Electromigration Simulation

Electromigration is the biggest reliability problem for interconnect structures in modern integrated circuits. Electromigration is the transport of material caused by electric current. It is kind of a ‘time bomb’, which can cause total failure of a circuit at an unspecified time. Electromigration is often accompanied by stress migration, a diffusion controlled process in which the driving force for the transport of material is the gradient of mechanical stress. Highly integrated microelectronic circuits (eg. microprocessors) require dense wiring structures. With the resulting increase in current density, electromigration induced failure becomes a more and more challenging issue.
Significant advance has been made by choosing copper instead of aluminum as interconnect metal, because copper has an improved electromigration bulk resistance. On the other hand the low copper affinity introduces high diffusivity paths along copper/barrier interfaces and thereby promotes nucleation of intrinsic voids in the interconnect metal. The design of an electromigration compatible interconnect layout is a complex task which can not be handled by using simple design rules.
There exists a lot of theoretical work available for explaining and modeling of the manifold physical phenomena behind electromigration, but only a very small part of it was actually implemented in software tools and tested on real world applications. In the scope of this project the state of the art of the physical models was evaluated and weak points were identified and eliminated. With the best models a widely applicable interconnect reliability characterization tool was then developed and verified on real world applications.
The achieved findings will enable the fabrication of more reliable integrated circuits.

Die Elektromigration stellt das größte Zuverlässigkeitsproblem für Verdrahtungsstrukturen in modernen integrierten Schaltungen dar. Unter Elektromigration versteht man einen Materialtransport, der durch elektrischen Strom verursacht wird. Es ist eine Art ‚Zeitbombe‘, welche einen totalen Ausfall des Schaltkreises zu einem unbestimmten Zeitpunkt  auslösen kann. Die Elektromigration wird oft von Stressmigration begleitet, einem diffusions­gesteuerten Prozess, bei dem die treibende Kraft für den Materialtransport im Gradienten der mechanischen Spannung begründet ist. Hoch integrierte mikroelektronische Schaltungen (z.B. Mikroprozessoren) verlangen dichte Verdrahtungsstrukturen. Mit der daraus resultierenden Zunahme an Stromdichte, werden Ausfälle durch Elektromigration ein immer kritischeres Problem.Bedeutender Fortschritt wurde durch die Verwendung von Kupfer statt Aluminium als Verbindungsmetall erreicht, weil Kupfer eine höhere Elektromigrationsfestigkeit hat.  Andererseits führt die niedrige chemische Affinität des Kupfers zu schnellen Diffusionspfaden entlang der Kupfer/Barriere-Übergänge und fördert dadurch die Keimbildung von Lunkern innerhalb des Verbindungsmetalls. Der Entwurf einer elektromigrationsgerechten Verdrahtungsstruktur ist eine komplizierte Aufgabe, die nicht durch die Anwendung von simplen Regeln gelöst werden kann.Viel theoretische Arbeit wurde mit Bemühungen geleistet, die vielfältigen Phänomene hinter der Elektromigration zu erklären, aber nur ein kleiner Teil davon wurde wirklich in Computerprogramme, die der Entwurf von Verdrahtungsstrukturen unterstützen, umgesetzt und an realen Anwendungen getestet. Im Rahmen dieses Projektes wurden die neuesten physikalischen Modelle evaluiert und mögliche Schwachpunkte erkannt und beseitigt. Die besten Modelle wurden dann in ein allgemeines Simulationsprogramm für die Beschreibung der Zuverlässigkeit moderner Verdrahtungs­strukturen implementiert und an realen Anwendungen verifiziert.Die gewonnenen Erkenntnisse werden die Fertigung von zuverlässigeren integrierten Schaltungen ermöglichen.