CN108181571B - 一种电迁移加速测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电迁移加速测试方法，包括：获取能消除测试结构焦耳热的临界电流密度；预估测试结构总数；对所述测试结构施加多个低于临界电流密度的电流进行电迁移加速测试使测试结构加速失效，并得到加速失效时间；当测试结构加速失效数量达到预设值时，停止测试，获取失效测试结构的加速失效时间对累计加速失效率的分布；根据测试结构的加速失效时间对累计加速失效率的分布计算测试结构的寿命。通过获取能消除测试结构焦耳热的电流范围，再从其中选取多个电流密度对应的电流对测试结构进行电迁移加速测试，避免了电迁移加速测试中焦耳热的影响，最终使获取的测试结构的寿命更加准确。

Description

一种电迁移加速测试方法
技术领域
本发明涉及半导体可靠性测试领域，尤其涉及一种电迁移加速测试方法。
背景技术
集成电路芯片内部采用金属互连线来引导工作电流，但是在电流和温度的长期作用下，这些互连线中可能出现电迁移，引起互连线的开路或短路，从而导致产品失效。为了提前发现或评估此类可靠性问题的风险大小，需要对产品或相关制造工艺进行针对电迁移可靠性的加速测试。
电迁移的加速测试是指在大于芯片的工作温度和工作电流的测试条件下获得一组样品的失效时间。通过这种加速测试获得累计失效率关于加速失效时间的分布(对数标准差)和温度加速因子(激活能)以及电流加速因子(电流密度指数)。利用获得的这三个固定数据和加速失效时间来计算芯片正常工作条件下达到一定的累计失效率所需要的时间，即为预期寿命。
由于产品开发周期的限制，通常加速测试时间应当控制在数十至数千小时。这样，为了及时完成测试，对于现在的工艺来说，一般所需施加的加速测试电流密度应达数兆安每平方厘米。然而，对于较厚的金属互连线，或者栅电极多晶硅，或者金属硅化物，由于其发热功率比窄金属线大得多，这样的电流密度往往会在测试结构中产生不可忽略的焦耳热。这将导致某些目前无法准确评估的次生效应，使得获取的加速失效时间、对数标准差和电流密度指数出现偏差，最后使得计算出的预期寿命不准确。而单单通过降低电流密度又会导致测试时间过长，测试成本大大增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电迁移加速测试方法，使获取的测试结构的寿命更准确。
为了达到上述目的，本发明提供了一种电迁移加速测试方法，所述电迁移加速测试方法包括：
获取能消除测试结构焦耳热的临界电流密度；
选取多个低于临界电流密度的电流作为加速测试电流，对于不同的测试电流，分别预估在可接受的最大测试时间内使失效样品的累计数量达到预设值所需的测试结构总数的最小值；
选取数量大于所述预估的测试结构总数最小值的测试结构，对所述测试结构施加相应的低于临界电流密度的电流进行电迁移加速测试使测试结构加速失效，并得到加速失效时间和累计加速失效率；
当测试结构加速失效数量达到预设值时，停止测试，得到已失效的测试结构的加速失效时间对测试结构的累计加速失效率的分布；
根据测试结构的加速失效时间对累计加速失效率的分布计算测试结构的寿命。
可选的，在所述电迁移加速测试方法中，获取能消除测试结构焦耳热的电流密度的方法包括：
量测测试结构的电阻温度系数；
在设定温度下施加电流密度大于正常工作下的电流密度的电流给测试结构，并量测测试结构两端的电压，计算出测试结构的阻值；
根据测试结构的电阻温度系数和所测定的阻值计算测试结构实际温度与设定温度的温差；
减小电流密度直到温差小于或等于温差预设值，此时的电流密度为能消除测试结构焦耳热的临界电流密度。
可选的，在所述电迁移加速测试方法中，所述温差预设值介于0.1摄氏度～1摄氏度。
可选的，在所述电迁移加速测试方法中，预估在可接受的最大测试时间内使失效样品的累计数量达到预设值所需的测试结构总数的最小值的方法包括：选取高于临界电流密度的电流对多个测试结构进行电迁移加速测试，获取总的测试时间、电流密度的指数、累计失效率对失效时间分布以及对数标准差，再通过如下公式获取测试结构总数：
Figure BDA0001531161770000031
其中，j0、N0、Y0、t0、σ0和n0分别是在高于临界电流密度下选用多个测试结构进行电迁移加速测试的电流密度、测试结构总数、失效结构数、总的测试时间、对数标准差和电流密度指数。
可选的，在所述电迁移加速测试方法中，所述测试结构加速失效数量的预设值大于或等于15。
可选的，在所述电迁移加速测试方法中，通过如下公式获取测试结构的累计加速失效率：
Figure BDA0001531161770000032
