第07章厚膜電路的失效機(jī)理

第七章厚/薄膜集成電路失效機(jī)理厚/薄膜集成電路是一種格外重要的微電子器件。它是將厚/薄膜集成電路技術(shù)制造的無〔包括半導(dǎo)體集成電路芯片承受敏捷的組裝技術(shù)組裝在絕緣基片上所形成的集成電路，因此又稱為混合集成電路。其中互連線/穿插線和多層布線，以及某些無源元件，然后組裝上半導(dǎo)體集成電路芯片，形成規(guī)模更大的/功能更為簡單的混合集成電路。厚薄膜集成電路的失效不僅有硅芯片失效，而且還包括厚/薄膜元件/互連導(dǎo)帶/在有關(guān)章節(jié)中已經(jīng)介紹，不再重復(fù)，本章僅介紹厚/薄膜集成電路的失效模式和機(jī)理。1*薄膜集成電路的失效模式和機(jī)理50%---70%，薄膜電容10---20%10%10---20%5%。一．薄膜電阻器的失效薄膜電阻材料中用得最廣的是電阻率為100---300Ω/的鎳鉻合金和鎳鉻合金和氧化鉭。薄膜電阻器失效的緣由是：溫度/濕度效應(yīng)?？諝庵械难蹩墒规囥t系薄膜氧化，電阻值增大。環(huán)境溫度和電阻下，溫度/濕度效應(yīng)更加嚴(yán)峻。針孔和工藝缺陷。電阻膜中難免存在針孔其產(chǎn)生的緣由與電介質(zhì)膜一樣。電阻膜有部燒毀而導(dǎo)致電阻器失效?；瑑?nèi)Na/K離子的影響。假設(shè)在基片材料中或外表上存在堿性離子，如Na/K等離工藝衛(wèi)生條件不良造成污染/工藝過程中所用腐蝕液等清洗的不干凈也會(huì)引起類似的電阻器失效。二．薄膜電容器的失效目前在薄膜集成電路中應(yīng)用最廣泛的是氧化硅〔SiO〕薄膜電容器。其次是五氧化二鉭〔Ta2O5〕和二氧化硅〔SiO2〕SiO薄膜電容器失效的主要緣由有以下幾方面：電介質(zhì)膜中的針孔/氣泡/雜質(zhì)和塵埃引起的失效。在SiO電介質(zhì)膜的制作過程中要導(dǎo)致電容器失效。電介質(zhì)中存在雜質(zhì)和塵埃也會(huì)造成類似的惡果。電化學(xué)固相反響。在Al---SiO---Al電容器中，在外加電場的作用下，局部擊穿過程表現(xiàn)在SiO電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生如下電化學(xué)固相反響：Si---O---Si 局部擊穿電場 Si---Si---+O+eSi—O—Si基團(tuán)游離出一個(gè)硅離子，并釋放壞性的擊穿發(fā)生之后，擊穿區(qū)四周消滅單晶硅和游離硅SiSiO電介質(zhì)絕緣性能下降以及在電場作用下導(dǎo)致電容器失效。3SiO2的吸潮效應(yīng)。對真空淀積SiO薄膜的構(gòu)造分析說明，膜中存在著SiO/Si2O3/SiO2/H2OCO2。Si2O3SiO膜的絕緣電阻下降和Si2O3和H2O電極與電介質(zhì)的交界面進(jìn)入，使電介質(zhì)吸潮引起電性能惡化?！芭_(tái)階”效應(yīng)。在薄膜電容器下電極邊緣“臺(tái)階”處電場發(fā)生畸變〔邊緣效應(yīng)，而且在“臺(tái)階”處電介質(zhì)膜厚變薄，因此簡潔在下電極“臺(tái)階”處引起電介質(zhì)擊穿，使上/下電極短路。鋁電極膜極博〔上電極厚約0.3u，下電極厚約0.15u，當(dāng)受到電壓沖擊發(fā)生擊穿時(shí)，短路電流的強(qiáng)度足可使上電極膜層在擊穿燒熔蒸發(fā)而斷開，造成電容器斷路。