薄膜互连线形状参数对电迁移的影响

黄 飞，丁善婷，李婳婧

（湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉430068）

随着热光效应可调光衰减器VOA（Variable Optical Attenuator）的广泛应用，其可靠性得到了越来越多的关注。加热器芯片作为VOA器件的核心部件，其失效将影响整个器件的正常工作。通过BLACK方程和相关理论［1－2］可知，加热芯片的失效主要是因金属薄膜互连线的电迁移失效造成的。然而除环境温度和加载电流等因素的影响外，互连线的形状参数也会对其寿命产生影响。本文主要针对加热模块中金属薄膜互连线的形状参数对其寿命的影响进行研究。使用恒流源对试验样品施加恒定电流，实时监控样品的电压值，计算样品的电阻变化率，进而得到影响互连线寿命的形状参数，由此提出产品优化方案。

1 试验

互连线是VOA器件加热模块的重要组成部分，本身可靠性较高。如果在正常条件下进行寿命试验，周期长，成本高。而根据相关理论［3］可知，随着环境温度的升高和加载电流的增加，互连线的使用寿命将会有所下降。因此在不改变失效机理的前提下，使用较高水平的应力条件，不仅能降低试验周期和成本，还能得到较理想的试验结果。通过前期试验的结果和样品的物理化学性质，选取环境温度150℃，加载电流500mA，进行试验。

1.1 试验设计

试验设计如图1所示。互连线样品放置在恒温试验箱（保持环境温度为150℃）中进行加电试验，使用恒流源给样品施加恒定电流500mA，实时监控电压值变化。此系统在不中断试验的情况下，能够实时获取电压的变化，通过欧姆定律可以直观和准确地获得互连线的失效规律。

图1 试验系统结构图

1.2 试验样品

根据相关要求，薄膜互连线由Au制作而成，使用Si片作为衬底，Si片上涂覆SiO2薄膜作为绝缘层。图2a所示为VOA加热模块的实物图，由10根相同的Au薄膜互连线组成，每根互连线相互独立，不受影响。在设计样品掩膜板时，由于本试验样品结构的特殊性，为了试验的方便和结果的准确性，根据实际样品的结构特点简化试验样品（图2b）。

图2 试验样品

2 讨论

电迁移失效是Au薄膜互连线的主要失效机理，将引起互连线局部材料因耗损而出现空洞，或引起材料堆积而出现小丘或晶须，最终导致突变失效，严重影响互连线的寿命。

2.1 外观变化

经过试验，得到各个结构的互连线失效图（图3）。由图3中可观察到三种样品出现了相同的外观变化:都出现熔断且横贯整个互连线，而且熔断位置均出现在互连线与电极连接的圆弧区域附近。

图3 互连线外观变化

2.2 寿命

试验完成后，对每一种样品的多个样本试验数据实施标准化处理（图4a）。由图4a可知，不同形状参数样品寿命的曲线趋势均由快速增长阶段、稳定阶段以及加剧失效阶段这三个阶段组成，而且这三个阶段的寿命曲线与文献［4-5］关于铜薄膜互连线电迁移的失效规律基本一致。试验中使用的三个形状参数0.3mm、0.5mm、0.7mm 互连线的寿命分别为120h，158h和218h。由图4b可知，随着形状参数的增加，互连线的寿命相应增加。

图4 不同形状参数互连线的寿命曲线

3 分析与结论

在试验前，使用的试验样品经检查没有出现破损或断裂等情况，完全符合实验设计样品所需。在环境温度为150℃、加载电流为500mA的试验条件下，进行寿命加速试验后，试验样品均出现熔断且寿命曲线走势基本一致。

1）电迁移一般发生互在连线与电极连接的圆弧区。试验样品均出现熔断且失效位置相同。这是由于试验中电迁移致使原子发生迁移，随着原子迁移不断累积并会形成空洞，最终横贯整个互连线致使电路开路；熔断位置均出现在温度梯度最大处［6－7］，而本样品的温度梯度最大处正是互连线与电极连接的圆弧区，所以此处会出现熔断。

2）互连线失效寿命取决于稳定阶段持续时间的长短。样品刚开始试验时，由于环境温度上升和电流加载产生大量的焦耳热使薄膜互连线温度上升，从而导致电阻也随之上升，且随着时间的推移电阻逐渐趋于稳定。在应力作用下，空洞逐步积累致使互连线电阻缓慢增长或基本不增长，这也是缺陷逐渐积累的过程；最后在经过稳定阶段长时间的高温和强电流作用下，空洞已经增大到与金属线宽度相当的程度，致使互连线电阻迅速上升，并快速发生失效。

3）互连线的寿命与其形状参数有关。即互连线与电极连接处的圆弧半径越大，互连线的寿命越长，且变化规律与电迁移理论相一致。

［1］ 尹立孟，张新平.电子封装微互连中的电迁移［J］.电子学报，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］ 卢秋明.金属互连线的可靠性研究［D］.上海:复旦大学，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.