集成电路互连引线电迁移的研究进展
铝铜互连线电迁移失效的研究_陈军
ElectromigrationFailureMechanismsofAl-CuInterconnect
ChenJun, MaoChanghui＊ (AdvancedElectronicMaterialInstitute, GeneralResearchInstitutefor Non-FerrousMetals, Beijing100088, China)
Abstract:Withthedevelopmentoflarge-scaleinte- andetchingtechnology.Theinfluenceoftemperature gratedcircuits, thefailureofinterconnectbecameone andcurrentdensityontheelectromigrationlifeofinofthemostimportantfactorsaffectingintegratedcircuit terconnectswasstudiedbyacceleratedlifetimetest. (IC) reliability.Al-Cuinterconnectwascommonly Thethermodynamicprocessofinterconnectelectromiusedtoimproveelectromigrationperformance.Thin grationwasanalyzed.Themedianfailuretime(MTF) filmsweresuccessfullydepositedonSibyDCmagne- ofelectromigrationofAl-Cuinterconnectswasderived tronsputteringwithAlandAl-Cutargets.Intercon- accordingtotheexperimentalresults. nectionwirewaspreparedbyphotolithographicetching
集成电路互连技术
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1.2 集成电路对互连金属材料的要求
具有较小的电阻率 易于沉积和刻蚀 具有良好的抗电迁移特性
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1.3 电迁移现象：
电迁移现象 是集成电路制造 中需要努力解决 的一个问题。特 别是当集成度增 加，互连线条变 窄时，这个问题 更为突出。
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2、早期和目前应用最为广泛的 互连技术
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2.1 早期互连技术----铝互连
在铝中加入硅饱和溶解度所需要的足量硅，形成Al-Si 合金，避免硅向铝中扩散，从而杜绝尖楔现象。
铝-掺杂多晶硅双层金属化结构 掺杂多晶硅主要起隔离作用。 铝-阻挡层结构
在铝与硅之间淀积一薄层金属，阻止铝与硅之间的作 用，从而限制Al尖楔问题。一般将这层金属称为阻挡层。
采用新的互连金属材料
解决Al/Si接触问题最有效的方法。
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3.2 碳纳米管的结构
碳纳米管是由单层或多层石墨片按一定形式卷曲形成的中空 的无缝圆柱结构，是一种石墨晶体。碳纳米管的每层都是一 个C原子通过sp2杂化与旁边另外3个C原子结合在一起形成 六边形平面组成的圆柱。
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3.3 碳纳米管的导电机制
碳纳米管的电子平均自由程约为1.6μm（室温下金属Cu的 电子平均自由程约为45nm ），如果碳纳米管长度小于这 个值，那么电子在碳纳米管中传输就可能为弹道输运，此 时碳纳米管的电阻跟管的长度无关 。
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2.4 铝互连的不足（二）：电迁移现象
电迁移现象的本质 是导体原子与通过该导 体电子流之间存在相互 作用，当一个铝金属粒 子被激发处于晶体点阵 电位分布的谷顶的时候， 它将受到两个方向相反 的作用力： （1）静电作用力， （2）“电子风”作用 力，
