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浙江工业大学博士学位论文 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 摘要 随着电子产品不断向微型化和高性能化发展，导致金属微互连结构的电流密度急剧增 加，极易引起电迁移诱致失效的可靠性问题。本文针对金属微互连结构的电迁移失效问题， 提出考虑“电子风力”、温度梯度、应力梯度和原子浓度梯度共同作用下的多物理场耦合 计算模型，并结合电迁移试验，揭示微互连结构在多场载荷交互作用下的迁移特性和失效 特征，为金属微互连结构的设计和可靠性评价提供必要的理论和数值分析基础。 本文首先基于电迁移的基本理论，分析引起电迁移失效的驱动机制；对基于互连引线 电迁移失效提出的传统原子通量散度有限元法进行改进，并分析和讨论该方法的适用性及 存在的问题。 其次，综合考虑“电子风力 、温度梯度、应力梯度和原子浓度梯度等驱动机制，通 过加权余量法对电迁移演化方程进行求解，导出原子浓度重分布迭代方程；通过a n s y s 电一热一结构耦合分析获得模型的电流密度分布、温度分布和应力分布，基于f o i 玎r a n 编写的原子浓度重分布算法获得不同时刻的原子浓度，依据空洞小丘形成和扩展失效准则 电迁移动态空洞演化进行模拟并获得失效寿命。将该算法分别应用于s w e a t 结构和c s p 结构，并将模拟结果与试验结果进行比较，验证了算法的可靠性和精度；研究原子浓度梯 度对电迁移失效的影响，发现其对电迁移起抑制作用，不考虑原子浓度梯度项将会低估电 迁移的失效寿命；建立电迁移灵敏度分析方程及其相应的数值算法，考虑设计变量为激活 能、初始自扩散系数和材料力学性能参数等对互连焊球结构进行电迁移灵敏度分析，结果 表明，互连焊球的电迁移对激活能非常敏感，材料力学性能参数对电迁移影响最小。 进一步，分别对o 1 8 “m 功率器件工艺的a l 互连直线结构和a l 互连通孔结构在不同 温度和不同电流条件下进行标准晶圆级电迁移加速试验和封装级电迁移试验，获得电迁移 失效寿命；并通过扫描电镜观察其电迁移失效后的微观形貌，分析其失效机理；基于提出 的原子浓度积分算法分别对试验结构进行数值模拟和寿命预测，并将数值结果与试验结果 进行比较。结果表明：原子浓度积分算法可以准确预测出空洞失效的位置，并预测出合理 的失效时间；通过电迁移试验和数值模拟均证实化学机械抛光技术和扩散阻挡层厚度对a l t 浙江工业大学博士学位论文 互连直线结构的电迁移失效寿命有重要影响。 关键词：电迁移，失效寿命，金属微互连，有限元法 浙江工业大学博士学位论文 e l e c t r o m i g r 2 气t i o n1 1 a i l u r ea n a i s i sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm e t a l m i c r o i n t e r c o n n e c t su n d e rt h e m u l 月i p h y s i c a lf i e l d a b s t r a c t a st l l ee l e c 臼o n i cp r o d u c t sc o n t i n u et op u s hf o rm i n i a t u r i z a t i o na n dh i 曲p e r f o m a n c e ，t h e c u r r e n td e n s i t i e si ni cm e t a li n t e r c o r u l e c t si 1 1 c r e a s ed r a m a t i c a l l y ， w h i c h m a y c a u s e e l e c 臼m i 笋a t i o n ( e m ) f a i l u r e 1 1 1 i st h e s i s s t u d i e sm ee l e c t r o m i 伊a t i o nf a i l u r eo fm e t a l m i c r 0 - i i l t e r c o 衄e c t s ，a i l dp r e s e i l t sac o u p l e dm u l t i - p h y s i c sm o d e lf o rs i m u l a t i n gs u c haf a i l u r e t h ep r e s e n tm o d e lc o n s i d e r sf 0 u r 捌v i n gf i o r c e si i l c l u d i n gm ee l e c t r o nw i n df o r c e ，s t l e s s 伊a d i e n t ，t e m p e r a t u r eg r a d i e i l t ，舔w e l l 弱a t o m i cc o n c e n t r a t i o n 黟a d i e n ti n d u c e df i o r c e s t h e c o u p