铝铜互连线电迁移失效的研究_陈军

ElectromigrationFailureMechanismsofAl-CuInterconnect
ChenJun, MaoChanghui＊ (AdvancedElectronicMaterialInstitute, GeneralResearchInstitutefor Non-FerrousMetals, Beijing100088, China)
Abstract:Withthedevelopmentoflarge-scaleinte- andetchingtechnology.Theinfluenceoftemperature gratedcircuits, thefailureofinterconnectbecameone andcurrentdensityontheelectromigrationlifeofinofthemostimportantfactorsaffectingintegratedcircuit terconnectswasstudiedbyacceleratedlifetimetest. (IC) reliability.Al-Cuinterconnectwascommonly Thethermodynamicprocessofinterconnectelectromiusedtoimproveelectromigrationperformance.Thin grationwasanalyzed.Themedianfailuretime(MTF) filmsweresuccessfullydepositedonSibyDCmagne- ofelectromigrationofAl-Cuinterconnectswasderived tronsputteringwithAlandAl-Cutargets.Intercon- accordingtotheexperimentalresults. nectionwirewaspreparedbyphotolithographicetching
[ 3] 吴丰顺 , 张金松 , 吴懿平. 集成 电路互连引线电 迁移的研究 进展 [ J] .SemiconductorTechnology, 2004 , 9:15.
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利用自制的探针台和 Keithley2400半导体测试 系统对互连线进行了电迁移加速寿命测试 。
2 结果与讨论
图 2为实验所制得的不同成分薄膜的 SEM照
收稿日期 :2008 -10 -14;修订日期 :2008 -12 -22 基金项目 :中华人民共和国科学技术部国际科技合作项目 (2007DFA60620) 作者简介 :陈 军 (1983 -), 男 , 浙江磐安人 , 硕士研究生 ;研究方向 :电子材料 ＊通讯联系人 (E-mail:mao@)
关键词 :互连线 ;电迁移 ;加速寿命试验 doi:10.3969/j.issn.0258 -7076.2009.04.015 中图分类号 :TN304 文献标识码 :A 文章编号 :0258 -7076(2009)04 -0530 -04
集成电路是现代高新技术的核心之一 。但是
随着集成电 路器件 尺寸的缩 小和集成 度的提高 , 它的可靠性日益成为人们关注的焦点 [ 1, 2] 。而集成
[ 5] 尚再艳 , 江 轩 , 李勇军 , 杨勇刚 . 集成电 路制造用 溅射靶 材 [ J] .稀有金属 , 2005, 29(4):475.
[ 6] 赵树武 等译 . 芯片制造 -半导体工艺制程使用教 程 [ M] .北
京 :电子工业出版社 .2006.96. [ 7] 王俊忠 , 吉 元 , 王晓 冬, 刘 志民 , 罗俊锋 , 李志 国 . Al互
A(Al-0.5%Cu) =5.47 ×1032 , A(Al-1%Cu) =5.74 ×1032 。
从而可以得出此系列互连线的电迁 移失效中
值时间公式为 :
MTF(Al) =3.29 ×1032 J-3.11 e0.38 /kT MTF(Al-0.5%Cu) =5.47 ×1032 J-3.16 e0.42/kT MTF(Al-1%Cu) =5.74 ×1032 J-3.18 e0.44/kT
4期
陈 军等 铝铜互连线电迁移失效的研究