集成电路设计中的多层互连技术研究
集成电路设计中的多层互连技术研究集成电路这玩意儿，在咱们如今的生活里那可是无处不在！从手机到电脑，从汽车到飞机，到处都有它的身影。
今天咱就来聊聊集成电路设计里的多层互连技术。
你知道吗？我有一次参加一个科技展览，看到了一块被拆解开来的集成电路板。
那密密麻麻的线路和微小的元件，就像一座微型的城市，每一条线路都是一条街道，每一个元件都是一座建筑。
而这其中的多层互连技术，就像是城市里复杂的交通网络，把各个部分紧密地连接在一起。
咱们先来说说为啥要有多层互连技术。
想象一下，如果集成电路里的线路都在一个平面上，那得多拥挤啊！就像一个狭窄的小胡同，人来人往，挤得不行。
所以多层互连技术就像是给线路们建了高楼大厦，让它们可以分层布局，互不干扰，大大提高了电路的集成度和性能。
多层互连技术里的材料选择也很有讲究。
比如说铜，它的导电性能那是相当不错，就像是高速公路一样，能让电信号快速通过。
但是铜也有它的“小脾气”，它容易扩散，这可不好办。
于是科学家们就得想办法，给它穿上一层“防护服”，来解决这个问题。
再说说多层互连中的绝缘层。
这绝缘层就像是线路之间的“隔离带”，把它们分隔得清清楚楚，不让它们“串门”，避免短路。
而且这“隔离带”还得足够结实，能经受住各种考验。
在多层互连技术的制造过程中，那可是跟绣花一样精细。
光刻技术就像是一把超级精确的剪刀，把线路的形状一点一点地剪出来。
而刻蚀技术呢，则像是一个细心的工匠，把不需要的部分一点点地挖掉。
每一个步骤都得小心翼翼，稍有差错，整个芯片可能就报废了。
还有啊，多层互连技术还得考虑散热的问题。
芯片工作的时候会产生热量，如果热量散不出去，那可就麻烦了。
这就好比人在大热天里，如果不能及时散热，就会中暑一样。
所以得设计好散热通道，让热量能够快速跑掉。
另外，多层互连技术还在不断地发展和创新。
新的材料、新的工艺不断涌现，就像是一场永不停歇的竞赛。
科研人员们都在努力，想让集成电路变得更小、更快、更强大。
互连工艺的发展历程
互连工艺的发展历程铜互连技术发展已经步入了第20个年头。
然而，即使芯片制造技术已经经历了20年的发展，铜的革命仍然被认为是该行业有史以来最为重大的变化之一。
归功于铜的集成，电子产品从此变得速度更快，性能更强大，性价比更高。
为了纪念这个重要的里程碑，让我们一起关注该行业正在经历的变革，并回顾成功集成铜的过程。
芯片微缩导致铝互连技术不再适用集成电路最初用铝作为导体，二氧化硅作为绝缘体（电介质），构建一个互连层，来将多个器件连接在一起。
整个互连的过程由铝沉积在晶圆表面开始，随后通过选择性刻蚀形成布线图案，沉积氧化物绝缘体，并利用化学机械平坦化（CMP）工艺将粗糙的表面变得平坦。
20世纪80年代后期，随着器件特征尺寸继续缩小，越来越薄的铝线无法实现所需的速度和电性能，因此需要一种性能更优的导电材料，以适应继续缩小的器件尺寸，同时保持芯片制造商预期的成本效益。
多年来，该行业的发展大致遵循摩尔定律，即晶体管密度每18个月翻一倍。
然而，由于铝互连的电性能局限性，芯片的微缩将无法继续进行，业内人士便开始寻找可替代材料。
人们首先想到的是铜，它具有更低的电阻率，且可实现更快的器件速度。
此外，铜并不像铝那样容易发生电迁移，所以具有更高的可靠性。
电迁移中，电流推动导线中的金属原子，会导致电阻增加，最终造成电路故障。
然而，使用等离子（带电气体）工艺刻蚀铜的方法并不可行。
由于铜不容易形成挥发性化合物，因此，通过干法刻蚀并不能轻松地将其从晶片表面除去。
芯片若要实现进一步微缩，亟需一种合适的新导体，或截然不同的图形化工艺，或两者的组合。
业内一直在研究其它导体材料，相较之下，铜的电气特性使其成为最佳选择。
工程师开始考虑使用镶嵌工艺，即借鉴大马士革的珠宝行业，先在基底金属上刻蚀图案，再将贵金属嵌入图案之中。
该工艺绕过刻蚀铜的难题，先沉积和刻蚀电介质材料，形成由沟槽和孔洞组成的图案（即镶嵌金属的模具）。
然后，仅将金属填充到图案中，而不是在整个晶圆表面沉积金属膜。
集成电路互连技术汇总
常规结构
2.5 目前应用最广泛的互连技术----铜互连
IBM 6层Cu互连表面结构图
2.6 以Cu作为互连材料的工艺流程
金属填充通孔 溅射势垒和籽晶层
淀积介质材料 CMP金属层
光刻引线沟槽图形
去掉刻蚀停止层
去掉光刻胶
光刻通孔图形 刻蚀引线沟槽
刻蚀通孔 去掉光刻胶
淀积刻蚀停止层
2.7 Cu互连存在的问题
合金，避免硅向铝中扩散，从而杜绝尖楔现象。 铝-掺杂多晶硅双层金属化结构
