CN110617894B - 一种集成电路中金属线温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成电路中金属线温度测量方法，包括如下步骤：构建测量结构；其中，测量结构包括待测金属线，一端与待测金属线连接的掺杂鳍，以及与远离待测金属线的掺杂鳍另一端连接的参考金属线；测量参考金属线的电阻值，并根据电阻值计算参考金属线的温度值；测量待测金属线和掺杂鳍连接处，与参考金属线之间的电压差值；获取掺杂鳍对应的塞贝克系数，并根据电压差值，采用塞贝克公式计算待测金属线和掺杂鳍连接处，与参考金属线之间的温度差值；根据参考金属线的温度值，以及待测金属线和掺杂鳍连接处，与参考金属线之间的温度差值，计算得到待测金属线的温度值，从而解决了无法测量集成电路中带有via(通孔)结构的金属线温度的问题。

Description

一种集成电路中金属线温度测量方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种集成电路中金属线温度测量方法。

背景技术

因为金属的电阻率随着温度的升高呈线性上升，所以目前，在集成电路领域，大多通过四端法测量金属线的电阻，再得到金属线对应的TCR(电阻温度系数)，就可以获得金属线的温度；但是，如果采用四端法测量带有via(通孔)结构的金属线，则无法准确得到金属线对应的电阻率，具体地，因为via的引入，使得采用四端法在相应两探针间施加电流时，导致电流分离，同时，金属线的温度也无法固定，进而无法获得金属线的温度。

发明内容

为了克服无法直接通过四端法测量带有via结构的金属线的电阻，从而导致无法获得金属线温度的技术问题，本发明提供一种集成电路中金属线温度测量方法。

本发明所述的集成电路中金属线温度测量方法，包括如下步骤：

构建测量结构；其中，测量结构包括待测金属线，一端与待测金属线连接的掺杂鳍，以及与远离待测金属线的掺杂鳍另一端连接的参考金属线；其中，待测金属线为具有via结构的待测金属线；

测量参考金属线的电阻值，并根据电阻值计算参考金属线的温度值；

测量待测金属线和掺杂鳍连接处，掺杂鳍和参考金属线连接处之间的电压差值；

获取掺杂鳍对应的塞贝克系数，并根据电压差值，采用塞贝克公式计算待测金属线和掺杂鳍连接处，掺杂鳍和参考金属线连接处之间的温度差值；

根据参考金属线的温度值，以及待测金属线和掺杂鳍连接处，掺杂鳍和参考金属线连接处之间的温度差值，计算得到待测金属线的温度值。

优选地，掺杂鳍的一端通过via，与待测金属线连接。

优选地，掺杂鳍的另一端通过via，与参考金属线连接。

优选地，采用四端法测量参考金属线电阻值，其步骤包括：

在参考金属线的一端面上选取具有一定间距的第一端点和第二端点，并在第一端点处设置第一金属探针和第二金属探针，在第二端点处设置第三金属探针和第四金属探针；

通过第一金属探针和第四金属探针，在第一端点和第二端点之间施加电流I₁₂；

测量第二金属探针和第三金属探针之间的电压差值ΔV₁₂，并通过电流I₁₂和电压差值ΔV₁₂，计算第一端点和第二端点之间的电阻值R₁₂，计算公式如下：

优选地，根据电阻值获得参考金属线温度值的步骤包括：

测量温度值为T₂时，第一端点和第二端点之间的电阻值R₂；

重复上述操作n次，通过若干组温度值和与之对应的电阻值，计算参考金属线对应的TCR，计算公式如下：

R_N＝R₂(1+TCR·ΔT₁)，

其中，ΔT₁＝T_N-T₂，N＝3,4,5,6……n，n+1；

根据求得的TCR计算电阻值为R₁₂时，参考金属线对应的温度值T₁。

优选地，待测金属线和掺杂鳍连接处，掺杂鳍和参考金属线连接处之间温度差值的计算公式如下：

其中，ΔT₂为待测金属线和掺杂鳍连接处，掺杂鳍和参考金属线连接处之间的温度差值，ΔV为待测金属线和掺杂鳍连接处，掺杂鳍和参考金属线连接处之间的电压差值，a为掺杂鳍对应的塞贝克系数。

