电迁移现象及其失效机理
电迁移原理_(华东师范大学_李旭瑞)
《电迁移原理》的思考总结与扩展：旭瑞专业：华东师大学微电子电迁移原理：集成电路芯片部采用金属薄膜引线来传导工作电流，这种传导电流的金属薄膜称作互连引线。
随着芯片集成度的提高，互连引线变得更细、更窄、更薄，因此其中的电流密度越来越大。
在较高的电流密度作用下，互连引线中的金属原子将会沿着电子运动方向进行迁移，，其结果会使导体的某些部位产生空洞或晶须，这种现象就是电迁移。
它是引起集成电路失效的一种重要机制。
电迁移失效机理产生电迁移失效的因：薄膜导体结构的非均匀性外因：电流密度从缺陷产生和积累得角度，我们可以这样解释电迁移的失效机理，即在电迁移过程中，在子风和应力的作用下，互连线中的某些薄弱部位产生了缺陷;缺陷的产生，重新改变了互连线中电流的分布，进而也会影响热分布;这两个过程相互作用，决定了缺陷在哪些薄弱部位产生;随着时间的增加，缺陷不断积累，相邻较近的缺陷融合成一个大缺陷;当产生的缺陷足够大，在垂直电流的方向上占有足够的面积，互连线的电阻就会显著增加;最后当形成的缺陷横跨整个互连线横截面，互连线断路在图2.4中，我们考虑金属原子A，它的周围有十二个相邻的晶格位置，其中之一被空位V占据，其余被其他金属原子占据。
在无电流应力条件下，由于热运动，原子A向其附近任何一个方向移动的概率是相等的;若在“电子风”吹动的情况下，很明显原子A向电子风方向移动概率大大增加。
假设A要与人原子发生交换，其过程也只能是通过原子与空位的交换，即人移到空位位置，A移到人位置，空位移到原的位置，可见，空位移动一步之前移动了两个原子。
同理，若A往几方向移动，空位移动一步须移动三个原子。
所以，同等电子风力条件下，金属原子移动方向不同，难易程度也不同。
从电流密度角度，我们可以这样解释电迁移的失效机理在金属里作用了两种对立的力。
这些力被称为“直接力”和“电子风”力。
直接力是一种在电场的作用下，由激活的金属正离子沿电子流相反方向流动产生的力。
电迁移现象
电迁移现象
电迁移现象是物理学界备受关注的一个热门课题。
它是指物体或物质在一定条件下，由于应力而迁移的现象。
这种现象的发生会造成物体储存的电荷的变化，因此它也被称为“静电迁移”、“电荷迁移”或“静电变换”。
电迁移现象在日常生活中被广泛应用，包括自动门的原理、摄像头定位以及触摸屏的运作原理等。
也被广泛应用在工业中，如电子开关、无接触电机、变压器、液位传感器等。
科学家们已经发现，电迁移现象在生物体内也发生，它在调节非常重要的生理机制中扮演重要角色，如膜电位调节、血管内皮细胞平衡调节等。
电迁移现象的本质是一种内建张力，它受到材料的结构特性和电荷分布的影响，而且能够穿越复杂的电子结构。
电迁移现象的发生是由于物体表面的表面电荷分布的重新排列所导致的，称为“电荷效应”。
这种电荷效应是通过连接金属电子结构上的连接点来实现的，可以通过特定的物质结构来促进或增强这种电迁移现象的发生。
此外，电迁移现象也可以受到电场和磁场的双重影响，这种电磁效应也可以在电迁移现象中发挥功效。
由于磁场可以影响物质结构的重组，因此，当遇到电磁场时，电迁移现象的发生可能是由于磁位的变化引起的。
电迁移现象的研究内容已经有很多，研究人员们也对它做了不同方面的研究，但仍然存在诸多未解决的问题。
未来研究工作将继续深入探讨电迁移现象及其在工业应用中的发展情况，以期发展出更有效、
更安全的技术和设备。
电迁移现象是一种物理现象，它涉及到电荷、电场、磁场等物理现象，对于科学家们来说是一个不可缺少的研究课题。
随着科学技术的不断进步，电迁移现象的研究将受到更多的关注和深入的研究，以提高科学和工业技术的发展水平，实现可持续发展。
电迁移现象及其失效机理
电迁移现象及其失效机理 Revised by Liu Jing on January 12, 2021集成电路中的电迁移现象电迁移现象简介随着芯片特征尺寸越来越小，集成度越来越高，对芯片可靠性的研究也变得越来越重要，而其中电迁移现象是影响互连引线的主要可靠性问题。
在微电子器件中，金属互连线大多采用铝膜，这是因为铝膜具有电阻率低、价格低廉、与硅制造工艺相兼容、与SiO层等介质膜具有良好的粘附性、便于加工等一系列优2点。
但使用中也存在着如性软、机械强度低、容易划伤；化性活泼、易受腐蚀；抗电迁移能力差等一系列问题。
集成电路芯片内部采用金属薄膜互连线来传导工作电流，这种传导电流的金属在较高的电流密度作用下，沿电场反方向运动的电子将会与金属离子进行动量交换，结果使金属离子与电子流一样朝正极方向移动，相应所产生的金属离子空位向负极方向移动，这样就造成了互连线内金属净的质量传输，这种现象就是电迁移。
电迁移失效机理电迁移现象是指集成电路工作时金属线内部有电流通过，在电流的作用下金属离子产生物质运输的现象。
