各階段常見的典型失效機(jī)理

前段制程（FEoL）常見的失效機(jī)理

1）與時(shí)間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿（TDDB）-- 柵極氧化物

2）熱載流子注入（HCI）

3）負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性（NBTI）

4）表面反轉(zhuǎn)（移動(dòng)離子）

5）浮柵非易失性存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持

6）局部電荷捕獲非易失性存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持

7）相變（PCM）非易失性存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持

后段制程（BEoL）常見的失效機(jī)理

1）與時(shí)間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿（TDDB）-- low k材質(zhì)電介質(zhì)/移動(dòng)銅離子

2）鋁電遷移（Al EM）

3）銅電遷移（Cu EM）

4）鋁和銅腐蝕

5）鋁應(yīng)力遷移（Al SM）

6）銅應(yīng)力遷移（Cu SM）

封裝/界面常見的失效機(jī)理

1）因溫度循環(huán)和熱沖擊導(dǎo)致的疲勞失效

2）因溫度循環(huán)和熱沖擊導(dǎo)致的界面失效

3）因高溫導(dǎo)致的金屬間化合物和氧化失效

4）錫須

5）離子遷移動(dòng)力學(xué)（PCB）--組件清潔度

本文對(duì)銅應(yīng)力遷移模型進(jìn)行研究。

    由于芯片制造中使用的不同材料和工藝溫度的組合，先進(jìn)銅互聯(lián)技術(shù)中的銅線路處于拉伸應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)幾何構(gòu)型在應(yīng)力中產(chǎn)生局部峰值，并且當(dāng)這樣的峰值存在于邊緣附著力差的位置或預(yù)先存在的工藝誘導(dǎo)空洞處時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大的應(yīng)力梯度。應(yīng)力遷移（應(yīng)力誘導(dǎo)空洞，或簡(jiǎn)稱為應(yīng)力空洞）這一術(shù)語指的是在這種機(jī)械應(yīng)力梯度的影響下金屬原子的移動(dòng)。

    金屬的移動(dòng)（遷移）在應(yīng)力超過金屬化的屈服點(diǎn)之前很少發(fā)生，當(dāng)超過后金屬原子從低應(yīng)力區(qū)域向高應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)散促使空洞的生長(zhǎng)，當(dāng)空洞足夠大時(shí)，空洞會(huì)導(dǎo)致電開路或電阻上升從而引起電氣故障。

    因?yàn)殂~具有更大的彈性模量、更高的熔點(diǎn)和更高的屈服強(qiáng)度，所以它比鋁金屬化能夠更好地承受應(yīng)力。銅擴(kuò)散的活化能大于鋁原子（隨著溫度降低相對(duì)擴(kuò)散率較小），且電沉積銅的初始空隙大。因此，隨著尺寸的減小和新材料的引入，銅已顯示出對(duì)應(yīng)力遷移的脆弱性，就像它的前身鋁一樣。從現(xiàn)象學(xué)上講，銅中的應(yīng)力遷移與鋁中的非常相似。它仍然是一個(gè)擴(kuò)散過程，并且仍然取決于銅中的拉伸應(yīng)力大小。但是由于微觀結(jié)構(gòu)和制造方法的差異，應(yīng)力誘導(dǎo)空隙的數(shù)量和位置與鋁金屬化中的有很大不同。

    在銅線應(yīng)力遷移的情況下，應(yīng)力誘導(dǎo)空洞（SIV）模式（其中空洞出現(xiàn)在連接上層布線和下層布線的過孔部分）是可靠性方面的一個(gè)問題。當(dāng)寬布線和窄布線通過單個(gè)過孔連接時(shí)，寬布線一側(cè)的拉應(yīng)力集中在過孔上，這會(huì)由于蠕變現(xiàn)象導(dǎo)致銅線中的缺陷移動(dòng)到過孔部分，然后產(chǎn)生空洞。與鋁金屬化相比，寬度＜2um的長(zhǎng)蛇形銅布線對(duì)應(yīng)力遷移不敏感。相反，各種與走線或襯墊相連的過孔特殊結(jié)構(gòu)顯示出對(duì)應(yīng)力遷移的敏感性。在銅金屬化中，應(yīng)力遷移（SM）的影響在接觸寬線的過孔下最為嚴(yán)重。

