Lebensdauer von Halbleitern genauer vorhersagen

Integrierte Schaltungen fallen nach einer gewissen Zeit aus. Doch wie lange arbeiten moderne Chips mit Strukturbreiten von unter einem Mikrometer zuverlässig? Um dies mit hinreichender Genauigkeit prognostizieren zu können, müssen die Entwickler die vielfältigen Einflussfaktoren kennen...

Integrierte Schaltungen fallen nach einer gewissen Zeit aus. Doch wie lange arbeiten moderne Chips mit Strukturbreiten von unter einem Mikrometer zuverlässig? Um dies mit hinreichender Genauigkeit prognostizieren zu können, müssen die Entwickler die vielfältigen Einflussfaktoren kennen und entsprechend modellieren. Das geht nur mit ausgefeilten Werkzeugen.

Elektronische Geräte und auch ganze Systeme sollten möglichst lange zuverlässig und störungsfrei arbeiten. Dazu ist es wichtig herauszufinden, wie lange integrierte Schaltungen fehlerfrei funktionieren. ICs unter realen Bedingungen zu prüfen scheidet in der Praxis aus, da es viele Jahre dauern kann, bis erste Fehler auftreten. Daher kommen in der Halbleitertechnik beschleunigte Lebensdauerprüfungen unter Worst-Case-Bedingungen zum Einsatz, bei denen die Komponenten hohen Stromund Temperaturbelastungen ausgesetzt werden. Durch Extrapolation lassen sich auf diese Weise genauere Prognosen zur Lebensdauer stellen. Ausgehend von solchen Versuchen haben Physiker mit der Entwicklung von Modellen zur Bestimmung der voraussichtlichen Lebensdauer von Halbleitern begonnen. Mit solchen Modellen können sie zwar nicht vorhersagen, wann genau ein bestimmtes Bauteil ausfällt, aber sie können dadurch mit einiger Sicherheit die Ausfallquote unter bestimmten Bedingungen ableiten. Halbleiterhersteller arbeiten intensiv daran, die Genauigkeit dieser Modelle weiter zu steigern. Voraussetzung dafür ist ein besseres Verständnis der grundlegenden Ausfallmechanismen. STMicroelectronics beispielsweise untersucht die Vorgänge bei der Elektromigration in Interconnects, eine der Hauptursachen für den Ausfall von ICs. Hierfür setzt der IC-Hersteller auf das Werkzeug »Comsol Multiphysics«.

Unter Elektromigration versteht man den Nettotransport von Material, verursacht durch Kollisionen sich bewegender Elektronen mit Metallionen. Durch dieses Phänomen, auch »Elektronenwind« genannt, werden nach und nach Metallatome aus ihren ursprünglichen Positionen herauskatapultiert. Die Metallatome wandern, und so bleiben Lücken in der Kristallstruktur zurück, Vakanzen genannt. Diese wachsen sich allmählich zu winzigen Hohlräumen aus, sodass es zu Leitungsunterbrechungen und schließlich zum Ausfall des Elements kommt (Bild 1). Bei modernen CMOS-Bausteinen sind die Kupferverbindungsleitungen zum Teil nur 100 nm dünn und ungefähr genauso hoch.

Der Vakanzfluss unterliegt verschiedenen treibenden Kräften, unter anderem den Gradienten von hydrostatischer Spannung, Temperatur und elektrischem Potenzial. Außerdem wird die Lebensdauer der Metallverbindungen durch noch andere Charakteristika beeinflusst. Hierzu gehören die Abmessungen des Leiters, die Materialeigenschaften sowie das elektrochemische Auftragverfahren und der chemisch-mechanische Polierprozess (CMP), die bei der Fertigung der Zwischenverbindungen zum Einsatz kommen. Ein weiterer Aspekt ist, dass Halbleiterbauelemente immer kleiner und kompakter werden. Dadurch erhöht sich die Stromdichte in den Metallverbindungen zwischen den einzelnen Transistoren, sodass der Einfluss der Elektromigration auf die Lebensdauer von ICs steigt.