集成电路互连引线电迁移研究分析

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1、...页眉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：Withthedevelopmentoflarge-scaleintegratedcircuits，thereliabilitycausedbyelectromigrationbec

2、omesakeyissue.Thefundamentalofelectromigrationisintroduced.Therecentprogressinresearchonelectromigrationisoverviewed.Theresultsshowthatthesize,shapeandmicrostructureofinterconnectmetalliclineplayanimportantroleintheprocessofelectromigration.Alsothetemperature,currentdensity,st

3、ressgradientandalloyelementshavestronglyeffectsonMTF(meantimetofailure)ofelectromigration.Finally,theimminentissuesofelectromigrationhavebeenpresented.关键词：大规模集成电路；电迁移；互连引线Keywords:large-scaleintegratedcircuits；electromigration(EM)；interconnectmetallicline1、引言：集成电路芯片内部采用金属薄膜引线来

4、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——ElectronicMigration——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

5、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。....页脚..

6、.页眉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（Forceofelectronicmigration）可表示为：Fem=Fwd+Fei=Z*eρj(1)Z*=Zwd+Zei(2)式中：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

7、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）。....页脚...页眉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：DcKTJ=－Ftotal

8、(3)式中：D为扩散系数；c为空位浓度；T为绝对温度；k为玻耳兹曼常数；Ftotal为电迁移驱动力合力。电迁移使得：引线内