DE102005041313A1 - Technik zur Überwachung dynamischer Prozesse in Metallleitungen von Mikrostrukturen - Google Patents

Technik zur Überwachung dynamischer Prozesse in Metallleitungen von Mikrostrukturen Download PDF

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Abstract

Durch lokales Erwärmen spezieller Abtastpositionen innerhalb eines interessierenden Gebiets und durch automatisches Gewinnen entsprechender Messdaten in einer zeitlich und räumlich aufgelösten Weise können dynamische Prozesse innerhalb einer Metallisierungsschicht von Halbleiterbauelementen in effizienter Weise überwacht und/oder modifiziert werden. Beispielsweise können OBIRCH- und SEI-Techniken in Verbindung mit der automatisierten Datenaufzeichnung und Manipulation eingesetzt werden, wodurch effiziente Mittel für eine in-situ-Fehleranalyse und Defekterkennung für beliebige dynamische Prozesse der Beeinträchtigung von Verbindungen und Zwischenschichtdielektrika bereitgestellt werden.

Description

  • GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
  • Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung von Mikrostrukturen, etwa moderner integrierter Schaltungen, und betrifft insbesondere die Herstellung und Untersuchung von Verbindungsstrukturen, etwa Metallleitungen und ihre Eigenschaften während Belastungsbedingungen.
  • Bei der Herstellung moderner Mikrostrukturen, etwa integrierter Schaltungen, gibt es ein beständiges Bestreben, die Strukturgrößen von Mikrostrukturelementen ständig zu verringern, um damit die Funktion dieser Strukturen zu verbessern. Beispielsweise haben in modernen integrierten Schaltungen die minimalen Strukturgrößen, etwa die Kanallänge von Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht, wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen im Hinblick auf die Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme erhöht wird. In dem Maße, indem die einzelnen Schaltungselemente in der Größe für jede neue Schaltungsgeneration verringert werden, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren verbessert wird, nimmt auch der verfügbare Platz für Verbindungsleitungen ab, die elektrisch die einzelnen Schaltungselemente verbinden. Folglich müssen auch die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen verringert werden, um dem geringeren Anteil an verfügbarem Platz und der erhöhten Anzahl an Schaltungselementen, die pro Einheitschipfläche vorgesehen sind, Rechnung zu tragen. Die reduzierte Querschnittsfläche der Verbindungsleitungen möglicherweise in Verbindung mit einem Anstieg der statischen Leistungsaufnahme äußerst größenreduzierter Transistorelemente kann eine Vielzahl gestapelter Metallisierungsschichten erforderlich machen, um die Erfordernisse hinsichtlich einer akzeptablen Stromdichte in den Metallleitungen zu erfüllen.
  • Moderne integrierte Schaltungen mit Transistorelementen mit einer kritischen Abmessung von 0,1 μm und sogar weniger können jedoch deutlich erhöhte Stromdichten in den einzelnen Verbindungsleitungen trotz des Vorsehens einer relativ großen Anzahl an Metallisierungsschichten erfordern, auf Grund der großen Anzahl von Schaltungselementen pro Ein heitsfläche, die mit hohen Arbeitsfrequenzen betrieben werden. Das Betreiben der Verbindungsleitungen bei erhöhten Stromdichten kann jedoch eine Reihe von Problemen nach sich ziehen, die mit einer belastungshervorgerufenen Leitungsbeeinträchtigung verknüpft sind, die schließlich zu einem vorzeitigen Ausfall der integrierten Schaltung führen können. Ein wichtiges Phänomen in dieser Hinsicht ist der durch Strom hervorgerufene Materialtransport in Metallleitungen, der auch als Elektromigration" bezeichnet wird, und der zur Ausbildung von Hohlräumen innerhalb und Materialanhäufungen neben den Metallleitungen führen kann, wodurch eine reduzierte Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit oder ein vollständiger Ausfall des Bauelements hervorgerufen werden kann. Beispielsweise werden Aluminiumleitungen, die in Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid eingebettet sind, häufig als Metallleitungen für Metallisierungsschichten verwendet, wobei, wie zuvor erläutert ist, moderne integrierte Schaltungen mit kritischen Abmessungen von 0,1 μm oder darunter, deutlich reduzierte Querschnittsflächen der Metallleitungen erfordern können und somit zu erhöhten Stromdichten führen können, wodurch Aluminium ein wenig attraktives Metall für die Herstellung von Metallisierungsschichten ist.
  • Deshalb wird Aluminium zunehmend durch Kupfer ersetzt, das einen wesentlich geringeren Widerstand besitzt und bei dem sich nicht vernachlässigbare Elektromigrationseffekte erst bei deutlich höheren Stromdichten im Vergleich zu Aluminium ergeben. Das Einführen von Kupfer bei der Herstellung von Mikrostrukturen und integrierten Schaltungen geht jedoch einher mit einer Reihe ernster Probleme, die in der Eigenschaft des Kupfers begründet liegen, leicht in Siliziumdioxid und einer Vielzahl von dielektrischen Materialien mit kleinem ε zu diffundieren. Um die erforderliche Haftung bereitzustellen und die ungewünschte Diffusion von Kupferatomen in empfindliche Bauteilgebiete zu vermeiden, ist es daher für gewöhnlich notwendig, eine Barrierenschicht zwischen dem Kupfer und dem dielektrischen Material, in welchem die Kupferleitungen eingebettet sind, vorzusehen. Obwohl Siliziumnitrid ein dielektrisches Material ist, das effizient die Diffusion von Kupferatomen verhindert, ist die Auswahl von Siliziumnitrid als Zwischenschichtdielektrikum wenig wünschenswert, da Siliziumnitrid eine moderat hohe Permittivität aufweist, wodurch die parasitäre Kapazität zwischen benachbarten Kupferleitungen ansteigt.
  • Daher wird eine dünne leitende Barrierenschicht, die ebenso die erforderliche mechanische Stabilität für das Kupfer bietet, so gebildet, dass der Großteil des Kupfers von den umgebenden dielektrischen Material getrennt ist und lediglich eine dünne Siliziumnitrid- oder Sili ziumkarbid- oder stickstoffangereichertes Siliziumkarbidschicht in Form einer Deckschicht häufig in Metallisierungsschichten auf Kupferbasis verwendet wird. Aktuell sind Tantal, Titan, Wolfram und deren Verbindungen mit Stickstoff und Silizium und dergleichen bevorzugte Kandidaten für eine leitende Barrierenschicht, wobei die Barrierenschicht zwei oder mehrere Teilschichten unterschiedlicher Zusammensetzung aufweisen kann, um damit die Erfordernisse im Hinblick auf die diffusionsunterdrückenden und haftungsvermittelnden Eigenschaften zu erfüllen.
  • Eine weitere Eigenschaft des Kupfers, die es deutlich von Aluminium unterscheidet, ist die Tatsache, das Kupfer nicht effizient in größeren Mengen durch chemische und physikalische Dampfabscheideverfahren aufgebracht werden kann, wozu sich die Tatsache gesellt, das Kupfer nicht in effizienter Weise durch anisotrope Trockenätzprozesse strukturiert werden kann, wodurch eine Prozessstrategie für die Herstellung von Metallisierungsschichten erforderlich ist, die üblicherweise als die Damaszener- oder Einlegetechnik bezeichnet wird. In dem Damaszener-Prozess wird zunächst eine dielektrische Schicht gebildet, die dann strukturiert wird, so dass sie Gräben und Kontaktlöcher enthält, die nachfolgend mit Kupfer gefüllt werden, wobei, wie zuvor angemerkt ist, vor dem Einfüllen des Kupfers eine leitende Barrierenschicht an Seitenwänden der Gräben und Kontaktlöcher ausgebildet wird. Das Abscheiden des großvolumigen Kupfermaterials in die Gräben und Kontaktlöcher wird für gewöhnlich durch nasschemische Abscheideprozesse bewerkstelligt, etwa das Elektroplattieren oder das stromlose Plattieren, wobei das zuverlässige Auffüllen von Kontaktlöchern mit einem Aspektverhältnis von 5 oder mehr mit einem Durchmesser von 0,1 μm oder sogar weniger in Verbindung mit Gräben, die eine Breite im Bereich von 0,1 μm bis einige Mikrometer aufweisen, erforderlich ist. Obwohl elektrochemische Abscheideprozesse für Kupfer auf dem Gebiet der Herstellung elektronischer Platinen gut etabliert ist, ist ein im Wesentlichen hohlraumfreies Auffüllen von Kontaktlöchern mit hohem Aspektverhältnis eine äußerst komplexe und herausfordernde Aufgabe, wobei die Eigenschaften der schließlich erhaltenen Kupfermetallleitung deutlich von den Prozessparametern, den Materialien und der Geometrie der interessierenden Struktur abhängen. Da die Geometrie von Verbindungsstrukturen im Wesentlichen durch Entwurfserfordernisse festgelegt ist und daher nicht wesentlich für eine vorgegebene Schaltungsanordnung geändert werden kann, ist es äußerst wichtig, den Einfluss von Materialien, etwa leitende und nicht leitende Barrierenschichten, der Kupfermikrostruktur und deren wechselseitige Einwirkung auf die Eigenschaften der Verbindungsstruktur abzuschätzen und zu steuern, um damit sowohl eine hohe Ausbeute als auch die erforderliche Produktzuverlässigkeit sicherzustellen. Insbesondere ist es wichtig, Mechanismen für die Leistungsabnahme und Ausfallserscheinungen in Verbindungsstrukturen für diverse Konfigurationen zu erkennen und zu überwachen, um die Bauteilzuverlässigkeit für jede neue Bauteilgeneration oder Technologiesprung beizubehalten.
