基于噪聲的金屬互連電遷移表征方法研究.pdf

1、自集成電路問世至今，金屬互連電遷移現(xiàn)象一直是制約電路可靠性提升的重要因素之一。隨著微電子器件持續(xù)小型化，集成電路封裝不斷密集化，金屬互連薄膜的截面積越來越小，其承受的功率密度急劇增加，因此，由電遷移導(dǎo)致的互連失效已成為當(dāng)今集成電路可靠性研究中最關(guān)鍵的問題。
　　 如何對電遷移現(xiàn)象進(jìn)行敏感、準(zhǔn)確且全面的表征是電遷移失效研究中的基礎(chǔ)與根本。隨著互連工藝的不斷進(jìn)步，對可靠性要求的不斷提高，傳統(tǒng)表征方法表現(xiàn)出了一定的局限性，例如，中期失

2、效時間(MTTF)方法雖能通過統(tǒng)計學(xué)原理同時測定大量樣品，但卻無法通過失效機(jī)制對個別樣品進(jìn)行表征；原位檢測方法雖然直觀明了，但需對測試樣品進(jìn)行特殊的處理或制備，難以如實(shí)反映實(shí)際電路工作狀態(tài)下的電遷移失效；阻抗測試方法簡單易行，能有效反映空洞成核的發(fā)生，卻對電遷移早期損傷與潛在損傷并不敏感。因此，需要探索能更加直接地反映電遷移失效機(jī)制且更加靈敏的表征技術(shù)與參量。
　　 噪聲作為一種新型表征手段，在電子材料與元器件的可靠性研究中正在

3、得到越來越廣泛的應(yīng)用，主要原因在于：1.它的測試是非破壞性的；2.它具有高的靈敏性；3.測試方法簡單，不要求昂貴的測試儀器；4.建立噪聲模型的步驟相對簡單。本文將噪聲表征應(yīng)用于金屬互連電遷移失效研究，提出了低阻互連噪聲測試系統(tǒng)，建立了晶界噪聲自由體積模型，進(jìn)行了金屬互連電遷移老化實(shí)驗(yàn)，提取了電遷移噪聲頻譜表征參量，分析了表征參量所反映的失效機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，認(rèn)識到電遷移過程是一種復(fù)雜的動態(tài)失效過程，其噪聲信號中常常帶有非高斯性、非平穩(wěn)性

4、、復(fù)雜性、奇異性、渾沌性等特征，因此，采用了若干時間序列分析方法，對電遷移進(jìn)行了多個角度且更加全面、深入的分析與表征。本文的主要的創(chuàng)新點(diǎn)及成果體現(xiàn)在：
　　 1.針對傳統(tǒng)噪聲測試系統(tǒng)在電遷移低阻樣品測試方面的不足，建立了電遷移低阻樣品雙放大器串聯(lián)噪聲測試系統(tǒng)。新系統(tǒng)的一級放大采用超低噪聲前置放大器，保證能夠采集到幅度較小的樣品噪聲，其良好的頻率響應(yīng)特性確保了樣品噪聲的低頻段不產(chǎn)生畸變；二級放大器具有良好的放大增益，確保樣品噪聲能

5、夠被準(zhǔn)確采集，放大器串聯(lián)的形式使得系統(tǒng)總背景噪聲幅值與一級放大器背景噪聲相當(dāng)，有效降低了背景噪聲對樣品噪聲的干擾。
　　 2.對電遷移噪聲與電遷移主導(dǎo)缺陷-晶界的相互關(guān)系進(jìn)行了探討，明確了隨電遷移過程的進(jìn)行，晶界噪聲逐漸成為主導(dǎo)噪聲，在此基礎(chǔ)上，將晶界等效為二維散射平面，借助自由體積概念，建立了晶界自由體積噪聲模型。模型結(jié)果顯示，電遷移噪聲主要受晶界自由體積散射截面積S(vf)、晶界寬度δ、單位面積自由體積膨脹△V/A等參數(shù)影響

6、。參考晶界電子風(fēng)力增強(qiáng)因子表達(dá)式，提出晶界噪聲增強(qiáng)因子的概念并給出表達(dá)式，計算結(jié)果顯示相對于電子風(fēng)力在晶界處增大1-2個數(shù)量級，晶界處的噪聲增強(qiáng)達(dá)到4個數(shù)量級，顯示了噪聲參量的高靈敏度。
　　 3.采用新提出的低阻噪聲測量系統(tǒng)，設(shè)計了電遷移老化實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行了噪聲測試，對測試結(jié)果進(jìn)行了頻譜分析，結(jié)果顯示頻譜幅值在電遷移前期常常呈震蕩增大趨勢，空洞成核時刻產(chǎn)生跳變，之后隨空洞的生長信號可能產(chǎn)生低頻段衰減畸變；頻率指數(shù)則在空洞成核前在0

7、.8-1.5的范圍之內(nèi)緩慢增大(或震蕩增大)，空洞成核時期突變至1.5以上。另外，頻譜參量對于外部應(yīng)力的變化(溫度、電流密度)也非常敏感。
　　 4.證明了電遷移噪聲信號具有分形特性，分形維數(shù)能夠有效地區(qū)分電遷移過程的各個階段，反映電遷移導(dǎo)致缺陷類型的變化及電遷移噪聲產(chǎn)生機(jī)制的變化。通過盒子維與滲流理論將噪聲時間序列分形維數(shù)與晶粒間界分形維數(shù)相聯(lián)系，通過對噪聲維數(shù)的表征，描述了晶界形貌隨電遷移過程的演變。通過相關(guān)維數(shù)對電遷移噪聲

8、的隨機(jī)性與確定性進(jìn)行了表征，確定了噪聲由電遷移前期的隨機(jī)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娺w移后期的混沌動力學(xué)信號，反映了噪聲產(chǎn)生機(jī)制由空位隨機(jī)散射轉(zhuǎn)變?yōu)榭斩搭悘椀阑煦缜惠斶\(yùn)機(jī)制。另外，通過相關(guān)維數(shù)是否收斂，可預(yù)測電遷移失效的發(fā)生。
　　 5.根據(jù)熵在刻畫系統(tǒng)所處狀態(tài)的無序性或混亂度方面的重要作用，采用多尺度熵分析方法對電遷移信號的復(fù)雜度特性進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：電遷移早期，噪聲信號較不規(guī)律，其復(fù)雜度較大；電遷移空洞成核階段，噪聲信號規(guī)律性增強(qiáng)，復(fù)雜