Électromigration

L'électromigration est le transport du matériel provoqué par le mouvement progressif des ions dans un conducteur dû au transfert de moment entre les électrons de conduite et répandre des atomes en métal. L'effet est important dans les applications où des densités à courant continu élevées sont employées, comme dans la microélectronique et les structures connexes. À mesure que la taille de structure dans l'électronique tel que des diminutions des circuits intégrés (IC) de , la signification pratique de cet effet augmente.

Histoire

Le phénomène de l'électromigration a été connu pendant plus de 100 années, après avoir été découvert par le scientifique français Gerardin. La matière est devenue la première fois d'intérêt pratique en 1966 où les premiers circuits intégrés sont devenus disponibles dans le commerce. La recherche dans ce domaine a été frayée un chemin par le James R. noir, de qui placent la base pour toute la recherche dans ce secteur et du nom de qui l'équation du noir est baptisée. Lorsque le métal relie ensemble dans les IC étaient toujours environ 10 micromètres au loin. Relie ensemble actuellement sont seulement des centaines ou des dizaines de nanomètres dans la largeur rendant la recherche dans l'électromigration de plus en plus importante.

Implications pratiques de l'électromigration

L'électromigration diminue la fiabilité des IC. Dans le pire des cas elle mène à la perte certaine d'un ou plusieurs raccordements et échec intermittent du circuit entier. Puisque la fiabilité de relie ensemble est non seulement de grand intérêt pour le champ du voyage dans l'espace et pour les objectifs militaires mais également avec des applications civiles comme par exemple le circuit de freinage non blocable des voitures, le élevé technologique et les valeurs économiques du sont attachés à cet effet.

En raison de la durée relativement haute de relie ensemble et le cycle de vie du produit court de la plupart de consommateur IC, elle n'est pas pratique pour caractériser l'électromigration d'un produit dans de vraies conditions de fonctionnement. Une équation mathématique, l'équation du noir de , est utilisée généralement pour prévoir que la durée de relie ensemble dans des circuits intégrés examinés sous le " ; stress" ; , c'est chauffage externe et densité de courant accrue, et les résultats du modèle peuvent être extrapolés par à la durée prévue du dispositif dans de vraies conditions. Un tel essai est connu en tant qu'essai à hautes températures de la durée de fonctionnement (HTOL).

Bien que les dommages d'électromigration aient finalement comme conséquence l'échec de l'IC affecté, les premiers symptômes sont des problèmes intermittents, et sont tout à fait provocants pour diagnostiquer. Car une partie relie ensemble l'échouer avant d'autres, le circuit montre les erreurs apparemment aléatoires, qui peuvent être indistinguibles d'autres mécanismes d'échec (tels que des dommages d'ESD.) Dans un arrangement de laboratoire, l'échec d'électromigration est aisément reflètent avec un microscope électronique, car l'érosion d'interconnexion laisse les marqueurs visuels indicateurs sur les couches en métal de l'IC.

Avec l'augmentation de la miniaturisation la probabilité de l'échec due à l'électromigration augmente dans la VLSI et des circuits du ULSI parce que la densité de puissance et la densité de courant augmentent. Dans des processus avancés de la fabrication de semi-conducteur de , le de cuivre a remplacé l'aluminium comme matériel d'interconnexion de choix. En dépit de sa plus grande fragilité dans le processus de fabrication, le cuivre est preferred pour sa conductivité supérieure. Il est également intrinsèquement moins susceptible de l'électromigration. Cependant, l'électromigration continue à être un défi toujours présent à la fabrication de dispositif, et donc la recherche de fin de support pour le cuivre relie ensemble est continue (cependant un champ relativement nouveau.)

Une réduction de la structure (graduation) par un k de facteur augmente la densité de puissance proportionnelle au k et la densité de courant augmente par le k² par lequel la fin de support soit clairement renforcée.

Dans des appareils électroniques modernes du consommateur, les IC échouent rarement en raison des effets d'électromigration. C'est parce que les pratiques en matière appropriées de conception de semi-conducteur incorporent les effets de l'électromigration à la disposition de l'IC. Presque toute l'utilisation de maisons de conception d'IC a automatisé des outils du EDA pour vérifier et des problèmes corrects d'électromigration au disposition-niveau de transistor. Une fois fonctionné dans la marge spécifique de la température et de la tension du fabricant, un IC-dispositif correctement conçu est pour échouer d'autres causes (environnementales), telles que des dommages cumulatifs de bombardement de rayons gamma.

