專利名稱：大規(guī)模集成互連電遷移失效測試方法
技術領域：
本發(fā)明屬于測試技術領域，涉及半導體器件的可靠性測試，特別是一種大規(guī)模集成互連電遷移失效的測試方法。
背景技術：
隨著集成電路器件特征尺寸的持續(xù)縮小和電路復雜度的提高，互連密度、層數(shù)和工作電流密度不斷增大，由此引發(fā)的互連電遷移失效問題也更加顯著，成為微電子器件中主要的失效現(xiàn)象之一，也是集成電路可靠性評價的重要內(nèi)容之一?，F(xiàn)有的集成電路互連電遷移失效研究普遍采用單鏈接結(jié)構(gòu)互連進行失效實驗，測試效率很低，為了減少測試周期往往需要多個測試裝置同時工作，測試成本較高；或是采用齊納二極管搭建外部旁通電路的方式實現(xiàn)串聯(lián)結(jié)構(gòu)多鏈接電遷移失效試驗，但這種測試裝置存在明顯的不足，即當齊納二極管與整個多鏈接互連并聯(lián)時將導致測試無法獲得其包含 的每個單鏈接互連失效的具體時間信息，而當齊納二極管與每個單鏈接互連并聯(lián)時，則會因占用互連測試芯片樣品的引腳資源過多而極大限制了多鏈接結(jié)構(gòu)的規(guī)模。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種大規(guī)模集成互連電遷移失效測試方法，以提高測試效率，實現(xiàn)大規(guī)模集成互連電遷移失效的快速自動測試。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術原理是根據(jù)反熔絲的特性制作互聯(lián)-反熔絲單元結(jié)構(gòu)。反熔絲是由兩個導電層夾介質(zhì)層組成的耐高溫可編程邏輯單元，在電壓擊穿之前表現(xiàn)為電容特性，通過上、下電極間的編程電壓實現(xiàn)編程后則表現(xiàn)出良好的歐姆電阻特性，本發(fā)明正是利用反熔絲這種在編程前后電阻發(fā)生巨大變化的特性，在集成互連線上通過平面工藝制作反熔絲，與互連線形成互連-反熔絲并聯(lián)結(jié)構(gòu)。在電遷移測試過程中，集成互連線未失效時反熔絲表現(xiàn)為高阻態(tài)可視做開路，當集成互連線電阻高于失效判據(jù)時反熔絲開始導通，形成低阻電流通路，以實現(xiàn)與齊納二極管類似的功能而無需占用測試芯片引腳資源。具體實現(xiàn)步驟包括如下(I)通過平面工藝在集成互連線的焊盤上制作反熔絲，使反熔絲與互連線并聯(lián)連接，形成多個互連-反熔絲單元結(jié)構(gòu)；(2)將多個互連-反熔絲單元結(jié)構(gòu)首尾依次相連，形成大規(guī)模集成互連多鏈接結(jié)構(gòu)；(3)將大規(guī)模集成互連多鏈接結(jié)構(gòu)的首尾兩端分別與測試電流源和電壓表的同極性端相連，測試該多鏈接結(jié)構(gòu)兩端的電壓-時間曲線；(4)記錄多鏈接結(jié)構(gòu)兩端電壓下降跳變點的時間，作為整個大規(guī)模集成互連的電遷移失效時間。所述反熔絲在互連失效前為高阻態(tài)并表現(xiàn)為開路，互連失效后轉(zhuǎn)化為低阻態(tài)并表現(xiàn)為短路。
所述互連線材料選用鋁或銅金屬材料。所述通過平面工藝在集成互連線的焊盤上制作反熔絲，按如下步驟進行(Ia)在所述的集成互連線上涂光刻膠，在集成互連線的焊盤正上方區(qū)域內(nèi)刻蝕出反熔絲孔；(Ib)在反熔絲孔中通過化學氣相淀積CVD形成下金屬電極；(Ic)在下金屬電極上通過等離子體化學氣相淀積PECVD形成一層絕緣介質(zhì)層；(Id)在絕緣介質(zhì)層上通過化學氣相淀積CVD形成上金屬電極；(Ie)去除光刻膠，形成金屬-絕緣介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的反熔絲。
本發(fā)明的方法具有如下優(yōu)點I)通過平面工藝在集成互連線的焊盤上制作反熔絲，不需要增加額外的芯片，降低了測試成本；2)將多個互連-反熔絲單元結(jié)構(gòu)首尾依次相連，形成大規(guī)模集成互連多鏈接結(jié)構(gòu)，再進行測試，可以一次性測試大量的互連樣品，減少了測試時間，大大提高了測試效率。


圖I為本發(fā)明的測試流程圖；圖2為本發(fā)明制作互連-反熔絲單元的子流程示意圖；
