專利名稱：互連線電遷移的測試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件可靠性的測試裝置，具體的，本發(fā)明涉及一種互連線電遷移的測試裝置及方法。
背景技術(shù)：
金屬互連線的電遷移是微電子器件中主要的失效機(jī)理之一，電遷移造成金屬互連線的開路或短路，使器件的漏電流增加甚至失效。產(chǎn)生電遷移的直接原因是金屬原子的移動(dòng)，當(dāng)金屬互連線內(nèi)的電流密度較大時(shí)，電子在靜電場力的驅(qū)動(dòng)下由陰極向陽極高速運(yùn)動(dòng)且形成電子風(fēng)(electron wind)，金屬原子在電子風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下從陰極向陽極定向擴(kuò)散，從而發(fā)生電遷移，進(jìn)而在金屬互連線中形成空洞和凸起物。隨著半導(dǎo)體器件尺寸向亞微米、深亞微米發(fā)展，金屬互連線的尺寸也不斷減小，從而導(dǎo)致電流密度不斷增加，電遷移更易造成半導(dǎo)體器件的失效。因此，金屬互連線的電遷移評(píng)價(jià)就備受重視。傳統(tǒng)的電遷移評(píng)價(jià)方法通過封裝級(jí)可靠性測試(Package levelreliabilitytest)來完成，但是這種電遷移評(píng)價(jià)方法需要對(duì)樣品劃片后進(jìn)行芯片封裝并裝入烘箱測試。在這個(gè)裝配過程中，由于靜電放電而導(dǎo)致操作性損壞的可能性非常大，消耗硅片。在評(píng)價(jià)過程中，從芯片封裝到評(píng)價(jià)完成需要幾周時(shí)間，這就使我們不能對(duì)金屬互連線的質(zhì)量進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。晶圓級(jí)可靠性測試(Wafer-level reliability test)則可以避免電遷移評(píng)價(jià)過程中周期過長的問題。傳統(tǒng)的互連線電遷移測試裝置有兩種，分別為金屬互連線電遷移測試裝置和通孔互連線電遷移測試裝置。金屬互連線電遷移裝置的簡化圖如圖I所示，其中FI、F2為第一加載節(jié)點(diǎn)和第二加載節(jié)點(diǎn)，其具有較大尺寸，以允許以較高(加載)電壓進(jìn)行偏置；SI、S2為第一感測節(jié)點(diǎn)和第二感測節(jié)點(diǎn)，分別感測加載節(jié)點(diǎn)FI、F2施加加載偏壓后產(chǎn)生的電壓，100為進(jìn)行電遷移可靠性測試的金屬互連線。圖I沿AA方向的剖視圖如圖2所示，金屬互連線100與同感測節(jié)點(diǎn)SI和S2連接的金屬層104直接連接。通孔互連線電遷移測試裝置的簡化圖如圖3所示。圖3中200為進(jìn)行電遷移可靠性測試的金屬互連線，圖3沿BB方向 的剖視圖如圖4所示，互連線200通過導(dǎo)通電路202與同感測節(jié)點(diǎn)SI和S2連接的金屬層204連接。通常，利用傳統(tǒng)互連線電遷移測試裝置進(jìn)行互連線晶圓級(jí)可靠性測試是在室溫環(huán)境中進(jìn)行的，因此需要通過圖I或圖3中互連線電遷移測試裝置的第一加載節(jié)點(diǎn)Fl和第二加載節(jié)點(diǎn)F2向圖I或圖3中互連線電遷移測試裝置施加一個(gè)非常大的電壓，進(jìn)而在圖I或圖3中互連線點(diǎn)遷移測試裝置中產(chǎn)生非常大的電流，利用焦耳電熱效應(yīng)使得測試裝置周圍的環(huán)境溫度上升至673. 15開爾文左右，因此施加在互連線電遷移測試裝置上的電流與測試裝置的溫度有直接的關(guān)系。施加在互連線電遷移測試裝置上的電流一部分用于產(chǎn)生焦耳電熱，另一部分用于測試互連線的失效時(shí)間，而這兩部分電流通過同一電源提供，因此無法準(zhǔn)確確定用于進(jìn)行互連線失效時(shí)間測量的電流大小，也無法通過互連線電遷移測試裝置中的電流強(qiáng)度準(zhǔn)確推斷出互連線電遷移的失效時(shí)間，導(dǎo)致互連線電遷移評(píng)價(jià)的不準(zhǔn)確。
在申請(qǐng)公開號(hào)為CN1982901A的中國專利申請(qǐng)中還可以發(fā)現(xiàn)更多與上述技術(shù)方案相關(guān)的信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種互連線電遷移的測試裝置及方法，以更準(zhǔn)確的對(duì)互連線電遷移進(jìn)行評(píng)價(jià)，縮短測試時(shí)間，提高測試效率。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種互連線電遷移的測試裝置，包括包括互連線測試結(jié)構(gòu)和加熱金屬線，所述加熱金屬線環(huán)繞互連線測試結(jié)構(gòu)，所述互連線測試結(jié)構(gòu)與測試電源連接，所述加熱金屬線的兩端與加熱電源連接?？