Способ оценки надежности металлической разводки интегральных схем



Способ оценки надежности металлической разводки интегральных схем
Способ оценки надежности металлической разводки интегральных схем
Способ оценки надежности металлической разводки интегральных схем
Способ оценки надежности металлической разводки интегральных схем
Способ оценки надежности металлической разводки интегральных схем
Способ оценки надежности металлической разводки интегральных схем
Способ оценки надежности металлической разводки интегральных схем
Способ оценки надежности металлической разводки интегральных схем
Способ оценки надежности металлической разводки интегральных схем
Способ оценки надежности металлической разводки интегральных схем

 


Владельцы патента RU 2573176:

Открытое акционерное общество "Ангстрем-Т" (RU)

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для проведения ускоренных испытаний и получения сравнительной оценки надежности металлической разводки при производстве интегральных схем. Изобретение обеспечивает уменьшение времени испытаний тестовых структур, что позволяет увеличить размер выборки при испытаниях и повысить достоверность получаемой информации. В способе оценки надежности металлических проводников интегральных схем, состоящем в проведении ускоренных испытаний металлических проводников при постоянной температуре за счет саморазогрева протекающим током, определяют скорость нарастания сопротивления металлических проводников в зависимости от времени в пологой области, при этом в дальнейшем испытания до наступления отказа металлических проводников не проводятся. 3 табл., 9 ил.

 

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано для проведения ускоренных испытаний и получения сравнительной оценки надежности металлической разводки при производстве интегральных микросхем, позволяя повысить информативность и уменьшить время испытаний.

Известен способ ускоренных испытаний металлической разводки при постоянном токе, представленный в работах Т. Ли (Т.С. Lee) или О. Обеля (О. Aubel). Методика заключается в подаче постоянного электрического тока повышенной плотности (>2 МА/см2) на проводники металлизации и фиксации времени наработки до отказа по относительному увеличению сопротивления проводника (обычно 5-20%). К недостаткам данного способа можно отнести: во-первых, неконтролируемость температуры на проводнике из-за его самонагрева при протекании электрического тока, во-вторых, в связи с этой неконтролируемостью уменьшается достоверность для сравнительной оценки времен наработки до отказа.

Известен способ ускоренных испытаний проводника металлизации (ЕР 1978371 А, G01R 31/28, 2008), который состоит из трех последовательных этапов ускоренных испытаний одного и того же проводника при различных повышенных нагрузках (повышенная температура (200-400С°) и/или повышенный постоянный ток нагрузки) на каждом этапе, при этом на каждом этапе фиксируются изменения относительного сопротивления проводника (1-5%) с фиксацией времени и с дальнейшим расчетом наработки до отказа. Здесь используется тестовый проводник в керамическом корпусе с разваренными тестовыми площадками.

Недостатками данной методики являются: во-первых, использование дополнительных нагревательных камер для поддержания постоянной температуры, во-вторых, большая длительность испытаний (>120 ч), в-третьих, точно не определено влияния переходных процессов при изменении режима измерения на электромиграционную надежность проводника.

Наиболее близкой к заявленному способу является методика, представленная в стандарте EIA/JEDEC JESD61, которая включает в себя проведение ускоренных электромиграционных испытаний при постоянной температуре в режиме постоянной мощности. В процессе измерения производится запись значений электрического сопротивления металлического проводника, протекающего через него тока и времени. Критерием выхода из строя и окончания измерений служит увеличение сопротивления металлического проводника относительно начального значения, полученного в начале измерений (рекомендуемые значения - увеличение от 5% до 20%) (US 20030080761 А1, G01R 31/26, 2003). Недостатком данного метода является необходимость проведения полного цикла испытаний вплоть до наступления отказа, что требует повышенного времени испытаний. Также при проведении полного цикла испытаний нельзя провести промежуточный анализ процесса формирования отказа в проводнике металлизации.

Современные условия проведения испытаний требуют минимизировать время для тестового контроля, увеличить размер выборки испытуемых структур, тем самым повысив достоверность получаемых результатов, поэтому в основу изобретения положена задача разработать метод, обеспечивающий получение следующего результата: возможность определить время наработки до отказа металлического проводника без проведения полного цикла испытаний до отказа проводника металлизации, снизив, таким образом, время тестового контроля и повысив достоверность и информативность, что в итоге поможет оптимизировать процесс разработки и производства интегральных микросхем.

