亚微米接触孔电迁移失效分析教案资料.docx

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据 IH S isup p l i 公 司 研 究 分 析 ， 继 2 0 10 年 增 长 4 1% 之 后 ，2 0 1 1 年 全 球 电源 管 理 半 导 体 市 场 销 售 额 增 长 速 度 将 明 显 放 慢 ，但 仍 将 保 持 两 位 数 的速 度 。Z O n 年 全 球 电源 管 理 半 导 体 销 售 额 将 升 至 3 62 亿 美 元 ， 比 20 10 年 增 长 13% 。2 01 1 年 每 个 季 度 都 将 保 持 增 长 〔们。
2 0 0 9 年 全 球 车 用 半 导 体 市 场 增 长 受 到 发 生 来 自 2 0 08 年 底 金 融 风 暴 的冲 击 ， 而 使 得 市 场 较 20 08 年 下 滑 22% ，为 157 亿 美 元 。2 0 10 年 ， 随 着 全 球 经 济 情 势 趋 于 稳 定 ，车 用 半 导 体 市 场 同 步 回 升 ，较 2009 年 增 长 36% ，达 到 21 4 亿 美 元 。 而 未 来 受 惠 于 环 保 节 能 的 市 场 趋 势 及 新 兴 市 场 汽 车 销 售 量 的 大 幅 扬 升 ，将 可 持 续 拉 升 全 球 车 用 半 导 体 市 场 的 增 长 。全 球 车 用 半 导 体 市 场 200 9 年 下 滑 后 ， 2 0 10 年 一20 14 年 将 呈 现 连 续 5 年 上 扬 局 面 ，至 2 0 14 年 产 值 可 达 到 2 57 亿 美 元 〔5，。

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图 1. 1 : 2 。。9 、2 0 14 全 球 车 用 半 导 体 市 场
电源 管 理 半 导 体 和 车 用 半 导 体 在 集 成 电路 制 造 业 中一 直 具 有 稳 定 市 场 ，且 有 缓 慢 上 涨 的趋 势 。电源 管 理 半 导 体 和 车 用 半 导 体 的 主 要 芯 片 来 源 是 功 率 场 效 应 管 和 逻 辑 控 制 器 件 ，其 主 要 工 艺 技 术 节 点 的 是 特 征 尺 寸 为 0. 35 微 米 的 亚 微 米 制 造 工 艺 。功 率 场 效 应 管 芯 片 的需 求 量 一 直 是 最 大 的 ，但 同 时其 芯 片 面 积 小 ，因而 转 移 到 8 英 寸 厂 后其 晶 圆 需 求 量 降低 。而 逻 辑 控 制 器 件 芯 片 面 积 较 大 ，特 别 是 应 用 于 车 用 半 导 体 的汽 车 电子 芯 片 ， 由于 其 可 靠 性 要 求 高 ， 价 格 一 直 比 同类 产 品 高 。 随 着 原 先 主 要 生产 亚 微 米 工 艺 和 微 米 工 艺 的 5 英 寸 、6 英 寸 厂 的 陆 续 关 闭 ，使 得 作 为 其 主 要 产 能 的 亚 微 米 产 品 都 转 移 到 了 8 英 寸 厂 来 生 产 。国 内 集 成 电 路 公 司 都 在 发 展 其 在 亚 微 米 工 艺 市 场 上 的 份 额 ， 特 别 是 车 用 半 导 体 市 场 。
但 是 可 靠 性 的 问题 使 得 中 国半 导 体 制 造 业 难 以扩 大汽 车 电子 芯 片 市 场 。虽 然 中 国汽 车 电子 市 场 近 年 来 也 随 着 中 国汽 车 产 业 一 起 进 入 快 速 发 展 时 期 ，但 我 国汽 车 电子 芯 片 技 术起 步 较 晚 ，基 础 薄 弱 ， 由外 资 企 业 占据 着 市 场 和 技 术 的 决 定 权 。 尽 管 国家 和 地 方 政 府 发 展 汽 车 电子 行 业 的举 措 加 大 ，但 汽 车 电子 类 IC 市 场 仍 被 国 外 厂 商 所 占据 : 英 飞 凌 、 瑞 萨 、 飞 思 卡 尔 、 意 法 半 导 体 、NX P 、 博 世 、 德 州 仪

