半导体可靠性分析-EM分析

EM（Electromigration）即电迁移，是金属线在电流和温度作用下产生的金属迁移现象，运动中的电子和主体金属晶格之间相互交换动量，金属原子沿电子流方向迁移时，就会在原有位置上形成空洞，同时，在金属原子迁移堆积形成丘状突起（如下图）。  前者导线变窄会导致性能下降，或者在某些极端情况下会导致导线断开，而后者导线加宽会造成光刻困难和多层布线之间的短路。从而影响芯片的正常工作。在先进技术节点设计中，随着器件电流更高、导线更窄以及芯片温度不断升高，互连的可靠性及其可能因 EM 引起的退化是一个严重的问题。 ## 01 失效模型 电迁移是一个较缓慢的失效过程，通常需要几个月甚至几年才能显现出来。通常会使用加速条件（如高温、大电流密度）测试电迁移失效寿命，然后根据加速因子反推正常应用条件下的寿命。Black方程为评估电迁移的经典模型，平均失效时间表示为：  ## 02 测试方法 在测试结构上施加恒定的电流，将测试样品放入到测试炉里，实时地测量测试结构金属线的阻值，当电阻值的漂移超过一定范围的时候（如 20%），判定这颗样品失效，并记录下失效的时间（从测试开始到失效的时间）。通过多颗样品的寿命的 Lognormal 分布/Weibull分布来推导出这批样品 EM 的可靠性或者正常工作条件下的使用寿命。 **DE-G中的EM分析界面** 下面以Lognormal 分布为例详细介绍DE-G Reliability模块下EM分析过程。  **数据选择** 在此区域中，用户根据提示将用于分析的指定数据列选到对应的栏目中，比如电流密度J，温度Temperature及失效时间TTF。 **参数输入** 在此区域中，用户设置具体的模型拟合参数，器件正常工作的参数和分布类型，如Fixed Current Density，Fixed Temperature和Target Temperature ，Target J ，Target Failure Probability，Lifetime Spec及Distribution等相关参数。 **结果和图表展示** 此区域中展示了所选分布类型的参数计算结果和图表分析界面  Ea和n是参数拟合得到的激活能和电流密度加速因子，Predicted Lifetime则体现了目标工作条件下，该器件的预期寿命，并和Lifetime Spec比较，当预期寿命大于Lifetime Spec则器件Pass，否则Fail。DE-G还提供了丰富的图形分析界面，可以帮助用户理解EM可靠性分析结果。   分别展示了固定电流密度不同温度下的累积失效率分布图，固定温度不同电流密度下的累积失效率分布图，Ea/n的拟合图及Lognormal 分布得到的Lifetime图，从图中可直观看到目标工作条件下器件的寿命与Lifetime Spec之间的关系。