DE102008000218A1

DE102008000218A1 - Halbleiteranordnungsteststrukturen und Verfahren

Info

Publication number: DE102008000218A1
Application number: DE102008000218A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Walter
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2028-02-02
Also published as: US8847222B2; US7851237B2; DE102008000218B4; US20080206908A1; US20110042671A1

Abstract

Halbleiteranordnungsteststrukturen und Verfahren werden offenbart. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Teststruktur eine Zuleitung, eine Beanspruchungsleitung, die in der Nähe der Zuleitung angeordnet ist, und ein leitendes Merkmal, das zwischen der Beanspruchungsleitung und der Zuleitung angeordnet ist. Die Testruktur beinhaltet einen Temperatureinsteller in der Nähe zumindest des leitenden Merkmals und zumindest eine Rückmeldungsanordnung, die an den Temperatureinsteller und zumindest das leitende Merkmal gekoppelt ist.

Description

Bezug zu verwandten Patentanmeldungen
Diese Patentanmeldung bezieht sich auf die folgende ebenfalls anhängige und von den gleichen Anmeldern stammende US-Patentanmeldung: amtliches Aktenzeichen ______, Anwaltsaktenzeichen 2006P 54041 US, angemeldet am 06. Februar 2007, mit dem Titel "Semiconductor Device Test Structures and Methods", diese Patentanmeldung ist hiermit durch Bezug eingearbeitet.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung von Halbleiteranordnungen und insbesondere auf Teststrukturen und Verfahren für Halbleiteranordnungen.
Hintergrund
Halbleiteranordnungen werden allgemein in einer Vielzahl von elektronischen Anwendungen verwendet wie z. B. Computern, Mobiltelefonen, persönlichen Datenverarbeitungsgeräten und vielen anderen Anwendungen. Heim-, Industrie- und Kraftfahrzeuggeräte, welche in der Vergangenheit lediglich mechanische Komponenten aufwiesen, besitzen nun z. B. elektronische Teile, die Halbleiteranordnungen erfordern.
Halbleiteranordnungen werden durch Abscheiden vieler verschiedener Arten von Materialschichten über einem Halbleiterwerkstück oder Wafer und Strukturieren der verschiedenen Materialschichten mittels Lithografie hergestellt. Die Materialschichten umfassen typischerweise dünne Schichten von leitenden, halbleitenden und Isoliermaterialien, welche zum Ausbilden integrierter Schaltungen (IC, integrated circuit) strukturiert und geätzt werden. Eine Vielzahl von Transistoren, Speicheranordnungen, Schaltern, Leitbahnen, Dioden, Kondensatoren, logischen Schaltungen und anderen elektronischen Komponenten kann auf einem einzelnen Halbleiterplättchen (die) oder Chip ausgebildet werden.
Halbleiteranordnungen beinhalten typischerweise eine oder mehrere Metallisierungsschichten, die üblicherweise in den oberen Materialschichten der Halbleiteranordnungen in einem Back-End-Of-Line (BEOL) des Herstellungsprozesses ausgebildet werden. Die Metallisierungsschichten beinhalten Leitbahnen, die leitende Materialien wie z. B. Aluminium (Al), Kupfer (Cu) und andere Metalle beinhalten, welche von anderen Leitbahnen durch ein Isoliermaterial wie z. B. Siliziumdioxid (SiO₂) getrennt sind.
Elektromigration ist ein Phänomen, das in leitenden Materialien auftritt und das Probleme in Halbleiteranordnungen mit kleinen leitenden Merkmalen verursachen kann. Elektromigration ist der Transport von Material, der aufgrund einer Impulsübertragung zwischen leitenden Elektronen und diffundierenden Metallatomen durch das allmähliche Verschieben von Atomen in einem leitenden Material verursacht wird. Elektromigration tritt auf, wenn Elektronen einen Impuls an Atome übertragen, welcher verursacht, dass die Atome sich von ihren ursprünglichen Positionen weg bewegen.
Im Laufe der Zeit kann das Verschieben von Atomen von ihren ursprünglichen Positionen aufgrund von Elektromigration eine Unterbrechung oder Lücke in dem leitenden Material verursachen, was den Fluss von elektrischem Strom verhindert oder erschwert. In schmalen Verbindungsleitern, wie z. B. Leitbahnen, die Transistoren und andere Komponenten in integrierten Schaltungen verbinden, ist dies als ein Hohlraum oder innerer Ausfall-Stromunterbrechung bekannt. Elektromigration kann ebenso verursachen, dass die Atome eines Leiters sich ansammeln und in Richtung anderer in der Nähe gelegener Leiter driften, wodurch eine unbeabsichtigte elektrische Verbindung erzeugt wird, die als Hillock- oder Whisker-Fehler oder Kurzschluss bekannt ist. Sowohl Fehlstellen als auch Hillock- Fehler können zu einer Fehlfunktion einer integrierten Schaltung führen.
Elektromigration ist insbesondere ein Problem in Anwendungen, wo hohe Gleichstromdichten verwendet werden. Mit zunehmender Miniaturisierung erhöht sich die Fehlerwahrscheinlichkeit aufgrund von Elektromigration in Halbleiteranordnungen, weil kleinere Leitbahnen erhöhte Leistungsdichten und Stromdichten haben. Elektromigration kann schließlich zu dem Verlust einer oder mehrerer Verbindungen und zu dem zeitweisen Ausfall und/oder letztendlich zu dem dauerhaften Ausfall einer gesamten Schaltung führen.
Elektromigration ist eine inhärente Einschränkung für hochintegrierte (VLSI, very large scale integration) Verbindungssysteme, weil Elektromigrations-Zuverlässigkeitsthemen eine Stromdichtenerhöhung in sich ständig verkleinernden VLSI-Schaltungen begrenzt. Das Testen von Elektromigrationsleistungsfähigkeit ist folglich während der Technologieentwicklung und ebenso in dem Herstellungsprozess von Halbleiteranordnungen ein sehr wichtiger Faktor.
Ein Hauptkostenthema, dem die Halbleiteranordnungsentwickler gegenüberstehen, ist die Beschleunigung von Elektromigrationstestzeiten, welche derzeit von z. B. einigen Stunden bis einigen Tagen reichen. Temperatur- und Stromdichte sind zwei Faktoren, die bei der Beschleunigung von Elektromigrationstestzeiten involviert sind. Beide Faktoren sind limitiert: eine erhöhte Temperatur kann andere Nicht-Elektromigrationsdegradationsmechanismen auslösen, während eine erhöhte Stromdichte dazu tendiert, Temperaturinhomogenitäten in Teststrukturen zu verursachen, wodurch die Elektromigrationsbeurteilung verschlechtert oder verhindert wird. Temperaturinhomogenitäten sind insbesondere in Teststrukturen, die z. B. sowohl Leitbahnen als auch Vias oder Kontakte umfassen, ausgeprägt. Via- und Kontaktthemen können unabhängig von Leitbahnthemen sein und sind insbesondere kritische Themen für z. B. Cu- und AlCu-Verbindungssysteme geworden.
Folglich besteht ein Bedarf an verbesserten Strukturen und Verfahren zum Testen von Elektromigration und elektromigrationsbezogenen Parametern in Halbleiteranordnungen.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese und andere Probleme werden allgemein durch bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, welche verbesserte Strukturen und Verfahren zum Testen und Messen von Elektromigration und elektromigrationsbezogenen Parametern in Halbleiteranordnungen bereitstellt, gelöst oder umgangen, und technische Vorteile werden allgemein erzielt.
In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Teststruktur eine Zuleitung, eine Beanspruchungsleitung, die in der Nähe der Zuleitung angeordnet ist, und ein leitendes Merkmal, das zwischen der Zuleitung und der Beanspruchungsleitung angeordnet ist. Die Teststruktur beinhaltet einen Temperatureinsteller in der Nähe von zumindest dem leitenden Merkmal und zumindest einer Rückmeldungsanordnung, die an den Temperatureinsteller und zumindest das leitende Merkmal gekoppelt ist.
Das Vorangegangene hat die Merkmale und technischen Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eher breit umrissen, damit die folgende ausführliche Beschreibung der Erfindung besser verstanden werden kann. Zusätzliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung darstellen, werden nachfolgend beschrieben. Vom Fachmann sollte wahrgenommen werden, dass die offenbarte Idee und spezifischen Ausführungsbeispiele leicht als Grundlage verwendet werden können, um andere Anordnungen oder Prozesse, welche die gleiche Zielsetzung wie die vorliegende Erfindung erfül len, abzuändern oder zu entwickeln. Vom Fachmann sollte ebenso wahrgenommen werden, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht vom Kern und Umfang der Erfindung, wie in den anhängenden Ansprüchen dargelegt, abweichen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die nachfolgende Beschreibung in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in welchen:
1 eine Schnittansicht einer Teststruktur einer Halbleiteranordnung in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, die einen Temperatureinsteller und einen Regelkreis zum Erzielen von Temperaturgleichmäßigkeit in der Teststruktur beinhaltet;
2 und 3 Diagramme sind, welche die Effekte des Temperatureinstellers und des Regelkreises auf die Temperaturgleichmäßigkeit der in 1 gezeigten Teststruktur darstellen;
4 eine Schnittansicht einer Teststruktur in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, die einen Temperatureinsteller in der Nähe eines Vias zwischen einer Zuleitung und einer Beanspruchungsleitung beinhaltet, wobei ein Strom durch das Via in einer nach oben gerichteten (upstream) Richtung hindurchgeleitet wird;
5 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Temperatureinsteller einen Kontakt mit einem oberen Teilbereich eines Vias herstellt;
6 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Temperatureinsteller einen Kontakt mit einem unteren Teilbereich eines Vias herstellt;
7 und 8 Schnittansichten von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zeigen, die Wärmekollektoren in der Nähe des Vias der Teststruktur beinhalten;
9 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Temperatureinsteller in einer Richtung senkrecht zu der Teststruktur angeordnet ist;
10 ein Ausführungsbeispiel zeigt, wobei die Zuleitung in der gleichen leitenden Materialschicht wie die Beanspruchungsleitung ausgebildet ist, und wobei der Temperatureinsteller senkrecht zu der Zuleitung und der Beanspruchungsleitung angeordnet ist;
11 bis 16 perspektivische Ansichten von Teststrukturen in Übereinstimmung mit mehreren bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zeigen;
17 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt, das eine Teststruktur zur Bestimmung eines thermischen Widerstandskoeffizienten (TCR, thermal coefficient of resistance) in der Nähe der Zuleitung der Teststruktur beinhaltet; und
18 eine Draufsicht eines Halbleiterwafers ist, welche darstellt, dass die neuen Teststrukturen von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in einem Bruchlinien-Gebiet, einem Halbleiterplättchengebiet, oder einem unvollständig ausgebildeten Halbleiterplättchengebiet eines Halbleiterwafers ausgebildet sein können.
Übereinstimmende Ziffern und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich, sofern nicht anders angegeben, im Allgemeinen auf übereinstimmende Teile. Die Figuren wurden gezeichnet, um die relevanten Aspekte der bevorzugten Ausführungsbeispiele klar darzustellen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet.
Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
Die Herstellung und Verwendung der derzeitig bevorzugten Ausführungsbeispiele wird nachfolgend im Detail erläutert. Allerdings sollte wahrgenommen werden, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Ideen bereitstellt, die in einer breiten Vielfalt von spezifischen Zusammenhängen ausgeführt werden können. Die erläuterten spezifischen Ausführungsbeispiele dienen hauptsächlich dazu, spezifische Wege, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, zu erläutern und beschränken nicht den Umfang der Erfindung.
Herkömmliche Via-Leitung-Teststrukturen zum Messen von Elektromigration umfassen typischerweise eine Zuleitung zur Stromversorgung und eine Beanspruchungsleitung, die zur Durchführung von Elektromigrationsmessungen verwendet wird. Die Beanspruchungsleitung ist in einer anderen leitenden Materialschicht als die Zuleitung ausgebildet, und die Zuleitung ist mit der Beanspruchungsleitung für die Elektromigrationsmessungen durch ein oder mehrere Vias, die zwischen den zwei leitenden Materialschichten angeordnet sind, verbunden. Um die Testzeit von solch herkömmlichen Teststrukturen zu beschleunigen, wird häufig der Teststrom erhöht. Jedoch führt das Erhöhen der Strommenge zu Stromwärme (Joule's heating), welche dazu tendiert uneinheitlich entlang der Länge der Teststruktur zu sein. Die Größenvariation der Beanspruchungsleitung, der Zuleitung und des Vias, welche von unbeabsichtigten Prozessvariationen der Dicken und Breiten der dielektrischen Schicht und des leitenden Materials stammen kann, kann Temperaturinhomogenitäten in einer Elektromigrations-Teststruktur erzeugen oder ändern.
Beispielsweise kann die Temperatur des Vias, das die Beanspruchungsleitung und die Zuleitung verbindet, höher oder niedriger als in der Beanspruchungsleitung sein. Die Temperatur des Vias kann aufgrund typischer Herstellungsprozessvariationen nicht vorhersagbar sein. Das Via zwischen der Bean spruchungsleitung und der Zuleitung ist im Querschnitt kleiner als die Beanspruchungsleitung und Zuleitung, und hat einen höheren spezifischen Widerstand als die Zuleitung und Beanspruchungsleitung, was zu heißen Stellen (hat spots) an dem Viaort führt. Darüber hinaus ist die Temperatur der Zuleitung typischerweise erheblich geringer als die Temperatur der Beanspruchungsleitung, z. B. ungefähr 50% geringer in einigen herkömmlichen Teststrukturen. Die verringerte Temperatur der Zuleitung im Vergleich zu der Beanspruchungsleitung kann z. B. durch eine größere Breite der Zuleitung, eine größeren Nähe der Zuleitung zu dem Substrat oder durch Prozessvariationen in der Herstellung der zwei leitenden Materialschichten der Teststruktur, in denen die Zuleitung und die Beanspruchungsleitung ausgebildet werden, verursacht werden.
Das inhomogene Temperaturprofil von solch herkömmlichen Elektromigrations-Teststrukturen kann Viafehler verbergen oder ankündigen und kann eine quantitative Elektromigrationsbewertung einer Halbleiteranordnung erschweren. Folglich besteht in dem Fachgebiet ein Bedarf an verbesserten Strukturen und Verfahren zum Testen von Elektromigration in Halbleiteranordnungen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung stellen neue Testverfahren und Teststrukturen bereit, die verwendet werden können, um die Temperatur und/oder Elektromigration in Halbleiteranordnungen effektiv und schnell zu messen und zu testen. Ein Temperatureinsteller, der einen Heizer und/oder Kühler umfasst, ist in der Nähe eines Vias zwischen der Zuleitung und der Beanspruchungsleitung der Teststrukturen angeordnet. Ein Regelkreis wird verwendet, um die Temperatur des Vias mittels des Regelkreises und des Temperatureinstellers zu überwachen und zu regeln. Der Temperatureinsteller kann angepasst sein, um das Viagebiet zu erhitzen oder zu kühlen, was nachfolgend hierin beschrieben wird.
1 zeigt eine Schnittansicht einer Teststruktur 100 einer Halbleiteranordnung in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Teststruktur 100 beinhaltet ein Werkstück 102 und einen Temperatureinsteller 104, der in einer über dem Werkstück 102 ausgebildeten Materialschicht M0 angeordnet ist. Eine Beanspruchungsleitung 106 ist in einer über dem Temperatureinsteller 104 ausgebildeten Materialschicht M1 angeordnet. Die Beanspruchungsleitung 106 kann z. B. viel länger als die Zuleitung 108 sein, was durch die Unterbrechung in den Materialschichten 102, 112 und 106 in 1 angedeutet ist. Eine Zuleitung 108 ist in einer Materialschicht M2 in der Nähe der Materialschicht M1 angeordnet, z. B. über der Beanspruchungsleitung 106. Die Beanspruchungsleitung 106 ist vorzugsweise in der Nähe der Zuleitung 108 angeordnet. Die Zuleitung 108 ist an die Beanspruchungsleitung 106 durch ein Via (oder Kontakt) 110 gekoppelt, das in einer Materialschicht V1 zwischen der Zuleitung 108 und der Beanspruchungsleitung 106 angeordnet ist, welche in den Materialschichten M2 bzw. M1 ausgebildet sind. Das Via 110 wird hierin ebenso z. B. als ein leitendes Merkmal oder ein beanspruchtes Via bezeichnet. Der Temperatureinsteller 104 ist vorzugsweise in der Nähe zumindest des Vias 110 angeordnet. Der Temperatureinsteller 104 ist angepasst, um die Temperatur zumindest des Vias 110 zu verändern, z. B. durch Erhitzen oder Kühlen 118 des Vias 110. Ein Teilbereich der Zuleitung 108 kann ebenfalls durch den Temperatureinsteller 104 erhitzt werden.
