Electromigration

Electromigration

Electromigration이란 얇은 박막(thin film)이나 wire형태의 전도체에 높은 전류밀도가 가해질 때 Mass transport가 일어나는 현상이다. 이로 인하여 hillock, bridge나 void 같은 defect이 생겨 device의 성능저하를 초래한다. 

Electronmigration이 일어나는 대표적인 2가지 mechanism은 다음과 같다.

(1) Electron Wind Force 

높은 전류 밀도에서, 전자(electron)는 금속 이온(metal ion)에 충분한 momentum을 가하여 양극(anode)쪽으로 이동하도록 할 수있다. 

 Net flux of metal ions toward the anode는 다음과 같다.

z* = effective ion valence 

q = electronic charge 

ρ = electrical resistivity of the metal 

J = current density 

(2) Grain-boundary diffusion : movement of atoms along grain boundaries 

금속 다결정(Polycrystalline)에 존재하는 grain-boundary triple points에서 diffussion이 일어나 부분적으로 금속원자의 축적이나 손실이 있을 수 있다. 이로인해 hillocks나 void같은 현상이 발생한다.

Growth of hillocks : short the contiguous conductor lines 

Growth of voids : discontinuities in a conductor

Electromigration의 해결

이러한 electromigration 현상을 해결하는 방법은 다음과 같다.

1. Film 두께를 최대한 균일(uniform)하게 제작한다

2. Grain boundary를 확대(enlarge) 한다

3. 분자량이 크거나 electromigration에 저항성이 있는 금속(Cu)을 섞는다

Al 95% + Cu 4% + Si 1% alloy

위 금속을 사용하면 electromigration 현상은 Cu에 의해 aluminum junction spike 현상은 Si에 의해 억제할 수 있다.

4. ULSI technology 

Cu와 SiO2의 접착력을 향상시키기 위해 불순문(impurities)을 첨가한다.