电迁移(Electromigration)知识讲解.pptxVIP

电迁移概述电迁移是一种重要的微电子失效机制,它会导致导线和金属连接层的逐渐损坏和失效。理解电迁移的原理和影响因素对于提高电子器件的可靠性很关键。AL作者：艾说捝

电迁移的定义1电迁移的概念电迁移是指在导电材料中,当受到电场作用时,金属离子沿电场方向的移动,引起材料的结构和化学组成发生改变的现象。2电迁移的驱动力电迁移的主要驱动力是电子动量传递给金属离子,导致金属离子沿电场方向迁移。这种现象会逐渐导致导线和金属连接处发生失效。3电迁移的危害电迁移是一种重要的可靠性问题,会严重影响电子设备的使用寿命和性能,因此需要深入研究电迁移的机理与影响因素。

电迁移的机理1原子扩散电流驱动下导线中的原子发生扩散移动。2电场力电流产生的电场力推动电子向前运动。3动量传递电子向前运动时将动量传递给原子。电迁移是由于电流导致的原子迁移现象。电流产生的电场力推动电子向前运动,电子又将动量传递给原子,导致原子沿着电流方向发生扩散移动。这种原子的扩散移动最终会造成金属导线的形态改变和失效。

电迁移的影响因素温度温度是电迁移的关键影响因素之一,高温会加速原子扩散,导致电迁移加速。电流密度较高的电流密度会使金属原子发生更快的移动,从而加速了电迁移过程。材料结构材料的晶粒大小、晶界分布以及缺陷密度等都会影响电迁移的发生和发展。

温度对电迁移的影响温度是影响电迁移过程的关键因素之一。随着温度的升高,原子的热运动强度增加,促进了原子在金属线内的扩散,从而加速了电迁移失效。如图所示,温度升高会导致电迁移速率指数级增加,这一规律遵循Arrhenius方程。因此,降低工作温度是预防电迁移失效的有效措施之一。

电流密度对电迁移的影响电流密度是导致电迁移的关键因素之一。当电流密度过高时,可以加剧原子的迁移,从而加速电迁移失效的进程。高电流密度会增加原子迁移的驱动力,引发空洞的形成和扩散。电流密度的升高会导致金属线路温度升高,这也会进一步加速原子迁移的过程。同时,高电流密度还会造成金属线路的自加热效应,从而影响电路的温度分布。10^4高电流密度大于10,000A/cm2的电流密度被视为高电流密度，会严重加速电迁移的失效过程。10电流密度阈值通常认为电流密度超过10A/cm2时,电迁移效应就会明显。2-3失效时间当电流密度提高2-3倍时,电迁移引起的失效时间可以缩短一个数量级。

材料对电迁移的影响材料结构材料的晶体结构、组分、缺陷和杂质等都会影响电迁移行为。结构完整、杂质少的材料通常更抗电迁移。材料特性材料的电阻率、熔点、扩散系数等物理化学特性都会影响电迁移的发生和演化。低电阻率、高熔点的材料更有利于抑制电迁移。界面效应材料与周围界面的相互作用也会影响电迁移。界面质量好、附着力强的材料更能抵抗电迁移。

电迁移失效模式空洞形成电迁移可导致金属互连中原子的移动,在特定位置形成空洞,致使导线断裂并引起电路故障。突起形成受到电场和热量的驱动,金属原子可聚积形成突起,引起短路或机械应力破坏。挤出现象电迁移还可能导致金属原子从表面挤出,形成金属胡须,增加短路风险。

电迁移失效的特征失效表现电迁移失效通常表现为导线或金属走线断裂、短路或电阻突增等。这些异常现象会导致电路功能失常、性能下降甚至整个集成电路损坏。失效位置电迁移失效通常发生在金属走线的窄窄部位或孔隙连接处等应力集中区域。这些局部区域的应力和电流密度较高,易发生故障。失效形态电迁移失效会造成金属材料的局部溶解形成空洞,或在另一区域沉积形成金属丘。这些形态影响电路的连通性和阻抗特性。失效时间电迁移失效通常是一个持续的过程,从潜伏期到最终失效会经历数月甚至数年。失效时间与使用条件如电流密度和温度等密切相关。

电迁移失效的检测方法1电阻测试通过检测电路中的电阻变化来判断是否发生电迁移失效2光学显微镜检测利用光学显微镜观察导线表面形貌变化来识别电迁移失效3扫描电子显微镜检测采用扫描电子显微镜进行高分辨率的微观形貌分析4X射线探测使用X射线技术检测导线内部物质的迁移变化5电流噪声检测通过分析电路中的电流噪声特征来识别电迁移失效电迁移失效的检测是一个复杂的过程,需要采用多种检测手段综合分析才能准确判断失效的根源。这些方法包括电阻测试、光学显微镜检测、扫描电子显微镜检测、X射线探测以及电流噪声检测等。通过这些检测手段可以全面了解导线的微观形貌变化和内部物质迁移情况,从而确定电迁移失效的发生机理。

电迁移失效的预防措施工艺优化通过优化制造工艺,如控制金属沉积厚度和晶粒大小,可以有效降低电迁移失效的发生概率。温度控制采取降温措施,如增加散热器和风扇,能够有效减少电迁移失效的发生。材料选择选用抗电迁移性能更强的金属材料,如铜和钨,可降低电迁移失效的风险。

电迁移失效的修复方法检测及定位首先需要采用可靠的检测方法,准确定位电迁移失效的位置。局部修复针