Electric migraiton, Stress migration Overview

Electromigration (EM)

- Thin film 이나 wire 형태의 전도체에 높은 전류 밀도가 가해질 때 Mass transport 가 일어나는 현상. 이로 인하여 hillock, bridge, void 와 같은 defect 이 발생.

- EM 이 발생하는 대표적인 2가지 mechanism : Electron Wind Force

(1) Electron wind force : 전자가 금속 이온에 momentum (충돌) 을 가하여 cathode 에서 anode 로 atom diffuse 발생. cathode 에는 void, anode 에는 hilock, whisker 발생

Net flux of metal ions toward the anode

 

Median Time to Failure (MTF)

(2) Grain boundary diffusion : Grain boundary triple points 에서 metal ion diffusion 발생 

 

- Electromigration 현상 해결 방법 :

1. Film 두께를 최대한 Uniform 하게 제작

2. Grain size 를 크게 제작 (

3. 분자량이 크거나, electromigration 저항성이 있는 Cu 사용 (ex : Al 95% + Cu 4% + Si 1% Alloy)

4. Cu, SiO2 접착력 향상 위해 불순물 (impurities) 첨가 (ULSI technology??)

 

- Cu 의 녹는점 (1083도) 이 Al 보다 (660도) 높기 때문에, EM 의 MFT (Mean Free Time) 이 더 높음

- Cu 의 EM 의 diffusion route 는 Al 과 같이, grain boundary 가 Major (interface diffusion)

 

Stress Migration

- CTE Mismatch 와 같은 stress 에 의해, SM 발생. 

- 일반적으로 Cu 가 Al 대비 grain size 가 작아서, SM 이 더 쉽게 발생. Barrier metal 을 사용하면 완화 가능.

- Via 에서 stress 집중 발생하여, via 근처에서 void 쉽게 발생. 

- layout 최적화로 stress 완화가 가능한데, metal width 나 THK. 를 필요이상으로 크게 하지 않거나, large surface area metal 에 multiple via 를 만들어서 stress 를 완화 시킬 수 있다.