l e dm u l t i p h y s i c sm o d e l i n gi sc o m b i n e dw i t he l e c t r o m i g r a t i o nt e s t t oi n v e s t i g a t et l l e e l e c 仃d m i 孕a t i o ni n d u c e df a i l u r em e c h a n i s m so fm e t a li n t e r c o n n e c t s ，w h i c hw i l lp r o v i d eu sa t l l e o r e t i c a la i l dn u m 耐c a l 锄a l y s i sf o u l l d a t i o nf o rg u i d i n gt h ed e s i 印锄dr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no f m e t a lm i c r o i n t e r c o n n e c t s f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h eb a s i ce mt h e 0 吼m e “v i n gm e c h a i l i s m so fe ma r es u 删 i l 撕z e d t h ei m p r o v e da t o m i cf l u xd i v e 玛e n c e ( a f d ) m e t h o di si n 协) d u c e da n dt i l ee x i s t e dp r o b l e m so f a f dm e t h o da r ed i s c u s s e d s e c o n d l y t h ea t o m i cc o n c e l l t r a t i o nr e d i s t r i b u t i o ne q u a t i o ni sd e r i v e d 舶me me v o l u t i o n e q u a t i o nb yaw e i g h t e dr e s i d u a lm e t h o dw i t hc o n s i d e r i n gav a r i e t ) ，o fe m 嘶v i n gm e c h a n i s m s w h i c hi l l c l u d e sm ee l e c t r o nw m df o r c e ，s t r e s sg r a d i e n t ，t e m p e r a t u r e 伊a d i e n ta n da t o m i c c o n c e n 仃a t i o n 黟a d i e n t t h ee l e c t r i c m e m a l s t m c t u r a lc o u p l e da i l a l y s i sb a s e do na n s y s m u l t i - p h y s i c a ls i m u l a t i o np l a t f o n i li sp e r f o 衄酣t oo b t a i nt l l ec u r r e i l td e n s i 吼t e m p e r a 眦a l l d s 仃e s sd i s t r i b u t i o no ft h es t u d i e dm o d e l a ne ma t o m i cc o n c e i l t r a t i o nr e d i s t m u t i o na l g o r i t h mi s d e v e l o p e du s i n gf o i 盯r a nc o d et og e ta t o m i cc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fd i f j 陆e i l tt i m e t h e d y n a m i cs i m u l a t i o no fe mv o i de v o l u t i o ni sp e f f o 衄e dt og e tt t f ( t i m et of a i l u r e ) b a s e do n l 浙江工业大学博士学位论文 m ec r i t 甜o no fv o i d h i l l o c ki n c u b a t i o na 1 1 dp r o p a g a t i o n t l l es i m u l a t e dr e s u l t sb a s e do ns w e a t a i l dc s ps t m c t u r e ss h o wg o o da g r e e m e mw i t he x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n