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第05章电极系统的失效机理
第五章电极系统的失效机理
半导体器件的电极系统包括金属化层,引线键合,芯片与底座间的欧姆接触,它们起着传递功率的作用。
器件要求电极系统本身不消耗电功率,仅起传递作用。
电极系统对器件可靠性十分重要,在失效模式分布图中,往往是最主要的失效模式之一。
1*金属化系统的失效机理
金属化系统的质量是影响可靠性的极重要因素。
在硅器件中,使用最广泛的金属化材料是铝。
因为铝具有以下优点:
(1)导电率高;
(2)与热生长的SiO2或淀积的介质膜有良好的粘附性;(3)能够与半导体材料形成低阻的欧姆接触;(4)便于淀积和光刻。
但生产实践表明,纯铝金属化系统在使用中还存在很多问题,它严重地影响器件的可靠性,例如,
(1)温度高于200*C,电流密度大于1*106/cm2时,铝的抗电迁移能力差。
(2)潮气下铝的溶解形成腐蚀坑等。
本节针对上述缺点,分别加以叙述。
一.机械损伤
铝质软,机械强度差,在工艺生产过程中易划伤,严重的划伤经工艺筛选可以剔除,但轻微的划伤则要工作几千小时后才发生失效,因此对可靠性的危害极大。
铝损伤引起的开路或短路失效,如图5-1和5-2所示。
二.铝的电迁移失效
目前生产的大多数硅器件都是用铝或铝金属来实现金属化的。
当器件工作时,铝条内有一定的电流通过,实践发现,这些通电铝条中的铝离子会沿电子流方向传输,这种传输在高温(T大于200*C)和大电流密度(J≧106A/cm2)作用下更加显著。
经过很长时间后(几小时至几百小时),铝条就会出现空洞,空洞逐渐聚集而造成断路,这就是“电迁移”现象,也称为电迁徒或电抖动。
(一)电迁移原理
电迁移是在直流(包括脉冲直流)作用下发生在导体内的质量输运。
一定温度下,铝膜中存在一定平衡浓度的空位,由于铝离子的热振动,使其从正常晶格位置上激发到临近空位中,产生铝离子直扩散。
无外电场作用时,铝离子受到两种力的作用:
一个是库仑场对铝离子施加的与电子流相反的库仑作用力,即由正极指向负极;另一个是导电电子与铝离子相碰时,发生动量交换,电子将动量传给铝金属离子,使铝离子受到一个与电子流方向相同的力,即由负极指向正极。
由于电子的屏蔽作用,库仑场对铝离子的作用力很小,因此通电铝膜中的铝离子主要是受到电子流对它的作用力,结果造成铝离子与电子流一样朝正极移动。
这些铝离子移动的结果,顺电子流方向的末端将会形成铝原子堆积所产生的小丘或晶须;另一端则由于空位的聚集而形成空洞,引起铝条开路失效。
对于难熔金属(如钨/铂/钴等),库仑力则是主要的,它们的金属离子则向负方向迁移(与铝相反)。
产生电迁移失效的内因是薄膜导体内结构的非均匀性,外因是高电流密度。
布莱克方程给出了铝条的平均失效时间(MTF)和电流密度的关系,如下式表示:
MTF=(A/Cj2)exp(ф/Kt)式5-1
式中:
A-----铝条的横截面积;J----电流密度(A/cm2);ф---原子迁移激活能(Ev);
T-----金属条温度(K);k---玻尔兹曼常数8.62*10-5(eV/k);
C-----与金属条密度/电阻率/晶粒大小/离子质量/几何尺寸等有关的因子。
C和ф由实验数据确定,不同的晶粒尺寸和是否有表面钝化,C与ф的数值不相同。
