CN102819278A - 一种芯片中局部温度控制的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种芯片中局部温度控制的实现方法,利用多晶加热板、测温电阻以及电连接线形成测试结构,测温电阻铺在铺在多晶加热板上并通过热传导的方式感受多晶加热板产生的温度场,被测器件放置于多晶加热板的中心,电连接线分别与多晶加热板、被测器件电连接,使电流流过多晶加热板时产生的焦耳热抬升位于中心的被测器件温度,当达到热平衡后,根据测温电阻的电阻值变化量来确定温度值。
Description
技术领域
本发明涉及芯片的可靠性测量,尤其涉及一种芯片中局部温度控制的实现方法。
背景技术
随着超深亚微米CMOS工艺技术的不断发展,各种失效机理开始显现出来,热载流子注入效应(HCI, Hot Carrier Injection)、与时间有关的栅介质击穿(TDDB,Time Dependent Dielectric Breakdown)、金属化电迁移(EM,Electromigration)、欧姆接触孔链退化和PMOSFET负偏置温度不稳定性(NBTI,NegativeBias Temperature Instability)是超大规模集成电路中出现的主要失效机理,这些失效机理均和环境温度有关。ULSI/VLSI生产厂家为了保证所生产电路的可靠使用,均会在加速应力条件下对这些失效机理的可靠性进行评价,根据预定的失效判据,评价工艺线失效机理的可靠性水平。
当芯片中存在多个器件时(不是所有的器件都在该次试验中使用),在高温环境条件下进行HCI、TDDB、EM和NBTI等效应的测量时,现有技术需要一个高温箱或加热平台,并对芯片整体进行加热。即增加了设备开支,而且由于是在高温环境条件下,试验过程中还会对芯片上的其它器件产生影响。对于金丝键合点来说,高温环境对金铝键合的可靠性有显著影响,用于封装级可靠性评价试验的器件(内含HCI、TDDB、EM和NBTI等效应的测试结构),其键合引线不能采用金线键合,而只能使用铝线进行键合。但目前许多超大规模集成电路尤其是军用超大规模集成电路其内部的键合引线是金线,原因在于金线的导电导热性能好,金丝球焊的可靠性高。铜互连线的电迁移试验需要350℃左右的高温环境,对于大多数的科研和教学单位来说,高温箱能提供的环境温度为25℃-300℃,在这些单位中,最高温度可达350℃的高温箱非常少见,而且购买一台最高温度可达350℃高温箱的费用昂贵,使用过程中也会有大量的电源消耗,除了铜工艺产品生产厂家需要这么高温度的高温箱以进行产品的可靠性考核,一般的高温箱用户很少使用最高温度超过300℃的高温箱。
Kiethley公司生产的4200-SCS半导体特性分析仪可进行MOS器件的HCI、TDDB、EM和PMOSFET的NBTI等效应的测量,配上开关阵列可同时对多个器件施加应力,该设备主要用于圆片级的可靠性测量。当进行高温环境条件下的HCI、TDDB、EM和PMOSFET的NBTI等效应的测量时,需要一个带有加热平台的探针台,并根据器件中PAD的排列位置制作探针卡,以实现预定的高温环境条件下各种效应的退化试验。
Agilent公司生产的HP4155A及以上系列的半导体参数测量仪等设备均可进行MOS器件的HCI、TDDB、EM和PMOSFET的NBTI等效应的测量。该设备可用于圆片级和封装级的可靠性测量,配上开关阵列可同时对多个器件施加应力。由于设备中没有恒温装置,当进行高温环境条件下的HCI、TDDB、EM和NBTI效应的测量时,需要根据器件的封装尺寸制作高温PCB版,并需要一台高精度的高温箱控制环境温度,以实现预定的高温环境条件下HCI、TDDB、EM和NBTI等效应的退化试验。
