复旦材料失效分析课件第5章材料表征分析方法第4节微电子芯片的失效分析

第五章微电子芯片的失效分析江素华内容提要1.芯片结构及元器件工作原理2.芯片失效机理3.芯片失效分析技术芯片的制造：单晶、硅片、晶圆、芯片、封装、组装集成电路的发展5集成电路的发展补偿性超效应晶体管器件结构剖面示意图芯片多层互联线结构剖面示意图芯片互联结构实物照片电子材料与器件工艺－绪论7双极型晶体管原理双极型晶体管工艺双极型晶体管工作原理放大条件：1oWbLnb2o发射结正偏3o集电结反偏n+pnEBCIeIcIbRERLVbeVcbMOS场效应晶体管原理（NMOS）CMOS工艺流程器件的不断小型化2.芯片的失效机理2.1氧化层击穿2.2热载流子效应2.3薄膜的相互扩散2.4静电放电及辐射2.5金属互联电迁移2.1氧化层击穿•在强电场作用下，绝缘体中出现局部的低阻通道。•随着氧化层厚度减小，电场增加，击穿问题成为研究热点。介质薄膜的击穿过程•一般击穿分成两个过程：–电击穿：强场下载流子雪崩，产生大量电子、空穴，电阻突降。–热击穿：局部电流密度增大，温度升高产生热奔驰，使薄膜熔化或产生其他损坏。介质薄膜电击穿的分类•非本征击穿——其击穿强度较低。•本征击穿是指材料自身特性所限制而发生的击穿——击穿强度较高。关于氧化层击穿理论的发展1.电子贡献的总能量而非单个电子的能量。2.热奔驰现象。3.电子和原子晶格之间的碰撞而产生的电子倍增或雪崩现象。4.阴极场发射电荷注入。5.可动电荷。6.介质表面粗糙度引起的电场增大。7.由碰撞电离引发的内部电场畸变。8.界面态氧化层导电机制注入氧化层的电流有：1.热载流子电流2.场助隧道电流(Fowler-NordheimF-N电流)3.直接隧道电流4.Poole-Frenkel电流5.陷阱辅助隧道电流(弹性或非弹性)随时间击穿TDDB当样品上施加一个低于其击穿的电压时,经过一段时间后,这些样品也陆续发生击穿.这种现象称为与时间有关的介质击穿TDDBTimeDependentDielectricBreakdown超薄氧化层的失效•应力漏电•软击穿•负偏不稳定性2.2热载流子效应什么是热载流子：电子能量的大小是电场强度的函数。按照载流子所处的的电场强度：低于107V/cm时称为暖电子，高于107V/cm时称为热电子。热载流子效应载流子的能量超过Si-SiO2的势垒高度(3.5eV)时,载流子可能直接注入进入SiO2.在SiO2产生空间电荷，影响器件的性能，这种效应称为热载流子效应。MOS器件的夹断效应NMOS器件出现夹断效应后，有效沟道长度减小。VD都降在夹断区上，电场的峰值点在夹断区边缘处。NMOS器件中的热载流子沟道热电子(ChannelHotElectron)衬底热电子(SHE)漏极雪崩倍增热载流子(DAHC)二次产生热电子(SGHE)这些热载流子进入SiO2后形成栅电流和衬底电流。2.3薄膜的相互扩散器件的可靠性与金属化自身的稳定性及与相接触材料的相容性紧密相关。影响金属化自身的稳定性及与相接触材料的相容性的主要机理是金属与金属、金属与半导体材料之间扩散与化合。如：Si向Al的溶解、Au－Al间化合物等。薄膜扩散与反应造成的可靠性问题多晶中的扩散•多晶薄膜中存在大量的晶粒边界。在一定温度下,那种成为主要的扩散机理取决于：温度、晶粒大小L，位错密度d。•温度越高晶粒扩散的份额越多，•晶粒越小,晶粒边界扩散越显得重要。金铝键合失效2.当铝丝压焊在镀金层上,铝丝与金层的界面由于出现Kirkendall空洞,使得键合强度降低,硅化物形成时的标志物试验元素硅化物主要扩散物质NiMgCoPdPtFeHfRhTiVNi2SiMg2SiCo2SiPd2SiPt2SiFeSiHfSiRhSiTiSi2VSi2NiMgCoPd,SiPt,SiSiSiSiSiSiXXXx..xSiMXXXXxMSiSixxxMSi扩散M扩散硅粒子为了避免铝钉的出现，采用含1%Si的Al合金来淀积铝膜。合金时因Al膜中硅处于过饱和状态，在冷却时，Si从Al中析出并形成硅粒子。硅粒子减少了铝的有效截面积，增加了薄膜中的应力，使铝膜的电迁移和应力迁移更易于发生.同时使接触电阻增加。硅、铝间的扩散合金时在铝硅接触界面铝向硅中长出的不规则的尖刺。产生原因:在硅表面有约20A的天然氧化层,Al在表面不均匀地穿透二氧化硅.铝钉使接触处的P-N结的漏电流增加,甚至造成短路.纯铝仅能用于大于2-3m结深的器件。2.4静电放电与辐射静电放电中器件的失效模式1、器件在静电放电失效后表现的失效模式：完全失效，如：开路、短路、漏电流增大，功能丧失等。