Elektromigration - Electromigration

Die Elektromigration beruht auf der Impulsübertragung von den Elektronen, die sich in einem Draht bewegen

Elektromigration ist der Materialtransport, der durch die allmähliche Bewegung der Ionen in einem Leiter aufgrund der Impulsübertragung zwischen leitenden Elektronen und diffundierenden Metallatomen verursacht wird . Der Effekt ist wichtig bei Anwendungen, bei denen hohe Gleichstromdichten verwendet werden, z. B. in der Mikroelektronik und verwandten Strukturen. Mit abnehmender Strukturgröße in der Elektronik wie integrierten Schaltkreisen (ICs) nimmt die praktische Bedeutung dieses Effekts zu.

Geschichte

Das Phänomen der Elektromigration ist seit über 100 Jahren bekannt und wurde vom französischen Wissenschaftler Gerardin entdeckt. Das Thema wurde zum ersten Mal in den späten 1960er Jahren von praktischem Interesse, als verpackte ICs zum ersten Mal auftauchten. Die frühesten im Handel erhältlichen ICs versagten innerhalb von nur drei Wochen nach der außer Kontrolle geratenen Elektromigration, was zu erheblichen Anstrengungen der Industrie führte, dieses Problem zu beheben. Die erste Beobachtung der Elektromigration in dünnen Filmen wurde von I. Blech gemacht. Die Forschung auf diesem Gebiet wurde von einer Reihe von Forschern in der jungen Halbleiterindustrie vorangetrieben . Eine der wichtigsten technischen Studien wurde von Jim Black von Motorola durchgeführt , nach dem die Black-Gleichung benannt ist. Zu der Zeit werden die Metallverbindungen waren in ICs noch etwa 10 Mikrometer breit. Derzeit sind die Verbindungen nur Hunderte bis zehn Nanometer breit, was die Erforschung der Elektromigration immer wichtiger macht.

Praktische Implikationen der Elektromigration

Top-Visualisierung der Elektromigration unter dem Rasterelektronenmikroskop einer Nanokonstriktion (60 nm Breite) auf einem Siliziumoxidsubstrat.

REM- Aufnahme eines durch Elektromigration verursachten Fehlers in einer Kupferverbindung . Die Passivierung wurde durch reaktives Ionenätzen und Flusssäure entfernt

Elektromigration verringert die Zuverlässigkeit der Chips ( integrierte Schaltungen (ICs)). Dies kann zum Verlust von Verbindungen oder zum Ausfall eines Stromkreises führen. Da Zuverlässigkeit für Raumfahrt , militärische Zwecke , Antiblockiersysteme , medizinische Geräte wie automatisierte externe Defibrillatoren von entscheidender Bedeutung ist und sogar für PCs oder Home-Entertainment-Systeme wichtig ist, steht die Zuverlässigkeit von Chips (ICs) im Mittelpunkt der Forschungsanstrengungen .

Aufgrund der Schwierigkeit, unter realen Bedingungen zu testen, wird die Black-Gleichung verwendet, um die Lebensdauer integrierter Schaltkreise vorherzusagen. Um die Black-Gleichung zu verwenden , wird die Komponente einer HTOL-Prüfung ( High Temperature Operational Life ) unterzogen. Die erwartete Lebensdauer der Komponente unter realen Bedingungen wird aus den während des Tests gesammelten Daten extrapoliert .

Obwohl Elektromigrationsschäden letztendlich zum Versagen des betroffenen IC führen, sind die ersten Symptome intermittierende Störungen und die Diagnose ziemlich schwierig. Da einige Verbindungen vor anderen ausfallen, weist die Schaltung scheinbar zufällige Fehler auf, die möglicherweise nicht von anderen Ausfallmechanismen (z. B. Schäden durch elektrostatische Entladung ) zu unterscheiden sind. In einer Laborumgebung kann ein Elektromigrationsfehler leicht mit einem Elektronenmikroskop abgebildet werden, da die Erosion der Verbindung verräterische visuelle Markierungen auf den Metallschichten des IC hinterlässt.

