第07章厚膜电路的失效机理

第七章厚/薄膜集成电路失效机理厚/薄膜集成电路是一种格外重要的微电子器件。它是将厚/薄膜集成电路技术制造的无〔包括半导体集成电路芯片承受敏捷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。其中互连线/穿插线和多层布线，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/功能更为简单的混合集成电路。厚薄膜集成电路的失效不仅有硅芯片失效，而且还包括厚/薄膜元件/互连导带/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50%---70%，薄膜电容10---20%10%10---20%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---300Ω/的镍铬合金和镍铬合金和氧化钽。薄膜电阻器失效的缘由是：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。环境温度和电阻下，温度/湿度效应更加严峻。针孔和工艺缺陷。电阻膜中难免存在针孔其产生的缘由与电介质膜一样。电阻膜有部烧毁而导致电阻器失效。基片内Na/K离子的影响。假设在基片材料中或外表上存在碱性离子，如Na/K等离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〕SiO薄膜电容器失效的主要缘由有以下几方面：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。电化学固相反响。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响：Si---O---Si 局部击穿电场 Si---Si---+O+eSi—O—Si基团游离出一个硅离子，并释放坏性的击穿发生之后，击穿区四周消灭单晶硅和游离硅SiSiO电介质绝缘性能下降以及在电场作用下导致电容器失效。3SiO2的吸潮效应。对真空淀积SiO薄膜的构造分析说明，膜中存在着SiO/Si2O3/SiO2/H2OCO2。Si2O3SiO膜的绝缘电阻下降和Si2O3和H2O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。“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，因此简洁在下电极“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0.3u，下电极厚约0.15u，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。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，薄膜构造有关，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电介质膜中假设存在这种应力，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。依据腐蚀过程的特点，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响形成金属化合物现象。金属的电化学腐蚀是用微电池作用加以解释的进展：金属化外表存在不同电极电位的金属〔杂质形成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外表的电化学不均匀性〔即不同电极电位的局部〕引起的。造成金属薄膜不均匀性缘由有：极，简洁失去电子，患病腐蚀；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。形成微电池。金属组织的不均匀性。某些金属或合金的晶粒和晶粒间界的电位是不完全一样的。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)。这说明晶粒是阴极，晶粒间界是阳极。金属薄膜假设不完整，存在针孔/气泡和缺陷也会造成电位差异。到失效的程度。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部过热而使铝膜烧断。争论说明，假设金属薄膜外表有缺陷〔划痕/针孔等〕而使局部电流密受电场的作用力，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，在阳极四周聚拢而生长出小丘或触须。空位则向阴极方向移动，聚拢生成空隙。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。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，都可能严峻影响导带负载电流内应力或基片外表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。