掺杂多晶硅主要起隔离作用。 铝-阻挡层结构
在铝与硅之间淀积一薄层金属，阻止铝与硅之间的作 用，从而限制Al尖楔问题。一般将这层金属称为阻挡层。 采用新的互连金属材料
解决Al/Si接触问题最有效的方法。
2.4 铝互连的不足（二）：电迁移现象
铝互连的优点： 铝在室温下的
电阻率很低，与硅 和磷硅玻璃的附着 性很好，易于沉积 与刻蚀。由于上述 优点，铝成为集成 电路中最早使用的 互连金属材料。
2.2 铝互连的不足（一）：Al/Si接触中的尖楔现象
Al Si
Al/Si接触中的 尖楔现象2.3 Al/Si接触的改进
Al-Si合金金属化引线 在铝中加入硅饱和溶解度所需要的足量硅，形成Al-Si
✓ a 尺寸太大 ✓ b 导电能力不符合发展需求
3、下一代互连材料与互连技术
3.1 下一代互联材料与互连技术：碳纳米管互连
碳纳米管于1991年发现以来, 就一直是纳米科学领域的研究 热点。
由于其超高电流密度承载能力 的特性（碳纳米管上可以通过 高达1010A/cm2的电流 ），引 起了集成电路器件制造领域专 家的关注。
1.2 集成电路对互连金属材料的要求
集成电路互联金属的电迁移效应研究
集成电路互联金属的电迁移效应研究许燕丽;徐伟龙;李金华【摘要】电迁移效应是因传导电子动量对金属的轰击作用造成金属互连线原子迁移、堆积、断裂的现象,是集成电路损坏的重要原因.本课题用离子束溅射,在介质层上沉积Al,Al- Cu和Cu薄膜,然后对三种薄膜材料进行光刻,得到所需的线条.对经光刻后的各种材质线条通以不同的电流密度,观察电迁移发生的极限电流密度,实验测得Al的极限电流密度为2.706×105 A/cm2,含10％Cu的Al-Cu合金的极限电流密度为1.331×106 A/cm2,通以Al线条45倍电流密度下,Cu没有观察到电迁移现象.由此可以得出结论,Cu有着很好的抗电迁移性能,在Al中掺入10％左右的Cu 可以有效的提高其抗电迁移的能力.%Electro -migration is an atomic transport process which results from momentum transler to the constituent metal atoms due to collisions with the current conduction electrons. As atoms electro-migrate, there is a depletion of material "upstream" and an accumulation "downstream" at sites of flux divergence. Electro-migration is the main reliability issue in modern integrated circuits. This study uses ion beam sputtering to deposit Al, Al-Cu and Cu film on medium layers. The method of lithography to get the required lines of the three film materials was used. Different current density was applied to the three lines to observe the limit current density when the electro-migration occurs. The limit current density of Al is 2. 706×105 A/cm2, Al -Cu was 1. 331 × 106A/cm2. As to Cu, The electro -migration effect was mot observed until the current density was more than 45 times of Al limit current density.Conclusively, Cu has the best anti-electro-migration ability, the Al -Cu alloy containing 10% of Cu could better anti - electro-migration effect.【期刊名称】《常州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(023)004【总页数】4页(P71-74)【关键词】集成电路;电迁移;互联;离子束溅射【作者】许燕丽;徐伟龙;李金华【作者单位】常州大学数理学院,江苏常州 213164;常州大学数理学院,江苏常州213164;常州大学数理学院,江苏常州 213164【正文语种】中文【中图分类】TN43;TN47自半导体集成电路技术发明以来，集成电路产业一直以指数增长率迅猛发展，其作为现代高技术的重要支柱，集成电路技术的进步和更新换代是以所加工的最小线条尺寸(特征尺寸)的缩小、硅片尺寸的增加和芯片集成度的增加为标志。
