Electromigrarea

Electromigrarea este un transport particular al materiei , reprezentat de mișcarea treptată a ionilor într-un conductor datorită transferului de impuls între electronii de conducție și atomii de metal difuzi. Acest efect este important în aplicațiile în care sunt utilizate densități mari de curent , cum ar fi în microelectronică . Efectul electromigrării crește pe măsură ce scade dimensiunea circuitelor integrate și a altor componente electronice.

Istorie

Fenomenul electromigrării este cunoscut de mai bine de 100 de ani, fiind descoperit de omul de știință francez Gerardin ^[1] . În 1966, când primele circuite integrate au devenit disponibile comercial, problema electromigrării a devenit de interes practic. Cercetările în acest domeniu au fost dezvoltate de un număr mare de oameni de știință din industria nașterii semiconductoarelor. Unul dintre cele mai importante studii de inginerie a fost realizat de Jim Black de la Motorola, de unde și numele ecuației lui Black. La acea vreme, interconectările metalice din circuitele integrate aveau o lățime de aproximativ 10 micrometri. În prezent, acestea au o lățime cuprinsă între câteva sute și câteva zeci de nanometri, ceea ce face din ce în ce mai importantă cercetarea privind electromigrarea.

Implicații practice ale electromigrării

Imagine SEM a unei defecțiuni cauzate de electromigrare într-o interconectare de cupru.

Electromigrarea scade fiabilitatea circuitelor integrate. În cel mai rău caz, duce la pierderea uneia sau mai multor conexiuni și la defecțiuni intermitente ale întregului circuit.

Datorită duratei de viață relativ lungi a interconectărilor și a ciclului de viață scurt al majorității circuitelor IC de consum, nu este practic să caracterizăm electromigrarea într-un produs în condiții reale de funcționare. Pentru a prezice durata de viață a interconectărilor în circuite integrate sub tensiune, cum ar fi încălzirea externă sau densitatea crescută a curentului, se folosește de obicei o ecuație matematică, ecuația Negru, din care este posibil să extrapolăm valoarea așteptată a duratei de viață a unui dispozitiv care funcționează în condiții normale de funcționare. Acest tip de test este cunoscut sub numele de HTOL (Durată de funcționare la temperatură ridicată).

Deși rezultatul final al electromigrării în circuitele integrate este eșecul lor, primele simptome sunt erori intermitente care sunt dificil de diagnosticat. Deoarece unele interconectări eșuează mai repede decât altele, circuitul aparent prezintă erori aleatorii, care pot fi indistincte de alte mecanisme de defecțiune (cum ar fi deteriorarea descărcării electrostatice). În laborator, eșecul electromigrării poate fi vizualizat cu un microscop electronic, deoarece eroziunea interconectării lasă urme vizibile pe straturile metalice ale circuitului integrat.

Pe măsură ce miniaturizarea crește, probabilitatea eșecului electromigrării crește în circuitele VLSI și ULSI pe măsură ce densitatea de putere și densitatea de curent cresc. În procesele tehnologice avansate, cuprul a înlocuit aluminiul ca material pentru realizarea interconectărilor. În ciuda fragilității sale ridicate, cuprul este preferabil datorită conductivității sale mai mari. Este, de asemenea, inerent mai puțin susceptibil la electromigrare, care rămâne încă o provocare mereu prezentă în fabricarea dispozitivelor integrate, prin urmare cercetările privind interconectările de cupru în ceea ce privește electromigrarea sunt încă în curs.

O scalare tehnologică cu un factor k crește densitatea de putere cu un factor k și densitatea de curent cu un factor k ² , prin urmare fenomenul electromigrării este clar întărit.

În dispozitivele electronice moderne de consum, circuitele integrate rareori cedează din cauza electromigrării. Acest lucru se datorează faptului că tehnicile de proiectare actuale iau în considerare efectele electromigrării în aspectul dispozitivelor. Aproape toate companiile de proiectare IC folosesc instrumente de proiectare automată pentru a verifica și corecta problemele de electromigrare la nivelul de aspect al tranzistorului. Un dispozitiv integrat proiectat corect și care funcționează în condițiile de funcționare specificate de producător în ceea ce privește tensiunea și temperatura, este supus unor defecțiuni în principal din alte cauze (de mediu), cum ar fi daunele cumulative cauzate de bombardamentul cu raze gamma.