Néanmoins, il y a eu des cas documentés des échecs du produit de produits dus à l'électromigration. Vers la fin des années 80, une ligne le ordinateur de bureau de s de Western Digital de 'conduit l'échec répandu et prévisible souffert 12-18 mois après utilisation de champ. Using l'analyse légale des mauvaises unités retournées, les ingénieurs ont identifié des concevoir-règles inexactes dans d'un tiers le contrôleur de l'IC fournisseur. En remplaçant le mauvais composant par celui d'un fournisseur différent, WD pouvait corriger la paille, mais pas avant des dommages significatifs à la réputation de la compagnie.

Le Overclocking des processeurs, particulièrement quand employant la tension plus haut que nominale, cause l'électromigration entre leurs transistors et de manière significative raccourcit la vie des morceaux.

L'électromigration peut être une cause de dégradation dans des quelques dispositifs de semi-conducteur de puissance tel que les transistors MOSFET de puissance de de basse tension en lesquels le courant latéral traversent la métallisation de contact de source (souvent aluminium) peut atteindre les densités de courant critiques pendant les surcharges. La dégradation de la couche en aluminium cause une augmentation de résistance de sur-état, et peut par la suite mener pour accomplir l'échec.

Principes fondamentaux

Les propriétés matérielles du métal relie ensemble ont une influence forte sur la durée. Les caractéristiques sont principalement la composition de l'alliage en métal et les dimensions du conducteur. La forme du conducteur, l'orientation cristallographique des grains dans le métal, les procédures pour le dépôt de couche, le traitement thermique ou le recuit , les caractéristiques de la passivation et l'interface à d'autres matériaux affectent également la longévité du relie ensemble. Il y a également des différences graves avec le courant dépendant du temps : Le courant continu ou les différentes formes du courant alternatif causent différents effets.

Forces sur des ions dans un champ électrique

Deux l'affect des forces a ionisé les atomes dans un conducteur. Le électrostatique de force du direct F_e en conséquence du champ électrique donc ayant la même direction. La force de l'échange de l'élan avec l'autre F_p des porteurs de charge montrant vers l'écoulement des porteurs de charge. Dans le métallique F_p de conducteurs est provoqué par un soi-disant " ; wind" d'électron ; ou " ; " du vent d'ion de ;.

Le en résultant de force F_res sur un ion activé dans le champ électrique est

=F_e-F_p=q du

F_ {recherche} \ cdot Z^* \ cdot E=q \ cdot Z^* \ cdot j \ cdot \ rho

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L'électromigration se produit quand une partie de l'élan d'un électron mobile est transférée à un ion activé voisin. Ceci fait déplacer l'ion de sa position originale. Avec le temps cette force frappe un nombre significatif d'atomes loin de leurs positions originales. Une coupure ou un espace peut se développer dans le matériel de conduite, empêchant l'écoulement de l'électricité. Dans des conducteurs étroits d'interconnexion, comme ceux qui lient des transistors et d'autres composants dans des circuits intégrés, ceci est connu en tant qu'un vide ou circuit ouvert du de interne de l'échec . L'électromigration peut également faire empiler les atomes d'un conducteur vers le haut et de la dérive vers d'autres conducteurs voisins, créant un raccordement électrique fortuit connu sous le nom d'échec de hillock de ou échec (court-circuit de favori de de ). Tous les deux situations peuvent mener à un défaut de fonctionnement du circuit.

Mécanismes d'échec

Mécanismes de diffusion

Dans une structure cristalline homogène, en raison de la structure de trellis uniforme des ions en métal, il y a à peine n'importe quel transfert de moment entre les électrons de conduction et les ions en métal. Cependant, cette symétrie n'existe pas aux joints de grain et aux interfaces matérielles, et tellement ici l'élan est transféré beaucoup plus vigoureusement. Puisque les ions en métal dans ces régions sont collés plus faiblement que dans un réseau cristallin régulier, une fois que le vent d'électron a atteint une certaine force, les atomes deviennent séparés des joints de grain et sont transportés dans la direction du courant. Cette direction est également influencée par le joint de grain lui-même, parce que les atomes tendent à se déplacer le long des joints de grain.

Des procédés de diffusion provoqués par l'électromigration peuvent être divisés en diffusion de joint de grain, diffusion en bloc et diffusion de surface. Généralement la diffusion de joint de grain est le procédé principal d'électromigration en fils en aluminium, tandis que la diffusion extérieure est dominante en cuivre relie ensemble.

