TW202145395A - 用於積體電路的裂縫偵測與監視系統 - Google Patents

用於積體電路的裂縫偵測與監視系統 Download PDF

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Abstract

本發明具體實施例提供一種用於偵測與監視一積體電路(IC)中的一裂縫之系統，其包含：至少一導電周邊線(PLINE)，其延伸圍繞形成在該IC之一非主動區域中的一保護結構並與其電隔離，其中該IC之一主動區域係被包圍在該保護結構內；一電路，其用於感測該至少一PLINE之一電氣特性的一變化，該電氣特性的該變化指示一裂縫存在該IC之該非主動區域中；以及一連接結構，其用於將每個PLINE電耦合到該感測電路。

Description

用於積體電路的裂縫偵測與監視系統
本發明係關於積體電路，更具體而言，係關於一種用於偵測與監視積體電路(integrated circuit，IC)中的裂縫成長之系統。
製程(諸如晶圓切割)可能在IC中導致裂縫之形成並傳播。此裂縫經常形成在該IC中的介電材料與金屬線/接點之間的介面處。
IC係經常暴露於嚴苛、惡劣、且壓力大環境(例如，汽車、航太、軍事等)。環境條件(例如，溫度、濕度、和氣壓變化)的變動可能加劇並促動該等IC中的初發與穩定裂縫(例如，晶圓切割期間所形成的裂縫)上的緩慢裂縫成長機制。多個環境條件之持續波動可能增進初發與穩定裂縫隨著時間而成長，潛在導致IC失效。
止裂物(crackstop)(例如，金屬線和通孔(vias)之互連結構)已製造出並用於阻擋裂縫傳播到IC之主動區域(active region)中。此止裂物通常環繞該IC之周邊並圍繞該IC之內核(主動區)形成。
儘管有效，但止裂物可能無法始終防止裂縫傳播到IC之該主動區域中。就此而言，置放在該止裂物內部之IC之該主動區域中的裂縫偵測結構已開發出，以偵測已傳播越過該止裂物到該IC晶片之該主動區域中裂縫的存在。然而，此裂縫偵測結構為固有缺陷，因為其係設計成在為時已晚且該裂縫已到達該IC晶片之該主動區域之後才偵測裂縫。
本發明一方面是指向一種用於偵測與監視一積體電路(IC)中的一裂縫之系統，其包含：至少一導電周邊線(PLINE)，其延伸圍繞形成在該IC之一非主動區域中的一保護結構並與其電隔離，其中該IC之一主動區域係被包圍在該保護結構內；一電路，其用於感測該至少一PLINE之一電氣特性的一變化，該電氣特性的該變化指示一裂縫存在該IC之該非主動區域中；以及一連接結構，其用於將每個PLINE電耦合到該感測電路。
本發明另一方面是指向一種用於偵測與監視一積體電路(IC)中的一裂縫之方法，其包含：形成至少一導電周邊線(PLINE)，其圍繞形成在該IC之一非主動區域中的一保護結構，其中該IC之一主動區域係被包圍在該保護結構內；監視該至少一PLINE之一電氣特性，其中該電氣特性的一變化指示一裂縫存在該IC之該非主動區域中；以及提供一早期警告警示以回應該至少一PLINE之該電氣特性的所感測的該變化，其中該早期警告警示係在該裂縫已傳播到該IC之該主動區域中之前提供。
本發明另一方面是指向一種用於偵測與監視一積體電路(IC)中的一裂縫之系統，其包含：至少一導電周邊線(PLINE)，其延伸圍繞形成在該IC之一非主動區域中的一保護結構並與其電隔離，其中該IC之一主動區域係被包圍在該保護結構內；一電路，其用於感測該至少一PLINE之一電氣特性的一變化，該電氣特性的該變化指示一裂縫存在該IC之該非主動區域中；以及一連接結構，其用於將每個PLINE電耦合到該感測電路，其中該連接結構更包含以下之至少一者：一金屬跨越接頭，其在該IC之該保護結構上方延伸並與其電隔離；以及一摻雜半導體穿隧接頭，其在該IC之該保護結構下方延伸並與其電隔離。
由以下對本發明具體實施例的更具體描述將更清楚本發明的前述和其他特徵。
在下列說明中將會參照附圖，其上將形成零件，並且其中藉由說明本發明實施的特定示範具體實施例來顯示。以足夠詳細的方式描述這些具體實施例，讓精通技術人士能夠實踐本發明，並且應當理解，可使用其他具體實施例，並且可在不背離本發明範圍的情況下進行改變。因此，下列說明僅為例示。
