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文档简介

1、电迁移原理: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

2、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

3、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。UpperLouer图2.4金再匝子A算近铝的+十匣子和一牛空證从电流密度角度,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。直接力是一种在另一方面,关于"电电场的作用下,由激活的金属正离子沿电子流相反方向流动产生的力。 子风”力是金属离子在电子流方向因电子与离子的动量交换

4、而形成的力。在实践中,互连结构电迁移的可靠性评估使用了简单的方程。电子风力”和“静电场力”严F严肌pj二旅瓦的合力给定为 二乓+Z占式中,Fp为电子风力;Fe为场力;Z*e为有效电荷;p为电阻率;j为电流密度;Zwd 为电子风力有效电荷常数;Zei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,Fp大于静电场力 Fe,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。J迁移的数学模型采用的是空位流(J)方程ND 0 exp( Q b / KTfKT)qZ由于电迁移使金属原子从一个晶格自由

5、扩散到另一个晶格的空位上,所以,通常描述原子电(1)(1)下面对上面的方程进行一下推导:电迁移的离子流密度为J = NV(1)V为离子运动速度,为离子迁移率F = Fq+Fe = q( Z-Z' E = qZ*E式中, V =卩F 这里,N为粒子流密度,F为作用在离子上的力;Z*相当于式中,Fq为电场力,Fe为载流子(电子)与金属离子间动量交换产生的摩擦力 有效的原子价数,Z*q称为有效电荷。F = q Z*p j式中,j为电子流密度,p为电阻率。贝UJ = Ny F = Ny qZ* p j迁移率”二爲T自护散系数zX肚J式中,D0为扩散常数,Qb为扩散激活能,f为取决于晶格类型的修

6、正因子。ND 0 exp(电迁移离子流方程为fKTQb/KT )qZ(1)1各种金属的有效原子价数3T5名称4盃上AWLi8 .1CuAuAgAl0+ 1.6|+ 20一14士 0.20. 1S3*北5826一 301 IC常用的金属Al和Au,其Z*<0,说明 电子风”力使离子向正电极移动;2 F观卜P川 Au膜抗电迁移能力大大优于 Al膜;3 说明Al抗电迁移能力较差;4 W、 Pt、 Co等Z*> 0,说明电子风”导致金属离子向负电极方向移动;5, Pt、 Co的Z*很小,抗电迁移能力很强。电迁移平均失效时间MTF( Median time to failure )MTF 反

7、映器件表面金属化抗电迁移的能力? 严格地讲,应译成 中值失效前时间”,简称t50。?T50是指一组同样的金属薄膜,在同样的测试或工作条件下,使50 %金属薄膜失效所需要的时间。?失效的判据为薄膜电阻增大100 %。为了推断电迁移失效时间,值时间的经典公式Black给出了加速试验条件直流模型下描述电迁移失效中1式中T50为50%试样失效的统计平均时间,A为与导电材料密度、电阻率、晶粒大小、晶粒尺寸的分布、离子质量几何尺寸等有关的因子,j为电流密度(A/cmZ),月为电流密度指数(通常为2 一 3), E二为激活能(通常为0.5 O.seV(电子伏),T为绝对温度,k为 玻耳兹曼常数8.62x10

8、 ,(e歹7K)。A与E。由实验数据确定。下面再对电迁移失效时间方程进行一下推导:Black证明,MTF正比于导体的横截面积,所以WdV J式(1)中,N、Do、f、Z*和P等参数均与金属薄膜微结构的变化有关,与结构有关的项用B表示,则(1)式可表示为1若认为Qb为常数,则旦exp(U)(学TKT B KT 21)T般认为T,例如0.5 ev , T300 k 时,器 20Qb 即KTJ(T)带入(2)式,则g鬻W)2大电流工作时_2_很大,而由(3)式得2等WgQ曲代入式(2)则Q.fKT)(5)1式中,C'为与金属薄膜结构、扩散激活能有关的常数。综合(4)( 5)两式得帖 TF0

9、-(1)电迁移失效由材料结构梯度引起时(2 )电迁移失效由温度梯度引起时综合上述二式,并忽略指数前的温度项,则Mrrexp(Q /KT11这个就是前面提到的Black公式C为与薄膜这里,n= 1,对应于小电流密度时的情况;n = 3,对应于大电流密度时的情况。结构梯度、薄膜衬底及覆盖层性质有关的参数。1由Black公式可总结得到以下几点:j、T较1.MTTF与电流密度幕次方成反比,与温度倒数成指数关系,所以电迁移与 敏感;2在j、T一定时,提高激活能 E。增加A,可使MTTF提高;3材料不同,扩散方式则不同,激活能也就不同。激活能大的,MTTF大;寿命与温度、电流密度的关系如图2 一 4所示7

