автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование и разработка неразрушающих ускоренных методов прогнозирования электромиграционной стойкости металлической разводки интегральных схем

На правах рукописи

^¿ь с- ¡ыл.

Сафонов Сергей Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА НЕРАЗРУШАЮЩИХ УСКОРЕННЫХ МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМИГРАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ РАЗВОДКИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

05.27.01 -твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2015

1 8 МАР 2015

005560715

005560715

Работа выполнена на кафедре «Интегральной электроники и микросистем» Национального исследовательского университета «МИЭТ»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Путря Михаил Георгиевич

Официальные оппоненты:

Беневоленский Сергей Борисович Доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБНУ «НИИ РИНКЦЭ»

Смирнов Владимир Александрович Кандидат технических наук, доцент кафедры нанотехнологий и микросистемной техники ФГАОУ ВПО "Южный федеральный университет", зав. лабораторией "Зондовых нанотехнологий" НОЦ "Нанотехнологии" ЮФУ

Защита состоится «<\и » ^^ 2015 года в 3^_мин. на

заседании диссертационного Совета Д212.134.01 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, г. Зеленоград, проезд №4806, д.5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МИЭТ» и на сайте www.miet.ru

Автореферат разослан « » м^гглл^ 2015 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета,

Ведущая организация:

ОАО «Научно-исследовательский институт технологии и автоматизации производства»

д.т.н., профессор

Крупкина Т.Ю.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Определение надежности металлической разводки интегральных схем (ИС) является одной из ключевых проблем в современной микроэлектронике и имеет длинную историю. Как показывают исследования, основная часть отказов связана с системой металлизации. Чаще всего это обусловлено эффектами массопереноса вследствие электромиграции (ЭМ), имеющей для каждого последующего поколения полупроводниковых чипов свои особенности, которые должны быть охарактеризованы для оценки надежностных характеристик. Данные факты вызывают потребность в разработке новых методов проведения испытаний.

Появление новых свойств металлической разводки связано с изменением физических свойств объемных материалов при уменьшении толщины наносимых пленок, кроме того, каждая новая комбинация материалов (дополнительные примеси в металле, наличие адгезионных и барьерных слоев, строение межслойного диэлектрика) приводит к изменению условий на границах раздела. Наличие в многослойной структуре материалов, имеющих различные коэффициенты термического расширении и модули упругости, приводит к возникновению механических напряжений Ца границе раздела металл/диэлектрик.

Таким образом, для каждой новой технологии, комбинации материалов, технологических процессов или размеров формируемых элементов должно быть проведено исследование по разработке новых методик испытаний, позволяющее учесть перечисленные особенности металлизации и спрогнозировать срок службы интегральной схемы.

Надежность изделий электронной техники целиком зависит от процессов деградации, протекающих в изделии и приводящих его к состоянию отказа. Очевидно, что единственным способрм заранее определить надежность системы является проведение испытания изделий |иш элементов в условиях, имитирующих реальные условия эксплуатации до возникновения отказа. Так как срок службы схемы может исчисляться годами, то в этом случае применяют ускоренные испытания. Их целью является снижение времени тестирования. Как правило, ускоренные испытания должны обеспечить максимальное возможное сокращение их продолжительности, с учетом того, что образование отказов окажется воспроизводимым при нормальных

условиях. Эти испытания проводятся при различных электрических, механических и климатических режимах до получения определенной доли отказов в выборке или достижения заданного уровня воздействующих нагрузок. Уровень граничной (разрушающей) нагрузки определяется как уровень воздействия (степень нагрузки), при которой достигается установленная доля отказов. При отсутствии отказов или при доле отказов меньше выбранной этот уровень определяется по последующей (высшей) ступени степени нагрузки. В большинстве случаев величина нагрузки при испытаниях выбирается исходя из опыта их проведения по разработанным методикам и исследований надежности микросхем.

Как правило, для оценки времени нормального срока службы металлической разводки используются методики, в которых в качестве ускоряющих факторов выступают нагрев и повышенная плотность тока (относительно рабочих условий). Это связано с тем, что данные факторы определяют основные механизмы деградации, характерные для процесса ЭМ.

