集成電路封裝測(cè)試與可靠性課程設(shè)計(jì)(共4頁(yè))

1、關(guān)于(guny)Cu互連系統(tǒng)(xtng)下遷移失效(sh xio)模式研究張茂林 201421030121摘要隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，功能多樣、電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的電子產(chǎn)品得到廣 泛的應(yīng)用。電子產(chǎn)品是由各式各樣的集成芯片連接成的，而一塊集成電路芯片又 由成千上萬(wàn)的乃至于上百萬(wàn)個(gè)器件通過(guò)金屬互連線連接而成。當(dāng)器件失效或者互 連線失效，都可能會(huì)引起整個(gè)集成芯片的失效。如果為了復(fù)雜的電子系統(tǒng)能在非 常惡劣的環(huán)境中長(zhǎng)期工作，提高集成芯片的可靠性是非常有必要的。所以，集成 電路金屬銅互連系統(tǒng)的可靠性一直以來(lái)都是I C設(shè)計(jì)和制造研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。12 1 引言隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，集成電路發(fā)展到納米技術(shù)時(shí)

2、代，銅互連技術(shù)已經(jīng) 成為決定集成電路可靠性、性能、成本和生產(chǎn)率的重要因素。一直以來(lái)電遷移被 認(rèn)為是銅互連系統(tǒng)可靠性中的一個(gè)很大的問(wèn)題，但是在1987年的國(guó)際可靠性 物理論叢中初次報(bào)告一種和電遷移不同的不良失效類型，這種失效類型是在互 連線不通電，只在高溫下（高于100）放置產(chǎn)生斷線現(xiàn)象，原因主要是互連線 和互連系統(tǒng)中的介質(zhì)層材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）有很大差別，發(fā)生熱失配，進(jìn)而引起銅互連結(jié)構(gòu)系統(tǒng)熱應(yīng)力缺陷，所以稱為應(yīng)力遷移或應(yīng)力誘生空洞。目前，應(yīng)力遷移對(duì)集成電路可靠性的影響是人們研究的重要內(nèi)容之一。2 銅互連的研究歷程互連（interconnect）是在硅芯片上集成分立的電子元器件，并把這些它

3、們通 過(guò)金屬互連線連接起來(lái)形成比較完整的電路的工藝，其中金屬互連線可以利用 的材料有Al、Au、Ag、Cu 等，各種材料的物理性質(zhì)如下表2.1所示。盡管用傳統(tǒng)Al材料作為金屬互連線的成本低、技術(shù)也很成熟、粘附性好、容易刻蝕、與P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體容易形成良好的歐姆接觸。但是它容易發(fā)生電遷移，當(dāng)工藝溫度達(dá)到300左右的時(shí)候，Al薄膜上形成突起，穿透與之相鄰的金屬互 連線之間的電介質(zhì)層引起短路。從表2. 1得知金屬 Cu是作為集成電路金屬互連 線的很不錯(cuò)的材料：第一，銅的電阻率很小，比鋁的低37 % ，所以銅互連可以減小40 %的互連延遲；第二，銅的抗失效的能力強(qiáng)，比鋁由于電子遷移導(dǎo)致失效的時(shí)間

4、要長(zhǎng)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，所以對(duì)于金屬銅來(lái)說(shuō)，在互連層厚度較小的情況下可 以通過(guò)的電流密度較高，降低了能耗；第三，相比傳統(tǒng)的鋁工藝，由于銅工藝采 用了雙大馬士革工藝，可以減少互連金屬的層數(shù)，從而降低了成本，推動(dòng)銅工藝 走向產(chǎn)業(yè)化。表2-1 金屬連線的材料的性能(xngnng)比較3 主要失效(sh xio)模式應(yīng)力誘發(fā)(yuf)的空洞（Stress induced void）形成機(jī)理：在中等溫度（200-250）退火過(guò)程中，由于金屬內(nèi)的張應(yīng)力作用，鈍化的Cu互連內(nèi)會(huì)形成空洞。金屬中的應(yīng)力有二種機(jī)理：熱應(yīng)力，是由于金屬和絕緣體間熱膨脹失配引起的；生長(zhǎng)應(yīng)力，是由于金屬內(nèi)晶粒生長(zhǎng)引起的。若張應(yīng)力高于臨界應(yīng)力，

5、則空位在應(yīng)力梯度的作用下，通過(guò)晶界及 Cu/SiN 界面，從高應(yīng)力區(qū)低應(yīng)力區(qū)，最終由分散的空位積聚形成較大的空洞而導(dǎo)致電阻增大效應(yīng)，電路將失效。3.1 Cu線余量的影響銅線余量不同的情況下，應(yīng)力極大值大小不同。金屬線中應(yīng)力最大值隨銅線余量的增大而減小。銅線余量較大時(shí)，通孔兩側(cè)分別存在應(yīng)力梯度極大值，空洞可能在通孔底部?jī)蓚?cè)分別生成，并逐漸生長(zhǎng)直至貫穿通孔底部而導(dǎo)致互連線斷路。而銅線余量較小情況下，僅在通孔一側(cè)存在應(yīng)力極大值，空洞可能僅在通孔一側(cè)生成。因此，銅線余量較小情況下空洞生長(zhǎng)至臨界體積導(dǎo)致互連斷路的應(yīng)力遷移失效時(shí)間可能更長(zhǎng)。3.2通孔直徑的影響由于互連張應(yīng)力的存在引起該處互連金屬化學(xué)勢(shì)的變

