CN108447797A - 金属电迁移测试结构及使用该结构的金属电迁移测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属电迁移测试结构及使用该结构的金属电迁移测试方法，该金属电迁移测试结构包括：位于相同层的至少两条待测目标金属线；以及位于待测目标金属线的相邻层的至少一条连接用金属线。利用连接用金属线经由通孔使待测目标金属线串联连接，并对连接用金属线的长度进行设置，以使得在进行金属电迁移测试时，由待测目标金属线和连接用金属线串联而成的串联电路的电阻值发生跳变。

Description

金属电迁移测试结构及使用该结构的金属电迁移测试方法

技术领域

本发明涉及半导体金属电迁移测试技术领域，尤其涉及一种金属电迁移测试结构及使用该结构的金属电迁移测试方法。

背景技术

近年来，随着半导体器件尺寸越来越小，集成度越来越高，对半导体器件可靠性的研究也变得越来越重要，而电迁移(Electromigration)现象是影响可靠性的主要失效机理之一。电迁移现象是指半导体器件中的集成电路工作时金属线内部有电流通过，在电流的作用下金属离子产生物质运输的现象。由此，金属线的某些部位会因该电迁移现象而出现空洞(Void)，进而发生断路，而某些部位会因该电迁移现象而出现小丘(Hillock)，进而造成电路短路。

在半导体器件集成度越来越高的情况下，金属互连线变得更细、更窄、更薄，电流密度不断增加，电迁移现象越来越严重。图1为典型的电迁移失效结果，示出了铜互连线因电迁移现象而出现空洞。图1中，L1为覆盖层，L2为阻挡层，C为铜互连线，V为因铜互连线中出现电迁移失效现象而产生的空洞。

在集成电路工艺开发阶段，可靠性评估是工艺开发是否成功评估的重要一环，而针对上述电迁移现象的电迁移测试是后段工艺评估中重要性高、耗时长、成本较高的一项必不可少的测试。

现有技术中，电迁移测试通常使用四端法的开尔文(Kelvin)结构，利用该结构测量单条待测金属线的阻值变化阈值点，由此来获得电迁移失效寿命。但是，上述通常所使用的电迁移测试结构每次只能对一条待测金属线进行评估，抽样能力有限。

如果要获得能够真实反映样品的实际寿命的失效时间分布，那么就需要大量的测试样品。然而，随着测试样品数量的不断增加，测试周期将会大幅延长，测试成本大幅提高，从而导致整个电迁移测试的效率下降。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于，在工艺开发阶段，提供一种金属电迁移测试结构及使用该结构的金属电迁移测试方法，能够在不增加测试成本、不延长测试周期的情况下高效率、低成本地获得高精度的测试结果。

本发明涉及一种金属电迁移测试结构，包括：

位于相同层的至少两条待测目标金属线；以及

位于所述待测目标金属线所在层的不同层、且经由通孔使所述待测目标金属线彼此串联连接的至少一条连接用金属线，

在进行金属电迁移测试时，所述连接用金属线的长度能够使所述待测目标金属线和所述连接用金属线串联而成的串联电路的电阻值发生跳变。

优选为，所述金属电迁移测试在恒定温度和恒定电流条件下进行。

优选为，所述连接用金属线位于所述待测目标金属线的相邻层。

优选为，所述连接用金属线位于所述待测目标金属线的上一层和/或下一层。

优选为，所述连接用金属线为两条以上。

优选为，所述两条以上的所述连接用金属线中的一部分所述连接用金属线位于所述待测目标金属线的上一层，另一部分所述连接用金属线位于所述待测目标金属线的下一层。

优选为，所述连接用金属线的长度小于等于100μm。

优选为，所述待测目标金属线的宽度为1nm～100μm，和/或所述待测目标金属线的长度大于等于100μm。

优选为，所述待测目标金属线的材料为铜或铝。

优选为，所述连接用金属线的材料为铜或铝。

本发明涉及一种金属电迁移测试方法，其特征在于，包括：

利用与待测目标金属线位于不同层的连接用金属线，经由通孔将待测目标金属线彼此串联连接以构成串联电路；

设置所述连接用金属线的长度，以使得在进行金属电迁移测试时，所述串联电路的电阻值发生跳变；

基于测量得到的所述串联电路的电阻值变化情况生成金属电迁移失效时间分布。

优选为，所述金属电迁移测试方法还包括：

记录所述电阻值发生跳变的时间；以及

基于所述电阻值发生跳变的时间生成所述金属电迁移失效时间分布。

发明效果

通过采用本发明所述的金属电迁移测试结构及使用该结构的金属电迁移测试方法，能够突破现有的金属电迁移测试结构抽样能力的局限性，在不增加样品数量和延长测试周期的情况下，完成半导体器件可靠性评估标准所要求的电迁移测试，从而能够提高测试效率和测试精度，降低测试成本。

