半导体器件中金属化系统的失效模式分析

陈先生528

半导体器件中金属化系跣的失效模式
蒲耀川
  @$ |8 [# x2 |; h0 S(天水天光半导体有限责任公司,甘肃天水741000)
7 `/ z& W( |* F$ K' P7 a摘要;阐逃了半导体器件中金属化系眺的失效模式和机理，些区城电流密度比正常 情况下大从面加速电迁移现象，造成开
, ^1 L# Z( |: p' g7 ?提出了为消除金属化系统失效模式和提高金属化系姚可靠性而路。 所以铝金属化再结构是一种严重的失效方式。
) [' j+ t, Y% n; \1 l来取的错施。
$ w9 i, \5 A# x" K! [+ n/ S关譬调:金属化系统可靠性 失效模式 电迁移
0 {+ I& _7 w' r& O/ |4 `2不同器件金属化系统主要失效模式
对于不同类型的半导体器件，由于在器件结构、制作工艺以
金属化系统是影响半导体器件可靠性的极重要因素。媚统及性能 上有所不同，所以造成器件金属化系统失效的主要模式也
/ L9 ~" [1 v& t5 z4 Z# z- }计,在半导体器件失效模式中金属化峡陷所占的比例高达30%。
不同。MOS大规模集成电路和CCD.因集成度高氧化层台阶多.
: v( |6 b" D6 d) `) s在半导体器件金属化工艺当中最广泛使用的是铝。以下将分析铝
' z* a2 d% O% I4 y所以Al膜过氧化层台阶处的微裂是金属化系统失效的主要矛
布线系统的失效模式和机理以及为提高铝布线系统的可靠性而
盾;对于长期工作的器件功率器件采用多层布线的双极大规模
0 |' x9 [/ T, d( E/ ^& ]采取的措施。
集成电路等,则电迁移和金属化再结构为主要矛盾:工作环境比
/ |8 [2 Y3 P2 }$ B, o较潮湿，密封性能较差的器件，电化学腐蚀为主要矛盾;微技器
1金属化系统的失效模式和机理
" r" ?. [6 ?9 Y& ~) m4 U件、微波功率器件,则电迁移和铝溶解于硅造成EB结短路为主
2 m8 [7 f$ a/ p8 M$ {& {- ^5 [1.1 机械损伤
要矛盾。
铝质软、机械强度益,易划伤,划伤后严重影响器件的成品
3提高金属化系统可靠性的措施
率。较为严重的划伤在检验时可以剔除，面那些轻微的划伤往往
要工作很长时间后才发生失效,是器件可靠性的劲敌。不仅如此，
3.1严格控制制造工艺.加强检测
划伤处铝膜变窄或薄,更易因电迁移和化学腐蚀而造成失效。
在芯片制造过程中提高自动化程度和员工操作质量,避免金
/ p) Q7 {" f8 Y3 k1.2铝层的电迁移现象
属膜划伤:在工艺上上采用干法刻蚀工艺,激光划片等;加强毓检
! ^$ T3 N! @0 T# m* P6 z* F( g当Al导体通有高电流密度时，受激Al原子将同时受到吸向剔除划伤金属膜。 这些措施都有助于减少划伤并在早期期除不合
1 i; L- e6 W4 [1 h( g0 {2 A例极的库仑力和向着阳极(即同电子流礎擅且同方向)的动量交换
格品
力(或称电子风),因后者大于前者而在电子流方向上有AI原子的
9 A2 L# f, y& G2 L# w4 L3.2提高金属化系统的抗电迁移能力
: Z  x7 b: r; Q- F' L6 [堆积，形成小丘或针须,逆电子流方向上形成空原，这样前者就会
321器件设计
# k+ a5 U& x. T+ Y# c1 v- C导致半导体器件短路，后者更易引起半导体器件高阻或者开路。
3 B& z5 y4 ?$ y在器件设计上尽可能增加金属腐厚度和宽度，以增加器件导
' X4 p3 o4 K3 g! P电迁移是严重影响器件和集成电路长期可靠性的重要因囊,因为
电械面积，降低电流密度。同时选择合理的封装工艺以利散热,降
. Y) D8 |; W. ?  g- `除了上述的开路和短路引起失效外，它还会引起器件性能不动
低芯片温度。对于功事晶体管，为了降低其结温,通常把晶体管安
4 }( w" {6 B/ p4 ]. o定。例如在晶体管中引起EB结击穿退化、电流放大系数hm下降
" o5 j# t2 L: s1 |" h- `装在散热器上,利用自然对流和辐射进行冷却。
或上升。实验表明,增加电流密度会增加温度梯度。从而加速AI .
3.22改进金属佗系眺
的电迁移。故功耗大的半导体器件对此较为敏感。
: L% T4 g( H2 ]  o. H, ]& E9 b8 d2 e一是在铝系统中加人少量抗疲劳杂质(硅、铜)形成铝合金，
1.3浅精器件中铝金属化造成EB结繼路
在铝中输人硅铜,较为常用的比例是A-19%S5 4%Cu, 这将使铝
1 F2 A# @; l, ?. p# D对于小功率浅结器件因工作电流密度小,其电迁移现象不明
