Failures in Integrated Circuits Interconnection Caused by Electromigration

Mustafaev Gasan Abakarovich Doctor of Technical Science Professor, Department of Computer Technologies and Integrated Circuits, Kabardino-Balkarian State University 360004, Russia, respublika Kabardino-Balkarskaya, g. Nal'chik, ul. Chernyshevskogo, 173, kab. 122 arslan_mustafaev@hotmail.com Other publications by this author     Cherkesova Natal'ya Vasil'evna PhD in Technical Science Associate Professor at Kabardino-Balkarian State University 360004, Russia, the Kabardino-Balkar Republic, Nalchik, ul. Chernyshevskogo, 173, of. 122 natasha07_2002@mail.ru Other publications by this author

Mustafaev Arslan Gasanovich Doctor of Technical Science Professor of the Department "Information technologies and information security" of the Dagestan State University of National Economy 367015, Russia, respublika Dagestan, g. Makhachkala, ul. Ataeva, 5, kab. 4.5 arslan_mustafaev@hotmail.com Other publications by this author

Надежность тонкой металлизации интегральных схем, выполненной из алюминиевых сплавов, в значительной степени определяется интенсивностью электромиграции металлизации ^{[1, 2]}. По мере совершенствования технологии интегральных схем увеличивается плотность расположения компонентов на них. Это ведет к уменьшению размеров компонентов и соответственно к уменьшению толщины и ширины полосок металлизации, к увеличению количества отрезков металлизации. Все это требует повышения устойчивости металлизации к электромиграции и ведет к повышению роли микроструктурного анализа, исследования влияния микроструктурных характеристик на надежность металлизации ^[3-5].

Электромиграция представляет собой значительную опасность для надежности полупроводниковых интегральных схем. Электромиграция может привести к отказу металлизации при прохождении тока высокой плотности. Это явление более критично для КМОП СБИС, поскольку в них используются более высокие токи возбуждения и частоты синхронизации логических МОП ИС.

Результаты исследований электромиграции можно обобщить: электромиграция приводит к появлению пузырей и пустот, как правило в области граней зерен и в точках совмещения трех зерен. Эти пустоты, которые являются мобильными во времени, растут и увеличиваются в размерах. Увеличивающаяся плотность тока в течении металлизации из-за того, что при образовании пустот ее эффективное сечение уменьшается, ведет к повышению температуры металлизации в локальных областях, что приводит к ускорению роста пузырей, к ускорению электромиграции и относительно быстро может вызывать обрывы металлизации.

Электромиграция в тонких пленках интегральных схем в основном вызвана диффузией по границам зерен. Такой тип структурной неоднородности обусловливает около 80% отказов алюминиевой металлизации с большим размером зерен. Резкое изменение размеров зерен часто имеет место в металлизации ступеньки вследствие воздействия, вызванного плохим покрытием ступеньки металлом, что и приводит к снижению величины средней наработки на отказ интегральных схем ^[6-8].

Для изготовления металлизации с бимодальным распределением размера зерен получали сплав Al - 2% Cu - 0,3% Cr, используя осаждение испарений чистого алюминия толщиной 400 нм на окисную кремниевую пластину, затем осаждение слоя меди (5 нм) и хрома (1 нм) и сверху - слоя алюминия также толщиной 400 нм. После отжига такой структуры размер зерен составляет комплекс малых (0.3 мкм) и больших (порядка 100 мкм) зерен, что обусловлено вторичным ростом зерен на преципитатах. На таких пленках формировали тестовые структуры в виде линий длиной 1 мм и шириной 2 мкм, которые отжигали в вакууме (6.6510-5 Па). Поверхность структур не пассивировали; испытания проводили при постоянном напряжении, температуре 200- 250 °С и плотности тока 1.2106 A/см2. Бимодальное распределение появляется после 1 -мин отжига (примерно 40% площади межсоединений имеет размер зерен 2-4 мкм; после 2-мин отжига доля крупных зерен возрастает до 90%). Отжиг в течение 20 мин привел к мономодальному распределению, причем средний размер зерна составлял примерно половину ширины линии металлизации. Дальнейший отжиг должен привести к сужению разброса размеров зерен более крупных размеров. Изучение температурной зависимости линий с мономодальным распределением размера крупных зерен (отжиг при 550 °С, 20 мин.) и линий с бимодальным распределением (отжиг 450 °С, 30 мин.) показал, что в интервале температур 200- 250 °С энергия активации в обоих случаях равна примерно 0.85 эВ, и лимитирующим процессом является диффузия по границам зерен.

Для обнаружения дефектов алюминиевой металлизации интегральных схем в качестве неразрушающего контроля качества металлизации используют токовые шумы при производстве схем. Так как нарушения металлизации составляют существеннуюдолю отказов, оценка качества металлизации, отбраковка схем с дефектами металлизации дает возможность повышения надежности интегральных схем.