附图说明

图1是表示典型的电迁移失效结果的图。

图2是表示本发明所涉及的金属电迁移测试结构的俯视图。

图3是表示本发明所涉及的金属电迁移测试结构的剖视图。

图4是表示本发明的具体实施例所涉及的金属电迁移测试结构的电阻值随时间变化的示意图。

图5是表示对金属电迁移测试结构进行电迁移测试时获得的电阻－时间实测曲线图。图5(a)是对通用的金属电迁移测试结构进行电迁移测试时获得的电阻－时间实测曲线图，图5(b)是对本发明的具体实施例所涉及的金属电迁移测试结构进行电迁移测试时获得的电阻－时间实测曲线图。

图6是表示使用本发明所涉及的金属电迁移测试结构的金属电迁移测试方法的流程图。

图7是表示采用本发明所涉及金属电迁移测试方法所获得的金属电迁移失效时间分布图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明所涉及的金属电迁移测试结构及使用该结构的金属电迁移测试方法的具体实施例进行说明。另外，对同一要素标注相同标号，并省略重复说明。

〔金属电迁移测试结构〕

图2是表示本发明所涉及的金属电迁移测试结构的俯视图。

如图2所示，作为电迁移测试对象的三条铜互连线11、12、13位于相同层(MX 层)。三条铜互连线11、12、13彼此之间通过连接用金属线21、22相连接。铜互连线11的一端通过通孔VA(Via)与压焊点23(Pad)相连接，另一端通过通孔 VA与连接用金属线21的一端相连接。连接用金属线21的另一端通过通孔VA与铜互连线12的一端相连接，铜互连线12的另一端通过通孔VA与连接用金属线 22的一端相连接。连接用金属线22的另一端通过通孔VA与铜互连线13的一端相连接，铜互连线13的另一端通过通孔VA连接至压焊点23。由此，利用连接用金属线21、22经由通孔VA将三条铜互连线11、12、13彼此串联连接。

图2示出了连接用金属线21、22形成于三条铜互连线11、12、13的相邻层的示例，但连接用金属线只要位于铜互连线所在层的不同层，能够经由通孔使至少两条铜互连线彼此串联连接即可。

此外，在铜互连线形成于MX层，而连接用金属线形成于铜互连线的相邻层的情况下，该连接用金属线可以均形成于MX层的上一层(MX+1层)，也可以均形成于MX层的下一层(MX-1层)，还可以分别形成于MX+1层和MX-1层。

图3是表示本发明所涉及的金属电迁移测试结构的剖视图，简要示出图2中位于中间的铜互连线12的两端通过通孔VA分别与连接用金属线21、22相连接的示例。其中，L1为覆盖层，L2为阻挡层，MX表示铜互连线12所处的层，MX-1表示连接用金属线21、22所处的层。图3的示例中，连接用金属线21、22均形成于 MX-1层。

关于作为电迁移测试对象的待测目标金属线，图2及图3中示出了将铜互连线作为电迁移测试对象的示例。但待测目标金属线并不限于铜互连线，也可以针对铝互连线来进行电迁移测试。

此外，图2及图3中示出了铜互连线即待测目标金属线为三条的示例，但待测目标金属线的数量并不限于此，可以为两条或三条以上。

关于用于将这些铜互连线串联连接的连接用金属线，图2及图3中示出了连接用金属线为两条的示例，但连接用金属线的数量并不限于此，其数量根据待测目标金属线的数量来决定即可。

此外，连接用金属线的材料可以使用铜或铝。

综上，本发明所涉及的金属电迁移测试结构构成为：若作为电迁移测试对象的待测目标金属线为n条，则连接用金属线为n-1条。n条待测目标金属线形成于相同层即MX层，此时n-1条连接用金属线形成于n条待测目标金属线所在层的不同层，且经由通孔使n条待测目标金属线彼此串联连接即可。

在n-1条连接用金属线形成于上述n条待测目标金属线的相邻层即MX+1层或MX-1层的情况下，可以均形成在其上一层即MX+1层，也可以均形成在其下一层即MX-1层，还可以设为n-1条连接用金属线中的m条形成在MX+1层，而剩余的n-1-m条连接用金属线形成在MX-1层。