进而导致金属线的某些部位出现空洞从而发生断路，而另外一些部位由于有晶须生长或出现小丘造成电路短路。
当芯片集的成度越来越高后，其中金属互连线变的更细、更窄、更薄，电迁移现象也就越来越严重。
图为典型的电迁移失效结果。
（a）电迁移引发短路（b）电迁移引发断路在块状金属中，电流密度较低（<104A/cm2），其电迁移现象只在接近材料熔点的高温时才发生。
薄膜的材料则不然，淀积在硅衬底上的铝条，截面积很小和很好的散热条件，电流密度可高达107A/cm2，所以在较低的温度下就能发生电迁移。
在一定温度下，金属薄膜中存在一定的空位浓度，金属离子通过空位而运动，但自扩散只是随机的引起原子的重新排列，只有在受到外力时才可产生定向运动。
通电导体中作用在金属离子上的力有两种：一种是电场力Fq，另一种是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，这种力叫摩擦力Fe ，对于铝膜，载流子为电子，这时电场力Fq很小，摩擦力起主要作用，粒子流与载流子运动方向相同。
栅极导电层Au 迁移导致放大器失效原因分析
栅极导电层Au 迁移导致放大器失效原因分析电迁移是导电金属材料在通过高密度电流时，金属原子沿着电流运动方向(电子风)进行迁移和质量可控的扩散现象，它与金属材料的电流密度和温度数值密切相关。
当凸点及其界面处的局部电流密度超过电迁移门槛值时，高速运动的电子流形成的电子风与金属原子发生剧烈碰撞，进行部分的冲量交换，迫使原子沿着电子流方向运动，从而发生凸点互连的电迁移。
通常电迁移能在阴极造成金属原子的流失而产生微空洞，使互连面积减小导致断路，在阳极造成金属原子的堆积而形成凸起的小丘,导致短路，从而引起IC及元器件失效。
电迁移是引起IC及电子产品失效的一种重要机制。
因此，有必要针对Au的电迁移特性进行研究，明确Au电迁移对电路的影响。
某限幅低噪声放大器在交付用户使用一段时间后出现输出不稳定现象，在确认失效样品电参数后，开封检查观察到内部没有短路、断路现象或明显的缺陷区。
由于放大管中主要功能元件是两级砷化镓金属半导体场效应晶体管(MESFET)，采用新的同型号的MESFET 将其置换后，功能恢复正常。
根据以上检测排除，最终锁定场效应管失效。
笔者借助扫描电子显微镜和X 射线能谱仪对该MESFET中的异常导电层不同微区进行了微观分析，找出了产生此问题的原因。
1 实验 实验仪器为日本JEOL 公司生产的JSM-6490LV型扫描电子显微镜(SEM)，配有美国EDAX 公司生产的Genesis2000XMS 型X 射线能谱仪(EDS)附件。
实验样品为失效的GaAs-MESFET,图1 为其结构图，衬底材料是具有高电阻率的本征砷化镓，在沟道上制作栅极金属，与n型半导体之间形成肖特基势垒接触，源极和漏极金属与n+ 型半导体之间形成欧姆接触。
该MESFET采用。
em电迁移测试原理
em电迁移测试原理好啦，今天我们来聊聊电迁移测试原理。
说到电迁移测试，你可能会想，“这是什么高大上的东西？”其实啊，电迁移听起来挺复杂，但其实原理一点都不难。
咱们就从头来，慢慢捋一捋。
首先啊，电迁移就是电子在电场作用下，朝着正极或负极移动的过程。
简单来说，就是电流通过导体的时候，电子被电场“推着走”，在这个过程中，如果电流过大，导体里的原子会因为电子的撞击而发生位移，甚至可能导致导体断裂，或者焊点失效。
你想啊，电子这家伙就像一群调皮的小学生，在学校的走廊里跑来跑去，如果走得太猛，地板就会坏掉，那这不就是电迁移的危害吗？所以，电迁移测试呢，基本上就是模拟这种情况，看看在一定的电流作用下，材料或者焊点会不会因为“过度奔跑”导致问题。
你可以想象，电迁移测试就像是给材料上了一堂“耐力课”，看看它能不能扛得住大电流的“冲击”。
你别小看这个测试，真的是非常重要！它直接关系到你家电器能不能长时间稳定工作，不然你看，你手机、电脑一用就卡死，电池没电了，背后可就可能是电迁移惹的祸。
对了，电迁移测试是如何做的呢？整个过程非常讲究细节。
通常，测试会在一个叫做加速电迁移的实验环境里进行。
这个环境模拟了长期使用下的高电流状态，测试者就会用一个电源给材料提供稳定的电流，然后观察它们的表现。
特别是在高温、高湿的环境下，电迁移的发生会更明显。
你可以想象，一边是炎热的温度，一边是湿气不断，电流一旦来了，材料能撑多久呢？这种极端条件下的测试，往往能提前暴露出很多潜在的风险。
说到这里，你可能会好奇，测试的时候到底会有什么样的表现呢？最初的电迁移问题可能不太明显。
你可以想象，一开始电流给的不是很大，材料表面看起来平平无奇。
可是随着测试的深入，时间一长，电流逐渐带走了材料表面的一些原子，那些原子就会聚集在某个地方，形成小小的金属结晶，就像是地面上的坑坑洼洼。
你可能想，这不就是给材料“拉了个坑”？对呀，正是这些坑让电流通过的路径变得更加“困难”，甚至可能导致电路的“死路一条”。
