微电子产品可靠性22058.pptx
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1、Semiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与可靠性物理可靠性物理可靠性物理可靠性物理1二二 两种不同工作条件下的再结构现象两种不同工作条件下的再结构现象 1 1，高温少循环，高温少循环(例如：合金、烧结、热压等例如：合金
2、、烧结、热压等工艺过程工艺过程)再结构再结构 再结构表面出现的小丘、晶须和空洞往再结构表面出现的小丘、晶须和空洞往往覆盖了整个晶粒或分布在晶间三相点处往覆盖了整个晶粒或分布在晶间三相点处;小丘和空洞产生的原因小丘和空洞产生的原因 压缩和膨胀压缩和膨胀应力下，应力下，AlAl原子的扩散蠕变原子的扩散蠕变 ;Semiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconducto
3、r Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与可靠性物理可靠性物理可靠性物理可靠性物理2 SiO SiO2 2上小晶粒上小晶粒(1m)Al(1m)Al膜高温少循环表面再结构的膜高温少循环表面再结构的SEMSEM照片照片 左图为热处理前左图为热处理前,右图为热处理后右图为热处理后(T=400T=400,10 10次循环每次次循环每次1515分钟分钟)Semiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability
4、PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与可靠性物理可靠性物理可靠性物理可靠性物理32 2，低温多循环再结构，低温多循环再结构电极温度低、变化电极温度低、变化大，变化次数多。大，变化次数多。特点：金属化表面粗糙不平，出现皱纹；特点：金属化表面粗糙不平，出现皱纹；皱纹产生原因：压缩疲劳引起的塑性形变；皱纹产生原因：压缩疲劳引起的塑性形变；后果：使后果：使AlAl膜的晶粒长大，变胖，长
5、出晶膜的晶粒长大，变胖，长出晶瘤，常常是短间距的金属化器件极间瞬时短瘤，常常是短间距的金属化器件极间瞬时短路的主要原因之一。路的主要原因之一。Semiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与可靠性物理可靠性物理可靠性物理可靠
6、性物理4 大晶粒大晶粒(8)的的1mil宽宽Al膜在低温膜在低温 (T=70)36000次电脉冲作用下表面再结构的次电脉冲作用下表面再结构的SEM照片照片Semiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与可靠性物理可靠性物理可
7、靠性物理可靠性物理5三，防止表面再结构的措施三，防止表面再结构的措施 1,1,提高蒸发时的衬底温度以增大晶粒直径，提高蒸发时的衬底温度以增大晶粒直径，可以减弱以至完全防止高温少循环再结构；可以减弱以至完全防止高温少循环再结构；2,2,薄膜合金化，可以增加膜的降服强度，滞薄膜合金化，可以增加膜的降服强度，滞缓金属的流动；缓金属的流动；3,3,铝膜上覆盖铝膜上覆盖 PECVD SiOPECVD SiO2 2，可大大减小铝与，可大大减小铝与SiOSiO2 2(或或Si)Si)之间膨胀系数之差和铝的线膨胀系之间膨胀系数之差和铝的线膨胀系数，这对防止两种再结构都很有效。数，这对防止两种再结构都很有效。S
8、emiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与可靠性物理可靠性物理可靠性物理可靠性物理6小结小结:半导体器件金属电极系统的主要失效机理半导体器件金属电极系统的主要失效机理 蒸发自掩蔽效应造成氧化层台阶处金属膜的断路；蒸发自掩
9、蔽效应造成氧化层台阶处金属膜的断路；因电迁移造成金属电极系统表面出现小丘、空洞、因电迁移造成金属电极系统表面出现小丘、空洞、晶须造成开路或短路。晶须造成开路或短路。金属与硅的共熔金属与硅的共熔,导致硅表面出现腐蚀坑导致硅表面出现腐蚀坑,使使ebeb结结 特性变软特性变软,甚至穿通；甚至穿通；温度循环过程中温度循环过程中,金属膜表面再结构造成表面粗糙金属膜表面再结构造成表面粗糙化化,出现小丘出现小丘,在变薄处加速了电迁移现象的发生；在变薄处加速了电迁移现象的发生；高温下高温下,电极金属与电极金属与SiOSiO2 2相互作用相互作用,使金属膜变薄，使金属膜变薄，SiOSiO2 2受到侵蚀受到侵蚀,
