應(yīng)力誘發(fā)的電遷移失效分析

陳選龍，石高明，蔡偉，鄺賢軍

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

電遷移 （EM：Electromigration）是指由于電子移動造成原子的大規(guī)模運(yùn)動的現(xiàn)象，是一種物理或者化學(xué)過程。半導(dǎo)體元器件中使用的鉛、銀、鋁、銅、金、鎳和錫等金屬材料在特定的應(yīng)力條件下會誘發(fā)電遷移，造成失效。這些失效可能是器件內(nèi)部沿界面的失效，也可能是PCBA上焊料的遷移，遷移造成了橋連短路，并且使得原有的材料形成空洞而開路，降低產(chǎn)品可靠性，造成的危害非常大。熱電遷移和電化學(xué)遷移 （ECM：Electrochemical Migration）是電遷移的兩種代表，兩者為完全不同的失效機(jī)理。在可靠性試驗(yàn)中，常采用高溫大電流來激發(fā)熱電遷移，用高溫高濕加電的方法激發(fā)樣品的電化學(xué)遷移，對這些失效進(jìn)行分析并找到根本原因，進(jìn)而進(jìn)行工藝改進(jìn)，可以快速地提高產(chǎn)品可靠性。

電遷移可以是固體電遷移，也可以通過液態(tài)媒介在陽極生成枝晶狀物。本文的失效分析研究中包含了集成電路鋁條的遷移、焊點(diǎn)鉛焊料遷移、銀漿料的遷移和集成電路金金屬化遷移等。也就是集中于兩種應(yīng)用：1）多層金屬互連系統(tǒng)的鋁、金等材料的金屬化遷移；2）電極材料如銀漿、鉛焊料的遷移。

1 原理

電遷移失效分析首先必須了解電遷移物理和化學(xué)原理，以及應(yīng)力誘發(fā)條件。

熱電遷移涉及分子動力學(xué)原理，在集成電路應(yīng)用的早期，就有許多研究文獻(xiàn)。其中一種物理解釋是，在電場作用大電流密度條件下，大量的電子撞擊原子晶格，以致少量的原子被撞出原來的晶格，原子在這樣的條件下作定向遷移，從而使得金屬出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，通俗地講就是電子風(fēng) （Electron Field Force）把原子吹跑位了[1]。另一種應(yīng)力是溫度（溫度梯度）引起的原子擴(kuò)散現(xiàn)象 （Diffusion），擴(kuò)散的原子也會沿著電場方向聚集。溫度和電流密度都具有獨(dú)立的影響[2]，熱電遷移的示意圖如圖1所示。集成電路互連系統(tǒng)，包括了集成電路互連金屬條 （Metallization）和接觸通孔 （Contact/Via），兩者均有可能存在應(yīng)力誘發(fā)的電遷移空洞 （Stressinduced Voiding），這也是大規(guī)模集成電路電遷移研究的兩個方向。從缺陷的檢測和失效分析角度而言，熱激光激發(fā)技術(shù) （OBIRCH或者SEI）可以為鋁條電遷移失效提供一個可靠的失效定位[3]，其中OBIRCH主要用于短路和空洞缺陷的檢測，而SEI則用于開路失效的檢測。

鋁由于熔點(diǎn)較低和擴(kuò)散系數(shù)較高， 所以它的抗電遷移較差。鋁基合金的遷移主要通過晶界擴(kuò)散完成，銅基合金則主要是表面擴(kuò)散[4]，因此，銅和鋁的電遷移原理不同。大多數(shù)已經(jīng)發(fā)表的研究都認(rèn)為鋁的遷移易造成開路現(xiàn)象[5]，然而，對于間距小、互連線長的復(fù)雜垂直系統(tǒng)，短路的失效模式較為常見。即同一層金屬內(nèi)相鄰的金屬線之間遷移，以及兩層金屬之間都有可能出現(xiàn)電遷移而誘發(fā)短路。研究人員提出的抗電遷移措施主要是在互連系統(tǒng)中引入合金，如在鋁線中加入0.5%～4%Wt重量的銅，或者采用Al-Si合金金屬化；對于通孔位置，則采用抗遷移能力強(qiáng)的鎢 （W）金屬做互連，TiN做阻擋層。