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图 1 互连线 MTF测试样品形貌 Fig.1 SEM photographoftheMTFtestinginterconnectsample
片 , 可见铜 元素的 加入使 得薄 膜更 加致 密均匀 , Al-Cu相图 (如图 3所示 )表明 Cu在 Al中的溶解度 很小 (在 200 ℃时大约 0.1%), 大部分 Cu是以 θ 相 (Al2Cu)形式在晶界处偏析 , 从而限制了 Al晶 粒的长大 , 使得晶粒更 加均匀致密 。有研究认 为 Cu在 Al原子晶界处的偏析使得 Cu-Al在晶界处的 结合远比 Cu-Cu和 Al-Al的结合要牢固得多[ 6] , 这
意味着 Cu加固了 Al原子的晶界 , 从而可以抑制
Al原子的晶界扩散 。
图 4为互联线在不同温度下的 MTF值 , 由图 可知相同电流密度 (4 ×1010 A·m-2 )下 MTF随温度
升高而降低 。这是由于温度的升高使得互连线材料
原子晶格振动加强 , 在大电流条件下原子的迁移变
得更加容易 。而且少量铜元素的加入显著提高了铝
第 33卷 第 4期 Vol.33 No.4
稀 有 金 属
CHINESEJOURNALOFRAREMETLAS
2009年 8 月 Aug.2009
铝铜互连线电迁移失效的研究
陈 军 , 毛昌辉＊
(北京有色金属研究总院先进电子材料研究所 , 北京 100088)
摘要 :随着大规模集成电路的不断发展 , 互连线失效已经成为影响集成电路可靠性的主要因素之一 。在铝互连线中添加铜元素是常用的改善 电迁移性能的方法 , 采用直流磁控溅射法用铝及铝铜合金靶材在硅基片上沉积了薄膜 , 并通过光刻 、 刻蚀制成互连线 , 通过电迁 移加速寿命 试验研究了温度和电流密度对 Al-Cu互连线电迁移寿命的影响 , 分析了材料电迁移的热力学过程 , 推导了 Al-Cu互连线的电迁移 失效中值时 间计算公式 。
互连线的抗电迁移性能 , 尤其是在较低温度时候 ,
随铜含量的增加 , MTF升高的趋势更为明显 。
由 (1)式可得 :
ln(MTF)=ln(AJ-n)+Ea/kT
(2)
当电流密度一定时 ln(AJ-n)为常数 , 可见 ln
(MTF)与 1/kT呈线性关系 , 由图 4在相同电流密
度条 件 下 MTF随 温 度 变 化 的 数 据 , 可 制 得 ln
(3) (4) (5)
图 7 473 K下的 ln(MTF)-lnJ曲线 Fig.7 ln(MTF)vs.lnJataconstanttemperatureT=473 K
3 结 论
1.在相同电流密度 (4 ×1010 A·m-2 )条 件下
MTF随温度升高而降低 , 在相同温度 (473 K)条件
连线和 Cu互 连线 的 显 微 结 构 [ J] .物 理 学 报 , 2007, 56 (1):371. [ 8] DavidA, Glocker.MarkM.Romach, VernW.Lindberg. Recentdevelopmenttsininverted cylindricalmagnetron sputtering [ J] .SurfaceandCoatingsTechnology, 2001, 146, 457. [ 9] 陈中宪 . 超大规 律集成电 路互连 线分析 与综合 [ M] .清华 大学出版社.2008.165.
电路金属互连线的电迁移是引起集成电路失效的
主要方式之一 , 电迁移是一种在大电流密度 作用
下金属导体内的质量输运现象 。电迁移的积 累可
导致金属引线断裂 , 从而使整个集成电路失效 。随
着芯片集成度的提高 , 互连引线尺寸已从微 米级
降低到目前的 90 nm, 因此其中的电流密度越来越 大 。常用电迁移中值失效时间 (MTF)来描 述电迁
1 实 验
采用 Υ 60 mm×3 mm靶材 , 成分分别为纯 Al (99.9995%), Al-0.5%Cu, Al-1%Cu(质量分数 ), 利用磁控溅射沉积台在 Si衬底上沉积了不同成分 的厚度为 600 nm的薄膜 , 溅射条件为 :氩气流量 为 40 cm3·min-1 (标准状态 )、 溅射气压为 0.2 Pa、 溅射功率为 80 W。薄膜经 520 K退火 2 h后 , 经光 刻和刻蚀制得长为 2000 μm, 宽为 3 μm的互连线 , 两端连接 100 μm×100 μm的电极 , 电迁移测试样 品经 SEM扫描形貌如图 1所示 。