s ，w h i c hv e r i 匆m e c o r r e c t i o no ft h ep r e s e n td e v e l o p e da l g 耐m m t h ei m p a c to fa t o m i cc o n c 朗t r a t i o n 罂a d i e n to n e mi ss t u d i e da n di ts h o w st h a tm ea t o m i cc o n c e n t r a t i o nw i l lb er e t a r d e db yc o n s i d e r i n gt l l e a t o m i cc o n c e n t r a t i o n 伊a d i e n ti t e mi i lt h et i m e - d 印e 1 1 d e n te me v o l u t i o ne q u a t i o n w i t h o u t c o n s i d e r a t i o no ft h ea t o m i cc o n c e m r a t i o n 伊a d i e n t ，t 1 1 et t fw i l lb eu n d e r e s t i m a t e d t h e s e n s i t i v i t ya j l a l y s i se q u a t i o n sw i t hc o n s i d 耐n ge mp a r a m e t e r sa i l dm e c h a i l i c a lp r o p e n i e so f m a t e r i a la sd e s i 盟v a r i a b l e sa r ed 嘶v e df o re ms e n s i t i v 时a i l a l y s i s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e e mi sv e r ys 肌s i t i v et ot h e a c t i v a t i o ne n e r g yo fm a t e r i a l 锄dt l l em e c h a n i c a lp m p e n i e so f m a t e r i a lh a v et h em i n i m a l i m p a c to ne m t h es t a n d a r dw a f e r - l e v e l e l e c t r o m i g r a t i o n a c c e l e r a t e dt e s t a n d p a c k a g e l e v e l e l e c t r o m i 铲a t i o nt e s ta r ep e 雨r r n e df 0 rm e t a ll i n ea n dv i ai n t e r c o l l l l e c ts t m c t u r e sb yu s i n g0 18 p mp o w e rt e c h n o l o g yr e s p e c t i v e l y 7 r h et t f sa r eo b t a i n e d 臼o mt h et e s t s ，a tt l l es 锄et i m e ，t l l e m i c r o s t m c t u r ee v o l u t i o na i l dd a m a g em e c h a l l i s ma r ee x a m i n e db ys c 猢i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) o b s e a t i o i l - t h ea b o v em 肌t i o n e da l g o r i t l l i i li su s e dt os i 枷l a t em ef a i l u r eo ft l l e s et e s t s t m c t u r e sa 1 1 dt h er e s u l t ss h o wm a tt l l e p r e d i c t e dt t f sa n de mf a i l u r el o c a t i o na r ew e l l a g r e e m e n tw i t hm et e s tr e s u l t s b o t he mt e s ta i l dm o d e l i n gr e s u l t sd i s c l o s em es i 印i f i c 枷 i n n u e n c eo fc h e m i c a l m e c h a l l i c a lp l a n 撕z a t i o na i l db a 玎i e rm e t a lt l l i c k i l e s s0 nm ee mf a i l u r e l i f e k e yw o r d s ：e l e c t r o m i 黟a t i o n ，f a i l u r el i f e ，m e t a lm i c m - i n t e r c o r u l e c t s ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d 浙江工业大学博士学位论文 第一章绪论 1 1引言 随着信息技术的快速发展，微电子产品的小型化、低成本、多功能化和高可靠性已 成为必然的趋势。