Величины, измеряемые для оценки энергии активации, весьма близки величинам, измеряемым для оценки среднего времени до отказа. Это дает возможность использовать оценки амплитуды напряжения шумов для оценок надежности металлизации для выбора плотности тока в металлизации, обеспечивающей требуемую надежность металлизации при реальной температуре металлизации. Увеличение тока в металлизации или темпе­ратуры окружающей среды, вызывает повышение электромиграции ме­таллизации и, соответственно, увеличивает уровень 1/f шумов в ней ^[9]

При очень высоких плотностях тока и температурах окружающей среды возможно нелинейное повышение уровня шумов. Спектральная компонента 1/f может использоваться как индикатор качества пленки или металлизации. Для металлизации, пораженной электромиграцией, имеющей пузыри, участки, лишенные пассивирующей пленки, амплитуда составляющей 1/f больше, чем у таких же участков неповрежденной пленки. Относительно небольшое увеличение плотности тока в металлизации вызывает резкое увеличение амплитуды 1/f составляющей. Это одинаково по воздействию нарастания электромиграции на амплитуду тока и на амплитуду 1/f составляющей.

Были проведены три серии экспериментов на пленках, изготовленных с различными параметрами, чтобы оценить влияние микроструктуры пленок. В первой серии экспериментов испытывались два комплекта пленок, изготовлявшихся нанесением чистого (99.99%) алюминия толщиной 1 мкм на пластинку, покрытую двуокисью кремния при температурах 125 °С (пленка L - типа) и 250 °С (пленка H типа). Пленка H типа имела большую среднюю величину зерна и большее рассеивание величины зерен, чем пленка L типа. Для пленки типа Н средняя величина зерна была 0.8 мкм, а для пленки типа L – 0.5 мкм. Распределение величин зерна у пленок обоих типов было примерно логнормальным. Измерения амплитуды шумов проводились при значениях плотности тока 0.96×106 А/см2 и 1.9×106 А/см2. Температура пленки поддерживалась при опытах постоянной и равной 220 °С.

Амплитуда уровня шумов в обоих, случаях на один-два порядка выше в образцах, имеющих меньший уровень величины зерна, отожжённых при более низких температурах, чем в образцах, имевших больший уровень величины зерна, отожжённых при больших значениях температуры.

Результаты измерений дают основание утверждать, что разность уровня помех в пленках, работавших при разных плотностях тока, зависит также и от величины зёрна в пленках, т.е. от структуры пленок. При малых плотностях тока эта зависимость заметна. При увеличении плотности тока зависимость становится более явной. Во втором эксперименте шесть групп алюминиевых пленок были нанесены на слой TiW ^[10]. Температуры, при которых осаждался алюминий, давление и мощность обусловили различную микроструктуру пленок. В дополнение некоторые пластины выдерживались в воздухе между нанесением TiWи Al, т.е. имелось нарушение вакуума во время нанесения пленок. Исследования на просвечивающем электронном микроскопе показали, что пленки, нанесенные при нарушениях вакуума, имели значительно большие средние размеры зерна (около 2- 5мкм), чем пленки на пластинах, на которых вакуум не прерывался между нанесением TiW и Al. При этом, размеры зерна в пленках на пластинах соизмеримы с шириной структуры металлизации (1.8 мкм).

Измерения шумов на этих пластинах выполнялись на двухчастотном мосте переменного тока, что позволяло исключать тепловые шумы. Оценки среднего времени до отказа и сопоставление этих оценок с результатами измерений уровня шумов проводились на одних и тех же пластинах с кристаллами. Анализируя результаты оценок среднего времени до отказа и шумов, следует отметить хорошую корреляцию между амплитудой шумов и средним временем до отказа.

Третья серия экспериментов была проведена на металлизации с определенной структурой. Пленка имела состав: Al+ 2% Си+ 0,3% Сr. Выдерживанием определенной технологии нанесения и отжига металлизации были достигнуты структуры: а) размер зерна 1-2 мкм; б) с размерами зерна около 8-15 мкм; в) с размерами зерна около 0.2- 0.3 мкм. Интересно, что при уменьшении величины зерна разности в значениях уровней шумов возрастают. Эффективные неразрушающие проверки качества металлизации могут быть обеспечены при повышенных значениях плотностей тока. Подтверждена тесная корреляция среднего времени до отказа и амплитуды уровня шумов, интенсивность которых обратно пропорциональна частоте.

Результаты экспериментов дают основание заключить, что геометрические факторы играют доминирующую роль в механизме разрушения металлизации интегральных схем из-за электромиграции.

В целом, несмотря на различные варианты замены традиционной алюминиевой металлизации другими, эта система может и продолжает использоваться для изготовления СБИС ^{[11, 12]}.