蛇x的，所述加熱金屬線包括第一金屬線和第二金屬線，所述第一金屬線和第二金屬線對(duì)稱設(shè)置于互連線測試結(jié)構(gòu)兩側(cè)，所述第一金屬線與第二金屬線的兩端通過通孔疊加層連接?？蛇x的，所述第一金屬線和第二金屬線分別呈來回往復(fù)的弓形?？蛇x的，所述加熱金屬線由多條設(shè)置于互連線測試結(jié)構(gòu)兩側(cè)的第三金屬線和第四金屬線首尾連接而成，所述第三金屬線與第四金屬線通過通孔疊加層連接?？蛇x的，所述多條第三金屬線與互連線測試結(jié)構(gòu)的夾角相等，所述多條第四金屬線與互連線測試結(jié)構(gòu)的夾角相等?？蛇x的，所述第三金屬線與互連線測試結(jié)構(gòu)的夾角為45°，所述第四金屬線與互連線測試結(jié)構(gòu)的夾角為135°。本發(fā)明還提供了一種與所述互連線電遷移測試裝置對(duì)應(yīng)的測試方法，包括獲取環(huán)境溫度與加熱電流的關(guān)系；在互連線電遷移測試裝置中，將互連線測試結(jié)構(gòu)與測試電源連接以提供用于進(jìn)行互連線電遷移測試的測試電流，將加熱金屬線與加熱電源連接以提供加熱金屬線中的加熱電流，確定不同測試電流條件下待測互連線的失效時(shí)間與時(shí)間累積失效率的關(guān)系，根據(jù)所述環(huán)境溫度與加熱電流的關(guān)系通過控制加熱電流控制環(huán)境溫度，并確定不同環(huán)境溫度下待測互連線的失效時(shí)間與時(shí)間累積失效率的關(guān)系；確定待測互連線時(shí)間累積失效率的特征值，利用不同測試電流條件下待測互連線 的失效時(shí)間與時(shí)間累積失效率的關(guān)系，確定時(shí)間累積失效率為所述特征值時(shí)不同測試電流條件下待測互連線的失效時(shí)間，并根據(jù)待測互連線的失效時(shí)間與測試電流的關(guān)系獲得待測互連線的電流密度指數(shù)，利用不同環(huán)境溫度下待測互連線的失效時(shí)間與時(shí)間累積失效率的關(guān)系確定時(shí)間累積失效率為所述特征值時(shí)不同環(huán)境溫度下待測互連線的失效時(shí)間，并根據(jù)待測互連線的失效時(shí)間與環(huán)境溫度的關(guān)系獲得待測互連線的激活能；利用所述待測互連線的電流密度指數(shù)和激活能，以及在環(huán)境溫度、測試電流條件下待測互連線的失效時(shí)間獲得在操作溫度、操作電流條件下的待測互連線的失效時(shí)間?？蛇x的，所述獲取環(huán)境溫度與加熱電流的關(guān)系包括選取多個(gè)互連線測試結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度，并測量各個(gè)環(huán)境溫度下互連線測試結(jié)構(gòu)中待測互連線的電阻，以確定待測互連線電阻與環(huán)境溫度的關(guān)系；選取多個(gè)加熱金屬線中的加熱電流，并測量不同加熱電流下互連線測試結(jié)構(gòu)中待測互連線的電阻，以確定待測互連線電阻與加熱電流的關(guān)系；
根據(jù)所得到的待測互連線電阻與環(huán)境溫度的關(guān)系、待測互連線電阻與加熱電流的 關(guān)系獲取環(huán)境溫度與加熱電流的關(guān)系?？蛇x的，所述環(huán)境溫度的范圍為523. 15至673. 15開爾文?？蛇x的，所述測試電流范圍為0. 1 lOMA/cm2。可選的，所述待測互連線的失效時(shí)間與測試電流的關(guān)系為ln(TTF) = _n lnj1+C，
f E ^
通過在固定環(huán)境溫度條件下對(duì)互連線的失效時(shí)間公式
權(quán)利要求
1.一種互連線電遷移的測試裝置，其特征在于，包括互連線測試結(jié)構(gòu)和加熱金屬線，所述加熱金屬線環(huán)繞互連線測試結(jié)構(gòu)，所述互連線測試結(jié)構(gòu)與測試電源連接，所述加熱金屬線的兩端與加熱電源連接。
2.如權(quán)利要求I所述的互連線電遷移的測試裝置，其特征在于，所述加熱金屬線包括第一金屬線和第二金屬線，所述第一金屬線和第二金屬線對(duì)稱設(shè)置于互連線測試結(jié)構(gòu)兩偵牝所述第一金屬線與第二金屬線的兩端通過通孔疊加層連接。
3.如權(quán)利要求2所述的互連線電遷移的測試裝置，其特征在于，所述第一金屬線和第二金屬線分別呈來回往復(fù)的弓形。
4.如權(quán)利要求I所述的互連線電遷移的測試裝置，其特征在于，所述加熱金屬線由多條設(shè)置于互連線測試結(jié)構(gòu)兩側(cè)的第三金屬線和第四金屬線首尾連接而成，所述第三金屬線與第四金屬線通過通孔疊加層連接。
5.如權(quán)利要求4所述的互連線電遷移的測試裝置，其特征在于，所述多條第三金屬線與互連線測試結(jié)構(gòu)的夾角相等，所述多條第四金屬線與互連線測試結(jié)構(gòu)的夾角相等。