基于集成电路的光电传输技术研究及应用
基于集成电路的光电传输技术研究及应用光电传输技术是指利用光电子技术来实现信号传输和信息交换。
其发展历史可以追溯到上个世纪，随着集成电路技术的不断更新，光电传输技术得到了广泛应用，其可应用领域包括通讯、计算、光学传感和生物医学等领域。
光电传输技术可以分为两大类：光电集成电路和光纤通信。
本文重点介绍光电集成电路技术及其应用研究。
一、光电集成电路技术光电集成电路技术是指将光电子器件和电子器件集成在同一芯片上，实现光电信号转换和处理。
光电集成电路技术的核心是光电转换器件，主要包括光电二极管、光伏二极管、光敏电阻等器件。
光电集成电路技术具有许多优点：首先，光电器件具有高速、大带宽、低噪声等优点，可以实现高速信号的传输和处理；其次，光电器件可以与CMOS电路集成在同一芯片上，从而实现高度集成和小体积化。
这对于提高系统性能和降低成本具有重要意义。
在光电集成电路技术应用方面，可以分为通讯、计算和光学传感三个方面。
二、光电集成电路技术在通讯中的应用光电集成电路技术在通讯领域中得到了广泛应用。
光电集成电路芯片中集成了光发射器、光接收器、光电调制器、光电放大器、时钟发生器等器件，可以实现高速、高密度的数据传输。
例如，10Gb/s WDM（波分复用）收发器已经实现了集成化，其芯片尺寸小于1平方厘米，体积小于500毫立方米，功耗低于1.5瓦。
此外，光电集成电路技术还可以实现高速光纤互联、光纤传感等应用，可以提高通讯系统的带宽、速度和稳定性。
三、光电集成电路技术在计算中的应用光电集成电路技术在计算领域中也得到了广泛应用。
例如，借助光电集成电路技术可以实现高速匹配器、高速全加器、高速数据缓存等部件的设计和实现，从而提高计算机系统的运算速度和性能。
通过进行光电子芯片的集成设计，可以实现一个高速、低功耗的计算平台。
光电集成电路技术在计算领域的应用潜力巨大，将为计算机领域带来深刻的影响。
四、光电集成电路技术在光学传感中的应用光电集成电路技术在光学传感领域中也有广泛应用。
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。
什么是互连
什么是互连？随着深亚微米（Deep Sub-Micron）集成工艺的发展，集成电路中广泛存在宽度仅为深亚微米量级且多层分布的金属互连线，这些互连线已不能近似为一种等电势连接，而需要考虑在电路正常工作情况下，它们之间的电磁耦合寄生效应（Parasitic Effect）。
而且，与晶体管不同，互连线的寄生效应，随着集成电路特征尺寸的缩小和工作频率的增大而日益重要。
研究表明[1]，在高速集成电路中，限制其发展的主要因素不是器件的门时延，而是互连线的寄生元件引起的时间时延、互连线之间信号的串扰和电路功耗。
与标准逻辑单元中的短线以及模块电路中的中长线不同，顶层的全局互连线长度不随工艺缩减而减小。
因此在深亚微米技术下，全局互连线的性能成为系统整体性能的主要限制因素。
全局互连线的设计和优化会对系统的整体性能，包括延时、带宽、功耗等产生直接影响,从而在深亚微米集成电路设计中，对全局互连线的极限性能的研究具有一定的理论意义。
互连线是指连接两个元器件之间的传输线。
按照互连线所在的设计层次的不同，可以将互连线分为以下几种：印刷电路版上的互连线、连接电路版的电缆线、芯片内部的互连线、芯片封装时管脚和芯片之间的互连线。
本文所讨论的均是芯片内部的互连线。
芯片内的互连线大致可以分成三种[1-4]：第一种是短线，即局部互连线。
短线主要用于逻辑门之间或者速度不是很快的器件间的连接，通常短线的长度远远小于信号波长，短线的时延主要受到耦合电容的影响，对系统时延没有显著影响一般可以忽略。
第二种是中长线，即模块间互连线。
中长线信号传输速度比短线快，电感耦合效应也变得突出，因而容易引起很高的噪声，中长线需要采用低电阻率金属和中等厚度的绝缘介质。
第三种是长线，即全局互连线。
