銅互連線電遷移可靠性研究及其壽命預(yù)測(cè).pdf

1、隨著集成電路的快速發(fā)展，晶體管特征尺寸進(jìn)入到了納米級(jí)。但是電源電壓并沒(méi)有按相應(yīng)的比例降低，導(dǎo)致金屬互連線中的電流密度不斷增加。所以沿著電場(chǎng)反方向運(yùn)動(dòng)的電子與金屬離子進(jìn)行動(dòng)量交換和相互作用，金屬離子會(huì)產(chǎn)生以擴(kuò)散主導(dǎo)的電遷移。集成電路中大量的晶體管是通過(guò)銅金屬互連線連接起來(lái)完成電信號(hào)傳輸，長(zhǎng)時(shí)間工作后，金屬互連線發(fā)生的電遷移會(huì)導(dǎo)致互連線阻值、傳輸延時(shí)增加，極大地影響集成電路的性能，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致集成電路芯片功能的失效。因此，銅金屬互連線

2、電遷移可靠性問(wèn)題引起了人們的高度重視。應(yīng)用于軍用裝備和航空航天設(shè)備的集成電路工作環(huán)境惡劣，對(duì)可靠性要求很高，如果發(fā)生失效會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性后果，因此我們需要預(yù)測(cè)其壽命，提前將該集成電路替換。傳統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)分兩種：進(jìn)行可靠性壽命試驗(yàn)預(yù)測(cè)壽命；分析集成電路失效原因，確定失效機(jī)理，進(jìn)行相關(guān)的可靠性改善。但是上述兩種方法周期長(zhǎng)、不準(zhǔn)確和不具有實(shí)時(shí)性。目前，電子產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)與健康管理(Prognostics and Health Management o

3、f Electronics，ePHM)技術(shù)得到認(rèn)可，并且具有成本低、預(yù)測(cè)準(zhǔn)和及時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。本文主要是將 eP HM技術(shù)中的金絲雀法應(yīng)用到銅金屬互連線的電遷移壽命預(yù)測(cè)中。針對(duì)電遷移失效機(jī)理，預(yù)測(cè)電路早于主電路發(fā)生失效。因?yàn)轭A(yù)測(cè)電路和主電路的周?chē)h(huán)境幾乎一致，所以加速失效的預(yù)測(cè)電路的失效預(yù)示主電路即將發(fā)生失效。為了防止發(fā)生災(zāi)難性后果，把該芯片替換下來(lái)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴闡述了集成電路中金屬互連線技術(shù)的發(fā)展及其電遷移可靠性，并

4、概述國(guó)內(nèi)外ePHM技術(shù)的研究現(xiàn)狀。⑵介紹了銅金屬互連線電遷移失效原理、失效模型和ePHM技術(shù)中的金絲雀法。從理論上系統(tǒng)地對(duì)銅金屬互連線電遷移失效的基本原理進(jìn)行研究分析；介紹了銅互連線電遷移失效模型（Black方程）；最后詳細(xì)介紹了電遷移(Electromigration，EM)失效機(jī)理預(yù)兆單元，并且介紹了與時(shí)間相關(guān)電介質(zhì)擊穿(Time Dependent Dielectric Breakdown，TDDB)、熱載流子效應(yīng)(Hot Car

5、riers Injection，HCI)和靜電放電(Electro-Static Discharge，ESD)失效機(jī)理預(yù)兆單元。通過(guò)相關(guān)失效機(jī)理預(yù)兆單元的介紹，可以體現(xiàn)出本文采用的ePHM技術(shù)中預(yù)兆單元方法原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。⑶根據(jù)Black方程，我們選取金屬M(fèi)1的最小寬度作為過(guò)應(yīng)力電阻的寬度，以保證過(guò)應(yīng)力電阻的橫截面積最小，流過(guò)該電阻的電流密度最大，電遷移效應(yīng)最明顯。然后設(shè)計(jì)電遷移壽命預(yù)測(cè)電路，包括一個(gè)參考電路和一個(gè)過(guò)應(yīng)力電路。過(guò)應(yīng)力

6、電路對(duì)過(guò)應(yīng)力電阻施加超過(guò)其極限電流數(shù)倍的大電流，加速其發(fā)生電遷移；參考電路測(cè)試應(yīng)力電阻阻值變化，如果過(guò)應(yīng)力電阻阻值增加超過(guò)一定范圍，我們判斷過(guò)應(yīng)力電阻發(fā)生了電遷移失效。⑷基于SMIC65nm1P6M CMOS工藝，設(shè)計(jì)電遷移壽命預(yù)測(cè)電路并進(jìn)行瞬態(tài)及直流仿真。當(dāng)電源電壓 VDD=1.1V~1.3V，溫度 T=-55℃~125℃，以及五種不同工藝角情況下，電路能正確預(yù)測(cè)主電路電遷移壽命。當(dāng)過(guò)應(yīng)力電阻阻值增加超過(guò)5％，比較器輸出電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，