CN103187397B - 微加热装置 - Google Patents

Abstract

一种微加热装置，包括：半导体衬底，位于所述半导体衬底上的待检测器件，位于所述半导体衬底表面的层间介质层；位于所述半导体衬底和层间介质层内的导热沟槽，所述导热沟槽围绕所述待检测器件设置；位于所述层间介质层内的加热结构，所述加热结构与导热沟槽相连接，所述加热结构产生热量且将热量传导到导热沟槽中，利用所述导热沟槽为待检测器件加热。由于所述导热沟槽围绕所述待检测器件设置，使得所述待检测器件受热均匀，且通过改变所述加热结构产生的热量，控制导热沟槽产生的热量，从而控制待检测器件的温度。

Description

微加热装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术，特别涉及一种为待检测器件升温的微加热装置。

背景技术

随着集成电路的集成度不断提高，集成电路中的器件密度和电流速率变得越来越高，集成电路会产生越来越高的能量。因此，集成电路中器件的高温可靠性变得越来越重要，越来越多的对集成电路的测试需要在较高温度下进行。例如，对金属互连线的电迁移检测、对栅介质层的与时间相关的电介质测试、器件的高温寿命测试等，都需要在较高温度下进行，以便能获得在较高温度下器件的电学性能。

传统的电迁移检测、与时间相关的电介质测试、器件的高温寿命测试等通过封装级可靠性测试(Package level reliability test)来完成，但是这种电迁移评价方法需要对样品划片后进行芯片封装并装入烘箱测试。在这个装配过程中，由于静电放电而导致操作性损坏的可能性非常大，消耗硅片。在评价过程中，从芯片封装到评价完成需要几周时间，这就使我们不能对金属互连线的质量进行在线实时监控。晶圆级可靠性测试(Wafer-level reliability test)则可以避免电迁移评价过程中周期过长的问题。

下面以金属互连线电迁移测试装置为例对现有的晶圆级可靠性测试过程中对器件进行加热的方法进行说明。所述金属互连线电迁移测试装置的具体结构如图1所示，包括：进行电迁移可靠性测试的待检测金属互连线10，位于所述待检测金属互连线10两端的金属互连层21和22，所述金属互连层21具有第一加载节点F1和第一感测节点S1，所述金属互连层22具有第二加载节点F2和第二感测节点S2。首先通过在第一加载节点F1和第二加载节点F2之间施加偏置电压，产生电流，然后通过第一感测节点S1和第二感测节点S2分别感测第一加载节点F1、第二加载节点F2之间施加偏置电压后产生的电压，进行电迁移可靠性测试。

通常，利用传统互连线电迁移测试装置进行互连线晶圆级可靠性测试是在室温环境中进行的，因此需要通过图1中互连线电迁移测试装置的第一加载节点F1和第二加载节点F2向图1中互连线电迁移测试装置施加一个非常大的电压，进而在图1中金属互连线电迁移测试装置中产生非常大的电流，利用焦耳电热效应使得测试装置周围的环境温度上升至673.15开尔文左右，因此施加在互连线电迁移测试装置上的电流与测试装置的温度有直接的关系。施加在互连线电迁移测试装置上的电流一部分用于产生焦耳电热，另一部分用于测试互连线的失效时间，而这两部分电流通过同一电源提供，因此无法准确确定用于进行互连线失效时间测量时用于产生热量的电流大小，从而无法准确的控制施加在互连线电迁移测试装置上的温度，无法利用所述装置准确推断出不同温度下互连线电迁移的失效时间，导致互连线电迁移评价的不准确。更多关于检测金属互连线电迁移的测试装置和方法请参考公开号为US2004/0036495A1的美国专利申请。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种为待检测器件升温的微加热装置，可独立地利用微加热装置进行加热，使得待检测器件受热均匀，且温度可控。

