電遷移現(xiàn)象及其失效機(jī)理

1、集成電路中的電遷移現(xiàn)象電遷移現(xiàn)象簡介隨著芯片特征尺寸越來越小，集成度越來越高，對芯片可靠性的研究也變得越來越重要，而其中電遷移現(xiàn)象是影響互連引線的主要可靠性問題。在微電子器件中，金屬互連線大多采用鋁膜，這是因?yàn)殇X膜具有電阻率低、價(jià)格低廉、與硅制造工藝相兼容、與SiO2層等介質(zhì)膜具有良好的粘附性、便于加工等一系列優(yōu)點(diǎn)。但使用中也存在著如性軟、機(jī)械強(qiáng)度低、容易劃傷；化性活潑、易受腐蝕；抗電遷移能力差等一系列問題。集成電路芯片內(nèi)部采用金屬薄膜互連線來傳導(dǎo)工作電流，這種傳導(dǎo)電流的金屬在較高的電流密度作用下，沿電場反方向運(yùn)動的電子將會與金屬離子進(jìn)行動量交換，結(jié)果使金屬離子與電子流一樣朝正極方向移動，相應(yīng)

2、所產(chǎn)生的金屬離子空位向負(fù)極方向移動，這樣就造成了互連線內(nèi)金屬凈的質(zhì)量傳輸，這種現(xiàn)象就是電遷移。電遷移失效機(jī)理電遷移現(xiàn)象是指集成電路工作時(shí)金屬線內(nèi)部有電流通過，在電流的作用下金屬離子產(chǎn)生物質(zhì)運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象。進(jìn)而導(dǎo)致金屬線的某些部位出現(xiàn)空洞從而發(fā)生斷路，而另外一些部位由于有晶須生長或出現(xiàn)小丘造成電路短路。當(dāng)芯片集的成度越來越高后，其中金屬互連線變的更細(xì)、更窄、更薄，電遷移現(xiàn)象也就越來越嚴(yán)重。圖2.1為典型的電遷移失效結(jié)果。 （a）電遷移引發(fā)短路 （b）電遷移引發(fā)斷路在塊狀金屬中，電流密度較低（<104A/cm2），其電遷移現(xiàn)象只在接近材料熔點(diǎn)的高溫時(shí)才發(fā)生。薄膜的材料則不然，淀積在硅襯底上的鋁條

3、，截面積很小和很好的散熱條件，電流密度可高達(dá)107A/cm2，所以在較低的溫度下就能發(fā)生電遷移。在一定溫度下，金屬薄膜中存在一定的空位濃度，金屬離子通過空位而運(yùn)動，但自擴(kuò)散只是隨機(jī)的引起原子的重新排列，只有在受到外力時(shí)才可產(chǎn)生定向運(yùn)動。通電導(dǎo)體中作用在金屬離子上的力有兩種：一種是電場力Fq，另一種是導(dǎo)電載流子和金屬離子間相互碰撞發(fā)生動量交換而使離子產(chǎn)生運(yùn)動的力，這種力叫摩擦力Fe，對于鋁膜，載流子為電子，這時(shí)電場力Fq很小，摩擦力起主要作用，粒子流與載流子運(yùn)動方向相同。這一摩擦力又稱為電子風(fēng)。經(jīng)過理論分析有： F=Fq+Fe=Z*qE式中Z*成為有效原子價(jià)數(shù)，E為電場強(qiáng)度，q為電子電荷。Z*的

4、絕對值越小，抗電遷移能力就越大。電遷移引起的失效模式1 短路（1）電遷移使晶體管發(fā)射極末端積累鋁離子,使EB結(jié)短路，這對套刻間距小的微波功率管容易發(fā)生；（2）電遷移產(chǎn)生的晶須使相鄰的兩個(gè)鋁條間短路, 這對相鄰鋁條間距小的超高頻器件、大規(guī)模集成電路容易發(fā)生；（3）集成電路中鋁條經(jīng)電遷移后與有源區(qū)短接, 多層布線上下層鋁條經(jīng)電遷移后形成晶須而短接；（4）晶須與器件內(nèi)引線短接"觸的數(shù)目。2 斷路（1）正常工作溫度下, 鋁條承受電流過大, 特別是鋁條劃傷后, 電流密度更大,使鋁條斷開"尤其是大功率管, 在正常結(jié)溫(150 )時(shí), 往往工作幾百小時(shí)后因電遷移而失效；（2）壓焊點(diǎn)處, 因接觸面積小, 電流密度過大而失效；（3）氧化層臺階處, 因電遷移而斷條"通過氧化層階梯的鋁條在薄氧化層上散熱好, 溫度低, 而在厚氧化層上散熱差, 溫度高"所以當(dāng)電子流沿著鋁條溫度增加的方向流動時(shí), 就