（材料物理与化学专业论文）金属互连电迁移噪声表征研究实验及子波参量研究.pdf

摘要 随着现代电子技术的飞速发展，集成电路的小型化趋势越来越明显，器件 特征尺寸向着超深亚微米甚至纳米量级发展，互连线单位面积上承载的电流密 度也越来越大，金属互连电迁移已成为超大规模集成电路的主要失效机理之 本文在介绍电迁移失效机理、铝互连晶体结构、电迁移失效常用的测试技 术的基础上，设计了针对不同表征参量的实验方案。在电迁移的不同时期，金 属内部动力学机理是不同的。首先针对不同阶段电迁移动力学特征设计不同的 实验方案，以反映互连电迁移失效机制和筛选敏感参量；其次把子波引入到电 迁移分析当中，用于研究噪声信号的奇异性。通过对变电流电迁移表征实验中 噪声信号子波参量i a p s c h i l z 指数口计算和分析，得到随着电迁移的进行，噪声 信号的奇异性交化的规律。在开始阶段，电迁移信号为非平稳信号；随着时间 的进行，晶体内部逐渐稳定，奇异性减小；在电迁移后期，晶体内部发生剧烈 变化，奇异性又开始变大。而子波参量l i p s c h i t z 指数反应了这种变化，当奇 异性变大时，i j p s c h 娩指数4 减小；当奇异性减小时，l i p s c h i t z 指数口增大。 关键词：电迁移表征参量子波l i p s c h i t z 指数 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e me l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h em i n i a t u r i z a t i o nt r e n d o ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i ti sm o r ea n dn l o r eo b v i o u s t h ec h a r a c t e r i s t i cm e a s u r c m e mo ft h e d e v i c ei sb e c o m i n gt h ev d s ma n de v e nn a n o m e t e r , t h ev o l u m ep r o p o r t i o no fm e t a l l i c i n t e r c o n n e c t i o ni nc i r c u i ta n dt h ec u r r e n td e n s i t yd r o p p e do ni n t e r c o n n e c t i o na t em o r e a n dm o r eg r e a t e r , e l e c t r o m i g r a t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h em a j o rf a i l u r em e c h a n i s m si n v l s i b a s e do nb r i e fd e s c r i p t i o nt ot h ed a m a g em e c h a n i s mf o re l e c t r o m i g r a t i o n 、c r y s t a l s t r u c t u r eo fa ii n t e r c o n n e c t i o ne n ds e v e r a lk i n d so fe l e c t r o m i g r a t i o ne x p e r i m e n t s ，w e d e s i g n e ds o m ee x p e r i m e n t s f o rd i f f e r e n tt o k e np a r a m e t e r s i nd i f f e r e n ts t a g eo f e l e e t r o m i g r a t i o n , t h e r e a r e ：d i f f e r e n t d y n a m i c s f i r s t l y w e d e s i g n e d d i f f e r e n t e x p e r i m e n t s f o rd i f f e r e n t e l e c t r o m i g r a t i o nd y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i c st or e f l e c t e l e c 柚o m i g r a t i o nl o s em e c h a n i s me n dc h o o s et h es e n s i t i v ep a r a m e t e r ；, s e c o n d l yt o o kt h e w a v e l e ti n t ot h ea n a l y s i so fe l e c t r o m i g r a t i o nt os t u d yt