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GEBIET DER
VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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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:
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1a schematisch
eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements mit einer Verbindungsstruktur,
deren Eigenschaften zu überwachen und/oder
zu modifizieren sind, zeigt;
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1b schematisch
eine Draufsicht des Halbleiterbauelements aus 1a darstellt;
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1c schematische
eine vergrößerte Ansicht
eines Abtastvorgangs mit einem lokal begrenzten Heizfleck und die
entsprechende automatisierte Datenaufzeichnung gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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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
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2 schematisch
eine Draufsicht auf eine Teststruktur für das automatische Überwachen
und Modifizieren der Eigenschaften einer Metallleitung gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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Mit
Bezug zu den 1a bis 1d und 2 werden
nun weitere anschauliche Ausführungsformten
der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.