Mit zunehmender Miniaturisierung steigt die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls aufgrund von Elektromigration in VLSI- und ULSI- Schaltungen, da sowohl die Leistungsdichte als auch die Stromdichte zunehmen. Insbesondere werden die Linienbreiten im Laufe der Zeit weiter abnehmen, ebenso wie die Drahtquerschnittsflächen. Ströme werden auch aufgrund niedrigerer Versorgungsspannungen und schrumpfender Gatekapazitäten reduziert. Da die Stromreduzierung jedoch durch zunehmende Frequenzen eingeschränkt wird, führt die stärkere Abnahme der Querschnittsflächen (im Vergleich zur Stromreduzierung) in Zukunft zu erhöhten Stromdichten in ICs.

In fortschrittlichen Halbleiterfertigungsprozessen, Kupfer ersetzt Aluminium als das Verbindungsmaterial der Wahl. Trotz seiner größeren Zerbrechlichkeit im Herstellungsprozess wird Kupfer wegen seiner überlegenen Leitfähigkeit bevorzugt. Es ist auch an sich weniger anfällig für Elektromigration. Die Elektromigration (EM) ist jedoch weiterhin eine allgegenwärtige Herausforderung für die Herstellung von Bauelementen, weshalb die EM-Forschung für Kupferverbindungen noch nicht abgeschlossen ist (obwohl dies ein relativ neues Gebiet ist).

In modernen Geräten der Unterhaltungselektronik fallen ICs selten aufgrund von Elektromigrationseffekten aus. Dies liegt daran, dass bei geeigneten Konstruktionspraktiken für Halbleiter die Auswirkungen der Elektromigration in das Layout des IC einbezogen werden. Nahezu alle IC-Konstruktionshäuser verwenden automatisierte EDA- Tools, um Elektromigrationsprobleme auf Transistor-Layout-Ebene zu überprüfen und zu korrigieren. Wenn ein ordnungsgemäß entworfenes IC-Gerät innerhalb des vom Hersteller angegebenen Temperatur- und Spannungsbereichs betrieben wird, ist es wahrscheinlicher, dass es aufgrund anderer (Umwelt-) Ursachen ausfällt, z. B. aufgrund kumulativer Schäden durch Gammastrahlenbeschuss .

Trotzdem wurden Fälle von Produktfehlern aufgrund von Elektromigration dokumentiert. In den späten 1980er Jahren erlitt eine Reihe von Desktop-Laufwerken von Western Digital 12 bis 18 Monate nach dem Einsatz vor Ort einen weit verbreiteten, vorhersehbaren Ausfall. Mithilfe der forensischen Analyse der zurückgegebenen fehlerhaften Einheiten identifizierten die Ingenieure falsche Konstruktionsregeln im IC-Controller eines Drittanbieters. Durch das Ersetzen der fehlerhaften Komponente durch die eines anderen Lieferanten konnte WD den Fehler beheben, jedoch nicht, bevor der Ruf des Unternehmens erheblich geschädigt wurde.

Die Elektromigration aufgrund schlechter Herstellungsprozesse war in den 1980er Jahren eine bedeutende Ursache für IC-Fehler auf den Heimcomputern von Commodore . Im Jahr 1983 hatte der Commodore 64- Computer zeitweise eine Kundenrücklaufquote von fast 50%.

Elektromigration kann bei einigen Leistungshalbleiterbauelementen, wie z. B. Niederspannungs- Leistungs-MOSFETs , eine Ursache für eine Verschlechterung sein , bei der der seitliche Strom durch die Quellkontaktmetallisierung (häufig Aluminium) unter Überlastbedingungen die kritischen Stromdichten erreichen kann. Der Abbau der Aluminiumschicht führt zu einer Erhöhung des Widerstands im eingeschalteten Zustand und kann schließlich zu einem vollständigen Versagen führen.

Grundlagen

Die Materialeigenschaften der Metallverbindungen haben einen starken Einfluss auf die Lebensdauer. Die Eigenschaften sind vorwiegend die Zusammensetzung der Metalllegierung und die Abmessungen des Leiters. Die Form des Leiters, die kristallographische Ausrichtung der Körner im Metall, Verfahren zur Schichtabscheidung, Wärmebehandlung oder zum Tempern , Eigenschaften der Passivierung und die Grenzfläche zu anderen Materialien beeinflussen auch die Haltbarkeit der Verbindungen. Es gibt auch wichtige Unterschiede zum zeitabhängigen Strom: Gleichstrom oder unterschiedliche Wechselstromwellenformen verursachen unterschiedliche Effekte.

