CN103942354A - 一种基于仿真技术的半导体器件电迁移失效测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明是以半导体器件电迁移失效物理模型为基础，建立了一种基于仿真技术的半导体器件电迁移失效测试方法。在进行测试时首先需要收集半导体器件的相关信息；其次通过EDA软件SABER平台建立每个晶体管EDA模型及器件晶体管级EDA系统模型，并仿真得到半导体器件每个管脚的电压仿真值；然后基于器件版图等信息通过有限元仿真软件Abaqus建立有限元模型，并将管脚的电压仿真值注入到模型中进行仿真，得到金属互联线上的电流密度值；最后将收集得到的器件相关信息及仿真得到的电流密度值带入到电迁移BLACK模型中计算器件内部的金属互连线潜在故障点的失效时间，将其中最短的失效时间视为该器件的失效寿命。

Description

一种基于仿真技术的半导体器件电迁移失效测试方法

技术领域

本发明是一种基于仿真技术的半导体器件电迁移失效测试方法，属于仿真技术领域。用于分析半导体器件电迁移失效导致的可靠性问题。

背景技术

随着集成电子技术的迅猛发展，半导体器件越来越成为电子产品的关键器件。电迁移是金属布线中的金属离子与通过互连线的电子相互作用引起的输运现象，电流密度越大，由电迁移引起的互连失效问题就越突出，半导体器件的可靠性就越小。随着集成电路集成度和工艺技术的不断提高，电迁移正逐渐成为半导体器件中最主要的失效原因之一，严重威胁其使用性能和寿命，因此电迁移可靠性的评估已成为集成电路研制和使用中必不可少的环节。

利用计算机软件对半导体电迁移进行仿真计算与需要昂贵的测试设备、人员、先期测试准备以及测试本身的大量时间的物理试验测试相比，基于仿真技术的分析方法节省了大量的时间和成本。因此在最初的设计阶段，运用计算机仿真技术针对半导体器件互连线的电迁移现象进行失效仿真分析，找出其设计中的薄弱环节，对于提到互连线的可靠性乃至整个半导体器件的可靠性都要重要意义。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种基于仿真技术的半导体器件电迁移失效测试方法，其目的是在器件流片之前确定器件中由电迁移导致的互连线薄弱环节及其寿命，从而保证半导体器件设计寿命达到要求，保证其工作状态下的高可靠性，避免在产品量产后出现可靠性问题所造成的设计周期和成本的浪费。

本发明的目的是通过以下技术措施来实现的：

该种基于仿真技术的半导体器件电迁移失效测试方法，其特征在于：该方法的步骤为：

步骤一、收集器件的已知信息，包括：

a器件的内部电路图；

b器件的内部版图及其设计规则文件；

c器件内部的金属互连线、栅氧化层、n区、p区、衬底的密度和导电率；

d器件内部的金属互连线的激活能和电流密度因子；

e器件内部晶体管电流放大倍数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向电压和最大反向电流；

f器件生产商提供的器件测试电路，该器件测试电路包括激励源和负载；

步骤二、基于Synopsys公司的Saber软件平台，依据步骤一e项中器件内部晶体管参数信息，利用参量化模板建模方法建立器件内部每一个晶体管的EDA模型(2)；

步骤三、基于Synopsys公司的Saber软件平台，依据步骤一a项中器件的内部电路图，利用步骤二中已建立的每一个晶体管EDA模型(2)，搭建器件的晶体管级EDA系统模型(3)；

步骤四、基于Synopsys公司的Saber软件平台，依据步骤一f项中的器件测试电路建立步骤三中搭建起来的器件晶体管级EDA系统模型(3)的仿真测试电路(4)，即将器件的激励源(4)和负载(4)连接到器件晶体管级EDA系统模型对应的管脚上；

步骤五、基于Synopsys公司的Saber软件平台，用器件晶体管级EDA系统模型(3)的仿真测试电路(3)进行稳态仿真测试和瞬态仿真测试，得到器件晶体管级EDA系统模型(3)中每个管脚的电压仿真值；

步骤六、依据步骤一b项中器件的内部版图及其设计规则文件和步骤一c项中器件内部的金属互连线、栅氧化层、n区、p区的密度和导电率，通过Abaqus软件平台，建立器件内部结构有限元模型(5)；

