电迁移测试电路、测试装置和方法与流程

1.本技术涉及集成电路可靠性领域，特别是涉及一种电迁移测试电路、测试装置和方法。


背景技术：

2.随着电子产品不断向微型化和多功能化发展，集成电路中互连结构的电迁移问题日益突出，已成为影响电子产品可靠性和耐久性的重要因素。互连结构尺寸的微型化导致了电流密度的大幅度提高，加速了互连结构的电迁移失效。
3.现有的电迁移监测系统和方法基本都是监测直流电流应力条件下的电迁移试验，且需要人工提取寿命失效数据进行可靠性寿命建模，缺少了集成的可靠性寿命评估模块，具有应力加载方式单一和监测模式适用性不强等明显缺点。而在实际工作环境中，集成电路中的互连结构并不是工作在单一的直流应力条件下，往往还需要承载交流应力。现有电迁移试验系统无法满足交流环境下的可靠性评价需求，也无法评估互连结构的寿命。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种电迁移测试电路、测试装置和方法，以解决传统电迁移检测系统和方法无法满足交流工作环境下互连结构的寿命评估问题。
5.本技术一方面提供了一种电迁移测试电路，包括测试模块、数据采集模块及控制模块，所述测试模块用于根据输出控制信号对待测样品施加预设参数的测试信号，所述测试信号包括电流信号，所述预设参数包括但不限于预设波形、预设幅值、预设占空比及预设频率中至少一种；所述数据采集模块，与所述测试模块连接，用于根据开关动作信号动作，控制所述待测样品接入对应的测试回路，并采集所述待测样品的电迁移试验参数信息，所述电迁移试验参数信息包括但不限于电压值、电流密度值及测试温度中至少一种；所述控制模块，与所述测试模块及所述数据采集模块均连接，用于根据接收的测试触发信号生成所述输出控制信号，以控制所述测试模块生成所述测试信号；及/或根据所述测试触发信号生成所述开关动作信号，以控制所述数据采集模块动作，使所述待测样品接入对应的测试回路；所述控制模块还被配置为：根据所述待测样品的电压值及所述测试信号的电流值，获取所述待测样品的电阻值，根据所述电阻值获取所述待测样品的寿命时间，基于若干个所述待测样品的寿命时间获取寿命数据，并根据所述寿命数据、所述预设参数及所述电迁移试验参数信息生成待测样品的寿命预测方程；其中，当所述电阻值大于预设电阻阈值时，判定所述待测样品发生电迁移失效，所述寿命数据包括但不限于失效数量、失效概率及寿命时间中至少一种。
6.于上述实施例所述的电迁移测试电路中，通过设置测试模块对待测样品施加预设参数的测试电流信号，包括交流信号和直流信号，实现了交直流应力的集成，大大扩宽了测试电路的应用范围；通过数据采集模块实时采集待测样品的电压值，同时与测试电流信号通过控制模块进行数据处理，能获得待测样品的实时电阻值，通过持续监控，当该实时电阻
值大于预设电阻阈值时，判定待测样品失效，由此获取待测样品的寿命时间，控制模块根据若干待测样品的寿命时间、预设参数以及电迁移试验参数信息，基于生成待测样品的寿命预测方程，后续待测样品通过寿命预测方程能相对准确的评估使用寿命，不需再进行长时间的试验验证，大大提高了测试效率。
7.在其中一个实施例中，所述测试模块包括：
8.试验箱，用于为所述待测样品提供预设的测试温度；
9.多功能电源，与所述控制模块及所述待测样品均连接，用于根据所述输出控制信号对所述待测样品施加所述测试信号。
10.在其中一个实施例中，所述数据采集模块包括：
11.开关阵列，包括若干个可控开关单元，任一所述可控开关单元与所述控制模块及所述待测样品均连接，任一所述可控开关单元根据所述开关动作信号动作，以将对应的待测样品接入对应的测试回路；
12.采集装置，与所述开关阵列及所述控制模块均连接，用于采集所述待测样品的电迁移试验参数信息，并将获取的数据发送给所述控制模块。
13.在其中一个实施例中，所述寿命时间为第一时刻至第二时刻的时间差；
14.其中，所述第一时刻为所述采集装置启动的时刻；所述第二时刻为所述待测样品失效的时刻。
15.在其中一个实施例中，所述控制模块根据获得的所述寿命数据，基于预设寿命分布模型获取所述待测样品的预设分位寿命信息，所述预设寿命分布模型包括但不限于指数分布模型、威布尔分布模型及对数正态分布模型中至少一种。
16.在其中一个实施例中，还包括：
17.所述控制模块根据所述预设分位寿命信息、所述预设参数及所述电迁移试验参数信息，基于预设寿命方程模型，获取所述寿命预测方程，所述预设寿命方程模型包括但不限于black方程。
18.本技术第二方面提供了一种电迁移测试装置，包括：
19.前述任一实施例所述的测试电路。
20.本技术第三方面提供了一种电迁移测试方法，包括：
21.根据接收的测试触发信号生成输出控制信号，以控制所述测试模块对待测样品施加预设参数的测试信号，所述预设参数包括但不限于预设波形、预设幅值、预设占空比及预设频率中至少一种；
