电迁移现象及其失效机理

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SiO2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/cmb，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：

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。

F=F

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（150C ）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。