CN113097092B - 应力迁移测试结构和应力迁移测试方法 - Google Patents

应力迁移测试结构和应力迁移测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种应力迁移测试结构和应力迁移测试方法。该应力迁移测试结构中，第一应力迁移测试结构包括：第n+1层金属层，具有一个第一金属部；第n层金属层，具有多个相互隔离的第二金属部，各第二金属部通过第n层通孔与第一金属部物理连接；第n+1层参考结构，与第n+1层金属层相邻，第一金属部和第n层参考结构的两端均设置有测试信号接入点；第二应力迁移测试结构包括第m+1层金属层，具有多个相互隔离的第三金属部，第m层金属层，具有一个第四金属部，各第四金属部通过第m层通孔与第三金属部物理连接；第m层参考结构，与第m层金属层相邻，第四金属部和第m层参考结构的两端均设置有测试信号接入点，实现了准确测定SM效应。

Description

应力迁移测试结构和应力迁移测试方法
技术领域
本发明涉及应力迁移测试技术领域，具体而言，涉及一种应力迁移测试结构和应力迁移测试方法。
背景技术
应力迁移(SM：Stress Migration)是半导体工艺中评价金属互连层可靠性的重要测试项目之一。其中，所述金属互连层包括：多根金属互连线及连接所述金属互连线的通孔。应力迁移是在一定温度下，由于各种材料热膨胀系数不同在材料间形成应力，从而使金属互连线或者通孔中晶粒间的小空隙向应力集中的地方聚集形成空洞的物理现象。应力迁移形成的空洞到达一定程度就导致金属互连层断路。如图1所示，由于应力迁移而产生的空洞10’，从而使得金属互连结构11’发生了断路问题。
应力迁移测试能够检测半导体工艺的可靠性，并进而判断所形成的金属互连层的可靠性。具体进行应力迁移测试时，首先形成一应力迁移测试结构，对所述应力迁移测试结构执行高温烘烤，通过应力迁移测试结构的阻值变化评价应力迁移状况。通常的，在烘烤前、烘烤了168小时、500小时及1000小时的时候，测试所述应力迁移测试结构的阻值变化，当阻值变化大于等于20％时(相对于烘烤前的阻值而言)，即可认为本次半导体工艺中的应力迁移比较严重，将影响所形成的金属互连层的可靠性。
目前常规的SM测试结构如图2所示，通过第n层金属互连层1、第n+1层金属互连层1以及两层互连结构之间的通孔30形成串联结构，通过检测该结构的在高温烘烤下的电阻变化来评估SM效应。这种测试结构会将第n层金属互连层1和通孔30的SM效应以及第n+1层互连金属结构和通孔30的SM效应混杂在一起，当发生SM效应时必须借助失效分析手段可以定位出失效位置。另外，金属比如铜、铝在应力测试的高温烘烤过程中会有晶粒再生长的过程，导致金属互连层1本身的电阻变化，这会与SM效应带来的电阻变化混淆，影响判断。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种应力迁移测试结构和应力迁移测试方法，以解决现有技术中的SM测试结构无法准确测定SM效应的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种应力迁移测试结构，该应力迁移测试结构包括一个或多个第n+1层金属互连层的第一应力迁移测试结构和/或一个或多个第m层金属层的第二应力迁移测试结构，其中，第一应力迁移测试结构包括：第n+1层金属层，第n+1层金属层中具有一个第一金属部，第一金属部的两端均设置有测试信号接入点；第n层金属层，第n层金属层具有多个相互隔离的第二金属部，各第二金属部通过第n层通孔与第一金属部物理连接；第n+1层参考结构，与第n+1层金属层相邻，第n层参考结构的两端均设置有测试信号接入点，n为大于或等于1的整数；第二应力迁移测试结构包括：第m+1层金属层，第m+1层金属层具有多个相互隔离的第三金属部，第m层金属层，第m层金属层中具有一个第四金属部，各第四金属部通过第m层通孔与第三金属部物理连接，第四金属部的两端均设置有测试信号接入点；第m层参考结构，与第m层金属层相邻，第m层参考结构的两端均设置有测试信号接入点，m≠n，且m为大于或等于1的整数。
进一步地，上述金属层、参考结构和通孔的材料均为铜。
进一步地，上述第n+1层参考结构和第一金属部的结构和尺寸均相同，第m层参考结构和第四金属部的结构和尺寸均相同。
进一步地，上述第一金属部和第四金属部的长度为0.1～10000μm，宽度为0.02～50μm。
进一步地，上述1≤n≤10，1≤m≤10。
进一步地，上述应力迁移测试结构中的通孔总数量在1～10000之间。