电迁移失效判定电路
电迁移失效判定电路设计进展报告1.电迁移失效机理和失效模式电迁移(Electromigation)是在一定温度下，当半导体器件的金属互连线上流过足够大的电流密度时，被激发的金属离子受电场的作用形成离子流朝向阴极方向移动，另外在电场作用下的电子通过对金属离子的碰撞传给离子的动量形成朝着金属膜阳极方向运动的离子流，造成了金属离子向阳极端的净移动，最终在金属膜中留下金属离子的局部堆积而出现小丘、晶须(引起短路)或引起金属离子的局部亏损而出现空隙(引起开路)，最终导致突变失效，影响集成电路的寿命。
根据电路在不同位置发生电迁移、以及发生电迁移的形式的不同，电迁移的失效模式主要有下面几种：1.1短路1.1a．电迁移使晶体管发射极末端积累铝离子，使EB结短路，这对套刻间距小的微波功率管容易发生；1.1b．电迁移产生的晶须使相邻的两个铝条间短路，这对相邻铝条间距小的超高频器件、大规模集成电路容易发生；1.1c．集成电路中铝条经电迁移后与有源区短接，多层布线上下层铝条经电迁移后形成晶须而短接；1.1d．晶须与器件内引线短接。
1.2 断路1.2a．正常工作温度下，铝条承受电流过大，特别是铝条划伤后，电流密度更大，使铝条断开。
尤其是大功率管，在正常结温(150℃)时，往往工作几百小时后因电迁移而失效；1.2b．压焊点处，因接触面积小，电流密度过大而失效；1.2c．氧化层台阶处，因电迁移而断条。
通过氧化层阶梯的铝条在薄氧化层上散热好，温度低，而在厚氧化层上散热差，温度高。
所以当电子流沿着铝条温度增加的方向流动时，就会出现铝原子的亏空，而形成宏观的空隙。
1.3 参数退化电迁移将影响器件性能稳定。
例如，晶体管EB结的退化。
2.失效判定电路检测参数的选择当电路发生电迁移之后，电路中互连线的电阻会发生很大的变化，严重的甚至发生互连线的断路和短路。
为了判定电路是否发生电迁移，最直接的方法就是测量互连线的电阻。
然而，在芯片的引脚上无法直接测量内部互连线的电阻，在芯片引脚上只能测量端口电压和电流，在这里，选择引脚电压作为检测参数。
电迁移介绍
1.电迁移及模型简要介绍1.1电迁移现象电迁移现象是指集成电路工作时金属线内部有电流通过，在电流的作用下金属离子产生物质运输的现象。
进而导致金属线的某些部位出现空洞从而发生断路，而另外一些部位由于有晶须生长或出现小丘造成电路短路。
当芯片集的成度越来越高后，其中金属互连线变得更细、更窄、更薄，其电迁移现象越来越严重。
图1 电迁移示意图1.2电迁移理论（原子扩散模型）当金属导体中通过大电流密度时，静电电场将驱动电子从阴极向阳极运动。
高速运动的电子将与金属原子发生碰撞，原子受到猛烈的电子冲击，这就形成了电迁移理论中的电子风力wd F 。
此外，金属原子还到受静电场力ei F 的作用，如图2所示。
图2 电迁移理论模型图两者的合力即电迁移驱动力可表示em wd ei e j F F F Z ρ*=+= （1）Z eiZZ=* (2) wd+式中，F为电子风力；ei F为场力；Z*为有效电荷；ρ为电阻率；wdj为电流密度；Z为电子风力有效电荷常数；ei Z为静电场力有效电wd荷常数。
当互连引线中的电流密度较高时，向阳极运动的大量电子碰撞原子，使得所产生的电子风力F大于静电场力ei F。
因此，金属原子受wd到电子风力的驱动，产生了从阴极向阳极的受迫的定向扩散，即发生了金属原子的电迁移。
如图3所示。
图3电迁移产生图原子的扩散主要有三种形式：晶格扩散、界面扩散和表面扩散。
由于电迁移使金属原子从一个晶格自由扩散到另一个晶格的空位上，所以，通常描述原子电迁移的数学模型采用的是空位流(J )方程：total Dc J F kT=- (3) 式(3)中，D 为扩散系数；c 为空位浓度；T 为绝对温度：k 为玻耳兹曼常数；total F 为电迁移驱动力的合力。
电迁移使得引线内部产生空洞和原子聚集。
在空洞聚集处是拉应力区；在原子聚集处是压应力区，因此，应力梯度方向由阳极指向阴极。
图4 电迁移产生应力梯度图为了松弛应力，重新回到平衡态，原子在压应力的作用下，沿应力梯度方向形成回流。
化学反应中电子转移的动态过程及其相关研究
化学反应中电子转移的动态过程及其相关研究化学反应是物质转化的过程，其中电子转移是一种普遍存在的反应方式。
电子转移动态过程的研究对于深入理解化学反应机理具有重要意义。
本文将从电子转移的定义、动态过程、相关研究等方面进行探讨。
一、电子转移的定义电子转移是指化学反应中原子或分子间发生电子的转移。
在反应中，电子从一个原子或分子的价层（价电子）转移到另一个原子或分子的价层上，从而产生化学反应。
通常分为氧化和还原两个方面，氧化是指某个化合物失去电子，还原是指某个化合物得到电子。
二、电子转移的动态过程从分子的角度看，电子转移的动态过程可以分为非绝热转移和绝热转移两种方式。
