CN105845664B - 一种基于冗余金属的过孔结构及电迁移修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于冗余金属的过孔结构及电迁移修正方法。本发明的一种基于冗余金属的过孔结构，包括过孔和导线，过孔与导线连接处的侧面和末端分别设置有侧面冗余金属和末端冗余金属。其有益效果是：本发明的基于冗余金属的过孔结构无需增加导线的线宽，只需增加小块冗余金属，相对于传统修正方法能避免占用过多布线资源。虽然仅仅是小小的改动，但大大的提高了芯片的集成度。能够突破传统末端冗余金属的限制，在末端冗余达到关键长度后能进一步减小电迁移影响，提高互连线寿命。在电流不会流经的区域增加了较小的冗余金属，不会对时序造成过大影响。还具有制备工艺简单、制备成本低廉和使用寿命长的优点。

Description

一种基于冗余金属的过孔结构及电迁移修正方法

技术领域

本发明涉及集成电路可靠性设计领域，具体涉及一种基于冗余金属的过孔结构及电迁移修正方法。

背景技术

芯片的可靠性决定了芯片的使用寿命。随着工艺节点的不断进步，互连线宽度持续减小，随着互连线的电流密度持续增大，不仅是电源线，信号线也开始遭受电迁移影响。电迁移会引起金属原子移动，形成空洞或者小丘，导致互连线开路或者短路，使得芯片失效。因此如何修正电迁移成为亟待解决的问题。

传统的电迁移修正方法主要是增加互连线宽度。这种方法会占用大量的布线资源，仅适用于稀疏的电源线和少量的时钟线。对于大量的信号线，使用这种方法会导致布线资源不足，不能成功布线。对于先进工艺下的信号线，切实可行的电迁移修正方法需要被提出。

原子通量散度(Atomic Flux Divergence，AFD)是反映电迁移程度的指标，AFD大的位置，大量原子迁移走，会形成空洞。对于当今集成电路制造普遍采用的铜互连大马士革工艺，AFD主要受电流、温度和应力影响。随着互连线尺度的不断减小，应力成为主导因素。对于通常的阴极过孔结构如图1所示，其中，100为高层导线，101为过孔，102为低层导线，103为导线末端最大AFD区域，104为过孔上方最大AFD区域。电流方向由上到下，由于应力分布的影响，过孔上方最大AFD区域104处和导线末端最大AFD区域103处的AFD最大。由于导线末端比较靠近过孔上方，在两种最大AFD的共同作用下，过孔上方区域最易形成空洞，导致互连线开路。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，为了提高阴极过孔结构的寿命，进一步减小电迁移的影响，大幅减小互连线宽度，使得芯片具有更多的布线资源。本发明提出了一种制备工艺简单、制备成本低廉和使用寿命长的基于冗余金属的过孔结构及其电迁移修正方法。

本发明提供的一种基于冗余金属的过孔结构，其技术方案为：

一种基于冗余金属的过孔结构，包括过孔和导线，过孔与导线连接处的侧面和末端分别设置有侧面冗余金属和末端冗余金属。

其中，导线包括与过孔连接的高层导线和低层导线。

其中，侧面冗余金属和末端冗余金属的长度均为0.05～0.09μm；侧面冗余金属的宽度为0.26～0.30μm。

其中，侧面冗余金属和末端冗余金属的长度均为0.07μm，侧面冗余金属的宽度为0.28μm；导线的宽度为0.28μm、厚度为0.35μm；过孔的边长为0.28μm、高度为0.68μm。

本发明还提供了一种基于冗余金属的过孔结构的电迁移修正方法，其技术方案是：在过孔与导线连接处的侧面和末端增加冗余金属来提高阴极过孔结构的电迁移抗性，从而修正过孔结构的电迁移性能。

与现有技术相比本发明具有如下优点：

本发明的一种基于冗余金属的过孔结构无需增加导线的线宽，只需增加小块冗余金属，相对于传统修正方法能避免占用过多布线资源。虽然仅仅是小小的改动，但大大的提高了芯片的集成度。