Все существующие методики по результату воздействия можно разделить на две группы: разрушающие и неразрушающие, однако отсутствуют однозначные методы, которые позволяют учитывать особенности процесса ЭМ в каждом случае. Из-за сложности физических процессов, происходящих в металлических проводниках при ЭМ испытаниях, большая часть методик относится к первой группе, так как контролировать момент отказа проводника намного легче, чем установить связь процессов деградации с выходом его из строя.

Однако, разрушающие методы не только приводят к снижению съема годных кристаллов, но и требуют значительных временных затрат на их проведение.

Поэтому задача, которая решается в данной работе, а именно, исследование и разработка неразрушающих высокопроизводительных и достоверных методов прогнозирования электромиграционной стойкости металлической разводки интегральных схем, является актуальной и своевременной.

Цель диссертационной работы. Целью диссертационного исследования является разработка и исследование неразрушающих ускоренных методов прогнозирования электромиграционной стойкости металлической разводки интегральных схем.

Достижение поставленной цели требовало решения ряда основных задач:

1. Проведение анализа существующих методов оценки электромиграционной надежности и постановка задач диссертационной работы.

2. Экспериментальное исследование ЭМ надежности металлических проводников в м^гоуровкевой разводке ИС при различных условиях ускоренных испытанйй.

3. Анализ экспериментальных результатов исследования ЭМ надежности и выявление закономерностей, позволяющих связать процесс образования и роста дефектов с измеряемыми электрофизическими параметрами, которые контролируются в ходе ускоренных ЭМ испытаний.

4. Разработка математической модели, позволяющей описать процесс изменения сопротивления Металлического проводнйка в ходе ЭМ испытаний и рассчитать его ЭМ характеркстики для плотности тока и температуры.

5. Разработка новых методик ускоренных ЭМ испытаний, позволяющих усовершенствовать процесс оценки надежности металлизации ИС.

6. Апробация разработанных методик и сравнение полученных результатов со стандартными способами ускоренных испытаний ЭМ надежности.

Научная новизна работы

1. Предложен метод определения границ температурного диапазона проведения электромиграционных испытаний, учитывающий конструктивные параметры многоуровневой системы металлизации при нагреве проводников протекающим током.

2. Установлено, что время начала структурных изменений в металле и момент физического обрыва проводникового межсоединения в процессе электромиграциии связаны линейной зависимостью.

3. Установлено, что до наступления момента интенсивного дефектообразования в металлическом проводнике скорость изменения его сопротивления и время его полного

разрушения в процессе электромиграцйонных испытаний связаны степенной зависимостью.

4. Разработана математическая модель, учитывающая изменение сопротивления проводника, наблюдаемое при ускоренных электромиграционных испытаниях.

5. Разработан метод определения параметров модели процесса электромиграции, определяющих связь между временем наработки на отказ, температурой проводника и плотностью тока, протекающего через него.

Практическая значимость работы

- Разработана методика проведения ускоренных неразрушающих электромиграционных испытаний при постоянной температуре, с нагревом структуры за счет протекающего тока, позволяющая сократить продолжительность испытаний в -1,5 раза, которая позволяет отказаться от использования нагревательных печей и может быть использована для получения сравнительной оценки надежности металлической разводки. Методика внедрена в производство ОАО «Ангстрем-Т» и используется на этапах разработки и квалификации технологии для предварительной оценки надежности металлической разводки интегральных схем.

- Разработана методика определения параметров электромиграционной модели для плотности тока и температуры, позволяющая сократить количество необходимых измерений в 2 раза, которая может быть использована для оценки и контроля надежности металлизации. Методика внедрена в производство ОАО «Ангстрем-Т» и используется на этапах разработки и квалификации технологии для предварительной оценки надежности металлической разводки интегральных схем.

- Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс МИЭТ и использованы при разработке лекционного курса по дисциплине «Технология ИС» по направлению «Электроника и наноэлектроника», бакалавриат, а также по дисциплинам «Проектирование и технология электронной компонентной базы», «Технологические процессы наноэлектроники» по направлению «Электроника и наноэлектроника», магистратура, входящим в учебные планы

факультета электроники и компьютерных технологий (5 семестр бакалавриата, 1 и 3 семестры магистратуры).

На защиту выносятся;

1. Математическая модель, описывающая изменение сопротивления металлического проводника, происходящее при ускоренных электромиграционных испытаниях.

