雙極型集成電路可靠性研究綜述

雙極型集成電路可靠性研究綜述

1“摩爾定律”和雙極型薄膜集成的理論模型在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，武器裝備的現(xiàn)代化水平和程度對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利起到了重要作用。集成電路芯片作為現(xiàn)代軍事電子信息裝備的基礎(chǔ)和核心,其性能和可靠性很大程度上決定了武器裝備的性能和可靠性。自1958年發(fā)明集成電路以來(lái),集成電路的發(fā)展基本遵循“摩爾定律”,即每隔三年集成度增加4倍,特征尺寸縮小2√2倍。從集成電路自身的發(fā)展來(lái)說(shuō),高性能和高可靠性是其發(fā)展的兩個(gè)制高點(diǎn)。雙極型集成電路由于具有比MOS集成電路更高的工作頻率(速度)、更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力、較低的噪聲以及優(yōu)良的匹配特性而大量應(yīng)用于現(xiàn)代武器裝備中。軍用雙極型集成電路由于使用場(chǎng)合和使用環(huán)境的特殊性,需要承受高強(qiáng)度機(jī)械應(yīng)力、電應(yīng)力、熱應(yīng)力、射線(xiàn)輻射應(yīng)力、生物及化學(xué)環(huán)境應(yīng)力等苛刻的環(huán)境條件。因此,可靠性已成為軍用雙極型集成電路最重要的參數(shù)指標(biāo)之一。本文介紹雙極型集成電路主要面臨的可靠性問(wèn)題,歸納和總結(jié)雙極型集成電路主要的失效模式,針對(duì)各種不同的失效模式,提出相應(yīng)的改進(jìn)措施,對(duì)指導(dǎo)和服務(wù)軍用雙極型集成電路的研制和生產(chǎn)、提高雙極型集成電路的可靠性具有十分重要的意義。2不同應(yīng)用環(huán)境的可靠性可靠性技術(shù)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一門(mén)綜合性技術(shù),它包括可靠性數(shù)學(xué)、可靠性試驗(yàn)、失效分析、可靠性管理以及設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)使用中的質(zhì)量控制及可靠性保證等方面。標(biāo)準(zhǔn)上通常將可靠性定義為:“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力”。高性能雙極型集成電路在其存儲(chǔ)到使用的整個(gè)工作壽命期間將會(huì)承受各種應(yīng)力;雙極型IC在不同應(yīng)用環(huán)境應(yīng)力下的可靠性問(wèn)題主要有三大類(lèi):1)雙極型器件的可靠性;2)電極與金屬互聯(lián)系統(tǒng)的可靠性;3)裝配和封裝的可靠性。2.1雙極器的可靠性2.1.1si-sio界面的影響隨著雙極型IC集成度的不斷提高,雙極器件的特征尺寸亦不斷縮小,器件中電場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大、載流子效應(yīng)影響日益顯著,嚴(yán)重影響雙極型IC的可靠性。由于在雙極型器件中Si-SiO2界面的SiO2一側(cè)存在界面陷阱電荷Qit,當(dāng)雙極型晶體管的發(fā)射結(jié)發(fā)生雪崩擊穿時(shí),熱載流子從勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)獲得足夠能量,轟擊Si-SiO2界面,使有效復(fù)合中心密度(Qit)增加,這在淺結(jié)、重?fù)诫s發(fā)射區(qū)的雙極超高頻晶體管中尤為突出,導(dǎo)致晶體管的hFE及輸出功率下降。Qit的進(jìn)一步增加可能導(dǎo)致器件失效;當(dāng)PN結(jié)發(fā)生表面雪崩擊穿時(shí),載流子不斷受到勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的加速,有可能注入附近的SiO2中,并為陷阱所俘獲。