CN107389987A - 一种简易电迁移测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于微互连可靠性测试领域，并公开了一种简易电迁移测试系统。该系统包括芯片夹持装置、反应腔、电化学工作站和信号采集站，芯片夹持装置用于固定待测试芯片，且设置在反应腔内，反应腔用于为待测试芯片提供高温和无氧环境；电化学工作站与信号引出线连接，用于为待测试芯片提供电流，同时测试该待测试芯片的电压；信号采集站用于设置电化学工作站的参数，并实时采集电化学工作站测试的电压并对该电压进行处理。通过本发明，实现在实验室有效地测试电迁移过程，制作简单，成本低廉，体积小，节省测试时间，对于研究微互连结构的电迁移研究具有重要意义，有效推动芯片可靠性的研究。

Description

一种简易电迁移测试系统

技术领域

本发明属于微互连可靠性测试领域，更具体地，涉及一种简易电迁移测试系统。

背景技术

金属电迁移失效，通常是指金属层因金属离子的迁移在局部区域由质量堆积而出现小丘或品须，或由质量亏损出现空洞而造成的器件或互连性能退化或失效。通常在高温、强电场下引起。随着半导体工业迅猛发展，微处理器集成度不断提高，半导体的物理制程已经逐渐逼近极限，互连结构电流密度持续增大，芯片发生电迁移失效的可能性越来越大，国际半导体技术发展蓝图已经将电迁移列为集成电路可靠性问题之一。随着电子产品不断向微型化和高性能化发展，导致金属微互连结构的电流密度急剧增加，极易引起电迁移诱致失效的可靠性问题。因此急需专业的设备针对金属微互连结构的电迁移失效问题进行测试，金属微互连结构的设计和可靠性评价提供必要的理论和数值分析基础。

目前半导体业界圆级电迁移加速试验和等温电迁移测试两种。然而专用的电迁移测试设备昂贵多采用封装级电迁移测试和晶圆级测试方法来进行电迁移测试，后者又分为标准晶，测试装置结构复杂、测试费用极高，不适宜实验室研究。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种简易电迁移测试系统，通过芯片夹持装置、电化学工作站和信号采集装置的设置和协同工作，由此解决现有电迁移测试装置结构复杂、测试费用高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种简易电迁移测试系统，该系统包括芯片夹持装置、反应腔、电化学工作站和信号采集站，其特征在于：

所述芯片夹持装置包括上板、下板、探针和信号引出线，所述上板和下板用于夹持待测试芯片，所述探针设置在所述上板上，且与所述信号引出线连接，该探针与待待测试芯片接触，通过所述信号引出线将待测试芯片的信号引出；

所述芯片夹持装置设置在所述反应腔内，该反应腔用于为待测试芯片提供高温和无氧环境；

所述电化学工作站与所述信号引出线连接，用于为待测试芯片提供电流，同时测试该待测试芯片的电压；

所述信号采集站用于设置所述电化学工作站的参数，并实时采集所述电化学工作站测试的电压并对该电压进行处理。

进一步优选地，所述信号引线外表面设置有玻璃纤维管，用于保护所述信号引出线。

进一步优选地，所述反应腔采用管式炉。

进一步优选地，所述电化学工作站优选采用数字源表。

进一步优选地，所述探针优选采用圆头铜探针。

进一步优选地，所述上板和下板之间设置有弹簧，用于避免芯片在夹持过程中破损。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过提供一种简易的测试系统，其中通过芯片夹持装置固定待测试芯片，并通过采用常见的数字源表和管式炉配合使用，有效地测试电迁移过程，非常适宜于实验室基础研究，对于研究微互连结构的电迁移研究具有重要意义，有效推动芯片可靠性的研究；

2、本发明提供的芯片夹持装置中芯片的电气连接优良，结构稳固，在管式炉中测试时，以任何姿态放置都不会影响测试；

3、本发明通过采用圆头铜探针能够在提供完好的电气连接的同时保证芯片不被刺破，上下两块板之间的弹簧保证芯片在安装过程中不会受到额外损伤；

4、本发明中的芯片夹持装置制作简单，成本低廉，体积小，同时管式炉的采用，使得在在该管式炉中一次放置多个夹持有待测芯片的夹持装置，一次升降温就实现多个样片的测量，大大节省了测试时间。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的简易电迁移测试系统；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的芯片夹持装置的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的利用简易电迁移系统测试过程中电阻-电流曲线；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的测试结束后互连结构的SEM图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的测试结束后互连结构的能谱分析。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-玻璃纤维管 2-铜导线 3-上板 4-探针 5-待测试芯片 6-下板 7-弹簧 8-螺母9-螺栓 10-计算机 11-数据连接线 12-电化学工作站 13-外部设备导线 14-导线连接头15-有待测试的芯片夹持装置 16-管式炉

