Электродиффузионная надежность тонкопленочной металлизации на основе поликристаллических пленок

Архипов А.В., Тукмаков К.Н. ЭЛЕКТРОДИФФУЗИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

С увеличением сложности изделий микроэлектронной техники (повышением степени интеграции) происходит усложнение коммутационной структуры и растет потребляемая изделием мощность. Такие тенденции наиболее ярко заметны в микроэлектронных компонентах электронно-вычислительной аппаратуры. На данном этапе развития технологии изготовления полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС) увеличение быстродействия электронно-вычислительной аппаратуры осуществляется следующими методами [1]:

усложнение схемы и увеличение количества ключевых элементов для возможности решения более сложных задач с меньшим количеством операций;

повышение тактовой частоты работы, что требует уменьшения геометрических размеров элементов и приводит к увеличению потребляемой мощности;

понижение напряжения питания для получения возможности увеличения частоты и снижения потребляемой мощности - требует некоторого увеличения потребляемого тока.

Как видно, все эти шаги увеличивают нагрузку на коммутационную структуру ИМС: миниатюризация заставляет уменьшать габариты проводников, что вызывает увеличение погонного сопротивления проводников, а современные схемотехнические решения обуславливают увеличение средней величины протекающего по ним тока, что увеличивает их тепловыделение.

В этих условиях электродиффузия - процесс миграции собственных или примесных ионов пленки под действием статистической силы рассеяния электронов проводимости [2, 3], проявила себя как одна из наивероятнейших причин отказа проводников. Электродиффузионный перенос массы (ЭПМ) приводит к истощению или накоплению массы на некоторых участках проводника, что в свою очередь приводит к росту макродефектов типа трещины, нарушения изоляции, замыкания слоев и т.д [3].

Задача создания сильноточной металлизации, максимально устойчивой электродиффузионному разрушению, до сих пор остается актуальной. В открытой печати публикуются результаты исследования электродиффузии в массивных проводниках, эмпирические модели [3, 4], но они в большинстве своем не могут быть применены

для моделирования электродиффузии в тонких металлических пленках.

На основе анализа методов промышленного производства приборов микроэлектронной техники можно говорить, что в качестве коммутационной структуры подавляющего большинства ИМС и микросборок (гибридной технологии) используются тонкие поликристаллические пленки алюминия. Экспериментальные исследования показывают [3] , что данный тип металлизации в эксплуатационном диапазоне температур сильно подвержен электродиффузионному разрушению при плотностях тока более 106 А/см2, что характерно для многих цепей ИМС, если учесть геометрические размеры проводников.

Существует несколько основных направлений увеличения надежности ИМС по электродиффузионному механизму отказов [2, 3, 4]:

схемотехническое - использование схемотехнических решений, уменьшающих нагрузку на проводящие структуры ИМС, уменьшение мощности, рассеиваемой элементами схемы. Для этого необходимо совершенствовать базу активных элементов ИМС, использовать элементы функциональной электроники, реализовывать современные эффективные приемы обработки сигналов и т.д.

конструкторское - при разработке топологии ИМС следует проводить анализ наиболее вероятных распределений температуры по подложке с целью избегания появления резких изменений температур, локальных перегревов элементов; проводить анализ распределения плотности токов в коммутационных структурах. Для этого необходимо по возможности увеличивать площадь сечения коммутационных структур (использовать многослойную металлизацию), обосабливать некоторые наиболее тепловыделяющие элементы и т.д.

технологический - создание такой структуры металлизации, которая при прочих равных условия обеспечивает меньшую интенсивность ЭПМ. Для этого необходимо уменьшение погонного сопротивления проводников, использование альтернативных материалов и способов создания металлизации.

Приведенные пути - это активные методы, которые увеличиваю надежность коммутационной структуры. Их использование в комплексе ведет к дополнительным затратам, увеличивает сложность технологического процесса создания ИМС. Третий из рассмотренных путей является наиболее перспективным, но мало отработан для внедрения в промышленное производство широкого класса электронных приборов. Данное направление разрабатывалось нами с целью создания более надежной металлизации на основе монокристаллических пленок. Разработана модель электродиффузионной деградации квазимонокристаллической пленки полученной методами эпитаксии [5] . Но разработанная методика создания металлизации такого типа не позволяет применять ее при производстве ИМС ввиду сложности совмещения технологического процесса эпитаксии проводящего слоя на подложке с готовыми элементами. Остальные из рассмотренных путей практически «зашли в тупик» - сложно придумать что-либо новое.