步骤七、基于Abaqus软件平台，将步骤五得到的器件晶体管级EDA系统模型(3)中每个管脚的电压仿真值加载到步骤六建立的器件内部结构有限元模型(5)对应的边界上，即每个管脚的电压仿真值是器件内部结构有限元模型(5)的边界条件，通过仿真测试得到器件中金属互连线的电流密度（6）；

标记金属互连线上出现的电流密度大于XXX的点，并视该标记点为该器件金属互联线的潜在故障点，然后按步骤八进行下一步测试，否则，停止测试；

步骤八、将步骤一中d项的器件内部的金属互连线的激活能和电流密度因子以及步骤七得到的标记点的电流密度值代入到美国马里兰大学Calce Fast软件电迁移Black模型中，计算器件内部的金属互连线每个标记点的失效时间，将其中最短的失效时间视为该器件的失效寿命。

本发明方法的优点是在计算机仿真基础上对半导体器件的金属互连线的电迁移现象进行分析，确定待测半导体中电流密度过大的互连线并计算其失效寿命，分析其可能导致的半导体器件功能失效的情况并计算半导体器件由电迁移导致的失效寿命，为科学地保证产品设计的可靠性提供依据；

附图说明

图1为本发明测试方法的流程图

图2为本发明方法实施例中的晶体管的EDA模型

图3为本发明方法实施例中的器件晶体管级EDA系统模型

图4为本发明方法实施例中的器件晶体管级EDA系统模型的仿真测试电路

图5为本发明方法实施例中的器件内部结构有限元模型

图6为本发明方法实施例中器件金属互连线的电流密度仿真测试示意图

图7为本发明方法实施例中器件金属互联线的潜在故障点的示意图

具体实施方式

以下将结合附图实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

下面以“CD4011B”为例，介绍本发明所述的基于仿真技术的半导体器件电迁移失效测试方法，参见附图1所示，该方法的步骤为：

步骤一、收集“CD4011B”已知信息，包括：

a“CD4011B”的内部电路图；

b“CD4011B”的内部版图及其设计规则文件，设计规则文件包括该器件金属互连线、栅氧化层、n区、p区和衬底的长度、宽度和厚度等工艺设计规则文件；

c“CD4011B”内部的金属互连线、栅氧化层、n区、p区的密度和导电率；

d“CD4011B”内部的金属互连线的激活能和电流密度因子；

通过半导体器件商得到“CD4011B”内部的金属互连线激活能为0.77ev和电流密度因子为2；

e“CD4011B”内部晶体管电流放大倍数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向电压和最大反向电流；

f“CD4011B”生产商提供的器件测试电路，该器件测试电路包括激励源和负载；

步骤二、基于Synopsys公司的Saber软件平台，依据步骤一e项中“CD4011B”内部晶体管参数信息，利用参量化模板建模方法建立器件内部每一个晶体管的EDA模型(2)，参见附图2所示；

步骤三、基于Synopsys公司的Saber软件平台，依据步骤一a项中“CD4011B”的内部电路图，利用步骤二中已建立的每一个晶体管EDA模型(1)，搭建器件的晶体管级EDA系统模型(3)，参见附图3所示；

步骤四、基于Synopsys公司的Saber软件平台，依据步骤一f项中的“CD4011B”测试电路建立步骤三中搭建起来的器件晶体管级EDA系统模型(3)的仿真测试电路(4)，即将器件的激励源(4)和负载(4)连接到器件晶体管级EDA系统模型对应的管脚上，参见附图4所示；

步骤五、基于Synopsys公司的Saber软件平台，用“CD4011B”晶体管级EDA系统模型(3)的仿真测试电路(4)进行稳态仿真测试和瞬态仿真测试，得到器件晶体管级EDA系统模型(3)中每个管脚的电压仿真值；

步骤六、依据步骤一b项中“CD4011B”的内部版图及其设计规则文件和步骤一c项中器件内部的金属互连线、栅氧化层、n区、p区、衬底的密度和导电率，通过Abaqus软件平台，建立器件内部结构有限元模型(5)，参见附图5；具体步骤包括：

