硅通孔技术中碳纳米管互连结构的失效机理研究

随着超大规模集成电路特征尺寸的不断缩小，当前的工艺技术已进入纳米阶段。碳纳米管代替铜丝作为互连线在高密度三维微电子封装穿透硅通孔技术中具有很大的潜在优势和应用前景。互连导线等的特征尺寸减小到纳米尺度时，出现了一系列新的科学问题，对材料制备、分析技术等都带来了新的挑战。迄今为止，鲜有工作对三维微电子封装穿透硅通孔碳纳米管互连结构的力学失效机理进行研究和比较。本项目将针对单壁碳纳米管束和多壁碳纳米管，基于它们的纳米尺度特点和形貌，在连续介质力学的基础上，结合分子力学方法，发展合适的力学模型，系统研究其在穿透硅通孔技术中作为互连线时，与周围材料的相互作用、变形、界面脱层、缺陷形核及演化过程，并就尺度、界面及异质约束对互连可靠性的影响进行探讨，同时与传统的铜互连结构进行比较。研究成果对今后碳纳米管互连线在三维微电子封装穿透硅通孔中的分析和设计具有重要的参考价值。

互连导线等的特征尺寸减小到纳米尺度时，出现了一系列新的科学问题，对材料制备和分析测试技术等都带来了新的挑战。针对碳纳米管束（CNBs）在互连导线中的潜在应用，本项目首先基于连续介质力学理论，建立了碳纳米管束的等效有限元模型，预测了CNBs的等效弹性参数，并分析了CNBs的轴向和径向屈曲。同时结合动力学分析和量子断裂力学理论，推导了碳纳米管（CNT）断裂应变及断裂强度的理论估算公式，理论预测值与分子动力学模拟结果吻合较好。研究了温度、拉伸速率、管径、管长和缺陷对弹性模量和断裂性能的影响。之后采用分子动力学方法研究了碳纳米管和碳纳米管束在不同情况下的加卸载过程以及在外电场下的屈曲稳定性。为了研究碳纳米管与半导体硅的界面性能，本项目采用拉伸分子动力学常应力和常速度加载方法模拟了单壁碳纳米管在室温下从硅基板上剥离和剪切的过程，研究了剥离速度、角度、纳米管长度和半径、以及半径缺陷和5-7-7-5缺陷对剥离和剪切的影响。针对穿透硅通孔互连结构，进行了湿-热应力问题有限元分析。同时研究了仅在电流加载下倒装焊点结构热力学行为受界面裂纹的影响和电流载荷对倒装结构热力行为的影响。为了考虑互连导线的尺寸效应，建立了热力耦合的塑性应变梯度的本构关系并嵌入到商业软件ABAQUS中，进行了互连结构的热应力分析，之后基于所建立的本构模型，结合参数化有限元方法和试验设计方法对穿透硅通孔结构进行优化研究。此外，基于准连续介质法分别建立了镍压头和铜基底光滑表面和粗糙表面接触模型，研究了接触过程中的微观变形机制，并验证了Hertz、Johnson-Kendall-Roberts和Maugis-Dugdale经典接触理论在纳米接触问题中的适用性。研究成果对今后碳纳米管互连线在三维微电子封装穿透硅通孔中的应用具有重要的参考价值。