3-D time-depending simulation of void formation in metallization structures [Elektronische Ressource] / von David Dalleau

David Dalleau

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2003
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• Langue: English
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Extrait

3-D Time-depending Simulation of Void formation
in Metallization Structures
Vom Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
der Universität Hannover
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieur
Genehmigte Dissertation
von DEA-DESS David Dalleau
geboren am 28 August 1974 in Saint-Denis, Réunion.
20031.Referent: Prof. Dr.-Ing. J. Graul
2. Referent: Prof. Dr.-Ing. H. Grabinski
Gutachter: Prof. Y. Danto
Vorsitz: Prof. Dr.-Ing. E. Barke
Tag der Promotion: 02. April 2003Abstract (keywords: Void, Simulation, Reliability)
David, Dalleau
3-D Time-depending Simulation of Void Formation in Metallization Structures.
The reliability of integrated circuits has been of particular interest for the microelectronic
industry during the last decades. Today integrated circuits need to have a high quality and
should be more reliable due to consumers requirements as well as to their working conditions.
In parallel, these requirements lead to the strong integration of microelectronic components
followed by an increase in the power per unit area. In this situation, strong current densities,
high temperatures and temperature gradients as well as induced thermomechanical stress are
able to occur and can lead to the complete destruction of the integrated circuits functions. If
the circuits particularly run under severe conditions, the appearance potential of induced
degradation phenomena such as the electromigration, the thermomigration as well as the
stressmigration on metallization structures becomes important. This can be a problem
particularly if these circuits are working in an environment area where reliability remain a
fundamental aspect. Consequently, a study of their reliability is imposed.
The investigations in the domain of reliability evaluation for metallization structures are
generally performed using accelerated stress tests. Different failure mechanisms appear in the
degradation process of the metallization structures depending on their operating conditions
until they fail. Nevertheless, a change in the failure mechanism under stress tests conditions
compared to normal environment running conditions is expected. The approach consisting in
their extrapolation to working conditions may then be wrong. To remedy this problem, an
approach by simulation should permit to withdraw the controversy. Also, a better
understanding of the different failure mechanisms by void simulation formation is possible.
The aim of this work consist in the study of the time-dependency phenomena of void
formation in the metallization structures running under strong conditions (above 1MA/cm²).
The time-depending formation of void is analysed by experimental observations. Some
guidelines and some hypothesis about their time-dependent development are extracted. A new
method using the finite element analysis is implemented in an algorithm, giving the
opportunity to predict the 3-D evolution of void formation within metallization structures
running under strong operating conditions. A method to calculate the TTF (Time-To-Failure)
is developed based on the use of the maximum value evolution of the massflux divergence
when the void growth is simulated. The failure mechanisms appearing during the void
formation is simulated with a Meander and a SWEAT structure. For the both structures, the
results obtained by the simulation of the void formation are found in good agreement with the
experimental observations. Out of the simulations, the TTF of the structures were determined
for the first time. Also, the calculated TTF and the results obtained by the measurements show
a good correspondence.
The different degradation mechanisms have been identified. The tool offers the possibility to
simulate the void formation and to get more information about the matter migration
phenomena at the weakest part of the structure. The method can also be used for the
optimisation of interconnect structures by comparing their calculated lifetime following
different working conditions.Kurzfassung (Schlagworte: Loch, Simulation, Zuverlässigkeit)
David, Dalleau
3-dimensionale zeitabhängige Simulation von Lochbildung in Metallisierungsstrukturen
Die Bedeutung der Zuverlässigkeit integrierter Schaltungen hat während der letzten
Jahrzehnte stark zugenommen. Aufgrund der gestiegenen Anforderungen der Konsumenten
an die Leistungsfähigkeit und erschwerter Betriebsbedingungen müssen integrierter