2. Установленная взаимосвязь между началом структурных изменений в образцах, временем наработки до отказа и скоростью изменения сопротивления в линейной области.

3. Методика ускоренных неразрушающих электромиграционных испытаний металлическйх проводников в многослойных интегральных схемах, позволяющая снизить время оценки электромиграционной надежности металлической разводки в -1,5 раза за счет проведения неполного цикла испытаний.

4. Методика определения параметров модели процесса электромиграции в металлических проводниках, позволяющая сократить количество необходимых измерений в 2 раза и отказаться от применения высокотемпературных климатических камер, а также необходимости корпусирования испытуемых образцов.

5. Технология диагностирования и анализа причин электромиграционных отказов в металлических проводниках.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях:

^ 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника, и информатика — 2012», Москва, Зеленоград. МИЭТ 2012;

^ 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика — 2013», Москва, Зеленоград. МИЭТ 2013;

^ 21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Мйкроэлектроника и Информатика - 2014», Москва, Зеленоград. МИЭТ 2014;

4-я Междунаррдная научно-практическая конференция «Техника и технологии: пути икновационного развития», Курск. Юго-Западный государственный университет 2014;

^ ХШ-я Международная научно-практическая конференция «Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития современного общества», Москва. Научно-инфор'мацирнный издательский центр «Институт Стратегических Исследований» 2014;

Международная конференция «Микро- и наноэлектроника — 2014» (1СМНЕ-2014), Москва-Звенигород 2014.

публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 науйньр работ, из которых 2 - научные статьи, 2 - заявки на изобретение, 6 - тезисы докладов щ научно-технических конференциях. Из 2-х научных статей 2 опубликованы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и Ьбъем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав й заключения. Объем диссертации составляет 110 страниц печатного текста, в том числе 50 иллюстраций, 18 таблиц и список литературы из 100 наименований. Содержание работы.

Во введеНйи обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель й аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе содержится обзор литературы, посвященный описанию явления электромиграции и его роли при оценке надежности интегральных схем. Установлено, что умеш,шение геометрических размеров проводников в микроэлектронике связано 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 связи с чем возникают определенные трудности при оценке надежности металлизации.

На сегодняшний день существует несколько методов, наиболее часто применяющихся для оценки электромиграционной надежности металлической разводки интегральных схем, которые по результату воздействия можно разделить на две группы: разрушающие и неразрушающие. По причине сложности процессов деградации в ходе испытаний не существует однозначных методов, которые позволяют учесть все особенности процесса электромиграции в каждом случае. Большая часть методик относится к первой группе, так как контролировать момент отказа проводника намного легче, чем установить связь процессов деградации с выходом его из строй. Однако, разрушающие методы не только приводят к снижению съема годных кристаллов, но и в ряде случаев требуют значительных временных затрат на их проведение.

Как следует из анализа литературных данных, существующие методики ускоренных электромиграционных испытаний проводников обладают рядом недостатков, избавиться от которых возможно при разработке новых подходов к проведению испытаний на надежность. Эти методы позволят сократить время, затрачиваемое на оценку электромиграционной стойкости проводников, повысить достоверность и будут достаточно простыми в применении. Поэтому исследование и разработка неразрушающих высокопроизводительных и достоверных методов прогнозирования электромиграционной стойкости металлической разводки интегральных схем, является актуальной и своевременной.

Во второй главе представлен анализ отказов алюминиевой металлизации интегральных схем при проведении ускоренных электромиграционных испытаний. Основной задачей проведенного исследования была апробация методики измерения времени наработки до отказа металлических проводников при постоянной температуре для оценки надежности. Испытания проводились на тестовых структурах с трехуровневой металлической разводкой (М1-МЗ), на каждой из которых проводники были сформированы в многослойной структуре: М1 - Т1/'Ш/А1Си5Ь''Ш; М2 и МЗ - "Ш/А!^™ с пассивирующим слоем БЮг^И толщиной 0.9 мкм.

Методика исследования, используемая в эксперименте, включает в себя несколько этапов: начальную проверку целостности

проводника (измерение его сопротивления и тока утечки между соседними шинами), это производится для отбраковки уже заведомо дефектных образцов. Следующий этап - выставление рабочего режима испытаний, при котором осуществляется нагрев тестовой структуры до температуры Тисп за счет протекающего тока. Основным этапом является проведение электромиграционных испытаний при постоянной температуре Тнсп, в ходе него отслеживается изменение сопротивления

проводника и фиксируется отказ (рисунок 1.).

