電遷移的影響因素及預(yù)防

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1、電遷移的影響因素1布線形狀及結(jié)構(gòu)的影響連引線的幾何尺寸和形狀，互連引線內(nèi)部的晶粒結(jié)構(gòu)、晶粒取向等對(duì)電遷移有重要的影響。從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)看，金屬條是由許多含有結(jié)構(gòu)缺陷的體積元串聯(lián)而成的，則薄膜的壽命將由結(jié)構(gòu)缺陷最嚴(yán)重的體積元決定。（1）若單位長(zhǎng)度的缺陷數(shù)目是常數(shù)，隨著膜長(zhǎng)的增加，總?cè)毕輸?shù)也增加，所以膜的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，壽命越短。（2）當(dāng)線寬比材料晶粒尺寸大時(shí)，線寬越大，引起橫向斷條的空洞所需的時(shí)間越長(zhǎng)，壽命越長(zhǎng)；當(dāng)線寬降到與金屬粒徑相近或更小時(shí)，斷面為一個(gè)單個(gè)晶粒，金屬離子沿晶粒界面擴(kuò)散減少，壽命也會(huì)延長(zhǎng)。（3）在臺(tái)階處，由于布線形成過(guò)程中臺(tái)階覆蓋性不好，厚度降低，電流密度在此處增加，容易產(chǎn)生斷條。2熱效應(yīng)

2、金屬膜的穩(wěn)定及溫度梯度對(duì)電遷移壽命的影響極大，溫度通過(guò)影響互連引線中的原子擴(kuò)散而對(duì)電遷移過(guò)程產(chǎn)生影響?；ミB引線中原子的擴(kuò)散系數(shù)D與溫度呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)溫度升高時(shí)，原子的擴(kuò)散速度加快，導(dǎo)致電遷移現(xiàn)象按指數(shù)變化規(guī)律向著失效方向發(fā)展。如果互連引線上存在溫度梯度，溫度梯度使得互連引線上存在擴(kuò)散系數(shù)D的差異。溫度高的區(qū)域，原子擴(kuò)散快；溫度低的區(qū)域，原子擴(kuò)散慢。因此，溫度梯度的存在也會(huì)產(chǎn)生原子遷移。3晶粒大小互連引線中，鋁布線為一多晶結(jié)構(gòu)，因?yàn)槎嗑ЫY(jié)構(gòu)的晶界多，晶界的缺陷也多，激活能小，多以主要通過(guò)晶界擴(kuò)散兒發(fā)生電遷移。在一些晶粒的交界處，由于金屬離子的散度不為零，會(huì)出現(xiàn)凈的質(zhì)量的虧損和堆積。在圖4.1（a

3、）中的A點(diǎn)，進(jìn)來(lái)的金屬離子多于出去的，所以稱為小丘堆積，在B點(diǎn)，因?yàn)槌鋈サ慕饘匐x子多于進(jìn)來(lái)的金屬離子，所以稱為空洞。同樣，在小晶粒和大晶粒的交界處也會(huì)出現(xiàn)這種情況，晶粒由小變大處形成小丘，反之，則出現(xiàn)空洞，特別在整個(gè)晶粒占據(jù)整個(gè)條寬時(shí)，更容易出現(xiàn)斷條，如圖4.1（b）所示，所以膜中晶粒尺寸宜均勻。圖4.14介質(zhì)膜互連線上覆蓋介質(zhì)膜(鈍化層)后，不僅可以防止鋁條的意外劃傷，防止腐蝕及離子玷污，也可提高其抗電遷移及浪涌的能力。介質(zhì)膜能提高抗電遷移的能力，是因表面覆有介質(zhì)時(shí)降低金屬離子從體內(nèi)向表面運(yùn)動(dòng)的概率，抑制了表面擴(kuò)散，也降低了晶體內(nèi)部肖特基空位濃度。另外，表面的介質(zhì)膜可作為熱沉淀使金屬條自身產(chǎn)

4、生的焦耳熱能從布線的雙面導(dǎo)出，降低金屬條的溫升及溫度梯度。5合金效應(yīng)鋁中摻入Cu、Si等少量雜質(zhì)時(shí)，硅在Al中溶解度低，大部分硅原子在晶粒邊界處沉積，并且硅的原子半徑比Al大，降低了鋁離子沿晶界的擴(kuò)散作用，能提高Al的抗電遷移能力。電遷移的預(yù)防措施為防止電遷移失效，一般采取以下措施。1合理設(shè)計(jì)器件和集成電路（1）在鋁膜上覆蓋完整的鈍化膜。（2）關(guān)于金屬化層布線大量的失效分析表明,因金屬化層(目前一般是Al層)通過(guò)針孔和襯底短路,并且鋁膜布線開(kāi)路造成的失效不可忽視,所以必須在設(shè)計(jì)布線時(shí)采取預(yù)防措施。例如盡量減少Al條覆蓋面積,采用最短鋁條,并盡量將Al條布在厚氧化層上以減少針孔短路的可能對(duì)于需要

5、窄金屬條的場(chǎng)合,一定要增加金屬條的厚度,減小電流密度。防止Al條開(kāi)路的主要方法是盡少通過(guò)氧化層臺(tái)階，如果必須跨過(guò)臺(tái)階,則采取減少臺(tái)階高度和坡度的辦法。（3）降低互連線中的電流密度，引線必須有足夠的電流容量,為防止電遷移現(xiàn)象發(fā)生引線必須滿足以下條件:正常工藝條件下形成的導(dǎo)體通常其電流密度不超過(guò)下面列出的與各種導(dǎo)體材料相對(duì)應(yīng)的最大允許值導(dǎo)體材料最大允許電流密度純鋁或鋁合金,（無(wú)鈍化層）2×105A/cm2純鋁或鋁合金,（有鈍化層）5×105A/cm2金膜6×105A/cm2其它導(dǎo)體材料2×105A/cm2（4）降低結(jié)溫,增加散熱。高頻功率管采用多基區(qū)并聯(lián)(即多有源區(qū)),增大芯片面積,從而有利于散熱

6、。加大發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻,采用輸入匹配網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)是防止熱不均勻性的良好方法。集成電路除采用分散有源器件外,應(yīng)選擇合理的封裝工藝,以利散熱,降低芯片溫度"2嚴(yán)格控制工藝，加強(qiáng)檢測(cè)避免金屬膜劃傷,采用干法工藝,激光劃片等。加強(qiáng)鏡檢,剔除劃傷金屬膜;嚴(yán)格控制金屬膜厚度并進(jìn)行檢測(cè)；保證燒結(jié)質(zhì)量,減少因接觸不良和壓偏造成熱阻增加。3改進(jìn)金屬化系統(tǒng)改進(jìn)金屬化系統(tǒng)有如下幾種途徑:（1）在鋁系統(tǒng)中加人少量抗疲勞雜質(zhì)(硅、銅、鎳等),形成鋁合金；（2）改變晶粒大小或在鋁上加鈍化膜。（3）采用金或鋁的多層金屬化系統(tǒng)?？偨Y(jié)關(guān)于電遷移現(xiàn)象,必須指出以下幾點(diǎn):（1）任何一種措施都不能完全消除金屬膜的電遷移現(xiàn)象,因?yàn)殡娮优c金

7、屬離子之間的相互作用總是存在的；（2）只要設(shè)計(jì)上、工藝上充分注意,金屬膜的電遷移可以限制在許可的范圍內(nèi)；（3）無(wú)論是采用鋁合金還是金的多層金屬膜,抗電遷移能力可大大提高，但究竟要采用何種金屬化系統(tǒng),要結(jié)合具體器件和工藝條件而定。