CN103594453B - 集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构，该测试结构包括：下层金属线结构，包括间隔排布的第一金属线结构和第二金属线结构；上层金属线结构；通孔结构及电介质。本发明还揭示了该测试结构的测试方法，包括：提供一衬底，根据所述的测试结构在所述衬底上形成实际待测结构；测量所述实际待测结构中下层金属线结构的相邻金属线之间的介质击穿可靠性、所述实际待测结构中上层金属线结构和下层金属线结构之间的介质击穿可靠性、所述实际待测结构中通孔与相邻第二金属线结构之间的介质击穿可靠性。本发明的测试结构，能准确评估实际电路中电介质耐电压能力需要评估的地方，从而保证互连线可靠性分析的准确性。

Description

集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构及其测试方法

技术领域

本发明涉及半导体制造业中的可靠性(Reliability)领域，特别是涉及一种集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构及其测试方法。

背景技术

超大规模集成电路(VeryLargeScaleIntegration，简称VLSI)中的可靠性问题受到器件和互连技术的影响。随着特征尺寸(CriticalDimension)缩小使器件门延迟减小的同时，也使得电路的互连性能降低。这是因为特征尺寸的缩小将导致互连线横截面积和线间距的减小，电阻、电容、电感引起的寄生效应将会严重影响电路的性能。因此，互连的可靠性问题已成为制约系统可靠性的重要因素。为了减小越来越密集的金属互连导致的电阻-电容(RC)延迟，提高芯片速度，互连金属线之间的电介质层也逐渐引入低介电系数材料。由于金属线越来越小的间距，绝缘层越来越低的介电系数，金属线之间的绝缘层耐电压性能就越来越低。

为了评价互连金属线间电介质层的耐电压能力，现有技术中用于互连线可靠性分析的测试结构通常包含同层互连线可靠性分析的测试结构和相邻层互连线可靠性分析的测试结构。图1为现有技术中的同层互连线可靠性分析的测试结构的俯视图，图2为图1沿剖开线A-A’的剖面图，图3为现有技术中的相邻层互连线可靠性分析的测试结构的俯视图，图4为图3沿剖开线B-B’的剖面图。在图2中，F1为第一金属线结构112和第二金属线结构122之间的最小互连金属线的宽度，反映了底层互连金属线间电介质的耐电压能力。在图4中，F2为上层金属线结构132和第一金属线结构112之间的最小互连金属线的间距，反映了相邻层互连金属线间电介质的耐电压能力。但在实际的集成电路中第一金属线结构112和上层金属线132之间通过通孔结构141相连，图5为实际电路中互连线结构的剖面图，在图5中，实际电路中互连线之间电介质耐电压能力最差的地方除了包含F1位置处和F2位置处，图5中F3位置处的通孔结构141与下层金属线结构102之间的距离较近，甚至小于F1和F2的宽度，在施加电压时F3位置处很容易被击穿，所以现有的测试结构已经不能反映实际电路中互连线之间电介质耐电压能力最差的地方，无法完全测试电介质耐电压能力需要评估的地方，从而不能保证互连线可靠性分析的准确性。

因此，如何提供一种互连线介质击穿可靠性分析的测试结构，能准确评估实际电路中电介质耐电压能力需要评估的地方，从而保证互连线可靠性分析的准确性，已成为本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构及其测试方法，能准确评估实际电路中电介质耐电压能力需要评估的地方，从而保证互连线可靠性分析的准确性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构，包括：

下层金属线结构，包括间隔排布的第一金属线结构和第二金属线结构；

上层金属线结构，位于所述下层金属线结构上，其排布方向垂直于所述下层金属线结构的排布方向；

通孔结构，用以电连接所述第一金属线结构和所述上层金属线结构；

电介质，所述第一金属线结构、第二金属线结构、上层金属线结构和通孔结构通过所述电介质绝缘间隔。

进一步的，所述上层金属线结构包括若干条平行排布的直线状金属线。

进一步的，所述上层金属线结构还包括一条金属连接线，与所述直线状金属线垂直连接。

进一步的，所述第一金属线结构和第二金属线结构各自包括若干条平行排布的直线状金属线。

进一步的，所述测试结构还包括第一垫片、第二垫片和顶层垫片，其中，所述第一金属线结构的一端和所述第一垫片连接，所述第二金属线结构的一端和所述第二垫片连接，所述上层金属线结构的一端和所述顶层垫片连接，所述第一垫片、第二垫片和顶层垫片用于分别为所述第一金属线结构、第二金属线结构和上层金属线结构传递电信号。

