金属互连线电迁移的影响因素

应用有限元分析软件ABAQUS,对金属互连线的电迁移过程进行了电热耦合仿真分析,比较了不同互连线材料、不同温度、不同层间介质等因素对互连线电迁移失效的影响. 结果表明,与铝硅合金互连线相比,在同样电流密度条件下,无论是电势梯度最大值还是热通量最大值,铜互连线的均高于铝互连线的,从而将加速互连线的电迁移;在一定的温度范围内,电流密度是影响互连线电迁移寿命的主要因素,而温度的变化对其影响较小;与SiO2相比,SiN作为层间介质能够防止互连线中的热聚集,有利于互连线热量的散发,从而对于缓解电迁移具有积极的作用.     

金属互连结构的电迁移仿真分析

针对集成电路中金属互连线的电迁移现象,应用有限元分析软件ABAQUS,对铝硅合金互连线的电迁移过程进行了电热耦合研究,分析了不同电流密度与电势梯度、热通量、互连线内部总能量之间的相互关系,比较了不同结构尺寸对铝互连线电迁移失效的影响规律.结果表明,在互连线的狭窄部位,电势梯度和热通量达到最大值并具有集中性;电势梯度和热通量与通电时间及电流密度均成正比例关系;随着通电时间的延长,互连线内部总能量的变化趋势为先急剧下降再上升并达到某一平衡值;随着铝互连线宽度的增加,互连线内部的热通量逐渐减小.对于文中分析的结构模型,当互连线宽度低于2μm后,互连线失效的概率将大幅度增加.     

2060-T8铝锂合金电致塑性本构方程

进行了2060-T8铝锂合金不同温度、脉冲电流密度、占空比和脉冲频率的电辅助单向拉伸实验。研究表明:在实验研究的范围内,随着电流密度的增加,材料的变形抗力和断裂延伸率都会下降,占空比和脉冲频率对纯电致塑性没有影响。基于Johnson-Cook模型,引入电辅助特征,建立了耦合温度和脉冲电流参数的材料本构方程。利用该本构方程计算的结果与实验吻合的较好,说明所建立的材料本构方程能够准确的预测2060-T8铝锂合金在电辅助条件下的流动应力变化趋势。     

侧部导入超声处理对共晶Al-Si合金凝固特性的影响

研究了功率超声处理对ZL102铝硅合金凝固特性的影响。研究发现:在凝固过程中进行超声处理能显著细化共晶硅相,改善其形貌及分布;通过对比未处理、300 W超声波及500 W超声波处理条件下铝硅合金不同部位的力学性能及断口形貌,发现功率超声处理明显提高铝硅合金的力学性能,且随着处理功率的增大,合金的力学性能随之提高。并分析了超声波在铝硅合金中传播时衰减的原因,通过数学方法得到衰减方程,并探讨了其衰减规律。     

芯片制程中金属互连工艺及其相关理论研究进展

随着芯片制程中互连线尺寸的不断减小,集成电路技术已经从以晶体管为中心的时代发展到以互连为中心的时代.传统的互连金属——铝、铜,在互连线性能和可靠性方面渐渐无法满足人们的需求.钴在微纳尺度下因具有更好的电性能,有可能取代铜而成为新的互连线金属,现已受到广泛关注.首先对芯片金属互连技术的历史和发展进行了综述,分别介绍了铝互连、铜互连的优点、存在的缺陷与改进方法,并对新一代钴互连技术进行了介绍,同时对潜在的互连材料,如钌、金、纳米碳材料等进行了总结.之后论述了超填充铜和超填充钴的相关机理,如铜的扩散-吸附整平机理、曲率增强加速剂覆盖机制(CEAC)以及钴的氢诱导失活机制、电压性依赖抑制机制、S型负微分电阻机制(S-NDR)、差动电流效率填充机制等.最后对铜超填充和钴超填充过程中的形核和生长过程的研究现状进行了分析,对不同镀液体系、基底材料、电镀工艺等对铜和钴的形核和生长的影响进行了归纳总结,以期对未来钴互连的研究提供帮助.     

