Visokopospešeno testiranje elektromigracije Highly Accelerated Electromigration Test
Maček M.1, Laboratorij za mikroelektroniko, Fakulteta za elektrotehniko in računalništvo, Ljubljana
A. V. Kordesch, IMP San Jose, Calofornia USA
Opisana je tehnika visokopospešenega testiranja EM na nivoju Si rezine z uporabo metode SVVEAT. Dosegljivi testni časi so tipično od 10 - 100 s, kar je približno 10 krat hitreje od standardnih testov. Za metalizacijo AI-1%Si-0.5%Cu je bila na območju od 240-400°C izmerjena aktivacijska energija Ea = 1.18 eV, kar je znatno več od literaturnih podatkov, ki se nanašajo na temperature pod 200°C, kjer pri pojavu elektromigracije prevladuje difuzija po mejah kristalnih zrn. Kljub velikemu faktorju pospešitve kaže novi test visoko občutljivost na majhne procesne spremembe, kot je na primer sprememba temperature depozlcije, in se uporablja za kontrolo metalizacije pri proizvodnji submikrometerskih integriranih vezij v firmi International Micro Products Inc., ZDA.
Ključne besede: struktura SVVEAT, elektromigracija, visokopospešeno testiranje, Al-Si-Cu tanka plast
A new highly accelerated SVVEAT wafer level electromigration test is presented. Typical test times of the new methods are 10-100 s, vvhieh is approximately 107 times faster than standard test. For the AI-1%Si-0.5%Cu metalization film is aetivation energy, Ea = equals 1.18 eV, measured in the temperature range from 240-400°C. This is considerably higher than reported values, obtained for temperatures belovv 200°C, vvhere the grain-boundary diffusion of the electromigration process prevališ. Due to high sensitivity of the new test to small variations of deposition parameters, and fast turn-a-round time, the test had been accepted for monitoring the quality of the metalization films in fabrication of submicrometer integrated circuits at International Micro Product Inc., USA.
Key vvords: SVVEAT strueture, electromigration, highly accelerated test, Al-Si-Cu thin film
1. Uvod
Pred proizvajalci kompleksnih integriranih vezij (IV) so vedno višje zahteve glede znesljivosti delovanja vezij. V bodočnosti bo zahtevana že tako visoka kvaliteta, da bo vprašanje o smiselnosti do sedaj standardnih življenskih testov. Za zagotavljanje pogostosti odpovedi pod 10 FIT s 50% intervalom zaupanja se že zahtevajo testiranja do 2x107 vezij • ur. v naslednjih letih pa se bo obseg testiranja povečal krepko preko 109 vezij • ur"1.
Navedeni obseg testiranja vodi do zmanjšanja števila testiranj na minimalni obseg. Zato se v produkciji IV vedno bol j uveljavljajo pospešeni testi na nivoju rezine, katerih tipični testni čas
1 HI | l' 10 " odpovedi na ve/, je \ I uri. dr. Marijan MAČEK
Fakulteta /a elektrotehniko in računalništvo Tržaška e. 25. (llOMI Ljubljana
je od 10 - 100 s in se izvajajo istočasno kot parametrični testi. Na ta način se omogoči hitro povratno informacijo, njihova glavna prednost pred klasičnimi testi inkapsuliranih vezij.
Opisali bomo manj znan visokopospešeni test elektromigracije (EM), kakor je bil izveden v firmi IMP.
2. Elektromigracija
V modernih IV se po kovinskih povezavah s tipičnim presekom 1 pm2 pretakajo majhni tokovi do nekaj sto uA. Vendar je gostota toka zelo visoka, po načrtovalskih pravilih pa ne sme preseči 0.2 MA/cnr. Pri tako visokem pretoku elektronov postane izmenjava gibalne količine med elektroni in kovinskimi ioni pomemben faktor, poznan pod imenom sila elektronskega vetra. Kot rezultat se pojavi masni transport ionov v smeri električnega toka, ki mu nasprotuje električni drift aktiviranih ionov. Za
nastanek elektromigracije je potrebna od nič različna divergen-ca gostote masnega toka ionov. Posledica EM je tvorba mikropraznin. ki povzroče prekitve prevodnih linij, in mikroizrastlin, ki povzroče stike med različnimi prevodnimi plastmi.
Čas. v katerem zaradi EM odpove 50% kovinskih testnih struktur (Median Time to Failure. MTTF), obremenjenih z enosmernim tokom gostote j na temperaturi T izračunamo iz empirične Blacko\c enabe':i:
(D
MTTFdc = ,4() / exp| -j-^
3. Standardni pospešeni test elektromigracije na nivoju rezine (SWEAT)
Prvič sta test predstavila leta 1985 Root in Turner15'. Glavna odlika tega visokopospešenega testa EM je njegova visoka sposobnost absorbcije Joulovc toplote in linearna odvisnost upornosti od sproščene moči. Tipično so dosegljive vsaj dvakrat večje gostote toka v ozkem segmentu kakor v enakomerno široki liniji. To omogoča, daje tipična temperatura med testom pod 350°C, kjer dominantni mehanizem migracije ni več difuzija v notranjosti kristalnih zrn.
