Elektromigrering

Elektromigrering (EM; engelska electromigration , EM ) - fenomenet med överföring av materia i en ledare på grund av den gradvisa driften av joner , som uppstår på grund av utbyte av momentum under kollisioner mellan ledande bärare och atomgittret . Denna effekt spelar en betydande roll i de applikationsområden där likströmmar med hög densitet används - till exempel inom mikroelektronik . Ju mindre integrerade kretsar blir , desto mer märkbar praktisk roll spelar denna effekt.

Vid en tillräckligt hög temperatur och strömtäthet, i metaller , kolliderar elektroner som rör sig under påverkan av ett elektriskt fält med gitteratomer och trycker dem mot en positivt laddad elektrod . Således uppträder zoner som är uttömda i substans i ledaren, som ett resultat av vilket motståndet och som ett resultat ökar strömtätheten i denna zon avsevärt, vilket leder till ännu större uppvärmning av denna sektion av ledaren. Som ett resultat kan effekten av elektromigrering leda till partiell eller fullständig förstörelse av ledaren under påverkan av temperatur (smältning av metallen) eller på grund av fullständig suddighet av metallen under påverkan av elektromigrering ( engelska void - "emptiness" , "lacuna"). Å andra sidan kan det ackumulerade materialet bilda en ny oavsiktlig koppling ( hillock - "hill, bunch"), vilket kan leda till försämring av kretsens prestanda (ökning av parasitiska kapacitanser och överhörning) och till en kortslutning [1] .

Den praktiska betydelsen av elektromigrering

Effekten av elektromigrering påverkar tillförlitligheten hos integrerade kretsar. I värsta fall leder det till en irreversibel störning av kretsens funktionalitet på grund av ett brott (utbrändhet) av en eller flera kontakter eller sammankopplingar, eller omvänt, en kortslutning mellan olika delar av kretsen. De första symtomen uppträder dock mycket tidigare och uttrycks i slumpmässiga strömstörningar, vilket kan leda till sällsynta oregelbundna funktionsfel som är extremt svåra att diagnostisera .

När integrerade kretsar minskar i storlek och deras packningstäthet ökar, ökar sannolikheten för problem på grund av elektromigreringseffekten avsevärt på grund av de ökande strömtätheterna i kretsarna. Som en lösning på detta problem ersattes aluminium , som traditionellt används som sammankopplingsmaterial, med koppar , som har bättre ledningsförmåga och bland annat är mycket mindre mottagligt för elektromigrering. På grund av att koppar kräver en mer exakt teknisk process vid tillverkning av kretsar och inte helt löser effektproblemet pågår fortfarande arbete med att hitta en bättre lösning.

Att minska storleken på en integrerad krets med en storlek leder till en ökning av strömtätheten med ett belopp som är proportionellt mot (en direkt konsekvens av att bestämma strömtätheten). $k$ ${\displaystyle k^{2))$

Moderna integrerade kretsar misslyckas sällan på grund av effekten av elektromigrering. De flesta tillverkare av dessa enheter har CAD-programvara som stöder topologianalys när det gäller elektromigrering och inkluderar funktioner för att korrigera potentiella problem som är förknippade med det på transistornivå (till exempel öka antalet kontakter mellan jord /ström och interna anslutningar av transistorer , deras expansion etc.). Därför är nästan alla moderna kretsar utformade för att uppfylla kraven för elektromigrering (vanligtvis 100 000 timmar vid den maximala frekvensen och temperaturen som tillåts för kretsen) och sannolikheten för fel av andra skäl (till exempel från den totala skadan från gammapartikelbombardement ) är mycket högre.

Trots detta finns det dokumenterade bevis på utrustningsfel på grund av problem med elektromigrering. Så i slutet av 1980 -talet gick vissa modeller av Western Digital - diskenheter ofta sönder 12-18 månader efter att de började användas. Genom domstolsbeslut genomfördes laboratorietester, som fastställde att en av kontrollerna som levererats av en tredjepartstillverkare gjordes i strid med tekniska standarder för elektromigrering. Genom att ersätta den med en liknande från en annan tillverkare åtgärdade WD problemet, men företagets rykte blev lidande [2] .

Fysiska grunder

Två krafter verkar på jonerna inuti ledaren - en elektrostatisk kraft som ett resultat av ett elektriskt fält (denna kraft riktas på samma sätt som strömmen), och en omvänd kraft som bildas på grund av utbyte av momentum med andra laddningsbärare. I metalliska ledare, även kallad elektronvinden eller jonvinden . ${\displaystyle F_{e))$ $F_{p}$ $F_{p}$

Den resulterande kraften för jonen uttrycks som: $F_{res}$

F_{res}=F_{e}-F_{p}=q\cdot Z^{*}\cdot E=q\cdot Z^{*}\cdot j\cdot \rho

Elektromigrering uppstår när en del av en elektrons rörelsemängd överförs av en jon till en angränsande. Detta gör att jonen rör sig från sin ursprungliga position. Efter en tid är ett betydande antal atomer tillräckligt långt borta från sina ursprungliga positioner, vilket resulterar i utarmade områden som stör det normala strömflödet genom ledaren. Med andra ord, i vissa delar av ledaren ökar motståndet onormalt [2] .

Mekanismer för elektromigrering

Två inbördes relaterade processer kan särskiljas som huvudmekanismerna för elektromigration: diffusion av exciterade joner och temperatureffekter.

