Введение к работе
Актуальность темы. В отличие от электронных схем на дискретных элементах, где отказы соединений находятся н& втором месте, а надежность определяется в первую очередь уходами параметров электронных ламп и полупроводниковых триодов, в интегральных схемах токоведушне проводники и контакты вносят в надежность свой вклад как равноправные пассивные элемента.
Увеличение степени интеграции микросхем и, хек следствие, .плотности упаковки элементов ка полупроводниковом кристалле, повышение быстродойствия и предельной частота микросхем, а так-;йэ плотности токов, протекаюгдих в гонкопленочных проводниках8 привело к возрастанию роли, внутрисхемной разводки к ее вклада в надежность микросхем.
Классификация отказов полупроводниковых приборов и интегральна: микросхем токе показывает, что подавляющее число отказов происходит из-за дефектов металлизации. Металлизация - система внутрисхемных соединений интегральна* схем» При изготовлении полупроводников интегральных схем для металлизации в основном используется алюминий как материал, наиболее полна удовлетворяющий предъявляемым требованиям.
Обычно -*е внутренние межэлеиентныэ соединения активних структур современных полупроводниковых приборов и интегральных
микросхем выполняются путем нанесения алюминиевой пленки толщиной около I мкм на поверхность кристалла с последующей фотолитографией в соответствии с топологией, разводки. С ростом сложности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем возрастает как протяженность разводки, так и площадь поверхности кристалла, занимаемая ею. В настоящее время в среднем она достига-е-. 50$ и по мере возрастания степени интеграции увеличивается, яриводя к тому, что разработчики больших и сверхбольших микросхем Бкнулдзкы переходить да многоуровневую разводку, для того чтобы реализовать принятую топологии активных областей кристалла.
Определенную опасность для тонкоплйночиих проводников микросхем представляют процессы элеэтромитрация (олектродиффу-зки) - перенос ыэссы в результате л.оохоэдеки.я постоянного тока повышенно?» плотности через проводник.
явление длєктродифіузяи или электромиграции заключается
4 в том, что в металлических проводниках в ояределенних усяоьупл при прохождении постоянного тока большой плотности {около 10 к/сы ) наблюдается перенес материала проводника из района отрицательного контакта к положительному. Суть его заключается в следующем. При приложении электрического роля 5" к проводнику в ней возникает поток электро- ов Ie , направленный навстречу электрическому болю. Положительно заряженные ионы металла в этих условиях испытывают воздействие двух сил. Одна из них (гг ) возникает под действием электрического полн, стремясь переместить ионы по направлению поля. Происхождение второй силы {ґе ) связано с Еоа;шодействйем потока электронов с и с-наыи металла, она направлена навстречу электричзскоцу полю. При достаточно большой плотности тока возникают условия, когда
Fe У Г .и ионы металла начкнаат перемещаться из области конті..;та , находящегося под отрицательным потенциалом» в область полоаительного контакта. В результате этого в области отрицательного контакта создаются обедненные участки и пустоты, а в районе положительного контакта происходит накопление металла,
Конечным результатам процесса шкот быть значительное уменьшение сечения проводника в области отрицательного контакта вплоть до наступление! разрыва плен и.
Особую .опасность процесс электромиграции представляет в микросхемах поБішекшой степени интеграции, так как существенное уменьшение ширины токкоплеиочиых проводников, наличие большого количества ступенек рельеф:, на пересечениях, возрастание плотности года в критических участках и возникновение локальных перегревов из-за повышения уровней рассеиваемой мощности - все ото приводит к теку, что процесс электромиграции, протекающий в тонкопленочных проводниках БИС, может стать основным механизмом отказов, определяющим долговечность микросхем. Таким образом, понимание основных закономерностей механизма электромиграции, происходящей в тонкопленочных проводниках, полезно как яри разработке более надежных микросхем, так и при оценке их надежности (особенно показателей долговечности).
Существующие СБйС плоа;адък) г(Ш2э мкм' с примерно <20С00 Елементами содержат около 2000 сегментов алюминиевых проводить ков, сбі^ая длина которь'х примерно рааиз 100 см. Поэтому явления обрывав и коротких заяжаняй токояроводяшиаг дорожек из-за элактршиграиии ь алумшлезом про воднієм слое греОуют дстшьл-
тельного изучения.
