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Finite-Elemente-Analyse von modernen Leitbahnsystemen

 
: Brocke, H.F.

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Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 2005, 260 pp.
Zugl.: Hannover, Univ., Diss., 2005
ISBN: 3-8167-6924-1
ISBN: 978-3-8167-6924-8
German
Dissertation
Fraunhofer LBF ()
Fraunhofer IMS ()
Finite-Elemente-Analyse; finite-element analysis; electromigration; Cu-Technologie; Low-k-Dielektrika; low-k dielectric; black diamond; SiLK; CF-polymer; Elektromigration; Thermomigration; Stressmigration; Massenfluss; Massenflussdivergenz; Lebensdauer; hybride Architektur

Abstract
Die Entwicklung der Mikroelektronik ist in den letzten Jahrzehnten durch eine ständige Verringerung der Strukturgrößen gekennzeichnet. Im Zuge dieser Skalierung der Abmessungen bei gleichzeitiger Zunahme der Komplexität der Schaltung würde der RC-Belag der Leitbahn ohne entsprechende Gegenmaßnahmen stark zunehmen und die Übertragungsgeschwindigkeit entsprechend sinken. Daher wird bei modernen Leitbahnsystemen die Al-Metallisierung durch eine Cu-Metallisierung und das SiO2-Dielektrikum durch ein Low-k-Dielektrikum ersetzt. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss verschiedener Low-k-Dielektrika auf die Lebensdauer von Leitbahnen in Al- und Cu-Technologie untersucht, und zwar am Beispiel der von Infineon bei Lebensdauertests eingesetzten S-Bahn-Struktur. Die Untersuchungen erfolgen mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse. Die S-Bahn-Strukturen wurden mit Hilfe von dreidimensionalen Modellen mit SiO2 sowie verschiedenen Low-k-Dielektrika (Black Diamondä, SiLKä, CF-Polymer) modelliert und geschlossen bezüglich der Auswirkungen von Elektromigration, Thermomigration und Stressmigration auf den Massenfluss, die Massenflussdivergenz und die Lebensdauer untersucht. Der Einfluss der wichtigsten geometrischen und elektrischen Parameter (Leitbahnbreite, Leitbahnlage, Auswirkung zusätzlicher stromloser Metalllagen sowie Vergleich von Belastungs- und Betriebsbedingungen) wird herausgearbeitet. Im Vergleich der Simulationsdaten mit experimentellen Ergebnissen zeigt sich eine gute Übereinstimmung. Ein Technologievergleich zeigt, dass die Lebensdauer durch die Low-k-Dielektrika wesentlich verkürzt wird. Durch die Wahl einer hybriden Architektur kann diese Verkürzung teilweise kompensiert werden, ohne den elektrischen Vorteil der Low-k-Dielektrika wesentlich zu verringern.

 

The development of microelectronics in the last decades is characterized by a continuous decline of feature sizes. This downscaling of dimensions and the simultaneous increase of circuit complexity would strongly increase the RC delay if no counter measures are taken. Therefore, copper lines are replacing aluminum lines in modern interconnect systems. For the same reason, SiO2 is more and more replaced by low-k dielectrics. In the present work, the influence of different low-k dielectrics on the lifetime of Al and Cu lines is examined. An S-shaped test structure, used by Infineon for lifetime tests, serves as an example. The investigations are carried out by means of Finite Element Analysis. The S-shaped test structure is modelled in three dimensions using SiO2 and several low-k dielectrics and analysed in closed form with respect to the influence of electromigration, thermomigration, and stress migration on mass flow, mass flow divergence, and the lifetime. The impact of the most important geometrical and electrical parameters (such as line width, interconnect position, influence of additional current-less lines, and comparison of operating conditions with test conditions) is developed. The simulation data are in good accordance with experimental results. A comparison of different technologies shows that the interconnect lifetime is appreciably diminished by the use of low-k dielectrics. However, this can be partially compensated by a hybrid architecture without loosing to much of the low-k dielectrics' electrical advantage.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-34686.html