Effets thermiques

Dans un conducteur idéal, où des atomes sont arrangés dans une structure parfaite du trellis , les électrons se déplaçant par elle n'éprouveraient aucune collision et l'électromigration ne se produirait pas. Dans de vrais conducteurs, les défauts dans la structure de trellis et la vibration thermique aléatoire des atomes au sujet de leurs électrons de causes de positions à se heurter les atomes et le dispersent , qui est la source de résistance électrique (au moins en métaux ; voir la conduction électrique ). Normalement, la quantité d'élan donnée par les électrons relativement low- de la masse n'est pas assez pour déplacer de manière permanente les atomes. Cependant, dans des situations de haute puissance (comme avec l'aspiration courante croissante et les tailles décroissantes de fil dans des microprocesseurs modernes de VLSI , si beaucoup d'électrons bombardent les atomes avec assez de force pour devenir significatifs, ceci accélérera le processus de l'électromigration en faisant vibrer les atomes du conducteur plus loin de leurs positions idéales du trellis , augmentant la quantité de d'électron dispersant . La densité de courant élevée augmente le nombre de diffusion électronique contre les atomes du conducteur, et par conséquent la vitesse à laquelle ces atomes sont déplacés.

Dans des circuits intégrés, l'électromigration ne se produit pas en semi-conducteurs directement, mais dans le métal relie ensemble déposé sur eux (voir la fabrication de dispositif de semi-conducteur de ).

L'électromigration est aggravée par les densités à forte intensité et le chauffage de Joule de du conducteur (voir la résistance électrique ), et peut mener à l'échec certain des composants électriques. L'augmentation localisée de la densité de courant est connue comme courant de serrant .

Équilibre de concentration en atome

Une équation de gouvernement qui décrit l'évolution de concentration en atome dans tout un certain segment d'interconnexion, est l'équation conventionnelle de bilan de matière (continuité)

+ de $\ frac {\ N partiel} {\ t partiel} \ nabla \ cdot \ vec J = 0$

là où $N (\ vec X, t)$ est la concentration en atome au point avec un x= de $\ vec de coordonnées (x, y, z)$ au moment de $de temps t$ , et $J$ est tout le flux atomique à cet endroit. Tout le $atomique de flux J$ est une combinaison des flux provoqués par les différentes forces de migration d'atome. Les forces principales sont induites par le courant électrique , et par les gradients de la température, de l'effort mécanique et de la concentration. = de $\ vec J \ vec J_c + \ + de vec J_T \ vec J_ \ + de sigma \ vec J_N$ . Définir les flux mentionnés ci-dessus. $\ vec J_c = \ frac {NeZD \ rho} {} de kT \ vec j$ . Ici $e$ est la charge de l'électron , $eZ$ est la charge efficace de l'atome de migration, le $\ rho$ la résistivité du conducteur où la migration d'atome a lieu, $\ vec j$ de est la densité de courant locale, $k$ est le constant de Boltzmann de , $T$ est la température absolue . $D (\ vec X, t)$ est la diffusivité dépendante d'atome de temps et de position. $\ vec J_T = - \ frac {NDQ} {kT^2} \ nabla T$ . Nous employons le $Q$ la chaleur de la diffusion thermique. le $ici \ Omega=1/N_0$ est le volume atomique et $N_0$ est la concentration atomique initiale , le $H= (\ sigma_ {11} + \ 22} + de sigma_ {\ sigma_ {33}) /3$ est l'effort hydrostatique et le $\ sigma_ {11}, \, de sigma_ {22} \ sigma_ {33}$ sont les composants de l'effort principal. $\ vec J_N = - D \ nabla N$ .

Assumant un mécanisme d'offre d'emploi pour la diffusion d'atome nous pouvons exprimer le $D$ en fonction du $D d'effort = du D_0 \ de exp hydrostatiques (\ frac {\ Omega H - E_A} {kT})$ où $E_A$ est l'énergie d'activation efficace de la diffusion thermique des atomes en métal. La concentration d'offre d'emploi représente la disponibilité des emplacements vides de trellis, qui pourraient être occupés par un atome de migration.

conception Électromigration-avertie

Fiabilité d'électromigration d'un fil (l'équation du noir)

À la fin des années 60 J. le noir a développé un modèle empirique pour estimer le MTTF (temps moyen à l'échec) d'un fil, prenant en compte l'électromigration :

$MTTF = e^ d'A (J^ {- n}) {\ frac {E_a} {k T}}$

Ici $A$ est une constante basée sur la section de l'interconnexion, $J$ est la densité de courant, $E_a$ est l'énergie d'activation (par exemple 0.7 eV pour la diffusion de joint de grain en aluminium), $k$ est la constante de Boltzmann, $T$ est la température et le $n$ un facteur de cadrage (habituellement réglé à 2 selon le noir). Il est clair que la densité de courant $J$ et (moins ainsi) la température $T$ décident les facteurs dans le processus de conception qui affectent l'électromigration.