  • Daher wird ein großer Aufwand betrieben, um die Leistungsabnahme von Kupferleitungen zu untersuchen, insbesondere im Hinblick auf die Elektromigration oder auf die belastungsinduzierte Materialwanderung, um neue Materialien und Prozessstrategien zur Herstellung von Kupfermetallleitungen zu entwickeln. Obwohl der genaue Mechanismus der Elektromigration in Kupferleitungen noch nicht ganz verstanden ist, zeigt es sich, dass Hohlräume, die in und an Seitenwänden und Grenzflächen angeordnet sind, große Hohlräume im Volumen und Reste an den Kontaktlochunterseiten einen wesentlichen Einfluss auf die Produktionsausbeute und die Zuverlässigkeit ausüben können. Mit Ausnahme von großräumigen Fehlern können derartige Defekte in Kontaktlöchern und Metallleitungen, die als Überwachungsstrukturen in Scheibenschneidelinien vorgesehen sind, in standardmäßigen elektrischen Testverfahren nur schwer erkannt werden.
  • Da moderne Mikrostrukturen, etwa schnelle Mikroprozessoren, eine größere Verbindungskomplexität mit dichten Metallstrukturen bei extrem reduzierten Abmessungen erforderlich machen können und viele Inspektionsverfahren bereits an ihren Grenzen angelangt sind oder ein großes Maß an Zeit und Aufwand im Hinblick auf die Probenpräparierung und die Anlagen, etwa SEM- (Rasterelektronenmikroskopie) Verfahren, notwendig machen, besteht ein Bedarf für verbesserte oder alternative Verfahren, um Materialien und Prozesstechnologien, die bei der Herstellung komplexer Verbindungsstrukturen beteiligt sind, zu untersuchen und/oder zu überwachen und/oder zu steuern.
  • ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
  • Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik, die die Untersuchung einer oder mehrerer Eigenschaften einer leitenden Verbindungsstruktur in einer im Wesentlichen zerstörungsfreien Weise ermöglicht, wobei die Datennahme und die Steuerung von Umweltbedingungen auf einer automatisierten Basis ausgeführt werden können. Daher können Messdaten in einer äußerst effizienten Weise ermittelt werden, wodurch eine hohe statistische Signifikanz erreicht wird, um damit eine in-situ-Fehleranalyse sowie die Position, die Untersuchung und die Identifizierung von leistungsbeeinträchtigenden Prozessen in Metallisierungsstrukturen, etwa kupferbasierten Verbindungen, ermöglichen. Ferner kann das Ausbilden von Leckstromwegen in entsprechenden Metallisierungsstrukturen äußerst moderner integrierter Schaltungen auf der Grundlage spezifizierter Umgebungsbedingungen identifiziert werden. Zu diesem Zwecke werden Messdaten automatisch erzeugt und gesammelt, wobei spezielle Bereiche der Verbindungsstruktur lokal aufgeheizt und entsprechende Änderungen in dem elektrischen Verhalten automatisch erfasst und in einer zeitlich abgestimmten Weise aufgezeichnet werden, um damit das Überwachen dynamischer Prozesse zu ermöglichen.
  • Gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das automatische Ausführen einer ersten Sequenz von Aktionen während eines ersten Zeitfensters. Diese Sequenz umfasst das Abtasten mittels eines lokal begrenzten Heizflecks eines Bereichs einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements, wobei die Metallisierungsschicht ein Metallgebiet aufweist. Ferner umfasst die Sequenz das Bestimmen einer Position des Heizflecks zumindest für einige Abtastpositionen und Anlegen einer Vorspannung an den Bereich einer Metallisierungsschicht. Ferner umfasst die Sequenz das Erfassen eines Stromflusses durch den Bereich der Metallisierungsschicht für jede Abtastposition und umfasst ferner das Aufzeichnen von Messdaten, die den Stromfluss repräsentieren, für jede Abtastposition als einen ersten Datensatz.
  • Gemäß einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Erhalten einer Sequenz aus Bildern, wovon jedes einen Teil einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements darstellt. Das Verfahren umfasst ferner für jedes der Bilder Abtasten des Bereichs mit einem lokalisierten Heizfleck, um lokal mehrere Abtastpositionen aufzuheizen und Erhalten von Daten, die einen Stromfluss innerhalb des Bereichs für jede der Abtastpositionen kennzeichnen und Bearbeiten aller Daten, die einer spezifizierten Position der Abtastpositionen entsprechen, auf der Grundlage der Daten, die der spezifizierten Abtastposition entsprechen. Ferner umfasst das Verfahren das Abschätzen eines dynamischen Verhaltens des Bereichs der Metallisierungsschicht auf der Grundlage der Sequenz aus bearbeiteten Bildern.
