应力诱发的电迁移失效分析

陈选龙，石高明，蔡伟，邝贤军

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610；2.工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏 苏州 215011）

0 引言

电迁移 （EM：Electromigration）是指由于电子移动造成原子的大规模运动的现象，是一种物理或者化学过程。半导体元器件中使用的铅、银、铝、铜、金、镍和锡等金属材料在特定的应力条件下会诱发电迁移，造成失效。这些失效可能是器件内部沿界面的失效，也可能是PCBA上焊料的迁移，迁移造成了桥连短路，并且使得原有的材料形成空洞而开路，降低产品可靠性，造成的危害非常大。热电迁移和电化学迁移 （ECM：Electrochemical Migration）是电迁移的两种代表，两者为完全不同的失效机理。在可靠性试验中，常采用高温大电流来激发热电迁移，用高温高湿加电的方法激发样品的电化学迁移，对这些失效进行分析并找到根本原因，进而进行工艺改进，可以快速地提高产品可靠性。

电迁移可以是固体电迁移，也可以通过液态媒介在阳极生成枝晶状物。本文的失效分析研究中包含了集成电路铝条的迁移、焊点铅焊料迁移、银浆料的迁移和集成电路金金属化迁移等。也就是集中于两种应用：1）多层金属互连系统的铝、金等材料的金属化迁移；2）电极材料如银浆、铅焊料的迁移。

1 原理

电迁移失效分析首先必须了解电迁移物理和化学原理，以及应力诱发条件。

热电迁移涉及分子动力学原理，在集成电路应用的早期，就有许多研究文献。其中一种物理解释是，在电场作用大电流密度条件下，大量的电子撞击原子晶格，以致少量的原子被撞出原来的晶格，原子在这样的条件下作定向迁移，从而使得金属出现空洞现象，通俗地讲就是电子风 （Electron Field Force）把原子吹跑位了[1]。另一种应力是温度（温度梯度）引起的原子扩散现象 （Diffusion），扩散的原子也会沿着电场方向聚集。温度和电流密度都具有独立的影响[2]，热电迁移的示意图如图1所示。集成电路互连系统，包括了集成电路互连金属条 （Metallization）和接触通孔 （Contact/Via），两者均有可能存在应力诱发的电迁移空洞 （Stressinduced Voiding），这也是大规模集成电路电迁移研究的两个方向。从缺陷的检测和失效分析角度而言，热激光激发技术 （OBIRCH或者SEI）可以为铝条电迁移失效提供一个可靠的失效定位[3]，其中OBIRCH主要用于短路和空洞缺陷的检测，而SEI则用于开路失效的检测。

铝由于熔点较低和扩散系数较高， 所以它的抗电迁移较差。铝基合金的迁移主要通过晶界扩散完成，铜基合金则主要是表面扩散[4]，因此，铜和铝的电迁移原理不同。大多数已经发表的研究都认为铝的迁移易造成开路现象[5]，然而，对于间距小、互连线长的复杂垂直系统，短路的失效模式较为常见。即同一层金属内相邻的金属线之间迁移，以及两层金属之间都有可能出现电迁移而诱发短路。研究人员提出的抗电迁移措施主要是在互连系统中引入合金，如在铝线中加入0.5%～4%Wt重量的铜，或者采用Al-Si合金金属化；对于通孔位置，则采用抗迁移能力强的钨 （W）金属做互连，TiN做阻挡层。

图1 电迁移诱发铝条空洞的示意图

另一种与化学反应相关的电迁移，我们称之为电化学迁移，即有化学反应参与其中，生成枝晶状的产物。典型的反应是银、铅、金的迁移，在卤素的作用下更容易发生。

银离子在高温、高湿和直流电场的作用下极易发生迁移。其发生的电化学反应为：

阳极：Ag→Ag++e

阴极：e+H2O→OH-+H2

由于OH-的迁移速度较快，就会在阳极生成氢氧化银的胶体沉积物，随后立即脱水生成氧化银，再还原为金属银。即银首先变成离子迁移，随后在新的位置生成银，最后枝晶状银在阴极沉淀。

