Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор основных методов, применяющихся для оценки электромиграционной надежности металлических проводников интегральных схем 10
1.1 Ускоренные испытания в микроэлектронике. 10
1.2 Явление электромиграции. 13
1.3 Обзор методик для оценки электромиграционной надежности металлических проводников . 15
1.4 Обзор методик для определения электромиграционных характеристик 20
1.5 Графическое представление результатов эксперимента 23
Глава 2. Анализ отказов алюминиевой металлизации интегральных схем при проведении ускоренных электромиграционных испытаний . 31
2.1 Описание методики электромиграционных измерений 31
2.1.1 Тестовые структуры. 31
2.1.2 Методика ускоренных электромиграционных испытаний.
2.2 Определение температурного коэффициента сопротивления . 35
2.3 Проведение электромиграционных испытаний. 37
2.4 Анализ полученных результатов. 39
2.5 Анализ электромиграционных отказов и образовавшихся дефектов в металлической разводке. 43
2.6 Выводы по главе 2. 49
Глава 3. Исследование взаимосвязи динамики изменения электрического сопротивления проводников ИС, наблюдаемой в процессе ускоренных испытаний, и их электромиграционной надежности 51
3.1 Методик оценки электромиграционной надежности металлических проводников 51
3.2 Пример практического использования новой методики ускоренных электромиграционных испытаний . 61
3.3 Расчет надежностных характеристик металлических проводников. 65
5.3 Выводы по главе 3. 69
Глава 4. Исследование процесса образования и роста дефектов в металлических проводниках в ходе ЭМ испытаний . 70
4.1 Анализ отказов с различным критерием остановки испытаний в проводниках Ti/TiN/Al(Cu,Si)/TiN в слое М1 металлической разводки ИМС 70
4.2 Анализ отказов с различным критерием остановки испытаний в проводниках TiN/Al(Si)/TiN в слое М2 металлической разводки ИМС. 73
4.3 Анализ отказов с различным критерием остановки испытаний в проводниках TiN/Al(Si)/TiN в слое М3 металлической разводки ИМС . 77
4.4 Выбор оптимального критерия отказа при проведении испытаний 81
4.5 Выводы по главе 4. 83
Глава 5. Методика определения электромиграционных параметров металлических проводников на основе проведения ускоренных испытаний при постоянной температуре . 85
5.1 Описание методики определения электромиграционных параметров. 85
5.2 Учет отклонения геометрических размеров поперечного сечения металлических проводников. 87
5.3 Расчет электромиграционных характеристик по экспериментальным данным. 90
5.4 Выводы по главе 5. 94
Заключение 96
Список использованных источников 97
- Обзор методик для оценки электромиграционной надежности металлических проводников
- Определение температурного коэффициента сопротивления
- Пример практического использования новой методики ускоренных электромиграционных испытаний
- Анализ отказов с различным критерием остановки испытаний в проводниках TiN/Al(Si)/TiN в слое М3 металлической разводки ИМС
Обзор методик для оценки электромиграционной надежности металлических проводников
По причине сложности процессов деградации при ЭМ возникают определенные трудности с определением точного места зарождения пустоты и последующего ее роста. На самом деле, образование дефектов может происходить в различных местах, данный механизм зависит от соотношения действующих на атомы металла движущих сил. Эти силы являются результатом различных физических явлений, таких как градиенты атомной концентрации (или в более общем случае химического потенциала), обмена импульсами с носителями заряда (электронный ветер), температурные градиенты и градиенты механических напряжений. Эти градиенты отвечают за диффузию, ЭМ, термомиграцию и миграцию, вызванную механическими напряжениями, соответственно. В основном, перераспределение атомов, возникающее из-за приложенного электрического тока, образует градиенты их плотности и механических напряжений, которые, действуют в направлении противоположном электрическому току, приводя к установлению в атомарной системе равновесного состояния. В таком случае, если упомянутое ранее равновесие не достигается, то зарождение пустоты будет зависеть от строения проводника, свойств материала и величины приложенного электрического тока. Зародившаяся пустота влияет на распределение плотности тока, температуры и механических напряжений вокруг себя и, следовательно, это меняет локальное распределение движущих сил вблизи пустоты. В зависимости от строения проводника, свойств материала и плотности тока, а также взаимодействия между микрополостями в случае зарождения множества пустот, отдельная пустота может или вырасти, или исчезнуть. Кинетика эволюции пустоты управляется опять полным потоком атомов, который образуют все движущие силы. Эта уже более