CC BY
10УДК 602.169.2:620.171.34
Оценка надежности алюминиевой металлизации
интегральных схем при проведении ускоренных электромиграционных испытаний при постоянной температуре
12 2 1 1 С.О. Сафонов ' , В.П. Беспалов , А.А. Голишников , М.Г. Путря
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ» 2ОАО «Ангстрем-Т» (г. Москва)
Реализована и опробована методика оценки надежности многоуровневой металлизации интегральных схем при постоянной температуре. Проведена статистическая обработка данных и рассчитаны основные параметры надежности для проводников. Показаны и проанализированы основные виды отказов, образование которых характерно при проведении электромиграционных испытаний при постоянной температуре.
Ключевые слова: электромиграция, металлизация, алюминий, надежность, испытания на надежность.
В большинстве случаев причина образования дефектов в металлических проводниках заключается в процессе электромиграции. Явление электромиграции - результат воздействия тока высокой плотности на металлические проводники (в рассматриваемом случае перемещение атомов металла в слоях Al(Si,Cu)). Уменьшение геометрических размеров межсоединений ИС приводит к увеличению плотности электрического тока, протекающего по ним, в связи с чем происходит более ранний выход из строя проводника/межслойного переходного контакта. В результате воздействия тока высокой плотности образуются пустоты или выступы, которые изменяют геометрию поперечного сечения проводника, что приводит к выходу его из строя [1, 2].
Образование дефектов в металлизации существенно влияет на ее надежность. Корректная оценка характеристик надежности металлизации необходима для разработки и производства ИС. Как правило, современные методики определения надежности металлизации [3-5] включают в себя подготовку образцов, проведение ускоренных испытаний, анализ полученных данных, пересчет среднего времени наработки до отказа при условиях испытания к стандартным эксплуатационным условиям (для Al(Si,Cu) обычно температура равна 85°C, плотность тока 0,55 МА/см2) [6]. На надежность металлических проводников оказывает влияние множество конструктивных факторов: геометрическая форма проводника, его расположение в многослойной структуре интегральной схемы, тип и толщина межслойного диэлектрика и т.д. [7].
Цель настоящей работы - апробация методики измерения при постоянной температуре для оценки надежности металлических проводников. Топология тестовой структуры, которая использовалась в эксперименте для оценки электромиграционных эффектов для каждого слоя металлизации, приведена на рис.1. Данный тип структур разработан в Национальном институте стандартов и технологий США (The National Institute of Standards and Technology (NIST)) [8].
© С.О. Сафонов, В.П. Беспалов, А.А. Голишников, М.Г. Путря, 2014
Рис.1. Общий вид тестовой NIST-структуры (1+, I— выводы измерения подаваемого тока, V+, V- - напряжения)
Рис.2. Схема измерительной установки
Для проведения испытаний использовались шесть экспериментальных пластин (№1-№6) с трехуровневой металлической разводкой, на каждой из которых проводники сформированы в многослойной структуре: Ml - Ti/TiN/AlCuSi/TiN; M2 и M3 -TiN/AlSi/TiN.
Измерения проводились на стенде на базе полупроводникового анализатора Agilent 4156C с применением зонда ЭМ 6030А c нагревательным столиком. Схема измерительной установки представлена на рис.2, размеры тестовых структур указаны в табл.1. Кроме выводов для подачи тока и измерения напряжения на схеме показан вывод для шин окружения, который предназначен для выявления коротких замыканий.
Таблица 1
Размеры тестовых шин
Конструктивные параметры тестовых шин Ml M2 M3
Длина, мкм 800 800 800
Ширина, мкм 1,0 1,2 1,2
Толщина слоя алюминия, мкм 0,45 0,5 0,7*
Зазор между тестовой шиной и соседними шинами, мкм 1,2 1,2 1,2
*Для пластины №4 толщина слоя алюминия равна 1,05 мкм.