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种微加热装置，包括：

半导体衬底，位于所述半导体衬底上的待检测器件，位于所述半导体衬底表面的层间介质层；

位于所述半导体衬底和层间介质层内的导热沟槽，所述导热沟槽围绕所述待检测器件设置；

位于所述层间介质层内的加热结构，所述加热结构与导热沟槽相连接，所述加热结构产生热量且将热量传导到导热沟槽中，利用所述导热沟槽为待检测器件加热。

可选的，所述导热沟槽的图形为同心环，所述同心环至少包括一个环，所述待检测器件位于所述同心环导热沟槽的中心。

可选的，所述导热沟槽的图形为断开的同心环，每个环断开至少分成两个部分，每个部分分别与加热结构相连接。

可选的，所述导热沟槽的图形为螺旋形，所述待检测器件位于所述螺旋形导热沟槽的中心。

可选的，所述导热沟槽的图形为断开的螺旋形，所述螺旋形导热沟槽断开至少分成两个部分，每个部分分别与加热结构相连接。

可选的，所述加热结构包括加热部分和热传导部分，所述加热部分为互连线，所述热传导部分为与所述互连线相连接且与导热沟槽相连接的金属互连层。

可选的，所述互连线的两端与外部控制电路电学连接，通过在所述互连线的两端施加加热电流，使得所述互连线产生热量。

可选的，所述互连线的形状为S型。

可选的，一个加热结构分别与导热沟槽的两个断开的部分相连接。

可选的，一个加热结构对应地与导热沟槽的一个断开的部分相连接。

可选的，所述导热沟槽内的导热材料为铜。

可选的，所述互连线的材料为铜、铝或多晶硅。

可选的，所述金属互连层的材料为铜或铝。

可选的，所述待检测器件为MOS晶体管、存储器件、发光器件、电容、电感、电阻、导电互连线或集成电路。

可选的，所述待检测器件上连接有导电插塞和导电互连层，利用所述导电插塞和导电互连层使得所述待检测器件与外部检测电路电学连接。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：

所述微加热装置具有围绕待检测器件设置的导热沟槽和与所述导热沟槽相连接的加热结构，当所述加热结构产生热量后将热量传导到导热沟槽中，利用所述导热沟槽为待检测器件加热。由于所述导热沟槽围绕所述待检测器件设置，所述待检测器件受热均匀，且通过改变所述加热结构产生的热量，控制导热沟槽产生的热量，从而控制待检测器件的温度。

进一步的，所述导热沟槽断开分成多个电学隔离的部分，每个部分都独立地与一个加热结构相连接，通过控制不同的加热结构产生不同热量，对应的，待检测器件在不同方向上温度不同，使得待检测器件上产生温度梯度，通过控制所述温度梯度，可以更好地检测待检测器件的电学性能。

附图说明

图1为现有技术的金属互连线电迁移测试装置的结构简化示意图；

图2至图6为本发明实施例的微加热装置的结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术没有一种有效的为待检测器件升温的加热装置，使得在晶圆级可靠性测试过程中，可以对待检测器件进行单独加热，避免受到其他因素的影响，使得待检测器件受热均匀，且温度可控。

因此，发明人经过研究，提出了一种微加热装置，包括：半导体衬底，位于所述半导体衬底上的待检测器件，位于所述半导体衬底表面的层间介质层；位于所述半导体衬底和层间介质层内的导热沟槽，所述导热沟槽围绕所述待检测器件设置；位于所述层间介质层内或表面的加热结构，所述加热结构与导热沟槽相连接，所述加热结构产生热量且将热量传导到导热沟槽中，利用所述导热沟槽为待检测器件加热。由于所述导热沟槽围绕所述待检测器件设置，所述待检测器件受热均匀，且通过改变所述加热结构产生的热量，控制导热沟槽产生的热量，从而控制待检测器件的温度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

第一实施例

本发明第一实施例提供了一种微加热装置，请一并参考图2和图3，图2为本发明实施例的微加热装置的俯视视角的结构示意图，图3为图2中AA′线的微加热装置的剖面结构示意图，具体包括：半导体衬底100，位于所述半导体衬底100上的待检测器件101；位于所述半导体衬底100表面的第一层间介质层111，位于所述半导体衬底100和第一层间介质层111内的导热沟槽120，所述导热沟槽120围绕所述待检测器件101设置；位于所述第一层间介质层111表面的加热结构130，所述加热结构130包括位于所述导热沟槽120表面且与导热沟槽120相连接的热传导部分131和位于两个热传导部分131之间的加热部分132；位于所述第一层间介质层111表面且覆盖所述加热结构130的第二层间介质层112，所述第一层间介质层111和第二层间介质层112构成层间介质层110。

