Электромиграция

В межсоединениях имеет место явление, влияющее на надежность ИС, которое называется электромиграцией. Это явление может привести через несколько сотен часов успешной работы схемы к ее отказу, выражающемуся в обрыве межсоединения.

Электромиграция представляет собой перемещение атомов проводящего материала в результате обмена количеством движения между подвижными носителями и атомной решеткой. В алюминии движущиеся электроны соударяются с атомами и толкают их по направлению к положительно смещенному электроду. В результате алюминий скапливается вблизи этого электрода и уходит из других частей проводника, в особенности из участков, расположенных около пересечения границ зерен в поликристаллической алюминиевой пленке. Этот перенос материала со временем приводит к образованию пустот в пленке и к обрыву межсоединения. Сле­довательно, после разрушения проводника в нем обнаружива­ются пора или разрыв и расположенный рядом бугорок или другое накопление материала в направлении к положительному электроду (рис. 18, 19).

Рис. 18. Микрофотография разрушения вследствие электромиграции, полу­ченная с помощью метода растровой электронной микроскопии: а — пленка состава А1 — 0,5 вес. % Сu, осажденная методом магнетронного распыления с использованием S-пушки; б — пленка состава А1—О, 5 вес. % Сu, полу­ченная методом испарения из источника с индукционным нагревом.

На рис. 18 приведены микрофотографии, сделанные мето­дом растровой электронной микроскопии, на которых видны разрушения металлических дорожек сплава А1 — 0,5 вес. % Сu, полученного методом магнетронного распыления с использова­нием S-пушки (рис. 18, а), и оплава А1 — 0,5 вес. % Си, осаж­денного при испарении из источника с индукционным нагревом (рис. 18,6). В обоих случаях очевидно расплавление металла, но на микрофотографии рис. 18,6 ясно видны бугорки, обра­зованные в направлении потока электронов.

На рис. 19 при­ведена микрофотография, иллюстрирующая разрушение дорож­ки Аl, полученной методом электронно-лучевого испарения на дорожках поликристаллического кремния. На рис. 19, а видны следы катастрофического плавления и образования шарика Al. Рис. 19,6 представляет собой микрофотографию этой же об­ласти после стравливания Аl, которое произведено для того, чтобы показать дорожки поликристаллического кремния и кремниевые преципитаты. Стрелки указывают направление потока электронов.

-

Рис. 19. Микрофотография разрушения пленки Аl вследствие электромигра­ции, полученная методом растровой электронной микроскопии: а — металли­ческие дорожки на поликристаллическом кремнии; 6 — та же область после стравливания Аl.

Электромиграция происходит быстрее при более высоких плотностях токов и в местах с большими градиентами температур. Для алюминия электромиграция может стать причиной отказа при плотностях тока выше 105 А/см2. Электромиграцию можно уменьшить, если добавить в алюминий небольшое количество другого металла, например меди. При этом будет подавлено перемещение атомов алюминия вдоль границ зерен. Добавление 2—3% меди может увеличить токонесущую способность в течение длительных интервалов времени на два порядка величины без значительного увеличения удельного сопротивления пленки. Другой путь борьбы с электромиграцией может заключаться в использовании для металлизации тугоплавких металлов, таких, как вольфрам. При уменьшении размеров приборов миграция Аl в кремние­вую подложку в контактных окнах может привести к отказам функционирования ИС. Эта миграция может происходить при изготовлении ИС или их последующем функционировании. Кро­ме того, миграция Аl в контурах металлизации при работе ИС может явиться причиной отказов, связанных с разрывами в схе­мах. С появлением СБИС механизмы этих отказов стали пред­метом интенсивных исследований.

Сопротивление электромиграции проводящих пленок Аl мо­жет быть увеличено несколькими способами. Эти способы вклю­чают легирование медью, введение дискретных слоев, таких, как Ti, помещение проводника в диэлектрик или введение кислоро­да в пленку при ее осаждении.

Среднее время наработки на отказ (ВНО) проводника может быть связано с плотностью тока в проводнике и энергией активации. Эксперимен­тально получена величина энергии активации и показано, что основным механизмом переноса материала служит низкотемпературная диффузия по границам зерен,вероятно, является признаком самодиффузии Аl в объемный кристалличе­ский материал. Опытным путем определена также связь ВНО с размером зерен в пленке металла, распределением зерен и степенью образования волокнистой текстуры в провод­нике.

Известно также, что пленки, полученные ме­тодом электронно-лучевого испарения, имеют наибольшую вели­чину среднего времени наработки на отказ по сравнению с тем же параметром для пленок, изготовленных методом испарения из источника с индукционным нагревом и магнетронного распы­ления с использованием S-пушки. Меньшая величина ВНО объ­ясняется содержанием 2 вес. % Si в пленках или меньшей по­верхностной подвижностью атомов металла во время распыле­ния, когда подложки расположены на расстоянии от источника, во много раз превышающем длину свободного пробега молекул пара. Структуры, полученные методом распы­ления, должны отличаться от структур, сформированных мето­дом испарения, где пар распространяется по прямолинейным траекториям к подложкам и фактически не теряет энергии при перемещении. Большое значение для изготовления СБИС имеет установление факта увеличения значения ВНО для пленок А1 —5% Сu, полученных методом электронно-лучевого испарения при уменьшении ширины линий (менее 2 мкм). Это явление связано с тем, что при значительном сокращении ширины линий металлические дорожки состоят из монокристаллических сегментов.

Были сделаны попытки устранения проколов р—n-перехода путем объединения пленок Аl с поликристаллическим кремнием n+-типа проводимости. Слой поликристаллического кремния предназначен для выполнения двух функций: обеспечения крем­нием, удовлетворяющим требованиям растворимости в Аl, и со­здания конформного проводящего слоя под пленкой Аl на сту­пеньках. Если первая функция была реализована, то вторая вы­полнена неполностью. Обнаружено, что Si перемещается по гра­ницам зерен, и отказы из-за электромиграции происходят в ос­новном на ступеньках, где слой Аl тоньше. За потерей не­прерывности металлической пленки вследствие электромиграции кремния, приводящей к локальному нагреву и расплавлению пленки, немедленно следует отказ (рис. 19).

Отметим также, что только при использовании сплава Аl — (1—3%) Si нет необходимости в защите переходов от проколов. В подвергаемой испытаниям схеме, локально функциони­рующей при температуре ниже 250 °С, будут происходить элект­ромиграция Si в металлическом слое и образование ямок на от­рицательном электроде, тогда как на положительном электроде будет осаждаться Si(p+). Вероятно, использование слоев туго­плавких металлов, расположенных между Аl и лежащим под ним поликристаллическим кремнием, выполнит задачу изоляции взаимодействующих слоев и, кроме того, обеспечит шунтирова­ние, если дефекты пленки Аl приведут к разрыву металлизации.

Дата добавления: 2015-08-05