专利名称：一种基于模拟ic服役条件的多场耦合实验方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明提供了 一种模拟1C真实服役条件的多场耦合装置,通过对温度场与电场的耦合与调控,以实现研究温度场与电场对金属薄膜微结构演化及失效模式的影响。
背景技术：
微电子与微器件是国内外2世纪的重点发展领域。随着超深亚微米加工技术的发展，带来超 大规模集成电路(SLSI)向着更高的集成度以及微型化的方向发展，目前代表集成电路(IC)特征尺寸 的线宽已经达到了65nm，按照Moore定律发展，微电子器件的线宽将会减小到50nm以下。随着 线宽的减小，尤其是当线宽进入纳米尺度后，组成微电子器件的各种介质薄膜以及金属内导线的 微结构与物理性能将发生由于尺寸效应带来的变异，表现出与宏观材料不同的特性。特征尺寸 的减小也带来的一个新的挑战，即如何保证微电子器件的运行可靠性。超大规模集成电路以及MEMS器件常常处于在非常复杂的服役环境中，作为IC中内导线的 金属薄膜(主要是Cu导线)，首先要承载着高密度电流的通过，高密度交织的电流形成了一定密度 的电场，同时在运行过程中，散发的热量集中在封装的器件中，通常IC工作环境温度在IOO'C左 右，这使得金属内导线在服役过程中常会同时受到电场、温度场及力场的作用，加速了 Cu线中 原子的扩撒速度，并影响其微结构如位错、晶界和织构的演化，最终导致Cu导线发生迁移失效。集成电路互连Cu线的失效主要有两种机制电迁移和应力迁移。电迁移主要是由于在电流通 过时，导电电子和金属原子发生碰撞，彼此间的能量交换引起了沿电子流方向的净金属原子扩散， 伴随着孔洞的形核与长大，Cu线发生失效，电子风是发生电迁移的驱动力之一。应力迁移失效主 要是来自于机械应力引起金属孔洞和空穴扩散及聚积，其中机械应力产生于Cu线与衬底间热膨 胀系数的不同， 一旦空位达到临界尺寸，则会由于增加的高电阻或断路而造成互连失效。应力失 效主要是温度场作用的结果，在温度场作用下，Cu线所受机械应力与线宽、织构及晶界特征等微 结构密切相关。目前较多的研究大都集中在单一温度场下Cu线的失效机制，而在实际服役条件下，Cu线不 但受到温度场的作用同时还受到了较高密度的电场作用，电场的作用不能忽视，目前关于电场作 用下材料微结构与性能变化的研究，主要集中在传统块体金属及合金在电场退火作用下的变化， 对于晶粒尺寸为微米与亚微米大小的块体金属及合金，结果也表明电场可以明显的改变其微结 构，如织构、位错密度和晶界特征等方面。而对于介观尺度金属薄膜在电场下退火后，其结构变 化所引起的原子的扩散以及孔洞的形成和聚积，从而导致薄膜失效的研究未见报道。发明内容本发明目的是提供一种模拟IC服役条件下具有温度场和电场的耦合实验方法和装置。针对 集成电路与MEMS等微电子器件通常会在一种多场的复杂条件下工作，其金属Cu内导线的失效机制是评估其运行可靠性的重要依据，采用多场耦合装置进行真实模拟实验，探索电场和温度场 作用下Cu线的结构演化与失效机制，为有效的设计可靠的微电子元件与评估其工作寿命提供极 具价值的实验数据。本发明的技术方案是模拟IC服役条件的多场耦合实验设备，用于多场耦合退火，由主工作 室、闸板阀、分子泵、机械泵、高压直流电源及控制柜、加热器组件、铜板、电场支撑杆、电场 支撑杆和陶瓷垫支撑板构成，主工作室为不锈钢真空室，真空室通过闸板阀与分子泵及机械泵构 成了真空装置的连通，真空室、加热器及泵和高压直流电源的控制柜装置于台架上，真空室内部 设有加热器组件和电场支撑杆，电场支撑杆上闹定若干块陶瓷垫支撑板，在板上装若干块平行的 铜板，真空室内设有加热器组件，其被安装在铜板背部。