Методика исследования построена на основе международного стандарта 1ЕБЕС 1Е8Б61 [3] и включает в себя несколько этапов: начальная проверка целостности проводника (измерение его сопротивления и тока утечки между соседними шинами при 3,0 В с критерием отбраковки 10 нА); выставление рабочего режима испытаний, т.е. нагрев структуры до температуры Тисп за счет протекающего тока (рис.3, область 1); проведение электромиграционных испытаний при постоянной температуре Тисп (рис.3, область 2). Критерием нарушения целостности проводника является изменение его сопротивления на 20% по отношению к исходной величине этого сопротивления в установившемся режиме токовой нагрузки [9].
Полученные в ходе эксперимента данные проанализированы в соответствии с эмпирической взаимосвязью между плотностью тока в образце при проведении ускоренных испытаний и временем наработки до отказа (закон Блэка) [10]. Данная взаимосвязь обычно используется для описания электромиграционных отказов и задается в виде
с
150 = Aj " exp
V
К
kT.
(1)
где ¿50 - медиана наработки до отказа (представляет собой момент времени отказа 50% испытываемых образцов); А - постоянная; п - показатель плотности тока (равен 2 в оригинальном уравнении Блэка); ] - плотность тока; Еа - энергия активации, эВ; к - постоянная Больцмана; Т - температура. Значение п обычно зависит от материала, из которого изготовлен проводник, и от строения испытываемой структуры.
180
160
С 140
120
и
100
80
60
3
/ 1
2 я/
-W
Г 4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Время, с
Рис.3. Зависимость сопротивления проводника от времени при проведении испытания при постоянной температуре: 1 - область выхода на режим измерения;
2 - основная область измерения; 3 - область выхода из строя
На основе t50 рассчитываются параметры t0,i и tnorm, которые обозначают момент времени отказа 0,1% испытываемых образцов, и среднее время наработки до отказа в нормальных условиях соответственно [11]. Вычислить их значения можно по формулам [8]:
¿0,1 = ¿50 exP (- 3,09а),
í
=
J
test
V Jnorm J
¿50 exP
- 3,09а + -
E„
8,1617-10
-5
V T
V norm
T
te st J J
где 3Погт - плотность тока при нормальных условиях (обычно 0,55 МА/см ); - плотность тока при ускоренных испытаниях; а - среднеквадратическое отклонение (определяется из экспериментальных данных, когда времена наработки до отказа подчиняются логарифмически нормальному закону распределения); Тпогт - температура при нормальных условиях (обычно 85 °С = 358,16 К); - температура при ускоренных испытаниях, К.
Согласно рассматриваемой методике 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. Для этого требуется определить значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС):
ткс=I ^, яат
где К - электрическое сопротивление; йК - изменение электрического сопротивления; йТ - изменение температуры.
n
1
1
100 90
з
0 80 «
§ 70 Й 60
1 50
8 40 30
1 КС = ( ,00323
0, 00342^
"**"*ОС 0351
о
20 40
60
80 100 120
Температура, °С
Рис.4. График зависимости сопротивления от температуры для трех слоев металлов ♦ М1; ■ М2; ▲ М3
Значения ТКС, °С-
Вычисление ТКС проводилось по методике, описанной в [12]. Проведены измерения электрического сопротивления алюминиевой металлизации в диапазоне температур 18-110 °С в двух точках: в центре и на краю пластины. Зависимости для трех уровней металлов в центре пластины представлены на рис. 4. Следует отметить, что для ТКС получены достаточно достоверные значения (коэффициент регрессии Я2 > 0,9999) [12].
На основании полученных данных рассчитаны значения ТКС для трех уровней металлической разводки (табл.2).
Таблица 2
металлической разводки
Точка измерения М1 М2 М3
Край пластины 0,00323 0,00342 0,00351
Центр пластины 0,00331 0,00351 0,00357
Следующий этап исследования - проведение электромиграционных испытаний. На первой стадии осуществляется нагрев образцов до заданной температуры, которая определяется по формуле [12]:
Т =
К - Ке/
Кге/ • ТКСге/
- + Т
ге/ .
Сопротивление образца Яа = ¥о/1т, где Уа — измеренное напряжение, В; 1т — протекающий через образец ток, А.
