恒流电迁移试验

恒流电迁移试验是一种用于研究材料在恒定电流作用下原子迁移行为的测试方法，主要应用于评估电子器件中金属互连结构的可靠性，尤其是在集成电路制造领域，可用来预测材料在长期电流负载下的失效风险。

基本概念与原理

电迁移的本质：当电流通过金属导体（如铜、铝导线）时，电子与金属原子发生动量传递，形成 “电子风”，推动原子沿电流方向迁移。

长时间迁移会导致材料局部出现空洞（开路风险）或原子堆积（晶须生长，短路风险），最终引发器件失效。

恒流模式的特点：与恒压电迁移试验相比，恒流试验中电流强度保持恒定。

由于电流直接对应电子流的密度，恒流模式能更直观地控制 “电子风” 的驱动力，避免电压波动对试验结果的干扰，尤其适用于研究电流密度与原子迁移速率的关系。

试验目的与应用场景

可靠性评估：在半导体制造中，用于测试芯片内部金属连线（如铜互连）在长期工作电流下的稳定性，模拟器件在实际使用中的寿命。

材料研发：筛选新型导电材料（如低电迁移率的合金）或优化互连结构（如镀层、界面处理），通过恒流试验对比不同材料的抗电迁移能力。

失效机理研究：通过监测试验中样品的电阻变化、微观结构（如扫描电镜观察空洞形成），分析电迁移的发生机制及影响因素。

关键试验条件与控制因素

电流密度：通常设定为较高值（如 10⁴~10⁶ A/cm²），以加速电迁移过程，缩短试验周期（加速测试）。

温度：试验常在高温下进行（如 150~300℃），温度升高会加剧原子扩散，与电流共同促进电迁移，需通过温控系统精确控制。

监测参数：实时记录样品电阻变化（电阻骤升可能预示空洞形成，骤降可能与晶须短路相关），并在试验后通过显微观察分析结构损伤。

试验流程概述

样品制备：制备标准测试结构（如金属导线、薄膜电阻），确保样品尺寸、界面状态等参数一致。

环境搭建：将样品置于恒温腔体内，连接恒流电源，形成闭合回路。

施加电流与监测：按设定的电流密度和温度启动试验，持续监测电阻、温度等参数。

失效判定与分析：当电阻变化超过阈值（如 ±10%）或达到预设时间后，终止试验，通过微观表征（如 SEM、TEM）分析失效位置与机理。

与恒压电迁移的对比

恒流试验：电流恒定，适合研究电流密度的直接影响，结果更贴近器件实际工作场景（多数器件在恒定电流下运行）。

恒压试验：电压恒定，电流会随材料电阻变化而波动，更适用于研究电压驱动下的迁移行为，但需考虑电阻变化对电流的干扰。

典型应用案例

在先进制程芯片中，铜互连的电迁移失效是制约器件寿命的关键因素，恒流试验可用于优化铜镀层的阻挡层（如 TaN）厚度，减少原子扩散。

功率器件（如 IGBT）的引线键合工艺中，通过恒流试验评估金线在大电流下的可靠性，避免长期工作中的键合点断裂。

通过恒流电迁移试验，科研与工程领域可更精准地预测材料在电应力下的失效模式，为提升电子器件的稳定性和寿命提供数据支撑。