微电子产品可靠性

SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理1二两种不同工作条件下的再结构现象1，高温少循环(例如：合金、烧结、热压等工艺过程)再结构⑴再结构表面出现的小丘、晶须和空洞往往覆盖了整个晶粒或分布在晶间三相点处;⑵小丘和空洞产生的原因—压缩和膨胀应力下，Al原子的扩散蠕变;SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理2SiO2上小晶粒(1μm)Al膜高温少循环表面再结构的SEM照片左图为热处理前,右图为热处理后(∆T=400℃,10次循环每次15分钟)SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理32，低温多循环再结构―电极温度低、变化大，变化次数多。⑴特点：金属化表面粗糙不平，出现皱纹；⑵皱纹产生原因：压缩疲劳引起的塑性形变；⑶后果：使Al膜的晶粒长大，变胖，长出晶瘤，常常是短间距的金属化器件极间瞬时短路的主要原因之一。SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理4大晶粒(8μ)的1mil宽Al膜在低温(∆T=70℃)36000次电脉冲作用下表面再结构的SEM照片SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理5三，防止表面再结构的措施1,提高蒸发时的衬底温度以增大晶粒直径，可以减弱以至完全防止高温少循环再结构；2,薄膜合金化，可以增加膜的降服强度，滞缓金属的流动；3,铝膜上覆盖PECVDSiO2，可大大减小铝与SiO2(或Si)之间膨胀系数之差和铝的线膨胀系数，这对防止两种再结构都很有效。SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理6小结:半导体器件金属电极系统的主要失效机理⒈蒸发自掩蔽效应造成氧化层台阶处金属膜的断路；⒉因电迁移造成金属电极系统表面出现小丘、空洞、晶须造成开路或短路。⒊金属与硅的共熔,导致硅表面出现腐蚀坑,使eb结特性变软,甚至穿通；⒋温度循环过程中,金属膜表面再结构造成表面粗糙化,出现小丘,在变薄处加速了电迁移现象的发生；⒌高温下,电极金属与SiO2相互作用,使金属膜变薄，SiO2受到侵蚀,造成极间短路或开路；⒍潮湿气氛下,电极系统的电化学腐蚀现象造成极间开路；SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理7静电效应3.3静电效应3.3.1静电的产生静电的产生主要有两种形式，即摩擦产生静电和感应产生静电。静电产生的两种形式SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理8一，产生静电的过程1,摩擦产生静电因两种物质摩擦或接触后又快速分离而产生静电的过程称为摩擦生电；两种材料表面单位体积所含可动电荷密度不等，或者说两种不等电子化学势或费米能级的材料相接触，则电子从化学势高的材料运动到低的材料，接触处便形成了电偶层，一般接触电势差为0.01V～0.1V。当两种不同材料的物体接触后又迅速分开时，电子来不及跑回原材料，则电子化学势高的材料将荷正电，反之荷负电，这即静电产生的原因。SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理92,若接触物体理想地分离，即无任何电子在分离瞬间越过接触面而复合，则在分开过程中Q＝CV＝常数A若电偶层厚度为10-8cm（1），接触电势为0.01V时，则分离1cm，静电势可达106V；实际上静电势远小于此值，因为两物体分开时，总有些电子要越过接触面而复合，所以残存的电荷量取决于分开速度。SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理10二摩擦生电的电势1,两种物体摩擦时，接触点增加，接触面积大，接触和分离几乎同时进行，分离速度快，残存的电荷量多，所以，产生的电势高。2,两种不同组合的材料，摩擦后产生静电势的高低是不同的，各种材料，按其相互摩擦后产生的电势高低可以排成次序:摩擦生电主要发生在绝缘体之间，由于绝缘体不能把所产生的电荷迅速分布到物体整个表面，或迅速传给它所接触的物体，所以能产生相当高的静电势；SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理11常见材料磨擦生电顺序表排在前面的材料与排在后面的材料相互摩擦时，前者带正电，后者带负电；同种材料与不同材料相互摩擦时，所带电荷的极性可能不同，如玻璃棒与棉相摩擦，玻棒带正电，棉带负电；而棉和硅片相摩擦，则棉带正电，硅片带负电。SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理122感应产生静电当一个导体靠近带电体时，会受到该带电体形成的静电场的作用，在靠近带电体的导体表面感应出异种电荷，远离带电体的表面出现同种电荷。尽管这时导体所带净电荷量仍为零，但出现了局部带电区域，这一过程称为感应生电；显然，非导体不能通过感应产生静电。静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓度密切相关：在相对湿度高的场合静电势较低；在相对湿度低的场合静电势就高。空气纯净的场所内，由于离子浓度低，所以静电更易产生。SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理13一，构成对半导体器件损伤的各种静电源对半导体电路产生影响的静电源主要有绝缘体、人造材料和人体，其中人体是最重要的静电源。