  • Gemäß einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein System zum Behandeln und Überwachen einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements eine Heizquelle, die ausgebildet ist, einen lokal begrenzten Heizfleck zu erzeugen. Das System umfasst ferner einen Abtaster, der ausgebildet ist, den lokal begrenzten Heizfleck über einen Bereich der Metallisierungsschicht zu bewegen. Ferner ist eine Stromsonde vorgesehen und ausgebildet, mit dem Bereich der Metallisierungsschicht verbunden zu werden und ist ferner ausgebildet, eine elektrische Eigenschaft zu erfassen, die einen Stromfluss durch einen Stromweg in dem Bereich kennzeichnet. Schließlich umfasst das System eine Steuerung, die funktionsmäßig mit der Heizquelle, dem Abtaster und der Stromsonde verbunden ist, um die Heizquelle, den Abtaster und die Stromsonde zu steuern. Die Steuerung ist ausgebildet, eine Position des lokal begrenzten Heizfleckes auf dem Bereich der Metallisierungsschicht zu bestimmen und mehrere Datensätze zu erhalten und zu speichern. Dabei entspricht jeder individuelle Datensatz einem entsprechenden Zeitfenster und jeder Datenpunkt eines individuellen Datensatzes repräsentiert einen Stromwert in dem Stromweg, der für eine Abtastposition ermittelt wurde, die mit den entsprechenden Datenpunkt verknüpft ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführugsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
  • 1a schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements mit einer Verbindungsstruktur, deren Eigenschaften zu überwachen und/oder zu modifizieren sind, zeigt;
  • 1b schematisch eine Draufsicht des Halbleiterbauelements aus 1a darstellt;
  • 1c schematische eine vergrößerte Ansicht eines Abtastvorgangs mit einem lokal begrenzten Heizfleck und die entsprechende automatisierte Datenaufzeichnung gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 1d schematisch ein System zum Überwachen und/oder Modifizieren der Eigenschaften einer Verbindungsstruktur in einer im Wesentlichen zerstörungsfreien Weise unter Anwen dung eines lokalisierten Heizfleckes zur Abtastung gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 2 schematisch eine Draufsicht auf eine Teststruktur für das automatische Überwachen und Modifizieren der Eigenschaften einer Metallleitung gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
  • Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik zum Überwachen von Verbindungsstrukturen von Halbleiterbauelementen, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen ebenso Eigenschaften der Verbindungsstruktur, etwa deren Kristallstruktur, modifiziert werden können. Dazu ist die Messung und der Datennahmeprozess automatisiert, um damit die Möglichkeit zu schaffen, eine ausreichende Menge an Messdaten innerhalb kurzer Zeitperioden zu sammeln, um damit das Überwachen und Bewerten äußerst dynamischer Prozesse in der Verbindungsstruktur zu ermöglichen. Da die Technik zerstörungsfrei ist, können entsprechende Messergebnisse selbst während der Fertigungssequenz gewonnen werden, wodurch eine äußerst effiziente in-situ-Fehleranalyse möglich ist, wobei entsprechende Fehlerdaten ebenso für die weitere Prozesssteuerung verwendet werden können. Ferner beruht die vorliegende Erfindung auf dem Konzept des Abtastens mittels eines lokal begrenzten Heizfleckes eines interessierenden Gebiets einer Verbindungsstruktur unter Anwendung einer automatisierten Abtastbewegungs- und Datennahmesteuerung zum Erhalten eines gewünschten Maßes an „Zeitauflösung", die für die Beurteilung des dynamischen Verhaltens des interessierenden Gebiets erforderlich ist. Auf Grund des Konzepts des Abtastens mittels eines lokal begrenzten Heizfleckes eines spezi fizierten interessierenden Gebiets können gut etablierte Verfahren, etwa das OBIRCH-Verfahren (durch optische Strahlung hervorgerufene Widerstandsänderung) und das SEI-Verfahren (Seebeck-Effekt-Abbildung) angewendet und entsprechend angepasst werden, um das Erzeugen gewünschter Messdaten zu ermöglichen. in beiden Verfahren kann ein Laserstrahl verwendet werden, um lokal einen kontaktierten elektrischen Stromweg in einem interessierenden Gebiet zu erwärmen, wodurch eine lokale Widerstandsänderung (OBIRCH) oder ein Seeback-Effekt (SEI) hervorgerufen werden, so dass in beiden Verfahren die Widerstandsänderung oder Seeback-Effekt eine Änderung des elektrischen Stromes hervorrufen kann, der durch den kontaktierten elektrischen Stromweg fließt. Diese Änderung des elektrischen Stromes kann erfasst und verwendet werden, um Eigenschaften des Stromweges durch synchrones Abtasten des optischen Strahls in Bezug zu dem Messprozess zum Erfassen der Änderung des elektrischen Stromes darzustellen. Jedoch können, wie nachfolgend erläutert ist, andere Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um einen lokal begrenzten Heizfleck über ein interessierendes Gebiet zum Erfassen dynamischer Prozesse und/oder zum Modifizieren von Eigenschaften des interessierenden Gebiets zu bewegen.
  • Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit kupferbasierten Verbindungsstrukturen ist, da diese Strukturen vorzugsweise in modernen Mikrostrukturen, etwa schnellen Mikroprozessoren, eingesetzt werden, wobei insbesondere das Problem der Elektromigration deutlich die weiteren Entwicklungen bei der Herstellung modernster integrierter Schaltungen beeinflussen kann und auch einen deutlichen Einfluss auf die Produktionsausbeute und die Gesamtherstellungskosten ausüben kann. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können jedoch auch effizient auf eine beliebige interessierende Mikrostruktur mit entsprechenden Metallgebieten angewendet werden, in denen belastungsinduzierte Materialtransportphänomene deutlich den Betrieb und die Zuverlässigkeit der Mikrostruktur beeinflussen können. Der Einfachheit halber sind derartige metallenthaltende Strukturen einfach als Metallisierungsschicht oder Verbindungsstruktur bezeichnet, wobei eine spezielle Konfiguration einer derartigen Metallisierungsschicht oder Verbindungsstruktur nicht auf eine spezielle Anordnung eingeschränkt ist, sofern derartige Einschränkungen nicht speziell in der detaillierten Beschreibung und in den angefügten Patentansprüchen dargelegt sind. Folglich können belastungsinduzierte Materialtransportprobleme für eine beliebige Art eines interessierenden leitenden Materials, etwa Metalle, Metalllegierungen, oder Metallverbindungen, die in aktuellen und künftigen Mikrostruktursystemen verwendet werden, für eine große Bandbreite von Belastungsbedingungen auf Grund der effizienten Erzeugung und Sammlung von geeigneten Messdaten effektiv untersucht werden.
  • Bekanntlich ist die Beeinträchtigung eingelegter, d. h. eingebetteter, Metallleitungen mit einem gerichteten Materialtransport in der Leitung verknüpft. Der Gradient des elektrischen Potentials verleiht den wandernden Atomen eine bevorzugte Richtung zur Anode. Lokale Temperaturspitzen, die durch erhöhte elektrischen Stromdichten hervorgerufen werden, führen zu Temperaturgradienten während des Betriebs eines Mikrostrukturbauelements und daher ist zusätzlich die thermische Migration eng mit der Elektromigration verwandt. Es wurde ferner vorgeschlagen, dass mechanische Belastungsgradienten vorzugsweise für Kontaktlochl/Leitungsstrukturen zu erwarten sind, die daher erhöhten Aufwand bei der Untersuchung des belastungsinduzierten Materialtransporteffekts erfordern, da zusätzlich in Kontaktlöchern die Ausbildung von Barrierenschichten und das Auffüllen von Kupfer eine äußerst kritische Prozesssequenz ist und daher deutlich zu dem Verhalten der Verbindungsstruktur beitragen kann. Folglich bietet die vorliegende Erfindung die Möglichkeit einer äußerst sensitiven Prozesssteuerung oder Überwachung oder eines Modifizierungsmechanismus auf der Grundlage einer großen Datenmenge, um damit die Möglichkeit zu bieten, statistisch relevante Schlüsse zu ziehen, und stellt ferner eine wirksame Möglichkeit bereit, festkörperphysikalische Beeinträchtigungsmechanismen für repräsentative Proben zu untersuchen, um damit das Verständnis von Schwachpunkten in der Verbindungstechnologie zu verbessern und um die mit der Zuverlässigkeit verknüpften Ausfälle in Verbindungsstrukturen zu reduzieren. Ferner können andere Fehlermechanismen, etwa die temporäre oder permanente Erzeugung neuer Stromwege bei spezifizierten Betriebs- oder Belastungsbedingungen effizient erkannt werden auf Grund der Möglichkeit des effizienten Überwachens größerer Bereiche der Metallisierungsschicht auf Grund der „Draufsicht", die in dieser Technik eingesetzt wird. Somit kann die Verbindungsstruktur in ihrer vollständig eingebetteten Konfiguration überwacht werden, wobei spezifizierte Belastungsbedingungen eingerichtet werden können, während zumindest eine elektrische Eigenschaft der Verbindungsstruktur überwacht wird. Da ferner die automatisch erzeugten und aufgezeichneten Messdaten dann verwendet werden können, um gleichzeitig erzeugte Bilddaten des interessierenden Gebiets zu bearbeiten, kann ein hohes Maß an Sichtbarkeit des entsprechenden dynamischen Verhaltens des interessierenden Gebiets erreicht werden, wodurch die Nachweisbarkeit von Fehlermechanismen und dergleichen deutlich verbessert wird.