其中，m代表第m个加速失效测试结构，N为测试结构的总数，CDFm为第m个失效测试结构的累计加速失效率。
可选的，在所述电迁移加速测试方法中，根据测试结构的加速失效时间对累计加速失效率的分布计算测试结构的寿命的方法包括：
根据测试结构的加速失效时间对累计加速失效率的分布获取平均加速失效时间和对数标准差；
根据平均加速失效时间获取温度加速因子和电流加速因子；
利用温度加速因子和电流加速因子获取测试结构的寿命。
可选的，在所述电迁移加速测试方法中，根据如下公式利用不同测试电流密度条件下的平均加速失效时间，提取出电流加速因子和温度加速因子，所述公式如下：
Figure BDA0001531161770000033
其中，MTTF为平均加速失效时间，n为电流加速因子，Ea为温度加速因子，jstress为加速测试下的电流密度，Tstress为加速下的测试温度，k为玻尔兹曼常数。
可选的，在所述电迁移加速测试方法中，通过如下公式获取测试结构的寿命：
Figure BDA0001531161770000041
其中，TTF为测试结构的寿命，MTTF为平均加速失效时间，n为电流加速因子，jstress为加速测试下的电流密度，joper为正常工作下的电流密度，Tstress为加速测试下的温度，Toper为正常工作下的温度，σ为对数标准差，Ea为温度加速因子，k为玻尔兹曼常数，Normsinv为标准常态累计分配函数的反函数。
在本发明提供的电迁移加速测试方法中，通过获取能消除测试结构焦耳热的电流密度的范围，再从其中选取多个电流密度对测试结构进行电迁移加速测试，并预先估计在每个选定的电流密度下使足够数量的样品在可以接受的最大测试时间内失效所需的样品总数最小值，既避免了电迁移加速测试中焦耳热的影响，使获取的测试结构的寿命更加准确，又可以利用尽可能少的测试资源在合理时间内及时完成测试。
附图说明
图1是本实施例电迁移加速测试方法的流程图；
图2是本实施例消除测试结构焦耳热的方法的流程图；
图3是本实施例获取测试结构寿命的方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
对于厚金属互连线、栅电极多晶硅或者金属硅化物这些测试结构，参照图1，为了使获取的寿命更准确，本发明提供了一种电迁移加速方法，包括：
S10：获取能消除测试结构焦耳热的临界电流密度；
S20：选取多个低于临界电流密度的电流作为加速测试电流，对于不同的测试电流，分别预估在可接受的最大测试时间(可接受的最大测试时间根据测试结构的不同而不同，一般为数百到数千小时)内使失效样品的累计数量达到预设值所需的测试结构总数的最小值；
S30：选取数量大于所述预估的测试结构总数最小值的测试结构，对所述测试结构施加相应的低于临界电流密度的电流进行电迁移加速测试使测试结构加速失效，并得到加速失效时间和累计加速失效率；
S40：，当测试结构加速失效数量达到预设值时，停止测试，得到已失效的测试结构的加速失效时间对累计加速失效率的分布；
S50：根据测试结构的加速失效时间对累计加速失效率的分布计算测试结构的寿命。
在本申请实施例中，选取能消除焦耳热的电流密度对应的电流施加给测试结构进行电迁移加速测试，能使测试结构产生更小的焦耳热或者不产生焦耳热，从而减少电迁移加速测试中焦耳热对电迁移加速测试的影响。
接着请参照图2，其中，获取能消除测试结构焦耳热的电流密度的方法包括：
S11：量测测试结构的电阻温度系数；
S12：在设定温度下，施加电流密度大于正常工作下的电流密度的电流给测试结构，并量测测试结构两端的电压，计算出测试结构的阻值；
S13：根据测试结构的电阻温度系数和所测定的阻值计算测试结构的实际温度与设定温度的温差；
S14：减小电流密度直到温差小于或等于温差预设值，此时的电流密度为能消除测试结构焦耳热的临界电流密度。
较佳的，所述温差预设值介于0.1摄氏度～1摄氏度。本实施例中，温差预设值设为1摄氏度，施加电流密度大于3MA/cm2的电流给测试结构时，测试结构与设定温度差值大于1摄氏度，认为没有消除焦耳热，则减小电流密度，每次减小的幅度为0.1MA/cm2，直到测试结构与环境温度差值小于1摄氏度，此时认为已经消除了焦耳热，若此时的电流密度为1.5MA/cm2。将1.5MA/cm2作为能消除测试结构焦耳热的临界电流密度(1.5MA/cm2到1.51MA/cm2中间的任何值都可能是临界电流密度，根据测试的精度以及为了方便选取1.5MA/cm2作为临界电流密度)。
较佳的，所述测试结构加速失效数量的预设值大于或等于15。为了提高测试结果的可信性，相应的，可以提高测试结构失效的数量。本实施例，将测试结构加速失效数量的预设值设为15。
