Электромиграция

Электромиграция представляет собой переме­щение ионов в проводнике при протекании тока вследствие передачи энергии от движущих­ся электронов к атомам металла. Учитывать этот эффект имеет смысл лишь при высокой плотно­сти тока, например, в микроэлектронике и подобных структурах. Поскольку размеры эле­ментарных структур интегральных схем умень­шаются, влияние этого эффекта на надежность микросхем возрастает.

А. Мельниченко

Явление электромиграции было открыто неким французским ученым Жерарденом (Gerardin) более 100 лет назад. Однако практический интерес к нему возник в 1966 г. с появлением на рынке первых интег­ральных схем. Исследования этого явления проводил также Джеймс Р. Блэк (J.R. Black), который вывел уравнение, впоследствии названное его именем, ус­танавливающее зависимость надежности проводни­ков от электромиграции. В то время ширина соедини­тельных проводов в микросхемах составляла около 10 мкм. В настоящее время она уменьшилась в нес­колько раз, в результате чего исследования электро­миграции приобретают все большее значение.

Электромиграция уменьшает надежность микросхем. В худшем случае она может при­вести к нарушению одного или не­скольких соединений и неустойчивой работе всей микросхемы. Так как на­дежность соединительных проводни­ков в микросхемах имеет большое значение не только для космической и военной техники, но и для коммер­ческих изделий, например, для анти- блокировочной системы автомоби­лей, этому эффекту уделяется боль­шое внимание.

Из-за относительно большого срока службы соединительных прово­дов и малого срока эксплуатации большинства микросхем, что объяс­няется быстрым моральным старени­ем электронных устройств, не имеет смысла оценивать электромиграцию в реальных режимах эксплуатации. Для расчета срока службы проводников в составе микросхем обычно ис­пользуют уравнение Блэка. Тестирование микросхем выполняют при высокой температуре и большой плот­ности тока, экстраполируя затем результаты на реаль­ные условия эксплуатации и ожидаемый срок службы.

Хотя электромиграция в конечном счете приводит к отказу микросхем, первые признаки ее проявле­ния – неустойчивость функционирования – достаточ­но трудно диагностировать. Поскольку некоторые со­единительные проводники отказывают раньше дру­гих, в работе микросхемы возникают случайные сбои, которые невозможно отличить от других механизмов отказа (таких, например, как воздействие электроста­тического заряда). В лабораторных условиях отказ, вызванный электромиграцией, можно наблюдать с помощью электронного микроскопа, так как она оставляет заметные следы на слоях ме­таллизации микросхем (рис. 1).

Рис. 1. Разрыв медного проводника в результате электромиграции (фотография, выполненная сканирующим электронным микроскопом)

С повышением степени миниатю­ризации компонентов вероятность от­каза из-за электромиграции увеличи­вается в сверхбольших схемах (VLSI и ULSI), сочетающих высокую удельную мощность с высокой плотностью тока. В современном производстве мик­росхем для создания соединительных проводников вместо меди используют алюминий. Несмотря на повышенную хрупкость, медь предпочтительна из-за лучшей проводимости. Она также менее подвержена электромиграции.

При уменьшении размеров мик­росхемы в k раз, удельная мощность увеличивается во столько же раз, а плотность тока – в к² раз, соответственно возрастает и действие электромиграции.

В современной электронике отказы микросхем из-за электромиграции крайне редки. Это объясняется тем, что при проектировании микросхемы располо­жение ее элементарных структур выбирается с уче­том минимального влияния электромиграции. Отказы грамотно разработанных микросхем возникают чаще всего по другим причинам, например, вследствие об­лучения их пучком гамма-лучей.

Тем не менее, известны случаи выхода микросхем из строя вследствие электромиграции. Так, в конце 80 го­дов в одной из серий жестких дисков для настольных компьютеров, выпущенных компанией Western Digital, че­рез 12-18 месяцев эксплуатации появились массовые отказы. В результате анализа неисправных изделий ин­женеры обнаружили, что микросхема контроллера, изго­товленная другой фирмой, разработана с нарушением правил проектирования. Переход на микросхему другого производителя позволил компании устранить дефект, хо­тя ее репутация при этом несколько пострадала.

Увеличение тактовой частоты процессоров (так называемый “разгон”) при одновременном повыше­нии напряжения питания существенно увеличивает скорость электромиграции, что приводит к сокраще­нию срока службы процессоров.

Электромиграция может быть причиной ухудшения параметров некоторых мощных компонентов, таких, например, как низковольтные КМОП-транзисторы, в которых плотность тока через металлизированную площадку истока (часто изготавливаемую из алюми­ния) во время перегрузки может достичь критического значения. Деградация алюминиевого слоя вызывает увеличение сопротивления открытого транзистора и может, в конечном счете, привести к отказу.

Основные механизмы электромиграции

Срок службы соединительных проводников зави­сит, главным образом, от состава сплава и их разме­ров. Форма проводника, ориентация кристаллов в ме­талле, способ нанесения слоя металла, способы тер­мообработки или отжига, особенности пассивирова­ния и совместимость с другими материалами также влияют на его срок службы. Кроме того, существенное влияние на срок службы проводника оказывает форма протекающего тока (постоянного или переменного).

