CN101876683A - 测试半导体器件的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种半导体器件，所述器件包括：衬底；形成在衬底中的前端结构；形成在前端结构上的后端结构；嵌入在后端结构中并用于产生热量的加热器；嵌入在后端结构中并用于检测半导体器件温度的传感器。

Description

测试半导体器件的方法和系统
技术领域
本发明涉及半导体制造技术。
背景技术
半导体集成电路(IC)工业经历了快速的发展。IC材料和设计的技术进步产生了IC的多个代，其中每一代比前一代具有更小和更复杂的电路。然而，这些进步增加了加工和制造IC的复杂度，对于这些实现的进步，需要IC加工和制造的类似的发展。在集成电路的演进过程中，功能密度(即每芯片区域的互连器件的数目)普遍增加了，同时几何尺寸(即，能够使用制造工艺产生的最小元件(或线))减小了。规模缩小的工艺通过增加生产效率和降低相关成本而普遍提供了益处。这样的规模缩小也产生了相对较高的功耗值，这可以通过使用低功耗器件如互补金属氧化物半导体(CMOS)器件而解决。
IC在其被送到终端用户之前通常经过了严格的测试工艺。测试工艺可以包括“老化(burn-in)”测试或应力测试，其中IC在高温下进行测试。高温测试的传统方法使用外部加热源，如热流或老化炉。这些外部加热源通常是昂贵和庞大的。另外，精确控制待测试的IC的温度可能很困难。
发明内容
本发明提供了一种用于测试半导体器件的方法，包括：提供半导体器件，所述半导体器件包括使用前端半导体工艺形成的前端结构和在前端结构之上使用后端半导体工艺形成的后端结构；使用嵌入在后端结构中的加热器加热半导体器件；以及使用传感器检测半导体器件的温度。
本发明还提供了一种半导体器件，包括：衬底；形成在衬底中的前端结构；形成在前端结构之上的后端结构；嵌入在后端结构中的加热器，其用于产生热量；以及嵌入在后端结构中的传感器，其用于检测半导体器件的温度。
本发明还提供了一种系统，包括：具有互连结构的半导体器件；置于互连结构之内并用于产生热量的加热器；置于互连结构之内并用于检测半导体器件的温度的传感器；以及与加热器和传感器连接的控制器，其中控制器用于监控和调整半导体器件的温度。
附图说明
本发明的方面从以下的详细描述中结合附图可以得到更好的理解。需要强调的是，根据行业内的标准实践，各种特征没有按比例绘制。实际上，各种特征的尺寸可以为了描述清楚而任意的增加或减小。
图1是根据本发明的各个方面的用于测试IC的方法的流程图；
图2A-2B分别是根据本发明的各个方面的用于测试IC的加热器和传感器的顶层视图；
图3-4分别是根据本发明的各个方面的用于测试IC的具有嵌入加热器和传感器的半导体器件的剖面图和顶层视图；以及
图5是根据本发明的各个方面的用于测试IC的系统的示意图。
具体实施方式
可以理解的是，下面的说明书提供了很多不同的实施例，例如，用于实现本发明的不同特征。以下描述了元件和排列的具体例子以简化本说明书。当然，这些仅仅是例子，并不是用于限制。另外，以下的描述中第一特征在第二特征之上或上面的结构可以包括第一和第二特征直接接触的实施例，也可以包括附加的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。为了简单和清楚，各个特征任意地按不同的比例绘制。
图1所示为根据本发明的各个方面的用于测试IC芯片的方法100的流程图。图2A-2B分别示出了根据图1的方法用于测试IC芯片的加热器和传感器的顶层视图。图3-4分别是根据图1的方法100用于测试IC芯片的具有嵌入加热器和传感器的半导体器件的剖面图和顶层视图。图5示出了用于测试IC芯片的系统的一个实施例的示意图。应当注意的是，在测试系统中可以采用其他的装置，但是为了清楚的目的没有示出。也可以理解的是，在图1的方法100之前、期间和之后可以具有附加的工艺，此处对一些其他的工艺仅仅进行了简要描述。
参考图1，方法100开始于块110，其中使用嵌入在半导体器件中的加热器加热半导体器件。方法100继续到块120，其中使用嵌入在半导体器件中的传感器检测半导体器件的温度。方法100继续到块150，其中计算了检测温度和预定温度之间的温度差。方法100继续到块160，其中基于温度差调整了产生的热量。方法100继续到块170，其中在达到预定测试时间时停止加热半导体器件。方法100终止于块180，其中冷却半导体。