长线对电路性能起着关键作用，长线特别需要采用低电阻率金属以减小信号线和电源线的电阻损耗，需要厚的绝缘层来增加特征阻抗，减小时延，需要较宽的线间距以减少串扰，虽然线宽和宽间距可以减小RC 时延和串扰，但同样也会影响布线密度。
集成电路中的抗电迁移研究
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 ， 会 出 现铝 原 子 就
的亏空 ， 而形 成宏 观的空 隙。
电 失效 迁移 对Ｍ ｓ ｏ 器件的 影响比 极器 双 件小。
３ 电迁 移失效模 式及其物理模型
随着 Ｖ Ｓ 的布线宽度变窄 ， ＬＩ 电流密 度增大 ， 功耗增加 ， 电迁移导致产品寿命 的缩短问题愈加 严重 。为此 ， 人们一方面研究 电迁移的物理模型 ， 设法增强金属膜抗电迁移 的能力 ， 另一方面对其
第２ ６卷第 ４期
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集 成 电 路 中 的 抗 电 迁 移 研 究
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（ 中国兵器 工 业第 ２ ４研 究所 ｌ
一
ｂ ．压 焊点 处 ， 因接 触 面 积 小 ， 电流 密 度 过 大 而失效 ； ｃ ．氧化层 台阶处 ， 因电迁移 而 断条 。通 过 氧
步增 加时 ， 电迁移 寿命减 少越来 越不 明显 ， 减小
速度 由快变慢 ， 最终 达到 一个稳定 值 ， 可 以理解 这 成 ： 连线 的电迁 移 失效 总 是 由某 个 严重 缺 陷造 互
ａ ．电迁移使晶体管发射极末端积累铝离子 ， 使Ｅ Ｂ结短路 ， 这对套 刻间距小 的微波功率管容
易发 生 ；
集成电路互连技术
Cu互连面临的挑战
✓ 铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种高扩散率将破坏器件的 性能。可淀积一层阻挡层金属，作用是阻止上下层的材料互相混合。
阻挡层金属 铜
➢ 铜需要由一层薄膜阻挡层完全封闭起来，这层封闭薄膜的作用是加固附着并有效 地阻止扩散。
Cu互连面临的挑战
✓ 钽作为铜阻挡层金属：对于铜互连冶金术来说，钽、氮化钽和钽化硅 都是阻挡层金属的待选材料，阻挡层厚度必须很薄(约75Å)，以致它不 影响具有高深宽比填充薄膜的电阻率而又能扮演一个阻挡层的角色。
Cu互连面临的挑战
✓ 目前IC芯片内的互连线主要是铜材料，与原来的 铝互连线相比，铜在电导率和电流密度方面有了 很大的改进。但是，随着芯片内部器件密度越来 越大，要求互连线的线宽越来越小，铜互连的主 导地位也面临着严峻的考验。当芯片发展到一定 尺寸，在芯片内以铜作为互连线就会遇到一系列 问题。
Cu互连面临的挑战
倍的通路电阻。
Contents
集成电路互连技术简介 早期互连技术——铝互连 目前应用最广泛的互连技术——铜互连 其他互连技术——碳纳米管互连
其他互连技术——碳纳米管互连
✓ 碳纳米管（Carbon Nanotubes）于1991年发现以来, 就一直 是纳米科学领域的研究热点。
✓ 由于其超高电流密度承载能力的特性（碳纳米管上可以 通过高达1010A/cm2的电流 ），引起了集成电路器件制造领 域专家的关注。
Contents
集成电路互连技术简介 早期互连技术——铝互连 目前应用最广泛的互连技术——铜互连 其他互连技术——碳纳米管互连
目前应用最广泛的互连技术——铜互连
IBM利用亚0.25μm技术制备的 6层Cu互连表面结构的SEM图
✓ 金属铜的电阻率小于2.0μΩ·cm，使用金属铜取代传 统的金属铝，可以极大地降低互连线的电阻。 较低的电阻率可以减小引线的宽度和厚度，从而减
电迁移原理
电迁移原理————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：《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。
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。
集成电路技术的前沿研究
集成电路技术的前沿研究一、引言随着电子信息技术的迅猛发展，集成电路技术已经成为了信息时代的核心技术之一。
现代集成电路技术的研究和发展取得了重大的技术突破，新一代的集成电路产品层出不穷，应用范围已经覆盖了计算机、通信、无线电、汽车等多个领域。
本文将深入探讨当前集成电路技术的前沿研究，分别从微电子制程、三维集成电路、新型材料在集成电路中的应用等几个方面展开探讨。