180

„ 160

Л

О

«Г 140

Ел оо

К

о

° 80 60

0 200 400 600 800 1000

Время, с

Рисунок 1. Типичный пример зависимости сопротивления проводника от времени при проведении электромиграционых испытаний при постоянной температуре. 1 - область выхода на режим измерения, 2 - основная область измерения, 3 - область выхода из строя.

Температура нагрева проводника в ходе испытаний поддерживается за счет его саморазогрева протекающим током. Поэтому, чтобы точно задать ее значение, необходимо установить зависимость изменения температуры в образце от изменения его электрического сопротивлёния, которая выражается через коэффициент температурного сопротивления (ТКС):

ТКС = ±^> (1) R dT

где R - электрическое Сопротивление, dli — изменение электрического сопротивления, dT - изменение температуры. Были проведены измерения электрического сопротивлений алюминиевой разводки в трех слоях металлизации в диапазоне температур 25-110 °С, определенные значения находятся в диапазоне б.00325-0.00357 °С~\

На первой стадии испытания нагрев образцов до заданной температуры, которая определяется по формуле:

Т = R°~R< +Т> (2)

"" RK ■ ТКС

где Тк - комнатная температура, RK - сопротивление проводника при температуре Тк, ТКС - температурный коэффициент сопротивления. Сопротивление проводника Ra в ходе испытаний определяют из закона Ома: Ra = VJIm, где Va - измеренное напряжение (В), /,„ - протекающий через образец ток (А).

После нагрева образца до температуры Тисп, испытания переводились в режиме постоянной мощности: Р = I2R = const, который обеспечивает изотермический ход процесса. На данной стадии изменение сопротивления металлической шины влечет за собой изменение величины протекающего тока.

Для оценки максимального времени ускоренных испытаний и температуры нагрева образцов, были проведены предварительные испытания, на основе которых определены условия основных испытаний. В соответствии с результатами расчета были выбраны следующие температуры и время испытаний. Температура нагрева: для Ml - Tiest = 215 °С, для М2 - Tt«t = 230 °С, для МЗ - Ttes, = 350 °С. Максимальное времк испытаний ограничено 2400 с (40 мин).

После проведения электромиграционных испытаний были установлены причины выхода из строя проводников, которые, как известно, могут быть различными (разрыв, повышенное сопротивление, короткое замыкание или повышенный ток утечки). Образование и рост дефектов в каждом случае зависит как от внутреннего строения металлических проводников, так и от параметров окружающих его слоев (межслойного диэлектрика, барьерного и адгезионного). Анализ экспериментальных данных показывает наличие тенденции к образованию определенного вида отказа при изменении температуры испытаний. Очевидно, что для слоев Ml и М2 больший нагрев структур приводит к увеличению вероятности возникновения разрыва в шине металлизации. Данное явление обусловлено пережиганием тонкого проводника, то есть температура нагрева слишком высока или определена неправильно, поэтому происходит локальный разогрев и плавление. Для проводников из МЗ, напротив, характерно снижение доли отказов из-за разрыва и образование других видов отказа, как, например, короткое замыкание с соседними проводниками. Это связано

11

с тем, что большая часть тока протекает по поверхности металлического проводника, что приводит к ее разогреву и плавлению, так как слой "ГШ на боковых частях шин отсутствует. Это подтверждается при визуальном осмотре, где наблюдается большое количество металлических «брызг» вокруг места образования дефекта.

В третьей главе проведено исследование взаимосвязи динамики изменения электрического сопротивления проводников интегральных схем, наблюдаемой в процессе ускоренных испытаний, и их электромиграционной надежности.

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. На основе множества экспериментальных данных, полученных при испытаниях образцов, были построены графики зависимости сопротивления от времени (рисунок 2).

95

- 91 О «9

8! 8.1 81 79

Рисунок 2. Семейство кривых зависимостей сопротивления образцов от времени испытаний.

Зависимости, представленные на рисунке 2, были : проанализированы, и 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.

