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IC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（i
terco
ect）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21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21得知金属Cu是作为集成电路金属互连
f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21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（Stressi
ducedvoid）形成机理：在中等温度（～200250℃r