迁移失效所需时间越长 ＭＴＦ 与电流密度和温度密 式中常数 ｎ 取决于电流密度 ｊ 程的使用范围是宽度大于平均晶粒直径的引线 对
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 窄 这种传导电流的金属薄膜称作互连引线 互连引线变得更细 更 在较 因此其中的电流密度越来越大 随着芯片集成度的提高 更薄
在互连引线中形成空洞 增加了电阻 最终贯穿互连引线 产生腐蚀源 引线中形成晶须 穿透钝化层 造成层间短路
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 经多年研究发现 影响互连引线电迁移的因素 十分复杂 度 合金成分 包括工作电流聚集 晶粒取向 互连尺寸及形状等 焦耳热 温度梯 晶粒结构 界面组织 应力梯度
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． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ； ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ （ＥＭ）； ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｌｉｎｅ 产生断路或短路 长大 从而引起 Ｉ Ｃ 失效 形成断路 其表现为 空洞 在互连 晶须长大
两者的合力即电迁移驱动力可表示为 Ｆｅｍ＝Ｆｗｄ＋Ｆｅｉ＝Ｚ＊ｅｐｊ １ Ｚ＊＝Ｚｗｄ＋Ｚｅｉ ２ 式中 荷 Ｆ ｗｄ 为电子风力 Ｆ ｅｉ 为场力 Ｚ ＊ ｅ 为有效电
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ． ２９ Ｎｏ． ９
型下描述电迁移失效中值时间的经典公式 ［５］ MTF = A exp( E a / kT ) ７ jn
式中 Ａ 为与导电材料相关的常数 ｊ 为电流密度 ｎ 为电流密度指数 曼常数 切相关 Ｅ ａ 为扩散激活能 Ｍ Ｔ Ｆ 越大 ｋ 为玻耳兹 表示发生电 Ｂｌａｃｋ 方 Ｔ 为绝对温度
２．３ 互连引线中的电迁移中值失效时间 常用电迁移中值失效时间 试验条件下 ５０ ＭＴＦ 来描述电 迁移引起的失效 中值失效时间指同样的直流电流 的互连引线失效所用的时间 失 Ｂｌａｃｋ给出了直流模 效判据为引线电阻增加１００
又有助于 Ｍ Ｔ Ｆ 的提高 ［ ８ ］
对Ａｌ－Ｓｉ合金互连引线在不同转角处的电迁移研 究表明 ０．９９ ｍｍ 厚的合金受转角形状的影响远比 ０．６６ ｍｍ 厚的合金要大 厚膜引线中的电迁移失效 是由动态空洞模型产生的 ＭＴＦ 的减小与厚膜引线 中的电流密度分布引起的空洞移动和聚集密切相 关 而薄膜引线中失效是由静态空洞模型产生的 因此与转角关系不大 ［ ７ ］ 电迁移寿命取决于不能移动的空洞不断长大直至贯 穿整个截面 但是 两个厚度的试验都证明直角对电迁移寿 命有显著的影响 然而 这个理论由于没有考虑到 厚度减小引起的焦耳热的减小 因而值得今后进一 步研究证实
集成电路互连引线电迁移的研究进展
吴丰顺 ａ ， ｂ 张金松 ａ 吴懿平 ａ ， ｂ 郑宗林 ａ 王磊 ａ 谯锴 ａ
（华中科技大学ａ．塑性成形模拟及模具技术国家实验室 ｂ．微系统研究中心 武汉 ４３００７４）
摘要 随着大规模集成电路的不断发展 温度 电迁移引起的集成电路可靠性问题日益凸现 研究表明 应力梯度 本文介绍了 形状和
于竹节结构 晶粒尺寸大于引线宽度 的互连引线 则不适用
３
互连引线的电迁移研究进展
３．１ 形状及结构对 ＭＴＦ 的影响 互连引线的几何尺寸和形状 互连引线内部的 晶粒结构 晶粒取向等对电迁移有重要的影响 Ｍ Ｔ Ｆ 随着长度的增长而下降 ３．１．１ 引线长度 在 Ａ ｌ 引线中 直至某一临界值 ＭＴＦ 不再取决于长度的变化 其 原因在于随着Ａｌ引线长度的增加 出现严重缺陷的 几率也在增加 极小值 因此 当缺陷几率为最大时 Ｍ Ｔ Ｆ 达到 超过临界长度值 缺陷几率不会再增加 必须考虑临界 电迁移试
（ Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖ． ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａ． Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂ． ｏｆ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＆ Ｄｉｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； ｂ． Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ， Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）
