電子パッケージ薄膜配線の高密度電流による断線寿命および断線箇所の新規予測手法構築

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11555024
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 弘前大学
• 研究代表者: 笹川 和彦 弘前大学, 理工学部, 助教授 (50250676)
• 研究分担者: 神谷 庄司 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (00204628) ; 坂 真澄 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (20158918) ; 宮田 寛 弘前大学, 理工学部, 教授 (80312479)
• キーワード: 電子パッケージ / 金属薄膜配線 / エレクトロマイグレーション / 断線予測 / 数値シミュレーション / 支配パラメータ / 多結晶配線 / バンブー配線

研究概要

本年度は以下の項目の研究を実施した。
(I)多結晶配線における断線予測法の構築 多結晶配線におけるボイドの形成,成長は結晶粒界に沿って生じ,スリット状となったボイドが連結して最終的に断線に至る。以上の多結晶配線における断線過程を再現するため,シミュレーションのメッシュ生成の際に,実験により得られるスリット状ボイドの有効幅と平均結晶粒径に基づいてスリット状の要素を配置し,EM損傷の支配パラメータの計算値に基づいて同要素の厚さを時間経過とともに変化させるというボイドの形成,成長から断線に至る過程の数値シミュレーション手法を確立した。これにより多結晶配線における寿命および断線箇所の予測法を構築した。
(II)多結晶配線断線予測法の実験検証 まず,直線形状配線の集束イオンビーム装置観察およびEM加速試験後の電子顕微鏡観察により,EM損傷支配パラメータの計算に必要な薄膜物性に関する諸量を決定した。次に,得られた物性値を用い,電流・温度が二次元分布を呈する折れ曲がる多結晶配線を対象に数種の薄膜物性および使用環境を想定した数値シミュレーションを行い,寿命および断線箇所の予測を行った。一方,シミュレーションと同様の配線形状,薄膜物性,使用環境で断線試験を行った。寿命および断線箇所に関する予測と実験結果を比較して両者とも良好に一致することを示し,本予測法の実験検証を行った。
(III)バンブー配線の断線過程の調査 バンブー配線の断線予測法の構築に先立ち,数値シミュレーションのモデルとなるべき同配線の典型的な断線過程を,加速試験中の原子間力顕微鏡観察を通して詳細に調査した。バンブー配線のボイドはスリット状ではなく表面からなだらかに削れるように成長することがわかった。(I)と(III)の成果を基にバンブー配線における断線予測法の構築に着手した。

研究成果

• [文献書誌] 笹川和彦 (長谷川昌孝,坂 真澄,阿部博之): "バンブー配線におけるエレクトロマイグレーション損傷支配パラメータの実験的検証に関する研究"日本機械学会1999年度年次大会講演論文集(I). No.99-1. 21-22 (1999)
• [文献書誌] 笹川和彦 (内藤一史,木村浩樹,坂 真澄,阿部博之): "エレクトロマイグレーション損傷支配パラメータを用いた多結晶配線断線予測法の実験的検証"日本機械学会1999年度年次大会講演論文集(I). No.99-1. 287-288 (1999)
• [文献書誌] 笹川和彦 (内藤一史,木村浩樹,坂 真澄,阿部博之): "エレクトロマイグレーション損傷支配パラメータを用いた断線予測法"応用物理学会LSI配線における原子輸送・応力問題第5回研究会予稿集. 21-22 (1999)
• [文献書誌] 笹川和彦 (長谷川昌孝,坂 真澄,阿部博之): "エレクトロマイグレーション損傷支配パラメータを用いたバンブー配線におけるボイドおよびヒロック形成の予測"日本機械学会第12回計算力学講演会講演論文集. No.99-5. 303-304 (1999)
• [文献書誌] 笹川和彦 (内藤一史,坂 真澄,阿部博之): "エレクトロマイグレーション損傷の支配パラメータを用いたバンブー配線の断線予測法"日本機械学会第12回計算力学講演会講演論文集. No.99-5. 305-306 (1999)
• [文献書誌] K.Sasagawa (K.Naito,M.Saka,H.Abe): "A Method to Predict Electromigration Failure of Metal Lines"Journal of Applied Physics. 86・11. 6043-6051 (1999)
• [文献書誌] 笹川和彦 (坂 真澄,阿部博之): "電子デバイス用配線の強度評価"電子パッケージの熱的劣化に関する力学的・物性的総合研究-九州大学応用力学研究所研究集会報告. 11ME-S6. 29-33 (1999)
• [文献書誌] 笹川和彦 (内藤一史,坂 真澄,阿部博之): "LSI配線における断線予測法シミュレーション"日本金属学会「微細材料の力学特性と信頼性」シンポジウム予稿集. 9-12 (1999)
• [文献書誌] K.Sasagawa (M.Hasegawa,M.Saka,H.Abe): "Atomic Flux Divergence in Bamboo Line for Predicting Initial Formation of Voids and Hillocks"Theoretical and Applied Fracture Mechanics. (印刷中). (2000)
• [文献書誌] K.Sasagawa (K.Naito, H.Kimura, M.Saka,H.Abe): "Experimental Verification of Prediction Method for Electromigration Failure of Polycrystalline Lines"Journal of Applied Physics. (印刷中). (2000)
• [文献書誌] 神谷庄司 (高橋博紀、坂 真澄、阿部博之): "気相合成ダイヤモンドの結晶構造とその界面破壊じん性に及ぼす影響"日本機械学会1999年度年次大会講演論文集(I). No.99-1. 3-4 (1999)
• [文献書誌] 神谷庄司 (高橋博紀、坂 真澄、阿部博之): "Si基盤上の気相合成ダイヤモンドにおける中間SiC層と界面付着強度"日本機械学会平成11年度材料力学部門講演会講演論文集. No.99-16. 85-86 (1999)
• [文献書誌] 神谷庄司 (井上昭徳、坂 真澄、阿部博之): "気相合成法による炭素原子堆積に伴うシリコン基板表面の残留応力に対する分子動力学的考察"日本機械学会第12回計算力学講演会講演論文集. No.99-5. 25-26 (1999)
• [文献書誌] S.Kamiya (H.Takahashi, A.Kobayashi, M.Saka,H.Abe): "Fracture Strength of Chemically Vapor Deposited Diamond on The Substrate and Its Relation to The Crystalline Structure"Diamond and Related Materials. (印刷中).
• [文献書誌] S.Kamiya (H.Takahashi, R.Polini,E.Traversa): "Quantitative Determination of The Adhesive Fracture Toughness of CVD Diamond to WC-Co Cemented Carbide"Diamond and Related Materials. (印刷中).