22.根据所述测试触发信号生成开关动作信号，以控制所述待测样品接入对应的测试回路，以获取所述待测样品的电迁移试验参数信息，所述电迁移试验参数信息包括但不限于电压值、电流密度值及测试温度中至少一种；
23.根据所述预设参数及所述电迁移试验参数信息，生成所述待测样品的寿命预测方程。
24.在其中一个实施例中，所述根据所述预设参数及对应的电迁移试验参数信息，生成所述待测样品的寿命预测方程的步骤，包括：
25.根据所述待测样品的电压值及所述测试信号的电流值，获取所述待测样品的电阻值；
26.根据所述电阻值获取所述待测样品的寿命时间；
27.基于若干个所述待测样品的寿命时间，获取寿命数据；
28.根据获得的所述寿命数据，基于预设寿命分布模型，获取所述待测样品的预设分位寿命信息；
29.根据所述预设分位寿命信息、所述预设参数及所述电迁移试验参数信息，基于预设寿命方程模型，获取所述待测样品的寿命预测方程。
30.在其中一个实施例中，还包括：
31.获取测试触发信号，所述测试触发信号用于设置所述预设参数。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本技术提供的一个实施例中电迁移测试电路结构原理图；
34.图2为本技术提供的一个实施例中电迁移测试过程中互连结构的电阻随时间变化的曲线图；
35.图3为本技术提供的一个实施例中电迁移测试方法的流程示意图；
36.图4为本技术提供的又一实施例中电迁移测试方法的流程示意图。
具体实施方式
37.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
38.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
39.可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
40.需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
41.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
42.电迁移是金属原子在电流和温度作用下产生的原子迁移现象，运动中的电子和主体金属原子之间相互交换动量，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。前者将导致互连结构开路或断裂，而后者会
引起互连结构之间的短路，从而影响芯片的正常工作。电迁移在高电流密度和高频率变化的连线上比较容易产生，如电源、时钟线等。电迁移现象会造成电子产品电路发生断路或短路故障，导致电子电路失效，而电迁移是一个缓慢的失效过程，通常需要几个月甚至几年才能显示出来。因此，为了评估电子产品的使用寿命，有必要对互连结构的电迁移失效时间进行预估。
43.传统的电迁移监测系统和方法基本都是监测直流电流应力条件下的电迁移试验，且需要人工提取寿命失效数据进行可靠性寿命建模，缺少了集成的可靠性寿命评估模块，具有应力加载方式单一和监测模式适用性不强等明显缺点。而在实际工作环境中，集成电路中的互连结构并不是工作在单一的直流应力条件下，往往还需要承载交流应力。现有电迁移试验系统无法满足交流环境下的可靠性评价需求，也无法评估互连结构的寿命。
44.因此，为了解决上述问题，有必要提出一种电迁移测试电路、测试装置和方法，以下将通过具体的实施例来进行说明。
45.在本技术提供的一个实施例中，如图1所示，提供了一种电迁移测试电路，包括测试模块100、数据采集模块200及控制模块300，其中，测试模块100用于根据输出控制信号对待测样品施加预设参数的测试信号，所述测试信号包括电流信号，所述预设参数包括但不限于预设波形、预设幅值、预设占空比及预设频率中至少一种；数据采集模块200，与测试模块100连接，用于根据开关动作信号动作，控制待测样品接入对应的测试回路，并采集待测样品的电迁移试验参数信息，所述电迁移试验参数信息包括但不限于电压值、电流密度值及测试温度中至少一种；控制模块300，与测试模块100及数据采集模块200均连接，用于根据接收的测试触发信号生成所述输出控制信号，以控制测试模块100生成所述测试信号；及/或根据测试触发信号生成开关动作信号，以控制数据采集模块200动作，使待测样品接入对应的测试回路；控制模块300还被配置为：根据待测样品的电压值及测试信号的电流值，获取待测样品的电阻值，根据待测样品的电阻值获取待测样品的寿命时间，基于若干个待测样品的寿命时间获取寿命数据，并根据寿命数据、预设参数及电迁移试验参数信息生成待测样品的寿命预测方程；其中，当待测样品的电阻值大于预设电阻阈值时，判定待测样品发生电迁移失效，所述寿命数据包括但不限于失效数量、失效概率及寿命时间中至少一种。
