Transcript プレゼン
集積回路中における 絶縁膜に加わる熱応力の緩和 T02MD029 中村 誠 ☐背景 ・マイクロチップ(IC)によ る電子制御された製品 の普及 •ULSI(超大規模集積回 路：Ultra Large Scale Integrated Circuit)の開発 図１ パッケージ 参考:はじめての超LSI •情報の高速処理とICの 縮小化 •絶縁膜 SiO2→Low-k材料 日立 http://www.hitachi.co.jp/Div/ddc/contents/profile/enginr.htm 図2 内部の様子 ☐Low-k材料 • 特徴 誘電率が小さい • 難点 機械的強度が弱い 縮小化しても情報処理 速度の低下を防ぐこと が可能 小さな応力で破壊する 回路内の温度上昇により生じる 熱応力が問題になる!! • 対象 • 目的 絶縁膜の破壊を防ぐため、 熱応力が緩和する方法を 提案する。 絶縁膜に注目する。 電源線 global 配線 via 絶縁膜 μm y 電源線 1.6 シリコン基板 1.4 図3 絶縁膜 Power line μm 1.2 25μm 1.6 global 配線 line Power Bus line 1.4 1.0 SiO2 1.2 0.8 25μm Low-k layer Bus line40μm 1.0 0.6 SiO2 y 絶縁膜 Low-k layer 40μm 0.8 O 0.4 25μm 0.6 via 0.2 Hardmask(E3) 0.4 Hardmask(E3) Trench layer(E2) 0.2 ViaTrench layer(E1) layer(E2) 0 Via layer(E1) 0 Cu.D.B Cu.D.B Si Si 20 100 x μm O 0 20 0 20 20 40 (a)via部拡大図 (a)via部拡大図 40 シリコン基板 nm nm 図3 絶膜 図4 配線モデル （ｂ）配線周りの構造 （ｂ）配線周りの構造 25μm 100 x μm ☐手法 P1 P2 P1 P2 Se’ ・有限要素法を利用 Se 近似 モデル化 (a) 実際の構造 (b) 三角形版の集合 図５ 近似モデル化 計算の近似：平面ひずみ状態(εz≅0) 各要素内の値は一次補間 ・熱応力は線膨張係数を含んだフックの法則から算出 応力成分をミゼス応力 に変換 比較 破壊応力 ☐応力分布 配線の全長が 200µm • 最大応力は viaの中心部 (Trench Layer部) で検出 • 配線の周りに 分布 温度上昇が60℃のとき 図6 応力分布 ☐最大応力と上昇温度の関係 •５０℃程度 温度上昇 すると破壊 250 最大応力(MPa) •破壊応力 は160MPa 300 200 150 100 50 0 0 温度の原点は応力０状態と なる温度である。 20 40 60 温度差(K) 80 図7 最大応力と温度 100 ☐最大応力と配線長さ • 配線全長＝２ב配線長さ’ • 上昇温度が６０℃時 i. 配線の全長が8µm以下 ミゼス応力の急激な減少 （via連結部で検出） →断線の危険性大 i. 配線の全長が8µm以上 ミゼス応力はほぼ一定 （via側面中央部で検出） ii. 配線長さ全域 破壊応力を上回る。 →破壊する危険性大 上昇温度60℃、”長さ”は全長の半分である。 図８ 最大応力と長さ ☐配線両端のLow-k材料が周囲に与える影響 viaとシリコン基板の連結部におけるミゼス応力と配線長さの関係 電源線 と 無 す い る も の global 配線 ★ 絶縁膜 (Low-k 材料) シリコン基板 ★:測位点 •配線両端にLow-k 材料がない状態 •両端のLow-k材料 は配線の回転を抑 制する効果がある。 ミゼス応力 計算点 σx σy σz τ 300 最大応力(MPa) via 400 200 100 0 -100 -200 0 200 1000 800 600 400 長さ(μm) 上昇温度６０℃ 図９ via連結部でのミゼス応力の変化 ☐破壊の危険性 • Low-k材料 応力０状態となる温度から５０℃程度の上昇で破 壊。 配線の全長が短い時ほど破壊する危険性。 • 周囲の構造への影響 配線の全長が８µm以下では 断線の危険性がある。 ☐改善策 ① Low-k材料の線膨張率を小さくする。 ② 配線で囲まれたLow-k材料のアスペクト比 が大きくなるようにする。 "配線の全長(μm)" ※アスペクト比a= " viaの高さ(μm)" i. Low-k材料の間にヤング 率の大きな層を縦及び横 方向に挿入し、 a＞364 と なるようにする。 ii. 周囲のLow-k材料も適量 配置する。 配線の全長 (µm) a 危険性 16 15 断線危機 100 91 400 364 大 Via破壊大 影響 小 Via高さ＝1.1µmとしたとき ☐結論 • 温度上昇が５０℃程度で破壊 • 配線の周囲に熱応力が集中 • 最大応力とLow-k材料のアスペクト比に深い 関係性がある。 配線の長さにより構造に危険な影響を与え る可能性がある。 材料開発および構造の更なる検討が必要