CN1662823A - 电致迁移测试装置及电致迁移测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明系一种电致迁移测试装置，这种电致迁移测试装置具有一个直流电源(101)及一个交流电源(102)。此外，这种电致迁移测试装置还具有一个带有导电结构(100)的电路(104)，导电结构(100)与直流电源(101)及交流电源(102)均有连接。此外，这种电致迁移测试装置还具有一个可以量测呈现导电结构内的电致迁移的电参数用的量测装置。交流电源(102)提供给导电结构(100)的交流电能够将导电装置(100)加热至预定的温度，而且这个交流电不会受到直流电的影响。

Description

电致迁移测试装置及电致迁移测试方法
本发明系一种电致迁移测试装置及电致迁移测试方法。
由于近年来对于微电子组件的性能及品质要求不断提高，因此关于印刷电路的可靠性的测试方法也日益受到重视。电致迁移是一种可能导致微电子组件受损的作用。所谓电致迁移是指因为电流的作用在印刷电路内部造成的物质移动。此种物质流动的方向与电子流动的方向相同。这是因为电子流动会产生所谓的电子风，而这种电子风会拖带印刷电路材料的晶格原子一起流动。此种物质移动有可能对微电子组件造成各种不同的损害。例如一种可能的损害是造成所谓的”Voids”(空隙)现象，也就是在晶格结构中产生空隙，进而导致印刷电路内出现中断现象。另外一种可能的损害是所谓的挤压作用，也就是印刷电路材料从其所属的印刷电路的侧向流出。这种挤压作用可能造成相邻的印刷电路之间产生短路，进而导致微电子组件故障。因此电致迁移的强度是决定微电子组件的使用寿命的一个重要参数。
电致迁移的强度主是是由构成印刷电路的材料、温度、以及在印刷电路内的电流密度等因素决定。电致迁移的强度会随着温度的升高及电流密度的升高而变大。电流密度中的直流分量对于电致迁移的强度具有决定性的影响力，而对称的交流电对于电致迁移的强度则几乎没有任何影响。因对称的交流电引起的电致迁移会比因直流电引起的电致迁移慢上100倍至1000倍[1]。因此在交流电及直流电同时存在的情况下，电致迁移的强度系取决于由直流电产生的电流密度。因此前面提药的所谓的电子风必须具有一个优先方向，以便电子风能够有效的拖带着导电结构的物质向一个方向流动。至于对称的交流电则不具备电子风的这种优先方向。
现代化的可靠性测试方法是在集成电路的制造过程中就在特定的测试结构上进行各种测试工作。这些测试结构通常是以和要制造的微电子组件相同的材料制成，并和要制造的微电子组件一起设置在相同的基材上。由于这些测试结构会与要制造的微电子组件经历相同的制造过程，因此能够被用来评估最终制品中与其相似的印刷电路的抗电致迁程性。
按照现有技术，电致迁移对导电结构可能造成的每一种损害作用都必须有一种特定的测试结构，并在测试过程中对这种特定的测试结构施以加大的荷载，也就是以人为方式影响造成电致迁移的参数，以加大电致迁移，这样就可以在短时间内对印刷电路的抗电致送移性作出评估。
为了研究电致迁移的强度可以从晶圆上将测试结构(例如金属印刷电路)锯出来，并安装在陶瓷盒中。然后将这些陶瓷盒插在印刷电路极上。接着将这些印刷电路极设置在一个量测结构中，并装到一个适当的加热炉中，使其接受电致迁移测试。测试期间，这些测试结构会受到一固定的直流电的作用。
如前面所述，电致迁移可能的一种损害是产生所谓的”Voids”(空隙)现象，也就是在晶格结构中产生空隙，进而导致导电结构(例如集成电路中的印刷电路)内出现中断现象。为了研究这一类的损害现象，可以使用一个带有相应接线的简单的印刷电路作为测试结构。研究时可以对这个印刷电路路(测试结构)施以一特定的荷载，例如将温度及电流密度升高，并量测这个测试结构在什么时候会达到故障的程度。这个量测得的时间可以作为微电子组件所承受的电致迁移的强度的一个指针。经由量测对试结构施以荷载而造成测试结构故障的时间及Blackschen方程式即可计算出导电结构在一般操作条件下的平均使用寿命。