圖1描述根據多個具體實施例之一含有用於偵測與監視裂縫成長的裂縫偵測與監視系統100之積體電路(IC) 102的平面圖。IC 102係形成在半導體基材104 (例如，矽晶圓)上，並包括一內核(以下稱為主動區域106)，其由一非主動區域108圍繞並由一保護環110和至少一止裂物112、114與其隔離。主動區域106通常包括複數個主動與被動組件(例如，電晶體、電阻器等)。保護環110和止裂物112、114針對IC 102之主動區域106提供環境、電氣(例如，該保護環提供電氣接地)、及/或機械保護。舉例來說，該等止裂物112、114可用於阻擋裂縫從IC 102之非主動區域108傳播到IC 102之主動區域106中。保護環110和止裂物112、114本質上可為慣用，並可使用任何現在已知或以後所開發出製程/技術所提供。
根據多個具體實施例，裂縫偵測與監視系統100係組態成在任何裂縫傳播到IC 102之主動區域106中之前，偵測與監視IC 102之非主動區域108中的一或多個裂縫之成長。通常，如圖1所述，裂縫偵測與監視系統100可包括至少一導電周邊線(perimeter line，PLINE)，其形成在IC 102之非主動區域108中。舉例來說，一第一PLINE 120、第二PLINE 122、和第三PLINE 124可形成在IC 102之非主動區域108中。在此範例中，如圖1所示，第一PLINE 120可圍繞保護環110之外周邊形成在保護環110與止裂物112之間。第二PLINE 122可圍繞止裂物112之外周邊形成在止裂物112與止裂物114之間。第三PLINE 124可圍繞止裂物114之外周邊所形成。儘管在此具體實施例中利用三個PLINE 120、122、124，但應明白，裂縫偵測與監視系統100可包括一較大或較小數量之PLINE (例如，一或多個)。此外，PLINE可形成在IC 102之非主動區域108中的其他位置上，及/或複數個PLINE可彼此緊鄰形成在IC 102之非主動區域108中。本說明書描述PLINE之此置放的各種其他具體實施例。
每個PLINE 120、122、124係獨立耦合到偵測與監視電路126。在此具體實施例及其他具體實施例中，偵測與監視電路126之該功能性可由如所示IC 102或經由一外部電路(未顯示)所提供。根據多個具體實施例，可在保護環110、止裂物112、和止裂物114之一或多者上方及/或下方提供多個連接，以將PLINE 120、122、124耦合到偵測與監視電路126。就此而言，視多個具體實施例而定，保護環110、止裂物112、和止裂物114之該完整性不會受到該等連接損害或最小損害(例如，沒有孔通過保護環110、止裂物112、或止裂物114或形成其中)。
偵測與監視電路126係組態成感測每個獨立PLINE 120、122、124之電氣特性(例如，電阻)的變化，其中所述電氣特性變化指示裂縫是否存在PLINE 120、122、124處。偵測與監視電路126可亦組態成監視所偵測到裂縫通過IC 102之非主動區域108之進展，並警示末端使用者該所偵測到裂縫之狀態及/或威脅層級(例如，即將發生的裂縫侵害到IC 102之主動區域106中)。舉例來說，若裂縫130 (例如，在切割所述含有IC 102的矽晶圓時所形成)傳播到並通過PLINE 124/在其中形成斷裂(Break)，則偵測與監視電路126可能偵測到PLINE 124之該電阻增加(例如，數量級數大小) (例如，由於開路存在PLINE 124中)。就此而言，偵測與監視電路126可通知末端使用者有關裂縫侵害通過PLINE 124/進入其中已發生，並應處於警戒。若裂縫130繼續傳播通過IC 102之非主動區域108越過止裂物114，並通過PLINE 122/在其中形成斷裂，則偵測與監視電路126可能偵測到PLINE 122之電阻增加，並可通知末端使用者有關裂縫130之成長持續中。此外，偵測與監視電路126可通知該末端使用者IC 102應在約一段時間(例如，12個月)內進行更換，以避免IC 102之失效。若裂縫130傳播通過且越過止裂物112並通過PLINE 120/進入其中，則偵測與監視電路126可能偵測到PLINE 120之電阻增加，並可通知該末端使用者IC 102失效即將發生，且IC 102應立即進行更換。
