（微电子学与固体电子学专业论文）soc嵌入式电迁移测试技术及ip开发.pdf

摘要 摘要 随着v l s i 技术的发展，电迁移已成为集成电路主要的失效原因之一，由其引 起的可靠性问题也被逐渐关注。为此本文提出了一种能与任何器件集成在一起， 伴随器件同时进行电迁移老化，并在退化达到指定的界限时能发出失效信号的测 试结构，此结构利用芯片中的片上可靠性监视器，从而减小了对可靠性建摸的依 赖，而且它只占用很小的芯片面积，便于集成。在进行设计时，只需要仿真每个 电路和测试结构的功能，可以避开耗时且麻烦的可靠性仿真。这种内嵌式可靠性 监测器可以用来预测器件失效，并提醒替换失效器件，从而更可靠简便的避免系 统上致命的故障以及由此带来的损失。 首先对电迁移引起的电路退化进行了系统的介绍，包括电迁移的基本理论， 危害，常用的测量方法，以及研究电迁移的重要性；提出了一种电迁移可靠性报 警电路的设计思想，并阐明了其工作原理：进行了报警电路的设计、功能仿真， 以及电路和测试单元版图的制作；结合试验数据对金属导线的电迁移失效寿命进 行了预测。 关键字：电迁移可靠性金属互连线中值失效时间 a b s t r a c ti i i a b s tr a c t i np r e s e n t ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv l s i t e c h n i q u e s ，t h ee l e c t r o m i g r a t i o n ( e m ) i s b e c o m i n go n eo fm o s te s s e n t i a l c a u s e sf o ri c sf a i l u r e a no n c h i pe n d o f - l i f e m o n i t o r i n gc i r c u i tf o re l e c t r o m i g r a t i o nf a i l u r ei si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h i ss t r u c t u r e c a l lb ei n t e g r a t e da n dd e g r a d e dw i t ht h ed e v i c e ，a n dg i v ea na l a r mw h e nt h ed e v i c e n e e d sr e p l a c i n g t h i sw i l le s t i m a t ed o w nt i m eo ft h es y s t e mw h e r et h i si ci su s e da n d t h i sc i r c u i ts t r u c t u r eo n l yn e e d sav e r ys m a l la r e a s ot h i sc i r c u i ti s v e r ye a s yt o i n t e g r a t e t h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo fe mi s e x p o u n d e di nt h ep a p e r t h eh a r ma n dt h e i m p o r t a n c eo fe ma r ei l l u s t r a t e d t h em o n i t o r i n gc i r c u i ts t r u c t u r ei sd e s i g n e da n d e m u l a t e d t h er e c e n tp r o g r e s si nr e s e a r c ho ne l e c t r o m i g r a t i o ni so v e r v i e w e d t h e i m m i n e n ti s s u e so fe l e c t r o m i g r a t i o nh a v eb e e np r e s e n t e d t h e r ea r em a n ym e t h o d so n s t u d y i n ge mi n c l u d i n go b s e r v i n go r i g i n a l l y ，a n dt r a n s e c ta n de x c u r s i o n ，s p e e dt e s t ，a n d t h em o s tp o p u l a rp r e s e n tt e s ti st h es p e e d i n g - u pe x p e r i m e n t t h ec o m m o ns p e e d i n g - u p e x p e r i m e n ti st o t e s tm t fb yf o r c i n gc o n s t a n tc u r r e n ta n dt h et e m p e r a t