基于微观结构的Cu互连电迁移失效研究

提出了一种基于微观晶粒尺寸分布的Cu互连电迁移失效寿命模型. 结合透射电子显微镜和统计失效分析技术, 研究了Cu互连电迁移失效尺寸缩小和临界长度效应及其物理机制. 研究表明, 当互连线宽度减小, 其平均晶粒尺寸下降并导致互连电迁移寿命降低. 小于临界长度的互连线无法提供足够的空位使得铜晶粒耗尽而发生失效. 当互连长度大于该临界长度时, 在整个电迁移测试时间内, 部分体积较小的阴极端铜晶粒出现耗尽情况. 随着互连长度的增加该失效比例迅速增大, 电迁移失效寿命减小. 当互连长度远大于扩散长度时, 失效时间主要取决于铜晶粒的尺寸, 且失效寿命和比例随晶粒尺寸变化呈现饱和的波动状态. 关键词： Cu 互连 电迁移 微观结构     

考虑通孔效应和边缘传热效应的纳米级互连线温度分布模型

提出了同时考虑通孔效应和边缘传热效应的互连线温度分布模型,获得了适用于单层互连线和多层互连线温度分布的解析模型,并基于65 nm互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺参数计算了不同长度单层互连线和多层互连线的温度分布.对于单层互连线,考虑通孔效应后中低层互连线的温升非常低,而全局互连线几乎不受通孔效应的影响,温升仍然很高.对于多层互连线,最上层互连线的温升最高,温升和互连介质层厚度近似成正比,而且互连介质材料热导率越低,温升越高.所提出的互连线温度分布模型,能应用于纳米级CMOS计算机辅助设计. 关键词： 通孔效应 边缘传热效应 纳米级互连线 温度分布模型     

一种考虑温度的分布式互连线功耗模型

基于集总式电阻-电容树形功耗模型,考虑了非均匀温度分布对互连线电阻的影响,提出了一种新的分布式互连线动态功耗解析模型,解决了集总式模型不能表征非均匀温度变化带来的电阻变化的问题,并计算了一次非理想的激励冲激下整个互连模型消耗的总能量.基于所提出的分布式互连线功耗模型,计算了纳米级互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺典型长度互连线的Elmore延时和功耗,发现非均匀温度分布对互连功耗的影响随着互连线长度的增加而增加,单位长度功耗随着CMOS工艺特征尺寸的变化而基本不变.文中所提出的功耗模型可以用来精确估算互 关键词： 互连线 温度梯度 动态功耗模型 纳米级互补金属氧化物半导体     

铝互连线的电迁移问题及超深亚微米技术下的挑战

铝互连线的电迁移问题历来是微电子产业的研究热点，其面临的电迁移可靠性挑战也是芯片制造业最持久和最重要的挑战之一.从20世纪90年代开始，超深亚微米(特征尺寸≤0.18 μm)铝互连技术面临了更加复杂的电迁移可靠性问题.从电迁移理论出发，分析概括了铝互连电迁移问题的研究方法，总结了上世纪至今关于铝互连电迁移问题的主要经验；最后结合已知的结论和目前芯片制造业现状，分析了当前超深亚微米铝互连线电迁移可靠性挑战的原因和表现形式，提出了解决这些问题的总方向. 关键词： 电迁移 铝互连 微结构     

金属互连电迁移噪声的相关维数研究

针对金属铝互连中噪声信号随电迁移过程变化规律及其所反映的内部失效机理问题，提出将相关维数用于对电迁移噪声时间序列的分析.通过对互连电迁移噪声实验数据的相关维数计算，发现随着电迁移的进行，金属铝互连噪声由随机性成分占主导变为确定性成分占主导，反映出噪声由随机信号转变为混沌动力学信号.应用散射理论解释上述现象，在金属互连电迁移中，空位扩散阶段噪声主要产生机制是空位随机散射；在空位聚集到空洞成核这一过程中，噪声产生机制逐渐从随机散射转变到弹道混沌腔输运机制为主.通过与传统表征参量的对比，证明相关维数可用于预测金 关键词： 电迁移 噪声 相关维数 混沌     

