JP4889040B2 - Metal wiring reliability evaluation apparatus and method, and recording medium storing program for metal wiring reliability evaluation - Google Patents

Metal wiring reliability evaluation apparatus and method, and recording medium storing program for metal wiring reliability evaluation Download PDF

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Description

本発明は、金属配線の故障原因であるエレクトロマイグレーション(EM)損傷を予測して、信頼性を評価する技術に関する。   The present invention relates to a technique for predicting electromigration (EM) damage, which is a cause of failure of metal wiring, and evaluating reliability.

技術背景Technical background

半導体デバイスの高集積化に伴い、微細素子を接続する金属配線に関し、その微細化に伴う信頼性低下が重要な問題である。金属配線の主な故障原因としてエレクトロマイグレーション(EM)が挙げられる。EMとは、高密度電子流により配線を構成する金属原子が移動する現象のことである。EMによる原子流束が不均一な場所では、局所的な原子の損失あるいは蓄積が生じ、これを原子流束の発散という。原子の損失あるいは蓄積によりそれぞれボイド(空隙部)やヒロック(金属原子塊)が生じる。通電に伴いボイドが成長し配線の断面積が減少すると、電流密度は増加しそれに伴い局所的に温度が上昇して溶断に至る。配線の信頼性確保のためには、ボイドあるいはヒロックの形成および断線といったEM損傷の的確な予測が肝要である。   Along with the high integration of semiconductor devices, a decrease in reliability associated with the miniaturization of metal wiring connecting fine elements is an important issue. Electromigration (EM) can be cited as a main cause of failure of metal wiring. EM is a phenomenon in which metal atoms constituting the wiring move due to high-density electron flow. In a place where the atomic flux due to EM is not uniform, local loss or accumulation of atoms occurs, which is called atomic flux divergence. Voids (voids) and hillocks (metal atomic blocks) are generated by the loss or accumulation of atoms, respectively. When voids grow and the cross-sectional area of the wiring decreases with energization, the current density increases, and accordingly the temperature rises locally, leading to fusing. In order to ensure the reliability of wiring, it is important to accurately predict EM damage such as formation of voids or hillocks and disconnection.

これまでに、二次元の電流密度および温度分布がボイド形成に与える影響についての検討がなされ、配線の電流密度、電流密度勾配、温度、温度勾配、配線を構成する材料の物性がボイド形成の影響因子であることが明らかにされている。原子流束の発散を如何に高精度にしかも容易に求めるかがEM損傷予測の鍵である。これまでも一次元の温度分布を考慮した原子流束の発散の定式化が行われてきており、これに基づいて直線状の多結晶配線を対象に断線予測が行われている。しかし、配線の結晶粒組織すなわち、配線構造を考慮していないため、その適用は限られたものであった。また、単結晶の連続であるバンブー配線に関しては電流密度と温度の二次元分布を考慮した原子流束の発散については未だ検討がされていない。   So far, the effects of two-dimensional current density and temperature distribution on void formation have been studied, and the current density, current density gradient, temperature, temperature gradient, and physical properties of the materials constituting the wiring influence the void formation. It has been shown to be a factor. The key to predicting EM damage is how to obtain the divergence of atomic flux with high accuracy and ease. Until now, the divergence of atomic flux has been formulated in consideration of the one-dimensional temperature distribution, and based on this, the disconnection prediction has been performed for the linear polycrystalline wiring. However, since the crystal grain structure of the wiring, that is, the wiring structure is not taken into consideration, the application thereof is limited. In addition, regarding bamboo wiring, which is a continuous single crystal, atomic flux divergence considering the two-dimensional distribution of current density and temperature has not yet been studied.

配線の寿命予測はEM加速条件下の断線試験結果を実用条件下に外挿することにより行われる。この外挿には現在経験式が用いられているが、加速試験条件の選択や配線形状により予測結果が異なるといった問題があり普遍的な寿命予測法の開発が待たれていた。   The life prediction of the wiring is performed by extrapolating the disconnection test result under the EM acceleration condition under the practical condition. Empirical formulas are currently used for this extrapolation, but there is a problem that the prediction results differ depending on the selection of accelerated test conditions and the wiring shape, and the development of a universal life prediction method has been awaited.

本発明の目的は、バンブー配線のEM損傷支配パラメータである原子流束発散(AFDgen)により、ボイド或いはヒロック形成といったEM損傷および同損傷による配線の断線故障に関する予測を行うことである。 An object of the present invention is to make predictions regarding EM damage such as formation of voids or hillocks, and disconnection failure of wiring due to the damage, by atomic flux divergence (AFD gen ), which is an EM damage dominant parameter of bamboo wiring.

上記目的を達成するために、本発明は、バンブー配線を要素分割して、数値解折手法により、電流密度および温度分布を求め、結晶粒内の原子流束の発散式AFDlatを求め、バンブー配線における原子流束発散(AFDgen)の式を以下のように予め導出し、

Figure 0004889040
導出した原子流束発散(AFDgen)の式を用い、前記電流密度および温度分布と配線材料の物性定数とにより、前記分割した各要素の原子流束発散を計算し、計算した原子流束発散から、各要素の体積減少を求め、各要素の厚さの変化を求めとともに、各動作を繰り返すことにより、厚さを貫通する要素が配線幅を占める状態、或いは厚さを貫通する要素または温度が材料の融点を超える要素が配線幅を占める状態となるまで処理を行い、配線寿命および断線箇所を予測することを特徴とする。
上記の処理を実行する装置および上記の処理をコンピュータに実行させるプログラムを格納した記録媒体も本発明である。 In order to achieve the above object, the present invention divides a bamboo wiring into elements, obtains a current density and a temperature distribution by a numerical analysis method, obtains a divergence type AFD lat of atomic flux in a crystal grain, An equation for atomic flux divergence (AFD gen ) in the wiring is derived in advance as follows:
Figure 0004889040
Using the derived formula of atomic flux divergence (AFD gen ), the atomic flux divergence of each divided element is calculated from the current density and temperature distribution and the physical constant of the wiring material, and the calculated atomic flux divergence is calculated. From determining the volume reduction of each element, determining the change in thickness of each element, and repeating each operation, the element that penetrates the thickness occupies the wiring width, or the element or temperature that penetrates the thickness The process is performed until the element exceeding the melting point of the material occupies the wiring width, and the wiring life and the disconnection location are predicted.
An apparatus for executing the above processing and a recording medium storing a program for causing a computer to execute the above processing are also the present invention.

上記の説明のように、本発明のシミュレーションにより、金属配線の寿命および故障箇所の的確な予測を行うことができる。   As described above, the simulation of the present invention makes it possible to accurately predict the lifetime and failure location of the metal wiring.

本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。まず、EM損傷支配パラメータ(AFDgen)の導出の概要を説明する。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, an outline of derivation of the EM damage control parameter (AFD gen ) will be described.

