（材料物理与化学专业论文）vlsi金属互连电迁移的噪声检测技术研究.pdf

摘要 憾着微电子器件向深亚微米量级发展，超大规模集成电路封装逐步趋于小型化、密 集化。作为v l s i 互连线的金属薄膜的截面积越来越小，其承受的功率密度急剧增加， 使得电迁移成为电路的主要失效模式之一9 ) 本论文在简要介绍电迁移失效机理、噪声理 论和l f 信号表征方法的基础上，对各种电迁移可靠性实马佥 平估方法( 传统的寿命测试 法、电阻变化测量法、噪声测量法) 的特点作了分析对比。重点研究了v l s i 金属互连 电迁移噪声检测技术。基于对国内外相关技术发展动态与现状的研究与分析，完成了金 属薄膜的电迁移微弱噪声信号测试系统的设计，并实现了数据的自动采集与处理。通过 加速寿命实验和对样品的噪声测量，获取了样品电迁移过程不同损伤程度的噪声数据。 对实验数据和结果做了对比分析，找到了与电迁移相关的噪声表征参量的变化规律。研 究结果表明噪声有可能用于电迁移可靠性表征。而且与其它传统的测试方法相比，噪声 方法有着测试条件接近正常工作状态、测试时间短、敏感度高和非破坏性等优点，有较 好的应用前景。 关键词：v l s i 金属互连电迁移可靠性评估噪声测试 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i cd e v i c e st ot h el e v e lo f s u b - m i c r o m e t e r , t h ep a c k a g eo f v l s ii sb e c o m i n gm u c hs m a l l e ra n dd e n s e rt h a nb e f o r e c o n s e q u e n t l y , t h em e n i n t e r c o n n e c t s o fv l s ih a v es m a l l e rs e c t i o n a la r e aa n dc a r r yi n c r e a s i n gp o w e rd e n s i t y , w h i c hm a d et h e e l e c 仃o r n i g r a t i o nb e c o m eo n eo ft h e m a i nl a t e n t d a m a g em o d e s o b v i o u s l y , t h er e l i a b i l i t y a s s e s s m e n to f t h ee l e c t r o m i g r a t i o no f v l s i sa li n t e r c o n n e c t si so f g r e a ti m p o r t a n c e h 自f , e rb r i e f l yd e s c r i b i n gt h ed a m a g em e c h a n i s mo fe l e c t r o m i g r a t i o n , n o i s e st h e o r i e sa n d s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s ，m a n y k i n d so f e x p e r i m e n t a la s s e s s i n gm e t h o d so fe l e c t r o m i g r a t i o n ， s u c ha st h et r a d i t i o n a lm t ft e s t , t h et e s to fc h a n g e so fr e s i s t a n c ea n dn o i s em e a s u r e m e n t , e t c ， a r er e v i e w e di nt h i sp a p e r , a n di t sr e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo fn o i s e sd e t e c t i o nh a sb e e n s t u d i e de m p h a t i c a l l y b a s e do nt h ed e t a i l e di n v e s t i g a t i o no nt h ec o r r e l a t i v ef i e l d so fh o m ea n d a b r e a c t , i tw a s c o n s i d e r e dt h a tt h en o i s e sc o u l db et h c o m t i c , a l l yu s e dt os t u d yt h ee l e c t r o m i g r a t i o n p h e n o m e n o n f u r t h e r m o r e ，t h e m e t a u i z a t i o n a lf i l ml e v e l sn o i s e sm e a s u r e m e n t s y s t e m o a a r d w a r ea n ds