CN207730892U

CN207730892U - 测试结构

Info

Publication number: CN207730892U
Application number: CN201721725841.4U
Authority: CN
Inventors: 冯军宏
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; SMIC Advanced Technology R&D Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; SMIC Advanced Technology R&D Shanghai Corp
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2018-08-14
Anticipated expiration: 2027-12-12

Abstract

本实用新型提供了一种测试结构，包括：相互并联的多条支路，每条中包括相互串联的测试单元和保护单元，测试单元包括至少两条间隔排列的金属线和设置于相邻金属线之间的介电材料层，介电材料层分别与其两侧相邻的金属线接触，每个测试单元中各相邻金属线之间的距离相等，且相邻金属线之间存在可变化的电势差，用于当电势差增大到一定数值时电击穿介电材料层，保护单元防止其所在支路的介电材料层被击穿后支路的电流过大。保护单元与测试单元串联成支路后，将多条支路并联，能够在一次测量中得到介电材料在不同厚度下的击穿电压，节约了测试资源，提高了测试效率。

Description

测试结构

技术领域

本实用新型涉及半导体制造领域，特别涉及一种测试结构。

背景技术

介电材料层在半导体器件中有着广泛的应用。随着半导体器件尺寸的不断减小，对介电材料层可靠性的要求也相应提高。通常，评价介电材料层可靠性的标准为介电材料层被击穿时电压的大小，这个电压被称为介电材料层的击穿电压。击穿电压越大表明介电材料层的介电绝缘性能越好。又由于介电材料层的击穿电压与其厚度有关，因此通过测试不同厚度下，介电材料层击穿电压的大小，从而能够获得介电材料层的击穿电压与其厚度之间的关系。

目前，现有技术测量介电材料层的击穿电压时，是将介电材料层置于金属线之间，金属线之间的间距即为介电材料层的厚度。通过设置多组测试元件，各组测试元件中金属线的间距不相同，逐个测量测试元件的击穿电压，从而得到间距与击穿电压之间的关系。但是，现有技术的测试结构使得测试步骤比较繁琐，而且需要设置较多的测试点，浪费测试资源。

因此，亟需一种既能简化测试步骤又能利用较少测试资源，进而提高测试效率的测试结构。

实用新型内容

本实用新型提供了一种测试结构，保护单元与测试单元相互串联组成一条支路，多条支路组成并联的结构，一次测量即可得到介电材料在不同厚度下的击穿电压。

本实用新型实施例提供了一种测试结构，包括：相互并联的多条支路，每条中包括相互串联的测试单元和保护单元，测试单元包括至少两条间隔排列的金属线和设置于相邻金属线之间的介电材料层，介电材料层分别与其两侧相邻的金属线接触，每个测试单元中各相邻金属线之间的距离相等，且相邻金属线之间存在可变化的电势差，用于当电势差增大到一定数值时电击穿介电材料层，保护单元防止其所在支路的介电材料层被击穿后支路的电流过大。

可选的，每个测试单元中金属线平行间隔排列。

可选的，每个测试单元中相邻金属线之间的距离大于等于10μm。

可选的，各条支路的测试单元中相邻金属线之间的距离互不相等。

可选的，不同支路的测试单元中相邻金属线之间的距离之差大于等于5μm。

可选的，保护单元包括二极管或保护电阻。

可选的，保护单元的击穿电压大于测试结构中介电材料层最大的击穿电压。

可选的，二极管为肖特基二极管。

可选的，肖特基二极管的击穿电压大于等于90V。

可选的，保护电阻的电阻值大于等于100Ω。

可选的，还包括：测试电源，测试电源的正负极分别与每个测试单元中相邻的金属线电连接。

本实用新型的技术方案与现有技术相比，具有以下优点：

本实用新型的测试结构中包括相互并联的多条支路，每条支路中包括相互串联的测试单元和保护单元。多条支路相互并联，使得一次测量即可得到介电材料层在不同厚度下的击穿电压，提高了测试的效率。同时，在每条支路中含有相互串联的测试单元与保护单元。当所在支路的介电材料层被击穿后，保护单元能够避免因所在支路的电流过载而对其他支路的测试造成影响。另外，相邻金属线之间存在可变化的电势差。通过调节支路两端的电势差，能够满足在一次测试的过程中，不同厚度的介电材料层被击穿，节省了测试资源。