现在参考图2A，示出了加热器210A的顶层视图。半导体制造工艺可以包括“前端”工艺(称为生产线前端(FEOL)工艺)和“后端”工艺(称为生产线后端(BEOL)工艺)。前端工艺可以包括在金属层结构之上但是不包括金属层结构的半导体晶片上执行的工艺。从而，前端结构可以包括各种有源和无源器件如晶体管、电阻、电容等等。后端工艺可以包括在用于将各种有源和无源器件与金属层互连并形成与外部器件的电连接的半导体晶片上执行的工艺。从而，后端结构可以包括接触孔、通孔、层间电介质、金属层、钝化层、焊垫、封装等等。
在当前实施例中，加热器210A可以通过“后端”半导体制造工艺制成。在当前实施例中，加热器210A包括连接到延伸线路220A的端215A。线路220A可以包括电阻材料，其用于在将电压施加到端215A上时产生热量。在当前实施例中，电阻材料可以包括金属，如Cu、Al或Ti。延伸线路220A的线路的形状、尺寸、厚度或之间的间隙可以变化以控制产生的热量。例如，延伸线路220A可以包括绕组矩形、螺旋形、卷曲形或甚至3维形式，其中延伸线路220A可以包括堆叠在彼此顶部的多个层。在当前实施例中，延伸线路220A包括绕组矩形，并具有大约10.8μm的线路宽度225A和大约3μm的线路间隙230A。同样在当前实施例中，加热器210A包括大约2000μm的总长度235A和大约2100μm的总宽度240A。另外，当前实施例包括加热器210A和附近电路250A之间的间距255A以防止短路。间距255A可以至少为10μm。加热器210A可以通过端215A连接到电压源245A。电压源245A用于向加热器210A提供电压以产生热量。
方法100继续到块120，其中使用嵌入在半导体器件中的传感器检测半导体器件的温度。参考图2B，示出了传感器210B的顶层视图。传感器210B可以通过“后端”半导体制造工艺制造。传感器210B可以包括连接到延伸线路220B的端215B和端217B。线路220B可以包括热敏材料，其中材料中的电流与材料的温度相关。在当前实施例中，热敏材料可以是具有低电阻的材料，可以包括金属，如Cu、Al或Ti。延伸线路220B的线路的形状、尺寸、厚度或之间的间隙可以变化。例如，延伸线路220B可以包括绕组矩形、螺旋形、卷曲形或甚至3维形式，其中延伸线路220B可以包括堆叠在彼此顶部的多个层。在当前实施例中，延伸线路220B包括绕组矩形，并具有大约1μm的宽度225B和大约1μm的线路间隙230B。同样在当前实施例中，传感器210B包括大约150μm的总长度235B和大约150μm的总宽度240B。另外，当前实施例包括传感器210B和附近电路250B之间的间距255B以防止短路。间距255B可以至少为10μm。
仍然参考图2B，传感器210B可以通过端215B连接到电压源245B。电压源245B用于为传感器210B提供电压。传感器210B也可以通过端217B连接到电流传感器247B。电流传感器247B测量传感器210B响应电压源245B提供的电压而产生的电流。在测试之前，传感器210B可以进行校准以限定电流和温度之间的关联关系。例如，在固定的校准电压下，操作员(其可以是用户或电脑)可以通过将传感器210B置于校准温度中而测量传感器210B的校准电流。由于传感器包括热敏材料，所以可以通过改变校准温度而获得不同的校准电流测量。校准工艺可以使用不同的校准电压进行重复以更好的采样。校准的结果记录为校准数据，可以存储在存储器中用于以下所述的之后的使用。校准数据可以限定在固定电压下测量电流和检测温度之间的关联关系。在当前实施例中，使用电压源245B，操作员可以为传感器210B提供一个或多个测试电压并测量对应的电流。然后操作员可以基于校准数据推断传感器210B的温度。需要注意的是，在当前实施例中，传感器210B的尺寸(150μmx150μm)小于加热器210A的尺寸(2100x2000μm)。因此，虽然传感器210B自身可以产生一些热量，但是其产生的热量与加热器210A产生的热量相比是可以忽略的，对于温度检测没有显著的影响。
