Air-gap铜互连结构热力学有限元分析建模与研究

摘要

随着器件的不断等比例缩小,相对介电常数低于2.0的超低K(Ultra-Low K)电介质材料成为研究热点。在此背景下,K值最低的材料——空气(k=1)受到广泛关注。将空气引入铜互连中形成空气隙(Air Gap)来实现导线之间的绝缘,可以显著地降低等效介电常数Keff,但同时也会给互连结构的机械稳定性带来巨大的挑战。在集成电路制造过程中工艺温度会发生变化,由于材料热力学性质的不同将产生各种热应力,从而引起材料的形变,出现裂缝、分层等缺陷,甚至直接破坏整个互连结构而引发失效。研究工艺过程中热应力变化的过程,即热应力史,将有助于我们研究热应力对互连结构的影响及其相应的解决方案。本文利用有限元分析软件ANSYS进行热分析,在掌握有限元分析理论应用于分析热传导过程原理的基础上,通过研究制备空气隙铜互连结构的两种主流工艺过程——CVD沉积法和热分解牺牲层法,模拟铜导线上的热应力变化趋势,并比较两者的优劣,最终发现互连结构经过一系列热应力的循环往复作用后,各种材料在不同程度上都具有较大的形变,这将很大程度上影响结构的机械稳定性,甚至引起破坏。此外,互连结构的设计也是在研究系统结构机械稳定性过程中需要考虑的因素,它们已经成为提高系统结构机械稳定性的关键瓶颈。所以,需要进一步改善结构设计合理性和寻找更为理想的电介质。

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第一章 绪论

1.1 互连技术的主要问题

1.2 低k 技术概况

1.3 总结

第二章 有限元分析理论基础

2.1 影响铜互连系统稳定性的常见应力因素

2.2 有限元分析在热传导中的应用

2.2.1 热传导过程的有限元表达

2.2.2 边界和初始条件

2.2.3 二维稳态导热: 有限差分方程及其求解

2.2.4 二维瞬态导热求解：有限差分法的显式和隐式格式

2.3 有限元分析软件ANSYS简介

2.4 总结

第三章 空气隙铜互连结构热应力史

3.1 空气隙铜互连结构概况

3.2 空气隙铜互连工艺流程及有限元分析建模

3.2.1 空气隙铜互连工艺流程介绍

3.2.2 有限元分析建模

3.3 沉积法铜导线上的热应力史

3.4 热分解法铜导线上的热应力史

3.5 总结

第四章 结构设计对空气隙铜互连结构热应力的影响

4.1 空气隙对互连结构热应力的影响

4.2 铜互连线深宽比对热应力的影响

4.3 铜互连线间距对热应力的影响

4.4 不同low-k材料对热应力的影响

4.5 总结

第五章 全文总结与研究展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

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