Elettromigrazione - Electromigration

L'elettromigrazione è dovuta al trasferimento di quantità di moto dagli elettroni che si muovono in un filo

L'elettromigrazione è il trasporto di materiale causato dal movimento graduale degli ioni in un conduttore dovuto al trasferimento di quantità di moto tra elettroni conduttori e atomi metallici diffondenti . L'effetto è importante nelle applicazioni in cui vengono utilizzate densità di corrente continua elevate, come nella microelettronica e nelle strutture correlate. Man mano che la dimensione della struttura nell'elettronica come i circuiti integrati (CI) diminuisce, il significato pratico di questo effetto aumenta.

Storia

Il fenomeno dell'elettromigrazione è noto da oltre 100 anni, essendo stato scoperto dallo scienziato francese Gerardin. L'argomento divenne per la prima volta di interesse pratico alla fine degli anni '60, quando apparvero per la prima volta i circuiti integrati confezionati. I primi circuiti integrati disponibili in commercio si sono guastati in sole tre settimane di utilizzo a causa di un'elettromigrazione incontrollata, il che ha portato a un grande sforzo del settore per correggere questo problema. La prima osservazione dell'elettromigrazione nei film sottili è stata fatta da I. Blech. La ricerca in questo campo è stata sperimentata da numerosi ricercatori in tutto il settore dei semiconduttori alle prime armi . Uno degli studi di ingegneria più importanti è stato eseguito da Jim Black di Motorola , da cui prende il nome l'equazione di Black . A quel tempo, le interconnessioni metalliche nei circuiti integrati erano ancora larghe circa 10 micrometri . Attualmente le interconnessioni sono larghe solo da centinaia a decine di nanometri , il che rende la ricerca sull'elettromigrazione sempre più importante.

Implicazioni pratiche dell'elettromigrazione

Visualizzazione dall'alto dell'elettromigrazione al microscopio elettronico a scansione di una nanocostrizione (larghezza 60 nm) su substrato di ossido di silicio.
Immagine SEM di un guasto causato dall'elettromigrazione in un'interconnessione in rame . La passivazione è stata rimossa mediante incisione con ioni reattivi e acido fluoridrico

L'elettromigrazione riduce l'affidabilità dei chip ( circuiti integrati (CI)). Può causare l'eventuale perdita di collegamenti o il guasto di un circuito. Poiché l'affidabilità è di fondamentale importanza per i viaggi spaziali , scopi militari , sistemi di frenatura antibloccaggio , apparecchiature mediche come i defibrillatori automatici esterni ed è anche importante per i personal computer oi sistemi di intrattenimento domestico, l'affidabilità dei chip (CI) è al centro degli sforzi di ricerca .

A causa della difficoltà di test in condizioni reali, l'equazione di Black viene utilizzata per prevedere la durata di vita dei circuiti integrati. Per utilizzare l'equazione di Black , il componente viene sottoposto a test di durata operativa ad alta temperatura (HTOL). La durata prevista del componente in condizioni reali viene estrapolata dai dati raccolti durante il test.

Sebbene il danno da elettromigrazione alla fine si traduca in un guasto del CI interessato, i primi sintomi sono difetti intermittenti e sono piuttosto difficili da diagnosticare. Poiché alcune interconnessioni si guastano prima di altre, il circuito presenta errori apparentemente casuali, che possono essere indistinguibili da altri meccanismi di guasto (come i danni da scariche elettrostatiche ). In un ambiente di laboratorio, il fallimento dell'elettromigrazione viene prontamente ripreso con un microscopio elettronico, poiché l'erosione di interconnessione lascia segni visivi rivelatori sugli strati metallici del circuito integrato.

Con l'aumento della miniaturizzazione, la probabilità di guasto dovuto all'elettromigrazione aumenta nei circuiti VLSI e ULSI perché aumentano sia la densità di potenza che la densità di corrente. In particolare, le larghezze delle linee continueranno a diminuire nel tempo, così come le aree della sezione trasversale del filo. Anche le correnti sono ridotte a causa delle tensioni di alimentazione inferiori e della riduzione delle capacità di gate. Tuttavia, poiché la riduzione della corrente è limitata dall'aumento delle frequenze, la diminuzione più marcata delle aree della sezione trasversale (rispetto alla riduzione della corrente) darà luogo a maggiori densità di corrente nei circuiti integrati in futuro.

