CN107887291B - 连接通孔的电迁移寿命时间测试装置及其测试方法 - Google Patents

连接通孔的电迁移寿命时间测试装置及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种连接通孔的电迁移寿命时间测试装置及其测试方法，通过与连接通孔的第一接触层和/或第二接触层压合的加热板，加热连接通孔的第一接触层和/或第二接触层，为连接通孔提供电迁移寿命时间测试的应力温度，且可以短时间内快速提高应力温度，而不会影响芯片中其它器件和结构的可靠性产生。进一步地可通过第一温度检测模块检测加热板的温度值，由第一处理器根据加热板的温度值获得电迁移寿命时间；还可通过第二温度检测模块检测第一接触层和第二接触层的温度，由根据第一接触层和第二接触层的温度值获得连接通孔的电迁移寿命时间。基于此，有效地缩短电迁移寿命时间的测试周期。

Description

连接通孔的电迁移寿命时间测试装置及其测试方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种连接通孔的电迁移寿命时间测试装置及其测试方法。
背景技术
在传统的CMOS工艺中，形成铜互连的大马士革工艺要求对纵深比高的沟槽或通孔进行填充，填充的好坏直接影响了互连线的性能。在铜的淀积过程中，因为在角落处和连接通孔底部的淀积速率较快，填充过程中容易在沟槽或通孔的内部形成空洞，导致空洞附近局部的电阻升高，电流密度加剧，使局部的抗电迁移能力大大降低，易产生电迁移失效，成为互连线失效开路的地方。针对连接通孔纵深比高，不易填充均匀、容易形成空洞以及台阶覆盖性差，易产生缺陷。
因此，针对连接通孔纵深比高，不易填充均匀、容易形成空洞以及台阶覆盖性差，易产生缺陷的问题，工艺生产过程中一直对连接通孔的电迁移可靠性进行监控。通过一定时间的加速寿命测试，得出连接通孔的电迁移效应寿命时间。
在半导体版图中，有源区、多晶硅与金属层之间的连接称为连接通孔，而不同金属层之间的连接称为连接通孔。传统的测试连接通孔的电迁移效应寿命时间主要有两种，一是利用高温箱和较大的电流密度，通过一定时间的加速寿命测试，基于失效时间的威布尔统计分布，得出连接通孔的电迁移寿命时间；二是利用高温探针台的探针卡将应力电压和应力电流连接到连接通孔的金属压焊块上，进行连接通孔电迁移效应的可靠性测试。
然而，使用高温箱进行测试时，需要将整个半导体芯片放入高温箱中，会对芯片中各器件和结构的可靠性产生影响，且高温箱内部温度不能过高、提温不能过快，导致测试周期较长；使用高温探针台，探针卡容易因为氧化、磨损或震动等原因与金属压焊块接触不良，导致对失效时间的测试结果出现误差，难以保证测试结果的准确性。
发明内容
基于此，有必要针对传统的测试连接通孔的电迁移效应寿命时间的方法存在的上述缺陷，提供一种连接通孔的电迁移寿命时间测试装置及其测试方法。
本发明所提供的技术方案如下：
一种连接通孔的电迁移寿命时间测试装置，包括第一温度检测模块、第一处理器以及用于与第一接触层和/或所述第二接触层压合的加热板；
所述加热板用于接入工作电流，加热所述第一接触层和/或所述第二接触层；其中，所述第一接触层和所述第二接触层均为接触连接通孔的金属掩膜层；
所述第一温度检测模块用于检测加热板的温度值；
所述第一处理器连接所述第一温度检测模块，用于根据加热板的温度值获得连接通孔的电迁移寿命时间。
一种连接通孔的电迁移寿命时间测试装置，包括第二温度检测模块、第二处理器和用于与第一接触层和/或所述第二接触层压合的加热板；
所述加热板用于接入工作电流，加热所述第一接触层和/或所述第二接触层；其中，所述第一接触层和所述第二接触层均为接触连接通孔的金属掩膜层；
所述第二温度检测模块用于分别检测所述第一接触层和所述第二接触层的温度值；