这种发展趋势使得集成电路( i c ) 芯片的集成度和电子封装密度的不 断提高，功率不断增加，由此导致微互连结构的电流密度持续增大，极易引起电迁移诱 致失效的可靠性问题。电迁移是互连引线或互连焊球在通过较高的电流密度时，金属原 子沿着电子运动方向进行迁移扩散的现象。它是近年来随着互连结构极小化以及器件微 型化和精密化而出现的一个严重问题，是影响互连结构可靠性的重要机制，已引起学术 界和工业界的广泛关注【l 】。特别是随着集成电路产业的迅速发展，电迁移问题已成为芯 片制造业所面临最为重要和最为持久的可靠性问题之一【2 】。 1 2电迁移的失效现象 微互连结构是集成电路封装与制造的重要组成部分，通常可分为内部的引线互连以 及外部的焊料互连、键合互连等【3 】。引线互连用于实现i c 内部各薄膜之间的电信号连接， 常用材料是a l 合金( 如a 1 s i 、a l c u 或a l s i c u 等) 或纯c u ；外部互连提供i c 与基板 之间的导电通道和整体的机械强度。在各种外互连技术中，焊料互连以其细间距、高密 度、小体积的优点得到了广泛应用。 随着i c 特征尺寸的减小和封装密度的提高，互连结构的电流密度和温度呈现出上 升趋势。高密度的电子流驱动金属原子在互连结构作定向迁移，引起明显的质量输运， 进而在金属互连上形成空洞或小丘( 或晶须) ，产生电迁移失效。金属互连结构上的空 洞出现将导致电路的断路或线路电阻的增加，从而引起电路功能的失效；而小丘( 或晶 须) 的出现将导致相邻互连的短路，导致极其严重的可靠性问题【4 】，如图1 1 所示。特 别是随着超大规模集成电路( v l s i ) 的发展，芯片的功率越来越大而尺寸越来越小，使 得互连结构的电流密度急剧增大，电迁移失效就更易出现。因此，国际半导体技术发展 蓝图( 1 1 r r s ) 正式将电迁移列为电子封装可靠性问题之一；2 0 0 3 年，i t r s 又进一步提 出电迁移是限制高密度封装发展的一个关键因素【5 】。 浙江工业大学博士学位论文 但是，家用电线或者高压电缆等金属导线从不会出现电迁移失效，这是因为它们没 有良好的散热能力，如果电流密度过大，电路很快就会因为焦耳热导致保险丝熔断而断 路，所以不会出现电迁移现象【2 】。集成电路芯片中的互连引线则不同，它们有良好的散 热环境，即使承受很高的电流密度也不会出现过高的温度，再加上通常采用抗高温的材 料对金属引线进行绝缘，所以它们通常能够承受高达1 0 5 从m 2 的电流密度( 约为普通 家用电线承受极限的1 0 0 倍) 和由此导致的1 0 0 甚至更高的温度【2 1 。在高温下，金属 离子变得非常活跃，大量电子的猛烈撞击就很容易推动它们发生宏观迁移。 ( a ) 互连引线的空洞( b ) 互连引线的小丘( 或晶须)( c ) 互连焊球的空洞 图l 一1金属微互连结构的电迁移失效】 1 3电迁移失效的驱动机制 事实上，电迁移失效并非一个孤立的现象，在电迁移过程中往往同时伴随着热迁移、 应力迁移和化学迁移等过程【6 。7 】。高电流密度产生的焦耳热将形成温度梯度，这种梯度 是热迁移的驱动力；电迁移失效形成的空穴将诱致互连结构内部产生应力，伴随着机械 载荷和热载荷引起的应力，这些应力叠加起来将形成应力梯度驱使原子进行迁移。另外， 由于迁移导致金属结构内部原子浓度不均匀，这种原子浓度梯度引起了化学迁移。因此， 金属互连结构的电迁移失效实际上是在多种迁移机制共同作用的结果。需要指出的是， 目前针对互连结构电迁移失效的研究( 主要是试验研究) 基本上是针对单一负载( 如单 纯的电流作用) 或者两种负载耦合( 如电一热耦合或电一化学耦合) 的情况，因此通常 只是研究一种或者两种迁移机制。实际上，金属互连结构是在多种负载耦合( 多场载荷 交互作用) 的条件下服役的。 1 3 1电子风力 1 9 5 9 年，f i k s 首次对电迁移进行了报道，并提出了“电子风力”的概念【引。1 9 6 1 年，伦斯勒理工学院的h u i n i n g t o n 和他的同事们发现a u 引线在8 5 0 1 0 0 0 、1 0 4 c m 2 2 翮冀一 浙江工业大学博士学位论文 条件下，会在阴极形成由“电子风力 推动的金属原子迁移，原子迁移质量与电流密度 和自扩散系数成正比；之后他们采用表面划痕的标记方法，研究了a g 、c u 、a u 、p b 等金属在高电流密度下的空位和原子迁移现象，对电迁移失效研究作出了巨大贡献【9 d 2 1 。 当导体中加载电流时，电场中存在大量定向运动的电子，电子与游离态的金属原子 碰撞后会发生动量交换。一旦金属原子的初始能量能够克服势垒，就会离开该平衡位置， 以晶格扩散或晶界扩散机制向下一个平衡位置迁移。