1 zeigt ebenfalls einen Regelkreis 114, der in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise extern zu der Halbleiteranordnung implementiert ist, in der die Teststruktur 100 ausgebildet ist, aber ebenso auf der Halbleiteranordnung implementiert sein kann, in der die Teststruktur 100 ausgebildet ist. Der Regelkreis 114 umfasst zumindest eine Rückmeldungsanordnung, die an den Temperatureinsteller 104 und zumindest das Via 110 gekoppelt ist und kann, wie gezeigt, eine Vielzahl von Rückmel dungsanordnungen 114a, 114b, 114c und 114d umfassen. Rückmeldungsanordnung 114a kann z. B. einen Regler umfassen. Rückmeldungsanordnungen 114b und 114c können Temperaturbestimmer umfassen und Rückmeldungsanordnung 114d kann einen Signalsummierer (signal summer) umfassen. Alternativ können die Rückmeldungsanordnungen 114a, 114b, 114c, 114d andere Anordnungen, Schaltungen oder Elemente umfassen. Der Regelkreis 114 kann ebenso in Software implementiert werden, z. B. unter Verwendung von Spannungseingängen an Kontaktpunkten 116a, 116b, 116c und 116d. Der Regelkreis 114 ist in einigen Ausführungsbeispielen vorzugsweise angepasst, um eine Temperatur zumindest des Vias 110 zu überwachen und zu regeln und ebenso um die Temperatur der Beanspruchungsleitung 106 zu überwachen.
In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel des in 1 gezeigten Regelkreises 114 ist der Ausgang der Rückmeldeanordnung 114a, der einen Controller umfasst, an den Temperatureinsteller 104 gekoppelt, z. B. an Kontaktpunkt 116d. Der Eingang des Controllers 114a ist an ein Signal gekoppelt, das einen Fehler zwischen einem Temperaturdifferenz-Sollwert und einem Offset zwischen einer Temperatur des leitenden Merkmals 110 und einer Temperatur der Beanspruchungsleitung 106 anzeigt. Die Eingänge des Temperatur-Bestimmers 114b sind an Kontaktpunkte 116a und 116b gekoppelt, und das Signal, welches von dem Temperatur-Bestimmer 114b ausgesandt wird, gibt die Temperatur T₁ des beanspruchten Vias 110 an, welches die Eingabe für einen Eingang des Signalsummierers 114d ist. Die Eingänge von Temperatur-Bestimmer 114c sind an Kontaktpunkte 116b und 116c gekoppelt, und das Signal, das von dem Temperatur-Bestimmer 114c ausgesandt wird, gibt die Temperatur T₂ der Beanspruchungsleitung 106 an. Das Signal, das von Temperaturbestimmer 114c ausgesandt wird, ist an einen Eingang des Signalsummierers 114d gekoppelt. Ein Offset-Sollsignal ΔT_SET kann ebenfalls an einen Eingang des Signalsummierers 114d gekoppelt sein. Der Ausgang des Signalsummierers 114d ist an den Eingang des Controllers 114a gekoppelt. Der Regelkreis 114 ist angepasst, um die Temperaturen T₁ und T₂ des bean spruchten Vias 110 bzw. der Beanspruchungsleitung 108 zu vergleichen und die Temperatur zumindest des Gebiets des beanspruchten Vias 110 (beispielsweise, und optional ebenso zumindest eines Teilbereichs der Zuleitung 108) unter Verwendung des Temperatureinstellers 104 zu erhöhen und/oder zu verringern, so dass die Temperaturen T₁ und T₂ im Wesentlichen die gleichen sind, oder alternativ um eine vorherbestimmte beabsichtigte Temperaturdifferenz, z. B. um den Betrag einer Offset-Sollsignal ΔT_SET-Eingabe zu dem Signalsummierer 114d zu erreichen.
Um die Teststruktur 100 zu betreiben, wird ein Strom 119 unter Verwendung der Zuleitung 108 durch die Beanspruchungsleitung 106 geleitet und Eigenschaften der Beanspruchungsleitung 106, wie z. B. Widerstand und Spannungsverlust, werden gemessen, um den Betrag der Temperatur und/oder Elektromigration in der Halbleiteranordnung, in der die Teststruktur 100 ausgebildet ist, zu überwachen. Man beachte, dass der den Strom 119 darstellende Pfeil in den Figuren die Richtung des Elektronenflusses in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung andeutet.
Zu einem Zeitpunkt, z. B. zu Beginn des Elektromigrationstests, ist die Temperatur T₁ des beanspruchten Vias 110 durch Abfragen (sensing) der Temperatur unter Verwendung der Kontaktpunkte 116a und 116b, die auf beiden Seiten des beanspruchten Vias 110 angeordnet sind, bestimmbar. Die Temperatur T₂ der Beanspruchungsleitung 106 kann durch Messen der Temperatur unter Verwendung der Kontaktpunkte 116b und 116c, die an beiden Enden der Beanspruchungsleitung 106 angeordnet sind, erhalten werden. Für den restlichen Elektromigrationstest kann in einigen Ausführungsbeispielen der Ausgang des Controllers 114a z. B. auf einen Festwert festgestellt werden. Die Abfrageleitungen zum Messen der Elektromigrationseffekte und der Temperatur des gestressten Vias 110 und der Beanspruchungsleitung 106 sind z. B. vorzugsweise identisch.
Die Abfrageleitungen können z. B. an die Kontaktpunkte 116a, 116b und 116c in den Materialschichten M2 und M1 gekoppelt sein (in 1 nicht gezeigt; nachfolgend hierin mit Bezug auf die 11 bis 17 beschrieben). Die Temperaturen T₁ und T₂ können erzielt werden, indem ein Strom 119 durch die Teststruktur 100 z. B. von der Zuleitung 108 durch das Via 110 und durch die Beanspruchungsleitung 106 geleitet wird. Der Widerstand des Vias 110 und der Beanspruchungsleitung 106 kann bestimmt werden, indem die Spannung zwischen den Kontaktpunkten 116a und 116b bzw. 116b und 116c gemessen wird. Die Spannung zwischen den Kontaktpunkten 116a und 116b und den Kontaktpunkten 116b und 116c kann z. B. unter Verwendung des thermischen Widerstandskoeffizienten (TCR) der Materialien des Vias 110 und der Beanspruchungsleitung 106 in eine Temperatur übersetzt werden. Wenn sich der Widerstand erhöht, erhöht sich typischerweise die Temperatur. Folglich zeigen die Spannung und der Widerstand des Vias 110 und der Beanspruchungsleitung 106 z. B. die Temperatur des Vias 110 und der Beanspruchungsleitung 106 an. Diese Technik ermöglicht die Messung von Temperaturen bevor Elektromigrationseffekte anfangen, den Widerstand des beanspruchten Vias 110 und/oder der Beanspruchungsleitung 106 zu verändern. Nach der Temperaturbestimmung zeigt der Betrag von Widerstandsänderung des beanspruchten Vias 110 und/oder der Beanspruchungsleitung 106 die Effekte von Elektromigration auf die Teststruktur 100 an.
Zum Herstellen der neuen Teststruktur 100 wird zunächst das Werkstück 102 bereitgestellt. Das Werkstück 102 kann ein Halbleitersubstrat beinhalten, das z. B. durch eine Isolierschicht bedecktes Silizium oder andere Halbleitermaterialien umfasst. Das Werkstück 102 kann beispielsweise ebenso andere, nicht gezeigte, aktive Komponenten oder Schaltungen beinhalten, die in anderen Gebieten der Anordnung ausgebildet sind. Das Werkstück 102 kann z. B. Siliziumoxid über einkristallinem Silizium umfassen. Das Werkstück 102 kann andere leitende Schichten oder andere Halbleiterelemente, wie z. B. Transistoren, Dioden usw. beinhalten. Verbundhalbleiter, wie z. B. GaAs, InP, Si/Ge oder SiC können anstelle von Silizium verwendet werden. Das Werkstück 102 kann z. B. ein Silizium-auf-Isolator(SOI, silicon-on-insulator)-Substrat umfassen.
Ein Teil eines Isoliermaterials 112 wird über dem Werkstück 102 angeordnet. Das Isoliermaterial 112 kann z. B. SiO₂ oder ein anderes dielektrisches Material umfassen. Das Isoliermaterial 112 kann alternativ z. B. ein Material mit niedriger dielektrischer Konstante (k) mit einem k-Wert, der geringer ist als der k-Wert von SiO₂, umfassen. Das Isoliermaterial 112 ist in den Figuren als eine einzelne Schicht gezeigt; jedoch kann das Isoliermaterial alternativ z. B. eine Vielzahl von Isoliermaterialschichten umfassen.
Der Temperatureinsteller 104 wird in einer Materialschicht M0 ausgebildet, die über dem Werkstück 102, z. B. über dem Isoliermaterial 112, angeordnet ist. Die Materialschicht M0 kann eine leitende Materialschicht umfassen, die vorzugsweise in einigen Ausführungsbeispielen z. B. ein halbleitendes Material umfasst. Das halbleitende Material kann oder kann nicht z. B. ein Silizid beinhalten. Alternativ kann die Materialschicht M0 eine Metallisierungsschicht umfassen, die z. B. ein leitendes Material wie beispielsweise Cu, Al und/oder andere Metalle umfasst. Jedoch wird der Temperatureinsteller 104 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorzugsweise in einer Materialschicht M0 ausgebildet, die z. B. ein halbleitendes Material, wie beispielsweise Polysilizium, umfasst, weil Elektromigration in Halbleitern, wie z. B. Polysilizium, nicht auftritt. In anderen Ausführungsbeispielen wird der Temperatureinsteller 104 z. B. in einer Materialschicht ausgebildet, die ein Refraktärmetall, wie beispielsweise Wolfram (W), umfasst, das ebenfalls keine Elektromigration aufweist.
Der Temperatureinsteller 104 umfasst in einigen Ausführungsbeispielen vorzugsweise einen Heizer. Der Heizer kann eine breite Leitung von leitendem Material umfassen oder kann einen relativ schmalen, geschlängelten Weg von leitendem Mate rial umfassen, der als eine Heizschlange wirkt. Wenn ein Strom von einem Ende des Heizers zu einem gegenüberliegenden Ende des Heizers geleitet wird, erhöht sich die Temperatur des leitenden Materials. Ein Teil der Hitze breitet sich entlang des Wegs 118 aus, wobei er sich nach oben in Richtung des Gebiets des Vias 110 und ebenso in Richtung eines Teilbereichs der Zuleitung 108 bewegt, z. B. in Richtung der rechten Seite der Zuleitung 108 in der Nähe des Gebiets des Vias 110, die über dem Temperatureinsteller 104 angeordnet ist.
Alternativ kann der Temperatureinsteller 104 ein thermoelektrisches Element umfassen. Der Temperatureinsteller 104 kann z. B. ein Peltier-Element umfassen, das angepasst ist, um die Temperatur des Gebiets des Vias 110 zu verringern. Der Temperatureinsteller 104 kann zwei verschiedene (dissimilar) leitende Materialien umfassen, in denen eine Seite des Temperatureinstellers 104 z. B. gekühlt wird, wenn ein Strom durch den Temperatureinsteller 104 geleitet wird. Wenn der Temperatureinsteller 104 ein Peltier-Element umfasst, kann der Temperatureinsteller 104 ebenso z. B. durch Umpolen der an das Peltier-Element angelegten Spannung als ein Heizer verwendet werden, wodurch beispielsweise verursacht wird, dass der Strom in eine entgegengesetzte Richtung fließt. Wenn der Temperatureinsteller 104 ein Peltier-Element umfasst, wird vorzugsweise z. B. eine (nicht gezeigte) Wärmesenke verwendet, um entweder Wärme in einem Heizbetrieb aufzunehmen oder aufgenommene Wärme in ein anderes Medium oder Material in einem Kühlbetrieb abzuführen. Der Temperatureinsteller 104 kann ebenso z. B. ein ebenfalls nicht gezeigtes thermisches Grenzflächenmaterial (TIM, thermal interface material) beinhalten, das an das Peltier-Element angrenzt.
Der Temperatureinsteller 104 kann verwendet werden, um z. B. das Gebiet des Vias 110 und optional ebenso die Zuleitung 108 zu erhitzen oder zu kühlen. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Temperatureinsteller 104 verwendet werden, um z. B. das Gebiet des Vias 110 und optional ebenso zumindest einen Teil der Zuleitung 108 abwechselnd zu erhitzen und zu kühlen. Der Temperatureinsteller 104 kann verwendet werden, um die Temperatur zumindest des Gebiets des Vias 110 während Tests oder vor Tests zu verändern, um die Temperatur des Gebiets des Vias 110 beispielsweise vor dem Durchführen der Tests auf eine gewünschte Temperatur zu bringen.
Der Temperatureinsteller 104 wird innerhalb eines Isoliermaterials 112 ausgebildet. Die verschiedenen Materialschichten M0, M1, V1 und M2 beinhalten ebenfalls ein Isoliermaterial 112, das z. B. um die verschiedenen in diesen Materialschichten ausgebildeten Elemente herum ausgebildet ist. Das Isoliermaterial 112 kann eine Vielzahl von dielektrischen Schichten umfassen, wie z. B. Oxidschichten, Nitridschichten, Liner und Ätz-Stopp-Schichten. Einige der Schichten von Isoliermaterial 112 können beispielsweise Zwischenschicht-Dielektrikums(ILD, inter-level dielectric)-Schichten umfassen.
Als Nächstes wird eine leitende Materialschicht M1 wie gezeigt über dem Werkstück 102 ausgebildet. Die leitende Materialschicht M1 umfasst vorzugsweise eine Materialschicht, wo an anderer Stelle der Anordnung z. B. Leitbahnen für eine (nicht gezeigte) integrierte Schaltung, z. B. in einem BEOL-Prozess, ausgebildet werden. Die leitende Materialschicht M1 kann z. B. eine Metall-Verbindungs-Schicht umfassen. Die leitende Materialschicht M1 kann z. B. eine zuerst-ausgebildete Verbindungsschicht einer Mehrschichtverbindungsstruktur einer Halbleiteranordnung umfassen oder kann alternativ z. B. eine obere Verbindungs- oder Metallisierungsschicht einer Halbleiteranordnung umfassen.
Die Beanspruchungsleitung 106 wird in der leitenden Materialschicht M1 ausgebildet. Die Beanspruchungsleitung 106 wird von anderen in der leitenden Materialschicht M1 ausgebildeten Leitbahnen der Halbleiteranordnung durch das Isoliermaterial 112 getrennt und isoliert. Die Beanspruchungsleitung 106 kann z. B. eine Breite umfassen, die von einer minimalen Entwurfbreite wie z. B. ungefähr 100 nm bis zu mehreren μm reicht, und kann eine Länge von ungefähr 100 μm umfassen, obwohl die Beanspruchungsleitung 106 alternativ andere Abmessungen umfassen kann.
Als Nächstes wird ein Via 110 über der Beanspruchungsleitung 106 ausgebildet. Das Via 110 wird an die Beanspruchungsleitung 106 gekoppelt und stellt eine elektrische Verbindung zu dieser her. Das Via 110 wird z. B. in einer leitenden Materialschicht V1 der Halbleiteranordnung ausgebildet. Das Via 110 kann (obwohl nur ein Via 110 in den Figuren gezeigt ist) ein oder mehrere Vias 110 umfassen, die zwischen der Beanspruchungsleitung 106 und der Zuleitung 108 angeordnet sind. Andere, nicht gezeigte Vias können z. B. an anderer Stelle innerhalb der leitenden Materialschicht V1 in der Halbleiteranordnung ausgebildet werden. Die leitende Materialschicht V1 kann z. B. ein zuerst-ausgebildetes Via-Verbindungsniveau einer Mehrfachniveauverbindungsstruktur umfassen, oder die leitende Materialschicht V1 kann alternativ eine obere Via-Verbindungs- oder Metallisierungsschicht umfassen.
Eine Zuleitung 108 wird über dem Via 110 ausgebildet. Die Zuleitung 108 wird an das Via 110 gekoppelt und stellt eine elektrische Verbindung zu diesem her. Die Zuleitung 108 wird vorzugsweise in einer leitenden Materialschicht M2 der Halbleiteranordnung ausgebildet. Andere, nicht gezeigte Leitbahnen können z. B. an anderer Stelle innerhalb der leitenden Materialschicht M2 in der Halbleiteranordnung ausgebildet werden. Die leitende Materialschicht M2 kann z. B. eine als zweites ausgebildete Verbindungsschicht von Leitbahnen umfassen, oder kann alternativ eine obere Verbindungs- oder Metallisierungsschicht einer Mehrschichtverbindungsstruktur umfassen. Das beanspruchte Via 110 ist beispielsweise in der Nähe der Beanspruchungsleitung 106 und ist folglich während des Testens einer Elektromigrationsbeanspruchung ausgesetzt.
Die Zuleitung 108 kann in einigen Ausführungsbeispielen verbreitert sein, wodurch eine breite Metallplatte ausgebildet wird. Die Zuleitung 108 wirkt in diesen Ausführungsbeispielen auch als eine Wärmesenke oder ein Wärmekollektor. Jedoch kann in anderen Ausführungsbeispielen die Zuleitung 108 eine dünne Leitbahn umfassen, z. B. mit ungefähr der gleichen Breite wie die Beanspruchungsleitung 106.
