電遷移現(xiàn)象及其失效機理

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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，這是因為鋁膜具有電阻率低、價格低廉、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。但使用中也存在著如性軟、機械強度低、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

2、方向運動的電子將會與金屬離子進行動量交換，結(jié)果使金屬離子與電子流一樣朝正極方向移動，相應(yīng)所產(chǎn)生的金屬離子空位向負極方向移動，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。電遷移失效機理電遷移現(xiàn)象是指集成電路工作時金屬線內(nèi)部有電流通過，在電流的作用下金屬離子產(chǎn)生物質(zhì)運輸?shù)默F(xiàn)象。進而導(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。當芯片集的成度越來越高后，其中金屬互連線變的更細、更窄、更薄，電遷移現(xiàn)象也就越來越嚴重。圖2.1為典型的電遷移失效結(jié)果。（a）

3、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的高溫時才發(fā)生。薄膜的材料則不然，淀積在硅襯底上的鋁條，截面積很小和很好的散熱條件，電流密度可高達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動，但自擴散只是隨機的引起原子的重新排列，只有在受到外力時才可產(chǎn)生定向運動。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

4、離子產(chǎn)生運動的力，這種力叫摩擦力Fe，對于鋁膜，載流子為電子，這時電場力Fq很小，摩擦力起主要作用，粒子流與載流子運動方向相同。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*成為有效原子價數(shù)，E為電場強度，q為電子電荷。Z*的絕對值越小，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

5、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,往往工作幾百小時后因電遷移而失效；（2）壓焊點處,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"所以當電子流沿著鋁條溫度增加的方向流動時,就會出現(xiàn)鋁原子的虧空,

6、而形成宏觀的空隙。3參數(shù)退化電遷移將影響器件的性能穩(wěn)定，如引起晶體管EB結(jié)擊穿特性退化，電流放大倍數(shù)hFE變化等。