h es i n g u l a r i t yo fn o i s es i g n a l b a s e dt h ew a v d c t p a r a m e t c r 4c a l c u l a t ea n da n a l y s i st 0n o i s es i g n a lo f e l e t r o m i g r a t i o nc h a n g ec u r r e n tt o k e ne x p e r i m e n t , f i n dt h el a wo fn o i s es i g n a lc h a n g ea s t h ep r o c e s so fe l e t r o m i g r a t i o n i nt h es t a r ts t a g e n o i s ei sn o n - s t a t i o n a r ys i g n a l ；a st h e t i m eg oo n ，t h es t r u c t u r eo fc r y s t a lb c a 3 0 m es t e a d y , s i n g u l a r i t yb e c o m ew e a k ；a n di nt h e l a s ts t a g e ，t h es t r u c t u r eo fc r y s t a lt a k eas t r o n gc h a n g e , s i n g u l a r i t yb e c o m es t r o n ga g a i n a n dt h ew a v e l e tp a r a m e t e rl i p s e h i t z a nr e f l e ctt h ec h a n g e v l h e ns i n g u l a r i t yb e c o m e s t r o n g , l i p s c h i t z ad e c r e a s e ；a n dw h e ns i n g u l a r i t yb e ( x m ew e a k , l i p s c h i t z a i n c r e a s e k e yw o r d s ：d e c t r o m i g r a f i o n , t o k e np a r a m e t e r , w a v e i e t - i j p s c h i t ze x p o n e n t 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所列的内容外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：堡盔 日期：兰丑z ：! 关于论文使用授权说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属西安电子科技大学。本人保证毕业离 校后，发表论文或使用论文工作成果时署名仍然为西安电子科技大学。学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以允许采取影印、缩印或其他手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守 此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：里 ；主 日期： ! 竺z ! ! ! 导师签名： 出名日期：上啤趑 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 自从1 9 5 8 年集成电路问世以来，微电子产业已经深刻的改变着我们的生活， 而它也使电子产品向小型化、微型化发展，其发展一直遵循着摩尔定律，由晶体 管组成的小规模电路已经发展进入到现在由上亿个晶体管组成的甚大规模集成电 路( u l s i ) 器件尺寸进入超深亚微米量级，封装向小型化、高密度化发展，金属 互连在整个集成电路芯片中所占的面积越来越大，金属互连失效成了集成电路发 展的瓶颈。金属互连的性能、质量和可靠性引起人们重视，成为研究热点【。 为了研究电迁移现象，提高集成电路的可靠性，研究人员已经提出了很多实 验方法来研究电迁移现象与晶体结构、化学组成、工艺方式、温度、电流密度等 因素的关系。在实际工程的可靠性试验中，使用便于测量、并且能敏感表征晶体内 部变化的指示参量就显得十分重要。电阻的变化是经常使用的电迁移过程的指标 参量【2 l ，电阻的相对变化值作为互连线失效判据具有物理意义明确、测量简便、稳 定等优点【3 1 ，但也有不足之处，主要是在实验过程中，除了电迁移因素之外，还受到 多种因素对电阻值变化的影响。分离和解释不同因素导致的电阻变化是一件很困 难的事情。在电迁移过程中，特别是在早期的电迁移阶段，电阻指示的灵敏度不够 耐4 】研究中人们发现，金属薄膜电阻的低频噪声( 】，r 噪声) 是对电迁移损伤极 为敏感的物理量1 5 l 。目前，在应用低频噪声分析电子器件方面已经取得了很多的 研究成果。