银、铅、锡、铜和镍等金属在绝缘体 （如玻璃、陶瓷）表面都会发生金属沿表面迁移现象，且迁移率按上述金属顺序逐渐地降低，银的迁移率约是铅的20倍。银之所以具有很高的迁移率，是因为它不能形成稳定的氧化膜。银和银离子发生氧化还原反应的低自由能，会促使其发生阳极溶解和阴极还原，从而导致了高迁移率。总之，电化学迁移跟金属材质、电场强度和电极间表面水膜，以及工作时间有密切的关系。

金的电化学迁移则表现出一种不同的机理[6]，这是一种污染 （特别是卤族元素）诱发的电迁移，需要氯离子参与其中，其反应如下：

Au+4Cl-→AuCl4-+3e （电极电位1.0 V）

因此，本文研究的应力诱发电迁移是指由化学应力、电场应力、电流密度、热应力和湿度应力下诱发的电迁移失效，主要包括热电迁移和电化学迁移两种现象。从这些失效中找出敏感量，进而对产品进行改进，以降低失效率，提高产品的可靠性。

2 案例分析

以下案例均是在工业和信息化部电子元器件失效分析中心完成。常见的失效有表贴TVS二极管的铅迁移造成漏电失效，电阻的银迁移失效造成电阻阻值降低，集成电路的铝迁移失效 （介质层+铝）造成开路或者短路。

失效分为稳定失效与不稳定失效。对于不稳定失效，一般会在高温高湿偏压条件下再次激发故障，对于大规模芯片，采用热激光激发OBIRCH技术定位电迁移失效点或者加大电流密度，扩大失效点进行定位。而对于稳定失效，只要根据样品结构，观察漏电的电流路径即可定位。

2.1 SMT二极管的铅电迁移

该TVS二极管在电路中用于去除输入引脚的电压波动，稳定输入电压作用，外部通过上拉电阻接入单片机IC复位引脚。在使用时发现，单片机经常发生复位现象，检测发现该二极管存在约0.3 V的压降。失效样品作为双向二极管，芯片结构为PN-P类型，失效表现均加反向偏压的P-N结漏电，正向偏压P-N良好。

电测试样品的I-V特性曲线，表现出一定的不稳定性，在较大的电流下会出现电压突变漂移。在105℃中烘烤2 h，样品I-V特性曲线击穿电压恢复正常，芯片表面存在离子污染的可能性较大，即烘干水汽后漏电消失。样品随后进行 “双85”潮热试验进行验证，经过96 h后，I-V特性曲线仍然正常，因此，排除离子加水汽形成的漏电。在85℃、85%RH条件下对样品加10 V电压 （击穿电压为11 V）进行试验，通过测试回路限流电阻的压降变化监测失效。试验96 h后故障再次出现，而且在小于96 h时已经逐步地出现电阻压降增大的情况，表明有电流流过，二极管开始漏电。采用机械研磨方法开封，减薄样品塑封料直至塑料与芯片界面分离，观察塑封料表面和芯片表面，可以看到沿塑封料表面有明显的枝晶状亮白色物质，能谱分析表明其重要成分为铅 （Pb），也就是电极的焊料成分。

样品芯片为金属-半导体接触，铅焊料本来只是作为二极管的电极，起导电作用，但由于塑封界面残留水汽，在使用中除复位外，二极管芯片边缘电场强度一直存在，导致使用中出现快速的电迁移失效，如图2所示。

图2 SMT二极管铅电化学迁移

2.2 贴片电阻的银迁移

片式厚膜电阻的结构为：陶瓷上方覆盖一层电阻膜，并用玻璃釉作为保护层，两侧用银浆作为电极导电连接材料。在加电过程中，银浆沿玻璃釉与包封层界面、电阻膜与玻璃釉界面发生银迁移。

