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VLSI中金属化晶粒结构与工艺之间的相关性研究 焦慧芳 孔学东 孙青 施明哲 信产部电子五所，510610 扬 文 徐征 华晶中央研究所，214035 摘要：本文阐述了目前VLSI金属化可靠性评价的主要手段：详细探讨了金属晶粒特征 的表征参数，对这些参数进行了定量分析；并对各晶粒特征参数与金属溅射工艺的相关 性进行了研究．试图通过对金属品粒特征的定量分析及晶粒特征与工艺相关性的研究， ^I 找出金属化可靠性在线评价办法和影响金属可靠性的关键工艺条件参数，为实现对7LSI 金属化可靠性的“事前控制”和“事前预防”奠定了基础． 1、 引言 随着VLSI集成度的提高，其几何尺寸不断降低，金属化电迁移成为VLS[最突出 的可靠性问题之～。如何评价和控制金属化层可靠性，成为国际上关注的热点问题。 目前，对VLSI金属化层可靠性的评价，已从传统的封装级的长寿命试验过渡到晶 片级的短时间的加速寿命试验，这足一种革命性的技术进步。除封装级睦寿命试验本身 耗贽巨大封装和试验资源外，长寿命试验的评价结果严重滞后于产品生产和应用，不能 指导生产，为控制和改进其可靠性提供有效信息。VLSI金脯化电迁移品片级试验，由 丁：无须封装、热阻较低，可以采用较高的温度和较夫的电流密度而不致于引入新的失效 机理，因此能更快地进行电迁移试验和T芑：监控…。品片级的短时间的加速寿命试验的 另‘一个优点是省掉了封装材料和封装过程．冈此可允许在较宽的渴度范甩内试验，并能 避免封装不当引入的，犬效，从而使事后的失效分析更为直接。 以上两种金属化电迁移寿命的评价方法都不是在线评价力法，封装级的评价方法 试验方法，虽然晶片纽评价方法比封裴级的评价方法要及叫得多．但总的来说，这两种 方法都属于“事后评价”的范畴。但随着v{。sl的发展，其可靠件不断提高．用“事后 评价”的方法保证产品的可靠性存在严重的局限性f“。如何及时在线的评价VLSI的可靠 性是冲破传统的“事后评价”的关键，也是“事前控制”矛【|“芎：静预防”的基础【”。 从VLSI金属化电迁移的基本原理可知，}乜迂移寿命是电流密度、导线宽度和金属 品粒大小的复杂函数，若电流密度和导线宽度一定的情况F，金属品粒的人小对电迁移 寿命的影响尤为重大，国外已有许多文献报道了这方面的硼究成果。研究金属化晶粒结 构与一r艺的相关性，其目的就是为了寻求一。砷金属化可靠性在线评价方法，找出表征金 ：}7【r◆ 属化可靠眭的特征参数和影响金属化可靠性的关键l警：参数，，如实现对VI_，sj金属化可 靠性进行“事前控制”和“事前预防”奠定，实践基础。 2、金属化品粒特征的定量分析 品粒尺可及其分布，无论是从冶台学还是从薄层金属的物珲特性方面来看，都是 描述金属性能的是基本的物理量之 。l闷为它可清楚地表明形成金属的不同的冶金条件 和珂’境，也就是说，不同的冶金条件和环境形成的金属，其晶丰证尺寸和分布是不同的。 而H，薄层金属的各种物理特性与金属晶粒尺、j及其分布之间都有一定的依赖关系．如 金属的电迁移特性，薄层金属方块电阻，高低温方块电阻比，受钝化层影响而产生的空 洞密度等与金属晶粒尺寸及其分布都有着密切的依赖关系。故定量分析薄层金属晶粒结 构是非常必要的也是十分有用的。 根据国内外同行业的研究结果和生产线的实践经!硷，我们发现，金属化溅射、合 金、钝化等工序对金属化互连系统的可靠性和金属化晶粒结构有着重大的影响，故我们 针对这