圖1 電遷移誘發(fā)鋁條空洞的示意圖

另一種與化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的電遷移，我們稱之為電化學(xué)遷移，即有化學(xué)反應(yīng)參與其中，生成枝晶狀的產(chǎn)物。典型的反應(yīng)是銀、鉛、金的遷移，在鹵素的作用下更容易發(fā)生。

銀離子在高溫、高濕和直流電場的作用下極易發(fā)生遷移。其發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)為：

陽極：Ag→Ag++e

陰極：e+H2O→OH-+H2

由于OH-的遷移速度較快，就會在陽極生成氫氧化銀的膠體沉積物，隨后立即脫水生成氧化銀，再還原為金屬銀。即銀首先變成離子遷移，隨后在新的位置生成銀，最后枝晶狀銀在陰極沉淀。

銀、鉛、錫、銅和鎳等金屬在絕緣體 （如玻璃、陶瓷）表面都會發(fā)生金屬沿表面遷移現(xiàn)象，且遷移率按上述金屬順序逐漸地降低，銀的遷移率約是鉛的20倍。銀之所以具有很高的遷移率，是因?yàn)樗荒苄纬煞€(wěn)定的氧化膜。銀和銀離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)的低自由能，會促使其發(fā)生陽極溶解和陰極還原，從而導(dǎo)致了高遷移率?？傊?，電化學(xué)遷移跟金屬材質(zhì)、電場強(qiáng)度和電極間表面水膜，以及工作時間有密切的關(guān)系。

金的電化學(xué)遷移則表現(xiàn)出一種不同的機(jī)理[6]，這是一種污染 （特別是鹵族元素）誘發(fā)的電遷移，需要氯離子參與其中，其反應(yīng)如下：

Au+4Cl-→AuCl4-+3e （電極電位1.0 V）

因此，本文研究的應(yīng)力誘發(fā)電遷移是指由化學(xué)應(yīng)力、電場應(yīng)力、電流密度、熱應(yīng)力和濕度應(yīng)力下誘發(fā)的電遷移失效，主要包括熱電遷移和電化學(xué)遷移兩種現(xiàn)象。從這些失效中找出敏感量，進(jìn)而對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，以降低失效率，提高產(chǎn)品的可靠性。

2 案例分析

以下案例均是在工業(yè)和信息化部電子元器件失效分析中心完成。常見的失效有表貼TVS二極管的鉛遷移造成漏電失效，電阻的銀遷移失效造成電阻阻值降低，集成電路的鋁遷移失效 （介質(zhì)層+鋁）造成開路或者短路。

失效分為穩(wěn)定失效與不穩(wěn)定失效。對于不穩(wěn)定失效，一般會在高溫高濕偏壓條件下再次激發(fā)故障，對于大規(guī)模芯片，采用熱激光激發(fā)OBIRCH技術(shù)定位電遷移失效點(diǎn)或者加大電流密度，擴(kuò)大失效點(diǎn)進(jìn)行定位。而對于穩(wěn)定失效，只要根據(jù)樣品結(jié)構(gòu)，觀察漏電的電流路徑即可定位。

2.1 SMT二極管的鉛電遷移

該TVS二極管在電路中用于去除輸入引腳的電壓波動，穩(wěn)定輸入電壓作用，外部通過上拉電阻接入單片機(jī)IC復(fù)位引腳。在使用時發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)經(jīng)常發(fā)生復(fù)位現(xiàn)象，檢測發(fā)現(xiàn)該二極管存在約0.3 V的壓降。失效樣品作為雙向二極管，芯片結(jié)構(gòu)為PN-P類型，失效表現(xiàn)均加反向偏壓的P-N結(jié)漏電，正向偏壓P-N良好。