Исходная температура Тг<$ обычно принимается равной комнатной температуре. Температура испытаний выбирается из диапазона 225—425 °С, так как меньшее значение температуры приведет к значительному увеличению времени испытания, а при Те$г > 425 °С сопротивление алюминия перестает обладать линейной зависимостью от температуры [12].
Для того чтобы определить максимальное время испытаний и температуру нагрева, проведены предварительные испытания. Результаты испытаний представлены в табл.3. Среднее время наработки до отказа рассчитывается по формуле (1). Введем коэффициент Ь — отношение двух времен наработки до отказа ^ и ^
ь='±
и
ехр
(к (
к
1 1
Т
V Т1
Т
2 У У
где обычно 1 < Ь < 5; ^ — продолжительность основных испытаний; ¿2 — продолжительность предварительных испытаний; Т1 — температура нагрева проводника при основных испытаниях; Т2 — температура нагрева при предварительных испытаниях. Температуру Т1 можно оценить исходя из соотношения
г "1-1
к 1
Т1
. т к 1 1п Ь--+ —
Ка Т2
Результаты расчета представлены в табл.4.
Таблица 3
Данные предварительных испытаний
Параметр M1 M2 M3
Температура T2, °C 240 270 400
Средняя продолжительность испытаний, с 975 523 721
Коэффициент L 2,5 2,5 2,5
Таблица 4
Рассчитанные значения температуры и времени основных испытаний для каждого уровня металлизации (Еа = 0,75 эВ)
Параметр M1 M2 M3
Температура T1, °C 214 241 355
Оценочное время испытаний, с 2437 1308 1803
В соответствии с результатами расчета выбрана следующая температура проведения испытаний: Ttest = 215 °C для M1; Ttest = 230 °C для M2; Ttest = 350 °C для M3. Максимальное время испытаний ограничено 2400 с (40 мин). Общий алгоритм испытаний представлен на рис.5.
После нагрева образца до температуры Ttest испытания переводились в режим постоянной мощности: P = ILR = const, который обеспечивает изотермический ход процесса. На данной стадии изменение сопротивления металлической шины влечет за собой изменение величины протекающего тока.
Результаты электромиграционных испытаний приведены на рис.6. Для шести экспериментальных пластин построены линии регрессии и найдены соответствующие коэффициенты, чтобы в дальнейшем рассчитать значение среднего времени наработки при нормальных условиях tnorm.
Рис. 5. Алгоритм проведения электромиграционных испытаний при постоянной температуре
На графиках по оси абсцисс отложено время измерений в логарифмическом масштабе. Ось ординат представляет интегральную функцию логарифмически нормального распределения — вероятностную шкалу, обозначающую процентную долю структур, вышедших из строя.
На основании приведенных данных рассчитаны медианы наработки на отказ. Соответствующие данные для шести экспериментальных образцов представлены в табл.5 и 6.
Таблица 5
Значения медианы наработки до отказа с, для каждого образца
Слой металла №1 №2 №3 №4 №5 №6
М1 285,2 292,6 1004,4 737,9 185,5 823,5
М2 1239,4 813,8 1106 998,3 843,5 1050
М3 142,2 129,5 109,3 890,4* 120,1 132,2
*См. табл.1.
Таблица 6
Значения среднеквадратического отклонения о, с, времени наработки до отказа для логарифмически нормального распределения для трех слоев металла каждого образца
Слой металла №1 №2 №3 №4 №5 №6
М1 1,194 1,539 0,752 1,033 1,16 0,934
М2 0,431 0,511 0,4 0,419 0,526 0,464
М3 0,606 0,586 0,544 0,24 0,465 0,435
Причины выхода из строя проводника могут быть различными (разрыв, повышенное сопротивление, короткое замыкание или повышенный ток утечки). Электрическое сопротивление металлических проводников измерялось при малом напряжении (0,1 В) до и после проведения электромиграционных испытаний. При сравнении этих двух величин установлены характерные типы отказов для данных образцов.
