铜互连应力模拟分析
收稿日期:2007207212; 定稿日期:2007209220基金项目:西安-应用材料创新基金资助项目(XA2AM2200501)・研究论文・
铜互连应力模拟分析
刘 彬,刘 静,汪家友,杨银堂,吴振宇(西安电子科技大学 微电子学院,西安 710071)
摘 要: 建立了三维有限元模型,采用ABAQUS有限元分析软件,模拟计算了Cu互连系统中的热应力分布;通过改变通孔直径、铜线余量、层间介质等,对比分析了互连结构对热应力分布的影响。结果表明,互连应力在金属线中通孔正下方铜线顶端处存在极小值,应力和应力梯度在下层铜线互连顶端通孔两侧处存在极大值。应力和应力梯度随着通孔直径或层间介质材料介电常数的减小而下降,应力随铜线余量长度的减小而增大。双通孔结构相对于单通孔结构而言,靠近下层金属线末端的通孔附近应力较大,但应力梯度较小。关键词: 铜互连;热应力;有限元分析中图分类号: TN405.97 文献标识码: A 文章编号:100423365(2008)0220153204
SimulationofStressforCuInterconnects
LIUBin,LIUJing,WANGJiayou,YANGYintang,WUZhenyu(MicroelectronicsInstitute,XidianUniversity,Xi’an,Shaanxi710071,P.R.China)
Abstract: ThermalstressinCuinterconnectswasanalyzedusingthree2dimensionalfiniteelementanalysis.Dif2ferentinterconnectstructuresincludingvariousviadiameter,residuallength,anddielectricmaterialwereinvestiga2tedtoanalyzetheeffectofstructureonthermalstress.Theresultsindicatedthatstressreachedtheminimumvalueontheareaofthetopofthedownlineunderneaththevia.Stressandstressgradientreachedthemaximumvalueonthetopsurfaceofdownlineunderbothsidesofthevia.Stressandstressgradientdecreasewithviadiameterordie2lectricconstantofILD,andstressincreasesastheresiduallengthincreases.Comparedwithsignalviastructure,stressalongthedownlineofdouble2viastructureissmallerwithlargerstressgradient.Keywords: Cuinterconnects;Thermalstress;FiniteelementanalysisEEACC: 2570A
1 引 言
随着集成电路技术的不断发展,运算速度越来
越快,电路的RC延时和串扰已经成为制约集成电
路进一步发展的一个重要因素。铜和低介电常数
(low2k)材料的引入,有效地降低了电阻率和电容,减少了RC延时[1,2,3]。但随着特征尺寸的不断减
小,单位面积的电流密度增大,以及工艺过程中由于
高温产生的热应力,铜原子的迁移现象越来越严重,
已经成为制约集成电路进一步发展的瓶颈[4,5]。铜
原子的迁移,实质是一种受电流、应力以及温度影响
的扩散现象。在传统的互连结构中,电流密度、热应力和温度并不是平均分布的,局部电流密度梯度或
应力梯度过大,导致铜原子受电子风力或热应力而
产生迁移,形成空洞,最终使电路断路。
本文采用有限元分析软件ABAQUS模拟通
孔2互连结构中的热应力分布,推测铜互连系统中空
洞容易形成的位置,并进一步讨论不同通孔宽度、不
同余量、双通孔结构,以及采用low2k材料对应力分
布的影响。
2 模型描述
本文模型采用铜双镶嵌工艺通孔2互连线结构,
通孔宽度为0.5μm,SiN覆盖层和Ta阻挡层厚度第38卷第2期
2008年4月微电子学
MicroelectronicsVol138,No.2
Apr12008
铜线余量均为80nm,上下层铜线的宽度和厚度分别为0.81μm和0.4μm,图1为互连结构示意图[6]以及模拟
所用到的网格结构图。在双镶嵌工艺中,通孔和上
层铜是同时电镀生成的,因此本模型中通孔与上层
铜线融合为一个整体单元。模型采用正六面体网格
划分规则单元,而对于不规则单元,采用正四面体网