如前述，且如圖1所示，裂縫偵測與監視系統100可組態成提供即將發生裂縫侵害到IC 102之主動區域106中之早期、中期、和最後警告。在其他具體實施例中，裂縫偵測與監視系統可組態成提供老化資訊。舉例來說，裂縫偵測與監視系統100可進行校正，使得可判定IC 102之失效大約時間。舉例來說，在穩定操作環境中，可判定/估計裂縫在測試IC 102中之該成長率(例如，一年X微米數)。基於該成長率，PLINE 120、122、124可與IC 102之主動區域106間隔特定距離，其中該等距離對應於IC 102之不同剩餘運作壽命。在裂縫傳播進入/通過特定PLINE時，偵測與監視電路126可警示末端使用者裂縫已到達該PLINE，且若條件維持穩定，則該裂縫可在一定時間內到達IC 102上的另一位置(例如，IC 102之主動區域106)。舉例來說，此一警示可包括「裂縫已到達位置與該晶片之該主動區域相距B微米的PLINE A」。若條件維持穩定，則該裂縫可在大約16個月內到達該IC之該作用區。為避免失效，請在12個月內更換該IC。」
圖2描述根據多個具體實施例之沿著圖1所示線條A – A所取得IC 102之部分剖面圖。如所示，該等止裂物112、114可使用由複數個金屬互連142 (例如，通孔、介層條(Viabar)等)進行互連並嵌入介電材料144中的複數個層之金屬片段140所形成。該等金屬片段140可形成在IC 102之金屬化層M1、M2、…、Mn (例如，後段製程(Back End of Line，BEOL)金屬化層)中。該等止裂物112、114可具有如圖2中所示的類似配置，或可包括金屬片段140及/或金屬互連142之不同配置(例如，該等金屬片段140和金屬互連142之所述數量、形狀、間距、尺寸等可能在該等止裂物112、114之間變化)。
每個PLINE 120、122、124可包括多個導電金屬片段150所形成之複數個層，其由複數個導電金屬互連152 (例如，通孔、介層條等)進行互連並嵌入介電材料144中。PLINE 120、122、124 (及本說明書所揭示的其他PLINE)可在與該等止裂物112、114相同的處理步驟期間形成，並可由任何適合金屬所形成，包括例如銅、鎢、鋁、銀、金、其他金屬、或其合金。該等金屬片段150可亦形成在IC 102之金屬化層M1、M2、M3、…、Mn中。正如該等止裂物112、114，該等PLINE 120、122、124可具有金屬片段150及/或金屬互連152之類似或不同配置(例如，該等金屬片段150和金屬互連152之所述數量、形狀、間距、尺寸等可在PLINE 120、122、124之間變化)。
根據多個具體實施例，PLINE可經由在保護環110、止裂物112、和止裂物114之一或多者上方(例如，跨越連接)或下方(例如，穿隧連接)延伸的多個連接以耦合到偵測與監視電路126。舉例來說，在圖3至圖5係整個描述根據多個具體實施例之一含有裂縫偵測與監視系統200 (具導電PLINE 220、222、224和導電跨越金屬連接230、232、234)的IC 102。圖3描述IC 102之平面圖。圖4描述圖3之該IC之部分放大平面圖。圖5描述沿著PLINE (例如，圖3中的PLINE 220)之長度的部分剖面圖。儘管在此具體實施例中利用三個PLINE 220、222、224，但應明白，裂縫偵測與監視系統200可包括一較大或較小數量之PLINE (例如，一或多個)。此外，PLINE可形成在IC 102之非主動區域108中的其他位置上，及/或複數個PLINE可彼此緊鄰形成在IC 102之非主動區域108中。
類似於圖1所描述的裂縫偵測與監視系統100，裂縫偵測與監視系統200係組態成在任何裂縫傳播到IC 102之主動區域106中之前，偵測與監視IC 102之非主動區域108中的一或多個裂縫130之成長。通常，裂縫偵測與監視系統200可包括至少一PLINE，其形成在IC 102之非主動區域108中。舉例來說，如圖3所示，一第一PLINE 220、第二PLINE 222、和第三PLINE 224可形成在IC 102之非主動區域108中，並可由個別跨越連接獨立耦合到該偵測與監視電路。
第一PLINE 220可圍繞保護環110之外周邊形成在保護環110與止裂物112之間。第二PLINE 222可圍繞止裂物112之外周邊形成在止裂物112與止裂物114之間。第三PLINE 224可圍繞止裂物114之外周邊所形成。第一PLINE 220之相對端240可經由跨越金屬連接230耦合到偵測與監視電路126。該等跨越金屬連接230可在保護環110上方延伸，並可與其電隔離。第二PLINE 222之相對端242可經由跨越金屬連接232耦合到偵測與監視電路126。如所示，該等跨越金屬連接232可在止裂物112、PLINE 220、和保護環110上方延伸，並可與其電隔離。第三PLINE 224之相對端244可經由跨越金屬連接234耦合到偵測與監視電路126。該等跨越金屬連接234可在止裂物114、止裂物112、PLINE 222、PLINE 220、和保護環110上方延伸，並可與其電隔離。舉例來說，電隔離可使用介電材料144及/或其類似物之一或多個層所提供。