膜層中存在內(nèi)應(yīng)力。真空淀積的電子元件，在形成溫度之外的其它溫度條件下，薄膜構(gòu)造有關(guān)，二是由于膜層與基片之間〔或相鄰膜層之間〕熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。大多數(shù)金屬淀積在玻璃基片上呈現(xiàn)為張應(yīng)力〔Fth為正值〕如銀/金/鎳等；而在玻璃基片上的SiO/TiO2等呈現(xiàn)出壓應(yīng)力。這兩種應(yīng)力之一都可能破壞薄膜的電性能。SiO電介質(zhì)膜中假設(shè)存在這種應(yīng)力，可使膜起鄒/開裂甚至脫落，因而使電容器性能惡化。這種應(yīng)力與蒸發(fā)源的形式/真空度/蒸發(fā)源溫度和熱處理工藝有關(guān)。三．薄膜導(dǎo)帶的失效薄膜導(dǎo)帶的失效主要是導(dǎo)帶開路或呈現(xiàn)大的寄生串聯(lián)電阻和導(dǎo)帶之間的短路兩類失效都將造成整個(gè)電路功能的失效。1．金屬薄膜的電化學(xué)腐蝕。依據(jù)腐蝕過程的特點(diǎn)，金屬薄膜腐蝕可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩類?；瘜W(xué)腐蝕是金屬直接與環(huán)境媒質(zhì)發(fā)生化學(xué)反響形成金屬化合物現(xiàn)象。金屬的電化學(xué)腐蝕是用微電池作用加以解釋的進(jìn)展：金屬化外表存在不同電極電位的金屬〔雜質(zhì)形成微電池的電化學(xué)腐蝕過程。然而微電池的存在根本上是由金屬外表的電化學(xué)不均勻性〔即不同電極電位的局部〕引起的。造成金屬薄膜不均勻性緣由有：極，簡潔失去電子，患病腐蝕；而電極電位較高者則成為陰極，只起傳遞電子作用，不受腐蝕。形成微電池。金屬組織的不均勻性。某些金屬或合金的晶粒和晶粒間界的電位是不完全一樣的。如工業(yè)純，其晶粒與晶粒間界的平均電位差為0.585-0.494=0.091(V)。這說明晶粒是陰極，晶粒間界是陽極。金屬薄膜假設(shè)不完整，存在針孔/氣泡和缺陷也會(huì)造成電位差異。到失效的程度。金屬薄膜的電子遷移。電遷移是在金屬中由于受到電場作用而使金屬原子移動(dòng)的現(xiàn)部過熱而使鋁膜燒斷。爭論說明，假設(shè)金屬薄膜外表有缺陷〔劃痕/針孔等〕而使局部電流密受電場的作用力，但較弱；二是受到電子流的撞擊力，這是主要的。結(jié)果金屬離子向陽極方向移動(dòng)，在陽極四周聚攏而生長出小丘或觸須?？瘴粍t向陰極方向移動(dòng)，聚攏生成空隙。除上述空隙造成局部過熱使鋁膜燒斷外，觸須會(huì)造成相鄰導(dǎo)帶之間的短路。工藝缺陷。工藝缺陷主要是指薄膜互連導(dǎo)帶圖形不完整/線條過細(xì)/線條局部過細(xì)和邊緣不整齊/線條上有針孔/線條之下鉆蝕形成潛在的缺陷等，都可能嚴(yán)峻影響導(dǎo)帶負(fù)載電流內(nèi)應(yīng)力或基片外表不清潔造成薄膜起皺/開裂也會(huì)使寄生串聯(lián)電阻增高，甚至導(dǎo)帶斷開。薄膜導(dǎo)帶穿插，由于“臺(tái)階”效應(yīng)和其它工藝缺陷造成的失效，與薄膜電容器類似。四．