mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2021-4-242-247mateltech-475Research ArticleМатематическое моделирование в материаловедении электронных компонентовMATHEMATICAL MODELING IN MATERIALS SCIENCE OF ELECTRONIC COMPONENTSУчет пористости материала в модели временного пробоя диэлектрика в системе металлизации интегральных схемAccounting of the porosity of the material in the simulation of the time-dependent dielectric breakdown in the metallization system of integrated circuitsОрловА. 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 Academician Valieva Str., Moscow, Zelenograd 124460;9 Institutskiy Lane, Dolgoprudny, Moscow Region 141701

Andrey A. Orlov — Junior Researcher

 

orlov.aa@phystech.eduГаныкинаЕ. А.GanykinaE. A.

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

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

Ганыкина Екатерина Андреевна — научный сотрудник

6-1 Academician Valieva Str., Moscow, Zelenograd 124460;9 Institutskiy Lane, Dolgoprudny, Moscow Region 141701

Ekaterina A. Ganykina — Researcher

 

eganykina@niime.ruhttps://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 Academician Valieva Str., Moscow, Zelenograd 124460;9 Institutskiy Lane, Dolgoprudny, Moscow Region 141701

Askar A. Rezvanov — Cand. Sci. (Phys.-Math.), Head of the 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 Federation202130012022244242247Copyright © Орлов А.А., Ганыкина Е.А., Резванов А.А., 20212021Орлов А.А., Ганыкина Е.А., Резванов А.А.Orlov A.A., Ganykina E.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/475

В работе выполнено имитационное моделирование процессов диффузии ионов меди в low-k диэлектрик между двумя близлежащими медными линиями. Получено, что увеличение времени диффузии иона в материале с пористостью 30 %, радиусом пор 1 нм (для входных параметров, указанных в статье) за счет увеличения диффузионного пути можно оценить в 16 %. При этом совместный учет эффекта увеличения электрического поля на краях пор и уменьшения энергии активации диффузии приводит к уменьшению времени до пробоя на 26 % относительно плотного материала.

In this work, simulation modeling of processes of the diffusion of copper ions in low-k dielectric between two neighboring copper lines is performed. It was found that an increase in the diffusion time of an ion in a material with a porosity of 30% and a pore radius of 1 nm (for the input parameters specified in the work) due to an increase in the diffusion path can be estimated at 16%. Moreover, the combined consideration of the effect of an increase in the electric field at the edges of the pores and a decrease in the diffusion activation energy leads to a decrease in the time to breakdown by 26% relatively dense material.

low-k диэлектрикпористостьвременной пробой диэлектрикаlow-k dielectricporosityTDDBReferencesInternational technology roadmap for semiconductors (ITRSTM) interconnect. 2020 Edition. https://irds.ieee.org/editions/2020International technology roadmap for semiconductors (ITRSTM) interconnect. 2020 Edition. https://irds.ieee.org/editions/2020Maex K., Shamiryan D., Iacopi F., Brongersma S.H., Baklanov M.R., Yanovitskaya Z.S. Low dielectric constant materials for microelectronics. Journal of Applied Physics. 2003; 93(11): 8793—8841. https://doi.org/10.1063/1.1567460Maex K., Shamiryan D., Iacopi F., Brongersma S.H., Baklanov M.R., Yanovitskaya Z.S. Low dielectric constant materials for microelectronics. Journal of Applied Physics. 2003; 93(11): 8793—8841. https://doi.org/ 10.1063/1.1567460Lloyd 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.2006.08.003Патент (РФ) № 2486632 С2, МПК H01L 21/768. Валеев А.С., Красников Г.Я., Гвоздев В.А. Способ изготовления усовершенствованной многоуровневой медной металлизации с применением диэлектриков с очень низкой диэлектрической постоянной (ultra low-k). Заявл.: 20.07.2011; опубл.: 27.06.2013. https://yandex.ru/patents/doc/RU2486632C2_20130627Patent (RU) No. 2486632 C2, IPC H01L 21/768. Valeev A.S., Krasnikov G.J., Gvozdev V.A. Method for manufacturing of improved multilevel copper metallisation using dielectrics with ultra low dielectric constant (ultra low-k). Appl.: 20.07.2011; publ.: 27.06.2013. (In Russ.). https://yandex.ru/patents/doc/RU2486632C2_201306275Huang X., Sukharev V., Qi Z., Kim T., Tan S.X.-D. Physics-based full-chip TDDB assessment for BEOL interconnects. In: Proc. of the 53rd Annual Design Automation Conf. (DAC’16). 5 June 2016; 45: 1—6. https://doi.org/10.1145/2897937.2898062Huang X., Sukharev V., Qi Z., Kim T., Tan S.X.-D. Physics-based full-chip TDDB assessment for BEOL interconnects. In: Proc. of the 53rd Annual Design Automation Conf. (DAC’16). June 5, 2016; (45): 1—6. https://doi.org/10.1145/2897937.2898062Peng S., Zhou H., Kim T., Chen H.-B., Tan S. Physics-based compact TDDB models for low-k beol copper interconnects with time-varying voltage stressing. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. 2018; 26(2): 239—248. https://doi.org/1010.1109/TVLSI.2017.2764880Peng S., Zhou H., Kim T., Chen H.-B., Tan S. Physics-based compact TDDB models for low-k beol copper interconnects with time-varying voltage stressing. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. 2018; 26(2): 239—248. https://doi.org/1010.1109/TVLSI.2017.2764880Groove A.S. Physics and technology of semiconductor devices. NY, USA: Wiley & Sons Inc.; 1991. 388 p.Groove A.S. Physics and technology of semiconductor devices. NY, USA: Wiley & Sons Inc.; 1999. 388 p.Hwang S.-S., Jung S.-Y., Joo Y.-C. The electric field dependence of Cu migration induced dielectric failure in interlayer dielectric for integrated circuits. Journal of Applied Physics. 2007; 101(7): 074501. https://doi.org/10.1063/1.2714668Hwang S.-S., Jung S.-Y., Joo Y.-C. The electric field dependence of Cu migration induced dielectric failure in interlayer dielectric for integrated circuits. Journal of Applied Physics. 2007; 101(7): 074501. https://doi.org/10.1063/1.2714668Achanta R.S., Gill W.N., Plawsky J.L. Predicting the lifetime of copper/barrier/dielectric systems: Insights for designing better barriers for reducing copper ion drift/diffusion into the dielectric. Journal of Applied Physics. 2009; 106(7): 074906. https://doi.org/10.1063/1.3238517Achanta R.S., Gill W.N., Plawsky J.L. Predicting the lifetime of copper/barrier/dielectric systems: Insights for designing better barriers for reducing copper ion drift/diffusion into the dielectric. Journal of Applied Physics. 2009; 106(7): 074906. https://doi.org/10.1063/1.3238517Shacham-Diamand Y., Dedhia A., Hoffstetter D., Oldham W.G. Copper transport in thermal SiO2. Journal of the Electrochemical Society. 1993; 140(8): 2427—2432. https://doi.org/10.1149/1.2220837Shacham-Diamand Y., Dedhia A., Hoffstetter D., Oldham W.G. Copper transport in thermal SiO2. Journal of the Electrochemical Society. 1993; 140(8): 2427—2432. https://doi.org/10.1149/1.2220837Kuo 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): С35—С37. 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): С35—С37. https://doi.org/10.1149/1.1644355

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