氧气A带吸收系数的温度依赖关系研究

氧气A带是理想的大气要素反演通道,吸收系数是重要的参数之一,它影响到反演结果的精度.结合HITRAN2012数据库和大气温度廓线图,分析氧气A带吸收系数的影响因素,推出各因素与温度的依赖关系,确定吸收系数随温度的变化.结果表明,氧气A带谱线半宽度受温度依赖系数影响较小,而受温度影响较大.线型因子随温度产生了两种变化,在谱线半宽度以外的谱线位置上,随温度的增大,函数值减小,而在中心频率到谱线半宽度的谱线位置上,随温度的升高而增大.谱线线强对温度具有强依赖关系.利用逐线积分算法计算氧气A带吸收系数,同时考虑了谱线半宽度的压力展宽效应和谱线线强及半宽度对温度的依赖关系,得出氧气A带吸收系数对温度的依赖关系主要来源于线强的温赖关系,尤其是中心频率处温度影响较大;而Lorentzian线型函数的温赖关系不明显.利用布鲁克光谱仪在1 cm-1下测量63 m处氧气A带的吸收光谱,与理论模型在同等条件下的透过率比较,误差小于0.83%,验证了温度校正模型的正确性.     

铜互连电迁移失效阻变特性研究

基于铜互连电迁移失效微观机理分析建立一种Cu／SiCN互连电迁移失效阻变模型，并提出一种由互连阻变曲线特征参数即跳变台阶高度与斜率来获取失效物理参数的提取方法．研究结果表明，铜互连电迁移失效时间由一定电应力条件下互连阴极末端晶粒耗尽时间决定．铜互连电迁移失效一般分为沟槽型和狭缝型两种失效模式．沟槽型空洞失效模式对应的阻变曲线一般包括跳变台阶区和线性区两个特征区域．晶粒尺寸分布与临界空洞长度均符合正态对数分布且分布参数基本一致．阻变曲线线性区斜率与温度呈指数函数关系．利用阻变模型提取获得的电迁移扩散激活能约为0．9eV,与Black方法基本一致．     

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. 关键词： 电迁移 Al互连 电阻变化     

纳米尺度点接触的实验研究

由交叉微米线构成了T形结构,并测量了Pt-Pt和Pt-Au节点的接触热阻和接触电阻。分析表明,增大接触点长度与宽度的比值,线接触模型和椭圆接触模型计算得到的接触热阻的差别逐渐减小,当比值超过20时,椭圆接触模型不再适用。测量得到的接触热阻随温度变化不明显,而接触电阻随温度升高而增大。由于存在表面绝缘层,接触热阻将远大于Wiedemann-Franz定律的预测值。考虑Kundsen数的影响以后,由接触电阻计算得到的金属接触点尺寸近似与温度无关。     

通孔尺寸对铜互连应力迁移失效的影响

在200℃温度下进行了700h双层铜互连(M1/M2)的应力迁移加速老化试验, 结合有限元分析和聚焦离子束(focused-ion-beam,简称FIB)技术研究了通孔直径分别为500和350nm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,M1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Cu M1/SiN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M1互连应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     

Copper metallization for ULSL and beyond

The investigation of copper for use as an interconnection metal in the ultra large-scale integration (ULSI) era of silicon integrated circuits has accelerated in the past several years. The obvious advantages for using copper to replace currently used Al are related to its lower resistivity (1.7 μΩ-cm vs. 2.7 μω-cm for Al) and its higher electromigration resistance (several orders of magnitude higher compared with Al). The goal of this review is to examine the properties of copper and its applicability as the interconnection metal. A comparison of electromigration behavior of various possible interconnection metal in standard “bulk” state is made. This is followed by a review of the calculations made comparing (a) the RC (resistance × capacitance) time constants of various material systems and (b) the joule heating of the interconnection materials. A comparative study of various metal systems for the application as the interconnect metal is then made. These discussions will clearly establish the superiority of copper over other metals despite certain limitations of copper. We then review the properties, both physical and chemical, and materials science of copper. The concept of using alloys of copper with a minimal sacrifice on resistivity to gain reliability is also discussed. This is followed by the review of the deposition, pattern definition and etching. passivation, need of the diffusion barrier (DB) and adhesion promoter (AP), planarization and dual damascene process using chemical mechanical planarization, and reliability. This review shows that copper will satisfy the needs of the future integrated circuits and provide high performance and reliability as long as we provide an appropriate barrier to diffusion in the underlying devices and the dielectric.     