u r eo nm e n t a l i n t e r c o n n e e t i o n i nt h i sp a p e rt h ea u t h o ri n t r o d u c e st h i sw a ya n dg i v e st h ef a i l u r e s t r u c t u r e ，w h i c hi st h es a m p l et e s ts t r u c t u r ei ni cm e t a li n t e r c o n n e c t i o n t h el a y o u to f t h em o n i t o r i n gc i r c u i tc a na l s ob em a d e e ms t a t i s t i c sb e l o n g st ol o g n o r m a ld i s t r i b u t i o n a ne l e c t r o m i g r a t i o na s s e s s m e n tm e t h o db a s e do nt h ec o n s t a n tc u r r e n ta t h i g h t e m p e r a t u r ei si n t r o d u c e d ；m o r e o v e r , t h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r o m i g r a t i o ni se v a l u a t e d a c c o r d i n gt ot h ef a i l u r ec r i t e r i o nt h a tr e s i s t a n c ere x c e e d st h ei n i t i a lv a l u ei bb y10 p e r c e n t t h i sm e t h o di sc o n v e n i e n ta n dr e l i a b l ei nu s e i ti ss u i t a b l ef o rt h er e l i a b i l i t y e v a l u a t i o no fs u b m i c r o m e t e ra n dd e e ps u b m i c r o m e t e rv l s i am e a s u r e m e n ti sg i v et o p r e d i c tt h el i f e t i m eo fe ma c c o r d i n gt ot h ed a t ao ft h ea c c e l e r a t e dl i f et e s t k e y w o r d ：e l e e t r o m i g r a t i o n ，r e l i a b i l i t y , m e t a li n t e r e o n n e e t i o nl i n e ，m t f 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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 注和致谢中所罗列的内容以外，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已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，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 南名 日飙埘i 7 工j 二v v ，1 l 关于论文使用授权的说明 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单位属西安电子科技大学。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，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：白建 日 导师虢簿记措+ f 刷噬名皇遵 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电迁移研究国内外状况 电迁移( e m ) 是指：导电材料在电流的作用下产生的物质输运现象。电迁移 现象是非常复杂的。随着集成电路中连线尺寸的缩小，金属线的电迁移失效已成 为决定电路使用寿命的重要因素之一。在大电流密度下，由于电迁移作用，可能 出现下列导致i c 失效的现象： l 互连线中形成空洞，使电阻增加。 2 空洞贯穿导线的横截面，使电路开路。 3 形成品须造成线间或层旬短路。 4 品须穿破钝化层，形成腐蚀隐患。 金属导线上的电迁移现象如阁11 所示。 恻11 电迁移失效s e m 照片“1 集成电路芯片内部采用金属薄膜引线米传导工作电流，这种传导电流的余属 薄膜称作互连引线。随着大规模集成电路的不断发展，。