洞和小丘会导致集成电路失效
对较长 Ａｌ 引线进行测试时
［４，６］
长度的问题
美国的 Ａ Ｓ Ｔ Ｍ 标准规定
验中 Ａｌ 引线的长度为 ８００ ｍｍ
３．１．２ 引线几何形状及引线厚度 在宽度和厚度一定的直Ａｌ引线中 电流密度是 一定的 但是 引线的形状可以改变电流密度的分 布 引起电流聚集 产生局部的空位流增量 而 引线转角处的电迁移主要是由于电流密度梯度而不 是电流聚集引起的 电流密度的不均匀分布 造成 了９０ 角处的电流密度梯度比４５ 角 ３０ 角时要 大 从而导致空位流增量也增大 电迁移现象更为 显著 ［ ７ ］ 引线厚度减小 表面积增加 另外 使得表面扩散 增加 高 造成 Ｍ Ｔ Ｆ 下降 焦耳热效应降低 薄引线散热能力提
或 J = −
Dc * Z epj + kT
２．２ 互连引线电迁移失效过程的三个重要特性 互连引线中最常见的电迁移失效是沿长度方向 的空洞失效和互连引线端部的扩散迁移失效 这两
（ｃ） 电迁移过程形成的空洞和小丘 图 ２ 金属原子电迁移示意图
种失效模式都受互连引线微观结构的影响 可以通 过改变引线的微观结构来控制失效进程 以下为互
二 Ｏ Ｏ 四年九月
16
半导体技术第 ２ ９ 卷第 ９ 期
万方数据
连引线中电迁移失效过程的三个重要特性［２］ ２．２．１ 冶金学统计特性 冶金学统计特性指的是互连引线中金属的微观 结构参数 如晶粒尺寸分布 晶界取向偏差和晶界 与电子风方向的夹角等 因为这些参量的随机性 冶金学参数只能进行统计学描述 ［２］ 由于互连引线 内部存在的如晶界取向偏差 晶界弯曲 晶粒尺寸 偏差 空位以及位错等微观结构差异 产生了不同 迁移速率的原子流 当某一微区流入的原子与流出 的原子总数不相等时 形成空洞或原子聚集的 ２．２．２ 热加速特性 互连引线电迁移失效前可能存在均匀的温度分 布 电迁移产生的局部缺陷使得引线的导电面积减 小 电流密度增加 形成电流聚集 电流聚集引 因此 产 起了焦耳热效应 使引线局部温度升高 并产生温 度梯度 由于原子的扩散与温度相关 加速电迁移现象 ［３，４］ 生了热应力 热应力梯度与电迁移方向相同 加大 电迁移驱动力 ２．２．３ 自愈效应 电迁移是一个动态过程 其产生的原子定向迁 移使得互连线中出现由阳极指向阴极的浓度梯度 即出现质量的重新分布 在浓度梯度的驱动下 原 子会出现回流 原子的回流一方面降低了电迁移的 速率 另一方面部分修复了电迁移产生的缺陷 就会产生微区的质量变化 小丘 电迁移诱发的空 引起可靠性问题
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）
基金项目
电迁移能使 ＩＣ 中的互连引线在工作过程中
国家 ８ ６ ３ 计划重点项目 ＲＧＣ 联合资助项目 ２００２ＡＡ４０４１１０ ６０３１８００２
中港自然科学基金委 ＮＳＦＣ ｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｉｎ ＩＣ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｌｉｎｅ
ＷＵ Ｆｅｎｇ－ｓｈｕｎａ，ｂ ， ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｇ－ｓｏｎｇａ， ＷＵ Ｙｉ－ｐｉｎｇａ，ｂ， ＺＨＥＮＧ Ｚｏｎｇ－ｌｉｎａ， ＷＡＮＧ Ｌｅｉ１ ， ＱＩＡＯ Ｋａｉ１ａ
金属原子上还受静电场力Ｆ ｅｉ 的作用， 如图１所示
式中 度 力
D 为扩散系数
ｃ 为空位浓度
Ｔ 为绝对温
ｋ 为玻耳兹曼常数
Ｆ ｔｏｔａｌ 为电迁移驱动力合
电迁移使得引线内部产生空洞和原子聚集 在 空洞聚集处是拉应力区 区
图 １ 电迁移作用力的示意图
在原子聚集处是压应力
因此
应力梯度方向由阳极指向阴极（图 ３）
为了松弛应力
重新回到平衡态
原子在压
应力的作用下 沿应力梯度方向形成回流 应力梯 度引起的原子回流与电迁移的运动方向正好相反 阻碍了电迁移的进行 原子回流驱动力方程为
Fbm = −Ω ∂σ ４ ∂x
式中
Ω 为原子体积
图 ３ 电迁移产生的应力梯度
ρ 为电阻率
ｊ 为电流密度
Ｚ ｗｄ 为电子风力有
效电荷常数
Ｚ ｅｉ 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 的大量电子碰撞原子 使得所产生的电子风力 Ｆｗｄ 大于静电场力 Ｆｅｉ 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
电迁移的基本理论 移寿命有重要影响 关键词
综述了集成电路互连引线电迁移的研究进展 电流密度 互连引线 同时指出了电迁移研究亟待解决的问题 电迁移