  • Mit Bezug zu den 1a bis 1d und 2 werden nun weitere anschauliche Ausführungsformten der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
  • 1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer Mikrostruktur, etwa eines Halbleiterbauelements 150, das ein Substrat 151 aufweist, das ein beliebiges geeignetes Substrat zur Herstellung von Mikrostrukturelementen darauf und darin repräsentiert. In anschaulichen Ausführungsformen kann das Substrat 151 ein Substrat repräsentieren, das für die Herstellung integrierter Schaltungen darauf und dann geeignet ist, etwa ein Siliziumvollsubstrat, ein SOI-(Silizium-auf-Isolator) Substrat oder ein anderes geeignetes Trägermaterial mit einer darauf ausgebildeten kristallinen oder amorphen Halbleiterschicht für die Herstellung von Schaltungselementen. Über dem Substrat 151 ist eine Metallisierungsschicht 153 ausgebildet, die eine elektrische Verbindung mit einer darunter liegenden Metallisierungsschicht oder Kontaktschicht herstellt, die eine dielektrische Schicht 150 und entsprechende Metallgebiete 157 und 158 aufweist. Beispielsweise kann die dielektrische Schicht 150 einen Schichtstapel eines Zwischenschichtdielektrikums repräsentieren, der für das Passiveren von Schaltungselementen verwendet wird, wobei die Gebiete 157, 158 Kontaktgebiete von Schaltungselementen, etwa Drain- und Sourcegebiete von Transistoren, Gateelektroden und dergleichen darstellen können. In anderen Fällen repräsentieren die dielektrische Schicht 150 und die Metallgebiete 157, 158 eine Metallisierungsschicht einer modernen integrierten Schaltung. Die Metallisierungsschicht 153 kann ein Metallgebiet 155 umfassen, das in Form einer Metallleitung mit entsprechenden Kontaktdurchführungen, die Verbindungen zu den Metallgebieten 157 und 158 herstellen, vorgesehen sein kann. Ferner kann das Metallgebiet 155 in einer dielektrischen Schicht 156 gebildet sein, die aus einem geeigneten dielektrischen Material aufgebaut ist, wie es entsprechend den Bauteilerfordernissen notwendig ist. Beispielsweise kann in sehr modernen integrierten Schaltungen die dielektrische Schicht 156 eine Schicht oder einen Schichtstapel mit einem hohen Anteil an dielektrischen Materialien mit kleinem ε repräsentieren, während das Metallgebiet 155 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufgebaut sein kann. Es sollte beachtet werden, dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Metallisierungsschicht 153 möglicherweise in Kombination mit der Schicht 150 und den Metallgebieten 157, 158 eine speziell gestaltete Teststruktur repräsentieren können, die auf einem entsprechenden Testsubstrat 151 angeordnet sein kann, oder in anderen Ausführungsformen kann die Teststruktur an speziellen Positionen eines Produktssubstrats ausgebildet sein, wobei die Teststruktur, d. h. die Metallisierungsschicht 153, im Wesentlichen die gleichen Fertigungsprozesse wie sierungsschicht 153, im Wesentlichen die gleichen Fertigungsprozesse wie entsprechende Metallisierungsschichten und Verbindungsstrukturen entsprechender Produktbauelemente erfahren hat. Ferner kann das Metallgebiet 155 mit entsprechend gestalteten Kontaktbereichen (nicht gezeigt) verbunden sein, die einen Zugriff mittels externer Stromsonden ermögliche können. Beispielsweise können die Gebiete 157, 158 als Kontaktbereiche gestaltet sein oder können mit entsprechenden Kontaktbereichen verbunden sein, wenn die Eigenschaften der Metallisierungsschicht 153 abzuschätzen sind, beispielsweise im Hinblick auf die Elektromigration oder andere belastungsinduzierte Materialwandereffekte.
  • Das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 150 kann entsprechend gut etablierter Fertigungsprozesse hergestellt werden, wobei, wie zuvor erläutert ist, die Metallisierungsschicht 153, die ein interessierendes Gebiet für die nachfolgende Überwachung und/oder Modifizierung von Eigenschaften davon repräsentieren kann, gemäß den gleichen Prozessen wie Produktbauelemente hergestellt werden kann, die in entsprechenden Substratbereichen vorgesehen sind, oder das Halbleiterbauelement 150 kann ein Bauelement repräsentieren, das auf einem entsprechenden Substrat in Übereinstimmung mit spezifizierten Materialien und Prozessbedingungen hergestellt ist, um damit den Einfluss von Materialien und Prozessparametern auf die Zuverlässigkeit von Verbindungsstrukturen abzuschätzen.
  • 1b zeigt schematisch eine Draufsicht des Halbleiterbauelements 150, wobei mehrere Chipbereiche 159 auf dem Substrat 151 ausgebildet sein können, wobei mindestens einige der Chips 159 oder ein Gebiet benachbart zu speziellen Chips die Metallisierungsschicht 153, wie sie in 1a gezeigt ist, beinhalten.
  • 1c zeigt schematisch einen vergrößerten Bereich aus 1b, wobei ein Teil der Metallisierungsschicht 153 mit eingeschlossen ist. Beispielsweise sind in modernsten integrierten Schaltungen mehrere Metallleitungen in jeder Metallisierungsschicht vorgesehen, wobei die Metallleitungen zueinander im Wesentlichen in paralleler Weise ausgerichtet sind, wohingegen die entsprechenden Metallleitungen einer benachbarten darüber oder darunter liegenden Metallisierungsschicht im Wesentlichen senkrecht zu den Metallleitungen 155 angeordnet sind, um damit die parasitäre Kapazität zwischen benachbarten Metallisierungsschichten zu reduzieren. Durch Vorsehen der Metallisierungsschicht 153 entsprechend der Konfiguration einer tatsächlichen Metallisierungsschicht, wie sie in eigentlichen Produktbauelementen verwendet sind, kann das Verhalten der eigentlichen Produktbauelemente unter einer Vielzahl von Belastungsbedingungen und Betriebsbedingungen bewertet werden, wodurch das effiziente Erkennen von Fehlermechanismen und anderen Eigenschaften der Metallisierungsschichten der Produktbauelemente ermöglicht wird. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Metallisierungsschicht 153 insbesondere im Hinblick auf das Vorsehen geeigneter Kontaktbereiche eine beliebige gewünschte Konfiguration und eine Schaltungsanordnung aufweisen kann, wie sie für das Abschätzen von Eigenschaften davon als geeignet erachtet wird. Wenn beispielsweise das Verhalten von Kontaktdurchführungen der Metallisierungsschicht 153 und dessen Bewertung im Hinblick auf Fehlermechanismen und andere Elektromigrations- und belastungsinduzierte Phänomene von besonderem Interesse ist, kann das Metallgebiet 155 so gebildet werden, dass es eine große Anzahl von Kontaktdurchführungen beinhaltet, um damit die Wahrscheinlichkeit des Detektierens entsprechender Elektromigrations- oder anderer belastungsinduzierter Effekte, etwa Hohlräume in den Kontaktlöchern zu vergrößern. Es kann jedoch auch jede andere geeignete Konfiguration angewendet werden, wobei ein hohes Maß an Entwurfsflexibilität bereitgestellt wird, da das Abtasten der Metallisierungsschicht 153 mit einem lokal begrenzten Heizfleck durchgeführt werden kann, ohne dass eine spezielle Probenpräparation erforderlich ist.
  • Während des Erzeugens von Messdaten zur Bewertung des dynamischen Verhaltens der Metallisierungsschicht 153, d. h. spezieller Bereiche 153a davon, wird diese kontaktiert und mit einem Messsystems 120 verbunden, wie dies nachfolgend mit Bezug zu 1d detaillierter beschrieben ist. Das Verbinden der Metallisierungsschicht 153 mit dem Messsystem 120 kann gemäß anschaulicher Ausführungsformen das Kontaktieren eines oder mehrerer der Metallgebiete 155 mittels entsprechender elektrischer Sonden beinhalten, um damit das Messen eines Stromflusses in einem oder mehreren der Metallgebiete 155 zu ermöglichen. In anderen Ausführungsformen kann das Kontaktieren der Metallisierungsschicht 153 das Anlegen einer spezifizierten Vorspannung über spezifizierten Bereichen auf der Metallisierungsschicht 153 umfassen, wobei der entsprechende Bereich 153a nicht notwendigerweise in den Metallgebieten 155 angeordnet sein muss, sondern auch spezifizierte Positionen in der dielektrischen Schicht 156 umfassen kann, wenn beispielsweise Zuverlässigkeitsprüfungen im Hinblick auf Kurzschlüsse und dergleichen in dielektrischen Zwischenschichten während thermischer/elektrischer/mechanischer Stabilitätsuntersuchungen durchgeführt werden. Gleichzeitig kann der Storm, der durch eines oder mehrere der Metallgebiete 155 fließt, überwacht und/oder die Spannung und/oder der Strom können überwacht werden, die mittels des Messsystems 120 angelegt werden, um damit den Bereich 153 der Metallisierungsschicht 153 vorzuspannen, wobei beispielsweise ein Spannungsabfall einen Stromfluss und damit die Erzeugung eines neuen Stromweges innerhalb des interessierenden Bereichs 153a der Metallisierungsschicht 153 kennzeichnen kann. Während des Überwachens einer elektrischen Eigenschaft, die einen Stromfluss durch die Metallisierungsschicht 153 oder zumindest durch den Bereich 153a davon, kennzeichnet, wird ein lokal begrenzter Heizfleck 111 über den Bereich oder ein interessierendes Gebiet 153a geführt.
