1、电迁移部分,电 迁 移,(,Electromigration,),主要内容,电迁移原理,影响因素,失效模式,抗电迁移措施,铝膜的再构,应力迁移,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,Sequence of pictures showing void and hillock formation in an 8m wide Al interconnect due to electromigration(current density 2x10,7,A/cm,tempe
2、rature 230C),电迁移原理,SEM micrograph,8m wide interconnect,early EM stage,SEM image,EM final stage(,failure,),电迁移原理,SEM micrograph showing voids and hillocks,电迁移原理,电迁移原理,-金属互连中电迁移 效应简化示意图,电迁移原理,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：,截面积很小 j,10,7,A/cm,2,在较低温度下就可发生电迁移现象,基本的流量公式：,Fm:离子流量 N:原子密度,D,0,:扩散系数 k:波尔兹曼常数
3、Z*q:有效离子电荷 E:电场,Ea:激活能,电迁移原理,通电导体中作用在金属离子上的力,F,有两种：,1.,电场力,F,q,2.,摩擦力,F,e,：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=F,q,+F,e,=Z,*,qE,Z,*,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,”，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,产生电迁移失效的原因,内因,
4、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t,MTF,用Black方程表示(直流情况下)为,电迁移原理,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F,v,，F,v,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t,MTF,是,d,达到某临界值所需的时间。,电迁移原理,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
5、的有限电子数，而与电子流方向无关。,电迁移原理,布线几何形状的影响,热效应,晶粒大小,介质膜,合金效应,脉冲电流,影 响 因 素,布线几何形状的影响,影响因素,线长度,线宽度,线的截面积,在台阶处,影响因素,Metal film different width patterned lines,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,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,晶粒大小,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,
6、也可提高其抗电迁移的能力。,合金效应,能提高铝的抗电迁移能力。,影响因素,脉冲电流,短路,断路,参数退化,失 效 模 式,a),Open circuit failure,.,b),Hillocking,short circuit failure,失效模式,设计,工艺,材料,多层结构,覆盖介质膜,抗电迁移措施,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：,铝膜承受热应力引起的。,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：,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,定义：,当铝条宽度缩减到3,m,m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：,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：,改进钝化层的淀积过程或用单晶铝制作互连线。,应 力 迁 移,
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