В большинстве случаев самым характерным видом отказа для всех слоев металлизации оказался разрыв (табл.7). В этом случае происходит значительное увеличение сопротивления (от ~100 Ом до ~100 кОм), величина тока утечки на соседние проводники осталась без изменений. Второй по частоте отказ - возникновение короткого замыкания на шины окружения. В этом случае изменения сопротивления металлического проводника не происходит, а значение тока утечки увеличивается от ~50 фА до ~10 мА между образцом и шинами окружения (см. рис.2). В ряде случаев в ходе измерения зафиксирован разрыв металлизации с одновременным увеличением тока утечки ~40 фА до ~10 нА. Для проводников из M1 для одной пластины из шести характерным видом отказа являлось снижение сопротивления от ~60 до ~13 Ом без изменения величины тока утечки. Для проводников из слоя M1 зафиксированы еще два типа отказа - незначительное повышение сопротивления (ток утечки не изменился) и снижение сопротивления от ~60 до ~10 Ом с резким увеличением тока утечки. В первом случае измерения были остановлены, потому что значение сопротивления превысило допустимое увеличение на 20%, хотя разрыв в проводнике еще не образовался. Во втором случае произошло короткое замыкание с соседними проводниками при отжиге дефектов в образце.
Процентная доля каждого вида отказа для трех слоев металлизации
Таблица 7
Слой металла Разрыв (4ак не меняется) Разрыв с увеличением Ьеак (ГА) Повышение Я (разрыва нет) Снижение Я (1как не меняется) Снижение Я с КЗ КЗ (Я = сош!)
M1 66,67 0 1,28 17,95* 1,28 12,82
M2 70,33 15,38 0 0 0 14,29
M3 80,72 9,64 0 0 0 9,64
Примечание: Я - сопротивление проводника, 11еак - ток утечки, КЗ - короткое замыкание * - данные для одной пластины.
В ходе проведения анализа физических причин выхода из строя испытываемых структур выявлены характерные типы отказов, присущие каждому слою металлизации. Виды дефектов показаны на рис.7. Рост пустоты, образовавшейся в слое M3 из-за эффекта электромиграции, уменьшает поперечное сечение металлического проводника. Это приводит к постепенному увеличению сопротивления, локальному перегреву и в итоге - к разрыву. Дефект «наплыв» образовался в проводнике, сформированном в слое M2. Осветление металла обусловлено локальным плавлением алюминия вокруг места дефекта. На фотографии заметно, что расплавленный металл оказался между соседними проводниками.
Ниже представлены данные по временам наработки до отказа проводников для каждого уровня металлизации M1-M3. Также приведены рассчитанные значения средних времен наработки при нормальных условиях (табл.8).
а б в
Рис. 7. Виды дефектов: а, б - пустота в слое М3 (РЭМ-снимок и оптический снимок); в - наплыв металла между проводниками в слое М2 (оптический снимок)
Таблица 8
Значения среднего времени наработки до отказа при нормальных условиях tnorm, ч, для трех слоев металла каждого образца (85 °С; 0,55 МА/см2)
Слой металла №1 №2 №3 №4 №5 №6
М1 276,4 78,93 1944 2208 163,2 1079
М2 16025 8271 18494 14564 8041 13237
М3 21556 23320 23974 201484 32696 43825
Примечание: расчет проводился при значениях n = 1,5 и Ea = 0,75 эВ.
Учитывая значения tnorm из табл.8, можно сделать вывод, что наименьшую надежность демонстрирует слой M1, обладающий наименьшим временем наработки при нормальных условиях (наименьшее время наработки 78,93 ч). Кроме того, резкое увеличение tnorm для M3 у пластины №4 вызвано тем, что проводник слоя M3 имеет в этом образце большее поперечное сечение - 0,84 мкм2 (вместо 0,6 мкм2 как у остальных пластин). Увеличение поперечного сечения на 40% вызвало увеличение времени наработки до отказа при нормальных условиях более чем в 4 раза.