占片集成度的提高，互连 引线变得更细、更窄、更薄，因此其中的电流密度越来越犬。在较高的电流密度 作用下，瓦连引线中的电迁移引起的集成电路可靠性司题h 盏凸现。 近年来微电子产业的迅猛发展，半导体器件的工艺尺寸越来越小，集成电路 的特征尺寸目前已进入超深亚微米阶段，同时集成电路的功能级别不断提升，趋 s o c 嵌入式电迁移测试及i p 开发 于模块化、集成化，并集成于s o c 中。其间，s o c 设计面临一个重要问题：在i p 模块的尺寸不断缩小，i p 模块数目日益增加的情况下，如何保持s o c 的可靠性【l 】。 另外，尤其在一些关键体系中，系统的长期可靠性工作至关重要，芯片的可靠性 问题已开始显现为一个主要的障碍，如网络路由器、a t m 机、航空飞行系统等。 在0 1 8 微米以下，可靠性失效将更为严划2 1 ，在特征尺寸不断缩小、集成度和芯片 面积以及实际功耗不断增加的情况下，物理极限的逼近使影响v l s i 可靠性的各种 失效机理效应敏感度增强，设计和工艺中需要考虑和权衡的因素大大增加，剩余 可靠性容限趋于消失，从而使v l s i 可靠性的保证和提高面临巨大的挑战。 因此，国际上针对深亚微米、超深亚微米v l s i 主要失效机理的可靠性研究一 直在不断深入，新的失效分析技术和设备不断出现，世界上著名的集成电路制造 厂商都建立了自己的v l s i 质量与可靠性保证系统，并且把针对v l s i 主要失效机 理的晶片级和封装级可靠性评价测试结构的开发和应用纳入其质量保证计划，可 靠性模拟在可靠性设计与评估中的应用也日益增多。 我国v l s i 可靠性技术的发展具有以下特点： ( 1 ) 通过失效模式和失效机理分析，揭示导致失效和影响可靠性的内在根本原 因，有针对性地进行可靠性设计一失效分析一信息反馈一设计改进，形成循环， 以这样的技术途径促进v l s i 固有可靠性水平提高。 ( 2 ) 紧跟国际上先进的v l s i 可靠性技术发展趋势，如w l r 技术、可靠性模拟 技术、先进的失效分析技术等，并进行了深入研究和工程应用。 ( 3 ) 由于我国v l s i 可靠性技术应用的工艺平台与国外有差距，因此目前我们 研究和解决的重点是微米、亚微米器件的可靠性问题，而国际上可靠性研究的对 象则是超深亚微米器件的可靠性问题。 ( 4 ) 我国v l s i 可靠性技术面向工程应用，实用性强。以p c m 、r e m 和s p c 为 核心的工艺可靠性评价与保证技术已经被采用，并取得成效。 未来十年将是国内v l s i 产业和技术大发展的十年，将建成多个微电子产业 基地，形成以0 2 5 a m 以下v l s i 加工技术为核心的设计、制造、测试、封装企业群， 并带动全国范围的微电子技术的蓬勃发展。v l s i 可靠性技术的发展必需抓住时机， 依托这一发展趋势，突出重点，以应用促发展。 然而当m o s 器件已经进入深亚微米范围，0 1 3 a m 工艺在国内已经大量采用， 9 0 n m c m o s 工艺国外己经开始提供批量生产时，其可靠性问题主要集中到电迁移， 热载流子和栅氧击穿等。 1 2 论文主要工作 本文属于应用研究，本着基础研究需结合科学研究发展趋势来论述科学意义； 第一章绪论 应用研究需结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应 用前景。 为了解决集成电路中由电迁移引起的可靠性问题，本文提出了一种能与任何 器件集成在一起，伴随器件一起老化并在器件退化达到指定的界限时能发出失效 信号的测试结构，此结构利用芯片中的片上可靠性监视器，从而减小了对可靠性 建摸的依赖，而且它只占用很小的芯片面积，便于集成。在进行设计时，只需要 仿真每个电路和测试结构的功能，可以避开耗时且麻烦的可靠性仿真。这种内嵌 式可靠性监测器可以用来预测器件失效，并提醒替换失效器件，从而更可靠简便 的避免系统上致命的故障以及由此带来的损失。 本文阐明了电迁移的基本原理，给出了由电迁移引起的互连线退化的寿命预 测方法，以及嵌入式报警电路的设计等。 1 3 论文章节安排 第一章绪论，简要介绍电迁移的危害及国内外发展现状； 第二章电迁移基本原理及测试方法，在这一章里介绍了互连线发生电迁移的 原因、由电迁移引起的电路失效类型、常用检测电迁移的方法； 第三章电迁移预警电路的设计，在本章里提出了预警电路的设计思想，说明 了其工作原理，并进行了仿真：对易发生电迁移失效的单元进行了版图的绘制： 第四章试验结果分析，提出了一种测试电迁移的试验方法，对试验数据进行 了对数正态分布拟合，提出了一种电迁移寿命的推算的方法； 第五章总结全文。 第二章电迁移基本原理及测量方法 第二章电迁移基本原理及测量方法 电迁移是金属线在电流和温度作用下产生的质量输运现象，它可能使金属线 断裂，从而影响芯片的正常工作。本章首先介绍了电迁移产生的原因和形式，说明 了电迁移的微观表现和宏观表现，电阻的突变是判断电迁移失效的标准；接着介 绍了影响电迁移的几种因素，它为第三章中失效预测单元的选取提供理论依据。 最后介绍了几种测量电迁移的方法，为第四章设计加速寿命实验提供理论依据。 2 1 电迁移基本原理 2 1 1 原子扩散的模型 当互连引线中通过大电流密度时，静电场力驱动电子由阴极向阳极运动。