集積回路中における絶縁膜に加わる熱応力の緩和

T02MD029 中村　誠

☐ 背景

図１　パッケージ　　　参考 : はじめ

ての超 LSI

　　　日立　http://www.hitachi.co.jp/Div/ddc/contents/profile/enginr.htm

　　図 2 　内部の様子

・マイクロチップ (IC)による電子制御された製品の普及

•ULSI( 超大規模集積回路： Ultra Large Scale Integrated Circuit) の開発

•情報の高速処理と ICの縮小化

•絶縁膜SiO2→Low-k 材料

☐Low-k 材料• 特徴

誘電率が小さい

• 難点機械的強度が弱い

縮小化しても情報処理速度の低下を防ぐことが可能

小さな応力で破壊する

回路内の温度上昇により生じる熱応力が問題になる !!

• 対象　絶縁膜に注目する。

20 0 20 40 nm

μ m

1.6

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0 Via layer(E1)

Trench layer(E2)

Hardmask(E3)

Bus line

Power line

Cu.D.B

Si

100

μ m

x

y

O

25μ m

25μ m

40μ m Low-k layer

SiO2

(a)via部拡大図 （ｂ）配線周りの構造

図 4 　配線モデル

シリコン基板

global配線

電源線

絶縁膜 via

図 3 　絶膜

• 目的　絶縁膜の破壊を防ぐため、熱応力が緩和する方法を提案する。

シリコン基板

global配線

電源線

絶縁膜 via

図 3 　絶縁膜

20 0 20 40 nm

μ m

1.6

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0 Via layer(E1)

Trench layer(E2)

Hardmask(E3)

Bus line

Power line

Cu.D.B

Si

100

μ m

x

y

O

25μ m

25μ m

40μ m Low-k layer

SiO2

(a)via部拡大図 （ｂ）配線周りの構造

☐ 手法・有限要素法を利用

計算の近似：平面ひずみ状態 (εz 0)≅ 　　　　　　　　　 各要素内の値は一次補間

P1 P1 P2

P2

(a) 実際の構造 (b) 三角形版の集合

近似

モデル化

Se’ Se

・熱応力は線膨張係数を含んだフックの法則から算出

図５　近似モデル化

応力成分をミゼス応力に変換

破壊応力比較

☐ 応力分布

図 6 　応力分布

配線の全長が200µm

• 最大応力はvia の中心部(Trench Layer

部 ) で検出• 配線の周り

に分布温度上昇が 60℃ のとき

☐ 最大応力と上昇温度の関係

0 20 40 60 80 1000

50

100

150

200

250

300

(K)温度差

(MP

a)最

大応

力

図 7 最大応力と温度

•破壊応力は 160MPa

•５０℃程度温度上昇すると破壊

温度の原点は応力０状態となる温度である。

☐ 最大応力と配線長さ• 配線全長＝２ ב 配線長さ’

• 上昇温度が６０℃時

i. 配線の全長が 8µm以下ミゼス応力の急激な減少（ via 連結部で検出）

　　　→断線の危険性大

i. 配線の全長が 8µm以上ミゼス応力はほぼ一定（ via 側面中央部で検出）

ii. 配線長さ全域破壊応力を上回る。

　　　→破壊する危険性大

上昇温度 60℃ 、”長さ”は全長の半分である。

図８　最大応力と長さ

☐ 配線両端の Low-k 材料が周囲に与える影響

0 200 400 600 800 1000-200

-100

0

100

200

300

400

(μ m)長さ

(MP

a)最

大応

力

viaとシリコン基板の連結部におけるミゼス応力と配線長さの関係

ミゼス応力 計算点

σ x σ y σ z τ

図９　 via 連結部でのミゼス応力の変化

•配線両端に Low-k 材料がない状態

•両端の Low-k 材料は配線の回転を抑制する効果がある。

電源線

シリコン基板

global配線

絶縁膜

(Low-k材料)

via ★

無いもの

とする

★: 測位点

上昇温度６０℃

☐ 破壊の危険性• Low-k 材料

応力０状態となる温度から５０℃程度の上昇で破壊。

配線の全長が短い時ほど破壊する危険性。

• 周囲の構造への影響　配線の全長が８ µm 以下では

　　　　　　　　　　　　　断線の危険性がある。

☐ 改善策① Low-k 材料の線膨張率を小さくする。② 配線で囲まれた Low-k 材料のアスペク

ト比が大きくなるようにする。 　 ※アスペクト比 a=

)"("

)"("

mvia

m

μの高さμ配線の全長

配線の全長

(µm) a 危険性

16 15 断線危機大100 91 Via 破壊大400 364 影響　　小

Via 高さ＝ 1.1µm としたとき

i. Low-k 材料の間にヤング率の大きな層を縦及び横方向に挿入し、 a＞ 364 となるようにする。

ii. 周囲の Low-k 材料も適量配置する。

☐ 結論• 温度上昇が５０℃程度で破壊• 配線の周囲に熱応力が集中• 最大応力と Low-k 材料のアスペクト比に

深い関係性がある。

配線の長さにより構造に危険な影響を与える可能性がある。

材料開発および構造の更なる検討が必要