電遷移基本知識(shí)華東師范大學(xué)李旭瑞

1、電遷移原理的思考總結(jié)與擴(kuò)展姓名：李旭瑞專業(yè)：華東師范大學(xué) 微電子電遷移原理：集成電路芯片內(nèi)部采用金屬薄膜引線來(lái)傳導(dǎo)工作電流，這種傳導(dǎo)電流的金屬薄膜稱作互連引線。隨著芯片集成度的提高，互連引線變得更細(xì)、更窄、更薄，因此其中的電流密度越來(lái)越大。在較高的電流密度作用下， 互連引線中的金屬原子將會(huì)沿著電子運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行遷移，其結(jié)果會(huì)使導(dǎo)體的某些部位產(chǎn)生空洞或晶須，這種現(xiàn)象就是電遷移。 它是引起集成電路失效的一種重要機(jī)制。電遷移失效機(jī)理產(chǎn)生電遷移失效的內(nèi)因：薄膜導(dǎo)體內(nèi)結(jié)構(gòu)的非均勻性外因：電流密度從缺陷產(chǎn)生和積累得角度 ，我們可以這樣解釋電遷移的失效機(jī)理，即在電遷移過(guò)程中， 在子風(fēng)和應(yīng)力的作用下，互連線中的

2、某些薄弱部位產(chǎn)生了缺陷；缺陷的產(chǎn)生，重新改變了互連線中電流的分布，進(jìn)而也會(huì)影響熱分布；這兩個(gè)過(guò)程相互作用，決定了缺陷在哪些薄弱部位產(chǎn)生;隨著時(shí)間的增加，缺陷不斷積累，相鄰較近的缺陷融合成一個(gè)大缺陷；當(dāng)產(chǎn)生的缺陷足夠大，在垂直電流的方向上占有足夠的面積，互連線的電阻就會(huì)顯著增加；最后當(dāng)形成的缺陷橫跨整個(gè)互連線橫截面，互連線斷路在圖2.4中，我們考慮金屬原子 A,它的周圍有十二個(gè)相鄰的晶格位置，其中之一被空位V占據(jù)，其余被其他金屬原子占據(jù)。在無(wú)電流應(yīng)力條件下，由于熱運(yùn)動(dòng)，原子 A向其附近任何一個(gè)方向移動(dòng)的概率是相等的；若在“電子風(fēng)”吹動(dòng)的情況下，很明顯原子 A向電子風(fēng)方向移動(dòng)概率大大增加。假設(shè)A要

3、與人原子發(fā)生交換,A往幾方向移動(dòng)，空位移動(dòng)一其過(guò)程也只能是通過(guò)原子與空位的交換，即人移到空位位置，A移到人位置，空位移到原的 位置，可見(jiàn)，空位移動(dòng)一步之前移動(dòng)了兩個(gè)原子。同理，若難易程度也不同。步須移動(dòng)三個(gè)原子。所以，同等電子風(fēng)力條件下，金屬原子移動(dòng)方向不同,圖2A金屬原子與其近陰的十一個(gè)底子和一個(gè)空©從電流密度角度，我們可以這樣解釋電遷移的失效機(jī)理在金屬里作用了兩種對(duì)立的力。這些力被稱為“直接力”和“電子風(fēng)” 力。直接力是一種在另一方面，關(guān)于“電電場(chǎng)的作用下，由激活的金屬正離子沿電子流相反方向流動(dòng)產(chǎn)生的力。子風(fēng)”力是金屬離子在電子流方向因電子與離子的動(dòng)量交換而形成的力。電子風(fēng)力”和

4、“靜電場(chǎng)力”在實(shí)踐中，互連結(jié)構(gòu)電遷移的可靠性評(píng)估使用了簡(jiǎn)單的方程。七二十乙"Eepi = 2E的合力給定為., , 式中，F(xiàn)p為電子風(fēng)力；Fe為場(chǎng)力；Z*e為有效電荷；p為電阻率；j為電流密度；Zwd為電子風(fēng)力有效電荷常數(shù)；Zei為靜電場(chǎng)力有效電荷常數(shù)。當(dāng)互連引線中的電流密度較高時(shí)，向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的大量電子碰撞原子，使得所產(chǎn)生的電子風(fēng)力,Fp大于靜電場(chǎng)力Fe,因此，金屬原子受到電子風(fēng)力的驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生了從陰極向陽(yáng)極的受迫的定向擴(kuò)散，即發(fā)生了金屬原子的電遷移。所以，通常描述原子電由于電遷移使金屬原子從一個(gè)晶格自由擴(kuò)散到另一個(gè)晶格的空位上,J遷移的數(shù)學(xué)模型采用的是空位流(J)方程N(yùn)D °