注入SiO2的載流子可以為電子,也可以為空穴,與SiO2中電場(chǎng)的方向有關(guān)。比如,注入載流子后,PN結(jié)表面處勢(shì)壘區(qū)寬度變窄,擊穿電壓降低;反之,則增高擊穿電壓,使擊穿電壓隨時(shí)間變化,即產(chǎn)生擊穿電壓的蠕變。減小雙極晶體管中的熱載流子效應(yīng),需從合理的工藝選取、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以及工作條件設(shè)置等幾個(gè)方面著手。1低頻低噪聲工藝主要采用微膠囊的低噪聲聚單因素試驗(yàn),主要來(lái)源于以減少實(shí)際基礎(chǔ)基區(qū)摻雜濃度和熱感或互硅材料選用(100)晶向,使Qit最小;生長(zhǎng)氧化層后,進(jìn)行適當(dāng)?shù)母邷赝嘶鹛幚?以降低Qit;在低頻低噪聲工藝中,適當(dāng)腐蝕發(fā)射區(qū)表面,降低基區(qū)摻雜濃度,以及采用減少應(yīng)變或熱感生缺陷的工藝,可以降低Qit;器件表面用化學(xué)汽相淀積氮化硅保護(hù)膜,防止由于外界水分、雜質(zhì)等侵入而在Si-SiO2界面的SiO2一側(cè)形成Qit。2少結(jié)電場(chǎng)集中主要通過(guò)改善雙極器件結(jié)構(gòu),減弱雙極器件的結(jié)電場(chǎng)和表面電場(chǎng)集中。減少結(jié)電場(chǎng)集中的主要方式有:增加擴(kuò)散結(jié)深、分壓環(huán)結(jié)構(gòu)、圓角圖形、NPN管采用高硼擴(kuò)散區(qū)、高反壓管采用臺(tái)面結(jié)構(gòu)等。減少表面電場(chǎng)集中的辦法有:刻槽法、臺(tái)面結(jié)構(gòu)、npn管集電區(qū)采用弱P型,同時(shí)加n+切斷環(huán)。3工作條件通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn),限制晶體管VCE的大小,也可改善熱載流子效應(yīng)。2.1.2雙極型的ic靜電放電損傷效應(yīng)(ESD)是目前IC可靠性最重要的研究問(wèn)題之一,隨著器件尺寸的不斷減小,ESD問(wèn)題已經(jīng)成為集成電路中最主要的可靠性問(wèn)題。所謂ESD現(xiàn)象,就是在集成電路芯片的制造、運(yùn)輸、使用過(guò)程中,芯片的外部環(huán)境或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)積累一定量的電荷(靜電有三種產(chǎn)生方式,即容性帶電、感性帶電和摩擦帶電),這些積累的電荷會(huì)瞬間通過(guò)芯片的管腳進(jìn)入IC內(nèi)部。瞬間通過(guò)IC內(nèi)部的電流峰值可以達(dá)到數(shù)安培,這個(gè)瞬態(tài)大電流足以將芯片燒毀。雙極型IC中最容易發(fā)生ESD損傷的地方主要集中在輸入回路、輸出回路、高阻部分、電場(chǎng)集中的邊緣處(擴(kuò)散區(qū)邊緣和金屬化邊緣)以及結(jié)構(gòu)上的薄弱處,如細(xì)小金屬化、EB結(jié)(特別是淺結(jié))、薄氧化層、熱容量小的地方等。針對(duì)雙極型集成電路自身的特點(diǎn),為了克服ESD對(duì)其帶來(lái)的可靠性問(wèn)題,除了加強(qiáng)在生產(chǎn)與使用環(huán)境以及儲(chǔ)存或運(yùn)輸中對(duì)IC芯片的靜電防護(hù)外,最重要的是加強(qiáng)雙極型IC的片上(On-Chip)ESD保護(hù)器件/電路設(shè)計(jì),同時(shí),通過(guò)版圖優(yōu)化設(shè)計(jì),增強(qiáng)電路的抗ESD損傷能力。