研究人员发现，随着各种应力，如电流、温度、辐照等对电子器件的 作用，器件内部会发生各种缺陷。而噪声幅值、频率指数等参量是对这些损伤很 好的表征参量。 为了进一步研究引起器件失效机理，分析各种应力作用在器件失效当中的作 用，本文将根据不同的应力作用设计不同的表征实验。本文还从子波分析入手， 把子波参量引入到验证子波参量在电迁移实效分析当中。 2 金属互连电迁移噪声表征实验及子波参量研究 1 2 论文研究内容及组织 本文共分为五章，各章的内容具体安排如下： 第一章绪论。概述了本课题的背景、研究内容及其意义。 第二章基础知识。详细介绍了电迁移的概念，常用测试技术，以及子波分析 基础。 第三章金属互连电迁移噪声表征研究实验设计与实施。介绍实验目的，具体 方案设计及具体实验步骤及验证。 第四章子波参量在电迁移研究中的应用。引入了l i p s c h i t z 指数，把其应用到 电迁移噪声数据的分析中，并得出合理的解释。 第五章结论与展望。 第二章基础知识 3 2 1 1 电迁移现象 第二章基础知识 2 1 电迁移 电迁移现象是由于在电流作用下金属中的离子位移所致，是金属互连中的金 属原子受到运动的电子作用引起的物质输运现象。它首先表现为电阻值的线性增 加，到一定程度后就会引起金属膜局部亏损而出现空洞，或引起金属膜局部堆积 而出现小丘或晶须，最终导致突变失效，严重影响集成电路的寿命。 在半导体集成电路中，金属布线层大多采用铝淀积层。铝淀积膜是使用物理 淀积方法( 如真空蒸发、溅射、电子束淀积等) 形成的，为多晶结构，如图2 1 所示。在无电流应力情况下，互连线中由于晶格热运动，少数金属原子的能量可 i ：竺兰璺j ： f 1 f 2 1 0 图2 1 铝淀积膜的微观模式图 图2 2 电应力下导线中铝原子受力图 能超过晶格束缚能，成为自由原子，在互连线中自由扩散。但是在这种自扩散运 动是随机的，只是引起随机的金属原子间的重新排列而已，而且处于热力学平衡 状态。而在应力作用下，金属互连线中有电流流过，互连线中金属原子的受力情 况如图2 2 所示 7 1 。其中e 是库仑力，与电场同一方向的。e 为载流子( 这里是 电子) 撞击金属原子，作用在金属原子上的力，也叫电子风力。通过自由原子与 电子流的相互作用( 动量交换) 后，金属原子会出现宏观位移。应力作用下，对 于铝金属互连线，已知电子风力比库仑力约大十倍左右因此应力作用下，互连 线中铝原子会沿电子运动的方向输运，在原子移动轨迹上产生原子空位，互连线 有效截面积减少，电流密度进一步增大，空隙生长加速，直至断条。同时，在金 属原子堆积的地方产生小丘【8 j ，造成临近布线的短路。图2 3 显示了扫描电子显微 镜下所观察到的电迁移现象【9 j 。 4 金属互连电迁移噪声表征实验及子波参量研究 ( a ) 空隙生长产生断条( b ) 原子堆积产生小丘 图2 3 扫描电子显微镜( s e w ) 观察到的电迁移图像 综上所述，电迁移过程中的金属离子流可表示为： - - i f ( 2 1 ) 其中，l 是由于与电子碰撞产生的流；矸是由于电场力产生的流。以又可用经验 公式表示为： 以- ( e n x c , p , 一1 ) ( e d i k t ) e d 为离子扩散系数；为参与传输的离子浓度；k 为玻尔兹曼常数； 阻率；e 为电场力；g 为比例常数。令c ，成- 1 = z ，即得： j ；e z n ( e d k t ) e 2 1 2 电迁移失效机理 ( 2 - 2 ) 见为电子电 ( 2 - 3 ) 从缺陷产生和积累得角度，我们可以这样解释电迁移的失效机理，即在电迁移 过程中，在电子风和应力的作用下，互连线中的某些薄弱部位产生了缺陷；缺陷 的产生，重新改变了互连线中电流的分布，进而也会影响热分布；这两个过程相 互作用，决定了缺陷在哪些薄弱部位产生；随着时间的增加，缺陷不断积累，相 邻较近的缺陷融合成一个大缺陷；当产生的缺陷足够大，在垂直电流的方向上占 有足够的面积，互连线的电阻就会显著增加；最后当形成的缺陷横跨整个互连线 第二章摹础知识 5 横截面，互连线断路。 在图2 4 中，我们考虑金属原子a ，它的周围有十二个相邻的晶格位置，其中 之一被空位v 占据，其余被其他金属原予占据。在无电流应力条件下，由于热运 动，原子a 向其附近任何一个方向移动的概率是相等的；若在“电子风”吹动的 情况下，很明显原子a 向电子风的方向移动概率大大增加。假设a 要与， 原子发 生交换，其过程也只能是通过原子与空位的交换，即，1 移到空位位置，a 移到，1 位 置，空位移到原a 的位置。可见，空位移动一步之前移动了两个原子。同理，若a 往，1 方向移动，空位移动一步须移动三个原子。所以，同等电子风力条件下，金 属原子移动方向不同，难易程度也不同。 图2 4 金属原子与其近邻的十一个原子和一个空位 最早报道应力诱发空洞最终导致电路断路失效的是在1 9 8 4 年提出【埘，研究认 为失效是由于某个区域铝原子不断迁移，同时空位聚积所引起的。从此，应力诱 发空洞成为研究电迁移的一个重要方面。 研究发现，空洞的长成通常都与晶粒间界相联系【n 】。