具体的，所述半导体衬底100为硅衬底、锗衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底其中的一种。在本实施例中，所述半导体衬底100为硅衬底。

所述待检测器件101为MOS晶体管、存储器件、发光器件、电容、电感、电阻、导电互连线或集成电路。在本实施例中，所述待检测器件101为MOS晶体管，所述MOS晶体管位于有源区(未标示)内，且所述MOS晶体管表面形成有导电插塞(未图示)和导电互连层(未图示)，通过所述导电插塞和导电互连层与外部检测电路相连，所述导电互连层与微加热装置中的加热结构130电学隔离，使得微加热装置与外部检测电路可以独立工作。当微加热装置对待检测器件进行加热，待检测器件的温度上升到确定值时，利用外部检测电路对待检测器件进行检测，由于微加热装置的导热沟槽120围绕待检测器件进行加热，使得待检测器件受热均匀，且温度可控，可以准确地检测器件高温时的可靠性。

所述半导体衬底100表面形成有第一层间介质层111，所述第一层间介质层111表面形成有加热结构130，所述加热结构130表面形成有第二层间介质层112。所述第一层间介质层111、第二层间介质层112内还形成有导电插塞(未图示)和互连层(未图示)，使得所述待检测器件101与外部检测电路电学连接，所述加热结构130与外部控制电路电学连接。所述第一层间介质层111、第二层间介质层112的材料为氧化硅或低K介质材料。

所述导热沟槽120是通过传导加热结构130产生的热量为待检测器件101进行加热，使得所述待检测器件101能升温到一定的温度，并在对应温度下对所述待检测器件101进行检测。所述导热沟槽120围绕所述待检测器件101设置，使得所述导热沟槽120能对待检测器件101均匀加热。在本实施例中，所述导热沟槽120包括位于沟槽内的导热材料122和位于导电材料122侧壁的绝缘层121。为了使得所述导热沟槽120的形成工艺与现有技术匹配，降低生产成本，所述导热沟槽120的导热材料为多晶硅、钨、铜其中的一种。但为了使得加热结构130产生的热量能快速地传导到所述导热沟槽120的每一个部分，最终整个导热沟槽120都在释放热量，为待检测器件101加热，且尽可能少地降低热量损耗，所述导热沟槽120的导热材料的导热率需要尽可能的高。由于铜的导热率为401W/mK，钨的导热率为173W/mK，多晶硅的导热率为149W/mK，在本实施例中，所述导热沟槽120的导热材料为铜。

所述加热结构130包括位于所述导热沟槽120表面且与导热沟槽120相连接的热传导部分131和与热传导部分131相连接的加热部分132。所述热传导部分131为金属互连层，所述金属互连层的材料为铜或铝，所述金属互连层与导热沟槽120的表面相连接，使得所述加热结构130产生的热量通过金属互连层和导热沟槽120的接触面传导到导热沟槽120中。由于铜的导热性较佳，在本实施例中，所述金属互连层的材料为铜。所述加热部分132为互连线，所述互连线的材料为铜、铝、多晶硅等。当所述互连线的材料为铜、铝时，所述金属互连线位于第一层间介质层111表面，与金属互连层位于同一层，两者可直接连接。当所述互连线的材料为多晶硅时，所述多晶硅互连线位于半导体衬底100表面的第一层间介质层111内或位于第一层间介质层111表面，当所述多晶硅互连线与金属互连层位于不同层时，两者通过金属插塞进行连接，并通过金属插塞将多晶硅互连线产生的热量传导到金属互连层并传导到导热沟槽中。为了使得所述加热部分132产生的热量大，所述互连线的电阻需要较大，因此，本实施例中所述互连线的形状为S型，使得在单位面积内能尽可能地提高电阻值。所述互连线132的两端与外部控制电路相连，在本实施例中，所述外部控制电路通过导电插塞(未图示)分别与位于互连线132两端的热传导部分131相连，外部控制电路通过施加加热电流，使得互连线132产生热量，并将热量传导到导热沟槽120中，利用导热沟槽120对待检测器件进行均匀地加热。

在本实施例中，由于所述加热部分132位于所述待检测器件101的上方，在利用导热沟槽120对待检测器件101进行加热的同时，所述加热部分132也在对待检测器件101进行加热，提高了加热效率。在其他实施例中，当所述加热部分较导热沟槽距离待检测器件更远时，主要依靠导热沟槽为待检测器件加热。

