Кіріспе

Электромиграция – өткізгіштегі иондардың, өткізгіш электрондар мен диффузиялық металл атомдары арасындағы импульс алмасуы нәтижесінде біртіндеп жылғалысуынан туындайтын материалдың тасымалдануы. Бұл құбылыс жоғары тұрақты ток тығыздықтары қолданылатын микроэлектроника және оған қатысты құрылымдар сияқты салаларда маңызды. Интегралды схемалар (ИС) сияқты электроникадағы құрылымдардың өлшемі кішірейген сайын, бұл құбылыстың практикалық маңызы арта түседі.

Тарих

Электромиграция құбылысы 100 жылдан астам уақыттан бері белгілі, оны француз ғалымы Жерардин ашқан. Бұл тақырып алғаш рет 1960 жылдардың аяғында, қаптамаланған интегралдық схемалар (ИС) пайда болған кезде практикалық қызығушылық тудырды. Алғашқы коммерциялық ИС-тер үш апта ішінде электромиграция салдарынан жұмыс істемей қалды, бұл мәселені түзету үшін өнеркәсіптің күшті күш-жігеріне әкелді. И. Блех жұқа пленкаларда электромиграцияны алғаш байқады. Осы саладағы зерттеулерді жартылай өткізгіш өнеркәсібінің даму кезеңінде бірқатар ғалымдар бастады. Ең маңызды инженерлік зерттеулердің бірін Motorola компаниясының Джим Блэк жүргізді, оның құрметіне Блэк теңдеуі аталды. Ол кезде ИС-тердегі металл қосылыстардың ені шамамен 10 микрометр болатын. Қазіргі уақытта қосылыстардың ені жүзден он нанометрге дейін азайды, бұл электромиграция зерттеулерін одан да маңыздырақ етеді.

Электромиграцияның практикалық әсері

Электромиграция интегралдық схемалардың (ИК) сенімділігін төмендетеді. Ол байланыстың жоғалуына немесе тізбектің істен шығуына әкелуі мүмкін. Сенімділік ғарышқа сапарлар, әскери мақсаттар, тежегіш жүйелер, Автоматтандырылған сыртқы дефибрилляторлар сияқты медициналық жабдықтар үшін және тіпті жеке компьютерлер немесе үй развлегіш жүйелері үшін де маңызды болғандықтан, микросхемалардың (ИК) сенімділігі зерттеулердің басты назарында болады. Нақты жағдайларда сынақ жүргізудің қиындығына байланысты, интегралдық схемалардың қызмет ету мерзімін болжау үшін Блэк теңдеуі қолданылады. Блэк теңдеуін қолдану үшін компонент жоғары температурадағы жұмыс істеу сынағынан (HTOL) өтеді. Компоненттің нақты жағдайлардағы күтілетін қызмет ету мерзімі сынақ барысында алынған деректерге сүйене отырып есептеледі. Атап айтқанда, сымдардың ені және көлденең қимасы уақыт өте келе азая береді. Ток күші де төмендеуі мүмкін, себебі жабдықтандыру кернеуі төмендеп, қақпа сыйымдылығы кішірейеді. Жаңа жартылай өткізгіш өндіріс процестерінде мыс алюминийдің орнына қосылыс материалы ретінде қолданылады. Өндіріс процесінде мыс алюминийге қарағанда нәзік болғанымен, оның артықшылығы жоғары өткізгіштігі. Сонымен қатар, мыс электромиграцияға (ЭМ) да аз бейім. Дегенмен, электромиграция (ЭМ) құрылғы жасаудағы мәселе болып қалады, сондықтан мыс қосылыстары үшін ЭМ зерттеулері жалғасуда (бұл салыстырмалы түрде жаңа сала). Электромиграция қозғалған электроның импульсының бір бөлігі жақын орналасқан белсенді ионға берілгенде пайда болады. Бұл ионның бастапқы орнынан орын ауысуына себеп болады. Уақыт өте келе, бұл күш көптеген атомдарды бастапқы орнынан ығыстырады. Электр өткізгіш материалда үзіліс немесе кеңістік пайда болып, ток ағымын тоқтатуы мүмкін. Интегралдық тізбектердегі транзисторлар мен басқа компоненттерді байланыстыратын тар өткізгіштерде бұл бос кеңістік немесе ішкі ақау (ашық тізбек) деп аталады. Электромиграция өткізгіш атомдарын жинақтап, жақын орналасқан басқа өткізгіштерге қарай жылжытуға да себеп болуы мүмкін, нәтижесінде қарама-қарсы электр байланысы – hillock немесе whisker ақаулары (қысқа тұйықталу) пайда болады. Екі жағдай да тізбектің істен шығуына әкелуі мүмкін.

