如何处理电迁移吗

铝与铜互连布线的替换,第一次展示由IBM在1997年带来了集成电路产业实质性改进抗电迁移和电导率。既是一个更好、更稳定的铜比铝导体。困难的过渡,它帮助延长设备扩展十八年(计数)。

但是导电性和电迁移阻力带来的挑战要求从未真正离开。随着特征尺寸缩小,他们又备受关注。这一次,没有明显的替代,没有金属一样明显优于铜铜铝。相反,这个行业面临着持续的平衡在什么Sree Kesapragada,应用材料的金属沉积的全球产品经理产品,描述为任何成功的关键要求互连方案:线路电阻,缺口填补,和电迁移。

互连的平衡
电阻的挑战是容易描述,但不是那么容易解决的。导线电阻的增加导线的横截面积变小。窄行有更多的阻力,消除更多的权力,并产生更多的废热。在铜互联的情况下,两个额外的因素使问题变得更糟。一个是电阻率和线宽之间的关系。大概的意思是自由程铜是55纳米电子。线宽值的方法,侧壁散射开始贡献和电阻率急剧攀升。

使问题更糟糕的是,铜线在势垒层包裹以防止扩散介质。如果这些层太薄,他们将不会执行其功能充分:阻挡层厚度仍然相对稳定,线宽尺度。线的分数由铜收缩。这反过来影响线width-dependent晶粒结构和电阻率等特征。

障碍和种子层还扮演着一个关键角色在缺口填补,第二个重要要求一个互连工艺方案。当前生成过程方案通常使用气急败坏的谭壁垒,气急败坏的铜种子层。铜湿胎TaN差。可怜的润湿的结合、垂直侧壁和狭窄海沟可能导致不连续种子层。不完整的种子层覆盖可能导致铜线空洞等缺陷,进而可以削弱铜和屏障层之间的附着力。他们也会导致贫穷铜和屏障层之间的附着力。缺陷和附着力差导致电迁移,第三个要求必须面对一个互连过程方案。

电迁移,顾名思义,是一个原子通量由电流通过一条直线。答:美国奥茨和m . h .林在台积电模拟电迁移的速度的函数电流密度和扩散率:

J是原子的净通量,N原子密度, 有效扩散系数,eZ *有效电荷,电阻率ρ,kT是玻尔兹曼常数乘以温度。有效电流密度, 由薄板修改效果,下面讨论。

窄行,更多的移民途径
电流密度随线变得更窄。迁移的临界电流密度发生变化,根据形态学,成核率,增长率空洞的材料。同样,扩散速度取决于材料的微观结构。在铝、电迁移发生在晶界很少,所以迁移在很大程度上是独立于微观结构。

与铜互联,然而,有三个可能的迁移途径:沿着晶界;顶部表面,铜线和介质阻挡层顶部;和胎侧沿沟,绿线和金属之间的阻挡层。这最后的途径通常可以在当代被忽视的设备,因为金属粘附通常是强烈的。然而,随着新的薄阻挡层材料介绍了提高铜横截面,他们可以带着粘附和电迁移问题。

到目前为止,通常最重要的电迁移途径已经在顶部表面,附着在介质阻挡和铜通常是弱。Kesapragada解释说,从28 nm节点制造商与锰掺杂铜种子层。锰扩散到表面,改善屏障粘附和帮助阻碍迁移。在较小的线,但是,在结构导致更小的颗粒。锰成为被困在晶界,不顶面。另一方面,凯瑟琳克里斯琴森和同事在IBM显示、锰结合在晶界可以帮助缓慢的迁移路径。

非常狭窄的多晶结构铜线还引入了另一个电迁移途径。空隙形成较低的活化能比大部分晶界。一旦空洞成核,铜可以迁移。(这是紧密的缺口填补的另一个原因是很重要的,太)。奥茨和林发现,晶界扩散与多晶分数增加(p)的电影。接口电迁移主要是p < 0.7,但他们看到一个数量级增加0.9的平均漂移速度> p > 0.7。虽然在理论上,大颗粒可以降低电迁移,控制晶粒尺寸在纳米级功能是极其困难的。一些流程使用post-deposition退火鼓励晶粒生长,但更激进的措施的好处晶界掺杂物或试图控制晶粒取向不明确。

一些好消息:薄板的效果
在反对电迁移是薄板效应:上游迁移产生拉应力,阴极,线,和压应力在下游,阳极。侧壁,刚性、供应背压对这种压力,减缓迁移。薄板效应是直线长度的依赖:短线路提供更多的阻力。美国摩托罗拉脱粒机和他的同事们发现有一个临界值length-current密度的产品低于没有发生迁移:

Ω是原子体积和Δσ压力梯度。

这导致electromigration-driven设计规则,限制允许的电线长度作为电流密度的函数。并不总是清晰,然而,就在线段的开始和结束电迁移风险评估的目的,它并不总是很容易量化薄板效应可以提供的好处。

IBM的研究人员进行了广泛的分析确定最佳方式来定义简单的线段的长度,并评估结果。

难以平衡电阻,缺口填补和电迁移变得特别清楚当考虑建议选择障碍和种子层。薄层屏障是有价值的,因为它们增加总线宽的部分用于铜。然而,除了薄扩散障碍的风险会减少有效,薄层一般不严格。薄层可能会减少或消除薄板效应对电迁移背压,设计师可以根据可靠性保持在规范。这里,矛盾的是,长线实际上优于短线条。长线条不受益于薄板效应,因此其性能不受是否降低。另一个障碍可能也有较弱的铜附着力,增加潜在的迁移以及胎侧沟。

过程拯救我们吗?
提供的第二个问题是一个极端的例子钌,已被建议作为一种种子层。铜足够自由流经钌表面中使用“回流”沉积方案:而不是仅根据电镀化学保持铜线的自下而上的填充,铜胎侧沿钌向下流动,创建一个更紧密的填补。

不幸的是,这些相同的流动特性往往表明,电迁移沿铜/障碍接口对钌回流过程可能是一个问题。在2014年IEEE会议电子器件(IEDM),三星的研究人员描述钌集成方案和迁移特性与那些通过其他进程。这个日期,然而,Kesapragada观察,没有报告成功的钌一体化生产设备。

这一点,钴帽的选择性化学汽相淀积层似乎是最有前途的替代方案。选择性沉积允许使用金属,而不是电介质表面屏障,提高电导率和附着力。钴还作为附着力促进剂促进铜种子层的附着力。CVD衬垫是保形,从而能够实现统一比单独使用溅射涂层更薄层。钴似乎并不阻碍晶界迁移,如上所述可能成为未来科技的主要路径节点。然而,它可能会结合钴班轮和保护层manganese-doped铜种子层,获得两种技术的好处。

行业的共识似乎是电迁移挑战通过结合当前density-based可控的设计规则和过程改进改善铜附着力。阻力可能更严重的限制强加于互连方案,尤其是线宽方法在铜电子的平均自由程。整体可靠性,台积电的安东尼欧茨解释2014 IEDM门口电介质和电荷俘获在城门口堆栈可能是最严重的问题,并将在以后的文章中解决。http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=7047092