如前面所述，电致迁移可能造成的另外一种损害是出现所谓的挤压现象，也就是因为电致送移导致构成印刷电路的材料(物质)从印刷电路流出。这种挤压现象可能会造成短路，进而导致位于晶圆上的电路故障。
使用上面所述的以现有技术制成的测试装置的缺点是必须专门为研究电致迁移造成的影响制作特定的测试结构(也就是导电结构)，也就是必须先从晶圆上将测试结构锯出，然后再安装在测试装置上。这些步骤不但费事又费时，而且会造成成本上升。另外，测试装置所使用的印刷电路极还必须要能够承受高温。而由于印刷电路极最多只能承受大约400℃的温度，因此测试温度最高只能升高到大约400℃的程度。而且只有很少数种类的的印刷电路极能够在400℃的温度下支持一段较长的时间。因此在实务上最高只能使用350℃的度。
由于温度上的限制，使得能够施加在测试结构上的荷载也连带受到限制，因此需要较长的测试时间才能确切的评估出电致迁移对于测试结构造成的影响程度。
如前面所述的现有技术的另外一个缺点是需要以一个外接的加热炉将印刷电路极及/或测试结构加热。这种外接的加热炉不但构造复杂，而且会使电致迁移的测试工作增加额外的成本。
在现有技术中也有一种所谓的自加热式测试结构。这种测试结构是利用作为测试结构之荷载源的直流电对于待测试之导电结构的电阻产生的热能将测试结构加热。因此这种自加热式测试结构不需要用到外接的加热炉。
这种自加热式测试结构的缺点是影响电致迁移的两个主要参数(温度及电流密度)会相互影响，因此在提高导电结构内的电流密度的同时也会影响到温度的变化。也就是说，提高导电结构内的电流密度也会造成导电结构的温度的升高。这种相互影响的关系会对要研究的影响参数(温度及电流密度)的容许变化范围造成限制，而这种限制是无法被接受的。
J.A.Maiz[2]在其对于不对称电流对电致迁移的影响的研究指出，一个不对称电流的等效直流电可以用讯号电流的平均值加以表示。
在美国专利US 4739258提出的电致迁移测试装置中，在晶圆表面上具有许多自动编码的集成电路，而且每一个集成电路都具有一个薄膜印刷电路。这种测试装置是以一个外接加热炉加热，同时薄膜印刷电路的电阻值变化是以对温度的变化来表示。
本发明的目的是提出一种不需使用外接加热炉即可对温度进行调整的简单的测试装置。同时本发明的测试装置又要能够排除前述以现有技术制造的自加热式测试装置的缺点，也就是说两个主要的影响参数(温度及电流密度)要能够被个别调整，而不会相互影响。
应用本发明之权利要求中的主申请专利项目的电致迁移测试装置及电致迁移测试方法即可达到本发明的目的。
本发明的电致迁移测试装置具有一个直流电源及一个交流电源。此外，本发明的电致迁移测试装置还具有一个电路。这个电路具有至少一个与上述之直流电源及交流电源连接的待测试的导电结构。另外，本发明的电致迁移测试装置还具有一个量测装置，这个量测装置能够量测出作用于测试结构中的电致迁移的电参数。在本发明的电致迁移测试装置中，交流电源能够产生一个作用于待测试的导电结构的交流电，而且这个交流电不会受到直流电源产生之直流电的影响。这样就可以利用交流电源产生的交流电将待测试的导电结构加热至一个可预先设定的温度(且最好是一个可调整的温度)。
本发明提出之测试导电结构用的电致迁移测试方法包括以下的步骤：将一个连接一个直流电源及一个交流电源的电路与待测试的导电结构连接；将待测试的导电结构通以一个会在待测试的导电结构内产生电致迁移的直流电；利用由交流电源产生的交流电将待测试的导电结构加热，而且这个负责将待测试的导电结构加热的交流电并不会受到在待测试的导电结构内造成电致迁移的直流电的影响；量测出造成测试结构中的电致迁移的电参数。
利用上述的装置及方法即可构成一种简单的电致迁移测试装置，而且这种装置不需用到外接加热炉即具有调整温度的功能，而且不会有如前述以现有技术制成的自加热式测试结构的缺点，也就是说不会有影响电致迁移的两个主要参数(温度及电流密度)彼此相互影响的缺点。负责将待测试的导电结构加热的交流电(最好是对称的交流电)本身并不会在待加热的导电结构内造成电致迁移。由于本发明的测试装置及测试方法仅对待测试的导电结构进行加热，因此利用本发明的测试结构可以将于待测试的导电结构的温度加热到远大于400℃的程度。至于印刷电路极本身并不会受到高温的作用。因此本发明的测试结构不会有使用现有技术的测试结构在选择印刷电路极的种类时碰到的问题及限制(例如耐高温性的问题)。