在高电流密度条件下，这种动量交 换很显著，从而引起质量输运。在电场作用下，金属原子受到电子的碰撞而产生动量交 换的力称为“电子风力”，用表示，方向与电子运动方向相同；电场对金属原子产 生的直接力( 即库仑力) 用e 胁表示，方向平行于电场，如图l - 2 所示。为方便起见， 电子风力和直接力的合力通常被统称为“电子风力”【9 】，即 f 跏= + f 姗= ( z 删+ 乙柚= z 扭= z 喇 ( 1 - 1 ) 式中，z 删为反映动量交换效应的电荷数，乙为金属原子价，z 为电迁移有效电荷数； p 为电子电荷；e 为电场强度；p 为电阻率；j 为电流密度。对金属导体来说，z 刊一 般为负值，并且| z 删l 远大于i 乙i ，所以在高电流密度条件下，金属原子的运动方向与电 子流方向相同。 ；三之? 子 j ：f ，孽： 一、一? 一 骠电1 1 一二。l 一一_ 1 浙江工业大学博士学位论文 过程中，局部的焦耳热效应加速增加了电迁移的温度梯度。另外，互连结构中的微小裂 纹同样会引起温度梯度。 由热迁移引起的驱动力可以表示为1 】： n + k = 等v r ( 1 - 2 ) 其中，q 为传输热，可定义为每摩尔原子运动时的能量( 焓) 与初始状态时能量之差。 当原子从热端运动到冷端时，这是一个放热过程，q 为负值；当原子从冷端运动到热 端时，这是一个吸热过程，q 为正值；v 丁为温度梯度。 s c h w a r z e n b e 唱e r 等【1 3 1 通过试验证实了电迁移失效对温度梯度的依赖，他们观测到典 型的电迁移失效位置位于最大温度梯度附近。w e i l i n g 等【1 4 1 对温度梯度驱动力进行更深 层次的研究。他们做了铝基金属线的电迁移试验，通过一嵌入式加热单元人为地产生沿 金属线方向的温度梯度。他们观测到：如果电子流动沿着温度增加的方向，此温度梯度 将改善电迁移失效时间；如果温度梯度方向与电子流方向相反，电迁移失效时间则明显 下降。n g u y e n 掣1 5 1 做了类似的带嵌入式加热单元的电迁移试验。他们发现，温度梯度 为o 0 9 刚m m 、0 1 9 列m m 和o 2 8 刚m m 的中值失效时间分别减少到没有温度梯度时对应 值的9 0 、4 0 和9 ；而且他们还观测到空洞发生在晟大温度梯度位置。1 h 等【1 6 1 对 a l 引线和c u 引线分别进行电场和温度场耦合作用的数值模拟，结果表明：a l 引线中热 迁移并不显著，原子迁移的驱动力主要来自于电子风力：而c u 引线中原子迁移的早期 驱动力主要来自于热迁移，电子风力是后阶段的驱动力，即c u 引线中早期生成的空洞 主要由热迁移产生，并且在空洞生长一段时间后电迁移才起作用，最终导致c u 引线发 生失效。 互连焊点由于存在从导线到凸点的突变结构，所以容易引起电流拥挤和焦耳热效 应，从而引发热迁移，而热迁移可能会进一步加速电迁移过程而降低焊点寿命。h u a l l g 等【1 7 1 研究指出，当焊点中的温度梯度达到1 0 0 0 1 5 0 0 c m 时，就足以引发热迁移；并 且，当热迁移和电迁移方向一致时，就会加速焊点电迁移过程；而两者方向相反时，热 迁移就会对电迁移起抑制作用，减缓电迁移过程。y e 掣1 8 1 观察到，温度梯度驱动力与 其它驱动力一样很强大，在某些情况下，它甚至起主导作用。o u y a n g 等【1 9 1 还发现 s n 6 3 p b 3 7 焊料凸点的热迁移存在一个临界电流密度( 厶= 1 6 1 0 4 从m 2 ) ，当的超过厶 4 浙江工业大学博士学位论文 的5 ，焊球很快就会熔化；当， 1 0 1 0 4 c m 2 时，焊球的失效以电迁移为主。 1 3 3 应力迁移 应力迁移是指互连结构在应力梯度作用下的质量输运过程。大致来说，应力梯度的 来源主要来自于两个方面【2 2 1 ：( 1 ) 由电迁移诱致引起的“背流应力”，这种类型的应 力梯度在电迁移过程中自始至终存在；( 2 ) 由于金属互连材料与周围材料的热膨胀系数 不匹配导致的非均匀应力分布。该应力梯度发生在电迁移的开始，当空洞形成后将被释 放。 应力梯度作为电迁移驱动力首先在2 0 世纪7 0 年代被b l e c h 及其合作者经一系列的 试验和理论工作后被发现的【珏2 3 1 。他们通过电迁移试验观察到，经过一段时间，金属线 变短，阴极由于沿电子流方向的质量输运形成空洞，而在阳极形成小丘；b l e c h 等还发 现，当导线长度低于某一值时，在给定的条件下电迁移质量输运过程将中止，这就是著 名的“b l e c h 效应 。当导体长度低于某一值电迁移质量输运不再观察到的这一长度称为 在一定电迁移加载条件的“b l e c h 临界长度 。当形成空位和小丘时，在互连结构存在背 应力，为了解释电迁移的临界长度，b l e c h 提出了与电子流方向相反的原子“背流”这 一概念。为了进一步阐述电迁移测试条件下的应力梯度，k o r h o n e n 等【6 】给出了严格的理 论研究，并很好地解释了b l e c h 长度效应。虽然“b l e c h 临界长度 的概念是在互连引 线中提出的，但w e i 等采用f m 技术研究s n 3 7 p b 焊料在电流密度为2 1 0 4 c m 2 、1 0 0 时的电迁移，观察到了背流应力导致的原子迁移现象，得到s n 3 7 p b 焊料的临界长度值 为1 0 。