VLSI铝互连线的微区应力与微结构的研究

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1、摘要摘要本论文主要研究了VLSI中微米特征尺寸Al互连线的应力和微结构，及其对与电徙动中值失效寿命(MTF)的影响。本项研究采用原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)、EBSD，分析了A1膜互连线的晶粒结构。沉积态O．5“m和lgrn厚的Al膜互连线的平均晶粒尺寸分别为200nm和250nm，晶粒尺寸随膜厚的增加和退火温度的提高而增加，晶粒趋于均匀。此外，Al互连线中低于2．6。的小角度晶界占优，退火处理后小角度晶界继续增多。晶粒长大和小角度晶界的发展使晶界扩散系数减小，从而提高了A】膜抗电徙动的能力。采用二维面探测器XRD和E

2、BSD，测量了Al互连线的晶体学取向。沉积态O．5“m和1¨m厚的Al互连线均有很强的(111)织构，其强度随A1膜厚的增加而减小。3006C、2．5hr退火后，获得最强的(111)织构，350。C、2．5hr退火后，(111)织构不再增强。这与应变能与表界面能最小化有关。采用二维面探测器XRD，原位测量了Al互连线的残余应力。沉积态的0．59m—A1和Igrn—AI互连线的应力分别为244．2MPa和1580MPa，均为拉应力。Al互连线沿长度方向应力明显高于宽度方向应力，互连线表面法线方向的应力值则最小。求出多晶AI薄膜(111

3、)亟的弹性柔度S+“与湿度的关系，采用同步辐射源XRD，原位测量了A1互连线的平面热应力。在室温～300。C范围，A1互连线表现为拉应力状态。在300～350。C之间，由49．4MPa的拉应力转变为．16．6MPa的压应力。Al互连线的热应力随温度上升基本呈线性变化。提取EBSD菊池衍射花样的质量参数IQ，作为单晶的应变敏感参数。分别比较单一耿向的IQ(111)、1Q(IlO),nIQ(IOO)，以此评价多晶Al互连线中的应力。IQ(111)、IQ(1lO)平nIQ(100)在300。c、2．5hr退火后，平均IQ值提高。这表明退火

4、使晶格畸变减小，应力得到释放。退火后的IQ(111)大于JQ(100)和IQ(110)，这是由于晶体在不同取向的弹性模量不同，互连线中的应变是非均匀应变所致。Al互连线电徙动过程的原位平面应力钡《试发现，沿互连线长度方向，从阳极到阴极呈现出压应力梯度，并由此计算出退火前后Al金属化系统的有效宅荷数(z+)和有效晶界扩散系数(D。fr)等电学和物理参数。结果表明，300。C退火2．5hr后有效电荷数z+没有变化，晶界有效扩散系数D。H由5．62×10“”c酊／s减小到4．56×10’10cm2／s。互连线失效后(撤除负载电流)，阳极端

5、的压应力和阴极端的拉应力均随时间延长而明显减小，应力得到释放。证明了“回流效应”。关键词Al互连线：应力；微观结构；电徙动¨ABSTRACT暑竺!!!!暑IIIIII毫竺!=詈毫==詈!!!!!!==詈!!詈竺皇!!=詈詈詈詈詈詈!!!!!!!!!!Inthisthesis．wefocnsonthestressandmicrostructureotVLSlAlInterconnectswiththeirimpactsonMTFoftheelectromigration．StudythegrainstructurebyusingAFM

6、，SEMandEBSD．TheaveragegrainsizeofdepositedO．5Ⅲ一thickandlpm—thickA1interconnectsis200nm，and250nmrespectivelyTheresultsshowthegrainsizebecomeslargeralongwithtemperatureandfilmthicknesselevated，andthengrainsgotoevennessInaddition，thelow—anglegrain—boundariesnomore2．60isdo

7、minateothers，andcontinuouslyincreaseafterannealed．Thegrowthofgrainandthedevelopmentoflow—anglegrain-boundariesminishedtheeffectivegrainboundarydiffusioncoefficient，consequentlyimprovedtheabilityofantitheelectromigrationofAlfilm．StudiedonthecrystalorientationofAIinterco

8、nnectsbytWOdimensionXRDandEBSD．TheresultsrevealthedepositedO．51am-thickand1gm．thickA1interconnectshasstrong(111)textu