VLSI鋁互連線的微區(qū)應力與微結構的研究.pdf

1、本論文主要研究了VLSI中微米特征尺寸Al互連線的應力和微結構，及其對與電徙動中值失效壽命(MTF)的影響。 本項研究采用原子力顯微鏡(AFM)、掃描電鏡(SEM)、EBSD，分析了Al膜互連線的晶粒結構。沉積態(tài)0.5μm和1μm厚的Al膜互連線的平均晶粒尺寸分別為200nm和250nm，晶粒尺寸隨膜厚的增加和退火溫度的提高而增加，晶粒趨于均勻。此外，Al互連線中低于2.6°的小角度晶界占優(yōu)，退火處理后小角度晶界繼續(xù)增多。晶粒長

2、大和小角度晶界的發(fā)展使晶界擴散系數減小，從而提高了Al膜抗電徙動的能力。 采用二維面探測器XRD和EBSD，測量了Al互連線的晶體學取向。沉積態(tài)0.5μm和1μm厚的Al互連線均有很強的(111)織構，其強度隨Al膜厚的增加而減小。300℃、2.5hr退火后，獲得最強的(111)織構，350℃、2.5hr退火后，(111)織構不再增強。這與應變能與表界面能最小化有關。 采用二維面探測器XRD，原位測量了Al互連線的殘余應

3、力。沉積態(tài)的0.5μm-Al和1μm-Al互連線的應力分別為244.2MPa和158.0MPa，均為拉應力。Al互連線沿長度方向應力明顯高于寬度方向應力，互連線表面法線方向的應力值則最小。 求出多晶Al薄膜(111)面的彈性柔度S*44與溫度的關系，采用同步輻射源XRD，原位測量了Al互連線的平面熱應力。在室溫～300℃范圍，Al互連線表現為拉應力狀態(tài)。在300～350℃之間，由49.4MPa的拉應力轉變?yōu)?16.6MPa的壓應

4、力。Al互連線的熱應力隨溫度上升基本呈線性變化。 提取EBSD菊池衍射花樣的質量參數IQ，作為單晶的應變敏感參數。分別比較單一取向的IQ(111)、IQ(110)和IQ(100)，以此評價多晶Al互連線中的應力。IQ(111)、IQ(110)和IQ(100)在300℃、2.5hr退火后，平均IQ值提高。這表明退火使晶格畸變減小，應力得到釋放。退火后的IQ(111)大于IQ(100)和IQ(110)，這是由于晶體在不同取向的彈性模

5、量不同，互連線中的應變是非均勻應變所致。 Al互連線電徙動過程的原位平面應力測試發(fā)現，沿互連線長度方向，從陽極到陰極呈現出壓應力梯度，并由此計算出退火前后Al金屬化系統的有效電荷數(Z*)和有效晶界擴散系數(Deff)等電學和物理參數。結果表明，300℃退火2.5hr后有效電荷數Z*沒有變化，晶界有效擴散系數Deff由5.62×10-10cm2/s減小到4.56×10-10cm2/s。 互連線失效后(撤除負載電流)，陽極