集成电路互连引线电迁移研究报告.docVIP

集成电路互连引线电迁移的研究 摘要： 随着大规模集成电路的不断发展，电迁移引起的集成电路可靠性问题日益显现。本文介绍了电迁移的基本理论，综述了集成电路互连引线电迁移的研究。同时指出了电迁移研究亟待解决的问题。 研究表明： 互连引线的尺寸、形状和微观组织结构 对电迁移有重要影响； 温度、电流密度、应力梯度、合金元素 及工作电流模式等也对电迁移寿命有重要影响。 Abstract： With the development of large-scale integrated circuits， the reliability caused by electromigration becomes a key issue. The fundamental of electromigration is introduced. The recent progress in research on electromigration is overviewed. The results show that the size, shape and microstructure of interconnect metallic line play an important role in the process of electromigration. Also the temperature, current density, stress gradient and alloy elements have strongly effects on MTF (mean time to failure) of electromigration. Finally, the imminent issues of electromigration have been presented. 关键词：大规模集成电路；电迁移；互连引线 Key words: large-scale integrated circuits；electromigration (EM)；interconnect metallic line 1、引言： 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。 随着集成电路芯片集成度的提高，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，这种现象就是电迁移( EM —— Electronic Migration —— electromigration )。 {linlg注：电迁移的前提条件：电流密度比较大； 就是：“金属原子——（实际是金属离子+）”向电子运动方向迁移”； 就是：金属正离子 受到 电子的 动量交换力 比 静电场 的静电力 优势。 就是：电子、金属正离子 一起 由 阴极 向 阳极 迁移。} 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，其表现为： ① 在金属互连引线中形成空洞，增加了电阻； ② 金属引线中的空洞长大，最终贯穿互连引线，使金属引线产生断路； ③ 在金属互连引线中，金属原子堆积、形成小丘（晶须），造成比邻的连线、或层间的连线短路； ④ 金属小丘（晶须）长大，穿透钝化层，产生腐蚀源。 电迁移是引起集成电路失效的一种重要机制，由此引起的集成电路可靠性问题也就成为研究热点。 研究表明，影响互连引线电迁移的因素非常复杂，包括： 工作电流聚集、焦耳热、温度梯度、晶粒结构、晶粒取向、界面组织、应力梯度、合金成分、互连尺寸及形状等。 2、基本理论 ： 2.1、原子扩散的模型： 当互连引线中通过大电流密度时，静电场力驱动电子由阴极向阳极运动。 高速运动的电子与金属原子发生动量交换，原子受到猛烈的电子冲击力，这就是电迁移理论中的电子风力，也叫动量交换力，用Fwd[1]表示。 实际上，金属原子上还受静电场力的作用，静电力用Fei表示，如图1。 两者的合力即电迁移驱动力可表示为Fwd为电子风力(动量交换力)；Fei为静电场力；Z*e为有效电荷；ρ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金属原子，使得所产生的电子风力(动量交换力)Fwd大于静电场力Fei ，即动量交换力比静电场力优势。 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（图2）。 原子的扩散主要有三种形式：晶格扩散、界面扩散 和表面扩散 [1]。 由于电迁移 使金属原子从一个晶格 自由扩散到另一个晶格的空位上，所以，通常，描述原子电迁移的数学模型采用的是空位流( J )方程：