Die leitende Materialschicht M2 umfasst in einigen Ausführungsbeispielen vorzugsweise z. B. die gleiche Dicke wie die leitende Materialschicht M1. Die leitende Materialschicht V1 kann ebenfalls z. B. die gleiche Dicke wie die leitenden Materialschichten M1 und M2 umfassen. Alternativ können die leitenden Materialschichten M1, M2 und V1 verschiedene Dicken umfassen. Die leitenden Materialschichten M1 und M2 umfassen vorzugsweise Al, Cu, Kombinationen davon und/oder andere Metalle. Die leitende Materialschicht V1 umfasst vorzugsweise z. B. W, Cu, Al, Kombinationen davon und/oder andere Metalle.
Die leitenden Materialschichten M1, V1 und M2 können ebenfalls andere Metallisierungsschichten innerhalb der Halbleiteranordnung umfassen, die z. B. in oberen Metallisierungsschichten der Anordnung ausgebildet sind; z. B. Mx, Vx und M(x + 1) Verbindungsniveaus. Der Temperatureinsteller 104 kann alternativ z. B. oberhalb der Zuleitung 108 und der Beanspruchungsleitung 106 z. B. in Verbindungsniveaus M(x + 2) ausgebildet werden.
Die Zuleitung 108, die Beanspruchungsleitung 106, das Via 110 und der Temperatureinsteller 104 können unter Verwendung von Damascene-Techniken ausgebildet werden, z. B. durch Abscheiden der Isoliermaterialschichten 112, Strukturieren der Isoliermaterialschichten 112 und Auffüllen der strukturierten Isoliermaterialschichten 112 mit einem leitenden Material. Das überschüssige leitende Material wird oberhalb der Isoliermaterialschichten 112 z. B. unter Verwendung eines chemisch-mechanischen Polier(CMP, chemical-mechanical polish)- Prozesses und/oder Ätzprozesses entfernt. Einzel- und/oder Dual-Damascene-Techniken können beispielsweise verwendet werden. Alternativ können die Zuleitung 108, die Beanspruchungsleitung 106, das Via 110 und der Temperatureinsteller 104 unter Verwendung subtraktiver Techniken ausgebildet werden, z. B. durch Abscheiden eines leitenden Materials, Strukturieren des leitenden Materials und Abscheiden der Isoliermaterialschichten 112 zwischen der Zuleitung 108, der Beanspruchungsleitung 106, dem Via 110 und dem Temperatureinsteller 104.
Die Zuleitung 108 wird hierin ebenso als eine erste Leitbahn bezeichnet. Die Beanspruchungsleitung 106 wird hierin ebenfalls als eine zweite Leitbahn bezeichnet. Ferner wird das Via 110 hierin ebenso als ein leitendes Merkmal oder ein beanspruchtes Via bezeichnet.
Der Regelkreis 114, der die Rückmeldungsanordnungen 114a, 114b, 114c und 114d in 1 beinhaltet, kann z. B. in Hardware, Software oder Hardware und Software ausgebildet werden. Die Rückmeldungsanordnungen 114a, 114b, 114c und 114d, die in einer schematischen Darstellung in 1 gezeigt sind, können in dem Werkstück 102 an (nicht gezeigter) anderer Stelle auf der Halbleiteranordnung oder dem Chip, auf der/dem die Teststruktur 100 ausgebildet ist, ausgebildet werden, und können mit dem Temperatureinsteller 104 und den Kontaktpunkten 116a, 116b, 116c und 116d beispielsweise durch in den leitenden Materialschichten M0, M1 und M2 ausgebildete Leitbahnen verbunden werden. Alternativ kann der Regelkreis 114 z. B. Hardware und/oder Software umfassen, die extern zu der Halbleiteranordnung, auf der die Teststruktur 100 ausgebildet ist, angeordnet ist.
Die Teststruktur 100 erzielt eine Homogenität der Zuleitung 108 und der Beanspruchungsleitung 106, indem die Möglichkeit bereitgestellt wird, die Temperatur des Gebiets des Vias 110 aktiv einzustellen, z. B. unter Verwendung des Temperatur einstellers 104. Der Regelkreis 114 stellt eine Temperaturgleichmäßigkeit in der Teststruktur 100 sicher. Die Rückmeldungsanordnungen 114a, 114b, 114c und 114d können verwendet werden, um die Temperatur des Vias 110 mit der Temperatur der Beanspruchungsleitung 106 zu vergleichen, und wenn das Via 110 kühler ist als die Temperatur der Beanspruchungsleitung 106, kann das Via 110 durch den Temperatureinsteller 104 erhitzt werden. Desgleichen kann das Via 110, wenn das Via 110 wärmer ist als die Temperatur der Beanspruchungsleitung 106, durch den Temperatureinsteller 104 z. B. gekühlt werden. Alternativ kann das Via 110 um den vorherbestimmten Betrag des Offset-Sollsignals ΔT_SET absichtlich warmer oder kühler als die Beanspruchungsleitung 106 gemacht werden.
Der Strom 119 wird in die Teststruktur 100 von der linken Seite von 1 durch Anlegen einer Stromquelle oder -versorgung an die linke Seite der Zuleitung 108 eingespeist. Der Strom 119 fließt nach rechts durch die Zuleitung 108 nach unten durch das Via 110 und durch die Beanspruchungsleitung 106 zu einer Stromrückführung, die an der rechten Seite der Beanspruchungsleitung 106 angeordnet ist. Folglich umfasst die in 1 gezeigte Teststruktur 100 eine Downstream-Konfiguration. Der Begriff "Downstream" wird hierin verwendet, um einen Fluss des Stroms 119 (welcher den Elektronenfluss darstellt) zu bezeichnen, der von einer oberen Oberfläche einer Halbleiteranordnung (z. B. von oberen Verbindungsniveaus wie z. B. M2) nach unten in Richtung niedriger Niveaus von Verbindungsstrukturen (z. B. M1) fließt. Der Strom 119 kann z. B. durch Anlegen eines Versorgungsstroms und einer -rückführung an zwei (nicht gezeigte) Testpads auf der Halbleiteranordnung eingebracht werden.
Messungen der Elektromigrationseffekte der Teststruktur 100 werden durch Abfrageleitungen (in 1 nicht gezeigt, s. z. B. 11 bei 242 und 244) durchgeführt, die beispielsweise einen Kontakt bei den Kontaktpunkten 116b und 116c an jedem Ende der Beanspruchungsleitung 106 und/oder an beiden Seiten des Vias 110 bei Kontaktpunkten 116a und 116b herstellen, indem die Spannung und/oder der Widerstand der Beanspruchungsleitung 106 und/oder des Vias 110 gemessen wird.
2 und 3 sind Diagramme, die die Effekte von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auf die Temperaturgleichmäßigkeit der in 1 gezeigten Teststruktur darstellen. 2 ist ein Diagramm der Temperatur entlang der Länge der in 1 gezeigten Teststruktur 100, wobei die Temperatur des Vias 110 auf die gleiche Temperatur wie die Beanspruchungsleitung 106 durch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung angehoben wird. Temperaturveränderungen oder -erhöhungen entlang der Länge treten z. B. aufgrund von Stromwärme auf. Das Erhitzen des Vias 110 ist in Kurve 120 bei L₁ gezeigt, wobei Prozessfluktuationen als gestrichelte/gepunktete Leitung gezeigt sind. Die Temperatur der Zuleitung 108 ohne Erhitzen ist bei 122 bei L₀ gezeigt. Die Temperatur der Zuleitung 108 mit Erhitzen unter Verwendung des Temperatureinstellers 104 von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist bei 124 bei Temperatur L₀ gezeigt. Eine Erhöhung in der Temperatur des Vias 110 bei L₁ kann beispielsweise bei 124 gesehen werden. Die Temperatur bei L₂ der Beanspruchungsleitung 106 ist ebenso bei 124 gezeigt. 3 ist eine Kurve 126, welche die resultierende geregelte einheitliche Temperatur über der Länge der neuen Teststruktur 100 unter Verwendung des Temperatureinstellers 104 und des Regelkreises 114 eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt.
Das beanspruchte Via 110 umfasst Gebiete, die ein Potenzial haben Temperaturvariationen zu erfahren, aufgrund des erhöhten Widerstands des Vias 110 verglichen mit dem Widerstand der Zuleitung 108 und weil die Zuleitung 108 verglichen mit der Beanspruchungsleitung 106 absichtlich kühler gehalten wird. Die niedrigere Temperatur der Zuleitung 108 kann z. B. durch Ausbilden einer Zuleitung 108, die eine größere Breite hat als die Breite der Beanspruchungsleitung 106, erreicht werden. Dennoch stellt die Teststruktur 100 vorteilhafterweise eine homogene Temperaturgleichmäßigkeit entlang der Länge bereit, aufgrund der Fähigkeit die Temperatur der Zuleitung 108 und des Gebiets des Vias 110 unter Verwendung des Temperatureinstellers 104 aktiv einzustellen. Der Temperatureinsteller 104 und der optionale Regelkreis 114 können verwendet werden, um die Temperaturgleichmäßigkeit rund um das Via 110 zu verbessern.
4 ist eine Schnittansicht einer Teststruktur 100 in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die einen Temperatureinsteller 104 in der Nähe eines Vias 110 zwischen einer Zuleitung 108 und einer Beanspruchungsleitung 106 beinhaltet, wobei ein Strom 119 durch das Via 110 in einer Upstream-Richtung geleitet wird. Der Begriff "Upstream" wird hierin verwendet, um einen Elektronenfluss zu bezeichnen, der von niedrigeren Niveaus von Verbindungsstrukturen (z. B. M1) nach oben in Richtung einer oberen Oberfläche einer Halbleiteranordnung (z. B. in Richtung eines oberen Niveaus der Verbindung M2) fließt. Es werden ähnliche Ziffern verwendet wie für die verschiedenen in 1 beschriebenen Elemente. Um eine Wiederholung zu vermeiden, wird nicht jedes in 4 gezeigte Bezugszeichen hierin erneut im Detail beschrieben. Eher werden vorzugsweise ähnliche Materialien für die verschiedenen Elementzahlen 102, 104, 106 usw. verwendet, wie sie für die in 1 beschriebenen Elementzahlen verwendet wurden.
In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Zuleitung 108 in einer leitenden Schicht M1 ausgebildet, und die Beanspruchungsleitung 106 wird, wie gezeigt, in einer leitenden Schicht M2 ausgebildet. Der Temperatureinsteller 104 wird in einer leitenden Schicht M0 ausgebildet, welche vorzugsweise in einigen Ausführungsbeispielen ein halbleitendes Material umfasst, obwohl die leitende Schicht M0 alternativ ein Metall umfassen kann.
In den bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, die in den 1 und 4 gezeigt sind, wird der Temperatureinsteller 104 vorzugsweise in der Nähe zumindest des Vias 110 angeordnet. Der Temperatureinsteller 104 wird optional ebenfalls in der Nähe zumindest eines Teilbereichs der Zuleitung 108 angeordnet. Der Temperatureinsteller 104 stellt in diesen Ausführungsbeispielen vorzugsweise z. B. keinen Kontakt mit der Zuleitung 108 her.
Jedoch wird in anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung der Temperatureinsteller 104 vorzugsweise an die Zuleitung 108 gekoppelt und stellt einen Kontakt zu dieser her, wie in den 5 und 6 in Schnittansichten gezeigt. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei ein Temperatureinsteller 104 einen Kontakt mit einem oberen Teilbereich eines Vias 110a herstellt, z. B. durch eine Zuleitung 108, welche an das Via 110a angrenzt. Das beanspruchte Via 110a wird dann beispielsweise durch den oberen Kontakt des Temperatureinstellers 104 erhitzt. Der Temperatureinsteller 104 wird in einer leitenden Schicht M0 ausgebildet und wird, wie gezeigt, an die Zuleitung 108 durch Vias 128 und 110b und ein Pad 130 gekoppelt, die in den jeweiligen leitenden Schichten V0, M1 und V1 ausgebildet sind. Pad 130 stellt z. B. eine vertikale elektrische Verbindung zu den Viaschichten V0 und V1 für den Temperatureinsteller 104 zu der Zuleitung 119 bereit. Die Teststruktur 100 umfasst eine Downstream-Konfiguration, wobei die Zuleitung 108 in einer oberen Leitbahnschicht M2 ausgebildet wird und der Strom 119 nach unten durch das Via 110a zu der in der Leitbahnschicht M1 ausgebildeten Beanspruchungsleitung 106 fließt.
In diesem Ausführungsbeispiel stellt der Temperatureinsteller 104 einen Teil e_H des Stroms 119 durch das Via 110a während eines Testprozesses bereit. Eine Stromversorgung ist an eine linke Seite der Zuleitung 108 gekoppelt und eine Stromrückführung/Temperatureinstellerrückführung ist an die rechte Seite der Beanspruchungsleitung 106 gekoppelt. Eine Temperatureinsteller-Versorgung ist an die linke Seite des Temperatureinstellers 104 gekoppelt. Der Strom 119 durch das Via 110a umfasst zwei Komponenten: den Strom e_F durch die Zuleitung 108 und den Strom e_H durch den Temperatureinsteller 104. Folglich kann der Elektronenfluss 119 unter Verwendung von nachstehender Gleichung 1 bestimmt werden. e119 = eF + eH Gl. 1
Das Verhältnis der Ströme e_H und e_F bestimmt z. B. die Temperatur des Vias 110 in diesem Ausführungsbeispiel.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei ein Temperatureinsteller 104 einen Kontakt mit einem unteren Teilbereich eines Vias 110 herstellt, z. B. durch eine Zuleitung 108. Das Via 110 wird beispielsweise durch den Bodenkontakt der Zuleitung 108 mit dem Temperatureinsteller 104 erhitzt. Die Teststruktur 100 umfasst eine Upstream-Konfiguration, wobei die Zuleitung 108 in einer niedrigeren Leitbahnschicht M1 ausgebildet ist und der Strom 119 durch das Via 110 nach oben zu der Beanspruchungsleitung 106 fließt, die in der Leitbahnschicht M2 ausgebildet ist. Der Temperatureinsteller 104 ist in der leitenden Schicht M0 ausgebildet und ist, wie gezeigt, an die Zuleitung 108 durch das in der leitenden Schicht V0 ausgebildete Via 128 gekoppelt. In diesem Ausführungsbeispiel stellt der Temperatureinsteller 104 einen Teil e_H des Stroms 119 durch das Via 110a während eines Testprozesses bereit. Der Strom 119 durch das Via 110a umfasst zwei Komponenten: den Strom e_F durch die Zuleitung 108 und den Strom e_H durch den Temperatureinsteller 104. Folglich kann der Strom 119 unter Verwendung von obenstehender Gl. 1 bestimmt werden.
Man beachte, dass in den Ausführungsbeispielen, die in den 5 und 6 gezeigt sind, ein in 1 gezeigter Regelkreis 114 vorzugsweise ebenfalls in den Teststrukturen 100 bein haltet ist, um z. B. eine Rückmeldung bezüglich der Temperatur der Vias 110a bzw. 110 im Vergleich zu der Temperatur der Beanspruchungsleitung 106 bereitzustellen. Alternativ können die Temperaturen T₁ und T₂ der Vias 110a und 110 und der Beanspruchungsleitung 106 überwacht werden, und der Temperatureinsteller 104 kann verwendet werden, um z. B. die Temperatur T₁ des Vias 110 wie gewünscht vor oder während einer Testdurchführung zu erhöhen oder zu verringern.
Man beachte ebenso, dass in den 1, 4, 5 und 6 ein Isoliermaterial 112 gezeigt ist, das unterhalb der oberen Leitbahnen, z. B. den Zuleitungen 108 und/oder den Beanspruchungsleitungen 106, angeordnet ist. Ein Isoliermaterial 112 ist, wie gezeigt, vorzugsweise ebenfalls z. B. über den Zuleitungen 108 und/oder Beanspruchungsleitungen 106 in den oberen Metallisierungsschichten M2 wie gezeigt angeordnet. Das Isoliermaterial 112 kann z. B. eine Vielzahl von Isoliermaterialschichten umfassen.
In den 1, 4, 5 und 6 kann die Zuleitung 108 in einigen Ausführungsbeispielen eine dünne Leitbahn mit im Wesentlichen der gleichen Breite wie die Beanspruchungsleitung 106 umfassen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Temperatureinsteller 104 eine Kühlanordnung umfasst, die angepasst ist, um z. B. die in dem beanspruchten Via erzeugte Hitze zu entfernen. Die Zuleitung 108 und die Beanspruchungsleitung 106 können dann bei ungefähr der gleichen Temperatur gehalten werden. In Anwendungen, worin die Zuleitung 108 im Wesentlichen die gleiche Breite wie die Beanspruchungsleitung 106 umfasst, kann die Zuleitung 108, wie in 10 gezeigt, z. B. in dem gleichen Metallisierungsniveau wie die Beanspruchungsleitung 106 in einer einzelnen leitenden Materialschicht ausgebildet werden, was nachfolgend hierin beschrieben wird, und ebenso in der US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer ______, Anwaltskennzeichen Nr. 2006 P 54041 US , die am 06. Februar 2007 angemeldet wurde mit dem Titel "Semiconductor Device Test Structures and Methods", welche hierin unter Bezugnahme eingearbeitet ist, beschrieben ist.
In weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Zuleitung 108 jedoch vorzugsweise eine breitere Platte mit einer Breite, die z. B. größer ist als die Breite der Beanspruchungsleitung 106. Eine breitere Zuleitung 108 führt zu geringerer Stromwärme und höherer Wärmeableitung in der Zuleitung 108. Die Zuleitung 108 mit einer größeren Breite als der Breite der Beanspruchungsleitung 106 ist vorteilhaft, weil Elektromigrationseffekte in der Zuleitung 108 reduziert werden und die Temperatur in der Zuleitung 108 niedriger gehalten wird als in der Beanspruchungsleitung 106, so dass sogar mit Erhitzen des beanspruchten Vias 110 die Temperatur des beanspruchten Vias 110 unterhalb der Temperatur der Beanspruchungsleitung 106 bleibt. Die verbleibende Temperaturdifferenz kann dann z. B. unter Verwendung des Temperatureinstellers 104 eingestellt werden.
7 und 8 zeigen Schnittansichten von bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, die Wärmekollektoren 132 und 134 in der Nähe der beanspruchten Vias 110a und 110 der Teststrukturen 100 beinhalten. Wieder werden ähnliche Ziffern für die verschiedenen Elemente verwendet, die verwendet wurden, um die Elemente in den vorangegangenen Figuren zu beschreiben, und um eine Wiederholung zu vermeiden, wird nicht jedes in den 7 und 8 gezeigte Bezugszeichen hierin erneut im Detail beschrieben.
7 zeigt eine Teststruktur 100, die eine Downstream-Konfiguration in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst, wobei die Zuleitung 108 in einer oberen Leitbahnschicht M3 ausgebildet ist und ein Strom 119 durch das beanspruchte Via 110a nach unten zu der in einer Leitbahnschicht M2 ausgebildeten Beanspruchungsleitung 106 fließt. Der Temperatureinsteller 104 ist in einer leitenden Schicht M0, die unterhalb des Vias 110a und der Zuleitung 108 angeordnet ist, ausgebildet.
Ein Wärmekollektor 132 ist, wie gezeigt, unterhalb des Vias 110a angeordnet und ebenso unterhalb der Zuleitung 108. Der Wärmekollektor 132 umfasst vorzugsweise wie gezeigt eine in der leitenden Schicht M1 ausgebildete breite Metallplatte, die überhalb und in der Nähe des Temperatureinstellers 104 angeordnet ist. Der Wärmekollektor 132 umfasst vorzugsweise z. B. eine Wärmesenke, die die Wärmeübertragung zwischen dem Temperatureinsteller 104 und dem Via 110a erleichtert.
Der Wärmekollektor 132 kann, wie gezeigt, optional an die Beanspruchungsleitung 106 unter Verwendung eines oder mehrerer Vias 136a, die in der leitenden Schicht V1 ausgebildet sind, gekoppelt werden. Das Koppeln des Wärmekollektors 132 an die Beanspruchungsleitung 106 erleichtert darüber hinaus z. B. das Übertragen der Temperatur von dem Temperatureinsteller 104 zu dem Via 110a, wenn der Strom 119 während Elektromigrationstests durchgeleitet wird. Der Wärmekollektor 132 absorbiert Wärme von einem Teilbereich der Teststruktur 100 mit einer größeren Temperatur, z. B. von dem Via 110a oder dem Temperatureinsteller 104.
Ein optionaler Wärmekollektor 134 kann, wie gezeigt, ebenso in der leitenden Schicht M2 oberhalb des in der leitenden Schicht M1 ausgebildeten Wärmekollektors 132 ausgebildet werden. Der Wärmekollektor 134 umfasst ebenso eine Wärmesenke, die eine Metallplatte umfasst. Der Wärmekollektor 132, Wärmekollektor 134 und die Zuleitung 108 können z. B. breite Platten umfassen, die parallel zueinander in leitenden Schichten M1, M2 und M3 positioniert sind. Der Wärmekollektor 134 kann optional, wie gezeigt, durch in der leitenden Schicht V2 ausgebildet Vias 110b an die Zuleitung 108 gekoppelt werden. Nur zwei Vias 110b sind in 7 gezeigt; dennoch kann alternativ z. B. eine Vielzahl von Vias 110b verwendet werden, um den Wärmekollektor 134 thermisch an die Zuleitung 108 zu koppeln.
Eher als den Wärmekollektor 134 an die Zuleitung 108, wie voranstehend hierin beschrieben, zu koppeln, kann der Wärmekollektor 132 optional, wie gestrichelt in 7 gezeigt, an die Zuleitung 108 unter Verwendung zumindest eines in der leitenden Schicht V1 ausgebildeten Vias 136b gekoppelt werden. Die Wärmekollektoren 132 und 134 und optional die Vias 110b, 136a oder 136b erleichtern vorteilhafterweise eine Temperaturübertragung durch z. B. die verschiedenen Materialschichten M0, M1, V1, M2, V2 und M3 der Teststruktur 100.
8 zeigt eine Teststruktur 100, die eine Upstream-Konfiguration in Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst, wobei die Zuleitung 108 in einer niedrigeren Leitbahnschicht M2 ausgebildet ist und der Strom 119 nach oben durch das Via 110 zu der in der Leitbahnschicht M3 ausgebildeten Beanspruchungsleitung 106 fließt. Der Temperatureinsteller 104 ist in der leitenden Schicht M0 ausgebildet und ist in der Nähe der Zuleitung 108 angeordnet, z. B. in der Nähe eines zwischen dem Temperatureinsteller 104 und der Zuleitung 108 angeordneten Wärmekollektors 132. Der Wärmekollektor 132 ist, wie gezeigt, optional an die Zuleitung 108 durch ein in der leitenden Schicht V1 ausgebildetes Via 136 gekoppelt. Ein Wärmekollektor 132 ist in einer leitenden Schicht M1 in der Nähe des Temperatureinstellers 104 ausgebildet. Vorteilhafterweise erleichtert der Wärmekollektor 132 ein Übertragen der der durch den Temperatureinsteller 104 gemachten Temperaturänderungen und -einstellungen. Der Wärmekollektor 132 kann, wie gezeigt, eine in der leitenden Schicht M1 ausgebildete breite Platte umfassen, die optional an die Zuleitung 108 durch ein oder mehrere in der leitenden Schicht V1 ausgebildete Vias 136 gekoppelt sein kann.
Wieder beinhalten die in den 7 und 8 gezeigten Teststrukturen 100 vorzugsweise z. B. den in 1 gezeigten Regelkreis 114.
In den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, die in den 1, 4, 5, 6, 7 und 8 gezeigt sind, umfassen die neuen Temperatureinsteller 104 von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Heiz- oder Kühl-Elemente oder -Merkmale, die in einer Richtung angeordnet sind, die im Wesentlichen parallel zu den Teststrukturen 100, z. B. parallel zu der Zuleitung 108, dem Via 110 oder 110a und der Beanspruchungsleitung 106 sind. Jedoch können die neuen Temperatureinsteller von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung alternativ in einer Richtung senkrecht zu den Teststrukturen 100 ausgebildet werden, welche die Zuleitung 108, das Via 110 und die Beanspruchungsleitung 106 beinhalten. 9 und 10 zeigen Schnittansichten von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, wobei der Temperatureinsteller eine Leitbahn 138 umfasst, die senkrecht zu der Zuleitung 108, dem Via 110 oder 110a und der Beanspruchungsleitung 106 angeordnet ist. Optional kann die Leitbahn 138 in jede Form, die neben der Teststruktur 100 angeordnet ist, erweitert werden, und die Leitbahn 138 kann selbst eine Heiz/Kühlanordnung (z. B. einen Temperatureinsteller) ausbilden. Optional kann die Leitbahn 138 z. B. mit jeder anderen Schicht verbunden werden, welche nicht gezeigte Kühl- oder Heizanordnungen beinhalten kann.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei der Temperatureinsteller 138 in einer zu der Zuleitung 108, dem Via 110 und der Beanspruchungsleitung 106 senkrechten Richtung in der Teststruktur in der Nähe des Vias 110 in einer über dem Via 110 angeordneten leitenden Schicht M3 angeordnet ist. Der Temperatureinsteller 138 umfasst eine in der leitenden Schicht M3 ausgebildete Leitbahn, die in das Blatt hineinläuft und aus diesem herauskommt, z. B. senkrecht zu der Zuleitung 108, dem Via 110 und der Beanspruchungsleitung 106. Der Strom für Elektromigrationstests wird von links nach rechts durch die Zuleitung 108, das Via 110 und die Beanspruchungsleitung 106 geleitet. Der Strom wird durch die Leitbahn des Temperatureinstellers 138 geleitet, um z. B. das Gebiet des Vias 110 und optional ebenso die Zuleitung 108 zu erhitzen oder zu kühlen.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei die Zuleitung 108 in der gleichen leitenden Materialschicht M1 wie die Beanspruchungsleitung 106 ausgebildet ist, und wobei der Temperatureinsteller 138 senkrecht zu der Zuleitung 108 und der Beanspruchungsleitung 106 ist. Der Temperatureinsteller 138 ist in diesem Ausführungsbeispiel z. B. in der gleichen leitenden Materialschicht M1 wie die Zuleitung 108 und die Beanspruchungsleitung 106 ausgebildet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist mehr als ein einzelnes Via 110a erforderlich, um die Zuleitung 108 und die Beanspruchungsleitung 106 aneinander zu koppeln. Die Zuleitung 108 und die Beanspruchungsleitung 106 werden vorzugsweise durch ein leitendes Merkmal, das zumindest ein erstes Via 110a und zumindest ein zweites Via 110b, die in einer leitenden Schicht V1 angrenzend an die leitende Schicht M1 ausgebildet sind, und eine Verbindung 140, die in einer angrenzend an die leitende Schicht V1 angeordneten leitenden Schicht M2 ausgebildet ist, wie gezeigt aneinandergekoppelt.
Die in 10 gezeigte Teststruktur 100 ist insbesondere vorteilhaft, weil die Temperaturhomogenität der Teststruktur 100 durch Ausbilden der Zuleitung 108 in der gleichen leitenden Materialschicht M1, in der die Beanspruchungsleitung 106 ausgebildet ist, weiter verbessert wird. Die Zuleitung 108 und die Beanspruchungsleitung 106 umfassen vorteilhafterweise die gleiche Dicke und können auch vorgesehen sein, die gleiche Breite zu haben; folglich haben die Zuleitung 108 und die Beanspruchungsleitung 106 die gleiche erzeugte Stromwärme und die gleiche Wärmeableitung pro gegebener Länge.
Man beachte, dass in den in den 9 und 10 gezeigten Ausführungsbeispielen, die senkrechte Temperatureinsteller 138 umfassen, optionale Wärmekollektoren 132 und 134 (s. 7 und 8) optional ebenso beinhaltet sein können. Der in 1 gezeigte Regelkreis ist ebenfalls vorzugsweise z. B. in den in den 9 und 10 gezeigten Ausführungsbeispielen beinhaltet.
Darüber hinaus ist das beanspruchte Via 110a, das für Probleme während Elektromigrationstests z. B. durch Unterbrechungen oder Hohlräume, die sich in der Nähe des Vias 110a aufgrund von Elektromigration ausbilden, anfällig ist, das interessierende Via während oder nach den Testverfahren unter Verwendung der Teststruktur 100, und folglich werden Abfrageleitungen vorzugsweise oberhalb und unterhalb dieses Vias 110, wie in 1 bei Kontaktpunkten 116a und 116b gezeigt, gekoppelt. Demnach umfasst die in 10 gezeigte Teststruktur 100 eine Downstream-Konfiguration: Beispielsweise fließt der Strom nach unten durch das Via 110a, das am nächsten zu der Beanspruchungsleitung 106 ist, welche unter Verwendung der in 1 gezeigten Kontaktpunkte 116b und 116c ebenfalls überwacht wird. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beinhalten ebenso Teststrukturen, die denen der in 10 gezeigten Teststruktur 110 ähneln, wobei eine Upstream-Konfiguration implementiert ist. Beispielsweise können die Verbindung 140 und die Vias 110a und 110b in leitenden Schichten M0 und V0 ausgebildet sein, die unterhalb der leitenden Schicht M1, in der die Zuleitung 108 und die Beanspruchungsleitung 106 ausgebildet sind, angeordnet sind: Beispielsweise kann eine Teststruktur in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine "auf den Kopf gestellte" Version der in 10 gezeigten Teststruktur 100 umfassen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können in vielen Konfigurationen implementiert sein und Kombinationen einer Vielfalt der hierin beschriebenen optionalen Merkmale verwenden. 11 bis 17 zeigen z. B. perspektivische Ansichten von Teststrukturen 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 in Übereinstimmung mit mehreren bevorzugten Ausführungs beispielen der vorliegenden Erfindung. Es werden ähnliche Ziffern für die verschiedenen Elemente verwendet, die verwendet wurden, um die Elemente in den vorangegangenen Figuren zu beschreiben. Um eine Wiederholung zu vermeiden, ist nicht jedes in den 11 bis 17 gezeigte Bezugszeichen hierin erneut im Detail beschrieben. Eher werden ähnliche Materialien x02, x04, x06, x08, usw. vorzugsweise für die verschiedenen gezeigten Materialschichten verwendet, wie sie für die 1 und 4 bis 10 beschrieben wurden, wo x = 1 in den 1 und 4 bis 10, x = 2 in 11, x = 3 in 12, x = 4 in 13, x = 5 in 14, x = 6 in 15, x = 7 in 16 und x = 8 in 17 ist. Beispielsweise werden die für den neuen Temperatureinsteller 104 in der Beschreibung für die 1 und 4 bis 10 beschriebenen bevorzugten und alternativen Materialien und Abmessungen vorzugsweise ebenfalls für den in 11 gezeigten Temperatureinsteller 204 verwendet.
11 stellt eine perspektivische Ansicht einer Teststruktur 200 dar, die eine Downstream-Konfiguration umfasst. Ein Temperatureinsteller 204 ist in einer unteren leitenden Schicht M – 1 der Halbleiteranordnung ausgebildet. Der Temperatureinsteller 204 umfasst einen gewundenen Pfad von leitendem Material, das unterhalb des Gebiets des beanspruchten Vias 210 angeordnet ist. Ein Strom 246 wird durch Anlegen einer Spannung H– und H+ über den Temperatureinsteller 204 durch den Temperatureinsteller 204 geleitet.
Ein Wärmekollektor 232 ist in einer leitenden Materialschicht M0 angrenzend an die leitende Schicht M – 1 angeordnet. Der Wärmekollektor 232 umfasst eine breite Metallplatte, die parallel zu dem Temperatureinsteller 204 angeordnet ist. Der Wärmekollektor 232 ist an die in der leitenden Schicht M1 ausgebildete Beanspruchungsleitung 206 durch ein in der leitenden Schicht V0 ausgebildetes Via 236 gekoppelt. Die Beanspruchungsleitung 206 kann eine Länge von z. B. ungefähr 300 μm umfassen, obwohl die Beanspruchungsleitung 206 alternativ andere Abmessungen umfassen kann. Die Beanspruchungsleitung 206 ist, in 11 nicht gezeigt, genau genommen im Wesentlichen länger als die Zuleitung 208 (z. B. erstreckt sich die Beanspruchungsleitung 206 nach rechts). Die leitende Schicht M0 beinhaltet, wie gezeigt, auch eine an den Wärmekollektor 232 gekoppelte Abfrageleitung 244 für ein Signal S_dn–. Die Abfrageleitung 244 ist durch den Wärmekollektor 232 und Via 236 an die Beanspruchungsleitung 206 und somit auch an den Boden des beanspruchten Vias 210 gekoppelt.
Die Zuleitung 208 ist in der oberen leitenden Schicht M2 ausgebildet. Eine Abfrageleitung 242 für ein Signal S_up– ist ebenfalls in der leitenden Schicht M2 ausgebildet und ist an die Zuleitung 208 gekoppelt; folglich ist die Abfrageleitung 242 auch an das obere Ende des beanspruchten Vias 210 gekoppelt. Die Zuleitung 208 kann in diesem Ausführungsbeispiel z. B. breiter sein als die Beanspruchungsleitung 206, um die Temperatur der Zuleitung 208 relativ zu der Temperatur der Beanspruchungsleitung 206 zu verringern. Die Zuleitung 208 kann, wie in 11 gezeigt, auch dicker sein als die Beanspruchungsleitung 206. Die Abfrageleitung 242 unterstützt bei der Ableitung von Wärme, die der Teststruktur 200, z. B. dem Via 210, entstammt.