格划分。对于主要研究铜单元,为了得到更高的精
确度,其网格尺寸相对其他单元更细。载荷条件为
温度载荷,从零应力状态400℃[7]降至室温25℃。
本模型假定每种材料均为各向同性的塑性材料。具
体材料特性参数见表1[5,8]。
表1 模拟所用到的参数
Table1 Materialproperties
材料杨式模量/GPa泊松比热膨胀系数
/ppm・℃-1Cu1250.3417.4Ta185.70.3426.5SiN3120.260.8SiO2131.00.2782.61CDO(Low2k)16.20.2512.0
3 模拟结果及分析
图2给出通孔附近的应力分布,从图中可以明显
看出,铜线的热应力并不是均匀分布的。虽然通孔内
部也存在较大的应力和应力梯度,但是由于上层铜线和通孔周围存在着阻挡层Ta,使通孔内的铜原子不容
易扩散,所以下层铜线顶端是主要关注的地方。
图2 通孔附近应力分布Fig.2 Contourplotaroundthevia
图3给出下层铜线中线处的应力和应力梯度曲
线。从图中可以看出,在下层铜线通孔底部的应力
比较低,而两侧的应力和应力梯度都比较大。较大
的应力梯度会导致该处的空位移动速率较快,更容
易形成空洞[9]。因此,空洞有可能先在通孔两侧底
部产生,并逐渐生长,直至贯通通孔底部而导致互连
线断路。
图3 下层铜线中线处应力及应力梯度曲线Fig.3 Stress(up)andstressgradient(down)distributionofCuinterconnects 154刘 彬等:铜互连应力模拟分析2008年 3.1 通孔宽度对应力分布的影响
随着特征尺寸的不断减小,铜线以及通孔的宽
度也越来越小。改变通孔宽度将会影响通孔附近的
应力分布。本文模拟了通孔宽度分别为0.5μm和
0.35μm互连线中的应力分布。计算出下层铜线中
线处应力分布,如图4所示。从图中可以看出,改变
通孔宽度,下层铜线的整体受力趋势并没有改变,仍
然是通孔两侧所受到的应力较大,通孔底部受到的
应力较小。比较0.5μm和0.35μm的应力曲线可
以看出,通孔宽度为0.5μm时,两侧的应力极值分
别为544.7MPa和640.1MPa,当通孔减小为0.35μm时,两侧的应力极值分别为442.4MPa和488.7
MPa。对比可以得出,通孔宽度减小热应力的极值
也会减小,因此,热应力产生空洞的大小也会相应地
减小,互连系统的有效时间得到提高。
图4 通孔为0.5μm和0.35μm时下层铜线中的线应力分布 Fig.4 StressdistributionofCu2interconnectwithdifferentviadiameters
3.2 铜线余量对应力分布的影响
通孔到铜线末端的长度余量会影响铜互连的电
迁移效应[10]。本文模拟了通孔宽度均为0.5μm,
铜线余量分别为0.5μm和0.2μm时铜互连系统
中的应力分布情况。
图5给出了不同余量(图中圆圈部分)下铜互连
系统的应力分布。从图5可以看出,当铜线余量减
小为0.2μm时,通孔底部的低应力区域会向铜线
末端扩散,使图中所示区域的铜线未出现应力极值,
因此,该处铜原子受热应力产生迁移的几率也减小。
虽然通孔另一侧所受的应力有所增大,但是,从整体
来看,下层铜线由原来的通孔两侧可能产生空洞变
为一侧可能产生空洞,整体互连系统的有效时间比原来还是有所增大。
3.3 双通孔结构应力分布为了使铜互连的有效时间更长,通常采用双通
孔结构[2]。当某一通孔因空洞体积达到临界值而断
路时,另一个通孔还可维持互连连通,使铜互连系统
的有效时间得到很大的提高。图6给出双通孔结构下铜互连的应力分布。
图6 双通孔结构铜互连应力分布Fig.6 Contourplotofstresswithdouble2viastructure
从图6可以看出,下层铜线通孔两侧依然存在
应力极值,该处铜原子依然容易受到热应力而发生
迁移,从而产生空洞。与单通孔结构相比,虽然铜线 第2期刘 彬等:铜互连应力模拟分析155 整体受到的应力有所增大,但是应力分布趋于均匀,应力梯度减小,因此铜原子发生应力迁移的可能性
也减小,应力迁移的有效时间也会有所提高。
3.4 层间介质介电常数对应力分布的影响低介电常数材料可以有效地改善电路系统的
RC延时和串扰等性能。本文采用低介电常数材料掺碳氧化物(carbon2dopedoxide,CDO,k<3)作为
层间介质,模拟了铜互连系统的热应力分布。图7给出层间介质分别采用SiO2和CDO的下层铜线中
线处的应力曲线。从图7可以看出,采用低介电常
数介质时,下层铜线的整体应力分布并未改变,仍然
是通孔两侧存在应力极大值,通孔底部应力存在极
小值。但是,采用低介电常数介质,铜线受到的应力
大大降低,这将减小铜线中由于热应力而产生的空
洞,提高互连的有效时间。但是,低k材料硬度小、