现在参考图3，示出了具有嵌入加热器和嵌入传感器的半导体器件300的剖面图。嵌入加热器可以包括与图2A的加热器210A相似的结构，嵌入传感器可以包括与图2B的传感器210B相似的结构。半导体器件300可以包括半导体衬底310。半导体300也可以包括形成在衬底310中的各种有源和无源器件315。有源和无源器件315可以包括多个掺杂特征。例如，掺杂特征可以包括栅叠层以及源和漏区。有源和无源器件315可以通过前端半导体工艺形成，称为前端结构。半导体器件300也可以包括形成在有源和无源器件315之上的互连结构320。互连结构320包括通过电介质材料绝缘的多个金属层320A-320E。金属层的数目可以根据设计需求而变化。在当前实施例中，加热器210A和传感器210B可以嵌入在最顶层金属层之内。在其他的实施例中，加热器210A和传感器210B可以嵌入在任何较低的金属层之内，或可以嵌入在任何金属层的组合之内。因此，加热器210A和传感器210B可以在与形成金属层相同的工艺中形成，不需要另外的工艺。另外，加热器210A和传感器210B可以设置为使得半导体器件300可以均匀地加热，半导体器件300的温度可以精确的检测用于以下所述的测试目的。例如，半导体器件300可以分为具有基本相等的面积的多个区，加热器210A可以设置于每个区中。可选择地，加热器210A可以彼此等距离间隔。传感器210B也可以置于半导体器件300的具有基本相等的面积的分开的每个区中。可选择地，传感器210B可以彼此等距离间隔。在又一个实施例中，一个传感器210B置于接近半导体器件300的角落部分，另一个传感器210B置于半导体器件300的中心部分。每个金属层可以包括金属线，其中不同金属层中的金属线可以通过通孔互连。金属线可以包括Cu、Al或W，电介质材料可以包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
可以在互连结构320之上形成一个或多个钝化层325、330。钝化层325、330用于防止其下的层暴露在空气中，其可以包括氧化物或氮化物材料。另外，多个焊垫340-352可以通过多个铝焊垫340A-352A和下键合(under-bonding)金属焊垫340B-352B连接到包括加热器210A和传感器210B的最顶层金属层。焊垫340-352可以用于建立半导体器件300和半导体器件300外部的器件之间的电连接。例如，焊垫340可以用于向加热器210A施加电压以产生热量，焊垫348可以用于向传感器210B施加电压并检测传感器210B中产生的电流，其中该电流可能与半导体器件300的温度相关。焊垫342、344、346、350和352可以用于发送信号到半导体器件300以及从半导体器件300接收信号。焊垫340-352可以包括Cu、Sn、Pb或Ag。铝焊垫340A-352A可以包括Al，并可以用于更好的线键合。下键合金属焊垫340B-352B可以包括Ti、Cu或Ni，并可以用于减少扩散，增加焊垫340-352和铝焊垫340A-352A之间的粘附。半导体器件300也可以包括形成在钝化层325、330之上的附加的特征或层。虽然图3示出加热器210A和传感器210B嵌入在互连结构320的最顶层金属层中，但是加热器210A和传感器210B可以嵌入在互连结构320的任何层中或互连结构320之上的层中。在图3所示的半导体器件300中，衬底310以及有源和无源器件315可以视为前端结构，半导体器件300的其他部分可以视为后端结构。
半导体器件300可以指半导体晶片上的多个管芯380中的一个。现在参考图4，示出了管芯380的区域382的顶视图。多个加热器210A和传感器210B可以嵌入在半导体器件中，以保证产生足够的热量穿过管芯380的区域382，并精确检测半导体器件300的温度。在当前实施例中，管芯380的区域382的至少30％被加热器210A覆盖。同样，在当前实施例中，至少使用两个传感器210B，其中一个传感器210B嵌入在接近管芯380的中心部分，另一个传感器210B嵌入在接近管芯380的角落部分。可以理解的是，加热器和传感器的数目，以及加热器和传感器的设置可以根据特定应用的设计和测试需求而变化。
现在参考图5，示出了测试系统400的示意图。测试系统400可以包括连接到测试板430的多个半导体器件410-422。例如，半导体器件410可以是数字IC器件，半导体器件412可以是模拟IC器件，半导体器件414可以是3维系统级封装IC器件，半导体器件420可以是硅通孔(TSV)器件，半导体器件422可以是晶片级封装(WLCSP)器件。测试板430可以是印刷电路板(PCB)，可以包括多个导电层和绝缘层以及电路用于测试各个半导体器件410-422。任何半导体器件410-422，如410中可以嵌入一个或多个加热器210A以及一个或多个传感器210B。加热器210A和传感器210B可以连接到控制器440。在当前实施例中，控制器440可以为加热器210A提供电压以为半导体器件410产生热量。控制器400也可以向传感器210B提供电压，并可以检测传感器210B中的电流，该电流可能与传感器的温度相关。然后检测电流可以反馈到控制器440，通过控制器440进行测量。