46.具体地，首先，控制模块300通过与测量模块100通信连接，通过向测量模块100发送控制信号，控制测量模块100生成预设参数的测试信号，在一些实施例中，为方便后续测量，测试信号可以为电流信号，且该电流信号能够根据测试需求进行灵活配置，向待测样品输出预设波形、预设幅值、预设频率和预设占空比的交流电流信号或直流电流信号，满足不同应力工作环境下电迁移测试需求；其次，通过数据采集模块200采集待测样品的电压信号，控制模块300根据电压与电流的比值计算待测样品的电阻值，在正常情况下，待测样品的电阻值会因为电迁移作用而缓慢增大，直到骤然大增并超出一定的预设电阻阈值，此时可判断互连结构因电迁移发生了断路故障，互连结构也因此而失效，从开始测量到互连结构失效的时间，也即为待测样品的寿命时间；此外，影响待测样品电迁移过程的因素还包括外部环境温度和待测样品承载的电流密度，温度越高，电流密度越大，电迁移过程越剧烈，对应的寿命时间也越短，因此，对于同种类型的待测互连结构，可以通过设置不同的测试条件，通过实测获得多组寿命时间，同时统计多个待测样品的失效情况，包括但不限于失效数
量、失效概率等，与寿命时间一起生成待测样品的寿命数据。
47.做为示例，分别在环境温度100℃、125℃和150℃时不同电流密度条件下进行铜柱凸点互连的电迁移加速实验。考虑到采用铜柱凸点封装的器件通常对互连的性能要求较高，因此以焊料完全合金化时，电阻值约超过初始值的10％为失效判据，其中每种实验条件下进行三组实验后取失效时寿命时间的平均值，可得下表所示的寿命时间。
48.表1不同温度和电流密度条件下铜柱凸点平均寿命时间
[0049][0050]
由表1可知，当温度为最高的150℃，且电流密度为最大值3
×
104a/cm2时，寿命时间最短为14.34min，而当温度为最低的100℃，且电流密度最最小值2
×
104a/cm2时，寿命时间最长为2446.3h。
[0051]
进一步的，控制模块300根据获得的寿命数据，基于预设寿命分布模型获取待测样品的预设分位寿命信息，其中，预设寿命分布模型包括但不限于指数分布模型、威布尔分布模型及对数正态分布模型中至少一种。然后基于特定的寿命方程模型，生成寿命预测方程，其中，寿命方程模型可以采用black方程。
[0052]
做为示例，以对数正态分布模型为例，在不同电迁移测试条件下，中位寿命t
0.5
服从black方程：
[0053][0054]
其中，a为预设常数，j为电流密度，n为电流影响指数，ea为激活能，k为玻尔兹曼常数，t为测试温度。在不同的测试温度t和电流密度j条件下，激活能和电流影响指数均为固定值，通过测量获取寿命时间t
0.5
，并将对应的电流密度和测试温度带入black方程，可以建立关于电流影响指数n和激活能ea的方程，通过两组不同的数据带入，即可解出n与ea，再带入black方程之中，即可获得待测样品只与测试温度及电流密度相关的寿命预测方程。
[0055]
上述实施例所述的电迁移测试电路中，通过设置测试模块100对待测样品施加预设参数的测试电流信号，包括交流信号和直流信号，实现了交直流应力的集成，大大扩宽了测试电路的应用范围；通过数据采集模块200实时采集待测样品的电压值，同时与测试电流信号通过控制模块300进行数据处理，能获得待测样品的实时电阻值，通过持续监控，当该实时电阻值大于预设电阻阈值时，判定待测样品失效，由此获取待测样品的寿命时间，控制模块根据若干待测样品的寿命时间、预设参数以及电迁移试验参数信息，基于生成待测样品的寿命预测方程，后续待测样品通过寿命预测方程能相对准确的评估使用寿命，不需再进行长时间的试验验证，大大提高了测试效率。
[0056]
作为示例，请继续参考图1，测试模块100包括试验箱110及多功能电源120，其中，试验箱110用于为待测样品提供预设的测试温度；多功能电源120与控制模块300及待测样品均连接，用于根据输出控制信号对待测样品施加测试信号。
[0057]
具体地，由于电迁移过程跟环境温度密不可分，为了获得稳定的测试温度环境，有必要给待测样品提供单独的试验箱110，使测试工作始终保持在恒温状态下，同时，数据采集模块200通过温度传感器采集试验箱110内部温度，并传输给控制模块300，作为后续建立寿命预测方程的输入变量，在一些实施例中，由于电迁移过程速度较慢，可以采用提高工作环境温度的方法加快电迁移过程，获得更为苛刻的寿命时间；此外，多功能电源120根据控制模块300提供的控制信号产生预设波形、预设幅值、预设频率和预设占空比的交流电流信号或直流电流信号。
[0058]
作为示例，请继续参考图1，数据采集模块200包括开关阵列210及采集装置220，其中，开关阵列210包括若干个可控开关单元，任一可控开关单元均与控制模块300及待测样品连接，任一可控开关单元根据开关动作信号动作，以将对应的待测样品接入对应的测试回路；采集装置220与开关阵列210及控制模块300均连接，用于采集待测样品的电迁移试验参数信息，并将获取的数据发送给控制模块300。