相对于使用现有技术的电致迁移测试装置，本发明的电致迁移测试装置的另外一个优点是可以使用更高的温度来进行测试，因此可以在较短的时间内完成对导电结构的测试工作。如果以分钟为单位来计算，利用本发明的测试结构可以将电致迁程的测试时间缩短到10分钟至100分钟的范围。由于能够将测试时间缩短，因此可以直接在晶圆上进行测试工作。这对于降低测试工作的成本有很大的帮助，因为直接在晶圆上进行测试工作可以省略许多前面提及的准备待测试的导电结构的工作。
本发明之其它有利的实施方式均记载于附属于主专利申请项目的附属专利项目中。
以下将对本发明的电致迁移测试装置作进一步的说明。本发明的电致迁移测试装置的各种实施方式亦适用于导电结构之电致迁移的测试方法。
在本发明的电致迁移测试装置中，最好是以待测试的导电结构的电阻值作为电参数。
此外，本发明的电致迁移测试装置最好还具备一个计算电功率用的计算单元。这个计算单元具有一个电压量测装置及一个电流量测装置，并将这个电压量测装置及电流量测装置以适当的方式安装在电路中，以便使电流量测装置能够量测通过待测试的导电结构的有效电流，以及使电压量测装置作用于待测试的导电结构的有效电压。待测试的导电结构最好是以铝、铜、铝及铜的合金、或或铝及铜帚其它导电材料(例如金或银)的合金制成。
此外，本发明的电致迁移测试装置最好还具备一个控制装置。这个控制装置的作用是控制及/或调整交流电源，以便将待测试的导电结构的温度调整至设定的温度并保持在这个设定的温度。
构成本发明的电致迁移测试装置的构件最好是至少有一部分设置在半导体晶圆上。
交流电源最好是与一个脉冲发生器整合在一起。这个脉冲发生器最好是将一个直流电源也整合在一起。也就是说，脉冲发生器最好是同时具有一个交流电源及酪直流电源。
交流电源产生的交流电频率以介于1kHz至200kHz之间为佳，且最好是5kHz。
另外一种有利的实施方式是在本发明的电致迁移测试装置中另外加装一个能够将待测试的导电结构加热的加热炉或加热板。利用这个加热炉/加热板可以调整补偿温度，而且这个补偿温度最好是设定在200℃至250℃之间。
以下以本发明的一种实施方式为例，并配合图式对本发明的电致迁移测试装置作进一步的说明。
图1：本发明之电致迁移测试装置的一种实施方式。
图2：导电结构的电阻值相对于时间的变化的量测曲线。
以下配合图1的实施方式对本发明的电致迁移测试装置作进一步的说明。
本发明的电致迁移测试装置具有一片带有一待测试之导电结构(100)的晶圆(108)。待测试之导电结构(100)系以铝制成。
此外，本发明的电致迁移测试装置还具有一个直流电源(101)。直流电源(101)与待测试的导电结构(100)连接在一起。直流电源(101)的作用是对导电结构施加荷载。也就是说，直流电源(101)产生的电流会通过导电结构(100)，以加速导电结构(100)内的电致迁移。相较于正常的操作条件而言，由于这个直流电会提高导电结构(100)内的电流密度，因此这种荷载条件能够加速电子组件内的电致迁移。
此外，本发明的电致迁移测试装置还具有一个脉冲发生器(102)。脉冲发生器(102)位于直流电源(101)及待测试的导电结构(100)之间。脉冲发生器(102)将对称的交流电叠加在作为荷载电流用的直流电上。这个交流电的作用是经由导电结构(100)的一个电阻将导电结构(100)加热。由于脉冲发生器可以使用一个对称的交流电，因此交流电产生的电流密度几乎不会对电致迁移造成任何影响。交流电造成的唯一影响是将待测试的导电结构(100)加热。图式中的实施方式是将温度设定为262℃。图式中的实施方式是以量测导电结构的热(电)阻升高的方式量测温度。必要时可以调整交流电的大小，以保持温度固定不变，也就是使导电结构的荷载条件保持固定不变。在图式中的实施方式中，将待测试的导电结构加热至262℃所需的交流电是23.3mA，作为荷载电流用的直流电是0.5mA.