Kräfte auf Ionen in einem elektrischen Feld

Zwei Kräfte beeinflussen ionisierte Atome in einem Leiter: 1) Die direkte elektrostatische Kraft F _e infolge des elektrischen Feldes , das die gleiche Richtung wie das elektrische Feld hat, und 2) die Kraft aus dem Impulsaustausch mit anderen Ladungsträgern F _p ist in Richtung des Flusses der Ladungsträger in der entgegengesetzten Richtung des elektrischen Feldes. In metallischen Leitern wird F _p durch einen sogenannten "Elektronenwind" oder " Ionenwind " verursacht. ${\ displaystyle E}$

Die resultierende Kraft F _res auf ein aktiviertes Ion im elektrischen Feld kann wie folgt geschrieben werden

${\ displaystyle F_ {res} = F_ {e} -F_ {p} = q \ cdot (Z_ {e} -Z_ {p}) \ cdot E = q \ cdot Z ^ {*} \ cdot E = q \ cdot Z ^ {*} \ cdot j \ cdot \ rho}$

Dabei ist die elektrische Ladung der Ionen und die der elektrostatischen bzw. Windkraft entsprechenden Valenzen die sogenannte effektive Wertigkeit des Materials, die Stromdichte und der spezifische Widerstand des Materials. Elektromigration tritt auf, wenn ein Teil des Impulses eines sich bewegenden Elektrons auf ein nahe gelegenes aktiviertes Ion übertragen wird. Dies bewirkt, dass sich das Ion aus seiner ursprünglichen Position bewegt. Mit der Zeit stößt diese Kraft eine signifikante Anzahl von Atomen weit von ihren ursprünglichen Positionen weg. Im leitenden Material kann ein Bruch oder eine Lücke entstehen, die den Stromfluss verhindert. Bei engen Verbindungsleitern, wie z. B. solchen, die Transistoren und andere Komponenten in integrierten Schaltkreisen verbinden, wird dies als Hohlraum oder interner Fehler ( offener Stromkreis ) bezeichnet. Elektromigration kann auch dazu führen, dass sich die Atome eines Leiters häufen und zu anderen nahe gelegenen Leitern driften, wodurch eine unbeabsichtigte elektrische Verbindung entsteht, die als Hillock-Fehler oder Whisker-Fehler ( Kurzschluss ) bezeichnet wird. Beide Situationen können zu einer Fehlfunktion der Schaltung führen. ${\ displaystyle q}$${\ displaystyle Z_ {e}}$${\ displaystyle Z_ {p}}$${\ displaystyle Z ^ {*}}$${\ displaystyle j}$${\ displaystyle \ rho}$

Ausfallmechanismen

Diffusionsmechanismen

In einer homogenen Kristallstruktur findet aufgrund der gleichmäßigen Gitterstruktur der Metallionen kaum eine Impulsübertragung zwischen den Leitungselektronen und den Metallionen statt. Diese Symmetrie existiert jedoch nicht an den Korngrenzen und Materialgrenzflächen, so dass hier der Impuls viel stärker übertragen wird. Da die Metallionen in diesen Bereichen schwächer gebunden sind als in einem regulären Kristallgitter, werden Atome von den Korngrenzen getrennt und in Stromrichtung transportiert, sobald der Elektronenwind eine bestimmte Stärke erreicht hat. Diese Richtung wird auch von der Korngrenze selbst beeinflusst, da Atome dazu neigen, sich entlang der Korngrenzen zu bewegen.

Durch Elektromigration verursachte Diffusionsprozesse können in Korngrenzendiffusion, Massendiffusion und Oberflächendiffusion unterteilt werden. Im Allgemeinen ist die Korngrenzendiffusion der Hauptelektromigrationsprozess in Aluminiumdrähten, während die Oberflächendiffusion in Kupferverbindungen dominiert.