1 5 岬。 另一方面，“等发现由于热膨胀系数不匹配导致的应力梯度能够影响电迁移性能 【2 5 】。l l o y d 等研究表吲2 6 1 ，钝化层的厚度对互连引线的电迁移失效影响很大，可以认为 观察到的失效时间的变化是由于各种钝化层厚度引起热一机械应力变化造成的。l l o y d 等还认为热一机械应力可以和电迁移诱导应力一样高，因此，如果不考虑热一机械应力， 失效时间将被高估【2 7 】。由于互连引线制造过程中加工温度较高( 大约4 0 0 ) ，因此，在 测试条件下，金属引线仍然处于拉伸应力状态。k i s s e l g o f 等研究了不同加工温度对互 连引线电迁移性能的影响，他们发现，将电介质沉积温度从3 9 0 降到3 2 5 ，电迁移 失效时间大约是原来的5 倍。这是因为加工温度的降低促使互连引线内的拉伸应力梯度 的降低，从而使互连引线的电迁移性能大幅度的改善。但不建议进一步降低加工温度， 因为过低的加工温度下会影响电介质质量，容易引起缺陷。 浙江工业大学博士学位论文 1 3 4 化学迁移 由于电、热和应力的迁移引起金属导体内部原子浓度分布的不均匀，形成浓度梯度， 由原子浓度梯度诱致引起的迁移通常称为化学迁移。在电迁移失效的最初阶段，相对于 其他驱动力，原子浓度梯度对电迁移的影响较小2 9 1 。随着电迁移失效的进行，原子浓度 梯度不断增加，对电迁移失效的影响也增强，当超过某临界点时，会对电迁移起抑制作 用。目前的电迁移失效分析中通常忽略了原子浓度梯度的影响。 1 4 电迁移问题的研究现状 1 4 1 互连引线的电迁移研究 铝作为微电子工业中最早使用的互连引线金属，已有近半个世纪的历史。早在2 0 世纪6 0 年代就已经发现铝导线中存在电迁移破坏，并且很快认识到这种破坏是由于晶 界扩散所致。 互连引线的电迁移中值失效时间( m e d i a l lt i m et of a i l u r e ，m 订f ) 是一个描述其抗 电迁移能力的重要参数，又称为。它是指一组相同的金属互连结构在相同的试验条件 下( 保证薄膜材料结构、几何尺寸、电流密度和温度相同) ，使5 0 互连结构试样失效 所用的时间。1 9 6 9 年，b l a c k 进行了一系列的铝基金属的电迁移试验【3 0 1 ，并制定了一个 半经验的电迁移中值失效时间公式： 铲伽p ( 1 - 3 ) 式中，彳是涉及薄膜横截面面积的一个常数；为电流密度：胛为电流密度指数；e 是 激活能；七。是b o l t z m a l l 常数；丁是温度。 这个公式被称为b l a c k 公式，反映了在激活能和刀一定时，且扩散机理相同的情况 下，互连引线在加速试验或工作条件下其中值失效时间与电流密度和温度的关系，至今 仍然广泛应用于v l s i 互连引线的电迁移寿命预测。 1 9 7 0 年，i b m 公司的a m e s 等发现在纯铝中加入少量的铜能够大大提高铝互连 的电迁移寿命，这是铝互连电迁移可靠性研究的一个突破性进展。学术界很早就知道铜 在铝中会增强铝原子的扩散，因而之前一般认为铝铜合金的电迁移寿命要比纯铝短，然 而实验结果却恰好相反，对于这个现象至今也没能够给出严密合理的解释。目前主流的 看法是：加入铝线中的铜可能富集到了晶界处成为离子源来补充此处由于铝离子扩散造 6 浙江工业大学博士学位论文 成的原子亏空，或者加入的铜就能够增大铝离子沿晶界的扩散激活能【2 】。从7 0 年代开始， 工业界开始在铝薄膜中添加2 3 的铜以抑制铝原子迁移的扩散性，所以通常所说的铝 互连线实际上就是指铝铜合金互连线。 除了溶质元素的影响外，引线合金的微结构也会改变其抗电迁移性能。一系列的研 究表明：单晶引线的电迁移是通过晶格扩散完成，而多晶引线的电迁移则为晶界扩散； 并且单晶引线相对于多晶引线而言性质更加均匀，所以在相同条件下，单晶铝引线的电 迁移寿命高于多晶铝引线【3 2 1 。连通晶界为金属离子提供了一个快速扩散的通道，对电迁 移过程的影响最大。所以要提升铝引线的抗电迁移性能，最好能彻底消除铝引线中的晶 界，不过到目前为止还没能找到低温下快速生长大面积单晶金属薄膜的工艺方法。随着 超大规模集成电路的发展，铝引线的特征尺寸已经从微米级降至超深亚微米级，当引线 宽度的尺寸比晶粒尺寸还小的时候，就能消除大部分连通晶界。这种导线的结构很像竹 子，所以称为“竹状结构”。c h o 等【3 3 】的研究成果表明，将铝互连线的结构竹状化能够 大大提高其平均电迁移失效时间。所以目前通常把铝引线加工成具有竹状结构而没有三 晶交叉点的微结构，或者采用铝与一层或几层难熔金属( 如钨等) 形成多层结构，以提 高其抗电迁移能力。 另外，电流拥挤效应对电迁移失效也有重要的影响。当互连线结构出现拐弯时，由 于电流倾向于往路径最短处传输，造成电流密度在拐弯处的内角附近急剧增大。对于电 流密度的影响，h u a n g 等【3 4 】进行了深入的研究，发现电流密度增大，焦耳热急剧上升， 温度升高，原子的扩散速度加快，导致电迁移现象呈指数变化的速度向失效方向发展。 