详解半导体集成电路的失效机理

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

本文主要讲解了芯片与应用有关的失效机理。

半导体集成电路失效机理中除了与封装有关的失效机理以外，还有与应用有关的失效机理，分述如下

辐射引起的失效

与铝有关的界面效应

金与铝有关的界面效应

辐射引起的失效

在地球及外层空间环境中，辐射源分为自然（如宇宙射线）和人造（如核反应堆）两类，其对微电子器件的损伤可分为以下三类：

永久损伤：辐射源移除后，器件性能无法恢复，如晶格结构永久性破坏或深能级缺陷形成。

半永久损伤：辐射源移除后，器件性能需较长时间（如数小时至数天）才能部分恢复，通常与浅能级陷阱电荷的缓慢退火有关。

瞬时损伤：辐射源移除后，器件性能立即恢复，如单粒子瞬态（SET）引起的逻辑错误。

辐射对器件的影响主要通过三种形式实现

瞬时辐照：高能粒子（如α粒子）直接电离硅材料，产生瞬时电流脉冲，可能干扰电路逻辑状态。

单粒子辐照：单个重离子（如宇宙射线中的高能粒子）穿过器件敏感区域（如MOS管沟道），引发单粒子翻转（SEU）或单粒子闩锁（SEL）。

总剂量效应：长期累积的低剂量辐射（如γ射线或X射线）导致氧化层中陷阱电荷积累，改变MOS器件阈值电压，最终引发功能失效。

辐射损伤的物理机制

γ射线与X射线：通过光电效应和康普顿散射产生电子-空穴对。在半导体中，电子-空穴对可快速复合；但在氧化层（SiO₂）中，部分空穴被深能级陷阱俘获，形成固定正电荷。同时，辐射在Si/SiO₂界面引入新界面态，导致MOS器件阈值电压漂移、漏电流增加及跨导退化。

中子辐照：通过晶格碰撞产生原子移位（如硅原子离开晶格位置），形成空位-间隙对缺陷。此类缺陷显著缩短双极器件（如BJT）的载流子寿命，导致电流增益下降，但对多子导电的MOS器件影响较小。然而，MOS器件对总剂量效应和单粒子效应更为敏感，因氧化层电荷积累易导致其阈值电压偏移。

抗辐射加固设计技术

针对宇航级应用，需采用以下措施提升器件抗辐射能力：

抗单粒子设计

电路级：采用三模冗余（TMR）或错误校正码（ECC）屏蔽SEU。

器件级：优化版图布局（如增加敏感节点电容）以吸收单粒子瞬态电荷。

抗总剂量效应设计

工艺优化：采用辐射硬化氧化层（如氮氧化硅）减少陷阱电荷积累。

电路补偿：集成阈值电压监测与动态调整电路。

抗剂量率设计

材料选择：采用高纯度硅或外延层减少辐射感生缺陷。

结构设计：增加保护环或深沟槽隔离以防止寄生器件开启。

系统级加固

屏蔽设计：利用金属或陶瓷封装材料阻挡高能粒子。

冗余与容错：通过模块化设计实现故障隔离与重构。

器件敏感性差异

双极器件：对中子位移损伤敏感，但对总剂量效应耐受性较强。

MOS器件：对总剂量效应和单粒子效应敏感，但抗中子能力优于双极器件。

Bi-CMOS电路：需综合优化双极与MOS部分的抗辐射性能，例如通过隔离技术减少双极部分对MOS的干扰。

与铝有关的界面效应

铝作为微电子器件中常用的互连材料，与二氧化硅（SiO₂）及硅（Si）的界面反应是器件失效的重要诱因，尤其在高温、高电流密度或辐射环境下更为显著。

铝与二氧化硅（Al-SiO₂）的高温反应

在硅基器件中，SiO₂常用作介质层，而铝互连线在高温下会与SiO₂发生化学反应：

4Al + 3SiO₂ → 2Al₂O₃ + 3Si

该反应导致铝层减薄，若SiO₂层被完全消耗，铝与硅直接接触，可能引发PN结短路。在功率器件中，结温升高易形成热斑，局部加速Al-SiO₂反应，进一步加剧失效风险。

