电迁移现象及其失效机理
电迁移原理_(华东师范大学_李旭瑞)
《电迁移原理》的思考总结与扩展：旭瑞专业：华东师大学微电子电迁移原理：集成电路芯片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，，其结果会使导体的某些部位产生空洞或晶须，这种现象就是电迁移。
它是引起集成电路失效的一种重要机制。
电迁移失效机理产生电迁移失效的因：薄膜导体结构的非均匀性外因：电流密度从缺陷产生和积累得角度，我们可以这样解释电迁移的失效机理，即在电迁移过程中，在子风和应力的作用下，互连线中的某些薄弱部位产生了缺陷;缺陷的产生，重新改变了互连线中电流的分布，进而也会影响热分布;这两个过程相互作用，决定了缺陷在哪些薄弱部位产生;随着时间的增加，缺陷不断积累，相邻较近的缺陷融合成一个大缺陷;当产生的缺陷足够大，在垂直电流的方向上占有足够的面积，互连线的电阻就会显著增加;最后当形成的缺陷横跨整个互连线横截面，互连线断路在图2.4中，我们考虑金属原子A，它的周围有十二个相邻的晶格位置，其中之一被空位V占据，其余被其他金属原子占据。
在无电流应力条件下，由于热运动，原子A向其附近任何一个方向移动的概率是相等的;若在“电子风”吹动的情况下，很明显原子A向电子风方向移动概率大大增加。
假设A要与人原子发生交换，其过程也只能是通过原子与空位的交换，即人移到空位位置，A移到人位置，空位移到原的位置，可见，空位移动一步之前移动了两个原子。
同理，若A往几方向移动，空位移动一步须移动三个原子。
所以，同等电子风力条件下，金属原子移动方向不同，难易程度也不同。
从电流密度角度，我们可以这样解释电迁移的失效机理在金属里作用了两种对立的力。
这些力被称为“直接力”和“电子风”力。
直接力是一种在电场的作用下，由激活的金属正离子沿电子流相反方向流动产生的力。
电迁移现象
电迁移现象
电迁移现象是物理学界备受关注的一个热门课题。
它是指物体或物质在一定条件下，由于应力而迁移的现象。
这种现象的发生会造成物体储存的电荷的变化，因此它也被称为“静电迁移”、“电荷迁移”或“静电变换”。
电迁移现象在日常生活中被广泛应用，包括自动门的原理、摄像头定位以及触摸屏的运作原理等。
也被广泛应用在工业中，如电子开关、无接触电机、变压器、液位传感器等。
科学家们已经发现，电迁移现象在生物体内也发生，它在调节非常重要的生理机制中扮演重要角色，如膜电位调节、血管内皮细胞平衡调节等。
电迁移现象的本质是一种内建张力，它受到材料的结构特性和电荷分布的影响，而且能够穿越复杂的电子结构。
电迁移现象的发生是由于物体表面的表面电荷分布的重新排列所导致的，称为“电荷效应”。
这种电荷效应是通过连接金属电子结构上的连接点来实现的，可以通过特定的物质结构来促进或增强这种电迁移现象的发生。
此外，电迁移现象也可以受到电场和磁场的双重影响，这种电磁效应也可以在电迁移现象中发挥功效。
由于磁场可以影响物质结构的重组，因此，当遇到电磁场时，电迁移现象的发生可能是由于磁位的变化引起的。
电迁移现象的研究内容已经有很多，研究人员们也对它做了不同方面的研究，但仍然存在诸多未解决的问题。
未来研究工作将继续深入探讨电迁移现象及其在工业应用中的发展情况，以期发展出更有效、
更安全的技术和设备。
电迁移现象是一种物理现象，它涉及到电荷、电场、磁场等物理现象，对于科学家们来说是一个不可缺少的研究课题。
随着科学技术的不断进步，电迁移现象的研究将受到更多的关注和深入的研究，以提高科学和工业技术的发展水平，实现可持续发展。
电迁移现象及其失效机理
电迁移现象及其失效机理 Revised by Liu Jing on January 12, 2021集成电路中的电迁移现象电迁移现象简介随着芯片特征尺寸越来越小，集成度越来越高，对芯片可靠性的研究也变得越来越重要，而其中电迁移现象是影响互连引线的主要可靠性问题。