大晶粒并有表面钝化的铝条与小晶粒未钝化的铝条相比,其寿命要高100倍。
表面钝化工艺能提高MTF,是由于它具有抑制表面扩散和压强效应及热沉效应的综合结果。
由(5-1)式可知,MTF与电流密度的平方成反比,而与温度的倒数成指数关系,所以电迁移对电流密度和温度较为敏感。
当电流密度大于106A/cm2,温度高于200*C时,铝的电迁移现象十分显著。
(二)电迁移的有关因素
1.温度。
在实际器件中,二氧化硅上铝条的温升主要是由电流引起的,同时与芯片温度及散热状况有关。
较薄二氧化硅层上的较宽铝条,散热性能好;较厚二氧化硅层上的较窄铝条则散热性能差。
增加铝条中的电流密度会增加温度梯度,加快铝的电迁移。
2.晶粒尺寸。
单晶扩散由晶格支配;而多晶扩散则受晶粒边界支配,铝为多晶材料,故小晶粒比大晶粒容易发生电迁移。
有人分别在200*C和500*C下蒸发1.5um厚的铝条,分别得到8um和2um的铝晶粒结构。
当加上1*106A/cm2电流负荷时,测得大晶粒的激活能为0.73Ev,小晶粒为0.51Ev。
铝条上的空洞常发生在晶粒边界的地方,80%的空洞发生在晶粒大小悬殊区。
3.电流密度。
通过氧化层台阶的铝条在3*106A/cm2电流密度下,100小时左右可形成空洞和小丘。
所以一般设计都要求铝条内的电流密度小于2*105A/cm2电流(即20Ma/um2)。
4.脉冲式的直流电流也会发生电迁移。
但它与连续直流电流诱发的电迁移有以下不同:
(1)平均耗散功率低。
(2)在脉冲电流作用下,导致电迁移的是峰值电流而不是平均电流。
MTF是以导通时间(h)计,而不是以实验时间计。
因而脉冲电流作用下的铝膜寿命比连续直流电流作用下的寿命要长的多。
(3)伴随着电迁移有温度循环效应。
电流导通是铝条温度升高,承受压应力;断电流时降温,铝条受张应力。
(4)激活能不同。
脉冲激活能为1.98Ev,直流下的激活能为0.498Ev。
(5)失效样品的特点是:
靠近铝条端部的失效几率大,中部小,说明温度梯度的影响很大。
三.电迁移失效的模式
1.短路模式主要有:
(1)铝条上因电迁移产生晶须,引起相邻两条铝条短路,它在超高频器件(如半导体微波功率管)或大规模/超大规模集成电路中尤为突出,因为它们的相邻铝条间距很小。
(2)EB结短路,电迁移造成铝在发射条末端积累,致使E极与B区短路。
这在套刻间距很小的微波功率管中容易发生。
(3)大规模集成电路的铝条因电迁移造成与有源区短接;多层布线上下层铝条因迁移形成“晶须”短接。
2.短路模式主要有:
(1)铝条承载的电流过大,特别是铝条有伤痕,伤痕处的电流密度更大,铝条因电迁移而断开。
(2)金属化在氧化物台阶处的结构梯度大,电流密度高,应力集中,是一个易发生电迁移开路失效的薄弱点,特别是超大规模集成电路,芯片内的器件数量很大,金属化跨越SiO2(或SiN4/多晶硅)台阶数达百万级,加之线条精细,电流密度高,台阶处的开路失效尤为突出。
3.参数退化。
电迁移是严重影响器件和集成电路长期可靠性的重要因素。
除上述“开路”和“短路”失效外,它还会影响器件性能。
例如,引起晶体管EB结击穿特性退化,或电流放大系数Hfe变化等。
(四)提高金属化系统抗电迁移特性的措施
1.合理设计器件和集成电路。
