失效模式及机理

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闩锁效应

概念：闩锁效应是CMOS工艺所特有的寄生效应，是指在CMOS工艺制作的芯片中，存在寄生三极管形成的电路，在一定条件下，会导致电源与地之间产生大电流，可能会永久损坏芯片。

触发条件：电源或是地突然出现大电流脉冲，或是芯片在正常工作情况下引脚注入电流或是电压均可导致(多数发生在I/O口，也可能会在内部)。

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版图防护：

βnβp＜1则可以抑制闩锁现象。（npn和pnp寄生三极管的共射极电流增益乘积小于1就无法源源不断的进行）

  • 减小体电阻，降低触发风险
  • 加大NMOS和PMOS的隔离，加大距离（增大NPN基区宽度，使环路增益小于1）
  • ......
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电迁移

电迁移分为：

  • 热电迁移（金属化电迁移）：属于物理范畴，包括：温度梯度导致的金属原子扩散和大电流导致的金属原子位移

  • 电化学迁移：包括树状金属沉积物和导电阳极丝，产生的条件因素为电场、潮湿环境、可迁移金属或化合物、污染物，银迁移为典型（所以银无法取代金，银线经过长时间通电，在结合处开始出现银空洞，结合面开始减少，最终导致脱落，产生键合失效，可以通过银合金来改善）。

电化学迁移（银迁移）

概念

在高湿度、持续性电压或具有吸水、吸附湿气特性的绝缘体等条件下，银从金属氧化变成了银离子，继而在电场的作用下，银离子从正极迁移到负极再沉积的过程（Ag>Pb≥Cu>Sn>Au）。

迁移机理

潮湿环境中水及银电离，氢离子到阴极释放氢气，氢氧根离子与银离子形成胶体沉淀，然后氢氧化银不稳定在阳极分解形成黑色氧化银沉淀，然后发生水合反应，形成银离子向阴极移动，析出，形成树枝状，从阳极向银极成扩散状。

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影响因素

  • 电压梯度（电场）：发生离子迁移时，破坏时间和电场的关系基本呈直线关系，有如下经验式：tr=keE-n

  • 温度：离子迁移时，破坏时间和温度的关系基本呈直

    线关系，其经验式为：tr=kTexp(△Q/RT)

  • 湿度：湿度是环境条件中变化最大的因素

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  • 不纯物：会因含有不纯物的组成、使用环境等的不同而产生不同的迁移形态。

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失效图片积累

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热电迁移（金属化电迁移）

概念

因电子的流动所导致的金属原子移动从而产生质量的传输，导致体内某些部位产生空洞或晶须（小丘）的现象。

自扩散：在一定温度下，金属薄膜中存在一定的空位浓度，无电场情况下，金属可以在晶格内通过空位而变换位置（任一临近的原子与空穴交换位置的概率相同，所以不产生质量传输），这种金属离子的运动即是自扩散。

在外电场存在时，它有三种扩散形式：

  • 表面扩散
  • 晶格扩散
  • 晶界扩散

不同的金属所涉及的扩散形式不同，例如，焊点中的扩散主要为晶格扩散；铝互联线的扩散主要为晶界扩散；而铜互联线的扩散主要是表面扩散

在外电场作用下，金属离子受到两种力的作用：

  • 电场力：使金属离子由正极向负极移动。
  • 电子风：导电电子和金属离子间相互碰撞发生动量交换而使金属离子受到与电子流一致的作用力，金属离子由负极向正极移动（外电场作用下两者的合力为扩散的驱动力）。

对铝、金等金属薄膜，电场力很小且电流密度较大时，金属离子主要受电子风影响，结果使金属离子与电子流一样朝正极移动，在正极端形成金属离子的堆积，形成晶须，而在负极端产生空洞，使金属条断开。

产生原因

  • 内因：薄膜导体内结构的非均匀性

  • 外因：电流密度

影响因素

影响互连引线电迁移的因素十分复杂，包括工作电流聚集、焦耳热、温度梯度、晶粒结构、晶粒取向、界面组织、应力梯度、合金成分、互连尺寸及形状等（互联线的失效总是由某个严重的缺陷造成的）。

  • 铝互联线长度的影响

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  • 铜互联线长度的影响

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  • 厚度影响

    厚度减小，表面积比例增加，表面扩散增加，使电迁移寿命下降；

    薄的线条散热能力提高，互联线的焦耳热温升会低些，有利于电迁移寿命提高；

    厚度减小，空洞更易贯穿导线，更易引起开路，使中位寿命下降；

  • 宽度影响

    较为复杂

  • 引线几何形状

    引线的形状可以改变你电流密度的分布，引起电流聚集，产生局部的空位流增量。90°角处的密度及电流密度梯度比45°和30°时要大，后膜引线受转角形状的影响比薄膜引线大，从而电迁移现象也更为显著。

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  • 晶粒结构

  • 温度及电流密度

    一旦互联线中形成空洞，则会导致该处的电流密度增加，电子风的作用更明显，质量运输更快，焦耳热与电流密度平方成反比，导致空洞附近温度升高，从而进一步加速空洞的生长。电流密度越大，空洞生长速度越快，一直加速到由空洞生长引起互联线的开路。

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  • 应力梯度

    IC电路中互连引线与钝化层粘附在一起，由于互连引线的热膨胀系数远大于钝化层的热膨胀系数，因此在热加速过程中互连引线上将产生热应力和热应变，并产生相应的热应力梯度。热应力梯度的存在会降低产生空洞的应力阈值，使得空洞的形成更加容易，因而加速了电迁移进程

  • 合金元素

    在互连引线中加入合金元素的目的是增加电迁移阻力，从而提高MTF。研究表明，在Al 的引线中加入0.5%~4wt%的Cu 会提高MTF。实际上Al-Cu合金引线中的质量迁移可分为三个过程：在电迁移孕育期内，Cu溶质完全溶解；在电迁移期间，Al 发生电迁移形成空洞；在电迁移期间，空洞的稳定长大。

  • 工艺流程

失效模式

  • 短路

    电迁移产生的晶须或小丘造成互联线或相邻焊点间的短路。

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  • 断路

    电迁移引起的互连引线或焊点的中金属原子的空洞，当金属原子的亏空到达一定程度，造成断路现象发生。

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  • 参数退化

    电迁移会导致器件的稳定性，如会使漏电流增大等。