前段制程（FEoL）常见的失效机理

1）与时间相关的电介质击穿（TDDB）-- 栅极氧化物

2）热载流子注入（HCI）

3）负偏压温度不稳定性（NBTI）

4）表面反转（移动离子）

5）浮栅非易失性存储器数据保持

6）局部电荷捕获非易失性存储器数据保持

7）相变（PCM）非易失性存储器数据保持

后段制程（BEoL）常见的失效机理

1）与时间相关的电介质击穿（TDDB）-- low k材质电介质/移动铜离子

2）铝电迁移（Al EM）

3）铜电迁移（Cu EM）

4）铝和铜腐蚀

5）铝应力迁移（Al SM）

6）铜应力迁移（Cu SM）

封装/界面常见的失效机理

1）因温度循环和热冲击导致的疲劳失效

2）因温度循环和热冲击导致的界面失效

3）因高温导致的金属间化合物和氧化失效

4）锡须

5）离子迁移动力学（PCB）--组件清洁度

 

本文对铝和铜腐蚀模型进行研究

 

当超大规模集成电路（ULSI）设备暴露于湿气和污染物时，可能会发生腐蚀失效。腐蚀失效通常分为两大类：焊盘腐蚀或内部芯片腐蚀。焊盘腐蚀通常更常见，因为芯片的焊盘区域金属没有覆盖钝化层；若芯片钝化层存在某些弱点或损坏，使得湿气和污染物（例如氯离子）能够到达金属化层，那么内部芯片金属化腐蚀（芯片内部，远离焊盘）也可能发生。

腐蚀通常可以用“原电池反应”来描述，要发生原电池反应需要有如下四个条件才能发生腐蚀：阳极，阴极，电解质和导体，以及提供氧化/还原过程所需电子流动的路径。原电池反应的原理如下所示。

如果覆盖金属化层的原生氧化物存在缺陷，就会发生金属腐蚀。一般来说，铝会形成良好的自钝化氧化物，其腐蚀性比铜小得多，尽管原电池序列所显示的情况正好相反。然而，如果在水中加入氯离子，那么保护铝的原生氧化铝（Al₂O₃）将迅速减少，从而暴露出高活性的原始铝表面，随后铝会迅速腐蚀。

 

为了使腐蚀以快速的速率继续进行，污染物和金属离子必须能够分别快速扩散到腐蚀区域和从腐蚀区域扩散出来。这在液体中很容易发生，液体/湿腐蚀的活化能通常非常低（~0.3eV）。然而，研究表明腐蚀速率非常依赖于相对湿度百分比（%RH），在相当宽的湿度条件范围内，表面迁移率已被证明与%RH呈指数关系。

 

常见的用于加速金属腐蚀失效机制的行业测试标准如下所示：

1）带电双八五（有偏压，85°C和85%RH）；

2）高压蒸煮（无偏压，121°C和100%RH）

3）高加速应力测试（HAST）（有偏压，121°C和85%RH）

4）无偏压高加速应力测试（uHAST）（无偏压，121°C和85%RH）。

注：

1）如果氯化物是腐蚀剂，铝腐蚀的活化能范围在0.7~0.8eV。

2）上文所说的相对湿度是指局部相对湿度，即在硅芯片和封装之间的界面处的相对湿度，不是环境相对湿度。若功耗小，那么环境相对湿度可看做与局部相对湿度相同；若功耗大，带电应力测试需要采用小于100%的占空比，以使局部和环境相对湿度值一致，从而获得有意义的测试数据。

为了将加速金属腐蚀结果外推到现场使用条件，下文将讨论四种失效时间（TTF）和加速因子（AF）计算模型。

1）倒数指数湿度模型：

AF计算公式如下：

2）幂律模型：

AF计算公式如下：

注：幂律模型因其简单性使其成为行业中使用最广泛的腐蚀模型。

3）指数模型：

AF计算公式如下：

4）劳森湿度模型：

劳森模型将相对湿度（%RH）的拟合参数与加速模型的阿伦尼乌斯部分相加，它加入了一个拟合因子。

AF计算公式如下：

幂律模型金属腐蚀寿命预估示例：

目标：

计算由于氯化物污染导致的铝腐蚀（键合焊盘）在正常使用环境与HAST环境下的加速因子（AF）。

 

假设条件：

1）正常使用条件为：50°C芯片温度和芯片表面湿度10%RH（这可能与 20°C/50%RH的室内环境一致），且工作电压Voffice=5.0V

2）加速条件为：130℃和85%RH，VHAST=6.0V

3）佩克相对湿度指数：2.7，这是通过实验确定的铝腐蚀的指数

4）表观活化能Eaa：0.75eV

假设腐蚀速率与外加电压呈线性关系

AF计算公式：

AF=[(RH)HAST/(RH)office]n*(VHAST/Voffice)*exp[(Eaa/k)(1/Toffice–1/THAST)] 

 

假设条件代入计算：

 

AF=[85%RH/10%RH]2.7*(6.0V/5.0V)*exp[(0.75eV/8.62x10–5eV/K)(1/(273+50)K–1/(273+130)K)]=323*1.2*210=~8.15x104

 

结论：从HAST环境转换为正常使用环境，TTF值增加到加速压力（HAST）值的81500倍，其中323倍是由于%RH，1.2倍是由于外加电压，210倍是由于温度。

 

相关文献：

 

1）H . Koelmans, “Metallization Corrosion in Silicon Devices by Moisture-Induced Electrolyis,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 1974, pp. 168-171. 

 

2）J. Flood, “Reliability Aspects of Plastic Encapsulated Integrated Circuits,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 1972, pp. 95-99. 

 

来源：Top Gun实验室

关键词： 半导体器件 铝 铜 腐蚀