深亚微米IC设计信号的完整性（二）

《深亚微米IC设计信号的完整性（二）》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、深亚微米IC设计信号的完整性（二）在台阶处，由于布线形成过程中台阶覆盖性不好，厚度降低，J增加，易产生断条。(2)热效应由式(4-11)知，金属膜的温度及温度梯度(两端的冷端效应)对电迁移寿命的影响极大，当J>10^6A/cm^2时，焦耳热不可忽略，膜温与环境温度不能视为相同。特别当金属条的电阻率较大时影响更明显。条中载流子不仅受晶格散射，还受晶界和表面散射，其实际电阻率高于该材料体电阻率，使膜温随电流密度J增长更快。(3)晶粒大小实际的铝布线为一多晶结构，铝离子可通过晶间、晶界及表面三种方式扩散，在多晶膜中晶界多，晶界的缺陷也多，激活能小，所以主要通过晶界扩散而发生电迁移。在一些晶粒的

2、交界处，由于金属离子的散度不为零，会出现净质量的堆积和亏损。进来的金属离子多于出去的，所以成为小丘堆积，反之则成为空洞。同样，在小晶粒和大晶粒交界处也会出现这种情况，晶粒由小变大处形成小丘，反之则出现空洞，特别在整个晶粒占据整个条宽时，更容易出现断条，所以膜中晶粒尺寸宜均匀。(4)介质膜互连线上覆盖介质膜(钝化层)后，不仅可以防止铝条的意外划伤，防止腐蚀及离子玷污，也可提高其抗电迁移及电浪涌的能力。介质膜能提高电迁移的能力，是因表面覆有介质时降低金属离子从体内向表面运动的概率，抑制了表面扩散，也降低了晶体内部肖特基空位浓度。另外，表面的介质膜可作为热沉淀使金属条自身产生的焦耳热能从布线的

3、双面导出，降低金属条的温升及温度梯度。(5)合金效应铝中掺入Cu、Si等少量杂质时，硅在铝中溶解度低，大部分硅原子在晶粒边界处沉积，且硅原子半径比铝大，降低了铝离子沿晶界的扩散作用，能提高铝的抗电迁移能力。但布线进入深亚微米量级，线条很细，杂质在晶界处集积使电阻率提高，产生电流拥挤效应，这是一个新问题。(6)脉冲电流电迁移讨论中多针对电流是稳定直流的情况，实际电路中的电流可为交流或脉冲工作，此时tMTF的预计可根据电流密度的平均值J及电流密度绝对值「J」来计算。.3电迁移的失效模式电迁移有三种失效模式如下：(1)短路互连布线因电迁移而产生小丘堆积，引起相邻两条互连线短路，这在微波器件或V

4、LSI中尤为多见。铝在发射极末端堆积，可引起eb结短路。多层布线的上下层铝条间也会因电迁移发生短路等。(2)断路在金属化层跨越台阶处或有伤痕处，应力集中，电流密度大，可因电迁移而发生断开。铝条也可因受到水汽作用产生电化学腐蚀而开路。(3)参数退化电迁移还可以引起eb结击穿特性退化，电流放大系数hFE变化等。.4抗电迁移的措施　　(1)设计合理进行电路版图设计及热设计，尽可能增加条宽，降低电流密度，采用合适的金属化图形(如网络状图形比梳状结构好)，使有源器件分散。增大芯片面积，合理选择封装形式，必要时加装散热器防止热不均匀性和降低芯片温度，减小热阻，有利散热。电迁移寿命:TTF=上式中——

5、与互连线几何形状和微结构有关的常数——平均电流密度——是活化能　——Boltzmann’s常数——金属温度其中=，在稳定的热环境下上式中——芯片的基准温度——金属线由于电流流动上升的温度R——温度为时互连线电阻——互连线与衬底间的热阻上式中——芯片周围的环境温度——全功耗是芯片面积——衬底层封装的热电阻当自热增加，电迁移寿命按指数减少。(2)工艺严格控制工艺，加强镜检，减少膜损伤，增大铝晶粒尺寸，因大晶粒铝层结构的无规则性变弱，晶界扩散减少，激活能提高，中位寿命增加。蒸铝时提高芯片温度，减缓淀积速度及淀积后进行适当热处理可获得大晶粒结构，但晶粒过大会防碍光刻和键合，晶粒尺寸宜选择得当。工

6、艺中也应该使台阶处覆盖良好。(3)材料可用硅(铜)—铝合金后难熔金属硅化物代替纯铝。进一步的发展，在VLSI电路中，目前已采用铜做互联材料。此时与铝基材料作为互连线使用，其电导率不够高，抗电迁移性能差，已不适应要求。铜的导电性好，用直流偏置射频溅散方法生成薄膜，并经在氮气下450摄氏度30分钟退火可得到大晶粒结构铜的薄层，其电阻率仅为微欧厘米，激活能Ea为，几乎比铝-硅-铜的()大两倍，在同样电流密度下，寿命将比铝-硅-铜的长3～4个数量级。图4-1衬底偏置电压随退火温度和铜膜晶向变化的曲线图图4-退火前后铜膜的SEM微图(4)多层结构采用以仅为基的多层金属化层，如Pt5Si2-Ti-P

7、t-Au层，其中Pt5Si2与硅能形成良好的欧姆接触，钛是粘附层，铂是过渡层，金作导电层。对微波器件，经常采用Ni-Cr-Au及Al-Ni-Au层。当然多层金属化使工艺复杂，提高了成本。(5)覆盖介质膜由于如PSG、Al2O3或Si3N4等介质膜能抑制表面扩散，压强效应和热沉效应的综合影响，延长铝条的中位寿命[6]～[7]。.5本章小结　　本章主要研究了电迁移，在电路规模不断扩大，器件尺寸进一步减小时，互连线中电流密度在上升，铝条中