半导体集成电路的铝布线 为多晶或者竹节结构，多晶为单晶微粒的集合体，竹节结构则可以看作是一系列 排列晶粒，其中狭窄的晶界将晶粒分隔开，具体两种结构如图2 5 所示三叉点 ( t r i p l ep o i n t ) 是三个晶界聚集在一个场所的地方，图2 6 给出的是三叉点的示 意图。a 点处产生小丘，在b 点处产生空隙。三条路径上输运的金属原子，由于在 a 点处挤在一条输运路径，故停滞不前，这个就成了a 点的小丘。在b 点处，通过 一个路径输运的金属原子分成两条路径急速的“携带出去”，这就成为b 点的空隙。 这种分叉点的形成主要源自三个方面：结构缺陷、微观结构的不均一性及局部的 温度梯度。一般互连线宽大于晶粒尺寸时，微观结构为多晶结构，而当线宽小于晶 6 金属直连电迁移噪声表征实验及子波参量研究 粒尺寸时，微观结构自然就变成了竹节状结构( 不包括晶界三叉点，并且不包括连 续的晶界路径) ，但这种结构很难制作【1 2 】。c l e m e n t 1 3 l 在其论文中指出，在互连线中， 电迁移存在若干条扩散路径，而有效迁移率是由扩散最快的路径决定的。最快扩 散路径由微观结构、温度以及互连线质量等因素决定。设线宽为w ，高为h ，则有 效扩散率为： 。哪屯警+ 4 掣日 ( 2 - 4 ) 其中d f z k 4 分别为晶格晶界界面处的迁移率，6 一4 为晶界界面的宽度，d 为晶粒的平均尺寸。对于铝基金属，当线宽大于晶粒的平均尺寸时，晶界扩散占 主导地位，即当w d 时， d 垒 (25，d g p 7 可见，晶界扩散在载流子扩散中占有主导地位，所以，晶界处也就成为空位聚集 与空洞长成的地点。 圜皿 图z 5 多晶结构与竹节结构 图z 6 晶界微观结构与三叉点 对于空洞成核的原因，般认为是本地过饱和与空位凝结( 1 0 c a ls u p e r s a t u r a t i o n a n dc o n d e n s a t i o no fv a c a n c i e s ) 除了晶粒间界，晶粒本身的形态也对空洞成核有 影响。互连薄膜的晶粒间界一般为柱形的，可见的最大晶粒尺寸一般限定为膜的 厚度。多晶互连在晶粒尺寸较小的区域较之晶粒尺寸较大的区域更易产生空洞成 核。研究表明，当发生空洞成核时，初始是圆形的空洞达到临界体积，电场力的 影响显著增强，在空洞边缘的晶粒内部产生裂缝( s l i t ) ，裂缝尖端的原子随电流流 走，产生失效。而初始为其他形状的空洞变化则会缓慢许多。故为延长样品寿命， 重要的是阻止初始为圆形的空洞成核及成长至临界体积( 因研究发现圆形空洞表 面能最小) l z q 。 第二章基础知识 7 2 2 电迁移失效常用测试技术 电迁移研究已经取得了很多成果，电迁移实验也有了很大的发展，很多不同 的实验技术已经被应用于研究电迁移失效的各种复杂的现象。每一种方法都有它 的优点和局限性，并且每一种方法都能提供有用的信息来帮助我们理解电迁移失 效。在这一节的其余部分，我们将对各种技术进行描述。 2 2 1 寿命测试 寿命测试可能是应用最早和最广泛的研究电迁移失效的技术1 1 4 1 1 2 1 - 2 3 1 。这些测 试有时是对晶片有时是对封装后的样品。在每次测试中，当电流通过样品时都要 对样品进行加热。电阻被作为时间的函数测量，并且，当电阻通过一个预置的量 增加时，失效发生。一个可以选择的失效标准是对邻近的突出结进行短路连接。 这些试验主要的优点是有能力同时测定大量样品。这些使对寿命分布参数的精确 预测成为可能。因为统计学的作用，这种方法很适合比较评价不同的金属淀积方 案。这种技术主要的缺点是有些像在黑箱中测试。由于这种测试导致人们可 能会认为两套样品可能会更加可靠。然而，这个不同的原因只能被假设。我们很 难单独用这种方法来决定电迁移失效的机制。 2 2 2p o s t m o r t e m 测试法 另外一种方法是测试互连线当中的失效位置。在这种方法中，测试可以在晶元 级或者封装级。在互连线已经失效后，就把典型的样品线进行微观测试空洞代表 断路并且在空洞处的微观形态和结构被详细的检测。这种测试提供了在铝互连中 铜的角色【l s l ，随着空洞的增长i 刎，空洞的形状变成线形失效的主要原因1 2 5 1 1 2 。这种 方法经常应用于寿命测试的补充当中。然而，不仅仅观察失效位置的最终状态而且 导致失效的过程也是非常重要的。 2 2 3b l e c h 堆积测试法 在一系列经典的测试方法中，b l e c h 发明了一种直到今天仍旧在应用的简 单方法【1 5 1 7 t 2 6 1 。在这种试验方法中，铝膜( 或者铜) 被在t n ( 或者m o ) 层上淀积和 成膜。因为在a 1 中的电导比在t i n 中的电导高很多。所以所有电流都是从顶层传输 的。由于电迁移通量，铝膜的边界被替换通过测量替换率，平均通量很容易计算出 来。这种方法已经被其他人应用于测量电解质厚度效应i 冽，互连的几何形态以及样 品的组成1 2 9 1 1 3 0 1 。这种方法的主要优点是它的简单性。我们可以很直接的从这种方 8 金属互连电迁移噪声表征实验及子波参量研究 法得到平均电迁移通量，它提供了非常有价值的本质和数据。然而，这个实验没有 对电迁移失效过程进行良好的描述。所以，完全理解电迁移失效过程必须依靠其他 试验来补充。 2 2 4 阻抗测试法 另外一种非常著名的实验方法是在加速测试过程中精确的测量互连线的电 阻。