金遷移誘致諧波混頻器失效分析研究

席善斌，高金環(huán)，裴 選，高兆豐，黃 杰

（1.中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051；2.國家半導體器件質量監(jiān)督檢驗中心，石家莊 050051）

金遷移誘致諧波混頻器失效分析研究

席善斌1，2，高金環(huán)1，2，裴 選1，2，高兆豐1，2，黃 杰1，2

（1.中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051；2.國家半導體器件質量監(jiān)督檢驗中心，石家莊 050051）

對用于某下變頻器模塊中的HMC264型諧波混頻器開展了失效分析研究。結果表明，混頻器增益下降、電流增大是由于混頻器芯片表面產生金遷移并將相鄰金屬化條跨接所致?；祛l器芯片表面產生金屬遷移是因為芯片表面有液體聚集現象存在，加電使用過程中，金屬化層材料Au在電場及殘留液體共同作用下發(fā)生遷移所致。借助掃描電鏡對電遷移形貌及元素成分進行了分析，并對電遷移相關的失效機理進行了討論，最后對預防電遷移所導致的失效提出了預防和改進措施。

金遷移；諧波混頻器；失效分析；電子風力

引言

近年來，電子產品不斷向高性能、微型化、便攜化方向發(fā)展，電路的封裝密度以及集成度越來越高，功率也越來越大，從而引起芯片單位電流密度也不斷增大，芯片互聯線發(fā)生金屬遷移導致電路失效的幾率也變得也來越高。金屬遷移是集成電路微型化、高性能以及采用小型化互聯結構而出現的一個尤為典型的質量問題，會嚴重影響電路可靠性，大大減少器件使用壽命，且對溫度、濕度、芯片電場強度等多種環(huán)境條件較為敏感，是芯片設計和制造中必須要考慮的一個重要因素，更是芯片使用中所面臨的一個最為重要和急需解決的可靠性問題。

本文針對HMC264型諧波混頻器金遷移導致的失效開展失效分析研究，利用金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀等設備對芯片進行微觀分析，探究混頻器失效模式及其潛在的失效機理，并給出相應的預防措施。

1 失效分析

HMC264型諧波混頻器為Hittite公司生產的進口工業(yè)級器件，用于某型號下變頻器模塊中，該模塊在溫度循環(huán)試驗后進行整機試驗時出現功能異常，研制單位對模塊進行故障定位后，認為其內部的HMC264型混頻器電流增大、增益下降，從而導致整機異常。

將下變頻器模塊機械開封后，其內部的HMC264型諧波混頻器芯片整體形貌如圖1所示，芯片未見開裂現象，表面未見金屬多余物，但芯片表面有液體殘留痕跡，且殘留痕跡呈區(qū)域聚集現象，可以斷定芯片表面與液體接觸。利用金相顯微鏡獲得的芯片局部形貌如圖2所示，可見芯片表面存在明顯的金屬遷移現象，遷移產物從芯片表面金屬化層邊緣處起源呈樹葉狀散開，且部分區(qū)域已將相鄰金屬化條跨接。

圖1 HMC264混頻器芯片全貌

圖2 芯片表面金屬遷移形貌

圖3 掃描電鏡下金屬遷移形貌（a）及元素特征峰（b）

表1 遷移金屬元素成分

為進一步確定發(fā)生金屬遷移的元素成分及含量，對圖2中實線標記區(qū)域進行掃描電鏡（SEM）成像檢查，并對發(fā)生遷移的金屬（圖3標記區(qū)域）借助能譜儀（EDS）進行能譜分析，獲得的放大6000倍的SEM成像及EDS能譜結果如圖3所示，元素含量如表1所示。圖3可以清晰看出發(fā)生遷移的金屬形貌，遷移金屬從長條金屬層底部自上而下生長，位于方形金屬層間的遷移金屬面積要大于兩側，并與下面的方形金屬層完全搭接，在條形金屬的上部則沒有發(fā)生金屬遷移的現象。遷移金屬的方向性可能與器件工作時芯片電場分布相關。對搭接部分的金屬進行能譜分析獲得的元素特征峰主要是金（Au），其重量百分比為83.90 %，可以確定器件失效主要是由于芯片發(fā)生了金遷移所致。