（1）、根据“CD4011B”版图设计信息和工艺规则文件建立其有限元仿真模型；

（2）、将“CD4011B”金属互连线、栅氧化层、n区、p区、衬底的密度、电导率的信息注入到有限元仿真模型中；

步骤七、基于Abaqus软件平台，将步骤五得到的“CD4011B”晶体管级EDA系统模型(2)中每个管脚的电压仿真值加载到步骤六建立的器件内部结构有限元模型(5)对应的边界上，即每个管脚的电压仿真值是器件内部结构有限元模型(5)的边界条件，通过仿真测试得到器件中金属互连线的电流密度（6），参见附图6；

标记金属互连线上出现的电流密度大于XXX的点，即A、B、C、D和E点，并视该5个标记点为“CD4011B”金属互联线的潜在故障点（参见附图7）；

步骤八、将步骤一中d项的“CD4011B”内部的金属互连线的激活能和电流密度因子以及步骤七得到的标记点的电流密度值代入到美国马里兰大学Calce Fast软件电迁移Black模型中，其中Black模型为：

$\mathrm{Time}=\frac{\mathrm{wt}}{A{j}^n}{e}^{\frac{E_a}{\mathrm{kT}}}$

其中：

Time：失效寿命；

w：金属线的宽；

t：金属线的厚；

A：反映金属布线诸多物理特性的常数；

Ea：激活能；

K：波尔兹曼常数；

T：绝对温度；

j：施加的电流密度；

n：电流密度因子。

计算器件内部的金属互连线每个标记点的失效时间，将其中最短的失效时间视为该器件的失效寿命，其中A点的电迁移失效寿命最短——898201小时，

即由电迁移导致的“CD4011B”失效寿命为898201小时；

本发明与基于物理试验测试的方法相比，不需要昂贵的设备和长时间的试验测试并且可以在半导体器件流片之前进行相关分析，节省了大量宝贵的时间和设计成本。

Claims (1)

1.一种基于仿真技术的半导体器件电迁移失效测试方法，其特征在于：该方法的步骤为：

步骤一、收集待测半导体器件(以下简称器件)的已知信息，包括：

a器件的内部电路图；

b器件的内部版图及其设计规则文件；

c器件内部的金属互连线、栅氧化层、n区、p区的密度和导电率；

d器件内部的金属互连线的激活能和电流密度因子；

e器件内部晶体管电流放大倍数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向电压和最大反向电流；

f器件生产商提供的器件测试电路，该器件测试电路包括激励源和负载；

步骤二、基于Synopsys公司的Saber软件平台，依据步骤一e项中器件内部晶体管参数信息，利用参量化模板建模方法建立器件内部每一个晶体管的EDA模型(1)；

步骤三、基于Synopsys公司的Saber软件平台，依据步骤一a项中器件的内部电路图，利用步骤二中已建立的每一个晶体管EDA模型(1)，搭建器件的晶体管级EDA系统模型(2)；

步骤四、基于Synopsys公司的Saber软件平台，依据步骤一f项中的器件测试电路建立步骤三中搭建起来的器件晶体管级EDA系统模型(2)的仿真测试电路(3)，即将器件的激励源(4)和负载(5)连接到器件晶体管级EDA系统模型对应的管脚上；

步骤五、基于Synopsys公司的Saber软件平台，用器件晶体管级EDA系统模型(2)的仿真测试电路(3)进行稳态仿真测试和瞬态仿真测试，得到器件晶体管级EDA系统模型(2)中每个管脚的电压仿真值；

步骤六、依据步骤一b项中器件的内部版图及其设计规则文件和步骤一c项中器件内部的金属互连线、栅氧化层、n区、p区的密度和导电率，通过Abaqus软件平台，建立器件内部结构有限元模型(6)；

步骤七、基于Abaqus软件平台，将步骤五得到的器件晶体管级EDA系统模型(2)中每个管脚的电压仿真值加载到步骤六建立的器件内部结构有限元模型(6)对应的边界上，即每个管脚的电压仿真值是器件内部结构有限元模型(6)的边界条件，通过仿真测试得到器件中金属互连线的电流密度；

标记金属互连线上出现的电流密度大于XXX的点，并视该标记点为该器件金属互联线的潜在故障点，然后按步骤八进行下一步测试，否则，停止测试；

步骤八、将步骤一中d项的器件内部的金属互连线的激活能和电流密度因子以及步骤七得到的标记点的电流密度值代入到美国马里兰大学Calce Fast软件电迁移Black模型中，计算器件内部的金属互连线每个标记点的失效时间，将其中最短的失效时间视为该器件的失效寿命。