1人体是最重要的静电源人体接触面广，活动范围大，很容易与带有静电荷的物体接触或摩擦而带电；同时也有许多机会将人体自身所带的电荷转移到电路上或者通过电路放电；人体与地之间的电容较小，少量的静电荷转移到人体上，可导致很高的静电势(∵Q=CV)；人体的电阻较低，处于静电场中容易感应起电；3.3.2静电源SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理14在各种活动中人体的静电势人体静电与人体所接触的环境及活动方式有关SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理15操作者手上的静电势可见，人体静电与人的操作速度有关，操作速度越快，人体静电势越高；SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理16质地不同工作服和内衣摩擦时人体的静电势(KV)可见，人体静电与所着衣物和鞋帽的材料有关，一般化纤和塑料制品较之棉制品更容易产生静电。SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理172，电子元器件操作环境的静电源SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理183，器件本身也是一个静电源双列直插式陶瓷封装器件本身带的静电4，带静电尘埃的污染SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理193.3.3静电放电（ESD）(a)静电荷的产生一，静电放电过程用RC回路模拟图a，设想一电源对100pf电容充电到1000V，其所含电量Q＝CV=10-7C,存储能量:E＝½CV2＝50μSemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理20图b，断开电源后，由于介质漏电及向空气中放电，将使静电荷逐渐减少到完全消失。若Ra与Rg并联后在1013数量级，则放电时间:RC＝103S＝17min,不易对器件造成静电损伤。(b)静电荷的存储和泄漏SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理21图c，若C通过100Ω电阻放电，放电时间常数τ＝10ns，则在5倍的时间常数，即50ns内99.3%的电量要泄放掉，其峰值电流Ip可达10A,在电阻上瞬时功率为:222/()tRCpptiRRIe(c)通过电阻R放电若R=100Ω,Ip=10A,则Pav=1000w2522/10021(1)510/10RCptRCavppRIPRIedteRCRI在五倍时间常数内的平均功率为:SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理223.3.4静电损伤模型一，静电损伤的失效机理—取决于放电瞬间器件接地状况：1,热效应：器件某一引出端对地短路，则在放电瞬间产生电流脉冲，大电流产生的焦耳热导致器件局部金属化熔化或芯片出现热斑以致诱发二次击穿等。2,电效应：器件与地不接触，没有直接对地的放电通路,而是将存储电荷传到器件，放电瞬间产生过电压,导致介质击穿。SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理23二，导致半导体器件静电损伤的几种静电源1,与带电人体或其他物体接触，将存储于人体或其他物体的电荷传递给器件，或者通过器件到地放电。2,器件本身作为电容器的一个极板而存储电荷，当某一电极与地接触时，放电脉冲可以引起器件失效。3,器件处在某一静电场中，有时在器件内部（如跨越SiO2层）所感应的静电势差可以引起器件的击穿。SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理24三,几种静电放电模型1,荷电人体的静电放电模型带有静电势Vp的人体可用集总元件电容Cp,电阻R串联表示。于是人体带电量可表示为:Qp=CpVp式中，Cp取决于人体与地的接近程度，一般为50-250pf；R为人体与被放电器件间的接触电阻,为102-105Ω，取决于接触压力和人体皮肤的湿度;静电势Vp一般为102-104V，与人体相互摩擦生电的材料种类及空气湿度有关。SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理25ⅰ峰值电流：pDppDCVVIRRRⅱ时间常数：()ppDCpRRRCⅲ放电电流：/()ptpItIe⑴过电流的热效应模型带电人体的等效电路人体通过pn结放电等效电路若忽略pn结的电容效应，可得放电的：SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理26501()5PaVPPPtdt55/2/2001()5PPPPttDPDPPVIedtRIedt22510(1)(1)510510DPDPDPDPVIRIVIRIeeaVaVeffPpAⅥ,器件内功率密度:式中,PaV为器件平均功耗;Aeff为器件放电时的有效放电面积。Ⅴ,在五倍放电时间内器件的平均功耗:/2/2()PPttDPDPPtVIeRIeⅣ,器件所承受的瞬间功率:SemiconductorReliability&ReliabilityPhysics集成电路可靠性与可靠性物理27一般，Aeff小于整个PN结面积，对于双极型Si平面晶体管ESD电流往往是eb结反向电流，这时,Aeff=LeffXjc式中,Leff为发射区有效长度，Xjc为基区结深。这时，ESD通路电阻EDDBeffdRRLESD电流在有效Aeff范围放电面积内必然产生焦耳热,引起结温升,形成不稳定的热斑,甚至热奔。式中，RDB为外基区方块电阻