3 电迁移解析
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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
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。
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。
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
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。
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
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
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。
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)
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
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
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ห้องสมุดไป่ตู้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。
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
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。
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。
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
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。
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
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
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。
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)
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
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
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ห้องสมุดไป่ตู้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。
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