在微电子器件中，金属互连线大多采用铝膜，这是因为铝膜具有电阻率低、价格低廉、与硅制造工艺相兼容、与SiO层等介质膜具有良好的粘附性、便于加工等一系列优2点。
但使用中也存在着如性软、机械强度低、容易划伤；化性活泼、易受腐蚀；抗电迁移能力差等一系列问题。
集成电路芯片内部采用金属薄膜互连线来传导工作电流，这种传导电流的金属在较高的电流密度作用下，沿电场反方向运动的电子将会与金属离子进行动量交换，结果使金属离子与电子流一样朝正极方向移动，相应所产生的金属离子空位向负极方向移动，这样就造成了互连线内金属净的质量传输，这种现象就是电迁移。
电迁移失效机理电迁移现象是指集成电路工作时金属线内部有电流通过，在电流的作用下金属离子产生物质运输的现象。
进而导致金属线的某些部位出现空洞从而发生断路，而另外一些部位由于有晶须生长或出现小丘造成电路短路。
当芯片集的成度越来越高后，其中金属互连线变的更细、更窄、更薄，电迁移现象也就越来越严重。
图为典型的电迁移失效结果。
（a）电迁移引发短路（b）电迁移引发断路在块状金属中，电流密度较低（<104A/cm2），其电迁移现象只在接近材料熔点的高温时才发生。
薄膜的材料则不然，淀积在硅衬底上的铝条，截面积很小和很好的散热条件，电流密度可高达107A/cm2，所以在较低的温度下就能发生电迁移。
在一定温度下，金属薄膜中存在一定的空位浓度，金属离子通过空位而运动，但自扩散只是随机的引起原子的重新排列，只有在受到外力时才可产生定向运动。
通电导体中作用在金属离子上的力有两种：一种是电场力Fq，另一种是导电载流子和金属离子间相互碰撞发生动量交换而使离子产生运动的力，这种力叫摩擦力Fe ，对于铝膜，载流子为电子，这时电场力Fq很小，摩擦力起主要作用，粒子流与载流子运动方向相同。
栅极导电层Au 迁移导致放大器失效原因分析
栅极导电层Au 迁移导致放大器失效原因分析电迁移是导电金属材料在通过高密度电流时，金属原子沿着电流运动方向(电子风)进行迁移和质量可控的扩散现象，它与金属材料的电流密度和温度数值密切相关。
当凸点及其界面处的局部电流密度超过电迁移门槛值时，高速运动的电子流形成的电子风与金属原子发生剧烈碰撞，进行部分的冲量交换，迫使原子沿着电子流方向运动，从而发生凸点互连的电迁移。
通常电迁移能在阴极造成金属原子的流失而产生微空洞，使互连面积减小导致断路，在阳极造成金属原子的堆积而形成凸起的小丘,导致短路，从而引起IC及元器件失效。
电迁移是引起IC及电子产品失效的一种重要机制。
因此，有必要针对Au的电迁移特性进行研究，明确Au电迁移对电路的影响。
某限幅低噪声放大器在交付用户使用一段时间后出现输出不稳定现象，在确认失效样品电参数后，开封检查观察到内部没有短路、断路现象或明显的缺陷区。
由于放大管中主要功能元件是两级砷化镓金属半导体场效应晶体管(MESFET)，采用新的同型号的MESFET 将其置换后，功能恢复正常。
根据以上检测排除，最终锁定场效应管失效。
笔者借助扫描电子显微镜和X 射线能谱仪对该MESFET中的异常导电层不同微区进行了微观分析，找出了产生此问题的原因。
1 实验 实验仪器为日本JEOL 公司生产的JSM-6490LV型扫描电子显微镜(SEM)，配有美国EDAX 公司生产的Genesis2000XMS 型X 射线能谱仪(EDS)附件。
实验样品为失效的GaAs-MESFET,图1 为其结构图，衬底材料是具有高电阻率的本征砷化镓，在沟道上制作栅极金属，与n型半导体之间形成肖特基势垒接触，源极和漏极金属与n+ 型半导体之间形成欧姆接触。
该MESFET采用。
em电迁移测试原理
em电迁移测试原理好啦，今天我们来聊聊电迁移测试原理。
说到电迁移测试，你可能会想，“这是什么高大上的东西？”其实啊，电迁移听起来挺复杂，但其实原理一点都不难。
咱们就从头来，慢慢捋一捋。
首先啊，电迁移就是电子在电场作用下，朝着正极或负极移动的过程。
