VLSI铜互连可靠性TDDB特性及其寿命评估模型研究

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1、摘要摘要随着超大规模集成电路的发展，特征尺寸不断减小，RC延迟取代门延迟成为制约电路发展的主要瓶颈。在这种情况下，铜互连代替铝互连成为集成电路深亚微米工艺中的关键技术，但是由于工艺的不同，使得铜互连与铝互连相比，出现了许多新的可靠性问题。在各种可靠性问题中，随着特征尺寸的减小、互连线内部电场强度不断增大以及低k介质材料的应用，时间相关介质击穿(TDDB)问题逐渐成为最严重的可靠性问题之一。由于铜互连和铝互连材料特性的不同，使得铜互连双大马士革结构中必须添加阻挡层，而阻挡层的存在使得铜互连中的TDDB退化和铝互连中未添加阻挡层时有很大的不同。传统的TDDB失效机制不再适用。本文

2、分析了加入了阻挡层的TDDB退化现象，建立了新的铜互连TDDB退化的物理模型。并且在该模型的基础上求解得到了更加精确的铜互连TDDB的寿命评估模型。本文所建立的寿命评估模型在考虑了电场、温度和互连线间距的影响作用下，引入了全新的电场加速因子，通过对比在SiOx和SiNx介质中TDDB失效时间对温度变化曲线，本文建立的模型所预测的TDDB寿命可以非常好的与实验数据的结果相符合。并且，通过和E模型的对比发现，在高电场强度(10MV／cm)的情况下，在SiOx介质层中，E模型的寿命大约低估了40％。此外，在本文所建立的TDDB退化模型中，将互连间距L引入电场加速因子使得互连线的可靠

3、性问题需要重新审视，加入的互连间距L使TDDB寿命的预测变得更加准确。通过模型的计算，从理论上得到70nm这样一个可能引发TDDB可靠性严重问题的互连间距临界值。最后，针对TDDB退化为今后铜互连工艺的发展提出了参考意见。关键词：铜互连时间相关介质击穿寿命评估模型可靠性AbstractAbstractWiththecontinuedscalingofadvancedVLSIcircuitsandapplicationoflOW．kdielectricmaterials，thetime．dependentdielectricbreakdown(TDDB)hasbecomeone

4、ofthemostseriousreliabilityissues．TheexistenceofthebarriersmaketheTDDBfailuremechanisminCuinterconnectsSOdifferentfromtheAlinterconnectswithoutbarriers．ThetraditionalTDDBfailuremechanismisnolongerapplicable．Inthispaper,analyzingtheTDDBfailurephenomenaandestablishingthephysicsmechanismforTDD

5、Bdegradation．ThegeneralcontinuityequationonCu+diffusionanddriftisinvestigated．AnimprovedCuinterconnectTDDBlifetimemodelwasacquired．Theimprovedmodelpresentedhereintroducesacorrectionalfactorandtakesintoaccounttheeffectsofelectricfields，temperature，andinterconnectlinespacing．Thepredictionsoft

6、henewmodelregardingTDDBlifetimeVS．temperatureagreewillwiththepreviouslypublishedexperimentaldatainthedielectricofSiOxandSiNx．Furthermore，contrastingtotheEmodel，itiSfindthattheEmodeloverestimatesabout40％ofthelifetimeforSiOxathighelectricfield(10MV／cm)．Inadditional，inthisproposedphysicsmechan

7、ism，takingtheinterconnectlinespacingintotheelectricaccelerationfactormaketheTDDBreliabilityissueneedtobeinspectedagain．Theimprovedlifetimemodelwiththeeffectoftheinterconnectlinespacingcanprovidemoreaccurateprediction．Finally,fromtheimprovedlifetimemodel，