При анализе зависимости сопротивления от времени была обнаружена корреляционная связь между началом структурных изменений в образцах (точка перегиба tc на рисунке 3), временем наработки до отказа (момент обрыва шины, tf на рисунке 3) и скростью

изменения сопротивления в линейной области (область 1 на рисунке 3).

200 i

190 I----------------------------------------

ISO i

170 -----------

160 I---

O 150 j---

с;

140 f---

130 i----------------------------------—

1

120 !

no-.-............R">.-° "Л.....

IIIIII............... IIIIIIIIIIIIIII I .........шипим

loo -----'--

О 200 -100 600 SOO 1000 </ 1200

Л с

Рисунок 3. Зависимость сопротивления от времени в области проведения основных измерений при электромиграционных испытаниях. 1 - линейный участок, 2 - участок образования и роста дефектов.

Анализ кривой, представленной на рисунке 3, позволяет выделить несколько участков и установить связь между параметрами на линейном: учатке (область I) р значением времени tf. Данная взаимосвязь описывается выявленным й ходе проведенного анализа эмпирическим выражением:

а = А-Г/, (3)

где cp;AR/At - наклон прямой на линейном участке, А, В — постоянные, tj-- Время наработки до отказа.

Данная зависимость подтверждается экспериментально получёнными данкыми, представленными на рисунке 4.

500

1000

1500

2000

Рисунок 4. Зависимость скорости увеличения сопротивления а от времени наработки до отказа ^ для проводников в слое М1. Достоверность аппроксимации г2 = 0,9785.

Из формулы (3) очевидно, что скорость увеличения сопротивления тем меньше, чем совершеннее структура проводника. Из этого уравнения можно выразить время ?уЧерез коэффициенты а, А, В:

Анализ данных, полученных в ходе эксперимента, показал, что значенйя времен ?с и гу линейно связаны. Соответствующая экспериментальная зависимость представлена на рис. 5. Вычисленная на основе экспериментальных данных величина достоверности аппроксимации (г2) принимает значение >0,98, что дает возможность с хорошей точностью определить коэффициенты А и В.

(4)

♦ . «г ....

/у= 0.97257 . - 94.016 ..... / \ / 1

X

____!

Рисунок 5. Зависимость времени наработки до отказа //-от точки перегиба (с для проводников в слое М1. Достоверность аппроксимации г = 0,9959.

Таким образом, можно сделать вывод, что обнаруженная взаимосвязь параметров линейной части зависимости сопротивления от времени испытаний с моментом физического разрушения проводника и наличие точки перегиба на исследуемой зависимости позволяет при проведении ЭМ испытаний не доводить проводники до полного разрыва. Достаточно только определить точку перегиба на зависимости Я(0 в диапазоне времени от 0 до 1т\

г_ =

(5)

где гт - новое время испытаний, ^_тах - максимальное время наработки до отказа (рисунок 2), - минимальное время наработки до отказа (рисунок 2).

Установленный факт позволяет провести аналитическое определение момента предполагаемого физического разрушения проводника. Соответственно появляется возможность проведения неразрушающих испытаний за меньшее время.

На основании обнаруженной зависимости а(0 разработана новая методика проведения ускоренных неразрушающих электромиграционных испытаний. В данной главе показан пример использования этой методики, подтверждающий ее достоверность путем сравнения данных с контрольной группой образцов.

В четвертой главе проведено исследование процесса образования и роста дефектов в металлических проводниках в ходе ЭМ испытаний.

Сопротивление металлического проводника в ходе ускоренных ЭМ испытаний равномерно возрастает до момента, после которого происходит резкое изменение скорости нарастания. Это явление связано с образованием дефектов в металле, а именно зарождением и дальнейшим ростом пустот. Данный процесс приводит к уменьшению поперечного сечения проводника, и значительная часть электрического тока начинает протекать по соседним проводящим (адгезионным или барьерным) слоям (например, "Л или "Ш). Так как процесс образования и роста дефектов в проводнике зависит от множества факторов, таких как внутреннее строение металла и условий его нанесения, свойств соседних адгезионных/барьерных слоев, свойств диэлектрика, то необходимо более подробное изучение процессов, протекающих в металлическом проводнике.

Было проведено исследование электромиграционных отказов металлических проводников в многоуровневой металлической разводке в слоях М1, М2 ,МЗ с различными критериями остановки испытаний в АЯ = 1%, 3%, и 5% изменения сопротивления по отношению к исходной величине этого сопротивления для каждого слоя в установившемся режиме токовой нагрузки.