Der Strom 219 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch Anlegen einer Spannung F– und F+ an die Teststruktur 200 während der Elektromigrationstests von der Zuleitung 208 nach unten durch das Via 210 zu der Beanspruchungsleitung 206 geleitet. Abhängig von der Breite der Beanspruchungsleitung 206 kann der Strom 219 die Größenordnung von z. B. ungefähr Hunderten von Milliampere (mA) umfassen, und für schmale Leitungen kann der Strom 219 die Größenordnung von ungefähr zig von mA umfassen, obwohl andere Mengen von Strom 219 ebenso für Elektromigrationstests unter Verwendung der Teststruktur 200 verwendet werden können. Messungen können durchgeführt und überwacht werden unter Verwendung der Abfrageleitungen 242 und 244, z. B. durch Beobachten der Signale S_dn– und S_up– zu S+, um die Elektromigrationseffekte auf das Via 210 zu bestimmen.
Eine weitere Messung kann z. B. auf der rechten Seite der Beanspruchungsleitung 206 bei Abfrageleitung S+ durchgeführt und überwacht werden und mit dem Signal S_dn– verglichen werden, um die Elektromigrationseffekte auf die Beanspruchungsleitung 206 zu bestimmen.
12 zeigt eine Teststruktur 300, die ebenfalls eine Downstream-Konfiguration hat und einen in der leitenden Schicht M1 ausgebildeten Wärmekollektor 334 beinhaltet. Der Wärmekollektor 334 ist an die Zuleitung 308 durch eine Vielzahl von in der leitenden Schicht V1 ausgebildeten Vias 310b gekoppelt. Die Zuleitung 308 ist in einer oberen leitenden Schicht M2 ausgebildet. Die Zuleitung 308 beinhaltet z. B. eine breite Metallplatte, die auch als eine Wärmesenke wirkt, z. B. als ein Wärmekollektor zum Abführen von Temperaturänderungen, die durch den Temperatureinsteller 304 verursacht werden. Eine Abfrageleitung 342 ist ebenfalls in der leitenden Schicht M2 ausgebildet und ist an die Zuleitung 308 gekoppelt; folglich ist die Abfrageleitung 342 ebenfalls an das obere Ende des beanspruchten Vias 310a gekoppelt. Die Abfrageleitung 342 ist, wie gezeigt, an ein Signal S_VTOP gekoppelt. Die Beanspruchungsleitung 306 kann eine Länge von z. B. ungefähr 300 μm umfassen, obwohl die Beanspruchungsleitung 306 alternativ andere Abmessungen umfassen kann.
Ein Temperatureinsteller 304 ist z. B. in der unteren leitenden Schicht M0 ausgebildet, der mit (nicht gezeigten) Versorgungsleitungen für H– und H+ unter Verwendung von Vias 354 verbunden ist. Ein Teilbereich der leitenden Schicht M0 wird in diesem Ausführungsbeispiel auch verwendet, um Verbindungen für eine Abfrageleitung 344, die in der leitenden Schicht M1 ausgebildet ist, weiterzuleiten. Beispielsweise stellt ein Via 336 eine elektrische Verbindung zu der Beanspruchungsleitung 306 her und folglich auch zu dem Boden des Vias 310a. Eine in der leitenden Schicht M0 ausgebildete Leitbahn 350 ist an das Via 336 gekoppelt, und die Leitbahn 350 ist, wie gezeigt, unter Verwendung des Vias 348 in der leitenden Schicht V0 an die Abfrageleitung 344 gekoppelt, welche mit dem Abfrageleitungssignal S_VBOT verbunden ist.
Der Wärmekollektor 334 unterstützt in diesem Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise z. B. beim Übertragen von Temperaturerhöhungen oder -verringerungen durch den Temperatureinsteller 304 nach oben zu dem Via 310a und zur Zuleitung 308. Die Zuleitung 308 beinhaltet ein breites Plattengebiet, das einen Wärmekollektor umfasst, der angepasst ist, um darüber hinaus bei der Ableitung von Temperaturänderungen zu unterstützen.
13 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die in einer Downstream-Konfiguration konfiguriert ist. Die Teststruktur 400 beinhaltet eine Vielzahl von Wärmekollektoren 432a, 432b und 434, die in den jeweiligen leitenden Schichten M1, M2 und M3 ausgebildet sind. Die Zuleitung 408 ist in einer oberen leitenden Schicht M4 ausgebildet, und das beanspruchte Via 110, das die Zuleitung 408 an die Beanspruchungsleitung 406 koppelt, ist in der leitenden Schicht V3 ausgebildet. Der Wärmekollektor 432a ist an den Wärmekollektor 432b durch zumindest ein in der leitenden Schicht V1 ausgebildetes Via 436a gekoppelt und der Wärmekollektor 432a ist an den Wärmekollektor 434 durch in der leitenden Schicht V2 ausgebildete Vias 436b gekoppelt. Via 436c koppelt Wärmekollektor 432a an die Beanspruchungsleitung 406.
Eine Abfrageleitung 442 für das Signal S_VTOP ist an das obere Ende von Via 410 gekoppelt, indem sie an die Zuleitung 408 gekoppelt ist. Die Zuleitung 408 beinhaltet ein breites Gebiet, das als ein Wärmekollektor wirkt, der über dem Stapel von Wärmekollektoren 432a, 432b und 434 angeordnet ist, welche oberhalb des Temperatureinstellers 404 angeordnet sind. Die Abfrageleitung 444 für das Signal S_VBOT ist an den Boden von Via 410 gekoppelt, indem sie an den Wärmekollektor 432a gekoppelt ist, welcher an Via 436a gekoppelt ist, das an die Beanspruchungsleitung 406 in der Nähe von Via 410 gekoppelt ist. Der Strom 419 fließt während Elektromigrationstests durch Anlegen einer Spannung F– und F+ über die Teststruktur 400 in einer Downstream-Richtung durch das Via 410.
14 stellt eine perspektivische Ansicht einer Teststruktur 500 dar, die eine Upstream-Konfiguration umfasst. Die Zuleitung 508 ist in einer leitenden Schicht M0 ausgebildet und beinhaltet eine breite Platte, die als ein Wärmekollektor zur Unterstützung beim Absorbieren von Temperaturänderungen wirkt, die durch den Temperatureinsteller 504 in der leitenden Schicht M – 1 verursacht werden. Der Temperatureinsteller 504 ist in der leitenden Schicht M – 1 unterhalb der Zuleitung 508 ausgebildet und ist an die Zuleitung 508 durch ein in der leitenden Schicht V – 1 ausgebildetes Via 528 gekoppelt.
Der Strom e_H wird durch ein an den Temperatureinsteller 504 angelegtes Signal H– erzeugt. Der Strom e_H trägt in diesem Ausführungsbeispiel zu einem Teil des Stroms 519 durch die Beanspruchungsleitung 506 bei. Der andere Teil des Stroms 519 umfasst den Strom e_F durch die Zuleitung 508, welcher durch das an die Zuleitung 508 angelegte Signal F– erzeugt wird. Die Rückführung (return) F+ und Abfrageleitung S+ befinden sich an dem den Signalen H– und F– gegenüber liegenden Ende der Beanspruchungsleitung 506. Die Abfrageleitung 542 für das Signal S_up– in der leitenden Schicht M2 stellt einen Zugang zu dem oberen Ende des Vias 510 durch das Via 552 in der leitenden Schicht V1 und einen Teilbereich der Beanspruchungsleitung 506 bereit. Die Abfrageleitung 544 für das Signal S_dn– in der leitenden Schicht M1 stellt einen Zugang zu dem Boden des Vias 510 bereit. Die Abfrageleitungen 542 und 544 stellen ebenso z. B. ein Kühlen oder ein Temperaturableiten von durch den Temperatureinsteller 504 verursachten Temperaturänderungen bereit.
15 zeigt eine Teststruktur 600, die eine Upstream-Konfiguration umfasst, wobei die Zuleitung 608 in der leitenden Schicht M1 eine breite Metallplatte beinhaltet, die als ein Wärmekollektor für das Ableiten von Temperaturänderungen wirkt, die durch den Temperatureinsteller 604 verursacht werden. Ein Wärmekollektor 634 ist über der Zuleitung 608 angeordnet und ist an einer Vielzahl von Stellen an die Zuleitung 608 durch die Vias 610b in der leitenden Schicht V1 gekoppelt. Die Abfrageleitung 642 für das Signal S_VTOP umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein verbreitertes Metallplattengebiet, das als ein Wärmekollektor wirkt, der angepasst ist, um die Ableitung von Temperaturänderungen von dem darunterliegenden Temperatureinsteller 604, der Zuleitung 608 und dem Wärmekollektor 634 zu erleichtern. Die Zuleitung 608 stellt in diesem Ausführungsbeispiel den gesamten Strom 619 für die Elektromigrationstests durch das Via 610a und die Beanspruchungsleitung 606 bereit.
16 zeigt noch eine weitere Teststruktur 700 mit einer Upstream-Konfiguration in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich zu dem in 15 gezeigten Ausführungsbeispiel, jedoch trägt der Temperatureinsteller 704 zu einem Teil e_H des Stroms 719 während der Elektromigrationstests bei. Der Temperatureinsteller 704 ist durch ein in der leitenden Schicht V0 ausgebildetes Via 728 und ebenso durch die Zuleitung 708 an das Via 710a gekoppelt.
17 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das eine ähnliche Konfiguration wie die in 16 gezeigte Teststruktur 700 umfasst. Die in 17 gezeigte Teststruktur 800 beinhaltet drei zusätzliche Merkmale in der Nähe des Gebiets der Zuleitung 808: zumindest eine breite Leitbahn 808b, zumindest eine schmale Leitbahn 808a und zumindest eine in der leitenden Schicht V1 ausgebildete Viakette 856/857/858. Die schmale Leitung 808a hat vorzugsweise die gleiche Breite wie die Beanspruchungsleitung 806 und ist vorzugsweise in dem gleichen M2-Niveau platziert, in der die Beanspruchungsleitung 806 ausgebildet ist. Die schmale Leitung 808a umfasst vorzugsweise eine Breite, die z. B. geringer ist als oder im Wesentlichen gleich ist der Breite der breiten Leitbahn. Die Viakette 856/857/858 hat vorzugsweise die gleiche Größe von Via 857 wie das beanspruchte Via 810a. Diese drei Merkmale werden durch den Temperatureinsteller 804 homogen erhitzt und/oder gekühlt. Die schmale Leitung 808a, die breite Leitung 808b, die Viakette 856/857/858 und der Temperatureinsteller 804 umfassen in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine neue TCR-Bestimmungs-Teststruktur. Die schmale Leitung 808a und die Viakette 856/857/858 werden hierin ebenfalls z. B. als TCR-Bestimmer bezeichnet.
Die breite Leitung 808b wird z. B. als eine TCR-Referenz und auch als eine Zuleitung verwendet. Die schmale Leitung 808a, die einen TCR-Bestimmer umfasst, kann für eine TCR-Kalibrierung der schmalen Leitung des M2-Niveaus (d. h. TCR-Kalibrierung der Beanspruchungsleitung 806) verwendet werden. Die Viakette 856/857/858, die einen TCR-Bestimmer umfasst, kann z. B. für eine TCR-Kalibrierung des V1-Niveaus (d. h. eine TCR-Kalibrierung des beanspruchten Vias 810a) verwendet werden.
In 17 ist die TCR-Bestimmungs-Teststruktur als in der Nähe des beanspruchten Vias 810a einer Teststruktur 800 angeordnet gezeigt, die eine Zuleitung 808, eine Beanspruchungsleitung 806 und ein beanspruchtes Via 810a umfasst, wie hierin für die in den vorstehenden Figuren gezeigten Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600 und 700 beschrieben wurde. Die breite Leitung 808b umfasst eine breite Leitbahn, die in der Nähe der Zuleitung 808 angeordnet ist und sich entlang einer Seite dieser erstreckt, und die breite Leitung 808b ist ebenfalls in der Nähe des beanspruchten Vias 810a. Alternativ kann die TCR-Bestimmungs-Teststruktur, die die breite Leitung 808b, die schmale Leitung 808a und die Viakette 856/857/858 umfasst, z. B. separat als eine unabhängige Teststruktur zum Bestimmen des TCRs von Vias 857 in der Viakette und/oder zum Bestimmen des TCRs von schmalen Leitbahnen, wie z. B. der Beanspruchungsleitung 806, in einer leitenden Materialschicht verwendet werden. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die TCR-Bestimmungs-Teststruktur, in den Zeichnungen nicht gezeigt, eine breite Leitung 808b und eine Viakette 856/857/858 umfassen, die in der Nähe der Beanspruchungsleitung 806 angeordnet sind und sich entlang der Seiten dieser erstrecken. In 17 ebenfalls nicht gezeigt sind optionale Dummy-Leitungen (wie sie für Lithografiezwecke gebraucht werden können), die zwischen der beschriebenen breiten Leitung 808b, der schmalen Leitung 808a (oder Beanspruchungsleitung 806) und der Viakette 856/857/858 verschachtelt sind. Diese Dummy-Leitungen können ebenso z. B. für eine Fließpressüberwachung (extrusion monitoring) und/oder Temperaturgleichmäßigkeitsverbesserung verwendet werden.
Man beachte, dass die breite Leitung 808b als im Bereich 855 weggeschnitten gezeigt ist, um die Viakette 856/857/858 in den Schichten M1, V1 und M2 in 17 besser sichtbar zu machen.
Die breite Leitung 808b kann in der gleichen Schicht M2 wie die Beanspruchungsleitung 806 platziert sein, obwohl die breite Leitung 808b in anderen Materialschichten ausgebildet sein kann. Die breite Leitung 808b umfasst vorzugsweise eine Breite von z. B. grob ungefähr 1 μm mit einer oberen Begrenzung von ungefähr 2 μm für Damascene-Techniken (um CMP-dishing zu vermeiden) und einer unteren Grenze von ungefähr 0,3 μm (wo größenabhängige Elektronenstreuung den TCR merkbar beeinflussen), obwohl die breite Leitung 808b alternativ andere Abmessungen umfassen kann. Vorzugsweise umfasst die breite Leitung 808b in einigen Ausführungsbeispielen eine Breite von z. B. ungefähr 2 μm oder weniger. Die breite Leitung 808b umfasst vorzugsweise eine Leitbahn mit einer größeren Breite als oder einer Breite, die im Wesentlichen gleich ist der Breite eines Teilbereichs des TCR-Bestimmers, z. B. der schmalen Leitung 808a. Die breite Leitung 808b kann eine Leitbahn mit z. B. einer größeren Breite als der Breite der Vias 857 oder der Verbindungen 856 und 858 in der Viakette 856/857/858 umfassen.
Die schmale Leitung 808a kann in der gleichen Schicht M2 wie die Beanspruchungsleitung 806 platziert sein, obwohl die schmale Leitung 808a in anderen Materialschichten ausgebildet sein kann. Die schmale Leitung 808a umfasst in einigen Ausführungsbeispielen vorzugsweise eine z. B. identische Breite wie die Breite der Beanspruchungsleitung 806, obwohl die schmale Leitung 808a alternativ andere Abmessungen umfassen kann. Eine schmale Leitung 808a mit einer identischen Materialschicht M2 und Breite wie die Beanspruchungsleitung 806 ermöglicht vorteilhafterweise, dass die neue TCR-Bestimmungs-Teststruktur verwendet werden kann, um den TCR der Beanspruchungsleitung 806 zu bestimmen. Wenn die Beanspruchungsleitung 806 breiter ausgewählt ist als die breite Leitung 808b, kann die TCR-Bestimmung für die schmale Leitung 808a dennoch immer noch vorteilhaft für die Prozess-TCR-Überwachung sein (s. unten).
Die Viakette 856/857/858 umfasst eine Vielzahl von Vias 857 mit im Wesentlichen der gleichen Größe wie das beanspruchte Via 810a in dem gezeigten Ausführungsbeispiel. Die Vias 857 der Viakette 856/857/858 sind vorzugsweise in der gleichen Materialschicht V1 ausgebildet, in der die beanspruchten Vias 810a z. B. ausgebildet sind. Dies ermöglicht die Verwendung der neuen TCR-Bestimmungs-Teststruktur zum Bestimmen des TCR der beanspruchten Vias 857.
Die Vias 857 sind, wie gezeigt, durch Leitbahnen oder eine Vielzahl von Verbindungen 856 und 858, die in den M1- und M2-Schichten unterhalb bzw. oberhalb der Vias 857 in einer Kettenformation ausgebildet sind zusammengekoppelt. Eine Vielzahl von ersten Verbindungen 856 in der unterhalb der Vias 857 angeordneten M1-Schicht koppelt jede zweiten zwei angrenzenden Vias 857 zusammen, und eine Vielzahl von zweiten Verbindungen 858, die in der M2-Schicht oberhalb der Vias 857 angeordnet sind, koppelt jede zweiten zwei angrenzenden Vias 857, die um ein Via 857 von den ersten Verbindungen 856 in der Ml-Schicht versetzt sind, zusammen, wodurch eine schlangenartige elektrische Verbindung oder Viakette 856/857/858 in den Schichten M1, V1 und M2, wie gezeigt, erzeugt wird.
