趨膚效應對集成電路銅互連線可靠性設計影響的理論研究.pdf

1、隨著集成電路中信號頻率的不斷升高以及多層互連結構散熱條件的惡化，傳輸脈沖或者交流信號互連線的可靠性問題也越來越突出。當頻率超過一定的臨界值，高頻信號在金屬互連線上將發(fā)生趨膚效應。然而，對集成電路中傳播高頻信號互連線可靠性的傳統(tǒng)研究，幾乎都是從轉化為等效直流信號的角度去看待此類問題的，并沒有考慮到信號的高頻特性，特別是趨膚效應的影響。本文針對這一研究方向的空白，分別從趨膚效應產(chǎn)生的額外熱效應、趨膚效應引起的互連線電流密度的變化以及與趨膚效

2、應相關的互連線高頻損耗三個方面，對高頻信號的趨膚效應給集成電路銅互連線可靠性設計帶來的影響進行了開創(chuàng)性的探索，為相關領域的研究奠定了一定的理論基礎。
　　本文首先研究了趨膚效應的熱效應帶來的額外升溫對銅互連線自相容可靠性設計的影響?？紤]到互連線橫截面趨膚電流的非均勻分布，推導出了矩形互連線橫截面等效趨膚電流分布面積的簡約模型，為計算互連線的高頻電阻以及確定其橫截面的實際等效電流密度奠定了基礎。針對銅互連線可靠性分析中典型的雙層結構

3、，求解了其一維的溫度分布，指出了含過孔的雙層互連結構和單根互連線在溫度分布方面的差異；并結合推導出的互連線高頻電阻簡約模型，計算了趨膚效應對互連線溫度分布的影響，展示了雙層互連結構的溫度分布隨頻率變化的關系。針對銅互連特有的雙重失效特性，對自相容設計方法進行了改進，并用于銅互連線的可靠性設計。指出了使用過孔附近的溫度來計算銅互連線壽命的更加合理性。結合互連線溫度計算的結果，進一步研究了趨膚效應對自相容設計中互連線最大允許電流密度和最高允

4、許溫度等指標的影響，指出如果忽略這些影響，將得出過于樂觀的設計結果，并提出了在高頻互連線可靠性設計中還應該考慮最大允許頻率這一重要指標。
　　接下來，結合三維有限元仿真，分別定性和定量地研究了趨膚效應引起的銅互連結構過孔附近電流密度的改變，以及對互連線可靠性的影響。鑒于趨膚電流的分布跟互連線與地的位置關系有關，將銅互連結構與地的位置關系主要分為三種情況。通過仿真，形象地展示了直流情況下過孔附近拐角區(qū)域電流擁擠效應引起的非均勻電流分

5、布，并在高頻情況下將影響銅互連壽命最重要的三個表面區(qū)域的電流分布與直流情況進行了對比，然后定量地研究了這三個表面平均電流密度隨頻率的變化關系，說明了互連線與地的互感耦合以及互連線自身的內電感是如何影響高頻電流分布的，并揭示了過孔附近拐角區(qū)域電流的分布隨頻率變化的情況和直線型互連線枝節(jié)趨膚效應的重要不同。進一步計算了電流密度隨頻率的改變給銅互連結構壽命帶來的影響，說明了頻率對可靠性的這種影響在一些情況下是不能忽略的，并提出了合理地設計互連

6、線和地的位置關系可以提高高頻情況下互連線的可靠性。
　　最后，研究了串聯(lián)互連線系統(tǒng)中趨膚效應等與頻率相關的損耗給互連線可靠性設計中的電流快速估計和壽命計算帶來的影響。建立了互連線的電壓傳遞函數(shù)模型，闡述了趨膚效應、介質以及阻性損耗對不同尺寸互連線起到的作用。利用傅里葉反變換，得到了前級互連線和門構成的串聯(lián)系統(tǒng)的階躍響應，展示了前級互連線各種高頻損耗的變化對階躍響應波形的影響。通過進一步的計算說明了這種階躍響應的波形變化給后級互連線