电迁移现象及其失效机理

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。