此外，本发明的电致迁移测试装置还具有一个电流量测装置(103)。电流量测装置(103)亦位于连结待测试的导电结构(100)、直流电源(101)、以及脉冲发生器(102)的电路(104)中。电流量测装置(103)的作用是量测通过待测试的导电结构(100)的有效电流。
此外，本发明的电致迁移测试装置还具有一个电压量测装置(105)。电压量测装置(105)的作用是量测第一个分压抽头(106)及第二个分压抽头(107)之间的有效电压，这两个分压抽头一个设置在待测试的导电结构(100)的起始部分，另外一个则设置在待测试的导电结构(100)的端端部分。
此外，本发明的电致迁移测试装置还具有一部计算机(图式中未绘出)。这部计算机会读取电压量测装置(105)及电流量测装置(103)的量测值。这部计算机会依据读取到的量测值决定待测试的导电结构(100)的电阻值。经由以这种方式决定的电阻值就可以决定待测试的导电结构(100)的温度(也就是荷载温度)。此外，这部计算机还可以调整交流电的大小，以便保持荷载温度固定不变。
待测试的导电结构(100)系直接设置在半导体晶圆的表面上。
图2显示经由本发明的电致迁移测试装置决定的待测试的导电结构(100)相对于时间的电阻值变化。决定电阻值的参数为交流电(23.3mA)，这相当于262℃的温度)及荷载电流(0.5mA)。测试时间为10000秒。从图2可看出，在快要结束量测工作时，电阻值的变化曲线有出现一个跳跃式的上升段(209)。
在出现这个跳跃式的上升段的时候，电致迁移会对待测试的导电结构造成损害，因此而产生的一个或多个”Voids”(空隙)会导致导线断面上的导电物质(材料)急遽减少。因此电阻值就会大幅升高。电致迁移的测试工作应持续进行到电阻值明显变大的时候。
本发明的电致迁移测试装置能够以快速、简单、以及低成本的方式对待测试的导电结构进行电致迁移的测试工作。本发明的电致迁移测试装置不需要外接加热炉就可以对待测试的导电结构加热。本发明的电致迁移测试装置也能够排除前述以现有技术制造的自加热式测试装置的缺点，也就是说影响待测试的导电结构内的电致迁移的两个主要影响参数(温度及电流密度)彼此不会相互影响。
在前面的说明中提及的参考文献：
[1]在随时间变化的电流荷载作用下的电致迁移，T.Jiang ea al.，Microelectronics Reliability 38(3)(1998)，295-308页。
[2]在双向电流(BC)及脉冲单向电流(PDC)作用下的电致迁移特性，J.A.Mainz，Reliability Physics Symposium，27th AnnualProceeedings，April 19989，220-228页。
组件符号说明
100待测试的导电结构
101直流电源
102脉冲发生器
103电流量测装置
104电路
105电压量测装置
106第一个分压抽头
107第二个分压抽头
108晶圆
109电阻值急遽升高的段落

Claims (12)

1.一种电致迁移测试装置，包括：
一个直流电源；
一个交流电源；
一个电路，这个电路具有至少一个前述与直流电源及前述交流电源连接的待测试的导电结构；
一个量测装置，这个量测装置能够量测出造成测试结构中的电致迁移的电参数；
此种电致迁移测试装置的特征为：交流电源能够产生一个作用于待测试的导电结构的交流电，而且这个交流电不会受到直流电源产生之直流电的影响，并利用这个交流电将待测试的导电结构加热至一个预先设定且可调整的温度。
2.如权利要求1的电致迁移测试装置，其特征为：以待测试的导电结构的电阻值作为电参数。
3.如权利要求1或2的电致迁移测试装置，其特征为：具有一个能够计算电功率的计算单元，这个计算单元具有一个电压量测装置及一个电流量测装置，这个电压量测装置及电流量测装置系以适当的方式安装在电路中，因此电流量测装置能够量测通过待测试的导电结构的有效电流，电压量测装置则能够量测作用于待测试的导电结构的有效电压。
4.如权利要求1至3中任一项的电致迁移测试装置，其特征为：具有一个控制装置，这个控制装置的能够控制交流电源，以便将待测试的导电结构的温度保持在一个固定的温度。
5.如权利要求1至4中任一项的电致迁移测试装置，其特征为：待测试的导电结构系设置在半导体晶圆上，或是设置在半导体晶圆内。
6.如权利要求1至5中任一项的电致迁移测试装置，其特征为：将交流电源及直流电源均整合于一个脉冲发生器内。
7.如权利要求1至6中任一项的电致迁移测试装置，其特征为：具有一个能够将待测的导电结构加热的加热炉。
8.一种测试导电结构之电致迁移的测试方法，包括下列步骤：将一个连接一个直流电源及一个交流电源的电路与待测试的导电结构连接；将待测试的导电结构通以一个会在待测试的导电结构内产生电致迁移的直流电；利用由交流电源产生的交流电将待测试的导电结构加热，而且这个负责将待测试的导电结构加热的交流电并不会受到在待测试的导电结构内造成电致迁移的直流电的影响；量测出造成测试结构中的电致迁移的电参数。
9.如权利要求8的方法，其特征为：量测待测试的导电结构的电阻值作为电参数。
10.如权利要求8或9的方法，其特征为：量测通过待测导电结构的有效电流及作用在待测试的导电结构上的有效电压，并按照量测结果确定电功率。
11.如权利要求8至10中任一项的方法，其特征为：经由计算单元将待测试的导电结构的温度调整到一个固定值。
12.如权利要求8至11中任一项的方法，其特征为：将待测试的导电结构设置在半导体晶圆上，或是设置在半导体晶圆内。
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