1、模拟IC服役条件的多场耦合实验方法，铜线或铜薄膜的多场耦合条件为真空度从大气压至3.0xI0"Pa，退火温度从室温到800°C, —般为200°C，电场强度最高为2000V/cm。 一般为 1000V/cm。实现高强度电场与高温度场的在高真空度下的耦合的实验条件，有两种方式来调节电 场强度的大小， 一种方式是通过调节两铜板之间的距离，其间距可调范围为5mm-15mm;另一种 方式是调节外接稳压电源提供的直流电压，其电压可调节范围为0-1000v。温度最高可达到800°C, 加热器直接在电极背面加热，最大限度的使得处理材料的温度接近了实际温度。真空度可达 4.0xlO"Pa。同时可实现对电场与温度场的单独实验。 多场耦合实验方法步骤如下
a、 直流磁控溅射在单晶Si(ll)上制备100-1000nm厚度Cu薄膜；b、 表征沉积态Cu薄膜的结构与性能；c、 在多场耦合装置中，在抽真空条件下进行电场退火试样。d、 对样品结构与性能表征本发明所采用的真空度可有效消除空气对Cu的氧化作用，同时，为了更清晰的了解温度场与 电场各自对Cu膜的影响，可分别进行单一的温度场、单一的电场以及同时施加温度场与电场的 三种实验方案，从而可以将不同场的作用进行比较分析。针对集成电路特殊的工作条件，为了防止氧化，集成电路通常是在封装条件下工作，相当于 在一种高真空条件下，故为了使得实验条件与真实的工作环更加接近，多场耦合装置的真空度可 达到3.0xl0，a,同时，为了在更大的范围内模拟多场下Cu线的结构演化与失效机制，退火温度 最高可达800。C,电场强度最高可达2000V/cm，并在加入平行电场后进行高真空退火处理。多场耦合装置可用来模拟同时拥有温度场与电场的服役条件，更加真实的反应Cu线在工作条 件的失效模式，通过调控温度与电场的强度大小来实现在较大范围的多场耦合实验，这种模拟实 际条件的耦合实验为我们提供了更加接近真实情况的实验参数，为准确的设计和评估微电子器件 的使用寿命提供更加有利的指导作用。与现有技术相比，本发明的特点体现在有益效果是1、与传统退火实验相比，本发明提供 了加入平行电场后进行高真空退火处理，电场强度均匀，通过电场与温度场的耦合作用，更加接近了 IC的真实的服投条件，实现了 Cu膜在不同的耦合条件下的微观结构与失效模式的演化。除 了对薄膜材料进行多场模拟实验外，本装置还可以对块体材料进行高温下电场退火处理，通过电 场的作用调整材料的结构，如改变金属与合金的织构，从而实现对材料力学性能的改善。2、 本发明可分别单独进行单一场下对材料的处理，可单独进行电场处理，考虑仅电场下的 Cu膜的结构变化，电场强度可控，可调范围大，最大可达2000V/cm。电场强度的调控可以通过 调整铜板间距离或稳压电源的大小两种方式进行，同时调整电极的正负极可实现改变电场方向， 三块平行铜板可实现同时对多个样品进行处理，操作方便可控，如图(l)。3、 本发明可实现在低温区(〈200'C)的长时间工作，这对于模拟IC长时间的实际工作条件至关 重要，在不取出样品的条件下，连续工作若干天，这样确保了材料的表面洁净与完整，有利于保 证实验结果的有效性。4、 与传统的气体保护退火设备相比，本装置实现了高真空下进行高温退火实验，高真空条件 避免了气体进入薄膜内或与材料发生反应，保证了处理环境的整洁，同时也起到了一定的环保的 作用。5、 本装置为下一步的改装提供的多种可能，留有多个可用窗口，既可通入气体，也可在内部 加入磁场，充分发挥装置的多功能用途。本发明提供了一种模拟真实的IC服役条件的多场处理设备,可实现电场强度和温度可调控性， 扩展了传统的温度退火的思路，为研究集成电路内金属导线的失效机制提供了有效实验方式。
