第章电极系统的失效机理.docVIP

------------------------------------------------------------------------------------------------ —————————————————————————————————————— 第05章电极系统的失效机理 第五章电极系统的失效机理 半导体器件的电极系统包括金属化层，引线键合，芯片与底座间的欧姆接触，它们起着传递功率的作用。器件要求电极系统本身不消耗电功率，仅起传递作用。电极系统对器件可靠性十分重要，在失效模式分布图中，往往是最主要的失效模式之一。 1*金属化系统的失效机理 金属化系统的质量是影响可靠性的极重要因素。在硅器件中，使用最广泛的金属化材料是铝。因为铝具有以下优点：（1）导电率高；（2）与热生长的SiO2或淀积的介质膜有良好的粘附性；（3）能够与半导体材料形成低阻的欧姆接触；（4）便于淀积和光刻。但生产实践表明，纯铝金属化系统在使用中还存在很多问题，它严重地影响器件的可靠性，例如，（1）温度高于200*C，电流密度大于1*106/cm2时，铝的抗电迁移能力差。（２）潮气下铝的溶解形成腐蚀坑等。本节针对上述缺点，分别加以叙述。 一．机械损伤 铝质软，机械强度差，在工艺生产过程中易划伤，严重的划伤经工艺筛选可以剔除，但轻微的划伤则要工作几千小时后才发生失效，因此对可靠性的危害极大。铝损伤引起的开路或短路失效，如图5-1和5-2所示。 二．铝的电迁移失效 目前生产的大多数硅器件都是用铝或铝金属来实现金属化的。当器件工作时，铝条内有一定的电流通过，实践发现，这些通电铝条中的铝离子会沿电子流方向传输，这种传输在高温（T大于200*C）和大电流密度（J≧106A/cm2）作用下更加显著。经过很长时间后（几小时至几百小时），铝条就会出现空洞，空洞逐渐聚集而造成断路，这就是“电迁移”现象，也称为电迁徒或电抖动。 （一）电迁移原理 电迁移是在直流（包括脉冲直流）作用下发生在导体内的质量输运。一定温度下，铝膜中存在一定平衡浓度的空位，由于铝离子的热振动，使其从正常晶格位置上激发到临近空位中，产生铝离子直扩散。无外电场作用时，铝离子受到两种力的作用：一个是库仑场对铝离子施加的与电子流相反的库仑作用力，即由正极指向负极；另一个是导电电子与铝离子相碰时，发生动量交换，电子将动量传给铝金属离子，使铝离子受到一个与电子流方向相同的力，即由负极指向正极。由于电子的屏蔽作用，库仑场对铝离子的作用力很小，因此通电铝膜中的铝离子主要是受到电子流对它的作用力，结果造成铝离子与电子流一样朝正极移动。这些铝离子移动的结果，顺电子流方向的末端将会形成铝原子堆积所产生的小丘或晶须；另一端则由于空位的聚集而形成空洞，引起铝条开路失效。对于难熔金属（如钨/铂/钴等），库仑力则是主要的，它们的金属离子则向负方向迁移（与铝相反）。 产生电迁移失效的内因是薄膜导体内结构的非均匀性，外因是高电流密度。布莱克方程给出了铝条的平均失效时间（MTF）和电流密度的关系，如下式表示： MTF=（A/Cj2）exp（ф/Kt） 式5-1 式中：A-----铝条的横截面积；J----电流密度（A/cm2）；ф---原子迁移激活能（Ev）； T-----金属条温度（K）；k---玻尔兹曼常数8.62*10-5(eV/k)； C-----与金属条密度/电阻率/晶粒大小/离子质量/几何尺寸等有关的因子。 C和ф由实验数据确定，不同的晶粒尺寸和是否有表面钝化，C与ф的数值不相同。大晶粒并有表面钝化的铝条与小晶粒未钝化的铝条相比，其寿命要高100倍。表面钝化工艺能提高MTF，是由于它具有抑制表面扩散和压强效应及热沉效应的综合结果。 由（5-1）式可知，MTF与电流密度的平方成反比，而与温度的倒数成指数关系，所以电迁移对电流密度和温度较为敏感。当电流密度大于106A/cm2，温度高于200*C时，铝的电迁移现象十分显著。 （二）电迁移的有关因素 1．温度。在实际器件中，二氧化硅上铝条的温升主要是由电流引起的，同时与芯片温度及散热状况有关。较薄二氧化硅层上的较宽铝条，散热性能好；较厚二氧化硅层上的较窄铝条则散热性能差。增加铝条中的电流密度会增加温度梯度，加快铝的电迁移。 2．晶粒尺寸。单晶扩散由晶格支配；而多晶扩散则受晶粒边界支配，铝为多晶材料，故小晶粒比大晶粒容易发生电迁移。有人分别在200*C和500*C下蒸发1.5um厚的铝条，分别得到8um和2um的铝晶粒结构。当加上1*106A/cm2电流负荷时，测得大晶粒的激活能为