1scr防護(hù)器件利用“虛擬發(fā)射極”晶體管、大尺寸二極管、雙二極管或者其他新型結(jié)構(gòu)的ESD保護(hù)器件/電路,為每一個(gè)I/Opad緩沖區(qū)到附近的pad以及到電源網(wǎng)絡(luò)(VSS或VDD)提供一個(gè)良好、均勻的大電流分流通道;避免出現(xiàn)電流密度不均勻現(xiàn)象,在需要保護(hù)的器件附近,利用二極管或晶體管,形成均勻的限流通道和電壓箝位(線(xiàn)性集成電路中的電容器應(yīng)與集成電壓足夠低的PN結(jié)并聯(lián),如肖特基二極管);采用新型SCR防護(hù)器件;小尺寸晶體管的基極增加串聯(lián)電阻,或者在EB結(jié)上反向并聯(lián)二極管,以形成充電回路。2金屬化層的接觸增加基極接觸附近的發(fā)射結(jié)周長(zhǎng),將輸出晶體管的發(fā)射極設(shè)計(jì)成梳狀;采用均勻的寬地線(xiàn)和電源布線(xiàn),注意接觸孔的用法和通孔的距離,以及上下孔之間的關(guān)系,盡可能避免金屬化層的交疊;避免把關(guān)鍵的ESD通路置于易引起ESD的拐角管腳處;盡可能避免寄生MOS電容;避免金屬化層與擴(kuò)散電阻直接接觸,采用短多晶硅條相連;為避免在芯片周?chē)奂o電脈沖,輸入保護(hù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)靠近襯底鏈接。2.1.3雙極型器件抗輻射技術(shù)的改進(jìn)雙極型IC在空間及軍事應(yīng)用中面臨苛刻的輻射環(huán)境,抗輻射加固雙極型IC已成為電子系統(tǒng)在核輻射環(huán)境可靠工作的必要條件。因此,研究雙極型IC抗輻射加固技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于輻射環(huán)境和輻射因素不同,對(duì)雙極型集成電路產(chǎn)生的效應(yīng)和影響也就不同。輻射環(huán)境主要是指核爆炸產(chǎn)生的人為輻射環(huán)境和航空航天飛行或探測(cè)所遇到的空間自然輻射環(huán)境。核輻射環(huán)境中的高能粒子主要有快中子流、高能電子流、γ射線(xiàn)、X射線(xiàn)、α射線(xiàn)和β射線(xiàn)等。其中,對(duì)雙極型器件危險(xiǎn)最大的是快中子流和γ射線(xiàn)。快中子流輻射主要使器件材料產(chǎn)生位移效應(yīng),使器件材料中少數(shù)載流子壽命減少、材料電導(dǎo)率降低、載流子遷移率下降;γ射線(xiàn)輻射主要使器件材料產(chǎn)生電離效應(yīng),使器件引入表面缺陷,在反偏PN結(jié)中形成瞬時(shí)光電流。快中子流輻射引起的位移效應(yīng)和γ射線(xiàn)輻射引起的電離效應(yīng)都會(huì)引起雙極晶體管電流放大系數(shù)hFE的下降和漏電流的增大,從而對(duì)電路性能造成嚴(yán)重甚至是致命的損害:對(duì)于功率晶體管,襯底電阻率的增加和電流增益的降低會(huì)導(dǎo)致飽和深度減小,使其飽和壓降明顯增大;對(duì)于開(kāi)關(guān)晶體管,少子壽命的降低以及電阻率的增加,會(huì)使其上升時(shí)間增加,存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間減少。此外,快中子流輻射還會(huì)造成雙極晶體管微波截止頻率下降,雙極型邏輯集成電路的低電平閾值升高。如前所述,雙極型器件抗核加固的主要目標(biāo)即需設(shè)法減少或消除快中子流輻射和γ射線(xiàn)輻射的影響。針對(duì)雙極型IC自身的特點(diǎn),主要從器件結(jié)構(gòu)加固、元器件間的隔離加固、電路設(shè)計(jì)加固、工藝加固等幾個(gè)方面來(lái)提高雙極型IC抗輻射的可靠性[17,18,19,20,21,22]。1)器件加固方面,在實(shí)現(xiàn)器件性能的前提下,盡量減小雙極晶體管有效基區(qū)的寬度;使器件工作在電流增益變化的峰值;盡量減小發(fā)射極的周長(zhǎng)和擴(kuò)散窗口面積;在保證擊穿電壓滿(mǎn)足要求的前提下,盡可能降低集電區(qū)電阻率。采用外延集電極結(jié)構(gòu)等方法,降低飽和壓降。在版圖設(shè)計(jì)上,應(yīng)盡量采用小發(fā)射區(qū)面積和收集區(qū)面積。