Суть методики состоит в следующем. На Рис.1 показана характерная зависимость сопротивления проводника от времени, состоящая из 2 частей, не считая области выхода на рабочий режим испытаний (на рисунке не показана).

Обычно испытания проводят до разрыва металлизации в момент времени tf. Разрыв металлизации обычно определяется по относительному увеличению сопротивления Rотн на 5-20% (US 20110285401 А1, G01R 31/04, 2011). На основе полученных данных определяются нормированные времена наработки до отказа t0.1 (при повышенных токе и температуре) по уровню отказов 0.1% с учетом дисперсии распределения [по формуле (1)] и сравниваются между собой.

Наработка на отказ t0.1 по уровню отказов 0.1% вычисляется по формуле

t50 - медианное время наработки до отказа по уровню отказов 50% (MTTF - median time to failure), ч; S - дисперсия распределения времен наработки до отказа.

По данному методу на первом этапе производится настройка, при которой на металлических проводниках определяется наклон в области 2а, точка перегиба и время разрыва. Точку резкого перегиба можно определить как увеличение текущего наклона кривой более чем в 10 раз. Наклон ΔR/Δt в области 2а определяется путем линейной экстраполяции. Далее по предложенному распределению мы определяем коэффициенты А, В по выбранной нами модели

где tf - время наработки до отказа, А - постоянный коэффициент, В - показатель степени для времени tf.

В дальнейшем при проведении испытаний проводники не подвергаются испытаниям до полного разрыва, а только определяется наклон в диапазоне времени [0; (tf_max+tf_min)/2] и точка перегиба (при условии, что эта точка перегиба находится в пределах выбранного диапазона времени). К примеру, если за положенное время испытаний была достигнута точка перегиба, то испытания прекращаются - но наклон получен. Если за время испытаний точка перегиба не была достигнута, то испытания также прекращаются.

Как было сказано ранее, можно выделить две части, разделяющиеся друг от друга характерной точкой перегиба. Пологую часть (Рис.1, обл.2а) можно аппроксимировать прямой: y=a·t+b. За точку перегиба принимается момент времени, при котором происходит резкое изменение линейной зависимости сопротивления от времени (tc на Рис.2).

Рассмотрим уравнение прямой для пологой области (Рис.2):

Установлено, что коэффициент наклона а имеет степенную зависимость от времени наработки до отказа. Формулу зависимости наклона кривой от времени наработки представляем в виде

где А, В - постоянные, tf - время наработки до отказа. Откуда можно выразить время tf через коэффициенты уравнений а, А, В:

Для определения времени наработки до отказа использовался следующий алгоритм:

1) Проведение цикла электромиграционных испытаний при постоянной температуре для группы образцов, фиксируя время измерения и значение электрического сопротивления через определенные промежутки времени (Δt=200-300 мс);

2) Определение наклона а прямой на линейном участке графика для каждого измерения в Ом/с (область 2а на Рис.1);

3) Определение коэффициентов А, В степенной функции (формула 4) путем построения графика зависимости tf(a) (Рис.3);

4) Вычисление времени наработки до отказа tf (формула 5) при последующих испытаниях для данной технологии по наклону прямой а без проведения полного цикла измерений (Рис.4);

5) Расчет значения t0.1 (Формула 1).

Пример использования методики.

В разработанной методике испытания на надежность (электромиграционные испытания) проводились на тестовых структурах (Рис.5). Испытывались металлические проводники длиной L=800 мкм для первого слоя металлизации (Mel) состава Ti/TiN/AlCuSi/TiN шириной W=1.0 мкм, толщиной Н=0.45 мкм и с пассивирующим слоем SiO2/SiN толщиной 0.9 мкм.

Электромиграционные испытания проводились на группе из пяти пластин для проведения настройки с вычислением аппроксимирующих коэффициентов и контрольной пластины для проверки методики.