高 速运动的电子与金属原子发生冲量交换，原子受到猛烈的电子冲击力，这就是电 迁移理论中的电子风力f w d 。实际上，金属原子上还受静电场力f o i 的作用，如图2 1 所示： 脞 图2 1 电迁移作用力示意图 两者的合力即电迁移驱动力可表示为： l = + 巴= z 倒 ( 2 1 ) 其中z 1 = z w d + z e i 式中，凡d 为电子风力；尻，为场力；e 为有效电荷；，为电阻率；_ ，为电流密度； 为电子风力有效电荷常数；乙，为静电场力有效电荷常数。 当互连引线中的电流密度较高时，向阳极运动的大量电子碰撞原子，使得所 产生的电子风力r d 大于静电场力e ，。因此，金属原子受到电子风力的驱动，产 生了从阴极向阳极的受迫的定向扩散，即发生了金属原子的电迁移。 s o c 嵌入式电迁移测试及i p 开发 一爨：。? 麓 湖一配第_ 幽221 也迁移微观示意幽 蟓于的扩敞主要有三种形式：晶格扩散、界面扩散和表面扩散。由于电迁移 使金属原于从一个品格自由扩散到另一个品格的空位上，所以，通常描述原子 n 迁移的数学模型采h j 的是空何流方程： 22 ) 式叶1 ，d 为扩散系数c 为空位浓度：r 为绝对温度；i 为玻耳珐璺常数；丘m ，为 【己迁移驱动力台力。 电迁移使得引线内部产g 空洞和原于聚集。在空洞聚集处足j t 应力区：在原 f 壤地处是压应力匪，出此，成力梯度方向出阳极措向| ；i 擞； ! j 兰。生型m 图23 电迁移戍力示意牲i 为了松弛应力，革新回到平衡态，原子在压应力的作用下，沿应力梯度方向 形成回流。应力梯度引起的原子回流与电迁移的运动方向工f 好相反，阻碍了电迁 移的进行。原予同流驱动力方程为： 第二章电迁移基本原理及测量方法 = _ q 警 ( 2 - 3 ) 由以上几式可以得到完整的一维空位流的方程： 扛鲁( 幺峨) j = _ d c z e p + q 丝塑 或 灯灯觑 ( 2 4 ) 7 2 1 2 互连引线电迁移失效过程的三个重要特性 互连引线中最常见的电迁移失效是沿长度方向的空洞失效和互连引线端部的 扩散迁移失效。这两种失效模式都受互连引线微观结构的影响，可以通过改变引 线的微观结构来控制失效进程。以下为互连引线中电迁移失效过程的三个重要特 性。 ( 1 ) 冶金学统计特性 冶金学统计特性指的是互连引线中金属的微观结构参数，如晶粒尺寸分布、 晶界取向偏差和晶界与电子风方向的夹角等。因为这些参量的随机性，冶金学参 数只能进行统计学描述。由于互连引线内部存在的如晶界取向偏差、晶界弯曲、 晶粒尺寸偏差、空位以及位错等微观结构差异，产生了不同迁移速率的原子流。 当某一微区流入的原予与流出的原子总数不相等时，就会产生微区的质量变化， 形成空洞或原子聚集的“小丘”。电迁移诱发的空洞和小丘会导致集成电路失效，引 起可靠性问题。 ( 2 ) 热加速特性 互连引线在没发生电迁移前可能存在均匀的温度分布。电迁移产生的局部缺 陷使得引线的导电面积减小，电流密度增加，形成电流聚集。电流聚集引起了焦 耳热效应，使引线局部温度升高，并产生温度梯度。由于原子的扩散与温度相关， 因此，产生了热应力。热应力梯度与电迁移方向相同，加大电迁移驱动力，加速 电迁移现象。 ( 3 ) 自愈效应 电迁移是一个动态过程，其产生的原子定向迁移使得互连线中出现由阳极指 向阴极的浓度梯度，即出现质量的重新分布。在浓度梯度的驱动下，原子会出现 回流。原子的回流一方面降低了电迁移的速率，另一方面部分修复了电迁移产生 的缺陷。 8 一 s o c 嵌入式电迁移测试及i p 开发 2 1 - 3 互连引线中的电迁移中值失效时间 常用电迁移中值失效时间( m t f ) 来描述电迁移引起的失效。中值失效时间 指同样的直流电流试验条件下，5 0 的互连引线失效所用的时间，失效判据为引 线电阻增加1 0 0 。b l a c k 给出了直流模型下描述电迁移失效中值时间的经典公 式：【3 】 m t f ：善e x p ( e o k r ) ( 2 5 ) ， 式中，彳为与导电材料相关的常数；j 为电流密度；玎为电流密度指数；e 。为扩散 激活能；k 为玻耳兹曼常数；7 为绝对温度。m t f 越大，表示发生电迁移失效所需 时间越长。m 阿与电流密度和温度密切相关，式中常数胛取决于电流密度，。b l a c k 方程的使用范围是宽度大于平均晶粒直径的引线，对于竹节结构( 晶粒尺寸大于 引线宽度) 的互连引线则不适用。 由式( 2 5 ) 可知，电流密度对电迁移的m t f 也有重要的影响。式( 2 - 5 ) 中电流密 度指数刀的取值范围较大： 在1 0 5 a c m 2 i 1 0 6 a c m 2 时，n = 1 5 【4 1 ； 在5 1 0 5 a c m 2 i 2 8 1 0 6 a c m 2 时，2 = 2 【5 】； 在1 0 6 a c m 2 i 2 x1 0 6 a c m 2 时，n = 4 5 t 5 1 。 当电流密度瘌指数7 增大时，焦耳热急剧上升，温度升高，原子的扩散速度 加快，加速了电迁移失效进程。 2 1 4 抗电迁移的措施 1 设计。合理进行电路版图设计及热设计，尽可能增加条宽，降低电流密度， 采用合适的金属化图形( 如网络状图形比梳状图形好) ，使有源器件分散。