Lunkerwanderung aufgrund von Elektromigration

Leiterbahnstrukturen in modernen Integrierten Schaltungen sind in mehreren Ebenen organisiert, wobei der Anzahl von Durchkontaktierungen zwischen den Ebenen bereits mehrere Millionen betragen kann. Die fortschreitende Miniaturisierung der Verbindungsstrukturen führt zu hohen Stromdichten und Temperaturen, die wiederum die Elektromigration begünstigen. Dadurch ist die Elektromigration zum Hauptproblem für die Zuverlässigkeit der Leiterbahnstrukturen avanciert und stellt eine Herausforderung für den Entwurf und die Fertigung der Metallisierung dar. Wenn eine moderne, im Dual-Damascene-Verfahren hergestellte Kupfermetallisierung der Elektromigration unterliegt, kommen dabei verschiedene physikalische Mechanismen zum Vorschein. Im Besonderen wirken auf eine Lunkerstruktur im Inneren der Leiterbahnen neben der Elektromigration die Gradienten der Oberflächen- und Verzerrungsenergie. Zur Komplexität der Entwicklung einer Lunkerstruktur tragen lokale geometrische Eigenschaften der Leiterbahnen und metallischen Korngrenzenstruktur wesentlich bei. Diese bestimmen das Wachstum, die Form und die Wandergeschwindigkeit der Lunkerstruktur. Die Pfade schneller Diffusion entlang der Deckschicht haben bis vor kurzem eine dominante Rolle bei der Entwicklung einer typischen Lunkerstruktur gespielt. Verbesserungen des Dual-Damascene-Verfahrens haben aber dazu geführt, dass diese Pfade schneller Diffusion effektiv eliminiert worden sind. Diese Entwicklung hat zur Folge gehabt, dass bei der Elektromigration in Kupfermetallisierungen die Korngrenzen zu einem entscheidenden Faktor bei der Entwicklung einer Lunkerstrukturen geworden sind. Dadurch ist auch das Verhalten von Lunkerstrukturen komplexer und vielfältiger geworden. Modelle zur Beschreibung der Lunkerstrukturentwicklung wurden zwar reichlich untersucht, jedoch vernachlässigen die publizierten dreidimensionalen Implementierungen wesentliche physikalische Phänomene, sodass eine genaue Simulation der Lunkerstrukturentwicklung nicht möglich ist. Darüber hinaus sind die existierenden numerischen Verfahren zumeist nur für die Simulation zweidimensionaler oder einfacher dreidimensionaler Verbindungsstrukturen geeignet. Daher ist nur eine eingeschränkte Vorhersage der Entwicklung von Fehlern aufgrund von Elektromigration in modernen Dual-Damascene-Verbindungsstrukturen möglich. Im Rahmen dieses Projekts wird ein allgemeines Elektromigrationsmodell für das Verhalten der Lunkerstrukturen entwickelt und numerisch implementiert. Die Einflüsse der einzelnen treibenden Kräfte für das Verhalten der Lunkerstruktur im Zusammenhang mit geometrischen und mikrostrukturellen Eigenschaften werden untersucht. Besondere Aufmerksamkeit liegt in der Entwicklung eines effizienten numerischen Algorithmus, wofür alle früheren Ansätze gründlich studiert werden. Am Ende wird die Verifizierung der Modellimplementierung durch einen Vergleich mit relevanten experimentellen Ergebnissen vorgenommen.

Ein allgemeines Elektromigrationsmodell für das Verhalten von Lunkerstrukturen wurde theoretisch entwickelt, in einem Simulationswerkzeug implementiert und numerisch untersucht. Die kontinuierliche Skalierung der Verbindungsstrukturen in integrierten Schaltungen verursacht erhöhte Betriebs-Stromdichten und Temperaturen. Diese Entwicklung erhöht nach und nach den Druck auf das Verbindungstruktur-Design und die Herstellung, da Zuverlässigkeits-Probleme, wie die Elektromigration, zunehmend an Bedeutung in modernen, integrierten Schaltungen gewinnen, welche den kontinuierlichen Fortschritt im Bereich der Mikroelektronik behindern. Im heutigen modernen Kupfer-Dual-Damascene-Verfahren tragen verschiedene physikalische Mechanismen zur Lunkerwanderung durch Elektromigrations-induzierten Stress bei. Im Besonderen, sind die Oberflächenenergie, Elektromigration und elastische Deformations-Energie die primär verantwortlichen Kräfte, welche Materialtransport entlang der Lunkerstruktur-Oberfläche auslösen. Zusätzlich beeinflusst die Wechselwirkung der Lunkerstruktur mit den lokalen geometrischen Eigenschaften (zum Beispiel Materialgrenzflächen und Mikrostrukturen) die Lunkerstruktur-Migration, Wachstum und Form-Stabilität. Insbesondere ist die hohe Diffusivität an der Kupfer/Deck-Schicht eines der Hauptprobleme, welches die Lunkerstruktur-Migration und das Wachstum entlang einer Verbindungsstruktur bestimmt. Die Mängel früher Ansätze, welche auf Oberflächen-Verfolgungs-Methoden basierten, wurden durch ein sogenanntes Diffusions-Grenzflächen-Modell bewältigt. Ein internes, dreidimensionales Simulationswerkzeug (FEDOS) wurde mit diesem Modell erweitert, welches Simulationen von Elektromigrations-induzierten Lunkerwanderungen, basierend auf unserer allgemeinen Elektromigrations-Lunkerstrukturentwicklung, ermöglicht. Die Ergebnisse, die durch unser Simulationswerkzeug generiert wurden, welches unsere entwickelten Modelle verwendet, haben gezeigt, dass die Fähigkeit der Vorhersage der Lunkerstrukturentwicklung im Vergleich zu früheren Ansätzen signifikant verbessert wurde. Der Stand der Technik wurde somit signifikant vorangebracht.