所述第二处理器连接所述第二温度检测模块，用于根据所述第一接触层和所述第二接触层的温度值获得连接通孔的电迁移寿命时间。
一种连接通孔的电迁移寿命时间测试方法，包括步骤：
分别获取加热板的温度值和连接通孔的焦耳热温度值；
根据所述加热板的温度值与所述焦耳热温度值之和，获得连接通孔的应力温度；
根据所述连接通孔的应力温度获得连接通孔的电迁移寿命时间。
一种连接通孔的电迁移寿命时间测试方法，包括步骤：
获取所述第一接触层的温度值与所述第二接触层的温度值的平均值，以及连接通孔的焦耳热温度值；
根据所述平均值与所述焦耳热温度值之和，获得连接通孔的应力温度；
根据所述连接通孔的应力温度获得连接通孔的电迁移寿命时间。
本发明实施例所提供的连接通孔的电迁移寿命时间测试装置及其测试方法，通过与连接通孔的第一接触层和/或第二接触层压合的加热板，加热连接通孔的第一接触层和/或第二接触层，为连接通孔提供电迁移寿命时间测试的应力温度，且可以短时间内快速提高应力温度，而不会影响芯片中其它器件和结构的可靠性产生。进一步地可通过第一温度检测模块检测加热板的温度值，由第一处理器根据加热板的温度值获得电迁移寿命时间；还可通过第二温度检测模块检测第一接触层和第二接触层的温度，由根据第一接触层和第二接触层的温度值的平均值获得连接通孔的电迁移寿命时间。基于此，有效地缩短电迁移寿命时间的测试周期。
附图说明
图1为实施例一的连接通孔的电迁移寿命时间测试装置模块结构图；
图2为连接通孔的结构示意图；
图3为层间介质的结构示意图；
图4为第一温度检测模块的模块结构图；
图5为实施例二的连接通孔的电迁移寿命时间测试装置模块结构图；
图6为第二温度检测模块的模块结构图；
图7为实施例三的连接通孔的电迁移寿命时间测试方法流程图；
图8为实施例四的连接通孔的电迁移寿命时间测试方法流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，为实施例一的连接通孔的电迁移寿命时间测试装置模块结构图，包括第一温度检测模块11、第一处理器12以及用于与第一接触层和/或第二接触层压合的加热板13；
加热板13用于接入工作电流，加热第一接触层和/或第二接触层；其中，第一接触层和/或第二接触层均为接触连接通孔的金属掩膜层；
其中，加热板13用于与第一接触层和/或第二接触层压合，第一接触层和第二接触层均为接触连接通孔的金属掩膜层，加热板13与金属掩膜层压合。如图1所示，图1中以加热板13与第二接触层压合为例进行图示说明，需要说明的是，本实施例所提供的连接通孔的电迁移寿命时间测试装置包括一块或多块加热板13。在需要与第一接触层和第二接触层压合时，测试装置至少包括两块加热板13，其中任意一块与第一接触层压合，任意另一块与第二接触层压合。
以下以cmos工艺下的一种连接通孔的结构为例，对测试装置的加热板13的数量设置进行解释。如图2所示，为连接通孔的结构示意图，图2阐释了cmos工艺下连接通孔的结构，在图2所示的结构中，加热板13不便与第一接触层压合，因此基于该特定的工艺结构，连接通孔的电迁移寿命时间测试装置只包括一块加热板13，加热板13与第二接触层压合。
其中，加热板13选用具有导电性和特定电阻的材料制成，在加热板13上施加工作电流，通过改变工作电流的大小，改变加热板13的加热板的温度值。可选地，加热板13可选用多晶加热板，多晶加热板的材料是多晶硅材料，即无定向硅，当有电流流过多晶材料板时，会产生热量，以产生一个温度场，为连接通孔提供进行电迁移寿命时间测试所必需的高温环境。
可选地，还包括层间介质31；如图3所示，为层间介质的结构示意图；
加热板13用于通过层间介质31与第一接触层和/或第二接触层压合。
