为了降低互连延迟,集成电路发展到深亚微米时代后,互连已经用Cu/低k介质互连系统取代了传统的互连金属Al和互连介质SiO2。然而,快速地缩小铜导线的宽度,同时又要维持高的电流承受能力,和更严格的可靠度标准要求,使得铜互连应力迁移可靠性问题已经成为铜制程中非常严峻的挑战。本文基于铜的随动强化弹塑性模型,采用三维有限元分析方法,模拟分析了不同铜互连结构中的应力状态和塑性应变。在这些应力和应变结果的基础上,解释了这些互连结构的不同应力迁移特性。首先,通过模拟改变通孔线条重叠长度,研究了通孔未对准对铜互连应力迁移的影响。研究结果发现,正的重叠长度可以减小通孔内应力大小并改善应变情况,而负的重叠长度则明显增大了通孔内应力而且恶化了应变情况。所以,在设计版图时应该实现足够大的正的重叠长度,以补偿可能的工艺致通孔线条偏差。然后,通过模拟改变窄金属过渡区长度,探讨窄金属过渡区对铜互连结构热应力可靠性改善的原因。模拟结果表明,应力梯度对窄金属过渡区长度并没有很明显的依赖关系。因此可能的解释是,窄金属过渡区成为金属板中空位源迁移的瓶颈。窄金属过渡区延迟了应力迁移失效的时间,延长时间的长短依赖于窄金属过渡区的长度。最后,通过模拟上层金属线连接下层金属板,上层金属板连接下层金属线,交叉和边沿这四种铜互连结构,比较了这几种结构的不同应力特性。在上层金属线连接下层金属板模型中,金属板中的大应力和通孔底部的小应力所导致的应力梯度的存在,导致空洞会在通孔下面的下层金属板表面区域形成;而在上层金属板连接下层金属线模型中,金属板中的大应力和通孔内部的小应力所导致的应力梯度的存在,导致空洞会在通孔内部形成。由于非对城性,边沿型通孔结构有比交叉型结构更好的应力迁移特性。所以,使用边沿型通孔结构作为可靠性通孔测试结构会高估产品寿命。这些研究结果可以作为改善应力迁移的参考依据,从而指导集成电路版图设计。