移引起的失效 。中值失效时间指同样的直流 电流
试验条件下 , 50%的互连引线失效所用的时间 , 失
效判据为引线电阻增加 100%[ 3] 。 Black给 出了直
流模型下描述电迁移失效中值时间的经典公式 [ 4] :
MTF=AJ-neEa/kT
(1)
式中 , A为与导电材料相关的常数 ;J为电流密度 ;
效果最好 , 其他影响最小 。研究表明 , 在 Al的引线 中加入少量 Cu会对提高 MTF有较好效果 [ 5] 。
目前国内对互连线电迁 移行为研究不 多 , 本 文通过研究铝铜互连线的电迁移行为 , 研究 了温 度和电流密度对 Al-Cu互连线电迁移寿命的影响 , 通过实验数据分析计算 Ea和 n两个参数 , 从热力 学角度研究了添加 Cu元素对互连线电迁移寿命的 影响 。
图 6为 T=473 K下 MTF随电流密度 变化情 况 , 由图 6可知 T=473 K下 MTF随电流密度增大 而降低 。当电 流密度越高时产生的电子风力 也越 大 , 从而电迁移现象也越明显 [ 9] 。而在不同电流密 度下少量铜元素的加 入明显地提高了其 MTF值 , 但可以看出与 0.5%相比 1%铜元素地加入效果并 不明显 。
(MTF)与 1 /kT的关系曲线如图 5中所示 , 然后对
ln(MTF)-1/kT作拟合直线 , 得到扩散激活能 Ea(Al) = 0.38 eV, Ea(Al-0.5%Cu) =0.42 eV, E = a(Al-1%Cu) 0.44 eV。可见铜的加入提高了互连线的扩散激活 能 。在这里扩散激活能 [ 7] 可以理解为互 连线中金
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属原子发生电迁移所需要吸收的最小能量 , 从图 4 可以看出 , 当互连线通过大电流密度时 , 静电场力 驱动电子由阴级向阳极运动 , 高速运动的电 子与 金属原子发生发生冲量交换 , 原子受到猛烈 的电 子冲击力 , 这就是电迁移理论中的电子风力 [ 8] , 因 此金属原子受到电子风力的驱动 , 产生了从 阴极 向阳极的的受迫的定向扩散 , 即发生了金属 原子 的电迁移 。可见 θ相的存在对 Al原子在大电流密 度下的定向迁移起到了钉扎和阻碍作用 , 从 而降 低了迁移速率 , 提高了抗电迁移性能 。
下 MTF随电流密度增大而降低 。
2.少量铜的加入显著提高了铝互连线的抗电
迁移性能 , 尤 其是在较低温度和较低电流密 度的
条件下效果更加明显 。
3.根 据计算拟 合 , 得到扩 散激活能 Ea(Al) =
0.38 eV, Ea(Al-0.5%Cu) =0.42 eV, Ea(Al-1%Cu) =0.44
n为电流密度指数 ;Ea为扩散激活能 ;k为玻耳兹 曼常数 ;T为绝对温度 。 MTF越大表示发生电迁移
失效所需时间越长 。所以 n和 Ea是研究电迁移失 效的两个重要参数 , 通过这两个参数可以推 断互
连线在正常工作条件下的寿命 。
铝及其合金仍是目前集成电路互连线 的常用
材料 , 合金化是改进铝互连线电迁移的有效方法 。 例如添加 Cu, Ni, Cr和 Mg等[ 5] 。其中添加 Cu的
eV, 此系列互连线的电迁移失效中值时间公式为 :
MTF(Al) =3.29 ×1032 J-3.11 e0.38 /kT
(3)
MTF(Al-0.5%Cu) =5.47 ×1032 J-3.16 e0.42/kT
(4)
MTF(Al-1%Cu) =5.74 ×1032 J-3.18 e0.44/kT
(5)
再由图 6中 473 J的拟合直线示于图 7, 并得
到电流密度指数 n(Al) =3.11, n(Al-0.5%Cu) =3.16, n(Al-1%Cu) =3.18 并将 Ea, n和 MTF值代 入公 式 (1)中计算得材料常数的平均值 A(Al) =3.29 ×1032 ,
参考文献 :
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4期
陈 军等 铝铜互连线电迁移失效的研究
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