《金屬薄膜熱疲勞損傷行為及其微觀機制的研究》是依託東北大學，由張濱擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：金屬薄膜熱疲勞損傷行為及其微觀機制的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張濱
- 依託單位：東北大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
隨著積體電路向高集成度和高性能化的迅猛發展，其中的金屬互連線長度和連線密度急劇增加，使該系統在電/熱/力多場耦合作用下的失效幾率顯著升高。本項目選取典型的面心立方金屬金作為研究對象，通過製備與微加工具有不同線寬和晶粒尺寸的金薄膜互連線樣品，系統研究金薄膜在交流電誘發熱循環應力/應變作用下的熱疲勞壽命及損傷行為。採用掃描電鏡的原位觀察、結合電子背散射衍射技術以及聚焦離子束的局部分析手段，確定金屬薄膜的熱疲勞壽命與線寬、晶粒尺寸、線寬/晶粒尺寸比之間的定量關係；闡明具有不同線寬和晶粒尺寸的金屬薄膜熱疲勞失效機理，揭示線寬、晶粒尺寸及晶粒取向等對金屬薄膜熱疲勞損傷行為與熱疲勞強度的影響規律；探索建立描述微尺度金屬薄膜的熱疲勞壽命的理論預測模型。項目研究結果不僅對積體電路中金屬互連線的熱疲勞可靠性的設計與服役安全性的評價具有重要的理論參考價值，且將進一步加深對微尺度金屬材料高溫疲勞新機理的認識。
結題摘要
本項目選取了典型的面心立方金屬金作為研究對象，系統地研究了具有不同線寬的納米厚度金互連線在純交流電下引起的熱疲勞損傷行為、熱疲勞壽命及微觀機理； 研究了不同交流電頻率和直流偏量對金互連線服役壽命及損傷行為的影響規律，闡明了交流電頻率對金屬互連線熱疲勞可靠性的作用機理；研究了納米尺度銅薄膜的機械疲勞性能及晶界不穩定性，通過退火前後疲勞性能及晶粒長大行為的對比研究，發現了納米晶晶界不穩定性的規律，提出了提高金屬薄膜疲勞性能的有效途徑；項目研究結果不僅對積體電路中金屬互連線熱疲勞可靠性的設計與服役安全性評價具有重要的理論參考價值，且將進一步加深了對微尺度金屬材料高溫疲勞新機理的認識。項目獲得如下創新研究結果： 1. 發現了交流電誘發金屬互連線熱疲勞性能的尺寸效應。200納米厚金互連線熱疲勞壽命隨著交流電電流密度的增加而減小，熱疲勞抗力隨著互連線線寬的減小而降低。發現了不同線寬互連線熱循環應變幅與發生熱疲勞損傷的互連線表面分形維數間存在定量關係；基於分形理論，提出了金屬互連線熱疲勞性能尺寸效應的預測模型。 2. 發現了交流電誘發金屬互連線熱疲勞損傷行為與熱應變幅間關係，澄清了交流電誘發金屬互連線熱疲勞損傷的物理機制。當熱循環應變較小時，互連線損傷以晶界擴散引起的晶界微裂紋為主，隨著熱循環應變的增加，循環溫度的升高，晶粒薄化和孔洞成為疲勞損傷的主要模式。熱疲勞損傷機制主要是由交流電（電場）產生循環熱應變（力場）與循環溫度（熱場）及其耦合作用所控制。建立了金互連線在交流電作用下誘發熱疲勞失效過程的溫度場方程，得到了高電流密度下金互連線失效熔化過程溫度場的解析解。 3. 含直流偏量的交流電頻率較低時，熱疲勞引起的晶界開裂，孔洞化及晶粒薄化是主要損傷機制；頻率較高時，晶界開裂，孔洞化以及直流偏量引起的電遷移損傷是主要機制。直流電引入對交流電誘發金屬線損傷有“癒合”作用，其與電流頻率成正比。提出了直流偏量癒合交流電誘發熱疲勞損傷的新概念，並建立的癒合因子模型。 4. 製備態和退火態納米晶銅薄膜的疲勞性能均表現出明顯的尺寸效應，即隨著銅薄膜厚度或晶粒尺寸的減小，薄膜疲勞強度逐漸增加；疲勞載入能夠誘發納米晶銅薄膜的晶粒長大；退火能夠明顯地抑制疲勞載入誘發納米晶晶粒長大程度，從而提高薄膜疲勞性能。
