CN110379725B - 电迁移测试结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电迁移测试结构及方法，利用多晶硅加热器产生热量以提供对测试金属线进行电迁移测试的温度，并利用一热量传导结构将所述多晶硅加热器产生的热量传导到所述测试金属线的周围，以对所述测试金属线均匀加热。与现有技术相比，由于所述热量传导结构能够高效传导所述多晶硅加热器产生的热量，且能够传导到所述测试金属线的周围，因此，所述测试金属线不同部位的受热温度均能够与目标加热温度一致。

Description

电迁移测试结构及方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种电迁移测试结构及方法。
背景技术
随着技术节点的进步，电迁移的可靠性评估变的越来越重要。通常的电迁移测试采用封装级的样品进行测试。具体的，首先将晶圆划片，切割芯片并封装，用炉子提供高温进行电迁移测试。封装级测试的优点是一次可以进行大量样品的测试，利用统计分析得到电迁移寿命，但这种方法的缺点是对的芯片的利用率低，切割封装过程可能会对测试结构产生影响，以及整个流程耗时较长。另外一种恒热电迁移的测试方法，可以直接在晶圆上测试，不需要切片封装，其通过在测试线上施加大电流，利用产生的焦耳热维持金属线的测试温度进行测试。恒热电迁移测试的优点是速度快，每颗样品一般几十秒到几分钟，芯片利用率高，可以对多个样品多个结构进行测试，但这种方法难以将测试条件的电迁移失效时间外推到工作条件，因为工作条件下的缓慢失效的机理与巨大焦耳热效应导致的失效可能大不相同。因此这种方法在实际测试中用的比较少。
后来又提出一种采用多晶硅器导线加热进行电迁移测试的方法。这种方法可以在晶圆上直接测试，不需要切片封装，同时可以避免测试金属线产生大量焦耳热。底层的多晶硅导线可以作为热源为上层的测试结构提供电迁移测试的温度。但在实际测试中，多晶硅加热器一般设置在最底层，由于层间介质的隔热效应及热量传递过程的耗散作用，实际测试金属线获得的温度与多晶硅加热器产生的温度并不相等，且测试金属线顶部和底部的受热温度也会存在明显差异，如此，便会使得电迁移测试结果出现偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电迁移测试结构及方法，以解决现有技术在进行电迁移测试时，很难提供目标测试温度且无法让测试金属线均匀受热的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种电迁移测试结构，包括：
测试金属线；
多晶硅加热器，用于通过产生热量以提供对所述测试金属线进行电迁移测试的温度；以及
热量传导结构，所述热量传导结构将所述多晶硅加热器所产生的热量传导到所述测试金属线的周围，以对所述测试金属线均匀加热。
可选的，在所述的电迁移测试结构中，所述热量传导结构包括一温度监测线，所述温度监测线与所述测试金属线平行设置，用于监测所述测试金属线的加热温度。
可选的，在所述的电迁移测试结构中，所述热量传导结构还包括：
第一金属层，位于所述测试金属线之下层；
第二金属层，位于所述测试金属线所在层；
第三金属层，位于所述测试金属线之上层；以及
多组第一通孔连线，分别用于所述多晶硅加热器、所述第一金属层、所述第二金属层和所述第三金属层的依次连接；
其中，所述第二金属层包括多条第一金属线，所有所述第一金属线平行于所述测试金属线呈间隔设置，且所有所述第一金属线之间互相间隔设置，其中，与所述测试金属线相邻的一条所述第一金属线被配置为所述温度监测线。
可选的，在所述的电迁移测试结构中，所述第二金属层还包括第二金属线，所述第二金属线围绕所述测试金属线以及所述温度监测线的四周呈间隔设置。
可选的，在所述的电迁移测试结构中，所述热量传导结构还包括：
一组第二通孔连线，用于将所述测试金属线两端连接到所述第三金属层。
可选的，在所述的电迁移测试结构中，每组所述第一通孔连线均以矩形阵列形式排布。
本发明还提供一种电迁移测试方法，包括：
对一多晶硅加热器施加电流，以使所述多晶硅加热器产生热量，并通过一热量传导结构将所述多晶硅加热器产生的热量传导到测试金属线的周围，以对所述测试金属线均匀加热；
监测测试金属线的加热温度，并将所述加热温度与目标温度进行比较；
若所述加热温度与目标温度不一致，则调整所述施加电流的大小，直至所述加热温度与目标温度一致；
