[發明專利]一種基于模擬IC服役條件的多場耦合實驗方法和裝置

無效

• 申請號: 200710191015.0
• 申請日: 2007-12-05
• 公開（公告）號: CN101221211A
• 公開（公告）日: 2008-07-16
• 發明（設計）人: 孟祥康;操振華;李平云;劉澎;徐春;陸海鳴
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01R31/28
• 分類號: G01R31/28
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司
• 代理人: 湯志武;王鵬翔

技術領域

本發明提供了一種模擬IC真實服役條件的多場耦合裝置，通過對溫度場與電場的耦合與調控，以實現研究溫度場與電場對金屬薄膜微結構演化及失效模式的影響。

背景技術

微電子與微器件是國內外21世紀的重點發展領域。隨著超深亞微米加工技術的發展，帶來超大規模集成電路(SLSI)向著更高的集成度以及微型化的方向發展，目前代表集成電路(IC)特征尺寸的線寬已經達到了65nm，按照Moore定律發展，微電子器件的線寬將會減小到50nm以下。隨著線寬的減小，尤其是當線寬進入納米尺度后，組成微電子器件的各種介質薄膜以及金屬內導線的微結構與物理性能將發生由于尺寸效應帶來的變異，表現出與宏觀材料不同的特性。特征尺寸的減小也帶來的一個新的挑戰，即如何保證微電子器件的運行可靠性。

超大規模集成電路以及MEMS器件常常處于在非常復雜的服役環境中，作為IC中內導線的金屬薄膜(主要是Cu導線)，首先要承載著高密度電流的通過，高密度交織的電流形成了一定密度的電場，同時在運行過程中，散發的熱量集中在封裝的器件中，通常IC工作環境溫度在100℃左右，這使得金屬內導線在服役過程中常會同時受到電場、溫度場及力場的作用，加速了Cu線中原子的擴撒速度，并影響其微結構如位錯、晶界和織構的演化，最終導致Cu導線發生遷移失效。

集成電路互連Cu線的失效主要有兩種機制：電遷移和應力遷移。電遷移主要是由于在電流通過時，導電電子和金屬原子發生碰撞，彼此間的能量交換引起了沿電子流方向的凈金屬原子擴散，伴隨著孔洞的形核與長大，Cu線發生失效，電子風是發生電遷移的驅動力之一。應力遷移失效主要是來自于機械應力引起金屬孔洞和空穴擴散及聚積，其中機械應力產生于Cu線與襯底間熱膨脹系數的不同，一旦空位達到臨界尺寸，則會由于增加的高電阻或斷路而造成互連失效。應力失效主要是溫度場作用的結果，在溫度場作用下，Cu線所受機械應力與線寬、織構及晶界特征等微結構密切相關。

目前較多的研究大都集中在單一溫度場下Cu線的失效機制，而在實際服役條件下，Cu線不但受到溫度場的作用同時還受到了較高密度的電場作用，電場的作用不能忽視，目前關于電場作用下材料微結構與性能變化的研究，主要集中在傳統塊體金屬及合金在電場退火作用下的變化，對于晶粒尺寸為微米與亞微米大小的塊體金屬及合金，結果也表明電場可以明顯的改變其微結構，如織構、位錯密度和晶界特征等方面。而對于介觀尺度金屬薄膜在電場下退火后，其結構變化所引起的原子的擴散以及孔洞的形成和聚積，從而導致薄膜失效的研究未見報道。

發明內容

本發明目的是：提供一種模擬IC服役條件下具有溫度場和電場的耦合實驗方法和裝置。針對集成電路與MEMS等微電子器件通常會在一種多場的復雜條件下工作，其金屬Cu內導線的失效機制是評估其運行可靠性的重要依據，采用多場耦合裝置進行真實模擬實驗，探索電場和溫度場作用下Cu線的結構演化與失效機制，為有效的設計可靠的微電子元件與評估其工作壽命提供極具價值的實驗數據。

本發明的技術方案是：模擬IC服役條件的多場耦合實驗設備，用于多場耦合退火，由主工作室、閘板閥、分子泵、機械泵、高壓直流電源及控制柜、加熱器組件、銅板、電場支撐桿、電場支撐桿和陶瓷墊支撐板構成，主工作室為不銹鋼真空室，真空室通過閘板閥與分子泵及機械泵構成了真空裝置的連通，真空室、加熱器及泵和高壓直流電源的控制柜裝置于臺架上，真空室內部設有加熱器組件和電場支撐桿，電場支撐桿上固定若干塊陶瓷墊支撐板，在板上裝若干塊平行的銅板，真空室內設有加熱器組件，其被安裝在銅板背部。

1、模擬IC服役條件的多場耦合實驗方法，銅線或銅薄膜的多場耦合條件為：真空度從大氣壓至3.0×10^-4Pa，退火溫度從室溫到800℃，一般為200℃，電場強度最高為2000V/cm。一般為1000V/cm。實現高強度電場與高溫度場的在高真空度下的耦合的實驗條件，有兩種方式來調節電場強度的大小，一種方式是通過調節兩銅板之間的距離，其間距可調范圍為5mm-15mm；另一種方式是調節外接穩壓電源提供的直流電壓，其電壓可調節范圍為0-1000v。溫度最高可達到800℃，加熱器直接在電極背面加熱，最大限度的使得處理材料的溫度接近了實際溫度。真空度可達4.0×10^-4pa。同時可實現對電場與溫度場的單獨實驗。

多場耦合實驗方法步驟如下：

a、直流磁控濺射在單晶Si(111)上制備100-1000nm厚度Cu薄膜；

b、表征沉積態Cu薄膜的結構與性能；