Die Viakette 856/857/858 und die schmale Leitung 808a sind vorzugsweise z. B. in der Nähe von oder benachbart zu der breiten Leitung 808b platziert, um eine Temperaturgleichheit für die breite Leitung 808b, die schmale Leitung 808a und die Viakette 856/857/858 sicherzustellen, z. B. für den Fall, dass durch einen waferexternen Heizer oder einen Temperatureinsteller 804 erhitzt wird, der in der Nähe der neuen TCR-Bestimmungs-Teststruktur angeordnet ist, die die breite Leitung 808b, die schmale Leitung 808a und die Viakette 856/857/858, wie in 17 gezeigt, beinhaltet. Eine Temperatur der Vielzahl von Vias 857 ist im Wesentlichen die gleiche wie eine Temperatur der schmalen Leitbahn 808a, und ist ebenso im Wesentlichen die gleiche wie eine Temperatur der breiten Leitbahn 808b, aufgrund der Nähe der breiten Leitbahn 808b zu der Vielzahl von Vias und zu der schmalen Leitung 808a. Identische Werte für die Temperaturen des Vias, der schmalen Leitung und der breiten Leitung sind ebenfalls eine Konsequenz der größeren Breite und Länge des Temperatureinstellers 804 verglichen mit den erhitzten Strukturen (nämlich den Vias 857, der schmalen Leitung 808a und der breiten Leitung 808b). Zusätzlich können Wärmekollektoren, die oberhalb und/oder unterhalb der geheizten Strukturen angeordnet sind, eine Temperaturidentität für die Temperaturen des Vias, der schmalen Leitung und der breiten Leitung verbessern.
Beispielsweise kann das Verhältnis zwischen dem Widerstand und der Temperatur eines leitenden Materials, wie z. B. der breiten Leitbahn 808b, unter Verwendung von nachstehender Gleichung 2 bestimmt werden: R(T) = R(T0)·(1 + TCR0·(T – T0)) Gl. 2; wobei der Widerstand R(T) einen Widerstand bei der Temperatur T umfasst, R(T₀) der Widerstand des Materials bei einer Anfangstemperatur T₀ ist, und TCR₀ der Temperatur-Widerstandskoeffizient für die Anfangstemperatur T₀ ist. Typische Werte für den TCR von Kupfer bei Raumtemperatur sind für Leitbahnbreiten und -dicken von größer als ungefähr 300 nm konstant (ungefähr 0,004 1/Kelvin(K)), und nähern sich Null an für schrumpfende Leitungsabmessungen in Richtung Null. Der Grund für Breiten-unabhängige TCR-Werte für breitere und dickere Leitungen mit einer Breite und Dicke von mehr als ungefähr 300 nm ist das Vorherrschen von temperaturabhängigem spezifischem Bulkwiderstand, während größenabhängige, weitgehend temperaturunabhängige Streuungseffekte das schmale Leitungsregime dominieren.
Unter Verwendung von Gl. 2 kann die Temperatur T_w der breiten Leitung 808b für eine bestimmten Betrag an Strom des Temperatureinstellers 804 unter Verwendung von Gleichung 3 berechnet werden: Tw = (Rw(Tw) – Rw(T0))/(Rw(T0)·TCRw) + T0 Gl. 3;wobei R(T) einen gemessenen Widerstand bei der Temperatur T_w der breiten Leitung 808b umfasst, und wobei R_w(T₀) einen zuvor gemessenen Widerstand bei der Temperatur T₀ der breiten Leitung 808b umfasst. Der TCR_w für die breiten Leitungen, wie z. B. die breite Leitung 808b (Breitenregime, wo Bulkstreuung vorherrscht) hängt immer noch ab von z. B. den Leiter- und Liner-Materialien oder der Ausheiltemperatur nach CMP in der Damascene-Technik, aber ist für eine bestimmte Metallisierungstechnologie recht gut definiert. Diese geringe Sensitivität für Prozessvariationen macht die breite Leitung 808b zu einem idealen Kandidat für die Bestimmung von T_w (eher als das Verwenden einer schmaleren Leitung), insbesondere da, wo die etwas genauere TCR-Bestimmung bei zwei bekannten Temperaturen aufgrund von Testzeit- und/oder Kapazitätsbeschränkun gen nicht durchgeführt werden kann, was z. B. typischerweise der Fall ist bei schnellen Elektromigrationstests mit In-Line-Überwachung auf Waferebene. Jedoch kann in einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die breite Leitung 808b eine Leitung mit z. B. im Wesentlichen der gleichen Breite wie die schmale Leitung 808a umfassen.
Folglich können in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mit bestimmter T_w und ebenfalls wissend, dass die Temperaturen T_n an der schmalen Leitung 808a und die Temperatur T_v an der Viakette 856/857/858 (oder an dem beanspruchten Via 810a) die gleichen wie die bestimmte T_w ist, die TCRs für die schmale Leitung 808a, TCR_n und für die Viakette 856/857/858 (oder das beanspruchte Via 810a), TCR_v, unter Verwendung der Gleichungen 4 bzw. 5 berechnet oder bestimmt werden: TCRn = (Rn(Tn) – Rn(T0))/(Rn(T0)·(Tn – T0)) Gl. 4; und TCRv = (Rv(Tv) – Rv(T0))/(Rv(T0)·(Tv – T0)) Gl. 5wobei R_n ein gemessener Widerstand der schmalen Leitung 808a ist, und R_v ein gemessener Widerstand des Vias 857 oder 810a ist.
Um die Reihen von Messungen und Berechnungen in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der in 17 gezeigten TCR-Bestimmungs-Teststruktur zusammenzufassen, werden zuerst bei einer anfänglichen, bekannten Temperatur T₀, wie z. B. einer Umgebungstemperatur, beispielsweise Messungen des Widerstandes R_w(T₀) der breiten Leitung 808b, des Widerstands R_v(T₀) der Viakette 856/857/858 und des Widerstands R_n(T₀) der schmalen Leitung 808a bei der anfänglichen Temperatur T₀ durchgeführt. Als Zweites wird ein Strom an den Temperatureinsteller 804 angelegt, so dass die Temperatur des Temperatureinstellers 804 auf eine unbekannte Temperatur variiert, z. B. sich erhitzt oder kühlt, was die Temperatur der breiten Leitung 808b in eine unbekannte geänderte Temperatur T_w ändert. Als Drittes werden Messungen des Widerstandes R_w(T_w) der breiten Leitung 808b, des Widerstands R(T) der Viakette 856/857/858 und des Widerstands R(T) der schmalen Leitung 808a bei der veränderten Temperatur T_w durchgeführt. Als Viertes wird die Temperatur T_w der breiten Leitung 808b unter Verwendung des angenommenen TCR_w, der gemessenen Widerstände der breiten Leitung 808b R_w(T_w) und R_w(T₀) und des bekannten Wertes der Anfangstemperatur T₀ unter Verwendung von voranstehender Gl. 3 berechnet. Die Temperaturen T_v und T_n der Viakette 856/857/858 und der schmalen Leitung 808a sind im Wesentlichen gleich der Temperatur T_w, wie voranstehend hierin beschrieben ist. Als Fünftes wird der Betrag von TCR_n der schmalen Leitung 808a unter Verwendung der gemessenen Werte der Widerstände der schmalen Leitung 808a R_n(T_n) und R_n(T₀), des berechneten Wertes von T_n, welcher gleich ist mit T_w, und der bekannten Anfangstemperatur T₀ unter Verwendung von voranstehender Gl. 4 berechnet. Als Sechstes wird der Betrag von TCR_v der Viakette 856/857/858 unter Verwendung der gemessenen Werte der Widerstände der Viakette 856/857/858 R_v(T_v) und R_v(T₀), des berechneten Werts von T_v, welcher gleich ist mit T_w, und der bekannten Anfangstemperatur T₀ unter Verwendung von voranstehender Gl. 5 berechnet.
Vorzugsweise ist ein Regelkreis, wie z. B. der in 1 gezeigte Regelkreis 114, in der TCR-Bestimmungs-Teststruktur beinhaltet, wobei der Regelkreis 114 an den Temperatureinsteller 804 gekoppelt ist. Die Beträge von TCR_n und TCR_v, die unter Verwendung von Gl. 4 und 5 bestimmt sind, werden dann z. B. in dem Regelkreis 114 verwendet. Die bestimmten Beträge von TCR_n und TCR_v werden später verwendet, um die Temperaturen von Teilbereichen der Teststruktur zu bestimmen, z. B. um die Temperaturen an dem beanspruchten Via 810a und der Beanspruchungsleitung 806 später in Elektromigrationstests zu bestimmen.
Wieder kann in einigen Ausführungsbeispielen nur ein TCR-Bestimmer (z. B. eine Viakette 856/857/858, ein beanspruchtes Via 810a oder eine schmale Leitung 808a) in der TCR-Bestimmungs-Teststruktur beinhaltet sein. Ein Testverfahren, das eine solche Teststruktur verwendet, umfasst vorzugsweise zunächst ein Bereitstellen der einen TCR-Bestimmer beinhaltenden Teststruktur, zumindest einer breiten Leitbahn 808b in der Nähe des TCR-Bestimmers und einen Temperatureinsteller 804 in der Nähe zumindest der zumindest einen breiten Leitbahn 808b. Die Teststruktur umfasst eine erste Temperatur T₀. Das Testverfahren kann ein Messen eines ersten Widerstandes der zumindest einen breiten Leitbahn 808b bei der ersten Temperatur T₀, ein Messen eines zweiten Widerstandes des TCR-Bestimmers bei der ersten Temperatur T₀, ein Ändern der ersten Temperatur T₀ von zumindest der zumindest einen breiten Leitbahn 808b unter Verwendung des Temperatureinstellers 804 (oder einer waferexternen Wärmequelle) der Teststruktur auf eine unbekannte zweite Temperatur T_w, ein Messen eines dritten Widerstandes der zumindest einen breiten Leitbahn 808b bei der zweiten Temperatur T_w beinhalten. Die zweite Temperatur T_w der zumindest einen breiten Leitbahn 808b wird unter Verwendung des gemessenen dritten Widerstands der zumindest einen breiten Leitbahn 808b bei der zweiten Temperatur T_w, eines angenommenen ersten Betrags von TCR_w für die zumindest eine breite Leitbahn 808b, dem gemessenen ersten Widerstand der zumindest einen breiten Leitbahn 808b bei der ersten Temperatur T₀ und der ersten Temperatur T₀ z. B. unter Verwendung von Gl. 3 bestimmt. Eine dritte Temperatur T_td des TCR-Bestimmers wird dann als im Wesentlichen gleich mit der zweiten Temperatur T_w der zumindest einen breiten Leitbahn 808b angenommen, wie voranstehend hierin beschrieben ist. Gl. 6 (welche die gleiche ist wie die voranstehende Gl. 4 und 5 mit verschiedenen Variablen) kann verwendet werden, um z. B. den TCR_td des TCR-Bestimmers in diesen Ausführungsbeispielen zu bestimmen: TCRtd = (Rtd(Ttd) – Rtd(T0))/(Rtd(T0)·(Ttd – T0)) Gl. 6 wobei R_td(T₀) den gemessenen ersten Widerstand des TCR-Bestimmers bei der ersten Temperatur T₀ umfasst, und R_td(T_td) einen gemessenen zweiten Widerstand des TCR-Bestimmers bei der dritten Temperatur T_td umfasst. Eine Vielzahl von TCR-Bestimmern kann in der Teststruktur in der Nähe der zumindest einen breiten Leitbahn 808b beinhaltet sein und kann verwendet werden, um z. B. den TCR von verschiedenen leitenden Teilbereichen einer Halbleiteranordnung zu bestimmen, wie z. B. Leitbahnen und Vias.
Temperaturunabhängige Elektronenstreuungseffekte können in kleinen Merkmalen, wie z. B. in der schmalen Leitung 808a ebenso wie in der Viakette 856/857/858 vorhanden sein, wodurch der spezifische Widerstand erhöht wird und folglich der TCR_n und TCR_w, der schmalen Leitung 808a bzw. der Viakette 856/857/858 im Vergleich zu TCR_w verringert wird. Ebenso kann die Linerdicke (z. B. Liner, die zum Ausbilden der leitenden Materialien in den leitenden Materialschichten M0, V0, M1, V1, M2, V2 und M3 verwendet werden können) einen Effekt haben, in erster Linie auf den TCR_v der Vias 810a und 857. Diese kleinen Größen- und Linereffekte auf den TCR werden schön in den TCR_n- und TCR_v-Ergebnissen von Gl. 4 und Gl. 5 wiedergegeben, indem die TCR-Bestimmungs-Teststruktur von Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet wird. Vorteilhafterweise beeinflussen die typischen kleinen Abweichungen des tatsächlichen TCR_w von den angenommenen Werten von TCR nicht die Temperaturhomogenität (oder beabsichtigte Verschiedenheit) für das beanspruchte Via 810a und die Beanspruchungsleitung 806, weil TCR_n und TCR_w, die gleichen kleinen Fehler wie TCR_w aufweisen werden.
Der Temperatureinsteller 804 kann verwendet werden, um die Temperatur der leitenden Materialien und Teilbereiche der Teststruktur 800 oberhalb des Temperatureinstellers 804 zu verändern oder alternativ kann ein zu dem Wafer externes Erhitzen angewandt werden. Ein Wafer/Halbleiterplättchen externer Heizer kann in einigen Ausführungsbeispielen für ein schnelles Erhitzen verwendet werden, wobei die resultierenden Temperaturen T_w, T_n, T_v und T_td nicht bekannt sind, wie z. B. bei der Verwendung des Temperatureinstellers 804. In Übereinstimmung mit Gl. 4 und Gl. 5 können die TCRs der schmalen Leitung 808a und des Vias 810a oder 857 bei zwei Temperaturen bestimmt werden, indem die Spannung über die schmale Leitung 808a und über die Viakette 856/857/858 oder das beanspruchte Via 810a gemessen wird, z. B. indem ein Messstrom an beiden Enden der schmalen Leitung 808a und der Viakette 856/857/858 oder des beanspruchten Vias 810a angelegt wird. Der Widerstand der schmalen Leitungen 808a und der Viakette 856/857/858 oder des beanspruchten Vias 810a kann unter Verwendung des Ohm'schen Gesetzes bestimmt werden, z. B. unter Verwendung der gemessenen Beträge von Spannung und Strom über und durch die schmale Leitung 808a und die Viakette 856/857/858 oder das beanspruchte Via 810a. Beispielsweise erhöht sich der Widerstand einer Leitbahn wie sich die Temperatur erhöht, und der Widerstand verringert sich wie die Temperatur sich verringert.
Nachdem TCR_n und TCR_v bestimmt sind, können die Temperaturen für die schmale Leitung 808a und die Viakette 856/857/858 oder das beanspruchte Via 810a unter Anwendung von Gl. 3 entsprechend berechnet werden.
Ein weiterer Vorteil der TCR-Bestimmungs-Teststruktur von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist, dass unübliche TCR-Ergebnisse für die schmale Leitung 808a, die Vias 857, das beanspruchte Via 810a oder die Beanspruchungsleitung 806 Information über die Qualität der Prozessierungstechniken geben können, die zum Ausbilden der schmalen Leitung 808a, der Vias 857, des beanspruchten Vias 810a oder der Beanspruchungsleitung 806 verwendet werden und z. B. als ein grober Qualitätscheck für Via oder schmale Metallleitungen während einer In-Line-Wafer-Überwachung verwendet werden können. Die TCR-Messungen der schmalen Leitung 808a, der Vias 810a oder 857 und/oder der Beanspruchungsleitung 806 können z. B. ein Indikator für Elektromigrations- oder Beanspruchungshohlstellen(voiding)-Leistungsfähigkeit sein.
Der TCR von schmalen Leitungen, Vias und Kontakten kann von Wafer zu Wafer und ebenso innerhalb eines einzelnen Wafers variieren. Die neuen TCR-Bestimmungs-Teststrukturen von Ausführungsbeispielen der Erfindung können in jeder Metall- und Viaschicht ausgebildet werden, so dass TCR-Messungen in Verbindung mit Elektromigrations-Teststrukturen, wie sie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben wurden, in jeder Metall- und Via-Schicht durchgeführt werden können oder die neuen TCR-Bestimmungs-Teststrukturen können mit anderen Arten von Elektromigrationsstrukturen verwendet werden. Alternativ können die neuen TCR-Bestimmungs-Teststrukturen z. B. als allein stehende TCR-Bestimmungs-Teststrukturen verwendet werden.
Die Länge der breiten Leitung 808b ist vorzugsweise ausreichend, um den TCR-Effekt in der Teststruktur 800 genau zu messen. Beispielsweise hat die breite Leitung 808b in einigen Anwendungen vorzugsweise einen Widerstand von größer als ungefähr 2 Ohm, und umfasst demnach vorzugsweise eine Länge von ungefähr 20 μm oder mehr. Die Längen der schmalen Leitung 808a und der Viakette 856/857/858 können z. B. aufgrund eines höheren Widerstands pro Länge der schmalen Leitung 808a und der Viakette 856/857/858 kürzer sein. Nachdem die TCR-Referenzmessungen beendet sind, kann die breite Leitung 808b ebenso als eine Zuleitung 808b wirken, die, wie in 17 gezeigt, an die Zuleitung 808 durch Vias 810b in der V1-Schicht gekoppelt ist.