6.如權(quán)利要求5所述的金屬互連線電遷移的測試裝置，其特征在于，所述第三金屬線與互連線測試結(jié)構(gòu)的夾角為45°，所述第四金屬線與互連線測試結(jié)構(gòu)的夾角為135°。
7.一種利用權(quán)利要求I至6任一項(xiàng)所述互連線電遷移的測試裝置的測試方法，包括 獲取環(huán)境溫度與加熱電流的關(guān)系； 在互連線電遷移測試裝置中，將互連線測試結(jié)構(gòu)與測試電源連接以提供用于進(jìn)行互連線電遷移測試的測試電流，將加熱金屬線與加熱電源連接以提供加熱金屬線中的加熱電流，確定不同測試電流條件下待測互連線的失效時(shí)間與時(shí)間累積失效率的關(guān)系，根據(jù)所述環(huán)境溫度與加熱電流的關(guān)系通過控制加熱電流控制環(huán)境溫度，并確定不同環(huán)境溫度下待測互連線的失效時(shí)間與時(shí)間累積失效率的關(guān)系； 確定待測互連線時(shí)間累積失效率的特征值，利用不同測試電流條件下待測互連線的失效時(shí)間與時(shí)間累積失效率的關(guān)系，確定時(shí)間累積失效率為所述特征值時(shí)不同測試電流條件下待測互連線的失效時(shí)間，并根據(jù)待測互連線的失效時(shí)間與測試電流的關(guān)系獲得待測互連線的電流密度指數(shù)，利用不同環(huán)境溫度下待測互連線的失效時(shí)間與時(shí)間累積失效率的關(guān)系確定時(shí)間累積失效率為所述特征值時(shí)不同環(huán)境溫度下待測互連線的失效時(shí)間，并根據(jù)待測互連線的失效時(shí)間與環(huán)境溫度的關(guān)系獲得待測互連線的激活能； 利用所述待測互連線的電流密度指數(shù)和激活能，以及在環(huán)境溫度、測試電流條件下待測互連線的失效時(shí)間獲得在操作溫度、操作電流條件下的待測互連線的失效時(shí)間。
8.如權(quán)利要求7所述的互連線電遷移的測試方法，其特征在于，所述獲取環(huán)境溫度與加熱電流的關(guān)系包括 選取多個(gè)互連線測試結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度，并測量各個(gè)環(huán)境溫度下互連線測試結(jié)構(gòu)中待測互連線的電阻，以確定待測互連線電阻與環(huán)境溫度的關(guān)系； 選取多個(gè)加熱金屬線中的加熱電流，并測量不同加熱電流下互連線測試結(jié)構(gòu)中待測互連線的電阻，以確定待測互連線電阻與加熱電流的關(guān)系； 根據(jù)所得到的待測互連線電阻與環(huán)境溫度的關(guān)系、待測互連線電阻與加熱電流的關(guān)系獲取環(huán)境溫度與加熱電流的關(guān)系。
9.如權(quán)利要求7所述的互連線電遷移的測試方法，其特征在于，所述環(huán)境溫度的范圍為523. 15至673. 15開爾文。
10.如權(quán)利要求7所述的互連線電遷移的測試方法，其特征在于，所述測試電流范圍為O. I 10MA/cm2。
11.如權(quán)利要求7所述的互連線電遷移的測試方法，其特征在于，所述待測互連線的失效時(shí)間與測試電流的關(guān)系為In(TTF) = -η · lni+C,通過在固定環(huán)境溫度條件下對(duì)互連線的失效時(shí)間公式
12.如權(quán)利要求7所述的互連線電遷移的測試方法，其特征在于，所述待測互連線的失效時(shí)間與環(huán)境溫度的關(guān)系為= 'gr + C，通過在固定測試電流條件下對(duì)互連線的 失效時(shí)間公式
13.如權(quán)利要求7所述的互連線電遷移的測試方法，其特征在于，所述待測互連線在操 作溫度、操作電流條件下的失效時(shí)間滿足
全文摘要
一種互連線電遷移的測試裝置，包括互連線測試結(jié)構(gòu)和加熱金屬線，所述加熱金屬線環(huán)繞互連線測試結(jié)構(gòu)，所述互連線測試結(jié)構(gòu)與測試電源連接，所述加熱金屬線的兩端與加熱電源連接；本發(fā)明還提供了一種互連線電遷移的測試方法。本發(fā)明互連線電遷移測試裝置和測試方法，能夠精確確定互連線電遷移測試裝置中待測互連線的激活能和電流密度指數(shù)，進(jìn)而精確確定待測互連線的失效時(shí)間，提高了互連線電遷移評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)G01R31/26GK102760727SQ20111010749
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者甘正浩 申請(qǐng)人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司