《Thin Solid Films》：Influence of magnetic field on electromigration behavior in metallic thin interconnects under high-density electric current
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研究在控制磁場下對高密度電流加載的鋁薄膜試件進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)N/S極磁場方向?qū)е码娮恿鲃?dòng)分布變化，形成不對稱厚度變化（陽極 hillock 和陰極變薄），證實(shí)磁場顯著影響電磁遷移行為，為高功率電子器件可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
作者：Souma Yusuke、Sasagawa Kazuhiko、Fujisaki Kazuhiro、Miura Kotaro
所屬機(jī)構(gòu)：日本青森縣弘前市文京町3，弘前大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究生院（郵編036-8561）
摘要
電磁遷移（EM）是金屬互連線路中的一個(gè)關(guān)鍵問題，尤其是在高電流密度下使用的電動(dòng)汽車中的電源模塊中。本研究通過在受控磁場下對薄啞鈴形鋁試樣進(jìn)行高密度電流加載測試，探討了磁場對電磁遷移行為的影響。這些試樣采用濕法蝕刻工藝制備，并經(jīng)過退火處理以確保穩(wěn)定性。電流加載測試是在垂直于互連線路的方向上施加N極和S極磁場的情況下進(jìn)行的。光學(xué)顯微鏡和激光顯微鏡觀察結(jié)果顯示，陽極側(cè)出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象，而陰極側(cè)則出現(xiàn)變薄現(xiàn)象。磁場產(chǎn)生的洛倫茲力影響了電子流動(dòng)分布，從而導(dǎo)致互連線路寬度方向的厚度不對稱變化。研究結(jié)果表明，磁場會(huì)影響電磁遷移行為，并可能對高功率電子電路的設(shè)計(jì)和可靠性產(chǎn)生影響。
引言
近年來，為應(yīng)對環(huán)境問題，各國都在積極推動(dòng)電動(dòng)汽車的使用[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。預(yù)計(jì)電動(dòng)汽車的銷量將逐年增加，這一發(fā)展也促進(jìn)了電源模塊的小型化和輸出功率的提升[[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]]。由于電源模塊的尺寸縮小和輸出功率的增加，流經(jīng)該模塊及互連金屬線的電流密度也隨之增加。電流密度的增加可能會(huì)導(dǎo)致電磁遷移（EM）現(xiàn)象[[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24]]，即構(gòu)成電子線路的金屬原子由于線路中的高密度電子流動(dòng)而從陰極側(cè)擴(kuò)散到陽極側(cè)。電磁遷移損傷的加劇會(huì)嚴(yán)重影響電子線路，最終可能導(dǎo)致互連線路失效。此外，電機(jī)周圍會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場。當(dāng)磁場垂直于導(dǎo)體中的電子流動(dòng)方向時(shí)，所產(chǎn)生的洛倫茲力會(huì)在材料內(nèi)部引起電子密度的非均勻分布[[25], [26]]。這一現(xiàn)象表明，在互連線路中施加高密度電流時(shí)，磁場可能會(huì)影響電磁遷移行為。盡管以往的研究提出了利用磁場控制電磁遷移的技術(shù)，但據(jù)我們所知，目前尚無實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)地探討磁場在高密度電流加載條件下對材料形態(tài)變化的影響。闡明這一問題對于全面理解實(shí)際高功率模塊中的電磁遷移行為至關(guān)重要。本研究旨在解決這一未解決的問題。
在本研究中，通過制造薄鋁試樣、施加N極或S極磁場并進(jìn)行高密度電流加載測試，觀察了電磁遷移行為的變化。
實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)
試樣制備
如圖1(a)所示，采用濕法蝕刻工藝制備了帶有測試線路以及用于電流輸入和輸出的兩個(gè)焊盤的啞鈴形薄試樣。首先，在涂有熱生長氧化硅層的硅晶圓上通過真空沉積法沉積約0.4 μm厚的鋁膜。沉積完成后，使用旋涂機(jī)在鋁膜上涂覆光刻膠，并通過紫外線光罩進(jìn)行曝光。
施加指向試樣表面的磁場進(jìn)行電流加載測試
在本實(shí)驗(yàn)中，施加了指向試樣表面的磁場進(jìn)行電流加載。圖3顯示了電流加載過程中試樣測試線路上的電勢變化。電流加載在斷開連接前停止。圖4展示了加載前后的光學(xué)顯微鏡和激光顯微鏡圖像。電流加載測試后，陰極焊盤出現(xiàn)了裂紋，并在某些區(qū)域形成了局部堆積物。
討論
根據(jù)電流加載測試的結(jié)果，試樣的陰極側(cè)和陽極側(cè)出現(xiàn)了不同類型的損傷。當(dāng)線路部分的陰極側(cè)厚度減小時(shí)，陰極焊盤出現(xiàn)了裂紋；而當(dāng)厚度增加時(shí)，陽極側(cè)出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象。這些結(jié)果表明，由于電磁遷移作用，陰極側(cè)的原子向陽極側(cè)移動(dòng)，從而導(dǎo)致局部厚度變化。
結(jié)論
本研究通過向鋁薄膜線路施加磁場，進(jìn)行了加速電流加載測試，以研究磁場對電磁遷移行為的影響。形態(tài)觀察顯示，由于電流加載作用，線路長度方向的厚度發(fā)生了不對稱變化。根據(jù)兩種不同磁場方向下的厚度變化差異，可以推測磁場對電磁遷移行為具有影響。
資助信息
本研究部分得到了日本學(xué)術(shù)振興會(huì)（JSPS KAKENHI）的資助（資助編號(hào)：22H01349和23K13212）。
數(shù)據(jù)獲取
如需獲取支持本研究結(jié)果的數(shù)據(jù)，可聯(lián)系通訊作者。
作者貢獻(xiàn)聲明
Yusuke Souma：撰寫初稿、開展實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、提出研究概念。
Kazuhiko Sasagawa：負(fù)責(zé)項(xiàng)目監(jiān)督和管理。
Kazuhiro Fujisaki：參與撰寫內(nèi)容修訂與編輯。
Kotaro Miura：參與撰寫內(nèi)容修訂與編輯。
利益沖突聲明作者聲明不存在可能影響本文研究工作的已知財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系。