控制器440可以包括用于进行计算的软件程序和硬件。基于测量的电流和施加到传感器210B上的电压，控制器440可以用于使用如上所述存储在存储器中的传感器210B的校准数据推断传感器210B的温度。因为传感器210B嵌入在半导体器件410之内，所以传感器210B的温度可以指示半导体器件410的温度。从而，控制器440可以用于检测半导体器件410的温度。另外，当使用两个或多个传感器210B时，控制器440可以确定平均温度。另外，控制器440可以为传感器210B施加不同的电压以用于更精确地确定半导体器件410的温度。
方法100继续到块150，其中计算了检测温度和预定温度之间的温度差。仍然参考图5，操作员可以将预定温度输入到控制器440中。预定温度可以是所需要的温度等级，应当在其下对半导体器件410进行应力或老化测试。在推断半导体器件410的温度之后，控制器440比较半导体器件410的检测温度和所需要的温度并计算温度差。温度差指示是否已经达到了用于测试所需要的温度等级。
方法100继续到块160，其中基于温度差调整产生的热量。仍然参考图5，控制器440可以基于计算出的温度差调整施加到加热器210A上的电压。如果温度差指示半导体器件410的温度没有达到(或小于)所需要的温度等级，则控制器440可以向加热器210A提供更大的电压，以使得加热器210A可以产生更多的热量。如果半导体器件410的温度已经达到(等于或大于)所需要的温度等级，则控制器440可以向加热器210A提供较小的电压等级，以使得加热器210A产生较少的热量。另外，当使用两个或多个加热器时，控制器440可以独立地调整施加到置于半导体器件400的不同区域的加热器210A上的电压，以使得半导体器件400可以均匀地加热。可以使用软件程序操纵控制器440。从而，测试系统400采用可编程反馈来精细调整半导体器件410的测试温度。
方法100继续到块170，其中当达到预定测试时间时，停止加热。仍然参考图5，操作员可以将预定测试时间输入到控制器440中。预定测试时间可以是半导体器件410应当进行应力或老化测试的周期所需要的时间量。控制器440可以包括内部时钟用于测量经过的时间。当半导体器件410的温度到达用于应力或老化测试所需要的温度时，时钟将被设置并开始测量经过的时间。当经过时间到达预定的测试时间时，控制器440可以关断施加到加热器210A上的电压，这样将不再产生热量。
方法100继续到块180，其中冷却半导体。仍然参考图5，测试系统400可以包括一个或多个冷却器件460-470。冷却器件460-470可以包括风扇或散热器。冷却器件460-470也可以连接到测试板430或直接连接到半导体器件410-422。例如，冷却器件460和462可以连接到测试板430，冷却器件465和470分别直接连接到半导体416和418。冷却器件460-470可以连接到控制器440，其中控制器440可以用于调整冷却器件460-470冷却半导体410-422的速度。
可以理解的是，方法100可以继续附加的步骤以完成半导体器件300的测试。例如，块110-180可以组成一个测试周期。根据测试需求，可以通过重复块110-180而进行附加的测试周期。
总而言之，此处所公开的方法和器件提供了测试半导体器件的有效和高效的方法。此处所公开的方法和器件利用了在半导体器件的后端结构嵌入加热器和传感器，其中加热器产生热量加热半导体器件用于应力和老化测试，传感器检测半导体器件的温度并为外部控制器提供反馈。这样做，当前实施例提供了相对于现有技术器件的几个有益效果。当前实施例的一个有益效果在于其不需要外部加热器件用于应力和老化测试。如上所述，外部加热器件如热流和老化炉是昂贵和庞大的。相比较而言，当前的实施例提供了具有较少花费的较小的加热器件。当前实施例的另一个有益效果在于通过在待测试的半导体器件中嵌入加热器和传感器，更容易检测和控制待测试的半导体器件的精确温度。当前实施例的又一个有益效果在于其允许简单的可编程反馈系统，在其中可以不断地调整测试温度。当前实施例的又一个有益效果在于嵌入的加热器和传感器通过后端半导体制造工艺制造，其容易实现且不需要额外的工艺步骤。
