Déplacement des atomes métalliques d'une interconnexion sous l'effet du courant. Il crée des cavités (voids) et des excroissances (hillocks), causes de coupures et de courts-circuits.
Nom japonais: エレクトロマイグレーション
« Électromigration » apparaît dans 25 questions d'entraînement réparties sur 8 thèmes, dont Procédés d'interconnexion, Fiabilité, Transistors avancés (FinFET et GAA).
Domaine: Fiabilité
Les électrons de conduction diffusent sur les ions métalliques et leur transfèrent de la quantité de mouvement, poussant les atomes dans le sens du flux d'électrons, c'est-à-dire à l'opposé du sens conventionnel du courant. Les atomes se déplacent surtout le long de chemins de diffusion rapide : les joints de grains dans l'aluminium, et l'interface supérieure entre le cuivre et sa couche de couverture diélectrique dans le cuivre. Les dégâts apparaissent là où ce flux atomique est interrompu, par exemple au fond d'un via bloqué par le métal barrière. Les atomes quittent le côté amont sans être remplacés et une cavité (void) se forme, augmentant la résistance ou coupant la ligne, tandis que les atomes s'accumulent en aval sous forme d'excroissances (hillocks) qui peuvent fissurer le diélectrique et créer un court-circuit avec une ligne voisine.
L'équation de Black, MTTF = A·J⁻ⁿ·exp(Ea/kT), indique que la durée de vie médiane diminue avec la densité de courant J, n valant typiquement environ 2, et diminue exponentiellement avec la température. Les essais de fiabilité soumettent donc les lignes à de fortes densités de courant et à des températures d'environ 300 °C, puis extrapolent aux conditions d'utilisation. Les temps de défaillance suivent une loi log-normale, et comme une puce contient des centaines de millions de fils, l'objectif de conception est l'instant où une infime fraction, par exemple 0,1 ppm, a défailli. Cela fixe des limites de densité de courant par fil de l'ordre du MA/cm².
Ajouter environ 0,5 % de cuivre à l'aluminium place du cuivre aux joints de grains et ralentit le transport de l'aluminium d'un ordre de grandeur ou plus. Le câblage en cuivre, d'une résistivité d'environ 1,7 µΩ·cm contre environ 2,7 µΩ·cm pour l'aluminium et doté d'un point de fusion plus élevé, a encore amélioré la résistance à l'électromigration. Le cuivre se déplaçant principalement le long de sa surface supérieure, la couche de couverture diélectrique (SiCN ou SiN) et les couvertures métalliques sélectives, comme le cobalt, déterminent la durée de vie. Une structure de grains en bambou aide beaucoup l'aluminium, mais ne suffit pas pour le cuivre. Dans les lignes courtes s'applique l'effet Blech : la contrainte de retour arrête le transport net lorsque le produit densité de courant × longueur est inférieur à une valeur critique.
Les concepteurs ajoutent des vias redondants, élargissent le métal autour des vias et effectuent l'analyse d'électromigration en même temps que l'analyse de chute ohmique (IR drop) lors de la validation finale (sign-off). L'auto-échauffement des dispositifs FinFET et SOI élève la température des fils voisins et accélère les défaillances. Dans les bossages de soudure flip-chip, la concentration de courant (current crowding) au coin piste-bossage fait naître des cavités, l'une des raisons pour lesquelles on préfère les piliers de cuivre. L'électromigration ne doit pas être confondue avec la migration sous contrainte (stress migration), où des cavités se forment sous l'effet de contraintes thermiques sans courant, ni avec la migration ionique, où l'humidité permet aux ions métalliques de former des dendrites entre des électrodes polarisées sur les cartes.
Réponse : B. Une densité de courant élevée et une température élevée
L'équation de Black exprime le temps moyen jusqu'à défaillance par MTTF = A·J⁻ⁿ·exp(Ea/kT) : il est inversement proportionnel à la puissance n (n d'environ 2) de la densité de courant J et diminue exponentiellement avec la température. Les essais mesurent donc le temps jusqu'à défaillance sous accélération, à une densité de courant et une température supérieures aux conditions d'utilisation (par exemple autour de 300 °C), puis convertissent par l'équation en durée de vie dans les conditions d'utilisation. En conception, une limite de densité de courant admissible (par exemple de l'ordre du MA/cm²) est fixée pour chaque interconnexion.
Réponse : A. Les endroits où le flux d'atomes métalliques est discontinu, comme la frontière entre via et interconnexion
Dans l'électromigration, les atomes sont déplacés, poussés par le flux d'électrons (force du vent électronique). Aux endroits où le flux d'atomes s'interrompt, comme la frontière entre via et interconnexion ou la barrière sous le via, les atomes quittent le côté amont sans être remplacés, d'où la formation de voids, tandis que côté aval les atomes s'accumulent et forment des hillocks (protubérances). En conception, on place des vias redondants, on élargit l'interconnexion autour des vias ou l'on tient compte du sens du courant.
L'électromigration est provoquée par le courant, les électrons poussant les atomes métalliques le long du fil. La migration sous contrainte forme des cavités sans aucun courant, les atomes se déplaçant pour relâcher la contrainte de traction laissée par la différence de dilatation thermique ; elle est maximale vers 150 à 250 °C.
Le cuivre a un point de fusion plus élevé : ses atomes sont donc moins mobiles aux températures de fonctionnement, ce qui améliore la durée de vie d'un ordre de grandeur ou plus. Sa résistivité plus faible implique aussi moins d'échauffement pour un même courant.
Dans les fils courts, les atomes poussés vers une extrémité créent un gradient de contrainte qui provoque un flux de retour. Lorsque le produit de la densité de courant par la longueur de ligne est inférieur à une valeur critique, ce flux de retour compense le vent électronique et la ligne ne se dégrade pas.
Dans l'électromigration, les atomes sont déplacés, poussés par le flux d'électrons (force du vent électronique).
Quel est l'emplacement où les voids dus à l'électromigratio…Lorsque l'électromigration transporte les atomes dans une direction, un gradient de contrainte se forme aux extrémités de l'interconnexion et engendre un flux d'atomes en sens inverse (backflow).
Lors des essais d'électromigration, on observe que les inte…Les chemins de joints de grains orientés le long de l'interconnexion, où les atomes se déplacent rapidement, disparaissent, ce qui freine l'électromigration par diffusion aux joints de grains ; pour les interconnexions en aluminium, la durée de vie s'en est trouvée fortement allongée.
Comment appelle-t-on la structure dans laquelle, la largeur…L'électromigration est le phénomène par lequel les électrons circulant dans une interconnexion heurtent les atomes métalliques, leur transfèrent de la quantité de mouvement et les déplacent progressivement dans le sens du flux d'électrons.
Quelle description de l'électromigration est correcte ?En électromigration, des atomes partent en amont du flux d'électrons, formant des vides sources de ruptures ; en aval, ils s'accumulent en hillocks qui peuvent percer l'isolant et toucher les interconnexions voisines ou des niveaux supérieurs et inférieurs, provoquant des courts-circuits.
Quelle défaillance peut survenir lorsque l'électromigration…Via Équation de Black Tension de seuil CMP MTTF (durée moyenne avant défaillance) FinFET Mobilité Gravure sèche Procédé damascène Contact