防止器件发生电迁移失效的根本措施是从器件热设计,结构设计上着手,使器件在正常工作状态下应满足:
J≦105A/cm2,Tj≦150*C。
降低电流密度是提高MTF值的最有效的方法。
设计金属化时,对电流较大的铝条应尽可能增加其宽度,增加横截面积,降低电流密度。
高频功率管的金属化图案采用复盖式/网络状或菱形图形,它们比梳状结构的抗电迁移性能好。
由于温度升高,铝的MTF值呈指数衰减,所以器件的结温和散热状况会直接影响金属化的MTF。
高频功率管采用基区并联(即有源区)增大芯片面积,有利于散热。
加大发射极镇流电阻,采用输入匹配网络等技术也是防止热不均匀的良好方法。
集成电路功耗引起温升,直接影响其可靠性。
尤其是对于功耗较大的大规模集成电路,除了设计上尽量使有源器件分散外,还必须选择合理的封装形式,以便有利于散热降低芯片温度。
2.在大功率晶体管的管壳外加装散热器,利用直然对流/辐射和传导等方式进行冷却可降低芯片结温。
散热器常用铝材料制作,为了增大辐射散热,铝散热器表面应经氧化发黑处理;散热器与晶体管底座的接触平整紧贴以减少热阻,增加传导散热;尽量是散热器直接与外部空气进行热交换,尽可能增加垂直散热面积,并且肘片间距不宜过小,以便提高对流散热。
3.严格控制制造工艺,加强镜检。
避免金属膜划伤擦伤;加强镜检剔除金属化有伤痕的器件;提高芯片烧结质量减小热阻;提高键合工艺质量,减少因接触不良和压偏所引起的热阻增加。
4.改进金属化系统。
改进金属化系统可以提高其激活能φ和降低常数C,它是提高电迁移性能的根本措施之一。
改进金属化系统有以下几种途径:
(1)采用铝合金膜。
尤其是含Si2%或Cu1%的铝合金膜是目前最好的铝基薄膜。
Al—Si合金不仅可减少EB结蜕化的几率,而且也提高了金属化抗电迁移的性能,因此目前应用最广泛。
抗电迁移性能的提高,主要是铝膜中硅的存在大大改善了薄膜的微结构,使与薄膜结构梯度/温度梯度有关的常数C下降了9个数量级,因而大大提高了MTF值。
例如1.8%硅的Al---Si比纯铝的MTF值高1个数量级。
AL---Cu合金不仅抗电迁移能力比铝强,而且硬度大,不易被划伤,热处理过程中的再结构也比纯铝好。
Al----Cu合金的MTF值之所以比铝高,是因为铝膜中加入铜后,在铝的点阵中含有CuAl2粒子,它作为空位陷阱使晶体中空位数目减少,只有在CuAl2粒子耗尽之后,空位才能聚集起来形成可见空洞。
同时金属铜吸附在铝晶粒间界处的空位浓度,使晶间扩散受到阻碍。
例如含4%铜的Al---Cu合金,MTF值可提高70倍。
但Al---Cu合金存在两个缺点:
一是用于浅结器件中会产生“铜结中毒”,功率老化时铜离子在电场作用下向发射结漂移将引起PN结击穿特性变软,甚至短路,给可靠性带来危害。
其二是Al—Cu合金共晶点低(548*C),温度稍高易引起接触窗口处的金属化膜出现不均匀状态或求化现象。
(2)介质膜覆盖金属化。
在铝金属化表面覆盖介质层P2O5*SiO2,Al2O3*SiO2或SiN4*SiO2,不仅可以改善表面稳定性,而且可以使MTF提高,这种提高覆盖的介质膜能抑制表面扩散/压强效应与热沉效应等的综合结果。
金属化表面覆盖一层介质后,金属化膜将受到一定的压强。
在等温状态下,压强增加会引起金属离子扩散激活能的增加,因此导致扩散系数的下降。
