Электромиграция ионов в металлических проводниках

⇐ ПредыдущаяСтр 24 из 26Следующая ⇒

В процессе эксплуатации микросхем и других полупроводниковых приборов происходит деградация физико-химических свойств металлических проводников, что может привести к параметрическим (постепенным) или катастрофическим (внезапным) отказам. Отказы, связанные с процессами, протекающими в металлических проводниках, являются основными для интегральных микросхем в случае их использования при повышенных нагрузках (около 25 % всех отказов). Причина отказов может состоять в разрыве проводников на ступеньках окисла, в коррозии металла, во взаимодействии окисла с металлом при локальных увеличениях температуры, разрыве проводников и нарушении контакта с кремнием вследствие электромиграции ионов металла проводника.

Особую роль играет электромиграция – процесс переноса вещества проводника при высоких плотностях тока (более 5×10⁴ А/см² при температурах выше 150 °С). Электромиграция возникает вследствие взаимодействия электронов, движущихся в проводнике, с ионами металла, передаче им импульса, в результате чего ион перемещается в направлении движения электронов (увлекается «электронным ветром»). Поскольку характер движения ионов в металле представляет собой последовательность перескоков в соседние вакантные узлы, то механизм этого процесса аналогичен механизму диффузии атомов в твердой фазе, поэтому данный процесс часто называют электродиффузией.

В металлическом проводнике на термически возбужденный междоузельный ион действую две противоположно направленных силы: сила F_z со стороны электрического поля в проводнике и сила F_e, обусловленная увлечением иона «электронным ветром». Результирующая сила F_i будет равна

F_i = (q_i - enls)E ,

где q_i - заряд иона; e - заряд электрона; n - концентрация электронов; l - длина свободного пробега электронов; s - сечение рассеяния электронов на междоузельных ионах; Е - напряженность поля в проводнике.

В результате экранирующего влияния электронов проводимости действие электрического поля на ионы металла незначительно. Поэтому при повышенных температурах и больших плотностях тока преобладает сила F_e, под воздействием которой междоузельные ионы увлекаются «электронным ветром» и перемещаются в соседнюю вакансию преимущественно в направлении движения электронов. Ионы скапливаются у конца проводника с высоким потенциалом, образуя вдоль проводника кристаллиты в виде «бугорков», «усов» и так далее, способные закоротить близко расположенные проводники. Вакансии движутся в направлении конца проводника с низким потенциалом, в результате чего в отдельных участках образуются пустоты, и, как следствие, разрывы металлизации.

Скорость электромиграции ионов v_i в проводнике определяется выражением

где r - удельное сопротивление проводника; j - плотность тока; D - коэффициент диффузии; E_a - энергия активации диффузии.

Электромиграция ионов в проводнике осуществляется в основном по границам зерен, поскольку в этих местах энергия активации Е_а ниже, чем в самом зерне. Пустоты чаще всего возникают в местах пересечения зерен, в так называемых «тройных точках». Поэтому в мелкозернистых структурах электромиграция проявляется сильнее, и мелкозернистые пленки (при прочих равных условиях) деградируют быстрее, чем крупнозернистые. На отказы, вызванные электромиграцией, также влияют градиенты температур и структурная неоднородность металлической пленки.

Экспериментально установлено, что проводники из алюминия особенно сильно подвержены влиянию электромиграции. Их стабильность можно повысить, формируя пленки с крупнозернистой структурой. Благоприятно сказывается введение в алюминий различных добавок, например, 0,5-5 массовых процентов меди. Устойчивы к электромиграции сплавы Al-Cu-Mg и Al-Cu-Ni-Mg, но при этом заметно увеличивается удельное сопротивление. Считается, что выпадение на границах зерен второй фазы, например Al₂Cu, блокирует миграцию ионов по границам зерен и, тем самым, повышает стабильность алюминиевых проводников.

Уменьшить влияние электромиграции можно также с помощью формирования на поверхности металлической пленки защитного покрытия из диэлектрического материала. Защитное покрытие ограничивает подвижность ионов вдоль поверхности металлической пленки вследствие заполнения разрушенных электронных связей. В качестве покрытия используют фосфоро- или алюмосиликатные стекла, представляющие собой аморфные смеси SiO₂×P₂O₅ и SiO₂×Al₂O₃. Экспериментально установлено, что такие диэлектрические покрытия эффективны для ограничения электромиграции в тонких металлических пленках, толщина которых не превышает 500 нм.

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 954; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 17 18 19 20 21 22 232425 26 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!