第07章厚膜电路的失效机理

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1、第七章厚/薄膜集成电路失效机理厚/薄膜集成电路是一种非常重要的微电子器件。它是将厚/薄膜集成电路技术制造的无源元件与半导体技术制造的有源器件（包括半导体集成电路芯片）采用灵活的组装技术组装在绝缘基片上所形成的集成电路，因此又称为混合集成电路。其中，“二次集成电路”的混合集成电路发展较快，它主要是在作有厚膜或薄膜无源网络的绝缘基片上，组装上多个半导体集成电路芯片所形成的混合集成电路。在这类电路中，膜集成电路技术通常是制作精细的互连线/交叉线和多层布线，以及某些无源元件，然后组装上半导体集成电路芯片，形成规模更大的/功能更为

2、复杂的混合集成电路。厚薄膜集成电路的失效不仅有硅芯片失效，而且还包括厚/薄膜元件/互连导带/组装和封装的失效模式和失效机理。硅芯片的失效模式和机理在有关章节中已经介绍，不再重复，本章仅介绍厚/薄膜集成电路的失效模式和机理。1*薄膜集成电路的失效模式和机理目前，对薄膜集成电路的失效分析表明，外贴硅芯片的失效约占50%---70%，薄膜电容失效约占10---20%，薄膜电阻失效约占10%，焊接不良占10---20%，断腿失效约占5%。一．薄膜电阻器的失效薄膜电阻材料中用得最广的是电阻率为100---300Ω/的镍铬合金和镍铬

3、合金和氧化钽。薄膜电阻器失效的原因是：1．温度/湿度效应。空气中的氧可使镍铬系薄膜氧化，电阻值增大。环境温度和电阻器本身的温升可促使氧化加速进行。空气中的氧化扩散到钽膜晶粒间界中时，沿膜厚方向存在着氧浓度梯度。这使钽膜老化的最大原因，温度可加速氧化过程。如果再加上湿度，不但使表面氧的浓度增加促进氧扩散，而且还会引起电化学反应使电阻膜被腐蚀。特别在电负荷下，温度/湿度效应更加严重。2．针孔和工艺缺陷。电阻膜中难免存在针孔其产生的原因与电介质膜相同。电阻膜有效面积减小，电流密度增大并且分布不均匀，因而引起局部温度过高，严重时

4、可使电阻膜局部烧毁而导致电阻器失效。3．基片内Na/K离子的影响。如果在基片材料中或表面上存在碱性离子，如Na/K等离子。在电场作用下就会在负极附近析出，使电阻膜受腐蚀，引起电阻值变化甚至电阻器开路。工艺卫生条件不良造成污染/工艺过程中所用腐蚀液等清洗的不干净也会引起类似的电阻器失效。二．薄膜电容器的失效目前在薄膜集成电路中应用最广泛的是氧化硅（SiO）薄膜电容器。其次是五氧化二钽（Ta2O5）和二氧化硅（SiO2）薄膜电容器。SiO薄膜电容器失效的主要原因有以下几方面：1．电介质膜中的针孔/气泡/杂质和尘埃引起的失效。

5、在SiO电介质膜的制作过程中要完全消除针孔和气泡是极困难的，针孔分为穿透孔和非穿透孔，气泡则位于膜层内部。它们都会引起其附近的局部电场畸变和电场集中，结果在针孔或气泡处首先造成电击穿，严重时导致电容器失效。电介质中存在杂质和尘埃也会造成类似的恶果。2．电化学固相反应。在Al---SiO---Al电容器中，在外加电场的作用下，局部击穿过程表现在SiO电介质内部发生如下电化学固相反应：Si---O---Si局部击穿电场Si---Si---+O+e此反应说明，在局部击穿电场的作用下，使Si—O—Si基团游离出一个硅离子，并释放

6、出一个电子和一个自由氧原子，注入到周围电介质中，由于电子注入到电介质的导带上，在外电场的作用下参加导电，从而破坏了介质的绝缘性能，最后导致电介质击穿。同时，在破坏性的击穿发生之后，击穿区周围出现单晶硅和游离硅（Si+），它们都具有半导体特性，也会使SiO电介质绝缘性能下降以及在电场作用下导致电容器失效。3．SiO2的吸潮效应。对真空淀积SiO薄膜的结构分析表明，膜中存在着SiO/Si2O3/SiO2/H2O和CO2。Si2O3容易吸附气体和水分，造成SiO膜的绝缘电阻下降和击穿电压下降，并可使电容器的电容量发生变化。在低

7、真空度下蒸发所得的膜中含有较多的Si2O3和H2O，此外，如果电容器上电极金属薄膜与电介质薄膜之间附着不良，湿气会沿着电极与电介质的交界面进入，使电介质吸潮引起电性能恶化。4．“台阶”效应。在薄膜电容器下电极边缘“台阶”处电场发生畸变（边缘效应），而且在“台阶”处电介质膜厚变薄，因此容易在下电极“台阶”处引起电介质击穿，使上/下电极短路。铝电极膜极博（上电极厚约0.3um，下电极厚约0.15um），当受到电压冲击发生击穿时，短路电流的强度足可使上电极膜层在击穿烧熔蒸发而断开，造成电容器断路。5．膜层中存在内应力。真空淀积

8、的电子元件，在形成温度之外的其它温度条件下，薄膜受到两种基本应力的作用：一是由于工艺缺陷在成膜过程中产生的内应力，这种应力与薄膜结构有关，二是由于膜层与基片之间（或相邻膜层之间）热膨胀系数不同而产生热应力。大多数金属淀积在玻璃基片上呈现为张应力（Fth为正值）如银/金/镍等；而在玻璃基片上的SiO/TiO2等呈现出压