同时,覆盖的介质膜又作为热沉,使铝膜产生焦耳热得以从双面散出,降低了铝膜上的温升及温度梯度。
显然,介质热导率越高,对铝膜温度的改善越明显。
SiN4(或Al2O3)的热导率为SiO2的20倍,所以从散热的角度来看,它们作为金属化的钝化层是比较适宜的。
介质膜覆盖金属化的工艺已广泛应用于半导体器件中,这种工艺已列入美国军标。
例如MIL—STD—19500规定:
采用SiO2覆盖厚度要大于0.6um,Si3N4要大于0.2um;MIL—M—3850规定:
覆盖的玻璃钝化层厚度,至少要大于0.4um。
(3)增大铝晶粒尺寸。
实验证明,铝膜晶粒大小明显影响MTF。
大晶粒铝膜(直径8um)比小晶粒铝膜(直径1.2um)的MTF大10---20倍;激活能也从小晶粒的0.48eV提高到大晶粒的0.84Ev。
其原因之一是大晶粒铝膜结构的无规则性变弱,原因之二是晶界扩散比例降低,晶格扩散比例增加。
蒸铝时提高衬底温度,加快铝蒸发速度可获得大晶粒铝膜。
但颗粒太粗会防碍光刻和键合,所以晶粒尺寸应适当选择。
(4)采用金为基础的多层金属化。
已金为基础的多层金属化系统,抗电迁移能力和抗化学腐蚀能力均较强。
梁式引线的四层结构(Pt5Si2)--Ti---Pt---Au系统是典型例子;其中Pt5Si2与重掺杂的N型硅和P型硅都能形成良好的欧姆接触,所以把它作为欧姆接触层;钛(Ti)是粘附层;铂(Pt)是过渡层;金(Au)是导电层。
多层金属结构还有Ni---Cr—Au(用于微波功率集成电路)/Ti—Ni—Au(用于微波功率管)/Ti—Au(用于硅雪崩二极管)/Al—Ni—Au(用于微波管)等。
三.浅结器件中铝与硅反应导致EB结退化
在小功率浅结器件中(如微波管低噪声管/超高速ECL电路)容易发生铝金属化膜造成的EB结短路。
这种失效现象大都发生在铝的金属化过程中或使用过程中器件受到强电流冲击的时候(强电流冲击来直各种电磁干扰/电磁脉冲/静电放电/超功率老化/和寿命试验等)。
Al---Si组成简单的共晶系统,铝在硅中几乎不溶解,而硅在铝中却有一定的溶解度,在共晶点577*C时达到最大,为1.59%(原子比),并随温度降低近似线性下降。
(一)硅向铝中溶解大致可分为三个阶段
1.铝穿通原生SiO2(约2*10-9m)阶段。
硅表面因直然氧化,生长有2--10*10-9m的极薄的氧化层,在合金过程中,铝将逐渐穿透SiO2,其穿透速率与温度有密切关系。
穿透率(m/s)=1.098*109exp(-2.562/kt)
反应式为4Al+3SiO2=2Al2O3+3Si
2.硅在铝中饱和溶解阶段。
硅向铝中的溶解是不均匀的,铝膜越厚溶解的硅越多。
当溶解的硅量达到了该温度下的饱和溶解度时,溶解就停止了。
3.渗透坑变粗变深阶段。
硅向铝中的溶解是不均匀的,而且硅不断地向铝中扩散而远离Al—Si界面并向铝表面迁移,同时在硅中留下大量空位,从而加剧了接触孔处硅向铝中溶解和铝在硅中的电热迁移,所以使硅上的渗透坑变深变粗。
(二)接触窗口边缘的渗透坑最多
解剖芯片后还可发现接触窗口四周(边缘)的渗透坑最多最大。
原因之一是该处溶解的硅可以向旁侧扩散,降低了界面处硅的含量,允许硅进一步溶解。
另一个原因是边缘处SiO2与硅的应力增大了该处的溶解率。
所以,在氧化层窗口边缘,因硅过分地向铝中溶解,造成了局部较深的渗透坑,其中最深的坑就有可能穿透PN结造成短路,如图5-3所示,它是微波器件中常见的失效原因。