根据本发明的另一方面，提供了一种应力迁移测试方法，采用应力迁移测试结构来进行测试，该应力迁移测试结构为上述任一种的应力迁移测试结构。
进一步地，上述应力迁移测试方法包括第n+1层金属互连层的应力迁移导致的电阻变化的第一测试过程，第一测试过程包括：检测第一应力迁移测试结构中加热前后第n+1层金属层的电阻值，分别记为R前1和R后1；检测第n+1层参考结构中加热前后电阻值，记为R前2和R后2；通过公式RSM＝[(R后1–R前1)–(R后2–R前2)]/R前1计算得到因应力迁移导致的电阻变化。
进一步地，上述应力迁移测试方法还包括第m层金属互连层的应力迁移导致的电阻变化的第二测试过程，第二测试过程包括：检测第二应力迁移测试结构中加热前后第m层金属层的电阻值，分别记为R前1和R后1；检测第m层参考结构中加热前后电阻值，记为R前2和R后2；通过公式RSM＝[(R后1–R前1)–(R后2–R前2)]/R前1计算得到因应力迁移导致的电阻变化。
进一步地，上述加热的温度为100～250℃。
应用本发明的技术方案，利用本申请的应力迁移测试结构对半导体器件中的金属互连层的任意一个待测金属互联线进行模拟，进而可以对金属互连层中任意一个金属互连线的应力迁移进行测试，且利用该应力迁移测试结构可以排除因金属晶粒长大导致的电阻变化的干扰。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据应力迁移效应导致的短路结构示意图；
图2示出了现有技术中一种典型的应力迁移效应测试结构的剖面结构示意图；
图3示出了根据本发明的一种实施例示出的应力迁移效应测试结构的部分剖面结构示意图；
图4示出了图3所示的应力迁移效应测试结构的俯视图；
图5示出了根据本发明的另一种实施例示出的应力迁移效应测试结构的另一部分剖面结构示意图；
图6示出了图5所示的应力迁移效应测试结构的俯视图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10’、空洞；11’、金属互连结构；1、金属互连层；
10、第一金属部；20、第二金属部；30、通孔；40、第三金属部；50、第四金属部；60、测试信号接入点；70、参考结构。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如本申请背景技术所分析的，现有技术金属(比如铜、铝)在应力测试的高温烘烤过程中会有晶粒再生长的过程，导致金属互连层本身的电阻变化，具体地为随着晶粒长大，电阻值减小，这会导致SM效应带来的电阻变化减小，影响正确的判断。为了解决该问题，本申请提供了一种应力迁移测试结构和应力迁移测试方法。
在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种应力迁移测试结构，如图3至6所示，该应力迁移测试结构包括一个或多个第n+1层金属互连层的第一应力迁移测试结构和/或一个或多个第m层金属层的第二应力迁移测试结构，其中，第一应力迁移测试结构包括第n+1层金属层、第n层金属层和第n+1层参考结构70，第n+1层金属层中具有一个第一金属部10，第一金属部10的两端均设置有测试信号接入点60；第n层金属层具有多个相互隔离的第二金属部20，各第二金属部20通过第n层通孔30与第一金属部10物理连接；第n+1层参考结构70与第n+1层金属层相邻，第n+1层参考结构70的两端均设置有测试信号接入点60，n为大于或等于1的整数；第二应力迁移测试结构包括第m+1层金属层、第m层金属层和第m层参考结构70，第m+1层金属层具有多个相互隔离的第三金属部40，第m层金属层中具有一个第四金属部50，各第四金属部50通过第m层通孔30与第三金属部40物理连接，第四金属部50的两端均设置有测试信号接入点60；第m层参考结构70与第m层金属层相邻，第m层参考结构70的两端均设置有测试信号接入点60，m≠n，且m为大于或等于1的整数。
本申请在对各与通孔30连接的第一金属部10或第四金属部50的两端均设置有测试信号接入点60，即对各第n+1层金属层或第m层金属层进行分别测试。
以图3和4为例，测试时，由于第n层金属层中的金属部相互电性隔离，因此当在各金属部的两端均设置测试信号接入点60时，不会与第n+1层金属层形成回路，进而测试时如果存在SM效应那仅可能是该第n+1层金属层与通孔30之间的SM效应引起的，进而实现了对SM效应位置的定位；而且，由于在应力迁移测试结构中还设置了第n+1层参考结构70，那么可以单独通过对该第n+1层参考结构70的电阻变化进行测试以得到因为金属晶粒长大导致的电阻变化。第n+1层金属层的测试结果中排除第n+1层参考结构70的测试结果，即可得到第n+1层金属层准确的SM效应结果。
