电迁移现象及其失效机理
电迁移原理
电迁移原理
电迁移现象是在表面化学反应的基础上产生的一种特殊的化学反应现象，它与一般化学反应不同的地方是它发生在固体表面，而不是液体表面。
电迁移现象发生在固体表面上，例如某些金属氧化物在中性溶液中不发生迁移，而在某些金属氧化物存在时则会发生迁移。
这种迁移现象在许多方面都有应用，如：
1.用来产生和测定气体或液体的浓度和流速。
2.用于检测液体中某种成分的含量或密度。
3.用于测量气体或液体在垂直于流体流动方向上的流速。
4.用于测量固体物质表面上某一点与某一条直线之间的距离。
5.用于测量固体物质在真空中的温度、压力和体积。
6.还可用于研究气体或液体在一定条件下是否会发生蒸发或汽化。
7.用于测定某些溶液的pH值，如各种金属、盐类以及某些有机物等，也可用于测定液体或气体中某些成分的浓度，如用来测定某些药物或有毒物质在水中的溶解度。
—— 1 —1 —。
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。
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。
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。
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。
电迁移及测试结构
金属是晶体，在晶体内部金属离子按序排列。
当不存在外电场时，金属离子可以在品格内通过空位而电迁移寿命。
但是封装法的缺点是显而易见的，首先封装就要花费很长的时间，同时，用这种方法时通过金属线的电流非常小（为了抑制焦耳热，使得金属线的温度近似于环境温度），测试非常花费时间，一般要好几周。
2，晶圆级电迁移测试（Wafer-level ElectroMigration)。
a ，自加热法。
因为在用封装法时，炉子的温度被默认为就是金属线温度，如果有很大的电流通过金属线会使其生很大的焦耳热，使金属线自身的温度高于炉子的温度，而不能确定金属线温度。
所以，后来发展了自加热法。
方法不用封装，可以真正在硅片级测试。
它是利用了金属线自身的焦耳热使其升高。
然后用电阻温度系数（temperature coefficient of resistance, TCR ）确定金属线的温度。
在实际操作中，可以调节通过金属线的电流来调它的温度。
b ，多晶硅加热法。
实际应用表明，这种方法对于金属线的电迁移评价非常有效，但是对于通孔的电迁移评价方法就不适用了。
因为，过大的电流会导致通孔和金属线界面处的温度特别高，从而还是无法确定整个通孔电迁移测试结构的温度。
针对这种情况，又有研究者提出了一种新的测试结构——多晶硅加热法。
这种方法是利用多晶硅为电阻，通过一定电流后产生热量，利用该热量对电迁移测试结构进行加热。
此时，多晶硅就相当于是一个炉子该方法需要注意的是在版图设计上的要求比较高，比如多晶硅的宽度，多晶硅上通孔的数目等都是会影响其加热性能的。
自加热法是目前的FOUNDRY 工厂采用的主流测试方法。
自加热法的测试结构如下。
测试过程依据JESD87。
开尔文连接有两个要求：对于每个测试点都有一条激励线F 和一条检测线S ，二者严格分开，各自构成独立回路；同时要求S 线必须接到一个有极高输入阻抗的测试回路上，使流过检测线S 的电流极小，近似为零。
图中r 表示引线电阻和探针与测试点的接触电阻之和。
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。
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。
半导体器件失效机制与可靠性分析研究
半导体器件失效机制与可靠性分析研究引言半导体器件(简称芯片)广泛应用于各种电子设备中，其可靠性对设备的正常运行至关重要。
然而，事实上，芯片失效是常见的现象，会给设备和系统带来不可预估的损失。
因此，芯片的可靠性分析和失效机制研究是极为必要的。
本文将详细探讨芯片失效机制及可靠性分析方法。
一、芯片失效机制1. 电迁移效应电迁移(Electromigration，简称EM)是指电子在导体中发生漂移的过程。
当电子在导体中移动时，它们将数量有限的金属原子拖着向一个方向移动，形成金属原子的“空洞区域”和“电子密集区域”。
这种移动会给导体带来功耗损失，同时会导致导体紧张而失效。
2. 热膨胀效应随着芯片的尺寸不断减小，局部金属结构不断复杂化，使得芯片内各部分承受的热应力越来越大。
当芯片内某个局部的温度变化较大时，局部产生的热膨胀效应可能会导致芯片的破坏。
3. 硅氧化物断裂芯片上的金属线和晶体管等电路元件与硅质基板通过氧化物颗粒绝缘层进行电隔离。
当硅氧化物层长时间受电场和热应力的影响，就可能出现氧化物层内部的应力积累和局部氧化，导致氧化物层崩裂，从而破坏整个芯片的结构和电性能。
