金属薄膜热疲劳损伤行为及其微观机制的研究

随着集成电路向高集成度和高性能化的迅猛发展，其中的金属互连线长度和连线密度急剧增加，使该系统在电/热/力多场耦合作用下的失效几率显著升高。本项目选取典型的面心立方金属金作为研究对象，通过制备与微加工具有不同线宽和晶粒尺寸的金薄膜互连线样品，系统研究金薄膜在交流电诱发热循环应力/应变作用下的热疲劳寿命及损伤行为。采用扫描电镜的原位观察、结合电子背散射衍射技术以及聚焦离子束的局部分析手段，确定金属薄膜的热疲劳寿命与线宽、晶粒尺寸、线宽/晶粒尺寸比之间的定量关系；阐明具有不同线宽和晶粒尺寸的金属薄膜热疲劳失效机理，揭示线宽、晶粒尺寸及晶粒取向等对金属薄膜热疲劳损伤行为与热疲劳强度的影响规律；探索建立描述微尺度金属薄膜的热疲劳寿命的理论预测模型。项目研究结果不仅对集成电路中金属互连线的热疲劳可靠性的设计与服役安全性的评价具有重要的理论参考价值，且将进一步加深对微尺度金属材料高温疲劳新机理的认识。

本项目选取了典型的面心立方金属金作为研究对象，系统地研究了具有不同线宽的纳米厚度金互连线在纯交流电下引起的热疲劳损伤行为、热疲劳寿命及微观机理； 研究了不同交流电频率和直流偏量对金互连线服役寿命及损伤行为的影响规律，阐明了交流电频率对金属互连线热疲劳可靠性的作用机理；研究了纳米尺度铜薄膜的机械疲劳性能及晶界不稳定性，通过退火前后疲劳性能及晶粒长大行为的对比研究，发现了纳米晶晶界不稳定性的规律，提出了提高金属薄膜疲劳性能的有效途径；项目研究结果不仅对集成电路中金属互连线热疲劳可靠性的设计与服役安全性评价具有重要的理论参考价值，且将进一步加深了对微尺度金属材料高温疲劳新机理的认识。项目获得如下创新研究结果：.1. 发现了交流电诱发金属互连线热疲劳性能的尺寸效应。200纳米厚金互连线热疲劳寿命随着交流电电流密度的增加而减小，热疲劳抗力随着互连线线宽的减小而降低。发现了不同线宽互连线热循环应变幅与发生热疲劳损伤的互连线表面分形维数间存在定量关系；基于分形理论，提出了金属互连线热疲劳性能尺寸效应的预测模型。.2. 发现了交流电诱发金属互连线热疲劳损伤行为与热应变幅间关系，澄清了交流电诱发金属互连线热疲劳损伤的物理机制。当热循环应变较小时，互连线损伤以晶界扩散引起的晶界微裂纹为主，随着热循环应变的增加，循环温度的升高，晶粒薄化和孔洞成为疲劳损伤的主要模式。热疲劳损伤机制主要是由交流电（电场）产生循环热应变（力场）与循环温度（热场）及其耦合作用所控制。建立了金互连线在交流电作用下诱发热疲劳失效过程的温度场方程，得到了高电流密度下金互连线失效熔化过程温度场的解析解。.3. 含直流偏量的交流电频率较低时，热疲劳引起的晶界开裂，孔洞化及晶粒薄化是主要损伤机制；频率较高时，晶界开裂，孔洞化以及直流偏量引起的电迁移损伤是主要机制。直流电引入对交流电诱发金属线损伤有“愈合”作用，其与电流频率成正比。提出了直流偏量愈合交流电诱发热疲劳损伤的新概念，并建立的愈合因子模型。.4. 制备态和退火态纳米晶铜薄膜的疲劳性能均表现出明显的尺寸效应，即随着铜薄膜厚度或晶粒尺寸的减小，薄膜疲劳强度逐渐增加；疲劳加载能够诱发纳米晶铜薄膜的晶粒长大；退火能够明显地抑制疲劳加载诱发纳米晶晶粒长大程度，从而提高薄膜疲劳性能。