非绝热转移是指在反应过程中，分子处于高能量状态，激发态分子中的电子发生转移。
此时，电子的转移速率较快，但是反应产生的能量一般较难控制，会导致反应的副产物增多，产率较低。
绝热转移是指在反应过程中分子处于基态，电子的转移速率比非绝热转移慢，但是反应产生的能量可以被控制，使产率较高。
因此，大部分化学反应中采用绝热转移作为电子转移的反应机制，以便更好地控制反应产率。
三、相关研究电子转移是化学反应中普遍存在的反应方式，其相关研究已得到广泛关注，涉及理论、实验和应用等方面。
在理论方面，电子转移的机制和动态过程已经通过计算机模拟、量子化学理论等方法进行了深入研究。
目前，许多科学家使用密度泛函理论等计算方法建立了分子体系的势能面，从而定量研究电子转移动态过程和反应路径。
在实验方面，利用光谱学等手段研究电子转移的动态过程已成为研究的主要方向。
通过非线性光谱学的方法可以提供反应中非等离子的电子转移的相关进程，这为电子转移反应的势能面有提供了实验上的直观证明。
在应用方面，电子转移反应已经广泛应用于生物、医药、材料、环境等领域。
其中，许多应用性研究致力于寻找具有电子转移能力的化合物，并在化学合成和药物设计等领域应用。
四、结论电子转移是化学反应中原子或分子间发生电子的转移过程。
电迁移原理 (华东师范大学 李旭瑞)
《电迁移原理》的思考总结与扩展姓名：***专业：华东师范大学微电子电迁移原理：集成电路芯片内部采用金属薄膜引线来传导工作电流，这种传导电流的金属薄膜称作互连引线。
随着芯片集成度的提高，互连引线变得更细、更窄、更薄，因此其中的电流密度越来越大。
在较高的电流密度作用下，互连引线中的金属原子将会沿着电子运动方向进行迁移，，其结果会使导体的某些部位产生空洞或晶须，这种现象就是电迁移。
它是引起集成电路失效的一种重要机制。
电迁移失效机理产生电迁移失效的内因：薄膜导体内结构的非均匀性外因：电流密度从缺陷产生和积累得角度，我们可以这样解释电迁移的失效机理，即在电迁移过程中，在子风和应力的作用下，互连线中的某些薄弱部位产生了缺陷;缺陷的产生，重新改变了互连线中电流的分布，进而也会影响热分布;这两个过程相互作用，决定了缺陷在哪些薄弱部位产生;随着时间的增加，缺陷不断积累，相邻较近的缺陷融合成一个大缺陷;当产生的缺陷足够大，在垂直电流的方向上占有足够的面积，互连线的电阻就会显著增加;最后当形成的缺陷横跨整个互连线横截面，互连线断路在图2.4中，我们考虑金属原子A，它的周围有十二个相邻的晶格位置，其中之一被空位V占据，其余被其他金属原子占据。
在无电流应力条件下，由于热运动，原子A向其附近任何一个方向移动的概率是相等的;若在“电子风”吹动的情况下，很明显原子A向电子风方向移动概率大大增加。
假设A要与人原子发生交换，其过程也只能是通过原子与空位的交换，即人移到空位位置，A移到人位置，空位移到原的位置，可见，空位移动一步之前移动了两个原子。
同理，若A往几方向移动，空位移动一步须移动三个原子。
所以，同等电子风力条件下，金属原子移动方向不同，难易程度也不同。
从电流密度角度，我们可以这样解释电迁移的失效机理在金属里作用了两种对立的力。
这些力被称为“直接力”和“电子风”力。
直接力是一种在电场的作用下，由激活的金属正离子沿电子流相反方向流动产生的力。
电迁移原理
电迁移原理《电迁移原理》的思考总结与扩展姓名：***专业：华东师范大学微电子电迁移原理：集成电路芯片内部采用金属薄膜引线来传导工作电流，这种传导电流的金属薄膜称作互连引线。
随着芯片集成度的提高，互连引线变得更细、更窄、更薄，因此其中的电流密度越来越大。
在较高的电流密度作用下，互连引线中的金属原子将会沿着电子运动方向进行迁移，，其结果会使导体的某些部位产生空洞或晶须，这种现象就是电迁移。
它是引起集成电路失效的一种重要机制。
电迁移失效机理产生电迁移失效的内因：薄膜导体内结构的非均匀性外因：电流密度从缺陷产生和积累得角度，我们可以这样解释电迁移的失效机理，即在电迁移过程中，在子风和应力的作用下，互连线中的某些薄弱部位产生了缺陷;缺陷的产生，重新改变了互连线中电流的分布，进而也会影响热分布;这两个过程相互作用，决定了缺陷在哪些薄弱部位产生;随着时间的增加，缺陷不断积累，相邻较近的缺陷融合成一个大缺陷;当产生的缺陷足够大，在垂直电流的方向上占有足够的面积，互连线的电阻就会显著增加;最后当形成的缺陷横跨整个互连线横截面，互连线断路在图2.4中，我们考虑金属原子A，它的周围有十二个相邻的晶格位置，其中之一被空位V占据，其余被其他金属原子占据。
在无电流应力条件下，由于热运动，原子A向其附近任何一个方向移动的概率是相等的;若在“电子风”吹动的情况下，很明显原子A向电子风方向移动概率大大增加。
假设A要与人原子发生交换，其过程也只能是通过原子与空位的交换，即人移到空位位置，A移到人位置，空位移到原的位置，可见，空位移动一步之前移动了两个原子。