сложная картина зарождения и роста пустоты из-за ЭМ становится еще запутаннее, если принять во внимание строение металла и соответствующие быстрые пути для миграции атомов, связанных в основном с границами зерен и границами раздела соседних слоев. Все вышеупомянутые движущие силы для переноса атомов должны быть одновременно учтены в ЭМ модели, для того чтобы адекватно описать непрерывное атомное перераспределение и зафиксировать реалистичную кинетику зарождение и роста пустоты, как функции строения межсоединения, его геометрии, свойств материала и условий механического напряжения [49]. Уменьшение геометрических размеров проводников в микроэлектронике, связанное с современными тенденциями ее развития, введение сложных современных технологических операций, разработка новых комбинаций тонкопленочных материалов в виде адгезионных и барьерных слоев приводят к изменению микроструктуры металлических соединений (включая напряженное состояние), типов границ раздела и появлению до сих пор неизвестных механизмов деградации во время ускоренных испытаний на надежность. В таком случае, электромиграция – это разрушение проводников, вызванное образовавшимися напряжениями, и, в случае материалов с низкой диэлектрической проницаемостью, механическая непрочность является основной проблемой надежности для ИС. Хотя было выполнено много теоретических и экспериментальных работ по ЭМ, до сих пор еще полностью не ясно как происходит разрушение проводника. Однако экспериментально установлено, что выход из стоя металлизации ИС, вызванный ЭМ, напрямую зависит от состояния границ раздела металл/диэлектрик и внутреннего строения проводников.
В настоящее время изучение разрушения межсоединений при помощи сканирующей электронной микроскопии (SEM), при проведении анализа дифракционной картины обратно рассеянных электронов (EBSD) и численного моделирования, основанного на физической модели, показали, что наблюдаемые механизмы ЭМ разрушения сильно зависят от прочности связей на границе раздела металл/диэлектрик. В частности, в ряде работ были определены различные механизмы деградации металлических проводников на границах металл/диэлектрик с различной величиной адгезии и/или энергией активации для переноса атомов. Когда энергия активации для межграничной диффузии вдоль напряженных границ раздела становится сравнимой с энергий активации для диффузии по межзеренным границам металла, то диффузия атомов вдоль межзеренных границ должна быть учтена для проводников с поликристаллической микроструктурой. В таком случае, как показано в работе [9], определение микроструктурных параметров, таких как размер зерна и его строение, а также напряжение становятся даже более важными для надежности металлических соединений. Поэтому требуется углубленное изучение факторов, отвечающих за микроструктуру многослойных проводников. В современных работах по исследованию процессов, происходящих в проводнике, требуется большое количество предположений о физических процессах, основанных на экспериментальных данных, что делает физические модели более универсальными и более точными. Физически более обоснованным является объяснение процесса образования дефектов, которое состоит в том, что перенос вещества вдоль металлического проводника, вызванный ЭМ, зависит от конкурирующих энергий активации для миграции по границам раздела или по границам между зерен. Так как энергия активации для переноса вещества вдоль, по крайней мере, одной, границы раздела больше, чем по межзеренным границам, что присутствует обычно в случае границы раздела Al/TiN, то перенос вещества по границам между зерен определяет процесс разрушения из-за ЭМ. Другими словами, разрушение алюминиевого соединения является функцией силы связи межзеренных границ [45, 47].
Электромиграция является одной из основных проблем при создании современных ИС. В настоящее время кроме разработки новых материалов и производства высокопроизводительных ИС необходимы соответствующие методы прогнозирования срока службы схем.
Основываясь на экспериментальных данных в работе [50], Блэком (Black J.R.) было впервые получено выражение для времени отказа металлического проводника, подвергнутого процессу электромиграции. Он учел, что медианное время до отказа, t50, обратно пропорционально скорости переноса вещества, Rm, медиана наработки до отказа (представляет собой момент времени, к которому откажет 50% испытываемых образцов); A – постоянная; n – показатель плотности тока (который равен 2 в оригинальном уравнении); j – плотность тока; EA – энергия активации; k – постоянная Больцмана; T – температура. Значения Ea и n обычно зависит от материала, из которого изготовлен проводник, от строения испытуемой структуры и от условий испытания.