將金屬層作在發(fā)射結(jié)的氧化層上;增加高摻雜基區(qū)保護(hù)環(huán);針對(duì)輻射時(shí)基極電流的增加量對(duì)基極表面的摻雜分布、電勢(shì)分布、幾何尺寸、基極表面氧化層中的離子注入分布等較敏感,通過(guò)增加基極表面摻雜來(lái)改進(jìn)雙極晶體管的抗輻射能力;采用各種離子注入的場(chǎng)氧化物,提高熱電子和輻射加固性能;減小基區(qū)表面氧化層的厚度,提高輻射性能;用最小發(fā)射極周長(zhǎng)與面積之比來(lái)設(shè)計(jì)晶體管;減小基極接觸區(qū)和發(fā)射極邊緣之間的本征基區(qū)表面面積,因該區(qū)易受電離輻射損傷;采用多晶硅發(fā)射極等。2)在元器件間隔離加固方面,優(yōu)先采用深槽隔離或全介質(zhì)隔離技術(shù),對(duì)于深槽隔離結(jié)構(gòu),當(dāng)其受電離輻射時(shí),深槽內(nèi)壁和填充多晶硅之間的氧化層內(nèi)可俘獲正電荷,導(dǎo)致p型襯底反型,從而使隔離兩邊的元件之間產(chǎn)生漏電通道。對(duì)于全介質(zhì)隔離結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的閉鎖抑制能力、極好的抗瞬時(shí)擾動(dòng)的特性、良好的抗中子損傷特性和良好的長(zhǎng)期電離損傷控制特性、很高的抗瞬時(shí)劑量率輻射能力。需要注意的是,雙極晶體管的發(fā)射結(jié)不能靠近深槽墻,否則對(duì)電離輻射敏感。3)在電路設(shè)計(jì)加固方面,首先是針對(duì)輻射環(huán)境及電路功能的技術(shù)要求,合理地選擇元件類(lèi)型。對(duì)抗中子和電離輻射能力而言,一般規(guī)律是,高頻晶體管比低頻晶體管強(qiáng);小功率晶體管比大功率晶體管強(qiáng);二極管比三極管強(qiáng);npn管比pnp管強(qiáng);薄膜電阻比擴(kuò)散電阻強(qiáng)。在抗核加固集成電路的設(shè)計(jì)中,通常采用的方法是提高設(shè)計(jì)余量,該方法可使雙極電路的抗輻射能力提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。在線(xiàn)性電路設(shè)計(jì)中,通常采用直接耦合的方式來(lái)減少輻射恢復(fù)時(shí)間。若電路中的電容器上存在直流電位,可用穩(wěn)壓二極管代替電容器,但需考慮輻射時(shí)穩(wěn)壓二極管上的光電流響應(yīng)是否能夠接受。在放大器設(shè)計(jì)中,通常采用推挽電路結(jié)構(gòu)。這種推挽放大器電路受電離輻射時(shí),其中的晶體管常被激勵(lì)至飽和狀態(tài),使正負(fù)電源短路而產(chǎn)生很大的浪涌電流,導(dǎo)致晶體管損壞?？稍诿恳浑娫匆€(xiàn)中接入一小電阻,使瞬變電流降低到允許的范圍內(nèi)。若電路中的穩(wěn)壓器件在輻射時(shí)產(chǎn)生飽和,會(huì)使電路負(fù)載上產(chǎn)生過(guò)電壓,可在其集電極上增加一個(gè)降壓電阻來(lái)解決。穩(wěn)壓器件輸出端的大電容濾波器受輻射時(shí),也會(huì)產(chǎn)生浪涌電流,在電路中可連接一個(gè)小電容器,使其浪涌電流變化被限制到允許的范圍內(nèi)。對(duì)電路中的共發(fā)射極放大器結(jié)構(gòu),可采用光電流對(duì)消技術(shù),使輻射產(chǎn)生的光電流從E-B結(jié)分流,從而解決晶體管的飽和造成的輻射損傷問(wèn)題。這種光電流對(duì)消技術(shù)還可應(yīng)用于分流負(fù)載和關(guān)鍵電容器受輻射時(shí)產(chǎn)生的光電流。在電路中的共集電極放大器結(jié)構(gòu)受電離輻射時(shí),表面效應(yīng)引起晶體管的放大倍數(shù)下降的問(wèn)題,可采用讓晶體管工作在放大倍數(shù)的峰值狀態(tài)的方式來(lái)解決。