(基礎的な式)
金属薄膜配線におけるEMは、結晶粒界に沿って、さらに格子拡散として結晶粒内でも生じる。よって、配線における原子流束の発散の総和AFDgenを結晶粒界および結晶粒内における原子流束の発散(Atomic Flux Divergence)の和で表し、次式で定義する。
[数2]
AFDgen=AFDgb+AFDlat (1)
ここに、AFDgbおよびAFDlatはそれぞれ結晶粒界および結晶粒内における原子流束の発散である。式(1)は、多結晶配線およびバンブー配線の双方について成立する。AFDgbおよびAFDlatを、多結晶配線およびバンブー配線の各々の配線構造を考慮して導出する。ここで結晶粒界および結晶粒内における原子の移動はともに次式で与えられる。

Figure 0004889040
ここに、Jは原子流束ベクトル、Nは原子密度、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、Z*は有効電荷数、eは単位電荷、およびρは電気抵抗率であり、Dは次式で表される拡散係数である。 (Basic formula)
The EM in the metal thin film wiring also occurs in the crystal grains as lattice diffusion along the crystal grain boundaries. Therefore, the total AFD gen of atomic flux divergence in the wiring is expressed as the sum of atomic flux divergence in the grain boundary and in the crystal grain, and is defined by the following equation.
[Equation 2]
AFD gen = AFD gb + AFD lat (1)
Here, AFD gb and AFD lat are the divergence of the atomic flux in the grain boundary and in the crystal grain, respectively. Equation (1) holds for both polycrystalline wiring and bamboo wiring. AFD gb and AFD lat are derived in consideration of the wiring structures of the polycrystalline wiring and the bamboo wiring. Here, the movement of atoms in the crystal grain boundary and in the crystal grain are both given by the following equations.
Figure 0004889040
Where J is the atomic flux vector, N is the atomic density, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, Z * is the number of effective charges, e is the unit charge, and ρ is the electrical resistivity, and D is Is a diffusion coefficient.

Figure 0004889040
ここに、D0は振動数項であり、Qは活性化エネルギである。またj*はJ方向の電流密度であり、結晶粒界においては原子が粒界にそって移動することから、j*は電流密度ベクトルjの結晶粒界方向成分である。一方、結晶粒内においては、Jとjの方向が一致することから、j*は|j|と等しくなる。図1に示す様に、jと結晶粒界とのなす角をφとすれば、
Figure 0004889040
Qは、結晶粒界または結晶粒内における値をとり、それぞれQgb、Qlatと表す。
Figure 0004889040
Here, D 0 is a frequency term, and Q is activation energy. Further, j * is a current density in the J direction, and atoms move along the grain boundary at the grain boundary, so j * is a grain boundary direction component of the current density vector j. On the other hand, in the crystal grain, since J and j are in the same direction, j * is equal to | j |. As shown in FIG. 1, if the angle between j and the grain boundary is φ,
Figure 0004889040
Q takes a value in the crystal grain boundary or in the crystal grain, and is expressed as Q gb and Q lat , respectively.

(結晶粒界における原子流束の発散)
最初に結晶粒界における原子流束の発散を考える。まず多結晶配線における結晶粒界を扱う。多結晶配線における結晶粒界を考慮するために、結晶粒界構造のモデルを導入する。図2に示す様に、平均結晶粒径bの√3/6倍の長さを持つ3本の結晶粒界で構成される三重点を内部に一つだけ含む単位厚さの四角形要素を仮定する。同要素の面積は√3b2/4である。結晶粒界IIおよびIIIは結晶粒界Iに対して対称であり、その挟角は120°に近いが、わずかに偏差2Δφが存在するものとする。
(Atomic flux divergence at grain boundaries)
First, let us consider the divergence of atomic flux at the grain boundaries. First, grain boundaries in polycrystalline wiring are handled. In order to consider the grain boundaries in the polycrystalline wiring, a model of the grain boundary structure is introduced. As shown in FIG. 2, it is assumed that a quadrilateral element having a unit thickness including only one triple point formed by three grain boundaries having a length that is √3 / 6 times the average grain size b is assumed. To do. Area of the element is √3b 2/4. The grain boundaries II and III are symmetrical with respect to the grain boundary I, and the included angle is close to 120 °, but there is a slight deviation 2Δφ.

電流密度ベクトルjのx方向成分およびy方向成分をそれぞれjx,jyとし、結晶粒界Iとx軸とのなす角をθとすると、結晶粒界I,IIおよびIIIの端部における電流密度ベクトル成分および温度は、図2に示すようにそれぞれ次のように表される。

Figure 0004889040
上述の電流密度ベクトルの成分および温度を式(2)および(3)に代入することにより、それぞれの結晶粒界端における結晶粒界にそった原子流束が得られる。ここに要素から外に出る方向を正と定義する。結晶粒界I,IIおよびIIIの端部における原子流束に粒界の幅δおよび単位厚さを乗じることにより、それぞれの粒界端における単位時間あたりの原子の移動数を得、それらを各々加える。そして微小項を無視し、さらに電流保存則を用いることで式を簡単化し、要素の体積√3b2/4で除す。このようにして、結晶粒界Iとx軸とのなす角がθなる場合の結晶粒界拡散における単位時間、単位体積あたりの減少原子数、すなわち原子流束の発散AFDgbθが次のように与えられる。
Figure 0004889040
ここに、C=ND0*e/k、ρは温度に依存した局部的な抵抗率、およびQgbは結晶粒界における活性化エネルギである。式(5)の右辺におけるかぎ括弧内の第一項は結晶粒界三重点での原子流束の発散に関係する項であり、第二項および第三項は結晶粒界自身での原子流束の発散に関係した項である。また、AFDgbθが正の値をとる場合はボイド(空隙部)の形成を、負の場合はヒロック(金属原子塊)の形成を意味する。 If the x-direction component and the y-direction component of the current density vector j are j x and j y , respectively, and the angle between the crystal grain boundary I and the x axis is θ, the current at the ends of the crystal grain boundaries I, II, and III As shown in FIG. 2, the density vector component and the temperature are expressed as follows.
Figure 0004889040
By substituting the above-described components of the current density vector and the temperature into the equations (2) and (3), the atomic flux along the crystal grain boundary at each crystal grain boundary end can be obtained. Here, the direction going out of the element is defined as positive. Multiplying the atomic flux at the ends of the grain boundaries I, II and III by the width δ and unit thickness of the grain boundaries to obtain the number of atom movements per unit time at each grain boundary edge, Add. And ignoring the small term, further simplifies the equation by using the current conservation law, be divided by a volume √3b 2/4 elements. Thus, the unit time in the grain boundary diffusion when the angle between the grain boundary I and the x axis is θ, the number of atoms decreased per unit volume, that is, the divergence AFD gbθ of the atomic flux is as follows: Given.
Figure 0004889040
Here, C = ND 0 Z * e / k, ρ is the local resistivity depending on temperature, and Q gb is the activation energy at the grain boundary. The first term in the brackets on the right side of Equation (5) is a term related to the divergence of the atomic flux at the grain boundary triple point, and the second and third terms are the atomic flow at the grain boundary itself. It is a term related to the divergence of the bundle. Moreover, when AFD gb ( theta ) takes a positive value, formation of a void (gap part) is meant, and when negative, formation of a hillock (metal atom lump) is meant.

