薄膜互連線(xiàn)形狀參數(shù)對(duì)電遷移的影響

黃 飛，丁善婷，李婳婧

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

隨著熱光效應(yīng)可調(diào)光衰減器VOA（Variable Optical Attenuator）的廣泛應(yīng)用，其可靠性得到了越來(lái)越多的關(guān)注。加熱器芯片作為VOA器件的核心部件，其失效將影響整個(gè)器件的正常工作。通過(guò)BLACK方程和相關(guān)理論［1－2］可知，加熱芯片的失效主要是因金屬薄膜互連線(xiàn)的電遷移失效造成的。然而除環(huán)境溫度和加載電流等因素的影響外，互連線(xiàn)的形狀參數(shù)也會(huì)對(duì)其壽命產(chǎn)生影響。本文主要針對(duì)加熱模塊中金屬薄膜互連線(xiàn)的形狀參數(shù)對(duì)其壽命的影響進(jìn)行研究。使用恒流源對(duì)試驗(yàn)樣品施加恒定電流，實(shí)時(shí)監(jiān)控樣品的電壓值，計(jì)算樣品的電阻變化率，進(jìn)而得到影響互連線(xiàn)壽命的形狀參數(shù)，由此提出產(chǎn)品優(yōu)化方案。

1 試驗(yàn)

互連線(xiàn)是VOA器件加熱模塊的重要組成部分，本身可靠性較高。如果在正常條件下進(jìn)行壽命試驗(yàn)，周期長(zhǎng)，成本高。而根據(jù)相關(guān)理論［3］可知，隨著環(huán)境溫度的升高和加載電流的增加，互連線(xiàn)的使用壽命將會(huì)有所下降。因此在不改變失效機(jī)理的前提下，使用較高水平的應(yīng)力條件，不僅能降低試驗(yàn)周期和成本，還能得到較理想的試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)前期試驗(yàn)的結(jié)果和樣品的物理化學(xué)性質(zhì)，選取環(huán)境溫度150℃，加載電流500mA，進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示?；ミB線(xiàn)樣品放置在恒溫試驗(yàn)箱（保持環(huán)境溫度為150℃）中進(jìn)行加電試驗(yàn)，使用恒流源給樣品施加恒定電流500mA，實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓值變化。此系統(tǒng)在不中斷試驗(yàn)的情況下，能夠?qū)崟r(shí)獲取電壓的變化，通過(guò)歐姆定律可以直觀(guān)和準(zhǔn)確地獲得互連線(xiàn)的失效規(guī)律。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 試驗(yàn)樣品

根據(jù)相關(guān)要求，薄膜互連線(xiàn)由Au制作而成，使用Si片作為襯底，Si片上涂覆SiO2薄膜作為絕緣層。圖2a所示為VOA加熱模塊的實(shí)物圖，由10根相同的Au薄膜互連線(xiàn)組成，每根互連線(xiàn)相互獨(dú)立，不受影響。在設(shè)計(jì)樣品掩膜板時(shí)，由于本試驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)的特殊性，為了試驗(yàn)的方便和結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)實(shí)際樣品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)簡(jiǎn)化試驗(yàn)樣品（圖2b）。

圖2 試驗(yàn)樣品

2 討論

電遷移失效是Au薄膜互連線(xiàn)的主要失效機(jī)理，將引起互連線(xiàn)局部材料因耗損而出現(xiàn)空洞，或引起材料堆積而出現(xiàn)小丘或晶須，最終導(dǎo)致突變失效，嚴(yán)重影響互連線(xiàn)的壽命。

2.1 外觀(guān)變化

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，得到各個(gè)結(jié)構(gòu)的互連線(xiàn)失效圖（圖3）。由圖3中可觀(guān)察到三種樣品出現(xiàn)了相同的外觀(guān)變化:都出現(xiàn)熔斷且橫貫整個(gè)互連線(xiàn)，而且熔斷位置均出現(xiàn)在互連線(xiàn)與電極連接的圓弧區(qū)域附近。

