集成電路銅互連可靠性研究.pdf

1、隨著集成電路互連技術(shù)的不斷發(fā)展，器件和互連線尺寸都越來越小，以至于特征尺寸達(dá)到幾十納米的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。雖然互連加工工藝不斷完善自身的缺陷來適應(yīng)日益增長(zhǎng)的集成電路互連線工藝的要求，然而由于銅金屬以及低 k材料的較差的物理性質(zhì)，如銅的易擴(kuò)散性和低 k材料的易擊穿性，導(dǎo)致了互連線可靠性的不斷惡化，以至于造成技術(shù)上的“瓶頸”。人們一直研究金屬可靠性和電介質(zhì)可靠性問題許多年，各種理論已經(jīng)很成熟，然而一些與互連幾何尺寸變異以及信號(hào)頻率有關(guān)的可靠性問題才

2、逐漸開始引起人們的注意。例如，趨膚效應(yīng)、線邊緣粗糙度（LER）以及過孔錯(cuò)位等可靠性因素的影響在不斷增加的信號(hào)頻率以及不斷減小的特征尺寸的環(huán)境下變得越來越明顯，以至于不能用直流電模型代替高頻信號(hào)模型，不能用光滑邊緣來代替粗糙邊緣以及不能用連接上下層金屬線的質(zhì)點(diǎn)來代替過孔的地步。出于以上原因，本文對(duì)趨膚效應(yīng)、線邊緣粗糙度以及過孔錯(cuò)位對(duì)可靠性的影響進(jìn)行了分析和研究。
　　首先，通過建立高頻電流下的互連線電流分布模型來研究趨膚效應(yīng)對(duì)有效電

3、流密度、溫度以及電介質(zhì)中的電場(chǎng)分布的影響，得出電流頻率與電遷移、應(yīng)力遷移以及時(shí)間相關(guān)介質(zhì)擊穿（TDDB）壽命的關(guān)系模型。分析前人的研究成果的基礎(chǔ)上，提出新的高頻電流金屬和電介質(zhì)平均壽命模型。
　　其次，根據(jù)LER的有效電阻率模型和互連溫度分布模型，得出不同LER幅度下的互連線溫度分布，以及過孔處的應(yīng)力遷移平均壽命。除此之外，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論以及有限元仿真等手段，對(duì)LER作用下的互連線電流分布以及線間電場(chǎng)分布進(jìn)行建模，分別研究TDD

4、B和電遷移平均壽命受LER的影響。
　　最后，建立過孔錯(cuò)位的有限元仿真模型，分別對(duì)互連線過孔處的電流密度、靜水應(yīng)力分布以及局部電場(chǎng)分布進(jìn)行模擬仿真，并與通過數(shù)值模擬的方法相結(jié)合討論了過孔錯(cuò)位對(duì)金屬可靠性和電介質(zhì)可靠性的影響。
　　本文以上研究結(jié)果都表明，忽略互連幾何尺寸變異和高頻信號(hào)對(duì)可靠性的作用，會(huì)導(dǎo)致互連壽命估計(jì)的過于樂觀或過于悲觀的結(jié)論，以至于導(dǎo)致芯片級(jí)壽命評(píng)估上的誤差。因此，在納米級(jí)互連技術(shù)中，必須要考慮互連幾何尺寸