一种基于模拟IC服役条件的多场耦合实验方法和装置制造方法及图纸

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↑［－４］Ｐａ。本发明专利技术提供了一种对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。本发明专利技术装置简易，操作方便，实现效果良好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供了 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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案是模拟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专利技术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，本专利技术的特点体现在有益效果是1、与传统退火实验相比，本专利技术提供 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、 本专利技术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、 本专利技术可实现在低温区(〈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。本专利技术提供了一种模拟真实的IC服役条件的多场处理设备本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥康，操振华，李平云，刘澎，徐春，陆海鸣，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[]