Цель работы- исследование физических и статистических аспектов процессов электромиграции в алюминиевых тонхо-ллзкочшх проводниках интегральных схем и разработка на отой осново физико-статистической модели оценки их параметрической надезшости.
Задачи исследования. Для дсст:а:ения цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Исследование различных процессов отказов металлизации в результате электромихрации.
-
Исследование построенных моделей отказов тонкопленочных лроводникоь в результате электромиграции.
-
Исследование и анализ экспериментальных результатов для определения влияния различных параметров на время работы до отказа тонкопленочных проводников в результате электрониграции.
-
Разработка модели оценки параметрической надежности алюминиевых тонкопленочных проводников интегральных схем, позволяющей учитывать ресультати физико-статистического моделирования и экспериментальных определений влияния параметров на время работы до отказа проводников из-за электрошграцкя. '
Научная новизна работы определяется широки* кругом впервьъ поставленных и решаемых п работе задач.
-
Длина основного элемента впервые выбрана на основе экспериментальных результатов и теоретического анализа, чтобы обеспечить строгую обоснованность при предположении о статистической независимости основных элементов последовательной модели.
-
Влияние отношения между шириной и размером зерен на среднее время работа до отказа тонкоплекочных проводников тщательно исследовано и впервые явление сегментации учитывается в модели отказов проводников интегральных схем.
-
Ка основе теоретических исследований, теоретических предположений и экспериментальных результатов впервые получены формулы для величин с* р
-
Впервые пороговая длина учитывается в процессе оценки интенсивности отказов,
-
Язленяе компенсации обратным током зпервве учитывается в модели отказов алюминиевых тонкопленочных проводников и выводится формула для пшткостк то.ка в области трещим на основе анализа отого явления,
-
Впервые влияние добавки меди на среднее время работы до
отказа учитывается в модели оценки параметрической надежности алюминиевых тонхоїшеначшх проводников интегральных схем. Это иыраяается в величине энергии активации, выбранной для вычисления среднего времени работы до отказа.
7. Уточнена физико-статистическая последовательная модель отказа алюминиевых тенкоплекочшх проводников интегральных схем. Учтено, что длина основных элементов зависит от ширины проводника, размера зерен к что плотность тока в области трещина изменяется з процессе электрокиграционкого отказа.
її, Впервые разработана физико-математическая модель оценки интенсивности отказов алюминиевых тонкопленочкых проводников, которая учитывает влияния длины, ширины, распределения размера верен, плотности тока и других важных лараметров на время работы до отказа.
Практическая ценность работы подчеркивается тем, что при теоретической анализе учитываются основну* исходные параметру окаэывашдое влияние на процесс эяектромигра-ции алюминиевых, гонколленочных проводников интегральных схем, а анализ экспериментальных результатов был проведен на основе информации самих современных материалов.
Полученная физико-статистическая модель для оценки параметрической надежности алюминиевых тонкоплекочшх проводников позволяет прогнозировать интенсивность их отказов б процессе проектирования и, основываясь на результате этого прогноза, ложно выбрать подходяще технологические процессы их изготовления б условиях современного производства и подходящие параметры алюшаше-зше кшколленочкых проводников для получения повышенного среднего вреыени до отказа' проводника в отдельности и интегральных схем в общей.
Автор защищает:
-
Анализ различных механизмов отказов металлизации в результате злектромі.трапии.
-
Исследование и анализ построенных моделей отказов тонко-пденочных проводников в результате пограничной злектромиграции.
-
Исследование и акали? теоретических к окспериментальных определений влияния параметров на время работы до отказа томко-плекочкых проводников интегральных схем из-за пограничной злек-Тромигргцш.
-
Физический и физико-ствтис'''мческий подход к построению последовательной модели опенки надежности тонісопленп'гііьіх провед-
нккоь интегральных схем.
Публикации. Материалы исследопанім неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах кафедры надежности и опубликованы е трех работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, четирз глаьы, заключение к список использованной литературы, включаючий 102 наименования. Текст работа изложен на страницах с привлечением 37 иллюстраций.
