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

本文对铜应力迁移模型进行研究。

    由于芯片制造中使用的不同材料和工艺温度的组合，先进铜互联技术中的铜线路处于拉伸应力状态。当几何构型在应力中产生局部峰值，并且当这样的峰值存在于边缘附着力差的位置或预先存在的工艺诱导空洞处时，就会产生大的应力梯度。应力迁移（应力诱导空洞，或简称为应力空洞）这一术语指的是在这种机械应力梯度的影响下金属原子的移动。

    金属的移动（迁移）在应力超过金属化的屈服点之前很少发生，当超过后金属原子从低应力区域向高应力区域扩散促使空洞的生长，当空洞足够大时，空洞会导致电开路或电阻上升从而引起电气故障。

    因为铜具有更大的弹性模量、更高的熔点和更高的屈服强度，所以它比铝金属化能够更好地承受应力。铜扩散的活化能大于铝原子（随着温度降低相对扩散率较小），且电沉积铜的初始空隙大。因此，随着尺寸的减小和新材料的引入，铜已显示出对应力迁移的脆弱性，就像它的前身铝一样。从现象学上讲，铜中的应力迁移与铝中的非常相似。它仍然是一个扩散过程，并且仍然取决于铜中的拉伸应力大小。但是由于微观结构和制造方法的差异，应力诱导空隙的数量和位置与铝金属化中的有很大不同。

    在铜线应力迁移的情况下，应力诱导空洞（SIV）模式（其中空洞出现在连接上层布线和下层布线的过孔部分）是可靠性方面的一个问题。当宽布线和窄布线通过单个过孔连接时，宽布线一侧的拉应力集中在过孔上，这会由于蠕变现象导致铜线中的缺陷移动到过孔部分，然后产生空洞。与铝金属化相比，宽度＜2um的长蛇形铜布线对应力迁移不敏感。相反，各种与走线或衬垫相连的过孔特殊结构显示出对应力迁移的敏感性。在铜金属化中，应力迁移（SM）的影响在接触宽线的过孔下最为严重。

    已知在铜过孔处的应力迁移发生在约200°C左右有一个温度峰值。然而，由于这种失效在很大程度上取决于铜线形成后的高温退火过程中产生的应力，并且它在短时间内发生，因此会导致早期失效。  

    解决对策：

    1）设计：宽布线和窄布线通过两个或更多过孔连接。当布线通过两个或更多过孔连接时，施加在一个过孔上的应力得到缓解，即使一个过孔因施加应力导致出现空洞，另一个过孔也不会出现开路问题，这可以防止布线之间的开路缺陷。

    2）制造：制造工艺中针对此问题的对策，采取了诸如缓解铜线应力和选择减少铜线缺陷的工艺条件等措施。

    目前对于应力迁移没有商定的行业测试标准。常见的做法是将包含对应力迁移敏感的测试结构的晶圆置于高温（150°C至300°C）下较长时间（约1000小时），定期将晶圆冷却至室温，以测试电阻是否有任何增加。

    应力迁移速率与机械应力和温度的关系研究：

    1）低温下：由铜与周围衬垫和电介质之间热膨胀系数的差异引起的机械应力在较低温度下会增加。

    2）高温下：取决于扩散率的原子迁移率在较高温度下会增加。

    因此，空洞生长速率的最大值出现在中间温度，此时应力和扩散率的乘积最大。对于铜，空洞生长的最大温度通常在 175°C 至 225°C 范围内。

注：部分研究表明，铜应力空洞生长没有最大值，而是随着温度升高（无应力依赖性）生长速率持续增加。可能是延迟的晶粒生长等原因导致。

    因为机械应力取决于温度，所以很难直接确定扩散激活能。在没有其他数据的情况下，Eaa值选0.9eV，研究表明Eaa值在0.74~1.2eV之间。

热机械应力模型：

    失效时间（TTF）可以使用埃林模型，在该模型中，计算机械应力的幂律与阿伦尼乌斯因子的乘积。如果应力是由不同的热膨胀率产生的，那么这种应力被称为“热机械应力”，并且与温度的变化（即热应变，ε ∝ (ΔT)）成正比。

应力迁移寿命预估示例：

目标：

计算办公环境与加速应力环境下应力迁移的加速因子（AF）。

假设条件：

1）正常使用条件为：50°C芯片温度

2）加速条件为：150℃应力温度

3）To：300℃

4）N：3

5）表观活化能Eaa：0.9eV

AF计算公式：

AF=[(To–Toffice)/(To–Taccel)]–N*exp[(Eaa/k)(1/Toffice–1/Taccel)]

假设条件代入计算：

AF=[(300–50)/(300–150)]–3*exp[(0.9eV/8.62x10–5eV/K)(1/(273+50)K–1/ (273+150)K)]=0.216*2080=450

结论：从加速环境转换为正常使用环境，TTF值将增加到加速应力值的约30倍。机械应力使TTF值增加约0.22倍（负方向），而温度使TTF值增加约2080倍。