În ciuda acestui fapt, au fost documentate cazuri de eșec al produselor din cauza electromigrării. La sfârșitul anilor 1980, o linie de unități de desktop Western Digital se așteptau la perioade de eșec de 12-18 luni după utilizarea pe teren. Analizând unitățile returnate, inginerii au identificat reguli de proiectare defecte în controlerul integrat al unui furnizor. Prin înlocuirea componentei cu una de la un alt furnizor, Western Digital a reușit să corecteze defectul, dar fără a evita deteriorarea semnificativă a reputației companiei.

Electromigrarea poate fi cauza degradării unor dispozitive semiconductoare de putere, cum ar fi MOSFET-urile de joasă tensiune, unde fluxul de curent lateral prin metalizarea sursei (adesea aluminiu) poate atinge densitatea critică a curentului în condiții de suprasarcină. Degradarea stratului de aluminiu determină o creștere a rezistenței MOSFET conducător și poate duce în cele din urmă la defectarea dispozitivului.

Elemente fundamentale

Proprietățile materiale ale unei interconectări metalice au o influență puternică asupra durabilității sale. Cele mai importante caracteristici sunt compoziția aliajului metalic și dimensiunea conductorului. Forma conductorului, orientarea cristalografică a boabelor din metal, procedurile de depunere a straturilor, tratamentele termice sau recoacerea, caracteristicile pasivării și interfețele cu alte materiale afectează, de asemenea, durata interconexiunilor. Există, de asemenea, diferențe majore în ceea ce privește dacă interconectarea este traversată de curent continuu sau curent alternativ, care produc diferite tipuri de efecte.

Forțe asupra ionilor într-un câmp electric

Două forțe acționează asupra unui atom ionizat într-un conductor:

forța electrostatică directă F _e , care este rezultatul câmpului electric și, prin urmare, are aceeași direcție.
puterea relativă la schimbul momentului cu alți purtători de sarcină F _p , care arată fluxul purtătorilor.

Într-un conductor metalic, F _p este determinat de așa-numitul „vânt electronic” sau „vânt ionic”.

Forța rezultată F _res pe un ion activ din câmpul electric se menține

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

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

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

unde Z ^* este valența efectivă a ionilor metalici, E este câmpul electric care poate fi rescris prin legea lui Ohm, cu rezistivitatea ρ a metalului și densitatea de curent j .

Electromigrarea are loc atunci când o parte a impulsului unui electron în mișcare este transferată către un ion activ din apropiere. Acest lucru face ca ionul să se deplaseze din poziția sa inițială. În timp, această forță îndepărtează un număr semnificativ de atomi de pozițiile lor inițiale. În acest fel, se poate forma o întrerupere sau un decalaj într-un material conductiv, care se opune trecerii curentului. În interconectările strânse, cum ar fi conectarea tranzistoarelor sau a altor componente ale unui circuit integrat, se vorbește despre un vid (circuit deschis). Electromigrarea poate provoca, de asemenea, acumularea de atomi, iar materialul se poate apropia de alți conductori din apropiere, creând o conexiune electrică nedorită numită deal sau wisker (scurtcircuit). Ambele situații pot duce la defecțiuni ale circuitului.

Electromigrarea într-un cip

Un overclock mărește frecvența de funcționare a componentei în cauză prin creșterea proporțională a rezistenței sale: pentru a evita fenomenul care ar urma (tensiuni de prag prea mici pentru a activa, de exemplu, modificările stării tranzistorului utilizate în cip), este utilizat pentru a crește tensiunea de alimentare a componentei cu o procedură numită Overvolt .

Inevitabil, puterea globală utilizată de componentă crește cu o creștere consecventă a energiei termice generate și, prin urmare, a temperaturii: și tocmai creșterea temperaturii este factorul declanșator al electromigrării. De obicei fenomenul se manifestă brusc și rezultatul este un cip care nu mai este funcțional și nici recuperabil.