o f t w a r e ) w a sd e s i g n e d , t h ea u t o m a t i c d a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i sh a v eb e e n r e a l i z e dn o i s e sm e a s u r e m e n td u r i n ga c c e l e r a t e dl i f et e s t , n a m e l ye l e c t m m i g r a f i o np r o c e s s ，h a v e b e e nc o m p l e t e d ，a n dal o to f v a l u a b l ed a t ah a v eb e e ng a i n e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sc o n f i r m e d c o n v i n c i n g l y t h a tn o i s e sm e a s u r e m e n tm e t h o dn o to n l yi s f e a s i b l e ，b u t a l s oh a v em a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha st h es i m i l a r i t yo f d e t e c t i o nc o n d i t i o n s t ot h ea c t u a ls t a t e ，s h o r tt e s tt i m e ，g o o d s e n s i t i v i t y a n dn o n - d e s t r u c t i v i t y d e f i n i t e l y , n o i s em e a s u r e m e n tm e t h o dw i l lh a v e an i c e a p p l i c a t i o n i nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：v l s i m e t a li n t e r c o n n e c t s e l e c t r o m i g r a t i o nr e l i a b i l i t ya s s e s s m e n t n o i s e m e a s u r e m e n t v l s i 金属互连电迁移的噪声检测技术研究 第一章绪论 自1 9 5 8 年集成电路问世以来，其发展一直遵循着摩尔定律，向着不断提高系统性能 及眭能价格比的目标前进。由于晶体生长技术的提高以及制造设备不断完善，加工精度、 自动化程度和可靠性的提高，使得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。当集成电路进入超大规模阶段后，金属互连在整个集成电路芯片中所占的面 积越来越大，金属互连问题也就自然成了集成电路发展的关键。金属互连的性能、质量 和可靠性引起人们重视，成为新的研究热点u l 。 传统的可靠性测试方法常采用加速寿命实验。将样品置于高温、高湿、高腐蚀性或 高偏置条件下，对样品进行批量测试，得到其寿命然后进行统计分析，估计出一批样 品的平均寿命。这种方法在预测样品的长期工作稳定性方面有一定的应用价值，而且， 用这种方法预测所得的样品寿命一般比其实际寿命要短。加速寿命实验可以保证在所预 测的样品平均寿命范围内，集成电路可以可靠地工作。但是，这种实验通常是破坏性的。 根据加速寿命实验的原理和方法，我们可以看出加速寿命实验只能预测整批样品的平均 寿命，而不能对单个样品进行可靠性预测，更不能用来筛选可靠性较高的样品。 当前1 ，f 噪声应用于微电子技术可靠性评估方面已越来越受到人们的青睐邴l 。众所 周知，电子系统的内部噪声是制约其性能、质量和可靠性的关键因素之一。在各类测试 系统中，噪声的大小决定了系统的分辨率和可检测的最小信号幅度，系统的噪声主要来 自构成系统的分立元件中的噪声，随着电子整机向着高度集成化和微系统化发展，系统 内各部分的噪声对于整机性能的影响也越来越突出，与之相适应，低噪声电子学的研究 重点也逐渐从传统的线路低噪声电子设计转向分立元件的低噪声物理研究，以及包括低 噪声设计和低噪声工艺在内的低噪声化技术的研究。研究表明，低频噪声的大小敏感地 反映着电子器件内在质量和可靠性的优劣。国外对噪声的研究大体上经历了三个阶段： 第一个阶段是在1 9 7 0 年前后，广泛研究了各种噪声的形成机理及其与器件微观参数的关 系；第二个阶段是从7 0 年代中期至8 0 年代中期，在对器件噪声特性作进一步深入了解 的同时，研制开发了多种低噪声分立器件和集成电路；第三个阶段大约是从1 9 8 5 年开始， 一 利用噪声( 特别是低频噪声) 作为器件微观性质研究、质量和可靠性评估的手段。截至目 前，电子器件中的噪声研究仍是一个非常活跃的领域，尚待解决的问题仍然很多。 超大规模集成电路( v 】l s i ) 有多层绝缘薄膜和导电薄膜，通常是用物理或化学淀积 的方法来实现的。多年来为适应小尺寸器件的需要，对导电薄膜的制造工艺和材料已做 了许多改进。