Verschijnsel waarbij metaalatomen in de bedrading door de stroom worden verplaatst. Er ontstaan voids en hillocks, die onderbrekingen of kortsluitingen veroorzaken.
Japanse benaming: エレクトロマイグレーション
“Elektromigratie” komt voor in 25 oefenvragen uit 8 onderwerpen, bijv. Interconnectprocessen, Betrouwbaarheid, Geavanceerde transistoren (FinFET, GAA).
Vakgebied: Betrouwbaarheid
Geleidingselektronen verstrooien aan metaalionen en dragen impuls over, waardoor atomen in de richting van de elektronenstroom worden geduwd, tegengesteld aan de conventionele stroomrichting. Atomen bewegen vooral langs snelle diffusiepaden: korrelgrenzen in aluminium en het bovenste grensvlak tussen koper en zijn diëlektrische cap bij koper. Schade ontstaat waar deze atoomflux wordt onderbroken, zoals aan de bodem van een via die door het barrièremetaal wordt geblokkeerd. Atomen verlaten de stroomopwaartse kant zonder te worden aangevuld en er vormt zich een void, die de weerstand verhoogt of de lijn onderbreekt, terwijl atomen zich stroomafwaarts ophopen tot hillocks die het diëlektricum kunnen doen scheuren en kortsluiting met een naburige lijn kunnen maken.
De vergelijking van Black, MTTF = A·J⁻ⁿ·exp(Ea/kT), stelt dat de mediane levensduur afneemt met de stroomdichtheid J, met n doorgaans ongeveer 2, en exponentieel afneemt met de temperatuur. Betrouwbaarheidstests belasten lijnen daarom bij hoge stroomdichtheid en temperaturen rond 300 °C en extrapoleren vervolgens naar gebruiksomstandigheden. Faaltijden volgen een lognormale verdeling, en omdat een chip honderden miljoenen draden bevat, is het ontwerpdoel het tijdstip waarop een zeer kleine fractie, zoals 0,1 ppm, is uitgevallen. Dit legt per draad stroomdichtheidslimieten op in de orde van MA/cm².
Door ongeveer 0,5% koper aan aluminium toe te voegen komt koper op de korrelgrenzen terecht en wordt het transport van aluminium met een orde van grootte of meer vertraagd. Koperbedrading, met een soortelijke weerstand van ongeveer 1,7 µΩ·cm tegenover ongeveer 2,7 µΩ·cm voor aluminium en een hoger smeltpunt, verbeterde de bestendigheid tegen elektromigratie verder. Omdat koper vooral langs zijn bovenoppervlak beweegt, bepalen de diëlektrische cap (SiCN of SiN) en selectieve metaalcaps zoals kobalt de levensduur. Een bamboekorrelstructuur helpt aluminium sterk, maar is voor koper niet voldoende. In korte lijnen geldt het Blech-effect: tegenspanning (back-stress) stopt het netto transport wanneer stroomdichtheid maal lengte onder een kritische waarde ligt.
Ontwerpers voegen redundante via's toe, maken het metaal rond via's breder en voeren bij sign-off een elektromigratieanalyse uit samen met een IR-drop-analyse. Zelfopwarming in FinFET- en SOI-devices verhoogt de temperatuur van nabije draden en versnelt uitval. In flip-chip-soldeerbumps veroorzaakt current crowding in de hoek tussen spoor en bump nucleatie van voids, een van de redenen waarom koperpilaren de voorkeur krijgen. Elektromigratie moet niet worden verward met stressmigratie, waarbij voids ontstaan door thermische spanning zonder stroom, of met ionenmigratie, waarbij vocht metaalionen dendrieten laat vormen tussen elektroden onder spanning op printplaten.