优选地，待测金属线温度值的计算公式如下：

T_M＝T₁+ΔT₂，

其中，T_M为待测金属线的温度值。

优选地，掺杂鳍为N型掺杂或P型掺杂。

优选地，掺杂鳍的掺杂浓度值等于掺杂鳍对应的赛贝克系数最大时的相应掺杂浓度值。

优选地，via的制备材料为钨，参考金属线为铜线或铝线。

综上所述，本发明所述的测量结构中，掺杂鳍一端与待测金属线连接，而与待测金属线连接的掺杂鳍对应的部分结构，和待测金属线的温度相同；同时，参考金属线通过via连接至远离待测金属线的掺杂鳍的一端，因为via具有良好的导热性能，相应地，参考金属线和与之连接的掺杂鳍一端的温度相同；掺杂鳍两端存在温度差，由于塞贝克效应，导致掺杂鳍两端存在一定的电压差，测量出掺杂鳍两端的电压差，从而能够得到掺杂鳍两端的具体温度差值；再根据四端法求得参考金属线的温度值，即可获得带有via结构的待测金属线的温度值，从而能够解决无法测量集成电路中带有via结构的金属线温度的问题。

附图说明

图1是本发明中测量方法的流程图；

图2是采用四端法测量待测金属线电阻值的结构示意图；

图3是采用四端法测量带有via结构的待测金属线电阻值的结构简化示意图；

图4是本发明中测量结构示意图。

其中，1为待测金属线，2为掺杂鳍，3为参考金属线，4为第一金属探针，5为第二金属探针，6为第三金属探针，7为第四金属探针，8为via。

具体实施方式

下面结合附图说明根据本发明的具体实施方式。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

如图2所示，为现有技术中采用四端法测量金属线电阻值的结构示意图，具体测量过程为：通过第一金属探针和第四金属探针，向金属线施加一定的电流，并测量第二金属探针和第三金属探针之间的电压差值，根据电流值和电压差值，可获得金属线的电阻值，再获得金属线对应的TCR，既可获得金属线对应的温度值。

但是，如图3所示，为采用四端法测量带有via结构的金属线电阻值的结构简化示意图，若直接通过第一金属探针和第四金属探针，向带有via结构的金属线施加一定的电流，则电流流经via结构时会存在分流，则无法通过四端法测量集成电路后半段金属线的电阻，从而无法获得金属线对应的温度值。

而本发明所述的集成电路中金属线温度测量方法，其主要应用环境为基于已有的集成电路工艺，测量集成电路后段金属线的温度，当然，也可应用该方法测量集成电路中其他部分金属线的温度，主要操作步骤为：将掺杂鳍作为温度传感器；掺杂鳍一端和待测金属线连接处的温度，等于待测金属线的温度；测得掺杂鳍另一端的温度，以及掺杂鳍两端的电压差，再根据塞贝克公式计算掺杂鳍两端的温差，二者相加就可以得到待测金属线的温度值，从而解决无法测量集成电路中带有via结构的金属线温度的问题。

具体如下：

本发明所述的集成电路中金属线温度测量方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、构建测量结构；其中，如图4所示，测量结构包括待测金属线1，一端与待测金属线1连接的掺杂鳍2，以及与远离待测金属线1的掺杂鳍2另一端连接的参考金属线3；其中，待测金属线1为具有via结构的待测金属线；

需要说明的是，掺杂鳍2为FinFET晶体管自身结构中的鳍。

本实施例中，掺杂鳍2的一端通过via8，与待测金属线1连接；其中，via8的制备材料为钨，参考金属线3为铜线或铝线；因为via8具有良好的热传导性能，故与待测金属线1连接的掺杂鳍2的部分结构，和待测金属线1的温度相同；而且，掺杂鳍2的另一端通过via8，与参考金属线3连接，同理，参考金属线3的温度与掺杂鳍2另一端的温度相同。

本实施例中，掺杂鳍2为N型掺杂或P型掺杂；进一步地，掺杂鳍2的掺杂浓度值等于掺杂鳍2对应的赛贝克系数最大时的相应掺杂浓度值，其具体数值在此不做限定，可根据具体工况设置。

在其他可选实施例中，via8的制备材料还可为钴、钽等满足工作要求的任一种现有材料，参考金属线3还可以是由铜和铝的合金制成的金属线。

进一步地，待测金属线1和掺杂鳍2连接处，与参考金属线3的间距为同一芯片中晶体管沟道长度的若干倍，其具体倍数可根据实际工况选取，在测量待测金属线1和掺杂鳍2连接处，与参考温度线3之间的温差值时，二者之间的间距会影响测量的精度，将二者之间的间距设置为同一芯片中晶体管沟道长度的若干倍，能够进一步保证待测金属线1温度值的测量精度。