增大芯 片面积，合理选择封装形式，必要时加装散热器防止热不均匀性和降低芯片温度， 减小热阻，有利热散 8 。 2 工艺。严格控制工艺，加强镜检，减少膜损伤，增大晶粒尺寸，因大晶粒 金属层结构的无规则性变弱，晶界扩散减少，激活能提高，中位寿命增加。蒸铝 时提高芯片温度，减缓淀积速度及淀积后进行适当热处理可获得大晶粒结构，但 晶粒过大会妨碍光刻和键合，晶粒尺寸宜选择得当。工艺中也应该使台阶处覆盖 良好。 3 材料。可用硅( 铜) 一铝合金或难熔金属硅化物代替纯铝。进一步的发展， 在v l s i 电路中，目前已采用铜作互连材料。此时以铝基材料作为互连线使用，其 电导率不够高，抗电迁移性能差，已不适应要求。铜的导电性好，用直流偏置射 第二章电迁移基本原理及测量方法 9 一 频溅散方法生成薄膜，并经在氮气- f 4 5 0 。c3 0 m i n 退火，可得到大晶粒结构铜的薄 层，其电阻率仅为l 6 肛2 t t m ，激活能e a 为1 2 6 e v ，几乎比a 1 一s i c u 的( 0 6 2 ) 大 两倍，在同样电流密度下，寿命将k l a l - s i - c u 的长3 4 个数量级。 4 多层结构。采用以金为基的多层金属化层，如p t 5 - t i p t - a u 层，其中p t 5 s i 2 与硅能形成良好欧姆接触，钛是粘附层，铂是过度层，金作导电层。对于微波器 件，常采用n i - c r a u 及a 卜n i - a u 层。当然多层金属化使工艺复杂，提高了成本。 5 覆盖介质膜。由于如p s g 、2 ( ) 3 或s 1 3 n 4 等介质膜能抑制表面扩散，压强效 应和热沉效应的综合影响，延长铝条的中位寿命。 2 1 5 应力迁移 当铝条宽度缩减n 3 朋以下时，经过温度循环或高温处理，也会发生铝条开 路断裂的失效，这时空洞多发生在晶粒边界处，这种开路失效叫应力迁移，以与 通电后铝条产生电迁移的失效相区别。铝条越细，应力迁移失效就越严重。 应力迁移的原因，早期认为是铝中含氧使之易碎，或材料的类似蠕变现象所 致。目前一般认为是铝条较窄，其晶粒直径可能与条宽相比，其上下两侧受介质 膜( s i 0 2 ，s i 3 n 4 ) 的影响而存在拉伸( 或压缩) 应力。在温度作用下，为缓和这 种应力，铝原子可发生位错、滑动等移动，致使某些位置产生空洞，直至断条。 当铝条上不覆盖钝化层或覆盖以性能柔软的涂层如有机树脂时，铝条未发现这种 失效，所以应力的形成主要来源于铝条的上下两侧各介质膜层的热失配。当老化 温度增加，应力失效速度增加，其激活能约为0 3 5 e v 一0 6 e v 。温度超过3 0 0 。c ，失 效率又会下降。失效速度与铝条尺寸的关系密切，应力迁移的寿命正比于线宽的 2 - 3 次方和厚度的4 - 5 次方。所以电路集成度提高时应力迁移将变的严重。硅一铝合 金条中含有氮及硅的析出可促进空洞的形成，硅一铝中加o 1 的铜或铝条上覆以 w 、t i n 及t i w 等耐熔材料可减缓空洞的形成，但难熔材料的电阻率较高，抗电迁 移能力也较差。在尺寸继续缩小时也会引起问题，根本问题在于降低铝条中应力 至一个安全水平，这可通过改进钝化层的淀积过程或用单晶铝制作互连线，这样 既可解决应力迁移及电迁移的问题又可保证高的导电性。 2 2 几种影响电迁移的相关因素。 2 2 1 电流密度与热效应对电迁移的影响 温度通过影响互连引线中的原子扩散而对电迁移过程产生影响。 原子的扩散系数d 与温度呈指数关系： d = d o e x p ( e 狄t ) 互连引线中 ( 2 6 ) 1 0 s o c 嵌入式电迁移测试及i p 开发 当温度升高时，原子的扩散速度加快，导致电迁移现象按指数变化规律向着 失效方向发展。如果互连引线上存在温度梯度，温度梯度使得互连引线上存在扩 散系数刃的差异。温度高的区域，原子扩散快；温度低的区域，原子扩散慢。因 此，温度梯度的存在也会产生原子迁移。 互连引线电迁移失效前可能存在均匀的温度分布。电迁移产生的局部缺陷使 得引线的导电面积减小，电流密度增加，形成电流聚集。电流聚集引起了焦耳热 效应，使引线局部温度升高，并产生温度梯度。由于原子的扩散与温度相关，因 此，产生了热应力。热应力梯度与电迁移方向相同，加大电迁移驱动力，加速电 迁移现象。 2 2 2 导线的尺寸和晶粒大小对电迁移的影响 在a l 引线中，m t f 随着长度的增长而下降，直至某一临晃值，m t f 不再取决 于长度的变化。其原因在于随着a l 引线长度的增加，出现严重缺陷的几率也在增 加。当缺陷几率为最大时，m t f 达到极小值；超过临界长度值，缺陷几率不会再 增加。因此，对较长a l 引线进行测试时，必须考虑临界长度的问题。 引线厚度减小，表面积增加，使得表面扩散增加，造成m t f 下降；另外，薄 引线散热能力提高，焦耳热效应降低，又有助于m t f 的提高。 不同晶粒取向引起的各向异性表面扩散对互连引线中原子的电迁移起着非常 重要的作用。原子的表面扩散主要取决于晶粒的晶面和晶向。在面心立方( f c c ) 晶 格中，高对称的 1 1 1 ) 晶面和最致密的 1 1 0 晶向能降低金属原子的活动性，提高 金属原子晶界激活能。