《第07章厚膜电路的失效机理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第07章厚膜电路的失效机理（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章厚/薄膜集成电路失效机理厚/薄膜集成电路是一种非常重要的微电子器件。它是将厚/薄膜集成电路技术制造的无 源元件与半导体技术制造的有源器件(包括半导体集成电路芯片)采用灵活的组装技术组装 在绝缘基片上所形成的集成电路，因此又称为混合集成电路。其中，“二次集成电路”的混 合集成电路发展较快，它主要是在作有厚膜或薄膜无源网络的绝缘基片上，组装上多个半导 体集成电路芯片所形成的混合集成电路。在这类电路中，膜集成电路技术通常是制作精细的 互连线/交叉线和多层布线，以及某些无源元件，然后组装上半导体集成电路芯片，形成规 模更大的/功能更为复杂的混合集成电路。厚薄膜集成电路的失效不仅有硅芯片失效，而且
2、 还包括厚/薄膜元件/互连导带/组装和封装的失效模式和失效机理。硅芯片的失效模式和机理 在有关章节中已经介绍，不再重复，本章仅介绍厚/薄膜集成电路的失效模式和机理。1* 薄膜集成电路的失效模式和机理目前，对薄膜集成电路的失效分析表明，外贴硅芯片的失效约占 50%-70%，薄膜电容失效约占 10-20%，薄膜电阻失效约占10%，焊接不良占 10-20%，断腿失效约占 5%。 一薄膜电阻器的失效薄膜电阻材料中用得最广的是电阻率为100-300Q仁|的镍铬合金和镍铬合金和氧化 钽。薄膜电阻器失效的原因是：1温度/湿度效应。空气中的氧可使镍铬系薄膜氧化，电阻值增大。环境温度和电阻 器本身的温升可促使氧
3、化加速进行。空气中的氧化扩散到钽膜晶粒间界中时，沿膜厚方向存 在着氧浓度梯度。这使钽膜老化的最大原因，温度可加速氧化过程。如果再加上湿度，不但 使表面氧的浓度增加促进氧扩散，而且还会引起电化学反应使电阻膜被腐蚀。特别在电负荷 下，温度/湿度效应更加严重。2针孔和工艺缺陷。电阻膜中难免存在针孔其产生的原因与电介质膜相同。电阻膜有 效面积减小，电流密度增大并且分布不均匀，因而引起局部温度过高，严重时可使电阻膜局 部烧毁而导致电阻器失效。3. 基片内Na/K离子的影响。如果在基片材料中或表面上存在碱性离子，如Na/K等离 子。在电场作用下就会在负极附近析出，使电阻膜受腐蚀，引起电阻值变化甚至电阻器开
4、路。 工艺卫生条件不良造成污染/工艺过程中所用腐蚀液等清洗的不干净也会引起类似的电阻器 失效。二薄膜电容器的失效目前在薄膜集成电路中应用最广泛的是氧化硅(SiO)薄膜电容器。其次是五氧化二钽 (Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)薄膜电容器。SiO薄膜电容器失效的主要原因有以下几方面： 1电介质膜中的针孔/气泡/杂质和尘埃引起的失效。在 SiO 电介质膜的制作过程中要 完全消除针孔和气泡是极困难的，针孔分为穿透孔和非穿透孔，气泡则位于膜层内部。它们 都会引起其附近的局部电场畸变和电场集中，结果在针孔或气泡处首先造成电击穿，严重时 导致电容器失效。电介质中存在杂质和尘埃也会造成类似的恶果。2. 电
5、化学固相反应。在Al-SiO-Al电容器中，在外加电场的作用下，局部击穿过程 表现在SiO电介质内部发生如下电化学固相反应：Si-O-Si局部击穿电场.Si-Si-+O+e此反应说明，在局部击穿电场的作用下，使SiOSi基团游离出一个硅离子，并释放 出一个电子和一个自由氧原子，注入到周围电介质中，由于电子注入到电介质的导带上，在 外电场的作用下参加导电，从而破坏了介质的绝缘性能，最后导致电介质击穿。同时，在破 坏性的击穿发生之后，击穿区周围出现单晶硅和游离硅(Si+)，它们都具有半导体特性，也 会使 SiO 电介质绝缘性能下降以及在电场作用下导致电容器失效。3. SiO2 的吸潮效应。 对真空