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器 ，如 下 表 1. 1 所 示 全 球 汽 车 芯 片 市 场 份 额 排 行 。
表 1. 1: 2009 年 全 球 汽 车 芯 片 市 场 份 额 排 行
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本 土 芯 片 设 计 公 司 的 芯 片 产 品 ，大 多 数 并 不 符 合 汽 车 用 规 格 ，如 工 作 温 度 、 EM C 性 能 、通 讯 接 口标 准 等 要 求 ，也 没 有 经 过 国 外 专 业 公 司 严 格 的认 证 钡(试 。而 且 由于 没 有 大 批 量 产 应 用 的验 证 ，很 难 获 得 模 块 开 发 商 以及 主 机 企 业 的 认 可 。不 同于 消 费 电 子 产 品 迅 速 的 更 新 换 代 ， 汽 车 电子 产 品 一 定 要 在 10 一 巧 年 内 ，保 证 安 全 可 靠 。 因此 质 量 是 汽 车 电子 产 品 很 重 要 的考 验 。“汽 车 电子 产 品 与 工 业 应 用 的 区 别 在 于 ，前 者 稍 有 改 动 都 要 层 层 通 知 用 户 ， 经 允 许 后 才 做 修 改 。”
汽 车 电子 产 品 最 基 本 的要 求 是 零 缺 陷 系统 和 150/T S 16949 认 证 ，并且 由于产
品可 靠 性 问题 对 安 全 性 能 的 影 响 ，要 求 晶 圆 代 工 厂 有 完 整 的 质 量 管 理 体 系 、质 量 管 理 团 队 和 系 统 的 失 效 分 析 手 段 。近 年 来 ， 国 内集 成 电路 公 司 陆 续 通 过
IS 0/ TS 16949 汽 车 质 量 管 理 体 系 认 证 ， 如 宏 力 半 导 体 、华 虹 NEC 和 中芯 国 际 等 。
随 着 电迁 移 引 起 的 集 成 电路 可 靠 性 问题 日益 凸现 ，它 不 但 影 响 着 我 国 集 成 电 路 工 艺 水 平 的 提 高 ， 也 不 利 于 晶 圆 代 工 厂 对 于 半 导 体 市 场 的 占领 与 开 拓 。

第 三 节 铝 接 触 孔 电迁 移 可 靠 性 的研 究

电 迁 移 是 超 大 规 模 集 成 电 路 中 一 个 重 要 的 失 效 机 制 ，它 是 由 于 在 电 流 作 用 下 金 属 中 的 离 子 位 移 所 致 ，是 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 。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 。前 者 将 使 互 连 引 线 开 路 或 断 裂 ，而 后 者 会 造 成 引 线 之 间 的 短 路 。 通 孔 是 多 层 互 连 系 统 中 的 一 个 脆 弱 环 节 ，它 的 稳 定 性 是 整 个 互 连 系 统 可 靠 性 的 关 键 。 铝 互 连 电迁 移 存 在 两 个 不 同 的 电迁 移 失 效 模 式 :通 孔 电迁 移 和 引 线 电迁 移 〔6，。
对 于 亚 微 米 工 艺 的 逻 辑 控 制 器 件 ，金 属 连 线 一 般 只 有 一 至 两 层 ，而 功 率 场 效
应 管 只 有 一 层 金 属 连 线 。所 以在 亚 微 米 工 艺 中 的 通 孔 电迁 移 失 效 主 要 是 接 触 孔 电

