3 电迁移解析

措施：改进钝化层的淀积过程或用单晶铝制作互连线。
电迁移部分
dd Fv nv nJ R(d )n(t ) J (t ) dt
R是比例常数，是d的函数，中位寿命tMTF是d达到某临界值所需的 时间。

t MTF
0
n(t ) J (t )dt
dc
0
dR dd K R(d )
电迁移部分
电迁移原理
假定空位的松弛时间是t，空位产生率比例于|J|m-1，比例常数为a， 则
电迁移部分
影响因素
晶粒大小
图 金属离子沿晶界扩散引发失效示意图
（a）金属离子散度不为零处，引起净质量的堆积和亏损； （b）大小晶粒交界处出现小丘或空洞
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
dn n m 1 a J (t ) dt t
使用|J|是由于产生空位数依赖于向晶格传递动量的有限电子数， 而与电子流方向无关。 ＝>
m 1 n taJ dc
Adc (T ) K t MTFdc m m taJ dc J dc
电迁移部分
影 响 因 素
布线几何形状的影响
电迁移 (Electromigration)
微电子学研究院
主要内容
电迁移原理 影响因素
失效模式
抗电迁移措施 铝膜的再构 应力迁移
电迁移部分
电迁移原理
•电迁移现象：当器件工作时，金属互连线内
有一定电流通过，金属离子会沿导体产生质量的输 运，其结果会使导体的某些部位产生空洞或晶须 (小丘)，这就是电迁移现象。
电迁移部分
铝膜的再构
定义：铝条经过热循环或脉冲功率老化后，表面变得十 分粗糙甚至发黑，在扫描电镜下可看到铝表面出现许多 小丘、晶须或皱纹等。 原因：铝膜承受热应力引起的。
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后果：再构现象会导致铝膜电阻增大或器件内部瞬间短 路，也可引起某些地方电流密度增大，从而加速电迁移 的发生。 措施：在铝中掺铜，增大铝条晶粒尺寸以及覆盖SiO2等 介质膜可以使铝的再构现象减少或避免，提高器件抗热 循环的能力。
电迁移部分
电迁移原理
Sequence of pictures showing void and hillock formation in an 8µ m wide Al interconnect due to electromigration (current density 2x107 A/cm² , temperature 230°C)
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 )
热效应 晶粒大小 介质膜 合金效应
脉冲电流
电迁移部分
影响因素
布线几何形状的影响
线长度 线宽度 线的截面积 在台阶处
电迁移部分
影响因素
Metal film
different width patterned lines
电迁移部分
影响因素
热效应
金属膜的温度及温度梯度对电迁移的寿命影响极大。
Fm:离子流量 N:原子密度
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
SEM micrograph, 8µ m 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
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
电迁移部分
抗电迁移措施
设计 工艺 材料 多层结构 覆盖介质膜
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。
电迁移部分
电迁移原理
产生电迁移失效的原因 内因：薄膜导体内结构的非均匀性 外因：电流密度变大 失效的中位寿命tMTF用Black方程表示(直流情况下)为

t MTF t MTF
Ea AW L J exp kT Ea m Adc J exp kT
p q m
电迁移部分
电迁移原理
根据空位松弛模型可推出其中位寿命。（方法如下） 令d是互连线中空洞(或其它缺陷、损伤，最终能导致失效的机 制)体积， d的增加率比例于空位流Fv， Fv等于空位浓度n与空 位速度的乘积，速度比例于电流密度，而与脉冲工作比及频率 无关。