铝是当前集成电路中最为常用的金属连线材料，导电膜中铝的化学性质比 较活泼，高温下易与s i 或s i c h 作用，大电流密度下有迁移现象。在般电路中，铝和 铝合金基本上可以满足这些芯片制造的要求。但当集成电路发展到v l s i 阶段之后，器 件集成度的提高，芯片面积的增大，器件尺寸的减小，都要求金属连线的宽度减少、连 第一章绪论 线层数增加，而连线宽度减小不仅会引起连线电阻增加，电路互连延迟时间增大，而且 还会导致电流密度增加，引起电迁移，严重影响电路的可靠性。 电迁移现象是由于在电流作用下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。矾这个角度来讲，只要互连线中有电流存在，电迁移现象就是不可避免 的。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，影响集成电路的寿 命。a n e m s e k e r a 和c a m p b e l m 在f a i l u r e m e c h a n i s m s i n s e m i c o n d u c t o r d e v i c e s ) ) 里系统 的描述了各种失效机理的起因和效果，确定电迁移为v l s i 失效的主要模式。自从1 9 7 3 年v o s s e n 第一次提出低频噪声可被用于金属电迁移失效研究后，噪声检测方法所具有的 测试条件j 陵j 丘样品正常工作条件、非破坏性、省时和灵敏度高等优点越来越引起人们重 视。随后多种以噪声为基础的技术逐步发展起来了睁嘲，如基于l 噪声的电迁移测试技 术。研究表明1 8 1 1 9 1 1 m 1 1 1 4 1 ：当应力作用时间足够短，电阻还没有明显变化时就可观察到1 ，f 7 噪声( y 1 5 ) 的变化。该项技术要求非常高的灵敏度和稳定性，必须能够把热噪声和 由电阻变化引起的1 f 噪声区分开。有人提出l 噪声( y 0 。 例如，对于一个具有噪声系数n f = 3 d b 的放大器，相当f = 2 ，即从输出端看，输 第三章电迁移噪声检测方法研究 出信噪比为输入信噪比的一半，从输入端看，放大器本身的等效输入噪声功率与 源电阻热噪声功率相等。应该指出，通常指的噪声系数所对应的噪声功率均是指 1 h z 噪声带宽下的噪声功率，因此又称为电噪声系数。电路的低噪声化的目的就 是要最大限度的降低放大器的噪声系数。实际上，放大器的噪声系数的大小决定 了该系统的最小可检测信号( 又称为检测或通信系统的实际灵敏度) 。放大器的 噪声系数越大，放大器的极限灵敏度越低，这是因为f 越大，即放大器的内部噪 声越严重，需要更强的信号才能得到所需要的输出信噪比。减小放大器的噪声带 宽可以提高检测灵敏度，这是因为噪声功率与放大器噪声带宽成正比，减小它可 以使输出噪声减小。但是，放大器的带宽不能无限减小，应该以保证信号的正常 传输为限。 国外典型低噪声放大器及其使用 本次实验采用美国e g & g 普林斯顿应用研究公司开发的p a r c l1 3 型低噪声 前置放大器，具有高通及低通滤波器，其截止频率可调，以滤除带外噪声。输入 端有接地及浮地两种形式可供选择。供电方式有交流电源供电及直流可充电电池 供电。还有差分及单端输入两种方式。其主要功能指标为如下所述。 增益：1 0 1 0 4 ，连续可调，精度为士2 。 噪声：在f = - 1 0 h z s ，r s = 2 m q 时，n f v n 第三章电迁移噪声检测方法研究 则保留位的1 ，否则清0 ，同时又把d n 3 置1 ，如此重复变换、比较直到把n 位 寄存器中最后一位比较完为止，控制单元发出转换结束信号，转换结束后读出n 位寄存器的数字量，就是与模拟量对应的结果。显然，n 位寄存器要比较n 次， 每次都更加接近输入量，故称为逐次逼近式。 本测试系统就是采用这种转换方式，1 2 位精度、最大3 3 3 k 采样率。 p c i 总线接口 1 9 9 3 年i n t e l 公司发布了p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线。该总线 为3 2 位总线，时钟频率3 3 m h z ，总线最大传输率为3 2 3 3 1 8 = 1 3 2 m b s 。 该总线中有3 2 位的地址和数据复用线，还有一些中断应答、总线命令以及 时钟等控制信号线构成。 该总线在工作时，首先在地址数据线上形成地址，再由总线命令线发出读写 地址有效命令，将该地址送出；然后，该地址对应的设备便准备接受读写，并在 准备就绪后发出就绪信号：在就绪得到确认后，总线命令线上给出数据发送命 令，地址数据线上便会在每一个时钟的上升沿上读写一个3 2 位的数据：直到命 令线上发出读写结束命令，至此，读写操作完成。 p c i 所采用的这种工作方式，可以不断地满载数据进行传送，减少无谓的寻 址操作，以确保更有效地利用总线带宽。所以，测试系统选用这样的高速接口 卡，以实现对噪声信号的实时处理。 数据采集卡 测试系统中采用a d l i n k 公司开发的p c i 9 1 1 8 g 数据采集卡，该卡是一种基 于3 2 位p c i 总线的即插即用型高性能数据采集卡。同时，还提供了3 2 位的设备 驱动程序及丰富的接口函数。 图3 1 7 为数据采集卡的布局图。 该卡具有十六个输入端，可输入十 六路模拟信号，或者可以分为八组输入 八路差分信号。