圖5描述根據多個具體實施例之沿著圖3所示部分PLINE 220之端部剖面圖。PLINE 222和224之每一者可具有一類似或不同於PLINE 220的配置。如所示，PLINE 220可包括複數個導電金屬部段250，其可透過一交替序列的下部與上部導電金屬接頭252、254而菊鏈結(daisy-chained)(例如，釘合(stitched))在一起。該等金屬接頭252、254可具有類似或不同長度。該等金屬接頭252、254之該等長度可影響PLINE 220之該裂縫偵測準確度。舉例來說，較大數量(例如，較高密度)之金屬部段250可在使用較短金屬接頭252、254時菊鏈結一起。通常，該等金屬接頭252、254之該等最小長度可由用於形成IC 102的該等處理規則所規範。舉例來說，用於在IC 102之個別金屬化層中製造該等金屬接頭252、254的該等微影工具可僅能夠在特定介電層中生成具有一特定最小長度的金屬線。
根據多個具體實施例，該等下部金屬接頭252可例如形成在IC 102之下部BEOL金屬化層(例如，如所示M1金屬化層)中。該等上部金屬接頭254可形成在IC 102之上部金屬化層中。根據多個具體實施例，該等金屬接頭252、254之該等長度可例如在數十奈米至數微米之範圍內(例如，依製造限制及/或其他因素而定)。如圖5所示，傳播進入.通過PLINE 220的裂縫130可通過該等金屬部段250之一或多者/在其中形成斷裂，這可由偵測與監視電路126進行感測(例如，由於PLINE 220之電阻增加)。
該等金屬部段250可包括多個導電金屬片段260所形成之複數個層，其使用複數個導電金屬互連262 (例如，通孔、介層條等)進行互連並嵌入一介電材料144中。該等金屬片段260可形成在IC 102之金屬化層(例如，如所示金屬化層M2-M5)中。一或多個金屬互連262可亦用於將該等金屬部段250耦合到個別下部與上部金屬接頭252、254。位於PLINE 220之端部240處的上部金屬接頭254可由一金屬互連262耦合到一跨越金屬連接230。
如前述，根據多個具體實施例，PLINE可經由在保護環110、止裂物112、和止裂物114之一或多者上方(例如，跨越連接)或下方(穿隧連接)延伸的多個連接耦合到偵測與監視電路126。在圖6至圖9整個描述根據多個具體實施例之一包括裂縫偵測與監視系統300 (含有穿隧連接)的IC 102。舉例來說，圖6描述IC 102之平面圖，其包括複數個獨立且導電PLINE 320、322、324及導電穿隧連接330、332、334。圖7描述圖6之IC 102之放大部分平面圖。圖8描述沿著圖6中的PLINE (例如，PLINE 320)之長度的部分剖面圖。圖9描述沿著圖6之線條B – B所取得的裂縫偵測與監視系統300之部分剖面圖。儘管在此具體實施例中利用三個PLINE 320、322、324，但應明白，裂縫偵測與監視系統300可包括一較大或較小數量之PLINE (例如，一或多個)。此外，PLINE可形成在IC 102之非主動區域108中的其他位置上，及/或複數個PLINE可彼此緊鄰形成在IC 102之非主動區域108中。
類似於圖1和圖3所述的該等裂縫偵測與監視系統100、200，裂縫偵測與監視系統300係組態成在任何裂縫傳播到IC 102之主動區域106之前，偵測與監視IC 102之非主動區域108中的裂縫之成長。通常，偵測與監視系統300可包括形成在IC 102之非主動區域108中的至少一PLINE。舉例來說，如圖6所示，一第一PLINE 320、第二PLINE 322、和第三PLINE 324可形成在IC 102之非主動區域108中。
第一PLINE 320可圍繞保護環110之外周邊形成在保護環110與止裂物112之間。第二PLINE 322可圍繞止裂物112之外周邊形成在止裂物112與止裂物114之間。第三PLINE 324可圍繞止裂物114之外周邊形所形成。