密度低、粘附性差的特性所引起的一系列工艺问题
也可能成为诱发空洞的因素[11]。
图7 采用不同介质的下层铜线中线处应力曲线 Fig.7 StressdistributionofCuinterconnectswithdifferentdielectricmaterials
4 结 论
本文采用有限元分析软件ABAQUS,模拟分析
了铜互连系统中热应力的分布情况。结果表明,对
于通孔2互连结构,下层铜线通孔两侧存在应力极大
值,容易产生铜原子迁移而形成空洞。进一步讨论
了不同通孔宽度、余量长度、双通孔结构,以及采用
低介电常数材料作为层间介质的应力分布。比较得
出,减小通孔的大小,降低互连线的余量,采用双通
孔结构,或采用低介电常数材料作为层间介质,都可以减小互连系统的应力或应力梯度,达到降低铜原
子迁移,提高铜互连有效时间的目的。该结论为研
究Cu互连系统应力迁移现象提供了一种有效方
法,并为进一步研究Cu互连系统的失效提供了有
力依据。
参考文献:
[1]HUC2K,CANAPERID,CHENST.Electromigra2tionCumassflowinCuinterconnections[J].ThinSolidFilms,2006,504(122):2742278.[2]LINMH,LINYL,CHENJM.Electromigrationli2fetimeimprovementofcopperinterconnectbycap/die2lectricinterfacetreatmentandgeometricaldesign[J].IEEETransElecDev,2005,52(12):260222608.[3]ZHAICJ,YAOHW,MARATHEAP.SimulationandexperimentsofstressmigrationforCu/low2kBE2OL[J].IEEETransDevMaterReliab,2004,4(3):5232529.[4]TANCM,ROYA.Currentcrowdingeffectoncop2perdualdamasceneviabottomfailureforULSIappli2cations[J].IEEETransDevMaterReliab,2005,5(2):1982204.[5]PAIKJ,PARKH,JOOY.Effectoflow2kdielectriconstressandstress2induceddamageinCuintercon2nects[J].MicroelecEngineer,2004,71(3):3482357.[6]ROYAA,TANACM,KUMARBR.Effectoftestconditionandstressfreetemperatureontheelectromi2grationfailureofCudualdamascenesubmicroninter2connectline2viateststructures[J].MicroelecReliab,2005,45(9):144321448.[7]GANZ2H,SHAOW.TheinfluenceoftemperatureanddielectricmaterialsonstressinducedvoidinginCudualdamasceneinterconnects[J].ThinSolidFilms,2006,504(122):1612165.[8]KIRSTENWZ,DAVIDD,YVESD.DynamicvoidformationinaDD2copper2structurewithdifferentmet2allizationgeometry[J].MicroelecReliab,2007,47(2):3192326.[9]PAIKJM,PARKIM,JOOYC.Effectofgraingrowthstressandstressgradientonstress2inducedvoidingindamasceneCu/low2kinterconnectsforULSI[J].ThinSolidFilms,2006,504(122):2842287.[10]ZHAICJ,BLISHRC.Aphysicallybasedlifetimemodelforstress2inducedvoidingininterconnects[J].JApplPhys,2005,97(11):113503.[11]CHENF,LIB.Technologyreliabilityqualificationofa65nmCMOSCulow2kBEOLinterconnect[C]//Proc13thIPFA.Singapore.2006:972105.
