ULSI多层金属布线中的热效应和可靠性研究

论文摘要

本论文研究了超大规模集成电路(ULSI)多层金属布线中的热效应和可靠性问题。在多层金属布线网络中，通过模型，详细研究了单层单线、多层单线和多层多线的温度分布，以及介质材料、金属线间距、金属层间距、金属线厚度、金属线宽度和电流密度对多层金属布线的温度影响，同时也详细计算分析了通孔密度、通孔直径、通孔间距、通孔高度对有效热导系数的影响，从而进一步深入分析了热导系数对多层金属布线的温度影响。此外，通过电迁移理论，研究了互连金属线长度、金属线几何形状、金属线厚度、金属线宽度、晶粒结构、温度和电流密度对集成电路平均失效时间(MTF)的影响，并同时比较分析了铜布线和铝布线的情形。模拟结果分析表明，在多层金属布线网络中，如果不考虑通孔的自热效应，由于热效应造成的温度最高点分布在金属线的中间位置；如果通孔发生自热，温度的最高点会分布在通孔中。在考虑通孔效应后，利用导出的有效热导系数来计算和分析集成电路布线中的热效应将更加符合实际的情况。可靠性研究的结果表明，提高互连线的抗电迁移能力要求降低互连线的温度，优化线条的几何特性，采用扩散激活能更大的材料。总之，在考虑这些因素之后，我们对多层金属互连线的温度的计算和分析更加接近实际的温度分布。这样一来，研究成果可以为集成电路设计师设计出高性能、高可靠性的芯片提供了理论基础和指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章: 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 ULSI中铝互连线的发展
• 1.3 ULSI中铜互连线的发展
• 1.4 本文研究的内容
• 第2章: ULSI工艺中金属布线的温度模型
• 2.1 ULSI互连线工艺及布线结构
• 2.1.1 互连线工艺
• 2.1.2 互连线多层金属布线结构
• 2.2 单一金属连线的温度模型
• 2.3 多层金属连线的温度模型
• 第3章: ULSI工艺中多层金属互连线的热分析
• 3.1 单层单线、多层单线和多层多线的温度分布
• 3.2 介质材料对多层金属布线的温度影响
• 3.3 金属线间距和金属层间距对多层金属布线的温度影响
• 3.3.1 金属线间距对多层金属布线的温度影响
• 3.3.2 金属层间距对多层金属布线的温度影响
• 3.4 金属线厚度和金属线宽度对多层金属布线的温度影响
• 3.4.1 金属线厚度对多层金属布线的温度影响
• 3.4.2 金属线宽对多层金属布线温度的影响
• 3.5 电流密度对多层金属布线温度的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章: ULSI热分析中考虑通孔自热效应后的有效热导系数
• 4.1 基本理论模型
• 4.2 考虑通孔自热效应后对有效热导系数进行模拟的结果与分析
• 4.2.1 通孔间距对有效热导系数的变化
• 4.2.2 通孔直径对有效热导系数的变化
• 4.2.3 通孔高度对有效热导系数的变化
• 4.2.4 通孔密度对有效热导系数的变化
• 4.2.5 金属线宽对有效热导系数的变化
• 4.3 介质材料的热导系数对温度分布的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章: ULSI布线可靠性分析
• 5.1 电迁移基本理论
• 5.1.1 金属薄膜的缺陷和扩散
• 5.1.2 电迁移平均失效时间和失效激活能Qa
• 5.2 形状及结构对MTF的影响
• 5.2.1 金属线长度对MTF的影响
• 5.2.2 金属线几何形状及金属线厚度对MTF的影响
• 5.2.3 金属线宽度对MTF的影响
• 5.2.4 晶粒结构对MTF的影响
• 5.3 温度和电流密度对MTF的影响
• 5.3.1 温度对电迁移MTF的影响
• 5.3.2 不同金属对MTF的影响
• 5.3.3 电流密度对MTF的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 基本结论
• 攻读学位论文期间发表的论文
• 参考文献
• 致谢