電測試樣品的I-V特性曲線，表現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定性，在較大的電流下會出現(xiàn)電壓突變漂移。在105℃中烘烤2 h，樣品I-V特性曲線擊穿電壓恢復(fù)正常，芯片表面存在離子污染的可能性較大，即烘干水汽后漏電消失。樣品隨后進(jìn)行 “雙85”潮熱試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過96 h后，I-V特性曲線仍然正常，因此，排除離子加水汽形成的漏電。在85℃、85%RH條件下對樣品加10 V電壓 （擊穿電壓為11 V）進(jìn)行試驗(yàn)，通過測試回路限流電阻的壓降變化監(jiān)測失效。試驗(yàn)96 h后故障再次出現(xiàn)，而且在小于96 h時已經(jīng)逐步地出現(xiàn)電阻壓降增大的情況，表明有電流流過，二極管開始漏電。采用機(jī)械研磨方法開封，減薄樣品塑封料直至塑料與芯片界面分離，觀察塑封料表面和芯片表面，可以看到沿塑封料表面有明顯的枝晶狀亮白色物質(zhì)，能譜分析表明其重要成分為鉛 （Pb），也就是電極的焊料成分。

樣品芯片為金屬-半導(dǎo)體接觸，鉛焊料本來只是作為二極管的電極，起導(dǎo)電作用，但由于塑封界面殘留水汽，在使用中除復(fù)位外，二極管芯片邊緣電場強(qiáng)度一直存在，導(dǎo)致使用中出現(xiàn)快速的電遷移失效，如圖2所示。

圖2 SMT二極管鉛電化學(xué)遷移

2.2 貼片電阻的銀遷移

片式厚膜電阻的結(jié)構(gòu)為：陶瓷上方覆蓋一層電阻膜，并用玻璃釉作為保護(hù)層，兩側(cè)用銀漿作為電極導(dǎo)電連接材料。在加電過程中，銀漿沿玻璃釉與包封層界面、電阻膜與玻璃釉界面發(fā)生銀遷移。

該貼片二極管使用時間2個月左右即出現(xiàn)失效，失效表現(xiàn)為電阻阻值出現(xiàn)不同程度的降低。

由于樣品阻值降低，首先，排除可動離子在潮濕狀態(tài)下導(dǎo)電引起的失效；隨后，對樣品進(jìn)行機(jī)械開封，去除玻璃釉表面包封層，在金相顯微鏡下無法觀察到失效點(diǎn)，在掃描電鏡下放大觀察，可以看出玻璃釉表面呈現(xiàn)枝晶狀電遷移形貌。由于片式電阻的電極材料為鎳、錫，此兩種材料也容易發(fā)生遷移，因此，需要利用EDS能譜進(jìn)行元素鑒別。如圖3所示的能譜圖中最后一項(xiàng)銀 （Ag），即為枝晶狀材料元素成分。

片式電阻包封層并非氣密材料，在高濕工作時，包封層吸潮，可在玻璃釉表面形成水膜，在加電工作中，銀離子遷移，樣品阻值降低而失效。

在失效分析中心的大量失效分析案例里，片式電阻的開路失效較多，例如：銀硫化、電極開裂等失效。然而，由銀遷移引起的失效也逐漸地出現(xiàn)，由于銀遷移速度快、失效穩(wěn)定，一旦出現(xiàn)，往往引發(fā)的就是致命性失效。

圖3 片式厚膜電阻銀遷移

2.3 集成電路的鋁條電遷移

鋁條電遷移是集成電路的一種常見的失效機(jī)理。主要是由于集成電路的尺寸降低后鋁條的電流密度增大而引起。僅以金屬化薄膜的寬度為0.5 μm，厚度為0.2 μm，施加電流為1 mA為例，電流密度可達(dá)106 A/cm2，而元器件的通常工作溫度是80℃，如此大的電流密度，將引起嚴(yán)重的電遷移可靠性問題。鋁薄膜構(gòu)成的觸摸屏復(fù)位端口金屬化電遷移失效如圖4所示。由于樣品的金屬化布線達(dá)到7層，無法通過激光熱激發(fā)OBIRCH技術(shù)正面掃描定位到處于底層的電遷移失效點(diǎn) （對于多層金屬化互連系統(tǒng)，從背面進(jìn)行定位會更為有效），另選失效樣品對該端口加大電流密度，在電遷移擴(kuò)大后，可定位到橋連位置在該端口底層，而非內(nèi)部金屬化橋連。失效定位之后，刻蝕法對失效樣品進(jìn)行逐步的去層處理，找到鋁條遷移位置，從圖4掃描電鏡圖片中可以看出：復(fù)位端口鋁條已經(jīng)形成應(yīng)力空洞，且沿相鄰地GND金屬化遷移，造成橋連短路失效。再觀察下方保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)未見任何形式的損傷，這就不同于過電應(yīng)力 （EOS）造成的硅片有源區(qū)燒毀的失效。EOS應(yīng)力造成的熱電遷移往往是電流密度遠(yuǎn)超過106 A/cm2，時間極短，溫度急劇地上升。