2 失效機理

多數情況下，芯片發(fā)生金屬遷移主要是由于電遷移引起的，電遷移是器件互聯線中的金屬陽離子與電場作用下作漂移運動的電子相互作用引起的定向輸運現象。因此，從電子與金屬離子相互作用這一角度看，只要有電流流過，電路就有一定幾率發(fā)生金屬電遷移現象[1]。事實上，器件失效發(fā)生金屬遷移現象并非電場應力單獨作用導致的結果，在電遷移過程中一般還會伴隨應力作用下的應力遷移、溫度作用下的熱遷移以及發(fā)生化學作用引起的化學遷移等現象中的一種或多種同時發(fā)生。

器件工作時，芯片會有電流流過，由于金屬布線寬窄不同以及結構的差異，芯片不同部位的電流密度也不相同，高、低電流密度間產生的焦耳熱也不盡相同，這種有差異的焦耳熱會在芯片內部形成溫度梯度，它是導致金屬發(fā)生熱遷移的主要驅動力。電遷移過程中，電子沿著電場方向做定向漂移運動，在原來的位置留下空穴，空穴的大量積累會導致金屬互聯結構產生局部應力。此時，一般還同時存在機械和溫度載荷所產生的應力，在這一種或多種應力形成的應力梯度作用下，原子就有一點幾率作定向應力遷移。此外，由于電遷移或應力遷移會導致芯片內部原子不再平均分布，這會導致芯片局部原子濃度過高，這種由濃度高低所形成的原子濃度梯度就會引起金屬發(fā)生化學遷移[2]。綜上分析，金屬發(fā)生遷移失效一般都是多種遷移機制綜合作用導致的結果。諧波混頻器在經歷了溫度循環(huán)后，加電測試發(fā)現失效，且機械開封后芯片表面有液體殘留痕跡，說明混頻器發(fā)生金屬遷移并非單一應力也同樣是多種應力綜合作用所引起的。

Fiks在1959年發(fā)表的文獻中首次提出了“電子風力”這一概念，并對金屬發(fā)生的電遷移現象作了詳細研究。他認為，當器件工作時導體中加載電流，大量的電子就會在電場作用下作定向運動，此時電子有一定的幾率與金屬中處于游離態(tài)的原子相互碰撞并進行動量交換作用。一旦金屬原子通過碰撞獲得的能量超過其掙脫勢壘束縛所需的能量時，就會離開其所處的平衡位置向下一個平衡位置移動。當芯片局部存在高電流密度梯度時，這種因動量交換引起的原子定向遷移運動就變得非常顯著，進而引起該位置產生明顯的質量輸運[2]。如圖4所示，金屬原子與電場作用下定向運動的電子之間發(fā)生動量交換所需的力我們稱之為“電子風力（Electron Wind Force）”，并用Fwind來表示，其方向與電場方向相反，也即與電子定向運動的方向一致；電場直接作用到金屬原子上的庫侖力用Fdirect來表示，二者的合力一般統(tǒng)稱為“電子風力”。在高電流密度條件下，金屬原子受到定向運動電子碰撞作用更為顯著，故金屬原子沿電子漂移方向作定向運動。

高電流密度梯度的存在會引起金屬互聯結構內的原子作定向遷移運動，產生顯著地質量輸運，從而導致芯片金屬互聯結構上產生明顯的空洞或金屬晶須，發(fā)生電遷移失效。空洞的出現會使金屬互聯線變窄，使得線路電阻增加，嚴重時還會導致互聯線完全斷開，電路發(fā)生開路失效；定向生長的晶須則會跨接在相鄰的互聯線上，電路互聯短路，最終導致電路功能失效[2-6]?；祛l器芯片表面定向生長的樹葉狀金屬正是晶須的一種特殊表現形式。

圖4 “電子風力”示意圖

為描述金屬電遷移失效，我們引入中值失效時間（Median Time to Failure，MTF）這一概念。中值失效時間是指在相同的直流電流作用下，50 %金屬互聯引線發(fā)生失效需要的時間，失效判據為引線電阻增加1倍，其數值大小可以用式（1）來表示：