简单来说，就是电流通过导体的时候，电子被电场“推着走”，在这个过程中，如果电流过大，导体里的原子会因为电子的撞击而发生位移，甚至可能导致导体断裂，或者焊点失效。
你想啊，电子这家伙就像一群调皮的小学生，在学校的走廊里跑来跑去，如果走得太猛，地板就会坏掉，那这不就是电迁移的危害吗？所以，电迁移测试呢，基本上就是模拟这种情况，看看在一定的电流作用下，材料或者焊点会不会因为“过度奔跑”导致问题。
你可以想象，电迁移测试就像是给材料上了一堂“耐力课”，看看它能不能扛得住大电流的“冲击”。
你别小看这个测试，真的是非常重要！它直接关系到你家电器能不能长时间稳定工作，不然你看，你手机、电脑一用就卡死，电池没电了，背后可就可能是电迁移惹的祸。
对了，电迁移测试是如何做的呢？整个过程非常讲究细节。
通常，测试会在一个叫做加速电迁移的实验环境里进行。
这个环境模拟了长期使用下的高电流状态，测试者就会用一个电源给材料提供稳定的电流，然后观察它们的表现。
特别是在高温、高湿的环境下，电迁移的发生会更明显。
你可以想象，一边是炎热的温度，一边是湿气不断，电流一旦来了，材料能撑多久呢？这种极端条件下的测试，往往能提前暴露出很多潜在的风险。
说到这里，你可能会好奇，测试的时候到底会有什么样的表现呢？最初的电迁移问题可能不太明显。
你可以想象，一开始电流给的不是很大，材料表面看起来平平无奇。
可是随着测试的深入，时间一长，电流逐渐带走了材料表面的一些原子，那些原子就会聚集在某个地方，形成小小的金属结晶，就像是地面上的坑坑洼洼。
你可能想，这不就是给材料“拉了个坑”？对呀，正是这些坑让电流通过的路径变得更加“困难”，甚至可能导致电路的“死路一条”。
电迁移失效判定电路
电迁移失效判定电路设计进展报告1.电迁移失效机理和失效模式电迁移(Electromigation)是在一定温度下，当半导体器件的金属互连线上流过足够大的电流密度时，被激发的金属离子受电场的作用形成离子流朝向阴极方向移动，另外在电场作用下的电子通过对金属离子的碰撞传给离子的动量形成朝着金属膜阳极方向运动的离子流，造成了金属离子向阳极端的净移动，最终在金属膜中留下金属离子的局部堆积而出现小丘、晶须(引起短路)或引起金属离子的局部亏损而出现空隙(引起开路)，最终导致突变失效，影响集成电路的寿命。
根据电路在不同位置发生电迁移、以及发生电迁移的形式的不同，电迁移的失效模式主要有下面几种：1.1短路1.1a．电迁移使晶体管发射极末端积累铝离子，使EB结短路，这对套刻间距小的微波功率管容易发生；1.1b．电迁移产生的晶须使相邻的两个铝条间短路，这对相邻铝条间距小的超高频器件、大规模集成电路容易发生；1.1c．集成电路中铝条经电迁移后与有源区短接，多层布线上下层铝条经电迁移后形成晶须而短接；1.1d．晶须与器件内引线短接。
1.2 断路1.2a．正常工作温度下，铝条承受电流过大，特别是铝条划伤后，电流密度更大，使铝条断开。
尤其是大功率管，在正常结温(150℃)时，往往工作几百小时后因电迁移而失效；1.2b．压焊点处，因接触面积小，电流密度过大而失效；1.2c．氧化层台阶处，因电迁移而断条。
通过氧化层阶梯的铝条在薄氧化层上散热好，温度低，而在厚氧化层上散热差，温度高。
所以当电子流沿着铝条温度增加的方向流动时，就会出现铝原子的亏空，而形成宏观的空隙。
1.3 参数退化电迁移将影响器件性能稳定。
例如，晶体管EB结的退化。
2.失效判定电路检测参数的选择当电路发生电迁移之后，电路中互连线的电阻会发生很大的变化，严重的甚至发生互连线的断路和短路。
为了判定电路是否发生电迁移，最直接的方法就是测量互连线的电阻。
然而，在芯片的引脚上无法直接测量内部互连线的电阻，在芯片引脚上只能测量端口电压和电流，在这里，选择引脚电压作为检测参数。
电迁移介绍
1.电迁移及模型简要介绍1.1电迁移现象电迁移现象是指集成电路工作时金属线内部有电流通过，在电流的作用下金属离子产生物质运输的现象。