湿热环境下基于厚壁圆球模型的环氧树脂-铜双层板应力分析
湿热环境下基于厚壁圆球模型的环氧树脂-铜双层板应力分析
摘要：
电路板上的塑封器件中包含塑封料和粘结剂等吸湿材料。吸湿材料在湿热环境下会受到热膨胀应力、湿膨胀应力和蒸气应力的共同影响。研究不同湿热环境下塑封器件受到的上述三个应力及其合应力情况，对于提高塑封器件的可靠性具有重要意义。本文首先理论分析了湿热载荷共同作用下热膨胀、湿膨胀以及蒸气压三者的合应力计算方法；之后创新性地利用厚壁圆球模型分析了试验件上的环氧树脂内的空洞中可能产生的最大蒸气应力及湿热共同作用时的合应力，并与用有限元方法计算蒸气应力及湿热合应力结果进行了对比。通过对比发现使用厚壁圆球模型分析环氧树脂等吸湿材料内部的蒸气应力值和预测器件危险位置处空洞内壁在湿热环境下受到的最大合应力更为合理。
关键词:
环氧树脂 湿热环境 厚壁圆球模型 蒸气应力 合应力
1. 介绍
由于塑封器件的模塑料和粘结剂固有的多孔和吸湿的特点，塑封器件在存储和使用过程中会吸湿。塑封器件在湿热环境下，热膨胀系数和湿膨胀系数不匹配会产生热膨胀应力、湿膨胀应力，进入孔洞内的湿气会产生蒸气压力。多个应力的作用下器件容易产生分层和开裂等现象，造成器件的失效。因此研究湿热因素对塑封器件的影响，对于提高塑封器件的可靠性具有重要意义。
前人对湿热载荷下塑封器件的应力应变进行了大量研究。Evans等[1]对多层复合材料的在热应力作用下的破坏作了综述。Pecht等[2]和Gektin等[3]对干燥元件和预先吸湿元件在历经高温的过程中分别作了试验研究，发现完全干燥的电子元件在焊接过程中没有“爆米花”式的脱层断裂出现，证明件中的热应力不是导致“爆米花”式的脱层断裂的主要因素。吸收的水分会改变复合材料的物理和机械性能，并严重损害其性能[4]。Roy[5]的试验表明：由于湿汽的侵入，使得材料的强度明显下降。在吸湿九个月之后，结构的强度下降了约35%。可见，湿分扩散对高聚物复合材料的影响是不能忽略的。水分子进入塑封器件后有两种存在形式[6-8]：一种是与高分子氢键结合的约束水分子，它会造成吸湿材料的膨胀，产生湿膨胀应力；另一种是自由水分子，它在吸湿材料空洞内造成的蒸气压力，也会引起材料额外的应力，即蒸气应力。在热膨胀系数和湿膨胀系数不匹配引起的不匹配之外，蒸汽压力引起了材料额外的不匹配[9]。有学者发现元件中的湿热膨胀在“爆米花”式的脱层断裂中并非主导因素，从而蒸气压力模型得到了发展[10-14]。
电子连接器设计仿真实战教程之端子应力分析
电子连接器设计仿真实战教程之端子应力分析
本文阐述了应力分析在电子连接器设计中的重要性，并以实例演示了有限元分析软件Ansys Wokbench仿真分析端子工作内应力的详细步骤，对连接器设计或有限元分析初学者有一定的参考意义
端子是电子连接器中极其重要的主要了零件，它一旦失效也就意味着整个连接器失效报废，如果不能从主板上拆下更换，就会导致主板部分功能丧失，甚至报废。在材料确定的情况下，端子工作时的内应力决定端子的疲劳寿命。我们在设计电子连接器时，必须重点关注端子工作时的内应力是否在设计许可范围内。对于形状简单的端子，我们可以用材料力学公式进行计算校核；复杂端子的工作内应力就需要利用有限元分析软件，进行仿真分析才能获得其大小，作为设计合理性依据。下面就业电池连接器（Battery Connector）为例讲解如何用Ansys
Workbench软件分析端子工作时的内应力。下面是作为实例分析的电池连接器的图片：
图中金色的零件即为端子，在电子系统中电池PAD与端子触点接触即可实现充电及供电。要保证接触的可靠性，端子触点必须被电池PAD下压一些距离，这个距离，我们称之为端子触点的下压行程。端子的工作应力与端子触点的下压行程相关，下压行程越大端子工作时的内应力就越大。端子与电池的位置关系如下图示：
端子触点 端子的触点的最大压缩行程即为端子触点超出连接器Housing面的距离（设计值为1.45mm），实际使用应该比这个值小。
下面就用Ansys Workbench来分析端子工作时的内应力。这里是用UG NX12打开的3D档，Ansys安装后可在UG菜单中嵌入其启动菜单，可很方便地在UG中启动Ansys Workbench，如下图示：
现在就从嵌入菜单启动Ansys Workbench。点击菜单Ansys 2019R3，再点击Workbench，如下： 进入Workbench后的界面如下图：
这次的端子应力分析，需要用到静态结构分析模块（Static Structural）。将左边的“Static Structural”拖到右边的Geometry上，如下：
博士论文开题报告-文献综述
