单向和双向脉冲电流引起的铜线电阻退化

《IEEE Transactions on Device and Materials Reliability》：Copper Line Resistance Degradation Caused by Unidirectional and Bidirectional Pulsed Currents

电磁迁移导致金属线电阻退化的多物理场仿真与理论模型研究表明：静水压力在刚性约束下呈现可逆动力学演化，单向应力形成的梯度主导应力松弛过程，电载荷极性变化时与电磁力耦合作用显著。脉冲电流通断期的自热效应影响有限，MTF随应力电流频率升高而缩短，因电子散射降低原子扩散激活能。对称双极应力下电阻响应争议源于含预存空位的测试线中热电效应激活，导致表观电阻变化与温度电动势相关。

　　

摘要：

本文利用基于多物理场有限元方法的仿真和理论建模，分析了时变电流引起的金属线路电阻的电子迁移（EM）退化现象。研究表明，嵌入在刚性约束结构中的金属线路在受到时变电应力作用时，其内部产生的静水应力会表现出可逆的演化规律。在单向应力作用下形成的应力梯度控制着电载荷移除后的应力松弛过程；如果载荷极性发生变化，该应力梯度还会与电子迁移力共同作用于金属线路。单极脉冲电流通断期间自热效应的变化对应力松弛过程的影响较小。由于电子散射导致原子扩散激活能降低，金属线路的平均失效时间（MTF）随应力电流频率的增加而缩短。从散射电子传递到跳迁到相邻空位原子的能量取决于电场频率。对于在对称双极应力作用下的线路电阻变化现象，现有研究提出了不同的解释，认为这是由于测试线路中存在先前热处理步骤产生的空洞所激活的热电效应所致。这些热电效应可能导致人们误解读测量结果，因为它们会引发看似由热电动势变化引起的电阻变化。