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electromigration 1

Metal reliability(金屬連線之可靠度)

Electromigration (EM)電遷移

electromigration 2

Outline(內容)•Introduction (簡介)•Al metal line development(鋁連線之演進)•Contact EM (接觸窗孔的電遷移)•EM mechanism and some key parameters (電遷移的機制)

•Dimensional and structural factors in EM (電遷移的幾何尺寸效應)

•EM physics and modelling (電遷移的物理與模型)•Metal EM Testing (電遷移的測試)•Other factors affecting EM (其他補充data)

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多層金屬連線薄膜製程

••問問: a): a)接觸窗孔做何用接觸窗孔做何用?, b)?, b)最大的接觸窗孔是最大的接觸窗孔是那個那個?, c)?, c)最好做與最難做的各是那一個最好做與最難做的各是那一個??

接觸孔(contact)

接觸窗(via)

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IC內金屬連線之需求特質

•Low resistivity(低電阻)•Easy process (製程容易)•Etchability(可蝕刻)•Mechanical stable (good

adhesion, low stress)(機械性佳)

•Smooth surface (表面平坦)•Clean process (low particle

density) (乾淨的製程)

•Resistance to electromigration(void, hillock) (不易有電遷移)

•Resistance to corrosion(抗腐蝕)•Bondability (可黏上打線)•Low contact resistance(低接觸

電阻)•Step coverage (好的階梯覆蓋

性)

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多層金屬連線製程之問題•Aspect ratio are increasing(深寬比逐增)

–Step coverage problem (階梯覆蓋性的問題)

•EM and RC delay (電遷移和RC延遲)–Metal current density increasing(金屬連線電流密度增大)–Metal line resistance increasing (金屬連線電阻值增大)

•Contact resistance and contact EM(接觸孔的電阻值增大和電遷移效應)

•Void, hillock and micro-crack (孔洞, 突丘與裂縫)

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什麼是電遷移(electromigration: EM) ?

•因電子的動量轉移至金屬離子而造成其位移的現象.

電子鋁原子

Collision

Momentum conservation law

Momentum transfer

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電遷移失效現象

•Metal line(金屬線)

–上游: 沿晶界處掏空金屬線形成空洞, 最後終至金屬線斷線

–下游: 受阻而生出突起的突丘, 最後終至不同金屬線間短路

電子流上游 下游

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電遷移導致的空洞與突丘 (在 Al-Si/Ti/Al-Si 複合金屬線)

空洞

•突丘

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outline•Introduction•Al metal line development (鋁連線之演進)

•Contact EM•EM mechanism and some key parameters•Dimensional and structural factors in EM•EM physics and modelling•Metal EM Testing•Other factors affecting EM

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金屬薄膜連線的發展歷程Al

AlSi

AlSiCu

Barrier metal

plug

Cu

Avoid junction spiking(避免接面突刺接面突刺)

Passivate grain boundary (改善電遷移)

Avoid junction spiking, voiding (避免有接接面突刺面突刺或空洞)

Improve contact step coverage (改善階梯階梯覆蓋性覆蓋性)

Lower resistance, improve EMR (改善電阻值與階梯覆蓋性)

用純鋁薄膜 解釋名詞

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鋁合金的性質•Advantage(優點)

–Low cost(成本低)–Low resistivity (低電阻)–Low contact resistance (低接觸電

阻)–Good adhesion(好覆著性)–Bondable with Al and Au wire

(相容於打線製程)–Selectively etched to oxide and

SiN(對絕緣的氧化物有好的蝕刻區別性)

•Disadvantages(缺點)–Lower EM resistance (差電遷移性)–Low temperature reaction with Si and

silicide. (spiking)(低溫會與矽反應)–Low temperature recrystallization )

(低溫會再結晶)–Galvanic formation with dissimilar

metals (易與其他金屬合金)–Void and hillock(有孔洞與突起)–Si nodule to open small contact(造成

矽的顆粒化)–Step coverage is poorer (階梯覆蓋性

差)

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鋁導線在矽上接觸窗

低溫金屬製程較高溫金屬製程

高溫金屬製程且加反偏壓 鎢栓子或多晶矽栓子

1.階梯覆蓋性?,2. 幾種接觸窗(contact)製程的比較

接觸窗變小後,深寬比變大, 上層金屬不易填入孔中

d

r

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Al-Si 接觸後的接面突刺接面突刺(Junctionspiking)

•Si(矽) 可熔於Al(鋁) :–450℃, 0.5 wt%–500℃, 0.8 wt%

•正常製程–450℃退火 with

more than 1 wt% Si

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Barrier metal system

(阻障層金屬)

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加阻障層的鋁連線剖面圖

TiN or TiW 當抗反射層

AlSiCu當主要導電層

TiN or TiW當阻障層(500~1000A)Ti 來改善 Rc 和黏著性

Si 或氧化物或金屬

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Barrier metal system

•高熔點金屬做為阻障層金屬. 最常見是鈦(Titanium)

•當鋁發生電遷移而空洞化斷線, 此阻障層提供額外導電路徑

•但鈦層 (Ti layer)多少會降低鋁線之品質•此阻障層所提供額外導電路徑, 補償上述缺點, 而使整體電遷移效應改善

(阻障層金屬)

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Barrier metal system (cont.)

