電遷移的影響因素及預(yù)防

1、電遷移的影響因素1 布線形狀及結(jié)構(gòu)的影響連引線的幾何尺寸和形狀， 互連引線內(nèi)部的晶粒結(jié)構(gòu)、 晶粒取向等對電遷移 有重要的影響。 從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)看， 金屬條是由許多含有結(jié)構(gòu)缺陷的體積元串聯(lián)而成 的，則薄膜的壽命將由結(jié)構(gòu)缺陷最嚴(yán)重的體積元決定。（1）若單位長度的缺陷數(shù)目是常數(shù)，隨著膜長的增加，總?cè)毕輸?shù)也增加，所 以膜的長度越長，壽命越短。（ 2）當(dāng)線寬比材料晶粒尺寸大時， 線寬越大， 引起橫向斷條的空洞所需的時 間越長，壽命越長；當(dāng)線寬降到與金屬粒徑相近或更小時， 斷面為一個單個晶粒， 金屬離子沿晶粒界面擴(kuò)散減少，壽命也會延長。（3）在臺階處，由于布線形成過程中臺階覆蓋性不好，厚度降低，電流密度 在此

2、處增加，容易產(chǎn)生斷條。2 熱效應(yīng)金屬膜的穩(wěn)定及溫度梯度對電遷移壽命的影響極大， 溫度通過影響互連引 線中的原子擴(kuò)散而對電遷移過程產(chǎn)生影響?；ミB引線中原子的擴(kuò)散系數(shù) D 與溫 度呈指數(shù)關(guān)系， 當(dāng)溫度升高時， 原子的擴(kuò)散速度加快， 導(dǎo)致電遷移現(xiàn)象按指數(shù)變 化規(guī)律向著失效方向發(fā)展。 如果互連引線上存在溫度梯度， 溫度梯度使得互連引 線上存在擴(kuò)散系數(shù) D 的差異。溫度高的區(qū)域，原子擴(kuò)散快；溫度低的區(qū)域，原 子擴(kuò)散慢。因此，溫度梯度的 存在也會產(chǎn)生原子遷移。3 晶粒大小互連引線中， 鋁布線為一多晶結(jié)構(gòu)， 因?yàn)槎嗑ЫY(jié)構(gòu)的晶界多， 晶界的缺陷也 多，激活能小，多以主要通過晶界擴(kuò)散兒發(fā)生電遷移。在一些晶粒的交

3、界處，由 于金屬離子的散度不為零，會出現(xiàn)凈的質(zhì)量的虧損和堆積。在圖4.1 （a）中的A點(diǎn)，進(jìn)來的金屬離子多于出去的，所以稱為小丘堆積，在 B 點(diǎn)，因?yàn)槌鋈サ慕?屬離子多于進(jìn)來的金屬離子，所以稱為空洞。同樣，在小晶粒和大晶粒的交界處也會出現(xiàn)這種情況， 晶粒由小變大處形成 小丘，反之，則出現(xiàn)空洞，特別在整個晶粒占據(jù)整個條寬時，更容易出現(xiàn)斷條， 如圖4.1 （b）所示，所以膜中晶粒尺寸宜均勻。圖4.14介質(zhì)膜互連線上覆蓋介質(zhì)膜（鈍化層）后，不僅可以防止鋁條的意外劃傷，防止腐蝕 及離子玷污，也可提高其抗電遷移及浪涌的能力。介質(zhì)膜能提高抗電遷移的能力， 是因表面覆有介質(zhì)時降低金屬離子從體內(nèi)向表面運(yùn)動的概

4、率，抑制了表面擴(kuò)散， 也降低了晶體內(nèi)部肖特基空位濃度。另外，表面的介質(zhì)膜可作為熱沉淀使金屬條 自身產(chǎn)生的焦耳熱能從布線的雙面導(dǎo)出，降低金屬條的溫升及溫度梯度。5合金效應(yīng)鋁中摻入Cu、Si等少量雜質(zhì)時，硅在Al中溶解度低，大部分硅原子在晶粒 邊界處沉積，并且硅的原子半徑比 Al大，降低了鋁離子沿晶界的擴(kuò)散作用，能 提高Al的抗電遷移能力。電遷移的預(yù)防措施為防止電遷移失效，一般采取以下措施。1合理設(shè)計(jì)器件和集成電路（1）在鋁膜上覆蓋完整的鈍化膜。（2）關(guān)于金屬化層布線大量的失效分析表明，因金屬化層（目前一般是Al層）通過針孔和襯底短 路，并且鋁膜布線開路造成的失效不可忽視，所以必須在設(shè)計(jì)布線時采取

5、預(yù)防 措施。例如盡量減少Al條覆蓋面積,采用最短鋁條,并盡量將Al條布在厚氧化 層上以減少針孔短路的可能對于需要窄金屬條的場合，一定要增加金屬條的 厚度，減小電流密度。防止Al條開路的主要方法是盡少通過氧化層臺階，如果必須跨過臺階，則采取減少臺階高度和坡度的辦法（ 3）降低互連線中的電流密度， 引線必須有足夠的電流容量 , 為防止電遷移 現(xiàn)象發(fā)生引線必須滿足以下條件 : 正常工藝條件下形成的導(dǎo)體通常其電流密度不超過下面列出的與各種導(dǎo)體材料相對應(yīng)的最大允許值導(dǎo)體材料最大允許電流密度純鋁或鋁合金 ,（無鈍化層）252x 10 A/cm純鋁或鋁合金 ,（有鈍化層）552x 105 A/cm2金膜6x

6、 105 A/cm2其它導(dǎo)體材料2x 105 A/cm2（4）降低結(jié)溫 , 增加散熱。高頻功率管采用多基區(qū)并聯(lián)（即多有源區(qū) ） , 增大芯片面積 , 從而有利于散熱。加大發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻 , 采用輸入匹配網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)是防止熱不均勻性的良好方 法。集成電路除采用分散有源器件外 , 應(yīng)選擇合理的封裝工藝 , 以利散熱 , 降低 芯片溫度 "2 嚴(yán)格控制工藝，加強(qiáng)檢測避免金屬膜劃傷 , 采用干法工藝 , 激光劃片等。 加強(qiáng)鏡檢, 剔除劃傷金屬膜 ; 嚴(yán)格控制金屬膜厚度并進(jìn)行檢測； 保證燒結(jié)質(zhì)量 , 減少因接觸不良和壓偏造成熱 阻增加。3 改進(jìn)金屬化系統(tǒng)改進(jìn)金屬化系統(tǒng)有如下幾種途徑 :（ 1）在鋁系統(tǒng)中加人少量抗疲勞雜質(zhì) （ 硅、銅、鎳等 ） , 形成鋁合金；（2）改變晶粒大小或在鋁上加鈍化膜。（3）采用金或鋁的多層金屬化系統(tǒng)?？偨Y(jié)關(guān)于電遷移現(xiàn)象 , 必須指出以下幾點(diǎn) :（ 1）任何一種措施都不能完全消除金屬膜的電遷移現(xiàn)象 , 因?yàn)殡娮优c金屬離 子之間的相互作用總是存在的；（2）只要設(shè)