这种取向的晶粒最有利于形成竹节结构，减少原子各向异 性的表面扩散。 2 2 - 3 导线的转角数目及角度的影响 转角会使电迁移寿命减小，失效多出现在转角的上游( 电子流流来的方向) 。 早期认为，这种现象是出于在转角处出现电流聚集( c r o w d i n g ) ，使局部电流密度 加大，进而伎离子流散度加大造成的。但f j e u l a n d 等人通过计算机模拟发现，在 转角处出现的是局部冷点而不是局部热点。这是由于转角处电流通过的实际面积 加大，平均电流密度减小，同时面积加大又使散热加快。这说明电流聚集作用不 一定是转角失效加快的主要原因。转角处结构梯度的变化，不垂直电流方向晶界 的出现可能起重要的作用。 线转角的度数也对电迁移寿命有影响。电流密度的不均匀分布，造成t 9 0 。 角处的电流密度梯度e v , 4 5 。角、3 0 。角时要大，从而导致空位流增量也增大，电 迁移现象更为显著。 第二章电迁移基本原理及测量方法 2 2 4 线宽对电迁移的影响 同一条互连线的宽度沿电流方向存在由宽到窄或由窄到宽的变化，电迁移失 效寿命也要变短。由下图的实验结果可以看出，当线宽变化加大时，寿命变短， 在达到一定数值后趋于饱和。对于这种结构的连线，电迁移失效不仅会出现在宽 线区和窄线区，而且还会出现在导线变窄处和变宽处，因而电迁移寿命比均匀线 宽的连线小。在变宽处的失效主要是由于沿电子流方向晶界数目增加产生大的结 构梯度引起的。不同情况，失效出现的位置是不同的。 图2 4m t f 和w 缈的关系 互连引线的电迁移寿命与几何尺寸和微观结构密切相连，宽度的影响最为复 杂。 当w d l 时，由于引线的微观结构为竹节结构，晶界数量少，所以m t f 的值较 高； 当l w d 3 时，由于引线的微观结构为多晶粒结构，随着w d 的增加，晶粒尺 寸逐渐均匀，所以m t f 缓慢增加，有所改善。 1 2 s o c 嵌入式电迁移测试及i p 开发 5 = c 0 辱5 0 d 8 5 0 鲁8 32 5 0 证 量o 1 5 0 1 5 d 第二章电迁移基本原理及4 量方法 线的 ，二同理。其他的与c “类似的材料也可以提高互连线的m t f 。 目前，有关电迁移的大多数研究主要集中在互i 圭一l - c u 台会引线和纯c “引线以 及多层互连的p 附生塞等领域上，并且取得了显著的进展，为i c n 造业提供了可靠性 分析及保障。 2 3 电迁移失效检测的常用方法 23l 加速寿命试验方法 金属互连线电迁移的加速寿命试验方法，是采用比实际工作条件下更大的电 流密度和更高的温度来加速试件的失效。加速寿命试验的两个基本条件足： 1在加速条件下，试件的失效机制与正常工作条件下的基本一致； 2 加速模型要能使加速条件下得到的数据外推到j f 常工作条件f 。 常用的加速寿命试验方法有等温电迁移试验和标准晶圆级电迁移加速试验 等。 ( 1 ) 等温电迁移实验 等温电迁移试验( i s o y ) 的原理是埔过控制回路，调节加在测试金属瓦连线上的 f 巳流，改变其焦耳热【，r ) ，使金属互连线温度恒定在目标温度上。试验失效标准为 试件的电阻相对变化量( 4 r r ) 达到某一数值，并将此时间作为中值失效时间。 等温电迁移试验方法的优点是试件结构简取温度分布较为均匀，用电阻温度 系数t c 嘲4 得的温度接近试件的真实温度，所以温度控制精确。 ( 2 ) 标准品阗级电迁移加速实验( s w e a t ) s w e a t 试验是利用特殊的试件结构( 如图26 ) 来获得大的应力梯度，实现加 速试验。该结构通过大电流时，窄的区域电流高度很火，温度很高，加速了该区域的 巴迁移。 圈26s w e a r 试验结构 2 32 移动速度试验法 移动速度试验主要用来研究粒子移动扩散路径和临界乘积等。b l e c h d k i ”s b o r n 首次采用移动速度方法对电迁移现象进行了研究。研究发现，在定条件 下，金属互连线阴极一端会向阳极移动。 s o c 嵌入式屯迁移测试及i p 开发 移动速度试验样品通常是在高电阻率的摹底材料( 如m o ，删上沉积电阻率较 低的条状金属( 如a u ，a i ) 。当样品两端加f 色压时，电流就会集中在电阻率较低的条 状金属中，在导线上形成较大的电流密度。在电迁移力的作用下，条状余属阴极一 端向阳极移动，在阳极形成小丘。 目27 移动建度试验的示意图 互连线一端的平均移动速度可用阴极的移动距离除以移动时间求得。可以 利用光学显微镜或扫描电镜直接测量也可通过测量互连线电阻的变化来确定。 理论分析表明，移动速度包括西个方而： 一是电迁移引起的移动速度v 方向是从阴极到阳极； 二是由应力梯度引起的移动速胁k 方向是阳极到阴极。 所以，总的移动速度为： v a = v 一v e = ：譬( z e p j n a c r ) ( 27 ) k “ 式中，切为有教扩教系数k 为玻耳兹曼常数：t 为温度：z 为有效电荷数：p 为 单位电荷：p 为电阻率：q 为原子体积：x 为治互连线的位置j 为原子迁移产牛 的压应力，馥力受封装电介质的影响很大。 