VoL22 No.6 毛卫民等：大规模集成电路导电薄膜的织构效应 ·541 (a)应力变化 6.0 b)应变变化 600 。厚度方向 ■厚度方向 ●长度方向 4.0 ●长度方向 400 2.0 6 200 0 0 -200 -2.0 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 t/℃ t/℃ 图4温度下降时A1%Si0.5%Cu导线(0.8um高，0.9μm宽)所承受的应力(a)及应变b) Fig.4 The stress(a)and strain acting on the Al-1%Si-0.5%conductor with decreasing temperature 空洞，进而引起芯片的断裂失效.提高其{111} 面织构体积分数和锋锐程度有利于增加<111> 方向上的变形抗力和沿{111}面上的塑性变形 图5导线内晶界上生成孔洞的示意图 能力以便松弛应力，降低“电子风”效应，进而大 Fig.5 Voids formed on the grain boundaries of the in in- 幅度降低芯片失效率.这种利用织构效应的原 terconnecting conductor 理也应该应用于内联导铜膜， 面的方向上有较大的塑性变形抗力，而沿沉积 参考文献 面内的方向则有很小的塑性变形抗力.参照图 1 Schroeder H.Voids in Interconnects of Very Large-scale Integrated Electronic Circuits.IFF-Bulletin,1996,49:52 3可以看出{111}，面织构使得铝膜易于在应力 2毛卫民，张新明.晶体材料织构定量分析.北京：冶金 作用下沿膜面方向，即铝膜导线的宽度和长度 工业出版社，1985.89,210 方向发生塑性变形并因此使应力得到松弛四. 3 Chen N,Mao W,Yu Y,et al.A Method of Quantitative Fib- 同时，铝膜厚度方向的高变形抗力也有利于保 er Texture Analysis,in:Laing Z,Zuo L,Chu Y,eds.Proc 证铝膜导线不失效.另外也有报道指出，强的 11th Inter Conf Textures of Materials.Beijing:Interna- {111}面织构十分有利于克服“电子风”效应所 tional Academic Publishers,1996.81 4 LeGoues FK,Krakow W,Ho P S.Atomic Structure of the 造成的不利影响.由图4b)可以看出，111}面织 Epitaxial Al-Si Interface.Phil Mag,1986,52(A):833 构使得铝膜导线在应力作用下沿长度方向明显 5 Jin H F,Yapsir A S,Lu T M,et al.Channeling Study of 变形而松弛了应力：同时沿厚度方向变形很小， Structural Effects at the Al(111)/Si(111)Interface Formed 有效地防止了导线失效.由图1和图2所示的 by Ionized Cluster Beam Deposition.Appl Phys Lett, 结果以及上述讨论可以发现，铝膜具有一般性 1987,50:1062 的111}面织构尚不能满足使用需求.因此随大 6 Knorr D B.Textures in Thin Films.Mat Sci Forum, 1994,157:1327 规模集成电路芯片小型化的进程，导电铝膜的 7 Sundquist B E.A Direct Determination of the Anisotropy {111}面织构应不断追求高占有率和高锋锐程 of the Surface Free Energy of Solid Gold,Silver,Copper, 度.目前铝合金内联导线的宽度接近0.1m,因 Nickel,and Alpha and Aamma Iron.Acta Metall,1964,12: 而达到了铝质导线的极限，铜的熔点、导电率和 67 力学强度均比铝高，热膨胀系数比铝低而热稳 8 Flinn P A,Waychunas GA.A New X-ray DiffracTometer Design for Thin film,Strain,and Phase CharacteRization. 