鋁條在相鄰金屬化遷移的可能原因是：相鄰金屬化間存在較強(qiáng)的電場強(qiáng)度，鋁條電流密度較大，在短時間工作中就發(fā)生了遷移、退化。

圖4 鋁條電遷移

上述的電遷移位置在金屬化連線上，另一種常見的失效位置是連接不同層鋁條的通孔處發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)空洞現(xiàn)象。這是產(chǎn)品在使用過程中出現(xiàn)的一種退化或者工藝缺陷造成，文獻(xiàn) [7]-[10]中有詳細(xì)的失效機(jī)理描述及失效分析方法。

2.4 金的電遷移

金 （Au）不僅是用于集成電路的金屬化互連，更主要的是用于進(jìn)行金-金、金-鋁鍵合來作為集成電路的電極，常在一些固定場合運(yùn)用，如惠斯登電橋構(gòu)成的傳感器、微波電路上等等。

有一種類型的金電遷移發(fā)生在集成電路內(nèi)部相鄰鍵合點(diǎn)電極間，而且是大量、大范圍的遷移，如圖5所示。根據(jù)金的電化學(xué)遷移原理推測，失效可能與應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)，比如在極端的高氯環(huán)境下，氯污染誘發(fā)金遷移失效。

圖5 金電極電遷移失效

3 結(jié)論

本文介紹了電化學(xué)遷移的兩個主要失效機(jī)理：1）熱電遷移失效；2）電化學(xué)遷移失效。失效案例涵蓋了鋁金屬化、銀漿料和鉛焊料遷移，以及金金屬化4種典型的電遷移。這些案例分別從集成電路金屬互連系統(tǒng)的可靠性、焊點(diǎn)的可靠性出發(fā)，進(jìn)行失效分析，對于類似失效機(jī)理的其他電化學(xué)遷移失效分析有借鑒意義。對于此類半導(dǎo)體器件的使用而言，避免在能誘發(fā)電遷移的應(yīng)力條件下使用，可以提高產(chǎn)品的可靠性。

[1]高光渤.半導(dǎo)體器件可靠性物理 [M].北京：科學(xué)出版社，1987：341-358.

[2]OHKUBO T， HIROTUS Y， NIKAWA K.Molecular dynamics stimulation of electromigration in Nano-sized metal lines[J].Materials Transactions， 1996， 37 （3）： 454-457.

[3]NIKAWA K，TOZAKI S.Principles novel OBIC observation method for detecting defects in al stripes under current stressing[C]//in.Proc of the 19th International Symposium for Testing and Failure Analysis， 1993： 303-310.

[4]尹立孟，張新平.電子封裝微互連中的電遷移 [J].電子學(xué)報， 2008， 36 （8）： 1610-1614.

[5]LEE Seok-Hee， BRAVMAN J C， DOAN J C， et al.Stress-induced and electromigration voiding in aluminum interconnects passivated with silicon nitride[J].Journal of Applied Physics， 2002， 91 （6）： 3653-3657.

[6]HARSHNYI G.Electrochemical processes resulting in migrated short failures in microcircuits[J].IEEE Transactions on Components， Pcakage， and Manufacturing Technology-Part A， 1995， 18 （3）： 602-610.

[7]OATES A S.Electromigration failure of contact and vias in sub-micro integrated circuit metallizations[J].Microelectronics Reliability， 1996， 36 （7/8）： 925-953.

[8]CLEMENT J J.Electromigration modeling for integrated circuit interconnect reliability analysis[J].IEEE Transactions on Device and Materials Reliability， 2001， 1 （1）： 33-42.

[9]LEE Y H，WU K，NIELKE N，et al.Via delamination-a novel electromigration failure mechanism[C]//USA：IEEE IRPS， 1997： 206-210.

[10]NORDIN N F.Application of seebeck effect imaging on failure analysis of via defect[C]//USA： IEEE IPFA，2012：1-4.