10、造成极间短路或开路；造成极间短路或开路；潮湿气氛下潮湿气氛下,电极系统的电化学腐蚀现象造成极间电极系统的电化学腐蚀现象造成极间开路；开路；Semiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与可靠性物理可靠性物理可靠性物理可靠性物
11、理7静电效应静电效应3.3 3.3 静电效应静电效应3.3.1 3.3.1 静电的产生静电的产生 静电的产生主要有两种形式，即摩擦产生静电和静电的产生主要有两种形式，即摩擦产生静电和感应产生静电。感应产生静电。静电产生的两种形式静电产生的两种形式Semiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Phys
12、ics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与可靠性物理可靠性物理可靠性物理可靠性物理8一，产生静电的过程一，产生静电的过程 1,1,摩擦产生静电摩擦产生静电v因两种物质摩擦或接触后又快速分离而产生静电的因两种物质摩擦或接触后又快速分离而产生静电的过程称为摩擦生电；过程称为摩擦生电；v两种材料表面单位体积所含可动电荷密度不等，或两种材料表面单位体积所含可动电荷密度不等，或者说两种不等电子化学势或费米能级的材料相接触，者说两种不等电子化学势或费米能级的材料相接触，则电子从化学势高的材料运动到低的材料，接触处便则电子从化学势高的材料运动到低的材料，接触处便形成了电偶层，一般
13、接触电势差为形成了电偶层，一般接触电势差为 0.01V0.01V0.1V0.1V。当两种不同材料的物体接触后又迅速分开时，电子当两种不同材料的物体接触后又迅速分开时，电子来不及跑回原材料，则电子化学势高的材料将荷正电，来不及跑回原材料，则电子化学势高的材料将荷正电，反之荷负电，这即静电产生的原因。反之荷负电，这即静电产生的原因。Semiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Physics
14、Semiconductor Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与可靠性物理可靠性物理可靠性物理可靠性物理92,2,若接触物体理想地分离，即无任何电子在分离瞬若接触物体理想地分离，即无任何电子在分离瞬间越过接触面而复合，则在分开过程中间越过接触面而复合，则在分开过程中 Q QCVCV常数常数v 若电偶层厚度为若电偶层厚度为1010-8-8cmcm（1 1 ），接触电势为），接触电势为 0.01V0.01V时，则分离时，则分离1cm1cm，静电势可达，静电势可达10106 6V V；实际上静电；实际上静电势远
15、小于此值，因为两物体分开时，总有些电子要势远小于此值，因为两物体分开时，总有些电子要越过接触面而复合，所以残存的电荷量取决于分开越过接触面而复合，所以残存的电荷量取决于分开速度。速度。Semiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路
16、可靠性与可靠性物理可靠性物理可靠性物理可靠性物理10二二 摩擦生电的电势摩擦生电的电势1,1,两种物体摩擦时，接触点增加，接触面积大，接两种物体摩擦时，接触点增加，接触面积大，接触和分离几乎同时进行，分离速度快，残存的电荷触和分离几乎同时进行，分离速度快，残存的电荷量多，所以，产生的电势高。量多，所以，产生的电势高。2,2,两种不同组合的材料，摩擦后产生静电势的高低两种不同组合的材料，摩擦后产生静电势的高低是不同的，各种材料，按其相互摩擦后产生的电势是不同的，各种材料，按其相互摩擦后产生的电势高低可以排成次序高低可以排成次序:摩擦生电主要发生在绝缘体之间，由于绝缘体不摩擦生电主要发生在绝缘体之
17、间，由于绝缘体不能把所产生的电荷迅速分布到物体整个表面，或迅能把所产生的电荷迅速分布到物体整个表面，或迅速传给它所接触的物体，所以能产生相当高的静电速传给它所接触的物体，所以能产生相当高的静电势；势；Semiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路