定性好，因而它是取代铝制作新一代内联导线 JVac Sci Technol,1988,6(B):1749 的良好材料.铜有与铝完全相同的晶体结构，也 9 Shibata H,Murota M,Hashimoto K.The Effects of Al(111) 会有相似的{111}面织构效应，因此与铜相关的 Crystal Orientation on Electromigration in Half-micro 薄膜织构仍应引起足够的重视， Layered Al Interconnects.J Appl Phys,1993,33:4479 10 Yapsir A S,You L,Madden M.Partially Ionized Beam De- 3总结 position of Oriented Films.J Mater Res,1989,4:343 11 Venkatraman R,Bravman J C,Nix W D.Mechanical Pro 大规模集成电路内联导铝膜在使用过程中 perties and Microstructural Characterization of Al-0.5% 所产生的内应力、“电子风”等会在导线内造成 Cu Thin Films.J Elec Mat,1990,19:1231毛卫 民等 大规模集成 电路导 电薄膜 的织构效应 弘 气心 应变变“ · 厚度方 向 二火 长度方 向 谈 ︸ ︸ 飞州 应力变化 一 厚度方 向 … 火 ‘ 度方 向 卜、 一 乏﹄勺口 ℃ ℃ 图 温度下降时 卜 ， 导线 林 高 ， ，林 宽 所承受的应 力 及应变伪’ 啥 血 卜 闷 “ ， 图 导线内晶界上生成孔洞 的示意图 面 的方 向上 有较大 的塑 性变形 抗力 ， 而 沿 沉积 面 内的方 向则有 很 小 的塑 性变形 抗力 参照 图 可 以看 出 ， 面 织 构使得铝 膜 易 于在 应 力 作用 下 沿膜面方 向 ， 即铝 膜 导线 的宽度和 长度 方 向发 生 塑性变形 并 因此使应 力得到松 弛 〔‘ 同时 ， 铝 膜厚 度方 向的高变 形抗力 也有利 于保 证铝 膜 导 线不 失效 另外 也有报道指 出 ， 强 的 川 面织构十分 有利于 克服 “ 电子风 ” 效应所 造成 的不利 影 响 由图 可 以看 出 ， 面织 构使得铝膜 导线在应力作用下 沿长度方 向明显 变形而 松弛 了应 力 同时沿厚度方 向变形 很 小 ， 有效地 防止 了导线 失效 由 图 和 图 所示 的 结果 以及 上 述 讨论可 以发现 ， 铝 膜具 有 一般性 的 面织构 尚不 能满足使用需求 因此 随大 规模集成 电路芯 片 小 型 化 的进程 ， 导 电铝 膜 的 毛 面织构应 不 断追求 高 占有率和 高锋锐程 度 目前铝合金 内联 导线 的宽度接近 林 ， 因 而达到 了铝质导线 的极 限 铜 的熔 点 、 导 电率和 力学强 度均 比铝 高 ， 热 膨胀系数 比铝 低 而 热 稳 定性好 ， 因 而 它是取代铝 制作新一 代 内联 导 线 的 良好材料 铜有与铝完全相 同 的 晶体结构 ， 也 会有相似 的 面 织构效应 ， 因此与铜相 关 的 薄膜 织构仍 应 引起足够 的重视 总结 大规模集成 电路 内联导铝膜在使用 过程 中 所产生 的 内应 力 、 “ 电子风 ” 等会在 导 线 内造成 空 洞 ， 进而 引起 芯 片 的断裂 失效 提 高其 面 织 构体积 分数和 锋锐程度有 利 于 增加 方 向上 的变形 抗力和 沿 面上 的塑 性变形 能力 以便松 弛应力 ， 降低 “ 电子风 ” 效应 ， 进而大 幅度 降低 芯 片 失效 率 这种利 用 织构 效应 的原 理也 应 该应用 于 内联 导铜 膜 参 考 文 献 一 一 ， ， 毛卫 民 ， 张新 明 晶体材料织构定量分 析 北 京 冶金 工业 出版社 ， ， ， ， 丫 刀 】 ， ， ， 丫 介 甘 ， ， 淦 ， 如 犷 以 触 ， ， ， ， ， 位 奴甘 触 ， ， 介 甘 。 ， ， 触 ， ， ， ， ， ， ， 认厄 任比 ， 妞 ， 形 、 恤 ， ， 毋 ， ， 面 。 免 川 尽 ， ， ， ， ， ， 、 飞 ， ， 一 ，