电迁移(Electromigration)知识讲解.pptxVIP

电迁移(Electromigration)的基本知识电迁移是一种电子漂移现象,发生在金属导线中。了解这一基本概念对于设计稳定的电路至关重要。作者：

什么是电迁移?原子迁移现象电迁移指金属导线或薄膜中的原子在电场作用下发生的定向迁移现象。这种迁移会导致导线的断裂和薄膜的空洞形成,从而引起电路故障。材料损坏机制电迁移是一种材料损坏机制,会造成导体和薄膜材料的失效。它是导致电子设备可靠性降低的主要因素之一。应力驱动力电流在通过金属导线或薄膜时会产生电子风力,使金属原子发生定向迁移,从而导致电路失效。

电迁移的产生机制1原子移动电流流动导致金属原子运动2内部应力原子移动引起内部应力积累3微孔形成内部应力导致微孔逐步形成电迁移是由于电流在金属线内流动时,会引起金属原子在电场力和动量传递的共同作用下发生移动,从而导致原子在金属结构中逐步重新排列。这种原子的移动会在金属线内产生内部应力的积累,最终在受力过大时形成微孔缺陷,进而引发金属线的开路故障。

电迁移的驱动力原子热运动电迁移是由金属原子的热运动驱动的。热能使原子在金属晶格中产生热振动,在电场的作用下，就会形成有方向性的运动。电子动量的传递导电电子在电场中加速运动,当电子撞击金属原子时,会将部分动量传递给原子,从而使原子产生定向迁移。化学势差导电材料中,电流流经时会产生电势梯度,导致金属原子在化学势差的作用下产生定向迁移。晶界扩散晶界是金属原子迁移的优先通道,电场和热量加速了晶界扩散,从而促进了电迁移。

电迁移的主要影响因素温度温度是影响电迁移最关键的因素之一。温度升高会加速原子扩散,加剧电迁移。合理控制温度是减缓电迁移的重要措施。电流密度电流密度越高,原子扩散越快,电迁移越严重。控制电流密度是防止电迁移的关键手段之一。微结构金属薄膜的晶粒大小、晶界密度等微结构特征会显著影响电迁移行为。优化微结构是一种有效的电迁移抑制方法。材料选择选用具有较高原子迁移活化能的材料,如钨、铂等,可以有效降低电迁移风险。铜由于较低的活化能而易发生电迁移。

温度对电迁移的影响温度是影响电迁移最重要的因素之一。随着温度的升高,电迁移速率呈现指数级的增长。这是因为升高的温度会加速原子的扩散,从而加快了电迁移过程。因此在电路设计和工艺制造中,需要特别注意控制温度,以降低电迁移的风险。

电流密度对电迁移的影响电流密度是决定电迁移发生的一个关键因素。高电流密度会加速原子的迁移速度,从而加速电迁移的过程。电流密度越高,电迁移造成的损坏就越严重。1KA/cm2—电流密度阈值A/cm2正常工作电流密度A/cm2电迁移严重区域电流密度超过1000A/cm2的电流密度会显著加速电迁移,而正常工作电流密度通常在5A/cm2以下。电路设计需要控制电流密度,避免进入电迁移严重的高电流密度区域。

微结构对电迁移的影响晶粒尺寸较小的晶粒容易产生沟槽和空穴,加速电迁移过程。而较大的晶粒则能提高电迁移寿命。晶界晶界是原子迁移的优先通道,容易形成电迁移缺陷。合适的晶界结构可提高电迁移抗性。沉积结构不同的沉积工艺会形成不同的薄膜微结构,从而影响电迁移行为。优化沉积工艺对改善电迁移性能很重要。

材料选择对电迁移的影响金属选择金属材料的电子迁移系数和结构稳定性是关键因素。Cu和Al是常用金属,但其他材料如W、Ta也广泛应用。晶粒结构细小致密的晶粒结构可以增强材料抗电迁移能力。合适的热处理工艺对调整晶粒尺寸和形貌很关键。杂质含量材料中的杂质含量越低,电迁移抗性越强。杂质会形成电迁移通道,加速失效过程。多层结构在金属线内采用多层结构可以增强电迁移抗性,如Cu/Al、Cu/Mn等复合结构。

电迁移的检测方法1扫描电子显微镜(SEM)可用于观察连接层内部的微观结构变化,检测电迁移缺陷发生的位置和程度。2电阻测量可通过测量导线电阻来检测电迁移导致的电连接线尺寸缩小。3加速寿命测试在较高电流密度和温度条件下加速电迁移过程,可以预测电连接的寿命。4原子力显微镜(AFM)可以检测金属表面的微观形貌变化,用于分析电迁移导致的金属线遗迹。

电迁移的测试流程1样品制备根据测试需求,在实际芯片或特定测试结构上制备样品,确保其结构和工艺与实际应用一致。2加速测试通过提高温度和电流密度等参数,对样品进行加速电迁移实验,以缩短测试时间并获得可靠的数据。3失效分析对测试过程中出现的失效样品进行仔细分析,确定失效机理和关键影响因素,为电迁移模型构建提供依据。

电迁移模型的建立确定电迁移机制根据材料特性和工艺条件,明确电迁移的主导机制,如空穴机制、空位机制或间隙机制。建立数学模型构建描述电迁移过程的数学方程,涵盖电流密度、温度、微结构等因素的影响。参数提取与验证通过实验测试,提取模型中的关键参数,并对模型预测结果与实际情况进行对比验证。

电迁移模型的参数提取理解关键参数电迁移模型的核心