预防措施

优化版图设计：改善热分布，降低热阻，增强散热能力。

复合钝化层：采用SiO₂-Al-SiO₂或Si₃N₄-SiO₂多层结构，抑制铝与SiO₂的直接反应。

双层金属化：使用Ti-Al、W-Al等复合金属替代纯铝，利用阻挡层金属（如Ti）阻隔铝与SiO₂的接触。

铝与硅（Al-Si）的界面失效机制

铝与硅的界面反应涉及多种物理过程，可归纳为以下三类：

(1)固溶体形成与渗透坑

铝与硅的天然氧化层（SiO₂）反应后，硅原子向铝中扩散并溶解，形成固溶体。

在共晶温度（577℃）下，硅在铝中的溶解度达1.59%（原子比），导致铝膜中出现渗透坑。

失效风险：渗透坑多发生于接触孔边缘（因应力集中和侧向扩散），可能穿透浅结器件的PN结，导致漏电或短路。

(2)硅的电迁移（Electromigration）

溶解在铝中的硅原子因浓度梯度向外扩散，电流作用下电子动能加速硅原子沿电子流方向迁移，形成质量传递与动量传递。

失效风险：硅迁移可导致NPN晶体管基区接触孔短路，或使浅结器件的E-B结退化。

(3)铝的热迁移（Thermomigration）

在高温、高温度梯度及高电流密度区域，铝-硅界面发生电热迁移。铝沿Si/SiO₂界面或纵向渗入硅，形成合金钉（Al spike），穿透PN结。

对比其他金属：金（Au）与硅的共晶点仅377℃，其电热迁移率高于铝，需通过阻挡层（如NiCr、Mo）隔离接触。

失效模式：

双极性浅结器件：E-B结退化，反向漏电增加，击穿特性由硬击穿转为软击穿（等效电阻跨接于结两端）;

NMOS集成电路：输出端无保护电路，铝在静电或过电应力下沿Si/SiO₂界面形成导电通道，导致N+区与P衬底短路（电阻约2kΩ）。

预防措施

(1)材料优化

硅铝合金（Al-Si）：含0.1%~0.3%硅的铝合金可抑制硅进一步溶解，同时提高抗电迁移能力和机械强度。

金属硅化物：采用Al-Ti-Si、Al-(Ti/W)-PtSi-Si等多层系统，结合阻挡层金属（如Ti、Mo）阻隔铝与硅的直接接触。

(2)结构改进

多晶硅阻挡层：在铝与硅之间沉积多晶硅膜，抑制界面反应。

多层金属化：使用Ti/Al/TiN等复合结构，降低铝与硅的互扩散。

(3)工艺控制

低温工艺：避免高温步骤（如快速单次热退火），减少铝与硅的固相反应。

电流密度限制：优化电路布局，降低局部电流密度，抑制电迁移与热迁移。

金与铝的界面效应

在微电子封装中，金（Au）引线或键合丝与铝（Al）互连线的键合界面（Au-Al）因化学势差异，长期使用或高温（>200℃）存储后，会形成多种金属间化合物（IMCs），导致界面失效。

失效机制

(1)金属间化合物（IMCs）的形成

Au与Al在高温下反应生成多种IMCs，如Au₅Al₂、Au₂Al、Au₄Al、AuAl、AuAl₂等。这些化合物的晶格常数和热膨胀系数（CTE）与Au、Al差异显著，在键合点内产生应力，导致：

机械性能退化：IMCs（如Au₂Al）脆性大，易形成裂纹（白斑），而AuAl₂呈紫色（紫斑），进一步降低黏附力。

电性能下降：IMCs的电导率低于纯金属，接触电阻增加，最终引发开路。

(2)柯肯德尔（Kirkendall）效应

在高温（>300℃）下，Au向Al中的扩散速率远高于Al向Au中的扩散速率，导致Al焊盘材料被快速消耗。IMCs（如Au₂Al）生长过程中，Al的缺失形成空洞（Kirkendall空洞），空洞扩展至整个键合界面时，Al膜脱落，导致高阻或开路。

(3)化合物生长压力

IMCs的晶格常数大于Au和Al，其生长对键合点施加压力。在温度循环或机械应力下，焊点因压力累积而裂开，加速开路失效。

失效表现与诊断

开路失效：键合点电阻急剧升高，但电测试时可能出现时通时断现象（因机械振动或热应力暂时恢复接触）。

高温存储测试：将器件置于200℃以上环境，若开路失效复现，可确认Au-Al界面退化。

影响因素

材料纯度：杂质（如硅、铜）加速IMCs生长。

温度与时间：IMCs生长速率随温度升高呈指数增长，长期存储或高温工作加剧失效。

结构不对称：Al焊盘（厚度约1μm）为有限源，金球为无限源，导致IMCs向Al侧偏析，加速Al消耗。

预防措施

(1)工艺优化

温度控制：键合温度≤300℃，避免高温存储（<200℃）。

时间控制：缩短高温工艺步骤（如键合时间），减少IMCs形成。

(2)材料改进

阻挡层：在Au-Al界面插入扩散阻挡层（如Ni、TiW），抑制IMCs生长。

合金化：采用Al-Si合金（含0.5%~1% Si）提高抗电迁移能力，或改用高熔点金属（如Cu）替代Al。

(3)结构设计

多层金属化：使用Ti/Al/TiN等复合结构，降低Al与Au的直接接触。

键合点优化：增大键合面积，分散应力，减少局部过热。

(4)可靠性测试

加速寿命试验：通过高温存储（250℃）、温度循环（-65℃~150℃）筛选潜在失效器件。

无损检测：利用声学显微镜（SAM）或扫描电子显微镜（SEM）观察键合点空洞和裂纹。