Механизмы отказов металлизации в результате электромиграции

Важную роль в производстве интегральных схем играет соединительная металлизация. Занимаемая ею площадь сравнима, а иногда превышает площадь активных и пассивных элементов. Требования к способу металлизации можно определить с точки зрения исходных параметров, процента выхода годных, надежности, простоты изготовления и стоимости.

В процессе эксплуатации ППП и интегральных микросхем металлизация подвергается токовым и тепловым нагрузкам. Все это создает благоприятные условия для протекания различных процессов деградации металлической разводки, приводящих к изменению ее первоначальных свойств, и в ряде случаев к внезапным отказам.

Явление электродиффузии и электромиграции заключается в том, что в металлических проводниках в определенных условиях при прохождении постоянного тока большой плотности (около 10⁶ А×см²) наблюдается перенос материала проводника из района отрицательного контакта к положительному.

При приложении электрического поля Е к проводнику, в нем возникает поток электронов I_е, направленный навстречу электрическому полю. Положительно заряженные ионы металла в этих условиях испытывают воздействие двух сил: F_z – возникающая под действием электрического поля, стремясь переместить ионы по направлению поля. Происхождение второй силы F_е связано с взаимодействием потока электронов с ионами металла, она направлена навстречу электрическому полю. При достаточно большой плотности тока возникают условия, когда F_z > F_е и ионы металла начинают перемещаться из области контакта, находящегося под (–) потенциалом в область положительного контакта.

В результате этого в области (–) контакта создаются обедненные участки и пустоты, а в районе положительного контакта происходит накопление металла, а в отдельных местах образуются бугорки, вырастают металлические «усы» и «метелки». Неоднородный нагрев проводника ускоряет процесс переноса.

Конечным результатом процесса может быть значительное уменьшение сечения проводника в области отрицательного контакта вплоть до наступления разрыва пленки.

Исследование температурной зависимости электродиффузии в металлических тонких пленках показало наличие двух механизмов переноса вещества в пленочных проводниках. Тонкие проводящие пленки, в том числе алюминиевые, представляют собой поликристаллическую структуру. При относительно низких температурах (до +200 ⁰С) в пленках перенос вещества происходит вдоль границ зерен.

Объемная диффузия при низких температурах значительно меньше, т. к. протяженность границ зерен существенно больше размеров самих кристаллов.

При этом энергия активации диффузии вдоль границ зерен существенно ниже (0,5…. 0,7 эВ) по сравнению с энергией активации процесса объемной диффузии (около 1,4 эВ). Интенсивность диффузии в мелкокристаллических структурах существенно выше, чем в крупнокристаллических. С ростом температуры увеличивается коэффициент объемной диффузии, и перенос вещества происходит преимущественно по объему поликристалла. [7]

Изучение процесса формирования пустот вследствие электродиффузии в тонкопленочных алюминиевых проводниках показывает большую неоднородность границ зерен. Наиболее вероятно пустоты образуются вблизи точек соприкосновения трех зерен, т. к. при направлении потоков электронов слева направо движение ионов металла более вероятно вдоль двух границ зерен направо, чем вдоль одной границы налево.

Для проводящих дорожек равного поперечного сечения, перенос вещества происходит интенсивнее в тех местах, где более густая сеть границ зерен, т.е. в местах с более мелкой структурой. Поэтому в этих местах имеется повышенная вероятность возникновения пустот, объединение их с образованием сквозных трещин.

Изменение ориентации зерен также способствует изменению скорости переноса вещества и образованию пустот и трещин. Это может иметь место при изменении структуры или состава подложки, на которую нанесена металлическая пленка.

В алюминиевых пленках на монокристаллическом кремнии обнаруживается тенденция к образованию структуры, близкой к монокристаллической, в то время как на двуокиси кремния образуется более разупорядочная пленка, близкая к аморфной. На границах таких областей с большей вероятностью образуются трещины. Подобная же ситуация создается на ступеньки окисла. При этом следует заметить, здесь действуют два процесса, способствующих образованию разрыва токоведущей дорожки. Первый из них обусловлен изменением ориентации зерен на плоской поверхности проводящей пленки, второй процесс связан с уменьшением поперечного сечения проводящей пленки на ступеньке окисла. Последнее вызывает возрастание плотности тока и скорости переноса вещества. [6]

Однако, несмотря на то, что использованию процессов электромиграции посвящено большое количество работ, до настоящего времени приемлемой теоретической модели процесса создать пока не удалось. Явление электропереноса вещества в тонких металлических пленках наблюдается при прохождении постоянного или пульсирующего тока. Ускорению электродиффузии способствуют дефекты металлической пленки в виде царапин, посторонних включений, сужения металлических дорожек, неравномерности по толщине пленки. Все эти факторы создают градиенты плотности тока и температуры, вследствие чего и ускоряется электродиффузия, конечным результатом которой является отказ прибора из-за разрыва металлизации.

Прежде всего, необходимы меры по снижению плотности тока, проходящего по металлическим дорожкам. Это может быть достигнуто как за счет выбора режима, так и за счет увеличения поперечного сечения проводника, которое предпочтительнее осуществлять, увеличивая ширину дорожек. Положительный эффект оказывают защитные покрытия на проводящих дорожках в виде различных стенок. Препятствуя образованию бугорков, диэлектрические покрытия способствуют снижению вероятности отказа за счет электродиффузии. Существенное влияние уделено качеству самой металлизации. Предпочтительны крупнозернистые пленки с ориентацией зерен, способствующей снижению эффекта электродиффузии.

Идеальным решением проблемы исключения электродиффузии было бы создание монокристаллических или аморфных проводящих пленок. Возможность создания металлизации с аморфной структурой более реально. Например, сплавы никеля с молибденом, вольфрамом при определенных условиях образуют аморфные структуры. Основным препятствием к использованию этих сплавов в качестве исходных материалов для металлизации является относительно высокое удельное сопротивление пленок. Однако очень низкие коэффициенты диффузии примесей в таких сплавах уже сейчас делают перспективным их применение в качестве барьерного слоя, препятствующего проникновению кремния в межэлементные соединения при многослойной металлизации. [8]