式中，MTF為中值失效時間；A為金屬互聯線的有效橫截面積；C為修正因子，且與互聯線密度、電阻率、晶粒大小、粒子質量等相關；J為互聯線內電流密度（A/ cm2）；n為電流密度指數；EA為原子發(fā)生遷移所需的最低能量也即激活能（eV），與修正因子C一樣，均可通過試驗數據加以確定；k為波爾茲曼常數（l.38×10-23J/ K）；T為金屬條溫度（K）?？梢钥闯鲋兄凳r間與芯片電流密度和工作溫度密切相關，芯片電流密度越大，或其工作溫度越高，中值失效時間就越小，也就是說發(fā)生失效所需的時間就越短?；祛l器在溫度循環(huán)試驗中，高溫引起MTF值減小，導致電遷移失效所需的時間減小，即高溫在一定程度上加劇了芯片電遷移失效的發(fā)生。

溫度梯度作為原子遷移的一個驅動力，會引起原子從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域作定向運動。電路工作過程中產生的焦耳熱是導致芯片表面形成溫度梯度的一個主要因素，這一溫度梯度在電路發(fā)生電遷移之前就已存在，只是在電路發(fā)生電遷移失效過程中，會加速金屬互聯線上的空洞或晶須的形成。國外文獻也證實了溫度梯度的存在對電遷移失效的影響，認為典型金屬電遷移失效一般發(fā)生在芯片存在最大溫度梯度的位置[7,8]。如果電子從低溫區(qū)域向高溫區(qū)域移動，此溫度梯度會延長電遷移失效時間，若電子從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域移動，此溫度梯度則會顯著縮短電遷移失效時間。

綜上分析，混頻器芯片表面有液體殘留痕跡，可以推測在循環(huán)試驗中的低溫階段，器件腔體內部以及芯片表面產生了凝露，在芯片加電使用時，如果內部鈍化層結構不完整，就會導致芯片漏電增加或短路，引起電參數超差失效；另外凝露還會引起器件漏電變大、絕緣電阻變小，嚴重時甚至會出現飛弧和擊穿等現象[9]。在電、潮濕和溫度的共同作用下，混頻器芯片就有一定的幾率發(fā)生金屬遷移現象，導致內部金屬化系統(tǒng)失效。

3 結論

通過對HMC264型諧波混頻器進行的失效分析及其相關的失效機理研究，混頻器增益下降、電流增大的原因是由于混頻器芯片表面產生金遷移并將相鄰金屬化條跨接所致。混頻器芯片表面產生金屬遷移的原因是由于芯片表面有液體聚集現象存在，加電使用過程中，金屬化層材料Au在電場及殘留液體共同作用下發(fā)生遷移所致。

合理進行電路版圖設計及熱設計，盡可能增加條寬，降低電流密度，采用合適的金屬化圖形（如網絡狀圖形比梳狀圖形好），使有源器件分散；控制晶片缺陷密度，減少金屬化內部應力，完整、均勻的表面鈍化層結構以及有效的水汽含量控制措施等均可有效延緩或降低電遷移導致的器件失效現象發(fā)生。

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Failure Analysis of Harmonically Mixer Caused by Au Electromigration

XI Shan-bin1，2，GAO Jin-huan1，2，PEI Xuan1，2，GAO Zhao-feng1，2，HUANG Jie1，2
（1.The 13th Research Institute，CETC，Shijiazhuang 050051；2.National Semiconductor Device Quality Supervision and Inspection Center，Shijiazhuang 050051）

The failure analysis of HMC264 harmonically mixer used in the module of a lower frequency converter is carried out.The results show that the gain of the mixer is decreased and the current is increased，which is due to the cross connection between adjacent metal strip caused by Au electromigration.Due to the presence of liquid aggregation on the surface of the chip，and in the process of adding electric power，the metal of Au in the metal layer transfers in the interaction of the electric field and the residual liquid.By means of scanning electron microscopy，the morphology and composition of the elements is analyzed，and the failure mechanism is also to be discussed.Finally，the prevention and improvement measures for the prevention of Au electromigration are proposed.

Au electromigration；harmonically mixer；failure analysis；electron wind force

TN406

A

1004-7204（2015）06-0043-04

席善斌（1985-），男，山東滕州人，博士，工程師，主要從事電子元器件失效分析及可靠性試驗工作。