目前集成電路后段互連的設(shè)計(jì)規(guī)則中存在三種電流相關(guān)規(guī)則，分別是：

Javg，對(duì)應(yīng)直流DC電流規(guī)則；

Jrms，對(duì)應(yīng)交流AC電流規(guī)則；

Jpeak，對(duì)應(yīng)最大脈沖瞬時(shí)電流規(guī)則。

文章下面將分三部分，分別對(duì)上述三種電流從來源機(jī)理，失效理論，和檢測(cè)手法等方面展開論述。

1. Javg

Javg，或稱Iavg/Jdc/Idc，即保證EM低風(fēng)險(xiǎn)的最大直流DC電流，是直接和電遷移效應(yīng)失效相關(guān)聯(lián)的。

所謂“電遷移”，簡單的表述其失效機(jī)理如圖1所示。中間大圓球代表帶正電的金屬離子。它受到兩種力的作用：一種是在電場(chǎng)影響下的作用力，一種是被電子撞擊，有動(dòng)量交換的產(chǎn)生，就是所謂的“電子風(fēng)”作用力的影響下，往另一個(gè)相反的方向移動(dòng)。

在電子風(fēng)作用力大于反向電場(chǎng)作用力的條件下，金屬離子發(fā)生移動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)出物質(zhì)遷移運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象。

如圖2所示，電遷移會(huì)導(dǎo)致在金屬互連線和通孔附近產(chǎn)生空洞，并逐漸長大造成互連失效。

▲圖2

從數(shù)學(xué)計(jì)算的方面來看，Javg的計(jì)算公式（1）可以得到Javg電流首先是一個(gè)電流隨時(shí)間的積分平均值，并且該值是有方向性的。即正負(fù)方向的電流在這個(gè)積分平均中是會(huì)相互抵消的。這也是符合上面電遷移具有方向性機(jī)理的。

▲公式（1）

對(duì)Javg的檢驗(yàn)方法即電遷移EM評(píng)估，通常需要高溫，大電流（密度），長時(shí)間的加速實(shí)驗(yàn)。其測(cè)試流程是通過在施加溫度和電流時(shí)測(cè)量電阻，直至該測(cè)試樣品達(dá)到設(shè)定電阻變化，被判定失效發(fā)生，測(cè)試實(shí)驗(yàn)終止（參考JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JEP001-1A）。電遷移EM作為集成電路失效的重要風(fēng)險(xiǎn)之一，是工藝可靠性重要和必須評(píng)估項(xiàng)目。

2. Jrms

Jrms電流所對(duì)應(yīng)相關(guān)的是金屬互連的自熱效應(yīng)，是發(fā)生自熱低風(fēng)險(xiǎn)的最大電流值。雖然自熱本身是非破壞性的，將它引入設(shè)計(jì)規(guī)則，其目的是為了避免自熱導(dǎo)致環(huán)境溫度上升，從而使抗電遷移EM性能下降，失效風(fēng)險(xiǎn)增大。Jrms通常定義為升溫5℃溫度差條件下的電流值。

Jrms中rms的英文全稱是root-mean-square，數(shù)學(xué)上均方根的概念。

如公式（2）所示，其計(jì)算方法是對(duì)電流密度J平方隨時(shí)間積分平均的平方。

▲公式（2）

從公式中可以看到，和之前說過的Javg不同，Jrms電流是沒有方向性的。電流平方的數(shù)值其本身是含有能量概念，與前述的自熱效應(yīng)的原理是相呼應(yīng)的。

Jrms的數(shù)據(jù)可以通過實(shí)測(cè)獲得。與EM實(shí)驗(yàn)需要高溫大電流的專用設(shè)備機(jī)臺(tái)不同，采用普通半導(dǎo)體測(cè)試儀器亦可。其方法是通過測(cè)試獲得不同寬度金屬線的熱阻，并結(jié)合微觀熱學(xué)理論可以推導(dǎo)計(jì)算出不同線寬條件下的Jrms，將該和線寬相關(guān)公式放入設(shè)計(jì)規(guī)則中，并采用實(shí)際升溫5℃溫度差來作為Jrms定義數(shù)值。

3. Jpeak

Jpeak是設(shè)計(jì)允許的金屬互連的最大瞬時(shí)電流，其相對(duì)應(yīng)的是瞬時(shí)大電流導(dǎo)致燒毀發(fā)生的失效模式。

▲公式（3）

從其定義的公式（3）也可以看到該電流是沒有方向性的。它是超大電流下發(fā)生的燒毀損壞，可以看作是大電流導(dǎo)致自熱過大所造成的破壞。因此Jpeak遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Jrms，通常是Jrms的十幾甚至幾十倍。

不過正因?yàn)镴peak電流值較大，在正常電路設(shè)計(jì)中的互連金屬線基本不會(huì)超過Jpeak如此嚴(yán)苛的場(chǎng)景。由此該設(shè)計(jì)規(guī)則在有些晶圓制造廠不會(huì)被提供。但是會(huì)針對(duì)上層金屬線可能經(jīng)受靜電放電ESD/電過應(yīng)力EOS的情況，特別做一些針對(duì)性的過流能力測(cè)試，比如TLP, 浪涌等實(shí)驗(yàn)，也可以比較好的覆蓋潛在Jpeak失效風(fēng)險(xiǎn)。

總結(jié)：

本文深入淺出的介紹了后段互連設(shè)計(jì)規(guī)則的三種電流（Javg/Jrms/Jpeak）。Javg電流規(guī)則是直接對(duì)應(yīng)電遷移失效。Jrms關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)自熱效應(yīng)，而Jpeak相對(duì)應(yīng)的是瞬時(shí)大電流導(dǎo)致燒毀發(fā)生的失效模式。

在本文中提到涉及多種測(cè)試實(shí)驗(yàn)，失效檢測(cè)和分析手段，季豐電子都有承接相關(guān)業(yè)務(wù)的能力。

季豐電子

季豐電子成立于2008年，是一家聚焦半導(dǎo)體領(lǐng)域，深耕集成電路檢測(cè)相關(guān)的軟硬件研發(fā)及技術(shù)服務(wù)的賦能型平臺(tái)科技公司。公司業(yè)務(wù)分為四大板塊，分別為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、軟硬件開發(fā)、測(cè)試封裝和儀器設(shè)備，可為芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試、材料裝備等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈和新能源領(lǐng)域公司提供一站式的檢測(cè)分析解決方案。

季豐電子通過國家級(jí)專精特新“小巨人”、國家高新技術(shù)企業(yè)、上海市“科技小巨人”、上海市企業(yè)技術(shù)中心、研發(fā)機(jī)構(gòu)、公共服務(wù)平臺(tái)等企業(yè)資質(zhì)認(rèn)定，通過了ISO9001、 ISO/IEC17025、CMA、CNAS、IATF16949、ISO/IEC27001、ISO14001、ISO45001、ANSI/ESD S20.20等認(rèn)證。公司員工超1000人，總部位于上海，在浙江、北京、深圳、成都等地設(shè)有子公司。