Nei processi di produzione avanzati dei semiconduttori , il rame ha sostituito l' alluminio come materiale di interconnessione preferito. Nonostante la sua maggiore fragilità nel processo di fabbricazione, il rame è preferito per la sua conduttività superiore. È anche intrinsecamente meno suscettibile all'elettromigrazione. Tuttavia, l'elettromigrazione (EM) continua a essere una sfida sempre presente per la fabbricazione di dispositivi, e quindi la ricerca EM per le interconnessioni in rame è in corso (sebbene un campo relativamente nuovo).

Nei moderni dispositivi elettronici di consumo, i circuiti integrati raramente si guastano a causa degli effetti dell'elettromigrazione. Questo perché le corrette pratiche di progettazione dei semiconduttori incorporano gli effetti dell'elettromigrazione nel layout del circuito integrato. Quasi tutte le case di progettazione di circuiti integrati utilizzano strumenti EDA automatizzati per controllare e correggere i problemi di elettromigrazione a livello di layout dei transistor. Quando viene utilizzato entro la temperatura e l'intervallo di tensione specificati dal produttore, è più probabile che un dispositivo IC adeguatamente progettato si guasti per altre cause (ambientali), come il danno cumulativo dovuto al bombardamento di raggi gamma .

Tuttavia, sono stati documentati casi di guasto del prodotto dovuti all'elettromigrazione. Alla fine degli anni '80, una linea di unità desktop Western Digital ha subito un guasto diffuso e prevedibile 12-18 mesi dopo l'utilizzo sul campo. Utilizzando l'analisi forense delle unità difettose restituite, gli ingegneri hanno identificato regole di progettazione improprie nel controller IC di un fornitore di terze parti. Sostituendo il componente difettoso con quello di un altro fornitore, WD è stata in grado di correggere il difetto, ma non prima di un danno significativo alla reputazione dell'azienda.

L'elettromigrazione dovuta a processi di fabbricazione inadeguati è stata una causa significativa di guasti ai circuiti integrati sui computer di casa Commodore durante gli anni '80. Durante il 1983, il computer Commodore 64 per un certo periodo ha avuto un tasso di restituzione dei clienti quasi del 50%.

L'elettromigrazione può essere una causa di degrado in alcuni dispositivi semiconduttori di potenza come i MOSFET di potenza a bassa tensione , in cui la corrente laterale attraverso la metallizzazione del contatto della sorgente (spesso alluminio) può raggiungere le densità di corrente critiche in condizioni di sovraccarico. La degradazione dello strato di alluminio provoca un aumento della resistenza allo stato attivo e può eventualmente portare al completo fallimento.

Fondamenti

Le proprietà dei materiali delle interconnessioni metalliche hanno una forte influenza sulla durata. Le caratteristiche sono prevalentemente la composizione della lega metallica e le dimensioni del conduttore. La forma del conduttore, l'orientamento cristallografico dei grani nel metallo, le procedure per la deposizione dello strato, il trattamento termico o la ricottura , le caratteristiche della passivazione e l'interfaccia con altri materiali influenzano anche la durata delle interconnessioni. Esistono anche differenze importanti con la corrente dipendente dal tempo: la corrente continua o diverse forme d'onda di corrente alternata causano effetti diversi.

Forza gli ioni in un campo elettrico

Due forze influenzano gli atomi ionizzati in un conduttore: 1) La forza elettrostatica diretta F e , come risultato del campo elettrico , che ha la stessa direzione del campo elettrico, e 2) La forza dallo scambio di quantità di moto con altri portatori di carica F p , verso il flusso dei portatori di carica, è nella direzione opposta al campo elettrico. Nei conduttori metallici F p è causato da un cosiddetto "vento di elettroni" o " vento di ioni ".

La forza risultante F res su uno ione attivato nel campo elettrico può essere scritta come


dove è la carica elettrica degli ioni e le valenze corrispondenti rispettivamente alla forza elettrostatica e del vento, la cosiddetta valenza effettiva del materiale, la densità di corrente e la resistività del materiale. L'elettromigrazione si verifica quando parte della quantità di moto di un elettrone in movimento viene trasferita a uno ione attivato nelle vicinanze. Ciò fa sì che lo ione si sposti dalla sua posizione originale. Nel tempo questa forza fa cadere un numero significativo di atomi lontano dalle loro posizioni originali. Una rottura o uno spazio vuoto può svilupparsi nel materiale conduttore, impedendo il flusso di elettricità. Nei conduttori di interconnessione stretti, come quelli che collegano transistor e altri componenti nei circuiti integrati, questo è noto come vuoto o guasto interno ( circuito aperto ). L'elettromigrazione può anche causare l'accumulo di atomi di un conduttore e la deriva verso altri conduttori vicini, creando una connessione elettrica involontaria nota come guasto di una collinetta o guasto dei baffi ( cortocircuito ). Entrambe queste situazioni possono portare a un malfunzionamento del circuito.

