The electromigration characteristics with various microstructures, geometries and dimensions in Al lines were evaluated. And a modified statistical model based on “unit failure model” was proposed and verified. In addition, a new test method for fast monitoring the defective metal lines was proposed and evaluated in Al and Cu lines.
The effects of the sputtering condition and in-situ or ex-situ annealing on the MTTF (median time to failure) and DTTF (deviation time to failure) have been determined experimentally. The more reliable Al-1%Si-0.5%Cu line was performed at high deposition power, high deposition temperature and high annealing temperature. The results indicated that the more reliable metal line could be achieved with less the amount of impurities (nitrogen, hydrocarbon and etc.), larger grain and denser film. The electromigration failures of Al lines with stacked barrier metal (Ti, TiN) were studied. The MTTF increases as the stacked layer of refractory metal is added. Also, the effect of dimensions (W, L) and geometries of the metal line such as straight line, bended lines, and topology steps on MTTF and DTTF have been determined experimentally. These results showed the same or similar trend of the results reported previously by other authors.
In order to predict the electromigration lifetime of metal lines, we needed a quantitative general model. Thus a modified failure model for electromigration based on the “failure unit model” was proposed in metal lines. The “failure unit model”, which consists of failure units in parallel and series, can predict both the MTTF and DTTF in Al metal lines. The model can describe them only qualitatively. In our model, both the probability function of the failure unit in single grain segments and polygrain segments are considered instead of in polygrain segments alone. Based on our model, we calculated MTTF, DTTF, and activation energy for various median grain sizes, grain size distributions, line widths, line lengths, current densities and temperatures. Comparisons between our results and published experimental data showed good agreements and our model could explain the previously unexplained phenomena. Our advanced failure unit model (AFUM) might be further applied to other electromigration characteristics of metal lines.
Since the control of metallization process requires rapid monitoring of defective metal lines, it is necessary to develop a technique for monitoring every production lot. Thus, the measurement of time-zero failure current with a constant current ramping rate was proposed from the first-order Joule heating model as a new method of monitoring failures in metal lines. The failure current almost linearly increased with increasing metal-line width when the width was larger than the thickness and the square of failure current linearly decreased with increasing the measurement temperature. This time-zero metal failure (TZMF) method was found to be in good agreement with experimental results. Especially, for Al-1%Si-0.5%Cu lines with the photo-reworked process and with rectangular-shaped pittings, the failure current probability by the TZMF method showed the same trend as that of the median-time to failure (MTTF) by the conventional electromigration method. Therefore, the failure current measurement by the TZMF method was found to be a useful in-line monitoring and screening tool for the defective Al and Cu lines.
Electromigration은 sub-micron의 금속배선의 신뢰성 향상을 위한 중요한 연구 분야를 차지하고 있다. 그러나 electromigration에 의한 금속 배선의 수명을 배선의 기하학적 변수에 따라 예측하는 것은 매우 어려우며 기존에 타 논문에서는 일부 개별적인 항목에 대해서만 모델링을 하였고, 그 금속 배선의 수명에 대해 정성적으로 설명할 수 있는 모델이 대부분이었다. 또한 electromigration에 의한 금속 배선의 신뢰성을 평가하기 위해서는 매우 긴 시간을 필요로 하며 이에 따라 신뢰성 향상에 대한 공정 개선이 매우 힘든 사항이었다.
본 연구 논문에서는 electromigration현상에 대한 물리적인 개념에 대해서 논의하였고, Al-1%Si-0.5%Cu의 금속배선에서 배선형성 조건, 배선의 dimension, 배선의 형태, 베리어 금속의 적층화, 하부의 topology등에 대해서 electro-migration에 의한 배선의 수명을 연구하였다. 이러한 과정에서 각 배선의 기하학적 변수 및 내부 물질 구조에 따라 배선의 신뢰성을 정확히 예측하는 AFUM(Advanced Failure Unit Model)을 제안하였고 실험의 결과와 검증을 실시하였다. 또한 신뢰성 향상을 위한 금속 공정의 빠른 feed-back을 위하여 1분 정도 이내에 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 방법을 개발하였고 일반적인 측정방법과 비교 검증하였다.