Za pravilno interpretacijo rezultatov testa SWEAT moramo poznati temperaturo v ozkem segmentu širine Wn. Za izhodišče si vzamemo Schafftov"" model za izračun temperature v zelo dolgi (/—»<*>) kovinski liniji skozi katero teče električni tok 1.
v kateri pomeni m potenco tokovne odvisnosti, m =1.5 2. faktor A„ pa je odvisen od geometrije in mikrostrukture prevodne linije ter tudi notranjih napetosti. Aktivacijska energija E, za temperature pod 1/2 tališčne temperature, kjer prevladuje difuzija ionov na kristalnih mejah, znaša za zlitino AI-l%Si okrog 0.55eV. Pri višjih temperaturah prevladuje elektromigracija v kristalnih zrnih, kar se odraža v mnogo višji aktivacijski energiji, Ea = 1.48 eV.
Iz enačbe (11 sledi, da lahko EM pospešimo s povečevanjem toka in povišanjem testne temperature. V primeru testiranja inkapsuliranih vezij je zgornja meja temperature okrog 240°C, medtem ko so tokovi omejeni na 2-4 MA/cnr, ko se segrejejo kovinske linije že preko 20°C nad temperaturo okolja. Dosegljiv faktor pospešitve je potemtakem okrog 1(1J, kar pomeni, da potrebujemo za tipično testiranje nekaj deset ur in več, ne-upoštevajc pripravo inkapsuliranih vzorcev.
V	primeru testiranja na nivoju rezine lahko dosežemo mnogo višje temperature in električne tokove. V skladu z (1) so dosegljivi do tisočkrat višji faktorji pospešitve. Tipičen čas za vi-sokopospešen test na nivoju rezine se tako zniža na nekaj deset sekund.
V	zadnjih nekaj letih je bilo razvitih več metod za testiranje EM na nivoju rezin. Najpomebnejši med njimi sta metoda meritve prekinitvene energije kovinske linije, imenovana s kratico BEM14' (Breakdovvn Energv of Metals) in standardni pospešeni test EM na nivoju rezine, poznan s kratico SWEAT'51 (Standard NVafer-levcl EM Accelerated Test). Pri obeh testih poteka segrevanje kovinske strukture s pomočjo sproščene Joulove toplote v kovini, dodatno zunanje segrevanje substrata pa ni potrebno. V primeru testa BEM je struktura kovinska linija enakomerne širine in dolžine več sto mikrometrov z raznimi, tudi najbolj neugodnimi topografijami. Za test SWEAT se uporabljajo posebej zato razvite strukture. pri katerih si izmenično sledijo široki in ozki segmenti, kakor je to prikazano na sliki 1. Tudi v tem primeru naj bodo ozke linije načrtane preko najneugodnejših topografij. Tako načrtana struktura je še dodatno občutljiva na pojav EM. saj ciklično spreminjanje preseka povzroči divergenco gostote toka, kar skupaj z različno sposobnostjo odvajanja toplote povzroči pojav termičnih gradientov. Bistvena razlika med obema testoma je v načinu izvajanja testa. Pri testu BEM stopničasto povečujemo tok. dokler se linija ne prekine podobno kot varovalka. Nasprotno pri testu SWEAT s primernim matematičnim algoritmom poskrbimo za čim konstantnejši faktor pospešitve Test je možno izvajati tudi pri konstantnem toku ali temperaturi, in tudi na preprosti enakomerno široki kovinski liniji.
J_ R - R(7\ )
P HJI)2- 1 V R(TS)

(2)
kjer pomeni T„ temperaturo substrata in temperaturni koeficient upornosti.
