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微电子器件与IC的可靠性与失效分析 （五）电极作者：Xie M. X. (UESTC，成都市) 对于半导体器件和集成电路，其电极连线的金属膜当发生原子迁移时，就会出现空洞、甚至断裂，从而将可能造成电路失效。在IC中因为电极连线断裂所造成的失效主要有电迁移和应力迁移两种效应。（一）电极连线的应力迁移失效电极连线的应力迁移是在大规模集成电路（如64Kbit DRAM）中所发生的一种失效模式。这种失效模式与在大电流密度下所发生的电迁移失效模式不同，应力迁移是在没有通电情况下也会出现的一种失效，即是在150oC250oC条件下进行老化处理时就会发生断线的一种失效。（1）产生电极连线应力迁移的原因：观察到Al电极连线的应力迁移断裂有两种形式：一是出现整齐的狭缝状的断口；二是出现楔子状的断口（Al缺少的断口）。导致出现这种连线断裂的主要原因往往与电极连线上的保护膜有关。因为当在Al连线上面没有保护膜时几乎不出现断裂，而在覆盖有溅射SiO2/CVD-PSG双层膜、或者溅射SiO2/等离子体CVD-SiN双层膜时，则Al连线就容易出现断裂（失效率要高出2个数量级以上），并且其中应力较大的溅射SiO2/等离子体CVD-SiN双层保护膜的所造成的失效率更高。具体造成应力迁移的机理有如下的两种：具有收缩应力的保护膜，当它通过弯曲而释放应力时，即使得其下面的电极金属膜受到压缩应力，从而造成Al缺少的断线；电极金属膜与Si衬底、或者与保护膜的热膨胀系数不同所造成的应力，也有可能造成断线。这在微细线条的布线中，出现楔子状断口的情况，往往就属于这种机理。例如，对于宽度为30mm的金属连线，若采用具有收缩应力的p-SiN来作为保护膜时，在高温（450oC500oC）下即常常发生Al缺少的断裂；但若覆盖具有拉伸应力的PSG来保护时，则连线不会发生这种断裂。如果考虑温度变化的影响，则在升温过程中，观察到较窄的连线不会发生Al缺少的断裂，但在冷却过程中则容易发生这种断裂；并且当从高温徐徐降温、以及在连线较宽的情况下，将明显地发生Al缺少的断裂，而在急速冷却过程中较窄的连线也不会发生这种断裂。（2）防止电极连线应力迁移的措施：减小覆盖保护膜加在电极金属膜上的拉伸应力。例如，采用聚酰亚胺之类的柔软保护膜即可防止应力迁移。因为在热处理过程中所出现的Al缺少，在本质上是与应力迁移相同的，所以可以优化冷却条件来减小Al原子的迁移，以降低失效几率。增加电极连线金属膜的机械强度，以提高抗应力迁移的能力。例如，在连线的AlSi合金中加入Cu或Ni，或者在Al膜上采用CVD方法覆盖一层W膜。总之，在芯片表面上，包括在电极连线的金属膜上面，覆盖一层保护膜，这是表面钝化、以提高稳定性和可靠性所必须采取的一项重要措施，而且这一层保护膜对于增强抗电迁移的能力也是有效的；只是这一层保护膜如果不当的话，反而会导致应力迁移，引起额外的失效。（二）电极连线的电迁移失效微电子器件和电路的电极连线所发生的电迁移，是在电流密度很大（105A/cm2）时出现的一种重要失效模式，即是连线金属的原子在很大电流密度下产生迁移而造成连线断裂或者短路的一种现象。对于大功率器件和VLSI，电迁移所造成的失效往往是一个重要的问题。（1）产生电迁移的机理：电极连线在许多“快速”电子的持续轰击下，其中的原子可获得动量、并发生迁移扩散；主要的扩散路径是具有足够空间的晶粒间界和连线表面（或者界面）。连线原子这种迁移的结果是造成一端原子缺失出现断路，另一端原子堆积出现短路，从而造成互连失效，这就是电迁移现象。因为晶体中原子的扩散迁移是一种激活的过程，所以电迁移的快慢还与温度有关。在较热的区域原子迁移快，在较冷的区域原子迁移慢，因此在金属原子由热区向冷区迁移时，容易发生原子堆积、形成小丘。显然，电极连线的厚度T越大、宽度W越大，就越不容易发生由于电迁移所引起的失效。（2）Black电迁移失效方程：由于发生电迁移的速率REM与两个因素有关：原子迁移过程的热激活能EA（这与连线金属多晶薄膜的结构和表面状况有关，一般约为0.40.8eV）；原子被电子轰击的速率决定于电流密度J。因此，电迁移的速率可表示为（经验关系）：REMJn exp(-EA/kT)这里电迁移的速率与电流密度J的n次方成正比，是因为实验表明：在小电流密度时n=1，在通常发生电迁移的大电流密度时n=2。电迁移所造成的互连失效，可以采用50%失效的平均时间MTTF来判定，该时间即表示了电极连线的寿命。因为电迁移平均失效时间与电迁移的速率成反比，所以有Black电迁移失效方程：MTTF=A(WT/Jn) exp(EA/kT)式中A为该连线的固有常数。该Black方程对于通过实验来推测电极连线的寿命非常有用。LSI的使用条件通常规定为80oC和J105A/cm2。但是为了推测出电极连线的寿命，一般是采用所谓加速失效实验，即一般在J105A/cm2和150oC250oC条件下来进行实验，得出多数样品出现断路或者短路时的平均时间（MTTF）；然后再将所得结果根据Black方程外插到实际使用的条件下，即可求出电迁移平均失效时间。（3）防止电迁移的措施：尽量增加电极连线金属膜的厚度和宽度，以降低电流密度。但这在VLSI中往往不是简单的事情。因为连线金属膜的表面是原子迁移的一种重要路径，所以在金属膜的表面上沉积一层所谓“阻挡层”（常用SiO2和Si3N4薄膜），即可增大电迁移激活能，从而能够提高电迁移平均失效时间（可提高825倍以上）。因为连线金属膜的晶粒间界是原子迁移的另一种重要路径，所以增大多晶颗粒的尺寸、减小晶粒间界，也可以增大电迁移激活能，提高电迁移平均失效时间（有实验表明，小于2mm的金属连线反而其电迁移平均失效时间有所延长，是所谓bamboo结构的效应）。金属Al电极因为其原子质量较小而容易发生电迁移，所以在Al中掺入适量的原子质量较大的Cu或者Ti，即可增大电迁移激活能，从而提高电迁移平均失效时间（可提高一个数量级以上）。对于AlCu或者AlTi合金薄膜，其原子电迁移的路径主要是表面（界面），所以可以在这些合金薄膜的表面上沉积一层阻挡层来进一步提高其电迁移平均失效时间。不过，采用合金薄膜时，连线的电阻率将有所增大。 采用多层结