Все образцы подвергались ускоренным испытаниям при повышенной температуре - Ttest=215°C. Величина постоянной температуры подбиралась таким образом, чтобы время испытаний было меньше 2400 с. Критерием отказа и окончания измерений служит 20% увеличение сопротивления. При испытаниях использовался измерительный стенд на базе прецизионного анализатора полупроводниковых параметров Agilent 4156С (Рис.6). Контроль экструзии (замыкание тестируемого проводника с соседними проводниками, Рис.5) показал, что замыканий нет. Оценка замыкания проводилась при напряжении 3 В по критерию измеренного тока <10 нА.

В Таблице 1 приведены данные по временам наработки до отказа (tf) и наклонам (а) тестовых структур для группы из пяти пластин. График зависимости параметра a(tf) представлен на Рис.7, на котором хорошо виден степенной характер аппроксимирующей функции, значения коэффициентов А и В равны 50.186 и 1.473 соответственно.

Таблица 1
Данные испытаний тестовых структур группы из пяти пластин
Измеренное значение времени наработки до отказа, с Коэффициент а в уравнении, Ом/с*10-2
1 55.32 14.5
2 75.13 9.2
3 169.29 2.73
4 190.39 2.46
5 250.02 1.3
6 477.02 0.514
7 620.13 0.448
8 734.6 0.249
9 811.19 0.221
10 820.35 0.223
11 842.32 0.326
12 851.03 0.2
13 880.8 0.171
14 979.69 0.18
15 1074.19 0.13
16 1134.69 0.122
17 1194.01 0.144
18 1282.68 0.15
19 1313.61 0.181
20 1382.32 0.172
21 1428.45 0.154
22 1487.81 0.121
23 1500.84 0.0864
24 1683.28 0.11
25 1880.14 0.0616
26 1888.24 0.0615
27 2064.8 0.0912
28 2168.84 0.0721
29 2385.55 0.0418

На Рис.8 представлена линейная зависимость точки перегиба (tc) от времени наработки (tf). Коэффициент регрессии R2>0.99, поэтому с достаточно большой вероятностью можно считать, что данный вид аппроксимации имеет место.

После этапа определения значений А и В для степенной функции применим методику оценки времен наработки до отказа металлических проводников по наклону кривой а (Таблица 2) на контрольной пластине, на которой сформированы такие же тестовые структуры, как и на пяти пластинах из группы.

На Рис.9 представлен график с нанесенными на него измеренными (real) и рассчитанными (calc) временами наработки для каждой структуры на контрольной пластине. Проведена линейная экстраполяция результатов методом наименьших квадратов. По горизонтальной оси X отложены времена отказов структур в логарифмическом масштабе (с), по вертикальной оси Y - р - доля числа отказов. Линия экстраполяции имеет выражение Z=(ln t - In t50))/S, где величина Z, удовлетворяющая уравнению F0(Z)=p, где F0 - стандартная нормированная функция нормального распределения. Для практических расчетов в MS Excel имеется встроенная функция NORMSINV, вычисляющая по значению р величину Z в уравнении F0(Z)=p.

Необходимо заметить, что при р=0.5 (число отказов равно 50%) функция F0(Z=0) равна 0.5. Также пересечение линии экстраполяции с горизонтальной осью X есть медианное время отказов t50.

Таблица 2
Данные измерений контрольной пластины и рассчитанные значения времени наработки до отказа при А=50.186, В=1.473
Измеренный наклон (коэффициент а в уравнении (3), Ом/с*10-2) Рассчитанное значение времени наработки до отказа, с Измеренное значение времени наработки до отказа, с
12.3 59.2 69.3
8.88 73.86 79.98
5.91 97.38 95.87
1.69 227.81 217.35
0.542 493.02 484.3
0.322 702.08 700.67
0.136 1260.39 1443.58
0.111 1446.75 1520.12
Таблица 3
Рассчитанные временные параметры для двух распределений по контрольной пластине
t0.1, с t50, с
Реальные значения 3.32 310.322
Вычисленные значения 3.22 297.417

Из Таблицы 3 видно, что ошибка при определении t50 около 4%, а для t0.1 - порядка 3%.

