Factors influencing the critical product in electromigration

Abstract

Als Elektromigration bezeichnet man den durch einen elektrischen Strom induzierten Materialtransport, der durch die Bildung von Poren und Hügeln zum Ausfall von elektrischen Leiterbahnen in integrierten Schaltkreisen führen kann. Es hat sich herausgestellt, daß die Schädigung durch Elektromigration unterdrückt werden kann, wenn das Produkt aus Stromdichte und Leiterbahnlänge einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Dieser Effekt wurde dem Aufbau eines mechanischen Spannungsgradienten zugeschrieben, der dem elektromigrations-induzierten Materialtransport solange entgegenwirken kann, bis eine bestimmte kritischen Spannung erreicht wird, ab der sich das Material plastisch verformt. In dieser Arbeit wurde die kritische Spannung mit der Fließspannung der Schicht verglichen, die mit Hilfe der Substratkrümmungsmethode bestimmt wurde. Hierbei hat sich gezeigt, daß es signifikante Unterschiede zwischen diesen beiden Spannungen gibt, die darauf zurückgeführt wurden, daß die Fließspannung einen Mittelwert über eine große Anzahl von Körnern repräsentiert, während die kritische Spannung mit der Deformation von nicht-(111) Körnern verknüpft ist, die nur einen geringen Bruchteil der gesamten Schicht ausmachen. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, daß die Bildung von Hügeln bevorzugt in nicht-(111) Körnern durch den Materialeinbau in die Schicht/Substrat Grenzfläche erfolgt und gewöhnlich mit Kornwachstum verbunden ist. Schließlich wurde ein Modell für elektromigrationsinduziertes Hügelwachstum vorgeschlagen, das die Existenz einer kritischen Spannung erklären kann.

Electromigration is the electric current-induced transport of atoms, which can cause failure in the small interconnect lines of intergrated circuits through the formation of voids and hillocks. It has been found that the formation of electromigration-induced damage is suppressed if the product of current density and interconnect length is smaller than a certain critical value. This effect has been attributed to the generation of mechanical stress gradients which balance the electromigration force until a certain 'threshold stress' is reached and the material begins to deform plastically. However, an in-depth understanding of the atomic mechanisms that lead to a threshold stress for deformation has not yet been achieved. In this work the electromigration threshold stress was compared with the flow stress of the films, as determined by wafer curvature. It was found that there are significant differences between these two stresses which are attributed to the fact that the flow stress of the film represents an average over a large number of grains while the electromigration threshold stress is associated with deformation of non-(111) grains which make up only a small fraction of the film. Further investigations have shown that hillocks grow preferentially in non-(111) grains by the addition of material at the bottom of the grain which is often accompanied by grain growth. Finally, a model is proposed for electromigration-induced hillock growth which may account for the measured threshold stress.