(三)电过应力加深了渗透坑
当器件经受电浪涌/静电放电以及电磁脉冲等电过应力的作用时,容易引起渗透坑加深而失效。
因为它们引起的电流密度大,芯片上的电流密度和温度场分布又极不均匀,往往首先在接触区出现热斑,加速了硅向铝中的继续溶解。
在高的电场和温场的作用下,引起铝离子发生电热迁移,出现铝离子从纵向穿透结区引起PN结短路,或者从横向穿透结区,在Si---SiO2界面下的硅表面呈丝状渗入,形成沟道,引起PN结间横向穿通。
电过应力引起的合金渗透坑,在金属化铝去除后就可观察到,如图5-4所示。
(四)肖特基势垒二极管失效
铝肖特基势垒二极管(Al—SBD)被广泛应用于各种开关电路和抗饱和集成电路中,这种Al—Si直接接触的肖特基势垒也存在硅向铝中固态溶解所带来的失效问题。
Al---SBD在高温老化过程中,因硅向铝中固态溶解,当硅片骤然冷却后,势垒区便有P型硅层析出,于是肖特基势垒逐渐转化为PN结,引起势垒高度提高,使SBD的高速开关作用和饱和作用消失,甚至失效。
提高SBD可靠性的办法,主要是采用金属化系统或用金属化物代替铝。
例如美国仙童公司的74LS系列,采用Ti/W—PtSi---Si肖特基二极管,使可靠性得到了很大的提高。
(五)防止Al---Si界面退化的措施
1.采用Al---Si合金(含硅量0.1---0.3%)代替纯铝制作金属化系统。
Al—Si合金不仅可以减轻接触孔的合金渗透坑,而且提高了铝的抗电迁移性能和硬度(可减少铝伤)。
2.在Al---Si合金之间加阻挡膜。
常用的金属膜有钛(Ti)/钼(Mo)和镍铬合金(NiCr)。
3.采用多晶硅作阻挡膜。
它多用于微波功率管和ECL电路中,其效果较好。
四.铝金属化膜的再结构
铝金属化膜经过热循环或功率循环(功率脉冲老化)后,表面变得十分粗糙,严重时在显微镜下会看到表面发黑,在扫描电子显微镜下可看到铝表面出现许多小丘/晶须或皱纹等。
这种现象就是铝表面的再结构,情况如图5-5所示。
再结构现象会导致铝膜薄层电阻增大或极间短路。
铝再结构还会引起铝膜上某些区域的电流密度增大,从而加速了电迁移的发生。
铝金属化再结构是铝膜承受热应力后引起的。
因为金属化铝膜是蒸涂在二氧化硅上的,铝膜的厚度(约1um)比硅片(150—300um)薄得多,而铝膜的线膨胀系数(23.6*10-6/*C)又比硅(3.3*10-6/*C)和二氧化硅(0.5*10-6/*C)大。
因此,当器件加高温时,铝膜将受到压应力,而冷却时又受到张应力。
在热循环和功率循环的过程中,这种应力的变化是造成再结构的内因,铝膜表面的小丘/晶须/空隙/晶粒分裂等是这种应力释放的结果。
热循环温度越高,铝膜承受的应力越大,再结构现象越严重。
因此,温度高低不同,再结构现象也不同。
根据器件工艺和使用情况不同可分成高温少循环和低温多循环两种。
1.高温少循环再结构(如:
合金/烧结/热压等工艺过程)的特点是铝膜表面出现小丘/空隙/晶须等。
2.低温多循环再结构(如:
脉冲功率老化)的温度变化小,但变化次数多。
其特点是铝膜表面粗糙不平,或当出现皱纹。
这种失效往往是金属化条间距较小的器件出现内部瞬间短路的主要原因之一。
