文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

本文主要講解了芯片與應用有關的失效機理。

半導體集成電路失效機理中除了與封裝有關的失效機理以外，還有與應用有關的失效機理，分述如下

輻射引起的失效

與鋁有關的界面效應

金與鋁有關的界面效應

輻射引起的失效

在地球及外層空間環(huán)境中，輻射源分為自然（如宇宙射線）和人造（如核反應堆）兩類，其對微電子器件的損傷可分為以下三類：

永久損傷：輻射源移除后，器件性能無法恢復，如晶格結構永久性破壞或深能級缺陷形成。

半永久損傷：輻射源移除后，器件性能需較長時間（如數(shù)小時至數(shù)天）才能部分恢復，通常與淺能級陷阱電荷的緩慢退火有關。

瞬時損傷：輻射源移除后，器件性能立即恢復，如單粒子瞬態(tài)（SET）引起的邏輯錯誤。

輻射對器件的影響主要通過三種形式實現(xiàn)

瞬時輻照：高能粒子（如α粒子）直接電離硅材料，產(chǎn)生瞬時電流脈沖，可能干擾電路邏輯狀態(tài)。

單粒子輻照：單個重離子（如宇宙射線中的高能粒子）穿過器件敏感區(qū)域（如MOS管溝道），引發(fā)單粒子翻轉（SEU）或單粒子閂鎖（SEL）。

總劑量效應：長期累積的低劑量輻射（如γ射線或X射線）導致氧化層中陷阱電荷積累，改變MOS器件閾值電壓，最終引發(fā)功能失效。

輻射損傷的物理機制

γ射線與X射線：通過光電效應和康普頓散射產(chǎn)生電子-空穴對。在半導體中，電子-空穴對可快速復合；但在氧化層（SiO?）中，部分空穴被深能級陷阱俘獲，形成固定正電荷。同時，輻射在Si/SiO?界面引入新界面態(tài)，導致MOS器件閾值電壓漂移、漏電流增加及跨導退化。

中子輻照：通過晶格碰撞產(chǎn)生原子移位（如硅原子離開晶格位置），形成空位-間隙對缺陷。此類缺陷顯著縮短雙極器件（如BJT）的載流子壽命，導致電流增益下降，但對多子導電的MOS器件影響較小。然而，MOS器件對總劑量效應和單粒子效應更為敏感，因氧化層電荷積累易導致其閾值電壓偏移。

抗輻射加固設計技術

針對宇航級應用，需采用以下措施提升器件抗輻射能力：

抗單粒子設計

電路級：采用三模冗余（TMR）或錯誤校正碼（ECC）屏蔽SEU。

器件級：優(yōu)化版圖布局（如增加敏感節(jié)點電容）以吸收單粒子瞬態(tài)電荷。

抗總劑量效應設計

工藝優(yōu)化：采用輻射硬化氧化層（如氮氧化硅）減少陷阱電荷積累。

電路補償：集成閾值電壓監(jiān)測與動態(tài)調(diào)整電路。

抗劑量率設計

材料選擇：采用高純度硅或外延層減少輻射感生缺陷。

結構設計：增加保護環(huán)或深溝槽隔離以防止寄生器件開啟。

系統(tǒng)級加固

屏蔽設計：利用金屬或陶瓷封裝材料阻擋高能粒子。

冗余與容錯：通過模塊化設計實現(xiàn)故障隔離與重構。

器件敏感性差異

雙極器件：對中子位移損傷敏感，但對總劑量效應耐受性較強。

MOS器件：對總劑量效應和單粒子效應敏感，但抗中子能力優(yōu)于雙極器件。

Bi-CMOS電路：需綜合優(yōu)化雙極與MOS部分的抗輻射性能，例如通過隔離技術減少雙極部分對MOS的干擾。

與鋁有關的界面效應

鋁作為微電子器件中常用的互連材料，與二氧化硅（SiO?）及硅（Si）的界面反應是器件失效的重要誘因，尤其在高溫、高電流密度或輻射環(huán)境下更為顯著。

鋁與二氧化硅（Al-SiO?）的高溫反應

在硅基器件中，SiO?常用作介質層，而鋁互連線在高溫下會與SiO?發(fā)生化學反應：

4Al + 3SiO? → 2Al?O? + 3Si

該反應導致鋁層減薄，若SiO?層被完全消耗，鋁與硅直接接觸，可能引發(fā)PN結短路。在功率器件中，結溫升高易形成熱斑，局部加速Al-SiO?反應，進一步加劇失效風險。