文 献 综 述
学 号： 0040509010
研 究 生： 王新建
导 师： 吴建生教授 姜传海教授
研究方向： 材料科学
论文题目：
学 科： 材料学
学 院： 材料科学与工程系
入学时间： 2004年9月
开题时间： 2005年10月20日
学科代码
编 号
年 月 日 0 引言............................................................................................................................ 1
1．大规模集成电路的发展以及铜互连工艺的概述.................................................. 2
1.1．大规模集成电路的发展概况 .......................................................................................... 2
1.2．ULSI中铝互连线的发展 ................................................................................................. 4
1.3．ULSI中铜互连线工艺的提出、发展及存在的问题 ..................................................... 5
1.3.1．铜互连工艺的提出 ............................................................................................... 5
1.3.2．铜互连技术的主要问题 ....................................................................................... 8
应力波仿真报告
1.实验题目
两个完全相同的弹性铜杆A和B（如图1所示），其中A以速度V0（负值）撞击原先静止的B，两杆的长度均为10mm，直径为5mm，使用应力波理论对该过程进行分析，画出X-t、V-t、σ-t以及σ-V曲线，使用有限元软件对该过程进行动力学仿真，形成仿真报告。
BV=0V=V0A
图1弹性钢杆
2.实验目的
（1）掌握Ansys/LS-DYNA仿真软件的建模技术和进行显式动力学分析的方法与步骤；
（2）结合仿真的结果比较理论解和仿真结果，加深对应力波理论的理解。
3.建模过程
（1） 建模分析
该问题属于泰勒杆冲击问题，考虑该问题结构具有对称性特点，建模时只需建立四分之一模型进行计算。用三维实体单元划分网格，使用拉格朗日算法，在对称面上施加对称条件。采用cmgs建模。
计算时间为60s，每0.5s输出一个结果数据文件。
（2） 选择单元类型
启动Ansys，选择3D Solid164单元进行建模，并对Solid164单元的算法进行相应设置。
（3） 设定材料属性
对两杆均选用Plastic Kinematic材料，并设定材料参数E=117GPa，μ=0.35，338.9310/Kgm。
（4） 构建铜杆实体模型
分别建立两个长为10mm，半径为2.5mm的弹性铜杆，两杆间的间隙为0.2cm。
（5） 划分网格
为单元分配属性并划分成单元，其中杆A沿轴向划分为48等分，沿径向和周向划分为16等分；杆B沿轴向划分为24等分，沿径向和周向划分为8等分（之所以将两杆划分数不一样是便于后面定义接触），如图2所示为划分好网格的铜杆模型。
图2弹性铜杆模型、网格
（6） 施加载荷
创建两个PART并定义两者之间的接触为自动面面接触，设置接触刚度相关选项；分别约束模型的对称面上的X方向和Y方向的约束，分别定义两个PART的初始速度为0.02/cms和0/cms。
（7） 设定分析选项
进行求解的相关设置，启用Stonewall Energy、Sliding Interface和Hourglass
基于COMSOL的铜-铜电连接的仿真分析
基于COMSOL的铜-铜电连接的仿真分析
刘雪扬;李奇
【摘 要】针对电连接中的铜-铜板连接发热现象,依据接触电阻理论,建立了铜-铜板连接的三维模型.采用COMSOL Multiphysics多物理场直接耦合仿真分析软件,对铜-铜板连接进行了电-热耦合场分析、 电-热-流耦合场分析,研究了不同载荷状态下的电连接热稳定性.最后对板连接进行了温升试验,通过对试验数据与仿真分析的数据对比,仿真分析结果与试验结果误差在±2％范围内.
