电迁移的影响因素及预防

电迁移的影响因素

1布线形状及结构的影响

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。从统计观点看，金属条是由许多含有结构缺陷的体积元串联而成的，则薄膜的寿命将由结构缺陷最严重的体积元决定。

（1）若单位长度的缺陷数目是常数，随着膜长的增加，总缺陷数也增加，所以膜的长度越长，寿命越短。

（2）当线宽比材料晶粒尺寸大时，线宽越大，引起横向断条的空洞所需的时间越长，寿命越长；当线宽降到与金属粒径相近或更小时，断面为一个单个晶粒，金属离子沿晶粒界面扩散减少，寿命也会延长。

（3）在台阶处，由于布线形成过程中台阶覆盖性不好，厚度降低，电流密度在此处增加，容易产生断条。

2热效应

金属膜的稳定及温度梯度对电迁移寿命的影响极大，温度通过影响互连引线中的原子扩散而对电迁移过程产生影响。互连引线中原子的扩散系数 D 与温度呈指数关系，当温度升高时，原子的扩散速度加快，导致电迁移现象按指数变化规律向着失效方向发展。如果互连引线上存在温度梯度，温度梯度使得互连引线上存在扩散系数 D 的差异。温度高的区域，原子扩散快；温度低的区域，原子扩散慢。因此，温度梯度的存在也会产生原子迁移。

3晶粒大小

互连引线中，铝布线为一多晶结构，因为多晶结构的晶界多，晶界的缺陷也多，激活能小，多以主要通过晶界扩散儿发生电迁移。在一些晶粒的交界处，由于金属离子的散度不为零，会出现净的质量的亏损和堆积。在图4.1（a）中的A 点，进来的金属离子多于出去的，所以称为小丘堆积，在B点，因为出去的金属离子多于进来的金属离子，所以称为空洞。

同样，在小晶粒和大晶粒的交界处也会出现这种情况，晶粒由小变大处形成小丘，反之，则出现空洞，特别在整个晶粒占据整个条宽时，更容易出现断条，如图4.1（b）所示，所以膜中晶粒尺寸宜均匀。

图4.1

4介质膜

互连线上覆盖介质膜(钝化层)后，不仅可以防止铝条的意外划伤，防止腐蚀及离子玷污，也可提高其抗电迁移及浪涌的能力。介质膜能提高抗电迁移的能力，是因表面覆有介质时降低金属离子从体内向表面运动的概率，抑制了表面扩散，也降低了晶体内部肖特基空位浓度。另外，表面的介质膜可作为热沉淀使金属条自身产生的焦耳热能从布线的双面导出，降低金属条的温升及温度梯度。

5合金效应

铝中掺入Cu、Si等少量杂质时，硅在Al中溶解度低，大部分硅原子在晶粒边界处沉积，并且硅的原子半径比Al大，降低了铝离子沿晶界的扩散作用，能提高Al的抗电迁移能力。

电迁移的预防措施

为防止电迁移失效，一般采取以下措施。

1合理设计器件和集成电路

（1）在铝膜上覆盖完整的钝化膜。

（2）关于金属化层布线

大量的失效分析表明, 因金属化层( 目前一般是Al层)通过针孔和衬底短路, 并且铝膜布线开路造成的失效不可忽视, 所以必须在设计布线时采取预防措施。例如尽量减少Al 条覆盖面积, 采用最短铝条,并尽量将Al条布在厚氧化层上以减少针孔短路的可能对于需要窄金属条的场合, 一定要增加金属条的

厚度, 减小电流密度。

防止Al 条开路的主要方法是尽少通过氧化层台阶，如果必须跨过台阶, 则

采取减少台阶高度和坡度的办法。

（3）降低互连线中的电流密度，引线必须有足够的电流容量, 为防止电迁移现象发生引线必须满足以下条件:

正常工艺条件下形成的导体通常其电流密度不超过下面列出的与各种导体材料相对应的最大允许值

导体材料最大允许电流密度

纯铝或铝合金,（无钝化层） 2×105 A/cm2

纯铝或铝合金,（有钝化层） 5×105 A/cm2

金膜 6×105 A/cm2

其它导体材料 2×105 A/cm2

（4）降低结温, 增加散热。

高频功率管采用多基区并联(即多有源区) , 增大芯片面积, 从而有利于散热。加大发射极镇流电阻, 采用输入匹配网络等技术是防止热不均匀性的良好方法。集成电路除采用分散有源器件外, 应选择合理的封装工艺, 以利散热,降低芯片温度"

2 严格控制工艺，加强检测

避免金属膜划伤, 采用干法工艺, 激光划片等。加强镜检,剔除划伤金属膜;严格控制金属膜厚度并进行检测；保证烧结质量, 减少因接触不良和压偏造成热阻增加。

3 改进金属化系统

改进金属化系统有如下几种途径:

（1）在铝系统中加人少量抗疲劳杂质(硅、铜、镍等) , 形成铝合金；

（2）改变晶粒大小或在铝上加钝化膜。

（3）采用金或铝的多层金属化系统。

总结

关于电迁移现象,必须指出以下几点:

（1）任何一种措施都不能完全消除金属膜的电迁移现象, 因为电子与金属离子之间的相互作用总是存在的；

（2）只要设计上、工艺上充分注意, 金属膜的电迁移可以限制在许可的范围内；

（3）无论是采用铝合金还是金的多层金属膜,抗电迁移能力可大大提高，但究竟要采用何种金属化系统, 要结合具体器件和工艺条件而定。