泰瑞达(Qualitau)公司的MIRA可靠性测量模块。MIRA(Modular IntegratedReliability Analyzer,集成的可靠性分析模块)是可靠性测量的专业设备,配置有高温箱,所测器件置于高温箱中,高温箱最高温度可达350℃。由于设备自带高温箱,MIRA可进行高温环境下互连线的EM、接触孔的EM、互连线的SM(Stress Migration,应力迁移)、SILC(Stress Induce Leakage Current,应力引起的漏电流)、ILD(Inter Layer Dielectric breakdown test,层间介质击穿测量)、TDDB、HCI、NBTI、交流HCI和双极器件的HCI效应的可靠性测量,主机柜可同时进行四种效应的可靠性测量。
发明内容
针对现有技术的缺点,本发明的目的是提供一种芯片中局部温度控制的实现方法,在不使用高温箱的条件下,解决HCI、TDDB、EM和NBTI等效应测量过程中器件的局部温度控制,使得失效机理的可靠性评价在恒定的温度环境下开展。
为了实现上述目的,本发明的技术方案为:一种芯片中局部温度控制的实现方法,利用多晶加热板、测温电阻以及电连接线形成测试结构,测温电阻铺在铺在多晶加热板上并通过热传导的方式感受多晶加热板产生的温度场,被测器件放置于多晶加热板的中心,电连接线分别与多晶加热板、被测器件电连接,使电流流过多晶加热板时产生的焦耳热抬升位于中心的被测器件温度,当达到热平衡后,根据测温电阻的电阻值变化量来确定温度值。
进一步地,设置四个PAD与测温电阻相连接,利用四线法测量提高电阻值的测量精度。
进一步地,通过电阻值的变化量除以温度系数得到温度的变化值。
优选地,所述多晶加热板的长度为250μm,宽为50μm,中间开孔的尺寸为20μm,宽为17.5μm。
优选地,所述测温电阻的宽度为2μm,长度为800μm,并采用折线方式减少占用的芯片面积。
进一步地,所述电连接线与多晶加热板连接的两端分别放置200个接触孔以实现良好的电连接。
进一步地,温度值的控制、测温电阻值的大小与温度的关系如下式:
R(Ttest)=R(Tref)[1+TCR(Tref)×(Ttest-Tref)]
式中,Ttest是电流作用下要求达到的测试线温度,单位为摄氏度,R(Ttest)则是该温度下的电阻值。TCR(Tref)是温度系数,单位为℃-1,R(Tref)是室温下的电阻值,单位为欧姆,而Tref是测试前的室温,单位为摄氏度。
优选地,当进行封装级器件的可靠性评价时,被测器件的键合引线用金丝球焊的方式形成以提高测量过程中的可靠性。
与现有技术相比,在不使用高温箱的条件下,解决HCI、TDDB、EM和NBTI等效应测量过程中器件的局部温度控制,使得失效机理的可靠性评价在恒定的温度环境下开展,通过模型参数的提取,评价超大规模集成电路单一失效机理的可靠性水平。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明带有多晶加热板的测试结构示意图。
图2是多晶板的局部放大图。
图3是电流与温度变化的关系曲线图。
图4是器件I-V特性与环境温度的对应关系图。
图5是器件跨导特性与环境温度的对应关系图。
图6是器件阈值特性与环境温度的对应关系图。
图7是器件线性区漏极电流与环境温度的对应关系图。
图8是器件跨导与环境温度的对应关系图。
图9是器件阀值电压与环境温度的对应关系图。
具体实施方式
请参阅图1和图2,在本实施例中,多晶加热板1、测温电阻2以及电连接线3形成具有微区温度控制的可靠性测试结构。多晶加热板1的作用是在电流作用下,通过产生的焦耳热形成一个温度场,这个温度场随电流的变化而变化,可以通过改变电流值的大小而达到预定的温度值。多晶加热板的设计长度为250μm,宽为50μm,中间开孔的尺寸为20μm,宽为17.5μm,以便在多晶加热板的中间形成一个稳定的温度场,同时又保证与中间的器件有足够的间隔,以保证测量过程的可靠性。测温电阻2的作用是形成一定阻值的电阻,以进行多晶加热板形成的温度值的探测,因此测温电阻2的宽度仅为2μm,而长度为800μm,采用了折线方式以减少占用的芯片面积,测温电阻直接铺在多晶加热板上,通过热传导的方式感受多晶上产生的温度场,当达到热平衡后,其温度值可从测温电阻的电阻值的变化量来确定;为了提高电阻值的测量精度设计了四个PAD与金属3电阻相连接而进行四线法测量。被测器件系需要被加温的器件,位于多晶板的中心,该器件可以是电阻、电容和MOS管。电连接线3的作用是提供电连接,既给被测器件提供电连接,也给多晶板提供电连接,电连接线与多晶板连接的两端分别放置了200个接触孔以实现良好的电连接。