迁 移 失 效 ， 其 实 质 是 硅 在 铝 中 的 电迁 移 而 形 成 渗 透 坑 导 致 的 失 效 。
硅 在 铝 中 的 电迁 移 指 的 是 固 态 溶 解 在 铝 膜 中 的 硅 原 子 ， 由于 分 布 不 均 匀 ，存 在 浓 度 梯 度 ，便 要 向外 扩 散 ; 如 有 大 电 流 密 度 通 过 时 ，电子 的动 量 也 要 传 递 给 硅 原 子 ，使 之 沿 电子 流 方 向移 动 ，即 产 生 电 迁 移 。这 种 电迁 移 在 高 温 下 更 容 易 产 生 ， 当 电流 由铝 膜 并 通 过 A l一Si 界 面 流 入 硅 中 时 ，促 使 铝 中 的硅 向铝 表 面 迁 移 ，从 而 加 剧 了接 触 窗 口下 硅 向铝 中 的 溶 解 ，使 硅 上 的渗 透 坑 变 深 ， 以至 PN 结 短 路 。
只 要 存 在 有 热 斑 或 者 说 存 在 高 温 、 高 的 温 度 梯 度 和 高 电流 密 度 的 区 域 ，在
A1 一Si 界 面 就 可 能 发 生 A1 的 电 热 迁 移 。 这 种 迁 移 通 常 沿 5 1一5 102界 面 温 度 梯 度 最 大 、热 阻最 小，路 径 最 短 处 进 行 (呈 丝 状 渗 入 ) ， 所 以 ，金 属 离 子 最 易 横 向迁 移 ，并 形 成 沟 道 。也 可 在 纵 向发 生 ，硅 不 断 向 铝 中扩 散 ，远 离 界 面 向铝 表 面 迁 移 ， 同 时 在 硅 中 留 下 大 量 空 位 ; 于 是 ，加 剧 了 A I一Si 接 触 处 铝 在 硅 中 的 电热 迁 移 使 A1 进 入 Si 后 的 渗 透 坑 变 深 变 粗 ， 形 成 合 金 钉 ， 严 重 时 可 穿 越 PN 结 使 之 短 路 。
下 图 1.2 是 早 期 的 微 米 纯 铝 工 艺 中 ，硅 在 铝 中 的 电迁 移 形 成 过 程 。接 触 窗 蚀
刻 并 清 洗 之 后 ，会 在 硅 表 面 形 成 一 层 很 薄 的 自然 氧 化 层 ，但 其 很 容 易 具 有 一 定 的
缺 陷 。 因 为 铝 对 二 氧 化 硅 具 有 一 定 的 穿 透 率 ， 发 生 化 学 反 应
4AI +3 5 102= 2A 12氏+3 5 1 ，且 其 穿 透 率 强 烈 依 赖 于 温 度 ，所 以硅 容 易 从 具 有 缺 陷 的 地 方 渗 透 进 铝 中 。由于 ，铝 在 硅 中几 乎 不 溶 ，而 硅 在 铝 中 具 有 一 定 的 溶 解 度 ，所 以硅 向 铝 中 的 固 体 溶 解 ，硅 中 留 下 了 大 量 空 位 ， 加 剧 了铝 在 硅 中 的 电热 迁 移 ; 反 过 来 ，铝 中 空 位 浓 度 的 增 加 ，又 加 剧 了 硅 在 铝 中 的扩 散 和 电迁 移 。如 此 反 复 进 行 ， 其 结 果 是 加 速 了铝一硅 界面 处 铝 、硅 原 子 的 相 互 渗 透 ，致 使器 件 失 效 。
目 然 双 化 的 s 云0 *二 10 盖 5 10 ，
接 触 窗
精 洗 之 后
余 。。

局 邪 裘 蚀

开 给 热 处 理

I
I
热 处 理 过 拐

图 1.2 : 渗 透 坑 形 成 过 程 图 1. 3 : 功 率 场 效 应 管 < In >面 渗 透 坑
因 为 硅 片 晶 向 的 不 同 ，晶 向 (10 田 面 坑 深 ，形 成 的 渗 透 坑 近 于 四 边 形 : <1 1 1 >
面 坑 浅 ，坑 径 大 ，渗 透 坑 呈 三 角 形 ，如 上 图 1.3 所 示 。对 于 接 触 窗 中 这 种 明显 的