实验发现,若在器件的铝金属化层上覆盖SiO2/SiN4等钝化层,或在铝中掺入抗疲劳杂质(如铜)以及提高蒸铝时衬底温度以增大铝晶粒直径等都可以使金属化再结构减少,甚至避免,从而提高了器件抗热循环的能力。
五.铝金属化膜的腐蚀
铝是比较活泼的金属,很容易发生腐蚀。
器件在生产过程中,由于工序操作不当,在芯片表面的金属化膜上留下了水汽/酸和碱之类的沾污物。
当器件通电时,在电应力作用下铝膜将会发生电解腐蚀,电解生成物为白色絮状物Al(OH)3,其下面的铝膜被腐蚀而出现断条失效。
铝的腐蚀不仅发生在铝金属化膜上,而且还发生在键合点周围甚至引起铝键合线被腐蚀断。
铝金属化膜被腐蚀的情况如图5-6所示。
在潮湿气氛下封装,或管壳密闭不良而漏气,进入管腔内的水汽附着于芯片表面。
虽然纯水是良好的电介质,但有电离杂质溶于水中时则变为电解质,大大加速了铝的腐蚀。
铝是比较活泼的金属,它在空气中因自然氧化,使表面生长出厚10nm的三氧化二铝薄膜。
若有酸/盐气或钠/氯离子存在时,很容易使这层氧化膜遭到破坏,引起铝腐蚀。
由于铝金属化往往是单层金属,不会形成宏观的加法尼腐蚀电池,所以铝的腐蚀往往是由外加电势引起。
铝金属化腐蚀的化学反应有以下12种:
(1)AlAl3++3e—
(2)AlAl++e—
(3)2Al+3H2OAl2O3+3H2
(4)2Al+6HCl2AlCl3+3H2
(5)Al+3Cl—AlCl3+3e—
(6)AlCl3+3H2OAl(OH)3+3HCl
(7)Al+NaOH+H2ONaAlO2+3/2H2
(8)Al+3(OH)—Al(OH)3+3e—
(9)2Al(OH)3Al2O3+H2O
(10)2AlO2+2H+Al2O3+H2O
(11)Na++e—Na
(12)Na+H2ONa+(OH)—+1/2H2
其中,反应式(4)/(5)/(6)属于存在酸性物质或氯离子时引起的反应;反应式(7)/(8)/(9)/(10)属于存在碱性物质或(OH)—离子时的反应;反应式(5)/(6)/(11)/(12)中的钠离子Na+与氯离子Cl—是催化剂,因为它们虽然参与反应但实际上并未消耗掉,这也是为何铝金属化的腐蚀能连续不断的自然进行下去的主要原因。
器件芯片表面存在氯离子粘污时,铝腐蚀的反应速度很快。
氯离子在电场驱动下聚集在阳极附近,与铝膜表面的天然钝化层发生反应,生成可溶性盐:
Al2O3*3H2O+Cl—Al(OH)2Cl+(OH)—
天然钝化膜下面的铝与Cl—反应生成Al(OH)3
Al+4Cl—(AlCl4)—
(AlCl4)—+3H2OAl(OH)3+3H—+4Cl—
新生成的Cl—又继续参加反应,这是一种连锁反应,使反应能自然连续发生下去,所以只要有少量Cl—存在就会导致铝的大量腐蚀,可见Cl—对铝金属化的危害特别严重。
铝金属化表面的磷硅玻璃(PSG)钝化膜内含磷量过高或浓度不均匀9局部区域含磷量过高)也会造成铝膜腐蚀。
例如PSG中磷含量从2%增加到10%(重量比)时铝的腐蚀速度将增加25倍。
其原因是PSG中含磷量增加,表面吸附的水分子膜引起PSG中的P2O5与H2O反应生成磷酸,大大增加了电解液中的H+,从而加速了铝在阴极区的腐蚀。
含氯物质引起的铝腐蚀现象和PSG中含磷过多引起的铝腐蚀现象往往有明显的差别,一般情况下,含氯物质引起的铝腐蚀大多发生在正铝条上或电位较高的区域,而PSG中含磷过多引起的铝腐蚀则多数发生在负电源铝条上或电位较低的区域,情况如图5-7和5-8所示。