第一PLINE 320之相對端340可經由導電半導體穿隧連接330耦合到偵測與監視電路126。該等穿隧連接330可在保護環110下方延伸，並可與其電隔離。第二PLINE 322之相對端342可經由半導體穿隧連接332耦合到偵測與監視電路126。如所示，該等穿隧連接332可在止裂物112和保護環110下方延伸，並可與其電隔離。第三PLINE 324之相對端344可經由半導體穿隧連接334耦合到偵測與監視電路126。該等穿隧連接334可能在止裂物114、止裂物112、和保護環110下方延伸，並可與其電隔離。根據多個具體實施例，該等穿隧連接334可亦與PLINE 320、322電隔離，且該等穿隧連接332可亦與PLINE 320電隔離。如以下所說明，該等穿隧連接330、332、334可使用IC 102之基材104之摻雜區域所形成。
圖8描述根據多個具體實施例之沿著圖6所示PLINE 320之端部的剖面圖。PLINE 322和324之每一者可具有類似或不同於PLINE 320的配置。如所示，PLINE 320可包括複數個導電金屬部段350，其可透過一交替序列的導電下部金屬接頭352 (僅顯示1個)和導電上部金屬接頭354而菊鏈結一起。該等金屬接頭352、354可具有類似或不同長度。該等金屬接頭352、354之該等長度可影響PLINE 320之該裂縫偵測準確度。舉例來說，一較大數量(例如，較高密度)之金屬部段350可在使用較短金屬接頭352、354時菊鏈結一起。通常，該等金屬接頭352、354之該等最小長度可由用於形成IC 102的該等處理規則所規範。舉例來說，用於在IC 102之個別金屬化層中製造該等金屬接頭352、354的該等微影工具可僅能夠在特定介電層中生成具有一特定最小長度的金屬線。根據多個具體實施例，該等下部金屬接頭352可例如形成在IC 102之下部BEOL金屬化層(例如，所示M1金屬化層)中。該等上部金屬接頭354可形成在IC 102之一上部金屬化層中。根據多個具體實施例，該等金屬接頭352、354之該等長度可例如在數十奈米至數微米之範圍內(例如，依製造限制及/或其他因素而定)。
金屬部段350可包括多個導電金屬片段360所形成之複數個層，其由複數個導電金屬互連362 (例如，通孔、介層條等)進行互連並嵌入介電材料144中。該等金屬片段360可形成在IC 102之金屬化層(例如，如所示BEOL金屬化層M1-M5)中。一或多個金屬互連362可亦用於將相鄰金屬部段350耦合到個別上部金屬接頭354。該等金屬部段350之至少一者之最下部金屬片段360 (例如，M1金屬化層)可由至少一金屬互連362和摻雜半導體互連364耦合到半導體基材104之摻雜區域356。
如圖8所述，摻雜半導體區域356可形成在IC 102之半導體基材104之摻雜部位358中。至少一摻雜半導體互連364可形成在摻雜半導體區域356上方，以將位於PLINE 320之端部340處的一導電金屬部段350耦合到一穿隧連接330，其在此具體實施例中係由形成在半導體基材104之摻雜部位358中的摻雜半導體井所形成。 導電金屬部段350可使用一或多個金屬互連362耦合到摻雜半導體互連364。在測量PLINE 320之所述電氣特性(例如，電阻)時，半導體區域356、半導體互連364、和穿隧連接330之該摻雜允許通過電信號。半導體區域356和半導體互連364可為如圖8所示的n+摻雜，或在其他具體實施例中為p+摻雜。摻雜可例如使用離子植入或任何其他適合製程而提供。
在如圖8所示在使用n+摻雜半導體區域356(具有n+摻雜半導體互連364)時，n+摻雜半導體區域356可形成在IC 102之半導體基材104之p型摻雜區域358中。如圖8進一步所例示，在此摻雜架構中，位置相鄰PLINE 320之一端部340的n+摻雜半導體區域356，可經由使用形成在IC 102之半導體基材104之p型摻雜區域358中的n型摻雜半導體井(n型摻雜井)所形成的穿隧連接330耦合到偵測與監視電路126。
根據其他具體實施例，可使用p+摻雜半導體區域和p+摻雜半導體，以替代n+摻雜半導體區域356和n+摻雜半導體互連364。該p+摻雜半導體區域可形成在IC 102之半導體基材104之n+摻雜區域中。此外，位置相鄰PLINE 320之端部340的該p+摻雜半導體區域，可經由形成在IC 102之基材104之該n型摻雜區域中的p型摻雜半導體井穿隧連接330耦合到偵測與監視電路126。