棱 角 型 的 缺 陷 ，在 工 艺 生 产 中我 们 将 其 称 之 为 结 尖 刺 。
为 了解 决 纯 铝 互 联 线 在 使 用 中 出 现 的 电迁 移 及 应 力迁 移 等 问题 ，Pr ~ ik D[ ，〕 等 人 研 究 发 现 在 纯 铝 中 添 加 少 量 的 S i( 固 溶 度 以上 ) 可 以提 高 布 线 的 抗 电迁 移 和 应 力 迁 移 能 力 ，以及 铝 合 金 布 线 的 再 结 晶 温 度 ，采 用 超 高 纯 Al 一Si 合 金 金 属 化 工 艺 布 线 ，可 以 防 止 Si 在 A1 膜 布 线 里 溶 解 ，其 硬 度 也 比纯 铝 布 线 的 大 ，可 以有 效 减 少 表 面 划 伤 。室 温 下 Si 在 A1 中 的 固 溶 度 只 有 0 .0 5% ，Si 主 要 以共 晶 相 的 形 式 存 在 Al 基 体 中 ，对 超 高 纯 铝 靶 材 的 微 观 组 织 细 化 有 一 定 作 用 [s]。然 而 偏 析 、 粗 大 的共 晶第 二 相 将 导 致 A1 一Si 合 金 互 连 线 成 分 均 匀 性 的 降 低 ，在 薄 膜 退 火 工 艺 后 ，随 着 温 度 的 降低 ，Si 在 A1 中 的 固 溶 度 降低 而 析 出 ，沉 淀 于 A1 一Si 合 金 的 界 面 和 引 线 孔 的 边 沿 ，形 成 外 延 分 层 〔，〕。在 大 规 模 集 成 电路 及 超 大 规 模 集 成 电路 中 ， 布 线 之 间 的 接 触 尺 寸 不 断 减 少 ，Si 的 析 出将 会 导 致 接 触 窗 口大 部 分 面 积 被 Si 覆
盖 ， 从 而 大 大 增 加 互 连 线 的 接 触 电 阻 。 随 着 金 属 化 工 艺 的 不 断 发 展 ， 在 超 高 纯 A1 一5 1 合 金 里 面 添 加 少 量 的 Cu 元 素 ，能 更 好 地 改 善 Al 一Si 合 金 抗 电迁 移 的 能 力 ， 同 时 在 薄 膜 退 火 工 艺 之 后 ，其 电 阻 也 将 得 到 有 效 控 制 ，互 连 线 的 寿 命 也 将 大 大 增 加 。中 国 目前 的 半 导 体 行 业 存 在 着 大 量 5 英 寸 、6 英 寸 半 导 体 生 产 线 (大 于 0 .2 5um 的 亚 微 米 技 术 ) ，其 U Lv AC ，AN EA LVA 以及 V ar ian 溅 射 机 台 所 需 的 靶 材 成 分 一 般 为 超 高 纯 A l一1%5 1一0.5%C u 合 金 。
虽 然 在 纯 铝 或 铝 合 金 中掺 入 硅 的 方 法 己在 过 去 被 成 功 应 用 ，但 它 在 超 大 规 模 集 成 电路 生 产 中应 用 不 适 合 。因 为 超 大 规 模 集 成 电路 的 浅 结 和 较 窄 的 金 属 线 难 以 容 忍 当 铝 一硅 膜 从 400 度 高 温 降 下 来 时 硅 的 沉 淀 。
除 此 之 外 ，还 有 采 用 薄 铝 一厚 铝 蒸 发 工 艺 、 多 晶 硅 做 阻 挡 层 等 方 法 在 超 大 集 成 电路 亚 微 米 工 艺 中，在 铝 一硅 之 间加 入 T i/T IN 作 为 阻 挡 层 也 常 常 被 采 用 。 阻 挡 层 的 基 本 特 性 有 : 很 好 的 阻 挡 扩 散 特 性 ，和 分 界 面 两 边 材 料 的 扩 散 率 在 烧 结 温 度 时 很 低 ; 高 电 导 ，具 有 很 低 的 欧 姆 接 触 电 阻 ; 在 半 导 体 和 金 属 之 间 有 很 好 的 附 着 ; 抗 电迁 移 ; 在 很 薄 并 且 高 温 下 具 有 很 好 的 稳 定 性 ; 抗 侵 蚀 和 氧 化 。本 论 文 就 是 亚 微 米 工 艺 中 ， 对 T i/T IN 阻 挡 层 工 艺 相 关 的 结 尖 刺 研 究 。

第 四节 论 文 的 组 织 结 构

本 文 的 组 织 结 构 如 下 :
第 一 章 绪 论 介 绍 了课 题 研 究 的 背 景 和 意 义 ，简 单 阐 述 了 电 迁 移 可 靠 性 问 题 在 集 成 电 路 制 造 工 艺 中 的 重 要 性 ， 综 述 了 通 孔 电迁 移 可 靠 性 问 题 的 现 象 和 研 究 现 状 。
第 二 章 讨 论 了 系 统 化 的 失 效 模 式 与 影 响 分 析 (FM EA) 失 效 分 析 方 法 ，并 在 论
文 实 验 中 应 用 。分 析 了接 触 孔 电迁 移 可 靠 性 测 试 方 法 ，并 设 计 用 于 中 测 的 接 触 孔