Нами показана корреляция времени жизни проводника с двумя параметрами: наклона прямой - а и точки перегиба - tc. В дальнейшем нет необходимости проводить испытания до полного отказа, а лишь в пределах определенного времени типа (tf_max+tf_min)/2 и браковать по величине наклона a crit, рассчитанного по величине tf_crit, которая может быть задана или рассчитана.

Данная методика может быть широко применена для оценки надежности металлической многоуровневой разводки интегральных схем как из Al и его соединений, так и из Сu. Большим преимуществом методики является отсутствие необходимости применения нагревательных печей. Кроме того, она позволяет снизить время проводимых испытаний за счет проведения неполного цикла электромиграционных испытаний и увеличить выборку испытаний. В то же время разработанная методика дает возможность достоверно оценить сравнительные надежностные характеристики проводников по параметру t0.1.

Приложение

Определен температурный коэффициент сопротивления ТКС металлического проводника, который равен 0.00325°С-1. Коэффициент ТКС рассчитан на основе линейной зависимости сопротивления металлического проводника от R(T) температуры Т в диапазоне 30°C, 45°C, 60°C, 90°C, 110°C:

где R0 - сопротивление проводника при комнатной температуре Т0=25°C. Подаваемый ток для измерения сопротивления был небольшим (20 мкА) для предотвращения теплового самонагрева из-за протекания тока.

Стандарты

JESD61 «Isothermal electromigration test procedure», EIA/JEDEC Standard, 1997.

JESD33B «Standard method for measuring and using the temperature coefficient of resistance to determine the temperature of a metallization line», EIA/JEDEC Standard, 2004.

Статьи

Т.С. Lee, D. Tibel, T.D. Sullivan, Sh. Forhan. "Comparison of isothermal, constant current and SWEAT wafer level EM testing methods", IEEE, 39th Annual International Reliability Physics Symposium, Orlando, Florida, 2001.

O. Aubel, T.D. Sullivan, D. Massey, T.C. Lee, T. Merrill, S. Polchlopek, A. Strong. "Practical considerations for Wafer-Level Electromigration Monitoring in high volume production", IEEE, IIRW Final Report, 2006.

F. Giroux, C. Gounelle, P. Mortid and G. Ghibaudo. "Wafer-level electromigration tests on NIST and SWEAT structures". Proc. IEEE 1995 Int. Conference on Microelectronic Test Structures, Vol.8, March, pp.229-232, 1995.

Патенты

Патент EP 1978371 A, класс G01R 31/28, "Electromigration testing and evaluation apparatus and methods", 2008.

Патент US 2010/0127719 A1, класс G01R 27/08, "Electromigration testing and evaluation apparatus and methods", 2010.

Патент US 6,825,671, класс G01R 31/08, "Integrated electromigration length effect testing method and apparatus", 2004.

Патент US 2003/0080761 A1, класс G01R 31/26, "Method and apparatus for accelerated determination of electromigration characteristics of semiconductor wiring", 2003.

Патент US 6,350,626 B1, класс H01L 21/66, "Method of testing electromigration lifetime", 2002.

Патент US 2011/0285401 А1, класс G01R 31/04, "Method for determining the lifetime of interconnects", 2011.

Патент WO 2004/001432 A1, класс G01R 31/316, "Electromigration test device and electromigration test method", 2004.

Патент US 2007/0278484 A1, класс H01L 23/58, H01L 21/66, "Method and test structure for estimating electromigration effects caused by porous barrier materials", 2007.

Способ оценки надежности металлических проводников интегральных схем, состоящий в проведении ускоренных испытаний металлических проводников при постоянной температуре за счет саморазогрева протекающим током, отличающийся тем, что с целью уменьшения времени испытаний и повышения информативности определяют скорость нарастания сопротивления металлических проводников в зависимости от времени в пологой области, при этом в дальнейшем испытания до наступления отказа металлических проводников не проводятся.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электронной технике, к области производства и эксплуатации интегральных схем, может быть использовано для проведения комплекса мероприятий по подготовке образцов изделий радиоэлектронной аппаратуры, к проведению испытаний на стойкость, к воздействию ионизирующего излучения космического пространства.