Meccanismi di fallimento

Meccanismi di diffusione

In una struttura cristallina omogenea, a causa della struttura reticolare uniforme degli ioni metallici, non vi è quasi alcun trasferimento di quantità di moto tra gli elettroni di conduzione e gli ioni metallici. Tuttavia, questa simmetria non esiste ai bordi dei grani e alle interfacce materiali, e quindi qui la quantità di moto viene trasferita molto più vigorosamente. Poiché gli ioni metallici in queste regioni sono legati più debolmente che in un reticolo cristallino regolare, una volta che il vento dell'elettrone ha raggiunto una certa forza, gli atomi si separano dai bordi del grano e vengono trasportati nella direzione della corrente. Questa direzione è anche influenzata dal bordo del grano stesso, perché gli atomi tendono a muoversi lungo i bordi del grano.

I processi di diffusione causati dall'elettromigrazione possono essere suddivisi in diffusione al bordo del grano, diffusione in massa e diffusione superficiale. In generale, la diffusione ai bordi dei grani è il principale processo di elettromigrazione nei fili di alluminio, mentre la diffusione superficiale è dominante nelle interconnessioni in rame.

Effetti termici

In un conduttore ideale, dove gli atomi sono disposti in una struttura reticolare perfetta , gli elettroni che si muovono attraverso di esso non subirebbero collisioni e non si verificherebbe l'elettromigrazione. Nei conduttori reali, i difetti nella struttura reticolare e la vibrazione termica casuale degli atomi attorno alle loro posizioni fanno sì che gli elettroni entrino in collisione con gli atomi e si disperdano , che è la fonte della resistenza elettrica (almeno nei metalli; vedi conduzione elettrica ). Normalmente, la quantità di quantità di moto impartita dagli elettroni di massa relativamente bassa non è sufficiente per spostare permanentemente gli atomi. Tuttavia, in situazioni ad alta potenza (come con l'aumento dell'assorbimento di corrente e la diminuzione delle dimensioni dei cavi nei moderni microprocessori VLSI ), se molti elettroni bombardano gli atomi con una forza sufficiente per diventare significativi, ciò accelererà il processo di elettromigrazione provocando gli atomi di il conduttore a vibrare ulteriormente dalle loro posizioni reticolari ideali, aumentando la quantità di dispersione degli elettroni . L'alta densità di corrente aumenta il numero di elettroni che si disperdono contro gli atomi del conduttore, e quindi la velocità con cui questi atomi vengono spostati.

Nei circuiti integrati, l'elettromigrazione non avviene direttamente nei semiconduttori , ma nelle interconnessioni metalliche su di essi depositate (vedere fabbricazione di dispositivi semiconduttori ).

L'elettromigrazione è esacerbata dalle alte densità di corrente e dal riscaldamento Joule del conduttore (vedi resistenza elettrica ), e può portare ad eventuali guasti dei componenti elettrici. L'aumento localizzato della densità di corrente è noto come affollamento di corrente .

Equilibrio della concentrazione dell'atomo

Un'equazione dominante che descrive l'evoluzione della concentrazione di atomi in alcuni segmenti di interconnessione è l'equazione convenzionale di bilancio di massa (continuità)

dove è la concentrazione dell'atomo nel punto con coordinate al momento del tempo , ed è il flusso atomico totale in questa posizione. Il flusso atomico totale è una combinazione dei flussi causati dalle diverse forze di migrazione dell'atomo. Le forze maggiori sono indotte dalla corrente elettrica e dai gradienti di temperatura, sollecitazione meccanica e concentrazione. .

Per definire i flussi di cui sopra:

. Ecco la carica dell'elettrone , è la carica effettiva dell'atomo che migra, la resistività del conduttore dove avviene la migrazione dell'atomo, è la densità di corrente locale, è la costante di Boltzmann , è la temperatura assoluta . è la diffusività dell'atomo dipendente dal tempo e dalla posizione.
. Usiamo il calore della diffusione termica.
ecco il volume atomico ed è la concentrazione atomica iniziale , è lo stress idrostatico e sono le componenti dello stress principale.
.

Assumendo un meccanismo di vacancy per la diffusione degli atomi possiamo esprimere in funzione dello stress idrostatico dov'è l'effettiva energia di attivazione della diffusione termica degli atomi metallici. La concentrazione di posti vacanti rappresenta la disponibilità di siti reticolari vuoti, che potrebbero essere occupati da un atomo in migrazione.

