mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2021-2-102-106mateltech-427Research ArticleМатематическое моделирование в материаловедении электронных компонентовMATHEMATICAL MODELING IN MATERIALS SCIENCE OF ELECTRONIC COMPONENTSМоделирование времени до пробоя пористого диэлектрика в системе металлизации интегральных схем современного топологического уровняSimulation of the time dependent dielectric breakdown of a porous dielectric in the metallization system of integrated circuits of the modern topological levelОрловА. А.OrlovA. A.

ул. Акад. Валиева, д. 6, стр. 1, Москва, Зеленоград, 124460;

Институтский пер., д. 9, Долгопрудный, Московская обл., 141707

Орлов Андрей Алексеевич — младший научный сотрудник

6-1 Acad. Valieva Str., Zelenograd, Moscow 124460;

9 Institutskiy Lane, Dolgoprudny, Moscow Region 141701

Andrey A. Orlov — Junior Researcher

orlov.aa@phystech.eduhttps://orcid.org/0000-0002-1677-9122РезвановА. А.RezvanovA. A.

ул. Акад. Валиева, д. 6, стр. 1, Москва, Зеленоград, 124460;

Институтский пер., д. 9, Долгопрудный, Московская обл., 141707

Резванов Аскар Анварович — канд. физ.-мат. наук, начальник лаборатории

6-1 Acad. Valieva Str., Zelenograd, Moscow 124460;

9 Institutskiy Lane, Dolgoprudny, Moscow Region 141701

Askar A. Rezvanov — Cand. Sci. (Phys.-Math.), Head of Laboratory

arezvanov@niime.ruАО «НИИ молекулярной электроники»; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)РоссияMolecular Electronics Research Institute, JSC; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)Russian Federation202130082021242102106Copyright © Орлов А.А., Резванов А.А., 20212021Орлов А.А., Резванов А.А.Orlov A.A., Rezvanov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/427

В работе выполняется имитационное моделирование процессов диффузии ионов металлического барьера в low-k диэлектрик между двумя близлежащими медными линиями. На основании экспериментальных данных по коэффициенту диффузии, опубликованных в научной литературе, и расчетов согласно математической модели распределения ионов металлического барьера в диэлектрике проведена оценка времени до пробоя пористого low-k диэлектрика в элементах сверхбольших интегральных схемах современного топологического уровня. Дополнительно, в работе получены зависимости времени пробоя диэлектрика от расстояния между двумя близлежащими медными линиями, а также в зависимости от напряжения питания линии (другая линия заземлена).

In this work, the simulation of the processes of diffusion of metal barrier ions into a low-k dielectric between two nearby copper lines was performed. Based on experimental data on the diffusion coefficient published in the scientific literature and calculations according to the mathematical model of the distribution of metal barrier ions in the dielectric, the time dependent breakdown of a porous low-k dielectric in the elements of very large-scale integrated circuits of the modern topological level was estimated. Additionally, the work obtained dependences of the dielectric breakdown time on the distance between two nearby copper lines along with dependence on the supply voltage of the line (the other line is grounded).

