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
3 n+ R% q/ T# T- S& R( c# I7 g$ \蒲耀川
1 A8 |3 X$ r! [& _+ F4 J(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
, P" c0 d! E$ W# m8 L# f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。
2 I# F& E' a0 ?& V+ P3 x9 Z来取的错施。
7 `" G7 R5 L! e1 f' d8 g关譬调:金属化系统可靠性 失效模式 电迁移
% y; s6 s' J* c2不同器件金属化系统主要失效模式
2 T9 Z  H" D+ ^! b' y" y对于不同类型的半导体器件，由于在器件结构、制作工艺以
" N- O+ L; M  H( d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
. d$ t8 }) k9 h1 u- V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%。
4 F' v; @8 F7 l  e# J4 k: z/ q5 J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
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。
8 Y$ u& _% Q' A- [1 G* T3 u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
# ?  t% {  G9 E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
  \& P4 }3 |$ ?3 K1金属化系统的失效模式和机理
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。
( w3 w0 d+ Q. t6 \# `% e! m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
- T6 R* x* y* {9 M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
- C" C7 {, z% {1 g* \3 V4 Y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
9 m" Z3 L; t0 Y6 d& C( G" z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; t3 y; I* `: e5 y1.2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
3 _; R* f! c4 N/ f" b  v% K- F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
+ s3 M! t  q* z) ]* I8 D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
8 k5 y4 [# \) o4 {" Q  T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
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
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。
$ v; f/ K9 }" o# M& w1 @, g7 C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
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
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
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
: j5 e' L1 l  z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。
一是在铝系统中加人少量抗疲劳杂质(硅、铜)形成铝合金，
. ~6 g9 X. A# ~  F& k$ U2 D# T1.3浅精器件中铝金属化造成EB结繼路
8 z4 C- i4 A/ V0 L  W6 E- M在铝中输人硅铜,较为常用的比例是A-19%S5 4%Cu, 这将使铝
" M" i0 u4 {0 L$ g0 c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
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
5 V& {8 K& F5 y7 T4 Q( K1 w  bEB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
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
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
) v) g6 d5 @0 Z' i8 a# A2 M) K+ O+ u7 ]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
6 x9 E* E% Y, p' j/ b5 ?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。
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
! H+ v9 C) C" W1 i( O) f) }& w1 b! bP- 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
( G" [" O  k$ X! ~& C& PMo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。
& @) t2 D9 B; m( t" i铝膜将发生电化学反应，即电解腐蚀产生白色絮状物AIOH),造
. Q' }" p% g  P3.4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
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
& c1 F3 I+ I3 x1 H$ p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
( ]0 m" }7 C- x  W$ k% N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
9 h4 ?' {* |, H! M5 T) w' w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 `+ ]9 B/ D0 A6 O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
( X9 W8 c$ V( K; H& C& d. t0 o) s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
1 A1 S3 D, T# I+ W2 \& ?# V+ p- -是防止器件管芯被木汽、酸、碱盐的沾污,严格控制PSG
4 v6 b/ m/ h! q0 y, Q, z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
5 D( w( P6 t: f1 B2 O, R1.6热循环引起铝金属化再结构造成器件失效
1 L' H% K6 m" b3 x. t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
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
; C  B: O& H! M8 K( `1 v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
! K  h: t$ U& M( i4 U响的封装内涂料也是有益的。
0 Y& E7 ]2 c3 L" q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
在器件的金属化层上覆盖玻璃钝化层,或铝中
3 D3 |% p5 Y+ x  D0 S

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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。