其中，层间介质31用于隔离加热板13与第一接触层和/或第二接触层，防止加热板13对第一接触层和/或第二接触层产生可靠性影响。
第一温度检测模块11用于检测加热板13的温度值；
其中，第一温度检测模块11可采用具备检测温度的设备，如第一温度检测模块11可为红外温度检测仪或温度传感器等。
可选地，如图4所示，为第一温度检测模块的模块结构图，第一温度检测模块11包括功率测量模块41和第一温度计算模块42；
功率测量模块41连接加热板13，用于测量加热板13所消耗的功率；
其中，加热板13在接入工作电流后，会消耗功率。通过功率测量模块41检测工作电流上消耗的功率。可选地，功率测量模块41为功率测量仪。
第一温度计算模块42连接功率测量模块41，用于根据加热板13所消耗的功率计算加热板的温度值；
所述第一温度计算模块42连接所述第一处理器12。
其中，第一温度计算模块42可根据加热板13所消耗的功率计算加热板经加热后的温度值，并通过计算加热后的温度值与已知室温的差值，得到加热板的温度值。可选地，第一温度计算模块42为集成室温传感器的DSP处理器，通过室温传感器采集室温，将DSP处理器的任一输入端口配置为室温信号输入，另一输入端口配置为功率信号输入。其中，室温信号为室温对应的数字信号，功率信号为加热板13所消耗的功率对应的数字信号。DSP处理器根据功率信号，计算加热板13，将消耗的功率所产生的温度与室温求和，获得加热板的温度值，并将加热板的温度值对应的信号输出第一处理器12。
第一处理器12连接第一温度检测模块11，用于根据加热板13的温度值获得连接通孔的电迁移寿命时间。
其中，第一处理器12接收加热板的温度值所对应的信号，通过预先建立的算法获得连接通孔的电迁移寿命时间。
实施例一所提供的连接通孔的电迁移寿命时间测试装置，通过与连接通孔的第一接触层和/或第二接触层压合的加热板13，加热连接通孔的第一接触层和/或第二接触层，为连接通孔提供电迁移寿命时间测试的应力温度，且可以短时间内快速提高应力温度，而不会影响芯片中其它器件和结构的可靠性产生。进一步通过第一温度检测模块11检测加热板的加热板的温度值，根据加热板的加热板的温度值获得电迁移寿命时间，以有效缩短电迁移寿命时间的测试周期。
实施例二
如图5所示，为实施例二的连接通孔的电迁移寿命时间测试装置模块结构图，包括第二温度检测模块51、第二处理器52和用于与第一接触层和/或第二接触层压合的加热板53；
加热板53用于接入工作电流，加热第一接触层和/或第二接触层；其中，第一接触层和/或第二接触层均为接触连接通孔的金属掩膜层；
第二温度检测模块51用于分别检测第一接触层和第二接触层的温度值；
其中，第二温度检测模块51可采用具备检测温度的设备，如第二温度检测模块51可为红外温度检测仪或温度传感器等。
如图6所示，为第二温度检测模块的模块结构图，第二温度检测模块51包括第一电阻测量模块61、第二电阻测量模块62、第二温度计算模块63、设置于所述第一接触层的第一温度检测金属线64以及设置于所述第二接触层的第二温度检测金属线65；
第一温度检测金属线64和第二温度检测金属线65分别与外部电源形成回路；
其中，第一温度检测金属线64布线于第一接触层，第二温度检测金属线65布线于第二接触层，即第一温度检测金属线64与第一接触层属于同层，第二温度检测金属线65与第二接触层属于同层。可选地，第一温度检测金属线64所采用的金属材料与第一接触层所采用的金属材料相同，第二温度检测金属线65与第二接触层所采用的金属材料相同，以使第一温度检测金属线64上的温度最大程度上接近第一接触层的温度，第二温度检测金属线65上的温度最大程度上接近第二接触层的温度。通过检测第一温度检测金属线64上的温度即可获得第一接触层的温度，检测第二温度检测金属线65上的温度即可获得第二接触层的温度。