由于在本实施例中，位于加热结构130两端的热传导部分131分别与导热沟槽120相连，为了避免所述加热电流直接通过导热沟槽120进行导通，所述导热沟槽120断开分成两个电学隔离的部分，每一部分分别与一个热传导部分131相连。且由于两个热传导部分131位于导热沟槽120的表面，所述加热部分132位于所述待检测器件101的上方，不占据多余芯片的面积，有利于提高集成度。在其他实施例中，所述导热沟槽120还可以断开分成三个或三个以上的电学隔离的部分。

在本实施例中，请参考图2，所述导热沟槽120的图形为断开的同心环，所述断开的同心环导热沟槽120围绕所述待检测器件101设置。若干个形状相同、半径不同的断开的环状导热沟槽120围绕所述待检测器件101设置，且所述不同半径的环状导热沟槽120的中心相同，所述中心的位置与待检测器件101的位置相对应。所述同心环的形状为圆形或正方形等，使得待检测器件能受热均匀，提高最终测量结果的精确度。所述断开的同心环的环状导热沟槽120的数量至少为一个。在本实施例中，所述断开的同心环的环状导热沟槽120的数量为三个。

由于所述导热沟槽120的侧壁形成有绝缘层121，不同半径的环状导热沟槽120之间电学隔离，且不同环状导热沟槽之间的半导体衬底区域形成有浅沟槽隔离结构103，以提高电学隔离效果。在其他实施例中，也可以不形成浅沟槽隔离结构，仅利用绝缘层进行电学隔离。

第二实施例

在本发明第二实施例中，请参考图4，所述微加热装置的结构与第一实施例的微加热装置的结构大致相同，唯一不同之处在于：所述导热沟槽120′的图形为断开的螺旋形，所述断开的螺旋形导热沟槽120′围绕所述待检测结构101设置，且所述待检测结构101位于所述断开的螺旋形导热沟槽120′的中心，使得所述待检测器件101受热均匀。所述螺旋形为类圆形螺旋或类矩形螺旋，其中，图4中的导热沟槽120′的图形为类圆形螺旋。由于整个螺旋形导热沟槽120′被断开分成两个电学隔离的部分，每一个部分分别与一个热传导部分131相连接，使得所述位于两个热传导部分131之间的加热部分132产生热量后能通过热传导部分131将热量传导到导热沟槽120′，利用所述导热沟槽120′为待检测器件加热。且由于所述导热沟槽120′的图形为断开的螺旋形，不会使得所述加热电流直接通过导热沟槽120′进行导通。在其他实施例中，所述导热沟槽120′还可以断开分成三个或三个以上的电学隔离的部分。

第三实施例

请一并参考图5和图6，图5为本发明第三实施例的微加热装置的俯视视角的结构示意图，图6为图5中BB′线的微加热装置的剖面结构示意图，具体包括：半导体衬底100，位于所述半导体衬底100上的待检测器件101；位于所述半导体衬底100表面的第一层间介质层111，位于所述半导体衬底100和第一层间介质层111内的同心环状的导热沟槽120″，所述同心环状的导热沟槽120″围绕所述待检测器件101设置，且所述同心环状的导热沟槽120″断开分成四个电学隔离的部分，每个部分的导热沟槽120″表面分别连接有一个不同的加热结构130″；位于所述第一层间介质层111表面的加热结构130″，所述加热结构130″包括位于所述导热沟槽120″表面且与导热沟槽120″相连接的热传导部分131″和与该热传导部分131″相连的加热部分132″，其中加热部分132″较导热沟槽120″更远离待检测器件101；位于所述第一层间介质层111表面且覆盖所述加热结构130″的第二层间介质层112，所述第一层间介质层111和第二层间介质层112构成层间介质层110。