2、立即失效和潜在失效：经受静电放电后，器件可能立即失效也可能仅有参数微小的变化，而在使用中失效率增加。不同湿度环境中的人体静电电位人体状态静电电位(KV)20％RH80％RH在vinyl地板上行走120.25在Synthetic地毯上行走351.5从泡沫坐垫上起来181.5拾起聚乙烯袋200.6在地毯上推苯乙烯合子181.5从PC板上除去mylar带121.5在PC板上收膜163启动真空去焊料器81静电放电中器件失效的机理1.电压型失效高电压造成绝缘薄膜击穿，如二氧化硅的击穿；2.高温引起的失效在高压，大电流情况下，造成局部的温度很高，可导致硅熔化，金属化层熔化。3.二次效应引起的失效因高压引起的二次效应，如二次击穿，闩锁效应，热电迁移等，发生二次效应后局部因高压大电流发热，产生高温，使器件损坏而失效。失效样品照片Zener二极管SpikingPoly电阻烧毁失效样品照片晶体管源漏短路电容氧化层爆裂ESD引起的失效辐射环境1.空间辐射环境•空间辐射环境包括宇宙射线、太阳凤、范艾伦带辐射、极光辐射和太阳耀斑等.•宇宙射线约占地球表面电离辐射的四分之一。宇宙射线的初级辐射中，质子占90％，粒子占10％，其它重离子为1％。这些宇宙粒子的能量很高，每个粒子的能量范围从几兆电子伏直到超过11014MeV，峰值在300MeV。•被地球磁场俘获的宇宙射线中的带电粒子，在地球的周围形成内、外两个环形辐射带，称为内、外范艾伦(VanAllen)带，它处于地磁赤道的上空。辐射环境2、地面天然辐射环境•在地球表面的地壳岩石中，存在着微量的天然蜕化放射性元素，主要的元素有铀U，钍Th等。在一些氧化铝和玻璃中U的含量可以达到10ppm，Th的含量可达到6ppm,每小时从1平方厘米面积发射的粒子可高达45个。•在封装用的玻璃中，典型的氧化物有铅、铝、锌等元素，它们会具有高的放射性。在塑料封装通常用石英为填料，在石英这常含U和Th达到1－2ppm，材料中的放射性元素含量材料种类U(ppm)Th(ppm)/cm2-hrZr%氧化铝－A2.50.60.61氧化铝－B－－0.3－氧化铝－C－60.517.5玻璃－A123293玻璃－B2.565.225玻璃－C176456玻璃－D121820玻璃－E－－32－环氧树脂－－1.7－硅酮树脂－－1.3－镀金引线－－0.04–1.0－材料的辐射效应辐射与物质的相互作用的基本形式是电离和位移，其总能量的损失是这两部分的和。1.位移效应在这两个过程中只有位移过程在辐射粒子径迹周围产生晶格崎变，造成位移损伤。辐照后硅材料中的位移缺陷约有60种，其中20余种已确定了微观结构。材料的辐射效应2.电离效应高能粒子，入射到物质中，能使一部分的电子激发。对于这种激发可以使半导体和绝缘体中的电子从价带跃迁到导带，产生电子－空穴对，因而对半导体和绝缘体的电导率影响较大。因为金属本来在导带中的电子和空的能态就很多，所以这种激发的影响不大。双极型三极管的辐照效应•辐照的对双极型三极管结构参数的主要影响有：•1.器件表面氧化层正电荷积累；•2.界面态密度增加；•3.基区少数载流子寿命降低；•4.半导体材料电阻率增加。MOS场效应晶体管的辐射效应集成电路的辐照效应辐照时体CMOS电路的闩锁效应•CMOS电路中有大面积的阱与衬底间的形成的P－N结，它的面积约占芯片面积的30－40％，而且这个P－N结是常处于反向偏置。它在瞬时辐照下会产生很大的光电流。在CMOS电路瞬时电离辐射闩锁效应模型中主要考虑的就是这个光电流。其它MOS晶体管源漏P－N结的光电流要小得多，2.5金属互联的电迁移•导体原子和流经导体的直流电流相互作用而造成的自体传输、纯质材料中的原子运动和合金中溶剂原子的运动。•驱动力：–电场和失去价电子的原子离子之间的静电相互作用–离子和流动的电荷载体之间的摩擦力——“电子风”•发生条件：–直流–大电流密度Al导线中的电迁移Cu导线中的电迁移电迁移的影响因素•流束离散•电迁移寿命•电迁移与结构的突变•电迁移与晶粒（尺寸、取向和三角晶界）•温度梯度对电迁移的影响•电迁移与应力•电迁移与导线尺寸•电迁移与导线材料组分•表面钝化和阻挡层保护质谱仪•二次离子质谱SIMS•飞行时间离子质谱TOF－SIMS•等离子耦合质谱ICP－MS显微镜•透射电子显微镜TEM•扫描电显微镜SEM•光学显微镜OM•原子力显微镜AFM光谱仪•原子吸收光谱AAS•付理叶红外光谱FTIR•X线荧光光谱XRF•发光显微镜EMMI+OBIRCH色谱仪•离子色谱仪IC•高效液相色谱HPLC能谱仪•俄歇电子能谱AES•X光电子能谱XPS•X线能量色散谱EDX•卢瑟福背散射谱RBS•聚焦离子束FIB分析仪器Equipment3、芯片失效分析技术