由电热法一次铝硅合金制取铸造铝硅合金的研究

由电热还原法制取的一次铝硅合金含有铝55%.硅25%和一些杂质.其中的杂质主要是铁和一些金属氧化物.在实验室中研究了由一次铝硅合金制取铸造铝硅合金的工艺.研究结果得出,使用含冰晶石和氯化钠混合物的精炼剂以及金属锰为除铁剂并采取适当的工艺方法,可以有效地去除一次铝硅合金中的杂质,制取符合工业标准的铸造铝硅合金.文中对精炼剂量的大小以及过滤温度等工艺条件对铸造合金中某些金属杂质含量的影响进行了研究.     

三氯化铝/盐酸三甲胺离子液体中电沉积制备AI-Ni合金镀层

目的 研究离子液体中Ni2+浓度对Al-Ni合金镀层结构和成分的影响,同时考察电流密度对镀层表面形貌和织构的影响.方法 采用脉冲电流法,在含有不同浓度氯化镍的无水三氯化铝/盐酸三甲胺离子液体中,于不同电流密度下电沉积制备Al-Ni合金镀层.利用扫描电子显微镜、X射线衍射技术和能谱分析仪探究离子液体中Ni2+的浓度对Al-Ni合金镀层结构和成分的影响,考察电流密度对镀层表面形貌和织构的影响.结果 随着离子液体中Ni2+浓度的增加,镀层中镍的含量增多,表面胞状颗粒逐渐变小,表面趋于均匀,当Ni2+的浓度为0.2 mol/L时,形成铝镍金属间化合物.另外,随着电流密度的增加,镀层表面形貌由针状晶体变为棒状颗粒,并且颗粒逐渐增大.结论 离子液体中Ni2+的浓度和电流密度对Al-Ni合金镀层表面形貌、结构和成分有一定的影响.当溶液中Ni2+的浓度为0.2 mol/L、电流密度为6 mA/cm2时,电沉积4 h可制备得到厚度为10μm、由3μm大小晶粒组成、含有铝镍金属间化合物的合金镀层.     

EFFECT OF DC ELECTRIC CURRENT ON THE PRECIPITATION OF γ ''-PHASE IN A Ni-BASED SINGLE CRYSTAL SUPERALLOY

研究了不同直流电流密度条件下一种镍基单晶高温合金中γ'相的析出行为.合金经1250℃固溶4 h处理后,对其施加不同电流密度且以不同冷却方式进行冷却,考察直流电流对γ'相析出的影响.结果表明,合金在固溶处理后空冷时,随电流密度的增加,γ'相的尺寸和体积分数均增加,面密度减小;在相同的电流密度作用下,随着冷却速率的增加,γ'相尺寸和体积分数减小,面密度显著增加.直流电流产生的电迁移效应和Joule热效应影响γ'相的析出过程,电迁移效应加速原子的扩散,对γ'相析出起促进作用;Joule热效应降低冷却速率,促进γ'相的长大.     

Al-Si合金的成分和其凝固收缩率与摩尔体积的关系

依据阿基米德原理,通过测量合金在熔盐中所受浮力,对不同硅含量铝硅合金的凝固收缩率、液相的摩尔体积及Al在铝硅合金中的偏摩尔体积进行了研究。结果发现:铝硅合金的凝固收缩率随着硅含量的增大而减小;硅含量超过25%后,铝硅合金凝固后表现为体积膨胀;当合金硅含量在12.6%至25%之间时,不同铝硅合金在各自液相线温度下熔体的摩尔体积和在754℃下熔体的摩尔体积均随硅含量的增大而减小,当合金硅含量由25%增大至30%时,上述两种摩尔体积均随硅含量的增大而增大;随着硅含量由12.6%增大至25%,754℃时Al在不同硅含量铝硅合金熔体中的偏摩尔体积增大。     