Thermische Effekte

In einem idealen Leiter, in dem Atome in einer perfekten Gitterstruktur angeordnet sind, würden die Elektronen, die sich durch ihn bewegen, keine Kollisionen erfahren und es würde keine Elektromigration auftreten. In realen Leitern führen Defekte in der Gitterstruktur und die zufällige thermische Schwingung der Atome um ihre Positionen dazu, dass Elektronen mit den Atomen kollidieren und streuen , was die Quelle des elektrischen Widerstands ist (zumindest in Metallen; siehe elektrische Leitung ). Normalerweise reicht die Impulsmenge der Elektronen mit relativ geringer Masse nicht aus, um die Atome dauerhaft zu verdrängen. Wenn jedoch in Hochleistungssituationen (z. B. mit zunehmender Stromaufnahme und abnehmender Drahtgröße in modernen VLSI- Mikroprozessoren ) viele Elektronen die Atome mit ausreichender Kraft bombardieren, um signifikant zu werden, beschleunigt dies den Prozess der Elektromigration, indem die Atome von verursacht werden der Leiter von ihren idealen Gitterpositionen vibrieren ferner wird die Menge an Elektronen zu erhöhen Streuung . Eine hohe Stromdichte erhöht die Anzahl der Elektronen, die gegen die Atome des Leiters streuen, und damit die Geschwindigkeit, mit der diese Atome verschoben werden.

In integrierten Schaltkreisen tritt die Elektromigration nicht direkt in Halbleitern auf , sondern in den darauf abgeschiedenen Metallverbindungen (siehe Herstellung von Halbleiterbauelementen ).

Die Elektromigration wird durch hohe Stromdichten und die Joule'sche Erwärmung des Leiters (siehe elektrischer Widerstand ) verstärkt und kann zum Ausfall elektrischer Komponenten führen. Eine lokalisierte Zunahme der Stromdichte wird als Stromverdichtung bezeichnet .

Gleichgewicht der Atomkonzentration

Eine maßgebliche Gleichung, die die Entwicklung der Atomkonzentration in einem Verbindungssegment beschreibt, ist die konventionelle Massenbilanzgleichung (Kontinuitätsgleichung)

${\ displaystyle {\ frac {\ partielles N} {\ partielles t}} + \ nabla \ cdot {\ vec {J}} = 0}$

Wo ist die Atomkonzentration am Punkt mit den Koordinaten im Moment und ist der gesamte Atomfluss an diesem Ort. Der gesamte Atomfluss ist eine Kombination der Flüsse, die durch die verschiedenen Atommigrationskräfte verursacht werden. Die Hauptkräfte werden durch den elektrischen Strom sowie durch die Gradienten von Temperatur, mechanischer Beanspruchung und Konzentration induziert . . ${\ displaystyle N ({\ vec {x}}, t)}$${\ displaystyle {\ vec {x}} = (x, y, z)}$${\ displaystyle t}$${\ displaystyle J}$${\ displaystyle J}$${\ displaystyle {\ vec {J}} = {\ vec {J}} _ {c} + {\ vec {J}} _ {T} + {\ vec {J}} _ {\ sigma} + {\ vec {J}} _ {N}}$

So definieren Sie die oben genannten Flüsse:

${\ displaystyle {\ vec {J}} _ {c} = {\ frac {NeZD \ rho} {kT}} {\ vec {j}}}$ . Hier ist die Elektronenladung , ist die effektive Ladung des wandernden Atoms, der spezifische Widerstand des Leiters, in dem die Atommigration stattfindet, ist die lokale Stromdichte, ist die Boltzmannsche Konstante , ist die absolute Temperatur . ist die zeit- und positionsabhängige Atomdiffusionsfähigkeit. ${\ displaystyle e}$${\ displaystyle eZ}$${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle {\ vec {j}}}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle T}$${\ displaystyle D ({\ vec {x}}, t)}$

${\ displaystyle {\ vec {J}} _ {T} = - {\ frac {NDQ} {kT ^ {2}}} \ nabla T}$ . Wir nutzen die Wärme der Wärmediffusion. ${\ displaystyle Q}$

${\ displaystyle {\ vec {J}} _ {\ sigma} = {\ frac {ND \ Omega} {kT}} \ nabla H}$ hier ist das Atomvolumen und ist anfängliche Atomkonzentration , ist die hydrostatische Belastung und sind die Komponenten der Hauptspannung. ${\ displaystyle \ Omega = 1 / N_ {0}}$${\ displaystyle N_ {0}}$${\ displaystyle H = (\ sigma _ {11} + \ sigma _ {22} + \ sigma _ {33}) / 3}$${\ displaystyle \ sigma _ {11}, \ sigma _ {22}, \ sigma _ {33}}$

${\ displaystyle {\ vec {J}} _ {N} = - D \ nabla N}$ .