此外,当加电工作时乙醇在芯片表面对铝也有腐蚀作用,反应式为:
2Al+6C2H5OH2Al(C2H5O)3+3H2
反应生成的三乙氧基铝,导电性差并易溶解。
铝金属化的腐蚀现象,对于工作在亚热带或海上的器件以及高可靠器件都是非常重要的问题,因为它对可靠性的危害十分严重。
例如美国阿波罗12号登月舱中失效的集成电路,分析发现键合点周围有白色沉淀物生成,它说明键合点发生了电解腐蚀。
防止铝金属化被腐蚀的措施有:
(1)工艺制造过程中防止器件芯片被水/酸/碱等腐蚀性物质粘污;
(2)铝金属化表面覆盖玻璃钝化层;
(3)提高管壳的密封性;将捡漏试验列入筛选内容。
六.氧化层台阶处铝膜断裂
在氧化层台阶上9特别是在接触孔周围的台阶上)铝膜很容易发生断裂失效。
分析结果表明,氧化层台阶断铝是由于蒸发铝膜的过程中,台阶处有自掩蔽效应,使台阶处蒸发的铝层很薄,蒸铝时的自掩蔽效应如图5-9所示。
铝蒸发过程中,由于入射粒子达不到台阶阴面下的死角,所以产生空隙。
同时,在平面上蒸发的铝晶粒较粗,生长速率较快,获得的铝层较厚,而在台阶侧面上生长的速率较慢,获得的铝层较薄。
因此,台阶处铝膜的电学/机械/和化学性能都降低了,在工作电流的作用下容易发生铝的电迁移失效或腐蚀失效;当受到温度或机械应力作用时,容易出现铝断裂。
它们是铝膜在台阶处发生断裂的根本原因,台阶断铝的情况如图5-10所示。
氧化层台阶断铝与铝膜蒸发工艺/台阶形状以及磷硅玻璃(PSG)的厚度有关。
蒸铝时,铝离子入射角越大,在阴面产生的微裂缝或空隙越严重,光刻腐蚀时越容易产生横向钻蚀,造成台阶断铝;氧化层台阶越高越陡,蒸铝时的自掩效应越严重,容易出现裂缝。
而且光刻胶在陡峭的台阶上比较薄,容易产生钻蚀和针孔等缺陷。
因此,氧化层的台阶越缓越好。
对于较高的台阶,可采用套刻工艺将台阶分为两级,以减少台阶的高度和陡度。
半导体器件中广泛采用磷硅玻璃(PSG)作为表面钝化层,但PSG层较厚容易出现台阶断铝。
因为PSG在光刻腐蚀剂中的腐蚀速度比SiO2快得多,而且含磷量越高腐蚀速度越快。
PSG过厚刻蚀接触孔时容易产生“过刻蚀”,出现“负向台阶”,结果在接触孔周围构成环行壕沟。
蒸铝后形成空洞,甚至造成断铝,使接触孔变成孤立小岛,造成接触孔开路,如图5-11所示。
图5-12是铝金属化层通过PSG—SiO2台阶处形成的微裂缝,微裂缝处的铝层很薄,它在温度循环或工作过程中容易发生开路失效。
双集成电路中,基区接触孔的台阶较高(0.6---0.8um)。
MOS集成电路为了避免寄生MOS器件出现,场氧化层生长得较厚(1.2---1.5um),因此氧化层台阶很高,而且台阶数量很大。
例如1024位存储器中,铝金属化跨越的台阶数高达3000个以上。
可见,台阶断铝失效在MOS大规模集成电路的接触孔处过双集成电路的基区接触孔处出现的几率最大。
为了避免出现台阶断铝,可采用电子束蒸铝,并且将硅片放置在“流星”式的旋转样品台上蒸发,硅片要同时加热以增大铝晶粒尺寸,这些都是防止台阶断铝的有效措施。
金属化系统失效与金属化材料,蒸发工艺(蒸发速率/入射角)/钝化工艺(例如PSG的淀积速
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