実際の配線を考えた場合はθは任意の値をとる。よってθのとり得るすべての範囲(0<θ<2π)を考慮した流束の発散を求める必要がある。ここでボイド形成のみに着目するものとして、θが0から2πまで変化する場合のAFDgbθの正値のみの期待値を求める。ここに、AFDgbθの負の値はボイド形成に寄与しないために0とみなす。AFDgbθとAFDgbθの絶対値との和をとり2で除すことよって、AFDgbθのボイド形成への寄与分のみを抽出できる。このようにして、多結晶配線の結晶粒界におけるボイド形成に関する原子流束の発散AFDgbを次式のように導出する。

Figure 0004889040
When actual wiring is considered, θ takes an arbitrary value. Therefore, it is necessary to obtain the flux divergence in consideration of all the possible range of θ (0 <θ <2π). Here, focusing only on void formation, an expected value of only a positive value of AFD gbθ when θ changes from 0 to 2π is obtained. Here, since the negative value of AFD gbθ does not contribute to void formation, it is regarded as 0. I'm dividing by 2 takes the sum of the absolute value of AFD gbθ and AFD gbθ, can be extracted only contribution to the formation of voids AFD gbθ. Thus, the divergence AFD gb of the atomic flux related to the void formation at the crystal grain boundary of the polycrystalline wiring is derived as follows.
Figure 0004889040

次にバンブー配線における結晶粒界を扱う。バンブー配線においては結晶粒界がほとんど存在せず、存在したとしても配線長さ方向に垂直であるため、バンブー配線における結晶粒界での原子流束の発散は無視することができる。よって次式を得る。
[数9]
AFDgb=0 (バンブー配線) (7)
Next, crystal grain boundaries in bamboo wiring are handled. In the bamboo wiring, there is almost no crystal grain boundary, and even if it exists, it is perpendicular to the wiring length direction. Therefore, the divergence of the atomic flux at the crystal grain boundary in the bamboo wiring can be ignored. Therefore, the following equation is obtained.
[Equation 9]
AFD gb = 0 (bamboo wiring) (7)

(結晶粒内における原子流束の発散)
結晶粒内におけるEMによる格子拡散を考える。多結晶配線においてもバンブー配線においても格子拡散は同様に扱うことができる。結晶粒内においては原子流束ベクトルJに関してベクトル解析が可能である。式(2),(3)および(4b)に基づいて単位時間、単位体積あたりの原子の減少数AFD’latは次式で得られる。

Figure 0004889040
ここにQlatは格子拡張の支配的な粒内拡散の活性化エネルギである。さらに結晶粒界における原子流束の発散AFDgbの導出と同様に、ボイド形成のみに着目すると、多結晶配線およびバンブー配線の結晶粒内におけるボイド形成に関する原子流束の発散は次式にように導出される。
Figure 0004889040
(Atomic flux divergence in crystal grains)
Consider lattice diffusion by EM in a crystal grain. Lattice diffusion can be handled in the same way in both polycrystalline wiring and bamboo wiring. In the crystal grains, vector analysis can be performed with respect to the atomic flux vector J. Based on the equations (2), (3), and (4b), the number AFD ′ lat of atomic reduction per unit time and unit volume is obtained by the following equation.
Figure 0004889040
Here, Q lat is the activation energy of intragranular diffusion, which is dominant in lattice expansion. Further, as in the derivation of atomic flux divergence AFD gb at grain boundaries, focusing only on void formation, the divergence of atomic flux related to void formation in crystal grains of polycrystalline wiring and bamboo wiring is as follows: Derived.
Figure 0004889040

(多結晶配線およびバンブー配線のEM損傷支配パラメータ)
式(1)のAFDgbとAFDlatの和で表される配線の原子流束の発散の総和AFDgenに基づいて、多結晶配線およびバンブー配線における原子流束の発散を考える。さて、一般的な使用温度においては、結晶粒内での原子流束の発散は結晶粒界のそれと比較して無視できるほど小さい。よって、多結晶配線における原子流束の発散は、結晶粒界での原子流束の発散のみを考慮すれば十分である。したがって、多結晶配線におけるEM損傷の支配パラメータは以下の式で表される。

Figure 0004889040
式(10)および式(5)より、多結晶配線における原子流束の発散には、電流密度、電流密度勾配、温度および温度勾配が影響を及ぼしていることが分かる。 (EM damage control parameters for polycrystalline wiring and bamboo wiring)
Based on the total AFD gen of the atomic flux divergence expressed by the sum of AFD gb and AFD lat in equation (1), divergence of the atomic flux in the polycrystalline wiring and the bamboo wiring is considered. Now, at a general use temperature, the divergence of the atomic flux within the crystal grains is negligibly small compared with that at the grain boundaries. Therefore, the divergence of the atomic flux in the polycrystalline wiring is sufficient considering only the divergence of the atomic flux at the crystal grain boundary. Therefore, the dominant parameter of EM damage in the polycrystalline wiring is expressed by the following equation.
Figure 0004889040
From the equations (10) and (5), it can be seen that the current density, the current density gradient, the temperature, and the temperature gradient influence the divergence of the atomic flux in the polycrystalline wiring.

次に、バンブー配線における原子流束の発散を考える。バンブー配線における原子流束の発散は、式(7)と式(9)の和で表されるので、結晶粒内の発散のみを考慮すればよい。したがって、バンブー配線におけるEM損傷の支配パラメータは以下の式で表される。   Next, let us consider the divergence of atomic flux in bamboo wiring. Since the divergence of the atomic flux in the bamboo wiring is expressed by the sum of the equations (7) and (9), only the divergence within the crystal grains needs to be considered. Therefore, the dominant parameter of EM damage in bamboo wiring is expressed by the following equation.

Figure 0004889040
式に与える電流密度および温度の分布は数値解析により求める。解析の基礎式は、次のように表される。電界のポテンシャルφeを支配する式は
Figure 0004889040
で表される。オームの法則は、
Figure 0004889040
と表される。定常熱伝導方程式は、
Figure 0004889040
ここで、電流問題における抵抗率は一定と仮定しており、Hは配線から基板への熱の流れに関する定数で、∇2=∂2/∂x2+∂2/∂y2である。
Figure 0004889040
The current density and temperature distribution given to the equation are obtained by numerical analysis. The basic formula of the analysis is expressed as follows. The equation governing the electric field potential φ e is
Figure 0004889040
It is represented by Ohm's law is
Figure 0004889040
It is expressed. The steady state heat conduction equation is
Figure 0004889040
Here, it is assumed that the resistivity in the current problem is constant, and H is a constant related to the heat flow from the wiring to the substrate, and ∇ 2 = ∂ 2 / ∂x 2 + ∂ 2 / ∂y 2 .