  • Es sollte beachtet werden, dass der lokal begrenzte Heizfleck 111 eine Abmessung aufweisen kann, die zum lokalen Erwärmen der von dem Fleck 111 bedeckten Fläche auf eine ausreichend hohen Temperatur geeignet ist, um damit eine Modifizierung des physikalischen Verhaltens, beispielsweise in Form einer Widerstandsänderung oder einer Änderung des thermoelektrischen Verhaltens, wie es in der etwa zuvor beschriebenen Seebeck-Konfiguration der Fall ist, und dergleichen zu erzeugen. Beispielsweise kann der Heizfleck 111 eine mittlere laterale Größe oder einen Durchmesser im Bereich von 1 μm bis mehrere Mikrometer aufweisen. Ferner ist eine Energiedichte innerhalb des Heizflecks 111 so eingestellt, dass ein merklicher Anstieg der Temperatur, beispielsweise im Bereich von ungefähr 30 bis 300 Grad C, innerhalb einer Zeitperiode im Bereich von mehreren Millisekunden bis mehreren Sekunden erreicht wird. Durch das lokale Erwärmen der Flächen, die dem Heizfleck 111 entspricht, kann sich eine physikalische Eigenschaft, etwa der elektrische Widerstand, ebenso in den modifizierten Bereich des Gebiets 153a ändern, wobei eine entsprechende Änderung effizient auf der Grundlage eines geeigneten elektrischen Parameters, etwa des Stromflusses, erkannt werden kann. Beispielsweise sei angenommen, dass das Messsystem 120 elektrisch mit dem obersten Metallgebiet 155, das in 1c gezeigt ist, verbunden ist und der Widerstand der Leitung 155 in einer zeitlich synchronisierten Weise in Bezug auf den Abtastvorgang des Heizflecks 111 über das Gebiet 153a gemessen wird, wodurch lokal mehrere Abtastpositionen, etwa Positionen 111a und 111b erwärmt werden, wie dies in 1c gezeigt ist. Während des lokalen Erwärmens kann der entsprechende Widerstand an der Abtastposition 111a einen spezifizierten Wert aufweisen, der deutlich von den Gesamteigenschaften des Metallgebiets 155 innerhalb der Bereiche, die die Abtastposition 111a umgeben, abhängt. Somit kann ein repräsentativer Wert für den Widerstand, d. h. den Stromfluss, genommen und automatisch mit der Abtastposition 111a verknüpft werden. In ähnlicher Weise kann der Heizfleck 111 zu der Abtastposition 111b bewegt und dabei zumindest lateral den Bereich der Abtastposition 111b erwärmen, wäh ren der Bereich um die Abtastposition 111a herum in seinen Gleichgewichtszustand zurückkehren kann, sofern der Heizvorgang keine permanente Modifizierung des Metallgebiets 115 in der ersten Abtastposition 111a hervorgerufen hat. In beiden Fällen können Messdaten, die vor dem eigentlichen Erwärmen des Gebiets um die Abtastposition 111b genommen wurden, anzeigen, ob die erste Abtastposition 111a zu ihren Gleichgewichtzustand zurückgekehrt ist oder nicht oder ob diese eine nur langsam abklingende oder permanente Modifizierung erfahren hat. Danach kann der Heizfleck an der Position 111b nunmehr aktiviert werden, um damit lokal die Position 111b zu erwärmen, wodurch ebenso automatisch entsprechende Messdaten zum Abschätzen einer elektrischen Eigenschaft, etwa des Widerstand des Metallgebiets 155 empfangen werden. Durch geeignetes Verknüpfen jeder Abtastposition 111a, 111b mit den entsprechenden Messdaten, was durch ein geeignetes Synchronisieren der Abtastoperation mit dem Erhalten und Speichern der entsprechenden Messdaten bewerkstelligt werden kann, kann ein aktueller Status des Gebiets 153a in Bezug auf sein elektrisches Verhalten ermittelt werden.
  • Da der gesamte Abtastvorgang und die Datennahme in einer zeitlich synchronisierten und automatisierten Weise ausgeführt werden, können mehrere aufeinanderfolgende Zustände des Gebiets 153a, wobei jeder Zustand einem Zeitfenster zum Erhalten des entsprechenden Datensatzes entspricht, überwacht und verglichen oder angezeigt oder anderweitig manipuliert werden, um damit das dynamische Verhalten des Gebiets 153a abzuschätzen, was äußerst vorteilhaft sein kann, wenn gleichzeitig spezielle Belastungsbedingungen angelegt werden, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Es sei beispielsweise angenommen, dass der belastungsinduzierte Materialtransport z. B. in dem Materialgebiet 155 auftritt auf Grund der erhöhten Temperaturen, die angelegt werden oder die sich während des Betriebs der Metallisierungsschicht 153 einstellen können. Beispielsweise kann ein vordefinierter Strom in das Metallgebiet 155 eingeprägt werden oder es kann eine vordefinierte Spannung an das Metallgebiet 155 angelegt werden, um einen Stromfluss in Abhängigkeit des Widerstands des Gebiets 155 zu erzeugen. Somit kann ein belastungsinduzierter Materialtransport, etwa Elektromigration, in dem Metallgebiet 155 stattfinden, wobei das dynamische Verhalten der Elektromigration das zu untersuchende Objekt des entsprechenden Testdurchlaufes sein kann. Durch lokales Erwärmen spezieller Bereiche des Gebiets 153a entsprechend den jeweiligen Abtastpositionen 111a, 111b und dergleichen kann die sich ergebende Änderung des Stromflusses mit den entsprechenden Abtastpositionen, beispielsweise der Position 111a, verknüpft werden, um damit den Einfluss der speziellen Abtastposition 111a auf den Gesamtstromfluss zu bewerten. Es sei angenommen, dass beispielsweise die Abtastposition 111a im Wesentlichen noch nicht durch Elektromigration beeinflusst ist, während eine merkliche Ausbildung von Hohlräumen jedoch in der Abtastposition 111b stattgefunden hat. In diesem Falle kann der Einfluss des lokalen Erwärmens der zweiten Abtastposition 111b deutlich unterschiedlich sein im Vergleich zu dem Effekt, der in der Abtastposition 111a erhalten wurde. Somit kann die Abtastposition 111b als eine kritische Position erkannt werden. Da der Abtastvorgang und die Messdatennahme automatisch synchronisiert sind gemäß einer gewünschten räumlichen und zeitlichen Auflösung, kann das dynamische Verhalten, d. h. Änderungen im Status des interessierenden Gebiets 153a, überwacht und aufgezeichnet werden, wodurch eine effizientes Mittel zum Erkennen und Lokalisieren von Fehlermechanismen und anderen Eigenschaften von Metallisierungsschichten bereitgestellt ist. Wie zuvor ausgeführt ist, muss das Kontaktieren des interessierenden Gebiets 153a nicht notwendigerweise implizieren, dass eines der Metallgebiete 155 kontaktiert wird, sondern kann das Kontaktieren spezifischer Bereiche beinhalten, etwa innerhalb der dielektrischen Schicht 156, wobei die dielektrischen Eigenschaften des Materials 156 überwacht werden können, wenn beispielsweise unterschiedliche Umgebungsbedingungen eingerichtet werden, etwa spezielle thermische, elektrische, mechanische oder andere Belastungsbedingungen. Durch Bewegen des Heizflecks 111 ist einer zeitlich synchronisierten Weise über das Gebiet 153a und durch synchrones Aufnehmen von Messdaten und Aufzeichnen dergleichen kann das dynamische Verhalten des dielektrischen Materials 156, das die Metallgebiete 155 beinhaltet, in einem äußerst effizienten Prozess abgeschätzt werden.