圖3為本發(fā)明制作的集成互連多鏈接示意圖；圖4為本發(fā)明試驗使用的3個互連-反熔絲單元串聯(lián)連接的實例示意圖；圖5為對圖4進行電遷移失效測試的電壓V-時間t曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容做進一步詳細的說明。參照圖1，本發(fā)明大規(guī)模集成互連電遷移失效測試方法，具體步驟包括如下步驟一通過平面工藝在集成互連線的焊盤上制作反熔絲，使反熔絲與互連線并聯(lián)連接，形成多個互連-反熔絲單元結(jié)構(gòu)。參照圖2，本步驟的具體實現(xiàn)如下(Ia)在襯底100上淀積一層互連層間介質(zhì)111，所述襯底100米用娃襯底,但不限于硅襯底，所述互連層間介質(zhì)111選用低介電常數(shù)材料；(Ib)在互連層間介質(zhì)111上光刻并刻蝕出第一層互連線溝槽圖形1001 ；(Ic)填充互連線溝槽圖形1001，形成第一層互連線113，所述互連線113的材料選用鋁或銅金屬材料；(Id)在步驟(Ic)所形成的圖形上淀積一層互連層間介質(zhì)112，所述互連層間介質(zhì)112選用低介電常數(shù)材料；(Ie)在互連層間介質(zhì)112上光刻并刻蝕出通孔焊盤溝槽圖形1002和通孔焊盤溝槽圖形1003 ；(If)填充通孔焊盤溝槽圖形1002和通孔焊盤溝槽圖形1003，形成通孔焊盤114和通孔焊盤115，所述通孔焊盤114和通孔焊盤115的材料選用鋁或銅金屬材料；(Ig)在步驟(If)所形成的圖形上淀積一層互連層間介質(zhì)120，所述互連層間介質(zhì)120選用低介電常數(shù)材料；(Ih)在互連層間介質(zhì)120上光刻并刻蝕出通孔焊盤溝槽圖形1004、通孔焊盤溝槽圖形1005和通孔焊盤溝槽圖形1006 ；(Ii)填充通孔焊盤溝槽圖形1004、通孔焊盤溝槽圖形1005和通孔焊盤溝槽圖形1006，形成通孔焊盤121、通孔焊盤122和通孔焊盤123的圖形，所述通孔焊盤121、通孔焊盤122和通孔焊盤123的材料選用鋁或銅金屬材料；(Ij)在步驟(Ii)所形成的圖形上涂光刻膠1007，所述光刻膠1007通過甩膠形成均勻涂層，在通孔焊盤121的正上方區(qū)域內(nèi)用常規(guī)的刻蝕技術刻蝕出反熔絲孔1008，露出通孔焊盤121 ；(Ik)在反熔絲孔1008中采用化學氣相淀積CVD形成下金屬電極201，所述下金屬電極201的材料采用氮化鈦或鎢化鈦；
(11)采用等離子體化學氣相淀積PECVD方法，在反熔絲孔1008中的下金屬電極201上形成一層絕緣介質(zhì)層202，所述絕緣介質(zhì)層202的材料選用氮化硅或非晶硅或摻雜了氮、氟元素的含氫非晶碳薄膜；(Im)采用化學氣相淀積CVD方法，在反熔絲孔1008中的絕緣介質(zhì)層202上形成上金屬電極203，所述上金屬電極203的材料采用氮化鈦或鎢化鈦；(In)使用濕氧去膠或高溫干氧去膠等常規(guī)的去膠工藝，去除步驟(Ii)所形成圖形上殘留的光刻膠1007，淀積形成一個絕緣介質(zhì)層200 ；(Io)在絕緣介質(zhì)層200上光刻并刻蝕出通孔焊盤溝槽圖形1009、通孔焊盤溝槽圖形1010、通孔焊盤溝槽圖形1011和通孔焊盤溝槽圖形1012 ；(Ip)在通孔焊盤溝槽圖形1009、通孔焊盤溝槽圖形1010、通孔焊盤溝槽圖形1011和通孔焊盤溝槽圖形1012中，用電鍍或物理濺射方法淀積金屬并拋光，制作通孔焊盤204、通孔焊盤205、通孔焊盤206和通孔焊盤207。步驟二 將多個互連-反熔絲單元結(jié)構(gòu)首尾依次相連，即將每個互連-反熔絲單元中的焊盤306和焊盤307用引線309直接連接，將相鄰兩個單元的首尾焊盤通過引線310相連，形成大規(guī)模集成互連多鏈接結(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖4給出了一個用三個互連-反熔絲單元串聯(lián)的多鏈接結(jié)構(gòu)，將互連-反熔絲單元41的焊盤406和焊盤407用鍵合引線415連接，互連-反熔絲單元42的焊盤409和焊盤410用鍵合引線417連接，互連-反熔絲單元43的焊盤412和焊盤413用鍵合引線419連接。將互連-反熔絲單元41的焊盤408通過鍵合引線416與互連-反熔絲單元42的焊盤409連接，互連-反熔絲單元42的焊盤411通過鍵合引線418與互連-反熔絲單元43的焊盤412連接。步驟三將大規(guī)模集成互連多鏈接的首尾兩端分別與測試電流源和電壓表的同極性端相連，測試該多鏈接結(jié)構(gòu)兩端的電壓-時間曲線。參照圖3，本步驟的具體連接如下將首端互連-反熔絲單元31的焊盤305通過引線301與測試電流源的一端連接，焊盤306通過引線302與測試電壓表的同極性端連接，并將末端互連-反熔絲單元33的焊盤308通過引線304與測試電流源的另一端連接，焊盤307通過引線303與測試電壓表的同極性端連接，記錄電壓表上電壓隨時間變化的電壓-時間曲線。