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的简易电迁移测试系统，如图1所示，该系统包括芯片夹持装置、反应腔、电化学工作站和信号采集站，其中反应腔采用管式炉，信号引出线采用铜导线，电化学站采用数字源表，信号采集站采用计算机，芯片夹持装置放置在管式炉中，并与电化学站连接，电化学站与信号采集站连接。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的芯片夹持装置的结构示意图，如图2所示，芯片夹持装置包括四根铜导线2，四条耐高温玻璃纤维管1包覆铜导线防止短路，四根圆头铜探针4，四个螺栓9，四个螺母8，四根弹簧7，下板6，上板3，下板采用无电气连接的PCB板，上板采用有电气连接的PCB板，待测试芯片5，该待测试芯片有四个金属Pad。

下面将介绍本发明的简易测试系统的工作过程：

测试过程中首先松开所有螺栓9，将待测试芯片5放置下板6上，和圆头铜探针4对准后，拧紧螺丝9，至此，待测试芯片的安装完成。之后将有待测试的芯片夹持装置15放置在管式炉16中，采用导线连接插头14连接信号引出线2和外部设备导线13完成电气连接，通过数据线11连接电化学工作站AUTOLAB12和计算机10，至此全部测试系统的连接完成。

打开管式炉16的通气阀，氮气清洗管式炉内部杂质10min，接着开到正常通气模式，保证管式炉内部充满氮气，防止测试过程中待测试芯片5氧化。设置管式炉16以10℃/min的温度升至160℃，观察到稳定在设置温度后，通过计算机10设置电化学工作站12以50mA/min的速度加载电流至250mA开始测试，并实时采集电压数据，每隔0.2s进行一次采样，设置阈值电压为10V，测试电压达到阈值电压后测试结束，管式炉16停止加热，冷却至室温后取出有待测试的芯片夹持装置15，松开螺栓9，将测试芯片5取出进行后续分析。

图3是按照本发明的优选实施例所构建的利用简易电迁移系统测试过程中电阻-电流曲线，如图3所示，测试过程中的电阻-时间曲线，测试过程中电阻变化平滑，证明了夹持装置的电气连接稳固可靠，

图4是按照本发明的优选实施例所构建的测试结束后互连结构的SEM图，如图4所示是SEM分析结果，观察到了明显由电迁移现象产生的孔洞、断裂等缺陷，证明该测试系统用于电迁移测试的可用性，

图5是按照本发明的优选实施例所构建的测试结束后互连结构的能谱分析，如图5所示是金属互连线的能谱分析(由于互连断开，表面做了喷金处理)，氧含量极低，表明测试过程中金属互连线几乎没有发生氧化，同时也表明使用惰性气体保护的管式炉可以很好地提供测试环境，提供测试所需温度等条的同时对测试样品进行保护。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种简易电迁移测试系统，该系统包括芯片夹持装置、反应腔、电化学工作站和信号采集站，其特征在于，

所述芯片夹持装置包括上板、下板、探针和信号引出线，所述上板和下板用于夹持待测试芯片，所述探针设置在所述上板上，且与所述信号引出线连接，该探针与待待测试芯片接触，通过所述信号引出线将待测试芯片的信号引出；

所述芯片夹持装置设置在所述反应腔内，该反应腔用于为待测试芯片提供高温和无氧环境；

所述电化学工作站与所述信号引出线连接，用于为待测试芯片提供电流，同时测试该待测试芯片的电压；

所述信号采集站用于设置所述电化学工作站的参数，并实时采集所述电化学工作站测试的电压并对该电压进行处理。

2.如权利要求1所述的一种简易电迁移测试系统，其特征在于，所述信号引线外表面设置有玻璃纤维管，用于保护所述信号引出线。

3.如权利要求1或2所述的一种简易电迁移测试系统，其特征在于，所述反应腔采用管式炉。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种简易电迁移测试系统，其特征在于，所述电化学工作站优选采用数字源表。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种简易电迁移测试系统，其特征在于，所述探针优选采用圆头铜探针。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种简易电迁移测试系统，其特征在于，所述上板和下板之间设置有弹簧，用于避免芯片在夹持过程中破损。