  • 1d zeigt schematisch ein System 100 zum Sammeln von Messdaten aus einem Bereich der Metallisierungsschicht, etwa dem Gebiet 153a, in einer automatisierten Weise, um damit eine effiziente in-situ-Fehleranalyse und Überwachung von Eigenschaften von Metallisierungsschichten zu ermöglichen. Das System 100 umfasst in anschaulichen Ausführungsformen Komponenten gut bekannter Detektionstechniken, wie sie zuvor benannt sind, d. h. Komponenten einer OBIRCH- und SEI-Technik, wobei ein optischer Strahl verwendet wird, um lokal entsprechende Abtastpositionen der Metallisierungsschicht aufzuheizen. Das System 100 kann eine Heizquelle 110 zum Erzeugen eines lokal begrenzten Heizfleckes, etwa dem Fleck 111, wie er in 1c gezeigt ist, umfassen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen weist die Heizquelle 110 eine optische Strahlenquelle auf, etwa eine Laserquelle und eine geeignete Strahloptik (nicht gezeigt), um einen optischen Strahl 112 zu bilden, der den lokal begrenzten Heizfleck 111 an einer speziellen Abtastposition erzeugt. Es sollte beachtet werden, dass der Begriff „lokal begrenzter Heizfleck" nicht beabsichtigt, eine Beschränkung im Hinblick auf die Eindringtiefe in dem interessierenden Gebiet aufzuerlegen, sondern lediglich eine lokal begrenzte laterale Größe bezeichnet, da einige dielektrische Materialien mehr oder weniger transparent sein können für eine spezifizierte Wellenlänge des optischen Strahls 112. Folglich kann eine „vertikale" Ausdehnung des lokal begrenzten Heizfleckes von der Belichtungswellenlänge und den optischen Eigenschaften der Materialzusammensetzung des interessierenden Gebiets 153a abhängen.
  • In einigen anschaulichen Ausführungsformen kann ein optisches Abbildungssystem, das in der Heizquelle 110 enthalten ist, vorgesehen werden, um zusätzlich Bilddaten von dem interessierenden Gebiet 153a bereitzustellen, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, die Bilddaten auf der Grundlage der entsprechenden Messdaten, die durch das lokale Aufheizen des interessierenden Gebiets 153a gewonnen werden, zu manipulieren bzw. zu bearbeiten. In anderen anschaulichen Ausführungsformen umfasst die Heizquelle 110 andere effiziente Wärmetransfermechanismen, etwa geeignet ausgebildete Düsen und dergleichen, um ein Wärmetransfermedium in einer sehr lokalisierten Weise auf das interessierende Gebiet 153a an diversen Abtastpositionen 111a, 111b aufzubringen. Beispielsweise kann erhitztes inertes Gas als ein Wärmetransfermedium verwendet werden, um damit in sehr lokalisierter Weise die entsprechenden Abtastpositionen zu erwärmen.
  • Das System 100 umfasst ferner das Messsystems 120, das mehrere elektrische Sonden 121, 122 umfassen kann, die ausgestaltet sind, spezifizierte Kontaktbereiche in der Metallisierungsschicht 153 zu kontaktieren. Ferner umfasst das System 100 einen Substrathalter 130, der gestaltet sein kann, um die erforderliche Abtastfunktion bereitzustellen, wenn die Heizquelle 110 keinen bewegbaren Heizfleck bereitstellen kann. Wenn andererseits die Heizquelle 110 die Abtastfunktion bereitstellen kann, kann der Substrathalter 130 ausgebildet sein, um die erforderliche Funktionsmöglichkeit im Hinblick auf die Substrathandhabung und Substrathalterung, sowie für das Anlegen spezieller Umweltbedingungen, etwa eine spezifizierte Substrattemperatur, mechanische Spannungen, und dergleichen, bereitzustellen.
  • Des weiteren kann das System 100 in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine Umweltkammer 140 aufweisen, die so gestaltet ist, dass das Einrichten spezifizierter Um gebungsbedingungen möglich ist, die auch als Belastungsbedingungen bezeichnet werden, wobei die Temperatur und/oder die Feuchtigkeit und/oder die Gaszusammensetzung und/oder die Menge und Art hochenergetischer Strahlung, und dergleichen auf der Grundlage spezieller Steuersignale einstellbar sind.
  • Das System 100 umfasst ferner eine Steuerung 160, die funktionsmäßig mit der Heizquelle 110, dem Messsystem 120, der Umweltkammer 140 und dem Substrathalter 130 verbunden ist. Somit kann die Steuerung 160 darin eingerichtet einen geeignet gestalteten Steuerungsalgorithmus aufweisen, um damit die Funktion der zuvor genannten Komponenten zu koordinieren, so dass entsprechende Messdaten, möglicherweise in Verbindung mit entsprechenden Bilddaten synchron zur Abtastung gewonnen werden, um damit eine Korrelation der Messdaten und der Positionsdaten zum Abschätzen des dynamischen Verhaltens des interessierenden Gebiets 153a zu ermöglichen. Dazu kann die Steuerung 160 einen Datenspeicherabschnitt 161 aufweisen, der so organisiert ist, dass Messdaten, Bilddaten und Positionsdaten, die von der Steuerung 160 empfangen werden, abgerufen und manipuliert werden, so dass entsprechende Messdaten mit den zugehörigen Abtastpositionen in Beziehung stehen.
  • Ferner kann das System 100 eine Datenanzeigeeinheit 170 aufweisen, die ausgebildet ist, die von dem Messsystem 120 erhaltenen Messdaten in einer räumlich oder zeitlich organisierten Weise anzuzeigen oder anderweitig anzugeben, um damit die Abschätzung des dynamischen Verhaltens des interessierenden Gebiets 153a zu erleichtern. In einer anschaulichen Ausführungsform kann die Datenanzeigeeinheit 170 ausgebildet sein, eine Sequenz aus Bildern von dem interessierenden Gebiet 153a bereitzustellen, wobei die Bilddaten auf der Grundlage entsprechender Messdaten, die von dem Messsystem 130 erhalten wurden, manipuliert werden können, um damit die Sichtbarkeit des dynamischen Verhaltens des interessierenden Gebiets 153a zu erhöhen. Beispielsweise können Pixel oder Pixelgruppen, die mit einer spezifizierten Abtastposition verknüpft sind, eine Farbe entsprechend dem Wert der Messdaten, die mit dieser spezifizierten Abtastposition verknüpft sind, erhalten. Somit kann die Entwicklung des interessierenden Gebiets 153a zumindest für einen spezifizierten elektrischen Parameter, etwa den Stromfluss durch einen Stromweg mit hoher Sichtbarkeit überwacht werden. Beispielsweise kann die Sequenz der Bilder in Form eines Videofilmstücks bereitgestellt werden, wodurch die Erkennung sogar sehr subtiler Änderungen im Zustand des interessierenden Gebiets 153a ermöglicht wird.