S2、测量参考金属线3的电阻值，并根据电阻值计算参考金属线3的温度值；

其中，采用四端法测量参考金属线3电阻值，其步骤包括：

S21、在参考金属线3的一端面上选取具有一定间距的第一端点和第二端点，并在第一端点处设置第一金属探针4和第二金属探针5，在第二端点处设置第三金属探针6和第四金属探针7；

其中，进一步地，第一端点和第二端点的间距，二者间距的设置，应使得二者之间的电阻足够大为宜，具体地，一般使得二者之间的电阻为几百欧姆。

S22、通过第一金属探针4和第四金属探针7，在第一端点和第二端点之间施加电流I₁₂；

本实施例中，电流I₁₂应为一个适当的值，具体地，若电流值太小，难以检测第一端点和第二端点之间的电压差，影响测量精度；若电流值太大，参考金属线3会自热，导致测量得到的参考金属线3的温度偏高，最终导致金属栅1温度测量结果不准确；测量时电流I₁₂大小可结合实际工况设置。

S23、测量第二金属探针5和第三金属探针6之间的电压差值ΔV₁₂，并通过电流I₁₂和电压差值ΔV₁₂，计算第一端点和第二端点之间的电阻值R₁₂，计算公式如下：

进一步地，根据电阻值R₁₂获得参考金属线3温度值的步骤包括：

S24、测量温度值为T₂时，第一端点和第二端点之间的电阻值R₂；

S25、重复上述操作n次，通过若干组温度值和与之对应的电阻值，计算参考金属线3对应的TCR，计算公式如下：

R_N＝R₂(1+TCR·ΔT₁)，

其中，ΔT₁＝T_N-T₂，N＝3,4,5,6……n，n+1；n值大小可以根据实际工况选取，在此不作限定。

S26、根据求得的TCR计算电阻值为R₁₂时，参考金属线3对应的温度值T₁。

本实施例中，计算参考金属线3对应温度值T₁的具体步骤为：将电阻值R₁₂、R₂，温度值T₂，以及计算得到的TCR，带入如下公式即可求出T₁值。

R₁₂＝R₂(1+TCR·ΔT₁)；

其中，ΔT₁＝T₁-T₂。

需要说明的是，上述是将温度值R2和对应温度下第一端点和第二端点之间的电阻值R₂带入上述计算公式，还可将测量得到的任一组温度值和与之对应的电阻值带入上述公式计算。

S3、测量待测金属线1和掺杂鳍2连接处，掺杂鳍2和参考金属线3连接处之间的电压差值；

S4、获取掺杂鳍2对应的塞贝克系数，并根据电压差值，采用塞贝克公式计算待测金属线1和掺杂鳍2连接处，掺杂鳍2和参考金属线3连接处之间的温度差值；

本实施例中，待测金属线1和掺杂鳍2连接处，掺杂鳍2和参考金属线3连接处之间温度差值的计算公式如下：

其中，ΔT₂为待测金属线1和掺杂鳍2连接处，掺杂鳍2和参考金属线3连接处之间的温度差值，ΔV为待测金属线1和掺杂鳍2连接处，掺杂鳍2和参考金属线3连接处之间的电压差值，a为掺杂鳍2对应的塞贝克系数。

进一步地，掺杂鳍2对应的塞贝克系数a，与其掺杂浓度相关，在测量金属线1的温度前，可利用塞贝克公式预先计算出一定掺杂浓度下掺杂鳍2对应的塞贝克系数a；具体步骤为：采用电流源测量掺杂鳍2的电阻值，根据此电阻值获取掺杂鳍2对应的温度值(方法与将参考金属线3的电阻值转化为参考金属线3对应的温度值相同，在此不再赘述)，在相应温度值下测量掺杂鳍2的电压值，再采用塞贝克公式即可求出掺杂鳍2对应的塞贝克系数a。