二、微电子制程微电子制程是集成电路制造时所需的工艺流程，是集成电路技术的核心环节。
当前，微电子制程的研究已经取得了重大进展，能够对微米级别的结构进行准确的控制。
目前的集成电路功耗已经非常低，甚至达到了几个纳瓦特级别。
同时，微电子制程还可以准确刻画出高与宽比、尺寸的变化等复杂的结构。
这种制程的不断改进，为集成电路领域的技术进步提供了坚实的基础。
三、三维集成电路三维集成电路是一种近年来快速发展的新型集成电路技术，它将多层芯片堆叠在一起，以实现在一个小的体积内嵌入更多的功能。
三维集成电路技术可以提高芯片的性能和能耗，同时，它还可以大大降低系统的功耗，提高产品的稳定性和可靠性。
针对三维集成电路的制造，必须要克服多个技术难点，如排列、晶圆倾斜、晶圆质量控制等，但是，这种制造方式目前已经有了很大的进展。
四、新型材料在集成电路中的应用新型材料的兴起大大促进了集成电路自上世纪六七十年代以来的快速发展。
传统的硅材料已经不能满足新一代芯片的要求，因此，研究新型材料在集成电路中的应用已成为目前集成电路技术研究的热点之一。
现在，各种新型材料，如碳纳米管、石墨烯、氮化硅、锗等都可以应用于集成电路的制造过程中，以实现更高的性能和更低的功耗。
五、总结随着科技的不断进步和应用需求的增加，集成电路技术的研究已成为了许多企业和国家重点发展的领域。
未来的集成电路技术将不断向微型化、智能化、集成化的方向发展，并不断突破制造工艺、工具技术和新型材料的应用，助推集成电路技术进一步提升，实现更加广泛的应用领域。
电迁移介绍——精选推荐
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 Z Z ei wd +=*(2)式中， wd F 为电⼦风⼒； ei F 为场⼒； Z *为有效电荷；ρ为电阻率；j 为电流密度；wd Z 为电⼦风⼒有效电荷常数；ei Z 为静电场⼒有效电荷常数。
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wd F ⼤于静电场⼒ei F 。
因此，⾦属原⼦受到电⼦风⼒的驱动，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。
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迁移失效所需时间越长 ＭＴＦ 与电流密度和温度密 式中常数 ｎ 取决于电流密度 ｊ 程的使用范围是宽度大于平均晶粒直径的引线 对
１ 引言
集成电路芯片内部采用金属薄膜引线来传导工 作电流 窄 这种传导电流的金属薄膜称作互连引线 互连引线变得更细 更 在较 因此其中的电流密度越来越大 随着芯片集成度的提高 更薄
在互连引线中形成空洞 增加了电阻 最终贯穿互连引线 产生腐蚀源 引线中形成晶须 穿透钝化层 造成层间短路
电迁移是引起集成电路失效的一种重要机制 由此引起的集成电路可靠性问题也就成为研究热 点 经多年研究发现 影响互连引线电迁移的因素 十分复杂 度 合金成分 包括工作电流聚集 晶粒取向 互连尺寸及形状等 焦耳热 温度梯 晶粒结构 界面组织 应力梯度
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ， ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｂｅｃｏｍｅｓ ａ ｋｅｙ ｉｓｓｕｅ． Ｔｈｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｏｖｅｒｖｉｅｗｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｚｅ， ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｌｉｎｅ ｐｌａｙ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ． Ａｌｓｏ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ， ｓｔｒｅｓｓ ｇｒａｄｉｅｎｔ ａｎｄ ａｌｌｏｙ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｈａｖｅ ｓｔｒｏｎｇｌｙ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ＭＴＦ （ｍｅａｎ ｔｉｍｅ ｔｏ ｆａｉｌｕｒｅ） ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｉｍｍｉｎｅｎｔ ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ； ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ （ＥＭ）； ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｌｉｎｅ 产生断路或短路 长大 从而引起 Ｉ Ｃ 失效 形成断路 其表现为 空洞 在互连 晶须长大