В результате анализа электромиграционных отказов металлических проводников при проведении ускоренных испытаний при постоянной температуре выявлены основные виды отказа многоуровневой металлизации интегральных схем. Установлены оптимальные параметры проведения испытания, позволяющие ограничить время тестирования (<40 мин). В ходе статистической обработки полученных данных рассчитаны основные параметры надежности для проводников, а именно медиана наработки до отказа t50 и время наработки при нормальных условиях tnorm.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Договор № 02.G25.3I.0059 от 08.04.2013 г.).
Литература
1. Reliability wearout mechanisms in advanced CMOS technologies / A.W. Strong, E.Y. Wu, R.-P. Vollersten et al. // Reading: IEEE-Wiley, 2009. - Ch. 7. - P. 565-589.
2. Influence of underlying interlevel dielectric films on extrusion formation in aluminum interconnects / F. Chen, B. Li, D. Sullivan et al. // J. Vac. Sci. Technol. - 2000. - Vol. 18, № 4. - P. 2826-2827.
3. JESD61. Isothermal electromigration test procedure. - EIA/JEDEC. - April, 1997. - P. 15. -URL: http://www.jedec.org (дата обращения: 19.09.2004).
4. JEP119A. A procedure for performing SWEAT (Standard Wafer Level Electromigration Accelerated Test). - JEDEC. - August, 2003. - P. 24. - URL: http://www.jedec.org (дата обращения: 19.09.2013).
5. JESD202. Method for Characterizing the Electromigration Failure Time Distribution of Interconnects Under Constant-Current and Temperature Stress. - JEDEC. - March, 2006. - P. 30. -URL: http://www.jedec.org (дата обращения 09.03.2007).
6. Фоминых С.В. Интегральная тестовая структура для оценки надежности металлизации // Патент 2460169 Российская Федерация, МКП7 H 01 L 21/66, G 01 R 31/26. - №2011117828/24. заявл. 2012. Бюл. № 24.
7. Вяткин А.Ф., Зиненко В.И. Послойный анализ металлизации современных интегральных схем с помощью физического ионного распыления // Изв. вузов. Электроника. - 2012. - № 2(94). - С. 95-97.
8. Drawbacks to using NIST electromigration test structures to test bamboo metal lines / D. Munari, А. Scorzoni, F. Tamarri et al. // IEEE Trans. Electron. Dev. - 1994. - Vol. 41, №. 12. - P. 2280.
9. JP001.01. Foundry process qualification guidelines. - JEDEC/FSA. - May, 2004. - P. 42. -URL: http://www.jedec.org (дата обращения: 10.01.2011).
10. Black J.R. Electromigration - A brief survey and some recent results // IEEE Trans. Electron. Dev. -1969. - Vol. ED-16, № 4. - P. 339.
11. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем: пер. с англ. под ред. И.А. Ушакова, Е.Г. Коваленко. - М.: Мир, 1980. - 608 с.
12. JESD33B. Standard method for measuring and using the temperature coefficient of resistance to determine the temperature of a metallization line. - JEDEC. - February, 2004. - URL: http://www.jedec.org (дата обращения: 13.06.2013).
Статья поступила 29 ноября 2013 г.
Сафонов Сергей Олегович - аспирант кафедры интегральной электроники и микросистем (ИЭМС) МИЭТ, инженер-технолог ОАО «Ангстрем-Т» (г. Москва). Область научных интересов: металлизация, надежность ИС. E-mail: ivernely@inbox.ru.
Беспалов Владимир Петрович - заместитель директора проектно-технологического комплекса по технологии ОАО «Ангстрем-Т» (г. Москва). Область научных интересов: технология, разработка и производство СБИС.
Голишников Александр Анатольевич - кандидат технических наук, доцент кафедры интегральной электроники и микросистем (ИЭМС) МИЭТ. Область научных интересов: вакуумные и плазменные технологии, технологии микро-и наноэлектроники, процессы травления и получения металлических пленок с использованием низкотемпературной газовой плазмы.
Путря Михаил Георгиевич - доктор технических наук, профессор кафедры ИЭМС, декан факультета электроники и компьютерных технологий МИЭТ. Область научных интересов: технология СБИС, плазменная обработка микроструктур.
