基于65nm工艺铜互连系统的可靠性研究

发布时间：2020-04-01 04:57

【摘要】：随着集成电路工艺节点的不断缩小,新材料和新工艺的应用,集成电路的互连系统出现了新的可靠性问题,这些可靠性问题对集成电路的特性及寿命产生了不可忽视的影响。本文针对65nm工艺下的铜互连系统可靠性展开了相关的研究工作。首先,本文介绍了集成电路互连工艺的发展,分析了铜互连工艺过程中影响互连系统可靠性的关键工艺步骤,详细介绍了铜互连线发生电迁移失效的空位扩散模型和空洞生长模型,并对相关物理模型进行了参数仿真,为后续仿真工作提供合适的模型参数。其次,通过仿真研究了电镀、化学机械抛光、介质刻蚀等工艺的工艺波动对铜互连电迁移效应的影响,以及不同层间介质对互连线中应力迁移的影响。仿真结果表明:1)在介质刻蚀过程中,适当增加通孔直径、改变通孔倾角、延长通孔末端冗余量可以有效提高通孔互连线的抗电迁移特性;2)降低电镀温度可以改善互连线的电迁移可靠性,增加互连系统寿命。而电镀工艺过程的速率对于互连寿命的影响不大;3)凹槽会使互连线中空洞成核可能性增大,对于通孔底部来说,随着凹槽深度逐渐增加,其影响尤为显著。而改变通孔底部凹槽结构形状,可以有效降低通孔底部应力水平;4)对于SiLK、CDO和TEOS三种层间介质,SiLK材料互连线中的应力会大大降低,通孔区域内应力容易导致通孔发生形变而失效,对于TEOS材料,通孔底部边界处应力最大,易形成空洞。最后,本文设计了电迁移测试样品并进行加速应力试验,并提取了样品的扩散激活能,根据实验数据统计分析互连线在不同应力条件下的失效寿命,实验结果表明互连失效寿命随着温度应力、电应力及线宽增加而下降。通过实验和仿真证明方法的可行性,为改善和评估铜互连系统的可靠性提供了很好的帮助。
【图文】：

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（c）（f）（a）M1 沟槽形成（b）M1 金属阻挡层淀积（c）M1 铜填充（d）通孔和 M2 沟槽形成（e）M2金属阻挡层淀积（f）M2 电镀，CMP 去除多余铜，淀积覆盖层图 2.2 大马士革铜互连工艺流程示意图2.1.3 两种互连技术的差别从 1998 年 IBM 公司首先将铜互连技术应用生成处理器芯片后，铜互连工艺迅速被各大公司广泛应用，提高芯片密度和性能，降低成本。相对于传统的铝互连技术，铜互连技术有其自身的优点和缺点[33]：（1）金属铜具有更低的电阻率（1.7μΩ·cm）、较高的熔点及散热性能好，载流能力远强于铝，同时具有较好的抗电迁移能力，改善 RC 延迟和提高互连系统的可靠性方面有着更大的优势。（2）对于铝引线图形的形成，采用反应离子刻蚀工艺来刻蚀铝线，而铜由于没有合适的干法刻蚀等离子体而不能采用传统的刻蚀工艺，，所以引入了镶嵌工艺，通过刻蚀介质层来形成金属沟槽，并通过引入 CMP 工艺，对淀积

缺陷区,覆盖层,成核,交界面

西安电子科技大学硕士学位论文于 100nm 的线宽来说，临界应力70MPath 。耳热会使得互连温度改变，由于热失配问题，互连和原子体积的不同，当空位在电应力的作用下聚空位增加的地方体积会收缩，空位减少的地方体裹的，如阻挡层、覆盖层和介质层，互连线中体空洞形成所需要的临界应力很容易达到。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN405.97

【参考文献】