La température du conducteur apparaît dans l'exposant, c. elle affecte fortement le MTTF de l'interconnexion. Pour qu'une interconnexion reste fiable dans les températures de montée, la densité de courant tolérable maximum du conducteur doit nécessairement diminuer.

Matériel de fil

On le sait que le cuivre pur utilisé pour la Cu-métallisation est électromigration-robuste que l'aluminium. Les fils de cuivre peuvent résister à la densité de courant d'approximativement cinq fois davantage que les fils en aluminium tout en assumant les conditions semblables de fiabilité. C'est principalement dû aux forces plus élevées d'activation d'électromigration du cuivre provoquées par sa conductivité électrique et thermique supérieure aussi bien que son point de fusion plus élevé.

Entaillage en bambou de structure et en métal

Il est évident qu'un fil plus large ait comme conséquence une plus petite densité de courant et, par conséquent, moins de probabilité de l'électromigration. Cependant, si vous ramenez la largeur de fil à au-dessous du grosseur du grain moyen du matériel de fil, la résistance aux augmentations d'électromigration, en dépit d'une augmentation de densité de courant. Cette contradiction apparente est provoquée par la position des joints de grain, qui en des fils étroits tels que dans une perpendiculaire en bambou de mensonge de structure à la largeur du fil entier. Puisque les joints de grain en ces soi-disant « structures en bambou » sont perpendiculaires à l'écoulement courant, le facteur de diffusion de frontière est exclu, et le transport matériel est également réduit.

Cependant, la largeur maximum de fil possible à une structure en bambou est habituellement trop étroite pour des lignes des courants d'une grandeur considérable dans des circuits analogues ou pour des lignes d'alimentation d'énergie. Dans ces circonstances, les fils encochés sont employés souvent, par lequel des trous rectangulaires soient découpés dans les fils. Ici, les largeurs des différentes structures en métal entre les fentes se trouvent en dessous du secteur d'une structure en bambou, alors que toute la largeur en résultant de toutes les structures en métal satisfait l'alimentation électrique.

Longueur de Blech

Il y a une limite inférieure pour la longueur de l'interconnexion qui permettra à l'électromigration de se produire. On le connaît en tant que « longueur de Blech », et aucun fil qui a une longueur au-dessous de cette limite n'échouera par l'électromigration. Ici, un habillage mécanique d'effort cause un procédé renversé de migration qui réduit ou même compense l'écoulement de la matière efficace vers l'anode. La longueur de Blech doit être considérée en concevant des structures d'essai pour l'électromigration.

Par l'intermédiaire des arrangements et des courbures de coin

Une attention particulière doit être prêtée aux vias et aux trous de contact, parce que généralement l'ampacity d'a (tungstène) par l'intermédiaire de est inférieur cela d'un fil en métal de la même largeur. Par conséquent les vias multiples sont employés souvent, par lequel la géométrie du par l'intermédiaire de la rangée soit très significative : Des vias multiples doivent être organisés tels que l'écoulement courant en résultant est distribué aussi également que traversant possible tous les vias.

L'attention doit également être prêtée aux courbures relie ensemble dedans. En particulier, des courbures de coin de 90 degrés doivent être évitées, puisque la densité de courant dans tels se plie est sensiblement plus haute que celle dans des angles obliques (par exemple, 135 degrés).

Électromigration dans des joints de soudure

La densité de courant typique à laquelle l'électromigration se produit en Cu ou Al relie ensemble est 10⁶ à 10⁷ A/cm². Pour des joints de soudure (SnPb ou SnAgCu sans plomb) utilisés dans des morceaux d'IC, cependant, l'électromigration se produit aux densités de courant beaucoup inférieures, par exemple 10⁴ A/cm². Elle cause un transport net d'atome le long de la direction de l'écoulement d'électron. Les atomes empilent vers le haut à l'anode, des vides sont produits à la cathode et l'effort arrière est induit pendant l'électromigration. L'échec typique d'un joint de soudure dû à l'électromigration se produira sur le côté de cathode. En raison de l'effet de encombrement courant, vides former d'abord au coin du joint de soudure. Alors les vides prolongent et causent un circuit failed.

Voir également

Circuit intégré
Semi-conducteur
Électromagnétisme
Conduction électrique

Littérature

Noir de

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Normes de référence

standard EIA/JESD61 du l'EIE / JEDEC : Procédure d'essais isotherme d'électromigration.
standard EIA/JESD63 du l'EIE / JEDEC : Méthode standard pour calculer les paramètres de modèle d'électromigration pour la densité et la température de courant.

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