Диффузиялық механизмдер

Біртекті кристалдық құрылымда металл иондарының біркелкі тор құрылымының арқасында, өткізгіш электрондар мен металл иондары арасында импульс алмасуы өте аз болады. Дегенмен, бұл симметрия дән шекараларында және материалдардың интерфейстерінде болмайды, сондықтан импульс мұнда күштірек беріледі. Осы аймақтардағы металл иондары реттелген кристалл торына қарағанда әлсіз байланысқандықтан, электрон ағыны белгілі бір күшке жеткен кезде атомдар дән шекараларынан бөлініп, ток бағытында тасымалданады. Бұл бағытқа дән шекарасының өзі де әсер етеді, себебі атомдар дән шекаралары бойымен қозғалуға бейім. Электромиграция нәтижесінде туындайтын диффузиялық процестерді дән шекарасы диффузиясы, көлемдік диффузия және беттік диффузия деп бөлуге болады. Әдетте, алюминий сымдарында дән шекарасы диффузиясы басты электромиграциялық процесс болып табылады, ал мыс байланыстарында беттік диффузия басым.

Жылу әсерлері

Идеалды өткізгіште, атомдар мүсірленген решеттік құрылымда орналасқан жағдайда, одан өтетін электрондар соқтығыспайды және электрлік көші-қон болмайды. Шын өткізгіштерде решеттік құрылымдағы кемшіліктер және атомдардың өз орнынан кездейсоқ термиялық қозғалысы электрондардың атомдармен соқтығысуына және шашырауына себеп болады, бұл электр кедергісінің түбірі (кем дегенде металдарда; электрлік өткізгіштерге қараңыз). Әдетте, салыстырмалы түрде жеңіл электрондардың беретін импульсы атомдарды тұрақты түрде орын ауыстыруға жеткіліксіз. Дегенмен, жоғары қуат жағдайында (мысалы, қазіргі заманғы VLSI микропроцессорларында ток тұтынудың артуы және сымдардың өлшемінің кішіреюі), көптеген электрондар атомдарды жеткілікті күшпен бомбаласа, бұл өткізгіштің атомдарын идеалды решеттік орнынан одан әрі қозғалысқа келтіріп, электромиграция процесін үдетеді, нәтижесінде электрон шашырауының көлемі артады. Ток тығыздығының жоғарылауы өткізгіш атомдарына шашыраған электрондардың санын арттырады, демек, осы атомдардың орын ауыстыру жылдамдығы да артады. Интегралды тізбектерде электромиграция жартылай өткізгіштерде тікелей болмайды, бірақ оларға жатқан металл қосылыстарында пайда болады (жартылай өткізгіш құрылғысын жасауға қараңыз). Электромиграция жоғары ток тығыздығымен және өткізгіштің Джоуль қыздыруымен (электр кедергісіне қараңыз) күшейеді және электр компоненттерінің бұзылуына әкелуі мүмкін. Ток тығыздығының жергілікті жоғарылауы ток тығыздығы деп аталады.

Сымның электрлік көші-қон сенімділігі (Блэк теңдеуі)

1960 жылдардың соңында Дж. Р. Блэк сымның MTTF (орташа істен шығу уақыты) шамалау үшін, электрлік көші-қонды ескере отырып, эмпирикалық модельді жасады. Одан бері бұл формула жартылай өткізгіш өнеркәсібінде кең таралды:
Мұнда – бұл өзара байланыстың көлденең қимасымен анықталатын тұрақты шама, – ток тығыздығы, – белсендіру энергиясы (мысалы, алюминийдегі дән шекарасы арқылы диффузия үшін 0,7 ЭВ), – Болцман тұрақтысы, – температура (кельвинмен), ал – масштабтау коэффициенті (әдетте Блэк бойынша 2-ге тең). Таза мыс сымдары алюминий сымдарына қарағанда шамамен бес есе жоғары ток тығыздығына төтеп бере алады, бұл ретте сенімділік талаптары сақталса. Бұл, негізінен, мыстың жоғары электр және жылу өткізгіштігімен, сондай-ақ оның жоғары балқу температурасымен байланысты электрлік көші-қонның жоғары белсендіру энергиясының нәтижесі болып табылады. Мысқа шамамен 1% палладий қосу арқылы қосымша жақсартуларға қол жеткізуге болады, бұл мыс атомдарының дән шекаралары бойынша диффузиясын тежейді, бұл алюминий өзара байланысына мыс қосу сияқты әрекет етеді.

