Elektromigrace

Elektromigrace (EM; angl . electromigration , EM ) - jev přenosu hmoty ve vodiči v důsledku postupného driftu iontů , vznikajícího výměnou hybnosti při srážkách mezi vodivými nosiči a atomovou mřížkou. Tento efekt hraje významnou roli v těch aplikačních oblastech, kde se používají stejnosměrné proudy o vysoké hustotě - například v mikroelektronice . Čím menší jsou integrované obvody , tím znatelnější praktickou roli tento efekt hraje.

Při dostatečně vysoké teplotě a proudové hustotě se v kovech elektrony pohybující se vlivem elektrického pole srážejí s atomy mřížky a tlačí je směrem ke kladně nabité elektrodě . Ve vodiči se tak objevují zóny ochuzené o látku, v důsledku čehož se výrazně zvyšuje odpor a v důsledku toho proudová hustota v této zóně, což vede k ještě většímu zahřívání této části vodiče. V důsledku toho může účinek elektromigrace vést k částečnému nebo úplnému zničení vodiče pod vlivem teploty (tavení kovu) nebo v důsledku úplného rozmazání kovu pod vlivem elektromigrace ( anglicky void - „prázdnota“ , „lacuna“). Na druhé straně může nahromaděná hmota vytvořit nové neúmyslné spojení ( kopec - „kopec, hromada“), což může vést k degradaci výkonu obvodu (zvýšení parazitních kapacit a přeslechů) a ke zkratu [1] .

Praktický význam elektromigrace

Vliv elektromigrace ovlivňuje spolehlivost integrovaných obvodů. V nejhorším případě vede k nevratnému narušení funkčnosti obvodu přerušením (vyhořením) jednoho nebo více kontaktů nebo propojení, nebo naopak zkratem mezi různými částmi obvodu. První příznaky se však objevují mnohem dříve a jsou vyjádřeny náhodnými přepětími, což může vést k vzácným nevyzpytatelným funkčním poruchám, které je extrémně obtížné diagnostikovat .

Jak se integrované obvody zmenšují a hustota jejich balení se zvyšuje, pravděpodobnost problémů způsobených elektromigračním efektem se výrazně zvyšuje v důsledku rostoucích proudových hustot v obvodech. Jako řešení tohoto problému byl hliník , tradičně používaný jako propojovací materiál, nahrazen mědí , která má lepší vodivost a mimo jiné je mnohem méně náchylná k elektromigraci. Vzhledem k tomu, že měď vyžaduje přesnější technologický postup při výrobě obvodů a neřeší zcela problém efektu, stále se pracuje na nalezení lepšího řešení.

Zmenšení velikosti integrovaného obvodu o velikost vede ke zvýšení proudové hustoty o hodnotu úměrnou (přímý důsledek určení proudové hustoty). $k$ ${\displaystyle k^{2))$

Moderní integrované obvody jen zřídka selžou vlivem elektromigrace. Většina výrobců těchto zařízení má software CAD , který podporuje analýzu topologie z hlediska elektromigrace a obsahuje funkce pro nápravu potenciálních problémů s tím spojených na úrovni tranzistorů (například zvýšení počtu kontaktů mezi zemí /napájením a vnitřními spoji tranzistorů , jejich rozšíření atd.). Proto jsou téměř všechny moderní obvody navrženy tak , aby splňovaly požadavky na elektromigraci (typicky 100 000 hodin při maximální frekvenci a teplotě povolené pro obvod) a pravděpodobnost selhání z jiných důvodů (například z celkového poškození bombardováním gama částicemi ). ) je mnohem vyšší.

Navzdory tomu existují zdokumentované důkazy o selhání zařízení v důsledku problémů s elektromigrací. Koncem osmdesátých let se tedy některé modely diskových jednotek Western Digital často porouchaly 12-18 měsíců po začátku používání. Na základě soudního příkazu byly provedeny laboratorní testy, které prokázaly, že jeden z ovladačů dodaných cizím výrobcem byl vyroben v rozporu s technologickými standardy pro elektromigraci. Tím, že jej WD nahradil podobným od jiného výrobce, problém vyřešil, ale pověst společnosti utrpěla [2] .

Fyzické základy

Na ionty uvnitř vodiče působí dvě síly - elektrostatická síla v důsledku elektrického pole (tato síla je směrována stejně jako proud) a zpětná síla vzniklá v důsledku výměny hybnosti s jinými nosiči náboje. V kovových vodičích, nazývaných také elektronový vítr nebo iontový vítr . ${\displaystyle F_{e))$ $F_{p}$ $F_{p}$

Výsledná síla pro iont je vyjádřena jako: $F_{res}$

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

K elektromigraci dochází, když je část hybnosti elektronu přenesena iontem na sousední. To způsobí, že se iont přesune ze své původní polohy. Po nějaké době je značný počet atomů dostatečně daleko od svých původních poloh, což má za následek vyčerpané oblasti, které narušují normální tok proudu vodičem. Jinými slovy, v některých oblastech vodiče se odpor abnormálně zvyšuje [2] .

Mechanismy elektromigrace

Jako hlavní mechanismy elektromigrace lze rozlišit dva vzájemně související procesy: difúzi excitovaných iontů a teplotní efekty.

Elektromigrační difúze

V homogenní krystalové struktuře dochází v důsledku homogenity krystalové mřížky ke srážkám mezi kovovými ionty a nosiči náboje zcela výjimečně. Situace se však mění na hranicích krystalových zrn, propojení kovů a jejich povrchů – díky asymetrii krystalové mřížky dochází k výměně pohybových impulsů mnohem intenzivněji. Vzhledem k tomu, že kovové ionty na hranicích jsou vázány mnohem slaběji než uvnitř homogenní krystalové mřížky, při určité hodnotě elektronového větru se ionty začnou unášet ve směru proudu.