Al-Ti合金的相组成以及硅对合金组织的影响

前言本研究用金相法及X射线衍射研究了Al-Ti合金的相组成,以及硅对Al-Ti合金组织的影响. Al-2～4%Ti合金,由Al-Ti平衡图可知,其组织为A1 Al_3Ti.在以铝热还原二氧化钛制取Al-Ti合金的情况下,二氧化钛是否充分还原而形成金属化合物Al_3 Ti,本研究作了一些探讨. 在工业纯铝中,杂质硅的含量为0.13～1.0%(特一号铝——三号铝,GB1196-75).因此,用工业纯铝炼制的Al-Ti合金,杂质硅是不可避免的.Al-Ti合金中存在的杂质硅,其分布形态以及对组织的影响是冶金工     

结构变化对Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点电迁移行为和组织演变的影响

利用SEM观察、聚焦离子束(FIB)微区分析和有限元模拟对比研究了直角型和线型Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点在高电流密度下(1.5×10~4A/cm~2)的电迁移行为,从原子扩散距离和微区域电阻变化及阴阳极物相变化的角度研究了焊点结构变化对电迁移影响的机理.结果表明,2种焊点通电112和224 h后均发生了Bi向阳极迁移并聚集及Sn在阴极富集的现象;直角型焊点阳极由于Bi聚集后膨胀而产生压应力进而导致小丘状凸起和微裂纹出现,而阴极存在拉应力引发凹陷和微裂纹,且沿界面呈非均匀变化.微区组织分析表明,电迁移作用下焊点内部Bi原子的扩散速度大于Sn原子的扩散速度.观察分析和模拟结果还表明,具有结构不均匀性的直角型焊点中电子流易向电阻较小区域聚集而产生电流拥挤效应,这是引起直角型焊点电迁移现象严重的根本原因.     

Electromigration induced microstructure evolution and damage in asymmetric Cu/Sn-58Bi/Cu solder interconnect under current stressing

The electromigration induced microstructure evolution and damage in asymmetric Cu/Sn-58Bi/Cu solder interconnects were investigated by in-situ SEM observation, focused ion beam (FIB) microanalysis and finite element (FE) simulation. The SEM results show that the electromigration-induced local degradation of microstructures, i.e., segregation of Bi-rich phase and formation of microcracks, in the asymmetric solder interconnects is much severer than that in the symmetrical ones. FIB-SEM microanalysis reveals that the microregional heterogeneity in electrical resistance along different electron flowing paths is the key factor leading to non-uniform current distribution and the resultant electromigration damage. Theoretical analysis and FE simulation results manifest that the current crowding easily occurs at the local part with smaller resistance in an asymmetric solder interconnect. All results indicate that the asymmetric shape of the solder interconnect brings about the difference of the electrical resistance between the different microregions and further results in the severe electromigration damage.     

Effect of Solder Thickness on Electromigration Behavior in Eutectic SnPb Solder Reaction Couples

The trend of miniaturization of electronic products induced the shrinking dimension of interconnects in the chip. When those interconnects are subjected to high current density (usually 10³ to 10⁴ A/cm²), electromigration (EM) could affect the reliability of the chip which would ultimately break the circuit. In this study, eutectic SnPb solders with thickness of 280, 128, and 50 μm were investigated under high current density (10⁴ A/cm²) and high ambient temperature (120 °C). The EM-induced surface undulations were more prominent at the shorter thickness, demonstrating that the diffusion of metal atoms/ions was controlled by the actual temperature in the bulk solder instead of the back stress. Bamboo groove features were observed on the surface of solder extrusion at the anode side for the three solder thickness, which indicated the metal atoms/ions that migrated parallel to the direction of flow of electrons.     

交流电作用下Au薄膜热疲劳失效行为的研究

本文研究了交流电致循环热应变作用下200 nm厚Au薄膜的失效行为.结合实验结果和理论计算,确定了交流电作用下6μm宽Au薄膜导线上的温度分布,并由此确定了Au互连线在交流电作用下达到稳定状态后的循环热应变范围.结果表明,应变范围△ε≤0.35%,经过5×10~6cyc热循环后,Au互连线中的晶粒出现不同程度的增长,晶界损伤导致Au互连线的最终失效.对Au薄膜热疲劳、机械疲劳失效行为及其机制进行了分析.     