  • Während des Betriebs des Systems 100 wird während eines Zeitfensters die erste Abtastposition lokal erwärmt und es werden entsprechende Messdaten von dem System 120 ausgewählt und der Steuerung 160 zugeführt, die dann die Messdaten zusammen mit den entsprechenden Positionsdaten speichern kann. Danach kann die Steuerung 160 den Substrathalter 130 und/oder die Heizquelle 110 anweisen, eine nächste Abtastposition anzufahren, wobei gemäß einem speziellen Zeitablauf weitere Messdaten gesammelt und an die Steuerung 160 übermittelt werden, um diese gemäß der aktuellen Position des lokal begrenzten Heizfleckes abzuspeichern. Abhängig von der erforderlichen räumlichen und zeitlichen Auflösung können mehrere Abtastpositionen für ein entsprechendes Sammeln von Messdaten benutzt werden, die dann in geeigneter Weise von der Steuerung 160 zusammen mit den entsprechenden Positionsdaten gespeichert werden. Somit können Messdaten, die während des ersten Zeitfensters ermittelt werden, den Zustand des interessierenden Gebiets 153a zu dieser Zeit für eine zu überwachende spezifizierte Eigenschaft repräsentieren. In ähnlicher Weise kann während eines zweiten Zeitfensters die Sequenz wiederholt werden, um damit entsprechende Messdaten zu erhalten, die einen aktualisierten Zustand des interessierenden Gebiets 153a repräsentieren, wobei das dynamische Verhalten dann auf der Grundlage von Änderungen zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand ermittelt werden kann. Vorteilhafterweise können mehrere entsprechende Messdatensätze, wovon jeder einem speziellen Zeitfenster entspricht, ermittelt werden, um damit das Überwachen des dynamischen Verhaltens des interessierenden Gebiets 153a in einer äußerst effizienten Weise zu ermöglichen. Die Steuerung 160 kann in einigen Ausführungsformen zusätzlich einen Datenbearbeitungsprozess ausführen, um damit die Messdaten in einer optisch gut darstellbaren Weise bereitzustellen, d. h., in Form von Bildern des interessierenden Gebiets 153a mit Falschfarben, die den jeweiligen Messdaten entsprechen. Auf diese Weise können Fehlermechanismen oder andere Ereignisse und insbesondere belastungsinduzierte Materialtransportphänomene überwacht und bewertet werden. Ferner ist in einer anschaulichen Ausführungsform die Steuerung 160 ferner ausgebildet, die Umgebungsbedingungen für das interessierende Gebiet 153a in der Umweltkammer 140 in geeigneter Weise zu steuern.
  • Dadurch wird ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich von Testbedingungen erreicht, da komplexe Temperaturprofile, Belastungsgradienten und andere gewünschte Umgebungsbedingungen angelegt werden können, ohne nennenswert das Erzeugen eines entspre chenden Abtastheizfleckes zu beeinflussen. D. h., im Vergleich zu konventionellen SEM-Analyseverfahren können die Umgebungsbedingen in der Kammer 140 im Wesentlichen unabhängig von Vakuumerfordernissen, wie sie in konventionellen Techniken auftreten, ausgewählt werden. Ferner kann, wie zuvor erläutert ist, in Abhängigkeit von der Konfiguration des entsprechenden interessierenden Gebiets oder der Metallisierungsschicht 153 ein Kontakt durch die elektrischen Sonden 121, 122 während diverser Fertigungsphasen eingerichtet werden, wodurch das Überwachen spezieller Eigenschaften selbst in einem noch deutlich unvollständigen Zustand des Halbleiterbauelements 150 ermöglicht wird, wodurch ein hohes Maß an Flexibilität bereitgestellt wird und auch die Möglichkeit geschaffen wird, statistisch bedeutungsvolle linieninterne Messergebnisse zu erzeugen, die dann auch während der weiteren Bearbeitung des Halbleiterbauelements 150 verwendet werden können. Beispielsweise können Teststrukturen mit eingebaut werden, die das Kontaktieren der Teststruktur nach der Herstellung von Metallleitungen in einer spezifizierten Metallisierungsschicht ermöglichen, wodurch das Messen elektrischer Eigenschaften dieser Metallleitungen unmittelbar nach dem Fertigungsprozess möglich ist, wodurch Vorwärtskopplungs- und Rückkopplungssteuerungsdaten für den betrachteten Fertigungsprozess bereitgestellt werden. In diesem Sinne ist das System 100 ausgebildet, in-situ-Messdaten für die Fehleranalyse und/oder die Überwachung anderer Eigenschaften einer Metallisierungsschicht bereitzustellen.
  • 2 zeigt schematisch ein interessierendes Gebiet 253, dessen Eigenschaften überwacht oder modifiziert werden sollen, gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie zuvor erläutert ist, ist in modernsten Halbleiterbauelementen die Stromdichte in den entsprechenden Metallleitungen ein kritischer Wert und kann merklich die Zeit bis zum Ausfall sowie das Betriebsverhalten des Bauelements beeinflussen. Somit ist es wichtig, den elektrischen Widerstand entsprechender Metallgebiete für eine vorgegebene Bauteilanordnung zu reduzieren. Beispielsweise kann die Korngröße von Kupfer oder kupferbasierten Metallen deutlich den Gesamtwiderstand des entsprechenden Metallgebiets sowie das Verhalten im Hinblick auf ein vorzeitiges Ausfallen beeinflussen. Beispielsweise können in extrem größenreduzierten integrierten Schaltungen Grenzen einzelner Kristallkörner 255a und 255b eines Metallgebiets 255 deutlich dessen Widerstand bestimmen. Daher kann es vorteilhaft sein, die Anzahl der Korngrenzen zu reduzieren, was durch lokales Erwärmen des Metallgebiets 255 und Bewegen entlang der Längsrichtung bewerkstelligt werden kann, um damit die Anzahl der Korngrenzen darin zu reduzieren. Somit kann in diesem Falle das System 100, wie es zuvor beschrieben ist, auch vorteilhafterweise eingesetzt werden, um die elektrische Eigenschaft des Metallgebiets 255 zu modifizieren, indem ein richtungsabhängiger Heizprozess ausgeführt wird, in welchem ein lokal begrenzter Heizfleck 211 sequenziell entlang der Länge der Metallleitung 255 in überlappender Weise bewegt wird, um damit den erhitzten Bereich zu rekristallisieren und die rekristallisierte Struktur nach dem Kühlen des Bereichs „einzufrieren". Danach kann der Prozess mit einem benachbarten Bereich wiederholte werden, der dann im Wesentlichen die gleiche kristalline Struktur wie der zuvor erwärmte Bereich annimmt, wodurch äußerst große Kristallkörner entlang der Längsrichtung der Leitung 255 erreicht werden können.
  • Dabei kann der Gesamtwachstumsprozess für die Kristallkörner überwacht und gesteuert werden mittels eines entsprechend gestalteten Systems, etwa des Systems 100, wobei die Steuerung 160 in einer automatisierten Weise entsprechend einem spezifizierten Steuerungsalgorithmus den richtungsabhängigen Kristallwachstum ausführen und gleichzeitig dessen Wirksamkeit überwachen kann. Beispielsweise. kann das interessierende Gebiet 253 eine Teststruktur repräsentieren, die in der zuvor erläuterten Weise erhitzt wird, um damit geeignete Prozessparameter für die Behandlung tatsächlicher Bauteilstrukturen zu bestimmen. In anderen Ausführungsformen kann das System 100 ausgebildet sein, gleichzeitig mehrere Metallleitungen 255 zu behandeln, wovon einige so gestaltet sind, dass diese von dem Messsystem 120 kontaktiert werden, um damit gleichzeitig entsprechende Messdaten zum Abschätzen der Effizienz der Behandlung zu gewinnen. Wie zuvor erläutert ist, können beispielsweise typischerweise die Metallleitungen einer spezifizierten Metallisierungsschicht parallel angeordnet sein und somit können eine große Anzahl oder alle Metallleitungen gleichzeitig durch geeignetes Gestalten der Heizquelle behandelt werden, wobei zusätzlich in geeigneten Teststrukturen entsprechende Messdaten ermittelt und verwendet werden können, um damit die Qualität der betrachteten Behandlung abzuschätzen. Folglich wird ein äußerst effizienter Steuerungsmechanismus zum Verbessern des elektrischen Verhaltens von Metallleitungen bereitgestellt. Wie zuvor erläutert ist, kann eine entsprechende Änderung elektrischer Eigenschaften in der Metallleitung 255 effizient mittels einer entsprechenden Sequenz aus Bildern oder durch entsprechende Videofilmstücke überwacht werden, wodurch auch die Visualisierung des richtungsabhängigen Kristallwachstums in einer oder mehreren Metallleitungen 255 möglich ist.
  • Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Technik für das Untersuchen zeitabhängiger dynamischer Prozesse in elektrischen Stromwegen einer Metallisierungsschicht bereit. Die Technik ermöglicht die Automatisierung von Bild- und Datenaufzeichnung und der Einstellung von Belastungs- und Messbedingungen. Parameter, etwa die Vorspannung, die an ein interessierendes Gebiet angelegt wird, der Stromfluss durch das Metallgebiet oder durch einen anderen Stromweg in dem interessierenden Gebiet, Mess- oder Belastungszeiten, die Temperatur, die Zeitauflösung und die Bildqualität können als gesteuerte Parameter verwendet werden. Somit können Bildsequenzen oder Videofilmstücke in einer zeitlich aufgelösten Weise ermittelt werden, um damit die Untersuchung dynamischer Prozesse zu ermöglichen, etwa dem belastungsinduzierten Materialwandern von Verbindungsstrukturmaterial. Ferner ermöglicht das Anwenden spezieller Umgebungsbedingungen, etwa das Erwärmen der Probe entsprechend einem gewünschten Temperaturprofil, eine Beschleunigung temperaturabhängiger dynamischer Prozesse, etwa dem Materialtransport in Stromwegen, d. h. belastungsinduzierter Materialwanderung, oder die Initiierung des Auftretens neuer aktiver Stromwege, etwa Kurzschlüsse, etc., beispielsweise in dielektrischen Zwischenschichtmaterialien, wodurch die Möglichkeit geboten wird, in effizienter Weise die Stabilität dieser Materialien im Hinblick auf thermische, elektrische und mechanische Stabilität zu untersuchen. Ferner kann die vorliegende Erfindung anders als in konventionellen Verfahren zum Abschätzen von Elektromigrationseffekten oder Eigenschaften von Zwischenschichtdielektrika, in denen lediglich die Zeitdauer bis zum Ausfall erkannt wird, in einer breiten Fülle von Umgebungsbedingungen mit Strukturen durchgeführt werden, die auf nicht gesägten Substraten vorhanden sind, wobei dynamische Prozesse bis zum Ausfall überwacht werden können, wobei hervorgerufene Defekte unmittelbar erkannt und lokalisiert werden können, da sehr große Strukturen gleichzeitig überwacht werden können. Ferner können die Eigenschaften von Metallgebieten und dielektrischen Materialien lokal modifiziert werden, wobei gleichzeitig Messdaten bereitgestellt werden können, um damit die Wirksamkeit der Materialmodifizierung zu bewerten.
  • Weitere Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der vorliegenden Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims (20)

  1. Verfahren mit: automatischem Ausführen einer ersten Sequenz von Aktionen während eines ersten Zeitfensters, die umfassen: Abtasten mittels eines lokal begrenzten Heizfleckes eines Bereichs einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements, wobei die Metallisierungsschicht ein Metallgebiet aufweist; Bestimmen einer Position des Heizfleckes mindestens für einige Abtastpositionen; Anlegen einer Vorspannung an den Bereich; Erfassen einer Eigenschaft, die einen Stromfluss durch den Bereich der Metallisierungsschicht kennzeichnet, für jede der Abtastpositionen; und Aufzeichnen von Messdaten, die den Stromfluss repräsentieren, für jede Abtastposition als einen ersten Datensatz.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: während eines zweiten Zeitfensters, automatisches Ausführen einer zweiten Sequenz von Aktionen, während die Vorspannung beibehalten wird, wobei die Sequenz umfasst: Abtasten mittels des lokal begrenzten Heizfleckes des Bereichs der Metallisierungsschichten des Halbleiterbauelements; Bestimmen einer Position des Heizfleckes für die mindestens einigen Abtastpositionen; Erfassen eines Stromflusses durch den Bereich der Metallisierungsschicht für jede der Abtastpositionen; Aufzeichnen von Messdaten, die den Stromfluss repräsentieren, für jede Abtastposition, als einen zweiten Datensatz.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, das ferner Abschätzen eines dynamischen Verhaltens des Bereichs der Metallisierungsschicht auf der Grundlage des ersten und des zweiten Datensatzes umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, das ferner umfasst: Ermitteln von Bilddaten, die den Bereich der Metallisierungsschicht repräsentieren und Manipulieren der Bilddaten auf der Grundlage des ersten und des zweiten Datensatzes, um ein dynamisches Verhalten des Bereichs der Metallisierungsschicht visuell darzustellen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der lokal begrenzte Heizfleck durch einen optischen Strahl erzeugt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stromfluss in dem Metallgebiet detektiert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Steuern mindestens eines Parameters einer Umgebung des Bereichs während des Erhaltens des ersten Datensatzes umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Parameter der Umgebung einen Parameter zum Einstellen einer Temperatur und/oder einer Feuchtigkeit und/oder eines Druckes und/oder einer Hochenergiestrahlungsintensität umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 2, das ferner umfasst: Steuern einer Länge des ersten Zeitfensters und des zweiten Zeitfensters und einer Zeitdauer zwischen dem ersten Zeitfenster und dem zweiten Zeitfenster, um eine zeitliche Auflösung zum Abschätzen eines dynamischen Verhaltens des Bereichs zu steuern.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Steuern einer Anzahl der mindestens einigen Abtastpositionen und/oder einer Größe der Vorspannung und/oder eines Stromflusses durch das Metallgebiet.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metallgebiet eine Metallleitung repräsentiert und der lokal begrenzte Heizfleck entlang der Metallleitung in überlappender Weise abtastend bewegt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, das ferner Steuern des lokal begrenzten Heizfleckes, derart, dass eine Rekonfiguration einer kristallinen Struktur der Metallleitung ermöglicht wird, umfasst.
  13. Verfahren mit: Gewinnen einer Sequenz aus Bildern, wovon jedes einen Bereich einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements darstellt; für jedes der Bilder, Abtasten des Bereichs mit einem lokalisierten Heizfleck, um mehrere Abtastpositionen lokal zu erwärmen, Erhalten von Daten, die einen Stromfluss in dem Bereich kennzeichnen, für jede der Abtastpositionen und Manipulieren von Bilddaten entsprechend einer spezifizierten Position der Abtastpositionen auf der Grundlage der Daten, die der spezifizierten Abtastposition entsprechen; und Abschätzen eines dynamischen Verhaltens des Bereichs der Metallisierungsschicht auf der Grundlage der Sequenz manipulierter Bilder.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst: Steuern einer Bildqualität und/oder einer Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern und/oder einer Messzeit an jeder Abtastposition und/oder einer Anzahl an Abtastpositionen und/oder einer Abtastgeschwindigkeit, um eine Zeitauflösung zum Abschätzen des dynamischen Verhaltens zu steuern.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, das ferner Ausüben einer vordefinierten Belastungsbedingung auf den Bereich der Metallisierungsschicht während des Erhaltens der Sequenz aus Bildern umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei Ausüben der vordefinierten Belastungsbedingung Erzeugen eines vordefinierten Temperaturverlaufs des Bereichs während des Erhaltens der Sequenz aus Bildern umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, das ferner Steuern einer Dauer des Ausübens der vordefinierten Belastungsbedingung umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der lokal begrenzte Heizfleck durch einen optischen Strahl erzeugt wird.
  19. System zum Behandeln und Überwachen einer Metallschicht eines Halbleiterbauelements, mit: einer Heizquelle, die ausgebildet ist, einen lokal begrenzten Heizfleck bereitzustellen; einem Abtaster, der ausgebildet ist, den lokal begrenzten Heizfleck über einen Bereich der Metallisierungsschicht abtastend zu bewegen; einer Stromsonde, die ausgebildet ist, dass sie mit dem Bereich der Metallisierungsschicht verbunden wird und eine Eigenschaft erfasst, die einen Strom kennzeichnet, der durch einen Stromweg in dem Bereich fließt; und einer Steuerung, die funktionsmäßig mit der Heizquelle, dem Abtaster und der Stromsonde zur Steuerung der Heizquelle, des Abtasters und der Stromsonde verbunden ist, wobei die Steuerung ausgebildet ist, eine Position des lokal begrenzten Heizfleckes auf dem Bereich der Metallisierungsschicht zu bestimmen und mehrere Datensätze zu erhalten und zu speichern, wobei jeder einzelne Datensatz einem entsprechenden Zeitfenster entspricht und jeder entsprechende Datenpunkt eines individuellen Datensatzes einen Stromwert in dem Stromweg repräsentiert, der für eine mit dem entsprechenden Datenpunkt verknüpfte Abtastposition erhalten wurde.
  20. System nach Anspruch 19, das ferner einen einstellbaren Belastungsbedingungsgenerator aufweist, der funktionsmäßig mit der Steuerung verbunden und ausgebildet ist, eine vordefinierte Belastungsbedingung bei Erhalt eines Steuersignals von der Steuerung anzulegen.
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