本发明的一种基于冗余金属的过孔结构能够突破传统末端冗余金属的限制，在末端冗余达到关键长度后能进一步减小电迁移影响，提高互连线寿命。

本发明的一种基于冗余金属的过孔结构在电流不会流经的区域增加了较小的冗余金属，不会对时序造成过大影响。还具有制备工艺简单、制备成本低廉和使用寿命长的优点。

附图说明

图1为现有的阴极过孔结构的主视图。

图2a为导线末端基于冗余金属的过孔结构主视图。

图2b为导线末端基于冗余金属的过孔结构的俯视图。

图3为本发明实施例的一种基于冗余金属的过孔结构的俯视图。

具体实施方式

下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

名词解释：

过孔也称金属化孔。在双面板和多层板中，为连通各层之间的印制导线，在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，即过孔。

现有芯片中，为了降低芯片中的过孔结构的电迁移特性带来的影响，不得不增加互连线的宽度，浪费了芯片上的布线资源，还降低了芯片的使用寿命。申请人在研究过程中发现，冗余金属能够通过占用少量的布线资源来显著提高电迁移抗性。本实施例通过针对图2a和图3所示的两种设置有冗余金属的过孔结构进行研究：

通过在金属线末端增加一段冗余金属结构如图2a和图2b所示，其中，200为高层导线，201为过孔，202为低层导线，203为末端冗余金属，206为过孔上方区域，204为导线末端最大AFD区域，205为过孔上方最大AFD区域。可以使金属线末端远离过孔上方，从而减小导线末端最大AFD区域204处的空洞对过孔与导线的连接处造成影响，进而提高互连线寿命。随着冗余金属长度的增加，金属线末端AFD对过孔上方空洞形成的影响逐渐减小。当冗余金属长度达到一定值后，过孔上方空洞的形成不再受到金属线末端AFD影响，此时增加冗余金属长度将不再提高电迁移抗性，互连线寿命由过孔上方最大AFD区域205决定。因此末端冗余金属修正电迁移的方法存在关键长度(一定长度的末端冗余金属只会修正导线末端最大AFD区域204，不会修正过孔上方最大AFD区域205)，当末端冗余金属的长度超过关键长度后，将不能进一步提高互连线寿命。

为了突破上述末端冗余金属的关键长度的限制，进一步减小电迁移的影响，提高阴极过孔结构的寿命，本实施例提出了一种基于侧面冗余金属的电迁移修正方法。如图3所示，其中300为高层导线，301为过孔与导线连接区域(即过孔上方区域)，302为导线末端冗余金属，303为导线侧面冗余金属，304为末端最大AFD区域，305为导线侧面冗余处的最大AFD区域。通过在导线侧面增加导线侧面冗余金属303的方法可以改变过孔与导线连接区域301处的应力分布，将过孔上方的最大AFD转移至导线侧面冗余处的最大AFD区域305处，减小了过孔与导线连接区域301处的AFD，从而进一步提高互连线寿命。因此通过增加侧面冗余金属，可以在传统末端冗余的基础上进一步提高电迁移抗性。并且侧面冗余同末端冗余类似，只需占用少量的布线资源。

在大马士革铜(泛指表面具有花纹的铜材)工艺下，分别对图2a和图2b所示的导线末端基于冗余金属的过孔结构和图3所示的过孔上方区域设置有侧面冗余金属和末端冗余金属的过孔结构，进行高温加速老化有限元仿真，得到两种结构的AFD分布。通过对比两种结构AFD的分布，分析两种结构对电迁移的抵抗能力。两种结构的尺寸如表1所示。

表1结构尺寸

仿真结果显示，图2a和图2b所示的导线末端基于冗余金属的过孔结构，具有最大的导线末端最大AFD区域204与过孔上方最大AFD区域205，其AFD数值在0.258e+21～0.372e+21的范围内。过孔上方区域206的AFD数值在0.130e+21～0.177e+21的范围内。对于图3所示的过孔上方区域设置有侧面冗余金属和末端冗余金属的过孔结构的末端最大AFD区域304、导线侧面冗余处的最大AFD区域305，AFD最大的数值在0.258e+21～0.372e+21范围。过孔与导线连接区域301的AFD数值在0.130e+21～0.177e+21的范围内。