Schaltungen heute eine höhere Qualität aufweisen und damit zuverlässiger sein. Parallel steigt
die Integrationsdichte mikroelektronischer Komponenten und damit die Leistungsdichte auf
dem Chip. Aus diesem Grund werden hohe Stromdichten, hohe Temperaturen und
Temperaturgradienten sowie induzierter mechanischer Stress insbesondere in den
Metallisierungsstrukturen auftreten, die zum Ausfall der Schaltungen führen können. Das
Auftreten derartiger Degradierungsphänomene wird als Elektromigration, Thermomigration
und Stressmigration in Metallisierungsstrukturen bezeichnen. Diese Phänomene nehmen im
Fall erschwerter Betriebsbedingungen wie z.B. in der automotiven Elektronik zu und die
Zuverlässigkeit muß als fundamentaler Aspekt berücksichtigt werden.
Die Zuverlässigkeitsuntersuchung von Metallisierungsstrukturen wird im allgemeinen mit
Hilfe von beschleunigten Belastungstests durchgeführt. In Abhängigkeit von den
Belastungsbedingungen führen unterschiedliche Fehlermechanismen zur Degradierung der
Metallisierungsstrukturen. Ein Wechsel der Fehlermechanismen unter höherer
Belastungsbedingung im Vergleich zu Betriebsbedingungen ist deshalb möglich. Die
Extrapolation der Ergebnisse der Belastungstest zur Einschätzung der Ergebnisse unter
Betriebsbedingungen ist in diesem Fall fehlerbehaftet. Mit Hilfe von zeitabhängigen
Simulationen kann eine Differenzierung der verschiedene Fehlermechanismen erfolgen.
In dieser Arbeit wird die Zeitabhängigkeit der Materialwanderung in
Metallisierungsstrukturen bei hohen Belastungen (mehr als 1MA/cm²) untersucht. Die
zeitabhängige Lochbildung wird mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen verifiziert.
Richtlinien und Hypothesen zur zeitabhängigen Simulation der Lochbildung wurden
extrahiert. Ein neuer Algorithmus zur Lochbildungssimulation wurde unter zur Hilfenahme
der Finite Element Methode entwickelt. Damit kann die 3-dimensionale Lochentwicklung in
Metallisierungsstrukturen unter starken Belastungen vorhergesagt werden. Eine neue Methode
zur Berechnung der Lebensdauer der Metallisierungsstrukturen wird ebenfalls eingesetzt und
damit die Entwicklung der Massenflussdivergenzswerte während der Lochbildungssimulation
berücksichtigt.
Der Einfluss der Fehlermechanismen während der Lochentwicklung wurde anhand einer
Mäander- und eine SWEAT-Struktur untersucht. In beiden Fällen wurde die Simulation der
Lochentwicklung im Vergleich zum experimentellen Ergebniss erfolgreich verifiziert. Dabei
wurden die unterschiedlichen Migrationsmechanismen abhängig vom Belastungsstrom
bestimmt. Die Lebensdauer der Strukturen wird dabei erstmals aus den simulierten Daten mit
guter Übereinstimmung zum Experiment bestimmt.
Das Programm bietet die Möglichkeit 3-dimensionale Lochbildungen in
Metallisierungsstrukturen zu simulieren, und präsentiert mehr Informationen über das
Materialwanderungsphänomen am Fehlerort. Die präsentierte Methode kann im Rahmen der
Optimierung von Metallisierungsstrukturen im Vergleich zu den gerechneten Werten der
Lebensdauer unter unterschiedlichen Belastungsbedingungen verwendet werden.CONTENTS
Abbreviations and symbols directory.............................................................................. I
Introduction........................................................................................................................ 1
1 Reliability experiment results and diffusion mechanisms induced failure........... 4
1.1 Reliability experiments.................................................................................... 4
1.1.1 Reliability test procedure: accelerated ageing test method for
metallization structures................................................................... 4
1.1.2 Geometry description of the investigated samples.......................... 5
1.1.3 Experimental observations and measurement results...................... 7
1.2 Diffusion mechanisms in aluminum metallization structures......................... 10
1.2.1 Bulk diffusion mechanisms............................................................. 10
1.2.2 Surface and interface diffusion........................................................ 11
1.2.3 Grain boundary diffusion................................................................. 12
2 Theoretical background of matter migration in interconnects............................ 14
2.1 Physical aspects of migration.......................................................................... 14
2.2 Mathematical modelling of ions massflow in interconnects........................... 15
2.2.1 Modelling of the electromigration................................................... 15
2.2.2 Modelling of the thermomi 16
2.2.3 Modelling of the str