基于铅铟合金线的SFQ多芯片超导互连方法研究

用基于铅铟合金线的引线键合(WB)工艺对单磁通量子(SFQ)多芯片的超导互连方法进行了研究,将铅含量75%,铟含量25%的铅铟合金线制备成WB线材,用超声楔形焊工艺成功实现SFQ芯片I/O接口焊盘的超导互连.拉力测试表明室温下铅铟合金线键合强度与同线径金线相当,优于同线径铝线;用开尔文四端法测量了铅铟合金线互连的多级超导转变温度以及线材与超导芯片之间的接触电阻,结果表明该铅铟合金线的超导转变温度为6.63 K,当温度降低至6.63 K或更低时,铅铟合金线的线阻以及线材与SFQ芯片I/O接口焊盘的接触电阻为0,实现了超导互连;并通过热冲击实验验证该WB结构具有优异的热稳定性.     

InGaZnO薄膜晶体管背板的层间Cu互连静电保护研究

InGaZnO薄膜晶体管(InGaZnO thin film transistor, IGZO TFT)与Cu互连组合的驱动背板,在生产线机台上的抗静电放电(electrostatic discharge, ESD)耐压能力比传统a-Si TFT背板低将近一个数量级电压,数据线和扫描线层间Mo/Cu互连抗击穿电压只有传统a-SiTFT背板层间Mo/Al/Mo互连的60%左右.层间Cu互连的ESD破坏成为影响IGZO TFT超高清面板正常显示的一个重要因素.本文建立了扫描线层Cu金属扩散进入SiNx/SiO2绝缘层和数据线层Cu金属在爬坡拐角处扩散进入SiO2绝缘层,诱发层间Cu互连ESD破坏的机理模型.提出了Cu互连周边ESD保护电路架构三种基本结构的选型条件,以及保证层间Cu互连抗ESD击穿能力的ESD保护电路设计方法.利用本文提出的方法,有效降低了IGZO TFT背板的层间Cu互连ESD破坏风险.     

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     

一种考虑硅通孔电阻-电容效应的三维互连线模型

硅通孔(TSV)是三维集成电路的一种主流技术.基于TSV寄生参数提取模型,对不同物理尺寸的TSV电阻-电容(RC)参数进行提取,采用Q3D仿真结果验证了模型精度.分析TSVRC效应对片上系统的性能及功耗影响,推导了插入缓冲器的三维互连线延时与功耗的解析模型.在45nm互补金属氧化物半导体工艺下,对不同规模的互连电路进行了比较分析.模拟结果显示,TSVRC效应导致互连延时平均增加10%,互连功耗密度平均提高21%;电路规模越小,TSV影响愈加显著.在三维片上系统前端设计中,包含TSV寄生参数的互连模型将有助于设计者更加精确地预测片上互连性能.     

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     

一种基于延时和带宽约束的纳米级互连线优化模型

基于RLC互连线延时模型,通过缓冲器插入和改变互连线宽及线间距,提出了一种基于延时和带宽约束的互连功耗-缓冲器面积的乘积优化模型.基于90 nm,65 nm和45 nm CMOS工艺验证了互连线优化模型,在牺牲1/3和1/2的带宽的前提下,平均能够节省46%和61%的互连功耗,以及65%和83%的缓冲器面积,能应用于纳米级SOC的计算机辅助设计. 关键词： 纳米互连功耗 缓冲器面积 延时 带宽     

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     

核聚变用内Sn法Nb3Sn股线的制备与性能

采用内Sn法工艺研究了ITER用Nb3Sn股线的制备与性能.我们已成功的研究出了批量生产股线的制备技术,股线具有优异的特性.股线非Cu区的临界电流密度Jcn在12T、4.2K、0.1μV/cm判据下达到1087A/mm2;在±3T的磁场变化范围,磁滞损耗为540 kJ/m3(4.2K);股线的n值在12T、4.2K下为20.此外我们也研究了Nb3Sn层的显微结构和Nb/Sn比.     

Mg含量及包套厚度对套管法Nb_3Al前驱线机械性能影响

制备具有优良机械性能Nb3Al前驱线是得到Nb3Al超导长线,继而制备实用化高场磁体的基础.本文选用Mg的含量分别为1.08wt.%和4.48wt.%的两种Al合金棒作为Al芯,不同壁厚的Cu管作为包套,利用套管法分别制备了两组不同芯丝数的Nb3Al前驱线.通过观察和测量两组前驱线芯丝形状和硬度的变化,以及对前驱线拉伸曲线和拉伸后断口形貌的分析,研究了影响前驱线机械性能的因素,提出了改善芯丝加工性能的方案.结果表明:Mg含量和Cu包套的壁厚对前驱线的机械性能有很大的影响,选择合适的Al合金棒以及包套,可以得到芯丝均匀,具备良好机械性能的Nb3Al前驱线,49芯前驱线经过扩散热处理后得到了15.7K的超导转变起始温度.     

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     

Cu/Al引线键合界面金属间化合物生长过程的原位实验研究

铜引线键合由于在价格、电导率和热导率等方面的优势有望取代传统的金引线键合, 然而Cu/Al引线键合界面的金属间化合物(intermetallic compounds, IMC)的过量生长将增大接触电阻和降低键合强度, 从而影响器件的性能和可靠性. 针对以上问题, 本文基于原位高分辨透射电子显微镜技术, 研究了在50–220 ℃退火温度下, Cu/Al引线键合界面IMC的生长问题, 实时观测到了Cu/Al IMC的动态生长及结构演变过程. 实验结果表明, 退火前颗粒状的Cu/Al IMC 分布在键合界面, 主要成分为Cu₉Al₄, 少量成分为CuAl₂. 退火后Cu/Al IMC的成分是: 靠近Cu一端为Cu₉Al₄, 远离Cu的一端为CuAl₂. 同时基于原位观测Cu/Al IMC的动态生长过程, 计算得到了Cu/Al IMC 不同温度下的反应速率和激活能, 给出了基于原位实验结果的Cu/Al IMC的生长公式, 为优化Cu/Al引线键合工艺和提高Cu/Al引线键合的可靠性提供了指导.     