可 靠 性 监 控 测 试 图 形 和 测 试 方 法 。
第 三 章 针 对 实 际 产 品 接 触 孔 结 尖 刺 问题 ，介 绍 了 超 大 规 模 集 成 电路 中 亚 微 米 接 触 孔 工 艺 流 程 ，主 要 分 析 与 通 孔 电迁 移 可 靠 性 问题 相 关 性 ，提 出工 艺 改 良方 案 ， 进 行 工 艺 相 关 性 实 验 设 计 。并 在 产 品 中 应 用 中测 接 触 孔 结 尖 刺 测 试 结 构 和 测 试 方 法 ，验 证 其 可 行 性 ，并 且 找 出 导 致 产 品 失 效 的 工 艺 原 因 。
第 四 章 针 对 造 成 接 触 孔 结 尖 刺 现 象 的 T 州 阻 挡 层 工 艺 ，对 工 艺 菜 单 进 行 优 化
实验 ，进 而 解 决 亚 微 米 产 品 中接 触 孔 结 尖 刺 问题 。
第 五 章 对 本 文 研 究 工 作 进 行 了总 结 ，并 对 接 触 孔 电迁 移 可 靠 性 问题 的研 究 前
景 进 行 了 展 望 。

第 二 章 失 效 分 析 与 接 触 孔 电迁 移 失 效 测 试

第 一 节 失 效 模 式 和 效 应 分 析

失 效 分 析 是 研 究 产 品 失 效 机 理 、提 高 产 品成 品 率 和 可 靠 性 的重 要 技 术 措 施 。
图 2 . 1 为 芯 片 生 产 过 程 中 失 效 分 析 结 构 图 。 由 图 不 难 看 出 ，失 效 分 析 工 作 者 要 从 不 同 渠 道 收 集 失 效 样 品 ，解 剖 分 析 ，搞 清 机 理 ，给 出数 据 ，然 后 对 芯 片 设 计 、 材 料 和 工 艺 提 出 改 进 的 措 施 或 方 案 ， 再 经 质 量 管 理 部 门认 可 并 及 时 反 馈 到 生 产 线 ， 以提 高 产 品质 量 水 平 。

质 量 管 理
匹 甄 习 元 器 件 设 计
院 知 手氮 斌毒 材 料 工 艺
次 品 、废 品
关 成 品
成 品 测 试 失 效 分 析
竿 期 失 效 失 效 模 式
失 效 机 理
工艺 筛 选

例例诗寸寸
试试验验

加 速 失 效

图 2 . 1 芯 片 失 效 分 析 结 构 图
由上 图 也 可 看 出 ，失 效 分 析 、失 效 模 式 、失 效 机 理 的研 究 是 芯 片 失 效 分 析 的
主 要 组 成 部 分 。 因 此 ， 系 统 的 失 效 分 析 手 段 与 方 法 显 得 尤 其 重 要 。
失 效 模 式 和 效 应 分 析 (Fa ilur e M o d e a n d E f fe e t s A n a ly s i S ， FM EA ) 是 一 种 最 常 用 的可 靠 性 分 析 方 法 。这 种 分 析 致 力 于 在 实 际 使 用 中找 出对 系 统 性 能 有 显 著 影 响 的 各 种 失 效 。
FM EA 的 目的 是 认 可 并 评 价 产 品或 过 程 中 的 潜 在 失 效 以及 该 失 效 的 后 果 ，确 定 能 够 消 除 或 减 少 潜 在 失 效 发 生 机 会 的 措 施 ， 并 将 全 部 过 程 形 成 文 件 。FM EA 被 广 泛 用 是 因 为 其 最 基 本 的 思 想 是 预 防 ， 是 避 免 失 效 ，而 不 是 失 效 后 采 取 的措 施 。

