多物理場(chǎng)下金屬微互連結(jié)構(gòu)的電遷移失效及數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著電子產(chǎn)品不斷向微型化和高性能化發(fā)展,導(dǎo)致金屬微互連結(jié)構(gòu)的電流密度急劇增加,極易引起電遷移誘致失效的可靠性問(wèn)題。本文針對(duì)金屬微互連結(jié)構(gòu)的電遷移失效問(wèn)題,提出考慮“電子風(fēng)力”、溫度梯度、應(yīng)力梯度和原子濃度梯度共同作用下的多物理場(chǎng)耦合計(jì)算模型,并結(jié)合電遷移試驗(yàn),揭示微互連結(jié)構(gòu)在多場(chǎng)載荷交互作用下的遷移特性和失效特征,為金屬微互連結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)價(jià)提供必要的理論和數(shù)值分析基礎(chǔ)。
　　 本文首先基于電遷移的基本理論,分析引起電遷移

2、失效的驅(qū)動(dòng)機(jī)制；對(duì)基于互連引線(xiàn)電遷移失效提出的傳統(tǒng)原子通量散度有限元法進(jìn)行改進(jìn),并分析和討論該方法的適用性及存在的問(wèn)題。
　　 其次,綜合考慮“電子風(fēng)力”、溫度梯度、應(yīng)力梯度和原子濃度梯度等驅(qū)動(dòng)機(jī)制,通過(guò)加權(quán)余量法對(duì)電遷移演化方程進(jìn)行求解,導(dǎo)出原子濃度重分布迭代方程；通過(guò)ANSYS電-熱-結(jié)構(gòu)耦合分析獲得模型的電流密度分布、溫度分布和應(yīng)力分布,基于FORTRAN編寫(xiě)的原子濃度重分布算法獲得不同時(shí)刻的原子濃度,依據(jù)空洞/小丘形成和

3、擴(kuò)展失效準(zhǔn)則電遷移動(dòng)態(tài)空洞演化進(jìn)行模擬并獲得失效壽命。將該算法分別應(yīng)用于SWEAT結(jié)構(gòu)和CSP結(jié)構(gòu),并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了算法的可靠性和精度；研究原子濃度梯度對(duì)電遷移失效的影響,發(fā)現(xiàn)其對(duì)電遷移起抑制作用,不考慮原子濃度梯度項(xiàng)將會(huì)低估電遷移的失效壽命；建立電遷移靈敏度分析方程及其相應(yīng)的數(shù)值算法,考慮設(shè)計(jì)變量為激活能、初始自擴(kuò)散系數(shù)和材料力學(xué)性能參數(shù)等對(duì)互連焊球結(jié)構(gòu)進(jìn)行電遷移靈敏度分析,結(jié)果表明,互連焊球的電遷移對(duì)激活能非常

4、敏感,材料力學(xué)性能參數(shù)對(duì)電遷移影響最小。
　　 進(jìn)一步,分別對(duì)0.18μm功率器件工藝的Al互連直線(xiàn)結(jié)構(gòu)和Al互連通孔結(jié)構(gòu)在不同溫度和不同電流條件下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)晶圓級(jí)電遷移加速試驗(yàn)和封裝級(jí)電遷移試驗(yàn),獲得電遷移失效壽命；并通過(guò)掃描電鏡觀察其電遷移失效后的微觀形貌,分析其失效機(jī)理；基于提出的原子濃度積分算法分別對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬和壽命預(yù)測(cè),并將數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明:原子濃度積分算法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出空洞失效的位置,并預(yù)