图1多场耦合装置示意图图1中(a)多场耦合装置装配主图；(b)温度场与电场工作室示意图；(c)工作室剖面图 图2室温下电场处理后随时间变化的XRD图谱图3室温下电场处理后半高宽(a)、 (lll)峰强度(b)和晶粒尺寸(c)随退火时间的变化图4沉积态(a)与电场处理后(b)Cu膜的TEM像图5分别在50'C(a)和lO(TC(b)下电场处理后的XRD图谱真空室l、加热器组件'2、闸板阀3、分子泵4、水冷塔5、台架6、真空计7、机械泵8、上 屏蔽罩9、侧屏蔽罩IO、下屏蔽罩1K铜板2、支撑板13、立柱14、电场支撑杆15、电源的控 制柜16、陶瓷垫17。
具体实施方式
多场耦合退火设备主要部件为不锈钢真空室、三块铜电极板、 一台稳压电源、加热器、 一台 机械泵与分子泵。真空室1内设有加热器组件2、真空室通过闸板阀3与分子泵4和机械泵8构 成的真空装置连通，水冷塔5是分子泵的附件，真空室1、加热及泵和高压直流电源的控制柜安 装在台架6上，支撑板13上装有真空室，真空室内部设有加热器组件和电场支撑杆15,电场支 撑杆上固定若干块陶瓷垫支撑板13，在板上装若干块平行的铜板12,设有立柱14,若干块平行 的铜板连接直流电源，用于提供电压。真空室1外设有上屏蔽罩9、侧屏蔽罩IO、下屏蔽罩ll，不锈钢室则无须采用上屏蔽罩。材料制备溅射靶材为99.999%Cu，直径60mm，厚度3mm,衬底为单晶Si(I),为了提高 Cu膜与衬底的附着力，在沉积之前，将Si片依次由乙醇、丙酮淸洗并超声20min，以除去其表 面灰尘和油渍。采用直流溅射方法，为了保真Cu膜不被氧化，本底真空度达到了 7.0xl(r5Pa，溅射压力为 I.OPa，溅射功率为100W,溅射时间为10min，厚度由台阶仪测得大约为300nm，溅射速率约为 0.5nm/s。沉积态Cu膜的表面平整光滑，XRD测试结果显示Cu膜的(lll)峰较强，见图2,而(200)和(220) 峰很弱，表现出明显的(l U)择优取向，由谢乐公式计算及TEM像显示沉积态Cu膜的晶粒尺寸约 为13nm，如图3,4。实验条件设计本发明中实验材料为直流磁控溅射沉积的Cu薄膜，厚度约为300nm,衬底为单晶Si(lll)， 溅射压力为l.OPa，溅射功率为IOOW。 实验根据是否加热分为两组a、 在室温下对Cu膜进行电场处理将Cu膜放置在阳极铜板上，膜面向上，电场方向由Cu膜面指向衬底，电场强度为1000V/cm, 电场处理时分别为lh、 3h、 5h、 7h和14h。分别采用XRD， TEM技术表征了其结构特征。结果 显示，薄膜晶粒尺寸随着电场处理时间的延长而增大，如图3所示，半高宽随之下降，平均晶粒 尺寸增加到约16nm，表明即使在室温下，电场对沉积态Cu薄膜的晶粒尺寸和微结构有明显的影 响，电场的作用不能忽视。b、 在低温区间(50'C和lO(TC)对Cu膜进行电场处理将Cu膜放置在阳极铜板上，膜面向上，电场方向由Cu膜面指向衬底，电场强度为1000V/cm， 退火时间为7h。采用了 XRD对处理后的样品结构进行了表征。结果显示，在加热的条件下进行电场退火时，电场对薄膜结构的作用大于在室温时的作用， Cu(lll)峰变化更加明显。如图5所示。目前一些有关电场退火处理对材料微结构以及物理性能的 影响，大多集中在高温区间，电场可以改变轧制金属板材及合金的织构、晶粒尺寸和位错密度等， 从而直接影响到材料的力学性能。