Microstructurele studie van thermisch- en stroomgedreven processen in A1-gebaseerde on-chip interconnecties m.b.v. elektronenmicroscopie

Abstract

Vanaf het ontstaan van de geïntegreerde schakelingen (IC's) wordt getracht om een groter aantal functies op steeds minder oppervlakte te combineren. Dit heeft tot gevolg dat niet alleen de componenten steeds kleiner warden maar ook de banen die de verschillende componenten verbinden om tot welbepaalde functies te komen. Deze interconnecties bestaan hoofdzakelijk uit Al vanwege de lage elektrische weerstand, de vlotte toepasbaarheid en de compatibiliteit met Si gebaseerde halfgeleidermaterialen (substraat). Door de banen te versmallen, kwam plaats vrij voor nieuwe componenten. Op een gegeven moment werd het maximum van het aantal componenten op een chip bereikt omdat de interconnecties meer dan de helft van de beschikbare oppervlakte innamen om de verbinding tussen de verschillende componenten te verzorgen. De banen werden dus niet enkel smaller maar ook langer hetgeen de betrouwbaarheid deed dalen. Er waren echter nog andere problemen waarmee de interconnecties te kampen hadden. Een probleem waar onmiddellijk na de introductie van de IC (begin jaren 60) melding van werd gemaakt is elektromigratie. Elektromigratie is een fysisch verouderingsproces dat plaatsvindt in de interconnecties onder invloed van een aangelegde stroom doorheen de banen. Er ontstaat een atomaire flux van metallisatieatomen waardoor in de baan aan fluxdivergente punten galen en/of scheuren ontstaan. Dit kan leiden tot faling van de baan. Elektromigratie wordt tot op heden nog steeds beschouwd als het grootste probleem in het maken van betrouwbare interconnecties tussen de verschillende componenten en/of functies op een chip. Ondanks het vele onderzoek dat in de loop der jaren uitgevoerd werd naar dit mechanisme is men er nog steeds niet in geslaagd een eenduidige verklaring te geven over de werking van bet mechanisme. Het is dus ook niet mogelijk om vooraf te voorspellen waar en wanneer elektromigratie zal leiden tot faling van de baan. Door het steeds verkleinen van de afmetingen van de chip en dus ook de banen zal de stroomdichtheid doorheen de baan toenemen waardoor het elektromigratieproces versneld wordt. Het is dus van het grootste belang dat de werking van het mechanisme gekend is. Parallel met bet zoeken naar een verklaring wordt er voortdurend gezocht naar materialen of technieken om elektromigratie te minimaliseren of te elimineren. Grote vooruitgang werd geboekt, toen experimenteel werd aangetoond dat elektromigratie aanzienlijk vertraagd kan worden door het toevoegen van additie-elementen aan de metallisatie. Sindsdien is er geëxperimenteerd met verschillende legeringen. Hoe en waarom deze additie-elementen elektromigratie vertragen is ook nog steeds niet volledig verklaard. Andere technieken waarvan experimenteel vastgesteld werd dat ze de weerstand tegen elektromigratie verhogen zijn onder andere de vermindering van het aantal korrelgrenzen en defecten in de structuur, het aanbrengen van een passivatielaag en het gebruik van intermediaire Ti(/fiN) lagen. (Uitreksel uit de inleiding)