3电迁移解析.pptx

微电子学研究院电电 迁迁 移移(Electromigration)电迁移部分主要内容主要内容 电迁移原理电迁移原理 影响因素影响因素 失效模式失效模式 抗电迁移措施抗电迁移措施 铝膜的再构铝膜的再构 应力迁移应力迁移电迁移部分电迁移现象电迁移现象：当器件工作时，金属互连线内有一定电流通过，金属离子会沿导体产生质量的输运，其结果会使导体的某些部位产生空洞或晶须(小丘)，这就是电迁移现象。电迁移原理电迁移原理电迁移部分 Sequence of pictures showing void and hillock formation in an 8m wide Al interconnect due to electromigration(current density 2x107 A/cm,temperature 230C)电迁移原理电迁移原理电迁移部分 SEM micrograph,8m wide interconnect,early EM stage SEM image,EM final stage(failure)电迁移原理电迁移原理电迁移部分SEM micrograph showing voids and hillocks 电迁移原理电迁移原理电迁移部分电迁移原理电迁移原理电迁移部分-金属互连中电迁移金属互连中电迁移 效应简化示意图效应简化示意图电迁移原理电迁移原理电迁移部分块状金属块状金属：在接近材料熔点的高温时才发生电迁移现象薄膜材料：薄膜材料：截面积很小 j 107 A/cm2 在较低温度下就可发生电迁移现象基本的流量公式：基本的流量公式：Fm:Fm:离子流量离子流量 N:N:原子密度原子密度D D0 0:扩散系数扩散系数 k:k:波尔兹曼常数波尔兹曼常数Z*q:Z*q:有效离子电荷有效离子电荷 E:E:电场电场Ea:Ea:激活能激活能电迁移原理电迁移原理电迁移部分通电导体中作用在金属离子上的力F F有两种：1.电场力电场力Fq2.摩擦力摩擦力Fe：导电载流子和金属离子间相互碰撞发生动量交换而使离子产生运动的力。对铝、金等金属膜，载流子为电子，此时电场力很小，摩擦力起主要作用，离子流与载流子运动方向相同，这一摩擦力又称“电子风”。F=Fq+Fe=Z*qEZ*为有效原子价数；E为电场强度；q为电子电荷。Z*0 时是“空穴风空穴风”，使金属离子向负极移动，抗电迁移能力变大铂、钴、金、铝的分别为+0.3,+1.6,-8,-30电迁移原理电迁移原理电迁移部分产生电迁移失效的原因 内因：薄膜导体内结构的非均匀性 外因：电流密度变大失效的中位寿命tMTF用Black方程表示(直流情况下)为电迁移原理电迁移原理电迁移部分根据空位松弛模型可推出其中位寿命。（方法如下）令d是互连线中空洞(或其它缺陷、损伤，最终能导致失效的机制)体积，d的增加率比例于空位流Fv，Fv等于空位浓度n与空位速度的乘积，速度比例于电流密度，而与脉冲工作比及频率无关。R是比例常数，是d的函数，中位寿命tMTF是d达到某临界值所需的时间。电迁移原理电迁移原理电迁移部分假定空位的松弛时间是t，空位产生率比例于|J|m-1，比例常数为a，则使用|J|是由于产生空位数依赖于向晶格传递动量的有限电子数，而与电子流方向无关。电迁移原理电迁移原理电迁移部分q 布线几何形状的影响q 热效应q 晶粒大小q 介质膜q 合金效应q 脉冲电流影影 响响 因因 素素电迁移部分q 布线几何形状的影响 影响因素影响因素 线长度 线宽度 线的截面积 在台阶处电迁移部分影响因素影响因素Metalfilmdifferentwidthpatternedlines电迁移部分q 热效应 金属膜的温度及温度梯度对电迁移的寿命影响极大。影响因素影响因素电迁移部分图 金属离子沿晶界扩散引发失效示意图（a）金属离子散度不为零处，引起净质量的堆积和亏损；（b）大小晶粒交界处出现小丘或空洞影响因素影响因素q晶粒大小电迁移部分q 介质膜 互连线上覆盖介质膜(钝化层)后，不仅可防止金属条的意外划伤，防止腐蚀及离子玷污，也可提高其抗电迁移的能力。q 合金效应 能提高铝的抗电迁移能力。影响因素影响因素q 脉冲电流电迁移部分v短路 v断路 v参数退化失失 效效 模模 式式电迁移部分a)Open circuit failure.b)Hillocking,short circuit failure失效模式失效模式电迁移部分q 设计q 工艺q 材料q 多层结构q 覆盖介质膜抗电迁移措施抗电迁移措施电迁移部分定义：定义：铝条经过热循环或脉冲功率老化后，表面变得十分粗糙甚至发黑，在扫描电镜下可看到铝表面出现许多小丘、晶须或皱纹等。原因：原因：铝膜承受热应力引起的。后果：后果：再构现象会导致铝膜电阻增大或器件内部瞬间短路，也可引起某些地方电流密度增大，从而加速电迁移的发生。措施：措施：在铝中掺铜，增大铝条晶粒尺寸以及覆盖SiO2等介质膜可以使铝的再构现象减少或避免，提高器件抗热循环的能力。铝膜的再构铝膜的再构电迁移部分定义：定义：当铝条宽度缩减到3mm以下时，经过温度循环或高温处理，也会发生铝条开路断裂的失效。这时空洞多发生在晶粒边界处，这种开路失效叫应力迁移。铝条越细，应力迁移失效越严重。原因：原因：早期认为是铝中含氧使之易碎，或材料的类似蠕变现象所致。目前认为应力的形成主要来源于铝条的上下两侧各介质膜层的热失配。当老化温度增加，应力失效速度增加。措施：措施：改进钝化层的淀积过程或用单晶铝制作互连线。应应 力力 迁迁 移移