Наряду с этим возможно использование пассивного «избегания» электродиффузионного разрушения путем выявления потенциально опасных участков высокой интенсивности ЭПМ еще на этапе разработки конструкции ИМС. Это возможно, если на основе теории электродиффузионных процессов создать модель ЭПМ в тонких пленках, учитывающую условия эксплуатации металлизации и методы ее создания, которая позволит оценивать интенсивность ЭПМ и таким образом, прогнозировать надежность металлизации.

Анализ существующих подходов к описанию ЭПМ в металлах позволяет сделать заключение, что конструктивные параметры тонкопленочного проводника оказывают влияние на его электродиффузионную надежность. На данном этапе разработана модель ЭПМ в тонких пленках поликристаллического алюминия [6]. Материал проводника накладывает существенные ограничения и определяет свойства моделируемой системы (особенности структуры пленки при определенной технологии ее получения, электрофизические и атомные параметры материала) и это необходимо было учесть при разработке модели. Модель обладает существенными ограничениями, но достаточно универсальная для возможности продолжения ее совершенствования. Алюминий в качестве материала моделируемой системы выбран из-за его повсеместного использования при производстве коммутационной структуры электронных приборов.

Разработанная модель базируется на методике клеточного автомата (КА) и носит алгоритмический характер, что дает возможность в перспективе использовать в качестве исходных данных моделирования геометрическую структуру границ зерен и распределение других параметров по площади проводника.

Рисунок 1 - представление поля моделирования КА:

а) участок проводника: градиентом цвета показано распределение температуры; б) соответствующая эпюра температур; в) поле моделирования КА: цифрами показаны координаты ячеек и граней, пунктиром ограничены основные ячейки.

Моделируемая система представляет собой участок тонкопленочного проводника на подложке. Через проводник протекает постоянный ток высокой плотности, значение которого определяется на основе заданных исходных параметров. Поле моделирования представляет собой набор ячеек. Каждая ячейка клеточного автомата связана с некоторым объемом проводника, причем удобно рассматривать систему ячеек в двумерной плоскости (вид сверху на проводник), т.к. объем ячейки всегда включает всю толщину пленки (высоту кристаллита). Все ячейки составляют матрицу размером п х т ячеек (см. рис. 1). Размерность п определяет ширину пленочного проводника, а т - протяженность рассматриваемого участка. В системе рассматривается участок проводника, достаточно уделенный от его концов, что позволяет задавать граничные условия как действие бесконечного источника и приемника потоков активированных ионов. Ось х расположена по продольной оси проводника, чтобы она совпадала с направлением вектора напряженности электрического поля и направлением силы «электронного ветра». На рисунке 1(а) изображен температурный профиль подложки с помощью градиентной заливки оттенком серого цвета. Размерность поля моделирования задает длину и ширину рассматриваемого участка проводника.

В работе наибольшее внимание уделено диффузии активированных ионов по границам зерен кристаллитов [2, 3] тонкой поликристаллической пленки алюминия, которые являются путями ускоренной диффузии и вносят наиболее существенный вклад в перенос массы в данных пленках в эксплуатационном диапазоне температур. Если связать с ячейкой клеточного автомата каждый кристаллит рассматриваемого участка пленки, то необходимо рассмотреть сложную систему связей границ зерен во всей плоскости проводника. Но если рассматривать регулярную картину границ зерен (а в первом приближении это так: каждый кристаллит имеет в среднем только четыре грани), то система взаимосвязей ячеек вырождается в простую геометрическую систему координат (см. рис. 1(в)). В случае использования данного подхода пренебрегается только реальной геометрической структурой границ зерен, но вместе с этим появляется возможность лучше отработать определяющий фактор - условия миграции ионов по границам зерен. Поэтому можно представить каждый кристаллит ромбом с заданными длинами диагоналей.

Совокупность ромбов образует «сетку» границ зерен, которые и будут рассматриваться в процессе моделирования. Каждая ячейка КА должна обладать набором параметров, которые характеризуют состояние процессов в ней на некоторый момент времени (шаг моделирования). Запишем параметры, которые характеризуют систему в целом на макроуровне:

Цдолн - ЭДС на рассматриваемом участке цепи;

^полн - полное сопротивление участка цепи;

п х т - размеры поля моделирования (п задает ширину пленки);

Ь - толщина пленки.

Параметры элементарной ячейки:

Ь-1 х Ь2 - длина и ширина ячейки - определяет угол в фасетки с осью х;

Т - абсолютная температура подложки в области ячейки;

а - угол, образованный осью х и кристаллографическим направлением [100] данной ячейки.