他们提出1 0 5 c m 2 和1 0 8 c m 2 分别为对平均失效时间有重要影响和极其严重影响的临 界判据。 由于铜具有比铝及其合金更低的阻抗和更高的抗电迁移能力，近年来铜成为新一代 理想的互连线材料。铜互连和铝互连的加工工艺明显不同，铝互连通常是首先将铝沉积 成金属薄膜，蚀刻后再沉积上绝缘电介质；而铜互连则是采用嵌入式工艺得到图形化的 导线；上下层铜导线之间通过微通孔连接，这些微通孔需要另外一层光刻和蚀刻步骤才 能实现，因此又称为双嵌入式工艺【l 】。由于加工方法的不同，铝互连和铜互连的电迁移 失效的机制也不相同，铝互连的电迁移主要是由晶界扩散所致，而铜互连的电迁移则主 要是由表面扩散引起的。由于表面扩散起主要作用，所以铜互连最容易发生电迁移的地 方是铜引线与介质阻挡层相交接的地方。改善铜与阻挡层的界面性能可以显著提高互连 的可靠性，主要的方法有【3 5 】：掺入合金元素、添加金属阻挡层和进行适当的表面处理等。 7 浙江工业大学博士学位论文 1 4 2 互连焊球的电迁移研究 随着大规模集成电路的发展，电迁移失效现象大量出现在互连焊球与凸点下金属化 层( u n d e rb u n l pm e t a l l i z a t i o n ，u b m ) 的界面上。1 9 9 8 年，b r a n d e n b u r g 等人首次报道 了互连焊点的电迁移失效现象【3 6 】。他们观察到了s n 3 7 p b 焊点在8 1 0 3 c m 2 和1 5 0 条 件下的电迁移，发现在焊点的阴极形成空洞、阳极出现p b 聚集。随着倒装芯片( f l i pc h i p ， f c ) 封装技术的迅速发展，倒装芯片的互连焊点电迁移研究得到了广泛关注，成为继互 连引线电迁移研究后的一个新的方向。 相对于互连引线而言，互连焊点的电迁移存在许多不同之处【卜2 】：( 1 ) 互连引线中 的扩散主要是晶界扩散( 如a l 线) 或表面扩散( 如c u 线) ，而互连焊点中的扩散主要 是晶格扩散；( 2 ) 虽然倒装芯片焊点中的电流密度( 约1 0 4 从m 2 ) 比互连引线中的电流 密度低，但由于其熔点相对引线而言低得多，所以即使在一般工作温度下，焊料中的原 子扩散率仍然很高，同样会导致严重的电迁移问题；( 3 ) 由于倒装芯片焊点是从导线到 凸点的突变结构，当电流从导线进入凸点或者从凸点进入导线时，电流密度都会发生很 大的改变，所以在导线和凸点的接触处很容易产生电流拥挤，加剧了电迁移现象。一些 研究表明【5 ，3 7 1 ，在互连焊点中的空洞形成以前存在一段较长时间的孕育期，空洞首先在 电流拥挤区域形成并随后迅速长大，最后导致焊点失效；另外，焦耳热效应也会在焊点 中产生热点，有时甚至会使焊点产生部分熔化现象。局部焦耳热会造成焊点中存在很大 的温度梯度，可能会进一步加速电迁移过程而降低焊点寿命；( 4 ) 倒装芯片焊点和互连 引线的成分不同。焊点一般由两种或两种以上元素的合金组成，而互连引线通常只有一 种主体元素( 铝或铜) ，另外再添加微量的合金元素，因此互连引线只需考虑一种元素 对电迁移的影响，而对于倒装芯片互连焊料的电迁移则要考虑各种主要元素对电迁移的 影响；( 5 ) 焊点在电迁移过程中会产生非常独特的极化效应。电子封装中常采用贵金属 或近贵金属作为u b m ，它们以间隙扩散方式快速扩散，而目前的焊料主要以s n 基为主， 在室温下这些贵金属或近贵金属即可与s n 反应而在界面生成金属间化合物 ( i n t e m e t a l l i cc o m p o u n d ，m c ) 。在电流作用下，焊点阴极处电子从蹦c 流向焊料， 而阳极处电子流动方向则刚好相反，所以电迁移加速了阴极蹦c 的分解，贵金属或近 贵金属在阴极迅速溶解后向阳极扩散而促进了阳极m c 的形成，这就是所谓的极化效 应。 美国加州大学的t ukn 教授是研究互连焊球电迁移研究的奠基人，他领导的研究 小组对互连焊点的电迁移失效作出重要的贡献。t u 等 3 8 j 在b 砌d e n b u 唱等首次报道互连 8 浙江工业大学博士学位论文 焊点的电迁移不久后便研究了不同成份的s n p b 焊料在c “焊料c u 互连结构在室温、电 流密度为1 0 5 从m 2 条件下的电迁移，他们发现共晶s n p b 因为有最低的熔点，所以电迁 速率最快；他们还研究了c u s i l p b n i 互连结构在0 1 4 0 、电流密度为1 9 2 7 5 l0 4 c m 2 的电迁移寿命，发现随着电流密度的增加，电迁移失效时间急剧下降。这是由于阴极界 面发生了m c 和u b m 的溶解，从而导致空洞的形成和扩展诱发了电流聚集效应，并最 终产生了电迁移失效【3 9 1 。u b m 对焊点的电迁移有重要影响，t u 等认为u b m 层中的重 金属( 如c u 、n i 和a u 等) 熔解到焊点中，并会在互连的界面处形成脆性较大的m c 。 t u 等【删还进一步模拟了u b m 的厚度对电流密度聚集的影响，指出当u b m 的厚度为 2 岬时，电流密度聚集在凸点与u b m 相界面的凸点边缘，电迁移失效将会在凸点侧发 生；当u b m 的厚度为1 0 岬时，电流密度聚集在u b m 中，电迁移失效最终将会在u b m 中发生。 