进而导致金属线的某些部位出现空洞从而发生断路，而另外一些部位由于有晶须生长或出现小丘造成电路短路。
当芯片集的成度越来越高后，其中金属互连线变得更细、更窄、更薄，其电迁移现象越来越严重。
图1 电迁移示意图1.2电迁移理论（原子扩散模型）当金属导体中通过大电流密度时，静电电场将驱动电子从阴极向阳极运动。
高速运动的电子将与金属原子发生碰撞，原子受到猛烈的电子冲击，这就形成了电迁移理论中的电子风力wd F 。
此外，金属原子还到受静电场力ei F 的作用，如图2所示。
图2 电迁移理论模型图两者的合力即电迁移驱动力可表示em wd ei e j F F F Z ρ*=+= （1）Z eiZZ=* (2) wd+式中，F为电子风力；ei F为场力；Z*为有效电荷；ρ为电阻率；wdj为电流密度；Z为电子风力有效电荷常数；ei Z为静电场力有效电wd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F大于静电场力ei F。
因此，金属原子受wd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。
如图3所示。
图3电迁移产生图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。
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：total Dc J F kT=- (3) 式(3)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；total F 为电迁移驱动力的合力。
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4 电迁移产生应力梯度图为了松弛应力，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。
化学反应中电子转移的动态过程及其相关研究
化学反应中电子转移的动态过程及其相关研究化学反应是物质转化的过程，其中电子转移是一种普遍存在的反应方式。
电子转移动态过程的研究对于深入理解化学反应机理具有重要意义。
本文将从电子转移的定义、动态过程、相关研究等方面进行探讨。
一、电子转移的定义电子转移是指化学反应中原子或分子间发生电子的转移。
在反应中，电子从一个原子或分子的价层（价电子）转移到另一个原子或分子的价层上，从而产生化学反应。
通常分为氧化和还原两个方面，氧化是指某个化合物失去电子，还原是指某个化合物得到电子。
二、电子转移的动态过程从分子的角度看，电子转移的动态过程可以分为非绝热转移和绝热转移两种方式。
非绝热转移是指在反应过程中，分子处于高能量状态，激发态分子中的电子发生转移。
此时，电子的转移速率较快，但是反应产生的能量一般较难控制，会导致反应的副产物增多，产率较低。
绝热转移是指在反应过程中分子处于基态，电子的转移速率比非绝热转移慢，但是反应产生的能量可以被控制，使产率较高。
因此，大部分化学反应中采用绝热转移作为电子转移的反应机制，以便更好地控制反应产率。
三、相关研究电子转移是化学反应中普遍存在的反应方式，其相关研究已得到广泛关注，涉及理论、实验和应用等方面。
在理论方面，电子转移的机制和动态过程已经通过计算机模拟、量子化学理论等方法进行了深入研究。
目前，许多科学家使用密度泛函理论等计算方法建立了分子体系的势能面，从而定量研究电子转移动态过程和反应路径。
在实验方面，利用光谱学等手段研究电子转移的动态过程已成为研究的主要方向。
通过非线性光谱学的方法可以提供反应中非等离子的电子转移的相关进程，这为电子转移反应的势能面有提供了实验上的直观证明。
在应用方面，电子转移反应已经广泛应用于生物、医药、材料、环境等领域。