鍵合系統(tǒng)失效之間的連接區(qū)被嚴(yán)格限定在微小的范圍內(nèi)，被連接的對象又是厚度極薄的薄層；另一方面，連接的類型也格外簡單，它不僅僅限于直接焊接，焊接對象還包括承受真空條件下的蒸發(fā)/是格外簡單的。報(bào)道，由于焊接〔鍵合〕不良造成的失效占混合集成電路失效總數(shù)的70%。鍵合方式包括金鍵合/固相鍵合/〔超聲/熱壓等〕/熔焊/導(dǎo)電膠粘合等。影響其牢靠性的因素較多，下面分別加以表達(dá)?！惨弧惩獗砦廴窘饘偻獗砜偸怯懈鞣N各樣的非金屬污染層掩蓋在上面，這些污染層包括金屬氧化物層，些外表污染層并防止它們再生成。外表就可以淀積一層簡潔相互連接的金屬層〔焊料層。外表污染層則主要靠機(jī)械方法予以消退〔也可承受化學(xué)方法，但在集成電路焊接中應(yīng)用甚少。連接?！捕辰缑娼佑|相互連接的牢靠性。一般經(jīng)過拋光的固體金屬外表之間在垂直力的作用下，只有不到1%的外表是“真正”接觸到的，由于從原子的規(guī)模上來看，不管固體金屬外表拋光得如何徹底，〔而較弱的次價(jià)力作用范圍大約為0.1u。因此，界面要結(jié)實(shí)地接合，其接觸強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)?shù)竭_(dá)晶粒間的接觸強(qiáng)度?！踩尺B接的穩(wěn)定性影響互連的另一個(gè)因素是連接的穩(wěn)定性失效的隱患。另外，在金屬之間還可以生成某些金屬間化合物。例如Au和Al之間在熱壓焊時(shí)，可能在焊區(qū)生成Au2Al化合物〔白斑—鋁合金的生成比單塊電路嚴(yán)峻。金鋁合金的失效機(jī)理，請參閱第五章的鍵合失效機(jī)理?！菜摹衬拥母街?薄膜混合集成電路的互連，還要受到膜層在基片上的附著力的影響，薄膜混合集成電路更是如此。2*厚膜集成電路的失效模式和機(jī)理厚膜集成電路中常見的失效模式是參數(shù)漂移/鍵合失效和密封失效，而突變性的失效并不常見。一．厚膜電阻器的失效厚膜電阻器的失效大多數(shù)是有參數(shù)過渡漂移和參數(shù)不穩(wěn)定造成的下緣由引起的：---銀電阻器進(jìn)展溫度/耐濕和真空試驗(yàn)。溫度試驗(yàn)中阻值增加主要是由于金屬元素鈀和銀的氧化和生成PdAg和化學(xué)吸附的影響。另外，離子遷移也會(huì)造成金屬化學(xué)組份的變化?；瘜W(xué)反響的影響。主要是焊劑/吸附氣體/粘合劑/溶劑和包封材料引起的與厚膜電阻器材料的化學(xué)反響。應(yīng)力影響。電阻器內(nèi)應(yīng)力消逝/電阻膜與其保護(hù)玻璃釉膜界面上應(yīng)力消逝/灌注樹脂硬化時(shí)熱膨脹和收縮而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力等，都將引起電阻器開裂。工藝掌握的影響。噴砂微調(diào)粉末散布到電阻器外表上/電阻膜與導(dǎo)帶端頭未對準(zhǔn)/過分微調(diào)/導(dǎo)帶集中進(jìn)電阻膜面而造成熱點(diǎn)等都將影響電阻器的穩(wěn)定性。高壓尤其是高壓脈沖狀況下，大多數(shù)厚膜電阻器將產(chǎn)生相當(dāng)大的阻值變化，這叫厚膜電阻器的電壓漂移，是由以下因素造成的：在導(dǎo)體金屬與玻璃之間以及導(dǎo)體金屬顆粒之間存在著不完全的浸潤。