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
* |3 c, d4 s0 a/ e(天水天光半导体有限责任公司,甘肃天水741000)
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。
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
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
6 Q4 G  [" P6 I( h& _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.
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
8 N+ U2 e0 U, L  l, a, e4 B$ {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。
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
1金属化系统的失效模式和机理
. W& l" H: Z8 D8 Z7 ^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 {' F2 U4 U( X1.1 机械损伤
0 {( b" N6 t, U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
3 {( G4 U, a0 T$ `7 w/ v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
1 Q0 Z5 b3 J$ _9 ]1 n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。
# [% f) f6 x4 G  [1 _! F/ G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
) B) ~- M4 C6 @1.2铝层的电迁移现象
- a( o3 Y$ w- W+ Y1 j( z9 k) \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
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 k( g6 k4 s' `9 |; f# W5 f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
1 u! n# A- o0 U! t4 `% U. w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
2 M  \/ r3 V1 m' ]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
0 x4 q  x2 ~3 l( ]& N0 R+ }% E321器件设计
2 i( q0 V. Y+ B$ Z8 x8 {# p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
" \5 ?! z( _+ _2 W1 f( u& P  f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
/ d6 B: e, K4 z% b# Q! A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
( {1 V6 u7 Q5 H( q4 p! ]. x: n5 f7 T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
. u, J5 g1 m% R) Y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
& ]# Q1 N& a4 y4 H4 n, G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。
* N2 }, A. T1 g& n0 k; T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。
一是在铝系统中加人少量抗疲劳杂质(硅、铜)形成铝合金，
$ Q0 ^( g: r8 {- r0 \7 L9 T1.3浅精器件中铝金属化造成EB结繼路
/ g8 k1 I1 |. W在铝中输人硅铜,较为常用的比例是A-19%S5 4%Cu, 这将使铝
7 D% @/ B0 w, K' V, a8 Q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
* N7 J* |2 A8 ^, h4 K) y4 R  b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
6 b1 s) f/ `8 w( f: r8 }0 d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。
* Z) T: j( z7 y4 B8 [# ?5 r. n3 v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 V& d7 V3 X- y" i2 h* x1.4铝膜过台阶处的微裂
9 C/ N% k& x2 s1 |# X- }6 ~由于SiO小、多晶础、PSG、多层布线等造成半导体器件表面很
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
4 N8 w, @2 Z: |! _8 ]& P8 H' u频功率管采用NiG- AI-Cu) 双层结构，硅微波低噪声管采用
+ F' ?9 c" e& J" {( y; \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
" D% X9 }  Q, ~: w) b, \P-Mo-AI多层结构。
  x" [' P" L) i& G裂,尤其因PSG腐蚀逮率大于热生长SiO腐蚀建率因而形成很
( F, r- U, ^# B/ n5 d0 \0 A7 g5 N# T3.3增加阳挡屋防止浅姑器件中铝金属化造成EB结短路
, l! E0 b* N6 k* T跳的，,甚至倒梯形的台阶时,更为严重。
5 u1 `4 z5 Q4 s7 U- V: H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
0 N* r0 y/ r# W3 t" l; V( l7 `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
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
* w) F- o, b+ K5 i2 X, B7 ?  e- v/ \, V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。
1 d* ?/ Z6 s0 w- p0 r4 k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
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
5 q, u) }. U; \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
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
* f' Y6 E  r0 I) h3 g4 K4 @4 J(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
# y0 J3 s  c$ a+ v7 A" m( N0 j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
8 A9 M+ c# _! z3.5解决铝膜电化学腐蚀的方法
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
" D" P' d2 a  p- -是防止器件管芯被木汽、酸、碱盐的沾污,严格控制PSG
. D9 f. x* m- B4 ?阳极腐蚀。
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
. h1 _6 C3 l  P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
4 Z/ o0 L# @3 I2 O7 I0 t6 G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
* O' `6 I, ~/ \5 V" a' f4 v( C7 D响的封装内涂料也是有益的。
0 o, i2 G6 i; m) A, @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
) E; ]0 `8 o7 I3 Y9 v1 |2 e3.6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
/ y9 ], K+ g, d  K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。