摘要：随着大规模集成电路的不断发展，电迁移引起的集成电路可靠性问题日益凸现。本文介绍了电迁移的基本理论，综述了集成电路互连引线电迁移的研究进展。研究表明，互连引线的尺寸、形状和微观组织结构对电迁移有重要影响；温度、电流密度、应力梯度、合金元素及工作电流模式等也对电迁移寿命有重要影响。同时指出了电迁移研究亟待解决的问题。

　　关键词：大规模集成电路；电迁移；互连引线

　　1 引言

　　集成电路芯片内部采用金属薄膜引线来传导工作电流，这种传导电流的金属薄膜称作互连引线。随着芯片集成度的提高，互连引线变得更细、更窄、更薄，因此其中的电流密度越来越大。在较高的电流密度作用下，互连引线中的金属原子将会沿着电子运动方向进行迁移，这种现象就是电迁移(EM)。电迁移能使IC中的互连引线在工作过程中

　　产生断路或短路，从而引起IC失效，其表现为：①在互连引线中形成空洞，增加了电阻；②空洞长大，最终贯穿互连引线，形成断路；③在互连引线中形成晶须，造成层间短路；④晶须长大，穿透钝化层，产生腐蚀源。

　　电迁移是引起集成电路失效的一种重要机制，由此引起的集成电路可靠性问题也就成为研究热点。经多年研究发现，影响互连引线电迁移的因素十分复杂，包括工作电流聚集、焦耳热、温度梯度、晶粒结构、晶粒取向、界面组织、应力梯度、合金成分、互连尺寸及形状等。

　　2 基本理论

　　2.1 原子扩散的模型
　　当互连引线中通过大电流密度时，静电场力驱动电子由阴极向阳极运动。高速运动的电子与金属原子发生冲量交换，原子受到猛烈的电子冲击力，这就是电迁移理论中的电子风力Fwd[1]。实际上，金属原子上还受静电场力Fei的作用, 如图1所示。
                    

    两者的合力即电迁移驱动力可表示为
                    
    式中，Fwd为电子风力；Fei为场力；Z*e为有效电荷；r为电阻率；j为电流密度；Zwd为电子风力有效电荷常数；Zei为静电场力有效电荷常数。

　　当互连引线中的电流密度较高时，向阳极运动的大量电子碰撞原子，使得所产生的电子风力Fwd大于静电场力Fei。因此，金属原子受到电子风力的驱动，产生了从阴极向阳极的受迫的定向扩散，即发生了金属原子的电迁移（图2）。
                    
    原子的扩散主要有三种形式：晶格扩散、界面扩散和表面扩散[1]。由于电迁移使金属原子从一个晶格自由扩散到另一个晶格的空位上，所以，通常描述原子电迁移的数学模型采用的是空位流(J)方程
                      

    式中，D为扩散系数；c为空位浓度；T为绝对温度；k为玻耳兹曼常数； Ftotal为电迁移驱动力合力。

　　电迁移使得引线内部产生空洞和原子聚集。在空洞聚集处是拉应力区；在原子聚集处是压应力区，因此，应力梯度方向由阳极指向阴极(图3)。
                        
     为了松弛应力，重新回到平衡态，原子在压应力的作用下，沿应力梯度方向形成回流。应力梯度引起的原子回流与电迁移的运动方向正好相反，阻碍了电迁移的进行。原子回流驱动力方程为
                        
     式中，W为原子体积；s为静水压应力；x为试件长度。把式(1)和(4)代入到式(3)中，就得到了完整 的一维空位流(J)的方程
                        
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