В процессе электромиграции часть энергии дви­жущихся электронов передается ионам, с которыми они сталкиваются, что заставляет ионы смещаться от­носительно своего исходного положения. С течением времени большое число атомов перемещается доста­точно далеко от своего первоначального положения, в результате чего в проводнике образуется разрыв (рис. 2). Электромиграция является также причиной дрейфа атомов проводника к соседним проводникам, следствием чего может стать образование паразит­ного соединения (короткого замыкания). Каждая из этих ситуаций может привести к отказу.

В толще кристаллов, образующих структуру метал­лического проводника, кристаллическая решетка от­личается высокой симметрией, из-за чего передача импульса механической энергии от движущихся электронов к ионам практически отсутствует. Иная си­туация возникает на границе между кристаллами. Ког­да скорость потока электронов (так называемого “электронного ветра”) превышает некоторый предел, находящиеся на краю решетки атомы отделяются от кристалла и перемещаются в направлении, завися­щем как от направления движения электронов, так и от расположения кристаллов. В алюминии диффузия ма­териала происходит, в основном, вдоль границ между кристаллами, а в меди – по поверхности проводника.

Под действием “электронного ветра” толщина более тонкой части проводника постепенно уменьшается до нуля. h(x) – толщина токоведущей шины, F(x) – плотность тока.

Рис. 2. Изменение профиля металлического проводника в результате электромиграции

Влияние температуры на скорость электромиграции

В идеальном проводнике, в котором атомы нахо­дятся в правильной кристаллической решетке, пере­мещающиеся через нее электроны не испытывают столкновений и электромиграция не возникает. В ре­альных проводниках из-за тепловой вибрации атомов и дефектов в структуре решетки электроны сталкива­ются с атомами, что является причиной возникновения электрического сопротивления. Обычно величина импульса механической энергии, передаваемого электронами, имеющими относительно низкую массу, недостаточна, чтобы выбить атомы из решетки. Одна­ко, при высокой плотности тока, характерной для про­водников современных микросхем (например, СБИС), скорость потока электронов, бомбардирующих атомы, достаточна для возникновения электромиграции.

Скорость электромиграции возрастает при увели­чении плотности тока и температуры проводника.

Учет электромиграции при проектировании микросхем Надежность проводника. Уравнение Блэка

В конце 60 годов J.R. Black предложил эмпириче­скую формулу для оценки MTBF (среднего времени наработки до отказа) проводника с учетом электро­миграции:

MTBF = AJⁿe^Ea/(kT), где:

A – постоянная величина, зависящая от площади се­чения соединительного провода

J – плотность тока

E_a – энергия активации (равная для алюминия 0.7 эВ при распространении в направлении границ между кристаллами)

k – постоянная Больцмана

T- температура

n – показатель степени, обычно равный 2.

Плотность тока и температура являются основны­ми факторами, от которых зависит скорость электро­миграции. Причем, температура проводника вынесе­на в показатель степени, что определяет ее сущест­венное влияние на MTBF проводника. Для достижения требуемой надежности при высокой температуре не­обходимо уменьшать максимальную плотность проте­кающего через него тока.

Материал проводника

Известно, что чистая медь, используемая для ме­таллизации, является более устойчивой к электро­миграции, чем алюминий. При одинаковых требова­ниях к надежности медные проводники могут пропус­тить ток примерно в пять раз больший, чем алюмини­евые. Это объясняется, главным образом, большей энергией активации меди, что является следствием ее высокой электро- и теплопроводности, а также бо­лее высокой температурой ее плавления.

Проводники с “бамбуковой структурой”

Очевидно, что с увеличением ширины проводника уменьшается плотность тока и, как следствие, вероят­ность электромиграции. Однако, если ширина про­водника меньше среднего размера кристалла мате­риала, из которого он выполнен, то его сопротивляе­мость электромиграции увеличивается, несмотря на повышение плотности тока. Это очевидное противо­речие объясняется тем, что границы кристаллов в таких тонких проводниках ориентированы перпендику­лярно ширине проводника. При этом перемещение металла вдоль границ кристаллов исключается, бла­годаря чему уменьшается скорость электромиграции.

Однако ширина таких проводников является слиш­ком малой для аналоговых микросхем, в особенности для цепей питания. В этом случае часто используют про­водники так называемой “бамбуковой структуры”, обра­зуемой вырезанными в них прямоугольными щелями. В таком проводнике ширина отдельных участков между щелями не превышает среднего размера кристалла, в то время как общая ширина проводника выбирается, исхо­дя из величины протекающего через него тока.

Существует минимальный предел длины провод­ника, ниже которого электромиграция в нем не возни­кает. При этом увеличение механических напряжений в проводнике приводит к процессу обратной мигра­ции, уменьшающему или даже компенсирующему перемещение материала проводника к аноду. Этот предел должен учитываться при проектировании испытательного оборудования для исследования электромиграции.

Проектирование переходных отверстий и изгибов проводников

Особое внимание следует уделять переходным от­верстиям, потому что в общем случае допустимая то­ковая нагрузка для переходных отверстий (из вольф­рама) меньше, чем для металлического проводника той же ширины. Поэтому в случае, если необходимо применить несколько переходных отверстий, сущест­венное значение имеет их взаимное расположение таким образом, чтобы обеспечить равенство токов, протекающих через каждое из них.

Также следует обращать внимание на углы изгиба проводников. В частности, необходимо избегать уг­лов изгиба в 90°, так как плотность тока в них значи­тельно выше, чем в проводниках, изогнутых под ту­пым углом (например, 135°).

Электромиграция по-прежнему остается одной из проблем при производстве электронных компонен­тов, поэтому исследования ее влияния на соедини­тельные проводники будут продолжаться.