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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)鋁應(yīng)力遷移模型進(jìn)行研究

“應(yīng)力遷移”這個(gè)術(shù)語描述的是金屬原子在機(jī)械應(yīng)力梯度影響下的移動(dòng)。通常，應(yīng)力梯度可以假定與所施加的機(jī)械應(yīng)力成正比。與金屬移動(dòng)相關(guān)的通量發(fā)散會(huì)導(dǎo)致超大規(guī)模集成電路（ULSI）金屬引線中出現(xiàn)空洞，空洞會(huì)導(dǎo)致電阻上升從而引起電氣故障。

在鋁合金互連中空洞的形核和生長過程中，應(yīng)力和應(yīng)力松弛的作用非常重要。鋁中的銅摻雜在抑制晶界擴(kuò)散方面有一定效果，但如晶粒尺寸與線寬相比過大效果就會(huì)差很多，研究發(fā)現(xiàn)由于晶內(nèi)擴(kuò)散會(huì)形成狹縫狀空洞。

本文討論的模型僅適用于鋁合金（摻雜有銅和/或硅）。目前，應(yīng)力遷移沒有標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)測(cè)試規(guī)范。常用的測(cè)試方法：

a）測(cè)試樣品：長（>1000um）且窄（<2um）的鋁金屬條帶；

b）測(cè)試條件：在150~250°C的溫度下（無偏置）存儲(chǔ)1000~2000小時(shí)；

注：應(yīng)力遷移烘烤溫度應(yīng)謹(jǐn)慎選擇，最大蠕變速率通常在150°~250°C 。

c）判據(jù)：電學(xué)測(cè)試檢測(cè)電阻增加量或擊穿電流減小量。

通常，晶界擴(kuò)散的激活能約為0.5~0.7eV，單晶晶粒（竹節(jié)狀）擴(kuò)散的激活能為1.2~1.4eV（摻雜有銅時(shí)，激活能可能低至1eV）。使用難熔金屬阻擋層或分層金屬化往往可以消除竹節(jié)狀引線中狹縫狀空洞形成所造成的影響，難熔金屬層充當(dāng)冗余導(dǎo)體，分流電流，減少由于空洞形成而導(dǎo)致的電阻上升。

1）機(jī)械應(yīng)力模型

失效時(shí)間（TTF）可以使用埃林模型，在該模型中，計(jì)算機(jī)械應(yīng)力的冪律與阿倫尼烏斯因子的乘積。

2）熱機(jī)械應(yīng)力模型：

如果應(yīng)力是由不同的熱膨脹率產(chǎn)生的，那么這種應(yīng)力被稱為“熱機(jī)械應(yīng)力”，并且與溫度的變化（即熱應(yīng)變，ε ∝ (ΔT)）成正比，熱應(yīng)變進(jìn)而驅(qū)動(dòng)應(yīng)力σ。

應(yīng)力遷移壽命預(yù)估示例：

目標(biāo)：

計(jì)算辦公環(huán)境與加速應(yīng)力環(huán)境下應(yīng)力遷移的加速因子（AF）。

假設(shè)條件：

1）正常使用條件為：50°C芯片溫度

2）加速條件為：150℃應(yīng)力溫度

3）To：300℃

4）N：2.5

5）表觀活化能Eaa：0.55eV

AF計(jì)算公式：

AF=[(To–Toffice)/(To–Taccel)]–N*exp[(Eaa/k)(1/Toffice–1/Taccel)]

假設(shè)條件代入計(jì)算：

AF=[(300–50)/(300–150)]–2.5*exp[(0.55eV/8.62x10–5eV/K)(1/(273+50)K–1/ (273+150)K)]=0.28*107=30

結(jié)論：從加速環(huán)境轉(zhuǎn)換為正常使用環(huán)境，TTF值將增加到加速應(yīng)力值的約30倍。機(jī)械應(yīng)力使TTF值增加約0.28倍（負(fù)方向），而溫度使TTF值增加約107倍。