进一步的，各条支路的测试单元中相邻金属线之间的距离互不相等。各支路的测试单元中，相邻金属线之间的距离互不相等，即，将不同厚度的介电材料层设置在同一个测试结构中，不同支路的介电材料层对应不同的击穿电压，提高了测试的效率，节省了测试资源。

进一步的，二极管为肖特基二极管。肖特基二极管的击穿电压相对较高，能够保证当所有支路的介电材料层被击穿后，肖特基二极管作为保护单元还能够正常工作，保证了测试结构的可靠性。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个实施例的测试结构的连接示意图；

图2是根据本实用新型的再一个实施例的测试结构的连接示意图；

图3是根据本实用新型的又一个实施例的测试结构的连接示意图。

具体实施方式

如前所述，现有的介电材料层测试结构存在测试点较多、测试结构复杂、测试效率低等问题。

经研究发现，造成上述问题的原因为：不同厚度介电材料层的击穿电压需要分别单独测试。

为了解决该问题，本实用新型提供了一种测试结构，将不同厚度的介电材料层并联起来，经过一次测量即可得到不同厚度介电材料层的击穿电压。

现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应理解，除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不应被理解为对本实用新型范围的限制。

此外，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺寸并不必然按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所夸大。

以下对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，在任何意义上都不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和装置可能不作详细讨论，但在适用这些技术、方法和装置情况下，这些技术、方法和装置应当被视为本说明书的一部分。

应注意，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要对其进行进一步讨论。

第一实施例。

请参考图1，测试单元T_x与保护单元101相串联组成一条支路，且不同的支路相并联。

测试单元T_x中包括至少两条间隔排列的金属线102和设置于相邻金属线102之间的介电材料层103。

在本实用新型实施例中，x为不同支路测试单元的标号，也代表了不同的支路。具体的，在本实用新型实施例中，x＝1，2，3，4，即测试单元 T₁，T₂，T₃，T₄。在本实用新型的其他实施例中，测试单元T_x的个数可以多于或少于4个，并不做具体限制。

金属线102起到导电的作用，从而能够在介电材料层103的两侧施加电压。明显的，在本实用新型实施例中，介电材料层103要与和其相邻的金属线102接触。

在一个测试单元T_x中，相邻金属线102之间的间距相等。具体的，在本实用新型实施例中，一个测试单元T_x中包括3条金属线102，且金属线102相互平行排列。

在这里，需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，一个测试单元T_x中，金属线102可以有2条，也可以多余3条，并不做具体限制。同时，在本实用新型的其他实施例中，一个测试单元T_x中，金属线102 可以不完全平行，只要保证各相邻金属线102之间的间距相等即可。

在本实用新型的实施例中，不同支路的测试单元相邻金属线102之间的距离不相等，即在T₁，T₂，T₃，T₄中，h₁≠h₂≠h₃≠h₄。相邻金属线 102之间的距离也代表了相邻金属线102之间介电材料层103的厚度。所以，在本实用新型实施例中，不同支路的测试单元中，相邻金属线102 之间介电材料层103的厚度各不相等，且h₁＜h₂＜h₃＜h₄。

当介电材料层130的厚度过小时，材料的介电性能也会相应变差。因此，在实际应用中，介电材料层103的厚度大于等于10μm，即每个测试单元T_x中相邻金属线102之间的距离大于等于10μm。具体的，在本实用新型的实施例的测试结构中，介电材料层103的最小厚度为10μm。在本实用新型的另一实施例测试结构中，介电材料层103的最小厚度为50μm。

又由于在实际的测试中，当不同介电材料层103的厚度接近时，测得的击穿电压也很接近，这样的结果在实际应用中可以认为是近似相等。因此，为了得到介电材料层103厚度与击穿电压的对应关系，不同测试单元中介电材料层103的厚度差大于等于5μm，即不同支路的测试单元Tx中相邻金属线102之间的距离之差大于等于5μm。具体的，在本实用新型的实施例中，h₂-h₁≥5μm，且h₃-h₂≥5μm，且h₄-h₃≥5μm。