Изобретение относится к вопросам проектирования схемотехники и топологии интегральных схем и может быть использовано для коррекции топологии БИС, гибридных тонко- и толстопленочных микросхем, а также совмещенных ГИС.

Использование: для климатических испытаний готовых полупроводниковых приборов при одновременном измерении их электрических параметров. Сущность изобретения заключается в том, что термокамера содержит корпус, в котором размещена рабочая камера, вентилятор, узел очистки рециркуляционного воздуха, установленный в нагнетательном патрубке и выполненный в виде соосно соединенных суживающегося диффузора с винтообразными канавками на внутренней поверхности и расширяющегося сопла, в котором размещено осушивающее устройство в виде емкости, вентилятор снабжен приводом с регулятором скорости вращения, соединенным с выходами регулятора температуры и регулятора давления, и датчиками температуры и давления, подсоединенными соответственно к регулятору температуры и давления, каждый из которых содержит блок сравнения и блок задания, выпрямитель, который на входе подключен к регулятору скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода вентилятора, при этом на внутренней поверхности расширяющегося сопла выполнены винтообразные канавки, узел очистки рециркуляционного воздуха снабжен сеткой, выполненной из биметалла, установленной после внутренней круговой канавки на входе в суживающийся диффузор и соединенной с накопителем загрязнений, при этом на наружной поверхности корпуса расположен тонковолокнистый базальтовый материал, выполненный в виде витых пучков по высоте корпуса.

Изобретение относится к испытательной технике, применяемой при прочностных испытаниях (в частности, к испытаниям на прочность электронных плат (ЭП) при изготовлении).

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, в частности к модификации электрофизических свойств полупроводниковых транзисторных структур. Способ включает определение критериальных параметров приборов, облучение в пассивном режиме ограниченной выборки однотипных полупроводниковых приборов слабым ИЭМП с варьируемыми параметрами, включая амплитуду импульса, его длительность и частоту следования, обработку экспериментальных данных статистическими методами путем сравнения критериальных параметров полупроводниковых приборов до и после облучения ИЭМП, по результатам которой выявляют положительный эффект модификации и производят повторное облучение необработанных полупроводниковых приборных структур при оптимальных для этого типа приборных структур режимах генерации ИЭМП.
Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к способам отбраковки мощных светодиодов на основе InGaN/GaN, излучающих в видимом диапазоне длин волн. Способ отбраковки мощных светодиодов на основе InGaN/GaN включает проведение измерений при комнатной температуре в любой последовательности падений напряжения в прямом и обратном направлениях и плотностей тока на светодиодах, отбраковку по определенным критериям, последующее проведение старения светодиодов при определенных условиях, повторное проведение упомянутых измерений при первоначальных условиях, кроме одного, с окончательной отбраковкой ненадежных светодиодов.

Изобретение относится к нанотехнологии и может применяться при изготовлении планарных двухэлектродных резистивных элементов запоминающих устройств. Способ получения резистивного элемента памяти включает в себя создание проводящих электродов на непроводящей подложке, напыление в зазор между электродами металлической пленки и последующий термический отжиг пленки.

Изобретение относится к области микроэлектроники. Технический результат направлен на повышение достоверности определения типа и количества загрязняющих примесей на поверхности полупроводниковых пластин после плазмохимического травления и определения оптимального значения длительности времени травления.
Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем, в частности к процессам обработки поверхности подложек для выявления дефектов линий скольжения.

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью оптических средств, а также к технологии изготовления полупроводниковых приборов - для контроля водорода в материале при создании приборов и структур.

Изобретение относится к области инновационных технологий и может быть использовано для определения параметров кристаллов силленитов, определяющих эффективность перспективных технических систем, и их экспресс-характеризации методами диэлектрической спектроскопии. При соответствующей стартовой подготовке образцов и выборе частоты регистрации, основанном на информации о частотных спектрах, могут быть определены ключевые параметры примесных центров в кристаллах силленитов. Изобретение обеспечивает возможность оценки параметров, характеризующих оптоэлектронные свойства силленитов, по результатам измерений частотных зависимостей проводимости, комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь при разных температурах. 4 ил.

