摘要：隨著大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，電遷移引起的集成電路可靠性問題日益凸現(xiàn)。本文介紹了電遷移的基本理論，綜述了集成電路互連引線電遷移的研究進(jìn)展。研究表明，互連引線的尺寸、形狀和微觀組織結(jié)構(gòu)對電遷移有重要影響；溫度、電流密度、應(yīng)力梯度、合金元素及工作電流模式等也對電遷移壽命有重要影響。同時指出了電遷移研究亟待解決的問題。

　　關(guān)鍵詞：大規(guī)模集成電路；電遷移；互連引線

　　1 引言

　　集成電路芯片內(nèi)部采用金屬薄膜引線來傳導(dǎo)工作電流，這種傳導(dǎo)電流的金屬薄膜稱作互連引線。隨著芯片集成度的提高，互連引線變得更細(xì)、更窄、更薄，因此其中的電流密度越來越大。在較高的電流密度作用下，互連引線中的金屬原子將會沿著電子運動方向進(jìn)行遷移，這種現(xiàn)象就是電遷移(EM)。電遷移能使IC中的互連引線在工作過程中

　　產(chǎn)生斷路或短路，從而引起IC失效，其表現(xiàn)為：①在互連引線中形成空洞，增加了電阻；②空洞長大，最終貫穿互連引線，形成斷路；③在互連引線中形成晶須，造成層間短路；④晶須長大，穿透鈍化層，產(chǎn)生腐蝕源。

　　電遷移是引起集成電路失效的一種重要機(jī)制，由此引起的集成電路可靠性問題也就成為研究熱點。經(jīng)多年研究發(fā)現(xiàn)，影響互連引線電遷移的因素十分復(fù)雜，包括工作電流聚集、焦耳熱、溫度梯度、晶粒結(jié)構(gòu)、晶粒取向、界面組織、應(yīng)力梯度、合金成分、互連尺寸及形狀等。

　　2 基本理論

　　2.1 原子擴(kuò)散的模型
　　當(dāng)互連引線中通過大電流密度時，靜電場力驅(qū)動電子由陰極向陽極運動。高速運動的電子與金屬原子發(fā)生沖量交換，原子受到猛烈的電子沖擊力，這就是電遷移理論中的電子風(fēng)力Fwd[1]。實際上，金屬原子上還受靜電場力Fei的作用, 如圖1所示。
                    

    兩者的合力即電遷移驅(qū)動力可表示為
                    
    式中，F(xiàn)wd為電子風(fēng)力；Fei為場力；Z*e為有效電荷；r為電阻率；j為電流密度；Zwd為電子風(fēng)力有效電荷常數(shù)；Zei為靜電場力有效電荷常數(shù)。

　　當(dāng)互連引線中的電流密度較高時，向陽極運動的大量電子碰撞原子，使得所產(chǎn)生的電子風(fēng)力Fwd大于靜電場力Fei。因此，金屬原子受到電子風(fēng)力的驅(qū)動，產(chǎn)生了從陰極向陽極的受迫的定向擴(kuò)散，即發(fā)生了金屬原子的電遷移（圖2）。
                    
    原子的擴(kuò)散主要有三種形式：晶格擴(kuò)散、界面擴(kuò)散和表面擴(kuò)散[1]。由于電遷移使金屬原子從一個晶格自由擴(kuò)散到另一個晶格的空位上，所以，通常描述原子電遷移的數(shù)學(xué)模型采用的是空位流(J)方程
                      

    式中，D為擴(kuò)散系數(shù)；c為空位濃度；T為絕對溫度；k為玻耳茲曼常數(shù)； Ftotal為電遷移驅(qū)動力合力。

　　電遷移使得引線內(nèi)部產(chǎn)生空洞和原子聚集。在空洞聚集處是拉應(yīng)力區(qū)；在原子聚集處是壓應(yīng)力區(qū)，因此，應(yīng)力梯度方向由陽極指向陰極(圖3)。
                        
     為了松弛應(yīng)力，重新回到平衡態(tài)，原子在壓應(yīng)力的作用下，沿應(yīng)力梯度方向形成回流。應(yīng)力梯度引起的原子回流與電遷移的運動方向正好相反，阻礙了電遷移的進(jìn)行。原子回流驅(qū)動力方程為
                        
     式中，W為原子體積；s為靜水壓應(yīng)力；x為試件長度。把式(1)和(4)代入到式(3)中，就得到了完整 的一維空位流(J)的方程
                        
&nb