集成電路銅互連可靠性研究.pdf

1、隨著集成電路互連技術的不斷發(fā)展，器件和互連線尺寸都越來越小，以至于特征尺寸達到幾十納米的技術節(jié)點。雖然互連加工工藝不斷完善自身的缺陷來適應日益增長的集成電路互連線工藝的要求，然而由于銅金屬以及低 k材料的較差的物理性質，如銅的易擴散性和低 k材料的易擊穿性，導致了互連線可靠性的不斷惡化，以至于造成技術上的“瓶頸”。人們一直研究金屬可靠性和電介質可靠性問題許多年，各種理論已經很成熟，然而一些與互連幾何尺寸變異以及信號頻率有關的可靠性問題才

2、逐漸開始引起人們的注意。例如，趨膚效應、線邊緣粗糙度（LER）以及過孔錯位等可靠性因素的影響在不斷增加的信號頻率以及不斷減小的特征尺寸的環(huán)境下變得越來越明顯，以至于不能用直流電模型代替高頻信號模型，不能用光滑邊緣來代替粗糙邊緣以及不能用連接上下層金屬線的質點來代替過孔的地步。出于以上原因，本文對趨膚效應、線邊緣粗糙度以及過孔錯位對可靠性的影響進行了分析和研究。
　　首先，通過建立高頻電流下的互連線電流分布模型來研究趨膚效應對有效電

3、流密度、溫度以及電介質中的電場分布的影響，得出電流頻率與電遷移、應力遷移以及時間相關介質擊穿（TDDB）壽命的關系模型。分析前人的研究成果的基礎上，提出新的高頻電流金屬和電介質平均壽命模型。
　　其次，根據LER的有效電阻率模型和互連溫度分布模型，得出不同LER幅度下的互連線溫度分布，以及過孔處的應力遷移平均壽命。除此之外，通過統(tǒng)計學的理論以及有限元仿真等手段，對LER作用下的互連線電流分布以及線間電場分布進行建模，分別研究TDD

4、B和電遷移平均壽命受LER的影響。
　　最后，建立過孔錯位的有限元仿真模型，分別對互連線過孔處的電流密度、靜水應力分布以及局部電場分布進行模擬仿真，并與通過數(shù)值模擬的方法相結合討論了過孔錯位對金屬可靠性和電介質可靠性的影響。
　　本文以上研究結果都表明，忽略互連幾何尺寸變異和高頻信號對可靠性的作用，會導致互連壽命估計的過于樂觀或過于悲觀的結論，以至于導致芯片級壽命評估上的誤差。因此，在納米級互連技術中，必須要考慮互連幾何尺寸