两者的合力即电迁移驱动力可表示为 Ｆｅｍ＝Ｆｗｄ＋Ｆｅｉ＝Ｚ＊ｅｐｊ １ Ｚ＊＝Ｚｗｄ＋Ｚｅｉ ２ 式中 荷 Ｆ ｗｄ 为电子风力 Ｆ ｅｉ 为场力 Ｚ ＊ ｅ 为有效电
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ． ２９ Ｎｏ． ９
型下描述电迁移失效中值时间的经典公式 ［５］ MTF = A exp( E a / kT ) ７ jn
式中 Ａ 为与导电材料相关的常数 ｊ 为电流密度 ｎ 为电流密度指数 曼常数 切相关 Ｅ ａ 为扩散激活能 Ｍ Ｔ Ｆ 越大 ｋ 为玻耳兹 表示发生电 Ｂｌａｃｋ 方 Ｔ 为绝对温度
２．３ 互连引线中的电迁移中值失效时间 常用电迁移中值失效时间 试验条件下 ５０ ＭＴＦ 来描述电 迁移引起的失效 中值失效时间指同样的直流电流 的互连引线失效所用的时间 失 Ｂｌａｃｋ给出了直流模 效判据为引线电阻增加１００
又有助于 Ｍ Ｔ Ｆ 的提高 ［ ８ ］
对Ａｌ－Ｓｉ合金互连引线在不同转角处的电迁移研 究表明 ０．９９ ｍｍ 厚的合金受转角形状的影响远比 ０．６６ ｍｍ 厚的合金要大 厚膜引线中的电迁移失效 是由动态空洞模型产生的 ＭＴＦ 的减小与厚膜引线 中的电流密度分布引起的空洞移动和聚集密切相 关 而薄膜引线中失效是由静态空洞模型产生的 因此与转角关系不大 ［ ７ ］ 电迁移寿命取决于不能移动的空洞不断长大直至贯 穿整个截面 但是 两个厚度的试验都证明直角对电迁移寿 命有显著的影响 然而 这个理论由于没有考虑到 厚度减小引起的焦耳热的减小 因而值得今后进一 步研究证实
集成电路互连引线电迁移的研究进展
吴丰顺 ａ ， ｂ 张金松 ａ 吴懿平 ａ ， ｂ 郑宗林 ａ 王磊 ａ 谯锴 ａ
（华中科技大学ａ．塑性成形模拟及模具技术国家实验室 ｂ．微系统研究中心 武汉 ４３００７４）
摘要 随着大规模集成电路的不断发展 温度 电迁移引起的集成电路可靠性问题日益凸现 研究表明 应力梯度 本文介绍了 形状和
于竹节结构 晶粒尺寸大于引线宽度 的互连引线 则不适用
３
互连引线的电迁移研究进展
３．１ 形状及结构对 ＭＴＦ 的影响 互连引线的几何尺寸和形状 互连引线内部的 晶粒结构 晶粒取向等对电迁移有重要的影响 Ｍ Ｔ Ｆ 随着长度的增长而下降 ３．１．１ 引线长度 在 Ａ ｌ 引线中 直至某一临界值 ＭＴＦ 不再取决于长度的变化 其 原因在于随着Ａｌ引线长度的增加 出现严重缺陷的 几率也在增加 极小值 因此 当缺陷几率为最大时 Ｍ Ｔ Ｆ 达到 超过临界长度值 缺陷几率不会再增加 必须考虑临界 电迁移试
（ Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖ． ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａ． Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂ． ｏｆ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＆ Ｄｉｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； ｂ． Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ， Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）
洞和小丘会导致集成电路失效
对较长 Ａｌ 引线进行测试时
［４，６］
长度的问题
美国的 Ａ Ｓ Ｔ Ｍ 标准规定
验中 Ａｌ 引线的长度为 ８００ ｍｍ
