[发明专利]一种三维封装互连线电迁移模拟方法

说明书

本发明是一种三维封装互连线电迁移模拟方法。本发明属于互连线电迁移模拟技术领域，本发明建立EM点热力三场耦合几何模型；确定所述几何模型的加载边界条件、材料参数和物理场耦合；对所述几何模型进行网格划分，并设置步长，对所述几何模型进行求解；根据几何模型求解得到温度场、电流密度场和应力场，代入后处理方程，获得互连线原子扩散通量散度。本发明应用基于物理特性的原子扩散通量分析模型，对常见互连线结构进行了有限元仿真并对原子扩散通量进行了建模计算。并改变模型参数着重讨论了输入电压以及引线材料对热迁移、电迁移、应力迁移影响，比较得到了更优的互连线材料以及温度条件。

技术领域

本发明涉及互连线电迁移模拟技术领域，是一种三维封装互连线电迁移模拟方法。

背景技术

随着微互连向深亚微米尺度发展，电流密度高、应力集中、散热难等问题愈发突出，原子迁移失效逐渐成为了超大规模集成电路不可忽视的可靠性问题。铜比铝具有更低的电阻率、更好的抗电迁移性能，已经成为新一代互连材料。

电迁移现象的出现已超过一百年，1861年法国科学家Gerardin在液体合金中首次发现了电迁移现象，但当时并没有关注电迁移引起的失效问题。研究者们发现Al导线横截面积较小时导通电阻过高，不能满足电子速率的要求，难以实现电子器件小型化。但在相同横截面积下，金属Cu导线的导通电阻仅为金属Al的一半，并且金属Cu相较于Al不易产生电迁移现象，所以在20世纪90年代后期，IBM和Motorola等公司开始用金属Cu代替金属Al大范围运用于集成电路技术中。尽管铜在制造过程中具有更大的脆性，但其优越的导电性及不容易发生电迁移失效的特性，使得Cu导线成为工业界的首选，Cu导线电迁移的研究也逐渐展开。有限元法(FEM)已成为许多工程和物理学领域的重要求解技术。有限元模拟的通用性在于它能够对任意形状的结构进行建模，对复杂材料进行处理，并应用各种类型的载荷和边界条件。该方法可以很容易地适应不同的构成方程组，这使得它在耦合物理仿真中特别有吸引力。

Comsol Multiphysics软件作为一款有限元软件，因其接口的多样性、界面交互的便捷性以及对用户需求的重视，在科学界与工业界得到了广泛应用。工程师和科研人员可以使用Comsol Multiphysics软件来模拟各个工程、制造和科研领域所涉及的产品和过程。

现有的EM可靠性解析化模型主要针对单根金属线恒定温度情形下的电迁移分析，这种方法虽然计算较为简单但是对现实情况的指导意义较小，主要原因一是现实情况中高密度集成电路中存在温度梯度，二是互连线的三维结构对互连线的温度以及电流分布有着重要影响，而这些参数密切影响着金属原子的电迁移。

发明内容

本发明为建立的经典互连线三维模型进行理论模拟仿真，通过模拟该模型下电流密度分布、温度分布等方面，来进行电迁移原子扩散通量的仿真计算，并对不同温度材料的电迁移进行对比研究，本发明提供了一种三维封装互连线电迁移模拟方法，本发明提供了以下技术方案：

一种三维封装互连线电迁移模拟方法，包括以下步骤：

步骤1：建立EM点热力三场耦合几何模型；

步骤2：确定所述几何模型的加载边界条件、材料参数和物理场耦合；

步骤3：对所述几何模型进行网格划分，并设置步长，对所述几何模型进行求解；

步骤4：根据几何模型求解得到温度场、电流密度场和应力场，代入后处理方程，获得互连线原子扩散通量散度。

优选地，基于Comsol Multiphsics，采用AC/DC模块、固体传热模块和固体力学模块，建立EM点热力三场耦合几何模型，对不同温度的Cu电迁移进行模拟仿真。

优选地，所述步骤2具体为：