Man beachte, dass 17 nicht die komplette Länge der breiten Leitung 808b zeigt; es ist nur ein Teilbereich der breiten Leitung 808b gezeigt. Die kompletten Längen der schmalen Leitung 808a und der Viakette 856/857/858 sind ebenfalls nicht gezeigt. Auch werden Abfrage- und Versorgungsstromlei tungen, welche in 17 ebenfalls nicht gezeigt sind, benötigt und sind vorzugsweise in der Teststruktur beinhaltet, wie in den 11 bis 16 für eine genaue Vierpunktmessung gezeigt und mit Bezug auf diese beschrieben ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der TCR des beanspruchten Vias 810a direkt unter Verwendung der Teststruktur 800 bestimmt werden, wenn ein ausreichend breiter und langer Bereich unterhalb des beanspruchten Vias 810a und der breiten Leitung 808b homogen erhitzt wird, so dass das beanspruchte Via 810a und die breite Leitung 808b identische Temperaturen haben. Das beanspruchte Via 810a umfasst in diesem Ausführungsbeispiel den TCR-Bestimmer. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Temperatureinsteller 804 z. B. vorzugsweise größer als in 17 gezeigt.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Teststruktur 800 so entwickelt sein, dass z. B. die breite Leitung 808b, die schmale Leitung 808a und die Viakette 856/857/858 angrenzend an und parallel zu der (hierin nicht gezeigten) Beanspruchungsleitung 806 angeordnet sind. Ebenso können, in den Zeichnungen nicht gezeigte, optionale Dummy-Leitungen (wie sie für Lithografiezwecke benötigt werden können) zwischen der breiten Leitung 808b, der Beanspruchungsleitung 806 und der Viakette 856/857/858 verschachtelt sein. Diese Dummy-Leitungen können ebenso z. B. für eine Fließpressüberwachung und/oder Temperaturgleichmäßigkeitsverbesserung verwendet werden.
Man beachte, dass in einigen Ausführungsbeispielen eine TCR-Bestimmungs-Teststruktur zumindest eine breite Leitung 808b und entweder die Viakette 856/857/858 oder die schmale Leitung 808a, aber nicht Beides, beinhalten kann. Dennoch beinhaltet in anderen Ausführungsbeispielen eine TCR-Bestimmungs-Teststruktur vorzugsweise die breite Leitung 808b und sowohl die Viakette 856/857/858 als auch die schmale Leitung 808a, wie in 17 gezeigt. In einigen Ausführungsbeispielen kann eine TCR-Bestimmungs-Teststruktur zwei, in den Zeichnungen nicht gezeigte, breite Leitungen 808b umfassen, z. B. mit einer breiten Leitung 808b, die auf beiden Seiten einer Viakette 856/857/858, einer schmalen Leitung 808a, einer Zuleitung 808 oder Beanspruchungsleitung 806 angeordnet ist.
Die in 17 gezeigte schmale Leitung 808a kann z. B. durch eine weitere breite Leitung, die die gleiche Größe und Form wie die gezeigte breite Leitung 808b umfasst, ersetzt werden. Oder eine breite Leitung kann als ein weiteres Beispiel auf einer Seite der schmalen Leitung 808a angeordnet werden, die der Seite der schmalen Leitung 808a, auf der die Viakette 856/857/868 angeordnet ist, gegenüberliegt. Oder als noch ein weiteres Beispiel kann die Viakette 856/857/858 weggelassen werden und durch eine schmale Leitung in der in 17 gezeigten Position, wo die Viakette 856/857/858 gezeigt ist, ersetzt werden und eine optionale breite Leitung kann auf einer Seite der schmalen Leitung angeordnet werden, die der Seite, auf der die andere breite Leitung 808b angeordnet ist, gegenüberliegt.
Die Kombination von TCR-Bestimmungs-Teststrukturen und Elektromigrationsstrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist vorteilhaft, weil z. B. die Anzahl von Anschlusspads minimiert werden kann, weil viele Anschlussflächen der Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 für mehrere Zwecke in den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet werden können. Die verschiedenen Merkmale und Teilbereiche der Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 können ebenso z. B. in anderen Materialschichten, z. B. Schichten M0, V0, M1, V1, M2, V2 und M3, als in den hierin beschriebenen Materialschichten ausgebildet werden.
18 zeigt eine Draufsicht eines Halbleiterwafers 901, die darstellt, dass die neuen Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 von Ausführungsbeispielen der vor liegenden Erfindung in einem Bruchlinien(Scribe-line)-Gebiet 960, einem unvollständig ausgebildeten Halbleiterplättchen-Gebiet 962, einem Halbleiterplättchen-Gebiet 964 eines Halbleiterwafers 901 oder mehreren Gebieten oder Kombinationen davon ausgebildet sein können. Die neuen, hierin beschriebenen Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 können in Bruchlinien-Gebieten 960 zwischen individuellen Halbleiterplättchen 964 angeordnet sein, wobei das Halbleiterplättchen 964 z. B. funktionelle oder Test-Halbleiteranordnungen umfassen kann. In diesem Ausführungsbeispiel umfassen die Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 Opferstrukturen, die nach dem Vereinzeln des Halbleiterplättchens 964 des Halbleiterwafers 901 teilweise zerstört sind und/oder weggeworfen werden. In anderen Ausführungsbeispielen können die Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 z. B. in den ungebrauchten oder unvollständig ausgebildeten oder nicht die vollständige Größe habenden Halbleiterplättchengebieten 962 des Halbleiterwafers 901 ausgebildet sein, und die Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 können weggeworfen werden, nachdem die Elektromigrationstests durchgeführt sind und das Halbleiterplättchen 964 des Halbleiterwafers 901 vereinzelt ist. In anderen Ausführungsbeispielen können die Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 z. B. in vorbestimmten, dedizierten Gebieten des Halbleiterplättchens 964 ausgebildet sein, und das Halbleiterplättchen 964, das die Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 umfasst, kann oder kann nicht nach der Vereinzelung des Halbleiterplättchens 864 weggeworfen werden. Die Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 können ebenfalls z. B. in einem ungenutzten Gebiet eines Halbleiterplättchens 964, einem Testgebiet eines Halbleiterplättchens 964, mehreren Gebieten oder Kombinationen davon mit den hierin beschriebenen anderen Gebieten 960, 962 oder 964 ausgebildet werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beinhalten ebenfalls Halbleiterwafer 901 und Halbleiteranordnungen, die z. B. die neuen hierin beschriebenen Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 beinhalten. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beinhalten ebenfalls Verfahren zur Prozessierung und zum Testen von Halbleiteranordnungen unter Verwendung der hierin beschriebenen neuen Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 und Verfahren. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beinhalten ebenso Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen, die die hierin beschriebenen Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 beinhalten.
Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beinhalten ein Bereitstellen neuer Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 zum Durchführen von Elektromigrationstests auf Halbleiteranordnungen. Die Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 haben eine verbesserte Temperaturgleichmäßigkeit und -homogenität über ihre Länge. Elektromigrationstests können unter Verwendung der hierin beschriebenen Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 schnell und genau durchgeführt werden.
Temperatur und Elektromigrationstests, die die neuen Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwenden, können während der Technologieentwicklungsphase von Halbleiteranordnungen durchgeführt werden, z. B. um die Elektromigration in leitenden Materialschichten von Halbleiteranordnungen zu testen und zu verbessern. Die Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 können ebenso für Technologiequalifikationstests verwendet werden. Alternativ können die Elektromigrationstests gelegentlich oder regelmäßig während der Produktion (z. B. für die Produktionszuverlässigkeitsüberwachung) beispielsweise nach einer vorherbestimmten Anzahl von Losen oder Wafern oder bei jedem Los oder Wafer durchgeführt werden. Die Tests können z. B. Tests auf Waferebene oder Gehäuseebene umfassen.
Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beinhalten ein Bereitstellen von Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 und Verfahren zum schnellen und genauen Messen der Effekte von Elektromigration auf Halbleiteranordnungen. Beispielsweise ermöglichen die Elektromigrationstests unter Verwendung der neuen Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 dem Benutzer die Tests zu beschleunigen, weil die neuen Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 Temperaturhomogenität bis zu höheren Strömen sicherstellen als herkömmliche Teststrukturen. Genaue Tests auf Waferebene können in wenigen Sekunden oder Minuten oder weniger durchgeführt werden, z. B. in ungefähr 100 bis 1000 Sekunden oder weniger, wodurch der Durchsatz erhöht wird und Kosteneinsparungen bereitgestellt werden. Ebenso können Tests auf Gehäuseebene unter Verwendung der neuen Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 von Tagen auf zweckmäßige Testzeiten von oder unter einem Tag beschleunigt werden. Die Tests können unter Verwendung einer hohen Beanspruchung, z. B. einer hohen Beanspruchungsleitungstemperatur und einem hohen Strom durchgeführt werden. Die Temperaturen der Beanspruchungsleitung und des beanspruchten Vias können einschließlich Stromwärme Temperaturen von z. B. ungefähr 350°C für leitende Aluminiumstrukturen und ungefähr 600°C für leitende Kupferstrukturen erreichen. Der Betrag von Strom 119, 219, 319, 419, 519, 619, 719 oder 819, der in den Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 verwendet wird, ist z. B. eine Funktion der Breite und Dicken der Teilbereiche der Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800. Stromdichten in der Größenordnung von schätzungsweise ungefähr mehreren zehn A/cm² können verwendet werden, obwohl kleinere Stromdichten ebenso verwendet werden können. Die verwendete Stromdichte kann z. B. abhängig von der Umgebungstemperatur, bei der die Tests durchgeführt werden, variieren. Es können bis auf wenige Minuten reduzierte Testzeiten erreicht werden, obwohl kleinere oder höhere Testzeiten ebenso verwendet werden können. Die Testergebnisse sind aufgrund der einheitlichen Tem peraturprofile entlang der beanspruchten Vias und der Beanspruchungsleitungen in den hierin beschriebenen neuen Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 auch zuverlässiger.
Man beachte, dass, in den Figuren nicht gezeigte, Dummy-Leitbahnen in den Strukturen beinhaltet sein können, wobei die Dummy-Leitbahnen in der Nähe der Zuleitungen, der breiten Leitungen, der Beanspruchungsleitungen, der Viaketten und/oder der Abfrageleitungen angeordnet sind. Die Dummy-Leitbahnen werden z. B. für Lithografiezwecke und/oder Wärmeableitung verwendet und können elektrisch inaktiv sein. Die Dummy-Leitbahnen können ebenso für eine Fließpressüberwachung verwendet werden, wobei ein Widerstand zwischen den Dummy-Leitbahnen und der Beanspruchungsleitung gemessen wird, um z. B. Kurzschlüsse zu entdecken, was eine andere Art von Elektromigrationseffekttesten und -messung umfasst. Alternativ können die verschiedenen hierin beschriebenen Abfrageleitungen auch aktive Leitbahnen umfassen, die z. B. geformt und positioniert sein können, um die Wärmeableitung zu verbessern.
Die Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 haben ein einheitliches Temperaturprofil an dem beanspruchten Via und entlang der Länge der Beanspruchungsleitungen, wodurch heiße oder kalte Stellen (hot or cold spots) an den Viaseiten vermieden werden. Das Temperaturprofil entlang der Länge der Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 kann unter Verwendung der hierin beschriebenen Temperatureinsteller 104, 204, 304, 404, 504, 604, 704 und 804 aktiv eingestellt werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können z. B. in vielen Arten von Teststrukturkonfigurationen unter Verwendung von Upstream- und Downstream-Stromfluss durch beanspruchte Vias implementiert werden. Optionale Wärmekollektoren und verbreiterte Gebiete von Zuleitungen und Abfrageleitungen können in den Teststrukturen implementiert werden, um thermische Ableitung oder Sammlung bereitzustellen und die Elektromigrationstestergebnisse zu verbessern.
Beschleunigte Elektromigrationstests können unter Verwendung der neuen Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 durchgeführt werden, indem die Temperatur der beanspruchten Vias 110, 110a, 210, 310a, 410, 510, 610a, 710a und 810a unter Verwendung der neuen hierin beschriebenen Temperatureinsteller 104, 204, 304, 404, 504, 604, 704 und 804 erhöht oder verringert wird. Elektromigrationstests können unter Verwendung der neuen Temperatureinsteller 104, 204, 304, 404, 504, 604, 704 und 804 der Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden, wobei absichtlich verursacht wird, dass die Temperatur der beanspruchten Vias 110, 110a, 210, 310a, 410, 510, 610a, 710a und 810a anfänglich angehoben oder verringert ist. Die Temperatureinsteller 104, 204, 304, 404, 504, 604, 704 und 804 umfassen z. B. Ausgleichsheizer und/oder Ausgleichskühler für die Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800.
Vorteilhafterweise kann die Temperatur der beanspruchten Vias 110, 110a, 210, 310a, 410, 510, 610a, 710a und 810a und/oder der Beanspruchungsleitungen 106, 206, 306, 406, 506, 606, 706 und 806 der Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 durch Verwendung der hierin beschriebenen Abfrageleitungen bestimmt werden. In einigen Tests kann es beispielsweise das Ziel sein, die gleiche Temperatur oder eine vorbestimmte Temperaturdifferenz in den beanspruchten Vias 110, 110a, 210, 310a, 410, 510, 610a, 710a und 810a und den Beanspruchungsleitungen 106, 206, 306, 406, 506, 606, 706 und 806 der Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 zu erzielen. Folglich kann die Temperatur der beanspruchten Vias 110, 110a, 210, 310a, 410, 510, 610a, 710a und 810a und der Beanspruchungsleitungen 106, 206, 306, 406, 506, 606, 706 und 806 unter Verwendung der Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 erzielt werden, und die zwei Tem peraturen können verglichen werden, und das Testen kann modifiziert werden z. B. indem der Strom oder die Testzeiten entsprechend erhöht oder verringert werden. Alternativ kann z. B. die Temperatur nur von den beanspruchten Vias 110, 110a, 210, 310a, 410, 510, 610a, 710a und 810a oder nur von den Beanspruchungsleitungen 106, 206, 306, 406, 506, 606, 706 und 806 der neuen Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 gemessen werden.
Darüber hinaus können die neuen Temperatureinsteller 104, 204, 304, 404, 504, 604, 704 und 804 verwendet werden, um das Temperaturprofil der Teststrukturen 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 für eine breite Vielzahl von Prozessvariationen zu regeln oder auszugleichen, ohne elektro-thermische Simulationen für den Entwurf der Teststruktur 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 und 800 zu erfordern. Beispielsweise können Prozessvariationen von Wafer zu Wafer oder Variationen innerhalb eines Wafers, wie z. B. Variationen der Dielektrikumsdicke oder -zusammensetzung, Variationen des Metall-Flächenwiderstands aufgrund der Dicke, der Textur oder der Zusammensetzung und Variationen des Widerstand der beanspruchten Vias 110, 110a, 210, 310a, 410, 510, 610a, 710a und 810a durch Variieren des Betrags von Strom 119, 219, 319, 419, 519, 619, 719 und 819 und/oder des Betrags von Strom durch den Temperatureinsteller 104, 204, 304, 404, 504, 604, 704 und 804 kompensiert werden.
Obwohl Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile im Detail beschrieben wurden, sollte verstanden werden, dass zahlreiche Änderungen, Ersetzungen und Umbauten vorgenommen werden können, ohne vom Kern und Umfang der durch die beigefügten Ansprüche definierten Erfindung abzuweichen. Beispielsweise wird vom Fachmann leicht nachvollzogen, dass viele hierin beschriebene Eigenschaften, Funktionen, Prozesse und Materialien innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verändert werden können. Darüber hinaus ist es nicht beabsichtigt, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung auf die speziellen, in der Beschreibung dargestellten Ausführungsbeispiele des Prozesses, der Vorrichtung, der Herstellung, der Materialzusammensetzung, der Mittel, der Verfahren und Arbeitsschritte begrenzt werden soll. Der Fachmann wird aus der Offenbarung der vorliegenden Erfindung leicht einsehen, dass derzeitig existierende oder noch zu entwickelnde Prozesse, Maschinen, Erzeugnisse, Materialzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Arbeitsschritte, welche im Wesentlichen die gleiche Funktion erfüllen oder im Wesentlichen das gleiche Ergebnis erzielen wie die entsprechenden hier dargestellten Ausführungsbeispiele, entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Entsprechend ist es beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche in ihrem Umfang solche Prozesse, Vorrichtungen, Erzeugnisse, Materialzusammensetzungen, Mittel, Verfahren und Arbeitsschritte umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 200654041 [0070]

Claims

Teststruktur mit: einer Zuleitung; einer Beanspruchungsleitung, die in der Nähe der Zuleitung angeordnet ist; einem leitenden Merkmal, das zwischen der Beanspruchungsleitung und der Zuleitung angeordnet ist; einem Temperatureinsteller in der Nähe zumindest des leitenden Merkmals; und zumindest einer Rückmeldungsanordnung, die an den Temperatureinsteller und zumindest das leitende Merkmal gekoppelt ist.
