无飘移电迁移理论(扩散产生复合俘获理论)

电迁移是在高电流密度下金属导体中原子输运,它在导体中产生空位,增加导体的电阻.Huntington于1961年描述电迁移;Black于1969年推导经验电阻公式用以模拟电迁移,给出电阻和失效实验数据对电流密度和温度的依赖关系.Tan于2007年总结Black经验公式在连接晶体管和其他硅集成电路器件的导线方面四十年运用情况.自1957年第一个Landauer理论以来,理论工作者用50年试图论证飘移力,即Black假设的电子动量转移,又称电子风力,作用到金属原子和离子上,可使它们移动.Landauer于1989年断定,即使运用最基本和完备的多体量子输运理论,电子风力也站不住脚.本文回顾用于金属导线的无飘移或无电子风力原子空位模型.萨在八十年中提出这模型,在1996年以课外作业题解的形式描述这模型.该模型解释了用Black经验公式拟合的电阻实验数据的电流和温度依赖关系.得到精确解析方程,描述两种极限情形下金属导线电阻或电流,R(t)/R(0)=J(t)/J(0)=[1-2(t/τα)1/α]-1/2:从低到高电流密度,价键断裂情形α=1～2和原子扩散情形α=2～4.其中τα是电迁移机理的时间特征常数,含有价键断裂率,原子扩散系数和激发能.     

Electromigration studies on Sn(Cu) alloy lines

The Cu alloying effect in the Sn(Cu) solder line has been studied. The Sn0.7Cu solder line has the most serious electromigration (EM) damage compared to pure Sn and Sn3.0Cu solder lines. The dominant factor for the fast EM rate in Sn0.7Cu could be attributed to the relatively small grain size and the low critical stress, i.e., the yielding stress of the Sn0.7Cu solder line. Also, we found that the shortest Sn0.7Cu solder line, 250 μm, has the most serious EM damage among three solder lines of different lengths. The back stress induced by EM might not play a significant role on the EM test of long solder lines. A new failure mode of EM test was observed; EM under an external tensile stress. The external stress is superimposed on the stress profile induced by EM. As a result, the hillock formation was retarded at the anode side, and void formation was enhanced at the cathode.     

电迁移加速测试模型参数分析及其趋势研究

对电迁移加速测试模型Black方程中参数的内在物理含义进行了研究,指出参数数值本身代表着电迁移的不同失效机理;对其在不同技术节点的数据进行了系统总结,给出了加速参数随着技术发展的变化趋势与合理范围,可以利用加速参数对工艺中的问题提供改进方向,为判断测试结果,测试条件和测试结构是否合理提供了参考基准;讨论了威布尔分布在电迁移测试中应用的可行性与优点,威布尔分布的形状参数为判断测试结果是否合理提供了更直接、有用的参考信息.     

具有冗余设计的铜互连线电迁移可靠性评估

铜互连的电迁移可靠性与晶粒结构、几何结构、制造工艺以及介质材料等因素有着密切的关系。分别试制了末端有一定延伸的互连线冗余结构设计的样品,以及无冗余结构的互连线样品,并对样品进行了失效加速测试。测试结果显示,采用冗余结构设计的互连线失效时间更长,具有更好的抗电迁移可靠性。对冗余结构的失效模式进行了讨论,并结合互连线的制造工艺,指出采用冗余结构设计的互连线可以在有效改善互连线的电迁移特性,而且不会引入其他影响可靠性的因素,是一种有效提高铜互连电迁移可靠性的方法。     

A Reliability Statistics Perspective on the Pitfalls of Standard Wafer-Level Electromigration Accelerated Test (SWEAT)

Standard Wafer Level Electromigration Accelerated Test (SWEAT) has become a common fast wafer level reliability test for electromigration in industry. However, its ability to detect changes in processes and its correlation with conventional electromigration test result has come under close scrutiny. From the perspective of reliability statistics, SWEAT also has other pitfalls that render its test results questionable. In this work, these pitfalls are highlighted, and alternative wafer-level electromigration tests are discussed. The arguments that the SWEAT is not appropriate for evaluation of electromigration of metal lines are presented. SWEAT as a tool to evaluate electromigration lifetime of metal lines is not recommended unless the pitfalls are seriously looked at.     

电子封装微互连中的电迁移

 随着电子产品不断向微型化和多功能化发展,电子封装微互连中的电迁移问题日益突出,已成为影响产品可靠性和耐久性的重要因素.本文在回顾铝、铜及其合金互连引线中电迁移问题的基础上,对目前微电子封装领域广泛采用的倒装芯片互连焊点结构中电迁移问题的几个方面进行了阐述和评价,其中包括电流拥挤效应、焦耳热效应、极化效应、金属间化合物、多种负载交替或耦合作用下的电迁移以及电迁移寿命预测等.     

Cu-Ni/Solder/Ni-Cu互连结构的电迁移

采用Cu-Ni/Solder/Ni-Cu互连结构,在加载的电流密度为0.4×104 A/cm2的条件下,得到了界面阴极处金属原子的电迁移.数值模拟揭示了其原因是由于凸点互连结构的特殊性,电子流在流经凸点时会发生流向改变进而形成电流聚集,此处的电流密度超过电迁移的门槛值,从而诱发电迁移.运用高对流系数的热传导方法降低了互连焊点的实际温度,在电迁移的扩展阶段显著减小了高温引起的原子热迁移对电迁移的干扰;因此电迁移力是原子迁移的主要驱动力.在电迁移的快速失效阶段,原子的迁移是热迁移和电迁移共同作用的结果:电迁移力驱动阴极处原子的迁移,造成局部区域的快速温升,从而加剧此处原子的热迁移.     

电迁移物理模型参数统计特性提取新方法

随着ＶＬＳＩ技术的发展，电迁移已成为集成电路最主要的失效原因之一，其可靠性评估技术也显得愈加重要。要改进该技术，不仅需要确定可靠性物理模型参数，而且要求掌握参数的统计分布特性。基于电迁移物理模型，提出一种提取参数统计分布特性的新方法。与传统方法相比，此方法不仅所需实验样品少、实验次数少，能真正得到反映样品离散性的物理模型参数的统计分布特性，而且也可用于其它失效机理（如栅氧击穿）物理模型中。     

基于电迁移法的铝微米带弯曲生长现象研究

基于电迁移法制备了弯曲形状的铝微米带,可作为连接件直接应用于微机电系统和光电器件中。试验所需试样是一层沉积在TiN层的铝膜,并在铝膜的阳极端制作原子排出孔。试验结果表明,铝微米带的生长驱动力来自于铝原子积聚产生的压应力,排出孔的位置靠近铝膜边缘,使铝原子在排出孔两侧的析出速率出现差异,导致铝微米带出现自发弯曲生长现象。     

多晶硅加热法评价金属互连线电迁移寿命

采用一种新颖的方法——多晶硅加热法评价了金属连线的电迁移（EM）寿命．用该方法得到的结果与传统封装测试法得到的结果进行了对比，两者有相当好的一致性．同时，测试时间不到封装测试的1‰．说明多晶硅加热法是一种非常有效的EM评价方法．由于该方法是晶片级测试，而且测试时间非常短，所以采用这种方法可以实现对金属互连线质量的在线实时监控．