进一步的，本发明还提供一种集成电路中介质击穿可靠性分析的测试方法，包括：

提供一衬底，根据上述的测试结构在所述衬底上形成实际待测结构；

测量所述实际待测结构中下层金属线结构的相邻金属线之间介质击穿的可靠性；

测量所述实际待测结构中上层金属线结构和下层金属线结构之间介质击穿的可靠性；

测量所述实际待测结构中通孔与相邻第二金属线结构之间介质击穿的可靠性。

进一步的，在所述实际待测结构中，所述通孔的孔径由下向上增大。

进一步的，在测量所述实际待测结构中下层金属线结构的相邻金属线之间介质击穿的可靠性的步骤中，测量所述相邻的第一金属线结构和第二金属线结构之间最小距离处的介质击穿可靠性。

进一步的，在测量所述实际待测结构中上层金属线结构和下层金属线结构之间的介质击穿可靠性的步骤中，测量所述第二金属线结构和顶层属线结构之间最小距离处的介质击穿可靠性。

进一步的，在测量所述实际待测结构中通孔与相邻第二金属线结构之间的介质击穿可靠性的步骤中，测量所述通孔和与其相邻的第二金属线结构之间最小距离处的介质击穿可靠性

进一步的，采用升压法或基于时间的电介质击穿电压法测试所述互连线介质击穿的可靠性。

与现有技术相比，本发明提供的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构及其测试方法具有以下优点：

1、本发明提供的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构及其测试方法，该测试结构具有位于所述第一金属线结构和所述上层金属线结构之间的通孔结构，与现有技术相比，所述通孔结构模拟了集成电路中互连线的真实结构，根据所述的测试结构在所述衬底上形成实际待测结构，通过测量所述实际待测结构中通孔与相邻第二金属线结构之间的介质击穿可靠性，能准确评估实际电路中电介质耐电压能力需要评估的地方，从而保证互连线可靠性分析的准确性。

2、本发明提供的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构及其测试方法，该测试结构的第一金属线结构、第二金属线结构和上层金属线结构可以为直线状的条形结构，有效地降低了电路在施加电压的测试过程先被烧毁的可能性，保证测试顺利进行。

附图说明

图1为现有技术中的同层互连线介质击穿可靠性分析的测试结构的俯视图；

图2为图1沿剖开线A-A’的剖面图；

图3为现有技术中的相邻层互连线介质击穿可靠性分析的测试结构的俯视图；

图4为图3沿剖开线B-B’的剖面图；

图5为实际电路中互连线结构的剖面图；

图6为本发明一实施例中集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构的俯视图；

图7为本发明一实施例中集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构的右视图；

图8为图6沿剖开线C-C’的剖面图；

图9为本发明一实施例中集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构的测试方法的流程图；

图10为本发明一实施例中集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构的测试方法中实际待测结构的剖面图；

图11为本发明另一实施例中集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构的俯视图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构及其测试方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构及其测试方法，集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构包括下层金属线结构、上层金属线结构和用于下层金属线结构和上层金属线结构电连接的通孔结构，真实模拟了实际电路中互连线结构。

结合上述核心思想，本发明提供一种集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构，包括：

下层金属线结构，包括间隔排布的第一金属线结构和第二金属线结构；

上层金属线结构，位于所述下层金属线结构上，其排布方向垂直于所述下层金属线结构的排布方向；

通孔结构，用以电连接所述第一金属线结构和所述上层金属线结构；

电介质，所述第一金属线结构、第二金属线结构、上层金属线结构和通孔结构通过所述电介质绝缘间隔。

进一步，结合上述集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构，本发明还提供了一种测试方法，包括以下步骤：

步骤S01，提供一衬底，根据所述的测试结构在所述衬底上形成实际待测结构；

步骤S02，测量所述实际待测结构中下层金属线结构的相邻金属线之间的介质击穿可靠性；

步骤S03，测量所述实际待测结构中上层金属线结构和下层金属线结构之间的介质击穿可靠性；

步骤S04，测量所述实际待测结构中通孔与相邻第二金属线结构之间的介质击穿可靠性。

以下列举所述集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构及其测试方法的几个实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。