随着微电子封装材料无铅化进程的加速，无铅焊料的电迁移研究逐渐成为互连焊点 可靠性研究的热点方向之一。目前常用的无铅焊料主要有：s n a g c u 、s n a g 、s n b i 和s n z n 钎料等，而目前关于无铅焊料电迁移的研究主要集中在s l 认g c u 和s n a g 钎料。 l e e 等【4 1 】对n i s i l p b c u 和n i s n a g c u c u 互连结构在温度为1 2 0 、电流密度为 3 8 1 0 4 c m 2 时进行电迁移试验发现，n i 和c u 原子在电迁移过程中交互扩散，在两种 焊点内部都形成了n i c u s n 化合物；s i 认g c u 共晶焊料在阳极形成i m c 的极性生长效 应。o u 等【4 2 】对c “s n 3 8 a 鲷7 c u c u 互连结构施加环境温度1 5 0 ，研究了不同的电流 密度( 1 0 3 1 0 4 从m 2 ) 对m c 的影响。结果表明：随着电流密度的增加，阴极处的蹦c 溶解的速度会随之加快。当电流密度达到2 1 0 4 c m 2 时，仅仅经过1 0 小时的时间，阴 极处的m c 几乎溶解殆尽。 r e n 等【4 3 j 对电迁移试验后的互连结构c “s n 3 8 a 印7 c u c u 进行了拉伸和剪切实验。 未通电前进行的拉伸剪切实验一般在焊点内部断裂；而通电以后阴极会形成空洞，其界 面比较薄弱，所以拉伸剪切实验中容易在阴极处断裂：更高的电流密度和更长时间的电 迁移条件会使阴极处界面的拉伸强度和剪切强度迅速下降。x u 等【删研究了s n a g c u 焊 点电迁移行为引起的“背应力”问题。在电流密度为1 0 4 c m 2 、温度为1 2 5 条件下，阳 极附近的应力梯度达到9 7 1 0 3 p “岬。 s n a g 系无铅焊料作为高熔点焊料因其固有的微细组织、优良的力学特性和使用可 靠性已开始进入实用阶段。k u m a r 【4 5 】等研究了n i ( p ) s n 3 5 a g n i ( p ) 互连结构在1 6 0 和 1 8 0 、较低电流密度( 1 1 0 3 从m 2 ) 下的电迁移。发现在低电流密度下：1 6 0 时，阴 9 浙江工业大学博士学位论文 极和阳极的蹦c 成份都为n i 3 s i l 4 ，厚度也没有显著变化；1 8 0 时，阴极的m c 为n i 3 p 和n i 3 s 1 1 4 ，阳极没有改变。d i n g 【4 6 】研究了1 1 0 1 5 0 温度下电迁移过程中不同u b m 层 对s n 3 0 a g 焊料的影响。结果表明，s n 3 o a g 焊料的电迁移寿命要高于共晶s i l p b 焊料。 g a n 和t u 【4 7 1 研究了n i s n 3 5 a g n i 互连结构的电迁移特征，发现l5 0 下电迁移过程中 i m c ( n i 3 s i l 4 ) 的生长曲线介于抛物线与直线之间。 1 4 3 电迁移测试技术 b l a c k 公式是电迁移测试的理论依据，b l a c k 公式虽然是在忽略金属导线上的温度梯 度和应力梯度的影响而得出的电迁移模型，但是它简单而且非常实用，所以目前半导体 工业界普遍采用它作为电迁移测试标准的理论依据。 研究互连结构可靠性的一个核心工作就是测量其电迁移寿命。电迁移寿命通常是通 过测量电迁移中值失效时间来推算得到。在相同的测试条件下，中值失效时间越长，则 它们抵抗电迁移失效的能力越强，即电迁移可靠性越好。由于金属互连结构在实际工作 条件下发生电迁移现象的时间很长，所以通常在符合b l a c k 公式的前提下，采用加速寿 命试验，即选用较大的电流强度和高温来进行电迁移性能的评估。加速寿命试验需要满 足两个基本条件：在加速条件下，试件的失效机制与正常工作条件下的基本一致；加速 条件下得到的数据能够外推到正常工作条件下来使用。 1 4 3 1 互连引线的电迁移测试 1 测试结构 在互连引线电迁移测试过程中，其出现的电迁移失效模式必须实际使用过程中的失 效模式一致，所以测试结构的设计规范与芯片设计规范要一致。目前，关于铝互连线电 迁移测试结构有两个国际标准4 8 4 9 】：美国材料实验协会( a m e r i c 觚s o c i e 哆f ；叫t e s t i n g m a t 舐a l s ，a s t m ) 的f 1 2 5 9 m 标准和美国电子设备工程联合委员会( j o i n te l e c 舡d nd e v i c e e n g i n e 耐n gc o u n c i l ，j e d e c ) 的j e s d 8 7 标准。 f 1 2 5 9 m 标准规定了不带通孔( v i a ) 的测试结构，如图1 3 所示。该结构最早是被 美国国家标准与技术研究院( n a t i o n a li i l s t i t u t eo f s t a i l d a r d s 锄dt e c l l l l o l o g y ，n i s t ) 提出， 所以也被称为n i s t 结构。测试结构的标准长度为8 0 0 u m 。这种结构的特点是被测导线 的终端直接连在电极上。 j e s d 8