Использование: для определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках. Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый способ проводят в следующем порядке: измеряют спектры фоточувствительности в области поглощения квантовых точек диодных структур при различных температурах и/или напряжениях смещения на диодных структурах, по которым строят температурные и/или полевые зависимости фоточувствительности диодных структур, для всех величин температуры диодных структур и/или напряженности электрического поля в слое квантовых точек - параметров измерения указанной выше фоточувствительности и предполагаемого интервала величин времени межуровневой релаксации электрона τ32 получают температурные и/или полевые зависимости квантовой эффективности эмиссии η0 электронно-дырочных пар, после чего сравнивают логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии η0 и η1 с логарифмами построенных величин нормированной фоточувствительности диодных структур в области основного и первого возбужденного оптических переходов в квантовых точках во всем диапазоне указанных параметров измерения для каждой величины времени межуровневой релаксации электрона τ32 с выбранным шагом изменения этой величины в пределах предполагаемого интервала и по величине времени межуровневой релаксации электрона τ32, соответствующей минимальному расхождению сравниваемых величин, судят об искомом времени межуровневой релаксации электрона. Технический результат: обеспечение возможности создания эффективного косвенного способа определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для бесконтактного неразрушающего определения диффузионной длины носителей заряда в полупроводниковых пластинах, в том числе покрытых прозрачным слоем диэлектрика. Способ измерения диффузионной длины носителей заряда в полупроводниковых пластинах включает измерение сигнала, пропорционального неравновесной концентрации носителей заряда, возникающей в точке тестирования полупроводниковой пластины вследствие их диффузии из областей генерации, создаваемых на различных расстояниях от точки тестирования за счет формирования в этих областях световых пятен малой площади излучением из спектрального диапазона внутреннего фотоэффекта в полупроводнике, построение опытной зависимости амплитуды измеренного сигнала от расстояния между световым пятном и точкой тестирования, сравнение опытной зависимости с аналогичными зависимостями, рассчитанными теоретически, при этом для проведения измерений без установления электрического контакта с исследуемой пластиной сигнал, пропорциональный неравновесной концентрации носителей заряда в точке тестирования, получают путем пропускания через пластинку инфракрасного излучения с длиной волны из области прозрачности исследуемого полупроводника и измерения интенсивности прошедшего через пластину излучения. Также предложено устройство для измерения длины диффузии носителей заряда в полупроводниковых пластинах. Изобретение обеспечивает возможность выполнять измерения длины диффузии носителей заряда в полупроводниковых пластинах без установления электрического контакта с образцом непосредственно в тех областях, где будут изготовлены приборы, а также в пластинах, покрытых слоем прозрачного диэлектрика. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области нанотехнологий, а именно к способам измерения параметров наноструктур, и может быть использовано при определении электрофизических параметров конденсаторной структуры мемристора, характеризующих процесс формовки. Способ определения электрофизических параметров конденсаторной структуры мемристора, характеризующих процесс формовки, включает измерение вольт-амперных и импедансных характеристик. Новым является то, что выбирают мемристоры в виде конденсаторов металл - диэлектрик - полупроводник с соизмеримыми емкостями диэлектрика и области пространственного заряда полупроводника, и с отсутствием фиксации (пиннинга) уровня Ферми на этой границе раздела; для этих структур дополнительно измеряют спектральную характеристику конденсаторной фотоЭДС; из измеренных характеристик определяют электрофизические параметры структур, которые характеризуют происходящие при формовке изменения как в диэлектрике, так и на границе раздела диэлектрик/полупроводник и в полупроводнике: захват носителей заряда поверхностными состояниями на границе раздела диэлектрик/полупроводник, перемещение ионов, электрохимические реакции, дефектообразование. Изобретение обеспечивает расширение диагностических возможностей измерения характеристик и повышение степени прогнозирования электрофизических параметров мемристоров в виде МДП-конденсаторов для оптимизации технологии их изготовления при их разработке, кроме того, изобретение расширяет арсенал методов измерительной технологии в актуальной области изготовления мемристоров, являющихся основой нового поколения устройств энергонезависимой памяти. 1 з.п. ф-лы, , 4 ил.
Наверх