在運(yùn)算放大器受輻射時(shí)引起放大倍數(shù)的降低,可采用增大增益容限、運(yùn)用較大的集電極電流、運(yùn)用反饋及附加增益級(jí)等措施。在電路中的共發(fā)射極放大器結(jié)構(gòu)受中子輻射時(shí),會(huì)引起靜態(tài)工作點(diǎn)變化,可采用低阻抗偏置電路,使Ib電流保持穩(wěn)定的發(fā)射極電流,以阻塞Vbe的變化。電路中的共集電極放大器結(jié)構(gòu)受中子輻射時(shí),會(huì)引起輸入阻抗降低,可應(yīng)用達(dá)林頓對(duì)管來(lái)解決。4)工藝加固方面,在芯片表面,利用CVD技術(shù)生長(zhǎng)一層抗輻射能力強(qiáng)的表面鈍化層,如Si3N4、SiO2或者它們的復(fù)合膜。2.1.4其他方面的可靠性問(wèn)題除了上述主要可靠性問(wèn)題外,雙極器件氧化層中的電荷、缺陷,以及Si-SiO2的界面陷阱電荷和器件內(nèi)部的金屬離子,也對(duì)雙極型集成電路的可靠性產(chǎn)生一定的影響,導(dǎo)致雙極器件的擊穿電壓降低、漏電流增大,甚至短路。對(duì)于這類(lèi)電荷和缺陷引起的可靠性問(wèn)題,主要通過(guò)加強(qiáng)工藝控制來(lái)解決;此外,熱電效應(yīng)也是雙極型集成電路另一個(gè)重要的可靠性問(wèn)題,最為典型的是器件的“二次擊穿”導(dǎo)致雙極型功率器件的燒毀。功率管的抗熱電效應(yīng)是雙極型功率集成電路(如DC-DC電源管理芯片)面臨的主要可靠性問(wèn)題之一,主要采用增加發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻負(fù)反饋技術(shù),改善正偏二次擊穿特性;對(duì)微波功率管,采用網(wǎng)絡(luò)匹配技術(shù);采用集電極鎮(zhèn)流電阻(加厚外延層厚度,采用多層集電區(qū)),改善反偏二次擊穿,改善晶體管的散熱機(jī)構(gòu);加強(qiáng)工藝控制,減少芯片表面和體內(nèi)缺陷。2.2電極和金屬互聯(lián)系統(tǒng)的可靠性2.2.1鋁芯表面腐蝕的影響及解決方法集成電路在完成所有元器件制造工藝之后,需要通過(guò)制作歐姆接觸和金屬連接來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的功能。在雙極型IC中,金屬化工藝主要采用金屬鋁。實(shí)踐表明,純鋁金屬化系統(tǒng)在電路使用過(guò)程中存在十分嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題。首先,鋁質(zhì)地軟、易劃傷,輕微的劃傷往往要在集成電路工作幾千小時(shí)后才發(fā)生失效,對(duì)集成電路造成嚴(yán)重的可靠性隱患。其次,鋁的化學(xué)活性非常高,易被腐蝕,在干燥的空氣中時(shí),其表面自然氧化形成一層Al2O3保護(hù)膜,并阻止氧化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。如果空氣濕度較大,將反應(yīng)生成既能溶于堿性溶液也能溶于酸性溶液的雙性Al(OH)3;當(dāng)存在表面離子粘污時(shí),如常見(jiàn)的氯離子粘污,鋁表面極易通過(guò)如下反應(yīng)發(fā)生腐蝕:2H2O→4H++4e-+O2↑2Al+6H+→2Al3++3H2↑2Al+6H2O→2Al(OH)3+6H+6H++6e-→3H2↑圖1為集成電路表面的鋁條在高濕環(huán)境下發(fā)生腐蝕反應(yīng)后的顯微照片?？梢?jiàn),Al在高濕環(huán)境下的化學(xué)腐蝕顯著地影響了集成電路的長(zhǎng)期可靠性,為了避免Al的劃傷以及發(fā)生化學(xué)腐蝕反應(yīng),應(yīng)該在鋁布線(xiàn)完成后,在芯片表面淀積一層SiO2-Si3N4復(fù)合鈍化層,既可防止鋁條表面的機(jī)械劃傷,又能阻止空氣中的水汽對(duì)鋁條造成化學(xué)腐蝕。