文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文主要講解了芯片與應(yīng)用有關(guān)的失效機(jī)理。

半導(dǎo)體集成電路失效機(jī)理中除了與封裝有關(guān)的失效機(jī)理以外，還有與應(yīng)用有關(guān)的失效機(jī)理，分述如下

輻射引起的失效

與鋁有關(guān)的界面效應(yīng)

金與鋁有關(guān)的界面效應(yīng)

輻射引起的失效

在地球及外層空間環(huán)境中，輻射源分為自然（如宇宙射線）和人造（如核反應(yīng)堆）兩類(lèi)，其對(duì)微電子器件的損傷可分為以下三類(lèi)：

永久損傷：輻射源移除后，器件性能無(wú)法恢復(fù)，如晶格結(jié)構(gòu)永久性破壞或深能級(jí)缺陷形成。

半永久損傷：輻射源移除后，器件性能需較長(zhǎng)時(shí)間（如數(shù)小時(shí)至數(shù)天）才能部分恢復(fù)，通常與淺能級(jí)陷阱電荷的緩慢退火有關(guān)。

瞬時(shí)損傷：輻射源移除后，器件性能立即恢復(fù)，如單粒子瞬態(tài)（SET）引起的邏輯錯(cuò)誤。

輻射對(duì)器件的影響主要通過(guò)三種形式實(shí)現(xiàn)

瞬時(shí)輻照：高能粒子（如α粒子）直接電離硅材料，產(chǎn)生瞬時(shí)電流脈沖，可能干擾電路邏輯狀態(tài)。

單粒子輻照：?jiǎn)蝹€(gè)重離子（如宇宙射線中的高能粒子）穿過(guò)器件敏感區(qū)域（如MOS管溝道），引發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）或單粒子閂鎖（SEL）。

總劑量效應(yīng)：長(zhǎng)期累積的低劑量輻射（如γ射線或X射線）導(dǎo)致氧化層中陷阱電荷積累，改變MOS器件閾值電壓，最終引發(fā)功能失效。

輻射損傷的物理機(jī)制

γ射線與X射線：通過(guò)光電效應(yīng)和康普頓散射產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在半導(dǎo)體中，電子-空穴對(duì)可快速?gòu)?fù)合；但在氧化層（SiO?）中，部分空穴被深能級(jí)陷阱俘獲，形成固定正電荷。同時(shí)，輻射在Si/SiO?界面引入新界面態(tài)，導(dǎo)致MOS器件閾值電壓漂移、漏電流增加及跨導(dǎo)退化。

中子輻照：通過(guò)晶格碰撞產(chǎn)生原子移位（如硅原子離開(kāi)晶格位置），形成空位-間隙對(duì)缺陷。此類(lèi)缺陷顯著縮短雙極器件（如BJT）的載流子壽命，導(dǎo)致電流增益下降，但對(duì)多子導(dǎo)電的MOS器件影響較小。然而，MOS器件對(duì)總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)更為敏感，因氧化層電荷積累易導(dǎo)致其閾值電壓偏移。

抗輻射加固設(shè)計(jì)技術(shù)

針對(duì)宇航級(jí)應(yīng)用，需采用以下措施提升器件抗輻射能力：

抗單粒子設(shè)計(jì)

電路級(jí)：采用三模冗余（TMR）或錯(cuò)誤校正碼（ECC）屏蔽SEU。

器件級(jí)：優(yōu)化版圖布局（如增加敏感節(jié)點(diǎn)電容）以吸收單粒子瞬態(tài)電荷。

抗總劑量效應(yīng)設(shè)計(jì)

工藝優(yōu)化：采用輻射硬化氧化層（如氮氧化硅）減少陷阱電荷積累。

電路補(bǔ)償：集成閾值電壓監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)整電路。

抗劑量率設(shè)計(jì)

材料選擇：采用高純度硅或外延層減少輻射感生缺陷。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：增加保護(hù)環(huán)或深溝槽隔離以防止寄生器件開(kāi)啟。

系統(tǒng)級(jí)加固

屏蔽設(shè)計(jì)：利用金屬或陶瓷封裝材料阻擋高能粒子。

冗余與容錯(cuò)：通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)故障隔離與重構(gòu)。

器件敏感性差異

雙極器件：對(duì)中子位移損傷敏感，但對(duì)總劑量效應(yīng)耐受性較強(qiáng)。

MOS器件：對(duì)總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)敏感，但抗中子能力優(yōu)于雙極器件。