这种方法的思想是对电阻变化的精确测量可能是电迁移破坏的一个非常敏感 的测试指数。这种测试方法的关键是对小数量的样品的电阻进行仔细的测量。因 为这关键，这种方法遇到不同样品间测定数据有差异的问题。而且，在研究电迁移 破坏中测量电阻改变上还有很多工作要做。 2 2 5 局部压力( 张力) 测量法 电迁移失效于对互连线压力的评测之间的关系是非常紧密地简而言之，当 测试时如果能够测定互连线的压力变化将是非常有价值的最近很多研究组都开始 把注意力转移到这个研究课题上【3 1 。3 3 l 。最初的研究是成功的。然而，空间和压力这 两个因素的有用价值都非常少。我们很难看到这种技术将来发展的前景。 2 2 6 原位置观察法 原位置观察电迁移破坏法是我们能够对整个失效过程进行完整地描述。这种 技术在研究电迁移互连早期已经应用了刚。通过直接观察互连，电迁移失效的机制 变的越来越清楚研究者运用电子微观扫描以及光学微观扫描来观察电子传输的 微观现象 3 4 - 3 s 1 1 1 9 1 。这种方法也有它的缺点。首先，在一个加速电迁移试验中它很难 对一个互连线进行高分辨率的描述。典型的，再一次测试中参数必须随时根据显微 镜的调解而改变。这就要求提高加速度以及减少引入试验的数量。一个更为严重 的缺点是需要根本的改变样品是在测试中实时描绘它成为可能。样品必须非常的 薄是我们能够用电子传输显微镜来观察它。用原位置电子传输显微镜法研究的样 品一般在样品上淀积了一层基底而且非常薄或者没有钝化层。在传统的电子扫 描显微镜中，仅仅能够观察接近样品表面的区域。这就要求必须观察没有钝化的 线。移去基底和去除后的钝化层都可以改变金属线的限制条件。对基础限制条件 的减少能改变对这些互连结构电迁移压力感应的变化【冽。虽然光学显微镜能能够 对在玻璃层下的金属线进行成像，但是它缺少电子显微镜的亚微量级的结果。这个 问题导致高压电子显微镜用背散射成像法观察钝化层下的线 3 9 , 4 0 l 。m a r i e b 对高压 电子显微镜进行改进，并很成功的应用于对互连线加速失效试验的成像中1 4 “。在目 前的工作中，我们已经使高压显微镜原位置测试法自动化，以便使在一个很低的加 第二章基础知识 9 速条件下发生两次测试之间的转换。 2 3 子波分析基础 信号最初是以时间( 空问) 的形式来表达的。除了时间以外，频率是一种表 示信号特征最重要的方式。频率的表示方法是建立在f o u r i e r 分析基础之上的，由 于f o u r i e r 分析是一种全局的变换，要么完全在时间域，要么完全在频率域，因此 无法表述信号的时频局部性质，而时频局部性质恰好是非平稳信号最基本和最关 键的性质。为了分析和处理非平稳信号，在f o u r i e r 分析理论基础上，提出并发展 了一系列新的信号分析理论：短时f o u r i e r 变换( s h o r tt i m ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 或 加窗f o u r i e r 变换( w i n d o w e df o u r i e rt r a n s f o r m ) 、g a b o r 变换、时频分析、子波 变换等等。 短时f o u r i e r 变换是一种单一分辨率的信号分析方法，它使用一个固定的窗函 数，窗函数一旦确定了以后，其形状就不再发生改变，短时f o u r i e r 变换的分辨率 也就确定了。如果要改变分辨率，则需要重新选择窗函数。o a b o r 变换是海森伯不 确定准则下的最优的短时f o u r i e r 变换。高斯窗函数是短时f o u r i e r 变换同时追求时 间分辨率与频率分辨率时的最优窗函数。具有高斯窗函数的短时傅里叶变换就是 g a b o r 变换。与短时f o u r i e r 变换一样，g a b o r 变换也是单一分辨率的。 子波变换使用一个窗函数( 子波函数) ，时频窗面积不变，但形状可改变。 子波函数根据需要调整时间与频率分辨率，具有多分辨分析( m u l t i - r e s o l u t i o n a n a l y s i s ) 的特点，克服了短时f o u r i e r 变换分析非平稳信号单一分辨率的困难。 子波变换是一种时间- 尺度分析方法，而且在时间、尺度( 频率) 两域都具有表征 信号局部特征的能力，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率， 在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，很适合于探测正常信号 中夹带的瞬间反常现象并展示其成分。所以，子波变换被称为分析信号的显微镜。 但是子波分析不能完全取代f o u r i e r 分析，子波分析是f o u r i e r 分析的发展。 近年来从理论与实验已证明，基于f o u r i e r 变换的功率谱是噪声的一种不完备 表述。子波分析将频域分析与时域分析相结合，互相补充，必定能够更加完备地 表征噪声信号，这也是噪声分析方法的必然趋势。 