Бамбуктан жасалған құрылым және металл ойықтар

Кеңірек сым ток тығыздығын азайтады, демек электрлік көші-қон мүмкіндігі төмендейді. Сонымен қатар, металл түйіршігінің мөлшері де әсер етеді; түйіршіктер неғұрлым кішкентай болса, түйіршік шекаралары соғұрлым көп болады және электрлік көші-қон әсерінің ықтималдығы артады. Бірақ, егер сымның енін сым материалының орташа түйіршік мөлшерінен кемітсеңіз, түйіршік шекаралары «көлденең» болады, сым ұзындығына шамамен перпендикуляр орналасады. Бұл құрылым бамбук сабағының буындарына ұқсайды. Мұндай құрылымда ток тығыздығының жоғарылауына қарамастан, электрлік көші-қонға төзімділік артады. Бұл көрінетін қайшылық түйіршік шекараларының перпендикуляр орналасуымен түсіндіріледі; шекаралық диффузия факторы жойылса, материал тасымалы да сәйкесінше азаяды. Дегенмен, бамбук құрылымы үшін мүмкін болатын сымның максималды ені аналогтық тізбектердегі үлкен токтарға арналған сигналдық желілерге немесе қуат беру желілеріне қатысты тым тар болып келеді. Мұндай жағдайларда ойық сымдар жиі қолданылады, онда сымдарға тіктөртбұрышты тесіктер жасалады. Мұнда ойықтар арасындағы жеке металл құрылымдардың ені бамбук құрылымының өлшемдеріне сәйкес келеді, ал барлық металл құрылымдардың жалпы ені қуат талаптарын қанағаттандырады. Бұл мәселе өзара байланыс құрылымының сегменттерін бейнелейтін үш өлшемді геометриялық кеңістіктерде шешілуі керек. Мұндай математикалық модель заманауи технологияда компьютерлік көмекпен жобалау (TCAD) құралдарында электромиграцияны модельдеудің негізін құрайды. Электромиграция салдарынан туындаған өзара байланыстардың нашаруын егжей-тегжейлі зерттеу үшін TCAD құралдарын пайдалану маңыздылығы артып келеді. TCAD зерттеулерінің нәтижелері сенімділік сынақтарымен үйлестіріліп, электрлік көші-қонға төзімділікті арттыру үшін жобалау ережелерін өзгертуге мүмкіндік береді.

Чиптегі электр желісі / өзара байланысы бойынша инфрақызыл түсті төмендеу шуынан туындаған электр көші-қоны

Чиптегі қуат желісінің/қосылысының электр миграциясынан зақымдануы қуат желісі қосылысының IR құлау шуына байланысты. Қуат желісі қосылыстарының электр миграциясын ескере отырып, қызмет ету мерзімі, сондай-ақ чип, егер чип жоғары IR құлау шуына ұшыраса, қысқарады.

Электромиграциялы МТТФ болжаудың машиналық оқыту моделі

Жақындағы зерттеулер машиналық оқыту моделін пайдаланып, MTTF-ты болжауды көрсетеді. Бұл жұмыста ток тығыздығы, қосылыстың ұзындығы және қосылыстың температурасы кіріс деректер ретінде қолданылатын, жүйке желісіне негіделген бақыланатын оқыту тәсілі пайдаланылды.

Электромиграцияланған наноқашықтықтар

Электромиграцияланған наноқашықтықтар – электромиграция процесі арқылы түзілген металл көпірлерде пайда болатын саңылаулар. Электромиграция нәтижесінде түзілген наноөлшемді контакт электрондар үшін толқын жетектері сияқты жұмыс істейді. Наноконтакт, негізінен, өткізгіштігі бар бірөлшемді сым сияқты болып табылады. Сымдағы ток – электрондардың жылдамдығы мен зарядтың, бірлік ұзындықтағы санына көбейтілген шамасы, немесе Бұл өткізгіштікке тең. Наноөлшемді көпірлерде өткізгіштік кванттық өткізгіштің еселігімен дискретті қадамдармен төмендейді. Зерттеушілер кванттық спин клапанының магниттік кедергісін зерттеу үшін кері байланыспен басқарылатын электромиграцияны пайдаланды.