【期刊名称】《东北电力技术》
【年(卷),期】2019(040)004
【总页数】3页(P28-30)
【关键词】热稳定性;COMSOL;接触电阻;电连接
【作 者】刘雪扬;李奇
【作者单位】昆明品启科技有限公司, 云南 昆明 650500;昆明品启科技有限公司,
云南 昆明 650500
【正文语种】中 文
【中图分类】TP391.9
1 电连接点发热概述
在输配电系统中存在许多连接点，如耐张线夹、引流板、接续管、穿刺线夹、载流连接板等。这些连接点会产生发热现象，造成电能损失的同时，还需要定期进行巡视，大量的人力、物力投入使输配电成本大大提高。发热点一旦温度过高会发生故障，甚至导致大面积停电[1-3]。
电连接点的发热原因主要是接触电阻较大，因此要尽可能减小接触电阻，这就需要了解接触电阻产生因素，如何控制这些因素才能降低接触电阻。而如果都通过试验来进行研究，时间长、成本高，借助仿真来进行研究就很方便。文献[4]研究了圆柱形铜排间不同扭矩与接触面积间的关系，并进行了接触电阻的仿真分析。文献[5]基于有限元理论，分别在瞬态和稳态情况下对母线板进行了母线板温度、电流密度分布规律等分析，但并没有用试验验证仿真分析的可靠性。文献[6]针对一起35
kV的电流互感器载流连接板的发热故障进行了仿真分析，也没有进行试验验证。
本文根据电接触理论[7-9]，分析了接触电阻的计算模型。并采用COMSOL
铝铜定向凝固合金热疲劳应力场数值模拟
－’
ＪｏＩ＿』ＲＮＡＬ ＯＦ ＪＩＡＮＧＳＵ ＵＮｌＶＥＲＳＩＴＶ｛Ｎａｌｕ｜ ａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｈｉｏｎ｝ ？１■
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—７７７５．２０１１．０６．０１８
铝铜定向凝固合金热疲劳应力场数值模拟
刘海霞 ，司松海 ，司乃潮 ，袁婷婷
（１．江苏人学材料科学与工程学院，江苏镇江２１２０１３；２．镇江忆诺唯记忆合金有限公司，江苏镇江２１２００９）
摘要：利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ，模拟分析了铝铜定向凝固合金（铜质量分数４．５％）热疲劳应
力场的分布，建立了有限元分析模型，得出了热应力在冷热循环条件下的变化规律．结果表明：在一
个热循环周期内，热应力开始以小三角形方式向试样内部扩展，之后以２条主线的方式快速扩展，
最后热应力变化趋于平缓．在一次循环结束后，试样内部有残余应力存在，预制缺口处出现应力集
中．随着循环次数的增加，残余应力逐渐累积．当累积的残余应力达到一定值后，在应力集中的作用
下，预制缺口处出现裂纹．通过有限元分析与试样热疲劳试验的结果对比，验证了所采用有限元分
析模型的可靠性．
关键词：铝铜合金；定向凝固；热疲劳；热应力场；有限元分析
中图分类号：ＴＧ１４６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—７７７５（２０１１）０６～０７１０—０５
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ｏｆ
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ ＡＩ——Ｃｕ ａｌｌｏｙ
Ｌｉｕ Ｈａｉｘｉａ ，Ｓｉ Ｓｏｎｇｈａｉ ，Ｓｉ Ｎａｉｃｈａｏ ，Ｙｕａｎ Ｔｉｎｇｔｉｎｇ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ；２．ＺｈｅｎｊｉａｎｇＹｉｎｕｏｗｅｉ Ｍｅｍｍ７ Ａ ｌｏｙ Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２１２００９，Ｃｈｉｎａ）
铜互连应力模拟分析
收稿日期:2007207212; 定稿日期:2007209220基金项目:西安-应用材料创新基金资助项目(XA2AM2200501)・研究论文・
铜互连应力模拟分析
刘 彬,刘 静,汪家友,杨银堂,吴振宇(西安电子科技大学 微电子学院,西安 710071)
摘 要: 建立了三维有限元模型,采用ABAQUS有限元分析软件,模拟计算了Cu互连系统中的热应力分布;通过改变通孔直径、铜线余量、层间介质等,对比分析了互连结构对热应力分布的影响。结果表明,互连应力在金属线中通孔正下方铜线顶端处存在极小值,应力和应力梯度在下层铜线互连顶端通孔两侧处存在极大值。应力和应力梯度随着通孔直径或层间介质材料介电常数的减小而下降,应力随铜线余量长度的减小而增大。双通孔结构相对于单通孔结构而言,靠近下层金属线末端的通孔附近应力较大,但应力梯度较小。关键词: 铜互连;热应力;有限元分析中图分类号: TN405.97 文献标识码: A 文章编号:100423365(2008)0220153204
