席善斌，高金環(huán)，裴 選，高兆豐，黃 杰

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051；2.國(guó)家半導(dǎo)體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051；2.國(guó)家半導(dǎo)體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，石家莊 050051）

對(duì)用于某下變頻器模塊中的HMC264型諧波混頻器開(kāi)展了失效分析研究。結(jié)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(chǎn)生金遷移并將相鄰金屬化條跨接所致?；祛l器芯片表面產(chǎn)生金屬遷移是因?yàn)樾酒砻嬗幸后w聚集現(xiàn)象存在，加電使用過(guò)程中，金屬化層材料Au在電場(chǎng)及殘留液體共同作用下發(fā)生遷移所致。借助掃描電鏡對(duì)電遷移形貌及元素成分進(jìn)行了分析，并對(duì)電遷移相關(guān)的失效機(jī)理進(jìn)行了討論，最后對(duì)預(yù)防電遷移所導(dǎo)致的失效提出了預(yù)防和改進(jìn)措施。

金遷移；諧波混頻器；失效分析；電子風(fēng)力

引言

近年來(lái)，電子產(chǎn)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(lái)越高，功率也越來(lái)越大，從而引起芯片單位電流密度也不斷增大，芯片互聯(lián)線發(fā)生金屬遷移導(dǎo)致電路失效的幾率也變得也來(lái)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(lián)結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)的一個(gè)尤為典型的質(zhì)量問(wèn)題，會(huì)嚴(yán)重影響電路可靠性，大大減少器件使用壽命，且對(duì)溫度、濕度、芯片電場(chǎng)強(qiáng)度等多種環(huán)境條件較為敏感，是芯片設(shè)計(jì)和制造中必須要考慮的一個(gè)重要因素，更是芯片使用中所面臨的一個(gè)最為重要和急需解決的可靠性問(wèn)題。

本文針對(duì)HMC264型諧波混頻器金遷移導(dǎo)致的失效開(kāi)展失效分析研究，利用金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀等設(shè)備對(duì)芯片進(jìn)行微觀分析，探究混頻器失效模式及其潛在的失效機(jī)理，并給出相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 失效分析

HMC264型諧波混頻器為Hittite公司生產(chǎn)的進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件，用于某型號(hào)下變頻器模塊中，該模塊在溫度循環(huán)試驗(yàn)后進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)功能異常，研制單位對(duì)模塊進(jìn)行故障定位后，認(rèn)為其內(nèi)部的HMC264型混頻器電流增大、增益下降，從而導(dǎo)致整機(jī)異常。

將下變頻器模塊機(jī)械開(kāi)封后，其內(nèi)部的HMC264型諧波混頻器芯片整體形貌如圖1所示，芯片未見(jiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，表面未見(jiàn)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(xiàn)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(jiàn)芯片表面存在明顯的金屬遷移現(xiàn)象，遷移產(chǎn)物從芯片表面金屬化層邊緣處起源呈樹(shù)葉狀散開(kāi)，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(jìn)一步確定發(fā)生金屬遷移的元素成分及含量，對(duì)圖2中實(shí)線標(biāo)記區(qū)域進(jìn)行掃描電鏡（SEM）成像檢查，并對(duì)發(fā)生遷移的金屬（圖3標(biāo)記區(qū)域）借助能譜儀（EDS）進(jìn)行能譜分析，獲得的放大6000倍的SEM成像及EDS能譜結(jié)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?gòu)拈L(zhǎng)條金屬層底部自上而下生長(zhǎng)，位于方形金屬層間的遷移金屬面積要大于兩側(cè)，并與下面的方形金屬層完全搭接，在條形金屬的上部則沒(méi)有發(fā)生金屬遷移的現(xiàn)象。遷移金屬的方向性可能與器件工作時(shí)芯片電場(chǎng)分布相關(guān)。對(duì)搭接部分的金屬進(jìn)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(jī)理

多數(shù)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(lián)線中的金屬陽(yáng)離子與電場(chǎng)作用下作漂移運(yùn)動(dòng)的電子相互作用引起的定向輸運(yùn)現(xiàn)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(guò)，電路就有一定幾率發(fā)生金屬電遷移現(xiàn)象[1]。事實(shí)上，器件失效發(fā)生金屬遷移現(xiàn)象并非電場(chǎng)應(yīng)力單獨(dú)作用導(dǎo)致的結(jié)果，在電遷移過(guò)程中一般還會(huì)伴隨應(yīng)力作用下的應(yīng)力遷移、溫度作用下的熱遷移以及發(fā)生化學(xué)作用引起的化學(xué)遷移等現(xiàn)象中的一種或多種同時(shí)發(fā)生。

器件工作時(shí)，芯片會(huì)有電流流過(guò)，由于金屬布線寬窄不同以及結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的焦耳熱也不盡相同，這種有差異的焦耳熱會(huì)在芯片內(nèi)部形成溫度梯度，它是導(dǎo)致金屬發(fā)生熱遷移的主要驅(qū)動(dòng)力。電遷移過(guò)程中，電子沿著電場(chǎng)方向做定向漂移運(yùn)動(dòng)，在原來(lái)的位置留下空穴，空穴的大量積累會(huì)導(dǎo)致金屬互聯(lián)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部應(yīng)力。此時(shí)，一般還同時(shí)存在機(jī)械和溫度載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力，在這一種或多種應(yīng)力形成的應(yīng)力梯度作用下，原子就有一點(diǎn)幾率作定向應(yīng)力遷移。此外，由于電遷移或應(yīng)力遷移會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部原子不再平均分布，這會(huì)導(dǎo)致芯片局部原子濃度過(guò)高，這種由濃度高低所形成的原子濃度梯度就會(huì)引起金屬發(fā)生化學(xué)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(jī)制綜合作用導(dǎo)致的結(jié)果。諧波混頻器在經(jīng)歷了溫度循環(huán)后，加電測(cè)試發(fā)現(xiàn)失效，且機(jī)械開(kāi)封后芯片表面有液體殘留痕跡，說(shuō)明混頻器發(fā)生金屬遷移并非單一應(yīng)力也同樣是多種應(yīng)力綜合作用所引起的。