圖9描述根據多個具體實施例之沿著圖6之線條B – B所取得的IC 102之部分剖面圖。如所示，n型摻雜半導體井穿隧連接332 (以下稱為n型摻雜穿隧連接332)可形成在IC 102之基材104之p型摻雜區域358中，以將相鄰PLINE 322之端部342的n+摻雜半導體區域356經由I/O連接370耦合到偵測與監視電路126。PLINE 322可由至少一n+摻雜半導體互連364耦合到n+摻雜半導體區域356。至少一n+摻雜半導體互連364可亦用於將n型摻雜穿隧連接332耦合到I/O連接370。
止裂物114可定位在半導體基材104之p型摻雜區域358上方。止裂物114可使用至少一n+摻雜半導體互連364耦合到p型摻雜區域358。施加到p型摻雜區域358的偏壓可用於逆向偏壓形成在p型摻雜區域358與至少一n+摻雜半導體互連364之間的該(等)pn接面，以將止裂物114與p型摻雜區域358電隔離。
n型摻雜穿隧連接332在止裂物112和保護環110下面延伸，並與其電隔離。止裂物112可使用至少一p+摻雜半導體互連366耦合到n型摻雜穿隧連接332。同樣地，保護環110可使用至少一p+摻雜半導體互連366耦合到n型摻雜穿隧連接332。形成在(該等) p+摻雜半導體互連366與n型摻雜穿隧連接332之間的該等逆向偏壓pn接面，將止裂物112和保護環110與n型摻雜穿隧連接332電隔離。
根據其他具體實施例，本說明書所述該等裂縫偵測與監視系統之任一者可利用兩類型之連接結構，將多個PLINE電連接到偵測與監視電路126。舉例來說，裂縫偵測與監視系統中的一第一PLINE可使用金屬跨越接頭電連接到偵測與監視電路126；相同裂縫偵測與監視系統中的一第二PLINE可使用摻雜半導體穿隧接頭電連接到偵測與監視電路126；然而，相同裂縫偵測與監視系統中的一第三PLINE可使用跨越與穿隧接頭兩者進行連接。
本說明書所述的任何/所有PLINE可組態成導向與抑制(Trap)傳播通過IC 102之非主動區域108的裂縫。舉例來說，在圖10描述根據多個具體實施例之用於導向與抑制裂縫的PLINE 400之剖面圖。如所示，PLINE 400包括第一與第二導電互連金屬部段402、404。金屬部段404可包括多個導電金屬片段406所形成之複數個層，其使用導電金屬互連408 (例如，通孔、介層條等)之一高密度配置進行互連並嵌入一介電材料144中。金屬部段402可亦包括多個導電金屬片段406所形成之複數個層，其使用該等金屬互連408之一高密度配置進行互連並嵌入一介電材料144中。此外，金屬部段402中的複數個(在此範例中為2個)金屬片段406可使用導電金屬互連410 (例如，通孔、介層條等)之一低密度配置進行互連。該等金屬互連410在金屬部段402中形成減弱區412，其有效吸引朝向PLINE 400傳播的裂縫。金屬部段402中的細長金屬片段406'可亦由金屬互連410耦合到金屬部段404中的細長金屬片段406'。金屬部段404可更包括一抑制區414，其已增強以在一裂縫已傳播通過金屬部段402中的減弱區412之後將其抑制/減慢。抑制區414可例如透過提供一組較大/較強金屬互連416 (例如，比該等金屬互連408更寬/更厚)，及/或透過將該組金屬互連416 (或甚至整個金屬部段404)嵌入較不易受到裂縫影響(例如，相較於介電材料144)的較強介電材料418中而增強。
根據多個具體實施例，金屬互連408之該高密度配置及金屬互連410之該低密度配置可採用數種不同方式提供。舉例來說，該等金屬互連408、410可採用相同圖案進行配置，但該等金屬互連408可較厚於該等金屬互連410。舉另一例來說，該等金屬互連408、410可具有相同厚度，但該等金屬互連408可比該等金屬互連410更接近配置在一起。
圖11A、圖11B、和圖11C描述根據多個具體實施例之圖10所示PLINE 400之該裂縫導向與抑制功能之範例。在圖11A中，傳播通過IC之非主動區域108的裂縫130係受到吸引朝向由金屬部段402中的該等金屬互連410所提供的減弱區412。在圖11B中，裂縫130朝向抑制區414通過金屬部段402中的金屬互連410之該低密度配置。在圖11C中，該裂縫係受到抑制/減慢，且其能量係由抑制區414中的該等金屬互連416進行散布。金屬部段402中的該斷裂導致PLINE 400之電阻增加，這係由該偵測與監視電路126所感測到與判定。若未使用抑制區414，則裂縫130可透過金屬部段404中的該等金屬互連408之該高密度配置而受到抑制/減慢。
