集積回路中における絶縁膜に加わる熱応力の緩和

集積回路中における絶縁膜に加わる熱応力の緩和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 • 情報の高速処理とICの縮小化 • 絶縁膜SiO2→Low-k材料図１　パッケージ参考:はじめての超LSI 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!!

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。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。 • 対象　絶縁膜に注目する。図3　絶縁膜図3　絶膜図4　配線モデル

☐手法 ・有限要素法を利用図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破壊応力比較

☐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 • 破壊応力は160MPa • ５０℃程度温度上昇すると破壊温度の原点は応力０状態となる温度である。図7 最大応力と温度

☐最大応力と配線長さ • 配線全長＝２×‘配線長さ’ • 上昇温度が６０℃時 • 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 • 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） • 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 ★: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。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 • Low-k材料の線膨張率を小さくする。 • 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。※アスペクト比a= • 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。 • 周囲のLow-k材料も適量配置する。 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

集積回路中における 絶縁膜に加わる熱応力の緩和