Studie van elektromigratie in polykristallijne Al-metaalbanen met behulp van een hoge resolutie weerstandsmeettechniek

Abstract

Gedurende de laatste jaren is er uitgebreid onderzoek verricht naar de betrouwbaarheid van micro-elektronische systemen. Toenemende miniaturisatie leidt tot een voortdurende vraag naar nieuwe structuren en metallisaties met een grotere levensduur. Een van de belangrijkste oorzaken van falingen in metallisaties is echter nog steeds elektromigratie. Elektromigratie (EM) is essentieel een diffusie-gedreven proces. Indien een metaalbaan onderworpen wordt aan een hoge stroomdichtheid, dan za1 deze een atomaire flux veroorzaken. Ten gevolge van de "elektronenwind" ontstaat er massa-accumulatie en -uitputting op plaatsen waar een fluxdivergentie heerst in de metaalbaan. Dit proces zal uiteindelijk tot het falen van de geleider leiden, respectievelijk door middel van een kortsluiting of van een open kring. Doordat het effect van EM bij reële condities slechts geobserveerd kan worden na onrealistisch lange meettijden zullen conventionele versnelde EM-testen uitgevoerd worden bij temperaturen T> 150°C en stroomdichtheden j> 1MA/cm2 (= 106Ncm2). Een frequent gebruikte conventionele test is de MTF-techniek, waarbij statistische informatie over de falingstijden van bet geteste systeem gecollecteerd wordt bij bepaalde condities voor temperatuur en stroomdichtheid. Door middel van een extrapolatieprocedure kan dan de verwachte levensduur van het systeem bepaald worden. Andere zogenaamde "vlugge" methoden maken gebruik van extreem hoge versnellingscondities. De belangrijkste vraag bij deze conventionele testtechnieken is echter of de processen die optreden tijdens deze sterk versnelde condities dezelfde zijn als deze bij de reële condities. 1n sommige gevallen is het aangetoond dat deze veronderstelling niet correct is en bijgevolg tot verkeerde conclusies kan leiden over het EM-gedrag in de geteste metaalbanen. Een alternatieve en veelbelovende meettechniek is voorgesteld : de zogenaamde hoge resolutie weerstandsmeettechniek (HRWMT). Het belangrijkste voordeel van deze methode is de hoge meetresolutie, waardoor het mogelijk wordt de eerste stadia van EM te bestuderen. Het meest gebruikte type HRWMT is gebaseerd op de "brug"-methode. Hierbij wordt de hoge resolutie verkregen door de verhouding van de weerstand van de geteste baan tot deze van een referentiebaan te berekenen. Deze manipulatie van de weerstandsdata resulteert in de eliminatie van ex1eme temperatuurfluctuaties, wat de voornaamste oorzaak is van een slechte resolutie in de weerstand. Bij deze methode wordt eveneens - foutief - verondersteld dat alle temperatuur-geactiveerde processen die simultaan in de geteste baan gedurende EM optreden, eveneens geëlimineerd worden.