24 脉冲电流情况 如果简单地接通电叫间退加计算寿命，根据直流电迁移寿命计算公式应得 p d c 下电迁移寿命表达式为： 1 ( a 仃f ) = a 二，“e x p ( e o i k t ) ( 2 8 ) r 但实验发现，在相当大的频率范围内( 1 h z 到1 m i i z ) 内y , i t f 并不满足上式， 而是近似满足： 1 ( m t f ) m = a j e x p ( e k t ) ( 2 - 9 ) r 可见实际的g r f 较( 1 ) 式预测的提高了约1 r 倍。由于r 总小于1 ，所以l r 总比l 大。这个结果可以用过剩空位平衡浓度的建立和弛豫时间柬解释。该时问 第二章电迁移基本原理及测量方法 1 5 依不同工艺条件而变化很大( 由几秒到上千秒) 。这意味着，在上述频段内，平衡 空位浓度的建立时间远远大于脉冲时间，于是在脉冲通电时间内过剩空位远未达 到相同直流电流下的平衡浓度，接着便进入脉冲间隔时期，通过驰豫使空位浓度 降低，因此，脉冲电流下的空位浓度远远低于相同电流的直流电流条件下的空位 浓度，电迁移寿命变长。 若脉冲的周期足够长，在单个脉冲通电时间内空位浓度可以达到平衡，电迁 移寿命应满足( 2 - 8 ) 式。 可以用不同的等效电流来描述这两种情况。当频率很低时，脉冲通电时期和 间隔时期可以看作是独立的，用瞬态等效直流电流来表示： ，7 = 砖p 2 a t ) “2 ( 2 1 0 ) 6 其中t 为脉冲周期。代入直流寿命公式，既可以得到( 2 8 ) 式。 在频率较高时，用平均等效直流电流来表示： 1t = 素i 础 ( 2 1 1 ) 6 代入直流寿命公式，既可得到( 2 - 9 ) 式。 严格说来，即使在1 h z 到1 m h z 频率范围，脉冲电流下的中值失效时间和直流 下的中值失效时间之比也不总等于1 俨，而是与电流密度有关，确切地可写为 l r n ( n ，n ( j ) 随j 指数上升。这是因为空位平衡浓度建立的时间并不是常数，而是 随电流密度的加大而加大。严格的理论推导可得出下面的关系 t s o ( p d c ) ，：1 + 正一1 ) 鱼 ( 2 1 2 ) ( d c ) 、， 7 式中为过剩空位平衡建立时间，靠为驰豫时间。当= 靠时有： t s o ( p d c ) = t s o ( d c ) r 2 ( 2 1 3 ) 这是前面描述的情况。但实际上不等于1 ，也不是常数，而是随电流密 度的增加而增加。根据式( 2 1 2 ) 计算得到的结果与实验结果的对比见图2 8 ，符 合的比较好。 脉冲频率对电迁移寿命的影响并不只限于前面讨论的情况，实验表明随着脉 冲频率的升高，电迁移寿命出现两次明显的提高图2 9 。 第一次提高和前面的结论一致，第二次提高则是前面的理论无法解释的。这 一现象分别对应着两种不同的驰豫机制一一熳驰豫和快驰豫。慢驰豫对应于空洞 附近的过剩空位在脉冲间隔期间的消失过程。若分别将慢驰豫过程和快驰豫过程 1 6 s o c 嵌入式电迁移测试及1 p 开发 的驰豫时间以一和靠表示，则有 m t f ( p d c ) = a f j 刊e x p ( e o k r ) ( 2 1 4 ) 其中当时，f = r _ 3 ；当靠q 时，f - - - - r - 2 ；当乃时，f = r - 1 。 由于温度也存在着驰豫，因此在不同频率情况下，连线的温度情况也将不同【3 1 。 热过程时间常数一般为微秒量级。随着脉冲频率不同，将出现三种温度情况如图 2 1 0 p j ，也将对寿命产生影响。 图2 8 电迁移寿命和电流密度、占空比之间的关系【3 】 图2 9 脉冲频率对电迁移寿命的影响 第二章电迁移基本原理及测量方法 避 辞 镄 遗 2 0 l o 0 d 0 0 2 0 d o l d c o 0 0 2 0 1 0 1 7 ( o 昝坤同j 1 1 分捌ic ) o 3 蛳( b ) 3 一o s ，) o 3 咿 图2 1 0 不同脉冲频率下的导体温度波形 在理想情况下，完全对称的双向脉冲电流的正负脉冲引起的电迁移相互抵消， 不发生电迁移，而实际中的b c 往往不是对称的，因此也存在失效问题。但其电迁 移寿命要远远长于d c 情况，也要长于p d c 情况，由于存在两个方向相反的离子 流，所以情况更为复杂，通常是在p d c 的基础上进行讨论，可以认为，总的离子 流满足【6 】： 拍= + 一，一 ( 2 1 5 ) 式中的，+ 和，一分别为按p d c 公式计算出的正周期和负周期的离子流密度。这种 将b c 看作两个方向p d c 合成的方法并不十分严格，因为b c 下的温度要比p d c 高。 另一种作法是将b c 电流换算为等效直流电流，然后按直流电流电迁移寿命公 式计算。 在p d c 和完全对称的b c 两种条件下，两种方法的结果相同，但对于非对称 的b c 情况，两种方法的结果略有不同。实验发现【7 1 ，b c 下的失效多出现于连线中 间。热模拟表明，连线中间的温度最高，因而温度梯度应该是产生失效的原因。 丌始提到的全对称的b c 电流下永远不失效并不总是成立的，只是在较高频率 下才有可能对称。因为如果单个正脉冲( 或负脉冲) 的时间足够长，则将产生一 些不可逆的结果( 如形成空洞) ，于是在负脉冲( 或正脉冲) 内不能得到补偿，电 迁移失效依然发生。 