    已知在銅過孔處的應(yīng)力遷移發(fā)生在約200°C左右有一個(gè)溫度峰值。然而，由于這種失效在很大程度上取決于銅線形成后的高溫退火過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，并且它在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，因此會(huì)導(dǎo)致早期失效。  

    解決對(duì)策：

    1）設(shè)計(jì)：寬布線和窄布線通過兩個(gè)或更多過孔連接。當(dāng)布線通過兩個(gè)或更多過孔連接時(shí)，施加在一個(gè)過孔上的應(yīng)力得到緩解，即使一個(gè)過孔因施加應(yīng)力導(dǎo)致出現(xiàn)空洞，另一個(gè)過孔也不會(huì)出現(xiàn)開路問題，這可以防止布線之間的開路缺陷。

    2）制造：制造工藝中針對(duì)此問題的對(duì)策，采取了諸如緩解銅線應(yīng)力和選擇減少銅線缺陷的工藝條件等措施。

    目前對(duì)于應(yīng)力遷移沒有商定的行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。常見的做法是將包含對(duì)應(yīng)力遷移敏感的測(cè)試結(jié)構(gòu)的晶圓置于高溫（150°C至300°C）下較長(zhǎng)時(shí)間（約1000小時(shí)），定期將晶圓冷卻至室溫，以測(cè)試電阻是否有任何增加。

    應(yīng)力遷移速率與機(jī)械應(yīng)力和溫度的關(guān)系研究：

    1）低溫下：由銅與周圍襯墊和電介質(zhì)之間熱膨脹系數(shù)的差異引起的機(jī)械應(yīng)力在較低溫度下會(huì)增加。

    2）高溫下：取決于擴(kuò)散率的原子遷移率在較高溫度下會(huì)增加。

    因此，空洞生長(zhǎng)速率的最大值出現(xiàn)在中間溫度，此時(shí)應(yīng)力和擴(kuò)散率的乘積最大。對(duì)于銅，空洞生長(zhǎng)的最大溫度通常在 175°C 至 225°C 范圍內(nèi)。

注：部分研究表明，銅應(yīng)力空洞生長(zhǎng)沒有最大值，而是隨著溫度升高（無應(yīng)力依賴性）生長(zhǎng)速率持續(xù)增加。可能是延遲的晶粒生長(zhǎng)等原因?qū)е隆?/span>

    因?yàn)闄C(jī)械應(yīng)力取決于溫度，所以很難直接確定擴(kuò)散激活能。在沒有其他數(shù)據(jù)的情況下，Eaa值選0.9eV，研究表明Eaa值在0.74~1.2eV之間。

熱機(jī)械應(yīng)力模型：

    失效時(shí)間（TTF）可以使用埃林模型，在該模型中，計(jì)算機(jī)械應(yīng)力的冪律與阿倫尼烏斯因子的乘積。如果應(yīng)力是由不同的熱膨脹率產(chǎn)生的，那么這種應(yīng)力被稱為“熱機(jī)械應(yīng)力”，并且與溫度的變化（即熱應(yīng)變，ε ∝ (ΔT)）成正比。

應(yīng)力遷移壽命預(yù)估示例：

目標(biāo)：

計(jì)算辦公環(huán)境與加速應(yīng)力環(huán)境下應(yīng)力遷移的加速因子（AF）。

假設(shè)條件：

1）正常使用條件為：50°C芯片溫度

2）加速條件為：150℃應(yīng)力溫度

3）To：300℃

4）N：3

5）表觀活化能Eaa：0.9eV

AF計(jì)算公式：

AF=[(To–Toffice)/(To–Taccel)]–N*exp[(Eaa/k)(1/Toffice–1/Taccel)]

假設(shè)條件代入計(jì)算：

AF=[(300–50)/(300–150)]–3*exp[(0.9eV/8.62x10–5eV/K)(1/(273+50)K–1/ (273+150)K)]=0.216*2080=450

結(jié)論：從加速環(huán)境轉(zhuǎn)換為正常使用環(huán)境，TTF值將增加到加速應(yīng)力值的約30倍。機(jī)械應(yīng)力使TTF值增加約0.22倍（負(fù)方向），而溫度使TTF值增加約2080倍。