若所述加热温度与目标温度一致，则对所述测试金属线执行电迁移测试。
可选的，在所述的电迁移测试方法中，所述电迁移测试方法通过一与所述测试金属线平行设置的温度监测线，监测所述测试金属线的加热温度。
可选的，在所述的电迁移测试方法中，监测测试金属线的加热温度的步骤包括：
量测所述温度监测线的阻值；
对量测得到的阻值进行电阻温度系数转化，以得到所述温度监测线的温度。
可选的，在所述的电迁移测试方法中，对所述测试金属线执行电迁移测试的步骤包括：
量测所述测试金属线的初始阻值；
对所述测试金属线施加电流应力；
再次量测所述测试金属线的阻值，并与所述初始阻值进行比较，以判断电阻变化是否超过失效标准；
若否，则再次施加电流应力。
在本发明提供的电迁移测试结构及方法中，利用多晶硅加热器产生热量以提供对测试金属线进行电迁移测试的温度，并利用一热量传导结构将所述多晶硅加热器产生的热量传导到所述测试金属线的周围，以对所述测试金属线均匀加热。与现有技术相比，由于所述热量传导结构能够高效传导所述多晶硅加热器产生的热量，且能够传导到所述测试金属线的周围，因此，所述测试金属线不同部位的受热温度均能与目标温度一致。
附图说明
图1为现有技术中多晶硅加热器对金属测试线的加热效果示意图；
图2为本发明实施例提供的电迁移测试结构的俯视图；
图3为图2中沿A-A线的截面示意图；
图4为图2中沿B-B线的截面示意图；
图5为本发明实施例提供的电迁移测试方法的优选方案的流程图。
具体实施方式
如背景技术所述，当采用多晶硅导线进行电迁移测试时，多晶硅加热器一般设置在最底层，由于层间介质的隔热效应及热量传递过程的耗散作用，实际测试金属线获得的温度与多晶硅加热器产生的温度并不相等，且测试金属线顶部和底部的受热温度也会存在明显差异。
例如，如图1所示，在现有技术中，当对多晶硅导线poly施加电流，以使多晶硅导线poly产生300℃的加热温度时，由于层间介质的隔热效应及热量传递的耗散作用，当到达金属测试线的底部时，加热温度可能减小到280℃，而当达到金属测试线的顶部时，加热温度可能进一步减小到275℃，尤其的，当测试金属线位于离所述多晶硅加热器poly更远的位置时，对于金属测试线而言，其实际加热温度可能更低，且顶部和底部加热温差更大。而一般的，当金属测试线的实际加热温度与目标加热温度相差不超过3℃时，才能保证电迁移测试结果的可靠度。
有鉴于此，本发明旨在提供一种电迁移测试结构及方法，通过有效传导多晶硅加热器产生的热量，且让金属测试线均匀受热，来提高电迁移测试结果的可靠度。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的电迁移测试结构及方法作进一步详细说明。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。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
请参考图2，并结合图3和图4，图1为本发明实施例提供的电迁移测试结构的俯视图，图3为图2中沿A-A线的截面示意图，图4为图2中沿B-B线的截面示意图，本发明实施例提供的电迁移测试结构包括：
测试金属线1；
多晶硅加热器2，用于通过产生热量以提供对所述测试金属线1进行电迁移测试的温度；以及
热量传导结构3，所述热量传导结构3将所述多晶硅加热器2所产生的热量传导到所述测试金属线1的周围，以对所述测试金属线1均匀加热。
在本发明实施例提供的电迁移测试结构中，由于所述热量传导结构3能够高效传导所述多晶硅加热器2产生的热量，且能够传导到所述测试金属线1的周围，因此，所述测试金属线1不同部位的受热温度均与所述多晶硅加热器2产生热量所能达到的温度一致。
以下对本发明实施例提供的电迁移测试结构进行详细描述。
优选的，所述热量传导结构3包括一温度监测线4，所述温度监测线4与所述测试金属线1平行设置，用于监测所述测试金属线1的加热温度。
在实际应用中，通过利用所述温度监测线4监测加热温度，可适应性地调整所述多晶硅加热器2的施加电流，例如，若目标加热温度为300℃，当向所述多晶硅加热器2施加初始电流，通过所述温度监测线4的温度还未达到300℃，则可按电流倍增因子逐步调节施加电流大小，直到所述温度监测线4的温度与目标温度一致。如此，当多晶硅加热器2的初始施加电流的设置存在一定误差，或者所述热量传导结构3对于热量的传导出现少许偏差时，也可通过测量温度监测线4的温度来对施加电流进行调整，从而使得金属测试线的实际加热温度与目标温度一致。
