VLSI中互连线的电热应力及可靠性的研究

摘要

本论文主要研究了VLSI中微米特征尺寸Al互连线在电热条件、互连线制备和随后的热循环过程中的应力分布；得出了互连线应力状态随电流密度、温度、钝化层材料、热循环过程等的变化关系。考察了互连线末端及通孔结构对互连线的电迁移寿命的影响。 采用薄膜应力测试仪测量了不同钝化层作用下铝膜的应力，研究钝化层材料对金属膜应力的影响，并考察了薄膜应力随时间的变化。 采用二维面探测器XRD，原位测量了Al互连线的残余应力。沉积态的0.5μm-Al和1μm-Al互连线的应力分别为244.2MPa和158.0MPa，均为拉应力。Al互连线沿长度方向应力明显高于宽度方向应力，互连线表面法线方向的应力值则最小。 采用同步辐射源XRD，原位测量了退火前后互连线中平面应力及在不同温度下的平面热应力。通过比较发现0.5μm-Al和1μm-Al互连线退火后热应力明显下降；在室温～300℃范围，Al互连线表现为拉应力状态。在300～350℃之间，由49.4MPa的拉应力转变为-16.6MPa的压应力。Al互连线的热应力随温度的上升基本呈线性变化。 在电迁移实验中，采用同步辐射源XRD测量了电迁移前后互连线的应力分布，得出在互连线方向上从阳极端到阴极端存在应力梯度，且随电流密度的增大互连线阳极端应力由张应力变为压应力，并验证了电迁移失效后的回流效应。同时利用AFM、SEM等对互连线的微结构进行了观察，验证测量结果。 通过设计不同的互连线末端及通孔结构并进行电迁移实验，考察“蓄水池”面积、通孔位置、数目及大小等对互连线的电迁移寿命的影响。 利用ANSYS软件，建立互连线的有限元模型，模拟互连线的制备及随后的热循化过程中互连线的热应力分布，得出在热循环过程中热应力不断在压应力与张应力之间来回转化。且在多层互连线结构中，底层金属互连线的应力明显大于上层互连线的应力。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

第2章互连线薄膜应力分析

第3章互连线电热应力研究

第4章多层金属化系统中的蓄水池效应

第5章双层互连线热循环过程中的应力模拟

结论

参考文献

攻读硕士期间所发表的学术论文

致谢