5、;exp( Q"KT )qz *fKT下面對(duì)上面的方程進(jìn)行一下推導(dǎo)：電遷移的離子流密度為J = NV式中， V = 葉這里，N為粒子流密度，V為離子運(yùn)動(dòng)速度 3為離子遷移率，F(xiàn)為作用在離子上的力F = Fq+Fe = q ( Z-Z ') E = qZ*E;Z*相當(dāng)式中，F(xiàn)q為電場(chǎng)力，F(xiàn)e為載流子(電子)與金屬離子間動(dòng)量交換產(chǎn)生的摩擦力于有效的原子價(jià)數(shù)，Z*q稱為有效電荷。E = pjF = q Z* pj式中，j為電子流密度，p為電阻率。 則 J = N妤=N兇Z* pj:遷移率二與r自獷散系數(shù)U沙左丁）式中，D0為擴(kuò)散常數(shù)，Qb為擴(kuò)散激活能，f為取決于晶格類型的修正因子。

6、, ND 0 exp（ Q b / KT ）*J qZ j電遷移離子流方程為fKT（1）各種金屬的有效原子價(jià)數(shù)z*金屬 名稱即Zr1ptCowLi8CuAuAgAlX*0+ 0.3+ L.BJ+ 20i.4±0.20 . 153.2s-e-26301 IC常用的金屬Al和Au,其Z*<0 ,說(shuō)明“電子風(fēng)”力使離子向正電極移動(dòng)；2 |弓|巾/ Au膜抗電遷移能力大大優(yōu)于Al膜；3 %:一就說(shuō)明Al抗電遷移能力較差；4 W、 Pt、 Co等Z*> 0,說(shuō)明“電子風(fēng)”導(dǎo)致金屬離子向負(fù)電極方向移動(dòng);5 , Pt、 Co的Z*很小，抗電遷移能力很強(qiáng)。電遷移平均失效時(shí)間MTF ( M

7、edian time to failureMTF 一 反映器件表面金屬化抗電遷移的能力?嚴(yán)格地講，應(yīng)譯成“中值失效前時(shí)間”，簡(jiǎn)稱t50。?T50是指一組同樣的金屬薄膜，在同樣的測(cè)試或工作條件下，使 50 %金屬薄膜失效所需要的時(shí)間。?失效的判據(jù)為薄膜電阻增大100%。為了推斷電遷移失效時(shí)間，Black給出了加速試驗(yàn)條件直流模型下描述電遷移失效中值時(shí)間的經(jīng)典公式廣式中T50為50%試樣失效的統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間，A為與導(dǎo)電材料密度、電阻率、晶粒大小、晶粒尺寸的分布、離子質(zhì)量幾何尺寸等有關(guān)的因子，j為電流密度（A/cmZ）,月為電流密度指數(shù)（通常為2 3）, E二為激活能（通常為0.5 0.seV（電子伏

8、），T為絕對(duì)溫度,k為玻耳茲曼常數(shù)8.62x10 一，（e歹7K）。A與E。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。下面再對(duì)電訐移失效時(shí)間方程進(jìn)行一下推導(dǎo)：MTF hBlack證明，MTF正比于導(dǎo)體的橫截面積，所以7,7（2）式（1）中，N、Do、f、Z*和p等參數(shù)均與金屬薄膜微結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)，與結(jié)構(gòu)有關(guān)的項(xiàng)J=久維 QQM KT）用B表不，則（1）式可表本為？若認(rèn)為Qb為常數(shù)，則BjQbexp()T KT（言TQb般認(rèn)為k1 Q bTQ b 0.5 ev , T 300 k時(shí)，20T ，例如KT段1即KTB QbJ J (2 T )則B KT(3)mt尸找72£門設(shè)。f e帶入(2)式，則嚴(yán)日2大電流工作

