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《西安电子科技大学》 2010年
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超深亚微米铜互连的失效机理与可靠性研究

杜鸣  
【摘要】: 全文针对超深亚微米铜互连布线系统所面临的主要可靠性问题,以理论研究为基础,结合结构仿真以及实验测试,解决在互连尺寸日益缩小时,铜互连布线系统所面临的可靠性问题。 通过与铝互连系统工艺以及可靠性问题的对比,详细的分析讨论了铜互连线发生电迁移失效的失效机理,以空位交换原理为基础,建立了一个铜互连线发生质量输运的物理模型,得到的数值模拟结果与文献资料以及本文的实验数据相吻合。对铜互连线样品进行了加速失效测试,研究铜互连线在不同应力条件以及不同线宽下得电迁移特性。通过实验以及模型的研究发现,空洞的生长主要沿着铜与覆盖层介质之间的界面,并且向阴极一端运动,并聚集成核,形成大面积的空洞,导致互连线失效。研究结果表明,在特征尺寸小于90nm或65nm后,互连线的电迁移失效机理发生了变化,界面扩散将成为影响互连线的电迁移特性的重要因素。另外,针对通孔形貌比高、应力集中、易产生电迁移失效的特点,对三种不同结构的通孔特性,进行了仿真以及失效测试。提出了具有更好的抗电迁移特性的通孔结构,对通孔的设计工作具有指导意义,为改善铜互连系统的电迁移可靠性,得到了具有实用价值的研究结果。 本文开展了时间相关介质击穿(Time-Dependent Deliectric Breakdown:TDDB)失效机理的研究,得到了一个关于铜离子扩散的连续性方程和TDDB寿命的解析关系,以此为基础建立了TDDB失效寿命评估的物理模型。通过该模型计算得到的互连线TDDB寿命与文献中不同温度、电流密度、以及线间距情况下的实验数据进行了比较。比较结果显示该模型在高场(大于6MV/cm)及小间距(小于100nm)情况下与实验数据吻合较好(偏差不到10%)。同时,我们对不同线间距以及不同线宽的互连线结构的电特性进行仿真,并且进行相应的TDDB失效测试。结果显示,随着互连线间距的减小,互连线之间的电场强度不断增大,这将加速互连线的TDDB退化,缩短其寿命。此外,发现存在一种电场增强效应,即当互连线的线宽接近于互连线间距时,随着线宽的减小,互连线上的电场分布会明显增强,从而加速互连线的TDDB退化。研究结果显示,当互连线间距小于200nm后,不但会加强互连线之间电场强度,互连线上还会出现电场增强效应,这两种现象都会加速互连线的TDDB退化,从而影响铜互连布线系统的可靠性。最后,我们针对TDDB退化提出了一系列的改进方法。
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN405.97

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【引证文献】
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