CN102955121B - 一种电迁移失效的剩余寿命预测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电迁移失效的剩余寿命预测方法，包括步骤：建立MOS器件的电迁移寿命模型；根据预设的正常工作条件下的电流密度和第一环境温度，以及电迁移寿命模型，获取正常电迁移失效的寿命T1；根据目标预兆点T2和第二环境温度，以及电迁移寿命模型，获取电流密度应力；将电流密度应力输入基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路；若基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路经过时间T3后输出高电平，则根据T1、T2以及T3，获取对应T2的电迁移失效的剩余寿命。本发明还提出一种电迁移失效的剩余寿命预测装置，可以提高预测MOS器件电迁移失效剩余寿命的可靠性，提高预测效率，降低成本。

Description

一种电迁移失效的剩余寿命预测方法和装置

技术领域

本发明涉及MOS器件的寿命预测领域，特别是涉及一种电迁移失效的剩余寿命预测方法和装置。

背景技术

随着现代电子技术的飞速发展，金属氧化物半导体(Metal OxideSemiconductor，MOS)器件的尺寸己进入纳米量级，其金属互连在整个集成电路芯片中所占的面积越来越大。金属互连线的电迁移失效问题已成为制约大规模集成电路技术发展的瓶颈。电迁移现象是金属互连线中的金属原子受到运动的电子作用引起的物质输运现象，表现为空洞或小丘，导致电阻值的线性增加而发生失效，严重影响集成电路的寿命。影响金属互连线电迁移的因素十分复杂，包括工作电流聚集、焦耳热、温度梯度、晶粒结构、晶粒取向、界面组织、应力梯度、合金成分、互连尺寸及形状等。尤其，在较高的电流密度作用下，金属互连线中的金属原子将会沿着电子运动方向更容易发生电迁移现象。

目前，MOS器件的可靠性预测和保障主要通过两种途径来实现：第一，对MOS器件开展可靠性寿命试验，预计器件的可靠性寿命；第二，对已发生失效的MOS器件进行失效分析，确定其失效模式和失效机理，在此基础上提出改进措施。

但是，对于第一种途径，MOS器件可靠性寿命是根据简单应力条件下的可靠性寿命试验数据计算所得，可靠性试验中并未涉及产品的实际工作状态和工作环境，而实际使用情况中，MOS器件处于一个多种应力综合作用的复杂工作环境条件下，因此传统的寿命预计往往和实际相差很大，可靠性不高；并且，这种MOS器件可靠性预测耗资大、需要定期测试，试验周期长；

对于第二种途径，对已失效器件的失效分析是一种事后诊断技术，对于失效模式和失效机理已非常明确的器件来说，不管从经济角度还是从技术角度都不是一种最佳的方法。

发明内容

本发明目的在于提出一种电迁移失效的剩余寿命预测方法和装置，可以提高预测MOS器件电迁移失效的剩余寿命的可靠性，提高预测效率高，降低成本。

采用的方案是：

一种电迁移失效的剩余寿命预测方法，包括步骤：

建立MOS器件的电迁移寿命模型；

根据预设的正常工作条件下的电流密度和第一环境温度，以及所述电迁移寿命模型，获取正常电迁移失效的寿命T1；

根据目标预兆点T2和第二环境温度，以及所述电迁移寿命模型，获取电流密度应力；

将所述电流密度应力输入基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路；

若所述基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路经过时间T3后输出高电平，

则根据所述T1、所述T2以及所述T3，获取对应所述T2的电迁移失效的剩余寿命。

以及，一种电迁移失效的剩余寿命预测装置，包括：

模型建立单元，用于建立MOS器件的电迁移寿命模型；

第一获取单元，用于根据预设的正常工作条件下的电流密度和第一环境温度，以及所述电迁移寿命模型，获取正常电迁移失效的寿命T1；

第二获取单元，用于根据目标预兆点T2和第二环境温度，以及所述电迁移寿命模型，获取电流密度应力；

电流输入单元，用于将所述电流密度应力输入基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路；

第三获取单元，用于若所述基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路经过时间T3后输出高电平，则根据所述T1、所述T2以及所述T3，获取对应所述T2的电迁移失效的剩余寿命。

本发明以当前MOS器件的使用状态为起点，结合产品的实际工作状态和工作环境，对MOS器件未来任务段内可能出现的电迁移失效进行预测，特别在失效发生前，对器件的剩余寿命进行定量评估，以便及时在故障发生之前更换即将失效的MOS器件，保证可靠性。本发明不需要进行定期测试，以获得电迁移失效的剩余寿命，可以减少因定期测试而引起的费用上升，提高测试效率。