圖12描述根據多個具體實施例之用於偵測與監視IC裂縫的程序之流程圖。在步驟P1，定位在IC之非主動區域中的複數個PLINE之電氣特性(例如，電阻)係由偵測與監視電路進行監視(連續或週期性)。若該偵測與監視電路感測到PLINE之所述電氣特性的變化，從而指示裂縫已傳播進入/通過該PLINE(在步驟P2為「是」 )，則流程前進至步驟P3。否則(在步驟P2為「否」 )，流程返回步驟P1。
在步驟P3，該偵測與監視電路向末端使用者提供警示(例如，電子郵件、文字訊息、系統訊息、及/或其類似物)，指示裂縫侵害已在該PLINE處發生。該警示之本質可例如依該PLINE在該IC之該非主動區域中之該位置而定(例如，該PLINE越接近於該IC之該作用區，則該警示越強)。流程隨後返回步驟P1。
圖13描述根據其他具體實施例之含有一裂縫偵測與監視系統500的IC 102之平面圖。類似於該等裂縫偵測與監視系統100、200、300，裂縫偵測與監視系統500可包括一導電PLINE 502，其圍繞止裂物114之外周邊所形成；及一導電PLINE 504，其圍繞止裂物112之外周邊形成在止裂物112與止裂物114之間。然而，不像該等裂縫偵測與監視系統100、200、300，裂縫偵測與監視系統500可包括複數個(例如，＞2個)相鄰導電PLINE，其圍繞止裂物110之外周邊形成在止裂物110與止裂物112之間。舉例來說，如圖13所示，5個PLINE 506、508、510、512、514可提供在止裂物110與止裂物112之間。每個PLINE 502、504、506、508、510、512、514可經由個別跨越或穿隧接頭耦合到偵測與監視電路126。
操作上，偵測與監視電路126可組態成在裂縫傳播進入/通過PLINE 502、504時提供一第一類型之警示，而在裂縫傳播進入/通過PLINE 506、508、510、512、514時提供一第二類型之警示。舉例來說，偵測與監視電路126可組態成在裂縫傳播進入/通過PLINE 502、504時向末端使用者提供初始警示。舉例來說，此警示可包括「裂縫侵害已在該IC中發生」、及「裂縫持續朝向該等IC之該內部傳播」。
裂縫偵測與監視系統500可進一步組態成在裂縫傳播進入/通過PLINE 506、508、510、512、514時，提供有關IC 102之該預期剩餘使用壽命(例如，失效大約時間)的老化資訊。為達成此功能性，裂縫之該成長率可在測試IC 102中進行判定。基於該成長率，PLINE 506、508、510、512、514可與IC 102之主動區域106間隔指定距離，其中每個距離係代表IC 102之不同剩餘運作壽命。在裂縫傳播進入/通過特定PLINE時，偵測與監視電路126可警示末端使用者有關裂縫已到達該PLINE，且若條件維持相同，則該裂縫可在一定天數/月數/年數(例如，18個月)內到達IC 102之該主動區域。舉例來說，警示可包括「裂縫正接近該IC之該作用區。該IC係預期將在大約18個月內失效。」在裂縫傳播進入/通過較接近於IC 102之主動區域106的另一PLINE時，偵測與監視電路126可警示末端使用者有關裂縫已到達該PLINE，且若條件維持相同，則該裂縫可在一定天數/月數/年數(例如，12個月)內到達IC 102之主動區域106。
圖14描述一根據多個具體實施例的偵測與監視電路600。如所示，一已知測試電流ITest 可注入PLINE 602。PLINE 602在完好(Intact)時具有低電阻，而斷裂時則具有較高許多的電阻。一電壓感測電路604可組態成將PLINE 602之該電壓VPLINE 與參考電壓VREF 進行比較，並基於PLINE 602之該完整性(完好或斷裂)輸出邏輯1或0。在PLINE 602為完好時，PLINE 602之該電壓VPLINE 係低於該參考電壓VREF 。在PLINE 602為斷裂時，PLINE 602之該電壓VPLINE 係高於該參考電壓VREF 。感測電路604可包括例如一比較器或其他適合電壓感測電路。
圖15描述一根據附加具體實施例的偵測與監視電路700。如所示，偵測與監視電路700可包括一分壓器702，其使用一PLINE 704作為具一未知電阻(低(完好)或高(斷裂) )的一電阻器。一電壓感測電路706可組態成將PLINE 704之該電壓VPLINE 與參考電壓VREF 進行比較，並基於PLINE 704之該完整性(完好或斷裂)輸出邏輯1或0。在PLINE 704為完好時，PLINE 704之該電壓VPLINE 係低於該參考電壓VREF 。在PLINE 704為斷裂時，PLINE 704之該電壓VPLINE 係較高於該參考電壓VREF 。感測電路706可包括例如一比較器或其他適合電壓感測電路。