请参阅图3,设计文件提供的多晶的方块电阻值是3.0Ω/□,金属3的方块电阻值是60m Ω/□。经测量,多晶的电阻值是12.84Ω,而多晶上金属3的电阻值则是21.4Ω,测量值与设计文件相符合,测量时的环境温度是25℃。设计文件给出的金属条的温度系数是0.0035/℃.Ω,根据金属条电阻值随温度的变化关系,可计算出不同电流条件下金属3中的温度值。
表1是多晶加热板中的电流与测温电阻值的变化关系,随着电流的增大电阻值相应增大。表2则是定出环境温度、对应的电阻值及加热电流的对应关系,表3则是新加坡特许半导体有限公司0.35μm CMOS工艺器件参数随温度的变化值。
表1
注:环境温度是25℃
表2
表3
请参阅图4至图9,所测器件是0.35μm CMOS工艺器件,宽长比为10∶1,从图中可见,随着环境温度的上升,所测参数均呈下降趋势,测量的环境温度均由多晶加热提供。
表4是高温环境条件下器件阈值电压变化值与设计文件的对比值。从测量结果可知,阈值电压的下限值有所超标,但总的变化范围均没有超过100mV。
表4125℃的环境条件下0.35μm器件参数的变化
注:采用探针方式测量
125℃环境温度条件下HCI效应寿命试验。表5是125℃的环境温度条件下0.35μm CMOS工艺器件高温环境条件下HCI效应的失效时间,该效应测量过程中的125℃环境温度由多晶释放的焦耳热提供,测量出的热载流子注入效应的寿命时间。
表5125℃的环境条件下0.35μm器件HCI效应的失效时间
当漏极工作电压为3.3V时,室温下的漏极电流、衬底电流分别为402.0μA、2.051μA,而125℃环境下的漏极电流、衬底电流分别为315.8μA、1.472μA。
根据125℃的环境温度条件下器件的衬底电流,计算出不同失效判据下0.35μm CMOS工艺器件的寿命时间列于表6中,同时计算了室温环境条件下的热载流子注入效应的寿命时间列于表7中。
表6Chartered 0.35μm器件125℃下的寿命时间
表7Chartered 0.35μm器件25℃下的寿命时间
从二个不同的环境温度条件下热载流子注入效应的寿命时间可看出,以漏极饱和电流退化10%为失效判据,125℃环境温度条件下的寿命时间约是室温环境条件下的4倍,这与理论分析结果一致,即高温环境条件下,HCI效应有更长的寿命时间。
本发明测试方法及原理如下:
1.微区温度场的产生:电流流过多晶加热板时,会消耗一定的功率,其大小为P=I2·R,其中P表示功耗,I表示电流值,R是多晶板的电阻值。于是多晶上产生的热量为J=0.24P(焦耳),热量的一部分将通过传导、辐射的方式会散发出去,最终形成一个稳定的温度场。
2.微区温度场的测量及控制:选择的测试电流要足够小(1mA以下),以避免在金属化层产生可测量出的焦耳热。在测试线的两端加上时间足够长的电流Im,然后在测试线的另外两端测量电压V1、V2,计算电阻值R1(T1)=(V1-V2)/Im。
使电流反向,测量测试线两端的电压V1、V2,然后计算电阻值R2(T1)=(V2-V1)/Im。由R1(T1)和R2(T1)的平均值计算金属3的电阻值。
温度值的控制、电阻值的大小与温度的关系如下式:
R(Ttest)=R(Tref)[1+TCR(Tref)×(Ttest-Tref)]
式中,Ttest是电流作用下要求达到的测试线温度,单位为摄氏度,R(Ttest)则是该温度下的电阻值。TCR(Tref)是温度系数,单位为℃-1,R(Tref)是室温下的电阻值,单位为欧姆,而Tref是测试前的室温,单位为摄氏度。
由上式可知,当知道电阻的变化以后,即可推算出金属3电阻处的温度值,也即多晶板中间处测试器件的温度值。
