Electromigration in bamboo aluminum interconnects

Abstract

Elektromigration kann zur Schädigung von miniaturisierten Leiterbahnen durch die Bildung von Poren und Hügeln führen. Die Lebensdauer von Aluminiumbahnen wird erheblich durch den Zusatz von Kupfer, und durch die Abdeckung mit einer Passivierungsschicht gesteigert. Die genauen Mechanismen dieser Effekte sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Um diese Effekte in Leiterbahnen mit einer Bambusstruktur zu untersuchen, wurden Elektromirationsexperimente an sub-Mikrometer schmalen Leiterbahnsegmenten verschiedener Länge aus Al und Al(0.5gew%Cu), jeweils mit und ohne Passivierung durchgeführt. Der Zusatz von Kupfer erhöht das kritischen Produkts von Segmentlänge und Stromdichte, oberhalb dessen eine Schädigung eintritt. Im Gegensatz zu Segmenten aus reinem Al, bilden sich die Hügel entfernt vom Anodenende der Segmente, und der Materialabtrag des Al als Funktion der Zeit (Driftgeschwindigkeit) nimmt in den Al(Cu) Bahnen zu. Diese Beobachtungen sind konsistent mit der Vorstellung, daß die Mobilität des Al erheblich reduziert wird, wenn die Kupferkonzentration genügend groß ist. Die Untersuchung der elektromigrationsinduzierten Umverteilung des Kupfers in unbeschädigten Segmenten zeigt, daß der Kupfertransport entlang der Grenzflächen der Leiterbahnen sehr schnell ist. Außerdem wird gezeigt, daß für die Bildung von Ausscheidungen eine Kupferübersättigung von etwa der zweifachen Löslichkeitskonzentration erforderlich ist. Die statistische Verteilung des kritischen Produkts wird als Funktion der Segmentlänge untersucht. Es wird demonstriert, daß die Streuung mit abnehmender Länge ansteigt. Dazu wird ein Modell vorgestellt. Der Vergleich von passiviertem und unpassiviertem Al zeigt, daß die kritische Spannung zur Bildung von Poren und die Driftgeschwindigkeit in etwa gleich sind, das kritische Produkt der Passivierten jedoch deutlich größer ist, was durch die Unterdrückung der Hügelbildung erklärt wird.

Electromigration can damage interconnects by forming voids and hillocks. The addition of a small percentage (0.5-4.0wt%) of copper to Al interconnects, and the encapsulation with a dielectric passivation layer improve the electromigration lifetime. The mechanisms by which these improvements occur are not entirely understood. The focus of this work is to better understand the passivation and the Cu effect in Al interconnects with a bamboo microstructure. Experimental investigations are performed on 0.5 µm wide Al segments of various lengths made from pure Al and Al(0.5 wt% Cu), both passivated and unpassivated. The results show that the addition of Cu increases the threshold product of segment length and current density above which damage occurs. Whereas hillocks form directly at the anode end in pure Al segments, they form some distance from the end in Al(Cu) segments. In contrast to pure Al segments, the electromigration-induced Al displacement in Al(Cu) segments shows an increasing rate (drift velocity). These observations are consistent with the idea that the Al mobility is substantially reduced if the Cu concentration is large enough. The motion of Cu is studied in undamaged segments. The dissolution of Al2Cu precipitates is consistent with the picture that Cu is transported rapidly along the interfaces. In addition, it is shown that the formation of precipitates requires a supersaturation of roughly two times the equilibrium solubility. The statistical distribution of threshold products is investigated as a function of segment length. It is shown that the mean value is roughly constant, whereas the deviation increases with decreasing segment length. The comparison of passivated and unpassivated Al shows that the passivation increases the threshold product, but that the drift velocity and void nucleation stress are the same. This suggests that the increase in reliability by passivation of interconnects is due to the suppression of hillocks.