第一温度检测金属线64和第二温度检测金属线65分别与外部电源形成回路，即第一温度检测金属线64一端连接外部电源的正极，另一端连接外部电源的负极；第二温度检测金属线65一端连接外部电源的正极，另一端连接外部电源的负极
可选地，可使用芯片的供电电源作为外部电源，将第一温度检测金属线64和第二温度检测金属线65的两端分别连接至芯片的PAD衬底，使第一温度检测金属线64和第二温度检测金属线65上产生芯片电流，以便于根据芯片电流测量第一温度检测金属线64和第二温度检测金属线65的电阻变化。
所述第一电阻测量模块61与所述第一温度检测金属线64并联连接，用于检测第一温度检测金属线64的电阻；
所述第二电阻测量模块62与所述第二温度检测金属线65并联连接，用于检测第二温度检测金属线65的电阻；
可选地，第一电阻测量模块61与第二电阻测量模块62均可为电阻测试仪或电阻测量仪表。
所述第二温度计算模块63分别连接所述第一电阻测量模块61和所述第二电阻测量模块62，用于根据所述第一温度检测金属线64的电阻计算第一接触层的温度值，根据所述第二温度检测金属线65的电阻计算第二接触层的温度值；
所述第二温度计算模块63连接所述第二处理器52。
其中，通过第一电阻测量模块61检测第一温度检测金属线64的电阻变化量，第二温度计算模块63在接收采集到的第一温度检测金属线64的电阻后，计算第一温度检测金属线64的温度变化量，在室温的基础上获得第一温度检测金属线64的温度，即第一接触层的温度值。同理可根据第二电阻测量模块62检测第二温度检测金属线65的电阻变化量获得第二接触层的温度值·。
其中，第一温度检测金属线64或第二温度检测金属线65的温度的变化量可通过下式计算：
Figure BDA0001527901660000071
其中，ΔT'是第一温度检测金属线64或第二温度检测金属线65的温度变化量；TCR是第一温度检测金属线64或第二温度检测金属线65的电阻的温度系数；R'(0)是室温下第一温度检测金属线64或第二温度检测金属线65的电阻值；T'(0)是指初始温度，一般指室温；R'是第一温度检测金属线64或第二温度检测金属线65的温度为T'时的第一温度检测金属线64或第二温度检测金属线65的电阻值。
进一步地，将第一温度检测金属线64的温度T'记录为第一接触层的温度值，将第二温度检测金属线65的温度T'第二接触层的温度值。
第二处理器52连接第二温度检测模块51，用于根据第一接触层和第二接触层的温度值获得连接通孔的电迁移寿命时间。
其中，第二处理器52接收第一接触层和第二接触层的温度值所对应的信号，通过预先建立的算法获得连接通孔的电迁移寿命时间。
实施例二所提供的连接通孔的电迁移寿命时间测试装置，通过与连接通孔的第一接触层和/或第二接触层压合的加热板53，加热连接通孔的第一接触层和/或第二接触层，为连接通孔提供电迁移寿命时间测试的应力温度，且可以短时间内快速提高应力温度，而不会影响芯片中其它器件和结构的可靠性产生。进一步地通过第二温度检测模块51检测第一接触层和第二接触层的温度，由根据第一接触层和第二接触层的温度值获得连接通孔的电迁移寿命时间。基于此，有效地缩短电迁移寿命时间的测试周期。
实施例三
如图7所示，为实施例三的连接通孔的电迁移寿命时间测试方法流程图，包括步骤：
S71，分别获取加热板的温度值和连接通孔的焦耳热温度值；
其中，加热板的温度值为加热板经加热后的温度，焦耳热温度值为连接通孔在接通应力电流后因应力电流产生热量所提升的温度。
可选地，若加热板为多晶加热板，则获取加热板的温度值的过程，如下式：
Figure BDA0001527901660000091
其中，ΔT为加热板的温度值，T0为室温；Pp为加热板消耗的功率，且
Figure BDA0001527901660000092