[0059]
具体地，通过设置开关阵列210来控制待测样品接入测试回路，且支持多个待测样品同时测试，控制模块300通过发送开关动作信号控制开关阵列210动作，使对应的可控开关单元动作，将对应连接的待测样品接入测试回路，测试开始后，采集装置220持续的将检测到的待测样品电压信号传回控制模块300。
[0060]
在本技术提供的一个实施例中，如图2所示，待测样品的电阻值随着测试时间的增加而逐渐增大，在超出一定时间后(图中大于1000h)，阻值突变，急剧增大，标明待测样品出现了断路故障，电子电路中互连结构同时失效，从开始到失效的时间即为待测样品的寿命时间。
[0061]
在本技术提供的一个实施例中，还提供了一种电迁移测试装置，包括前述任一实施例所述的测试电路，具体包括测试模块100、数据采集模块200及控制模块300，其中，测试模块100用于根据输出控制信号对待测样品施加预设参数的测试信号，所述测试信号包括电流信号，所述预设参数包括但不限于预设波形、预设幅值、预设占空比及预设频率中至少一种；数据采集模块200，与测试模块100连接，用于根据开关动作信号动作，控制待测样品接入对应的测试回路，并采集待测样品的电迁移试验参数信息，所述电迁移试验参数信息包括但不限于电压值、电流密度值及测试温度中至少一种；控制模块300，与测试模块100及数据采集模块200均连接，用于根据接收的测试触发信号生成所述输出控制信号，以控制测试模块100生成所述测试信号；及/或根据测试触发信号生成开关动作信号，以控制数据采集模块200动作，使待测样品接入对应的测试回路；控制模块300还被配置为：根据待测样品的电压值及测试信号的电流值，获取待测样品的电阻值，根据待测样品的电阻值获取待测样品的寿命时间，基于若干个待测样品的寿命时间获取寿命数据，并根据寿命数据、预设参数及电迁移试验参数信息生成待测样品的寿命预测方程；其中，当待测样品的电阻值大于预设电阻阈值时，判定待测样品发生电迁移失效，所述寿命数据包括但不限于失效数量、失效概率及寿命时间中至少一种。
[0062]
在本技术提供的一个实施例中，如图3所示，提供了一种电迁移测试方法，包括：
[0063]
步骤22，根据接收的测试触发信号生成输出控制信号，控制所述测试模块对待测样品施加预设参数的测试信号；
[0064]
其中，测试信号包括电流信号，预设参数包括但不限于预设波形、预设幅值、预设占空比及预设频率中至少一种。
[0065]
具体地，测试触发信号用于设置测试信号的预设参数，包括电流波形、波形占空比、电流幅值以及电流频率，上述参数都是影响待测样品的电迁移寿命的关键因素，当预设参数设置完毕，起动电源即开始电迁移测试。
[0066]
步骤24，根据所述测试触发信号生成开关动作信号，控制所述待测样品接入对应的测试回路，以获取所述待测样品的电迁移试验参数信息；
[0067]
其中，所述电迁移试验参数信息包括但不限于电压值、电流密度值及测试温度中至少一种。
[0068]
具体地，电迁移寿命时间跟测试温度和电流密度密切相关，温度越高，电流密度越大，电迁移过程越快，寿命时间也越短。
[0069]
步骤26，根据所述预设参数及所述电迁移试验参数信息，生成所述待测样品的寿命预测方程。
[0070]
在本技术提供的一个实施例中，如图4所示，步骤26，根据所述预设参数及对应的电迁移试验参数信息，生成所述待测样品的寿命预测方程的步骤，包括：
[0071]
步骤262，根据所述待测样品的电压值及所述测试信号的电流值，获取所述待测样品的电阻值；
[0072]
步骤264，根据所述电阻值获取所述待测样品的寿命时间；
[0073]
具体地，参考图2所述实施例，当电阻值突变且超过预设电阻阈值时，可以判定互连结构失效，从开始测试到失效的时间，即为待测样品的寿命时间。
[0074]
步骤266，基于若干个所述待测样品的寿命时间，获取寿命数据；
[0075]
步骤268，根据获得的所述寿命数据，基于预设寿命分布模型，获取所述待测样品的预设分位寿命信息；
[0076]
步骤2610，根据所述预设分位寿命信息、所述预设参数及所述电迁移试验参数信息，基于预设寿命方程模型，获取所述待测样品的寿命预测方程。
[0077]
需要说明的是，在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0078]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0079]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现。
[0080]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。