在上述由待测目标金属线和连接用金属线构成的串联电路中，进一步对连接用金属线的长度进行设置，以使得该串联电路的电阻值发生跳变。

以图2、图3所示的结构为例，在待测目标金属线即铜互连线为3条的情况下，对连接用金属线21、22的长度进行设置，以使得由铜互连线11、12、13和连接用金属线21、22构成的串联电路的电阻值发生三次跳变。

图4示出在待测目标金属线为3条的情况下上述串联电路的电阻值随时间变化的示意图。

如图4所示，通过采用上述串联电路结构，且对连接用金属线的长度进行设置，从而使得在恒定温度和恒定电流条件下对该串联电路结构进行电迁移测试时，该串联电路的电阻值随时间变化而发生三次跳变。

因此，按下述方式进一步对上述本发明所涉及的金属电迁移测试结构进行设置，即：若待测目标金属线为n条，则利用n-1条连接用金属线经由通孔将它们构成串联电路结构，并对该n-1条连接用金属线的长度进行设置，以使得在恒定温度和恒定电流条件下对该串联电路结构进行电迁移测试时，该串联电路的电阻值随时间变化而发生n次跳变即可。

根据半导体工艺的不同，上述连接用金属线的长度优选为小于等于100μm。

此外，上述待测目标金属线的宽度优选为1nm～100μm。上述待测目标金属线的长度优选为大于等于100μm。

图5是表示对金属电迁移测试结构进行电迁移测试时获得的电阻－时间实测曲线图。图5(a)示出对通用的金属电迁移测试结构进行电迁移测试时获得的电阻－时间实测曲线，以此作为比较例。图5(b)示出对本发明的具体实施例所涉及的金属电迁移测试结构进行电迁移测试时获得的电阻－时间实测曲线。

根据图5所示的电阻－时间实测曲线可知，若采用通用的金属电迁移测试结构，则这个结构在受到电迁移压力测试时其电阻值发生一次跳变。

而在采用本发明的具体实施例所涉及的上述串联电路结构的情况下，该结构在受到电迁移压力测试时其电阻值会发生三次跳变。

若将上述具体实施例中的待测目标金属线设为n条，则该结构在受到电迁移压力测试时其电阻值会发生n次跳变。

在现有的通用电迁移测试结构中，将作为电迁移测试对象的一条待测目标金属线连接成四端法的开尔文(Kelvin)结构，通过测量其阻值的变化阈值点来获得电迁移失效寿命。因此，为了获得能够真实反映样品的实际寿命的失效时间分布，就必须要增大样品量，通过对大量的样品进行测试来完成集成电路可靠性评估标准所要求的电迁移测试。显而易见，该现有的通用电迁移测试结构存在测试效率降低，成本大幅提高的问题。

与此相对，根据本发明的金属电迁移测试结构，通过对一个样本进行电迁移测试就能获得以往n倍的数据量，因此该金属电迁移测试结构的测试效率与以往相比提高了n倍，进而能够在不增加样品数量和延长测试周期的情况下，完成半导体器件可靠性评估标准所要求的电迁移测试，提高测试精度，降低测试成本。

〔金属电迁移测试方法〕

图6是表示使用本发明所涉及的金属电迁移测试结构的金属电迁移测试方法的流程图。

如图6所示，本发明所涉及的金属电迁移测试方法包括下述步骤：

步骤S1中，设置n条作为金属电迁移测试对象的待测目标金属线。

步骤S2中，在所设置的n条待测目标金属线的相邻层(上一层或下一层)形成n-1条连接用金属线，并对该n-1条连接用金属线的长度进行设置。

步骤S3中，对由待测目标金属线和连接用金属线构成的串联电路的电阻值进行记录和监控。

步骤S4中，记录上述串联电路的电阻值在整个测试过程中每次发生跳变的时间。

步骤S5中，基于所记录的上述串联电路的电阻值每次发生跳变的时间数据，进行统计分析，由此来获得电迁移的寿命信息即金属电迁移失效时间分布。

在上述金属电迁移测试方法中，说明了连接用金属线形成于待测目标金属线的相邻层的示例，但连接用金属线并不限于形成在待测目标金属线的相邻层，只要与待测目标金属线位于不同层，且能够经由通孔将待测目标金属线彼此串联连接以构成串联电路即可。

在将连接用金属线形成于待测目标金属线的相邻层的情况下，可以将n-1条连接用金属线均形成于n条待测目标金属线的上一层，也可以将它们均形成于n条待测目标金属线的下一层，还可以将它们的一部分形成于n条待测目标金属线的上一层，而将剩余的部分形成于n条待测目标金属线的下一层。

