VLSI鋁互連線的微區(qū)應(yīng)力與微結(jié)構(gòu)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(yīng)力和微結(jié)構(gòu)，及其對(duì)與電徙動(dòng)中值失效壽命(MTF)的影響。 本項(xiàng)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(jié)構(gòu)。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(zhǎng)

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

3、力。沉積態(tài)的0.5μm-Al和1μm-Al互連線的應(yīng)力分別為244.2MPa和158.0MPa，均為拉應(yīng)力。Al互連線沿長(zhǎng)度方向應(yīng)力明顯高于寬度方向應(yīng)力，互連線表面法線方向的應(yīng)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(guān)系，采用同步輻射源XRD，原位測(cè)量了Al互連線的平面熱應(yīng)力。在室溫～300℃范圍，Al互連線表現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài)。在300～350℃之間，由49.4MPa的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)?16.6MPa的壓應(yīng)

4、力。Al互連線的熱應(yīng)力隨溫度上升基本呈線性變化。 提取EBSD菊池衍射花樣的質(zhì)量參數(shù)IQ，作為單晶的應(yīng)變敏感參數(shù)。分別比較單一取向的IQ(111)、IQ(110)和IQ(100)，以此評(píng)價(jià)多晶Al互連線中的應(yīng)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(yīng)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(yīng)變是非均勻應(yīng)變所致。 Al互連線電徙動(dòng)過(guò)程的原位平面應(yīng)力測(cè)試發(fā)現(xiàn)，沿互連線長(zhǎng)度方向，從陽(yáng)極到陰極呈現(xiàn)出壓應(yīng)力梯度，并由此計(jì)算出退火前后Al金屬化系統(tǒng)的有效電荷數(shù)(Z*)和有效晶界擴(kuò)散系數(shù)(Deff)等電學(xué)和物理參數(shù)。結(jié)果表明，300℃退火2.5hr后有效電荷數(shù)Z*沒(méi)有變化，晶界有效擴(kuò)散系數(shù)Deff由5.62×10-10cm2/s減小到4.56×10-10cm2/s。 互連線失效后(撤除負(fù)載電流)，陽(yáng)極