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      隨著集成電路的芯片尺寸越來(lái)越小，集成度越來(lái)越高，電遷移現(xiàn)象成為影響集成電路互連引線及焊點(diǎn)可靠性主要問(wèn)題之一。

 

一、什么是電遷移？

 

      電遷移是指在電場(chǎng)作用下使金屬離子發(fā)生遷移的現(xiàn)象。在失效物理中，我們通常所說(shuō)的電遷移現(xiàn)象是指當(dāng)器件工作時(shí)，金屬互連線內(nèi)有一定電流通過(guò)，金屬離子會(huì)沿導(dǎo)體產(chǎn)生質(zhì)量的輸運(yùn)，其結(jié)果會(huì)使導(dǎo)體的某些部位產(chǎn)生空洞或晶須(小丘)，這就是電遷移現(xiàn)象。

 

 

 圖1.電遷移示意圖

 

      電遷移現(xiàn)象發(fā)生的主要原因與通過(guò)金屬互連線或焊點(diǎn)電流密度有關(guān)，電流密度越大，越容易導(dǎo)致電遷移。此外溫度、導(dǎo)體材料、導(dǎo)體形狀和應(yīng)力梯度等因素也會(huì)影響電遷移效應(yīng)。

 

二、電遷移現(xiàn)象的機(jī)理

 

      電遷移是由金屬離子的擴(kuò)散引起的。當(dāng)不存在外電場(chǎng)時(shí)，金屬離子可以在晶格內(nèi)通過(guò)空位而變換位置，這種金屬離子運(yùn)動(dòng)稱為自擴(kuò)散。任一鄰近空位的離子有相同的概率與該空位進(jìn)行位置交換，所以自擴(kuò)散并不產(chǎn)生質(zhì)量輸運(yùn)。

 

      在外電場(chǎng)存在時(shí)，它有三種擴(kuò)散形式：表面擴(kuò)散、晶格擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散。不同的金屬材料所涉及的擴(kuò)散形式不同。例如，焊點(diǎn)中的擴(kuò)散主要是晶格擴(kuò)散；鋁互連線的擴(kuò)散主要是晶界擴(kuò)散；而銅互連線的擴(kuò)散主要是表面擴(kuò)散。

 

      在外電場(chǎng)作用下，擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力為 “電子風(fēng)”。電子風(fēng)是導(dǎo)電載流子和金屬離子間相互碰撞產(chǎn)生動(dòng)量交換而使金屬離子產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力。(ps ：小編翻譯電子風(fēng)其實(shí)就是導(dǎo)電載流子和金屬離子間存在摩擦力，導(dǎo)流載流子運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)著金屬離子一起運(yùn)動(dòng)）。

 

 

圖2.電子風(fēng)示意圖

 

三、電遷移引起的失效模式

 

1. 短路

 

      電遷移產(chǎn)生的晶須或小丘造成互聯(lián)引線或相鄰焊點(diǎn)間的短路。

 

 

圖3.電遷移導(dǎo)致互連線短路

 

2. 斷路

 

      電遷移引起的互連引線或焊點(diǎn)的中金屬原子的空洞，當(dāng)金屬原子的虧空到達(dá)一定程度，造成斷路現(xiàn)象發(fā)生。

 

 

圖4.電遷移導(dǎo)致互連線短路

 

 

圖5.電遷移造成焊點(diǎn)開(kāi)裂

 

3.參數(shù)退化

 

      電遷移會(huì)導(dǎo)致器件的穩(wěn)定性，如會(huì)使漏電流增大等。

 

四、控制措施與手段

 

1. 材料的選擇

 

      不同金屬材料的電遷移程度不同。研究表明，鋁由于熔點(diǎn)較低和擴(kuò)散系數(shù)較高，抗電遷移能力較差。隨著電路密度不斷提高，集成電路中的金屬鋁連線將越來(lái)越細(xì)，所承受的電流密度也越來(lái)越大。

 

      因此，采用單質(zhì)鋁導(dǎo)線已經(jīng)不能滿足高電流密度的要求。在鋁中添加少量的銅、鎂、硅和鈦等溶質(zhì)元素后，其引線的抗電遷移性能得到很大改善。集成電路中可用鋁銅合金作互連引線材料。但由于鋁銅合金具有高的阻容遲滯，所以在特大規(guī)模集成電路中，銅取代鋁銅合金成為一種更好的選擇。

 

2.熱設(shè)計(jì)

 

      電子遷移不是單獨(dú)發(fā)生的，它同時(shí)受熱、溫度梯度及應(yīng)力場(chǎng)等的激活而對(duì)擴(kuò)散產(chǎn)生影響。因此，產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)也是控制電遷移效應(yīng)的措施之一。

 

3.設(shè)計(jì)工藝

 

      轉(zhuǎn)角、臺(tái)階和接觸孔的存在都會(huì)加大局部應(yīng)力梯度從而加速電遷移現(xiàn)象的發(fā)生。

 

4.工藝過(guò)程

 

      此外，還應(yīng)考慮氣流方面的影響。例如，由再流焊接形成的反應(yīng)層，也受電子遷移的影響。

 

五、結(jié)束語(yǔ)

 

      電子遷移之所以成為問(wèn)題，是隨著集成電路高集成化和細(xì)間距化的進(jìn)展而日益突顯的。此外隨著倒裝芯片的發(fā)展，焊點(diǎn)或凸點(diǎn)直徑持續(xù)減小，承載的電流不斷增加，所以電遷移已經(jīng)成為倒裝互連焊點(diǎn)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。因此電遷移問(wèn)題非常值得我們重視與關(guān)注。