同理，若A往几方向移动，空位移动一步须移动三个原子。
所以，同等电子风力条件下，金属原子移动方向不同，难易程度也不同。
从电流密度角度，我们可以这样解释电迁移的失效机理在金属里作用了两种对立的力。
这些力被称为“直接力”和“电子风”力。
直接力是一种在电场的作用下，由激活的金属正离子沿电子流相反方向流动产生的力。
化学反应机理中的电子转移过程分析
化学反应机理中的电子转移过程分析化学反应中的电子转移是指原子或离子之间的电子在反应过程中的转移现象。
电子转移是一种常见的化学反应机制，对于许多反应的进行和速率都起着至关重要的作用。
本文将对化学反应机理中的电子转移过程进行详细分析。
一、电子转移反应的基本概念电子转移反应是指反应中电子的转移过程，通常涉及到氧化还原反应。
在化学反应中，当某一物质失去一个或多个电子，同时另一物质从外部得到这些电子时，就发生了电子转移反应。
这个过程可以用化学方程式表示，例如：A +B → A+ + B- (电子被B接受)A +B → A- + B+ (电子被A接受)其中，A和B代表反应物，A+、A-、B+、B-分别代表反应物的带电状态。
二、电子转移过程的类型1. 直接电子转移：直接电子转移是指电子从一个原子或离子直接转移到另一个原子或离子上。
这种转移过程常见于金属离子与配体之间的反应，以及电化学反应等。
2. 间接电子转移：间接电子转移是指电子被某一物质接受后，再经由其他反应物传递到特定原子或离子上。
这种转移过程常见于复杂的有机反应中，例如酶催化的反应。
三、电子转移反应的机理化学反应中的电子转移过程涉及到反应物的能级变化和电子云重组。
电子转移反应的机理取决于反应体系，下面分别介绍两种常见的电子转移反应机理。
1. 一步机理一步机理是指电子转移发生在一个过渡态中的反应过程。
在这种机理下，反应的速率方程只有一个速率常数。
例如，铁与硫酸铜发生反应生成铁(II)离子与铜：Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu这个反应过程中，铁原子失去两个电子转移到硫酸铜中，同时铜原子接受这两个电子。
整个过程可以看作是一步即完成的电子转移过程。
2. 多步机理多步机理是指电子转移发生在多个过渡态中的反应过程。
在这种机理下，反应的速率方程包含多个速率常数。
例如，某有机反应中，某特定原子失去一个电子并转移到邻近的另一原子上，然后再从该原子转移到下一个原子上，以此类推。
3 电迁移
电迁移原理
SEM micrograph, 8µm wide interconnect, early EM stage
SEM image, EM final stage (failure)
电迁移部分
电迁移原理
SEM micrograph showing voids and hillocks
电迁移部分
电迁移原理
电迁移部分
电迁移原理
<-- 金属互连中电迁移 效应简化示意图
电迁移部分
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 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：
Fm = ND0 / kT ( Z *qE ) exp(− Ea / kT )
电迁移部分
应 力 迁 移 定义：当铝条宽度缩减到3µm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。
电迁移部分
影响因素
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。
合金效应 能提高铝的抗电迁移能力。
脉冲电流
电迁移部分
失 效 模 式
短路
断路
参数退化
电迁移部分
失效模式
a) Open circuit failure
. b) Hillocking, short circuit failure
电转移原理
电转移原理电转移原理是指在电场作用下，带电粒子受到电场力的作用而发生运动的现象。
电转移原理是电学领域中的一个重要概念，它在电磁学、电化学、电子学等领域都有着广泛的应用。
本文将从电转移原理的基本概念、电场力的作用、电转移的应用等方面进行介绍。
首先，我们来了解一下电转移原理的基本概念。
电转移原理是指在电场中，带电粒子受到电场力的作用而发生运动的现象。
当带电粒子处于电场中时，它会受到电场力的作用，从而产生加速度，导致带电粒子发生运动。
这种运动的方向和速度取决于电场的大小和方向，以及带电粒子的电荷量和质量。
电转移原理是电场力和带电粒子之间相互作用的结果，它是电学领域中的重要概念之一。
其次，我们来看一下电场力是如何作用的。
电场力是指电场中带电粒子受到的力，它是由电场中的电荷产生的。