在本实施例中，当加热电流施加在所述加热部分132″的两端时，利用所述热传导部分131″将所述加热部分132″产生的热量传导到导热沟槽中，利用导热沟槽120″对待检测器件101进行加热。由于所述同心环状的导热沟槽120″断开分成四个电学隔离的部分，每个部分的导热沟槽120″表面分别连接有一个不同的加热结构130″，通过分别控制不同加热结构130″的加热部分132″两端施加的加热电流，使得不同的加热结构130″产生的热量不同，对应的，待检测器件101的不同方向上温度不同，使得待检测器件101上产生温度梯度，通过控制所述温度梯度，可以更好地检测待检测器件的电学性能。在其他实施例中，所述四个加热结构130″的加热部分132″两端施加的加热电流相同，从而使得所述待检测器件101能均匀加热。

在其他实施例中，所述导热沟槽120″的形状为断开的螺旋形或同心环，所述导热沟槽120″至少被断开分成两个电学隔离的部分，每个部分的导热沟槽120″表面都与一个加热结构130″相连，通过分别控制对应的加热电流，使得待检测器件上产生温度梯度，可以更好地检测待检测器件的电学性能。

在其他实施例中，所述导热沟槽的形状为不断开的螺旋形或同心环，所述导热沟槽的表面连接有一个或多个加热结构，外部控制电路通过施加加热电流，使得加热结构产生热量，并将热量传导到导热沟槽中，利用导热沟槽对待检测器件进行加热。

综上，本发明实施例的微加热装置具有围绕待检测器件设置的导热沟槽和与所述导热沟槽相连接的加热结构，当所述加热结构产生热量后将热量传导到导热沟槽中，利用所述导热沟槽为待检测器件加热。由于所述导热沟槽围绕所述待检测器件设置，所述待检测器件受热均匀，且通过改变所述加热结构产生的热量，控制导热沟槽产生的热量，从而控制待检测器件的温度。

进一步的，所述导热沟槽断开分成多个电学隔离的部分，每个部分都独立地与一个加热结构相连接，通过控制不同的加热结构产生不同热量，对应的，待检测器件在不同方向上温度不同，使得待检测器件上产生温度梯度，通过控制所述温度梯度，可以更好地检测待检测器件的电学性能。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (13)

1.一种微加热装置，其特征在于，包括：

半导体衬底，位于所述半导体衬底上的待检测器件，位于所述半导体衬底表面的层间介质层；

位于所述半导体衬底和层间介质层内的导热沟槽，所述导热沟槽围绕所述待检测器件设置，所述导热沟槽的图形为断开的同心环或断开的螺旋形，每个环或所述螺旋形导热沟槽断开至少分成两个部分，每个部分分别与加热结构相连接；

位于所述层间介质层内的加热结构，所述加热结构与导热沟槽相连接，所述加热结构产生热量且将热量传导到导热沟槽中，利用所述导热沟槽为待检测器件加热。

2.如权利要求1所述的微加热装置，其特征在于，所述同心环至少包括一个环，所述待检测器件位于所述同心环导热沟槽的中心。

3.如权利要求1所述的微加热装置，其特征在于，所述待检测器件位于所述螺旋形导热沟槽的中心。

4.如权利要求1所述的微加热装置，其特征在于，所述加热结构包括加热部分和热传导部分，所述加热部分为互连线，所述热传导部分为与所述互连线相连接且与导热沟槽相连接的金属互连层。

5.如权利要求4所述的微加热装置，其特征在于，所述互连线的两端与外部控制电路电学连接，通过在所述互连线的两端施加加热电流，使得所述互连线产生热量。

6.如权利要求4所述的微加热装置，其特征在于，所述互连线的形状为S型。

7.如权利要求1所述的微加热装置，其特征在于，一个加热结构分别与导热沟槽的两个断开的部分相连接。

8.如权利要求1所述的微加热装置，其特征在于，一个加热结构对应地与导热沟槽的一个断开的部分相连接。

9.如权利要求1所述的微加热装置，其特征在于，所述导热沟槽内的导热材料为铜。

10.如权利要求4所述的微加热装置，其特征在于，所述互连线的材料为铜、铝或多晶硅。

11.如权利要求4所述的微加热装置，其特征在于，所述金属互连层的材料为铜或铝。

12.如权利要求1所述的微加热装置，其特征在于，所述待检测器件为MOS晶体管、存储器件、发光器件、电容、电感、电阻、导电互连线或集成电路。

13.如权利要求1所述的微加热装置，其特征在于，所述待检测器件上连接有导电插塞和导电互连层，利用所述导电插塞和导电互连层使得所述待检测器件与外部检测电路电学连接。