需要说明的是如何获取掺杂鳍2对应的塞贝克系数a并非本发明的发明点，因此在本说明书中，只对其进行简单介绍，以便本领域普通技术人员能够容易地实施本发明。

S5、根据参考金属线3的温度值，以及待测金属线1和掺杂鳍2连接处，掺杂鳍2和参考金属线3连接处之间的温度差值，计算得到待测金属线1的温度值。

本实施例中，待测金属线1温度值的计算公式如下：

T_M＝T₁+ΔT₂，

其中，T_M为待测金属线1的温度值。

综上所述，本发明所述的测量结构中，掺杂鳍2一端与待测金属线1连接，而与待测金属线1连接的掺杂鳍2对应的部分结构，和待测金属线1的温度相同；同时，参考金属线3通过via8连接至远离待测金属线1的掺杂鳍2的一端，因为via8具有良好的导热性能，相应地，参考金属线3和与之连接的掺杂鳍2一端的温度相同；掺杂鳍2两端存在温度差，由于塞贝克效应，导致掺杂鳍2两端存在一定的电压差，测量出掺杂鳍2两端的电压差，从而能够得到掺杂鳍2两端的具体温度差值；再根据四端法求得参考金属线3的温度值，即可获得带有via8结构的待测金属线1的温度值，从而能够解决无法测量集成电路中带有via8结构的金属线温度的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成电路中金属线温度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

构建测量结构；其中，所述测量结构包括待测金属线，一端与所述待测金属线连接的掺杂鳍，以及与远离所述待测金属线的所述掺杂鳍另一端连接的参考金属线；其中，所述待测金属线为具有via结构的待测金属线；

测量所述参考金属线的电阻值，并根据所述电阻值计算所述参考金属线的温度值；

测量所述待测金属线和所述掺杂鳍连接处，所述掺杂鳍和所述参考金属线连接处之间的电压差值；

获取所述掺杂鳍对应的塞贝克系数，并根据所述电压差值，采用塞贝克公式计算所述待测金属线和所述掺杂鳍连接处，所述掺杂鳍和所述参考金属线连接处之间的温度差值；

根据所述参考金属线的温度值，以及所述待测金属线和所述掺杂鳍连接处，所述掺杂鳍和所述参考金属线连接处之间的温度差值，计算得到所述待测金属线的温度值。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述掺杂鳍的一端通过via，与所述待测金属线连接。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述掺杂鳍的另一端通过via，与所述参考金属线连接。

4.根据权利要求3所述的测量方法，采用四端法测量所述参考金属线电阻值，其步骤包括：

在所述参考金属线的一端面上选取具有一定间距的第一端点和第二端点，并在所述第一端点处设置第一金属探针和第二金属探针，在所述第二端点处设置第三金属探针和第四金属探针；

通过所述第一金属探针和第四金属探针，在所述第一端点和第二端点之间施加电流I₁₂；

测量所述第二金属探针和第三金属探针之间的电压差值ΔV₁₂，并通过所述电流I₁₂和电压差值ΔV₁₂，计算所述第一端点和第二端点之间的电阻值R₁₂，计算公式如下：

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，根据所述电阻值获得所述参考金属线温度值的步骤包括：

测量温度值为T₂时，所述第一端点和第二端点之间的电阻值R₂；

重复上述操作n次，通过若干组温度值和与之对应的电阻值，计算所述参考金属线对应的TCR，计算公式如下：

R_N＝R₂(1+TCR·ΔT₁)，

其中，ΔT₁＝T_N-T₂，N＝3，4，5，6……n，n+1；

根据求得的TCR计算电阻值为R₁₂时，所述参考金属线对应的温度值T₁。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述待测金属线和所述掺杂鳍连接处，所述掺杂鳍和所述参考金属线连接处之间温度差值的计算公式如下：

其中，ΔT₂为所述待测金属线和所述掺杂鳍连接处，所述掺杂鳍和所述参考金属线连接处之间的温度差值，ΔV为所述待测金属线和所述掺杂鳍连接处，所述掺杂鳍和所述参考金属线连接处之间的电压差值，a为所述掺杂鳍对应的塞贝克系数。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述待测金属线温度值的计算公式如下：

T_M＝T₁+ΔT₂，

其中，T_M为所述待测金属线的温度值。

8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述掺杂鳍为N型掺杂或P型掺杂。

9.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述掺杂鳍的掺杂浓度值等于所述掺杂鳍对应的赛贝克系数最大时的相应掺杂浓度值。

10.根据权利要求2或3所述的测量方法，其特征在于，所述via的制备材料为钨，所述参考金属线为铜线或铝线。

Images