铜微互连线的原子迁移失效研究

作     者：邵杰 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：廖广兰

授予年度：2017年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：铜微互连线 原子迁移 原子通量散度 多物理场耦合模拟 加速测试 

摘      要：随着微互连向深亚微米尺度发展,电流密度高、应力集中、散热难等问题愈发突出,原子迁移失效逐渐成为了超大规模集成电路不可忽视的可靠性问题。铜比铝具有更低的电阻率、更好的抗电迁移性能,已经成为新一代互连材料,但是针对铜互连的原子迁移研究还远远不够。本文以铜微互连线为研究对象,结合多物理场耦合模拟和电迁移加速测试,研究原子迁移行为及孔洞的演化过程,主要内容包括:(1)开发了原子迁移模拟程序,针对铜微互连线进行了模拟。基于原子通量散度理论,结合开发的应力梯度求解脚本、ANSYS结构—热—电耦合多物理场模型、APDL和生死单元技术,实现了原子迁移静态和动态模拟。结果显示:电流密度不会影响迁移断开位置,而参考温度和缺陷孔洞会使得断开位置发生转移;环境温度对迁移寿命的影响远高于退火温度;电流密度小于13.5MA/cm时,应力迁移处于主导地位,超过13.5MA/cm则是电迁移主导。我们还发现原子迁移过程中孔洞的演化主要是由电迁移和应力迁移所致,热迁移的作用可以忽略。(2)设计了铜微互连线原子迁移加速测试实验,研究了电流、环境温度对迁移寿命和迁移行为的影响。采用光刻、溅射、退火等工艺制备出测试样片并设计了专用夹持装置。通过不同的电流加载方式证明了原子迁移失效和瞬时过载失效是截然不同的:过载失效有明显的熔化现象,迁移失效结构表面有大量孔洞,我们还发现迁移寿命和环境温度呈线性关系。这都与仿真结果非常相似,验证了开发模拟程序的准确性和可靠性。直角弯折和直线过渡区域均发现了大量的孔洞(或者直接断开),小丘有向直线过渡区域淤积的倾向。电阻—时间曲线的波动从侧面证明了原子迁移过程中孔洞的扩展还伴随着重新填充。上述研究有助于深入理解铜互连线的原子迁移现象及失效特征,为铜互连的可靠性设计提供了基础。