所述引線309和引線310為鍵合引線，可選用集成金屬連線。所述引線301、引線302、引線303和引線304均為鍵合引線。例如對于圖4，在測試過程中，是將互連-反熔絲單元41的焊盤405通過引線401與測試電流源正極連接，焊盤406通過引線402與測試電壓表正極連接，將互連-反熔絲單元43的焊盤414通過引線404與測試電流源負極連接，焊盤413通過引線403與測試電壓表負極連接。步驟四在電遷移測試過程中，將集成互連線未失效時反熔絲的高阻態(tài)視為開路，當集成互連線電阻高于失效判據(jù)時反熔絲導通，并形成低阻電流通路，從而引起電壓表下降跳變，記錄多鏈接結(jié)構(gòu)兩端電壓下降跳變點的時間，即為大規(guī)模集成互連的電遷移失效時間。例如，對圖4結(jié)構(gòu)進行電遷移測試，獲得的電遷移失效測試電壓V-時間t曲線如圖5。其中501、502和503為反熔絲編程時的電壓跳變點，此時互連線發(fā)生電遷移失效。 上述步驟一，給出如下三種實施例。實施例I如圖2所示互連-反熔絲單元，其互連線的材料為銅。第一層互連線113的長度為300微米。反熔絲的上金屬電極203和下金屬電極201的材料為氮化鈦，厚度為200納米，中間絕緣介質(zhì)202的材料為氮化硅，厚度為5納米。實施例2如圖2所示互連-反熔絲單元，其互連線的材料為鋁。第一層互連線113的長度為350微米。反熔絲的上金屬電極203和下金屬電極201的材料為鎢化鈦，厚度為250納米，中間絕緣介質(zhì)202的材料為非晶硅，厚度為60納米。實施例3如圖2所示互連-反熔絲單元，其互連線的材料為銅。第一層互連線113的長度為400微米。反熔絲的上金屬電極203和下金屬電極201的材料為氮化鈦，厚度為300納米，中間絕緣介質(zhì)202的材料為摻雜了氮、氟元素的含氫非晶碳薄膜，厚度為25納米。本發(fā)明的性能可通過以下測試詳細說明。測試I在實施例I的測試過程中，互連線電阻約為550歐姆，反熔絲的電阻約為22兆歐，漏電流約為5納安。反熔絲編程電壓約為I伏特。電遷移測試電流為O. 33毫安，測試溫度為300攝氏度，互連線電遷移壽命約為100小時。300攝氏度溫度3. 5伏特電壓下反熔絲經(jīng)時擊穿壽命約為1000小時。當互連線電阻增大至約3000歐姆時，反熔絲導通，導通后反熔絲電阻接近22歐姆。測試2在實施例2的測試過程中，互連線電阻約為420歐姆，反熔絲的電阻約為100兆歐，漏電流約為10納安。反熔絲編程電壓約為3伏特。電遷移測試電流為O. 33毫安，測試溫度為300攝氏度，互連線電遷移壽命約為100小時。300攝氏度溫度3. 5伏特電壓下反熔絲經(jīng)時擊穿壽命約900小時。當互連線電阻增大至約9000歐姆時，反熔絲導通，導通后反熔絲電阻接近70歐姆。測試3
在實施例3的測試過程中，互連線電阻約為600歐姆，反熔絲的電阻約為300兆歐，漏電流約為I納安。反熔絲編程電壓約為3. 5伏特。電遷移測試電流為O. 33毫安，測試溫度為300攝氏度，互連線電遷移壽命約為150小時。300攝氏度溫度3. 5伏特電壓下反熔絲經(jīng)時擊穿壽命約為1200小時。當互連線電阻增大至約10千歐時，反熔絲導通，導通后反熔絲電阻接近100歐姆。
測試實驗表明，采用本發(fā)明的互聯(lián)-反熔絲單元結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了大規(guī)模集成互連電遷移失效的快速自動測試。本發(fā)明將大量的互聯(lián)-反熔絲單元結(jié)構(gòu)串聯(lián)起來，進行測試，提高了測試效率，減少了測試時間，從而大大降低了測試成本。
權(quán)利要求