附图说明

图1为本发明方法的一个实施例流程图；

图2为基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路的一个结构示意图；

图3为本发明装置的一个结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种电迁移失效的剩余寿命预测方法，参考图1，包括步骤：

S1、建立MOS器件的电迁移寿命模型；

S2、根据预设的正常工作条件下的电流密度和第一环境温度，以及电迁移寿命模型，获取正常电迁移失效的寿命T1；

S3、根据目标预兆点T2和第二环境温度，以及电迁移寿命模型，获取电流密度应力；

S4、将电流密度应力输入基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路；

S5、若基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路经过时间T3后输出高电平，则根据T1、T2以及T3，获取对应T2的电迁移失效的剩余寿命。

本发明以当前MOS器件的使用状态为起点，结合产品的实际工作状态和工作环境，对MOS器件未来任务段内可能出现的电迁移失效进行预测，特别在失效发生前，对器件的剩余寿命进行定量评估，以便及时在故障发生之前更换即将失效的MOS器件，保证可靠性。本发明不需要进行定期测试，以获得电迁移失效的剩余寿命，可以减少因定期测试而引起的费用上升，提高测试效率。

具体的，本发明包括以下步骤：

一、建立MOS器件的电迁移寿命模型；

本实施例中，加速电迁移失效的寿命模型可由Black方程表示为如下式(1)所示：

$\mathrm{\τ}=A{J}^{-n}\exp \left(\frac{E_a}{\mathrm{kT}}\right)...\left(1\right)$

其中，τ为失效时间，A由金属层本身特性决定的系数，J为电流密度，n为电流密度因子，E_a为激活能，k为玻耳兹曼常数，其值为1.38×10-23J/K，T为环境温度。

二、获得参数确定的MOS器件的电迁移寿命模型；

根据上式（1）可以获得工作条件下的电迁移寿命模型，如下式（2）：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{op}}={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{MTTF}}\left(\frac{J_{\mathrm{use}}}{J_{\mathrm{tesr}}}\right)\exp \left[\frac{E_a}{k}(\frac{1}{T_{\mathrm{use}}}-\frac{1}{T_{\mathrm{test}}})\right]...\left(2\right)$

其中，τ_op为MOS器件在工作条件下电迁移失效的寿命时间；τ_MTTF为加速试验条件下的中位寿命时间，J_use为工作条件下的电流密度，J_test为加速试验条件下的电流密度，T_use为工作条件下的环境温度，T_test为加速试验条件下的环境温度。

待定的参数τ_MTTF、J_test、n、E_a和T_test，可以通过实验获得，也可以直接使用他人的先验数据；本实施例中，直接采用先验数据，其先验值分别为2.203×10³s、1.531×10⁷A/cm²、0.788×1.602×10^-19J和573K，因此获得参数确定的电迁移寿命模型如下式(3)所示：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{op}}=2.203\×{10}^3{\left(\frac{J_{\mathrm{use}}}{1.531\×{10}^7}\right)}^{-2}\exp \left[\frac{0.788\×1.602\×{10}^{-19}}{1.38\×{10}^{-23}}(\frac{1}{T_{\mathrm{use}}}-\frac{1}{573})\right]...\left(3\right)$

三、设计基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路；

基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路是一种因电迁移导致电阻变化而失效的报警电路，如图2所示。其中，MOS器件210；金属互联线电阻206和207的阻值相同，多晶硅电阻208与209的电阻比值为1.2。应力电流阶段，开关203和205闭合，开关204断开，应力电流201流过电迁移电阻206，使其发生电迁移；测试电流阶段，开关204闭合，开关203和205断开，测试电流202流过两条支路。假如没有发生电迁移，即金属互联线电阻206变化小于20%，由两边支路的分压关系可得，比较器211输出为低电平为“0”，假如发生了电迁移，即金属互联线电阻206变化大于等于20%，由两边支路的分压关系可得比较器211输出开始翻转，输出值高电平为“1”。

四、根据预设的正常工作条件下的电流密度和第一环境温度，获取正常电迁移失效的寿命T1；

预设的正常工作条件下的电流密度和第一环境温度代入上述式子（3）可以得到正常电迁移失效的寿命T1。

例如，预设的正常工作条件下的电流密度T1为8×10⁵A/cm²，第一环境温度为400K，将该值代入式(3)中，可以得到MOS器件在工作条件下电迁移失效的寿命时间为8×10⁸s。

