銅互連線電遷移可靠性研究及其壽命預(yù)測.pdf

1、隨著集成電路的快速發(fā)展，晶體管特征尺寸進入到了納米級。但是電源電壓并沒有按相應(yīng)的比例降低，導(dǎo)致金屬互連線中的電流密度不斷增加。所以沿著電場反方向運動的電子與金屬離子進行動量交換和相互作用，金屬離子會產(chǎn)生以擴散主導(dǎo)的電遷移。集成電路中大量的晶體管是通過銅金屬互連線連接起來完成電信號傳輸，長時間工作后，金屬互連線發(fā)生的電遷移會導(dǎo)致互連線阻值、傳輸延時增加，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，對可靠性要求很高，如果發(fā)生失效會產(chǎn)生災(zāi)難性后果，因此我們需要預(yù)測其壽命，提前將該集成電路替換。傳統(tǒng)壽命預(yù)測分兩種：進行可靠性壽命試驗預(yù)測壽命；分析集成電路失效原因，確定失效機理，進行相關(guān)的可靠性改善。但是上述兩種方法周期長、不準(zhǔn)確和不具有實時性。目前，電子產(chǎn)品故障預(yù)測與健康管理(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)測準(zhǔn)和及時性等優(yōu)點。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)測中。針對電遷移失效機理，預(yù)測電路早于主電路發(fā)生失效。因為預(yù)測電路和主電路的周圍環(huán)境幾乎一致，所以加速失效的預(yù)測電路的失效預(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。
　　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)地對銅金屬互連線電遷移失效的基本原理進行研究分析；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)失效機理預(yù)兆單元，并且介紹了與時間相關(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)失效機理預(yù)兆單元。通過相關(guān)失效機理預(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)兆單元方法原理簡單，易于實現(xiàn)。⑶根據(jù)Black方程，我們選取金屬M1的最小寬度作為過應(yīng)力電阻的寬度，以保證過應(yīng)力電阻的橫截面積最小，流過該電阻的電流密度最大，電遷移效應(yīng)最明顯。然后設(shè)計電遷移壽命預(yù)測電路，包括一個參考電路和一個過應(yīng)力電路。過應(yīng)力

6、電路對過應(yīng)力電阻施加超過其極限電流數(shù)倍的大電流，加速其發(fā)生電遷移；參考電路測試應(yīng)力電阻阻值變化，如果過應(yīng)力電阻阻值增加超過一定范圍，我們判斷過應(yīng)力電阻發(fā)生了電遷移失效。⑷基于SMIC65nm1P6M CMOS工藝，設(shè)計電遷移壽命預(yù)測電路并進行瞬態(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)測主電路電遷移壽命。當(dāng)過應(yīng)力電阻阻值增加超過5％，比較器輸出電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，