在该金属电迁移测试方法中，对n-1条连接用金属线的长度进行设置，以使得由n条待测目标金属线和n-1条连接用金属线构成的串联电路在进行电迁移测试时其电阻值会发生跳变。

在该金属电迁移测试方法中，优选为将该n-1条连接用金属线的长度设为小于等于100μm。

在该金属电迁移测试方法中，优选为将待测目标金属线的宽度设为1nm～ 100μm，并将待测目标金属线的长度设为大于等于100μm。

图7是表示采用本发明所涉及金属电迁移测试方法所获得的金属电迁移失效时间分布图。在该图中，横轴表示每个跳变所对应的时间(单位：小时)，纵轴表示累计失效率(单位：百分比)。

根据图7可知，通过采用本发明所涉及的金属电迁移测试方法，能够以现有技术n倍的效率来获得符合对数正态分布的电迁移失效时间，即，能够在不增加样品数量和延长测试周期的情况下，获得真实反映样品的实际寿命的失效时间分布，完成半导体器件可靠性评估标准所要求的电迁移测试。

本发明所涉及的金属电迁移测试结构及使用该结构的金属电迁移测试方法的适用领域并没有特别的限制，可适用于晶圆级电迁移测试，也可以适用于封装级电迁移测试。

此外，本发明所涉及的金属电迁移测试结构及使用该结构的金属电迁移测试方法中使用开尔文四端子检测法来测量电阻值的跳变，但也可以使用其他电阻测量方法来进行测量，只要能够测量出电阻值的跳变即可。

在详述本发明的具体实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的具体实施例的方法所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

另外，本申请发明本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，即，可以在其发明的范围内对各实施方式进行自由组合，或对各实施方式的任意构成要素进行变形、或省略各实施方式中的任意的构成要素。因此，只要是在本发明的实质精神范围内对上述实施方式的变化、变形都将落在本申请的权利要求书的范围内。

标号说明

11、12、13铜互连线(待测目标金属线)

21、22连接用金属线。

Claims (12)

1.一种金属电迁移测试结构，其特征在于，包括：

位于相同层的至少两条待测目标金属线；以及

位于所述待测目标金属线所在层的不同层、且经由通孔使所述待测目标金属线彼此串联连接的至少一条连接用金属线，

在进行金属电迁移测试时，所述连接用金属线的长度能够使所述待测目标金属线和所述连接用金属线串联而成的串联电路的电阻值发生跳变。

2.如权利要求1所述的金属电迁移测试结构，其特征在于，

所述金属电迁移测试在恒定温度和恒定电流条件下进行。

3.如权利要求1或2所述的金属电迁移测试结构，其特征在于，

所述连接用金属线位于所述待测目标金属线的相邻层。

4.如权利要求1或2所述的金属电迁移测试结构，其特征在于，

所述连接用金属线位于所述待测目标金属线的上一层和/或下一层。

5.如权利要求1或2所述的金属电迁移测试结构，其特征在于，

所述连接用金属线为两条以上。

6.如权利要求5所述的金属电迁移测试结构，其特征在于，

所述两条以上的所述连接用金属线中的一部分所述连接用金属线位于所述待测目标金属线的上一层，另一部分所述连接用金属线位于所述待测目标金属线的下一层。

7.如权利要求1或2所述的金属电迁移测试结构，其特征在于，

所述连接用金属线的长度小于等于100μm。

8.如权利要求1或2所述的金属电迁移测试结构，其特征在于，

所述待测目标金属线的宽度为1nm～100μm，和/或所述待测目标金属线的长度大于等于100μm。

9.如权利要求1或2所述的金属电迁移测试结构，其特征在于，

所述待测目标金属线的材料为铜或铝。

10.如权利要求1或2所述的金属电迁移测试结构，其特征在于，

所述连接用金属线的材料为铜或铝。

11.一种金属电迁移测试方法，其特征在于，包括：

利用与待测目标金属线位于不同层的连接用金属线，经由通孔将待测目标金属线彼此串联连接以构成串联电路；

设置所述连接用金属线的长度，以使得在进行金属电迁移测试时，所述串联电路的电阻值发生跳变；

基于测量得到的所述串联电路的电阻值变化情况生成金属电迁移失效时间分布。

12.如权利要求11所述的金属电迁移测试方法，其特征在于，包括：

记录所述电阻值发生跳变的时间；以及

基于所述电阻值发生跳变的时间生成所述金属电迁移失效时间分布。