薄膜导带穿插，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．键合系统失效之间的连接区被严格限定在微小的范围内，被连接的对象又是厚度极薄的薄层；另一方面，连接的类型也格外简单，它不仅仅限于直接焊接，焊接对象还包括承受真空条件下的蒸发/是格外简单的。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。影响其牢靠性的因素较多，下面分别加以表达。〔一〕外表污染金属外表总是有各种各样的非金属污染层掩盖在上面，这些污染层包括金属氧化物层，些外表污染层并防止它们再生成。外表就可以淀积一层简洁相互连接的金属层〔焊料层。外表污染层则主要靠机械方法予以消退〔也可承受化学方法，但在集成电路焊接中应用甚少。连接。〔二〕界面接触相互连接的牢靠性。一般经过抛光的固体金属外表之间在垂直力的作用下，只有不到1%的外表是“真正”接触到的，由于从原子的规模上来看，不管固体金属外表抛光得如何彻底，〔而较弱的次价力作用范围大约为0.1u。因此，界面要结实地接合，其接触强度应当到达晶粒间的接触强度。〔三〕连接的稳定性影响互连的另一个因素是连接的稳定性失效的隐患。另外，在金属之间还可以生成某些金属间化合物。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—铝合金的生成比单块电路严峻。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下缘由引起的：---银电阻器进展温度/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和生成PdAg和化学吸附的影响。另外，离子迁移也会造成金属化学组份的变化。化学反响的影响。主要是焊剂/吸附气体/粘合剂/溶剂和包封材料引起的与厚膜电阻器材料的化学反响。应力影响。电阻器内应力消逝/电阻膜与其保护玻璃釉膜界面上应力消逝/灌注树脂硬化时热膨胀和收缩而产生的机械应力等，都将引起电阻器开裂。工艺掌握的影响。喷砂微调粉末散布到电阻器外表上/电阻膜与导带端头未对准/过分微调/导带集中进电阻膜面而造成热点等都将影响电阻器的稳定性。高压尤其是高压脉冲状况下，大多数厚膜电阻器将产生相当大的阻值变化，这叫厚膜电阻器的电压漂移，是由以下因素造成的：在导体金属与玻璃之间以及导体金属颗粒之间存在着不完全的浸润。引起阻值变化。常用的钯—银电阻器在氢气气氛中参数不稳定。在制造和使用厚膜混合集成电路的—或胺的密封封装〔如环氧树脂/粘合剂/溶剂/焊剂等〕内，电阻器均可遇到氢或放氢产物。另外，电阻器可能应用在一个封闭的电子系统内，其中由于干电池/潮气与金属反响，制冷剂/湿芯式电容器的渗漏或塑料过热的热分解等均可产生氢。为了抑制氢对钯—电阻器上涂一层玻璃釉加以保护。二厚膜电容器的失效厚膜电容器易于发生如下失效：由于电介质裂开而发生开路。由于电介质针孔/击穿或电极外表材料有毛刺而发生短路或绝缘电阻下降。由于喷砂微调/电介质氧化/电介质与电极材料反响/电介质开裂而造成电容量过度漂移。外贴无封装叠层独石电容器易发生如下失效：独石电容器端头简洁失去附着力和键合强度，在锡焊连接中可能形成不期望存在的金属间化合物。可能由于层间脱层或电极间短路而失去电容量。假设内部电极外露，可能造成绝缘电阻下降和极间短路。假设焊接中使用过多焊料积存在端头上，当暴露在温度变化的环境中时，独石电容器可能碎裂或脱层。三．厚膜导带的失效由于印刷导体之前基片清洗不当，在基片外表残留有机材料或烧结周期不正常将造成厚膜导带附着力不良。在锡焊操作中，厚膜导带材料溶解在焊料中以及形成金---铅---锡金属间化合物可能使键合强度严峻下降。在组装外贴元件/成键合失效。当暴露与高温〔150*C〕时，掩盖有焊料的厚膜导带会消灭失效，消灭附着力/电导接的钯—------导带界面---铅---低键合强度的脆性连接。掌握焊接操作/保持键合时间最短/焊接之后削减产品暴露于高温〔150*C〕的时间/镀金引出线元件在焊上厚膜导带之前预先上锡，均可以削减上述影响。导带氧化/烧结不当/烧结引起玻璃釉堆集或导带层烧结之后的其它烧结引起的恶化都将造成厚膜导带可焊性不良，形成不良键合。含银厚膜导带简洁发生银离子迁移，在环境潮湿和外加电场时，银离子通过潮气层迁移，造成连续短路。银还简洁被一般焊料浸析，溶于锡。四．基片的失效仅与基片有关的失效模式是开裂造成的突变性失效。基片的开裂可能是由以下因素造成厚膜材料对基片的粘接不良。这就可能造成不牢的键合区和由于连接外贴元件/引出线时因键合脱开而造成失效。五．半导体器件的失效能消灭由于芯片金属化层的厚度/外表特性等变化而引起的键合质量问题。引线越长，与键合线短路和其它因冲击/振动及加速而引起的线键合缺陷的时机就越多。导带的氧化可能造---硅共熔体的区域上安置线键合可能线键合的脱开或断线。失效分析程序失效分析程序〔一〕一．总结/分析/