏壓高加速應(yīng)力測試（uHAST）（無偏壓，121°C和85%RH）。

注：

1）如果氯化物是腐蝕劑，鋁腐蝕的活化能范圍在0.7~0.8eV。

2）上文所說的相對濕度是指局部相對濕度，即在硅芯片和封裝之間的界面處的相對濕度，不是環(huán)境相對濕度。若功耗小，那么環(huán)境相對濕度可看做與局部相對濕度相同；若功耗大，帶電應(yīng)力測試需要采用小于100%的占空比，以使局部和環(huán)境相對濕度值一致，從而獲得有意義的測試數(shù)據(jù)。

為了將加速金屬腐蝕結(jié)果外推到現(xiàn)場使用條件，下文將討論四種失效時間（TTF）和加速因子（AF）計算模型。

1）倒數(shù)指數(shù)濕度模型：

AF計算公式如下：

2）冪律模型：

AF計算公式如下：

注：冪律模型因其簡單性使其成為行業(yè)中使用最廣泛的腐蝕模型。

3）指數(shù)模型：

AF計算公式如下：

4）勞森濕度模型：

勞森模型將相對濕度（%RH）的擬合參數(shù)與加速模型的阿倫尼烏斯部分相加，它加入了一個擬合因子。

AF計算公式如下：

冪律模型金屬腐蝕壽命預(yù)估示例：

目標(biāo)：

計算由于氯化物污染導(dǎo)致的鋁腐蝕（鍵合焊盤）在正常使用環(huán)境與HAST環(huán)境下的加速因子（AF）。

 

假設(shè)條件：

1）正常使用條件為：50°C芯片溫度和芯片表面濕度10%RH（這可能與 20°C/50%RH的室內(nèi)環(huán)境一致），且工作電壓Voffice=5.0V

2）加速條件為：130℃和85%RH，VHAST=6.0V

3）佩克相對濕度指數(shù)：2.7，這是通過實驗確定的鋁腐蝕的指數(shù)

4）表觀活化能Eaa：0.75eV

假設(shè)腐蝕速率與外加電壓呈線性關(guān)系

AF計算公式：

AF=[(RH)HAST/(RH)office]n*(VHAST/Voffice)*exp[(Eaa/k)(1/Toffice–1/THAST)] 

 

假設(shè)條件代入計算：

 

AF=[85%RH/10%RH]2.7*(6.0V/5.0V)*exp[(0.75eV/8.62x10–5eV/K)(1/(273+50)K–1/(273+130)K)]=323*1.2*210=~8.15x104

 

結(jié)論：從HAST環(huán)境轉(zhuǎn)換為正常使用環(huán)境，TTF值增加到加速壓力（HAST）值的81500倍，其中323倍是由于%RH，1.2倍是由于外加電壓，210倍是由于溫度。

 

相關(guān)文獻：

 

1）H . Koelmans, “Metallization Corrosion in Silicon Devices by Moisture-Induced Electrolyis,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 1974, pp. 168-171. 

 

2）J. Flood, “Reliability Aspects of Plastic Encapsulated Integrated Circuits,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 1972, pp. 95-99.