9、時(shí)Vf很大，而可忽略,由（3）式得0/=誓就頊即 /Li代入式（2）則Eh需.Q®VFxjJ(5)式中，C'為與金屬薄膜結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散激活能有關(guān)的常數(shù)。綜合（4） （5）兩式得-（1）電遷移失效由材料結(jié)構(gòu)梯度引起時(shí)>MFF w （2）電遷移失效由溫度梯度引起時(shí),叮,噂（0燈）綜合上述二式，并忽略指數(shù)前的溫度項(xiàng)，則中這個(gè)就是刖面提到的Black公式這里，n=1 ,對(duì)應(yīng)于小電流密度時(shí)的情況；n = 3,對(duì)應(yīng)于大電流密度時(shí)的情況。C為與薄膜結(jié)構(gòu)梯度、薄膜襯底及覆蓋層性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。由Black公式可總結(jié)得到以下幾點(diǎn)：1 .MTTF與電流密度哥次方成反比，與溫度倒數(shù)成指數(shù)關(guān)系，所以

10、電遷移與 j、T較敏感；2 .在j、T 一定時(shí)，提高激活能 E。，增加A,可使MTTF提高；3 .材料不同，擴(kuò)散方式則不同，激活能也就不同。激活能大的，MTTF大；壽命與溫度、電流密度的關(guān)系如圖2 4所示79LcIrttfir*B_it -汽, -一而52 1 w 與命，浮度的芝.系,E: vvur*tfIO1® 附 由 jifb)壽曲與曬流曲夜的龍米根據(jù)以上討論，我總結(jié)出提高金屬薄膜抗電遷移能力，有以下措施(1)減小電流密度；(2)降低薄膜溫度;(3)增大薄膜中離子擴(kuò)散的激活能;(4)增大薄膜的厚度和寬度；(5)降低常數(shù)Co電遷移失效的影響因素具體因素：(1) 布線形狀及結(jié)構(gòu)的影響

11、互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(duì)電遷移有重要的影響。例：長(zhǎng)度影響：在Al引線中，MTF隨著長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而下降， 直至某一臨界值，MTF 不再取決于長(zhǎng)度的變化。 其原因在于隨著 Al引線長(zhǎng)度的增加，出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷的幾率 也在增加。當(dāng)缺陷幾率為最大時(shí)，MTF達(dá)到極小值；超過(guò)臨界長(zhǎng)度值，缺陷幾率不會(huì)再增加。厚度影響：引線厚度減小，表面積增加，使得表面擴(kuò)散增加，造成 MTF下降;另外，薄引線散熱能力提高，焦耳熱效應(yīng)降低，又有助于MTF的提高寬度影響：線寬愈大，引起橫向斷條的空洞形成時(shí)間愈長(zhǎng)，壽命增長(zhǎng)(2) 熱效應(yīng)由Black公式可知： 電遷移對(duì)MTF有重要影響。溫度通過(guò)影響互

12、連引線中的原子擴(kuò)散而對(duì)電遷移過(guò)程產(chǎn)D=£)eEP(-E ZkT)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)系口 當(dāng)溫度升高時(shí)，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(huì)產(chǎn)生原子遷移。(3) 晶粒大小圖5的互連引線中，晶粒尺寸不均勻，從左到右晶粒尺寸逐漸減小，存在晶粒尺寸大小差異。左邊的晶界少，右邊的晶界多，右邊有更多的晶界參加了原子遷移的過(guò)程。因此，當(dāng)電子流從左邊流向右邊時(shí)，空洞在大晶粒與小晶粒交界處產(chǎn)生。