Теория электродиффузии выделяет следующие основополагающие факторы, определяющие интенсивность ЭПМ:

Температура - каждая из ячеек может характеризоваться своей температурой. Количество ионов, способных перемещаться под действием силы «электронного ветра» (активированных ионов) в некотором объеме проводника определяется температурой этого объема. Электрический ток, протекающий по кристаллиту, вызывает выделение мощности, но из-за малого сопротивления кристаллита и высокой теплопроводности в подложку (в случае отсутствия дефектов отслоения), изменениями температуры вследствие нагрева электрическим током можно пренебречь. Таким образом, можно считать, что температура кристаллита определяется температурой подложки под ним, то есть задается исходным температурным профилем подложки.

Энергия активации для образования активированного иона. Нас интересуют только атомы, расположенные на границе зерна и неустойчивые атомы зернограничного объема, так как их энергия активации минимальна.

Сила «электронного ветра»: Ге = п 1о±еЕ,

где, согласно [2]:

п - концентрация электронов проводимости;

1 - длина свободного пробега электронов проводимости;

о± - транспортное сечение рассеяния иона для электронов; е - заряд электрона; Е - напряженность электрического поля;

Для вычисления силы электронного ветра Фикс В.Б. [2] ввел понятие эффективного заряда активированного иона Z±.

Г = Z±E,

п Г

г1=

М0 г

Где Е± - полная сила, действующая на ион; Zo - собственный заряд иона; N0 - концентрация атомов основного металла;

Г= 1/11% - среднее сечение рассеяние решетки.

В процессе уноса массы происходит изменение таких параметров системы как энергия активации ионов и переходное электрическое сопротивление границы зерен. Оценку изменения этих параметров, а также влияние этих параметров на интенсивность зернограничного переноса массы в условиях действия силы «электронного

ветра» можно произвести на основе теории атомной структуры границ зерен. Основополагающим параметром моделирования, при этом, является угол разориентации кручения всех соседних кристаллитов. Этот параметр трудно определим экспериментальными методами исследования готовой пленки. Необходимость наличия информации о микроструктуре пленки и информации о таких трудноопределимых параметрах как энергия активации и эффективный заряд иона не дают возможность применять данную модель в промышленном производстве изделий микроэлектронной техники для диагностирования надежности получаемой металлизации на основании измерения ее параметров. Но существует принципиальная возможность теоретического определения параметров микроструктуры пленки на основе модели роста пленки, которая учитывает динамику роста зерен и образования границ зерен. Это позволит применять разработанную модель для теоретического выявления потенциально ненадежных участков металлизации на этапе разработки конструкции электронного прибора на основании статистических данных о микроструктуре пленки на всей площади подложки. Разработка подобного рода «вспомогательной» модели роста пленки является следующим этапом работы по увеличению электродиффузионной надежности поликристаллической алюминиевой металлизации.

Основным информативным параметром разработанной модели является сопротивление участка пленки, которое изменяется в сторону увеличения в результате роста макродефектов типа трещины. Прогнозируя изменение сопротивления во времени можно определить время наработки на отказ проводника в конкретной электрической цепи. Отказом можно считать достижение сопротивления проводника критического для цепи уровня (проводник начинает вносить существенный вклад в полное сопротивление участка цепи).

Работы проводились при поддержке правительственной программы «Конкурс грантов для студентов, аспирантов и молодых ученых Самарской области на проведение исследований в области гуманитарных, общественных, технических наук и естествознания, 2004» и ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы, 2005».

ЛИТЕРАТУРА

1. Липатов Г.И. Влияние эксплуатационных и конструктивно-технологических факторов на срок службы металлизации // ЭТ. -1979. т.18.

2. Фикс В.Б. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках (электроперенос). - М.: Наука, 1969.

3. Колешко В.М., Белицкий В.Ф. Массоперенос в тонких пленках. - М.: Наука и техника, 1980.

4. Соловьев В.Н. О микромеханизмах электродиффузионных отказов тонкопленочной металлизации // ЖТФ. -1985. т.55.

5. Архипов А.В. Электродиффузионная надежность тонкопленочных проводников на основе эпитаксиальной пленки алюминия/ СПбГЭТУ, СПб. 1994. - Деп. в ВИНИТИ № 830 -В94.

6. Тукмаков К.Н., Архипов А.В. Разработка физико-математической модели деградации сильноточной металлизации ИМС на основе эпитаксиальных пленок. В сб.: «Сборник трудов студентов и аспирантов СГАУ.», -

Самара: СГАУ, 200 6. вып. 10. с.72.