Elektromigreringsdiffusion

I en homogen kristallstruktur, på grund av kristallgittrets homogenitet, inträffar kollisioner mellan metalljoner och laddningsbärare ganska sällan. Men situationen förändras vid gränserna för kristallkorn, sammankopplingar av metaller och deras ytor - på grund av kristallgittrets asymmetri sker utbytet av rörelseimpulser mycket mer intensivt. Eftersom metalljonerna vid gränserna är bundna mycket svagare än inuti ett homogent kristallgitter, vid ett visst värde på elektronvinden, börjar jonerna att driva i strömriktningen.

Elektromigreringsdiffusion kan delas in i 3 grupper: diffusion vid gränserna för kristallkorn, diffusion inuti kristallkorn och diffusion på ledarytan. I aluminium sker diffusion främst vid kristallkornens gränser, medan i kopparledare dominerar ytdiffusion.

Temperatureffekter

I en idealisk ledare är atomer belägna vid noderna i kristallgittret, genom vilka elektroner rör sig fritt. Elektromigrering sker således inte i en idealisk ledare. Men i en riktig ledare är kristallgittret inte idealiskt. På grund av detta, såväl som på grund av de termiska vibrationerna hos ledarens atomer, börjar elektronerna att kollidera med dem. Således kastas atomerna ännu längre från noderna i det ideala kristallgittret, vilket ytterligare ökar antalet kollisioner mellan elektroner och atomer, samt en ökning av amplituden för temperaturfluktuationen. Vanligtvis räcker inte rörelsemängden hos de relativa ljuselektronerna för att ständigt flytta atomerna ut ur kristallgittret, och elektromigreringsprocessen startar inte, men eftersom strömtätheten och/eller temperaturen ökar, kolliderar tillräckligt med elektroner med atomerna , vilket får dem att vibrera starkare och längre från sina ursprungliga positioner. Således ökar ledarens motstånd avsevärt, vilket i sin tur leder till Joule-uppvärmning av metallen och kan skada den elektroniska komponenten.

Skapande av pålitliga integrerade kretsar när det gäller elektromigrering

Svarts ekvation

I slutet av 1960-talet utvecklade Black en empirisk lag för sammankopplingarnas livslängd, som också tar hänsyn till fenomenet elektromigration:

{\text{MTTF}}=A(J^{-n})e^{\frac {E_{a}}{kT}}

, var:

$A$ är en konstant baserad på materialegenskaper,
$J$ är strömtätheten genom ledaren,
$E_{a}$ är jonens excitationsenergi (0,7 eV för aluminium),
$k$ är Boltzmann konstant ,
$T$ - temperatur,
$n$ är en empirisk koefficient, vanligtvis lika med två [3] enligt Black .

Av denna ekvation följer att livslängden för en sammankoppling beror på dess geometriska dimensioner, signalfrekvens (följer av definitionen av strömtäthet) och temperatur.

Specifikationer ( eng. design rules ), utvecklade under produktionen av mikrokretsar, beskriver de maximalt tillåtna värdena för strömtäthet beroende på temperatur, men vid temperaturer under 105 ° C anses effekten av elektromigrering vara försumbar.

Material

Det vanligaste materialet i modern mikroelektronik för att skapa kontakter och sammankopplingar är aluminium. Dess utbredda användning beror på flera faktorer: den har relativt god ledningsförmåga, den är bekväm för användning i mikroelektronik, lämplig för att skapa ohmska kontakter och relativt billig. Men rent aluminium är föremål för elektromigrering. Studier har visat att tillsats av 2-4 % koppar till aluminium ökar motståndet mot denna effekt med 50 gånger [1] .

Det är också känt att ren koppar tål 5 gånger strömtätheten jämfört med aluminium med lika krav på tillförlitligheten hos IC [4] . Detta beror på att koppar har bättre ledningsförmåga och värmeledningsförmåga , samt en smältpunkt [1] [5] .

Se även

Ytelektromigration

Anteckningar

↑ 1 2 3 Sammankopplingar: Aluminiummetallisering
↑ 12 Elektromigrering _
↑ Black, JR (oktober 1968). Metalliseringsfel i integrerade kretsar. RADC teknisk rapport TR-68-243.
↑ Introduktion till Electromigration-Aware Physical Design, kap. 3.1
↑ Al - Aluminium

Litteratur

Svart, JR -metalliseringsfel i integrerade kretsar (obestämd) // RADC Technical Report. - 1968. - Oktober ( vol. TR-68-243 ). Arkiverad från originalet den 30 september 2007.
Black, JR Electromigration-En kort undersökning och några senaste resultat // IEEE-transaktioner på elektronenheter : journal. - 1969. - April ( vol. 16 , nr 4 ). - s. 338-347 . - doi : 10.1109/T-ED.1969.16754 . (inte tillgänglig länk)
Black, JR Electromigration Failure Modes in Aluminium Metallization for Semiconductor Devices // Proceedings of the IEEE : journal. - 1969. - September ( vol. 57 , nr 9 ). - P. 1587-1594 . - doi : 10.1109/PROC.1969.7340 . (inte tillgänglig länk)
Ho, PS Grundläggande problem för elektromigrering i VLSI- applikationer // Proceedings of the IEEE : journal. - 1982. - S. 288-291 . (inte tillgänglig länk)
Ho, PS, Kwok T. Elektromigrering i metaller , Rep . Prog. Phys. : journal. - 1989. - Vol. 52 . - s. 301-348 . - doi : 10.1088/0034-4885/52/3/002 .
Christou, Aris: Elektromigrering och nedbrytning av elektroniska enheter . John Wiley & Sons, 1994.
Ghate, PB: Electromigration-Induced Failures in VLSI Interconnects , IEEE Conference Publication , Vol. 20:s 292 299, mars 1982.

Standarder

EIA / JEDEC Standard EIA/JESD63 : Standardmetod för att beräkna en elektromigreringsmodell som en funktion av temperatur och frekvens