当带电粒子处于电场中时，它会受到电场力的作用，从而产生加速度，导致带电粒子发生运动。
电场力的大小和方向取决于电场的大小和方向，以及带电粒子的电荷量和质量。
在电转移过程中，电场力起着至关重要的作用，它决定了带电粒子的运动轨迹和速度。
除了在理论研究中的应用外，电转移原理在实际生活中也有着广泛的应用。
例如，在电化学中，电转移原理被应用于电解过程中。
在电解过程中，当外加电压作用于电解质溶液中时，带电粒子会在电场力的作用下发生移动，从而导致溶液中的化学物质发生电解反应。
这种电转移过程在电镀、电解制氢、电解制氧等工业生产中有着重要的应用。
此外，在电子学领域中，电转移原理也有着重要的应用。
例如，在半导体器件中，电子在电场力的作用下发生漂移和扩散，从而实现了半导体器件的正常工作。
在集成电路、光电子器件等领域，电转移原理都发挥着重要的作用。
综上所述，电转移原理是电学领域中的重要概念，它描述了带电粒子在电场力的作用下发生运动的现象。
电场力决定了带电粒子的运动轨迹和速度，而电转移原理在电化学、电子学等领域都有着广泛的应用。
通过对电转移原理的深入理解，我们可以更好地应用它于实际生活和工程技术中，推动科学技术的发展。
电迁移基本知识(华东师范大学李旭瑞)
《电迁移原理》的思考总结与扩展姓名：李旭瑞专业：华东师范大学微电子电迁移原理：集成电路芯片内部采用金属薄膜引线来传导工作电流，这种传导电流的金属薄膜称作互连引线。
随着芯片集成度的提高，互连引线变得更细、更窄、更薄，因此其中的电流密度越来越大。
在较高的电流密度作用下，互连引线中的金属原子将会沿着电子运动方向进行迁移，，其结果会使导体的某些部位产生空洞或晶须，这种现象就是电迁移。
它是引起集成电路失效的一种重要机制。
电迁移失效机理产生电迁移失效的内因：薄膜导体内结构的非均匀性外因：电流密度从缺陷产生和积累得角度，我们可以这样解释电迁移的失效机理，即在电迁移过程中，在子风和应力的作用下，互连线中的某些薄弱部位产生了缺陷;缺陷的产生，重新改变了互连线中电流的分布，进而也会影响热分布;这两个过程相互作用，决定了缺陷在哪些薄弱部位产生;随着时间的增加，缺陷不断积累，相邻较近的缺陷融合成一个大缺陷;当产生的缺陷足够大，在垂直电流的方向上占有足够的面积，互连线的电阻就会显著增加;最后当形成的缺陷横跨整个互连线横截面，互连线断路在图2.4中，我们考虑金属原子A，它的周围有十二个相邻的晶格位置，其中之一被空位V占据，其余被其他金属原子占据。
在无电流应力条件下，由于热运动，原子A向其附近任何一个方向移动的概率是相等的;若在“电子风”吹动的情况下，很明显原子A向电子风方向移动概率大大增加。
假设A要与人原子发生交换，其过程也只能是通过原子与空位的交换，即人移到空位位置，A移到人位置，空位移到原的位置，可见，空位移动一步之前移动了两个原子。
同理，若A往几方向移动，空位移动一步须移动三个原子。
所以，同等电子风力条件下，金属原子移动方向不同，难易程度也不同。
从电流密度角度，我们可以这样解释电迁移的失效机理在金属里作用了两种对立的力。
这些力被称为“直接力”和“电子风”力。
直接力是一种在电场的作用下，由激活的金属正离子沿电子流相反方向流动产生的力。
化学物理中的电荷转移反应理论
化学物理中的电荷转移反应理论电荷转移反应是化学物理学中的一种重要反应形式，其实质是分子中电子从一个原子或者分子转移到另一个原子或者分子上。
电荷转移反应的理论对于解释许多重要化学过程都有着极为重要的作用。
一、电荷转移反应的基础定理：电中性原则在分子中，每个原子都带有一个或多个电子。
这些电子和原子核之间的吸引力，形成了原子和分子的化学键。
根据电中性原则，在离子或分子中，总正电荷等于总负电荷。
在一个原子或分子中，电子的分布状态和原子或分子自身的结构有直接关系。
分子中的电子可以在分子内部传递，也可以跃迁到另一个原子或分子上。
这种电子的移动和转移的反应就是电荷转移反应。
二、电荷转移反应的类型电荷转移反应可以分为两种类型：电子转移反应和质子转移反应。
电子转移反应是指原子或分子中一个电子的转移，通常伴随着分子的氧化或还原。
例如，氧气和氢气可以发生电子转移反应形成水：O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O在这个反应中，双原子分子O2中的两个电子转移到4个H+离子上，还原成2个水分子。
O2作为氧化剂，接受了电子而被还原，而H+离子作为还原剂，失去了电子而被氧化。
质子转移反应是指质子（H+）在分子中的转移，通常伴随着分子酸碱中心之间的转移。
例如，酸碱反应中的质子转移：HCl + H2O -> H3O+ + Cl-这个反应中，Cl-离子被水分子中的H+取代，形成了氢氧化离子（OH-）。
因此，HCl作为酸，将质子转移到了水分子上，形成了H3O+离子，而水分子的氧原子得到了Cl-离子上的一个电子，形成了OH-离子。