Fiks在1959年發(fā)表的文獻(xiàn)中首次提出了“電子風(fēng)力”這一概念，并對(duì)金屬發(fā)生的電遷移現(xiàn)象作了詳細(xì)研究。他認(rèn)為，當(dāng)器件工作時(shí)導(dǎo)體中加載電流，大量的電子就會(huì)在電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)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(jìn)行動(dòng)量交換作用。一旦金屬原子通過(guò)碰撞獲得的能量超過(guò)其掙脫勢(shì)壘束縛所需的能量時(shí)，就會(huì)離開(kāi)其所處的平衡位置向下一個(gè)平衡位置移動(dòng)。當(dāng)芯片局部存在高電流密度梯度時(shí)，這種因動(dòng)量交換引起的原子定向遷移運(yùn)動(dòng)就變得非常顯著，進(jìn)而引起該位置產(chǎn)生明顯的質(zhì)量輸運(yùn)[2]。如圖4所示，金屬原子與電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)的電子之間發(fā)生動(dòng)量交換所需的力我們稱之為“電子風(fēng)力（Electron Wind Force）”，并用Fwind來(lái)表示，其方向與電場(chǎng)方向相反，也即與電子定向運(yùn)動(dòng)的方向一致；電場(chǎng)直接作用到金屬原子上的庫(kù)侖力用Fdirect來(lái)表示，二者的合力一般統(tǒng)稱為“電子風(fēng)力”。在高電流密度條件下，金屬原子受到定向運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。

高電流密度梯度的存在會(huì)引起金屬互聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)的原子作定向遷移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生顯著地質(zhì)量輸運(yùn)，從而導(dǎo)致芯片金屬互聯(lián)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生明顯的空洞或金屬晶須，發(fā)生電遷移失效?？斩吹某霈F(xiàn)會(huì)使金屬互聯(lián)線變窄，使得線路電阻增加，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致互聯(lián)線完全斷開(kāi)，電路發(fā)生開(kāi)路失效；定向生長(zhǎng)的晶須則會(huì)跨接在相鄰的互聯(lián)線上，電路互聯(lián)短路，最終導(dǎo)致電路功能失效[2-6]。混頻器芯片表面定向生長(zhǎng)的樹(shù)葉狀金屬正是晶須的一種特殊表現(xiàn)形式。

圖4 “電子風(fēng)力”示意圖

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

式中，MTF為中值失效時(shí)間；A為金屬互聯(lián)線的有效橫截面積；C為修正因子，且與互聯(lián)線密度、電阻率、晶粒大小、粒子質(zhì)量等相關(guān)；J為互聯(lián)線內(nèi)電流密度（A/ cm2）；n為電流密度指數(shù)；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(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以確定；k為波爾茲曼常數(shù)（l.38×10-23J/ K）；T為金屬條溫度（K）?？梢钥闯鲋兄凳r(shí)間與芯片電流密度和工作溫度密切相關(guān)，芯片電流密度越大，或其工作溫度越高，中值失效時(shí)間就越小，也就是說(shuō)發(fā)生失效所需的時(shí)間就越短。混頻器在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，高溫引起MTF值減小，導(dǎo)致電遷移失效所需的時(shí)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(gè)驅(qū)動(dòng)力，會(huì)引起原子從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域作定向運(yùn)動(dòng)。電路工作過(guò)程中產(chǎn)生的焦耳熱是導(dǎo)致芯片表面形成溫度梯度的一個(gè)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(guò)程中，會(huì)加速金屬互聯(lián)線上的空洞或晶須的形成。國(guó)外文獻(xiàn)也證實(shí)了溫度梯度的存在對(duì)電遷移失效的影響，認(rèn)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(dòng)，此溫度梯度會(huì)延長(zhǎng)電遷移失效時(shí)間，若電子從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域移動(dòng)，此溫度梯度則會(huì)顯著縮短電遷移失效時(shí)間。

綜上分析，混頻器芯片表面有液體殘留痕跡，可以推測(cè)在循環(huán)試驗(yàn)中的低溫階段，器件腔體內(nèi)部以及芯片表面產(chǎn)生了凝露，在芯片加電使用時(shí)，如果內(nèi)部鈍化層結(jié)構(gòu)不完整，就會(huì)導(dǎo)致芯片漏電增加或短路，引起電參數(shù)超差失效；另外凝露還會(huì)引起器件漏電變大、絕緣電阻變小，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)飛弧和擊穿等現(xiàn)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(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)部金屬化系統(tǒng)失效。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)HMC264型諧波混頻器進(jìn)行的失效分析及其相關(guān)的失效機(jī)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(chǎn)生金遷移并將相鄰金屬化條跨接所致。混頻器芯片表面產(chǎn)生金屬遷移的原因是由于芯片表面有液體聚集現(xiàn)象存在，加電使用過(guò)程中，金屬化層材料Au在電場(chǎng)及殘留液體共同作用下發(fā)生遷移所致。

合理進(jìn)行電路版圖設(shè)計(jì)及熱設(shè)計(jì)，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(wǎng)絡(luò)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(nèi)部應(yīng)力，完整、均勻的表面鈍化層結(jié)構(gòu)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(dǎo)致的器件失效現(xiàn)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(yàn)工作。