本实施例中，为了使测试结果的可信性更高，则在合理时间内累计失效数量要达到预设值，因此可以适当增加总的测试结构数量N。在所述电迁移加速测试方法中，预估测试结构总数的方法包括两种：第一种方法预估在可接受的最大测试时间内使失效样品的累计数量达到预设值所需的测试结构总数的最小值N可以通过经验选取，第二种方法，预估在可接受的最大测试时间内使失效样品的累计数量达到预设值所需的测试结构总数的最小值的方法包括：选取高于临界电流密度的电流对多个测试结构进行电迁移加速测试，获取总的测试时间、电流密度的指数、累计失效率对失效时间分布以及对数标准差，再通过如下公式获取测试结构总数N：
Figure BDA0001531161770000061
其中，j0、N0、Y0、t0、σ0和n0分别是在高于临界电流密度下选用少量测试结构进行电迁移加速测试的电流密度、测试结构总数、失效结构数、总的测试时间、对数标准差和电流密度指数。
例如，将累计失效结构数量Y的值设为15，σ0＝0.3，n0＝1.85，t0＝300小时，Y0＝9，N0＝17进行计算，根据公式，要在T为1000小时(本实施例中可接受的最大测试时间)以内完成测试，计算得知，电流密度为1.5MA/cm2时，测试结构总数N最小值为15，电流密度为1.1MA/cm2时，测试结构总数N最小值为23，电流密度为0.9MA/cm2时，测试结构总数N最小值为81。
较佳的，通过如下公式获取测试结构的累计加速失效率：
Figure BDA0001531161770000062
其中，m代表第m个加速失效测试结构，N为测试结构的总数，CDFm为第m个失效测试结构的累计加速失效率。
本实施例中，由于机台上只能同时测试30个测试结构，因此当测试结构数为81时，可以将3～5个测试结构串联在一起进行测试。
此时可以通过如下公式获得累计加速失效率：
Figure BDA0001531161770000071
其中，m代表第m个失效测试结构，a为单个测试结构中串联的测试结构数目，N为总的测试结构数量，CDFm为第m个失效测试结构累计失效率。
例如，测试结构总数N为15时，数量小于30，可以直接进行测试，此时相应的电流密度选取1.5MA/cm2，分别求得CDF1到CDF15的值。测试结构总数N为23时，测试结构数小于30，同样可以直接进行测试，此时相应的电流密度选取1.1MA/cm2，分别求得CDF1到CDF23的值。当测试结构总数N为81时，数量大于了30，不能直接进行测试，此时a可设为4，将4个测试结构串联在一起，此时81个测试结构分为21个组，此时相应的电流密度选取0.9MA/cm2，记录每个测试结构组里测试结构开始失效的时间。分别求得CDF1到CDFm的值(如果只选取了3个低电流密度，测试结构总数为15到23时，选取的相应的电流密度为1.5MA/cm2；测试结构总数为23到81时，选取的相应的电流密度为1.1MA/cm2；测试结构总数大于81时，选取的相应的电流密度为0.9MA/cm2)。因此，在1.1～1.5MA/cm2之间取不同电流密度进行测试，所获得的加速失效时间和电流密度指数将更加准确。
较佳的，参照图3，根据测试结构的加速失效时间对累计加速失效率的分布计算测试结构的寿命的方法包括：
S41：根据测试结构的加速失效时间对累计加速失效率的分布获取平均加速失效时间和对数标准差；
S42：根据平均加速失效时间获取温度加速因子和电流加速因子；
S43：利用温度加速因子和电流加速因子获取测试结构的寿命。
本实施例中，获取加速因子的方法包括：根据如下公式利用不同电流密度条件下的平均加速失效时间，提取出电流加速因子和温度加速因子，所述公式如下：
Figure BDA0001531161770000072
其中，MTTF为平均加速失效时间，n为电流加速因子，Ea为温度加速因子，jstress为加速电流密度，Tstress为加速测试温度，k为玻尔兹曼常数。
本实施例中，通过如下公式获取测试结构的寿命：
Figure BDA0001531161770000081
其中，TTF为测试结构的寿命，MTTF为平均加速失效时间，n为电流加速因子，jstress为加速测试下的电流密度，joper为正常工作下的电流密度，Tstress为加速测试下的温度，Toper为正常工作下的温度，σ为对数标准差，Ea为温度加速因子，k为玻尔兹曼常数，Normsinv为标准常态累计分配函数的反函数。
较佳的，电迁移加速测试下的温度高于测试结构正常工作下的温度。例如，在铜线电迁移加速测试中，温度通常需要高达250℃～350℃，而正常工作下的温度通常小于100℃。