三、电荷转移反应的影响因素电荷转移反应能否进行和反应的速度，受到许多因素的影响，例如温度、压力、浓度等因素。
其中最重要的影响因素是反应的反应物和产物之间的亲和力和反应的活化能。
亲和力是指分子中电极性和化学键的稳定程度对反应的吸引力。
亲和力越强，反应速率越快。
在电子转移反应中，亲和力是指氧化剂和还原剂之间的电荷相斥或相吸力。
铜工艺电迁移分模式失效机理研究
。
中。电迁移 （ ｌｃ ｍ ｇ ａ ｎ Ｍ） Ｅ ｅ ｔ ｏ ｉｒ ｔ ｏ ，Ｅ 测试是检 测金属 互连层 性 能的主要 方法 ｒ ｉ
时间进行失效模式分析的方法， 为我们不依 靠物理失效分析而快速发现工艺问题提供 了分模 式 ： ４ ｇ 连； ｌ 失效 时间： 失效机 理
是指集成 电路器件工作时 ， 金属原子沿导体作一定 方向性的移动 ，这种金属原子定向移动的结果使导
ｈ＋ ｎ ． ｈ－ … ｔ Ｉ ＾．
，： 、…
…
体的某些部位产生空洞 （ ｏ ） Ｖ ｉ 或小丘 （ ｉ ｃ ） ｄ Ｈｌ ｋ 的 ｌ ｏ
现象 。而造 成金 属原 子定 向移 动 的原理 是 由于动 量 转移 的结果 。在 正负偏 压 的作用 下 ， 电子 流 ” 阴 “ 从 极 流 向 阳极 并 且 在 移 动 过 程 中不 断 和 金 属 原 子 撞
，
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Ｅ ｅ ｔｏ ｇ ａｉ ｎ ｌｃｒ ｍｉｒ ｔ ｏ
（ Ｍ）ｉ ０ ｅ ｆｈ ｊｒｎ ｉ ｓ。 Ｖｌａ ｅｐｒ ｒ ｎ ｅｏ ｃＰ ｅ ｔ ｃｎ ｅｔ ｎ Ｆ ｒｔ ｅ ＥＭ ｉ ｍ。 ａ ｈｅ Ｅ ｓ ｎ 。 ｅ 。 ｉｄ ｅ ｅａｕｔ ｔ ｅ ｍａ ｃ ｆ 。 Ｐｒ ｎ ｒ。 ｎｃｉ ｔ ｍａ ｃ ｔ ｅｈ ｏ ｆ ｉｅ 。 。 ｈ ｂ — ｄ １ — Ｄ
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铜工艺电迁移分模式失效机理研究
电迁移、热载流子、栅氧击穿、过压失效机理
电迁移、热载流子、栅氧击穿、过压失效机理
电迁移（Electromigration）：是指在材料内部由于电流通过而
引起的离子移动现象。
在金属导线中，由于电子与离子的碰撞和运动，会导致导线内部金属离子的一定迁移和堆积，进而引起导线的结构和性能的变化，甚至导致高电阻或开路失效。
热载流子（Hot carriers）：是指在半导体器件中，在高压电场
和高电流作用下，部分载流子获得了较高的能量而形成的高能量载流子。
热载流子对材料和器件的影响较大，容易引起电子与晶格之间的散射和损伤，从而影响材料和器件的性能。
栅氧击穿（Gate oxide breakdown）：是指在MOS（金属-氧化
物半导体）器件中，由于栅氧层中电场引起的氧化层损坏现象。
当栅电压超过一定阈值时，电场强度大到足以产生氧离子的电离，进而破坏氧化层，形成电流通道，导致器件失效。
过压失效（Overvoltage failure）机理：过压失效通常发生在电
力系统中，当系统中电压超过设备的额定工作电压时，会导致设备的运行不稳定甚至损坏。
过压失效的主要机理包括电气击穿、电弧放电、绝缘故障等。
过压失效会引起电力系统的电压失控和设备的烧毁，给电网和设备的安全稳定运行带来威胁。
电迁移效应
电迁移效应
电迁移效应是指金属导线中的电子在大电流的作用下，产生电子迁移的现象，可能会引起电路的开路现象。
电迁移是金属线在电流和温度作用下产生的金属迁移现象，它可能使金属线断裂，从而影响芯片的正常工作。
电迁移在高电流密度和高频率变化的连线上比较容易产生，如电源、时钟线等。
为了避免电迁移效应，可以增加连线的宽度，以保证通过连线的电流密度小于一个确定的值。
电迁移效应主要发生在高电流密度和高频率变化的连线上，如电源、时钟线等。
在芯片的正常寿命时间中，电源网络中的大电流会引起电迁移效应，进而使得电源网络的金属线性能变差，最终影响芯片的可靠性。
避免电迁移效应的主要方法为增大金属线宽。
电源网格中的大电流也会引起电迁移(EMI)效应，在芯片的正常寿命时间内会引起电源网格的金属线性能劣化。
这些不良效应最终将造成代价不菲的现场故障和严重的产品可靠性问题。
阐述了无铅焊料中电迁移的物理特性,由于焊点的特殊几何形状,电流拥挤效应将发生在焊点与导线的接点处;电迁移效应导致无铅焊料中金属间化合物(IMC)的生成与溶解,以及焊点下的金属化层(UBM)的溶解和消耗,使原子发生迁移并会产生孔洞,造成焊点破坏,缩短了焊点平均失效时间(MTTF),从而带来可靠性问题.。
3 电迁移解析
D0:扩散系数
Z*q:有效离子电荷 Ea:激活能
k:波尔兹曼常数
E:电场
电迁移部分
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Fq