Design sensibile all'elettromigrazione

Affidabilità dell'elettromigrazione di un filo (equazione di Black)

Alla fine degli anni '60 JR Black ha sviluppato un modello empirico per stimare l' MTTF (tempo medio di rottura) di un filo, prendendo in considerazione l'elettromigrazione. Da allora, la formula ha guadagnato popolarità nel settore dei semiconduttori:

Ecco una costante basata sull'area della sezione trasversale dell'interconnessione, è la densità di corrente, è l' energia di attivazione (ad es. 0,7 eV per la diffusione del bordo del grano in alluminio), è la costante di Boltzmann , è la temperatura in kelvin e un ridimensionamento fattore (di solito impostato su 2 in base al nero). La temperatura del conduttore appare nell'esponente, cioè influenza fortemente l'MTTF dell'interconnessione. Affinché un'interconnessione di una data struttura rimanga affidabile all'aumentare della temperatura, la densità di corrente all'interno del conduttore deve essere ridotta. Tuttavia, con l'avanzare della tecnologia di interconnessione su scala nanometrica, la validità dell'equazione di Black diventa sempre più discutibile.

Materiale del filo

Storicamente, l'alluminio è stato utilizzato come conduttore nei circuiti integrati, grazie alla sua buona aderenza al substrato, buona conduttività e capacità di formare contatti ohmici con il silicio. Tuttavia, l'alluminio puro è suscettibile all'elettromigrazione. La ricerca mostra che l'aggiunta del 2-4% di rame all'alluminio aumenta la resistenza all'elettromigrazione di circa 50 volte. L'effetto è attribuito alla segregazione del rame al bordo del grano, che inibisce notevolmente la diffusione degli atomi di alluminio attraverso i bordi del grano.

I fili di rame puro possono sopportare una densità di corrente circa cinque volte superiore rispetto ai fili di alluminio, pur mantenendo requisiti di affidabilità simili. Ciò è dovuto principalmente ai livelli di energia di attivazione dell'elettromigrazione più elevati del rame, causati dalla sua conduttività elettrica e termica superiore e dal suo punto di fusione più elevato. Ulteriori miglioramenti possono essere ottenuti legando il rame con circa l'1% di palladio che inibisce la diffusione degli atomi di rame lungo i bordi dei grani allo stesso modo dell'aggiunta di rame all'interconnessione di alluminio.

Struttura in bambù e asole in metallo

Un filo più largo si traduce in una minore densità di corrente e, quindi, meno probabilità di elettromigrazione. Inoltre, la dimensione del grano del metallo ha un'influenza; i grani più piccoli, i bordi più grani e la maggiore probabilità di effetti di elettromigrazione. Tuttavia, se si riduce la larghezza del filo al di sotto della dimensione media dei grani del materiale del filo, i bordi dei grani diventano "trasversali", più o meno perpendicolari alla lunghezza del filo. La struttura risultante ricorda le articolazioni di uno stelo di bambù. Con una tale struttura, la resistenza all'elettromigrazione aumenta, nonostante un aumento della densità di corrente. Questa apparente contraddizione è causata dalla posizione perpendicolare dei bordi del grano; il fattore di diffusione al contorno è escluso e il trasporto di materiale è ridotto corrispondentemente.

Tuttavia, la larghezza massima del filo possibile per una struttura in bambù è solitamente troppo stretta per linee di segnale di correnti di grande ampiezza in circuiti analogici o per linee di alimentazione. In queste circostanze, vengono spesso utilizzati fili scanalati, per cui i fori rettangolari sono scolpiti nei fili. Qui, le larghezze delle singole strutture metalliche tra le fessure si trovano all'interno dell'area di una struttura di bambù, mentre la larghezza totale risultante di tutte le strutture metalliche soddisfa i requisiti di alimentazione.

Lunghezza blech

Esiste un limite inferiore per la lunghezza dell'interconnessione che consentirà una maggiore capacità di trasporto di corrente. È noto come "lunghezza Blech". Qualsiasi filo di lunghezza inferiore a questo limite avrà un limite allungato per l'elettromigrazione. In questo caso, un accumulo di sollecitazioni meccaniche provoca un processo di riflusso degli atomi che riduce o addirittura compensa l'effettivo flusso di materiale verso l'anodo. La lunghezza Blech deve essere considerata quando si progettano strutture di prova per valutare l'elettromigrazione. Questa lunghezza minima è tipicamente di qualche decina di micron per le tracce del chip e le interconnessioni più brevi di questa sono a volte indicate come "elettromigrazione immortale"

Tramite arrangiamenti e curve d'angolo

Particolare attenzione deve essere prestata alle vie e ai fori di contatto. La capacità di trasporto di corrente di una via è molto inferiore a quella di un filo metallico della stessa lunghezza. Quindi vengono spesso utilizzate più vie, per cui la geometria dell'array via è molto significativa: più vie devono essere organizzate in modo tale che la corrente risultante sia distribuita il più uniformemente possibile attraverso tutte le vie.