３．１．２ 引线几何形状及引线厚度 在宽度和厚度一定的直Ａｌ引线中 电流密度是 一定的 但是 引线的形状可以改变电流密度的分 布 引起电流聚集 产生局部的空位流增量 而 引线转角处的电迁移主要是由于电流密度梯度而不 是电流聚集引起的 电流密度的不均匀分布 造成 了９０ 角处的电流密度梯度比４５ 角 ３０ 角时要 大 从而导致空位流增量也增大 电迁移现象更为 显著 ［ ７ ］ 引线厚度减小 表面积增加 另外 使得表面扩散 增加 高 造成 Ｍ Ｔ Ｆ 下降 焦耳热效应降低 薄引线散热能力提
或 J = −
Dc * Z epj + kT
２．２ 互连引线电迁移失效过程的三个重要特性 互连引线中最常见的电迁移失效是沿长度方向 的空洞失效和互连引线端部的扩散迁移失效 这两
（ｃ） 电迁移过程形成的空洞和小丘 图 ２ 金属原子电迁移示意图
种失效模式都受互连引线微观结构的影响 可以通 过改变引线的微观结构来控制失效进程 以下为互
二 Ｏ Ｏ 四年九月
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半导体技术第 ２ ９ 卷第 ９ 期
万方数据
连引线中电迁移失效过程的三个重要特性［２］ ２．２．１ 冶金学统计特性 冶金学统计特性指的是互连引线中金属的微观 结构参数 如晶粒尺寸分布 晶界取向偏差和晶界 与电子风方向的夹角等 因为这些参量的随机性 冶金学参数只能进行统计学描述 ［２］ 由于互连引线 内部存在的如晶界取向偏差 晶界弯曲 晶粒尺寸 偏差 空位以及位错等微观结构差异 产生了不同 迁移速率的原子流 当某一微区流入的原子与流出 的原子总数不相等时 形成空洞或原子聚集的 ２．２．２ 热加速特性 互连引线电迁移失效前可能存在均匀的温度分 布 电迁移产生的局部缺陷使得引线的导电面积减 小 电流密度增加 形成电流聚集 电流聚集引 因此 产 起了焦耳热效应 使引线局部温度升高 并产生温 度梯度 由于原子的扩散与温度相关 加速电迁移现象 ［３，４］ 生了热应力 热应力梯度与电迁移方向相同 加大 电迁移驱动力 ２．２．３ 自愈效应 电迁移是一个动态过程 其产生的原子定向迁 移使得互连线中出现由阳极指向阴极的浓度梯度 即出现质量的重新分布 在浓度梯度的驱动下 原 子会出现回流 原子的回流一方面降低了电迁移的 速率 另一方面部分修复了电迁移产生的缺陷 就会产生微区的质量变化 小丘 电迁移诱发的空 引起可靠性问题
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 这种现象就是电迁移 （ＥＭ）
基金项目
电迁移能使 ＩＣ 中的互连引线在工作过程中
国家 ８ ６ ３ 计划重点项目 ＲＧＣ 联合资助项目 ２００２ＡＡ４０４１１０ ６０３１８００２
中港自然科学基金委 ＮＳＦＣ ｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｉｎ ＩＣ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｌｉｎｅ
ＷＵ Ｆｅｎｇ－ｓｈｕｎａ，ｂ ， ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｇ－ｓｏｎｇａ， ＷＵ Ｙｉ－ｐｉｎｇａ，ｂ， ＺＨＥＮＧ Ｚｏｎｇ－ｌｉｎａ， ＷＡＮＧ Ｌｅｉ１ ， ＱＩＡＯ Ｋａｉ１ａ
金属原子上还受静电场力Ｆ ｅｉ 的作用， 如图１所示
式中 度 力
D 为扩散系数
ｃ 为空位浓度
Ｔ 为绝对温
ｋ 为玻耳兹曼常数
Ｆ ｔｏｔａｌ 为电迁移驱动力合
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 区
图 １ 电迁移作用力的示意图
在原子聚集处是压应力
因此
应力梯度方向由阳极指向阴极（图 ３）
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 应力梯 度引起的原子回流与电迁移的运动方向正好相反 阻碍了电迁移的进行 原子回流驱动力方程为
Fbm = −Ω ∂σ ４ ∂x
式中
Ω 为原子体积
图 ３ 电迁移产生的应力梯度
ρ 为电阻率
ｊ 为电流密度
Ｚ ｗｄ 为电子风力有
效电荷常数
Ｚ ｅｉ 为静电场力有效电荷常数
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 Ｆｗｄ 大于静电场力 Ｆｅｉ 因此 金属原子受到电子风力 的驱动 产生了从阴极向阳极的受迫的定向扩散
电迁移的基本理论 移寿命有重要影响 关键词
综述了集成电路互连引线电迁移的研究进展 电流密度 互连引线 同时指出了电迁移研究亟待解决的问题 电迁移