6、化(binhu)，從而產(chǎn)生過(guò)?？瘴?，空位在應(yīng)力梯度的作用下沿主導(dǎo)擴(kuò)散路徑作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)并在應(yīng)力梯度極大值處成核生長(zhǎng)成空洞，空洞生長(zhǎng)速率由過(guò)?？瘴坏臄?shù)量和應(yīng)力梯度的大小共同決定，而應(yīng)力(yngl)梯度在應(yīng)力誘生空洞的形成過(guò)程中起主導(dǎo)作用。當(dāng)互連通孔尺寸增大時(shí)，由于應(yīng)力(yngl)和應(yīng)力梯度值增大導(dǎo)致互連應(yīng)力誘生空洞的生長(zhǎng)速率上升。圖3.21 不同通孔尺寸F銅互連VML上的應(yīng)力梯度分布3.3線寬的影響寬下層金屬線，線寬為 2.5m，和窄下層金屬線，線寬為 0.8m 的兩種互連結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。下層金屬線較寬時(shí)，金屬線上應(yīng)力極大值為 655MPa,下層金屬線較窄時(shí)，金屬線上應(yīng)力極大值為 675MPa，

7、對(duì)比可得，應(yīng)力及應(yīng)力梯度隨下層金屬線線寬的增大而減小。因此，采用下層金屬線較寬的互連結(jié)構(gòu)可能能夠提高 Cu 互連系統(tǒng)抗應(yīng)力遷移能力。43.4采用單孔或雙孔的影響雙通孔結(jié)構(gòu)是常見(jiàn)的有效提高互連可靠性的方法之一。當(dāng)某一通孔因空洞體積達(dá)到臨界值而斷路時(shí)，另一個(gè)通孔還可維持互連連通，使互連線壽命增長(zhǎng)。5與單通孔結(jié)構(gòu)相比，雖然雙通孔結(jié)構(gòu)互連線中整體所受應(yīng)力更大，應(yīng)力極大值更高，但雙通孔結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布更均勻，應(yīng)力梯度小于單通孔結(jié)構(gòu)。因此，采用雙通孔結(jié)構(gòu)能夠有效提高 Cu 互連系統(tǒng)抗應(yīng)力遷移能力。3.5 通孔與線條重疊長(zhǎng)度的影響隨著通孔與線條重疊長(zhǎng)度的減小時(shí)，整體應(yīng)力變大，通孔內(nèi)部尤為明顯；在通孔左端點(diǎn)處的

8、應(yīng)力和應(yīng)力梯度也明顯增加；通孔內(nèi)部等效塑性應(yīng)變也有不同程度的惡化。正的重疊長(zhǎng)度可以改善應(yīng)力和應(yīng)變情況，而負(fù)的重疊長(zhǎng)度則明顯惡化了應(yīng)力和應(yīng)變情況。因此，在設(shè)計(jì)版圖時(shí)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)足夠大的正的重疊長(zhǎng)度，以補(bǔ)償可能的工藝致通孔線條偏差。3.6 通孔和工藝(gngy)波動(dòng)性的影響(yngxing)互連通孔和通孔阻擋層形成(xngchng)工藝的波動(dòng)性將影響互連通孔結(jié)構(gòu)的尺寸，由此帶來(lái)的通孔微結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)互連通孔和通孔底部互連金屬SIV的影響不容忽視。對(duì)于通孔高度的變化，SIV對(duì)大高寬比的通孔結(jié)構(gòu)很敏感。通孔溝槽可以有效提高互連 SIV 可靠性，但需要控制其深度。3通孔底部阻擋層厚度對(duì)互連 SIV 性能具有矛盾

9、性，需要折中考慮。3.7 窄金屬過(guò)渡區(qū)對(duì)銅互連應(yīng)力遷移的影響窄金屬過(guò)渡區(qū)對(duì)應(yīng)力遷移有明顯的改善，窄金屬過(guò)渡區(qū)中的空位只能通過(guò)一維擴(kuò)散聚集到通孔下方，使聚集到通孔底部的空位源減小，因此降低了通孔應(yīng)力誘生空洞的形成速率。6窄金屬的添加和偽通孔添加的作用相類似，雖然不能完全抑制應(yīng)力誘生空洞現(xiàn)象的發(fā)生，但是通過(guò)對(duì)應(yīng)力梯度、空位源體積的改變，從而對(duì)銅互連結(jié)構(gòu)抗應(yīng)力遷移有一定的改善作用。4 結(jié)論隨著集成電路的發(fā)展進(jìn)入深亞微米時(shí)代，互連成為決定集成電路性能、可靠性和成本的重要因素之一。銅互連可靠性已經(jīng)成為制造超大規(guī)模集成電路過(guò)程 中的重要問(wèn)題之一。研究銅互連的可靠性問(wèn)題，有助于為以后的集成電路工藝發(fā) 展做關(guān)

10、鍵的探索，提高芯片的集成度，提高器件密度，提高時(shí)鐘頻率以及降低消耗的能量起到很大的作用。而銅互連線中的熱應(yīng)力是銅互連可靠性問(wèn)題中的主要 研究?jī)?nèi)容。參考文獻(xiàn)韓軍武. Cu互連失效性的分析與研究. 西安電子科技大學(xué), 2012.劉靜. Cu低k互連系統(tǒng)可靠性研究. 西安電子科技大學(xué), 2008.林曉玲. 銅互連結(jié)構(gòu)在熱應(yīng)力作用下的失效機(jī)理及可靠性研究. 華南理工大學(xué)，2011.4 J. W. McPherson and C. F. Dunn . A model for stress induced metal notching and voiding in very large scale int

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