SimulationofStressforCuInterconnects
LIUBin,LIUJing,WANGJiayou,YANGYintang,WUZhenyu(MicroelectronicsInstitute,XidianUniversity,Xi’an,Shaanxi710071,P.R.China)
Abstract: ThermalstressinCuinterconnectswasanalyzedusingthree2dimensionalfiniteelementanalysis.Dif2ferentinterconnectstructuresincludingvariousviadiameter,residuallength,anddielectricmaterialwereinvestiga2tedtoanalyzetheeffectofstructureonthermalstress.Theresultsindicatedthatstressreachedtheminimumvalueontheareaofthetopofthedownlineunderneaththevia.Stressandstressgradientreachedthemaximumvalueonthetopsurfaceofdownlineunderbothsidesofthevia.Stressandstressgradientdecreasewithviadiameterordie2lectricconstantofILD,paredwithsignalviastructure,stressalongthedownlineofdouble2viastructureissmallerwithlargerstressgradient.Keywords: Cuinterconnects;Thermalstress;FiniteelementanalysisEEACC: 2570A
铜互连可靠性分析
重一量 量誊
Ｑｕａｌｉｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
论了铜互连和铝互连对可靠性的不同影响，并详细的分析了一个关键的可靠性失效机理：
电迁移（包括通孔损耗和连线损耗）。最后讨论了影响铜电迁移的一些工艺要素，如通孑Ｌ、
阻挡层和覆盖层。
关键宇：可靠性；互连；电迁移；通孔；阻挡层；覆盖层
中图分类号：ＴＮ４０６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－０１０７（２００６）０９－００２９－０５ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｔｅｒ ａ ｂｒｉｅｆ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ａｎｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ。ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅ ｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｎ ｒｅｌｌａｂｉｌｉｔｙ． Ｄｅｔａｉｌｓ ａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｏｎ ａ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｍｅｔａｌＩｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｌｌａｂｉＩｉｔｙ ｆａｉＩｕ ｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ：ｅＩｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ． Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｖｉａ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｉｎｅ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｃｏｐｐｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｉｉｎｅｒ，ｃａｐ。ａｎｄ ｖｉａ ｅｌｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄ●：ＲｅｌＩａｂｉｌｉｔｙ：Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ一：Ｅｌｅｃｔｒｏｍｌｇ ｒａｔｉｏｎ：Ｖｉａ；Ｌｉｎｅｒ；Ｃａｐ ＣＬＣ ｎｕｍｂｅｒ．ＴＮ４０６ Ｄｏｃｕｍ・－－ｔ ｃｏｔｌ・：Ａ Ａｒｔｌ￣ｌｅ ＩＯ：１ ００３－０１ Ｏ７（２ＯＯ６）Ｏ９・ＯＯ２９一Ｏ５