一 般 而 言 ，任 何 部 件 的 失 效 或 失 效 模 式 均 对 系 统 性 能 有 不 利 影 响 。在 进 行 系 统 可 靠 性 、安 全 性 和 有 效 性 的研 究 中 要 求 作 定 性 和 定 量 分 析 ，而 且 这 两 者 是 互 为
补 充 的 。应 用 定 量 分 析 方 法 可 计 算 或 预 测 在 特 定 条 件 下 执 行 任 务 期 间 或 长 期 运 行 中 的系 统 性 能 指 标 。典 型 指 标 分 可 靠 度 、安 全 性 、有 效 度 、失 效 率 和 失 效 平 均 时

间 (MT T F ) 等 。
FM EA 是 以具 有 明确 失 效 判 据 (或 主 要 失 效 模 式 ) 的 部 件 级 或 分 装 置 级 为 基 础 的 。从 单 元 失 效 特 征 和 系 统 功 能 结 构 出 发 ，FM EA 用 来 确 定 单 元 失 效 和 系 统 失 效 之 间 的关 系 : 或 单 元 失 效 与 系 统 工 作 不 正 常 、操 作 受 到 抑 制 以及 性 能 或 完 整 性 下 降 等 之 间 的 关 系 。为 了评 价 次 数 或 更 高 一 级 系 统 或 子 系 统 的 失 效 ，可 能 还 需 要 考 虑 事 件 的 时 间 顺 序 。
FM EA 对 可 靠 性 保 证 规 划 来 说 是 十 分 重 要 的 技 术 ，它 可 以用 于 广 泛 的 问题 和 遇 到 的 技 术 系 统 中 。FM EA 是 一 种 归 纳 法 ， 用 以对 系 统 可 靠 性 和 安 全 性 方 面 完 成 从 低 分 析 级 到 高 分 析 级 的 定 性 分 析 。下 表 2 . 1 是 最 基 本 的 FME A 所 包 含 的 内容 和 需 要 考 虑 的 问题 。
表 2 . 1 FME A 样 式
厂厂厂潜失失失在效在效 潜失在在效效 产产重重 级级别别 潜失故故在在仗颐颐OO OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO 现行挖制制荆探荆探RRPP PR」建晋议议撇撇 标责完任及成 日日舀舀日日日日日日日日日日日日 J台施结渠渠
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FM EA 的 风 险 系 数 (RPN ，R i sk Pr ior ity _______N薰__________________________________um b er )-----------------是 严 重 度 (S ev er ity )、 频
度 (O C Cur r en c e) 和 探 测 度 (D ete C t io n) 的 乘 积 。对 于 可 靠 性 问题 ，其 严 重 度
是 最 高 的 ， 因 而 为 了 降低 风 险 系 数 ， 我 们 需 要 降 低 其 发 生 的 频 度 和 减 小 探 测 度 。 集 成 电路 工 艺 对 于 芯 片 产 品 可 靠 性 问题 发 生 的 频 度 有 着 直 接 的 影 响 ，需 要 通 过 大 量 的 实 验 设 计 摸 索 来 寻 找 更 加 稳 定 的 工 艺 条 件 ，降 低 问题 的发 生 频 度 。而 探 测 度 主 要 是 指 问题 被 探 测 到 的 时 间 ，时 间 越 早 ，探 测 度 越 低 。对 于 可 靠 性 测 试 ，一 般 都 发 生 在 中测 之 后 ，所 以其 探 测 度 很 高 。本 论 文 中 ，考 虑 在 中测 时 设 置 接 触 孔 结 尖 刺 的可 靠 性 测 试 项 目， 以 降低 其 探 测 度 。
常 见 的 FM EA 类 型 有 系 统 FM EA ， 过 程 FME A 和 设 计 FM EA 。对 于 大 规 模 集 成 电 路 工 艺 来 说 ，过 程 FM EA (Pr oc e s s FM EA ， PFM EA) 是 最 基 本 的 系 统 性 质 量 管 理 方 法 。这 种 分 析 方 法 ，一 般 用 于 制 造 和 装 配 过 程 的 失 效 而 导 致 的潜 在 产 品 失 效 模 式