3.高温环境条件下的退化试验:IC器件内部的互连线在长期使用后,电阻会变大。在正常工作电压下,这一过程要很长的时间,而高温环境条件下和加大电流的条件下,可加速这一退化过程,失效判据定为电阻值变为原电阻值的20%。
IC器件内部的MOS管长期使用后,参数值会发生变化。在正常工作电压下,这一过程要很长的时间,而高温环境条件下和加速应力作用下,可加速这一退化过程,失效判据定为阈值电压漂移50或100mV、跨导退化10%或饱和漏极电流退化10%。
IC器件内部的MOS管长期使用时,尽管工作电压低于击穿电压,但栅介质仍会发生击穿现象。在正常工作电压下,这一过程要很长的时间,而在高温环境条件下和加速应力作用下,可加速这一退化过程,失效判据定为相邻两个测量点的电流增大50%。
上述测量过程的环境温度由多晶加热提供,并通过控制电流值的大小以得到合适的环境温度。
本发明利用电流流过大面积的多晶电阻时产生的焦耳热抬升位于中心的器件温度,通过测温电阻值的变化测量温度值的大小。被测器件位于多晶加热板的中间,多晶加热板上布置有线状的测温电阻,以得到一定的电阻值。当多晶板上有电流流过时,产生的焦耳热使温度上升,测温电阻的电阻值会发生相应的变化,通过电阻值的变化除以温度系数即可得到温度的变化值。要得到准确的温度值的变化需要进行电阻值变化的精确测量,可以设计相应的测量位置以使用四线法精确测量测温电阻值的变化。
本发明技术方案带来的有益效果:(1)不需要使用高温箱即可进行高温环境条件下HCI、TDDB、EM和NBTI等效应测量,省略了设备的购买费用及使用过程的电源消耗,同时也省略了设备的安置场地及维护费用;(2)当进行封装级器件的可靠性评价时,器件的键合引线可用金丝球焊的方式形成,以提高测量过程中的可靠性,而不会对失效机理的可靠性评价产生不良影响;(3)由于是局部加热,设计的多晶加热板只会加热环绕的器件部分,不会对芯片上的其它器件产生影响。(4)由于是微区加热,加热温度可高达400℃,可进行铜互连线及接触孔的电迁移可靠性评价。
Claims (8)
1.一种芯片中局部温度控制的实现方法,其特征在于,利用多晶加热板、测温电阻以及电连接线形成测试结构,测温电阻铺在铺在多晶加热板上并通过热传导的方式感受多晶加热板产生的温度场,被测器件放置于多晶加热板的中心,电连接线分别与多晶加热板、被测器件电连接,使电流流过多晶加热板时产生的焦耳热抬升位于中心的被测器件温度,当达到热平衡后,根据测温电阻的电阻值变化量来确定温度值。
2.根据权利要求1所述的芯片中局部温度控制的实现方法,其特征在于,设置四个PAD与测温电阻相连接,利用四线法测量提高电阻值的测量精度。
3.根据权利要求1所述的芯片中局部温度控制的实现方法,其特征在于,通过电阻值的变化量除以温度系数得到温度的变化值。
4.根据权利要求1所述的芯片中局部温度控制的实现方法,其特征在于,所述多晶加热板的长度为250μm,宽为50μm,中间开孔的尺寸为20μm,宽为17.5μm。
5.根据权利要求1所述的芯片中局部温度控制的实现方法,其特征在于,所述测温电阻的宽度为2μm,长度为800μm,并采用折线方式减少占用的芯片面积。
6.根据权利要求1所述的芯片中局部温度控制的实现方法,其特征在于,所述电连接线与多晶加热板连接的两端分别放置200个接触孔以实现良好的电连接。
7.根据权利要求1所述的芯片中局部温度控制的实现方法,其特征在于,温度值的控制、测温电阻值的大小与温度的关系如下式:
R(Ttest)=R(Tref)[1+TCR(Tref)×(Ttest-Tref)]式中,Ttest是电流作用下要求达到的测试线温度,单位为摄氏度,R(Ttest)则是该温度下的电阻值。TCR(Tref)是温度系数,单位为℃-1,R(Tref)是室温下的电阻值,单位为欧姆,而Tref是测试前的室温,单位为摄氏度。
8.根据权利要求1所述的芯片中局部温度控制的实现方法,其特征在于,当进行封装级器件的可靠性评价时,被测器件的键合引线用金丝球焊的方式形成以提高测量过程中的可靠性。
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