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IC中铜互连的热应力可靠性研究

侯通贤  
【摘要】: 当集成电路(IC)工艺特征尺寸到达65nm节点及以下时,铜金属成为集成电路主导的互连材料。在Cu互连系统中,与热应力有关的应力诱生空洞(SIV)或者应力迁移(SM)为影响互连可靠性的主要问题。本文基于Cu的随动强化弹--塑性模型,采用有限元素分析方法,对IC中铜互连的热应力可靠性进行了研究。 首先研究了铜互连结构尺寸与SiOx和低k介质SiCOH分别作为层间介质的互连构造对铜互连热应力可靠性的影响,发现互连的静水应力和等效塑性应变程度随阻挡层厚度的增加而增加;对于不同的互连宽度,宽厚比为1的互连结构具有最大的静水应力;相比于SiOx,使用低k作为互连层间介质,降低了Cu/通孔中的静水张应力,但增加了通孔及其周围区域的应力梯度和塑性变形;刚性蚀刻停止层的存在,有助于减少互连线的热应力和塑性应变。接着分析了通孔微结构对互连通孔和通孔下面底部金属热应力特性的影响,发现大高宽比通孔结构不利于互连应力的释放,而通孔沟槽的存在有助于互连应力的释放。再者,研究发现,在宽互连中添加伪通孔有助于互连热应力可靠性性能的改善,而双伪通孔可进一步增强应力诱生空洞可靠性。最后,对用相对介电常数为1的Air-Gap作为超低k介质的Air-Gap铜互连几种结构的热应力特性进行了研究,发现在互连M1和通孔存在三个热应力薄弱点;对于双大马士革Air-Gap铜互连结构,Air-Gap存在于沟槽和通孔层结合致密CVD低k介质材料SiCOH的互连结构具有较低的热应力水平。


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