s o c 嵌入式电迁移测试及i p 开发 根据扩散原理，并假设空洞总是在三叉点处形成的， 三种情况下的寿命表达式： d c ：吼：可a j x ：( t ) o 嬲 眦：= 筹 a c ： 导出了d c 、p d c 和a c ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 本章对电迁移的基本原理、影响电迁移的因素以及常用的电迁移测 试方法进行了介绍，为后面章节提供理论指导。本章还对脉冲电流下互 连线发生电迁移与直流情况下的电迁移做了对比，并介绍了脉冲情况下 电迁移的原理。 筹吉 b 嵫 豫 5 m z 第三章监测电路及失效单元 第三章电迁移预警电路的设计 1 9 本章提出了一种片上预警电路的结构，说明了其工作原理，以及使用该电路 的优点；利用c a d e n c e 软件对电路进行的仿真和版图的制作；对i c 中易失效单元 进行了总结，并对易失效单元进行了版图制作。 3 1 预警电路结构及原理 随着电路集成度的提高，器件以及互连线尺寸的缩短，强电场产生的热载流 子急剧增加，器件偏置在标准工作状态的时间很少，因此，使用现有的外推法预 测寿命越来越无效。同时，由于设计周期的缩短，没有足够的时间来进行如此复 杂的仿真，对退化电路的仿真的迭代性使这种设计方法的周期更长。 为了解决以上不足，本文提出一种能与任何器件集成在一起，随器件老化并 在退化达到指定的界限时能发出失效信号的测试结构，此结构利用芯片中的片上 可靠性监视器，从而减小了对可靠性建摸的依赖，而且它只占用很小的面积。在 进行设计时，只需要仿真每个电路和测试结构的功能，可以避开耗时且麻烦的可 靠性仿真。这种内嵌式可靠性监测器可以用来预测器件失效，并提醒替换失效器 件，从而更可靠简便的避免系统上致命的故障以及由此带来的损失。 图3 1 给出了一种测试由电迁移引起的电路可靠性的方法。 k 1 v 2 图3 1 电迁移测试结构的示意图 这种结构可以对互连线上易失效单元的电迁移情况进行实时的监控。 s o c 嵌入式电迁移测试及i p 开发 3 1 1 集成电路中标志电迁移失效的因素 电迁移是金属布线中的金属离子与通过互连线的电子相互作用引起的输运现 象。从这个角度看，只要互连线中有电流存在，电迁移过程就不可避免。当互连线 线宽进入到深亚微米量级时，电流密度大幅度增加，电迁移引起的互连失效变得尤 为突出。电迁移过程伴随着互连线中空位的扩散、聚集和空洞( v o i d ) 成核、长大等 一系列材料的微观结构变化。自从1 9 6 8 年r o s e n b e r g 和b e r e n b a u m 第一次借助电阻测 量研究电迁移过程以来，电阻变化已经成为表征金属互连电迁移损伤的最常用的 参量。s h i n g u b a r a 等发现，当空洞形成或者发生形变时，往往伴随着电阻的突然改变， 并将这种现象称为电阻突变( a b r u p tc h a n g e si nr e s i s t a n c e ) ，实验证明，金属互连线 在第一个空洞成核时其上的电阻会急剧变化。 所以本课题对电迁移进行可靠性预测也应该从由电迁移引起的电阻变化入手， 通过监测、分析电迁移电阻的变化规律进而来研究电路退化的程度。有研究表明 金属互连线发生电迁移失效时，空洞几乎随时间呈线性长大，并且伴随着电阻突 变，这标志着电迁移失效。 文献【8 】给出了电迁移电阻变化规律的实验。实验样品为标准4 端引出金属互连 线测试结构，采用塑料双列直插封装，样品宽和长分别为2 和1 3 2 5 , u m ，由信息产业 部电予5 8 所的1 , u m 标准c m o s 工艺制造。加速寿命实验的条件如下：电应力 ，= 2 m , 4 c m 2 ，热应力t = 1 3 0 口c 。如下图： 毋 菩j 毒 时间t h 图3 2 加速寿命实验 实验数据表明，在空位聚集阶段电阻相对变化约为0 3 。这说明，在空洞未形成之 前电阻相对变化是很小的。 第三章监测电路及失效单元 2 1 试验的样品在9 6 h 时电阻变化速率发生改变，电阻迅速增加，可以推测此时对 应于金属线中第一个空洞成核时刻，标志着电迁移失效。文献【8 】还给出了文本公式 并进行了验证。 该理论试验结果表明，我们可以通过监测互连线电阻的变化情况来监测电路 由于发生电迁移失效而退化的程度。还有非常重要的一点就是，在电路未发生严 重退化时也就是如试验中所说的空洞未成核前，其阻值变化不大，这就说明标志 电迁移开始失效的电阻突变是比较明显的，容易被监测。这也为在图3 1 的电路 中确定低电阻r 的值有很大的意义。 对于脉冲电流和双向电流情形，电迁移失效时间较直流情况下长得多，若采 用电路断路测量，即使使用相当大的电流密度( 实验上也不容易做到) ，所需时 间也长的难以负担。而电阻测量在这方面具有很明显的优点。 当然电阻测量也有它的缺点，它容易受到一些偶然因素的干扰，影响测量的 正确性。更重要的是，当线宽下降到和晶粒尺寸相当时，电阻的变化行为相当复 杂，不但有渐变，而且有突变。在电迁移实验过程中，随着空洞的形成、结合和 湮灭，电阻可能出现跳变。在这种情况下，只能用噪声分析方法对多次电阻跳变 进行统计，求出电阻跳变的激活能，这个激活能和m t f 激活能是一致的，从而可 以得出电迁移失效特性。