В ходе проведенного анализа отказов для проводников Т1ЛлМ/А1(Си,81)ЛлК в слое М1 металлической разводки ИМ С не было выявлено коротких замыканий с шинами окружения, токи утечки через межслойный диэлектрик остались на прежнем уровне. Критерия АЯ = 1% оказалось достаточно для определений момента образования первого дефекта в металлическом проводнике, что соответствует первому скачкообразному изменению сопротивления при ускоренных ЭМ испытаниях. С увеличением критерия остановки измерений до 3% уже присутствует точка перегиба, однако ей предшествует несколько участков со скачкообразным изменением сопротивления, что говорит об образовании и росте дефектов в металлическом проводнике (рисунок 6).

Рисунок 6. Дефект, образовавшийся в проводнике составом ТьГПК/А1(Си,81)/"ПЫ в процессе электромиграции с критерием остановки в 3% увеличения сопротивления.

При дальнейшем увеличении критерия АЯ до 5% графики зависимости Яр) принимают вид, подобный предыдущему случаю в 3%, где на линейном участке графика зависимости сопротивления от времени не происходит никаких скачкообразных изменений вплоть до АЯ = 1%.

В ходе проведенного анализа отказов для проводников Т1/Т1К/А1(81)/ТО^ в слое М2 металлической разводки ИМС не было зафиксировано образования разрывов, и не происходило разрушения тестовых образцов. В случае АЯ =1% установлено, что зависимость Яр), получаемая в ходе ЭМ испытаний, практически на всем протяжении линейна. Скачкообразное изменение сопротивления происходит незадолго до окончания измерений, что связано с образованием дефектов, в данном случае пустот (рисунок 7)._

V......V

шмЬт

Рисунок 7. Дефект, образовавшийся в проводнике составом Т1/ПМ/А1(81)ЛлМ в слое М2 в процессе электромиграции с критерием остановки в 1% увеличения сопротивления.

При увеличении критерия окончания измерений до 3% дефекты металлической разводки увеличиваются в размерах. Кроме того, появляются дефекты в нескольких местах проводника по его длине, также зафиксировано образование катастрофического отказа -короткого замыкания с шинами окружения. При дальнейшем увеличении критерия остановки ускоренных ЭМ испытаний АЯ до 5%, характерной чертой образования дефектов является их зарождение и рост в нескольких местах (рисунок 8). Проявление такого эффекта становится возможным благодаря методике измерений, которая построена на мониторинге постоянного тока, протекающего по тестируемому образцу. Образование дефекта происходит в самом «слабом» месте металлической шины, приводя к уменьшению поперечного сечения и vRerrичeнmo плотности Тока.

Рисунок 8. Электромиграционные дефекты, образовавшиеся в проводнике Т^И/АЦ^/ТО* в слое М2 тестовой структуры. Критерий остановки испытаний - 5%-е увеличение сопротивления.

В ходе проведенного анализа отказов для проводников Т1/ТОГ/А1(80ЛГШ в слое МЗ металлической разводки ИМС не было зафиксировано коротких замыканий с шинами окружения и токи утечки через диэлектрик остались на прежнем уровне. Характерной чертой оказалось частое образование катастрофических отказов в виде разрыва металлизации (рисунок 9).

Рисунок 9. Электромиграционные дефекты, образовавшиеся в проводнике Т1/Т1№А1(81)/Т1К в слое МЗ тестовой структуры. Критерий остановки испытаний - 1%-е увеличение сопротивления.

Из графиков Я(г), полученных в процессе ЭМ испытаний, как и предыдущих случаях АЯ= 1% для М1 и М2, прослеживается линейная зависимость сопротивления от времени. Дальнейшее увеличение времени испытаний до выполнения критерия АЯ >3% привело к различиям в поведении сопротивления проводников в ходе ускоренных испытаний. Это говорит о различных процессах образования отказа в металлических проводниках в каждом случае. Во всех случаях произошло образование катастрофического отказа в металлическом проводнике, что является похожим на предыдущий случай АЯ= 1%. Увеличение критерия остановки испытаний до 5% привело к тому, что все образцы также были разрушены. Таким образом, при испытаниях металлических проводников в слое МЗ в большинстве случаев происходит образование катастрофического отказа. Другими словами, если критерием остановки испытаний служит значение АЯ> 1%, то в большинстве случаев произойдет полное разрушение образца. В таком случае для проведения неразрушающих испытаний необходимо или понизить температуру нагрева, или еще больше понизить критерий остановки испытаний АЯ.

