集成电路封装测试与可靠性课程设计

1、关于Cu互连系统下迁移失效模式研究张茂林 201421030121摘要随着电子技术的飞速发展，功能多样、电路结构比较复杂的电子产品得到广 泛的应用。电子产品是由各式各样的集成芯片连接成的，而一块集成电路芯片又 由成千上万的乃至于上百万个器件通过金属互连线连接而成。当器件失效或者互 连线失效，都可能会引起整个集成芯片的失效。如果为了复杂的电子系统能在非 常恶劣的环境中长期工作，提高集成芯片的可靠性是非常有必要的。所以，集成 电路金属铜互连系统的可靠性一直以来都是I C设计和制造研究的重点和热点。12 1 引言随着集成电路技术的发展，集成电路发展到纳米技术时代，铜互连技术已经 成为决定集成电路可靠

2、性、性能、成本和生产率的重要因素。一直以来电迁移被 认为是铜互连系统可靠性中的一个很大的问题，但是在1987年的国际可靠性 物理论丛中初次报告一种和电迁移不同的不良失效类型，这种失效类型是在互 连线不通电，只在高温下（高于100）放置产生断线现象，原因主要是互连线 和互连系统中的介质层材料的热膨胀系数（CTE）有很大差别，发生热失配，进而引起铜互连结构系统热应力缺陷，所以称为应力迁移或应力诱生空洞。目前，应力迁移对集成电路可靠性的影响是人们研究的重要内容之一。2 铜互连的研究历程互连（interconnect）是在硅芯片上集成分立的电子元器件，并把这些它们通 过金属互连线连接起来形成比较完整的

3、电路的工艺，其中金属互连线可以利用 的材料有Al、Au、Ag、Cu 等，各种材料的物理性质如下表2.1所示。尽管用传统Al材料作为金属互连线的成本低、技术也很成熟、粘附性好、容易刻蚀、与P型半导体和N型半导体容易形成良好的欧姆接触。但是它容易发生电迁移，当工艺温度达到300左右的时候，Al薄膜上形成突起，穿透与之相邻的金属互 连线之间的电介质层引起短路。从表2. 1得知金属 Cu是作为集成电路金属互连 线的很不错的材料：第一，铜的电阻率很小，比铝的低37 % ，所以铜互连可以减小40 %的互连延迟；第二，铜的抗失效的能力强，比铝由于电子迁移导致失效的时间要长两个数量级，所以对于金属铜来说，在互

4、连层厚度较小的情况下可 以通过的电流密度较高，降低了能耗；第三，相比传统的铝工艺，由于铜工艺采 用了双大马士革工艺，可以减少互连金属的层数，从而降低了成本，推动铜工艺 走向产业化。表2-1 金属连线的材料的性能比较3 主要失效模式应力诱发的空洞（Stress induced void）形成机理：在中等温度（200-250）退火过程中，由于金属内的张应力作用，钝化的Cu互连内会形成空洞。金属中的应力有二种机理：热应力，是由于金属和绝缘体间热膨胀失配引起的；生长应力，是由于金属内晶粒生长引起的。若张应力高于临界应力，则空位在应力梯度的作用下，通过晶界及 Cu/SiN 界面，从高应力区低应力区，最终

5、由分散的空位积聚形成较大的空洞而导致电阻增大效应，电路将失效。3.1 Cu线余量的影响铜线余量不同的情况下，应力极大值大小不同。金属线中应力最大值随铜线余量的增大而减小。铜线余量较大时，通孔两侧分别存在应力梯度极大值，空洞可能在通孔底部两侧分别生成，并逐渐生长直至贯穿通孔底部而导致互连线断路。而铜线余量较小情况下，仅在通孔一侧存在应力极大值，空洞可能仅在通孔一侧生成。因此，铜线余量较小情况下空洞生长至临界体积导致互连断路的应力迁移失效时间可能更长。3.2通孔直径的影响由于互连张应力的存在引起该处互连金属化学势的变化，从而产生过剩空位，空位在应力梯度的作用下沿主导扩散路径作扩散运动并在应力梯度极