其中，许多应用性研究致力于寻找具有电子转移能力的化合物，并在化学合成和药物设计等领域应用。
四、结论电子转移是化学反应中原子或分子间发生电子的转移过程。
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电迁移现象及其失效机
理
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集成电路中的电迁移现象
电迁移现象简介
随着芯片特征尺寸越来越小，集成度越来越高，对芯片可靠性的研究也变得越来越
重要，而其中电迁移现象是影响互连引线的主要可靠性问题。
在微电子器件中，金属互连线大多采用铝膜，这是因为铝膜具有电阻率低、价格低廉、与硅制造工艺相兼容、与SiO
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层等介质膜具有良好的粘附性、便于加工等一系列优点。
但使用中也存在着如性软、机械强度低、容易划伤；化性活泼、易受腐蚀；抗电迁移能力差等一系列问题。
集成电路芯片内部采用金属薄膜互连线来传导工作电流，这种传导电流的
金属在较高的电流密度作用下，沿电场反方向运动的电子将会与金属离子进行
动量交换，结果使金属离子与电子流一样朝正极方向移动，相应所产生的金属离子空位向负极方向移动，这样就造成了互连线内金属净的质量传输，这种现象就是电迁移。
电迁移失效机理
电迁移现象是指集成电路工作时金属线内部有电流通过，在电流的作用下金
属离子产生物质运输的现象。
进而导致金属线的某些部位出现空洞从而发生断路，而另外一些部位由于有晶须生长或出现小丘造成电路短路。
当芯片集的成度
越来越高后，其中金属互连线变的更细、更窄、更薄，电迁移现象也就越来越严重。
图2.1为典型的电迁移失效结果。
（a）电迁移引发短路（b）电迁移引发断路
在块状金属中，电流密度较低（<104A/cm2），其电迁移现象只在接近材料熔点的高温时才发生。
薄膜的材料则不然，淀积在硅衬底上的铝条，截面积很小和很好的散热条件，电流密度可高达107A/cm2，所以在较低的温度下就能发生电迁移。
在一定温度下，金属薄膜中存在一定的空位浓度，金属离子通过空位而运动，但自扩散只是随机的引起原子的重新排列，只有在受到外力时才可产生定向运动。
通电导体中作用在金属离子上
的力有两种：一种是电场力F
q
，另一种是导电载流子和金属离子间相互碰撞发生动量交
换而使离子产生运动的力，这种力叫摩擦力F
e
，对于铝膜，载流子为电子，这时电场力
F
q
很小，摩擦力起主要作用，粒子流与载流子运动方向相同。
这一摩擦力又称为电子风。
经过理论分析有：
F=F
q +F
e
=Z*qE
式中Z*成为有效原子价数，E为电场强度，q为电子电荷。
Z*的绝对值越小，抗电迁移能力就越大。
电迁移引起的失效模式
1 短路
（1）电迁移使晶体管发射极末端积累铝离子,使EB结短路，这对套刻间距小的微波功率管容易发生；
（2）电迁移产生的晶须使相邻的两个铝条间短路, 这对相邻铝条间距小的超高频器件、大规模集成电路容易发生；
（3）集成电路中铝条经电迁移后与有源区短接, 多层布线上下层铝条经电迁移后形成晶须而短接；
（4）晶须与器件内引线短接"触的数目。
2 断路
（1）正常工作温度下, 铝条承受电流过大, 特别是铝条划伤后, 电流密度更大,使铝条断开"尤其是大功率管, 在正常结温(150℃ )时, 往往工作几百小时后因电迁移而失效；
（2）压焊点处, 因接触面积小, 电流密度过大而失效；
（3）氧化层台阶处, 因电迁移而断条"通过氧化层阶梯的铝条在薄氧化层上散热好, 温度低, 而在厚氧化层上散热差, 温度高"所以当电子流沿着铝条温度增加的方向流动时, 就会出现铝原子的亏空, 而形成宏观的空隙。
3 参数退化
电迁移将影响器件的性能稳定，如引起晶体管EB结击穿特性退化，电流放大倍数h
FE 变化等。