大多数报道认为电场处理会延迟了回复再结晶过程，最终抑制 了晶粒的长大；而我们目前的研究结果却与报道的结论相反，在低温区，对于纳米级晶粒尺寸Cu 膜，电场处理对晶粒长大有一定的促进作用，原因可能是多方面的，对于纳米晶Cu膜普遍会有 自退火现象发生，电场的作用加速了 Cu膜的自退火过程的发生，从而导致平均晶粒尺寸相对长 大。采用多场耦合装置可以实现模拟集成电路内金属导线在服役条件下的结构演化以及失效机 制，更加真实的反应Cu线的应力迁移失效现象，完全可以达到实验要求。
权利要求
1、一种基于模拟IC真实服役条件的多场耦合装置，其特征是由主工作室、闸板阀、分子泵、机械泵、高压直流电源及控制柜、加热器组件、铜板、电场支撑杆、电场支撑杆和陶瓷垫支撑板构成，主工作室为不锈钢真空室，真空室通过闸板阀与分子泵及机械泵构成了真空装置的连通，真空室、加热及泵和高压直流电源的控制柜被安装在台架上，真空室内部设有加热器组件和电场支撑杆，电场支撑杆上固定若干块陶瓷垫支撑板，在板上装若干块平行的铜板，真空室内设有加热器组件，加热器组件被安装在铜板背部。
2、 模拟IC服役条件的多场耦合实验方法，其特征是铜线或铜薄膜的多场耦合实验条件为 真空度从大气压至3.()xio"Pa，退火温度从室温到800°C,电场强度最高为2000V/cm;实现高强 度电场与高温度场的在高真空度下的铜线或铜薄膜的耦合的实验条件，
3、 根据权利要求1所述的模拟IC服役条件的多场耦合实验方法，其特征是有两种方式来调 节电场强度的大小， 一种方式是通过调节两铜板之间的距离，其间距可调范围为5mm-15mm;另 一种方式是调节外接稳压电源提供的直流电压，其电压可调节范围为0-1000v,调节精度为lv。
4、 根据权利要求所述的模拟IC服役条件的多场耦合实验方法，其特征是多场耦合实验方 法步骤如下a、 直流磁控溅射在单晶Si(ll)上制备100-1000nm厚度Cu薄膜；b、 表征沉积态Cu薄膜的结构与性能；c、 在多场耦合装置中，在抽真空条件下进行电场退火试样。d、 对样品结构与性能表征
5、 根据权利4要求所述的Cu膜的制备方法，其特征是在所述步骤a中,溅射功率为100W, 溅射压力为l.OPa，溅射时间为IOmin。
6、 根据权利4要求所述的多场耦合实验方法，其特征是在所述步骤b中，表征方法为XRD、 TEM。
7、 根据权利4要求所述的多场耦合实验方法，其特征是在所述步骤c中，电场强度大小为 1000V/cm，温度为低温区间(室温一IOO'C),真空度为4.0x10"Pa。
全文摘要
基于模拟IC真实服役条件的多场耦合装置，由主工作室、闸板阀、分子泵、机械泵、高压直流电源及控制柜、加热器组件、铜板、电场支撑杆、电场支撑杆和陶瓷垫支撑板构成，加热器组件被安装在铜板背部。实现了对电场与温度在高真空下的耦合，最大电场强度可达到2000V/cm，最高温度为800℃，真空可达3.0×10<sup>-4</sup>Pa。本发明提供了一种对IC服役工作条件的模拟，通过对电场和温度场在高真空下的耦合，对作为IC中重要的金属Cu内导线进行多场耦合下的处理实验，可以真实的反映Cu线在工作中的微结构特征与失效机制的变化，可为微电子元件与评估其工作寿命提供极具价值的实验数据。本发明装置简易，操作方便，实现效果良好。
文档编号G01R31/28GK101221211SQ20071019101
公开日2008年7月16日 申请日期2007年12月5日 优先权日2007年12月5日
发明者澎 刘, 孟祥康, 春 徐, 操振华, 李平云, 陆海鸣 申请人:南京大学