預防措施

優(yōu)化版圖設計：改善熱分布，降低熱阻，增強散熱能力。

復合鈍化層：采用SiO?-Al-SiO?或Si?N?-SiO?多層結構，抑制鋁與SiO?的直接反應。

雙層金屬化：使用Ti-Al、W-Al等復合金屬替代純鋁，利用阻擋層金屬（如Ti）阻隔鋁與SiO?的接觸。

鋁與硅（Al-Si）的界面失效機制

鋁與硅的界面反應涉及多種物理過程，可歸納為以下三類：

(1)固溶體形成與滲透坑

鋁與硅的天然氧化層（SiO?）反應后，硅原子向鋁中擴散并溶解，形成固溶體。

在共晶溫度（577℃）下，硅在鋁中的溶解度達1.59%（原子比），導致鋁膜中出現(xiàn)滲透坑。

失效風險：滲透坑多發(fā)生于接觸孔邊緣（因應力集中和側向擴散），可能穿透淺結器件的PN結，導致漏電或短路。

(2)硅的電遷移（Electromigration）

溶解在鋁中的硅原子因濃度梯度向外擴散，電流作用下電子動能加速硅原子沿電子流方向遷移，形成質量傳遞與動量傳遞。

失效風險：硅遷移可導致NPN晶體管基區(qū)接觸孔短路，或使淺結器件的E-B結退化。

(3)鋁的熱遷移（Thermomigration）

在高溫、高溫度梯度及高電流密度區(qū)域，鋁-硅界面發(fā)生電熱遷移。鋁沿Si/SiO?界面或縱向滲入硅，形成合金釘（Al spike），穿透PN結。

對比其他金屬：金（Au）與硅的共晶點僅377℃，其電熱遷移率高于鋁，需通過阻擋層（如NiCr、Mo）隔離接觸。

失效模式：

雙極性淺結器件：E-B結退化，反向漏電增加，擊穿特性由硬擊穿轉為軟擊穿（等效電阻跨接于結兩端）;

NMOS集成電路：輸出端無保護電路，鋁在靜電或過電應力下沿Si/SiO?界面形成導電通道，導致N+區(qū)與P襯底短路（電阻約2kΩ）。

預防措施

(1)材料優(yōu)化

硅鋁合金（Al-Si）：含0.1%~0.3%硅的鋁合金可抑制硅進一步溶解，同時提高抗電遷移能力和機械強度。

金屬硅化物：采用Al-Ti-Si、Al-(Ti/W)-PtSi-Si等多層系統(tǒng)，結合阻擋層金屬（如Ti、Mo）阻隔鋁與硅的直接接觸。

(2)結構改進

多晶硅阻擋層：在鋁與硅之間沉積多晶硅膜，抑制界面反應。

多層金屬化：使用Ti/Al/TiN等復合結構，降低鋁與硅的互擴散。

(3)工藝控制

低溫工藝：避免高溫步驟（如快速單次熱退火），減少鋁與硅的固相反應。

電流密度限制：優(yōu)化電路布局，降低局部電流密度，抑制電遷移與熱遷移。

金與鋁的界面效應

在微電子封裝中，金（Au）引線或鍵合絲與鋁（Al）互連線的鍵合界面（Au-Al）因化學勢差異，長期使用或高溫（>200℃）存儲后，會形成多種金屬間化合物（IMCs），導致界面失效。

失效機制

(1)金屬間化合物（IMCs）的形成

Au與Al在高溫下反應生成多種IMCs，如Au?Al?、Au?Al、Au?Al、AuAl、AuAl?等。這些化合物的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)（CTE）與Au、Al差異顯著，在鍵合點內(nèi)產(chǎn)生應力，導致：

機械性能退化：IMCs（如Au?Al）脆性大，易形成裂紋（白斑），而AuAl?呈紫色（紫斑），進一步降低黏附力。

電性能下降：IMCs的電導率低于純金屬，接觸電阻增加，最終引發(fā)開路。

(2)柯肯德爾（Kirkendall）效應

在高溫（>300℃）下，Au向Al中的擴散速率遠高于Al向Au中的擴散速率，導致Al焊盤材料被快速消耗。IMCs（如Au?Al）生長過程中，Al的缺失形成空洞（Kirkendall空洞），空洞擴展至整個鍵合界面時，Al膜脫落，導致高阻或開路。

(3)化合物生長壓力

IMCs的晶格常數(shù)大于Au和Al，其生長對鍵合點施加壓力。在溫度循環(huán)或機械應力下，焊點因壓力累積而裂開，加速開路失效。

失效表現(xiàn)與診斷

開路失效：鍵合點電阻急劇升高，但電測試時可能出現(xiàn)時通時斷現(xiàn)象（因機械振動或熱應力暫時恢復接觸）。

高溫存儲測試：將器件置于200℃以上環(huán)境，若開路失效復現(xiàn)，可確認Au-Al界面退化。

影響因素

材料純度：雜質（如硅、銅）加速IMCs生長。

溫度與時間：IMCs生長速率隨溫度升高呈指數(shù)增長，長期存儲或高溫工作加劇失效。

結構不對稱：Al焊盤（厚度約1μm）為有限源，金球為無限源，導致IMCs向Al側偏析，加速Al消耗。

預防措施

(1)工藝優(yōu)化

溫度控制：鍵合溫度≤300℃，避免高溫存儲（<200℃）。

時間控制：縮短高溫工藝步驟（如鍵合時間），減少IMCs形成。

(2)材料改進

阻擋層：在Au-Al界面插入擴散阻擋層（如Ni、TiW），抑制IMCs生長。

合金化：采用Al-Si合金（含0.5%~1% Si）提高抗電遷移能力，或改用高熔點金屬（如Cu）替代Al。

(3)結構設計

多層金屬化：使用Ti/Al/TiN等復合結構，降低Al與Au的直接接觸。

鍵合點優(yōu)化：增大鍵合面積，分散應力，減少局部過熱。

(4)可靠性測試

加速壽命試驗：通過高溫存儲（250℃）、溫度循環(huán)（-65℃~150℃）篩選潛在失效器件。

無損檢測：利用聲學顯微鏡（SAM）或掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鍵合點空洞和裂紋。