配線材料の物性定数は、直線状の配線を用いた加速試験(acceleration test)により決定される。定数ρ0およびαは、直線形状の金属配線の電気抵抗を計測することで得られる。定数Hは数値解折から得た温度分布を基に計算した金属配線の電気抵抗値が計測値と等しくなるように決める。多結晶配線に対する活性化エネルギQgbは、1/Tに対するlnVT/(jinρ)のプロットの傾斜から与えられる。ここでjinは入力電流密度、Vは3つの加速条件の場合における一定時間通電後の配線の中心領域のボイドの体積である。ボイドの体積は走査電子顕微鏡(scanning electron microscope:SEM)により計測したボイドの全面積に薄膜の厚さを乗じることで推定する。一方、バンブー配線における結晶粒内の活性化エネルギQlatは、lnVT2/ρを1/Tに対してプロットした直線の傾きから求める。ここでVは、直線形状のバンブー配線に3種類の異なる基板濃度において電流を一定時間入力し、通電後それぞれについて配線陰極端近傍を原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope AFM)により計測して得られるボイド体積である。定数Δφは、配線の中心領域内のボイド体積と陰極側の端近傍のボイド体積の比の計算値が、計測値の比と等しくなるように決める。定数Cgbは実験で計測されたボイド体積と計算値との関係から得られる。このように、すべての未知定数は直線の配線を用いた実験結果のみから決定できる。 The physical property constant of the wiring material is determined by an acceleration test using linear wiring. The constants ρ 0 and α can be obtained by measuring the electrical resistance of the linear metal wiring. The constant H is determined so that the electric resistance value of the metal wiring calculated based on the temperature distribution obtained from the numerical analysis is equal to the measured value. The activation energy Q gb for the polycrystalline wiring is given from the slope of the plot of lnVT / (j in ρ) with respect to 1 / T. Here, j in is the input current density, and V is the volume of the void in the central region of the wiring after energization for a predetermined time in the case of three acceleration conditions. The void volume is estimated by multiplying the total area of the void measured by a scanning electron microscope (SEM) by the thickness of the thin film. On the other hand, the activation energy Q lat in the crystal grains in the bamboo wiring is obtained from the slope of a straight line in which lnVT 2 / ρ is plotted against 1 / T. Here, V is obtained by inputting a current to the linear bamboo wiring at three different substrate concentrations for a certain period of time and measuring the vicinity of the wiring cathode end with an atomic force microscope (Atomic Force Microscope AFM) after each energization. Void volume. The constant Δφ is determined so that the calculated value of the ratio of the void volume in the central region of the wiring and the void volume in the vicinity of the cathode side end is equal to the ratio of the measured values. The constant C gb is obtained from the relationship between the void volume measured in the experiment and the calculated value. In this way, all unknown constants can be determined only from experimental results using straight wiring.

(AFDgenを用いた数値シミュレーション)
金属配線における寿命および断線箇所は、ボイドの初生、成長から断線故障までのプロセスの数値シミュレーションを多結晶配線やバンブー配線のAFDgenを用いて行うことにより予測する。ここで、ボイド成長に伴う電流密度および温度の分布の変化をAFDgenの計算において考慮する。
(Numerical simulation using AFD gen )
The lifetime and disconnection location in the metal wiring are predicted by performing numerical simulation of processes from the initial generation and growth of voids to disconnection failure using AFD gen of polycrystalline wiring and bamboo wiring. Considered here, a change in the distribution of the current density and temperature due to the void growth in the calculation of AFD gen.

数値シミュレーションにおいて、金属配線は要素に分割される。より小さい要素サイズを用いるとより現実に近い結果を得ることができる。要素の厚さは、図3のフローチャートに示される手順で変化させる。まず、電流密度および温度の分布は2次元有限要素解析(FEM解析)などの数値解析手法により得られる(S304)。各要素の原子流束の発散AFDgenは、これらの分布と予め加速試験により決定される配線材料の物性定数(S306)を用いることにより計算される(S308)。シミュレーションにおける1計算ステップあたりの体積減少(S312)は、各要素の体積、1計算ステップに対応する時間、原子体積を計算された原子流束の発散に乗じることにより与えられる(S310)。ここで1計算時間は現実の時間を割り当てる。体積の減少量を、各要素における厚さの減少量に換算する(S314)。厚さが減少した要素においては、ボイドが形成されたことを示しており、そのボイドの深さは要素の厚さの減少量に対応している。金属配線における電流密度と温度の分布の数値解析を各要素の厚さを考慮して再び行う(S304)。このように図3に示す計算を繰り返し行う。 In the numerical simulation, the metal wiring is divided into elements. Using a smaller element size can give a more realistic result. The thickness of the element is changed by the procedure shown in the flowchart of FIG. First, the current density and temperature distribution are obtained by a numerical analysis method such as two-dimensional finite element analysis (FEM analysis) (S304). The divergence AFD gen of the atomic flux of each element is calculated by using these distributions and physical property constants (S306) of the wiring material determined in advance by an acceleration test (S308). The volume reduction per calculation step in the simulation (S312) is given by multiplying the volume of each element, the time corresponding to one calculation step, and the atomic volume by the calculated divergence of the atomic flux (S310). Here, an actual time is assigned to one calculation time. The volume reduction amount is converted into a thickness reduction amount in each element (S314). An element with reduced thickness indicates that a void has been formed, and the depth of the void corresponds to the amount by which the thickness of the element is reduced. Numerical analysis of the current density and temperature distribution in the metal wiring is performed again in consideration of the thickness of each element (S304). In this way, the calculation shown in FIG. 3 is repeated.

(多結晶配線における数値シミュレーション)
この手順による多結晶配線に対する数値シミュレーションは、ある時間経過後のボイドの分布および故障箇所を十分に予測することができる。さらに寿命の予測を行うために、次のことをシミュレーションにおいて考慮する必要がある。結晶粒界に沿って選択的に成長し、スリット状に成長したボイドが互いに結合しながら配線幅の方向へ伸びるという、多結晶配線におけるボイドの成長形態(morphology)である。パラメータAFDgenは、ボイド形成が結晶粒界において行われるとの仮定に基づいて導出されているが、最終的に金属配線の任意の点におけるボイド形成の期待値に拡張されている。ここで、もう一度ボイド形成の形態を、結晶粒界に沿ったスリット状のボイドの形成に変換する。配線の要素分割において、スリット状のボイドを構成するための専用の要素を、図4のように配置する。ここで、図4Aは、後に図6で用いられる配線の有限要素モデルの例を示している。図4B、図4C、図4Dはそれぞれの箇所の拡大図である。
(Numerical simulation in polycrystalline wiring)
The numerical simulation for the polycrystalline wiring by this procedure can sufficiently predict the distribution of voids and the failure location after a certain period of time. In order to further predict the life, the following must be considered in the simulation. This is a void growth morphology in a polycrystalline wiring, in which voids that grow selectively along the crystal grain boundary and grow in a slit shape extend in the direction of the wiring width while being coupled to each other. The parameter AFD gen is derived based on the assumption that the void formation is performed at the crystal grain boundary, but is finally expanded to the expected value of the void formation at an arbitrary point of the metal wiring. Here, the form of void formation is once again converted to the formation of slit-like voids along the crystal grain boundaries. In the element division of the wiring, dedicated elements for forming slit-like voids are arranged as shown in FIG. Here, FIG. 4A shows an example of a finite element model of wiring used later in FIG. 4B, 4C, and 4D are enlarged views of the respective portions.

スリット状のボイドのための専用の要素の厚さは、その要素および隣接する要素におけるAFDgenの計算に基づいて減少する。スリットのピッチは平均結晶粒径により定められる。スリットの幅は、配線材料の物性定数の1つであるが、図5に示す手順に従って得ることができる。 The thickness of a dedicated element for a slit-like void is reduced based on the calculation of AFD gen in that element and adjacent elements. The pitch of the slits is determined by the average crystal grain size. The width of the slit is one of the physical constants of the wiring material, and can be obtained according to the procedure shown in FIG.

