3.9萬(wàn)
電遷移是一個(gè)重要問(wèn)題，尤其是在金屬互連的橫截面積非常小的低工藝節(jié)點(diǎn)中。
什么是power EM
當(dāng)高電流密度通過(guò)金屬互連線(xiàn)時(shí)，載流電子的動(dòng)量可能會(huì)在它們之間的碰撞過(guò)程中轉(zhuǎn)移到金屬離子上。由于動(dòng)量轉(zhuǎn)移，金屬離子可能會(huì)在電子的運(yùn)動(dòng)方向上漂移。這種金屬離子從其原始位置的漂移稱(chēng)為電遷移效應(yīng)。
電流密度 J 定義為每單位橫截面積的電流大小。
J = I/A
其中I是電流大小，A是互連線(xiàn)的橫截面積。
隨著工藝節(jié)點(diǎn)的縮小，金屬互連的截面積也隨之縮小，節(jié)點(diǎn)的電流密度大幅度增加。自 90 納米或更早的技術(shù)節(jié)點(diǎn)以來(lái)，電遷移一直是一個(gè)問(wèn)題，但在 28 納米或更早的較低技術(shù)節(jié)點(diǎn)中它變得更糟。
圖1 電遷移現(xiàn)象示意圖
圖1顯示了電遷移效應(yīng)的現(xiàn)象。如圖所示，在金屬互連線(xiàn)上施加電位差，形成從陽(yáng)極側(cè)到陰極側(cè)的電場(chǎng)。該電場(chǎng)使電子沿與電場(chǎng)相反的方向移動(dòng)。電子的這種動(dòng)量導(dǎo)致電子中的電流流動(dòng)。這些移動(dòng)的電子具有動(dòng)量，當(dāng)它與金屬離子碰撞時(shí)，金屬離子會(huì)感受到兩個(gè)相反方向的力，如圖所示。一種力是由于電場(chǎng)，另一種是由于電子風(fēng)（electrons wind）的撞擊。如果電流密度高，則由電子風(fēng)產(chǎn)生的力大于由電場(chǎng)產(chǎn)生的力。
由于電流密度，受到影響金屬離子開(kāi)始在電場(chǎng)的相反方向上漂移。如果電流密度很高，則互連線(xiàn)可能會(huì)立即受到 EM 的影響，或者有時(shí)這種影響可能會(huì)在運(yùn)行數(shù)月/年之后出現(xiàn)，具體取決于電流密度。因此，ASIC 的可靠性將很大程度上取決于這種 EM 效應(yīng)。
Mean Time To Failure
MTTF（mean time to failure,平均失效時(shí)間） 是集成電路壽命的指標(biāo)。MTTF 使用如下 方程計(jì)算。
其中 A = 橫截面積；
J = 電流密度；
N = 比例因子（通常設(shè)置為 2）；
Ea = 活化能；
K = 玻爾茲曼常數(shù)；
T = 開(kāi)爾文溫度；
EM引起的后果
一旦金屬離子開(kāi)始從其原始位置移動(dòng)，這些將在互連中產(chǎn)生問(wèn)題。它可能導(dǎo)致離子在缺乏離子的特定位置過(guò)度積累。因此，金屬互連中可能會(huì)出現(xiàn)小丘（Hillocks）或空洞（Void）。
圖2 EM引起的互連線(xiàn)中的小丘和空洞
空洞：如果輸入離子通量小于輸出離子通量，則會(huì)在互連線(xiàn)中產(chǎn)生空隙?？障稌?huì)導(dǎo)致互連線(xiàn)不連續(xù)并導(dǎo)致開(kāi)路。
小丘：如果傳入的離子通量大于傳出的離子通量，則會(huì)導(dǎo)致離子積累并在互連線(xiàn)中形成小丘。小丘可以增加金屬互連線(xiàn)的寬度并接觸相鄰的金屬互連線(xiàn)，這可能導(dǎo)致短路。
如何規(guī)避EM
隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的發(fā)展，所使用的互連線(xiàn)也發(fā)生了變化。最初，純鋁用作互連線(xiàn)，然后行業(yè)開(kāi)始使用 Al-Cu 合金，后來(lái)轉(zhuǎn)向銅互連線(xiàn)。與鋁互連相比，銅互連可以承受大約 5 倍的電流，同時(shí)保持相似的可靠性要求。
在physical design期間，可以使用以下技術(shù)來(lái)防止 EM 問(wèn)題：增加金屬寬度以降低電流密度、降低頻率、降低電源電壓、保持合理的wire length、減少時(shí)鐘樹(shù)中的BUFFER大小、為防止 EM 問(wèn)題，在sign off階段根據(jù)代工廠(chǎng)提供的 EM 規(guī)則執(zhí)行 EM Checks。