Интересно отметить, что исходное уравнение (1.5) прогнозирует время отказа пропорциональное обратному квадрату плотности тока, даже если перенос вещества из-за ЭМ линейно зависел от плотности тока. Эта проблема обсуждалась несколькими авторами [2], однако, разъяснение для обратно квадратичной зависимости плотности тока от t50 получено только несколько лет спустя, когда различные теоретические работы существенно поспособствовали лучшему пониманию процесса электромиграции. Степень плотности тока близкая к 1 показывает, что время жизни проводника при ЭМ определяется механизмами роста пустот в нем, то есть временем, в течении которого пустота растет и, в конечном счете, приводит к выходу из строя металлического проводника. Значение степени близкое к 2 показывает, что именно зарождение пустоты является доминирующей фазой электромиграционного времени жизни. Оригинальное уравнение (1.5) использовалось для оценки времени жизни и экстраполяции к нормальным условиям работы последние 40 лет. Однако, как показано в публикации [51], использование модифицированного уравнения на основе (1.5) может привести к значительным расхождениям при экстраполяции времени жизни металлического проводника. Эти расхождения возникают из допущения, что параметры У4, Еа и п, полученные из ускоренных тестов, могут быть напрямую использованы для экстраполяции времени жизни, хотя зачастую необходимо проведение дополнительных измерений для введения поправочных коэффициентов.
На сегодняшний день существует несколько методик проведения ускоренных электромиграционных испытаний. Обычно, в качестве ускоряющих факторов применяют повышенную температуру, повышенную плотность тока или их комбинацию [33,52-54]. В связи с различиями в процессах формирования металлизации, используемых материалов и геометрических размеров проводников, а также форме тестовых структур, применяется несколько методик для испытаний ЭМ стойкости [39,40, 55-59]. Все их условно можно разделить на две части: в первую входят методики, в которых нагрев металлических проводников осуществляется за счет внешнего источника тепла (нагревательные печи), во вторую - где нагрев реализован за счет выделения проводником джоулева тепла (саморазогрев).
Определение температурного коэффициента сопротивления
Явление электромиграции представляет собой сложный процесс переноса атомов металла под действием высокой плотности тока. Конечным результатом является значительное уменьшение поперечного сечения проводника вплоть до наступления разрыва. Переносимый же металл накапливается в определенном месте, где могут образовываться бугорки, наплывы и иные дефекты. В массивных образцах из-за плохого теплоотвода электродиффузия может наблюдаться при достаточно низких плотностях тока (j порядка 104 А/см2). В тонких же металлических пленках ЭМ эффект выражен более ярко из-за их малого поперечного сечения и хорошего теплоотвода (j 106 А/см2 и Т 473К). Поликристаллическая природа металлических пленок определяет преимущественную диффузию атомов металла по границам зерен или по границам раздела с соседними материалами с соответствующей энергией активации.
В настоящее время существует несколько методик прогнозирования срока электромиграционной стойкости металлизации ИС, а также определения электромиграционных параметров на основе уравнения Блэка. Каждая из методик обладает рядом недостатков, избавиться от которых возможно при разработке новых способов проведения испытаний на надежность. Новые методы позволяют сократить время, затрачиваемое на измерение, повысить достоверность и быть достаточно простыми в применении.
Анализ экспериментальных данных, полученных при ЭМ испытаниях, для определения надежностных характеристик основан на физико-статистическом подходе к распределению времен наработки до отказа. Это следует из того, что не все испытуемые структуры выходят из строя в один и тот же момент, что связано с неизбежным присутствием разброса в технологических параметрах. Для удобства и наглядности при обработке результатов ЭМ испытаний применяется графическое оценивание, для чего производится преобразование функции распределения, приводящее её к линейному виду, на основе логарифмически нормального распределения. В результате обработки результатов ускоренных испытаний становится возможным определить предполагаемый срок службы металлического проводника в рабочих условиях.
Образование различного вида дефектов в металлизации существенно влияет на ее надежность. Корректная оценка характеристик надежности металлизации весьма важна для разработки и производства ИС. Как правило, современные методики определения надежности металлизации [55,58,82] включают в себя подготовку образцов, проведение ускоренных испытаний, анализ полученных данных, пересчет среднего времени наработки до отказа к стандартным эксплуатационным условиям (для Al(Si,Cu) обычно температура 85C и плотность тока 5.5 105 А/см2) [83].
Условия, создаваемые при испытаниях на надежность, направлены на ускорение определенного механизма, который приводит к образованию отказа в ИС. Зачастую такие условия невозможно применить к схеме целиком, кроме всего прочего, становится проблематичным установить причины образования различного вида отказов. В таком случае разрабатываются тестовые структуры, которые воспроизводят основные элементы ИС и позволяют оценить влияние каждого механизма образования отказа в отдельности.