再者,由于硅鋁互溶易導(dǎo)致雙極型集成電路中淺結(jié)器件產(chǎn)生結(jié)尖峰和結(jié)穿刺的問(wèn)題,在硅上制作歐姆接觸時(shí),鋁-硅接觸系統(tǒng)為形成良好的歐姆接觸,必須在450℃～550℃高溫下進(jìn)行熱處理,以形成硅鋁合金。由于硅在鋁中的固溶度比鋁在硅中的固溶度大得多,固溶度之差導(dǎo)致界面上的硅原子凈溶于鋁,且硅在鋁中具有較高的擴(kuò)散系數(shù);同時(shí),界面上的鋁也擴(kuò)散到硅中填充硅中空位,發(fā)生由于硅的局部溶解而產(chǎn)生鋁“穿刺”透入硅襯底的問(wèn)題,這樣,就可能穿透淺結(jié)器件的PN結(jié),造成短路。解決淺結(jié)穿刺的方法主要為:1)采用Al-Si合金膜取代純Al膜;2)加阻擋層;3)淀積金屬和硅的混合物;4)采用多層金屬系統(tǒng);5)采用鋁-阻擋層-硅化物-硅接觸系統(tǒng)。2.2.2形成斷路和在一般社會(huì)中的al離子電遷移(EM)是IC電極系統(tǒng)最主要的可靠性問(wèn)題。由于Al金屬膜具有多晶結(jié)構(gòu),在較高的直流電流密度下,金屬Al中的Al離子受到電流對(duì)它的作用力而隨著電子流一起移動(dòng),產(chǎn)生的Al離子空位向相反方向移動(dòng),沿電子流方向的末端,最終形成Al原子堆積產(chǎn)生的小丘,可能造成極間短路;而另一端空位則聚集形成空洞,造成斷路。金屬Al的電遷移程度與溫度和通過(guò)的電流密度正相關(guān)。因此,為了提高Al互聯(lián)系統(tǒng)抗電遷移的能力,主要從設(shè)計(jì)和工藝上采取措施。1增大臺(tái)階處金屬線(xiàn)嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的最大設(shè)計(jì)電流密度;通過(guò)增加金屬膜厚度和寬度,降低電流密度(特別注意版圖設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡量增大臺(tái)階處金屬線(xiàn)的寬度);對(duì)于高頻功率管,采用覆蓋式或者梳狀發(fā)射極圖形,同時(shí)注意分散有源器件。2多層金屬系統(tǒng)改進(jìn)金屬化系統(tǒng),在鋁中摻入少量抗疲勞雜質(zhì),如:硅、銅,形成合金,增大Al的晶粒;或者在Al上覆蓋鈍化層,如SiO2-Si3N4復(fù)合鈍化層,采用金或鋁的多層金屬系統(tǒng);合理選擇封裝工藝,增強(qiáng)芯片的散熱能力,降低芯片工作溫度。2.2.3高溫應(yīng)力時(shí)al膜電路設(shè)計(jì)隨著雙極型集成電路集成度的不斷提高,相應(yīng)的金屬Al互聯(lián)系統(tǒng)的線(xiàn)寬也越來(lái)越小。在這種情況下,Al互聯(lián)系統(tǒng)的應(yīng)力遷移(SM)現(xiàn)象給集成電路的可靠性帶來(lái)嚴(yán)竣的考驗(yàn)。應(yīng)力遷移是由單一溫度應(yīng)力引起的,由于Al膜CTE比Si和SiO2大,當(dāng)芯片處于高溫應(yīng)力時(shí),Al膜將受到SiO2或者Si的張應(yīng)力,引起Al原子的遷移,導(dǎo)致形成空洞,最終可能引起鋁條斷開(kāi),從而造成電路失效。通常情況下,溫度越低,Al膜受到的應(yīng)力越大;溫度越高,Al原子越容易遷移。需要注意的是,應(yīng)力遷移的初始階段雖然不會(huì)發(fā)生鋁條斷裂,僅僅會(huì)使鋁膜的電阻增大,但會(huì)使其表面溫度和電流密度的不均勻性增強(qiáng),從而引起某些區(qū)域的電流密度顯著增加,進(jìn)而加速鋁膜的電遷移現(xiàn)象,形成惡性反饋,最終導(dǎo)致鋁條斷裂,電路失效。為了降低應(yīng)力遷移對(duì)集成電路可靠性造成的潛在損害,在版圖設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)在設(shè)計(jì)許可的范圍內(nèi)盡量增大鋁條的寬度;在工藝上,往Al中摻入適量的Cu(可以抑制Al晶界的擴(kuò)散),以及增大鋁晶粒的尺寸,都可以提高Al膜層抗應(yīng)力遷移的能力。