Unter der Annahme eines Leerstellenmechanismus für die Atomdiffusion können wir als Funktion der hydrostatischen Spannung ausdrücken, wo die effektive Aktivierungsenergie der thermischen Diffusion von Metallatomen ist. Die Leerstellenkonzentration repräsentiert die Verfügbarkeit leerer Gitterplätze, die möglicherweise von einem wandernden Atom besetzt sind. ${\ displaystyle D}$${\ displaystyle D = D_ {0} \ exp \ left ({\ frac {\ Omega H-E_ {A}} {kT}} \ right)}$${\ displaystyle E_ {A}}$

Elektromigrationsbewusstes Design

Elektromigrationszuverlässigkeit eines Drahtes (Blacksche Gleichung)

Ende der 1960er Jahre entwickelte JR Black ein empirisches Modell zur Schätzung der MTTF (mittlere Zeit bis zum Ausfall) eines Drahtes unter Berücksichtigung der Elektromigration. Seitdem hat die Formel in der Halbleiterindustrie an Popularität gewonnen:

${\ displaystyle {\ text {MTTF}} = {\ frac {A} {J ^ {n}}} e ^ {\ frac {E _ {\ text {a}}} {kT}}.}$

Hier ist eine Konstante basierend auf der Querschnittsfläche der Verbindung, ist die Stromdichte, ist die Aktivierungsenergie (z. B. 0,7 eV für die Korngrenzendiffusion in Aluminium), ist die Boltzmann-Konstante , ist die Temperatur in Kelvin und eine Skalierung Faktor (normalerweise nach Schwarz auf 2 gesetzt). Die Temperatur des Leiters erscheint im Exponenten, dh sie beeinflusst die MTTF der Verbindung stark. Damit eine Verbindung einer bestimmten Konstruktion bei steigender Temperatur zuverlässig bleibt, muss die Stromdichte innerhalb des Leiters verringert werden. Mit fortschreitender Verbindungstechnologie im Nanometerbereich wird die Gültigkeit der Black-Gleichung jedoch zunehmend fraglich. ${\ displaystyle A}$${\ displaystyle J}$${\ displaystyle E _ {\ text {a}}}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle T}$${\ displaystyle n}$

Drahtmaterial

In der Vergangenheit wurde Aluminium aufgrund seiner guten Haftung auf dem Substrat, seiner guten Leitfähigkeit und seiner Fähigkeit, ohmsche Kontakte mit Silizium zu bilden, als Leiter in integrierten Schaltkreisen verwendet . Reines Aluminium ist jedoch anfällig für Elektromigration. Untersuchungen zeigen, dass die Zugabe von 2-4% Kupfer zu Aluminium die Elektromigrationsbeständigkeit etwa um das 50-fache erhöht. Der Effekt wird auf die Korngrenzenentmischung von Kupfer zurückgeführt, die die Diffusion von Aluminiumatomen über Korngrenzen hinweg stark hemmt.

Reine Kupferdrähte können ungefähr fünfmal mehr Stromdichte aushalten als Aluminiumdrähte, während ähnliche Zuverlässigkeitsanforderungen eingehalten werden. Dies ist hauptsächlich auf die höheren Elektromigrationsaktivierungsenergieniveaus von Kupfer zurückzuführen, die durch seine überlegene elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie seinen höheren Schmelzpunkt verursacht werden. Weitere Verbesserungen können durch Legieren von Kupfer mit etwa 1% Palladium erzielt werden, das die Diffusion von Kupferatomen entlang der Korngrenzen auf die gleiche Weise wie die Zugabe von Kupfer zu Aluminiumverbindungen hemmt.

