Legierungseinflüsse auf die Elektromigration in Submikrometer Aluminium-Leiterbahnen

Abstract

In dieser Arbeit wurde der Einfluss von ionenimplantiertem Kupfer und Sauerstoff auf das Elektromigrationsverhalten von 0,5 µm breiten Aluminium-Leiterbahnen mit Bambusstruktur untersucht. Der Einfluss der Schädigung durch die Implantation wurde an Aluminiumproben untersucht, die mit Aluminium implantiert wurden. Die Messungen an diesen Proben zeigten keinen Unterschied im Vergleich zu Proben aus unimplantiertem Aluminium. Untersuchungen im Transmissionselektronenmikroskop von ausgelagerten Proben ergaben ebenfalls keinerlei Hinweis auf Schädigung durch die Implantation von Kupfer oder Sauerstoff. Die Ionenimplantation hatte somit auch keinen Einfluss auf die Kornstruktur. Dieser Sachverhalt erlaubte die Untersuchung von Proben mit unterschiedlichen Legierungszusätzen bei gleichzeitig unveränderter Mikrostruktur.

Es wurde der elektrische Widerstand im Rasterelektronenmikroskop in-situ gemessen. Während der Elektromigration war in allen untersuchten Proben ein Materialabtrag beobachtbar, der nicht gleichmäßig erfolgte. Am Kathodenende der untersuchten Leiterbahnen waren Poren sowie Reste des Leiterbahnmaterials sichtbar, am Anodenende wurden Hügel und Whisker beobachtet. Das kritische Produkt von kurzen Leiterbahnen aus reinem Aluminium war kleiner als das bei den legierten Proben. Dies stimmt mit der Vorstellung überein, dass das kritische Produkt durch die mechanische Festigkeit des Leiterbahnmaterials bestimmt wird. Bei langen Leiterbahnen mit Reservoir-Ende war die Driftgeschwindigkeit der mit Kupfer und Sauerstoff implantierten Bahnen dagegen größer als bei unimplantierten Proben aus reinem Aluminium. In welchem Material die Driftgeschwindigkeit größer ist hängt daher von der Länge der Leiterbahn und von der angelegten Stromdichte ab. Der zeitabhängige Verlauf des Materialabtrags in kurzen Bahnen wurde mit einem neuen Modell beschrieben, das den Effekt des nicht gleichmäßigen Abtrags berücksichtigt.

In this work, the influence of ion-implanted Cu, O and Al on the electromigration behaviour of 0.5 µm wide bamboo Al interconnects was studied. The purpose of the Al implantation was to study the influence of implantation damage on electromigration. Measurements on the Al-implanted samples showed no differences compared to unimplanted pure Al samples. TEM observations of annealed samples showed no evidence of ion implantation damage or of changes to the grain structure. This fact allowed the study of samples with different alloy compositions while maintaining a constant microstructure.

The electrical resistance was measured during electromigration in-situ in a scanning electron microscope. At the cathode end of the interconnects non-uniform depletion was observed; at the anode end, hillocks and whiskers were observed. The critical product of the pure Al lines was smaller than that of the alloyed samples. This agrees with the concept that the critical product is determined by the mechanical strength of the interconnect material. The drift velocity of long lines connected at one end to contact pads was higher in the Cu and O implanted samples than in the pure Al samples. For finite length segments, this means that alloying can either increase or decrease the drift velocity relative to that in pure Al, depending on the actual length of the segment and on the current density. A new model was developed to describe the time dependence of material depletion in short lines which takes the effect of inhomogeneous depletion into account.