18、可靠性与集成电路可靠性与可靠性物理可靠性物理可靠性物理可靠性物理11 常见材料磨擦生电顺序表常见材料磨擦生电顺序表v 排在前面的材料与排在后面的材料相互摩擦时，前排在前面的材料与排在后面的材料相互摩擦时，前者带正电，后者带负电；者带正电，后者带负电；v同种材料与不同材料相互摩擦时，所带电荷的极性同种材料与不同材料相互摩擦时，所带电荷的极性可能不同，可能不同，如玻璃棒与棉相摩擦，玻棒带正电，棉带如玻璃棒与棉相摩擦，玻棒带正电，棉带负电；而棉和硅片相摩擦，则棉带正电，硅片带负电。负电；而棉和硅片相摩擦，则棉带正电，硅片带负电。Semiconductor Reliability&Reliabilit
19、y PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与可靠性物理可靠性物理可靠性物理可靠性物理122 2 感应产生静电感应产生静电 当一个导体靠近带电体时，会受到该带电体形成的当一个导体靠近带电体时，会受到该带电体形成的静电场的作用，在靠近带电体的导体表面感应出异种静电场的作用，在靠近带电体的导体表面
20、感应出异种电荷，远离带电体的表面出现同种电荷。尽管这时导电荷，远离带电体的表面出现同种电荷。尽管这时导体所带净电荷量仍为零，但出现了局部带电区域，这体所带净电荷量仍为零，但出现了局部带电区域，这一过程称为感应生电；一过程称为感应生电；v 显然，非导体不能通过感应产生静电。显然，非导体不能通过感应产生静电。v 静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓度密切相关：度密切相关：在相对湿度高的场合静电势较低；在相在相对湿度高的场合静电势较低；在相对湿度低的场合静电势就高。空气纯净的场所内，由对湿度低的场合静电势就高。空气纯净的场所内，由于离子浓度低，所以
21、静电更易产生。于离子浓度低，所以静电更易产生。Semiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与可靠性物理可靠性物理可靠性物理可靠性物理13一，构成对半导体器件损伤的各种静电源一，构成对半导体器件损伤的各种静电源 对半导体电路
22、产生影响的静电源主要有绝缘体、人对半导体电路产生影响的静电源主要有绝缘体、人造材料和人体，其中人体是最重要的静电源。造材料和人体，其中人体是最重要的静电源。1 1 人体是最重要的静电源人体是最重要的静电源v 人体接触面广，活动范围大，很容易与带有静电荷人体接触面广，活动范围大，很容易与带有静电荷的物体接触或摩擦而带电；同时也有许多机会将人体的物体接触或摩擦而带电；同时也有许多机会将人体自身所带的电荷转移到电路上或者通过电路放电；自身所带的电荷转移到电路上或者通过电路放电；v 人体与地之间的电容较小，少量的静电荷转移到人人体与地之间的电容较小，少量的静电荷转移到人体上，可导致很高的静电势体上，可
23、导致很高的静电势(Q=CV)(Q=CV)；v 人体的电阻较低，处于静电场中容易感应起电；人体的电阻较低，处于静电场中容易感应起电；3.3.2 3.3.2 静电源静电源Semiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与可靠性物理
24、可靠性物理可靠性物理可靠性物理14在各种活动中人体的静电势在各种活动中人体的静电势v 人体静电与人体所接触的环境及活动方式有关人体静电与人体所接触的环境及活动方式有关Semiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电路可靠性与可靠性物理
25、可靠性物理可靠性物理可靠性物理15操作者手上的静电势操作者手上的静电势v 可见，人体静电与人的操作速度有关，操作速度可见，人体静电与人的操作速度有关，操作速度越快，人体静电势越高；越快，人体静电势越高；Semiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability PhysicsSemiconductor Reliability&Reliability Physics集成电路可靠性与集成电路可靠性与集成电
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