以上概述了几个实施例的特征，这样本领域技术人员可以更好地理解本发明的方面。本领域技术人员应当理解，他们可以很容易使用本发明作为基础用于设计或改进用于实现与此处所介绍的实施例具有相同的目的和/或达到相同的有益效果的其他工艺和结构。本领域技术人员也应当意识到，这些等同的结构没有脱离本发明的精神和范围，他们可以在不脱离本发明的精神和范围的条件下于此做出各种变化、替换和改造。

Claims (15)

1.一种用于测试半导体器件的方法，包括如下步骤：
提供半导体器件，所述半导体器件包括使用前端半导体工艺形成的前端结构和在所述前端结构之上使用后端半导体工艺形成的后端结构；
使用嵌入在所述后端结构中的加热器加热所述半导体器件；以及
使用传感器检测所述半导体器件的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器嵌入在所述后端结构中。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热器包括电阻材料，所述电阻材料用于产生对应于提供到所述加热器上的电压的热量，其中所述传感器包括用于检测所述半导体器件的温度的热敏材料，
其中加热所述半导体器件的步骤包括向所述加热器提供第一电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其中检测所述温度的步骤包括：
向所述传感器提供第二电压；
测量所述传感器对应于所述第二电压的电流；以及
推断相关于所述测量电流的温度。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括步骤：
计算所述推断温度和预定温度之间的差值；以及
基于所述差值调整提供到所述加热器的第一电压。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：
当到达预定的测试时间时，切断提供到所述加热器的第一电压；以及
冷却所述半导体器件。
7.一种半导体器件，包括：
衬底；
形成在所述衬底中的前端结构；
形成在所述前端结构之上的后端结构；
嵌入在所述后端结构中的加热器，其用于产生热量；以及
嵌入在所述后端结构中的传感器，其用于检测所述半导体器件的温度。
8.根据权利要求7所述的半导体器件，其中所述加热器包括电阻材料，所述电阻材料用于产生对应于提供到所述加热器上的电压的热量，特别地，其中所述传感器包括热敏材料，所述热敏材料用于检测所述半导体器件的温度。
9.根据权利要求8所述的半导体器件，其中所述电阻材料和所述热敏材料每个包括Cu、Al或Ti。
10.根据权利要求7所述的半导体器件，还包括：
嵌入在所述后端结构中的多个加热器，其中所述加热器覆盖所述半导体器件的至少30％的面积；以及
嵌入在所述后端结构中的多个传感器，其中至少一个所述传感器置于所述半导体器件的中心部分，至少另一个所述传感器置于所述半导体器件的角落部分。
11.根据权利要求7所述的半导体器件，其中所述传感器比所述加热器占据较小的所述半导体器件区域。
12.一种系统，包括：
具有互连结构的半导体器件；
置于所述互连结构之内并用于产生热量的加热器；
置于所述互连结构之内并用于检测所述半导体器件的温度的传感器；以及
与所述加热器和所述传感器连接的控制器，其中所述控制器用于监控和调整所述半导体器件的温度。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述互连结构包括多个金属层，其中所述加热器和所述传感器置于所述最顶层金属层内。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述加热器用于产生对应于由所述控制器提供的第一电压的热量，其中所述传感器用于输出对应于由所述控制器提供的第二电压的电流，
其中所述控制器用于：
测量所述电流；
推断相关于所述测量电流的所述半导体器件的温度；
计算所述推断温度和预定温度之间的差值；以及
基于所述差值调整所述第一电压。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括连接到所述半导体器件的冷却器件，其用于冷却所述半导体器件。
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