導入
基本的に、エレクトロマイグレーションは、電子の流れによって引き起こされる導体内の原子の移動として定義できます。このメカニズムは、マイクロエレクトロニクスなど、非常に高い電流密度が観察されるアプリケーションでのみ現れます。
歴史的
エレクトロマイグレーション現象は、1861 年にフランスの物理学者ジェラルダンによって発見されました。現象を観察するために必要な条件は実験室でのみ生成できるため、この現象は長い間物理学者の研究対象であり続けましたが、商業用の集積回路が登場したのは 1960 年代になってからでした。この現象が相互接続線の信頼性にとって懸念されるようになったときと言えます。実際、「架空」電線（非一体化を理解してください）では、導体が溶けるジュール効果のため、許容電流密度は10 4 A.cm -2に制限されます。集積回路では、電流は、ラジエーターの役割を果たすシリコンに接触する金属の薄い層で構成されるラインによって伝導されます。これにより、エレクトロマイグレーションが顕著になるために必要な電流密度（10 6 A.cm -2程度）に達する（さらにはそれを超える）ことが可能になる。このテーマに関する研究の現代の基礎を築いたのは、1967 年の論文でアメリカ人の JR Black でした。特に、彼は電流密度、温度、ライン寿命の関係を、今日彼の名前が付けられた方程式( Black 方程式)で表現しました。
故障のメカニズム
金属原子の拡散自体は問題ではありません。欠陥が現れるには、領域に到着する材料の量が、その領域から出る材料の量よりも多いか少ない必要があります。流出する物質よりも多くの物質が到着すると、物質の蓄積により短絡やパッシベーション層の破裂が発生し、腐食の機会が生じる可能性があります。到着する物質よりも多くの物質が流出すると、ラインの抵抗が増加したり、ラインが開いたりすることが観察されます。したがって、ラインでは、シリコンとの接触やビア（メタライゼーションの異なるレベル間の接続）など、材料の流れが不連続な領域に欠陥が発生します。
説明
相互接続に電位差を加えると、電子は最も低い電位 (カソード) から最も高い電位 (アノード) に流れます。その後、金属原子は結晶格子と相互作用する電子の流れの影響を受けて動き始めます。この現象は運動量交換と呼ばれます。電子の流れの方向が正であると仮定すると、電子の流れによって誘発される力は次のように表すことができます。
ここで、 q * = Z * eは有効原子電荷、 Z *は有効原子番号、 eは電子の電荷、 E = ρ jは電場、 ρは金属の抵抗率、 jは密度です。流暢な。
原子の移動は、結晶内に不完全性が存在することによって促進されます。たとえば、結晶構造の不連続領域 (転位) または結晶間の界面 (粒界) は、金属原子の拡散に適した領域です。相互接続がタングステン(W) やタンタル (Ta) などの拡散バリアで終端されている場合、原子の移動により、原子が脱落するカソードでは引張応力が発生し、原子が脱落するカソードでは圧縮応力が発生します。蓄積する。結果として生じる応力勾配は、電子的な力に対抗する機械的な力を誘発します。この力は次のように表現できます。
ここで、 Ωは原子体積、 σは機械的応力、 x は線の長さです。
Korhonen モデルによれば、原子フラックスJ a はF e l e cおよびF me c aの関数として表すことができます。
ここで、 C aは原子濃度、 Dは原子拡散率、 kはボルツマン定数、 Tは温度です。この式は次のことを示しています|ファイル| |より大きくなければなりませんFメサ|電子の流れが物質の移動を引き起こすように。ただし、方程式から信じられることに反して、温度はエレクトロマイグレーションに有利に働くため、温度の影響は隠蔽されています。実際、拡散は温度とともに指数関数的に変化する熱的に活性化されるプロセスです (