Cu/低k互连系统可靠性研究

论文摘要

本文研究了Cu/低k互连系统可靠性,包括Cu互连的电迁移和应力迁移失效问题。讨论了电迁移失效的测试分析方法,探索了Cu互连的电迁移失效机理和改善铜互连抗电迁移性能的措施,同时采用有限元分析法模拟了Cu互连系统中残余应力分布情况,讨论了不同通孔宽度、金属线宽、余量长度、双通孔结构以及不同层间介质材料的应力分布情况,并通过应力诱发空洞失效实验观察了空洞产生的位置,研究比较了不同通孔直径的互连线失效情况,分析了铜互连应力迁移失效机理。结果表明,铜/介质覆盖层界面是电迁移扩散的最快路径,可通过改善该界面特性的方法抑制电迁移失效。残余热应力在通孔内部最大,应力梯度在通孔拐角底部的下层互连线中达到极大值。应力极大值随通孔直径和层间介质材料介电常数的减小而下降,随线宽和铜线余量长度的减小而上升。应力梯度随通孔直径、层间介质材料介电常数和铜线余量长度的减小而下降,随线宽减小而上升。由张应力产生的过剩空位在应力梯度的作用下沿主导扩散路径作扩散运动并在应力梯度极大值处成核生长成空洞。空洞生长速率由应力和应力梯度的大小共同决定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 集成电路互连技术的发展现状
• 1.1.1 集成电路互连技术
• 1.1.2 国内外研究状况
• 1.2 论文的研究意义
• 1.3 论文的主要工作及内容编排
• 第二章 集成电路互连技术
• 2.1 第一代互连技术－铝互连工艺
• 2.2 第二代互连技术－Cu/低k 互连
• 2.2.1 铜互连工艺
• 2.2.2 低k 层间介质材料
• 2.2.3 铜/低k 互连集成工艺
• 2.3 Cu/低k 互连系统关键工艺
• 2.3.1 阻挡层材料技术
• 2.3.2 Cu 工艺
• 2.3.3 Cu 的CMP 平坦化技术
• 2.3.4 低k 介质与铜互连集成工艺的可靠性问题
• 2.4 本章小结
• 第三章 Cu 互连系统电迁移失效研究
• 3.1 电迁移原理
• 3.2 基本测试结构及方法
• 3.2.1 基本测试结构
• 3.2.2 电迁移测试方法
• 3.2.3 电迁移外推法
• 3.3 短尺寸效应
• 3.4 电迁移界面扩散机制
• 3.5 改善电迁移特性的措施
• 3.5.1 Cu 合金法
• 3.5.2 添加金属表面覆盖层
• 3.5.3 表面处理
• 3.6 本章小结
• 第四章 Cu 互连系统应力迁移失效研究
• 4.1 应力迁移理论
• 4.2 有限元分析方法及软件简介
• 4.2.1 有限元分析方法简介
• 4.2.2 ANSYS 软件简介
• 4.2.3 ABAQUS 软件简介
• 4.3 ANSYS 有限元分析
• 4.3.1 有限元模型
• 4.3.2 单双孔结构对残余应力的影响
• 4.3.3 通孔直径对残余应力的影响
• 4.3.4 铜线余量对残余应力的影响
• 4.3.5 线宽对残余应力的影响
• 4.3.6 介质材料对残余应力的影响
• 4.4 ABAQUS 有限元分析
• 4.4.1 有限元模型
• 4.4.2 互连应力分布
• 4.4.3 通孔直径对应力分布的影响
• 4.4.4 铜线余量对应力分布的影响
• 4.4.5 双通孔结构应力分布情况
• 4.4.6 层间介质介电常数对应力分布的影响
• 4.5 实验及结果分析
• 4.5.1 实验方法简介
• 4.5.2 实验结果分析与讨论
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果