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2005年4月号
Yield Management
45nm配線での信頼性に危険信号
Laura Peters
* * * *

 65/45nmプロセスへの移行に伴い、配線工程のインテグレーションで多くの歩留まりや信頼性の問題が浮上している。2004年12月に開催されたIEDMで台湾TSMC社のMong-Song Liang氏は、65/45nmのCu/Low-k配線構造で予想される複数の故障メカニズムの概略について説明した。また、厳しい環境下で絶縁膜/メタルスタックの強度を事前に判別する手法についても発表した。同氏は、物理的な信頼性や電気的な信頼性、製造のしやすさという観点から、体系的に最適化された統合化モジュールの重要性を強調している。
 デバイスの世代ごとに15%のRC削減を達成するために、比誘電率(k)を約85%に削減しなければならない。これにはSiOCベースの層間絶縁膜が使われる。これとSiCベースのエッチストッパ膜(k=3.0-4.5)を積層するとkの値は3.0から2.2になる。

従来のユニットプロセスによる開発フローと開発の各段階で信頼性の問題を考慮する統合化モジュール手法との比較(出典:台湾TSMC社)

 Cuめっきの電解質破壊が原因と考えられているCuボイドが、エレクトロマイグレーション(EM : Electromigration)作用やストレス・マイグレーション(SM:Stress Migration)作用を引き起こしている。EMやSMは、トレンチエッチストップ膜(ESL:Etch Stop Layer)の選択やトレンチ/ビアのアスペクト比に依存している。またこれらの要素は実効的なk値(keff)にも影響を与える。
 ユニットプロセスによる開発手法と統合化モジュール手法の比較をに示す。後者の手法には要求性能とパッケージング環境が同時に考慮しており、EMやSM、TDDB(Time-Dependent Dielectric Breakdown)などの信頼性の仕様が各モジュールに組み込まれている。さまざまなILDやダマシン構造、封止材料の歪みエネルギー解放率をシミュレーションからクラック阻止力が解明された。これは大きな歪みエネルギーと歪みエネルギーの解放率の差から求められよくkeffに追随する。金属製IMD(層間絶縁膜)をSiO2に置き換えるか、トレンチとビアのIMD厚を調整することでクラック阻止力を改善できる。歪みや熱膨張係数が小さい封止材料も、歪みエネルギー管理に役立つ。
 膜の機械的特性や化学的特性、界面特性など考慮することが、Cu/Low-k構造の完全性や信頼性に対して重要である。熱膨張係数(CTE)の不一致や低い密着性、高引張り応力などにより、Cu/バリア/IMD構造の界面に沿ってクラックが発生する可能性がある。IMD層のダメージやエッチストッパ層との低い密着性により、金属間リークや異常なTDDBが発生しやすくなるとLiang氏は述べている。

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 ビアやトレンチの絶縁膜エッチングは、通常、枚葉式エッチング装置で行われる。最初にまず、ESLとの高選択比を得るため、低圧力高パワー領域でポリマーリッチのケミストリーでエッチングする。次にトレンチをエッチングするため、低パワーでポリマーの少ないケミストリーでエッチングする。多孔質のLow-k膜へのダメージを最小限に抑えるため、イオンやラジカルの解離を抑えてエッチングしなければならない。カーボンを低減させるためにアッシングも合わせて行う必要がある。
 45nm向けのCuめっき処理には高い埋め込み特性が必要になる。PVD Cuシードのオーバーハングを避けるため、直接バリアにCuめっきを行うことが提案されている。電解質中の化学化合物を調整すると、Cuのこぶの高さを低くすることが可能になり、CMPの負担を軽減できる。電解研磨(ECP:Electro Combination Polishing)後のアニール処理は、SMと強い相互関係がある。研磨と後洗浄の間に阻害物質を付加するとCuの腐食防止に役に立つ。

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