以图5和6为例，测试时，由于第m+1层金属层中的金属部相互电性隔离，因此当在各金属部的两端均设置测试信号接入点60时，不会与第m层金属层形成回路，进而测试时如果存在SM效应那仅可能是该第m层金属层与通孔30之间的SM效应引起的，进而实现了对SM效应位置的定位；而且，由于在应力迁移测试结构中还设置了第m+1层参考结构70，那么可以单独通过对该第m层参考结构70的电阻变化进行测试以得到因为金属晶粒长大导致的电阻变化。第m层金属层的测试结果中排除第m层参考结构70的测试结果，即可得到第m层金属层准确的SM效应结果。
可见，利用本申请的应力迁移测试结构对半导体器件中的金属互连层的任意一个待测金属互联线进行模拟，进而可以对金属互连层中任意一个金属互连线的应力迁移进行测试，且利用该应力迁移测试结构可以排除因金属晶粒长大导致的电阻变化的干扰。
本申请形式上述金属层、参考结构70和通孔30的材料均可采用目前金属互连常用的导电材料，比如金属层、参考结构70和通孔30的材料均为铜。进一步地，为了避免测试信号接入点60与测试对象之间的应力迁移效应，优选各测试信号接入点60的材料与金属层、参考结构70和通孔30的材料相同。在本申请一些实施例中，为了更准确地模拟金属层中金属晶粒长大导致的电阻变化，优选上述第n+1层参考结构70和第一金属部10的结构和尺寸均相同，第m层参考结构70和第四金属部50的结构和尺寸均相同。优选地，第一金属部10和第四金属部50的长度为0.1～10000μm，宽度为0.02～50μm。
在本申请，上述金属层的数量可以以所测试对象的需要来设置，本申请选择1≤n≤10，1≤m≤10。常规的上述应力迁移测试结构中的通孔总数量在1～10000之间。
如本领域常规的金属层的常规设置方式，上述金属层通过介质层隔离，参考结构70通过介质层隔离。为了进一步提高各层之间的电连接和电性隔离的可靠性，优选上述金属层和介质层之间设置有扩散阻挡层，参考结构70与介质层之间设置扩散阻挡层。为了降低测试结构整体的应力迁移效应，优选上述扩散阻挡层为氮化硅层。
本申请上述应力迁移测试结构的制作工艺可以参考半导体器件中金属互连层的制作工艺，其中在制作参考结构70时不需要设置通孔30结构，其他具体过程在此不再赘述。
在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种应力迁移测试方法，采用应力迁移测试结构来进行测试，该应力迁移测试结构为上述任一种的应力迁移测试结构。
本申请在对各与通孔30连接的第一金属部10或第四金属部50的两端均设置有测试信号接入点60，即对各第n+1层金属层或第m层金属层进行分别测试。
以图3和4为例，测试时，由于第n层金属层中的金属部相互电性隔离，因此当在各金属部的两端均设置测试信号接入点60时，不会与第n+1层金属层形成回路，进而测试时如果存在SM效应那仅可能是该第n+1层金属层与通孔30之间的SM效应引起的，进而实现了对SM效应位置的定位；而且，由于在应力迁移测试结构中还设置了第n+1层参考结构70，那么可以单独通过对该第n+1层参考结构70的电阻变化进行测试以得到因为金属晶粒长大导致的电阻变化。第n+1层金属层的测试结果中排除第n+1层参考结构70的测试结果，即可得到第n+1层金属层准确的SM效应结果。
以图5和6为例，测试时，由于第m+1层金属层中的金属部相互电性隔离，因此当在各金属部的两端均设置测试信号接入点60时，不会与第m层金属层形成回路，进而测试时如果存在SM效应那仅可能是该第m层金属层与通孔30之间的SM效应引起的，进而实现了对SM效应位置的定位；而且，由于在应力迁移测试结构中还设置了第m层参考结构70，那么可以单独通过对该第m层参考结构70的电阻变化进行测试以得到因为金属晶粒长大导致的电阻变化。第m层金属层的测试结果中排除第m层参考结构70的测试结果，即可得到第m层金属层准确的SM效应结果。
为了便于本领域技术人员利用本申请的应力迁移测试方法得到更为准确的测试结果，优选提供以下应力迁移测试方法，其包括第n+1层金属互连层的应力迁移导致的电阻变化的第一测试过程，第一测试过程包括：检测第一应力迁移测试结构中加热前后第n+1层金属层的电阻值，分别记为R前1和R后1；检测第n+1层参考结构70中加热前后电阻值，记为R前2和R后2；通过公式RSM＝[(R后1–R前1)–(R后2–R前2)]/R前1计算得到因应力迁移导致的电阻变化。利用该步骤，有效准确地将第n+1层金属互连层中金属晶粒长大导致的电阻减小的影响去除。