其中Ip为多晶加热板的电流值，Rp为多晶加热板的电阻值；k为多晶加热板氧化层的热导率，h为多晶加热板绝缘层的厚度，Lp为多晶加热板的长度，Wp为多晶加热板的宽度。
S72，根据加热板的温度值与焦耳热温度值之和，获得连接通孔的应力温度；
其中，应力温度为连接通孔进行电迁移寿命时间所需施加的温度。根据加热板的温度值与焦耳热温度值之和，获得连接通孔的应力温度的过程，如下式：
T＝T1+ΔT
其中，T为连接通孔的应力温度，ΔT为加热板的温度值；
T1为焦耳热温度值，且
Figure BDA0001527901660000093
其中
Figure BDA0001527901660000094
为连接通孔的热阻，Pc为连接通孔的功耗，Ic为连接通孔上的电流值，Sc为连接通孔的横截面积，Rc为连接通孔的电阻，J为连接通孔上的电流密度。
S73，根据连接通孔的应力温度获得连接通孔的电迁移寿命时间。
其中，基于确定的应力温度，将应力温度代入电迁移寿命时间计算模型中，获得连接通孔的电迁移寿命时间。
可选地，电迁移寿命时间计算模型如下式：
Figure BDA0001527901660000095
其中，τ为电迁移寿命时间，A为比例常数，J为连接通孔上的电流密度，n为电流密度因子，Ea为激活能，k1为玻尔兹曼常数，T为连接通孔的应力温度。
实施例二所提供的连接通孔的电迁移寿命时间测试方法，通过加热板的温度值和连接通孔的焦耳热温度值之和，获得连接通孔的应力温度，以获得连接通孔的电迁移寿命时间。基于此，可实现通过快速加热板的加热板的温度值，快速获取连接通孔的电迁移寿命时间，缩短电迁移寿命时间测试周期，提高电迁移寿命时间测试的效率。
实施例四
如图8所示，为实施例四的连接通孔的电迁移寿命时间测试方法流程图，包括步骤：
S81，获取所述第一接触层的温度值与所述第二接触层的温度值的平均值，以及连接通孔的焦耳热温度值；
S82，根据所述平均值与所述焦耳热温度值之和，获得连接通孔的应力温度；
其中，连接通孔直接接触第一接触层和第二接触层，第一接触层的温度值与所述第二接触层的温度值的平均值近似于连接通孔的应力温度。
S83，根据连接通孔的应力温度获得连接通孔的电迁移寿命时间。
实施例三所提供的连接通孔的电迁移寿命时间测试方法，将第一接触层的温度值与所述第二接触层的温度值的平均值与焦耳热温度值之和设为连接通孔的应力温度，以获得连接通孔的电迁移寿命时间。基于此，实现通过第一接触层和第二接触层的温度值，获取连接通孔的电迁移寿命时间，提高电迁移寿命时间测试的便利性。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种连接通孔的电迁移寿命时间测试装置，其特征在于，包括第一温度检测模块、第一处理器以及用于与第一接触层和/或第二接触层压合的加热板；其中，第一接触层和/或第二接触层均为接触连接通孔的金属掩膜层；
所述加热板用于接入工作电流，加热所述第一接触层和/或所述第二接触层；其中，所述第一接触层和所述第二接触层均为接触连接通孔的金属掩膜层；
所述第一温度检测模块用于检测加热板的温度值；
所述第一处理器连接所述第一温度检测模块，用于根据加热板的温度值获得连接通孔的电迁移寿命时间。
2.根据权利要求1所述的连接通孔的电迁移寿命时间测试装置，其特征在于，所述加热板为多晶加热板。
3.根据权利要求1所述的连接通孔的电迁移寿命时间测试装置，其特征在于，所述第一温度检测模块包括功率测量模块和第一温度计算模块；
所述功率测量模块用于测量所述加热板所消耗的功率；
所述第一温度计算模块连接所述功率测量模块，用于根据所述加热板所消耗的功率计算加热板的温度值；
所述第一温度计算模块连接所述第一处理器。
