Was ist das Phänomen der Stressmigration?

Stressmigration (SM)ist ein häufiges Zuverlässigkeitsfehlerphänomen in integrierten Schaltkreisen. Es bezieht sich auf das Phänomen, bei dem aufgrund von Spannungskonzentrationen (z. B. nicht übereinstimmende Wärmeausdehnungskoeffizienten) nach der Herstellung oder Einkapselung Atomwanderung, lokale Hohlräume oder Risse auftreten, was letztendlich zu einem Bruch des Leiterpfads oder einem abnormalen Widerstandsanstieg führt.

Bei der tatsächlichen Beobachtung kann bei einigen Metalldrähten die Bildung von Hohlräumen beobachtet werden, ohne dass elektrischer Strom angelegt wird, und bei einigen Metalldrähten kann die Bildung von Hohlräumen oder sogar eine vollständige Trennung beobachtet werden. Bei diesem Phänomen handelt es sich um Spannungsmigration, die vermutlich das Ergebnis einer Spannungsfreisetzung des Metalls selbst ist.

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Ursachen und physikalische Mechanismen

Spannungsmigration ist ein Diffusionsprozess, der durch mechanische Beanspruchung verursacht wird. Bei der Herstellung integrierter Schaltkreise wird durch Prozessschritte mit hoher-Temperatur mechanischer Stress erzeugt. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Metall- und Isolierschichten führen diese Hochtemperaturprozesse zu größeren Spannungen in der Metallschicht (Aluminium oder Kupfer).

Insbesondere hat Kupfer einen viel höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten (ca. 17 ppm/Grad) als Medien mit niedrigem k-Wert oder Siliziumdioxid (ca. 0,5 ppm/Grad). Bei Temperaturänderungen „dehnt“ sich Kupfer stärker, wodurch es zu starken mechanischen Spannungen mit dem umgebenden Medium kommt. Gleichzeitig erzeugt Kupfer während der Abscheidung und Abkühlung eine „eingebaute Spannung“, und im Laufe der Zeit wandern Kupferatome spannungsbedingt von Zonen mit hoher -Spannung zu Zonen mit niedriger -Spannung, um zu „dekomprimieren“, was zur Anhäufung atomarer Leerstellen in Zonen mit hoher Spannung und schließlich zur Bildung von Hohlräumen führt.