该贴片二极管使用时间2个月左右即出现失效，失效表现为电阻阻值出现不同程度的降低。

由于样品阻值降低，首先，排除可动离子在潮湿状态下导电引起的失效；随后，对样品进行机械开封，去除玻璃釉表面包封层，在金相显微镜下无法观察到失效点，在扫描电镜下放大观察，可以看出玻璃釉表面呈现枝晶状电迁移形貌。由于片式电阻的电极材料为镍、锡，此两种材料也容易发生迁移，因此，需要利用EDS能谱进行元素鉴别。如图3所示的能谱图中最后一项银 （Ag），即为枝晶状材料元素成分。

片式电阻包封层并非气密材料，在高湿工作时，包封层吸潮，可在玻璃釉表面形成水膜，在加电工作中，银离子迁移，样品阻值降低而失效。

在失效分析中心的大量失效分析案例里，片式电阻的开路失效较多，例如：银硫化、电极开裂等失效。然而，由银迁移引起的失效也逐渐地出现，由于银迁移速度快、失效稳定，一旦出现，往往引发的就是致命性失效。

图3 片式厚膜电阻银迁移

2.3 集成电路的铝条电迁移

铝条电迁移是集成电路的一种常见的失效机理。主要是由于集成电路的尺寸降低后铝条的电流密度增大而引起。仅以金属化薄膜的宽度为0.5 μm，厚度为0.2 μm，施加电流为1 mA为例，电流密度可达106 A/cm2，而元器件的通常工作温度是80℃，如此大的电流密度，将引起严重的电迁移可靠性问题。铝薄膜构成的触摸屏复位端口金属化电迁移失效如图4所示。由于样品的金属化布线达到7层，无法通过激光热激发OBIRCH技术正面扫描定位到处于底层的电迁移失效点 （对于多层金属化互连系统，从背面进行定位会更为有效），另选失效样品对该端口加大电流密度，在电迁移扩大后，可定位到桥连位置在该端口底层，而非内部金属化桥连。失效定位之后，刻蚀法对失效样品进行逐步的去层处理，找到铝条迁移位置，从图4扫描电镜图片中可以看出：复位端口铝条已经形成应力空洞，且沿相邻地GND金属化迁移，造成桥连短路失效。再观察下方保护网络，保护网络未见任何形式的损伤，这就不同于过电应力 （EOS）造成的硅片有源区烧毁的失效。EOS应力造成的热电迁移往往是电流密度远超过106 A/cm2，时间极短，温度急剧地上升。

铝条在相邻金属化迁移的可能原因是：相邻金属化间存在较强的电场强度，铝条电流密度较大，在短时间工作中就发生了迁移、退化。

图4 铝条电迁移

上述的电迁移位置在金属化连线上，另一种常见的失效位置是连接不同层铝条的通孔处发生应力诱发空洞现象。这是产品在使用过程中出现的一种退化或者工艺缺陷造成，文献 [7]-[10]中有详细的失效机理描述及失效分析方法。

2.4 金的电迁移

金 （Au）不仅是用于集成电路的金属化互连，更主要的是用于进行金-金、金-铝键合来作为集成电路的电极，常在一些固定场合运用，如惠斯登电桥构成的传感器、微波电路上等等。

有一种类型的金电迁移发生在集成电路内部相邻键合点电极间，而且是大量、大范围的迁移，如图5所示。根据金的电化学迁移原理推测，失效可能与应用环境密切相关，比如在极端的高氯环境下，氯污染诱发金迁移失效。

图5 金电极电迁移失效

3 结论

本文介绍了电化学迁移的两个主要失效机理：1）热电迁移失效；2）电化学迁移失效。失效案例涵盖了铝金属化、银浆料和铅焊料迁移，以及金金属化4种典型的电迁移。这些案例分别从集成电路金属互连系统的可靠性、焊点的可靠性出发，进行失效分析，对于类似失效机理的其他电化学迁移失效分析有借鉴意义。对于此类半导体器件的使用而言，避免在能诱发电迁移的应力条件下使用，可以提高产品的可靠性。

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