Povprečen dvig temperature za strukturo SWEAT z neenakomerno širino W določimo na podoben način. Povezan je z močjo P in spremembo upornosti AR=R-R(TS) z enačbo
(3) K
AR
Poleg povprečnega dviga temperature, je pomembna tudi maksimalna temperatura v sredini ozkega segmenta, ki je povezana s povprečnim dvigom z naslednjo zvezo:
T^_Ts = y<T-Ts>
(4)
N-21	L-23.6 um
Wn»2 um Ln-8 um Ww-16.7 um Lw8.3 um
Slika 1: Shematski prikaz testne strukture SWEAT z najpomembnejšimi parametri, kakor so bili uporabljeni pri naših testih Figure I: Schematic representation of the SWEAT test strueture and parameters relevant for our studies
element SVVEAT etrueture
SWEAT unit
1.30
1.25
1.20
1.15
g 1.1 0
1.05 -
1.00
35
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 A R/R(TS)
□ 1-D model - g-1»afc\ R/R(Ts)|
Slika 2: Odvisnost parametra y= (T"Ul„-TJ/<(T-TJ> od spremembe upornosti AR/Rt IJ preračunano po l-D modelu za različne tokovne obremenitve ///„
Figure 2: Dependence of the parameter y= (TUm-TJI<(T-TJ> on the relative resistance change AR/R(TJ at different normalized currents = (///„„). Dashed lines are limits calculated from the R&T model
Parameter y je komplicirana funkcija geometrije strukture in tokovne obremenitve. V nekoliko modificiranem Root-Turnerjevem modelu17' izračunamo y iz geometrijskih podatkov:
7
(n„ + An,)(n„ + /i„ + n,) (nn + An, )2 + {nlv +(1 - A )/;,}'
(5)
kjer pomeni /t,,,,,, število kvadratov ozkega, prehodnega in širokega območja strukture prikazane na sliki I. Parameter X = 0. če prehodno območje obravnavamo kot široko, oziroma A. = 1. če ga obravnavamo kot ozko območje.
Odvisnost koeficienta y od spremembe upornosti AR/R('I\) izračunana na osnovi 1-D modela prevajanja toplote181 in z upoštevanjem temperaturno odvisnih koeficientov toplotne prevodnosti kovine in izolatorja za strukturo s slike 1 je prikazana na sliki 2. Vrednosti y= 1.16 in "p 1.08 iz enačbe (5) sta dobri spodnji oceni za prvi oziroma drugi nivo metalizacije.
Test SWEAT se izvaja tako, da je faktor pospešitve konstanten, kar lahko izrazimo z ciljnim časom odpovedi TTF. Iz upornosti /?(/,./,) izmerjene v času t = t,, iz enačbe (4) izračunanega kritičnega toka /,. = /„f?,) in na sliki 2 prikazane odvisnosti parametra y = 70,) lahko vedno izračunamo tok I s katerim bomo obremenili testno strukturo v času t: tako, da bomo dosegli željen faktor pospešitve. S kombinacijo enačb (1-4) dobimo transcendenten izraz za tok I. ki ga rešimo z Nevvton-Raphsonovo metodo iteracije:
F(/) = (TTF)! """^p
E,
/cmjr, +(7//J)[(/„//)2 -t]|
-/ =0
(6)
Rezultat meritve parametrov med izvajanjem obremenitve na eni od testnih struktur je prikazan na sliki 3. Vidimo, da
+ 3s
<ttf>«29.9+-1.1 s
4'r i»111"v'•«',,> ^,,/rr^'Trv, f^.'i
. "m .■«■	«,;... •... .
20
15
<j> = 19.95+-0.05 MA/cm
" 11 f ' dT/<T> j ,d R / < RI
10 20 30 40 50 60
■2%"'
t [s]
Slika 3: Izmerjeni parametri pomembni za izvedbo testa SWEAT s konstantnim faktorjem pospešitve oziroma konstantnim ciljnim
časom odpovedi TTF Figure 3: Parameters measured during the SVVEAT test with the constant acceleration lactor. Target time to fail TTF for this test was 30 s
sorazmerno majhna nihanja v temperaturi in upornosti prispevajo k znatni (3%) nenatančnosti parametra TTF. kar je razumljivo če upoštevamo eksponentno odvisnost v enačbi (1).
Parameter A„ in aktivacijska energija, potrebna za izračun TTF iz enačbe (1) sta bila določena iz odvisnosti MTTF od 1/kT prikazane na sliki 4. Izmerjena aktivacijska energija določena za temperature od 250-400°C znaša 1.18±0.10 eV. To je znatno nad literaturno vrednostjo 0.7-0.8 eV za zlitino Al-l%Si-0.5%Cu določeno s konvencionalnimi testi na temperaturi pod 240°C in blizu vrednosti leV poročani v '"' za podobne pogoje obremenjevanja . Konstanta A„ zavzema za različne strukture vrednosti od 6x103 do 3xl0J A17 cm ,4s (Ea = 1.18 eV. m = 1.7).
Na sliki 5 je prikazan mikroskopski posnetek strukture SWEAT. ki pokaže kopičenje kovine v ozkem segmentu in tvorbo praznin v prehodnem in širokem segmentu po dolgotrajnem (>10J s) obremenjevanju s tokom j = 18.5 MA/cm:, kar je povzročilo povprečen največji dvig temperature ATmax = 324°C.
