通孔尺寸对铜互连应力迁移失效的影响！

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1、第="卷第&期%$$)年&月物理学报W.G>="，A.>&，[062，%$$)#$$$4’%($,%$$),=（"$&）,’"’$4$=D?XDRYZ@;?D@;A;?D!%$$)?+56>R+J1>@./>"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""通孔尺寸对铜互连应力迁移失效的影响!!吴振宇杨银堂柴常春李跃进汪家友刘彬（西安电子科技大学微电子学院，宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室，西安"#$$"#）（%$$"年&月’$日收到；%$$"年(月

2、#)日收到修改稿）在%$$*温度下进行了"$$+双层铜互连（!#,!%）的应力迁移加速老化试验，结合有限元分析和聚焦离子束（-./012345.647289，简称:;<）技术研究了通孔直径分别为=$$和’=$69的铜互连应力诱生空洞失效现象，探讨了应力诱生空洞的形成机理，并分析了通孔尺寸对铜互连应力迁移的影响>结果表明，!#互连应力和应力梯度在通孔底部边缘处达到极大值>应力梯度在应力诱生空洞成核过程中起主导作用，由张应力产生的过剩空位在应力梯度作用下沿?0!#,@5A界面作扩散运动并在应力梯度极大值处成核生长成空洞>由于!#互连应

3、力沿横向方向变化较快，因此应力诱生空洞的横向生长速率较大>当通孔直径增大时，互连应力和应力梯度值增大，并导致应力诱生空洞的生长速率上升>关键词：铜互连，应力迁移，应力诱生空洞，失效!"##：&&’$，&="$，&#"$B连线中张应力集中的区域被认为是空位积聚成核并［#$，##］#M引言生长产生空洞的位置>此外，应力迁移还与互［#%—#=］连结构和测试温度等密切相关>随着集成电路向着高密度化和高性能化方向发本文主要研究通孔尺寸对铜互连应力迁移的影展，电路特征尺寸不断缩小，互连层数不断上升>响，用有限元分析的方法模拟计算不同通孔尺寸下

4、由于?0的电阻率较低，抗电迁移和应力迁移能力的三维互连应力分布，用:;<技术分析%$$*下铜强，且其镶嵌制造工艺的兼容性好、成本低，因此互连（!#,通孔,!%）的失效现象>结果表明，应力?0互连已取代DG互连成为新型主导互连技术>新迁移与互连结构以及制造工艺过程密切关联，!#的互连结构和工艺，如?0电镀（2G2/NO.4/.PP2O互连线应力和应力梯度在通孔拐角底部处达到极大PG8N56Q，F?R）和化学机械抛光（/+295/8G492/+865/8G值，并导致该位置出现应力诱生空洞失效>当通孔P.G51+56Q，?ER）等，以及

5、新的互连材料，如低"介尺寸缩小时应力和应力梯度减小，应力诱生空洞的质、阻挡层和覆盖层材料等，也相继被开发并应用生长速率也随之下降>于集成电路互连技术，从而大大提高了集成电路的性能，但也由此引发了一系列的互连可靠性问［#—’］%M实验方法题>应力诱生空洞是铜互连失效的重要现象之一，多发生在通孔附近和金属连线边缘，与互连结图#给出了铜互连样品的结构示意图>铜互连构、应力、应力梯度、金属,介质界面的粘附性以及互样品双镶嵌制作工艺过程如下：#）淀积第一层层间连材料的微观结构密切相关，其失效的物理机理至［S—&］介质层（56N2O492N8

6、G352G2/NO5/1，;ET#），包括=$69的今尚未明确>现有研究表明，由于绝缘介质和铜之间的热失配，在F?R工艺退火后会在金属连线@5A和)$$69的@5U%材料>;ET#淀积完成后由干中产生热机械应力，在应力作用下，互连线中的过法刻蚀形成!#沟槽；%）以物理气相淀积（P+J15/8G剩空位扩散、成核、生长并在互连线中产生空洞，从V8P.O32P.15N5.6，RWT）方法制作约%$69厚的X8阻挡［"—(］而引起互连电阻增大甚至造成互连线断裂>互层和#%$69的?0种子层后用F?R工艺制作互连线!西安应用材料创新基金（批

7、准号：CD4DE4%$$=$#）资助的课题>!F4985G：H0I+26J0KL53586>230>/6I期吴振宇等：通孔尺寸对铜互连应力迁移失效的影响"O"!表!互连应力分布计算所用参数［@，!O］!!；"）淀积#$%&的’()作为!!覆盖层*+,-.为/$$%&’(01#$%&’()1/$$%&’(0，由化学气相淀材料>BD（!$MINM!）杨氏模量1RA5泊松比..积（234&(2567589:;489<(=(9%，>?-）方法制作，其中>C!OE@!.#$E"@’()作为!.沟槽刻蚀停止层*制作通孔和!.沟B5IE#!/#

8、EO$E"@.槽；@）以A?-方法制作约.$%&厚的B5阻挡层和’()$E/"!.$E.I!.$%&的>C种子层，用D>A工艺制作互连线!.E’(0..EI!!"$$E.O/其中，通孔直径分别为#$$和"#$%&，!!和!.互B,用SHSTU’有限