Исследование и разработка неразрушающих ускоренных методов прогнозирования электромиграционной стойкости металлической разводки интегральных схем

• Автор: Сафонов, Сергей Олегович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 109 с. : ил.

Оглавление.
Оглавление

Введение
Глава 1. Обзор основных методов, применяющихся для оценки электромиграционной надежности металлических проводников интегральных схем
1.1 Ускоренные испытания в микроэлектронике
1.2 Явление электромиграции
1.3 Обзор методик для оценки электромиграционной надежности
металлических проводников
1.4 Обзор методик для определения электромиграционных характеристик
1.5 Графическое представление результатов эксперимента
Глава 2. Анализ отказов алюминиевой металлизации интегральных схем при проведении ускоренных электромиграционных испытаний
2.1 Описание методики электромиграционных измерений
2.1.1 Тсотовые структуры
2.1.2 Методика ускоренных электромиграционных испытаний
2.2 Определение температурного коэффициента сопротивления
2.3 Проведение электромиграционных испытаний
2.4 Анализ полученных результатов
2.5 Анализ электромиграционных отказов и образовавшихся дефектов в
металлической разводке
2.6 Выводы по главе
Глава 3. Исследование взаимосвязи динамики изменения электрического сопротивления проводников ИС, наблюдаемой в процессе ускоренных испытаний, и их электромиграционной надежности
3.1 Методик оценки электромиграционной надежности металлических
проводников
3.2 Пример практического использования новой методики ускоренных
электромиграционных испытаний

3.3 Расчет надежностных характеристик металлических проводников
3.4 Выводы по главе
Глава 4. Исследование процесса образования и роста дефектов в металлических проводниках в ходе ЭМ испытаний
4.1 Анализ отказов с различным критерием остановки испытаний в проводниках Т1/Т1Ы/Л1(Си,81)/Т1Ы в слое М1 металлической разводки ИМС
4.2 Анализ отказов с различным критерием остановки испытаний в проводниках Т1Ы/А1(81)/Т1К в слое М2 металлической разводки ИМС
4.3 Анализ отказов с различным критерием остановки испытаний в проводниках Т1Н/А1(81)/ТОЧ в слое М3 металлической разводки ИМС
4.4 Выбор оптимального критерия отказа при проведении испытаний
4.5 Выводы по главе
Глава 5. Методика определения элекгромиграционных параметров металлических проводников иа основе проведения ускоренных испытаний при постоянной температуре
5.1 Описание методики определения элекгромиграционных параметров
5.2 Учет отклонения геометрических размеров поперечного сечения металлических проводников
5.3 Расчет элекгромиграционных характеристик по экспериментальным данным
5.4 Выводы по главе
Заключение
Список использованных источников
Приложение

Введение.
Актуальность темы.
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 межсловного диэлектрика) приводит к изменению условий на границах раздела. Наличие в многослойной структуре материалов, имеющих различные коэффициенты термического расширения и модули упругости, приводит к возникновению механических напряжений на границе раздела металл/диэлектрик.
Таким образом, для каждой новой технологии, комбинации материалов, технологических процессов или размеров формируемых элементов должно быть проведено исследование но 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 способом заранее определить надежность системы является проведение испытания изделий или 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

Критерием нарушения целостности проводника являлось изменение его сопротивления (Я(0) на 20% ио отношению к исходной величине этого сопротивления в установившемся режиме токовой нагрузки (Яо) [61]. Обычно, выбирается показатель в 5%-20%, эта величина зависит от конфигурации ИС. В ходе электрических измерений определяют АЯ, при которой временная задержка в металлическом проводнике по всей разводке приведет к ошибке в быстродействии схемы. В некоторых случаях сопротивление шин при образовании отказа изменяется так быстро, что выбор 10% или 20% не так важен. Однако, в другом случае, некоторые отклонения Я({)/Яо и соответствующие по времени увеличению на 10% и 20% могут сильно различаться [85]. К сожалению, связь между объемом образовавшихся в проводнике пустот и относительным изменением сопротивления остается неясной до конца, и, несомненно, в ней присутствует несколько
очевидных различий. Например, все пустоты в проводнике способствуют увеличению Я(1), тогда как только самая большая определяет критичный объем, приводящий к отказу.
2.2 Определение температурного коэффициента сопротивления.
Согласно вышеописанной методике [58] температура в проводнике поддерживается за счет его саморазогрева протекающим током. Поэтому, чтобы точно задать ее значение, необходимо установить зависимость изменения
температуры в образце от изменения его электрического сопротивления, которая выражается через температурный коэффициент сопротивления (ТКС):
ТКС = ——, (2.1)
Я с1Т v ’
где Я - электрическое сопротивление, АЯ - изменение электрического сопротивления, <1Т- изменение температуры.
Вычисление ТКС проводилось по методике, описанной в [86]. Были проведены измерения электрического сопротивления алюминиевой разводки в трех слоях металлизации в диапазоне температур 25 - 110 °С в двух точках: в центре и на краю пластины. Зависимости для трех уровней металлов представлены па рис. 2.5а,б. Из полученных данных можно сделать вывод, что для ТКС получены
достаточно достоверные значения (коэффициент регрессии >0.999) [86].