본 논문에서는 우선 sputtering 방법으로 증착된 Al-1%Si-0.5%Cu의 금속 배선 에서 증착 power가 증가할수록, 증착 온도가 증가할수록, 그리고 후속 열처리가 추가 될수록 electromigration에 의한 금속 배선의 신뢰성이 향상된다는 결과를 나타내고 있으며 이는 알루미늄 배선에서 그 금속 박막에 포함되는 불순물 함량이 적을수록 그리고 그 박막의 grain이 클수록 신뢰성이 향상된다는 것을 의미한다. 신뢰성 향상의 또 다른 방향으로 열 경화 금속(Ti, TiN)인 베리어 금속을 적층화 시키는 것인데 본 연구의 결과에서도 이 베리어 금속의 적층화에 의해 신뢰성이 향상된다는 결과를 알 수 있었다. 배선의 dimension (배선 폭 및 길이) 및 형태 (straight, bended line) 그리고 하부 topology에 대해서도 electromigration에 의한 배선의 신뢰성을 측정한 결과 다른 연구자들에 의해 보고된 결과들과 거의 유사한 결과를 보여 주었다. 이를 바탕으로 배선의 기학적 변수에 따른 배선의 수명을 정확히 예측 할 수 있는 모델을 제안하였다.
이 모델은 MTTF(Median Time to Failure), DTTF(deviation in the time to failure)를 모두 기술할 수 있는 장점이 있는 반면 정량적으로 설명하지 못하는 “Failure Unit model”라는 모델을 발전시켜 그 금속배선의 failure unit를 polygrain과 single grain segment로 구성하고 각각의 failure unit에 물리적인 의미와 정량적인 면을 추가한 AFUM (Advanced Failure Unit Model)을 제안하였다. 이 모델을 이용하여 금속배선의 수명을 예측하여 그 실용성을 입증하였다. 이 제안 된 AFUM은 배선의 기하학적 변수와 측정전류 및 측정 온도 변수에 대해서 배선의 수명을 예측 할 수 있으며 단선에 대한 배선의 activation도 정량적으로 예측할 수 있는 일반화된 model이다. 이 모델의 결과와 실험의 결과 매우 잘 일치 하였고 기존에 알 수 없었던 새로운 결과도 유도 해 낼 수 있었다.
추가적으로 electromigration 실험에 의한 금속 배선의 결함 여부는 시간이 너무 많이 걸리는 단점이 있다. 그러나 디바이스의 제조 공정 중에 발생하는 문제로 인하여 신뢰성의 저하를 가져올 수 있고 이를 바로 monitoring를 해서 feed back을 해야만 한다. 예를 들면 만일 sputtering시의 설비의 vacuum system이 불량하여 발생하는 신뢰성의 저하 또는 photo-lithography과정에서 발생하는 notching 또는 corrosion 발생으로 인한 신뢰성 저하 문제가 발생하고 있다. 그러므로 금속배선의 신뢰성을 in-line에서 바로 모니터링 할 수 있는 매우 빠른 측정 방법이 연구되어야 한다. 지금까지 몇 가지 wafer level에서 빠르게 측정하는 방법이 연구되었으나 본 논문에서는 기존의 방법들보다 매우 간단하며 정확히 신뢰성을 예측할 수 있는 TZMF(Time Zero Metal Failure)방법 제안하고 그 실용성을 검증하였다. 이 방법은 전류를 일정 속도로 증가 시키면서 금속 배선의 failure가 일어날 때의 failure current 측정하면 결함이 있는 금속배선의 신뢰성을 쉽게 모니터링 할 수 있었다. 이는 짧은 시간에 electromigration현상에 의한 금속배선의 결함을 초기에 모니터링이 가능한 새로운 방법이다. 이 TZMF의 방법을 이용하여 알루미늄과 구리 배선에서 신뢰성을 모니터링한 결과와 일반적인 방법으로 측정한 결과와 비교 검증하였으며 본 측정방법의 유용성에 대해서도 입증하였다.
