超深亚微米集成电路铜互连可靠性研究

摘要

本文论述了在集成电路（IC）发展过程中铜互连所面临的可靠性问题，并讨论了铜互连的相关工艺流程。为了更好的了解铜互连的可靠性问题，文中比较了铜互连和铝互连的工艺流程。两者在材料、工艺和具体的可靠性问题上都存在很大的差异。在铜互连可靠性的几个主要问题中，重点针对互连中的电迁移和阻挡层进行了探讨。随着集成度不断提高，对于阻挡层在薄膜厚度，热稳定性，电导性，均匀性等方面的要求将变得愈加苛刻。传统的TiN阻挡层不再胜任这项工作，非晶态M（M=Ti，Mg，Ta，W）—Si—N三元化合物由于其较佳的热稳定性而受到关注。 本文对铜互连线中的应力进行了数值分析，比较了无限长和半无限长两种结构互连线中的应力分布状况。在无场区域的半无限长互连线中，因为无场区域对电迁移的缓冲作用，应力的集结相比于无限长互连线要慢。对周期性直流脉冲条件下的互连线应力也进行研究，得到直流脉冲下，互连线满足零应力边界条件的稳态应力梯度是与占空比成正比。 最后在一维连续性模型的基础上，考虑了阻挡层对铜互连电迁移的影响，提出了一个修正的电迁移模型，对直流偏置和直流脉冲偏置应力下铜互连线的电迁移寿命进行了数值分析。计算结果表明用来抑制铜扩散的阻挡层也可以增加互连线的寿命，直流应力偏置下互连线寿命的增加程度要高于直流脉冲应力下的。其原因为当脉冲关闭时，线中的应力得到了释放。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2铜互连技术的发展及存在的主要问题

1.3本文的研究内容

第二章铜互连工艺

2.1铜互连工艺流程

2.2铜的阻挡层材料

2.3铜的淀积工艺

2.4铜的平坦化工艺

2.5铜互连中的低K材料

第三章铜互连电迁移研究

3.1铜互连和铝互连的比较

3.1.1材料特性比较

3.1.2互连制造工艺比较

3.1.3互连结构的比较

3.2电迁移物理

3.2.1 电迁移中的离子流

3.2.2电迁移失效的物理参数

3.3影响铜互连电迁移的主要因素

第四章铜互连应力研究

4.1物理模型

4.2无限及半无限长互连线

4.3有限长互连线

4.4模拟结果及分析

第五章阻挡层对铜互连电迁移影响的研究

5.1阻挡层对电迁移的影响

5.2物理模型

5.3数值分析

5.3.1 DC偏置

5.3.2 DC脉冲偏置

5.4结论

第六章结束语

致谢

参考文献

研究成果