図5において、SEM観察を行いながら、加速試験を断線故障が起こるまで実施する(S504)。故障が起きる寸前に得た金属配線のSEM画像から、スリット状のボイドが密集する領域、即ち断線故障がまもなく生じる場所を抽出する(S502)。配線の長手方向軸に沿った密集する領域の長さ(S506)をスリットのピッチで割って、密集領域に含まれるスリットの数を得る(S510)。他方、密集領域中のスリット状のボイドの全面積を測定する(S508)。ボイドの全面積をスリットの数および配線幅で割ると、シミュレーションにおけるスリットの実効幅が得られる(S512)。スリット幅の決定の実験は、定数ρo ,α,H,Δφ,およびCgbを決定するために使用される試料を用いて行われる。 In FIG. 5, while performing SEM observation, an acceleration test is performed until a disconnection failure occurs (S504). From the SEM image of the metal wiring obtained just before the failure occurs, a region where slit-like voids are concentrated, that is, a place where a disconnection failure is about to occur is extracted (S502). The length of the dense area along the longitudinal axis of the wiring (S506) is divided by the slit pitch to obtain the number of slits included in the dense area (S510). On the other hand, the total area of the slit-like voids in the dense region is measured (S508). If the total area of the void is divided by the number of slits and the wiring width, the effective width of the slit in the simulation is obtained (S512). The experiment for determining the slit width is performed with the sample used to determine the constants ρ o , α, H, Δφ, and C gb .

スリット状ボイド形成用の要素の厚さの変化を考慮して、寿命予測に対する数値シミュレーションの計算プロセスは、厚さを貫通する要素が配線幅を占める状態或いは厚さを貫通する要素または温度が材料の融点を超える要素が配線幅を占める状態と定義した金属配線の故障まで繰り返し実行される。このように、数値シミュレーションは、動作条件における金属配線の寿命とともに故障箇所を予測することができる。   In consideration of changes in the thickness of elements for forming slit-like voids, the numerical simulation calculation process for life prediction is based on the condition that the element that penetrates the thickness occupies the wiring width or the element or temperature that penetrates the thickness is the material. The process is repeatedly performed until the failure of the metal wiring defined as the state in which the element exceeding the melting point occupies the wiring width. As described above, the numerical simulation can predict the failure location together with the life of the metal wiring in the operating condition.

(多結晶配線における予測方法の検証)
図6に示す2つのアルミニウム多結晶配線を寿命と故障箇所の予測に使用した。折れ曲がった金属配線は電流密度と温度が2次元分布となる。また予測に必要な定数は、直線配線を用いた簡単な加速試験により与えられる。2つの配線を試料1および試料2と呼ぶ。これらは図6Aに示す様に、形状のみならず試験条件も異なっている。
(Verification of prediction method for polycrystalline wiring)
Two aluminum polycrystalline wires shown in FIG. 6 were used for prediction of lifetime and failure location. The bent metal wiring has a two-dimensional distribution of current density and temperature. The constants necessary for prediction are given by a simple acceleration test using straight wiring. The two wirings are called sample 1 and sample 2. As shown in FIG. 6A, they differ not only in shape but also in test conditions.

一般的な動作条件と比較して、高い電流密度と温度を試験条件として選択した。この理由は、実験による検証に必要な時間を短縮するためである。AFDgenを計算するための物性定数は、図14の表に示すように求められる。平均結晶粒経サイズは、集束イオンビーム(focused ion beam :FIB)装置を用いて測定される。数値シミュレーションを実行することにより、エレクトロマイグレーションによる断線故障は、試料1および試料2のそれぞれに対して予測される。試料1の場合の、AFDgen分布およびボイド分布における時間に対する変化は、図7および図8にそれぞれ示されている。試料2の場合の、AFDgen分布およびボイド分布における時間に対する変化は、図9および図10にそれぞれ示されている。時間に関するボイド分布の変化は、膜厚の等値線により示されている。ボイド成長による電流密度と温度の分布の変化により、AFDgen分布は時間とともに変化する。試料1の場合、金属配線故障は、7700sの寿命で起こり、故障箇所は配線の陰極端部であると予測される。他方、試料2に対する故障は、寿命3400sで起こるとともに、故障箇所としては角部の陰極側であると予測される。 High current density and temperature were selected as test conditions compared to common operating conditions. The reason for this is to shorten the time required for verification by experiment. The physical constants for calculating AFD gen are obtained as shown in the table of FIG. The average grain size is measured using a focused ion beam (FIB) apparatus. By executing the numerical simulation, a disconnection failure due to electromigration is predicted for each of the sample 1 and the sample 2. The changes with time in the AFD gen distribution and the void distribution for the sample 1 are shown in FIGS. 7 and 8, respectively. The changes with time in the AFD gen distribution and the void distribution for Sample 2 are shown in FIGS. 9 and 10, respectively. The change in the void distribution with respect to time is indicated by the contour line of the film thickness. Due to changes in current density and temperature distribution due to void growth, the AFD gen distribution changes with time. In the case of Sample 1, the metal wiring failure occurs with a lifetime of 7700 s, and the failure location is predicted to be the cathode end of the wiring. On the other hand, the failure with respect to the sample 2 occurs at a lifetime of 3400 s, and the failure portion is predicted to be on the cathode side of the corner.

この予測結果を検証するために、シミュレーションと同じ配線の寸法および条件で実験が行われた。試料1として11個の試験片が使用され、試料2として12個の試験片が使用された。アルミニウム薄膜を真空蒸着により、シリコン酸化膜に覆われているシリコン基板上に形成する。試験片は、アニーリングの後、エッチングによりパターン化する。試験片は図11に示す装置を用いて、金属配線が開路(open)するまで試験される。その後、試験片はSEMで観察される。   In order to verify this prediction result, an experiment was conducted with the same wiring dimensions and conditions as in the simulation. 11 specimens were used as sample 1 and 12 specimens were used as sample 2. An aluminum thin film is formed on a silicon substrate covered with a silicon oxide film by vacuum deposition. The specimen is patterned by etching after annealing. The test piece is tested using the apparatus shown in FIG. 11 until the metal wiring is opened. Thereafter, the specimen is observed with SEM.

図12および図13に、断線故障の頻度分布と故障するまでの平均時間の実験結果を示す。図12Aに示すように、試料1の場合、11個の試験片全てから得られた故障までの平均時間は6731sである。最も頻度が高い故障箇所は、配線の陰極端である。予測された故障箇所、即ち陰極端で開路した6個の試験片の平均断線時間は6820sであり、これは11個の試験片から得られた故障までの平均時間に近い。他方、試料2では、12個全ての試験片から得られた故障までの平均時間は3655sであり、角部の陰極側が最も故障の頻度の高い箇所の1つである(図13A参照)。   12 and 13 show the experimental results of the frequency distribution of disconnection faults and the average time until failure. As shown in FIG. 12A, in the case of sample 1, the average time to failure obtained from all 11 test pieces is 6731 s. The most frequent failure location is the cathode end of the wiring. The average failure time of the predicted failure location, that is, the six test pieces opened at the cathode end is 6820 s, which is close to the average time to failure obtained from the 11 test pieces. On the other hand, in Sample 2, the average time to failure obtained from all 12 test pieces is 3655 s, and the cathode side of the corner is one of the most frequently failed locations (see FIG. 13A).