【第一实施例】

本第一实施例中，下层金属线结构和上层金属线结构包括若干条平行排布的直线状金属线。以下请参考图6-图8，其中，图6为本发明一实施例中集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构的俯视图，图7为本发明一实施例中集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构的右视图，图8为图6沿剖开线C-C’的剖面图。在图中，相同的参考标号表示等同于图1-图5中的标号。

如图6所示，下层金属线结构102包含间隔排布的第一金属线结构112和第二金属线结构122。在较佳的实施例中，第一金属线结构112和第二金属线结构122包括若干条平行排布的直线状金属线，第一金属线结构112和第二金属线结构122各自包括一条以上金属线。该直线状的条形结构能有效地降低了电路在施加电压的测试过程先被烧毁的可能性，保证测试顺利进行。第一金属线结构112包括的一条以上金属线与第二金属线结构122包括的一条以上金属线交错地构成指叉式形状，即第一金属线结构112包括的金属线与第二金属线结构122的金属线两两相邻，互相交错，如手指交错叉拢的形状。

第一垫片111和第二垫片121分别为第一金属线结构112和第二金属线结构122传递电信号，其中，第一金属线结构112包括的一条以上金属线各自以其一端和第一垫片111连接，第二金属线结构122包括的一条以上金属线各自以其一端和第二垫片121连接。为了保证所述金属线与垫片的连接需要，较佳的，第一垫片111在横向上的宽度大于第一金属线结构112所包括的一条以上金属线在电介质101中横向排列的宽度；第二垫片121在横向上的宽度大于第二金属线结构122所包括的一条以上金属线在电介质101中横向排列的宽度。但第一垫片111或第二垫片121的宽度也可以进行适当调节，只要能保证各金属线和垫片的连接需要，亦在本发明的思想范围之内。例如，将所有的第一金属线结构112包括的一条以上金属线或者第二金属线结构122包括的一条以上金属线合并于一条较宽的金属线后，在分别连接于第一垫片111或第二垫片121上。

上层金属线结构132，位于下层金属线结构102上，其排布方向垂直于下层金属线结构102的排布方向。在较佳的实施例中，上层金属线结构132为包括若干条平行排布的直线状金属线，上层金属线结构132包括一条以上金属线。但其它结构，如还包括一条金属连接线，与所述直线状金属线垂直连接形成梳子形状，亦在本发明的思想范围之内。

顶层垫片131和上层金属线结构132的一端连接，用于为上层金属线结构132传递电信号。由于在本实施例中上层金属线结构132包括一条以上金属线，所以，第一金属线结构112包括的一条以上金属线各自以其一端和第一垫片111连接。为了保证所述金属线与垫片的连接需要，较佳的，顶层垫片131在横向上的宽度大于上层金属线结构132所包括的一条以上金属线在电介质101中横向排列的宽度。与第一垫片111和第二垫片121的宽度相同，顶层垫片131的宽度也可以进行适当调节，只要能保证各金属线和垫片的连接需要，亦在本发明的思想范围之内。在其它的实施例中，如上层金属线结构132包括一条以上金属线和一条金属连接线的梳子形状时，金属连接线与顶层垫片131连接。同样的，作为可靠性测试结构的组成部分，第一垫片111、第二垫片121或顶层垫片131相当于集成电路器件中的用于连接的各种垫片，其材料、形状及形成的工艺条件等均和受测试的集成电路器件一致。

通孔结构141，位于第一金属线结构112和上层金属线结构132之间，用于下层金属线结构102和上层金属线结构131的电连接。通孔结构141的侧壁与上层金属线结构132的下表面构成一三角区域142，见图8，该三角区域142对应于图5中三角位置的部分。在本测试电路中，一般通孔结构141一般为柱形，但在实际的制备工艺中，由于采用双大马士革工艺制备，所以在刻蚀的时候会产生过刻，使通孔结构141的上半部分变大，形成三角位置的形状，使得通孔结构141与第二金属线结构122之间的最短距离减小，在施加电压时很容易被击穿，所以此处需要评估。在本实施例中，用三角区域142模拟5中三角位置的通孔结构141，第二金属线结构122与相邻的三角区域142之间的距离为F3，在测试的时候测量F3处的可靠性即可。需注意，本实施例中的三角区域142只是一个结构中的区域，并不是结构。

