电载荷作用下多层互连结构失效行为实验研究

Micro interconnection structure plays an important role in the Super-Large-Scale Integration (SLSI). Investigating its failure behavior and deformation mechanism is great important for the SLSI design and reliability. However, it is difficult to implement such research by either traditional experimental testing owing to the lack characteristic of multilevel interconnection structure by the scanning electron microscope (SEM). Accordingly, a multi-probe platform based on the optical microscope (OM) is proposed in this work. Moreover, Computed Tomography (CT) scanning technology for interconnection structure is also adopted to present the damage evolution in the process of structural failure. The project gives a systematic analysis on the multilevel interconnnection structure under current effect. Based on the multi-probe plaform, the fatigue behavior of several typical interconnection structure has been investigated. According to the experiment results, the simulation of the spectacle by Finite Element Method (FEM) is used to investigate the failure mechanism of interconnection structure under action of “electric–thermal-mechanical” coupling effect . This study has great significance for promoting the development and application of multilevel interconnection structure.

微互连结构在超大规模集成电路中的重要性日益增加，研究微互连结构的失效行为、揭示电流作用下互连线的变形机理对集成电路设计及预测其可靠性等具有重要意义。然而，借助传统的实验分析手段无法实现互连结构的真三维加载及互连结构失效过程的演化表征，仅能通过失效前后的电子显微镜图像进行结构失效行为分析。基于此，本项目发展了基于探针的多层互连结构实验平台，并采用计算机断层扫描技术进行互连结构在不同损伤阶段的演化表征，系统地研究了电流作用下多层互连结构的失效行为。通过研究不同互连结构在电流作用下的失效行为，以及分析互连结构中的电热效应，发展有效地数值计算方法，揭示在电流作用下互连结构的“电-热-机械”损伤演化规律和机理。本项目对推动互连结构优化及其可靠性的提高都有着重要意义。

互连结构在超大规模集成电路种的重要性日益增加，研究互连结构的失效行为、揭示热诱导的互连结构变形机理对集成电路设计及可靠性预测有着极其重要的作用。然而，借助传统的实验分析手段无法实现互连结构的温度场重建及互连结构失效的演化表征，仅能通过失效前后的电子显微镜图像进行结构失效行为分析。.基于此，本项目首先进行了电流诱导下一维互连结构的温度测量，通过3ω法实现了一维互连结构平均温度的实验测量，建立了单层互连结构在电流诱导下的温度场；实验分析了加载频率、结构尺寸、电流密度等对互连结构温度的影响；考虑互连结构工作过程中，由于结构特征，可以作为点热源及线热源进行简化，本项目进行了瞬态点热源作用于半平面的热传导问题求解，理论分析得到了点热源作用下半无限平面表面的热弹性场；并采用分子动力学方法计算得到了具有不同初始应力的纳米杆热弹性阻尼，一次分析一维纳米结构在工作时的能量衰减；对于多层互连结构的热致损伤问题，本项目采用石墨加热平台为互连结构提供温度环境，采用红外显微成像进行互连结构表面温度无接触测量，测量结果表明由于热传导系数不同及界面层的存在，互连结构金属层及金属引线的温度远低于基体温度；对于高温环境作用下的互连结构，采用计算机断层扫描技术进行了结构的三维重建，结果表面，互连结构在150℃以下环境养护一小时以上，并未发生明显损伤行为，当环境温度逐渐升高，互连结构将出现界面开裂、基体分层、基体玻璃态转变等失效行为，最终导致结构失效。