VLSI发展到超深亚微米、纳米级阶段,铜互连已经成功取代Al互连而成为主流的互连金属材料。但铜互连和铝互连在材料性质、制备工艺及布线结构方面的差异导致两者可靠性方面存在很大差异,铜互连有其特殊的失效模式和失效机理。其中,热应力作用下的应力迁移或应力诱生空洞、温度循环应力作用下的热循环稳定性以及铜/低k芯片与倒装封装之间的相互作用是影响Cu互连可靠性的主要因素。本文从这三种失效起因对铜互连结构失效机理及可靠性的影响进行了系统的实验及模拟仿真研究,如下:首先,在已知的应力诱生空洞(Stress induced void:SIV)理论和经验结论的基础上,设计了6种不同宽度、添加伪通孔或添加窄金属过渡区的窄-宽铜互连结构在不同高温条件下的试验,分析这三种互连结构在高温热应力作用下的失效表现及其对铜互连SIV的影响。结果表明,在通孔尺寸不变的情况下,SIV失效的可能性随M1互连宽度的增加而增加。在窄-宽铜互连结构的下层宽互连结构中添加伪通孔或窄金属过渡区都能有效地提高铜互连的抗SIV性能。同时,分析了通孔形成工艺波动引起的通孔微结构变化及通孔与线条重叠长度变化对互连通孔和通孔下面底部金属热应力特性产生的影响。其次,通过铜互连结构在温度循环条件下的热循环稳定性研究,分析了铜互连结构在温循应力作用下的形貌损伤过程及机理。结果表明,在周期性温循交变载荷作用下,铜互连结构先出现蠕变、形成小丘、皱纹及小凹陷等表面再结构现象,至微裂缝萌生、最后稳定扩展成大裂纹损伤。该损伤形貌的形成机理是塑性变形通过局部滑移发生,每一个热循环试验导致一定量的塑性剪切应变增加量。大的滑移动作导致了小丘及空洞的形貌,并最终累积到足以在铜互连上形成裂纹损伤。同时,探讨了刚性沟槽刻蚀阻挡层及Air-Gap存在于沟槽和通孔对互连线中热应力和塑性应变的改善情况。最后,对高温回流焊为主的热-机械应力条件下,铜/低k芯片与倒装封装之间的相互作用对芯片完整性的影响进行分析研究。结果表明,高温回流焊接工艺产生的过强热-机械应力导致的封装热变形传递残留在Cu/低k互连结构中并起作用,影响铜/低k介质结构的完整性及可靠性。芯片角落部位的顶层钝化层及其下的低k层间介质是受影响最严重的界面。该相互作用结合外界施加的热应力会造成对器件可靠性构成威胁但可能尚未明显影响器件性能的潜在裂纹损伤,导致器件出现两种失效模式而影响其可靠性。