Bi-CMOS電路：需綜合優(yōu)化雙極與MOS部分的抗輻射性能，例如通過(guò)隔離技術(shù)減少雙極部分對(duì)MOS的干擾。

與鋁有關(guān)的界面效應(yīng)

鋁作為微電子器件中常用的互連材料，與二氧化硅（SiO?）及硅（Si）的界面反應(yīng)是器件失效的重要誘因，尤其在高溫、高電流密度或輻射環(huán)境下更為顯著。

鋁與二氧化硅（Al-SiO?）的高溫反應(yīng)

在硅基器件中，SiO?常用作介質(zhì)層，而鋁互連線在高溫下會(huì)與SiO?發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

4Al + 3SiO? → 2Al?O? + 3Si

該反應(yīng)導(dǎo)致鋁層減薄，若SiO?層被完全消耗，鋁與硅直接接觸，可能引發(fā)PN結(jié)短路。在功率器件中，結(jié)溫升高易形成熱斑，局部加速Al-SiO?反應(yīng)，進(jìn)一步加劇失效風(fēng)險(xiǎn)。

預(yù)防措施

優(yōu)化版圖設(shè)計(jì)：改善熱分布，降低熱阻，增強(qiáng)散熱能力。

復(fù)合鈍化層：采用SiO?-Al-SiO?或Si?N?-SiO?多層結(jié)構(gòu)，抑制鋁與SiO?的直接反應(yīng)。

雙層金屬化：使用Ti-Al、W-Al等復(fù)合金屬替代純鋁，利用阻擋層金屬（如Ti）阻隔鋁與SiO?的接觸。

鋁與硅（Al-Si）的界面失效機(jī)制

鋁與硅的界面反應(yīng)涉及多種物理過(guò)程，可歸納為以下三類(lèi)：

(1)固溶體形成與滲透坑

鋁與硅的天然氧化層（SiO?）反應(yīng)后，硅原子向鋁中擴(kuò)散并溶解，形成固溶體。

在共晶溫度（577℃）下，硅在鋁中的溶解度達(dá)1.59%（原子比），導(dǎo)致鋁膜中出現(xiàn)滲透坑。

失效風(fēng)險(xiǎn)：滲透坑多發(fā)生于接觸孔邊緣（因應(yīng)力集中和側(cè)向擴(kuò)散），可能穿透淺結(jié)器件的PN結(jié)，導(dǎo)致漏電或短路。

(2)硅的電遷移（Electromigration）

溶解在鋁中的硅原子因濃度梯度向外擴(kuò)散，電流作用下電子動(dòng)能加速硅原子沿電子流方向遷移，形成質(zhì)量傳遞與動(dòng)量傳遞。

失效風(fēng)險(xiǎn)：硅遷移可導(dǎo)致NPN晶體管基區(qū)接觸孔短路，或使淺結(jié)器件的E-B結(jié)退化。

(3)鋁的熱遷移（Thermomigration）

在高溫、高溫度梯度及高電流密度區(qū)域，鋁-硅界面發(fā)生電熱遷移。鋁沿Si/SiO?界面或縱向滲入硅，形成合金釘（Al spike），穿透PN結(jié)。

對(duì)比其他金屬：金（Au）與硅的共晶點(diǎn)僅377℃，其電熱遷移率高于鋁，需通過(guò)阻擋層（如NiCr、Mo）隔離接觸。

失效模式：

雙極性淺結(jié)器件：E-B結(jié)退化，反向漏電增加，擊穿特性由硬擊穿轉(zhuǎn)為軟擊穿（等效電阻跨接于結(jié)兩端）;

NMOS集成電路：輸出端無(wú)保護(hù)電路，鋁在靜電或過(guò)電應(yīng)力下沿Si/SiO?界面形成導(dǎo)電通道，導(dǎo)致N+區(qū)與P襯底短路（電阻約2kΩ）。

預(yù)防措施

(1)材料優(yōu)化

硅鋁合金（Al-Si）：含0.1%~0.3%硅的鋁合金可抑制硅進(jìn)一步溶解，同時(shí)提高抗電遷移能力和機(jī)械強(qiáng)度。

金屬硅化物：采用Al-Ti-Si、Al-(Ti/W)-PtSi-Si等多層系統(tǒng)，結(jié)合阻擋層金屬（如Ti、Mo）阻隔鋁與硅的直接接觸。

(2)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

多晶硅阻擋層：在鋁與硅之間沉積多晶硅膜，抑制界面反應(yīng)。

多層金屬化：使用Ti/Al/TiN等復(fù)合結(jié)構(gòu)，降低鋁與硅的互擴(kuò)散。

(3)工藝控制

低溫工藝：避免高溫步驟（如快速單次熱退火），減少鋁與硅的固相反應(yīng)。

電流密度限制：優(yōu)化電路布局，降低局部電流密度，抑制電遷移與熱遷移。

金與鋁的界面效應(yīng)