6、淀积 SiO 薄膜的结构分析表明， 膜中存在着SiO/Si2O3/SiO2/H2O和C02。Si2O3容易吸附气体和水分，造成SiO膜的绝缘电阻下降和 击穿电压下降，并可使电容器的电容量发生变化。在低真空度下蒸发所得的膜中含有较多的 Si2O3和H2O,此外，如果电容器上电极金属薄膜与电介质薄膜之间附着不良，湿气会沿着 电极与电介质的交界面进入，使电介质吸潮引起电性能恶化。4“台阶”效应。在薄膜电容器下电极边缘“台阶”处电场发生畸变（边缘效应），而 且在“台阶”处电介质膜厚变薄，因此容易在下电极“台阶”处引起电介质击穿，使上/下 电极短路。铝电极膜极博（上电极厚约0.3um,下电极厚约0.15
7、um）,当受到电压冲击发生 击穿时，短路电流的强度足可使上电极膜层在击穿烧熔蒸发而断开，造成电容器断路。5膜层中存在内应力。真空淀积的电子元件，在形成温度之外的其它温度条件下，薄 膜受到两种基本应力的作用：一是由于工艺缺陷在成膜过程中产生的内应力，这种应力与薄 膜结构有关，二是由于膜层与基片之间（或相邻膜层之间）热膨胀系数不同而产生热应力。 大多数金属淀积在玻璃基片上呈现为张应力（Fth为正值）如银/金/镍等；而在玻璃基片上 的 SiO/TiO2 等呈现出压应力。这两种应力之一都可能破坏薄膜的电性能。 SiO 电介质膜中 若存在这种应力，可使膜起邹/开裂甚至脱落，因而使电容器性能恶化。这种应力
8、与蒸发源 的形式/真空度/蒸发源温度和热处理工艺有关。三薄膜导带的失效薄膜导带的失效主要是导带开路或呈现大的寄生串联电阻和导带之间的短路两类。这些 失效都将造成整个电路功能的失效。1金属薄膜的电化学腐蚀。根据腐蚀过程的特点，金属薄膜腐蚀可分为化学腐蚀和电 化学腐蚀两类。化学腐蚀是金属直接与环境媒质发生化学反应形成金属化合物，从而使金属薄膜损坏的 现象。金属的电化学腐蚀是用微电池作用加以解释的。电化学腐蚀必须具备下列三个条件才能 进行：金属化表面存在不同电极电位的金属（杂质）；这些具备不同电极电位的金属部分要 互相接触；这些不同部分的金属要处于互相接通的电介质溶液中。具备上述三个条件，就能 形成
9、微电池的电化学腐蚀过程。然而微电池的存在根本上是由金属表面的电化学不均匀性（即不同电极电位的部分）引起的。造成金属薄膜不均匀性原因有：（1）金属化学成分的不均匀性。即使金属薄膜导带使用的是高纯材料，但总是存在微量 杂质，而且在成膜过程中可能混入其它杂质，它们的电极电位不一样，电极电位低者成为阳 极，容易失去电子，遭受腐蚀；而电极电位较高者则成为阴极，只起传递电子作用，不受腐 蚀。（2）金属物理状态的不均匀性。金属薄膜中往往存在不均匀的内应力，受应力大的部分 常为阳极，易受腐蚀。此外薄膜表面温度的差异等其它因素也会造成各部分电位差异从而形 成微电池。（3）金属组织的不均匀性。某些金属或合金的晶粒
10、和晶粒间界的电位是不完全相同的。 如工业纯，其晶粒与晶粒间界的平均电位差为0.585-0.494=0.091（V）。这表明晶粒是阴极， 晶粒间界是阳极。金属薄膜如果不完整，存在针孔/气泡和缺陷也会造成电位差异。1 当金属薄膜表面上存在上述电化学不均匀性并与电解液接触时，就构成了许多微电 池。金属薄膜作为微电池的阳极不断地失去电子变成金属离子，经过长时间的作用就被腐蚀 到失效的程度。2金属薄膜的电子迁移。电迁移是在金属中由于受到电场作用而使金属原子移动的现 象。例如，在通电的铝膜中，当温度梯度存在时，由于电迁移效应将使阳极附近出现铝原子 堆积成的小丘或生成触须，而在阴极附近产生空隙。后者在高温高
11、电流密度作用下，造成局 部过热而使铝膜烧断。研究表明，若金属薄膜表面有缺陷（划痕/针孔等）而使局部电流密 度增高，将使金属因热激而产生金属正离子，金属正离子受到两个相反方向的作用力：一是 受电场的作用力，但较弱；二是受到电子流的撞击力，这是主要的。结果金属离子向阳极方 向移动，在阳极附近聚集而生长出小丘或触须。空位则向阴极方向移动，聚集生成空隙。除 上述空隙造成局部过热使铝膜烧断外，触须会造成相邻导带之间的短路。3工艺缺陷。工艺缺陷主要是指薄膜互连导带图形不完整/线条过细/线条局部过细和 边缘不整齐/线条上有针孔/线条之下钻蚀形成潜在的缺陷等，都可能严重影响导带负载电流 能力，造成局部过热而烧