Bambusstruktur und Metallschlitze

Ein breiterer Draht führt zu einer geringeren Stromdichte und damit zu einer geringeren Wahrscheinlichkeit einer Elektromigration. Auch die Metallkorngröße hat Einfluss; Je kleiner die Körner, desto mehr Korngrenzen und desto wahrscheinlicher sind Elektromigrationseffekte. Wenn Sie jedoch die Drahtbreite auf unter die durchschnittliche Korngröße des Drahtmaterials reduzieren, werden die Korngrenzen "quer", mehr oder weniger senkrecht zur Länge des Drahtes. Die resultierende Struktur ähnelt den Gelenken in einem Bambusstiel. Mit einer solchen Struktur steigt der Widerstand gegen Elektromigration trotz einer Zunahme der Stromdichte. Dieser offensichtliche Widerspruch wird durch die senkrechte Position der Korngrenzen verursacht; Der Grenzdiffusionsfaktor wird ausgeschlossen und der Materialtransport entsprechend reduziert.

Die maximal mögliche Drahtbreite für eine Bambusstruktur ist jedoch normalerweise zu eng für Signalleitungen mit Strömen großer Größe in analogen Schaltungen oder für Stromversorgungsleitungen. Unter diesen Umständen werden häufig Schlitzdrähte verwendet, wobei rechteckige Löcher in die Drähte geschnitzt werden. Hier liegen die Breiten der einzelnen Metallstrukturen zwischen den Schlitzen im Bereich einer Bambusstruktur, während die resultierende Gesamtbreite aller Metallstrukturen den Leistungsanforderungen entspricht.

Blech Länge

Es gibt eine Untergrenze für die Länge der Verbindung, die eine höhere Strombelastbarkeit ermöglicht. Es ist als "Blechlänge" bekannt. Jeder Draht, dessen Länge unter dieser Grenze liegt, hat eine gestreckte Grenze für die Elektromigration. Hier bewirkt ein mechanischer Spannungsaufbau einen Atomrückflussprozess, der den effektiven Materialfluss zur Anode reduziert oder sogar kompensiert. Die Blech-Länge muss beim Entwurf von Teststrukturen zur Bewertung der Elektromigration berücksichtigt werden. Diese Mindestlänge beträgt typischerweise einige zehn Mikrometer für Chipspuren, und kürzere Verbindungen werden manchmal als "unsterbliche Elektromigration" bezeichnet.

Über Arrangements und Eckkurven

Besondere Aufmerksamkeit muss den Durchkontaktierungen und Kontaktlöchern gewidmet werden. Die Strombelastbarkeit einer Durchkontaktierung ist viel geringer als bei einem Metalldraht gleicher Länge. Daher werden häufig mehrere Durchkontaktierungen verwendet, wobei die Geometrie des Via-Arrays sehr wichtig ist: Mehrere Durchkontaktierungen müssen so organisiert werden, dass der resultierende Strom so gleichmäßig wie möglich über alle Durchkontaktierungen verteilt wird.

Es muss auch auf Biegungen in Verbindungen geachtet werden. Insbesondere müssen 90-Grad-Eckbiegungen vermieden werden, da die Stromdichte in solchen Biegungen erheblich höher ist als die in schrägen Winkeln (z. B. 135 Grad).

Elektromigration in Lötstellen

Die typische Stromdichte, bei der Elektromigration in Cu- oder Al-Verbindungen auftritt, beträgt 10 ⁶ bis 10 ⁷ A / cm ² . Bei Lötstellen (SnPb oder SnAgCu bleifrei), die in IC-Chips verwendet werden, tritt die Elektromigration jedoch bei viel geringeren Stromdichten auf, z. B. 10 ⁴ A / cm ² . Es bewirkt einen Nettoatomtransport entlang der Richtung des Elektronenflusses. Die Atome reichern sich an der Anode an, während an der Kathode Hohlräume entstehen und während der Elektromigration eine Rückspannung induziert wird. Das typische Versagen einer Lötstelle aufgrund von Elektromigration tritt auf der Kathodenseite auf. Aufgrund des aktuellen Verdichtungseffekts bilden sich zuerst Hohlräume an den Ecken der Lötstelle. Dann dehnen sich die Hohlräume aus und verbinden sich, um einen Fehler zu verursachen. Die Elektromigration beeinflusst auch die Bildung intermetallischer Verbindungen , da die Migrationsraten eine Funktion der Atommasse sind.

