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応力誘起ボイドとは

THEME 07 テスト・信頼性 · 劣化と余裕Stress-Induced Voiding
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応力誘起ボイドとは、電流を流さずとも温度ストレスだけで金属原子が動いてボイドができる現象です。 ストレスマイグレーションとも呼ばれます。エレクトロマイグレーションは電流が原子を押す現象ですが、応力誘起ボイドは電流ゼロでも進むので、保管しているだけの製品にも起こります。原因は電流ではなく、膜と配線の熱膨張の差にあります。

膜と配線の熱膨張差が配線を引っ張り、電流なしで原子を動かす

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ボイドができるまで
引張応力原子が移動断線膜が配線を引っ張るボイドができる抵抗の増加や断線パッシベーション膜Al配線の結晶粒ボイド
配線上の膜が配線に引張応力を加えると、電流がなくても Al 原子が動いてボイドができ、配線抵抗の増加や断線に至ります。

原因は、パッシベーション膜または層間絶縁膜と Al 配線の熱膨張係数の差から生じる応力です。膜と下地の熱膨張の差は、冷やすときに膜の中へ応力を残します。配線上のパッシベーション膜によって配線に引張応力が加わり、Al 原子が移動してボイドが形成され、最終的には断線に至ります1。この間、電流は流れていません。

できたボイドは、配線抵抗の増加や断線を引き起こします1。同じ資料は、ヒロックが Al 配線間の層内や層間のショートを引き起こすとしています。

応力は低温ほど大きく、原子は高温ほど動くので、150〜200℃で起きる

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保存の温度と起きやすさ
150℃200℃保存の温度応力原子の動きやすさボイドの起きやすさ
応力は低温ほど大きく、原子は高温ほど動きやすいので、両方がそろう150〜200℃の長期保存でボイドが起きます。

応力は低温ほど大きく、一方で金属原子は高温ほど動きやすくなります1。そのため、150〜200℃ という中間的な温度での長期保存で発生します。

長期保存ではスリット状、製造中の熱処理ではくさび状になる

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2つのモードのボイドの形
低温長期モード高温短期モードスリット状のボイド150〜200℃の長期保存くさび状のボイド製造工程の熱処理中配線（上から見た形）ボイド
同じ応力が原因でも、出荷後の長期保存では主に配線を横切るスリット状、製造中の熱処理ではくさび状のボイドになります。

150〜200℃の長期保存で起きるモードを低温長期モードと呼び、主にスリット状の断線になります。製造工程の熱処理中には、くさび状ボイドとして現れる高温短期モードもあります1。同じ原因でも、温度と時間の組み合わせで形が分かれます。出荷した後だけでなく作っている最中にも進むので、どちらの段でも見張る対象になります。

配線幅が細いほど起こりやすくなるので、世代が進むほど余裕は小さくなります。45 nm ノードより先では、粒構造がドリフト速度と EM 信頼性に与える影響が大きくなります2。

対策はエレクトロマイグレーションと重なり、原子の動く経路を絞る

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ストレスマイグレーションの耐性も、エレクトロマイグレーションと同じ手段で上げています1。バリアメタルの適用、粒界拡散を抑える Al 配線への Cu 添加、ビアホールへのタングステンプラグの導入です。エレクトロマイグレーションに対しては、W や Ti 等の高融点金属をバリアメタルとして積層する手もあります。原子が動く経路を絞るという点で、2つの不良の対策は共通です。

どの対策にも代償があります。バリアメタルを厚くすれば原子の動く経路が絞られ、ボイドが減りますが、電流が通る断面を食い、配線の抵抗が上がります。配線を太くすれば応力が集まりにくくなるものの、面積と容量が増えます。膜の応力を下げれば発生は減りますが、材料と成膜の選択肢が狭まります。

よくある質問（FAQ）

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応力誘起ボイドとは何ですか？

ストレスマイグレーションとも呼ばれ、電流を流さず温度ストレスだけの状態で金属原子が移動する現象です。原子が抜けた所にボイドができます。

何が原因ですか？

パッシベーション膜または層間絶縁膜と Al 配線の熱膨張係数の差から生じる応力です。

どう壊れるのですか？

配線に引張応力が加わって Al 原子が移動し、ボイドが形成され、最終的に断線に至ります。ボイドは配線抵抗の増加も引き起こします。

何℃ で起きますか？

150〜200℃ という中間的な温度での長期保存で発生します。製造工程の熱処理中には、くさび状のボイドとして現れる高温短期モードもあります。

なぜ中間の温度なのですか？

低温ほど応力が大きく、一方で金属原子は高温ほど動きやすいためです。

細い配線ほど起きやすいのですか？

はい。配線幅が細いほど起こりやすくなります。

対策は何がありますか？

バリアメタルの適用、粒界拡散を抑える Al 配線への Cu 添加、ビアホールへのタングステンプラグです。エレクトロマイグレーションの対策と同じ手段です。

比較・違いを学ぶ

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関連用語

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出典

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