薄膜的扩散与化合.ppt

微电子器件的可靠性 复旦大学材料科学系 微电子器件的可靠性 Microelectronis Reliability 薄膜的扩散和化合 微电子器件中的金属化 金属化薄膜是微电子器件的重要组成部分 薄膜中所使用到的金属元素已达十余种,使用得最广泛的是Al。其它金属有：Au, Ag, Cu, W, Ni, Ti, Co, V, Pt,等。 金属的扩散与化合 金属与金属、半导体材料之间的扩散与化合是长期来器件可靠性中的一个重要问题，如Si向Al的溶解，Au－Al间化合物等。 金属的相互扩散 金属中原子的扩散途径 分为: 晶粒扩散、位错中心扩散 ,晶粒边界扩散和金属表面扩散。 各个途径的扩散速度D = Do exp(?E/KT)。 晶粒扩散 ?E = 17 KTm 晶粒边界扩散 ?E = 8.9KTm 位错中心扩散?Ed = 12.5KTm(面心立方体系) 在所有温度下, 原子各种扩散机制的自扩散系数间关系: Dgb? ? Dd?’? Dl 多晶中的扩散 多晶薄膜中存在大量的晶粒边界。在一定温度下, 那种成为主要的扩散机理取决于：温度、 晶粒大小L 位错密度?d 。 温度越高晶粒扩散的份额越多， 晶粒越小,晶粒边界扩散越显得重要。 塔曼温度TT 晶粒扩散系数与晶粒边界扩散系数相等的温度 称为塔曼温度TT . 温度高于塔曼温度时, 扩散流以晶粒扩散为主; 温度低于塔曼温度时, 以晶粒边界扩散为主。 大多数情况下, 温度在Tm/2与 Tm/3之间，晶粒边界扩散显得较重要。 薄膜之间相互作用 金属? 和 ? 薄膜之间相 互作用，若它们可生成 稳定的化合物 ? 相。 在温度 T 时, 在界面可 以生成 ?, 并由于? 和 ? 互相扩散到界面， 在界面产生一定厚度的 金属间化合物。 扩散机理 面心立方金属中,晶粒大小，位错密度不同与扩散机理间的关系。 以T/Tm(Tm为熔点 温度) 作为变化参 数， 阴影区表示通常淀 积金属薄膜时出现 的?d 和r值的范围。 固?固界面微观相互作用 当两种不同的固体材料在原子间距尺度上相接触时,由于相互扩散形成很薄的界面层,约 2 - 50个原子层厚度,其组份几乎等于相图中最低熔点的共晶体的组份, 结构上是完全无序的, 因而是稳定的亚稳态。 在Si上淀积Au时, 在界面形成一层熔点为370?C的Au-Si 共晶体组份的界面层。 Kirkendall 效 应 相互接触的两种金属 A, B的互扩散系数不相等时。 若 A 金属向B的扩散系数大于B向A的扩散系数，在扩散过程中，在B的一边，物质增多，引起体积膨胀。而在 A的一面，由于扩散消耗了较多的A 组份，空位浓度比平衡时要高得多，这些空位聚集而形成空洞。就造成界面A 的一侧产生缝隙或空洞，这种现象称为Kirkendall 效应, 这种空洞称为 Kirkendall 空洞。 Au-Al 系统 1.Au ? Al 的 5种金属间化合物: Au Al2, AuAl, Au2Al, Au5Al2 和 Au4Al 2.最终的生成物取决于两种金属薄膜的厚度比 金属间化合物厚度的生长速度 金属间化合物 厚度的生长速度 X=Kt1/2 K= c exp[－E/kT] AuAl2 E=1.2ev; Au2Al E = 1.03ev. Au-Al 系统反应过程 AU-AL 系统 因金向铝的扩散系数大于铝向金的扩散系数, 因而在Au-Al的界面出现Kirkendall 空洞. Au-Al Kirkendall 空洞 金铝键合失效 金铝键合失效的三种模 式: 1.键合强度是高的, 但电阻增大或开路. 它典型发 生在金丝压焊在薄的铝 膜上, 环绕金丝周围的铝 原子已耗尽, 造成开路. 金铝键合失效 2. 当铝丝压焊在镀金层 上, 铝丝与金层的界面由于出现 Kirkendall 空, 使 得键合强度降低, 金铝键合失效 3. 当金丝压焊在铝膜上, 若不是延伸电极, 金丝周围不发生铝原子耗尽, 而在金丝下面出现空洞和金属间化合物. 当没有空洞时, 金属间化合物的机械强度较纯金丝要高, 但性能 脆.在温度循环时 容易断 裂. 温度循环也促进金属 间化合物的生成 金铝键合失效 金铝键合失效 镀金层中的杂质(如 Fe,Ni,Co,B,Ti)会从金层中析出,在界面富 集,使金属间化合物 不能继续生长.而这 使界面间的键合强 度大幅度下降. 金铝键合失效 塑封器件的塑封料中含有溴元素的阻燃剂, 会促进金属 间化合物的腐蚀 . 腐蚀过程是：溴化物中分离出来的溴