4.一种连接通孔的电迁移寿命时间测试装置，其特征在于，包括第二温度检测模块、第二处理器和用于与第一接触层和/或第二接触层压合的加热板；其中，第一接触层和/或第二接触层均为接触连接通孔的金属掩膜层；
所述加热板用于接入工作电流，加热所述第一接触层和/或所述第二接触层；其中，所述第一接触层和所述第二接触层均为接触连接通孔的金属掩膜层；
所述第二温度检测模块用于分别检测所述第一接触层和所述第二接触层的温度值；
所述第二处理器连接所述第二温度检测模块，用于根据所述第一接触层和所述第二接触层的温度值获得连接通孔的电迁移寿命时间。
5.根据权利要求4所述的连接通孔的电迁移寿命时间测试装置，其特征在于，所述第二温度检测模块包括第一电阻测量模块、第二电阻测量模块、第二温度计算模块、设置于所述第一接触层的第一温度检测金属线以及设置于所述第二接触层的第二温度检测金属线；
所述第一温度检测金属线和所述第二温度检测金属线分别与外部电源形成回路；
所述第一电阻测量模块与所述第一温度检测金属线并联连接，用于检测第一温度检测金属线的电阻；
所述第二电阻测量模块与所述第二温度检测金属线并联连接，用于检测第二温度检测金属线的电阻；
所述第二温度计算模块分别连接所述第一电阻测量模块和所述第二电阻测量模块，用于根据所述第一温度检测金属线的电阻计算第一接触层的温度值，根据所述第二温度检测金属线的电阻计算第二接触层的温度值；
所述第二温度计算模块连接所述第二处理器。
6.一种连接通孔的电迁移寿命时间测试方法，应用于如权利要求1至3任意一项所述的电迁移寿命时间测试装置，其特征在于，包括步骤：
分别获取加热板的温度值和连接通孔的焦耳热温度值；
根据所述加热板的温度值与所述焦耳热温度值之和，获得连接通孔的应力温度；
根据所述连接通孔的应力温度获得连接通孔的电迁移寿命时间。
7.根据权利要求6所述的连接通孔的电迁移寿命时间测试方法，其特征在于，若所述加热板为多晶加热板，则所述获取加热板的温度值的过程，如下式：
Figure FDA0002410309240000021
其中，ΔT为所述加热板的温度值，T0为室温；Pp为加热板消耗的功率，且
Figure FDA0002410309240000022
其中Ip为多晶加热板的电流值，Rp为多晶加热板的电阻值；k为多晶加热板氧化层的热导率，h为多晶加热板绝缘层的厚度，Lp为多晶加热板的长度，Wp为多晶加热板的宽度。
8.根据权利要求6所述的连接通孔的电迁移寿命时间测试方法，其特征在于，所述根据所述加热板的温度值与所述焦耳热温度值之和，获得连接通孔的应力温度的过程，如下式：
T＝T1+ΔT
其中，T为所述连接通孔的应力温度，ΔT为所述加热板的温度值；
T1为所述焦耳热温度值，且
Figure FDA0002410309240000031
其中Θ为连接通孔的热阻，Pc为连接通孔的功耗，Ic为连接通孔上的电流值，Sc为连接通孔的横截面积，Rc为连接通孔的电阻，J为连接通孔上的电流密度。
9.根据权利要求6所述的连接通孔的电迁移寿命时间测试方法，其特征在于，所述根据所述连接通孔的应力温度获得连接通孔的电迁移寿命时间的过程，如下式：
Figure FDA0002410309240000032
其中，τ为所述电迁移寿命时间，A为比例常数，J为连接通孔上的电流密度，n为电流密度因子，Ea为激活能，k1为玻尔兹曼常数，T为连接通孔的应力温度。
10.一种连接通孔的电迁移寿命时间测试方法，应用于如权利要求4或5所述的电迁移寿命时间测试装置，其特征在于，包括步骤：
获取所述第一接触层的温度值与所述第二接触层的温度值的平均值，以及连接通孔的焦耳热温度值；
根据所述平均值与所述焦耳热温度值之和，获得连接通孔的应力温度；
根据所述连接通孔的应力温度获得连接通孔的电迁移寿命时间。
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