(バンブー配線における数値シミュレーション)
バンブー配線EM損傷の支配パラメータAFDgenを用い、EMによるボイドの形成、成長から断線に至る過程の数値シミュレーションを行う。これにより、ボイドの形成、成長に伴う電流密度の分布および温度分布の時間変化を考慮して配線寿命および断線箇所を予測することが可能となる。
(Numerical simulation in bamboo wiring)
A numerical simulation of the process from formation and growth of voids by EM to disconnection is performed using the dominant parameter AFD gen of the bamboo wiring EM damage. As a result, it is possible to predict the wiring life and the disconnection location in consideration of the temporal change of the current density distribution and the temperature distribution accompanying the formation and growth of voids.

シミュレーションでは、想定した配線を図15に示すように要素分割し、各々の要素厚さを図3のフローチャートに示した方法で変化させる。二次元有限要素解析等の数値解析手法により配線内の電流密度および温度の分布を求め(S304)、その結果と予め実験で求めた配線の物性定数(S306)を用いて、各要素のAFDgenを計算する(S308)。これに各要素の体積、シミュレーション上の1タイムステップの時間および原子体積を乗じる(S310)ことにより、各要素で1タイムステップの間に減少する体積を算出する(S312)。ここに1タイムステップの時間は実際の時間に対応している。各要素の体積を減少させ、これに応じて各要素の厚さを変化させる(S314)。厚さが減少した要素においてはその減少分に対応した厚さのボイドが形成されたとみなす。次いで、厚さ変化に対応した電気抵抗変化および熱伝導変化を各要素に考慮した上で、再度電流密度、温度の数値解析を行い、以降の計算を繰り返す。厚さが初期の厚さに比べ十分に零とみなせるようになった要素が配線幅方向に貫通した時点、或いは厚さが零の要素または温度が材料の融点を超える要素が配線幅を占めた時点をシミュレーション上の断線と定義し、計算を終了する。 In the simulation, the assumed wiring is divided into elements as shown in FIG. 15, and the thickness of each element is changed by the method shown in the flowchart of FIG. The current density and temperature distribution in the wiring is obtained by a numerical analysis method such as two-dimensional finite element analysis (S304), and the AFD gen of each element is obtained using the result and the physical property constant (S306) of the wiring obtained in advance by experiment. Is calculated (S308). By multiplying this by the volume of each element, the time of one time step on the simulation, and the atomic volume (S310), the volume that decreases during one time step is calculated for each element (S312). Here, the time of one time step corresponds to the actual time. The volume of each element is reduced, and the thickness of each element is changed accordingly (S314). In the element whose thickness is reduced, it is considered that a void having a thickness corresponding to the reduced amount is formed. Next, the electric resistance change and the heat conduction change corresponding to the thickness change are taken into consideration for each element, and then numerical analysis of the current density and temperature is performed again, and the subsequent calculation is repeated. When the element whose thickness is considered to be sufficiently zero compared to the initial thickness penetrates in the wiring width direction, or the element whose thickness is zero or the element whose temperature exceeds the melting point of the material occupied the wiring width The time is defined as a disconnection in the simulation, and the calculation ends.

(バンブー配線における予測方法の検証)
断線予測対象として図16に示す三種類のAlバンブー配線を用いた。ここで折れ曲がる配線においては電流密度分布、温度分布は二次元分布を呈する。配線角部から陽極端までの長さをA、配線角部から陰極端までの長さをBとする。A=14.0μm、B=8.0μmの配線をASYM(+)、A=11.2μm、B=10.9μmの配線をSYM、A=8.0μm、B=13.9μmの配線をASYM(−)と呼ぶことにする。それぞれの形状において、入力電流密度、基板温度の試験条件は同一とした。配線幅は図16に示すが如く一定ではなく、角部より陽極側の配線幅の方が陰極側よりわずかに細い。検証実験に要する時間の短縮のため、一般的な実用条件よりも高い約15MA/cm2なる高密度電流と393Kなる温度を試験条件として選んだ。流した電流量は72.0mAである。AFDgen計算に必要な薄膜の物性値は、図17に示す表のように求まった。なお本予測において定数Hとλは、直線形状の配線と折れ曲がる配線の各々について、二次元有限要素解析による温度分布のシミュレーションに基づいて計算した配線抵抗値とそれぞれの形状における実験で計測した配線抵抗値が一致するように決定した。一般に薄膜の熱伝導率はバルクのそれよりも低いといわれているが、得られたλは1.55×10-4W/(μm・K)であり、バルク値よりも低い。
以上のような物性を用いて数値シミュレーションを行い、ASYM(+)、SYM、ASYM(−)の三種類の配線各々についてEMによる断線を予測した。
(Verification of prediction method in bamboo wiring)
Three types of Al bamboo wiring shown in FIG. 16 were used as the disconnection prediction target. In the wiring bent here, the current density distribution and the temperature distribution exhibit a two-dimensional distribution. The length from the wiring corner to the anode end is A, and the length from the wiring corner to the cathode end is B. A = 14.0 μm, B = 8.0 μm wiring is called ASYM (+), A = 11.2 μm, B = 10.9 μm wiring is called SYM, A = 8.0 μm, B = 13.9 μm wiring is called ASYM (−). To. In each shape, the test conditions of the input current density and the substrate temperature were the same. The wiring width is not constant as shown in FIG. 16, and the wiring width on the anode side is slightly narrower than the cathode side than the corner. In order to shorten the time required for the verification experiment, a high density current of about 15 MA / cm 2 and a temperature of 393 K, which are higher than general practical conditions, were selected as test conditions. The amount of current passed is 72.0 mA. The physical property values of the thin film necessary for the AFD gen calculation were obtained as shown in the table of FIG. In this prediction, the constants H and λ are the wiring resistance value calculated based on the simulation of the temperature distribution by two-dimensional finite element analysis and the wiring resistance measured in the experiment for each shape, for each of the linear wiring and the bent wiring. The values were determined to match. In general, it is said that the thermal conductivity of the thin film is lower than that of the bulk, but the obtained λ is 1.55 × 10 −4 W / (μm · K), which is lower than the bulk value.
Numerical simulation was performed using the physical properties as described above, and disconnection due to EM was predicted for each of the three types of wirings ASYM (+), SYM, and ASYM (−).

