《半导体器件的失效机理和模型》将针对硅基半导体器件常见的失效机理展开研究。这些失效机理大致按照从硅到封装器件的半导体生产工艺流程进行了分类：前段制程（FEoL）、后段制程（BEoL）和封装/界面失效机理。

注：失效机理研究只包括那些业界相对成熟，同时还包括这些失效机理的模型研究现状。内容主要来源为国内外文献的翻译整理，供大家学习参考。

各阶段常见的典型失效机理

前段制程（FEoL）常见的失效机理

1）与时间相关的电介质击穿（TDDB）-- 栅极氧化物

2）热载流子注入（HCI）

3）负偏压温度不稳定性（NBTI）

4）表面反转（移动离子）

5）浮栅非易失性存储器数据保持

6）局部电荷捕获非易失性存储器数据保持

7）相变（PCM）非易失性存储器数据保持

后段制程（BEoL）常见的失效机理

1）与时间相关的电介质击穿（TDDB）-- low k材质电介质/移动铜离子

2）铝电迁移（Al EM）

3）铜电迁移（Cu EM）

4）铝和铜腐蚀

5）铝应力迁移（Al SM）

6）铜应力迁移（Cu SM）

封装/界面常见的失效机理

1）因温度循环和热冲击导致的疲劳失效

2）因温度循环和热冲击导致的界面失效

3）因高温导致的金属间化合物和氧化失效

4）锡须

5）离子迁移动力学（PCB）--组件清洁度

本文对铝电迁移（Al EM）模型进行研究

由于载流子与金属晶格之间的动量交换，铝离子能够沿电子电流的方向漂移，这种漂移会产生应力梯度，在稳态下该应力梯度与电流密度成正比。在足够长的金属导体和高电流密度下，会使金属导体形成空洞甚至因空洞导致失效；在高压缩应力的位置也可能会挤压形成小丘，导致钝化层破损或引发短路。

在高电流密度测试条件下，需要考虑发热（焦耳热）产生的温度梯度，故将失效时间数据从高电流密度外推到低电流密度时必须格外小心。

注：

1）焦耳热应限制在5°C以下，以避免温度梯度引起的失效。

2）简单键合焊盘连接的行业标准NIST领结型电迁移测试结构已不适用于多层金属布线产品。

3）过孔供电的测试结构必须精心设计，以避免电阻饱和和水库效应，这会产生具有误导性的t50和σ值，通常，过孔供电的测试结构的测试结果会过于乐观。

测试温度必须限制在250°C以下（包括焦耳热）：在测试条件下的传输机制与使用条件下的相同（晶界扩散与晶格扩散）。另外，平衡微观结构也必须几乎相同（相图）。

如果不考虑上述情况，就不可能将测试条件外推到使用条件，在大多数情况下，错误的预测将会过于乐观。

过孔（via）电迁移会根据电子电流的流动方向（M2到M1或M1到M2）表现出不同的退化速率，且退化速率与过孔结构、过孔数量和版图相关。同时，过孔退化还存在水库效应。

接触（contact）的电迁移与硅化物的形成和阻挡层类型相关，如果在导体和硅之间没有扩散阻挡层，硅的扩散是是导致接触失效的主要原因。

失效时间（TTF）的模型公式如下：

在这个模型中，J必须远大于Jcrit才能从测试条件外推到正常使用条件。J是平均电流密度。

必须强调的是，足够长的金属导体定义必须是该线的长度大大超过所施加电流密度下的布莱奇长度。如果线的长度不超过布莱奇长度的数倍，那么从测试中可以得到较大的表观n值。

根据布莱奇关系公式：Lb×Jcrit=常数，布莱奇长度和临界电流密度相关，铝合金导体的常数在3000~7000A/cm左右。常数值由层间电介质材料决定，附着力良好的较强电介质表现出较高的值，而附着力差的较弱电介质则值较低。例：对于约10mA/μm²（1×106A/cm²）的测试电流密度，金属导体的长度应至少为500μm，最好为1mm长。

因为由空洞引起的电阻增加量与金属布线几何形状有相关性，有的因空洞增加阻值变化不明显，因此通过产品性能判定的失效判据是有问题的。失效判据应该是能够可靠测量的最小电阻增加量。

以下是一些Al金属材料的EM激活能：

Al和Al+少量Si的Eaa=0.5~0.6eV；

Al+掺杂少量Cu的Al合金的Eaa=0.7~0.8eV；

沉积在阻挡金属上的细线（竹节结构）Al合金的Eaa=0.9eV。

Al EM寿命预估示例：

目标：

计算加速条件下和正常使用条件下的加速因子（AF）。

假设条件：

被测样品：具有大晶粒尺寸的长Al-Cu金属导线

1）正常使用条件为：50°C芯片温度和2.0×105A/cm²的电流密度

2）加速条件为：80°C芯片温度和2.5×105A/cm²的电流密度

3）表观活化能Eaa：0.8eV

4）J>>Jcrit，n=2

AF计算公式：

AF=(Juse/Jaccel)–n*exp[(Eaa/k)(1/Tuse–1/Taccel)]

假设条件代入计算：

AF=(2.0/2.5)–2*exp[(0.8eV/8.62x10–5eV/K)(1/(273+50)K–1/(273+80)K)]=1.56*11.5=18

结论：从炎热、高电流密度的加速测试环境转移到凉爽、低电流密度的正常使用环境，失效时间（TTF）值将增加约18倍。电流密度约占1.6倍，温度约占12倍。

相关文献：

1）Black, J., ”Electromigration—A brief survey and some recent results,” IEEE Transactions of Electron Devices, Vol. ED-16 (No. 4), 1969. pp. 338-347. 

2）J.R. Lloyd, “Electromigration Failure,” Journal of Applied Physics, Vol. 69, Issue 11, 1991, p. 7601-7604.

3）Oates, A., “Electromigration Failure Distribution of Contacts and Vias as a Function of Stress Conditions in Submicron IC Metallizations,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 1996, pp. 164-171. 

4）Maiz, J.A. and Segura, I., “A resistance change methodology for the study of electromigration in Al-Si interconnects,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 1988, pp. 209-215. 

5）McPherson, J., Le, H., and Graas, C., “Reliability challenges for deep submicron interconnects,” Microelectronics and Reliability, Vol. 37, No. 10, 1997, pp. 1469-1477.

6）Ondrusek, J., Dunn, C., and McPherson, J., “Kinetics of Contact Wearout For Silicided (TiSi2) and Non-Silicided Contacts,” IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 1987, pp. 154-160. 

7）Schafft, H.A., “Thermal Analysis of Electromigration Test Structures,” IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 34, Issue 3, 1987, pp. 664-672.