输入端输入阻抗1 0 ，0 0 0 m q 6 p f ，输入范围可达1 0 v ，并且配 有过压保护。内置运算放大器可实现 1 、2 、4 、8 的可编程输入增益控 制。并配有自动通道扫描选择功能、长 达2 5 6 的通道采样序列编程功能以及通 图3 1 7 数据采集卡布局图 道增益记忆功能。除此之外，它还提供了四个通道的1 2 位模数输出。 v l s i 金属互连电迁移的噪声检测技术研究 采用b b 公司开发的a d s 7 8 0 0 模数转换器具有1 2 位a d 分辨率，最高 3 3 0 k 采样频率，有上升沿、下降沿、连续触发等三种触发方式。 最高带宽可达1 3 3 m b s 的3 2 位p c i 总线界面，以及板载的1 kf i f o 缓冲 器，可以提供查询、中断、d m a 等多种数据传送方式。 本文所述的测试系统中，只使用了通道0 ，单端输入方式，采样率选择1 0 k 样本s ，连续触发模式，和使用了带缓冲的d m a 数据传送方式。 3 2 1 传输函数 3 2 测试软件系统的设计与实现 传输函数 由于测量只能在测试系统的末端进行，测得的数据也只是待测信号在经过测 试系统传输后的结果；所以，在测量结束后的处理数据中，就有必要进行适当的 处理，以计算出待测信号。 系统近似 由于测试系统较为复杂，而且具有某种程度上的不确定性，所以，要想精确 地还原出待测信号就非常困难，几乎不可能。实际操作中，也考虑到计算精度和 计算量的要求，我们只对传输系统作简单模型的近似。只要模型建立比较合适， 就可以使精度在允许范围内的同时又不会引入难以忍受的大计算量。 在本次试验的数据处理过程中，我们对系统作了如下几点假设： 1 、对于不同的信号，系统传输 的特性没有变化。 2 、该系统由一个线性系统a 和 一个与之独立的背景噪声源b 构 成，如图3 1 8 示，即不论输入何种 信号都不会引起系统背景噪声的变 化。 系统噪声源既可以等效到输入 图3 一1 8 系统等效图 端也可以等效到输出端，本次试验中，之所以将系统噪声源等效到输出端，仅仅 是因为输出端信号比较强，操作时较容易保持一定的精度。 3 、组成该系统的两个系统a 和b 在输出端呈现功率相加的特性。 4 、系统中线性部分a 对不同频率信号的传输是相互独立的，即对系统a 输 入中某个频率的信号不会影响系统对其它频率分量的传输。 第三章电迁移噪声检测方法研究 另外，由于测试结果都是以频域的功率谱密度来表示的，对测试结果的分析 也集中在频域的幅频特性上，所以，系统的相频特性对分析结果没有影响，本次 实验数据处理中只需考虑幅频特性。 系统分析 根据上面的假定，进一步假设线性系统a 的传输函数为h ( c o ) ，背景噪声源 的噪声功率谱密度为n ( c 0 1 。 如果给上述系统输入一个功率谱密度为s ( c o ) 的信号，由于各个频率之间不发 生干扰，则可解得其输出 f ( c o ) = h ( c o ) s ( c o ) + n ( c o ) ( 系统方程)( 3 - 1 6 ) 根据这个结论，如果我们已知对两个不同信号s ， ) ，s ：( c o ) ，以及其经过系 统传输后的频谱e ( ) ，e ) ；那么，将这两组数据代入系统方程可得： e ( c o ) = h ( o a ) s 1 ) + n ( c o ) ( 3 - 1 7 ) ( c o ) = h ( c o ) s 2 ) + n ( o j ) ( 3 1 8 ) 于是就可以通过解这个系统方程组的办法来确定h ( c o ) 和n ( e o ) 。 有了h ( c o ) 和n ( o o ) ，我们就可以将系统方程确定下来，进而，可以对系统方 程作适当的变换取得待测信号的显式表达式： 踟) 卜m ( ) ( 3 - 1 9 ) 如果输入信号s ( c o ) = 0 ，那么 f ( ) = h ( c o ) 0 + ( ) = ( ) ( 3 - 2 0 ) 即当输入信号为0 时所测得的输出就是背景噪声。 如果输入信号s ( c o ) = 1 ，那么 f ( ) = h ( ) l + ( ) = h ( c o ) + n ( o o ) ( 3 - 2 1 ) 即当输入信号为1 时所测得的输出是背景噪声和传输函数之和。 所以，通常我们先取一个s ( ) = 0 ，直接测得背景噪声 r ( 国) 。再给系统输入 一个功率谱密度为单位1 的白噪声信号，将输出信号和前面测得的背景噪声取 差，即得到传输函数日( 国) 。 需要说明，功率谱密度的单位l ，并不一定是l v 2 h z ，由于噪声分析多集中 在相对量、比值的分析中，所以实际实验中，可以选取一个较为合适大小的谱密 度作为单位1 。 系统模型的使用 3 0 v l s i 金属互连电迁移的噪声检测技术研究 实验中的传输系统有电容、变压器等多种频率敏感的元件，还包括有源的前 置放大器。要建立电路模型来分析非常困难，使用传输模型比较合适。 对不同的系统，传输模型是不同的。这就要求系统必须处于完全相同的状 态，各个电阻包括测试样品的阻值，前放的放大倍率等诸多因素的变化都使传输 特性变化。 但是，在实际操作中，由于精确测量是不可能实现的，所以；在不影响试验 结果的情况下，可以对系统传输模型的计算作适当的近似。 具体的计算作了如下近似： 1 、计算传输模型中的传输函数时，我们近似认为在前置放大