Таким образом, при помощи изменения критерия остановки измерения в представленной методике, появляется возможность отдельно оценить влияние процесса образования и роста дефектов в проводнике на получаемые данные. Использование малых значений АЯ, кроме того, подходит для определения внутренних свойств металлов, таких как энергия активации и показатель плотности тока, применяющихся в уравнении Блэка.

В пятой главе представлен новый подход для определения параметров процесса ЭМ в проводниках (величина энергии активации и

показателя плотности тока в уравнении Блэка), использующихся при оценке надежности металлизации.

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. 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

Суть предлагаемого метода заключается в том, что для определения значений параметра ^ ускоренные электромиграционные испытания проводят без использования внешнего источника тепла, в которых нагрев тестовых структур на пластине осуществляется за счет саморазогрева протекающим током.

Таким образом, разработанная методика позволяет отказаться от использования высокотемпературных климатических камер при проведении испытаний. В этом случае значение температуры нагрева проводника при испытаниях (Г) задается при помощи величины протекающего тока (/'). поэтому изменение значения температуры приведет к изменению величины

Значение ¡50 определяется из уравнения Блэка:

где 15о - медиана наработки до отказа (представляет собой момент времени, к которому откажет 50% испытываемых образцов); С-постоянная; п - показатель плотности тока (который равен 2 в оригинальном уравнении); у - плотность тока; Ел - энергия активации; к - постоянная Больцмана; Т - температура. Значения Еа и п обычно зависит от материала, из которого изготовлен проводник, и от строения испытуемой структуры.

Уравнение (6) содержит в себе искомые параметры: С, п и Е„. Поэтому для их определения достаточно использовать всего лишь три условия для измерений: 0г> т1)> 0г; Т2), 03; Т3), где .и, ь - различные

(6)

плотноЬти тока, а Т,, Т2, Т3 - различные значения температур. В итоге

получаем систему уравнений с тремя неизвестными:

' £

'5о, =С-;,""-ехр|

'м, = С ■ Л" ■ ехр '50, = -ехр

к\Г,

А. 'О

(7)

Разделив первое уравнение в системе (7) на второе, и взяв натуральный логарифм от обеих частей, получим выражения для п\

1п

/ N | '*>, 1 К Г1 п

к и, Тг)

(8)

1п

Разделив первое уравнение на третье в системе (7) и подставив в него полученное выражение для п (8), предварительно взяв натуральный логарифм от обеих частей, получаем выражение для Еа:

Е„ = к-

(! \ С ■ \ / . \

1п '50, ■1п Л. -1п '50, ■1п

14; и. J J и J

1п

'з /

Г ■ \ А

и

1_ 17.

■1п

'1/

С ■ \

и

т

Значение коэффициента С можно определить из любого уравнения системы (5.1) при использовании найденных значений п и Еа, например:

С =

>50, "У."

ехр

'Е 4

(10)

А

Плотность тока (¡=1,2,3) для каждого значения Г50, определяется как медиана задаваемых значений плотностей тока для каждого значения температуры 7}.

Экспериментальные данные позволяют определить искомые параметры из формул (8)-(10). Результаты расчета представлены в таблице 1.

Таблица 1. Рассчитанные значения электроМиграцтонньтх

параметров уравнения Блэка для трех слоев металла.

Металл Е„ эВ п А,ч

М1 0,37 6,55 6,6*10"'

М2 0,35 1,36 1,06*10"

МЗ 0,62 1,25 2,09*10'

Значения, представленные в таблице 1, хорошо согласуются с величинами, которые были рассчитаны в других работах. В отличие от остальных, предложенный метод сокращает количество необходимых измерений, что позволяет отказаться от проведения раздельных экспериментов для определения величин Еа и п.

В заключении изложены основные результаты и выводы диссертационной работы.

В приложении представлены акты использования

диссертационной работы.

Основные результаты и выводы.