第三章金属互连电迁移噪声表征实墅霹计复实照旦 第三章金属互连电迁移噪声表征研究实验设计与实施 3 1 表征实验引入 3 1 1 噪声表征参量概念及发展 电迁移过程表征参量是人们在研究电迁移过程中提出的用以反映电迁移程度 的物理量。随着人们对电迁移现象认识的逐步深入，表征参量也不断更新发展， 不同的表征参量可能反映了电迁移的不同内部特征，能够帮助人们更加深入的了 解电迁移现象。 1 9 6 8 年，电阻第一次被用来反映电迁移过程。当时看来，电阻测量简单易行， 提供了丰富的电迁移信息，很快成为常用的表征金属互连电迁移损伤的标准参量 1 4 2 。通常的电阻测量都是结合着加速寿命实验进行的，加速寿命实验缩短了互连 线电迁移评估时间。因此人们又发展了各种各样的加速寿命实验方法。根据失效 模式的研究和实验结果的分析，得出了金属互连线的电迁移寿命外推公式t 1 a f m t f a j - , e x p ( 手暑) ( 3 - 1 ) k 其中# t f 为中期失效时间( m e d i a nt i m et of a i l u r e ) ，a 为布线固有常数，为流过互 连线横截面的电流密度，单位为( a c , n 2 ) ，n 为常数，通常取值为2 3 ，k 是玻耳 兹曼常数，丁为互连线的绝对温度，a e 为电迁移激活能。随后，l l o y d 和k o c h 将 a cw h o a s t o n e b r i d g e 电路用于电阻的精确测量【“，他们认为早期电阻变化率与样 品的寿命有关，可以通过精确测量电阻早期变化来预测失效时间。借助更加精确的 电阻测试技术，v e d ) r u g g e n 小组发现电迁移早期电阻随时问并非是线性变化f “。 k r a a y e v c l d 测量了短互连线的电阻，发现了b l e c h 1 e n g t h 效应i “。大多数学者认为， 电迁移空位聚集阶段电阻变化缓慢，略有增大；空洞成核将引起电阻突然增大。 1 9 7 1 年，v o s s e n 首次提出将噪声测量用于金属薄膜中的缺陷检测。1 9 7 6 年， c e l a s c e 等人提出可通过噪声测量来研究电迁移 4 7 j 。随后，噪声检测在表征电迁移 过程中更是得到了越来越广泛的应用：s i m o e n 等人i 蜘指出，1 ，7 噪声信号比电阻 能更准确，更灵敏地反映电迁移状况，同时，他们认为电迁移低频噪声可用来预测 样品的失效时间，并通过失效试验得出经验公式： l o g t t f - z 1 + z 2l o g ( v 2 ) ( 3 - 2 ) 其中力f 为样品失效时间，p 2 ) 为与电迁移相关的1 厂2 噪声电压的均方值，z ，和 z ，为经验常数；f e n g 等人指出l 厂7 噪声与互连的普适电导波动( u n i v e r s a l 金属互连电迁移噪声表征实验及子波参量研究 c o n d u c t a n c ef l u c t u a t i o n ) 密切相关：s a t o s h i 等人则认为1 ，7 噪声对温度的反应 比电阻更加敏感，他们测得铝互连中1 ，7 噪声与温度的关系，最低已可测至l l k 的 温度；而c o t t l c 等人指出1 厂噪声与电迁移关系密切，激活能e 。值的不同反映 了不同的电迁移机制聊1 。可见，1 ，噪声的大小对金属薄膜的电迁移损伤和其它 结构缺陷非常敏感，可以作为电迁移评估以及早期预测失效的工具。 3 1 2 噪声表征实验目的 噪声表征实验是运用低频噪声测量技术来研究固体电子器件的失效机制的一 种测试技术。电子器件的内部噪声是表征器件可靠性水平的一个重要的敏感参数。 它具有普遍适用性、高度灵敏性、非破坏性等优点。正是由于它的这些优点，近 年来它越来越多的被应用到电子器件失效分析的研究中。事实上低频噪声对微结 构器件及其改变是非常敏感的。低频噪声通常包括l ，噪声与g - r 噪声，主要是由 材料或器件的不完整性决定的。大量的研究证明，绝大多数不完整性( 尤其是潜 在缺陷) 的存在可引入低频噪声。产生低频噪声的因素是非常复杂的，有可能同 时会有很多机制对低频噪声的产生起作用。在这些机制中，区分单个机制的影响 是非常困难的，因此用单个机制分析实验数据是十分困难的。在大部分应用中， 还没有为噪声产生建立好的模型，因此，只能得到以噪声为基础的参量和寿命或 其他参量的普适关系。在一些领域中，如在金属电迁移中，在噪声基础上的参量 和微结构定义之间的数量关系已经被论证。在其它应用中，比如m o s 电介质击穿， 噪声基础的测量技术已经可以发现衰减过程的细节特点，它完全改变了传统的器 件失效分析技术。 因此，我们研究点迁移的低频噪声实验，就是要设计不同的表征实验系统， 来验证在不同条件下，不同时期，晶体内因为电迁移现象结构发生改变时，噪声 参量的反应。电迁移现象是非常复杂的物理现象，电流、温度、封装方式、金属 淀积方式、化学组成等很多因素都会对电迁移造成影响。电迁移噪声表征实验的 目的就是通过检测噪声的变化来检测样品内部结构的改变，以分析各种因素对样 品可靠性的影响，达到提高器件可靠性的目的。 3 1 3 实验预期目标 电迁移是非常复杂的现象，为了描述电迁移现象，研究人员已经设计发展了 许多电迁移实验，这些实验在研究电迁移内部机理，提高集成电路可靠性方面起 了很大的作用。