low-k диэлектрикпористостьвременной пробой диэлектрикамедная металлизацияlow-k dielectricporositytime dependent dielectric breakdowncopper metallizationReferencesInternational Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) Interconnect. 2020. https://irds.ieee.org/editions/2020International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) Interconnect. 2020. https://irds.ieee.org/editions/2020Gonella R. Key reliability issues for copper integration in damascene architecture. Microelectronic Engineering. 2001; 55(1-4): 245—255. https://doi.org/10.1016/S0167-9317(00)00454-8Gonella R. Key reliability issues for copper integration in damascene architecture. Microelectronic Engineering. 2001; 55(1-4): 245—255. https://doi.org/10.1016/S0167-9317(00)00454-8Lloyd J.R., Murray C.E., Ponoth S., Cohen S., Liniger E. The effect of Cu diffusion on the TDDB behavior in a low-k interlevel dielectrics. Microelectronics Reliability. 2006; 46(9–11): 1643—1647. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2006.08.003Lloyd J.R., Murray C.E., Ponoth S., Cohen S., Liniger E. The effect of Cu diffusion on the TDDB behavior in a low-k interlevel dielectrics. Microelectronics Reliability. 2006; 46(9–11): 1643—1647. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2006.08.003Chen F., Bravo O., Chanda K., McLaughlin P., Sullivan T., Gill J., Lloyd J., Kontra R., Aitken J. A comprehensive study of low-k SiCOH TDDB phenomena and its reliability lifetime model development. In: Proc. of the Intern. Reliability Physics Symposium. 26-30, March 2006. New York: IEEE; 2006. P. 46—53. https://doi.org/10.1109/RELPHY.2006.251190Chen F., Bravo O., Chanda K., McLaughlin P., Sullivan T., Gill J., Lloyd J., Kontra R., Aitken J. A comprehensive study of low-k SiCOH TDDB phenomena and its reliability lifetime model development. In: Proc. of the Intern. Reliability Physics Symposium. 26-30, March 2006. New York: IEEE; 2006. P. 46—53. https://doi.org/10.1109/RELPHY.2006.251190Suzumura N., Yamamoto S., Kodama D., Makabe K., Komori J., Murakami E., Maegawa S., Kubota K. A new TDDB degradation model based on Cu ion drift in Cu interconnect dielectrics. In: Proc. of the Intern. Reliability Physics Symposium. 26–30, March 2006. New York: IEEE; 2006. P. 484—489. https://doi.org/10.1109/RELPHY.2006.251266Suzumura N., Yamamoto S., Kodama D., Makabe K., Komori J., Murakami E., Maegawa S., Kubota K. A new TDDB degradation model based on Cu ion drift in Cu interconnect dielectrics. In: Proc. of the Intern. Reliability Physics Symposium. 26–30, March 2006. New York: IEEE; 2006. P. 484—489. https://doi.org/10.1109/RELPHY.2006.251266Tan T.L., Gan C.L., Du A.Y., Cheng C.K. Effect of Ta migration from sidewall barrier on leakage current in Cu/SiOCH low-k dielectrics. Journal of Applied Physics. 2009; 106(4): 043517. https://doi.org/10.1063/1.3202387Tan T.L., Gan C.L., Du A.Y., Cheng C.K. Effect of Ta migration from sidewall barrier on leakage current in Cu/SiOCH low-k dielectrics. Journal of Applied Physics. 2009; 106(4): 043517. https://doi.org/10.1063/1.3202387Huang X., Sukharev V., Qi Z.-D., Kim T.-Y., Tan S. X.-D. Physics-based full-chip TDDB assessment for BEOL interconnects. In: Proc. of the 53rd Annual Design Automation Conference 2016 – DAC ’16. 05–09, June 2016. Austin, USA: IEEE; 2016. https://doi.org/10.1145/2897937.2898062Huang X., Sukharev V., Qi Z.-D., Kim T.-Y., Tan S. X.-D. Physics-based full-chip TDDB assessment for BEOL interconnects. In: Proc. of the 53rd Annual Design Automation Conference 2016 – DAC ’16. 05–09, June 2016. Austin, USA: IEEE; 2016. https://doi.org/10.1145/2897937.2898062Валеев А.С., Красников Г.Я. Технология изготовления внутрикристальных и межкристальных межсоединений современных СБИС (обзор, концепция развития). Микроэлектроника. 2015; 44(3): 180—201. https://doi.org/10.7868/S0544126915030084Valeev A.S., Krasnikov G.Yu. Manufacturing technology of intra- and interchip interconnects for modern ULSIs: Review and concepts of development. Russian Microelectronics. 2015; 44(3): 154—172. https://doi.org/10.1134/S1063739715030087Groove A.S. Physics and Technology of Semiconductor Devices. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 1967.Groove A.S. Physics and Technology of Semiconductor Devices. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 1967.Yang L.Y., Zhang D.H., Li C.Y., Liu R., Wee A.T.S., Foo P.D. Characterization of Cu/Ta/ultra low-k porous polymer structures for multilevel interconnects. Thin Solid Films. 2004; 462–463: 182—185. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2004.05.071Yang L.Y., Zhang D.H., Li C.Y., Liu R., Wee A.T.S., Foo P.D. Characterization of Cu/Ta/ultra low-k porous polymer structures for multilevel interconnects. Thin Solid Films. 2004; 462–463: 182—185. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2004.05.071Kuo Y.-L., Lee H.-H., Lee C., Lin J.-C., Shue S.-L., Liang M.-S., Daniels B.J. Diffusion of copper in titanium zirconium nitride thin films. Electrochemical and Solid-State Letters. 2004; 7(3): C35—C37. https://doi.org/10.1149/1.1644355Kuo Y.-L., Lee H.-H., Lee C., Lin J.-C., Shue S.-L., Liang M.-S., Daniels B.J. Diffusion of copper in titanium zirconium nitride thin films. Electrochemical and Solid-State Letters. 2004; 7(3): C35—C37. https://doi.org/10.1149/1.1644355

The authors declare that there are no conflicts of interest present.