Тестовые структуры для электромиграции позволяют электрически определить образование дефекта в металлической разводке, будь то нарушение целостности самой металлизации или межслойного диэлектрика. Кроме того, при изменении конфигурации в слоях металлической разводки, добавлении/удалении новых слоев, изменении типа межслойного диэлектрика и так далее создаются структуры, позволяющие оценить надежность схем для той или иной комбинации.
На рис. 2.1 приведена топология тестовой структуры, которая использовалась в нашем эксперименте для оценки величины электромиграционных эффектов для каждого слоя металлизации. Данный тип структур был разработан в Национальном Институте Стандартов и Технологий (США) [англ. The National Institute of Standards and Technology (NIST)] [84].
Пример практического использования новой методики ускоренных электромиграционных испытаний
Основная задача проведения ускоренных ЭМ испытаний состоит в оценке срока службы металлических проводников в рабочих условиях. Основным критерием остановки измерений в большинстве случаев является относительное увеличение сопротивления тестового образца. Эта величина выбирается исходя из сложности схемы или ее спецификации, обычно она находится в диапазоне от 5% до 20% [55,87,88]. Недостатком такого подхода является разрушение исследуемого образца и относительно большие времена проведения испытаний.
Учитывая недостатки такого подхода, была выбрана методика проведения ЭМ испытаний, в основу которой были положены ускоренные испытания проводников при постоянной температуре, где нагрев осуществлялся за счет теплового саморазогрева при протекании тока [58]. Выбор был сделан в пользу данного способа, так как в ходе испытаний при нагреве образцов в климатической камере протекающий ток вызывает дополнительный разогрев, который необходимо учитывать. Выбранный метод исключить влияние явление саморазогрева тестовой структуры, что упрощает обработку получаемых результатов.
Электромиграционные испытания предполагают постоянный мониторинг значения сопротивления тестового проводника. Его изменение неизбежно повлечет за собой изменение электрического тока, протекающего через испытуемый образец. В ходе проделанной работы было проведено исследование зависимости сопротивления от времени, получаемой при ЭМ испытаниях множества металлических проводников. Цель исследования состояла в разработке неразрушающей методики испытаний, которая позволит снизить время, затрачиваемое на проведение тестового контроля.
Методик оценки электромиграционной надежности металлических проводников. На основе множества экспериментальных данных, полученных при испытаниях образцов, были построены графики зависимости сопротивления от времени (рис. 3.1). Рисунок 3.1. Семейство кривых зависимостей сопротивления образцов от времени испытаний.
Зависимости сопротивления от времени, представленные на рисунке 3.1 были проанализированы. В ходе анализа была установлена корреляционная взаимосвязь между промежуточными значениями времени испытания и моментом разрыва шины металлизации, а также были выявлены характерные особенности изменения сопротивления тестовых образцов в ходе испытаний.
Если рассмотреть график типичной кривой, получаемой при проведении ЭМ испытаний и представленный на рисунке 3.2, то его можно разделить на четыре условных интервала. Рисунок 3.2. График зависимости сопротивления от времени при проведении электромиграционных испытаний при постоянной температуре. 1 – область выхода на режим испытаний, 2 – область нормального поведения образца, 3 – область образования и роста дефектов, 4 – область отказа. (Отображена каждая двадцатая точка).
Первый интервал – область выхода на режим испытаний, когда производится нагрев структуры до нужной температуры (рис. 3.2, 1). Второй интервал – область нормального поведения образца (рис. 3.2, 2), где, предположительно начинают зарождаться микродефекты. Третий интервал – соответствует временной области, где происходит рост и объединение различных микродефектов в более крупные, что приводит к больше скорости деградации металлического проводника [89] (рис. 3.2, 3). Последний, четвертый интервал, соответствует периоду испытаний, во время которого происходит разрушение образца и его выход из строя, когда изменение сопротивления относительно начального значения превышает 20% (рис. 3.2, 4).
При анализе зависимости сопротивления от времени в областях 2 и 3 графика на рис. 3.2 была обнаружена корреляционная связь между началом структурных изменений в образцах (точка перегиба tc на рис. 3.3), временем наработки до отказа (момент обрыва шины, tf на рис. 3.3) и скростью изменения сопротивления в линейной области (область 1 на рис. 3.3). Рисунок 3.3. График зависимости сопротивления от времени в области проведения основных измерений при электромиграционных испытаниях. 1 -линейный участок, 2 - участок образования и роста дефектов (Отображена каждая двадцатая точка). Анализ кривой, представленной на рис. 3.3, позволяет выделить несколько участков и установить связь между параметрами на линейном учатке (область 1) и значением времени tf. Данная взаимосвязь описывается выявленным в ходе апроведенного анализа эмпирическим выражением: a = AfB (3.1) где a AR/At - наклон прямой на линейном участке, A, B - постоянные, tf - время наработки до отказа.