Grain boundary sliding in pure and segregated bicrystals: a molecular dynamics and first principles study

Sliding behaviors of Σ9(221) grain boundary bicrystals have been investigated in pure metals (Al, Ag, Au, Cu, Pt and Co) and in segregated metals (Cu segregated by Al, Ag, Au, Pt and Co) by molecular dynamics simulations and first-principles calculations. The grain boundary energy, the atomic size and the electronegativity of the segregated elements were not critical for the occurrence of grain boundary sliding. On the other hand, the sliding rate increased as the minimum charge density decreased at the bond critical point. This was the case for both pure grain boundary models and segregated grain boundary models. Therefore, it seems that the sliding rate depends on atomic movement at sites with minimum charge density, irrespective of the elements involved and of the presence of segregated atoms.     

金属间化合物Cu4Al纳米微粉的热稳定性研究

 对采用自悬浮定向流法制备的Cu4Al纳米微粉进行了差热分析(DTA)，发现在258,423和537 ℃存在不同量值的吸热峰。参照DTA曲线上吸热峰所对应的温度，分别对粉末样品进行了模拟退火实验，热处理后样品的X射线衍射（XRD）分析证实258和423 ℃处无结构相变发生，537 ℃处的吸热峰则对应于从Cu4Al向Cu₃Al的相转变，并且伴随着Cu₃Al晶粒的长大。对比实验结果表明，Cu₄Al纳米微粉在440 ℃以下具有非常好的热稳定性，超过537 ℃将发生结构相变。     

Structural stability and theoretical strength of Cu crystal under equal biaxial loading

Cu has been used extensively to replace Al as interconnects in ULSI and MEMS devices. However, because of the difference in the thermal expansion coefficients between the Cu film and the Si substrate, large biaxial stresses will be generated in the Cu film. Thus, the Cu film becomes unstable and even changes its morphologies which affects the device manufacturing yield and ultimate reliability. The structural stability and theoretical strength of Cu crystal under equal biaxial loading have been investigated by combining the MAEAM with Milstein-modified Born stability criteria. The results indicate that, under sufficient tension, there exists a stress-free BCC phase which is unstable and slips spontaneously to a stress-free metastable BCT phase by consuming internal energy. The stable region ranges from −15.131 GPa to 2.803 GPa in the theoretical strength or from −5.801% to 4.972% in the strain respectively.     

Improved electromigration failure in Al based interconnects

Electromigration (EM) failure in Al interconnects is significantly improved by inserting a WN film between Al and the interlayer dielectric: over 90% of test samples failed with the Al/TiN/Ti interconnects, whereas the failure rate of the Al film on WN is reduced to less than 13% under the stress con‐ ditions of 9 MA/cm² and 225 °C, and the EM lifetime is also much extended at the same conditions. Experimental results suggest that higher activation energy, no hillocks and compressive stress are responsible for the improved electromigration performance in the Al/WN interconnect. (© 2007 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Quantitative TEM analysis of Al/Cu multilayer systems prepared by pulsed laser deposition

Thin films composed of alternating Al/Cu/Al layers were deposited on a (111) Si substrate using pulsed laser deposition (PLD). The thicknesses of the film and the individual layers, and the detailed internal structure within the layers were characterized by means of transmission electron microscopy (TEM), high-resolution TEM (HRTEM), and energy-filtered TEM (EFTEM). Each Al or Cu layer consists of a single layer of nano-sized grains of different orientations. EFTEM results revealed a layer of oxide about 2 nm thick on the surface of the Si substrate, which is considered to be the reason for the formation of the first layer of nano-sized Al grains. The results demonstrate that the PLD technique is a powerful tool to produce nano-scale multilayered metal films with controllable thickness and grain sizes.     

倒装芯片上金属布线/凸点互连结构中原子的定向扩散

采用倒装芯片互连凸点串联回路研究了高温、高电流密度条件下倒装芯片上金属布线/凸点互连结构中原子的定向扩散现象,分析了互连结构中受电应力和化学势梯度作用的各相金属原子的扩散行为.在电迁移主导作用下,Ni(V)镀层中的Ni原子的快速扩散导致原本较为稳定的Ni(V)扩散阻挡层发生快速的界面反应,造成Al互连金属与焊料的直接接触.Al原子在电子风力作用下沿电子流方向向下迁移造成窗口附近焊料中Al原子含量逐步上升,同时,空位的反向迁移、聚集形成过饱和,导致Al互连中形成大面积空洞.焊料中的Sn,Pb原子在化学势梯度 关键词： 倒装芯片 凸点 电迁移 扩散     

脉冲电流作用下LY12铝合金的微观结构和合金元素分布

研究了在凝固过程中施加脉冲电流对LY12铝合金微观结构和合金元素分布的影响.实验结果表明,在脉冲电流作用下,LY12合金的微观结构发生了明显变化,聚集在晶界和枝晶网的共晶组织大大减少,网络变得不连续,在晶内和晶界附近存在弥散的近似球状的共晶质点.另外,脉冲电流能有效地改善合金中Cu和Mg的成分偏析,其中对Cu在Al合金中的负偏析现象的改善更为显著,使Cu较均匀地分布于整个试样. 关键词： LY12铝合金 脉冲电流 显微结构 偏析