１．引言 一步发展的需要。＾１（铝）是长期以 小于０．３ ｍ，则互连的信号损失
铜互连技术
铜互连技术
2008-2-18
周江涛、周长聘、严玮俊、沈系蒙、陈龙
摘要:在集成电路中采用双镶嵌工艺制备互连线，铜作为互连线的材料具有低电阻率和较好的抗电迁移能力等优点，同时存在新的缺陷模式如沟槽缺陷、气泡缺陷、金属缺失等，目前的工作主要是该工艺的完善。
本文将按如下次序介绍:
Cu淀积(用于生长籽晶);铜图形化方法,,铜图形化
有三种方法:镶嵌工艺(damascene), 剥离工艺 , 铜刻
蚀;抛光(完成互连制备)。
铜互连工艺简介:Cu的互连工艺最早在1997年9月
由IBM提出来的，被称为是镶嵌工艺(也称大马士革)。
并应用于制备微处理器、高性能存储器及数字信号处理器
等等。它采用对介电材料的腐蚀来代替对金属的腐蚀来确
定连线的线宽和间距。镶嵌工艺分为单镶嵌和双镶嵌。它
们的区别就是在于穿通孔和本曾的工艺连线是否是同时
制备的。
2、铜籽晶层制备
经过一系列布线刻槽和穿通孔加工完毕后，是Cu的淀积过程。由于铜虽然电阻率和电迁移特性优于铝, 但是也有不如铝的方面。铜对二氧化硅等材料的粘附性很弱,而且在二氧化硅中的扩散系数很大, 所以铜互连
线外面需要有一层DBA P (diffuSion barrier and adheSion promoter) , 简称为阻挡层(barrier) , 阻挡层可为氮化硅(Si3N4 )、氮化钛(T iN )、氮化钨(WN )、钽(Ta) 等。为了能更好地电度上Cu，需要先做上一层薄薄的Cu籽晶层,它对二氧化硅等材料的粘附性却很强，之后再电度Cu。目前有多种途径来生长种籽层:(溅射法、化学气相淀积法、原子层淀积法)。
A、溅射法制备种籽层:溅射是物理气相淀积的形式之一，具有工艺简单，能够淀积
2008-2-18
高熔点的金属和原位溅射刻蚀等优点。因此溅射是目前集成电路工业铜种籽层最主要的制备方法。由于铜容易与其他材料发生反应，粘附系数高，因此在填充高宽比大的引线孔和沟槽时，往往会先将洞口上方堵塞，从而在引线孔和沟槽中留下孔洞，无法完全填充，这样势必会对器件造成很大影响。因此需要采用溅射方法，如准直溅射法和长距离抛镀法，以及离子化物理气相淀积等改善溅射过程的填充能力。
铜管游动芯头拉拔过程应力、应变场的数值模拟
铜管游动芯头拉拔过程应力、应变场的数值模拟
林鹏 张世英
辽宁工程技术大学材料科学与工程系，辽宁阜新（123000）
E-mail：songbo1984923@
摘 要：采用国际上通用的非线性有限元软件Marc对铜管游动芯头拉拔过程进行了数值模
拟和分析研究。通过模拟分析，清楚的再现了游动芯头拉拔过程中铜管的塑性变形过程，得
出了应力、应变分布并进行了分析，同时合理的揭示了拉拔过程中铜管缺陷产生的原因，对
提高铜管质量有指导意义。
关键词： 铜管 游动芯头拉拔 数值模拟 marc
0．引言
随着空调、冰箱市场的逐年扩大，对铜管的需求增多的同时对铜管的质量要求也越来越
高。由于现场条件与观测条件的限制，人们很难实时、定量地把握金属成形过程，也就很难
找出在拉拔过程中产生缺陷的真正原因，为能有效的解决拉拔过程中出现的问题，对游动芯
头拉拔过程进行数值模拟分析研究具有非常重要的意义[1-3]
。
本文采用国际上通用的非线性有限元软件Marc对铜管游动芯头拉拔过程进行了数值模
拟和分析研究。通过模拟分析，清楚的再现了游动芯头拉拔过程中铜管的塑性变形过程，得
出了应力、应变分布并进行了分析，同时合理的揭示了拉拔过程中铜管缺陷产生的原因，对
提高铜管质量有指导意义。
1．有限元模型的建立
根据其轴对称性，可将铜管模型简化为二维轴对称模型，模型都用四边形表示。铜管单
元体可取长15mm，宽等于实际加工的铜管初始壁厚1.65mm的平面单元，将其划分720个
四边形四节点单元，总节点数819。铜管材料为磷脱氧铜，牌号为TP2，弹性模量为1.172
×1011N/m ,泊松比为0.33。模具的模型建立通常是把它建成刚性接触体（不变形接触体）。
本文为了也能够体现模具的应力、应变情况，所以将模具也设置为单元体（可变形接触体），
模具的外形并不十分规整，在Marc中用AUTOMESH（通用的自动划分面网格和体网格的