ASYM(+)の場合におけるAFDgenの分布とボイドの分布の経時変化をそれぞれ図18および19に示す。また同様に、SYMの場合を図20および21に、ASYM(−)の場合を図22および23にそれぞれ示す。ここでボイド分布は配線厚さの等値線により表示している。AFDgenの分布はボイドの成長に伴う電流密度および温度分布の変化により通電開始後、時間の経過とともに変化をしている。ASYM(+)については、配線角部の陽極側で通電開始後7100s後の断線を予測した。また、SYMについては、角部陽極側で7000s後の断線を予測した。一方ASYM(−)については、配線の陰極端近傍で5200s後の断線を予測した。 FIGS. 18 and 19 show the changes over time in the distribution of AFD gen and the distribution of voids in the case of ASYM (+), respectively. Similarly, the case of SYM is shown in FIGS. 20 and 21, and the case of ASYM (−) is shown in FIGS. 22 and 23, respectively. Here, the void distribution is indicated by an isoline of the wiring thickness. The distribution of AFD gen changes over time after the start of energization due to changes in current density and temperature distribution accompanying the growth of voids. For ASYM (+), disconnection after 7100 s after the start of energization was predicted on the anode side of the wiring corner. For SYM, a disconnection after 7000 s was predicted on the corner anode side. On the other hand, for ASYM (−), a disconnection after 5200 s was predicted near the cathode end of the wiring.

本断線予測法の有効性の検証のため、断線予測で想定した三種類の形状の配線を用い、同様の試験条件で断線試験を行った。この断線試験は、図11に示す実験装置を用い断線まで通電を行った。断線後、電界放出型電子顕微鏡(FE-SEM)で観察を行った。実験にはそれぞれASYM(+)で9本、SYMで10本、ASYM(−)で11本の試験片を用いた。以上の断線実験について、ASYM(+)、SYMおよびASYM(−)の試験片の実験結果をそれぞれ図24〜26に示す。図中に配線の断線の度数分布と配線寿命の平均値を示す。ASYM(+)の場合、9本の試験片における平均断線時間は9160sであり、配線が最も多く破断した箇所は配線角部陽極側であった。数値シミュレーションで予測した断線箇所である角部陽極側で断線した4本の試験片の平均断線時間は7965sであり、9本すべての試験片における平均断線時間と近かった。一方、SYMの場合、10本の試験片における平均断線時間は7836sであり、配線が最も多く破断した箇所は配線角部陽極側であった。断線した5本の平均断線時間は7344sであり、ASYM(+)と同様に10本すべての試験片における平均断線時間と近かった。さらにASYM(−)の場合、11本の試験片における平均断線時間は6996sであり、最も多く破断した箇所は配線の陰極端近傍であった。数値シミュレーションで予測した断線箇所である配線陰極端で断線した6本の試験片の平均断線時間は6160sであり、11本すべての試験片における平均断線時間と近かった。   In order to verify the effectiveness of this disconnection prediction method, a disconnection test was performed under the same test conditions using three types of wiring assumed in the disconnection prediction. In this disconnection test, energization was performed until disconnection using the experimental apparatus shown in FIG. After the disconnection, observation was performed with a field emission electron microscope (FE-SEM). In the experiment, 9 specimens with ASYM (+), 10 specimens with SYM, and 11 specimens with ASYM (-) were used. About the above disconnection experiment, the experimental result of the test piece of ASYM (+), SYM, and ASYM (-) is shown to FIGS. 24-26, respectively. The figure shows the frequency distribution of wire breakage and the average value of wire life. In the case of ASYM (+), the average disconnection time of the nine test pieces was 9160 s, and the portion where the wiring broke most was the wiring corner portion anode side. The average disconnection time of the four test pieces disconnected on the corner anode side, which is the disconnection point predicted by the numerical simulation, was 7965 s, which was close to the average disconnection time of all nine test pieces. On the other hand, in the case of SYM, the average disconnection time of the 10 test pieces was 7836 s, and the portion where the wiring was broken most was on the wiring corner portion anode side. The average disconnection time of the five disconnected wires was 7344 s, which was close to the average disconnection time of all ten test pieces as in ASYM (+). Further, in the case of ASYM (−), the average disconnection time of the 11 test pieces was 6996 s, and the most broken part was in the vicinity of the cathode end of the wiring. The average disconnection time of the six test pieces disconnected at the wiring cathode end, which was the disconnection point predicted by the numerical simulation, was 6160 s, which was close to the average disconnection time of all 11 test pieces.

(結論)
予測と実験結果は配線寿命、断線箇所の両者において良好な一致を示した。実験の断線箇所には若干のばらつきが存在するが、本予測法では配線が最も多く破断した箇所を予測することができた。このことから、配線を構成する薄膜の物性値と実用条件が与えられれば、EM損傷の支配パラメーターであるAFDgenを用いた数値シミュレーションを実行することにより、任意の形状の金属薄膜配線の任意の実用条件下における寿命と断線箇所の予測を行うことが可能であることが示され、本予測法の有効性が実証できた。
(Conclusion)
The prediction and the experimental result showed good agreement in both the wiring life and the disconnection location. Although there is some variation in the disconnection location of the experiment, this prediction method was able to predict the location where the wiring was broken most. From this, given the physical properties and practical conditions of the thin film that constitutes the wiring, by performing a numerical simulation using the AFD gen that is the dominant parameter for EM damage, It was shown that it was possible to predict the life and breakage location under practical conditions, and the effectiveness of this prediction method could be verified.

エレクトロマイグレーションにより誘発されるボイド形成は、電流密度、温度、これらの勾配のほか、電気抵抗率、平均結晶粒径、活性化エネルギー、結晶粒界間の相対角度、原子密度、拡散係数、実効電荷、結晶粒界の実効幅のような材料物性に依存する。これらの因子の関数として求められたパラメータAFDgenは、ボイド形成を支配している。金属配線の断線故障は、ボイド形成とその成長の結果起こる。故障箇所は配線の形状や基板温度および入力電流密度等の動作条件により決まるこれら因子の組合せで変化する。すなわち、ある場合には折れ曲がる金属配線の角部で故障が生じ、ある場合には折れ曲がる配線の陰極端部で起こる。AFDgenを基礎とする本発明のシミュレーションにより、金属配線の寿命および断線故障箇所の予測が的確に行われる。 Void formation induced by electromigration is not only the current density, temperature and gradient, but also electrical resistivity, average grain size, activation energy, relative angle between grain boundaries, atomic density, diffusion coefficient, net charge It depends on the material properties such as the effective width of the grain boundaries. The parameter AFD gen determined as a function of these factors governs void formation. The disconnection failure of metal wiring occurs as a result of void formation and its growth. The failure location changes depending on the combination of these factors determined by the operating conditions such as the wiring shape, substrate temperature, and input current density. That is, in some cases, a failure occurs at the corner of the bent metal wiring, and in other cases, it occurs at the cathode end of the bent wiring. By the simulation of the present invention based on AFD gen , the life of the metal wiring and the location of the disconnection failure are accurately predicted.

本発明は、スタンド・アローンのコンピュータ・システムばかりではなく、複数のシステムから構成される例えばクライアント・サーバ・システム等に適用してもよい。本発明に関する予測を行うためのプログラムを格納した記憶媒体から、プログラムをシステムで読み出して実行することにより、本発明の構成を実現することができる。この記録媒体には、フロッピー・ディスク、CD−ROM、磁気テープ、ROMカセット等がある。   The present invention may be applied not only to a stand-alone computer system, but also to, for example, a client / server system composed of a plurality of systems. The configuration of the present invention can be realized by reading and executing the program from the storage medium storing the program for performing prediction related to the present invention. Examples of the recording medium include a floppy disk, a CD-ROM, a magnetic tape, and a ROM cassette.