Antwoord: B. Een hoge stroomdichtheid en een hoge temperatuur
In de vergelijking van Black wordt de gemiddelde tijd tot falen uitgedrukt als MTTF = A·J⁻ⁿ·exp(Ea/kT); die is omgekeerd evenredig met de n-de macht van de stroomdichtheid J (n is ongeveer 2) en neemt exponentieel af met de temperatuur. Daarom wordt bij tests de tijd tot falen versneld gemeten bij een hogere stroomdichtheid en temperatuur dan de gebruiksomstandigheden (bijvoorbeeld rond 300 °C) en met de vergelijking omgerekend naar de levensduur onder gebruiksomstandigheden. In het ontwerp wordt per bedrading een bovengrens voor de toegestane stroomdichtheid vastgesteld (bijvoorbeeld in de orde van MA/cm²).
Antwoord: A. Plaatsen waar de stroom van metaalatomen discontinu is, zoals de overgang tussen via en bedrading
Bij elektromigratie worden atomen door de elektronenstroom verplaatst (elektronenwind). Op plaatsen waar de atomenstroom wordt onderbroken, zoals de overgang tussen via en bedrading en de barrière onder het via, vertrekken atomen aan de stroomopwaartse kant zonder te worden aangevuld, zodat voids ontstaan, en stroomafwaarts hopen atomen zich op en ontstaan hillocks (opbolling). In het ontwerp worden maatregelen genomen zoals redundante vias, verbreding van de bedrading rond het via en aandacht voor de stroomrichting.
Elektromigratie wordt aangedreven door stroom, doordat elektronen metaalatomen langs de draad duwen. Stressmigratie vormt voids zonder enige stroom, doordat atomen bewegen om trekspanning door thermische mismatch af te bouwen, en is het ergst rond 150–250 °C.
Koper heeft een hoger smeltpunt, zodat zijn atomen bij bedrijfstemperatuur minder beweeglijk zijn, wat een verbetering van de levensduur met een orde van grootte of meer oplevert. Door de lagere soortelijke weerstand is er bovendien minder opwarming bij dezelfde stroom.
In korte draden bouwen atomen die naar één uiteinde worden geduwd een spanningsgradiënt op die een terugstroom aandrijft. Wanneer het product van stroomdichtheid en lijnlengte onder een kritische waarde ligt, heft deze terugstroom de elektronenwind op en degradeert de lijn niet.
Bij elektromigratie worden atomen door de elektronenstroom verplaatst (elektronenwind).
Op welke plaatsen ontstaan bij elektromigratie gemakkelijk …Doordat de korrelgrensroutes langs de bedradingsrichting, waarlangs atomen snel kunnen bewegen, verdwijnen, wordt elektromigratie door korrelgrensdiffusie onderdrukt, en bij aluminiumbedrading nam de levensduur sterk toe.
Hoe heet de structuur waarin de bedradingsbreedte smaller i…Elektromigratie is een verschijnsel waarbij elektronen die door de bedrading stromen tegen metaalatomen botsen en hun impuls overdragen, waardoor de atomen geleidelijk in de richting van de elektronenstroom verplaatsen.
Welke uitspraak over elektromigratie is juist?Bij elektromigratie vertrekken stroomopwaarts van de elektronenstroom atomen en ontstaan holtes die tot onderbreking leiden, terwijl stroomafwaarts atomen zich ophopen en hillocks vormen die door de isolerende laag kunnen breken en contact maken met naburige bedrading of bedrading erboven of eronder, waardoor kortsluiting ontstaat.
Welke storing kan optreden wanneer door elektromigratie een…De tijd tot storing door elektromigratie spreidt vaak ongeveer normaal wanneer de logaritme van de tijd wordt genomen, en wordt dus met een lognormale verdeling geanalyseerd.
Welke statistische verdeling wordt veel gebruikt om de verd…Via Numerieke apertuur (NA) Vergelijking van Black (Black's equation) Drempelspanning (threshold voltage) CMP MTTF (gemiddelde tijd tot uitval) Contact FinFET Mobiliteit Sputteren