1.一種大規(guī)模集成互連電遷移失效測試方法，包括如下步驟 (1)通過平面工藝在集成互連線的焊盤上制作反熔絲，使反熔絲與互連線并聯(lián)連接，形成多個互連-反熔絲單元結(jié)構(gòu)； (2)將多個互連-反熔絲單元結(jié)構(gòu)首尾依次相連，形成大規(guī)模集成互連多鏈接結(jié)構(gòu)； (3)將大規(guī)模集成互連多鏈接結(jié)構(gòu)的首尾兩端分別與測試電流源和電壓表的同極性端相連，測試該多鏈接結(jié)構(gòu)兩端的電壓-時間曲線； (4)記錄多鏈接結(jié)構(gòu)兩端電壓下降跳變點的時間，作為整個大規(guī)模集成互連的電遷移失效時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大規(guī)模集成互連電遷移失效測試方法，其特征在于，所述反熔絲在互連失效前為高阻態(tài)并表現(xiàn)為開路，互連失效后轉(zhuǎn)化為低阻態(tài)并表現(xiàn)為短路。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大規(guī)模集成互連電遷移失效測試方法，其特征在于，所述互連線材料選用鋁或銅金屬材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大規(guī)模集成互連電遷移失效測試方法，其特征在于，所述互連線的長度為300um 400um。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大規(guī)模集成互連電遷移失效測試方法，其特征在于，步驟(I)所述的通過平面工藝在集成互連線的焊盤上制作反熔絲，按如下步驟進行 (Ia)在所述的集成互連線上涂光刻膠，在集成互連線的焊盤正上方區(qū)域內(nèi)刻蝕出反熔絲孔； (Ib)在反熔絲孔中通過化學氣相淀積CVD形成下金屬電極； (Ic)在下金屬電極上通過等離子體化學氣相淀積PECVD形成一層絕緣介質(zhì)； (Id)在絕緣介質(zhì)層上通過化學氣相淀積CVD形成上金屬電極； (Ie)去除光刻膠，形成金屬-絕緣介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的反熔絲。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大規(guī)模集成互連電遷移失效測試方法，其特征在于，所述的上、下金屬電極材料選用氮化鈦或鎢化鈦。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大規(guī)模集成互連電遷移失效測試方法，其特征在于，所述絕緣介質(zhì)的材料選用氮化硅或非晶硅或摻雜了氮、氟元素的含氫非晶碳薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大規(guī)模集成互連電遷移失效測試方法，其特征在于，所述絕緣介質(zhì)層的厚度為5nm 60nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大規(guī)模集成互連電遷移失效測試方法，其特征在于，所述反熔絲上、下金屬電極的厚度為200nm 300nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大規(guī)模集成互連電遷移失效快速自動測試方法，主要解決現(xiàn)有技術的測試成本高、測試規(guī)模小的問題。其實現(xiàn)方案是利用反熔絲在編程前后電阻發(fā)生巨大變化這一特性，在集成互連線的焊盤上通過平面集成工藝制作反熔絲，形成互連和反熔絲并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，將大量的該互連-反熔絲單元結(jié)構(gòu)串聯(lián)起來即形成大規(guī)模集成互連多鏈接結(jié)構(gòu)，在該多鏈接結(jié)構(gòu)兩端分別連接測試電流源和電壓表進行電遷移失效測試，并記錄多鏈接結(jié)構(gòu)兩端的電壓下降跳變點時間，作為互連的失效時間。本發(fā)明具有測試成本低、測試效率高的優(yōu)點，可用于大規(guī)模集成互連電遷移失效的測試。
文檔編號G01R31/26GK102830338SQ201210332319
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者吳振宇, 楊銀堂, 陳雪薇 申請人:西安電子科技大學