Teststruktur nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung und die Beanspruchungsleitung in einer einzigen leitenden Materialschicht einer Halbleiteranordnung ausgebildet sind, oder dass die Zuleitung in einer ersten leitenden Materialschicht einer Halbleiteranordnung ausgebildet ist und die Beanspruchungsleitung in einer zweiten leitenden Materialschicht der Halbleiteranordnung ausgebildet ist.
Teststruktur nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Rückmeldungsanordnung angepasst ist, um eine Temperatur von zumindest dem leitenden Merkmal zu überwachen und zu regeln.
Teststruktur nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung, die Beanspruchungsleitung, das leitende Merkmal und der Temperatureinsteller auf einer Halbleiteranordnung ausgebildet sind, und wobei die zumindest eine Rückmeldungsanordnung eine Hardware, die extern zu der Halbleiteranordnung und an diese gekoppelt ist, eine Hardware, die auf der Halbleiteranordnung angeordnet ist, und/oder eine Software, die an die Halbleiteranordnung gekoppelt ist, umfasst.
Teststruktur nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Rückmeldungsanordnung einen Regler umfasst, der einen Eingang und einen Ausgang beinhaltet, wobei der Eingang des Reglers an ein Signal gekoppelt ist, das einen Fehler zwischen einem bestimmten Temperaturdifferenziert und einem Offset zwischen einer Temperatur des leitenden Merkmals und einer Temperatur der Beanspruchungsleitung anzeigt, und wobei der Ausgang des Reglers an den Temperatureinsteller gekoppelt ist.
Teststruktur nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Rückmeldungsanordnung weiterhin einen ersten Temperatur-Bestimmer, einen zweiten Temperatur-Bestimmer und einen Signalsummierer umfasst, wobei der erste Temperatur-Bestimmer einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang beinhaltet, wobei der zweite Temperatur-Bestimmer einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang beinhaltet, wobei der erste Eingang des ersten Temperatur-Bestimmers an eine erste Seite des leitenden Merkmals gekoppelt ist, wobei der zweite Eingang des ersten Temperatur-Bestimmers an eine zweite Seite des leitenden Merkmals gekoppelt ist, wobei der Ausgang des ersten Temperatur-Bestimmers ein erstes Signal umfasst, das die Temperatur des leitenden Merkmals angibt, wobei der erste Eingang des zweiten Temperatur-Bestimmers an eine erste Seite der Beanspruchungsleitung gekoppelt ist, wobei der zweite Eingang des zweiten Temperatur-Bestimmers an eine zweite Seite der Beanspruchungsleitung gekoppelt ist, wobei der Ausgang des zweiten Temperatur-Bestimmers ein zweites Signal umfasst, das die Temperatur der Beanspruchungsleitung angibt, wobei der Ausgang des ersten Temperatur-Bestimmers, der Ausgang des zweiten Temperatur-Bestimmers und ein Offset-Sollsignal an eine Vielzahl von Eingängen des Signalsummierers gekoppelt sind, und wobei ein Ausgang des Signalsummierers an den Eingang des Reglers gekoppelt ist.
Halbleiteranordnung mit: einem Mittel zum Messen von Elektromigration; einem Mittel zum Liefern eines Stroms für das Mittel zum Messen von Elektromigration; einem leitenden Merkmal, das zwischen dem Mittel zum Liefern des Stroms und dem Mittel zum Messen von Elektromigration angeordnet ist; einem Mittel zum Ändern einer Temperatur von zumindest dem leitenden Merkmal; und einem Rückmeldungsmittel der Temperatur von zumindest dem leitenden Merkmal, das an das Mittel zum Ändern der Temperatur von zumindest dem leitenden Merkmal gekoppelt ist.
Halbleiteranordnung nach Patentanspruch 7, weiterhin mit: einem Mittel zum Aufnehmen von Wärme, wobei das Mittel zum Aufnehmen von Wärme in der Nähe ist von, gekoppelt ist an, oder einen Teil des Mittels zur Messung von Elektromigration, des Mittels zum Liefern des Stroms oder des leitenden Merkmals umfasst.
Halbleiteranordnung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Mittel zum Messen von Elektromigration, das Mittel zum Liefern des Stroms für das Mittel zum Messen von Elektromigration, das zwischen dem Mittel zum Liefern von Strom und dem Mittel zum Messen von Elektromigration angeordnete leitende Merkmal und das Mittel zum Ändern der Temperatur von zumindest dem leitenden Merkmal eine Teststruktur umfassen, und wobei die Teststruktur in einem dedizierten Gebiet eines Halbleiterplättchens, einem ungebrauchten Gebiet eines Halbleiterplättchens, einem Testgebiet eines Halbleiterplättchens, einem Bruchlinien-Gebiet der Halbleiteranordnung, einem unvollständig ausgebildeten Halbleiterplättchengebiet der Halbleiteranordnung oder mehreren Gebieten oder Kombinationen davon ausgebildet ist.
Halbleiteranordnung mit: einer ersten Leitbahn; einer zweiten Leitbahn; einem leitenden Merkmal, das zwischen der ersten Leitbahn und der zweiten Leitbahn angeordnet und an diese gekoppelt ist; einem Temperatureinsteller in der Nähe zumindest des leitenden Merkmals, wobei die Temperatur und/oder Elektromigration in der zweiten Leitbahn oder an dem leitenden Merkmal messbar ist, wenn ein Strom durch die erste Leitbahn, das leitende Merkmal und die zweite Leitbahn hindurch geführt wird; und zumindest einer Rückmeldungsanordnung, die an den Temperatureinsteller und zumindest das leitende Merkmal gekoppelt ist.
Halbleiteranordnung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitbahn ein erstes Ende und ein zweites Ende umfasst, wobei das leitende Merkmal ein erstes Ende und ein zweites Ende umfasst, wobei das erste Ende der zweiten Leitbahn an das erste Ende des leitenden Merkmals gekoppelt ist, und mit einer ersten Abfrageleitung, die an das zweite Ende der zweiten Leitbahn gekoppelt ist, und einer zweiten Abfrageleitung, die an das erste Ende der zweiten Leitbahn gekoppelt ist, wobei die Temperatur und/oder Elektromigration in der zweiten Leitbahn unter Verwendung der ersten Abfrageleitung und der zweiten Abfrageleitung messbar ist.
Halbleiteranordnung nach Patentanspruch 11, weiterhin mit: einer dritten Abfrageleitung, die an das zweite Ende des leitenden Merkmals gekoppelt ist, wobei die Temperatur und/oder Elektromigration des leitenden Merkmals unter Verwendung der zweiten Abfrageleitung und der dritten Abfrageleitung messbar ist.
Halbleiteranordnung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatureinsteller parallel oder senkrecht zu der ersten Leitbahn, der zweiten Leitbahn und dem leitenden Merkmal angeordnet ist.
Halbleiteranordnung nach Patentanspruch 10, weiterhin mit: einer thermischen Widerstandskoeffizienten(TCR)-Bestimmungsteststruktur in der Nähe der ersten Leitbahn, der zweiten Leitbahn, des leitenden Merkmals und/oder des Temperatureinstellers.
Halbleiteranordnung nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die TCR-Bestimmungs-Teststruktur zumindest eine breite Leitbahn und einen TCR-Bestimmer in der Nähe der zumindest einen breiten Leitbahn umfasst, wobei die zumindest eine breite Leitbahn eine erste Breite umfasst, wobei die erste Breite größer ist als oder im Wesentlichen gleich ist einer zweiten Breite eines Teilbereichs des TCR-Bestimmers, und wobei eine Temperatur und ein Betrag des TCR des TCR-Bestimmers aus einer bestimmbaren Temperatur der zumindest einen breiten Leitbahn bestimmbar sind.
Halbleiteranordnung nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der TCR-Bestimmer eine Viakette, das leitende Merkmal und/oder eine schmale Leitbahn umfasst, wobei die schmale Leitbahn die zweite Breite umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit den Schritten: Bereitstellen eines Werkstücks; Ausbilden einer Zuleitung über dem Werkstück; Ausbilden einer Beanspruchungsleitung über dem Werkstück; Ausbilden eines leitenden Merkmals zwischen der Zuleitung und der Beanspruchungsleitung; Anordnen eines Temperatureinstellers in der Nähe zumindest des leitenden Merkmals; und Koppeln zumindest einer Rückmeldungsanordnung an den Temperatureinsteller und zumindest das leitende Merkmal.
Verfahren nach Patentanspruch 17 mit dem weiteren Schritt: Koppeln des Temperatureinstellers an das leitende Merkmal.
Verfahren nach Patentanspruch 17 mit den weiteren Schritten: Koppeln einer Stromversorgungsleitung an die Zuleitung und Koppeln einer Stromrückführungsleitung an die Beanspruchungsleitung.
Verfahren nach Patentanspruch 17, wobei das Anordnen des Temperatureinstellers ein Ausbilden eines Heizers, eines Peltier-Elements und/oder einer thermoelektrischen Anordnung umfasst.
Verfahren nach Patentanspruch 17, wobei das Anordnen des Temperatureinstellers ein Ausbilden eines Halbleitermaterials oder eines Refraktärmetalls umfasst.
Verfahren zur Prozessierung einer Halbleiteranordnung mit den Schritten: Bereitstellen eines Werkstücks, wobei das Werkstück eine Teststruktur beinhaltet, die eine Zuleitung, eine Beanspruchungsleitung, ein zwischen der Zuleitung und der Beanspruchungsleitung angeordnetes leitendes Merkmal, einen Temperatureinsteller in der Nähe zumindest des leitenden Merkmals und zumindest eine Rückmeldungsanordnung umfasst, die an den Temperatureinsteller und zumindest das leitende Merkmal gekoppelt ist; Hindurchleiten eines Stroms durch die Teststruktur; und Messen eines Temperatur- und/oder Elektromigrationsbetrags eines Teilbereichs der Teststruktur.
Verfahren nach Patentanspruch 22, wobei das Hindurchleiten des Stroms durch die Teststruktur ein Hindurchleiten eines Stroms Upstream von einer unteren Metallisierungsschicht zu einer oberen Metallisierungsschicht durch die Teststruktur hindurch, oder ein Hindurchleiten eines Stroms Downstream von einer oberen Metallisierungsschicht zu einer unteren Metallisierungsschicht durch die Teststruktur umfasst.
Verfahren nach Patentanspruch 22, wobei das Messen des Temperatur- und/oder Elektromigrationsbetrags des Teilbereichs der Teststruktur ein Messen eines Temperatur- und/oder Elektromigrationsbetrags innerhalb der Beanspruchungsleitung und/oder ein Messen eines Temperatur- und/oder Elektromigrationsbetrags des leitenden Merkmals umfasst, das zwischen der Zuleitung und der Beanspruchungsleitung angeordnet ist.
Verfahren nach Patentanspruch 22 mit dem weiteren Schritt: Ändern einer Temperatur von zumindest einem Teilbereich des leitenden Merkmals unter Verwendung des Temperatureinstellers oder eines waferexternen Heizers vor oder während des Messens des Temperatur- und/oder Elektromigrationsbetrags.
Verfahren nach Patentanspruch 25, wobei das Ändern der Temperatur von zumindest dem Teilbereich des leitenden Merkmals ein Erhitzen, Kühlen oder abwechselnd sowohl Erhitzen als auch Kühlen zumindest des Teilbereichs des leitenden Merkmals umfasst.
Verfahren nach Patentanspruch 22, wobei das Bereitstellen des Werkstücks ein Herstellen eines Halbleiterwafers umfasst.
Teststruktur mit: zumindest einem thermischen Widerstandskoeffizienten(TCR)-Bestimmer; zumindest einer breiten Leitbahn in der Nähe des zumindest einen TCR-Bestimmers, wobei die zumindest eine breite Leitbahn eine erste Breite umfasst, wobei die erste Breite größer als oder im Wesentlichen gleich einer zweiten Breite eines Teilbereichs des zumindest einen TCR-Bestimmers ist, wobei eine Temperatur und ein Betrag von TCR des zumindest einen TCR-Bestimmers aus einer bestimmbaren Temperatur von der zumindest einen breiten Leitbahn bestimmbar sind; und einem Temperatureinsteller in der Nähe zumindest der zumindest einen breiten Leitbahn.
Teststruktur nach Patentanspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine TCR-Bestimmer ein zwischen einer Zuleitung und einer Beanspruchungsleitung angeordnetes Via umfasst, oder der zumindest eine TCR-Bestimmer eine die zweite Breite umfassende schmale Leitbahn umfasst.
Teststruktur nach Patentanspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein TCR-Bestimmer eine Viakette umfasst, wobei die Viakette eine Vielzahl von Vias umfasst, die in einer leitenden Materialschicht einer Halbleiteranordnung angeordnet sind, wobei die Viakette eine Vielzahl von ersten Verbindungen umfasst, die unterhalb der Vielzahl von Vias angeordnet sind, wobei die Vielzahl von ersten Verbindungen jede zweiten zwei angrenzenden Vias der Vielzahl von Vias aneinanderkoppelt, wobei die Viakette weiterhin eine Vielzahl von zweiten Verbindungen umfasst, die oberhalb der Vielzahl von Vias angeordnet sind, wobei die Vielzahl von zweiten Verbindungen jede zweiten zwei angrenzenden Vias der Vielzahl von Vias aneinanderkoppelt, und wobei die Vielzahl von zweiten Verbindungen um eines der Vielzahl von Vias von der Vielzahl von ersten Verbindungen versetzt sind.
Teststruktur nach Patentanspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine breite Leitbahn eine erste breite Leitbahn, die in der Nähe einer ersten Seite des zumindest einen TCR-Bestimmers angeordnet ist, und eine zweite breite Leitbahn, die in der Nähe einer zweiten Seite des zumindest einen TCR-Bestimmers angeordnet ist, umfasst, wobei die zweite Seite gegenüberliegend der ersten Seite des zumindest einen TCR-Bestimmers ist.
Teststruktur nach Patentanspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine breite Leitbahn eine Breite von ungefähr 2 um oder weniger umfasst.
Testverfahren mit den Schritten: Bereitstellen einer Teststruktur nach Patentanspruch 28, wobei die Teststruktur eine erste Temperatur umfasst; Messen eines ersten Widerstands der zumindest einen breiten Leitbahn bei der ersten Temperatur; Messen eines zweiten Widerstands des zumindest einen TCR-Bestimmers bei der ersten Temperatur; Ändern der ersten Temperatur von zumindest der zumindest einen breiten Leitbahn unter Verwendung des Temperatureinstellers der Teststruktur oder eines wafer-externen Heizers auf eine unbekannte zweite Temperatur; Messen eines dritten Widerstands der zumindest einen breiten Leitbahn bei der zweiten Temperatur; und Bestimmen der zweiten Temperatur unter Verwendung des gemessenen dritten Widerstands der zumindest einen breiten Leitbahn bei der zweiten Temperatur, eines angenommenen ersten Betrags von TCR für die zumindest eine breite Leitbahn, des gemessenen ersten Widerstand der zumindest einen breiten Leitbahn bei der ersten Temperatur und der ersten Temperatur, wobei eine dritte Temperatur des TCR-Bestimmers im Wesentlichen die gleiche ist wie die zweite Temperatur der zumindest einen breiten Leitbahn.
Testverfahren nach Patentanspruch 33 mit den weiteren Schritten: Messen eines vierten Widerstandes des zumindest einen TCR-Bestimmers bei der zweiten Temperatur; und Bestimmen eines zweiten Betrags von TCR des zumindest einen TCR-Bestimmers aus der zweiten Temperatur, dem gemessenen vierten Widerstand des zumindest einen TCR-Bestimmers bei der zweiten Temperatur, dem gemessenen zweiten Widerstand des zumindest einen TCR-Bestimmers bei der ersten Temperatur und der ersten Temperatur.
Testverfahren nach Patentanspruch 34, wobei das Bestimmen der zweiten Temperatur ein Verwenden von Gl. 3 umfasst: Tw = (Rw(Tw) – Rw(T0))/(Rw(T0)·TCRw) + T0 Gl. 3;wobei T₀ eine erste Temperatur umfasst, wobei TCR_w den angenommenen ersten Betrag von TCR für die zumindest eine breite Leitbahn umfasst, wobei R_w(T_w) den dritten Widerstand bei der Temperatur T_w der zumindest einen breiten Leitbahn umfasst, wobei R_w(T₀) den ersten Widerstand der zumindest einen breiten Leitbahn umfasst und wobei T_w die zweite Temperatur umfasst; und wobei das Bestimmen des zweiten Betrags von TCR ein Verwenden von Gl. 6 umfasst: TCRtd = (Rtd(Ttd) – Rtd(T0))/(Rtd(T0)·(Ttd – T0)) Gl. 6;wobei T_td die dritte Temperatur des TCR-Bestimmers umfasst, wobei R_td(T₀) den zweiten Widerstand des TCR-Bestimmers bei ersten Temperatur T₀ umfasst, wobei R_td(T_td) den vierten Widerstand des TCR-Bestimmers bei der dritten Temperatur T_td umfasst und wobei TCR_td den zweiten Betrag von TCR umfasst.