•鈦層也同時防止矽擴散出來, 而使接觸窗的電遷移效應大大改善

•通常以電阻增加 ?%(30%)當做電遷移造成失效的標準

•鋁線中含矽仍是需要的, 以降低 Ti-Al 間反應速率

(阻障層金屬)

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阻障層金屬對EM的改善•避免AlSiCu 線的小孔洞進一步惡化而斷線開路•做為一均勻的成核種層來避免 Si的優向沉澱•阻障層降低熱循環導致的接面漏電流 (junction

leakage due to thermal cycling)

Barrier metal

A

B

A, B: Si的優向沉澱(nodule)

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outline•Introduction•Al metal line development•Contact EM (接觸窗孔的電遷移)•EM mechanism and some key parameters•Dimensional and structural factors in EM•EM physics and modelling•Metal EM Testing•Other factors affecting EM

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Contact(接觸窗孔)

•Negative contact:–矽結核-Al 摻雜進矽而成 p-type Si nodule: reduce

contact area and p-n+ junction is formed. Rc issue•Positive contact:

–接面突次- Si 熔進 Al-線中而形成孔洞, 而讓鋁往下跑: leakage issue.

–側邊鋁空洞化-特別是階梯覆蓋性不好時.

電子流方向造成原子堆積

電子流方向造成原子空乏

(Force Al to dope Si)

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電流分佈

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接觸窗之電遷移•階梯覆蓋性的影響

電流效應讓角落較易產生EM效應

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接觸窗之EM

•擴散層的接觸孔可有3種 EM 故障機制–矽擴散進入鋁中.造成N/P 接面突刺(spiking)而有漏電流.

–矽在接觸孔中沉澱或磊晶, 阻礙接觸孔而造成高電阻, 甚至非歐姆接觸

–在接觸孔側邊鋁空洞化, 事實上是鋁線的EM而延伸至接觸孔

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接觸窗之測試結構–10~50 個接觸窗(孔)–布局時要模擬任何實際電路會碰到的情況–失效判定

•有漏電流到基板 VR = 10V, IL≧100µA•電阻提高 R 2R

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outline•Introduction•Al metal line development•Contact EM•EM mechanism and some key parameters

(電遷移的機制與關鍵參數)•Dimensional and structural factors in EM•EM physics and modelling•Metal EM Testing•Other factors affecting EM

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EM: 金屬離子流之發散:•由應力之不平衡造成•有溫度之梯度•電流密度之不均勻•材料微結構上的差異

–成份上的不均勻•雜質之梯度

–晶粒大小之分佈差異–優向成長薄膜之晶粒軸向

•(111) 方向有較好

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電遷移之路線

–表面被(native oxide)護蓋著會有較好的抗電遷移特性–沿晶粒界的擴散是在一般工作條件下的主要機制–高溫時沿晶粒內的機制會最主要(T>280C)

晶粒內

表面

晶粒界

EM paths Ea (eV)晶粒內 1.4晶粒界 0.5表面 0.8

鋁導線為多晶態鋁結構

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原子流之發散•J12 > J13 + J23 hillock(突出丘)•J12 < J13 + J23 void (空洞)

J12

J13

J23

Grain1

晶粒2

Grain3

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流量之發散: 溫度之effect

film電流密度 J1

質流mass transport, J1

電流密度 J2

質流mass transport, J2 > J1

距離

溫度

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流量之發散:電流密度之效應

film

電流密度 J1

質流mass transport, J1

電流密度 J2 > J1

質流mass transport, J2 > J1

位置

電流密度

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接觸窗的 electromigration:電流密度之效應

•相對壽命

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微結構•流量之發散可肇因於:

–有高擴散路徑•受晶粒的軸向有關•雜質 (後面有進一步說明)

–擴散路徑數之變異•三交點•晶粒大小之變異

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–原子的堆積與移開, 在多晶鋁中是一起發生–晶粒變大, 會降低可用的原子擴散路徑之數目

–竹節結構: 造成沿晶粒界的擴散路徑不連續,以至於大大的改善EM效應

Bamboo structure(竹節結構)

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影響 EM的一些關鍵參數•成份

–雜質通常傾向析出在晶粒界–它們會影響晶粒界的擴散行為–於是, 會影響EM 效能

•Some關鍵雜質–Silicon(矽)–Copper(銅)–Nitrogen(氮)

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影響 EM的一些關鍵參數(cont.)•Silicon(矽)

–常用以改善 contact reliability(接面突次)–典型濃度 is 1 %–在金屬內形成沉澱物, 而使 EM 變差

•Copper (銅)–Greatly 改善EM performance–通常濃度在0.5 4%–提高 Ea and 因此放慢擴散的過程–但製程中的電漿蝕刻 and 腐蝕性是兩項主要的可行性徵結

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影響 EM的一些關鍵參數(cont.)

•Nitrogen (氮)–在沉積金屬過程中, 對氮的追蹤發現, 它嚴重地

degrade EM–它傾向於在晶粒界形成氮化物–它reduces the break stress under tension–它阻礙晶粒長大–以加入少許鈦來吸附 N2 是減少其危害的一種方式