电介质101，位于第一金属线结构112、第二金属线结构122、上层金属线结构132、通孔结构141、第一垫片111、第二垫片121和顶层垫片131的彼此之间，由于第一金属线结构112、第二金属线结构122和上层金属线结构132各自包含一条以上的金属线，所以电介质101也位于该金属线之间，由于对这些互连结构之间的相互间隔。同样的，作为可靠性测试结构的组成部分，电介质101相当于集成电路器件中的层间电介质材料，其材料、形成的工艺条件等均和受测试的集成电路器件一致。

以下结合图9具体说明本实施例中集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构的测试方法。

步骤S01，提供一衬底，根据本实施例中的测试结构在所述衬底上形成实际待测结构。在本实施例中，实际待测结构是通过双大马士革工艺制备，所以在实际待测结构中，通孔141的孔径由下向上增大，如图10所示。实际待测结构中通孔142的形状并不限于图10所示的倒圆锥结构，只要是孔径由下向上增大的结构，如不规则结构，亦在本发明的思想范围之内。

步骤S02，如图10所示，测量中下层金属线结构102的相邻金属线之间F1处电介质101的介质击穿可靠性，即测量所述相邻的第一金属线结构112和第二金属线结构122之间最小距离处的介质击穿可靠性。在本实施例中，第一金属线结构112包括的一条以上金属线与第二金属线结构122包括的一条以上金属线交错地构成指叉式形状，所以测量图8中第一金属线结构112的金属线与相邻第二金属线结构122的金属线之间F1处电介质101的介质击穿可靠性。

步骤S03，如图10所示，测量下层金属线结构102和上层金属线结构132之间F2处电介质101的介质击穿可靠性。由于第一金属线结构112与上层金属线结构132之间具有通孔结构141，所以，较佳的测量第二金属线结构122的金属线与上层金属线结构132的金属线之间处电介质101的可靠性，可以保证测量的准确性，但测量第一金属线结构112的金属线与上层金属线结构132的金属线之间处电介质101的介质击穿可靠性亦可。

步骤S04，如图10所示，测量所述实际待测结构中通孔141与相邻第二金属线结构122之间的可靠性。较佳的，测量通孔141和与其相邻的第二金属线结构122之间最小距离F3处的可靠性。图5、图8和图10中的F3相对应。

较佳的，在步骤S02、步骤S03和步骤S04中，采用升压法或基于时间的电介质击穿电压法测试F1、F2和F3处互连线间电介质101的介质击穿可靠性。

【第二实施例】

以下请参考图11，图11为本发明另一实施例中集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构的俯视图，在图中，相同的参考标号表示等同于图1-图7中的标号。第二实施例在第一实施例的基础上，区别在于，第一金属线结构112和第二金属线结构122均为梳子形状，第一金属线结构112包括一条以上金属线和一条金属连接线201，第二金属线结构122包括一条以上金属线和一条金属连接线202，第一金属线结构112包括的一条以上金属线各自以其一端和第一金属线结构112包括的金属连接线201连接，第二金属线结构122包括的一条以上金属线各自以其一端和第二金属线结构122包括的金属连接线202连接。

较佳的，第一金属线结构112包括的金属连接线201与第一垫片111连接，第二金属线结构122包括的金属连接线202与第二垫片121连接。但其它连接方式，如第一垫片111与第一金属线结构112包括的其中一条连接金属线，再通过金属连接线201与第一金属线结构112包括其它的连接金属线相连，从而达到互连目的，亦在本发明的思想范围之内。第一金属线结构112包括的一条以上金属线与第二金属线结构122包括的一条以上金属线交错地构成指叉式形状。

由于在本实施例中上层金属线结构132为直线状的条形结构、第一金属线结构112和第二金属线结构122均为梳子形状，所以上层金属线结构132中金属线的直线方向与第一金属线结构112和第二金属线结构122中金属线的直线方向相垂直。

本发明并不限于以上两个实施例，例如顶层垫片131、第一金属线结构112和第二金属线结构122均为梳子形状，以能达到本发明的能准确评估实际电路中电介质耐电压能力需要评估的地方的目的。