由于相邻金属线102对其之间的介电材料层103施加电压，所以，在本实用新型实施例的同一测试单元中，相邻金属线102之间存在可变化的电势差，用于增加介电材料层103两侧的电压，电击穿介电材料层 103。

介电材料层103作为测试结构的测试对象，得到其在不同厚度下的击穿电压，从而评价其介电性能。同时，测得介电材料层103厚度与相对应的击穿电压，也能够为介电材料层103的使用提供数据支持。

介电材料层103的材料包括：能够介电的聚合物、氧化物、氮化物等，在这里并不做具体限制。具体的，在本实用新型实施例中，介电材料层103的材料为SiO₂。在本实用新型的另一实施例中，介电材料层 103的材料为TaN。

在这里，需要说明的是，对于同一种介电材料，厚度越小越容易被击穿，厚度越大越难被击穿。在本实用新型的其他实施例中，同一测试结构中，介电材料层103的材料可以不同，这样就可以在一次测量中得到不同种类介电材料在不同厚度下的击穿电压。

保护单元101起到避免当其所在支路的介电材料层103被击穿后电流过载的作用。具体的，当某一支路的介电材料层103被电击穿后，测试单元T_x成为通路，通过支路的电流会迅速增大。如果不用相串联的保护单元，则其他支路被短路，测试无法继续。

具体的，在本实用新型实施例中，保护单元为肖特基二极管。相比其他类型的二极管，肖特基二极管的击穿电压值相对较高，能够更加可靠的保护测试结构。

保护单元101的击穿电压应大于测试结构中介电材料层103最大的击穿电压。保护单元101的具体击穿电压值在这里并不做具体限制。肖特基二极管的击穿电压值大于等于90V。在本实用新型实施例中，肖特基二极管的击穿电压值为90V。在本实用新型的另一个实施例中，肖特基二极管的击穿电压值为120V。

在这里，需要说明的是，不同支路中的保护单元的击穿电压值可以相同，也可以不同，而且保护单元101还可以是其他类型的二极管，不同支路二极管的类型也可以不同，在这里，并不做具体限制，只要满足能够避免所在支路电流过载，保证测试正常进行的条件即可。

由于二极管具有单向导电性，所以在本实用新型的实施例中，肖特基二极管的连接方向应当与支路两端的电势大小相适应，保证二极管导通。

需要说明的是，如图1所示，保护单元101连接在测试单元T_x的左侧，在本实用新型的其他实施例中，保护单元101还可以连接在测试单元T_x的右侧，并不做具体限制。

在本实用新型的实施例中，还包括：测试电源(未标出)。测试电源的正负极分别连接支路的两端，向支路的两端施加电压，最终电压施加在每个测试单元T_x内各相邻的金属线102之间。通过调节测试电源，支路两端被施加可变化的电压，即支路两端存在可变化的电势差。

在这里，需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，支路两端不一定直接连接在测试电源的正负极，只要能够满足支路两端存在可变电势差的条件即可。

在本实用新型实施例中，还包括：电压计(未标出)与电流计(未标出)。电压计测量支路两端的电压U，电流计测量通过支路的总电流I。

如图1所示，本实用新型实施例的测试结构，测试介电材料层103 击穿电压U_bd的步骤包括：支路的两端分别连接在测试电源的正负极之间，电压计与各支路并联，用于测量支路电压U。电流计连接在干路上，用于测量通过所有支路的总电流I。逐渐增大测试电源电压，电压计示数U逐渐增大。由于在介电材料层103未被击穿时，各支路为断路，所以电流计的示数I几乎为零。当电压U增大到U_bd1时，电流计示数突然增大到I₁，此时，具有最小厚度的介电材料层103被击穿，该支路变为通路，即含有测试单元T₁的第1支路介电材料层103被击穿。此时的支路电压U为介电材料层103对应h₁厚度的击穿电压U_bd1。进一步逐渐增大支路电压U，电流计示数I第二次突变时，表明h₂厚度的介电材料层103被击穿，此时的支路电压U为介电材料层103对应h₂厚度的击穿电压U_bd2。进一步的，分别测出介电材料层103对应h₃厚度的击穿电压U_bd3，和对应h₄厚度的击穿电压U_bd4。即可得出同种介电材料在不同厚度下的击穿电压U_bd。