2.3安裝和安裝的可靠性2.3.1金屬環(huán)境和理論指導(dǎo)下的鍵合工藝集成電路的失效約有1/3到1/4是由引線(xiàn)鍵合引起的,可以認(rèn)為,增強(qiáng)引線(xiàn)鍵合的可靠性,對(duì)提高整個(gè)集成電路的長(zhǎng)期可靠性具有十分重要的意義。集成電路封裝所用內(nèi)引線(xiàn)包括金絲和鋁絲兩種,引線(xiàn)鍵合的可靠性主要與鍵合工藝及封裝外殼鍵合區(qū)鍍覆結(jié)構(gòu)、鍍層厚度、內(nèi)引線(xiàn)柱高度等因素密切相關(guān)。目前,雙極型IC通常采用陶瓷或金屬外殼,鍵合區(qū)主要采用電鍍Au,鍵合絲材料為Au絲和Al絲兩種。Au-Al之間的鍵合在我國(guó)集成電路封裝中應(yīng)用相當(dāng)普遍。當(dāng)鍵合絲通過(guò)較大的電流密度,或者電路長(zhǎng)期處于較高的環(huán)境溫度時(shí),Au-Al鍵合點(diǎn)處由于發(fā)生固相反應(yīng)而形成多種金鋁化合物。由于這些金屬間化合物的晶格常數(shù)不同,機(jī)械性能和熱性能均不相同,故反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)移動(dòng),從而在界面形成Kirkendal空洞或產(chǎn)生龜裂。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和溫度的提高,金屬間化合物的厚度逐漸增加;同時(shí),Kirkendal空洞及其周?chē)牧鸭y不斷擴(kuò)展,導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度急劇降低,直至失效。因此,高性能集成電路封裝應(yīng)盡量避免Au-Al鍵合。對(duì)于需要采用粗Al絲鍵合的功率集成電路,封裝外殼鍵合區(qū)的鍍層應(yīng)選擇Ni;同時(shí),由于化學(xué)鍍Ni比電鍍Ni厚度均勻性高,且活性更高,能夠增強(qiáng)Al-Ni鍵合強(qiáng)度,因此,為了提高鍵合的可靠性,應(yīng)在管殼鍵合區(qū)采用化學(xué)鍍Ni,且應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定鍍Ni層的最佳厚度,通常鍍Ni層的厚度應(yīng)大于5μm。若確需在底部鍍Ni后再鍍金的外殼引線(xiàn)鍵合區(qū)的金層上鍵合Al絲,應(yīng)嚴(yán)格控制金層的厚度。為了保證鍍金引線(xiàn)鍵合的可靠性,同時(shí),兼顧外引線(xiàn)的可焊性,外殼引線(xiàn)鍵合區(qū)的鍍金厚度應(yīng)在0.7μm左右,最佳鍍層厚度應(yīng)根據(jù)不同Al絲線(xiàn)徑,通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。同時(shí),由于鍵合強(qiáng)度與外殼內(nèi)引線(xiàn)柱高度負(fù)相關(guān),因此,在設(shè)計(jì)封裝外殼時(shí),應(yīng)在滿(mǎn)足用戶(hù)使用要求的前提下,盡量降低內(nèi)引線(xiàn)柱的高度。為了提高引線(xiàn)鍵合的可靠性,還應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)軍標(biāo)的相應(yīng)要求,控制鍵合工藝,如鍵合點(diǎn)的寬度不應(yīng)超過(guò)引線(xiàn)直徑的3倍,集成電路鍵合絲的尾部長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)鍵合絲直徑的2倍等。鍵合前,應(yīng)對(duì)管殼進(jìn)行清洗,確保鍵合區(qū)的潔凈;選擇合適的劈刀,在正式產(chǎn)品鍵合前,通過(guò)實(shí)驗(yàn),確定鍵合的最佳壓力和超聲功率,避免因鍵合壓力過(guò)大而損傷鍵合絲,引起斷線(xiàn)和誘發(fā)電遷移效應(yīng);同時(shí),避免因鍵合壓力過(guò)低導(dǎo)致虛焊,避免超聲能量過(guò)高導(dǎo)致Si晶格層錯(cuò),機(jī)械強(qiáng)度降低;并通過(guò)選擇合適硬度的鍵合絲,提高鍵合強(qiáng)度等措施,增強(qiáng)引線(xiàn)鍵合的長(zhǎng)期可靠性。