Анализ отказов с различным критерием остановки испытаний в проводниках TiN/Al(Si)/TiN в слое М3 металлической разводки ИМС
Прогнозирование надежности металлических проводников интегральных схем является одной из ключевых проблем в современной микроэлектронике. На ее величину оказывает влияние множество конструктивных и технологических факторов: геометрическая форма и химический состав проводника, его расположение в многослойной структуре интегральной схемы, тип и толщина межслойного диэлектрика, температура, влажность и т.д.[91]. Величина энергии активации характеризует совокупное влияние этих факторов на срок службы металлизации, поэтому неверная оценка данного параметра может привести к неоправданному занижению или завышению рассчитываемых надежностных характеристик, одной из которых является медиана наработки до отказа (t50).
Основной задачей проведенного исследования была разработка и апробация метода, обеспечивающего определение значений энергии активации и показателя степени плотности тока. Суть предлагаемого метода заключается в том, что для определения значений параметра t50 электромиграционные испытания проводят без использования внешнего источника тепла, в которых нагрев тестовых структур на пластине осуществляется за счет саморазогрева протекающим током [58,86,90]. Таким образом, данная методика позволяет отказаться от использования высокотемпературных климатических камер при проведении испытаний. В этом случае значение температуры нагрева проводника при испытаниях (T) задается при помощи величины протекающего тока (j), поэтому изменение значения температуры приведет к изменению величины j.
Значение t50 определяется из уравнения (1.5), которое содержит в себе искомые параметры: A, n и Ea. Поэтому для их определения достаточно использовать всего лишь три условия для измерений: (j1; T1), (j2; T2), (j3; T3), где j1, j2, j3 – различные плотности тока, а T1, T2, T3 – различные значения температур. В итоге получаем систему уравнений с тремя неизвестными: ґЕаЛ
Плотность тока ji (i=1,2,3) для каждого значения t50i определяется как медиана задаваемых значений плотностей тока для каждого значения температуры Ti.
Уравнения (5.2-5.4) представляют собой систему уравнений, позволяющую рассчитать значения электромиграционных параметров A, n, Ea с использованием всего лишь трех условий для измерений, что позволяет снизить время испытаний и повысить их достоверность и информативность.
В исследуемом методе проведение испытания на надежность (электромиграционные испытания) осуществлялись на многослойных металлических проводниках с пассивирующим слоем SiO2 (табл. 5.1) . В главе 2 представлены электрическая схема и алгоритм проведения этих испытаний. Общее число тестовых структур в каждом слое металла было разделено на три части, испытание которых производилось при различных значениях эффективной температуры (Табл. 5.1, столбец 5). Ее величина была определена из диапазона 150C–425C согласно рекомендациям [61]. Критерием окончания измерений было выбрано 0.5%-е увеличение сопротивления (см. гл. 4), так как при больших величинах на значения Ea и n может оказать влияние рост и перераспределение уже образовавшихся дефектов [92].
В уравнениях (5.2-5.4) для расчета электромиграционных характеристик используется величина плотности электрического тока через металлический проводник, для определения которой необходимо использовать значение его поперечного сечения: где j – плотность тока (мА/мкм2), I – величина электрического тока (мА), S – площадь поперечного сечения проводника (мкм2), W – ширина проводника (мкм), H – толщина проводника (мкм). (Значения W и H указаны в табл. 5.1).
Для получения достоверных данных, в расчетах было учтено отклонение геометрических размеров поперечного сечения от номинального значения, возникающее в процессе его формирования металлических проводников. С учетом отклонения его ширины от номинального значения (рис. 5.1) уравнение (5.5) для расчета плотности тока можно переписать в следующем виде:
Наиболее простым способом определения Woffset является использование двух металлических проводников, сформированных в одном слое металла, с различной шириной. Так как технологический процесс формирования структур один и тот же, то все отклонения геометрических размеров для них одинаковы, поэтому после измерения сопротивления каждого проводника можно определить Woffset.
Для определения отклонения ширины металлического проводника от номинального значения были использованы две тестовые структуры с размерами W1, L1 и W2, L2 и сопротивлениями R1, R2 соответственно. Тогда для двух структур в одном слое металлизации имеем