2.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*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“电子风”，使金属离子向正极移动 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
电迁移部分
电迁移原理
电迁移部分
电迁移原理
<-- 金属互连中电迁移 效应简化示意图
电迁移部分
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 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：
Fm ND0 / kT ( Z *qE ) exp( Ea / kT )
电迁移部分
应 力 迁 移 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：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。
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电迁移现象及其失效机
理
标准化管理部编码-[99968T-6889628-J68568-1689N]
集成电路中的电迁移现象
电迁移现象简介
随着芯片特征尺寸越来越小，集成度越来越高，对芯片可靠性的研究也变得越来越
重要，而其中电迁移现象是影响互连引线的主要可靠性问题。
在微电子器件中，金属互连线大多采用铝膜，这是因为铝膜具有电阻率低、价格低廉、与硅制造工艺相兼容、与SiO
2
层等介质膜具有良好的粘附性、便于加工等一系列优点。
但使用中也存在着如性软、机械强度低、容易划伤；化性活泼、易受腐蚀；抗电迁移能力差等一系列问题。
集成电路芯片内部采用金属薄膜互连线来传导工作电流，这种传导电流的
金属在较高的电流密度作用下，沿电场反方向运动的电子将会与金属离子进行
动量交换，结果使金属离子与电子流一样朝正极方向移动，相应所产生的金属离子空位向负极方向移动，这样就造成了互连线内金属净的质量传输，这种现象就是电迁移。
电迁移失效机理
电迁移现象是指集成电路工作时金属线内部有电流通过，在电流的作用下金
属离子产生物质运输的现象。
进而导致金属线的某些部位出现空洞从而发生断路，而另外一些部位由于有晶须生长或出现小丘造成电路短路。
当芯片集的成度
越来越高后，其中金属互连线变的更细、更窄、更薄，电迁移现象也就越来越严重。
图2.1为典型的电迁移失效结果。
（a）电迁移引发短路（b）电迁移引发断路
在块状金属中，电流密度较低（<104A/cm2），其电迁移现象只在接近材料熔点的高温时才发生。
薄膜的材料则不然，淀积在硅衬底上的铝条，截面积很小和很好的散热条件，电流密度可高达107A/cm2，所以在较低的温度下就能发生电迁移。
在一定温度下，金属薄膜中存在一定的空位浓度，金属离子通过空位而运动，但自扩散只是随机的引起原子的重新排列，只有在受到外力时才可产生定向运动。
通电导体中作用在金属离子上
的力有两种：一种是电场力F
q
，另一种是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，这种力叫摩擦力F
e
，对于铝膜，载流子为电子，这时电场力
F
q
很小，摩擦力起主要作用，粒子流与载流子运动方向相同。
这一摩擦力又称为电子风。
经过理论分析有：
F=F
q +F
e
=Z*qE
式中Z*成为有效原子价数，E为电场强度，q为电子电荷。
Z*的绝对值越小，抗电迁移能力就越大。
电迁移引起的失效模式
1 短路
（1）电迁移使晶体管发射极末端积累铝离子,使EB结短路，这对套刻间距小的微波功率管容易发生；
（2）电迁移产生的晶须使相邻的两个铝条间短路, 这对相邻铝条间距小的超高频器件、大规模集成电路容易发生；
（3）集成电路中铝条经电迁移后与有源区短接, 多层布线上下层铝条经电迁移后形成晶须而短接；
（4）晶须与器件内引线短接"触的数目。
2 断路
（1）正常工作温度下, 铝条承受电流过大, 特别是铝条划伤后, 电流密度更大,使铝条断开"尤其是大功率管, 在正常结温(150℃ )时, 往往工作几百小时后因电迁移而失效；
（2）压焊点处, 因接触面积小, 电流密度过大而失效；
（3）氧化层台阶处, 因电迁移而断条"通过氧化层阶梯的铝条在薄氧化层上散热好, 温度低, 而在厚氧化层上散热差, 温度高"所以当电子流沿着铝条温度增加的方向流动时, 就会出现铝原子的亏空, 而形成宏观的空隙。
3 参数退化
电迁移将影响器件的性能稳定，如引起晶体管EB结击穿特性退化，电流放大倍数h
FE 变化等。