2.3.2pb-sn-ag焊片的制造目前,我國(guó)生產(chǎn)的雙極型集成電路主要采用合金焊的方式進(jìn)行芯片入殼,管芯焊接常用的合金焊料主要有錫基合金、銀基合金、金基合金三種。對(duì)于高可靠性航天用集成電路(特別是大功率微波集成電路等),主要采用銀基或金基焊料。從成本和工藝復(fù)雜程度考慮,一般的雙極集成電路主要采用錫基Pb-Sn-Ag焊片進(jìn)行芯片貼裝。為了減少焊接時(shí)芯片背面的焊料的空洞,在貼片燒焊時(shí),需要在管座上摩擦芯片。此時(shí),Pb-Sn-Ag焊料在高溫時(shí)極易被氧化,形成可動(dòng)的焊料球,可能造成集成電路的短路。為了避免芯片貼裝時(shí)產(chǎn)生的焊料球給集成電路帶來(lái)嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題,應(yīng)采取措施,最大限度地減少焊料球的產(chǎn)生,貼片應(yīng)該在氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行,同時(shí)嚴(yán)格控制燒焊溫度和時(shí)間。對(duì)于雙極型功率IC,貼片焊層不僅需具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能,而且該焊層必須能夠吸收由于芯片和引線(xiàn)框架之間的熱膨系數(shù)不同而產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變,保護(hù)芯片免受機(jī)械損傷。功率集成電路在生產(chǎn)加工后需進(jìn)行溫度循環(huán)的可靠性篩選,貼片焊層厚度是影響雙極型功率集成電路可靠性最重要的因素之一。通常情況下,焊料片層的厚度越大,芯片貼片的抗溫度循環(huán)疲勞能力越強(qiáng)。必須通過(guò)有限元仿真分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,確定貼片焊料片的最佳厚度,從而最大限度地提高功率IC的可靠性。2.3.3社區(qū)集成封裝內(nèi)部氣氛的控制封裝的可靠性是高性能集成電路可靠性最重要的組成部分之一。軍用集成電路封裝失效約占總失效的6%,封裝的可靠性問(wèn)題主要是指封裝的密封性。高性能集成電路要求氣密性封裝,集成電路內(nèi)部氣氛含量與其性能和可靠性有著十分重要的聯(lián)系。它是造成集成電路早期失效、性能下降的最重要因素之一。集成電路內(nèi)部氣氛(殘余氣體)十分活躍,而且不易控制。它與集成電路封裝材料排氣、封裝工藝、封裝環(huán)境及集成電路內(nèi)部發(fā)生的各種物理化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān),并處于一個(gè)變化的動(dòng)平衡狀態(tài)。目前,大部分標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)元器件內(nèi)部水汽有指標(biāo)要求,但是密封腔內(nèi)的其他氣氛,如氫氣、氧氣及有機(jī)氣體,在水汽含量較高的環(huán)境中產(chǎn)生的影響同樣對(duì)集成電路也有破壞作用。不少科研院所已經(jīng)出臺(tái)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)對(duì)集成電路內(nèi)部氣氛的控制。集成電路內(nèi)部氣氛受封裝設(shè)備、封裝溫度、壓力等各種因素的影響。這些因素的合理使用,可有效控制內(nèi)部水汽及各種有害氣氛的含量?？刂萍呻娐穬?nèi)部氣氛的主要措施如下:1)采用高質(zhì)量的管殼,避免管殼自身材料分解產(chǎn)生的有害氣體;2)對(duì)管殼和芯片應(yīng)徹底清洗干凈,避免清洗劑殘余分解產(chǎn)