Kljub visoki pospešenosti testa (T=325 + 2 C. j = 20.42±0.5 MA/cnr) je test dokaj občutljiv na spremebe parametrov nanašanja aluminija. Na sliki 6 sta prikazani kumulativni log-nor-malni porazdelitvi odpovedi za Al, nanešen na dveh različnih temperaturah, 150 in 300°C. Opazna je znatna razlika v kvaliteti plasti v dobro Al nanešenemu na višji temperaturi, ki se odlikuje po večjih kristalnih zrnih. Dominanten mehanizem EM na srednjih temperaturah je difuzija kovinskih ionov po kristalnih mejah.
Določeno /a temperaturni interv al od 210-310 C in tok 16M A/eni
1.0+05
1.E+04
1.E + 03
£ 1.E + 02
1.E+01
Maček M., A.V. Kordesch: Visokopospešeno testiranje elektromigracije 400 350 300 250°C
1.E + 00	S	X	BEM-1 +	BEM-3 ■ BEM-M2
	j	□	SW-A0 A	SW - A1 0 SW-M2
1.E-01
16 17
18 19 1/kT [eV
20
-11
21 22 23
Slika 4: Odvisnost MTTF merjeno na različnih testnih strukturah, ter različnimi temperaturami substrata v odvisnosti od l/kT. Za primerjavo so dodane tudi vrednosti MTTF merjene na kovinskih linijah za test BEM Figure 4: Dependence of the MTTF for different SWEAT test structures versus temperature l/kT. For comparison values of MTTF measured on the straight metal lines for the BEM test are included

SWEATA2 ttf>104S Ai/TiW/Ti W# 1/2 LOT: MS 232016
Slika 5: Mikroskopski posnetek povsem pasivirane strukture SWEAT po netjpjčno dolgotrajni (>104 s) obremenitvi, (j = 18.5 MA/cnr,
ATmax = 324°C). Puščica kaže smer elektronskega toka Figure 5: Micrograph of the passivated SWEAT structure A2 after unusuall) long o 10J s) stress. (j = 18.5 M A/cm", ATm„ = 324°C). The arrow indicates the direction of the electron flow
4. Zaključek
Visokopospešeni test SWEAT omogoča zasledovanje kvalitete metalizacije v proizvodnji IV na nivoju rezine. Tipični testni čas je pod 100 s. kar pomeni, da lahko test izvajamo istočasno z ostalimi parametričnimi testi. Izmerjena aktivacijska energija
10 100 čas [s]
Slika 6: Vpliv temperature nanašanja Al na kumulativno log-normalno porazdelitev odpovedi merjeno s testom SWEAT. (T = 325 ± 2°C, j = 20.42 MA/cnr. ciljni čas odpoveti TTF = 30 s) Figure 6: Dependence of the log-normal_distributed cumulative failure rate measured by the SWEAT lest. (ATm„ = 325 ± 2°C. j = 20.42 MA/cnr)
Ea = 1.18 eV je dokaj višja od aktivacijske energije za standardne teste pri temperaturah pod 240°C. vendar nas v primeru viso-kopospešenih testov ne zanima dolgoročna napoved zanesljivosti. Z visokopospešenimi testi ugotavljamo predvsem odstopanja značilnega parametra (v primeru testa SWEAT srednji čas odpovedi) od za določen kvalificiran proces značilne vrednosti.
5. Literatura
1 Chenming Hu. IC Reliability Simulation, IEEE Journal ofSalid-State'
Circuits, 27, 1992, 241-246' : J. R. Black, Physics of Electromigration. Proceedings of the Internatinal Reliabilitv Physics Symposium (1RPS). 1974, 142-147 5 B. K. Liew, P. Fang. N. W. Cheung, C. Hu. Reliabilitv Simulator for Interconnect and Intermetallic Contact Electromigration, IRPS, 1990, 111-118
4	C. C. Hong, D. L. Crook, Breakdown Energy of Metal (BEM) - a Nevv Technique for Monitoring Metallization Reliability at Wafer Level, IRPS, 1985, 108-114
5	B. J. Root. T. Turner, Wafer Level Electromigration Tests for production Monitoring, IRPS, 1985. 100-106
" H. A. Schafft, Thermal Analysis of Electromigration Structures, IEEE Trans. ED-34. 1987. 664-672
7	C. R. Crovvell, C. C. Shin, V. Tyree, Simulation and Testing of Temperature Distribution and Resistance versus Povver for SWEAT and related Joul-heated Metal-on-insulator Structures, IRPS, 1990. 37-43
8	M. Maček, Al V. Kordesch, Numerical Analysis of SWEAT Structure vvith an Improved 1-D Nonlinear Model, Microelctron. Reliab., 34, 1994,689-702
'' H. Katlo, M. Harada, Y. Higuchi, Wafer Level J-ramp & J-constant Electromigration Testing of Conventional & SWEAT Patterns assist-ed by Thermal & Electrfcal Simulator, IRPS, 1991, 298-305