引起阻值變化。常用的鈀—銀電阻器在氫氣氣氛中參數(shù)不穩(wěn)定。在制造和使用厚膜混合集成電路的—或胺的密封封裝〔如環(huán)氧樹脂/粘合劑/溶劑/焊劑等〕內(nèi)，電阻器均可遇到氫或放氫產(chǎn)物。另外，電阻器可能應(yīng)用在一個(gè)封閉的電子系統(tǒng)內(nèi)，其中由于干電池/潮氣與金屬反響，制冷劑/濕芯式電容器的滲漏或塑料過熱的熱分解等均可產(chǎn)生氫。為了抑制氫對鈀—電阻器上涂一層玻璃釉加以保護(hù)。二厚膜電容器的失效厚膜電容器易于發(fā)生如下失效：由于電介質(zhì)裂開而發(fā)生開路。由于電介質(zhì)針孔/擊穿或電極外表材料有毛刺而發(fā)生短路或絕緣電阻下降。由于噴砂微調(diào)/電介質(zhì)氧化/電介質(zhì)與電極材料反響/電介質(zhì)開裂而造成電容量過度漂移。外貼無封裝疊層獨(dú)石電容器易發(fā)生如下失效：獨(dú)石電容器端頭簡潔失去附著力和鍵合強(qiáng)度，在錫焊連接中可能形成不期望存在的金屬間化合物?？赡苡捎趯娱g脫層或電極間短路而失去電容量。假設(shè)內(nèi)部電極外露，可能造成絕緣電阻下降和極間短路。假設(shè)焊接中使用過多焊料積存在端頭上，當(dāng)暴露在溫度變化的環(huán)境中時(shí)，獨(dú)石電容器可能碎裂或脫層。三．厚膜導(dǎo)帶的失效由于印刷導(dǎo)體之前基片清洗不當(dāng)，在基片外表殘留有機(jī)材料或燒結(jié)周期不正常將造成厚膜導(dǎo)帶附著力不良。在錫焊操作中，厚膜導(dǎo)帶材料溶解在焊料中以及形成金---鉛---錫金屬間化合物可能使鍵合強(qiáng)度嚴(yán)峻下降。在組裝外貼元件/成鍵合失效。當(dāng)暴露與高溫〔150*C〕時(shí)，掩蓋有焊料的厚膜導(dǎo)帶會(huì)消滅失效，消滅附著力/電導(dǎo)接的鈀—------導(dǎo)帶界面---鉛---低鍵合強(qiáng)度的脆性連接。掌握焊接操作/保持鍵合時(shí)間最短/焊接之后削減產(chǎn)品暴露于高溫〔150*C〕的時(shí)間/鍍金引出線元件在焊上厚膜導(dǎo)帶之前預(yù)先上錫，均可以削減上述影響。導(dǎo)帶氧化/燒結(jié)不當(dāng)/燒結(jié)引起玻璃釉堆集或?qū)訜Y(jié)之后的其它燒結(jié)引起的惡化都將造成厚膜導(dǎo)帶可焊性不良，形成不良鍵合。含銀厚膜導(dǎo)帶簡潔發(fā)生銀離子遷移，在環(huán)境潮濕和外加電場時(shí)，銀離子通過潮氣層遷移，造成連續(xù)短路。銀還簡潔被一般焊料浸析，溶于錫。四．基片的失效僅與基片有關(guān)的失效模式是開裂造成的突變性失效?；拈_裂可能是由以下因素造成厚膜材料對基片的粘接不良。這就可能造成不牢的鍵合區(qū)和由于連接外貼元件/引出線時(shí)因鍵合脫開而造成失效。五．半導(dǎo)體器件的失效能消滅由于芯片金屬化層的厚度/外表特性等變化而引起的鍵合質(zhì)量問題。引線越長，與鍵合線短路和其它因沖擊/振動(dòng)及加速而引起的線鍵合缺陷的時(shí)機(jī)就越多。導(dǎo)帶的氧化可能造---硅共熔體的區(qū)域上安置線鍵合可能線鍵合的脫開或斷線。失效分析程序失效分析程序〔一〕一．總結(jié)/分析/