在微電子封裝中，金（Au）引線或鍵合絲與鋁（Al）互連線的鍵合界面（Au-Al）因化學(xué)勢(shì)差異，長(zhǎng)期使用或高溫（>200℃）存儲(chǔ)后，會(huì)形成多種金屬間化合物（IMCs），導(dǎo)致界面失效。

失效機(jī)制

(1)金屬間化合物（IMCs）的形成

Au與Al在高溫下反應(yīng)生成多種IMCs，如Au?Al?、Au?Al、Au?Al、AuAl、AuAl?等。這些化合物的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)（CTE）與Au、Al差異顯著，在鍵合點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致：

機(jī)械性能退化：IMCs（如Au?Al）脆性大，易形成裂紋（白斑），而AuAl?呈紫色（紫斑），進(jìn)一步降低黏附力。

電性能下降：IMCs的電導(dǎo)率低于純金屬，接觸電阻增加，最終引發(fā)開(kāi)路。

(2)柯肯德?tīng)枺↘irkendall）效應(yīng)

在高溫（>300℃）下，Au向Al中的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)高于Al向Au中的擴(kuò)散速率，導(dǎo)致Al焊盤(pán)材料被快速消耗。IMCs（如Au?Al）生長(zhǎng)過(guò)程中，Al的缺失形成空洞（Kirkendall空洞），空洞擴(kuò)展至整個(gè)鍵合界面時(shí)，Al膜脫落，導(dǎo)致高阻或開(kāi)路。

(3)化合物生長(zhǎng)壓力

IMCs的晶格常數(shù)大于Au和Al，其生長(zhǎng)對(duì)鍵合點(diǎn)施加壓力。在溫度循環(huán)或機(jī)械應(yīng)力下，焊點(diǎn)因壓力累積而裂開(kāi)，加速開(kāi)路失效。

失效表現(xiàn)與診斷

開(kāi)路失效：鍵合點(diǎn)電阻急劇升高，但電測(cè)試時(shí)可能出現(xiàn)時(shí)通時(shí)斷現(xiàn)象（因機(jī)械振動(dòng)或熱應(yīng)力暫時(shí)恢復(fù)接觸）。

高溫存儲(chǔ)測(cè)試：將器件置于200℃以上環(huán)境，若開(kāi)路失效復(fù)現(xiàn)，可確認(rèn)Au-Al界面退化。

影響因素

材料純度：雜質(zhì)（如硅、銅）加速I(mǎi)MCs生長(zhǎng)。

溫度與時(shí)間：IMCs生長(zhǎng)速率隨溫度升高呈指數(shù)增長(zhǎng)，長(zhǎng)期存儲(chǔ)或高溫工作加劇失效。

結(jié)構(gòu)不對(duì)稱：Al焊盤(pán)（厚度約1μm）為有限源，金球?yàn)闊o(wú)限源，導(dǎo)致IMCs向Al側(cè)偏析，加速Al消耗。

預(yù)防措施

(1)工藝優(yōu)化

溫度控制：鍵合溫度≤300℃，避免高溫存儲(chǔ)（<200℃）。

時(shí)間控制：縮短高溫工藝步驟（如鍵合時(shí)間），減少I(mǎi)MCs形成。

(2)材料改進(jìn)

阻擋層：在Au-Al界面插入擴(kuò)散阻擋層（如Ni、TiW），抑制IMCs生長(zhǎng)。

合金化：采用Al-Si合金（含0.5%~1% Si）提高抗電遷移能力，或改用高熔點(diǎn)金屬（如Cu）替代Al。

(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多層金屬化：使用Ti/Al/TiN等復(fù)合結(jié)構(gòu)，降低Al與Au的直接接觸。

鍵合點(diǎn)優(yōu)化：增大鍵合面積，分散應(yīng)力，減少局部過(guò)熱。

(4)可靠性測(cè)試

加速壽命試驗(yàn)：通過(guò)高溫存儲(chǔ)（250℃）、溫度循環(huán)（-65℃~150℃）篩選潛在失效器件。

無(wú)損檢測(cè)：利用聲學(xué)顯微鏡（SAM）或掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鍵合點(diǎn)空洞和裂紋。