因此图2a和图2b所示的导线末端基于冗余金属的过孔结构的过孔上方最大AFD区域205的AFD仍然较大，容易在过孔上方处形成空洞。而图3所示的过孔上方区域设置有侧面冗余金属和末端冗余金属的过孔结构的侧面冗余金属中两个最大的AFD区域都被移到了冗余金属处，不易对过孔上方区域造成影响。整个过孔上方区域301都保持较小的AFD，电迁移抗性较强，不易形成空洞。冗余金属处没有电流通过，即使形成空洞也不会对过孔结构的导电性产生影响。进一步增加阴极过孔结构的电迁移抗性。

鉴于以上的试验结果，参见图3所示，本实施例提供的一种基于冗余金属的过孔结构，包括过孔和导线，过孔与导线连接处(图3中过孔的上方区域)的侧面和末端分别设置有侧面冗余金属和末端冗余金属。导线包括与过孔连接的高层导线和低层导线。

优选地，过孔高度与侧面冗余长度之比为10:1～7:1，导线宽度与末端冗余长度之比为3:1～5:1。当过孔结构满足上述比值范围时，电迁移抗性最强，不会在导线或者过孔上形成空洞，能够完全克服过孔结构的电迁移特性。侧面冗余金属和末端冗余金属的长度均为0.05～0.09μm；侧面冗余金属的宽度为0.26～0.30μm。本实施例中，侧面冗余金属和末端冗余金属的长度均为0.07μm，侧面冗余金属的宽度为0.28μm；导线的宽度为0.28μm、厚度为0.35μm；过孔的边长为0.28μm、高度为0.68μm。

本发明还提供了一种基于冗余金属的过孔结构的电迁移修正方法，其技术方案是：在过孔与导线连接处的侧面和末端增加冗余金属来提高阴极过孔结构的电迁移抗性，从而修正过孔结构的电迁移性能。

本实施例的一种基于冗余金属的过孔结构无需增加导线的线宽，只需增加小块冗余金属，相对于传统修正方法能避免占用过多布线资源。虽然仅仅是小小的改动，但大大地提高了芯片的集成度。能够突破传统末端冗余金属的限制，在末端冗余达到关键长度后能进一步减小电迁移影响，提高互连线寿命。在电流不会流经的区域增加了较小的冗余金属，不会对时序造成过大影响。还具有制备工艺简单、制备成本低廉和使用寿命长的优点。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种基于冗余金属的过孔结构，包括过孔和导线，其特征在于：所述过孔与所述导线连接处的侧面和末端分别设置有侧面冗余金属和末端冗余金属；

过孔高度与侧面冗余长度之比为10:1～7:1，导线宽度与末端冗余长度之比为3:1～5:1。

2.根据权利要求1所述的一种基于冗余金属的过孔结构，其特征在于：所述导线包括与所述过孔连接的高层导线和低层导线。

3.根据权利要求1所述的一种基于冗余金属的过孔结构，其特征在于：所述侧面冗余金属和所述末端冗余金属的长度均为0.05～0.09μm；所述侧面冗余金属的宽度为0.26～0.30μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于冗余金属的过孔结构，其特征在于：所述侧面冗余金属和所述末端冗余金属的长度均为0.07μm，所述侧面冗余金属的宽度为0.28μm；所述导线的宽度为0.28μm、厚度为0.35μm；所述过孔的边长为0.28μm、高度为0.68μm。

5.一种基于冗余金属的过孔结构的电迁移修正方法，其特征在于：在过孔与导线连接处的侧面和末端增加冗余金属来提高阴极过孔结构的电迁移抗性，从而修正过孔结构的电迁移性能；

过孔高度与侧面冗余长度之比为10:1～7:1，导线宽度与末端冗余长度之比为3:1～5:1。