Elektromigration und technologiegestütztes computergestütztes Design

Das vollständige mathematische Modell, das die Elektromigration beschreibt, besteht aus mehreren partiellen Differentialgleichungen (PDEs), die für dreidimensionale geometrische Domänen gelöst werden müssen, die Segmente einer Verbindungsstruktur darstellen. Ein solches mathematisches Modell bildet die Grundlage für die Simulation der Elektromigration in TCAD-Werkzeugen (Computer Aided Design) der modernen Technologie. Die Verwendung von TCAD-Tools für detaillierte Untersuchungen der durch Elektromigration verursachten Verschlechterung von Verbindungen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Ergebnisse von TCAD-Studien in Kombination mit Zuverlässigkeitstests führen zu einer Änderung der Entwurfsregeln, wodurch der Verbindungswiderstand gegen Elektromigration verbessert wird.

Elektromigration aufgrund von IR-Abfallrauschen des On-Chip-Stromnetzes / der Verbindung

Die Elektromigrationsverschlechterung des On-Chip-Stromnetzes / der Verbindung hängt vom IR-Abfallrauschen der Stromnetzverbindung ab. Die elektromigrationsbewusste Lebensdauer der Stromnetzverbindungen sowie des Chips nimmt ab, wenn der Chip unter einem hohen Wert des IR-Abfallrauschens leidet.

Maschinelles Lernmodell für elektromigrationsbewusste MTTF-Vorhersage

Neuere Arbeiten demonstrieren die MTTF-Vorhersage unter Verwendung eines maschinellen Lernmodells. Die Arbeit verwendet einen auf einem neuronalen Netzwerk basierenden überwachten Lernansatz mit Stromdichte, Verbindungslänge und Verbindungstemperatur als Eingabemerkmale für das Modell.

Elektromigrierte Nanospalten

Elektromigrierte Nanospalten sind Lücken in Metallbrücken, die durch den Prozess der Elektromigration gebildet werden. Ein durch Elektromigration gebildeter Kontakt mit Nanogröße wirkt wie ein Wellenleiter für Elektronen. Der Nanokontakt wirkt im Wesentlichen wie ein eindimensionaler Draht mit einer Leitfähigkeit von . Der Strom in einem Draht ist die Geschwindigkeit der Elektronen multipliziert mit der Ladung und der Anzahl pro Längeneinheit oder . Dies ergibt eine Leitfähigkeit von . Bei Brücken im Nanomaßstab fällt die Leitfähigkeit in diskreten Schritten um ein Vielfaches der Quantenleitfähigkeit . ${\ displaystyle G = 2e ^ {2} / h}$${\ displaystyle I = veN / L}$${\ displaystyle G = veN / LV}$${\ displaystyle G = ve ^ {2} N / LE}$${\ displaystyle G = 2e ^ {2} / h}$

Elektromigrierte Nanogaps haben sich als Elektroden in der Elektronik im molekularen Maßstab als vielversprechend erwiesen. Forscher haben eine rückkopplungsgesteuerte Elektromigration verwendet , um den Magnetowiderstand eines Quantenspinventils zu untersuchen .

Referenzstandards

• EIA / JEDEC- Standard EIA / JESD61 : Testverfahren für isotherme Elektromigration.
• EIA / JEDEC- Standard EIA / JESD63 : Standardmethode zur Berechnung der Parameter des Elektromigrationsmodells für Stromdichte und Temperatur.

Siehe auch

• Kirkendall-Effekt
• Dichtstrom

Anmerkungen und Referenzen

Weiterführende Literatur

Bücher

• Christou, A (1993). Elektromigration und Abbau elektronischer Geräte . Wiley. ISBN   978-0-471-58489-6 .
• J. Lienig, M. Thiele (2018). Grundlagen des elektromigrationsbewussten Entwurfs integrierter Schaltkreise . Springer. doi : 10.1007 / 978-3-319-73558-0 . ISBN   978-3-319-73557-3 . CS1-Wartung: mehrere Namen: Autorenliste ( Link )

Externe Links

Medien im Zusammenhang mit Elektromigration bei Wikimedia Commons

• [1] Was ist Elektromigration? , Labor für Computersimulation, Technische Universität des Nahen Ostens.
• [2] Elektromigration für Designer: Eine Einführung für den Nichtspezialisten JR Lloyd, EETimes.
• Detaillierte Halbleiterelektromigration bei DWPG.Com
• Modellierung des Elektromigrationsprozesses mit Hohlraumbildung am F & E-Standort von UniPro
• DoITPoMS Lehr- und Lernpaket - "Elektromigration"