Simulation von Elektromigration

Hochintegrierte mikroelektronische Schaltungen (z.B. Mikroprozessoren) verlangen dichte Verdrahtungsstrukturen mit Abmessungen in der Größenordnung von 150 nm. Mit der durch die Verkleinerung resultierenden Zunahme an Stromdichte in den Verdrahtungsstrukturen, werden Ausfälle durch Elektromigration ein immer kritischeres Problem. Ein bedeutender Fortschritt wurde durch das Einsetzen von Kupfer statt Aluminium als Verbindungsmetall erreicht, weil Kupfer eine höhere Elektromigrationsfestigkeit hat. Moderne Verdrahtungsstrukturtechnologien führen zu neuen Herausforderungen bei der Elektromigrationanalyse mit Technology Computer-Aided Design (TCAD). Einer der Hauptprobleme bei Kupferverdrahtungsstrukturen ist die höhere Diffusivität entlang der Kupfergrenzflächen. Mit der Einführung von neuen Materialen an den Grenzflächen, die eine bessere Adhäsion zu Kupfer aufweisen, wird die Kupfergrenzflächen-Diffusivität auf das Niveau der Korngrenzen-Diffusivität reduziert. Das bedeutet, dass die Mikrostruktur von den Verdrahtungsstrukturen, d.h. das Netzwerk aus Korngrenzen, Kristallorientierung und die Abhängigkeit der Diffusivität vom Spannungsfeld in Körnern, zum größten Teil das Elektromigrationsverhalten des Kupfers bestimmen. Derzeitige Elektromigrationsmodelle beinhalten keine adäquate Beschreibung der Kupfermikrostruktur und haben damit nur sehr eingeschränkte Voraussagemöglichkeit. Im Rahmen dieses Projektes werden wir die aktuellen Elektromigrationsmodelle evaluieren. Zusätzlich werden verschiedene Mikrostrukturmodelle mit dem Blick auf die Möglichkeit einer optimalen numerischen Realisierung analysiert. Die numerischen Algorithmen für die Modelle mit der umfassendsten Beschreibung der Elektromigrationsphysik werden in einen Simulationsprogramm implementiert. Die endgültige Entscheidung, welches der Mikrostrukturmodelle sich für die Elektromigrationsimulation am Besten eignet, wird aus dem Ergebnis des Vergleichs mit den entsprechenden Experimenten getroffen.

Hochintegrierte mikroelektronische Schaltungen (z.B. Mikroprozessoren) verlangen dichte Verdrahtungsstrukturen mit Abmessungen in der Größenordnung von 150 nm. Mit der durch die Verkleinerung resultierenden Zunahme an Stromdichte in den Verdrahtungsstrukturen, werden Ausfälle durch Elektromigration ein immer kritischeres Problem. Ein bedeutender Fortschritt wurde durch das Einsetzen von Kupfer statt Aluminium als Verbindungsmetall erreicht, weil Kupfer eine höhere Elektromigrationsfestigkeit hat. Moderne Verdrahtungsstrukturtechnologien führen zu neuen Herausforderungen bei der Elektromigrationanalyse mit Technology Computer-Aided Design (TCAD). Einer der Hauptprobleme bei Kupferverdrahtungsstrukturen ist die höhere Diffusivität entlang der Kupfergrenzflächen. Mit der Einführung von neuen Materialen an den Grenzflächen, die eine bessere Adhäsion zu Kupfer aufweisen, wird die Kupfergrenzflächen-Diffusivität auf das Niveau der Korngrenzen-Diffusivität reduziert. Das bedeutet, dass die Mikrostruktur von den Verdrahtungsstrukturen, d.h. das Netzwerk aus Korngrenzen, Kristallorientierung und die Abhängigkeit der Diffusivität vom Spannungsfeld in Körnern, zum größten Teil das Elektromigrationsverhalten des Kupfers bestimmen. Derzeitige Elektromigrationsmodelle beinhalten keine adäquate Beschreibung der Kupfermikrostruktur und haben damit nur sehr eingeschränkte Voraussagemöglichkeit. Im Rahmen dieses Projektes werden wir die aktuellen Elektromigrationsmodelle evaluieren. Zusätzlich werden verschiedene Mikrostrukturmodelle mit dem Blick auf die Möglichkeit einer optimalen numerischen Realisierung analysiert. Die numerischen Algorithmen für die Modelle mit der umfassendsten Beschreibung der Elektromigrationsphysik werden in einen Simulationsprogramm implementiert. Die endgültige Entscheidung, welches der Mikrostrukturmodelle sich für die Elektromigrationsimulation am Besten eignet, wird aus dem Ergebnis des Vergleichs mit den entsprechenden Experimenten getroffen.