中 ， 并 确 定 所 应 采 取 的 纠 正 措 施 。
过 程 黝 EA 绝 不 是 由一 个 人 单 独 进 行 完 成 的 ， 需 要 大 家 一 起 集 思 广 益 。在 产 品 开 始 阶 段 ， 过 程 FM EA 就 被 建 立 起 来 ，但 是 它 是 不 够 完 善 的 。在 产 品 设 计 、 生 产 、测 试 、应 用 等 过 程 中 ，各 种 失 效 不 断 被 发 现 ，各 种 隐 患 不 断 被 考 虑 。我 们 便 将 失 效 分 析 结 果 和 考 虑 到 的 隐 患 不 断 地 补 充 到 过 程 FMEA 中 。整 个 产 品 从 设 计 到 应 用 的 过 程 ， 也 是 过 程 FME A 被 丰 富 和 完 善 的 过 程 。

第 二 节 电迁 移 可 靠 性 测 试 方 法

电 迁 移 过 程 表 征 参 数 是 人 们 在 研 究 电 迁 移 过 程 中 提 出 的 用 以 反 映 电 迁 移 程 度 的 物 理 量 。随 着 人 们 对 电 迁 移 现 象 认 识 的 逐 步 深 入 ，表 征 参 量 也 不 断 更 新 发 展 ， 不 同 的 表 征 参 量 可 能 反 映 了 电迁 移 的 不 同 内部 特 征 ，能 够 帮 助 人 们 更 加 深 入 的 了 解 电迁 移 现 象 。
19 68 年 ， 电 阻第 一 次 被 用 来 反 映 电 迁 移 过 程 ， 当 时看 来 ， 电 阻 测 量 简 单 易 行 ，提 供 了丰 富 的 电迁 移 信 息 ，很 快 成 为 常 用 的 表 征 金 属 互 连 电迁 移 损 伤 的 标 准 参 量 。通 常 的 电阻测 量 都 是 结合 者 加 寿 命 实 验 进 行 的 。加速 寿 命 实 验 缩 短 了互 连 线 电迁 移 评 估 时 间 。 因 此 人 们 又 发 展 了 各 种 各 样 的 加 速 寿 命 实 验 方 法 。

一 般 地 ， 电 迁 移 寿 命 是 通 过 测 量 电 迁 移 平 均 失 效 时 间 (me di an t ime to fai lur e ，M TT F) 来 推 算 得 到 的 。测 量 一 定 数 量 的 相 同 样 品在 规 定 条 件 下 各 自失 效 的 时 间 ，当一 半 样 品发 生 失 效 时 的 时 间 就 是 这 批 样 品 的平 均 失 效 时 间 。显 然 ，在 相 同 的 测 试 条 件 下 ，平 均 失 效 时 间越 长 ，则 它 们 抵 抗 电迁 移 失 效 的 能 力 越 强 ，即 电迁 移 可 靠 性 越 好 。
电迁 移 的 失 效 物 理 模 型 一 般 用 BL A cK 方 程 描 述 〔‘’〕:
MT T F= A J--n ex p (Ea /k T) ················································… … ( 1)
式 中 ，价 T F 为 平 均 失 效 时 间 ; A 为 常 数 ; J 为 电 流 密 度 (A /c 扩 或 A / 个 ); n 为 电流 密 度 指 数 ; Ea 为 激 活 能 (eV ); T 为 绝 对 温 度 (K) ，k 为 玻 尔 兹 曼 常 数 ， 其 数 值 为 5 . 6 2x 一。一5 (eV / K )。
197 1 年 ，V 。Ssen 首 次 提 出将 噪 声 测 量 用 于 金 属 薄 膜 中 的 缺 陷 检 测 。19 76 年 ， C el a sce 等 人 提 出可 通 过 噪声 测 量 来 研 究 电迁 移 。随 后 ，噪 声 检 测 在 表 征 电迁 移 过 程 中更 是 得 到 了越 来 越 广 泛 的应 用 : S IIno en 等 人 指 出 ，1/ f 噪 声 信 号 比 电 阻 能 更 准 确 ，更 灵 敏 地 反 映 电迁 移 状 况 ，同 时 ，他 们 认 为 电迁 移 低 频 噪 声 可 用 来 预 测 样 品 的 失 效 时 间 。
目前 集 成 电路 生 产 中 ，主 要 采 用 加 速 寿 命 试 验 研 究 电迁 移 对 互 连 线 寿 命 的 影 响 ，采 用 移 动 速 度 试 验 研 究 互 连 线 中 粒 子 移 动 扩 散 路 径 和 临 界 乘 积 等 。
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 样 品 的 失 效 。加 速 寿 命 试 验 的两 个 基 本 条 件 〔”〕是 : l) 在 加 速 条 件 下 ，样 品 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 正 常 工 作 条 件 。
常 用 的 加 速 寿 命 试 验 方 法 有 等 温 电 迁 移 试 验 ( 工sot h er m al

