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
" i* o1 q& O* U4 t- U# {(天水天光半导体有限责任公司,甘肃天水741000)
% F2 A; W  \' S% k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
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。
来取的错施。
5 q6 f# p9 P4 Q9 @: A( A5 N" y: c关譬调:金属化系统可靠性 失效模式 电迁移
2不同器件金属化系统主要失效模式
6 X- k% e/ F, L6 F+ R  S/ H对于不同类型的半导体器件，由于在器件结构、制作工艺以
' ~+ T8 K; |) ~3 |3 w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
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%。
% E/ C/ P' M; h' E不同。MOS大规模集成电路和CCD.因集成度高氧化层台阶多.
0 m' F: S/ ~7 b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
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
- D# n$ ?0 _3 z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
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
. ?% a: c+ [4 @1金属化系统的失效模式和机理
5 T) X! s+ j& u3 I" Z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
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
7 N, D, y2 F3 }) q3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
/ y" \/ Z: X, U. P: e7 t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，
; O( |0 f4 k) u; ]6 v3.1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。
, `7 t% P0 G& w0 I4 K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
6 F) N" f7 X5 j8 t. p* H% e1.2铝层的电迁移现象
+ _) ]& G9 H" d2 p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
( ?9 @6 t% q: A4 ]' d% e9 n( K3 j: y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
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
8 _( E  O" v" e8 x( ^/ c* {- G格品
7 C2 F( [9 b0 x( \' l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
3.2提高金属化系统的抗电迁移能力
  n1 f6 u, P* _! D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
& M0 P3 }- I6 g! a) _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。
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
* L: z# Y' N% K- H. Y: L' \) J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
. u" y1 d7 I* x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
8 ?$ P2 l4 c7 `" J; F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
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
% Y$ \% e. f3 v( o的电迁移。故功耗大的半导体器件对此较为敏感。
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
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
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，
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
2 u6 T& `5 a+ T$ K: I8 E! G4 E! X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
EB结短路。这一-现象大都发生在铝反刻后的合金化过程当中。
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
9 u" ?& c. s- _0 L( ?1.4铝膜过台阶处的微裂
由于SiO小、多晶础、PSG、多层布线等造成半导体器件表面很
: G1 X  E# k1 o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
% v0 m+ k3 I( ]! u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。
9 _& L2 a6 q$ u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
* i1 I: r7 y8 _0 a2 T. N+ n1 i( j跳的，,甚至倒梯形的台阶时,更为严重。
9 x7 V# U- }, N/ }为防止浅结器件的EB结短路,可以采用多层金属化系统,如
" d. q: c$ _* v5 t4 T: q' ?- H3 x* |1.5铝膜电化学腐蚀
P- Mo-AI或P-1T-W-AI多层系统。在这些多层金属化系统中，
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
5 y8 C$ }  Y9 q' J- I3 n* x: {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
/ _: v4 {6 O2 ?Si-SO.界面。
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
) W( {* l/ j+ X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
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
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
$ x: p# x1 G$ Z8 L; l: M1 R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
2 y/ y1 n7 d. T9 U. p& X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
' P7 I' {8 Z; b% [7 @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
8 ]# g2 [$ _9 g% j- -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。
- n$ ?6 Q) t0 ^6 g" e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
# z( ~- v" A4 t7 @7 X- M1 P; s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
低水汽含量以及Nat和a的含量(≤2 ~ 3ppe);此外金属化膜阳
5 U! h/ c/ l, M' m1 U+ F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
* K3 Q* _1 h4 ?( H& ?' W1 X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
响的封装内涂料也是有益的。
0 t0 |2 P, b' }4 ^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
3.6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
8 L% ], ]/ j" ?4 J- b" r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。