五、根据目标预兆点T2和第二环境温度，获取电流密度应力；

目标预兆点T2和第二环境温度代入上式（3），获取电流密度应力。

例如：目标预兆点T2为6.4×10⁸s，第二环境温度为400K，代入参数确定的电迁移寿命模型，计算出电流密度应力。以该电流密度应力代入图2中的应力电流201。

六、若基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路经过时间T3后输出高电平，则根据T1、T2以及T3，获取对应T2的电迁移失效的剩余寿命。

假设经过时间T3=6.4×10⁸s后，基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路输出高电平，发出报警信号；则可以根据下式获取对应目标预兆点T2的电迁移失效的剩余寿命：

$T=(\frac{T1}{T2}-1)\×T3$

其中，T为对应目标预兆点的电迁移失效的剩余寿命。以上述步骤四和步骤五中的数据为例，可以得到：

T=(8×10⁸/6.4×10⁸-1)*6.4×10⁸s=1.6×10⁸s

为了可以实现不同电迁移剩余寿命的预测，可以通过设计不同的电流密度应力来实现，即可以设定多个目标预兆点和环境温度；利用上述步骤一至六的过程即可得到对应不同目标预兆点的电迁移失效的剩余寿命。

本发明还提出一种电迁移失效的剩余寿命预测装置，参考图3，包括：

模型建立单元，用于建立MOS器件的电迁移寿命模型；

第一获取单元，用于根据预设的正常工作条件下的电流密度和第一环境温度，以及电迁移寿命模型，获取正常电迁移失效的寿命T1；

第二获取单元，用于根据目标预兆点T2和第二环境温度，以及电迁移寿命模型，获取电流密度应力；

电流输入单元，用于将电流密度应力输入基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路；

第三获取单元，用于若基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路经过时间T3后输出高电平，则根据T1、T2以及T3，获取对应T2的电迁移失效的剩余寿命。

本发明以当前MOS器件的使用状态为起点，结合产品的实际工作状态和工作环境，对MOS器件未来任务段内可能出现的电迁移失效进行预测，特别在失效发生前，对器件的剩余寿命进行定量评估，以便及时在故障发生之前更换即将失效的MOS器件，保证可靠性。本发明不需要进行定期测试，以获得电迁移失效的剩余寿命，可以减少因定期测试而引起的费用上升，提高测试效率。

具体的，第一获取单元根据MOS器件的电迁移寿命模型获得工作条件下的MOS器件的电迁移寿命模型；

根据工作条件下的MOS器件的电迁移寿命模型获得参数确定的MOS器件的电迁移寿命模型：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{op}}=2.203\×{10}^3{\left(\frac{J_{\mathrm{use}}}{1.531\×{10}^7}\right)}^{-2}\exp \left[\frac{0.788\×1.602\×{10}^{-19}}{1.38\×{10}^{-23}}(\frac{1}{T_{\mathrm{use}}}-\frac{1}{573})\right],$ 其中，τ_op为MOS器件在工作条件下电迁移失效的寿命时间；J_use为工作条件下的电流密度；T_use为工作条件下的环境温度；

根据预设的正常工作条件下的电流密度和第一环境温度，以及参数确定的MOS器件的电迁移寿命模型，获得正常电迁移失效的寿命T1。

具体地，第二获取单元根据目标预兆点T2、第二环境温度以及参数确定的MOS器件的电迁移寿命模型，获得电流密度应力。

第三获取单元利用公式获取对应目标预兆点的电迁移失效的剩余寿命；其中，T为对应目标预兆点的电迁移失效的剩余寿命。

综上，本发明的效果如下：

(1)从经济层面来看，本发明将是降低MOS器件可靠性保障费用的主要技术途径。a.通过减少备用MOS器件、可靠性保障设备、定期测试人力等保障资源需求，降低维修保障费用；b.通过减少定期测试，特别是计划外测试次数，提高完好率；c.通过健康感知，减少任务过程中因MOS器件故障引起的风险，提高成功率。

(2)从技术层面来看，本发明以当前MOS器件的使用状态为起点，对器件未来任务段内可能出现的电迁移失效进行预测，以便及时在故障发生之前更换即将失效的MOS器件，保证可靠性。除了可减少或避免MOS器件在使用过程中发生重大恶性事故外，可减少因定期测试而引起的费用上升，提高预测效率；也可防止因可靠性保障不足而导致事故的发生。特别在失效发生前，对器件的剩余寿命进行定量评估，及时维修更换MOS器件，保证充裕的无故障工作时间。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种电迁移失效的剩余寿命预测方法，其特征在于，包括步骤：

