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隨著半導體技術(shù)不斷向小型化發(fā)展，銅大馬士革工藝在后段制程（BEOL）中具有重要意義。為確保互連可靠性達到足夠的性能水平，電遷移（EM）、應力遷移（SM）、應力誘導空洞（SIV）以及與時間相關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDB）都是必須檢測的關(guān)鍵項目。在后端制程的可靠性項目里，應力遷移（SM）是一種由純熱應力引發(fā)的失效模式，這種模式會導致電路電阻升高或出現(xiàn)故障。近年來，針對應力遷移（SM）已經(jīng)開展了諸多研究工作，人們從應力梯度、有效擴散體積、空位通量以及銅晶界等方面對其進行了探究。

研究發(fā)現(xiàn)，由于后端制程（BEOL）材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，靜水應力和熱-機械應力也會對應力遷移（SM）產(chǎn)生很大影響，同時寬金屬走線和長金屬走線的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計也會對應力遷移（SM）產(chǎn)生重大影響。

目前，應力遷移（SM）研究已開發(fā)了幾個基于有限元分析（FEA）的模型，然而，與寬金屬走線相連的窄金屬處的一種特殊應力遷移（SM）失效模式尚未被充分理解。與寬金屬走線相連的窄金屬典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

雙大馬士革結(jié)構(gòu)由上層金屬、單個過孔以及底層金屬組成。在底層金屬部分有一個寬金屬走線和一個窄金屬，其中一個過孔位于底層窄金屬與上層窄金屬線的邊緣處。在整個后端制程（BEOL）系統(tǒng)里，互連材料包含銅和阻擋層，并且被低k薄膜和蝕刻停止層（ESL）等介電材料所包裹。

在后端制程（BEOL）的制造過程中，銅互連結(jié)構(gòu)里容易產(chǎn)生微空洞并存在于其中。空洞的數(shù)量與銅的體積呈正比關(guān)系。在熱處理或者可靠性測試時，由于金屬和電介質(zhì)材料的熱失配，會形成靜水應力梯度。而且，高溫還會提升空洞的遷移率。這些被激活的空洞會在晶界或者金屬與電介質(zhì)的界面間遷移，隨后開始在晶界的交匯處聚集。此外，靜水應力分布是影響空洞遷移的另一個關(guān)鍵因素，因為空洞往往會從靜水應力高的區(qū)域朝著低的區(qū)域移動。從多互連工藝的角度來看，未經(jīng)優(yōu)化的蝕刻和處理工藝會使界面質(zhì)量下降，從而促使空洞遷移、累積并聚集成空隙的形式。根據(jù)空隙的面積或大小不同，空隙會導致互連結(jié)構(gòu)出現(xiàn)高電阻或者電路開路的情況。圖2展示了從頂部視角觀察到的與寬引線相連的窄金屬指處銅應力遷移的示意圖和掃描電子顯微鏡（SEM）顯微照片。

高溫烘烤后會出現(xiàn)空隙，這使得互連結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高電阻。圖3展示了電阻偏移量與熱烘烤時間的典型關(guān)系曲線，依據(jù)電阻偏移量的不同，該曲線可劃分為（a）、（b）、（c）三個區(qū)域。（b）和（c）區(qū)域的典型失效模式分別以截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像的形式呈現(xiàn)。

隨著烘烤時間的增加，從（b）區(qū)域的掃描電鏡照片可以看出，空隙在底層窄金屬的頂面出現(xiàn)，接著空隙會通過底層金屬與蝕刻停止層之間的界面朝著金屬指的末端移動，最終在過孔下方形成空隙。在最糟糕的情況下，空隙會完全切斷多層互連結(jié)構(gòu)的導電通路，從而致使（c）區(qū)域的電阻發(fā)生突然偏移。

為探究圖1結(jié)構(gòu)的幾何相關(guān)性，選取了三個關(guān)鍵的幾何參數(shù)，即引線寬度（W）、引線長度（L）和窄金屬長度（FL），來研究它們對應力遷移（SM）的影響。針對不同的結(jié)構(gòu)情形，在175°C下進行500小時的烘烤以施加應力。通過四線法對熱烘烤前后的互連電阻進行測量，并采用失效率來表征幾何結(jié)構(gòu)對應力遷移（SM）的影響。測試結(jié)果如下所示。

為深入理解幾何結(jié)構(gòu)對應力遷移（SM）的依賴性，構(gòu)建了一個有限元分析（FEA）模型，用于模擬結(jié)構(gòu)的靜水應力。如下圖所示，該FEA模型涵蓋銅互連、硅襯底、刻蝕停止層中的介電材料以及金屬間介電層（IMD）。

注：FEA模型所采用的詳細材料特性，如楊氏模量和熱膨脹系數(shù)（CTE），列于下表。無應力溫度設(shè)定為270°C。

   通過仿真結(jié)果可知，通孔邊緣會出現(xiàn)低靜水應力，而高靜水應力往往出現(xiàn)在金屬區(qū)域，這就導致了從金屬區(qū)域向通孔區(qū)域的空位流。

仿真結(jié)果：

本文基于高溫烘烤下的可靠性測試結(jié)果，對窄金屬與寬引線連接結(jié)構(gòu)中的應力遷移（SM）現(xiàn)象展開了研究。探討了窄金屬長度、引線寬度和引線長度這三個關(guān)鍵幾何尺寸產(chǎn)生的影響。最后，借助有限元分析（FEA）對提出的遷移路徑進行了探索，對這種應力遷移及其影響進行了特性描述，以便為電路布局提供指導，并為應力遷移改進提供參考依據(jù)。

注：本文翻譯自《Copper stress migration at narrow metal finger with wide lead》。