圖3 互連線(xiàn)外觀(guān)變化

2.2 壽命

試驗(yàn)完成后，對(duì)每一種樣品的多個(gè)樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化處理（圖4a）。由圖4a可知，不同形狀參數(shù)樣品壽命的曲線(xiàn)趨勢(shì)均由快速增長(zhǎng)階段、穩(wěn)定階段以及加劇失效階段這三個(gè)階段組成，而且這三個(gè)階段的壽命曲線(xiàn)與文獻(xiàn)［4-5］關(guān)于銅薄膜互連線(xiàn)電遷移的失效規(guī)律基本一致。試驗(yàn)中使用的三個(gè)形狀參數(shù)0.3mm、0.5mm、0.7mm 互連線(xiàn)的壽命分別為120h，158h和218h。由圖4b可知，隨著形狀參數(shù)的增加，互連線(xiàn)的壽命相應(yīng)增加。

圖4 不同形狀參數(shù)互連線(xiàn)的壽命曲線(xiàn)

3 分析與結(jié)論

在試驗(yàn)前，使用的試驗(yàn)樣品經(jīng)檢查沒(méi)有出現(xiàn)破損或斷裂等情況，完全符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)樣品所需。在環(huán)境溫度為150℃、加載電流為500mA的試驗(yàn)條件下，進(jìn)行壽命加速試驗(yàn)后，試驗(yàn)樣品均出現(xiàn)熔斷且壽命曲線(xiàn)走勢(shì)基本一致。

1）電遷移一般發(fā)生互在連線(xiàn)與電極連接的圓弧區(qū)。試驗(yàn)樣品均出現(xiàn)熔斷且失效位置相同。這是由于試驗(yàn)中電遷移致使原子發(fā)生遷移，隨著原子遷移不斷累積并會(huì)形成空洞，最終橫貫整個(gè)互連線(xiàn)致使電路開(kāi)路；熔斷位置均出現(xiàn)在溫度梯度最大處［6－7］，而本樣品的溫度梯度最大處正是互連線(xiàn)與電極連接的圓弧區(qū)，所以此處會(huì)出現(xiàn)熔斷。

2）互連線(xiàn)失效壽命取決于穩(wěn)定階段持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短。樣品剛開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，由于環(huán)境溫度上升和電流加載產(chǎn)生大量的焦耳熱使薄膜互連線(xiàn)溫度上升，從而導(dǎo)致電阻也隨之上升，且隨著時(shí)間的推移電阻逐漸趨于穩(wěn)定。在應(yīng)力作用下，空洞逐步積累致使互連線(xiàn)電阻緩慢增長(zhǎng)或基本不增長(zhǎng)，這也是缺陷逐漸積累的過(guò)程；最后在經(jīng)過(guò)穩(wěn)定階段長(zhǎng)時(shí)間的高溫和強(qiáng)電流作用下，空洞已經(jīng)增大到與金屬線(xiàn)寬度相當(dāng)?shù)某潭?，致使互連線(xiàn)電阻迅速上升，并快速發(fā)生失效。

3）互連線(xiàn)的壽命與其形狀參數(shù)有關(guān)。即互連線(xiàn)與電極連接處的圓弧半徑越大，互連線(xiàn)的壽命越長(zhǎng)，且變化規(guī)律與電遷移理論相一致。

［1］ 尹立孟，張新平.電子封裝微互連中的電遷移［J］.電子學(xué)報(bào)，2008，36（08）:1610-1614.

［2］ Black J R.Electromigration failure modes in aluminum metallization for semiconductor devices［J］.Proceedings of the IEEE ，1969 ，57（09）:198-203.

［4］ Black J R.Electromigration-a brief survey and some recent results［J］.IEEE Transactions on Electronic Devices，1969，16（04）:338-347.

［5］ 盧秋明.金屬互連線(xiàn)的可靠性研究［D］.上海:復(fù)旦大學(xué)，2009.

［6］ Schwarzenberger A P，Ross C A，Evetts J E，et al.Electromigration in the presence of a temperature gradient:experimental study and modeling［J］.Journal of Electronic Materials，1988，17（05）:473-478.

［7］ Nguyen H V，Salm C，Krabbenborg B，et al.Effect of thermal gradients on the electromigration lifetime in power electronics［C］.IEEE 42nd Annual International Reliability Physics Symposium，2004:619-620.