综上所述，本发明提供一种集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构及其测试方法，集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构包括下层金属线结构、上层金属线结构和用于下层金属线结构和上层金属线结构电连接的通孔结构，真实模拟了实际电路中互连线结构。与现有技术相比，本发明提供的含有偏压温度不稳定性测试电路具有以下优点：

1、本发明提供的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构及其测试方法，该测试结构具有位于所述第一金属线结构和所述上层金属线结构之间的通孔结构，与现有技术相比，所述通孔结构模拟了集成电路中互连线的真实结构，通过测量所述相邻棱与相邻三角区域之间的介质击穿可靠性，能准确评估实际电路中电介质耐电压能力需要评估的地方，从而保证互连线可靠性分析的准确性。

2、本发明提供的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构及其测试方法，该测试结构的第一金属线结构、第二金属线结构和上层金属线结构可以为直线状的条形结构，有效地降低了电路在施加电压的测试过程先被烧毁的可能性，保证测试顺利进行。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构，包括：

下层金属线结构，包括间隔排布的第一金属线结构和第二金属线结构；

上层金属线结构，位于所述下层金属线结构上，其排布方向垂直于所述下层金属线结构的排布方向；

通孔结构，用以电连接所述第一金属线结构和所述上层金属线结构，所述通孔结构的孔径由下向上增大；

电介质，所述第一金属线结构、第二金属线结构、上层金属线结构和通孔结构通过所述电介质绝缘间隔。

2.如权利要求1所述的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构，其特征在于，所述上层金属线结构包括若干条平行排布的直线状金属线。

3.如权利要求2所述的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构，其特征在于，所述上层金属线结构还包括一条金属连接线，与所述直线状金属线垂直连接。

4.如权利要求1所述的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构，其特征在于，所述第一金属线结构和第二金属线结构各自包括若干条平行排布的直线状金属线。

5.如权利要求4所述的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构，其特征在于，所述第一金属线结构和第二金属线结构各自还包括一条金属连接线，与各自所述直线状金属线垂直连接。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试结构，其特征在于，所述测试结构还包括第一垫片、第二垫片和顶层垫片，其中，所述第一金属线结构的一端和所述第一垫片连接，所述第二金属线结构的一端和所述第二垫片连接，所述上层金属线结构的一端和所述顶层垫片连接，所述第一垫片、第二垫片和顶层垫片用于分别为所述第一金属线结构、第二金属线结构和上层金属线结构传递电信号。

7.一种集成电路中介质击穿可靠性分析的测试方法，包括：

提供一衬底，根据如权利要求1至6中任意一项所述的测试结构在所述衬底上形成实际待测结构；

测量所述实际待测结构中下层金属线结构的相邻金属线之间介质击穿的可靠性；

测量所述实际待测结构中上层金属线结构和下层金属线结构之间介质击穿的可靠性；

测量所述实际待测结构中通孔结构与相邻第二金属线结构之间介质击穿的可靠性。

8.如权利要求7所述的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试方法，其特征在于，在测量所述实际待测结构中下层金属线结构的相邻金属线之间介质击穿可靠性的步骤中，测量所述相邻的第一金属线结构和第二金属线结构之间最小距离处介质击穿的可靠性。

9.如权利要求7所述的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试方法，其特征在于，在测量所述实际待测结构中上层金属线结构和下层金属线结构之间介质击穿的可靠性的步骤中，测量所述第二金属线结构和上层金属线结构之间最小距离处的介质击穿可靠性。

10.如权利要求7所述的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试方法，其特征在于，在测量所述实际待测结构中通孔与相邻第二金属线结构之间的介质击穿可靠性的步骤中，测量所述通孔结构和与其相邻的第二金属线结构之间最小距离处的介质击穿可靠性。

11.如权利要求7至10中任意一项所述的集成电路中介质击穿可靠性分析的测试方法，其特征在于，采用升压法或基于时间的电介质击穿电压法测试所述实际待测结构中下层金属线结构的相邻金属线之间、所述实际待测结构中上层金属线结构和下层金属线结构之间以及所述实际待测结构中通孔结构与相邻第二金属线结构之间的介质击穿可靠性。