12、毁。相邻线条之间也可能因工艺缺陷造成短路。互连导带膜层存在 内应力或基片表面不清洁造成薄膜起皱/开裂也会使寄生串联电阻增高，甚至导带断开。薄膜导带交叉，由于“台阶”效应和其它工艺缺陷造成的失效，与薄膜电容器类似。 四键合系统失效 由于混合集成电路的内部连接比较复杂；一方面是需要互补连接的元器件数目多，它们 之间的连接区被严格限定在极小的范围内，被连接的对象又是厚度极薄的薄层；另一方面， 连接的类型也十分复杂，它不仅仅限于直接焊接，焊接对象还包括采用真空条件下的蒸发/ 直流和高频溅射镀膜，以及高温条件下的导电浆料烧结等。因此，连接材料之间的相互作用 是非常复杂的。由于混合集成电路内部的焊接点多，
13、类型又复杂，因此它对可靠性的影响极大。有资料 报道，由于焊接（键合）不良造成的失效占混合集成电路失效总数的70%。键合方式包括金键合/固相键合/（超声/热压等）/熔焊/导电胶粘合等。影响其可靠性的因 素较多，下面分别加以叙述。（一）表面污染 金属表面总是有各种各样的非金属污染层覆盖在上面，这些污染层包括金属氧化物层， 硫化物层和氢氧化物层，还有吸附在金属表面的各种气体。这些表面上的污染层，一般在化 学上是比较稳定的。因此，它们就成为金属之间互相连接的一大障碍。互连工艺应能除去这 些表面污染层并防止它们再生成。在使用焊料的合金键合中，一般使用助熔剂来防止表面层氧化。助熔剂的另一个作用是 在焊接时
14、使零件表面浸润，以有利于熔融状态的金属焊料在零件表面散布开来。这样在零件 表面就可以淀积一层容易互相连接的金属层（焊料层）。表面污染层则主要靠机械方法予以 消除（也可采用化学方法，但在集成电路焊接中应用甚少）。固相键合时，要求在连接界面上产生相当大的塑性形变，借用机械作用力来破碎表面的 污染层。例如超声焊就是利用焊头切向振动应力使金属表面污染层破碎并达到金属之间互相 连接。（二）界面接触 在连接时，金属之间互相紧密接触，这种接触的紧密与否，在很大程度上影响金属之间 互相连接的可靠性。一般经过抛光的固体金属表面之间在垂直力的作用下，只有不到1%的 表面是“真正”接触到的，因为从原子的规模上来看，
15、不管固体金属表面抛光得如何彻底， 它还是相当粗糙的。这里所说的紧密接触是指能够达到原子间的距离，达到如此境界时，才 能在两种金属固体表面产生强大的金属键力，使互连得以实现，并达到可靠（而较弱的次价 力作用范围大约为0.1 um）。因此，界面要牢固地接合，其接触强度应该达到晶粒间的接触 强度。（三）连接的稳定性 影响互连的另一个因素是连接的稳定性，即设法使互连工艺过程中所产生的应力处于最 低的状态，金属间的化学反应所生成的化合物应当稳定。熔融状态的金属重新凝固或者经过 冷轧加工都会产生很高的应力，这个应力如不消除，可能导致互连界面产生裂纹，成为互连 失效的隐患。另外，在金属之间还可以生成某些金属
16、间化合物。例如Au和Al之间在热压 焊时，可能在焊区生成Au2Al化合物（白斑），这样化合物质地脆弱，容易破裂，严重影响 互连的可靠性。由于混合电路的焊点多，焊接时受热时间长，因此金铝合金的生成比单块 电路严重。金铝合金的失效机理，请参阅第五章的键合失效机理。（四）膜层的附着力 厚/薄膜混合集成电路的互连，还要受到膜层在基片上的附着力的影响，薄膜混合集成 电路更是如此。2*厚膜集成电路的失效模式和机理厚膜集成电路中常见的失效模式是参数漂移/键合失效和密封失效，而突变性的失效并 不常见。一厚膜电阻器的失效厚膜电阻器的失效大多数是有参数过渡漂移和参数不稳定造成的。这类失效常常是由以 下原因引起的：1组成电容器的金属化学组份的变化。对钯-银电阻器进行温度/耐湿和真空试验。温 度试验中阻值增加主要是由于金属元素钯和银的氧化，在高湿气氛中则