具体的，所述热量传导结构3可包括：第一金属层M1，位于所述测试金属线1之下层；第二金属层M2，位于所述测试金属线1所在层；第三金属层M3，位于所述测试金属线1之上层；多组第一通孔连线，分别用于所述多晶硅加热器2、所述第一金属层M1、所述第二金属层M2和所述第三金属层M3的依次连接，具体的，所述第一通孔连线包括通孔连线CT和通孔连线V1、V2，其中，通孔连线CT用于连接所述多晶硅加热器2和所述第一金属层M1，其材料可为钨；通孔连线V1用于连接所述一金属层M1和所述第二金属层M2，通孔连线V2用于连接所述第二金属层M2和所述第三金属层M3，其材料可为铜或铝。
通过所述第一金属层M1对所述测试金属线1的底部加热，通过所述第二金属层M2对所述测试金属线1的侧壁加热，通过所述第三金属层M3对所述测试金属线1的顶部加热。
其中，所述第二金属层M2可包括多条第一金属线21，所有所述第一金属线21平行于所述测试金属线线设置，且所有所述第一金属线21之间互相间隔设置，其中，优选的，与所述测试金属线相邻的一条第一金属线被配置为所述温度监测线4。对应的，本实施例优选每组所述第一通孔连线均以矩形阵列形式排布，以最大程度地保证所述热量传导结构3的导热效果。
具体如图4所示，所述第一金属层M1、位于所述第一金属层M1和所述第二金属层M2之间的通孔连线V1、位于所述二金属层M2和所述第三金属层M3之间的通孔连线V2、第二金属层M2以及第三金属层M3围绕所述测试金属线1形成一个近似闭环结构，且由于所述近似闭环结构的材料均为金属，因此可实现所述测金属线的均匀受热。
另外，请再次参考图2，所述第二金属层M2还可包括第二金属线12，所述第二金属线12围绕所述测试金属线1以及所述温度监测线4的四周呈间隔设置，所述第二金属线12一方面有助于所述测试金属线1的均匀受热，另一方面可用于所述测试金属线1电迁移完毕之后的散热。
本发明实施例中，位于测试金属线1上层和下层的金属层，仅列举出第三金属层M3、第一金属层M1，当在所述测试金属线1下仅设置第一金属层M1时，可最为有效的传导热量，但应理解，位于测试金属线1下层的金属层还可包括第四金属层、第五金属层等，同样的，位于测试金属线1上层的金属层还可包括第六金属层、第七金属层等。
另外，本发明实施例的所述电迁移测试结构还包括：一组第二通孔连线V3，其具体数量可为两条，用于将所述测试金属线1两端连接到所述第三金属层M3，所述第二通孔连线V3的材料也可为铜或铝。当所述第三金属层M3为顶部金属层时，可在所述顶部金属层上设置测试点，采用四端法来到所述测试金属线1进行电迁移测试。具体的，请再次参考图2并结合图3，将第一检测导线(包括电流端S1和电压端F1)以及第二检测导线(包括电流端S2和电压端F1)和第三金属层M3电连接，所述第一检测导线和所述第二检测导线通过所述金属层及与一组所述第二通孔连线V3与所述测试金属线1相连。
在半导体器件中，所述通孔连线CT、所述通孔连线V1、V2及V3均可设置于层间介质层中。
这里需要说明的是，当位于所述测试金属线1上的金属层为多层时，其电迁移测试方法一致，检测导线同样与顶层金属层相连接，只需各金属层之间通过通孔连线与所述测试金属线1导通即可。
此外，本发明实施例还提供一种电迁移测试方法，包括：
对一多晶硅加热器施加电流，以使所述多晶硅加热器产生热量，并通过一热量传导结构将所述多晶硅加热器产生的热量传导到测试金属线的周围，以对所述测试金属线均匀加热；
监测测试金属线的加热温度，并将所述加热温度与目标温度进行比较；
若所述加热温度与目标温度不一致，则调整所述施加电流的大小，直至所述加热温度与目标温度一致；
若所述加热温度与目标温度一致，则对所述测试金属线执行电迁移测试。
采用本实施例提供的所述电迁移测试方法，不仅能通过有效传导热量来提高电迁移测试的可靠度，还能够通过对测试金属线的加热温度进行量测，以及基于量测结果调整施加电流的大小，以此，当多晶硅加热器的初始施加电流的设置存在一定误差，或者所述热量传导结构对于热量的传导出现少许偏差时，也可保证金属测试线的实际加热温度与目标温度一致，故而可进一步提高电迁测试的可靠度。
优选的，在本发明实施例所述电迁移测试方法中，所述热量传导结构采用如本实施例前文部分的所述热量传导结构，其包括一温度监测线，所述温度监测线与所述测试金属线平行设置，所述电迁移测试方法通过所述测试金属线监测所述测试金属线的加热温度。对应的，监测测试金属线的加热温度的步骤可包括：量测所述温度监测线的阻值；对量测得到的阻值进行电阻温度系数转化，以得到所述温度监测线的温度。