考虑自热效应的互连线功耗优化模型

基于互连线的分布式功耗模型,考虑自热效应的同时采用非均匀互连线结构,提出了一种基于延时、带宽、面积、最小线宽和最小线间距约束的互连动态功耗优化模型.分别在90和65 nm互补金属氧化物半导体工艺节点下验证了功耗优化模型的有效性,在工艺约束下同时不牺牲延时、带宽和面积所提模型能够降低高达35％互连线功耗.该模型适用于片上网络构架中大型互连路由结构和时钟网络优化设计.     

考虑互连温度分布的缓冲器插入延时优化方法

针对VLSI设计中存在的互连电感效应、热电耦合以及互连温度分布的问题,提出一种缓冲器插入延时优化方法.首先根据互连温度分布的特点得出其电阻模型和延时模型,通过延时、功耗和温度之间的热电耦合效应求得考虑互连温度分布的缓冲器插入最优化延时,利用Matlab软件求得最佳优化结果.采用该方法针对45 nm工艺节点的缓冲器插入进行分析和验证,证实了方法的有效性.研究表明,忽略互连电感效应会高估芯片的优化延时,忽略互连温度分布会低估芯片的优化延时,在全局互连尺寸较小(线宽为245 nm)时,忽略互连温度分布会低估互连延时8.71%.     

载流子扩散对CCD调制传递函数的影响

由于电荷耦合器件(CCD)具有许多优于其他成像器件的特点,因此其应用领域已被不断地扩展,调制传递函数(MTF)可作为客观评价其成像质量的有效方法。从载流子扩散对其传递函数影响出发,分析其数学模型, 并利用该模型进一步探讨光谱不均匀性,不同扩散长度及初始耗尽宽度对MTF的影响,最后给出了仿真试验结果。     

Effect of Pulse Width and Fluence of Femtosecond Laser on Electron--Phonon Relaxation Time

The electron phonon relaxation time as functions of pulse width and fluence of femtosecond laser is studied based on the two-temperature model. The two-temperature model is solved using a finite difference method for copper target. The temperature distribution of the electron and the lattice along with space and time for a certain laser fluence is presented. The time-dependence of lattice and electron temperature of the surface for different pulse width and different laser fluence are also performed, respectively. Moreover, the variation of heat-affected zone per pulse with laser Auence is obtained. The satisfactory agreement between our numerical results and experimental data indicates that the electron-phonon relaxation time is reasonably accurate with the influences of pulse width and Auence of femtosecond laser.     

考虑温度分布效应的非对称RLC树时钟偏差研究

提出了一种RLC互连树零时钟偏差构建方法.给出了RLC互连温度非均匀分布及其延时的解析公式,并推导计算了最优的零时钟偏差点,所提模型同时考虑了互连温度非均匀分布、电感效应及不对称互连结构对零时钟偏差点的影响.针对65 nm工艺节点对所提模型进行了仿真验证,结果显示,相较于同类模型,最大误差不超过1%. 关键词： RLC')" href="#">RLC 温度分布 不对称互连结构 零时钟偏差点     

金属互连电迁移噪声的多尺度熵复杂度分析

针对传统频域方法用于分析金属铝互连中的噪声信号的局限性,本文采用多尺度熵方法分析电迁移噪声时间序列.结果表明在电迁移早期,噪声信号较不规律,复杂度较大;随空洞成核的发生,噪声信号规律性增强,复杂度明显减小,反映出随电迁移过程的进行系统的混乱度不断减小.通过与传统表征参量的对比,证明多尺度熵能够对电迁移失效过程进行表征. 关键词： 电迁移 噪声 多尺度熵 复杂度     

考虑非均匀温度分布效应的缓冲器插入最优尺寸研究

基于非均匀温度分布效应对互连延时的影响, 提出了一种求解互连非均匀温度分布情况下的缓冲器最优尺寸的模型. 给出了非均匀温度分布情况下的RC互连延时解析表达式, 通过引入温度效应消除因子, 得出了最优插入缓冲器尺寸以使互连总延时最优. 针对90 nm和65 nm工艺节点, 对所提模型进行了仿真验证, 结果显示, 相较于以往同类模型, 本文所提模型由于考虑了互连非均匀温度分布效应, 更加准确有效, 且在保证互连延时最优的情况下有效地提高了芯片面积的利用.