13、晶界上發(fā)生原子遷移從而形成空洞的過(guò)程，可以用“三叉點(diǎn)”模型來(lái)描述(圖6)。“三叉點(diǎn)”國(guó)5 WdK 3時(shí)引線的微掘結(jié)構(gòu)發(fā)生在三個(gè)晶粒交界處的晶界上，此時(shí)電子風(fēng)推動(dòng)原子從一條邊界流入，從另外兩條邊界流出。這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生了空位流增量(DJ),造成了質(zhì)量的流失，形成了空洞。當(dāng)電流反向流動(dòng)時(shí)，就產(chǎn)生了質(zhì)量堆積，形成小丘。因此， “三叉點(diǎn)”數(shù)量的減少使引線發(fā)生電遷移的可能性下降，從而提高了電遷移壽命。(4) 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電浪涌的能力。介質(zhì)膜能提高電遷移的能力，是因表面覆有介質(zhì)時(shí)降低金屬離子從體內(nèi)向表面運(yùn)動(dòng)的概率，抑

14、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)Al-Cu合金引線的 MTF主要取決于 Cu在Al-Cu合金引線中的擴(kuò)散性21 。 Cu在Al原子晶界處的偏析和擴(kuò)散造成了 Al-Cu合金引線中的電遷移阻力的增加；Cu原子 與Al原子相比有較高的凝聚能，易在鋁的晶界處偏析22。Cu在Al原子晶界處的偏析使得Cu-Al在晶界處的Z合遠(yuǎn)比 Cu-Cu和Al-Al的結(jié)合要牢固得多，這意味著Cu加固了 Al原子的晶界，從而抑制了 Al原子的晶界擴(kuò)散。另外， Cu在Al中的溶 解度很小(在

15、200 C時(shí)大約0.1wt% ),這也使得Cu更易在晶界處偏聚， 從而為質(zhì)量 遷移提供了充足的原子儲(chǔ)備。最后，易分解的Al2Cu沉淀也使得互連引線中電遷移消耗的Cu能得到及時(shí)補(bǔ)充，從而延長(zhǎng)了M T F。(6) 脈沖電流文獻(xiàn)4研究了脈沖電流條件下頻率與MTF的關(guān)系，指出當(dāng)脈沖電流頻率低于f<106Hz 時(shí),MTF是脈沖峰值模型的函數(shù)；當(dāng)脈沖電流頻率較高f>106Hz 時(shí)，MTF是平均電流密度模型的函數(shù)。頻率對(duì)電遷移壽命的影響如圖9所示。7=412 匕ER-,卜均電流密度瑯型I"4H脈沖戰(zhàn)叵粒型f.Hz圖?隨師.沖煥車的關(guān)系失效模式電遷移能使IC中的互連引線在工作過(guò)程中產(chǎn)生斷

16、路或短路，從而引起IC失效，短路斷路參數(shù)退化其具體表現(xiàn)為：在互連引線中形成空洞，增加了電阻；空洞長(zhǎng)大，最終貫穿互連引線，形成斷路；在互連引線中形成晶須，造成層間短路；晶須長(zhǎng)大穿透鈍化層，產(chǎn)生腐蝕源。抗電遷移的措施設(shè)計(jì) 合理進(jìn)行電路版圖設(shè)計(jì)及熱設(shè)計(jì)，盡可能增加條寬，降低電流密度，必要時(shí)加裝散熱器防止熱不均勻性和降低芯片溫度，減小熱阻，有利散熱。工藝 嚴(yán)格控制工藝，加強(qiáng)鏡檢，減少膜損傷，增大鋁晶粒尺寸材料 可用硅（銅）一鋁合金后難熔金屬硅化物代替純鋁。多層結(jié)構(gòu) 采用以僅為基的多層金屬化層，如 Pt5Si2-Ti-Pt-Au 層，其中Pt5Si2與硅能形成良好的歐姆接觸，鈦是粘附層，鉗是過(guò)渡層，金作導(dǎo)電層。覆蓋介質(zhì)膜由于如PSG、A12O3或Si3N4等介質(zhì)膜能抑制表面擴(kuò)散，壓強(qiáng)效應(yīng)和熱沉效 應(yīng)的綜合影響，延長(zhǎng)鋁條的中位壽命結(jié)束語(yǔ)：本節(jié)主要研究了電遷移，在電路規(guī)模不斷擴(kuò)大， 器件尺寸進(jìn)一步減小時(shí)， 互連線中電流密度在上升，鋁條中的電遷移現(xiàn)在更為嚴(yán)重， 成為VLSI中的一個(gè)主要可靠性問(wèn)題。本