4. 金属间物相反应芯片中不同种类金属之间的相互作用也会引起失效。
在一些环境下，金属层会相互反应而产生新的化合物和相变，从而改变芯片中元器件的性能或导致元器件失效。
二、可靠性分析方法芯片可靠性分析是定位失效原因和提高芯片可靠性的关键步骤。
目前，常用的芯片可靠性分析方法有以下几种。
1. 失效分析失效分析是指在芯片失效的情况下，对失效芯片进行各种测试手段、观察、分析、检测，确立失效点并推断失效原因的过程。
失效分析是目前芯片可靠性分析的主要手段，通过失效分析，可以找到芯片失效的根本原因。
2. 退化分析芯片在使用过程中，其物理性质可能会发生变化，一般而言表现为电气参数的变化或退化。
退化分析需要在芯片未失效的情况下，通过监测芯片的可靠性参数，预测芯片可能出现失效的概率，并对可能出现的问题进行预防或针对性的修复。
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。
多物理场作用下焊点电迁移失效机理研究
多物理场作用下焊点电迁移失效机理研究多物理场作用下焊点电迁移失效机理研究摘要：本文主要研究了多物理场作用下焊点电迁移失效的机理。
根据焊点电迁移失效的现象，从物理原理角度出发，分析了热、机械、物理和电学等多种物理场对焊点电迁移失效的影响。
通过实验验证和数学模型的建立，揭示了多物理场作用下焊点电迁移失效机理的本质。
关键词：多物理场作用；焊点电迁移；失效机理1. 引言焊点电迁移失效是现代电子器件中常见的失效模式之一。
在电子器件中，焊点连接部分是电流通过的关键位置，而焊点电迁移失效会导致电阻值升高、接触不良甚至断路等问题，从而影响整个器件的正常工作。
目前，焊点电迁移失效的机理研究主要集中在电学角度，但实际环境中，焊点同时会受到多种物理场的作用，因此有必要对焊点电迁移失效的多物理场作用机制进行深入研究。
2. 焊点电迁移失效现象分析焊点电迁移失效的主要现象包括焊点断裂、焊点周围畸变、焊点接触不良等。
这些现象都与焊点内部的物理结构和性能有关。
在多物理场作用下，热学、机械学、物理学和电学等因素共同作用，导致焊点内部晶格结构的变化和电子迁移的不稳定性。
3. 热学场对焊点电迁移失效的影响热学场是焊点电迁移失效中最主要的物理场之一。
当电流通过焊点时，由于电流的阻抗，会使得焊点发生电阻加热，导致焊点温度升高。
高温下，焊点材料的晶界活性增加，晶格结构发生扩散和位错运动等变化，从而导致焊点内部力学性能降低，引发断裂等现象。
4. 机械学场对焊点电迁移失效的影响机械学场是焊点电迁移失效中另一重要的物理场。
当焊点受到外界机械应力的作用时，焊点内部会发生变形和应力集中等现象。
这些变化会导致焊点的机械性能下降，从而增加电子迁移的不稳定性。
尤其在焊点连接处的应力集中区域，焊点更容易发生断裂。
5. 物理学和电学场对焊点电迁移失效的影响除了热学和机械学场，物理学场和电学场也会对焊点电迁移失效产生影响。
物理学场主要指的是焊点内部材料的物理性质，如相变、晶粒大小等。
多物理场下金属微互连结构的电迁移失效及数值模拟研究的开题报告
多物理场下金属微互连结构的电迁移失效及数值模拟研究的开题报告一、研究背景：随着微电子技术的迅猛发展，金属微互连结构的尺寸越来越小，电流密度也越来越高，容易导致电迁移现象，即由于金属原子的迁移，导致电阻增加、连接失效等问题，严重影响集成电路的性能和可靠性。
此外，金属微互连结构还面临多种物理场的影响，如热应力、机械应力等，在多物理场的共同作用下，电迁移失效更容易发生。
因此，研究金属微互连结构在多物理场下的电迁移失效机制，并进行数值模拟分析，对于优化微电子器件的设计和提高其可靠性具有重要意义。
二、研究目的：本文旨在研究金属微互连结构在多物理场下的电迁移失效机制，并通过数值模拟分析，实现对其失效机制的深入理解，为优化微电子器件的设计和提高其可靠性提供理论支持。
三、研究内容：1.综述电迁移失效的基本原理；2.分析多物理场对金属微互连结构电迁移失效的影响；3.建立多物理场下的金属微互连结构电迁移失效模型，并开展数值模拟研究；4.通过实验验证数值模拟的准确性和可靠性，提出优化方案；5.总结研究成果，并展望未来研究方向。
四、研究方法：1.文献综述：对相关文献进行综述分析，了解电迁移失效的基本原理和多物理场对其的影响；2.有限元数值模拟：建立多物理场下的金属微互连结构电迁移失效模型，采用有限元数值模拟方法计算分析其失效行为；3.实验验证：通过实验验证数值模拟的准确性和可靠性；4.数据处理：对实验数据进行分析处理，总结研究成果。
五、论文结构：第一章绪论第二章相关理论及文献综述第三章多物理场下金属微互连结构电迁移失效数值模拟第四章多物理场下金属微互连结构电迁移失效实验验证第五章结果分析及优化方案第六章总结与展望。
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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。