同样的，当介电材料层103的材料不同时，也可以用上述方法测得不同厚度的击穿电压。

综上所述，在本实用新型第一实施例提供的测试结构中，将保护单元与测试单元串联成一条支路，再将多条支路并联，经过一次测量即可测得介电材料层在不同厚度下的击穿电压，节约了测试资源，提高了测试效率。

第二实施例。

第二实施例与第一实施例的不同之处在于保护单元的种类不同。其他结构及其连接方式均与第一实施例一致。

请参考图2，保护单元201为保护电阻。

保护电阻的作用于第一实施例中二极管的作用一致，在此不再赘述。保护电阻的阻值大于等于100Ω。具体的，在本实用新型实施例中，保护电阻的阻值为100Ω。在本实用新型的另一个实施例中，保护电阻的阻值为250Ω。

其他结构的位置以及连接关系均与第一实施例一致，在此不做赘述。

第三实施例。

第三实施例与第二实施例的不同之处在于支路中包括多个保护单元，且保护单元与测试单元连接位置稍有不同。

请参考图3，支路中含有多个保护单元。

保护单元的作用如前所述。在本实用新型实施例中，支路中包括多个保护单元，多个保护单元与测试单元相互串联。具体的，在本实用新型实施例中，支路中包括保护单元3011和保护单元3012。且在第四条支路中，测试单元T₄连接在保护单元3011和保护单元3012之间。而在第三条支路中，保护单元3012位于保护单元3011和测试单元T₃之间。

在这里，需要说明的是，多个保护单元与测试单元连接的位置关系不作具体限制，且多个保护单元位于哪条支路也不做具体限制，只要能够满足起到保护作用的条件即可。

在本实用新型的实施例中，其他结构的位置关系以及连接方式，请参考第二实施例。

至此，已经详细描述了本实用新型。为了避免遮蔽本实用新型的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims

1.一种测试结构，其特征在于，包括：

相互并联的多条支路，每条所述支路中包括相互串联的测试单元和保护单元，所述测试单元包括至少两条间隔排列的金属线和设置于相邻所述金属线之间的介电材料层，所述介电材料层分别与其两侧相邻的所述金属线接触，每个所述测试单元中各相邻所述金属线之间的距离相等，且相邻所述金属线之间存在可变化的电势差，用于当所述电势差增大到一定数值时电击穿所述介电材料层，所述保护单元防止其所在所述支路的所述介电材料层被击穿后所述支路的电流过大。

2.根据权利要求1所述的测试结构，其特征在于，每个所述测试单元中所述金属线平行间隔排列。

3.根据权利要求2所述的测试结构，其特征在于，每个所述测试单元中相邻所述金属线之间的距离大于等于10μm。

4.根据权利要求1所述的测试结构，其特征在于，各条所述支路的所述测试单元中相邻所述金属线之间的距离互不相等。

5.根据权利要求4所述的测试结构，其特征在于，不同所述支路的所述测试单元中相邻所述金属线之间的距离之差大于等于5μm。

6.根据权利要求5所述的测试结构，其特征在于，所述保护单元包括二极管或保护电阻。

7.根据权利要求6所述的测试结构，其特征在于，所述保护单元的击穿电压大于所述测试结构中所述介电材料层最大的击穿电压。

8.根据权利要求7所述的测试结构，其特征在于，所述二极管为肖特基二极管。

9.根据权利要求8所述的测试结构，其特征在于，所述肖特基二极管的击穿电压大于等于90V。

10.根据权利要求7所述的测试结构，其特征在于，所述保护电阻的电阻值大于等于100Ω。

11.根据权利要求1所述的测试结构，其特征在于，还包括：测试电源，所述测试电源的正负极分别与每个所述测试单元中相邻的所述金属线电连接。