1. Выявлена корреляция необходимого температурного диапазона с конструктивными параметрами многоуровневой системы металлизации при проведении электромиграционных испытаний при нагреве проводников за счет протекающего тока.

2. Исследована электромиграционная надежность металлических проводников Т1М/А1(81,Си)ЛлК в многоуровневой разводке интегральных схем при различных условиях ускоренных испытаний.

3. Установлена линейная зависимость момента начала структурных изменений в металле от момента физического обрыва шины.

4. Установлена степенная зависимость скорости изменения сопротивления металлического проводника от времени наработки до отказа в линейной области.

5. Разработана технология диагностирования и анализа причин электромиграционных отказов в металлических проводниках.

6. Разработана математическая модель, позволяющая описать процесс изменения сопротивления металлического проводника в ходе электромиграционных испытаний и рассчитать его электромиграционные характеристики для плотности тока и температуры.

7. Разработана методика ускоренных неразрушающих электромиграционных испытаний металлических проводников в многослойных интегральных' схемах, позволяющая отказаться от применения нагревательных печей.

8. Разработан подход для определения параметров электромиграционной модели в металлических проводниках для плотности тока и температуры, использующихся при оценке надежности металлизации.

9. Проведена апробация разработанных методик и сравнение полученных результатов со стандартными способами ускоренных испытаний ЭМ надежности.

Список публикации

1. Сафонов С.О. Разработка двумерной модели развития механических напряжений, возникающих в процессе электромиграции, в металлическом проводнике // 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2012». Тезисы докладов. М.:МИЭТ. - 2012. -С. 121.

2. Сафонов С.О. Применение ускоренных электромиграционных испытаний при постоянной температуре длд оценки надежности алюминиевой металлизации интегральных схем // 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2013». Тезисы докладов. М.:МИЭТ. -2013. - С. 64.

3. Сафонов С.О. Методика проведения неразрушающих электромиграционных испытаний металлической разводки интегральных схем // 21-я Всероссийская межвузовская

научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2014». Тезисы докладов. М.:МИЭТ. -2014. - С. 9.

4. Сафонов С.О. Методика определения электромиграционных параметров металлических проводников при ускоренных испытаниях // 4-я Международная научно-практическая конференция «Техника и технологии: пути инновационного развитая». Тезисы докладов. Курск.: Юго-Западный государственный университет. -2014. - С. 230-333.

5. Сафонов С.О. Разработка методики для снижения времени проведения ускоренных электромиграционных испытаний // XII Международная научно-практическая конференция «Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития современного общества». Тезисы докладов. М.: Научно-информационный издательский центр «Институт Стратегических Исследований». - 2014. - С. 74-79.

6. Safonov S.O. Non-destructive electromigration testing method development for metallization of integrated circuits based on the rate of resistance change // Международная конференция «Микро- и наноэлектроника - 2014» (1СЩЕ-2014). Тезисы докладов. Москва-Звенигород. - 2014. - С. 03-15.

7. Сафонов С.О., Беспалов В.П., Голишников A.A., Путря М.Г. Оценка надежности алюминиевой металлизации интегральных схем при проведении ускоренных электромиграционных испытаний при постоянной температуре // Известия вузов. Электроника. - 2014. - №3. -С. 21-29.

8. Сафонов С.О., Беспалов В.П., Путря М.Г., Фоминых C.B. Методика определения электромиграционной надежности металлических проводников интегральных схем // Известия вузов. Электроника. - 2014. - №5. - С. 39-44.

9. Заявка на изобретение №2014103988, Российская Федерация, МПК H01L21/66, G01R31/18. Способ оценки надежности металлической разводки интегральных схем. // Фоминых C.B., Сафонов С.О.; заявитель ОАО «Ангстрем-

Т»; дата подачи: 09.04.14; текущее состояние - экспертиза по существу.

10. Заявка на изобретение №2014113646, Российская Федерация, МПК H01L21/66, G01R31/18. Способ оценки электромиграционных параметров металлических проводников. // Фоминых C.B., Сафонов С.О.; заявитель ОАО «Ангстрем-Т»; дата подачи: 06.02.14; текущее состояние — экспертиза по существу.

Подписано в печать:

Заказ № Ц Тираж 80 экз. Уч.-изд. л. 1,3

Формат 60x84 1/16

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.5, НИУ МИЭТ