結晶粒界における原子流束と電流密度を示す図である。It is a figure which shows the atomic flux and current density in a crystal grain boundary. 3本の結晶粒界で構成される三重点を内部に一つだけ含む単位厚さの四角形要素の結晶粒界構造のモデルを示す図である。It is a figure which shows the model of the crystal grain boundary structure of the square element of unit thickness which contains only one triple point comprised by three crystal grain boundaries inside. 数値シミュレーションの処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of numerical simulation. 多結晶配線の数値シミュレーションに用いる要素分割の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the element division | segmentation used for the numerical simulation of a polycrystalline wiring. 配線材料の物性定数であるスリットの実効幅を求めるための手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure for calculating | requiring the effective width | variety of the slit which is a physical property constant of wiring material. 多結晶配線の数値シミュレーションを行う2つの試料について示した図である。It is the figure shown about two samples which perform the numerical simulation of a polycrystalline wiring. 多結晶配線(試料1)におけるAFDgen分布の数値シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the numerical simulation result of AFDgen distribution in a polycrystalline wiring (sample 1). 多結晶配線(試料1)におけるボイド分布の数値シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the numerical simulation result of the void distribution in a polycrystalline wiring (sample 1). 多結晶配線(試料2)におけるAFDgen分布の数値シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the numerical simulation result of AFD gen distribution in a polycrystalline wiring (sample 2). 多結晶配線(試料2)におけるボイド分布の数値シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the numerical simulation result of the void distribution in a polycrystalline wiring (sample 2). 検証実験のための装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the apparatus for verification experiment. 多結晶配線(試料1)における実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result in a polycrystalline wiring (sample 1). 多結晶配線(試料2)における実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result in a polycrystalline wiring (sample 2). 多結晶配線の数値シミュレーションに用いる材料物性の定数である。It is a constant of material properties used for numerical simulation of polycrystalline wiring. バンブー配線の数値シミュレーションに用いる要素分割の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the element division | segmentation used for the numerical simulation of bamboo wiring. バンブー配線の数値シミュレーションを行う3つの試料について示した図である。It is the figure shown about three samples which perform the numerical simulation of bamboo wiring. バンブー配線(ASYM(+))の数値シミュレーションに用いる材料物性の定数である。This is a constant of material properties used for numerical simulation of bamboo wiring (ASYM (+)). バンブー配線(ASYM(+))におけるAFDgen分布の数値シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the numerical simulation result of AFD gen distribution in a bamboo wiring (ASYM (+)). バンブー配線(ASYM(+))におけるボイド分布の数値シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the numerical simulation result of the void distribution in a bamboo wiring (ASYM (+)). バンブー配線(SYM)におけるAFDgen分布の数値シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the numerical simulation result of AFD gen distribution in a bamboo wiring (SYM). バンブー配線(SYM)におけるボイド分布の数値シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the numerical simulation result of the void distribution in a bamboo wiring (SYM). バンブー配線(ASYM(−))におけるAFDgen分布の数値シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the numerical simulation result of AFD gen distribution in a bamboo wiring (ASYM (-)). バンブー配線(ASYM(−))におけるボイド分布の数値シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the numerical simulation result of the void distribution in a bamboo wiring (ASYM (-)). バンブー配線(ASYM(+))における実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result in a bamboo wiring (ASYM (+)). バンブー配線(SYM)における実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result in a bamboo wiring (SYM). バンブー配線(ASYM(−))における実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result in a bamboo wiring (ASYM (-)).

Claims (3)

バンブー配線を要素分割して、数値解折手法により、電流密度および温度分布を求める手段と、
結晶粒内の原子流束の発散式AFDlatを求め、バンブー配線における原子流束発散(AFDgen)を以下の式で予め導出し、
Figure 0004889040
導出した原子流束発散(AFDgen)の式を用い、前記電流密度および温度分布と配線材料の物性定数とにより、前記分割した各要素の原子流束発散を計算する手段と、
計算した原子流束発散から、各要素の体積減少を求める手段と、
各要素の厚さの変化を求める手段とを有し、
各手段の動作を繰り返すことにより、厚さを貫通する要素が配線幅を占める状態、或いは厚さを貫通する要素または温度が材料の融点を超える要素が配線幅を占める状態となるまで処理を行い、配線寿命および断線箇所を予測することを特徴とする金属配線の信頼性評価装置。
A means to divide the bamboo wiring into elements and obtain the current density and temperature distribution by numerical analysis method;
The atomic flux divergence formula AFD lat in the crystal grain is obtained, and the atomic flux divergence (AFD gen ) in the bamboo wiring is derived in advance by the following formula:
Figure 0004889040
Means for calculating the atomic flux divergence of each of the divided elements by using the derived equation of atomic flux divergence (AFD gen ) and the current density and temperature distribution and the physical constant of the wiring material;
A means for determining the volume reduction of each element from the calculated atomic flux divergence;
Means for determining a change in thickness of each element,
By repeating the operation of each means, processing is performed until the element that penetrates the thickness occupies the wiring width, or the element that penetrates the thickness or the element whose temperature exceeds the melting point of the material occupies the wiring width. An apparatus for evaluating the reliability of metal wiring, characterized by predicting wiring life and disconnection locations.
バンブー配線を要素分割して、数値解折手法により、電流密度および温度分布を求めるステップと、
結晶粒内の原子流束の発散式AFDlatを求め、バンブー配線における原子流束発散(AFDgen)を以下の式で予め導出し、
Figure 0004889040
導出した原子流束発散(AFDgen)の式を用い、前記電流密度および温度分布と配線材料の物性定数とにより、前記分割した各要素の原子流束発散を計算するステップと、
計算した原子流束発散から、各要素の体積減少を求めるステップと、
各要素の厚さの変化を求めるステップとを有し、
各ステップの動作を繰り返すことにより、厚さを貫通する要素が配線幅を占める状態、或いは厚さを貫通する要素または温度が材料の融点を超える要素が配線幅を占める状態となるまで処理を行い、配線寿命および断線箇所を予測することを特徴とする金属配線の信頼性評価方法。
Dividing the bamboo wiring into elements and obtaining the current density and temperature distribution by numerical analysis,
The atomic flux divergence formula AFD lat in the crystal grain is obtained, and the atomic flux divergence (AFD gen ) in the bamboo wiring is derived in advance by the following formula:
Figure 0004889040
Calculating the atomic flux divergence of each of the divided elements using the derived equation of atomic flux divergence (AFD gen ) and the current density and temperature distribution and the physical constants of the wiring material;
Calculating the volume reduction of each element from the calculated atomic flux divergence;
Determining the change in thickness of each element,
By repeating the operation of each step, processing is performed until the element that penetrates the thickness occupies the wiring width, or the element that penetrates the thickness or the element whose temperature exceeds the melting point of the material occupies the wiring width. A method for evaluating the reliability of metal wiring, characterized by predicting wiring life and disconnection location.
請求項2に記載の信頼性評価方法の各ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した記録媒体。   A recording medium storing a program for causing a computer to execute each step of the reliability evaluation method according to claim 2.
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