Occorre prestare attenzione anche alle curve nelle interconnessioni. In particolare, devono essere evitate le curve d'angolo di 90 gradi, poiché la densità di corrente in tali curve è significativamente maggiore di quella negli angoli obliqui (ad esempio 135 gradi).

Elettromigrazione nei giunti di saldatura

La densità di corrente tipica alla quale avviene l'elettromigrazione nelle interconnessioni Cu o Al è compresa tra 10 6 e 10 7 A / cm 2 . Per i giunti di saldatura (SnPb o SnAgCu senza piombo) utilizzati nei chip IC, tuttavia, l'elettromigrazione si verifica a densità di corrente molto inferiori, ad esempio 10 4 A / cm 2 . Provoca un trasporto di atomi netti lungo la direzione del flusso di elettroni. Gli atomi si accumulano all'anodo, mentre i vuoti vengono generati al catodo e durante l'elettromigrazione viene indotto uno stress posteriore. Il tipico guasto di un giunto di saldatura dovuto all'elettromigrazione si verificherà sul lato catodico. A causa dell'attuale effetto di affollamento, i vuoti si formano prima agli angoli del giunto di saldatura. Quindi i vuoti si estendono e si uniscono per causare un fallimento. L'elettromigrazione influenza anche la formazione di composti intermetallici , poiché le velocità di migrazione sono una funzione della massa atomica.

Elettromigrazione e tecnologia computer aided design

Il modello matematico completo che descrive l'elettromigrazione è costituito da diverse equazioni alle derivate parziali (PDE) che devono essere risolte per domini geometrici tridimensionali che rappresentano segmenti di una struttura di interconnessione. Un tale modello matematico costituisce la base per la simulazione dell'elettromigrazione negli strumenti della moderna tecnologia di progettazione assistita da computer (TCAD). L'uso degli strumenti TCAD per indagini dettagliate sulla degradazione delle interconnessioni indotta dall'elettromigrazione sta acquistando importanza. I risultati degli studi TCAD in combinazione con i test di affidabilità portano alla modifica delle regole di progettazione migliorando la resistenza di interconnessione all'elettromigrazione.

Elettromigrazione dovuta al rumore di caduta IR della rete / interconnessione della rete elettrica su chip

Il degrado dell'elettromigrazione della rete / interconnessione della rete elettrica su chip dipende dal rumore di caduta IR dell'interconnessione alla rete elettrica. La durata sensibile all'elettromigrazione delle interconnessioni della rete elettrica e del chip diminuisce se il chip soffre di un valore elevato del rumore di caduta IR.


Modello di apprendimento automatico per la previsione MTTF in grado di riconoscere l'elettromigrazione

Un lavoro recente dimostra la previsione MTTF utilizzando un modello di apprendimento automatico. Il lavoro utilizza un approccio di apprendimento supervisionato basato su rete neurale con densità di corrente, lunghezza di interconnessione, temperatura di interconnessione come caratteristiche di input per il modello.

Nanogap elettromigrati

I nanogap elettromigrati sono lacune formate in ponti metallici formati dal processo di elettromigrazione. Un contatto di dimensioni nanometriche formato dall'elettromigrazione agisce come una guida d'onda per gli elettroni. Il nanocontatto agisce essenzialmente come un filo unidimensionale con una conduttanza di . La corrente in un filo è la velocità degli elettroni moltiplicata per la carica e il numero per unità di lunghezza, o . Questo dà una conduttanza di . Nei ponti su nanoscala la conduttanza cade in passi discreti di multipli della conduttanza quantistica .

I nanogap elettromigrati hanno mostrato una grande promessa come elettrodi in uso nell'elettronica su scala molecolare. I ricercatori hanno utilizzato l' elettromigrazione controllata dal feedback per studiare la magnetoresistenza di una valvola di spin quantistica .

Standard di riferimento

  • Standard EIA / JEDEC EIA / JESD61 : procedura di test di elettromigrazione isotermica.
  • Standard EIA / JEDEC EIA / JESD63 : metodo standard per il calcolo dei parametri del modello di elettromigrazione per densità di corrente e temperatura.

Guarda anche

Note e riferimenti

Ulteriore lettura

Libri

link esterno

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