e le e tr om igr a t i。n te st ， IS OT ) 和 标 准 晶 圆 级 电 迁 移 加 速 试 验 ( S t a n d ar d
W a f er一1ev e l E leCtr om igra t ion A Cee ler a t ed T e st ) 等 。
1. 等 温 电迁 移 试 验 。
等 温 电 迁 移 试 验 ( IS OT) 的 原 理 是 通 过 控 制 回 路 ， 调 节 加 在 测 试 金 属 互 连 线 上 的 电流 ，改 变 其 焦 耳 热 (I ZR) ，使 金 属 互 连 线 温 度 恒 定 在 目标 温 度 上 。 试 验 失 效 标 准 为 样 品 的 电 阻 相 对 变 化 量 ( △R / R) 达 到 某 一 数 值 ， 并 将 此 时 间 作 为 平 均 失 效 时 间 。
在 IS OT 试 验 中 ，使 用 图 2 . 2 所 示 的 K e lv in 直 导 线 结 构 ，即 N IS T 结 构 〔，3，。
该 结 构 可 以进 行 精 确 的 电 阻 测 量 和 清 晰 的 电迁 移 失 效 机 制 确 认 。

电 压 检 测

图 2 .Z N 工S T 测 试 结 构
工SOT 试 验 有 两 个 重 要 假 设 : 1) 样 品 在 95 % 的长 度 范 围 内 ，截 面 保 持 一 致 ， 因 此 可 以假 定 互 连 线 沿 长 度 方 向温 度 分 布 一 致 。2) 由于样 品温 度 分 布 均 匀 ， 其 热 力 模 型 简 单 ， 故 假 设 利 用 其 电 阻 温 度 系 数 (T CR) 计 算 得 到 的 温 度 能 真 实
地 反 应 样 品 的 实 际温 度 。
试 验 中 ，互 连 线 的 实 时温 度 T 可 由 (2) 式 求 出 。
T= TO+( R 一R0) / (R。x TC R) ·······································… … (2)
式 中 ，T 。一 般 为 室 温 ，R 为 实 时 电 阻 ， 由检 测 的 实 时 电压 和 实 时 电流 求 得 ，R。为 参 考 温 度 T。下 的初 始 电 阻 。 在 此 试 验 中 ， 认 为 TCR 恒 定 。
通 常 ，温 度 波 动 量 △T 与 电流 的 变 化 量 △工的 关 系 可 用 (3) 式 表 示 :
△T= R 。·△I’·R. ···············································… … (3)
式 中 ，R 。为 互 连 线 的热 阻 ，假 定 在 试 验 温 度 范 围 内恒 定 不 变 ; R 为 实 时
电 阻 。
目标 温 度 T 依 据 经 验 而 定 ，一 般 在 2 25 ~ 425 ’C 之 间 。利 用 R 。、TC R 和 R

。计 算 对 应 于 目标 温 度 的 目标 电流 I 。在 若 干 温 升 大 致 相 等 的 步 骤 内 ，将 电流 斜 坡 上 升 至 目标 电流 工后 ，进 入 恒 温 控 制 循 环 : 根 据 实 时 测 量 得 到 的 电 阻 R ，
利 用 (2) 式 计 算 样 品 温 度 ，求 出样 品 温 度 与 目标 温 度 的 差 值 △T ， 再 利 用 (4)

式 修 正 样 品 中 的 电流 。

Af一飞v黑‘， “‘、················································… … (4)
式 中 ， △T 是 实 际 温 度 与 目标 温 度 之 间 的 差 值 。
等 温 电迁 移 试 验 方 法 的 优 点 是 样 品 结 构 简 单 ， 温 度 分 布 较 为 均 匀 ， 用 电 阻温 度 系 数 TCR 测 得 的温 度 接 近 样 品 的 真 实 温 度 ，所 以温 度 控 制 精 确 。
2 . 标 准 晶 圆 级 电迁 移 加 速 试 验 ( SW EA T)
SW EA T 试 验 是 利 用 特 殊 的 样 品 结 构 ( 见 图 2 .3) 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