10、9b' - x( ± 'OM/HK'1 100 ax电底帮度8x10 'em22io1#半均童祁删00b左仰於 淖生.氐YK泵根据以上讨论,我总结出提高金属薄膜抗电迁移能力,有以下措施(1)减小电流密度;(2)降低薄膜温度;(3)增大薄膜中离子扩散的激活能;(4)增大薄膜的厚度和宽度;(5)降低常数C。电迁移失效的影响因素具体因素:(1) 布线形状及结构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。例:长度影响:在Al引线中,MTF随着长度的增长而下降,直至某一临界值,MTF不再取决于长度的变化。其原因在于随

11、着Al引线长度的增加,出现严重缺陷的几率也在增加。当缺陷几率为最大时,MTF达到极小值;超过临界长度值,缺陷几率不会再增加。厚度影响:引线厚度减小,表面积增加,使得表面扩散增加,造成MTF下降;另外,薄引线散热能力提高,焦耳热效应降低,又有助于MTF的提高(2)宽度影响:线宽愈大,引起横向断条的空洞形成时间愈长,寿命增长 热效应由Black公式可知:电迁移对 MTF有重要影响。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/kT)(6)(3)(4)(5)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

12、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。晶粒大小图5的互连引线中,晶粒尺寸不均匀,从左到右晶粒尺寸逐渐减小,存在晶粒尺寸 大小差异。左边的晶界少,右边的晶界多,右边有更多的晶界参加了原子迁移的过程。 因此,当电子流从左边流向右边时,空洞在大晶粒与小晶粒交界处产生。晶界上发生原子迁移从而形成空洞的过程,可以用“三叉点”模型来描述(图6)。“三叉点”时引线的殺桃鋁构发生在三个晶粒交界处的晶界上,此时电子风推动原子从一条边界流入,从另外两条边界流出。这个过程产生了空位流增量(DJ),造成

13、了质量的流失,形成了空洞。当电流反向流动时,就产生了质量堆积,形成小丘。因此,“三叉点”数量的减少使引线发生电迁移的可能性下降,从而提高了电迁移寿命。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电浪涌的能力。介质膜能提高电迁移的能力,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。合金效应Al-Cu合金引线的MTF主要取决于 Cu在Al-Cu合金引线中的扩散性21。Cu在

14、Al原 子晶界处的偏析和扩散造成了Al-Cu合金引线中的电迁移阻力的增加;Cu原子与Al原子相比有较高的凝聚能,易在铝的晶界处偏析22。Cu在Al原子晶界处的偏析使得Cu-Al在晶界处的结合远比 Cu-Cu和Al-Al的结合要牢固得多,这意味着Cu加固了Al原子的晶界,从而抑制了 Al原子的晶界扩散。另外,Cu在Al中的溶解度很小(在 200C时大约0.1wt% ),这也使得Cu更易在晶界处偏聚,从而为质量迁移提供了充足的原子储备。最后,易分解的Al2Cu沉淀也使得互连引线中电迁移消耗的Cu能得到及时补充,从而延长了M T F。脉冲电流文献4研究了脉冲电流条件下频率与MTF的关系,指出当脉冲电

15、流频率低于f<106Hz时,MTF是脉冲峰值模型的函数;当脉冲电流频率较高f>106Hz时,MTF是平均电流密度模型的函数。频率对电迁移寿命的影响如图9所示。(6)201T-412X1下均屯能卓矍頊型1 310-i*1151TF1亍1肚冲幌值粮型1(1IO1f 沪ll!J?I04图?迖TF W麗冲城丰的天索失效模式电迁移能使IC中的互连引线在工作过程中产生断路或短路,从而引起IC失效,短路 断路参数退化其具体表现为:卜门在互连引线中形成空洞,增加了电阻; 空洞长大,最终贯穿互连引线,形成断路; 在互连引线中形成晶须,造成层间短路; 晶须长大穿透钝化层,产生腐蚀源。抗电迁移的措施设计

16、 合理进行电路版图设计及热设计,尽可能增加条宽,降低电流密度,必要时加装散热 器防止热不均匀性和降低芯片温度,减小热阻,有利散热。工艺 严格控制工艺,加强镜检,减少膜损伤,增大铝晶粒尺寸材料可用硅(铜)一铝合金后难熔金属硅化物代替纯铝。多层结构 采用以仅为基的多层金属化层,如Pt5Si2-Ti-Pt-Au层,其中Pt5Si2与硅能形成良好的欧姆接触,钛是粘附层,铂是过渡层,金作导电层。覆盖介质膜 由于如PSG A12O3或Si3N4等介质膜能抑制表面扩散,压强效应和热沉效应 的综合影响,延长铝条的中位寿命结束语:本节主要研究了电迁移, 在电路规模不断扩大, 器件尺寸进一步减小时, 互连线中电 流密度在上升,铝条中的电迁移现在更为严重,成为VLSI中的一个主要可靠性问题。本章首先介绍了电迁

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