' G1 ~) D' R0 X8 |4 w, E6 ]' L条因电迁移而达到断线的平均失效时间MITF提高二十倍以上，
0 P5 {4 m! w, ?% Z显。但是经常出现另- -种失效模式， 即金属化膜溶解于础中造成
0 D3 k$ u  X+ J5 j4 t7 E, T, b/ u. B+ ]大大提高了金属化系统的扰电迁移能力二是改变相晶粒的大小
  Y5 ~7 t! j+ \: d* o% R: {* [" u, nEB结短路。这一-现象大都发生在铝反刻后的合金化过程当中。
! M4 f8 a! K* h) D# Z7 M成在铝膜上加钝化膜都能使MTFP提高;三是采用错的多层金属
1.4铝膜过台阶处的微裂
7 I2 n9 |+ W: N+ a9 @由于SiO小、多晶础、PSG、多层布线等造成半导体器件表面很
5 c2 J2 Q1 E6 Q" e6 g化系统,采用多层金属化结构可以提商器件的可靠性例如超高
频功率管采用NiG- AI-Cu) 双层结构，硅微波低噪声管采用
事的台阶,加上素铝时的阴影效应,易使台断处铝膜过薄甚至开
P-Mo-AI多层结构。
裂,尤其因PSG腐蚀逮率大于热生长SiO腐蚀建率因而形成很
3.3增加阳挡屋防止浅姑器件中铝金属化造成EB结短路
跳的，,甚至倒梯形的台阶时,更为严重。
9 H  _3 M5 y3 Z& S9 }2 B" h, `+ c% B为防止浅结器件的EB结短路,可以采用多层金属化系统,如
1.5铝膜电化学腐蚀
3 D+ y; f7 o# `: e4 w. X' zP- Mo-AI或P-1T-W-AI多层系统。在这些多层金属化系统中，
' D0 ~3 H. F, O! P& x" j" J器件在生产过程中由于工序操作不当，在芯片表面铝金属化
Mo和TI-W作为硅成二氧化硅和错的中间阻挡层以阻止铝到达
膜上含有水汽、酸、贼、盐之类的站污。这样器件在遵电的情况下
Si-SO.界面。
! z) l% h$ O" @% \$ g# V( W铝膜将发生电化学反应，即电解腐蚀产生白色絮状物AIOH),造
3.4改进镀膜工艺。降低氧化厦台阶改善台阶处的铝微裁
5 o# f  D" U$ x" h  V& |' S成铝腐断条而失效。相膜断条开路失效在封装过程中也极易产
" Z0 y# ?- w7 {$ ]: M" H" s' R一是改进健膜工艺 ,采用人射角为0的溅射工艺,采用带有
生，因封装满气，管壳内残留的水汽或外界的水汽因深气而进人
. b+ o( o% P. L7 t0 }公、自转行星架的镀膜系统，以及提高村底温度等措施使台阶处
管壳内。便会問芯片上残留的任何盐类沾污发生水解而加速A
  s! S5 k# P( e5 d8 \) @铝腆覆盖良好;二是通过PSC回流和采用等平面工艺来降低台
(0H)生戚。此外Al的腐蚀还同任何舞质金属润发生的原电池和
/ ~9 D6 t$ Y; c+ U- E, p阶。
电解反应密切相关,此时水起电需液的作用。当有Na*或PSG中
3.5解决铝膜电化学腐蚀的方法
  y) w! f3 Y" x6 Z磷过剩时,将加速Al的阴极腐蚀,而当有Cr存在时将出现Al的
- -是防止器件管芯被木汽、酸、碱盐的沾污,严格控制PSG
阳极腐蚀。
$ [$ B$ ^4 I% X  J8 v7 I中的磷的成分2 - 3%);更为重要的是提高器件的密封性尽量降
1.6热循环引起铝金属化再结构造成器件失效
铝金属化层经热循环会边成表面粗糙，严重时在显微镜地下
! w/ y0 l$ N+ q低水汽含量以及Nat和a的含量(≤2 ~ 3ppe);此外金属化膜阳
- c7 l; e8 ~  \极氧化、覆董玻璃饨化膜以及选用膨胀系数匹配、对电性的无影
看到表面发黑、电子显微镜下见到表面出现小丘晶须或皱纹等现
4 O0 x, j& |0 L响的封装内涂料也是有益的。
  i  P) P4 I2 ]" B" x! B+ x4 }象,这种现象就是表面再结构。这会使侣薄腹层电阻增大造成极
6 I  S8 D1 z* b( f: }& G+ h3.6防止铝金属化再结构的措施
间妞路,在多层布线中造成层间短路。铝金属化再结构引起的某
4 M$ t' U2 c2 T/ r! @1 S在器件的金属化层上覆盖玻璃钝化层,或铝中

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道法自然

MOS大规模集成电路和CCD.因集成度高氧化层台阶多. 在半导体器件金属化工艺当中最广泛使用的是铝。以下将分析铝2 R" X* L0 C; E" r2 N/ m 所以Al膜过氧化层台阶处的微裂是金属化系统失效的主要矛 布线系统的失效模式和机理以及为提高铝布线系统的可靠性而 盾;对于长期工作的器件功率器件采用多层布线的双极大规模 采取的措施。