采用同步辐射源X射线衍射技术原位观测VLSI铝互连线的应力

为研究VLSI金属互连线的应力导致IC器件失效的问题,采用同步辐射源X射线衍射技术,原位测试了VLSI中Al互连线在电迁徙及加热条件下的应力变化.沉积态的Al互连线在室温下为拉应力.退火过程使拉应力逐渐减小,在300～350℃过程中由拉应力转为压应力.在电流密度为(3×105～4×106)A/cm2,275min的电徙动实验过程中,Al互连线阳极端由拉应力转变为压应力,并随后随着电流密度的增加而增加.此外,采用扫描电镜(SEM)观察了Al互连线的电迁徙失效特征及应力释放过程.

铝和铜互连线的晶粒结构及残余应力研究

采用X射线衍射仪和扫描探针显微镜,观察和测量了分别由大马士革工艺制备的Cu互连线和由反应刻蚀工艺制备的Al互连线的晶粒结构和应力状态.大马士革工艺凹槽中的Cu互连线受到机械应力的影响,使Cu互连线的晶粒尺寸（45~65 nm）小于Al互连线的晶粒尺寸（200~300 nm）;Cu互连线（111）的织构强度（2.56）低于Al互连线（111）的织构强度（15.35）;Cu互连线沿线宽方向的应力σ22随线宽的减小而增加,即沉积态和退火态的Cu互连线的σ22由73和254 MPa（4μm线宽）分别增加到104和301 MPa（0.5μm线宽）.Cu互连线和Al互连线的流体静应力σ均为张应力.Al互连线的主应力σ11、σ22和σ33随Al膜厚度的减小而增加.退火使Al互连线的σ11、σ22和σ33降低,表明Al互连线中的残余应力主要为热应力.

A l互连线微结构的EBSD分析与电徙动可靠性

采用电子背散射衍射技术(EBSD),测量了微电子器件中A l互连线的晶粒结构、晶体学取向和晶界特征。A l互连线制备及退火工艺影响着互连线的显微结构和电徙动中值寿命(MTF)。结果表明,退火后晶粒明显长大,晶粒呈近竹节结构,形成很强的{111}织构,并使小角度晶界增加,从而提高了A l互连线的电徙动可靠性。

超大规模集成电路互连电迁移自由体积电阻模型

将晶核析出的Avrami方程应用于描述超大规模集成电路中金属Al薄膜互连电迁移过程中电阻的演变.根据电子散射理论,晶界电阻主要起源于晶界处空位或者空洞对电子的散射.为了描述这些离子的特征,引入了自由体积的概念,将晶界处电子散射这个复杂的过程简化用自由体积的有效散射截面来描述,从而建立了自由体积与电阻变化的定量关系,统一描述了电迁移过程中不同阶段的电阻变化.数值模拟结果表明,在第一个空洞成核时刻电阻会发生急剧变化,这一结果已被实验所证实.