较佳的，电迁移加速测试下的电流密度高于测试结构正常工作下的电流密度。正常工作是指测试结构平时工作时的情况，例如电器在额定电压电流下工作。
综上，在本发明提供的电迁移加速测试方法实施例中，通过能消除焦耳热的方法获取能消除焦耳热的电流密度范围，并预先估计在每个选定的电流密度下使足够数量的样品在可以接受的最大测试时间内失效所需的样品总数，选取能消除测试结构焦耳热电流密度对应的电流对测试结构进行电迁移加速测试，使获取的测试结构的寿命更加准确，又可以利用尽可能少的测试资源在合理时间内及时完成测试。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电迁移加速测试方法，其特征在于，所述电迁移加速测试方法包括：
获取能消除测试结构焦耳热的临界电流密度；
选取多个低于临界电流密度的电流作为加速测试电流，对于不同的测试电流，分别预估在可接受的最大测试时间内使失效样品的累计数量达到预设值所需的测试结构总数的最小值；
选取数量大于预估的测试结构总数最小值的测试结构，对所述测试结构施加相应的低于临界电流密度的电流进行电迁移加速测试使测试结构加速失效，并得到加速失效时间和累计加速失效率；
当测试结构加速失效数量达到预设值时，停止测试，并获取测试结构的加速失效时间对累计加速失效率的分布；
根据测试结构的加速失效时间对累计加速失效率的分布计算测试结构的寿命；
预估在可接受的最大测试时间内使失效样品的累计数量达到预设值所需的测试结构总数的最小值的方法包括：选取高于临界电流密度的电流对多个测试结构进行电迁移加速测试，获取总的测试时间、电流密度的指数、累计失效率对失效时间分布以及对数标准差，再通过如下公式获取测试结构总数：
Figure FDA0002520320960000011
其中，j0、N0、Y0、t0、σ0和n0分别是在高于临界电流密度下选用多个测试结构进行电迁移加速测试的电流密度、测试结构总数、失效结构数、总的测试时间、对数标准差和电流密度指数，Y为累计失效结构数量，T为设定的最大测试时间。
2.如权利要求1所述的电迁移加速测试方法，其特征在于，获取能消除测试结构焦耳热的电流密度的方法包括：
量测测试结构的电阻温度系数；
在设定温度下,施加电流密度大于正常工作下的电流密度的电流给测试结构，并量测测试结构两端的电压，计算出测试结构的阻值；
根据测试结构的电阻温度系数和所测定的阻值计算测试结构实际温度与设定温度的温差；
减小电流密度直到温差小于或等于温差预设值，此时的电流密度为能消除测试结构焦耳热的临界电流密度。
3.如权利要求2所述的电迁移加速测试方法，所述温差预设值介于0.1摄氏度～1摄氏度。
4.如权利要求1所述的电迁移加速测试方法，所述测试结构加速失效数量的预设值大于或等于15。
5.如权利要求1所述的电迁移加速测试方法，其特征在于，通过如下公式获取测试结构的累计加速失效率：
Figure FDA0002520320960000021
其中，m代表第m个加速失效测试结构，N为测试结构的总数，CDFm为第m个失效测试结构的累计加速失效率。
6.如权利要求1所述的电迁移加速测试方法，其特征在于，根据测试结构的加速失效时间对累计加速失效率的分布计算测试结构的寿命的方法包括：
根据测试结构的加速失效时间对累计加速失效率的分布获取平均加速失效时间和对数标准差；
根据平均加速失效时间获取温度加速因子和电流加速因子；
利用温度加速因子和电流加速因子获取测试结构的寿命。
7.如权利要求5所述的电迁移加速测试方法，其特征在于，根据如下公式利用不同电流密度条件下的平均加速失效时间，提取出电流加速因子和温度加速因子，所述公式如下：
Figure FDA0002520320960000022
其中，MTTF为平均加速失效时间，n为电流加速因子，Ea为温度加速因子，jstress为加速测试下的电流密度，Tstress为加速测试下的温度，k为玻尔兹曼常数。
8.如权利要求5所述的电迁移加速测试方法，通过如下公式获取测试结构的寿命：
Figure FDA0002520320960000031
其中，TTF为测试结构的寿命，MTTF为平均加速失效时间，n为电流加速因子，jstress为加速测试下的电流密度，joper为正常工作下的电流密度，Tstress为加速测试下的温度，Toper为正常工作下的温度，σ为对数标准差，Ea为温度加速因子，k为玻尔兹曼常数，Normsinv为标准常态累计分配函数的反函数。
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