进一步地，上述应力迁移测试方法还包括第m层金属互连层的应力迁移导致的电阻变化的第二测试过程，该第二测试过程包括：检测第二应力迁移测试结构中加热前后第m层金属层的电阻值，分别记为R前1和R后1；检测第m层参考结构70中加热前后电阻值，记为R前2和R后2；通过公式RSM＝[(R后1–R前1)–(R后2–R前2)]/R前1计算得到因应力迁移导致的电阻变化。利用该步骤，有效准确地将第m层金属互连层中金属晶粒长大导致的电阻减小的影响去除。
本申请的上述测试方法中，为了实现更为可靠的测试，优选上述加热的温度为100～250℃。
本申请的应力迁移测试结构适用于Kelvin四端法，在进行应力迁移测试时，可以按照Kelvin四端法的常规操作规程进行操作即可，在此不再赘述。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
可见，利用本申请的应力迁移测试结构对半导体器件中的金属互连层的任意一个待测金属互联线进行模拟，进而可以对金属互连层中任意一个金属互连线的应力迁移进行测试，且利用该应力迁移测试结构可以排除因金属晶粒长大导致的电阻变化的干扰。
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)

1.一种应力迁移测试结构，其特征在于，所述应力迁移测试结构包括一个或多个第n+1层金属互连层的第一应力迁移测试结构和/或一个或多个第m层金属层的第二应力迁移测试结构，其中，
所述第一应力迁移测试结构包括：
第n+1层金属层，第n+1层金属层中具有一个第一金属部，所述第一金属部的两端均设置有测试信号接入点；
第n层金属层，所述第n层金属层具有多个相互隔离的第二金属部，各所述第二金属部通过第n层通孔与所述第一金属部物理连接；
第n+1层参考结构，与所述第n+1层金属层相邻，所述第n层参考结构的两端均设置有测试信号接入点，n为大于或等于1的整数；
所述第二应力迁移测试结构包括：
第m+1层金属层，所述第m+1层金属层具有多个相互隔离的第三金属部，
第m层金属层，所述第m层金属层中具有一个第四金属部，各所述第四金属部通过第m层通孔与所述第三金属部物理连接，所述第四金属部的两端均设置有测试信号接入点；
第m层参考结构，与所述第m层金属层相邻，所述第m层参考结构的两端均设置有测试信号接入点，m≠n，且m为大于或等于1的整数。
2.根据权利要求1所述的应力迁移测试结构，其特征在于，所述金属层、所述参考结构和所述通孔的材料均为铜。
3.根据权利要求1所述的应力迁移测试结构，其特征在于，所述第n+1层参考结构和所述第一金属部的结构和尺寸均相同，所述第m层参考结构和所述第四金属部的结构和尺寸均相同。
4.根据权利要求1或3所述的应力迁移测试结构，其特征在于，所述第一金属部和所述第四金属部的长度为0.1～10000μm，宽度为0.02～50μm。
5.根据权利要求1所述的应力迁移测试结构，其特征在于，1≤n≤10，1≤m≤10。
6.根据权利要求1所述的应力迁移测试结构，其特征在于，所述应力迁移测试结构中的通孔总数量在1～10000之间。
7.一种应力迁移测试方法，采用应力迁移测试结构来进行测试，其特征在于，所述应力迁移测试结构为权利要求1至6中任一项所述的应力迁移测试结构。
8.根据权利要求7所述的应力迁移测试方法，其特征在于，所述应力迁移测试方法包括第n+1层金属互连层的应力迁移导致的电阻变化的第一测试过程，所述第一测试过程包括：
检测第一应力迁移测试结构中加热前后第n+1层金属层的电阻值，分别记为R前1和R后1；
检测第n+1层参考结构中加热前后电阻值，记为R前2和R后2；
通过公式RSM＝[(R后1–R前1)–(R后2–R前2)]/R前1计算得到因应力迁移导致的电阻变化。
9.根据权利要求7所述的应力迁移测试方法，其特征在于，所述应力迁移测试方法还包括第m层金属互连层的应力迁移导致的电阻变化的第二测试过程，所述第二测试过程包括：
检测第二应力迁移测试结构中加热前后第m层金属层的电阻值，分别记为R前1和R后1；
检测第m层参考结构中加热前后电阻值，记为R前2和R后2；
通过公式RSM＝[(R后1–R前1)–(R后2–R前2)]/R前1计算得到因应力迁移导致的电阻变化。
10.根据权利要求8或9所述的应力迁移测试方法，其特征在于，所述加热的温度为100～250℃。
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