但是，因为引起电迁移现象的因素过于复杂，在不同的阶段，电 迁移内部起作用的主要因素不同。而单的表征参量只是对某种因素表征，所以 不能充分的反映晶体内部的变化情况。本次实验的目标，是通过不同的实验方案， 第三章金属互连电迁移噪声表征实验设计与实施 寻找当电迁移内部不同因素起主要作用时，最能敏感反映这种作用的表征参量。 3 2 表征实验设计 3 2 1 高温恒定电流电迁移实验方案设计 1 ) 实验目的 1 3 为了提高器件密度及速度性能，器件尺寸和金属互连线的宽度越来越小，出 现许多新的影响电迁移的因素。如：接触孔、通孔和台阶密度增高使金属膜结构 梯度加大，尺寸效应影响更加严重，电流聚集现象变得明显，线条变细使得电流 密度增大，焦耳热使电路温度升高等。这些因素都会影响互连的可靠性，使其失 效率增高。在各种电迁移评估方法中，传统的寿命测试法十分耗时。而随后提出 的各种快速测试技术容易引入其它的失效因素，使失效机理发生变化，难以将结 果外推至集成电路的正常工作应力条件下。本文的实验目的是通过设讳不同的实 验方案和实验应力条件，这种实验可用于研究在热应力和电应力共同作用下，样 品在电迁移初期、中期、后期各个阶段中材料电迁移微观结构变化和动力学机制 以及噪声参量的变化，从而为筛选出可忠实表征金属互连电迁移全过程的表征参 量奠定基础。 劲实验条件 实验中，应力的选择以保证不改变样品的失效机理为原则，条件为：环境温 度为1 3 0 。c ；此外，偏置电流大小的选择是很重要的。由于】，噪声功率谱密度近 似与通过元器件的电流的平方成正比，因此，当偏置电流加得过小时，要测量的 噪声幅度就会急剧减小，很可能达不到测量范围；实验表明当偏置电流密度小于 l x l 0 5 a c m 2 时，v 厂噪声幅度就小得难以测量了。无论是从测量渐变程度还是测 量精度上看，样品噪声测量中应该加尽量大的偏置电流。 但是，偏置电流太大，又会使样品的失效机理发生变化。由于我们所要测量 的是电迁移噪声，所以一旦失效机理发生变化不再是电迁移；那么测量结果将是 没有价值的。所以无论如何，所加偏置电流都不应该使铝条的失效机理发生变化， 通常情况下，当偏置电流密度大于4 x 1 0 6 a c m 2 时，铝条的失效机理就会发生变化。 对于我们的实验样品，我们设计了恒定的电流为2 0 m a ，根据不同的样品的宽 长比，电流密度应力有两组取值2 o x l 0 6a c m 2 ，2 4 x 1 0 6a c m 2 。 本次实验采用了三组实验六个样品。每次实验时为两个长宽比不同的两个样 1 4 金属互连电迁移噪声表征实验及子波参量研究 品。对样品加热应力和老化电流。每五个小时测量一次噪声数据，检测样品在应 力条件下噪声的变化。具体实验条件如下。 表3 - 1 断开应力条件f 电阻及噪声测量 样品编号实验热应力实验电流应力测试温度噪声测试偏置电 ( )( m a 锄2 )( 。c ) 流( m a ) w l ，q 1 ，x 1 1 3 02 o 室温 2 0 w 2 ，0 2 ，x 2 1 3 02 4 室温2 0 表3 - 2 在线电阻测量实验 样品编号实验热应力实验电流应测试温度 ( 。c )力( m a c m 2 )( 。c ) d 1 ，q 1 ，x 11 3 02 01 3 0 d 2 ，q 2 ，x 2 1 3 0 2 41 3 0 3 2 2 变电流实验方案设计 3 2 2 1 实验目的 传统的基于高温、大电流的加速寿命试验电迁移评价方法具有实验周期长、 应力条件与电路实际工作条件不相符等局限性，为此近年来研究开发了若干新型 的电迁移评价方法，其中厂7 噪声检测方法以其高灵敏度、非破坏性和快速等优 点而备受人们关注。测量发现，铝基金属薄膜中的1 ，7 噪声可以细分为两种类型： y 1 5 的称为1 厂2 噪声。不少研究者认为，这两种噪 声的起因不同，因此它们的变化所代表的电迁移机制也不同。既然y 因子的不同反 映了金属薄膜内在动力学结构的差异，那么金属薄膜在电、热应力作用下y 因子 随时间的变化可以为分析电迁移过程的演变特征提供有用的信息。 本文将设计变电流应力实验，即在不加热应力条件下，通过改变流过样品内 部的偏置电流，改变晶体所受到的电子风力。通过分析在不同电流应力条件下频 率指数以及噪声幅值的变化，分析电流应力对晶体内部的结构变化的影响，以及 在不同的电流应力条件下，晶体内部动力学机制的改变情况。 第三章金属互连电迁移噪声表征实验设计与实施 3 2 2 2 实验条件 本次实验采用了三个样品。首先，针对样品h 2 、1 1 2 测试电流应力为 4 x 1 0 6 a c m 2 下的电迁移效应。两个样品的规格一致，宽度为1 7 i o n 、长度为 1 3 3 5 m m ，室温下电阻约为6 0 q 为同一次铝膜工艺制造，厚度均为0 5 a n 。从 1 0 m a 开始加偏置电流，然后每次增加5 m a ，逐渐加大应力，直到4 0 m a 。根据计 算，金属所受应力从1 1 8 x 1 0 6 a c m2 增加到4 7 x 1 0 6 a c m 2 。然后，又针对样品q 傲更大范围的步进应力实验，从1 0 m a 逐渐增大电流应力，每次增加2 5 m a 直到断 条。 