另外，对所述测试金属线执行电迁移测试的步骤可包括：量测所述测试金属线的初始阻值；对所述测试金属线施加电流应力；再次量测所述测试金属线的阻值，并与所述初始阻值进行比较，以判断电阻变化是否超过失效标准；若否，则再次施加电流应力。
进一步的，所述测试金属线的阻值可采用前文所述的四端法测得，若通过电流端S1和电流S2施加的恒定电流为I，通过电压端F1测得电压为V1，通过电压端F2测得电压为V2，则所述测试金属线的阻值R为(V2-V1)/I。
对于本实施例的优选方案，其电迁移测试过程可如图5所示，具体如下：
步骤S11，对多晶硅器施加电流Ii；
步骤S12，量测温度监测线阻值Ri；
步骤S13，对Ri进行电阻温度系数转化以得到温度监测线温度Ti；
步骤S14，判断Ti是否等于目标加热温度Ttarget，若是，则执行步骤S15，若否，则再次执行步骤S11；
步骤S15，测量测试金属线初始阻值；
步骤S16，对测试金属线施加电流应力；
步骤S17，监测测试金属线电阻变化，判断电阻变化是否超过失效标准，若是，则结束，若否，则按电流倍增因子fcurrent逐步调节电流大小，并按调节后的电流执行步骤S16；
综上所述，采用本发明提供的电迁移测试结构及方法解决了现有技术在进行电迁移测试时，很难提供目标测试温度且无法让测试金属线均匀受热的问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种电迁移测试结构，其特征在于，包括：
测试金属线；
多晶硅加热器，用于通过产生热量以提供对所述测试金属线进行电迁移测试的温度；以及
热量传导结构，所述热量传导结构将所述多晶硅加热器所产生的热量传导到所述测试金属线的周围，以对所述测试金属线均匀加热；
所述热量传导结构包括：
一温度监测线，所述温度监测线与所述测试金属线平行设置，用于监测所述测试金属线的加热温度；
第一金属层，位于所述测试金属线之下层；
第二金属层，位于所述测试金属线所在层；
第三金属层，位于所述测试金属线之上层；以及
多组第一通孔连线，分别用于所述多晶硅加热器、所述第一金属层、所述第二金属层和所述第三金属层的依次连接；
其中，所述第二金属层包括多条第一金属线，所有所述第一金属线平行于所述测试金属线设置，且所有所述第一金属线之间互相间隔设置，其中，与所述测试金属线相邻的一条第一金属线被配置为所述温度监测线。
2.如权利要求1所述的电迁移测试结构，其特征在于，所述第二金属层还包括第二金属线，所述第二金属线围绕所述测试金属线以及所述温度监测线的四周呈间隔设置。
3.如权利要求1所述的电迁移测试结构，其特征在于，所述电迁移测试结构还包括：
一组第二通孔连线，用于将所述测试金属线两端连接到所述第三金属层。
4.如权利要求1所述的电迁移测试结构，其特征在于，每组所述第一通孔连线均以矩形阵列形式排布。
5.一种利用如权利要求1～4任一项所述的电迁移测试结构进行电迁移测试方法，其特征在于，包括：
对一多晶硅加热器施加电流，以使所述多晶硅加热器产生热量，并通过一热量传导结构将所述多晶硅加热器产生的热量传导到测试金属线的周围，以对所述测试金属线均匀加热；
监测测试金属线的加热温度，并将所述加热温度与目标温度进行比较；
若所述加热温度与目标温度不一致，则调整所述施加电流的大小，直至所述加热温度与目标温度一致；
若所述加热温度与目标温度一致，则对所述测试金属线执行电迁移测试。
6.如权利要求5所述的电迁移测试方法，其特征在于，所述电迁移测试方法通过一与所述测试金属线平行设置的温度监测线，监测所述测试金属线的加热温度。
7.如权利要求6所述的电迁移测试方法，其特征在于，监测测试金属线的加热温度的步骤包括：
量测所述温度监测线的阻值；
对量测得到的阻值进行电阻温度系数转化，以得到所述温度监测线的温度。
8.如权利要求5所述的电迁移测试方法，其特征在于，对所述测试金属线执行电迁移测试的步骤包括：
量测所述测试金属线的初始阻值；
对所述测试金属线施加电流应力；
再次量测所述测试金属线的阻值，并与所述初始阻值进行比较，以判断电阻变化是否超过失效标准；
若否，则再次施加电流应力。
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