器件可靠性之電遷移

摩爾定律的發展，使IC整合度大幅提高，效能也得到了極大的改善。但整合度的提高和尺寸的縮小導致了器件內部電場和器件電流密度的不斷增加，使得短溝道效應、熱載流子效應、負偏壓溫度不穩定性和介質經時擊穿等問題日趨嚴重。接下來我們就分別對EM（電遷移）、TDDB（超薄柵氧化層擊穿）、HCI（熱載流子效應）、NBTI（負偏置溫度不穩定性）來展開聊一聊。

本期就主要說一說電遷移。

1.

失效機理：

電遷移是金屬線在電流和溫度作用下產生的金屬遷移現象，運動中的電子和主體金屬晶格之間相互交換動量，金屬原子沿電子流方向遷移時，就會在原有位置上形成空洞，同時，在金屬原子遷移堆積形成丘狀突起。前者將引線開路或斷裂，而後者會造成光刻困難和多層佈線之間的短路。從而影響晶片的正常工作。電遷移在高電流密度和高頻率變化的連線上比較容易產生，如電源、時鐘線等。下圖即分別為Cu遷移導致的空洞（左圖）和晶須（右圖）。

2.

失效模型

電遷移是一個緩慢的失效過程，通常需要幾個月甚至幾年才能顯示出來。因此會使用加速條件（例如高溫、大電流密度）測試電遷移失效壽命，然後根據加速因子反推正常應用條件下的壽命。black方程為評估電遷移的經典模型，平均失效時間表示為：

TTF = Ao * （J – Jcrit）–n * exp（Eaa / kT）

Ao = 線寬常數，Ao包含的物理量有金屬電阻率、兩次碰撞間電子平均自由時間、電子有效散射橫截面等，涉及半導體物理相關知識，感興趣還可以再深入瞭解。

n =電流密度指數，一般取值1~3

J = 電流密度

Jcrit =在被測試的特定結構中沒有發生電遷移的電流密度

Eaa =活化能

k =玻爾茲曼常數

T =開氏溫度

３.實驗測試方法

電遷移是一種微觀現象，在電遷移不明顯的情況下，首先表現為電阻增加，透過測量互連線的電阻可以預見電遷移的發生，當電阻突然增大的時候表示電遷移已經嚴重影響了元器件的正常執行。

四探針測量法是精確測量電阻的常用方法，四根探針直線分佈於樣品表面上，在外側探針（1和4號探針）上施加恆定的直流電流，用高精度的電壓表測量中間探針（2和3號探針）的電壓。

失效判據定義為最大電阻增量百分比ΔR/ R％不超過10%，下圖為實驗中電阻與時間

t

log（對數座標表示）的關係。 在整個應力階段，電阻幾乎恆定，直到最終增加到破壞值為止。 測試結果為：Jtest = 75。82 MA / cm2，Rtest，1 = 1153Ω，TTF = 695 s

根據TTF＝695 s，如果我們按照正常使用條件和加速實驗條件推算出加速因子AF，就可以計算出正常使用條件下，器件的使用壽命。

４.避免措施

為了避免電遷移效應，可以增加連線的寬度，以保證透過連線的電流密度小於一個確定的值。另外，一些研究表明電遷移主要產生在金屬與阻擋層材料的介面處，改善金屬與阻擋層介面效能可以顯著提高互連的可靠性。主要方法有采用合金、新增金屬阻擋層和適當表面處理。