3 2 - 3 退火实验方案设计 3 2 3 1 实验目的 金属互连电迁移样品失效主要的原因有电流应力及温度的影响。当样品所处 的环境温度很高时，晶格运动剧烈，对电子的散射因此也就很大。长期以来，我 们设计电迁移实验，总是把电流应力和热应力同时加于样品之上，并没有单独分 析温度对电迁移的影响。并没有分析当温度改变时，各项表征参数的变化趋势 本文还将测量样品从老化环境加温状态1 8 0 条件下，在老化炉内自然降温退火 至室温过程各项参数的变化情况。 3 2 3 2 实验条件 首先，将样品放在老化炉中加热，当温度达到1 8 0 c 以后，关闭老化炉电源。 这样一方面可以停止加温，一方面也可防止了老化炉所产生的电磁波对实验数据 的影响。然后，让样品在炉子内自然降温。每隔五分钟测量一次样品的噪声，直 到样品的温度降低到室温。检测随着温度的降低，噪声的变化情况。通过噪声的 变化，分析温度对电迁移作用的影响。 3 3 表征实验实施 3 3 1 样品介绍 实验中所用样品为华晶公司提供的专用测试结构，试验中共使用两条宽长比 金属互连电迁移噪声表征实验及子波参量研究 的铝膜。其中一种( 铝条i ) 宽度为2 a n 、长度为1 3 2 5 t a n ，室温下电阻约为5 0 f ； 另一种( 铝条i i ) 宽度为1 7 u n 、长度为1 3 3 5 a n ，室温下电阻约为6 0 f 2 ；为同一 次铝膜工艺制造，厚度均为0 5 n n 。 样品封装 试验用的两种测试样品在同一片芯片中，样品芯 片封装在一个宽体塑料双列直插封装中。封装相邻两 引脚间距为2 5 4 r a m ，引脚列间距为1 5 2 4 m m ，每列 1 4 支引脚共2 8 支。 封装外形如图3 - 1 所示，样品引出端定义如下： 4 ：铝条i 噪声测量端5 ：铝条i 偏置及老化端 6 ：铝条i 偏置及老化端7 ：铝条i 噪声测量端 1 1 ：铝条噪声测量端1 2 ：铝条i i 偏置及老化端 1 3 ：铝条偏置及老化端1 6 ：铝条i i 噪声测量端 铝膜结构 图3 - 1 样品封装 铝条采用四端引出结构，这使得我们可以将四个引出端分为两组，固定地把 它们用作测量和偏置，老化端。这样，就可以避免因引出端相互接触和因由频繁插 拔引起的引出端老化而引入的 额外噪声。 图3 2 为超大规模集成电 路中铝条的纵向结构图( 图中 没有画出钝化层) ，由下至上依 次为封装外壳、硅衬底、多晶 卜- 叫 l 1 3 2 5 i l # 糍产、_ 、渺一l i i 2 删铝i ；广 ； 1 r 图3 3 铝条i 的结构图 图3 - 2 测试样品纵向结构 硅、氧化层、铝膜。为使实验结论能适用于 一般超大规模集成电路，测试样品与集成电 路采用相同工艺制造，采用和集成电路相同 的键合引出方式。样品中铝膜厚度为0 5 a n 。 本次试验中共使用了两条铝线铝条i 和铝条，铝条i 的结构图如图3 3 所示，该条铝线宽度为2 a n 、长度为1 3 2 5 a n ，常温下其电阻阻值约为5 0 0 。图 中下面四个焊盘为引出端，自左到右依次为：4 、噪声测量端i ，5 、偏置及老化端 i ，6 、偏冕及老化端i i ，7 、噪声测量端。 铝条i i 的结构与铝条i 相似，其结构如图3 - 4 所示，该条铝线宽度为1 7 e n 、 1 2 3 4 5 6 7 8 9 加n 心b m 第三章金属互连电迁移噪声表征实验设计与实施 长度为1 3 3 5 a n ，常温下其电阻阻值约为6 0 q 。 卜- 叫 i i1 3 3 5 t t m i f 式墨“l ；f t m 两衙麓 # * 硼蝴魄r 二1 1埘l # 88 i 错i | ”l 1 n 图3 4 铝条的结构图 3 3 2 系统结构 图中下面四个焊盘为引出端，自左到 右依次为：1 1 、噪声测量端i ，1 2 、偏置及 老化端i ，1 3 、偏置及老化端i i ，1 6 、噪声 测量端。 由于金属薄膜本身的电阻很小，同时，为了保证噪声测试的非破坏性，要求 测试时所加的电流密度尽可能的低，这就使得待测的噪声信号极其微弱，很容易 被淹没在背景噪声中，所以对于测试系统有些专门的要求。金属薄膜电阻的噪声 频谱测试系统的构成和连接如图3 - 5 所示，下面对硬件做一简要介绍： 图3 - 5 电迁移样品低频噪声测试系统 1 ) 偏置电路：为被测样品提供偏置电压或电流，样品为与集成电路同种工 艺制造的铝薄膜，风为限流电阻。 2 ) c ：为一大容量的电容器，以保证测试能达到所要求的较低频率。 3 ) 前置放大器s a - 2 0 0 f 3 ：采用日本n f 公司制造的s a - 2 0 0 f 3 低噪声放大 器，放大倍数为固定增益，1 0 0 倍。 4 ) 前置放大器p a r c l l 3 ：采用e g & g 公司制造的p a r c l l 3 型低噪声前置 放大器，用于对样品的噪声信号进行放大，以便进行数据采集分析与处理。 9 频谱分析仪：采用惠普公司制造的h p 3 5 8 2 a 型频谱分析仪，用于测试噪 声信号的频谱或时间序列，该分析仪带有i e e e 4 8 8 接口总线和白噪声源， 利用i e e e 4 8 8 接口可以实现频谱分析仪的程序控制，实现系统的自动测 试；利用白噪声源作为被测样品的输入信号，可以实现