6、大值处成核生长成空洞，空洞生长速率由过剩空位的数量和应力梯度的大小共同决定，而应力梯度在应力诱生空洞的形成过程中起主导作用。当互连通孔尺寸增大时，由于应力和应力梯度值增大导致互连应力诱生空洞的生长速率上升。图3.21 不同通孔尺寸F铜互连VML上的应力梯度分布3.3线宽的影响宽下层金属线，线宽为 2.5m，和窄下层金属线，线宽为 0.8m 的两种互连结构的应力分布情况。下层金属线较宽时，金属线上应力极大值为 655MPa,下层金属线较窄时，金属线上应力极大值为 675MPa，对比可得，应力及应力梯度随下层金属线线宽的增大而减小。因此，采用下层金属线较宽的互连结构可能能够提高 Cu 互连系统抗应

7、力迁移能力。43.4采用单孔或双孔的影响双通孔结构是常见的有效提高互连可靠性的方法之一。当某一通孔因空洞体积达到临界值而断路时，另一个通孔还可维持互连连通，使互连线寿命增长。5与单通孔结构相比，虽然双通孔结构互连线中整体所受应力更大，应力极大值更高，但双通孔结构中应力分布更均匀，应力梯度小于单通孔结构。因此，采用双通孔结构能够有效提高 Cu 互连系统抗应力迁移能力。3.5 通孔与线条重叠长度的影响随着通孔与线条重叠长度的减小时，整体应力变大，通孔内部尤为明显；在通孔左端点处的应力和应力梯度也明显增加；通孔内部等效塑性应变也有不同程度的恶化。正的重叠长度可以改善应力和应变情况，而负的重叠长度则明

8、显恶化了应力和应变情况。因此，在设计版图时应该实现足够大的正的重叠长度，以补偿可能的工艺致通孔线条偏差。3.6 通孔和工艺波动性的影响互连通孔和通孔阻挡层形成工艺的波动性将影响互连通孔结构的尺寸，由此带来的通孔微结构效应对互连通孔和通孔底部互连金属SIV的影响不容忽视。对于通孔高度的变化，SIV对大高宽比的通孔结构很敏感。通孔沟槽可以有效提高互连 SIV 可靠性，但需要控制其深度。3通孔底部阻挡层厚度对互连 SIV 性能具有矛盾性，需要折中考虑。3.7 窄金属过渡区对铜互连应力迁移的影响窄金属过渡区对应力迁移有明显的改善，窄金属过渡区中的空位只能通过一维扩散聚集到通孔下方，使聚集到通孔底部的空

9、位源减小，因此降低了通孔应力诱生空洞的形成速率。6窄金属的添加和伪通孔添加的作用相类似，虽然不能完全抑制应力诱生空洞现象的发生，但是通过对应力梯度、空位源体积的改变，从而对铜互连结构抗应力迁移有一定的改善作用。4 结论随着集成电路的发展进入深亚微米时代，互连成为决定集成电路性能、可靠性和成本的重要因素之一。铜互连可靠性已经成为制造超大规模集成电路过程 中的重要问题之一。研究铜互连的可靠性问题，有助于为以后的集成电路工艺发 展做关键的探索，提高芯片的集成度，提高器件密度，提高时钟频率以及降低消耗的能量起到很大的作用。而铜互连线中的热应力是铜互连可靠性问题中的主要 研究内容。参考文献1 韩军武.

10、Cu互连失效性的分析与研究. 西安电子科技大学, 2012.2 刘静. Cu低k互连系统可靠性研究. 西安电子科技大学, 2008.3 林晓玲. 铜互连结构在热应力作用下的失效机理及可靠性研究. 华南理工大学，2011.4 J. W. McPherson and C. F. Dunn . A model for stress induced metal notching and voiding in very large scale integrated CuSi (1%) metallization. Journal of Vacuum Science & Technology B 5, 1321, (1987).5 Chuantong Chen . Evaluation for interface strength fluctuations induced by inhomogeneous grain structure of Cu line in LSI Interconnects. Microelectronic Engine