深亚微米集成电路Cu/低k互连结构温度特性分析

摘要

随着CMOS器件工艺特征尺寸的减小，热问题成为深亚微米集成电路设计中最具挑战的问题之一。互连线温度估计在深亚微米集成电路设计中也一直备受关注。本论文主要进行的是深亚微米Cu/低k介质多层金属互连结构的温度分析。在多层金属互连结构中，通常采用Cu代替Al作为互连金属材料以减少互连电阻，同时采用低介电常数材料代替二氧化硅，可有效的减小了互连线上的寄生电容，从而减小RC互连电阻，降低了互连延时，但这些材料的低热传导系数却进一步恶化了互连线上的温度情况。此外，由于通孔直径进一步的减小，单位体积内通孔数量的进一步增加，通孔产生的自热成为一个非常重要的热源，从而影响了整个互连系统的温度分布。
　　 本文详细讨论了考虑通孔自热效应的多层金属互连温度分布解析模型，通过建立模型进行了单层互连线，多层互连线的温度分析，进一步讨论了通孔的温度分布、通孔自热效应对互连线温度分布的影响以及通孔对有效热传导系数的影响。
　　 本论文还提出了一种基于SPICE与热电二元性的热RC网络仿真方法，可实现稳态和瞬态条件下的高效Cu/低k介质互连温度分析，并采用了虚拟通孔的优化方法，从而得到比较贴近实际的金属连线温度分布情况，研究成果可为集成电路设计师设计出高性能、高可靠性芯片提供理论基础和指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2研究意义

1.3国内外研究现状

1.4本文主要工作与结构安排

第二章集成电路互连技术

2.1互连的分类及重要性

2.2Al互连的基本结构

2.3 Cu互连的基本结构

2.3.1 Cu互连

2.3.2 Cu/低k介质互连工艺

2.4本章小结

第三章互连线温度分析的基本理论和模型

3.1温度分析基本理论和方法

3.1.1能量守恒定律

3.1.2热传导方程

3.2简单的金属互连线温度模型

3.3考虑通孔效应的多层金属互连线热分析模型

3.3.1通孔效应

3.3.2模型的建立

3.4本章小结

第四章考虑通孔效应的多层金属互连线温度仿真

4.1互连线温度分布仿真

4.1.1单层互连线温度分析

4.1.2考虑通孔的多层互连线温度分析

4.2通孔效应对有效热传导系数的影响

4.3多层互连线各金属层上的温度分析

4.4本章小结

第五章基于SPICE的互连线热电模型分析

5.1基本模型

5.1.1热网络模型

5.1.2基于SPICE的热模型

5.2静态分析

5.2.1通孔间距对有效热传导系数的影响

5.2.2互连线间的热耦合

5.3瞬态分析

5.4虚拟通孔对互连的性能优化

5.5本章小结

第六章结束语

致谢

参考文献

研究成果