Elektromigrační difúzi lze rozdělit do 3 skupin: difúze na hranicích krystalových zrn, difúze uvnitř krystalových zrn a difúze na povrchu vodiče. V hliníku dochází k difúzi především na hranicích krystalových zrn, zatímco u měděných vodičů převažuje povrchová difúze.

Vlivy teploty

V ideálním vodiči jsou atomy umístěny v uzlech krystalové mřížky, kterými se elektrony volně pohybují. V ideálním vodiči tedy nedochází k elektromigraci. Ve skutečném vodiči však krystalová mřížka není ideální. Díky tomu, stejně jako kvůli tepelným vibracím atomů vodiče, se s nimi začnou srážet elektrony. Atomy jsou tedy vymrštěny ještě dále od uzlů ideální krystalové mřížky, což dále zvyšuje počet srážek mezi elektrony a atomy a také zvýšení amplitudy kolísání teploty. Hybnost relativních světelných elektronů obvykle nestačí k neustálému pohybu atomů z krystalové mřížky a proces elektromigrace se nespustí, ale jak se hustota proudu a / nebo teplota zvyšuje, dostatek elektronů se srazí s atomy , což způsobuje, že vibrují silněji a dále od svých původních pozic. Odpor vodiče se tedy výrazně zvyšuje, což následně vede k Jouleovu zahřívání kovu a může poškodit elektronickou součástku.

Tvorba spolehlivých integrovaných obvodů z hlediska elektromigrace

Blackova rovnice

Na konci 60. let Black vyvinul empirický zákon pro životnost propojení, který také bere v úvahu fenomén elektromigrace:

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

, kde:

$A$ je konstanta založená na materiálových vlastnostech,
$J$ je proudová hustota vodičem,
$E_{a}$ je excitační energie iontu (0,7 eV pro hliník),
$k$ je Boltzmannova konstanta ,
$T$ - teplota,
$n$ je empirický koeficient, obvykle braný rovný dvěma [3] podle Blacka .

Z této rovnice vyplývá, že životnost propojení závisí na jeho geometrických rozměrech, frekvenci signálu (vyplývá z definice proudové hustoty) a teplotě.

Specifikace ( angl. design rules ), vyvinuté při výrobě mikroobvodů, popisují maximální přípustné hodnoty proudové hustoty v závislosti na teplotě, avšak při teplotách pod 105 °C je vliv elektromigrace považován za zanedbatelný.

Materiály

Nejčastěji používaným materiálem v moderní mikroelektronice pro vytváření kontaktů a propojení je hliník. Jeho široké použití je způsobeno několika faktory: má relativně dobrou vodivost, je vhodný pro použití v mikroelektronice, vhodný pro vytváření ohmických kontaktů a relativně levný. Čistý hliník však podléhá elektromigraci. Studie ukázaly, že přidání 2-4 % mědi k hliníku zvyšuje odolnost vůči tomuto efektu 50krát [1] .

Je také známo, že čistá měď vydrží 5krát větší proudovou hustotu ve srovnání s hliníkem se stejnými požadavky na spolehlivost IC [4] . To je způsobeno tím, že měď má lepší vodivost a tepelnou vodivost , stejně jako bod tání [1] [5] .

Viz také

Povrchová elektromigrace

Poznámky

↑ 1 2 3 Propojení: metalizace hliníku
↑ 12 Elektromigrace _
↑ Black, JR (říjen 1968). Poruchy metalizace v integrovaných obvodech. Technická zpráva RADC TR-68-243.
↑ Úvod do fyzikálního designu s ohledem na elektromigraci, kap. 3.1
↑ Al - Hliník

Literatura

Černá, JR metalizační poruchy v integrovaných obvodech (neurčité) // Technická zpráva RADC. - 1968. - říjen ( sv. TR-68-243 ). Archivováno z originálu 30. září 2007.
Black, JR Electromigration – Stručný průzkum a některé nedávné výsledky // Transakce IEEE na elektronových zařízeních : deník. - 1969. - Duben ( roč. 16 , č. 4 ). - str. 338-347 . - doi : 10.1109/T-ED.1969.16754 . (nedostupný odkaz)
Black, JR Elektromigrační poruchové režimy v hliníkové metalizaci pro polovodičová zařízení // Proceedings of IEEE : deník. - 1969. - září ( roč. 57 , č. 9 ). - S. 1587-1594 . - doi : 10.1109/PROC.1969.7340 . (nedostupný odkaz)
Ho, PS Základní problémy elektromigrace v aplikacích VLSI // Proceedings of the IEEE : deník. - 1982. - S. 288-291 . (nedostupný odkaz)
Ho, PS, Kwok T. Elektromigrace v kovech , Rep . Prog. Phys. : deník. - 1989. - Sv. 52 . - str. 301-348 . - doi : 10.1088/0034-4885/52/3/002 .
Christou, Aris: Elektromigrace a degradace elektronických zařízení . John Wiley & Sons, 1994.
Ghate, PB: Electromigration-Induced Failures in VLSI Interconnects , IEEE Conference Publication , Vol. 20:p 292 299, březen 1982.

Normy

EIA / JEDEC Standard EIA/JESD63 : Standardní metoda pro výpočet elektromigračního modelu jako funkce teploty a frekvence