建立MOS器件的电迁移寿命模型；

根据预设的正常工作条件下的电流密度和第一环境温度，以及所述电迁移寿命模型，获取正常电迁移失效的寿命T1；

根据目标预兆点T2和第二环境温度，以及所述电迁移寿命模型，获取电流密度应力；

将所述电流密度应力输入基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路，其中，所述基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路是一种因电迁移导致电阻变化而失效的报警电路；

若所述基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路经过时间T3后输出高电平，

则根据所述T1、所述T2以及所述T3，获取对应所述T2的电迁移失效的剩余寿命，具体为：

利用公式获取对应所述目标预兆点的电迁移失效的剩余寿命；其中，T为对应所述目标预兆点T2的电迁移失效的剩余寿命。

2.根据权利要求1所述的电迁移失效的剩余寿命预测方法，其特征在于，

所述根据预设的正常工作条件下的电流密度和第一环境温度，以及结合所述电迁移寿命模型，获取正常电迁移失效的寿命T1的步骤具体为：

根据MOS器件的电迁移寿命模型获得工作条件下的MOS器件的电迁移寿命模型；

根据工作条件下的MOS器件的电迁移寿命模型获得参数确定的MOS器件的电迁移寿命模型：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{op}}=2.203\×{10}^3{\left(\frac{J_{\mathrm{use}}}{1.531\×{10}^7}\right)}^{-2}\exp \left[\frac{0.788\×1.602\×{10}^{-19}}{1.38\×{10}^{-23}}(\frac{1}{T_{\mathrm{use}}}-\frac{1}{573})\right],$ 其中，τ_op为MOS器件在工作条件下电迁移失效的寿命时间；J_use为工作条件下的电流密度；T_use为工作条件下的环境温度；

根据预设的正常工作条件下的电流密度和第一环境温度，以及所述参数确定的MOS器件的电迁移寿命模型，获得正常电迁移失效的寿命T1。

3.根据权利要求2所述的电迁移失效的剩余寿命预测方法，其特征在于，

所述根据目标预兆点T2和第二环境温度，以及结合所述电迁移寿命模型，获取电流密度应力的步骤具体为：

根据目标预兆点T2、第二环境温度以及所述参数确定的MOS器件的电迁移寿命模型，获得电流密度应力。

4.一种电迁移失效的剩余寿命预测装置，其特征在于，包括：

模型建立单元，用于建立MOS器件的电迁移寿命模型；

第一获取单元，用于根据预设的正常工作条件下的电流密度和第一环境温度，以及所述电迁移寿命模型，获取正常电迁移失效的寿命T1；

第二获取单元，用于根据目标预兆点T2和第二环境温度，以及所述电迁移寿命模型，获取电流密度应力；

电流输入单元，用于将所述电流密度应力输入基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路，其中，所述基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路是一种因电迁移导致电阻变化而失效的报警电路；

第三获取单元，用于若所述基于预兆单元的MOS器件电迁移失效预警电路经过时间T3后输出高电平，则根据所述T1、所述T2以及所述T3，获取对应所述T2的电迁移失效的剩余寿命，具体为：

所述第三获取单元利用公式获取对应所述目标预兆点的电迁移失效的剩余寿命；其中，T为对应所述目标预兆点T2的电迁移失效的剩余寿命。

5.根据权利要求4所述的电迁移失效的剩余寿命预测装置，其特征在于，

所述第一获取单元根据MOS器件的电迁移寿命模型获得工作条件下的MOS器件的电迁移寿命模型；

根据工作条件下的MOS器件的电迁移寿命模型获得参数确定的MOS器件的电迁移寿命模型：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{op}}=2.203\×{10}^3{\left(\frac{J_{\mathrm{use}}}{1.531\×{10}^7}\right)}^{-2}\exp \left[\frac{0.788\×1.602\×{10}^{-19}}{1.38\×{10}^{-23}}(\frac{1}{T_{\mathrm{use}}}-\frac{1}{573})\right],$ 其中，τ_op为MOS器件在工作条件下电迁移失效的寿命时间；J_use为工作条件下的电流密度；T_use为工作条件下的环境温度；

根据预设的正常工作条件下的电流密度和第一环境温度，以及所述参数确定的MOS器件的电迁移寿命模型，获得正常电迁移失效的寿命T1。

6.根据权利要求5所述的电迁移失效的剩余寿命预测装置，其特征在于，

所述第二获取单元根据目标预兆点T2、第二环境温度以及所述参数确定的MOS器件的电迁移寿命模型，获得电流密度应力。