微量元素对无铅焊点电迁移性能的改善

电迁移现象已经成为电子组装焊技术中最受关注的问题之一.焊点在高电流密度下的服役可靠性与焊点钎料成分有关.通过对比分析五种SnAgCu基无铅焊点在高电流密度下的服役表现,分析了添加微量元素对于电迁移现象的影响规律.结果表明,焊球承受一定电流作用之后,阴极金属间化合物（IMC）分解,铜焊盘受侵蚀,阳极形成大量脆性化合物Cu6Sn5;根据IMC层的厚度变化,Sn3.0Ag0.5Cu的抗电迁移性能优于低银钎料;向低银钎料中加入微量元素Bi和Ni后,晶粒得到了明显的细化,界面IMC层较薄,其抗电迁移的能力得到了明显的改善.     

Voiding induced stress redistribution and its reliability implications in metal interconnects

The evolution of stress affected by the formation of voids in metal interconnects is studied numerically. The objective is to examine how thermal stresses redistribute in response to voiding, rather than how voids form in response to stress, for gaining insights into the physics of reliability in integrated circuit devices. The finite element method is employed to model the thermal and voiding histories of the interconnect structure. Voiding is simulated by removing relevant material elements in the metal. Bulky and slit-like voids of various sizes are considered. The stress relaxation due to voiding is found to be a local phenomenon, bearing no direct relation with the global thermomechanical conditions of the interconnect. The concept of the saturation void fraction thus needs to be revisited. The stress gradient along the line on both sides of the void is found to be essentially constant for the various void shapes and sizes considered. This has implications on the resolution limit of micro-diffraction techniques needed for sensing the existence of voids. The resulting stress field is also used as the initial condition in modeling the electromigration flux divergence by employing the finite difference method. A mechanistic understanding of electromigration voiding due to the presence of locally debonded slits is established. The debond-induced stress gradient is found to cause back atomic flow, leading to local flux divergence. The flux divergence, and thus the voiding propensity, increases with an increasing size of the debond. The same approach is also used to study if a pre-existing stress-void can grow into an electromigration void. A simple correlation, which appears to rationalize experimental observations, is identified: a large stress-void is more prone to growth during subsequent electromigration. The validity of applying the critical stress concept in characterizing electromigration failure is discussed.     

选区激光熔化Al-Si合金组织特征及腐蚀行为研究进展

选区激光熔化(selective laser melting, SLM)制备的Al-Si合金在航空航天材料定制化和轻量化的发展中有着巨大潜力。然而,影响SLM成形件寿命的腐蚀行为尚未引起广泛关注。本文结合当前文献报道,根据SLM过程中的凝固特征分析了冶金缺陷和微观组织的形成原因,结合传统铸造Al-Si合金在含氯化合物中的腐蚀机理,进一步论述了SLM制备的Al-Si合金的腐蚀机理,归纳总结了冶金缺陷、微观组织和热处理工艺对于腐蚀行为的影响。发现试样的致密度,表面状态(粗糙度)和共晶Si的含量、形态及分布对腐蚀性能有重要影响。在此基础上,指出了目前SLM工艺下Al-Si合金腐蚀研究中存在的工艺参数不够系统,忽视Mg,Fe等元素的作用,研究手段和范围不够完善等不足以及未来进一步发展的方向。     

Ni/Au镀层与SnPb焊点界面电迁移的极性效应

采用Ni(P)/Au镀层-SnPb焊点-Ni(P)/Au镀层的互连结构,研究电迁移作用下焊点/镀层界面金属间化合物(IMC)的极性生长特性,从电位差和化学位梯度条件下原子定向扩散的角度分析互连结构的微结构变化的微观机制。在无外加应力条件下,由于液态反应速率远远快于固态反应速率,Ni(P)/Au镀层与焊点界面IMC经过120℃、100h的热处理后无明显变化。但是,在电迁移作用下,由于Sn沿电子流方向的定向扩散使阳极界面IMC异常生长,而阴极界面IMC厚度基本不变。由于电子由上层Cu布线进入焊点的电子注入口位于三相结合界面位置,在焦耳热的作用下会导致焊料的局部熔融,引起Cu布线与焊料的反应,使电子注入口的Cu布线合金化。