所揭示內容之多個具體實施例可提供數項技術與商業優勢，其中某些者在本說明書是舉例說明進行討論。本說明書所揭示該等裂縫偵測與監視系統係組態成偵測IC之非主動區域中是否存在裂縫，並警示末端使用者存在該裂縫及其朝向該IC之該主動區域的成長。此外，本說明書所揭示該等裂縫偵測與監視系統係設計成在即將發生災難性失效變成實際災難性失效之前(其中裂縫傳播到該IC之該主動區域中)，警告末端使用者。這讓末端使用者能夠在IC由於裂縫傳播而失效之前將其更換。該等裂縫偵測與監視系統可對即將發生的IC失效提供概略時間的方式進行配置與校正。
本說明書所揭示該等裂縫偵測與監視系統包括跨越或穿隧連接到一偵測與監視電路，其通過該等頂部金屬層級(BEOL)或經由IC之半導體基材中的掩埋半導體井以繞行與穿過(多個)止裂物及/或(多個)防護軌(Rail)。本說明書所揭示該等裂縫偵測與監視系統可亦包括意欲所設計的弱點，其將引導裂縫成長到所需位置，其中裂縫將受到抑制且其能量散布。
說明書中使用的用語僅為了說明特定具體實施例之目的，並不欲為本發明之限制。如本說明書中的使用，除非該上下文明顯另有所指，否則該等單數形「一」、及「該」意指亦包括該等複數個形式。將可進一步理解，在本說明書中使用該等用語「包含(comprises及/或comprising)」時，明確說明存在所述特徵、整數、步驟、操作、單元、及/或組件，但未排除存在或添加一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、單元、組件、及/或其群組。「選擇性」或「選擇性地」意指該後續所說明的事件或情況可能發生或未發生，且該說明包括在該事件發生情況下的實例及在其未發生情況下的實例。
可能應用近似語言(如本文中在整個本說明書和申請專利範圍中所使用)修飾可容許變化而未導致與其相關的基本功能改變的任何定量表示。因此，由一或多個用語(例如「約」、「大約」、及「實質上」修飾的值不限於所明確說明的精確值。在至少一些實例中，該近似用語可對應於用於測量該值的儀器之精確度。在本文及在整個本說明書和申請專利範圍中，範圍限制可組合及/或互換，除非上下文或語言另有所指，否則此範圍係經識別並包括其中所內含的所有該等子範圍。如應用於範圍之特定值的「大約」應用於這兩個值，且除非另外依測量該值的儀器之精確度而定，可示該(等)所述值之+/- 10%。
以下申請專利範圍中所有裝置或步驟加功能元件的對應結構、材料、動作與等效物，旨在包括已具體要求保護的用於執行與其他要求保護元件結合的功能之任何結構、材料或動作。本發明之說明已為了例示和說明之目的進行描述，但不意欲為全面性或限於所揭示形式的本發明。在不悖離本發明之範疇與精神下，熟習該項技藝者將明白許多修飾例和變化例。該具體實施例經過選擇和說明，以最佳解說本發明之該等原理及該實際應用，並使本技術領域中具有通常知識者能夠瞭解有關適於所設想特定用途的各種修飾例之各種具體實施例的揭露。
100、200、300、500:裂縫偵測與監視系統 102:積體電路(IC) 104:基材 106:主動區域 108:非主動區域 110:保護環 112、114:止裂物 120、122、124、220、222、224、320、322、324、400、502、504、506、508、510、512、514、602、704:PLINE 126、600、700:偵測與監視電路 130:裂縫 140、150、260、360、406、406’:金屬片段 142、152、262、362、408、410、416:金屬互連 144、418:介電材料 230、232、234:跨越金屬連接 240、242、244:相對端 250、350、402、404:金屬部段 252、254、352、354:金屬接頭 330、332、334:穿隧連接 340、342、344:相對端 356、358:摻雜區域 364、366:摻雜半導體互連 370:I/O連接 412:減弱區 414:抑制區 604、706:感測電路 702:分壓器 M1-Mn:金屬化層
將參考以下附圖詳細描述本發明的具體實施例，其中類似的符號表示類似的元件，其中：
圖1繪示根據具體實施例之包含用於偵測與監視裂縫成長之系統的積體電路(IC)的平面圖。
圖2繪示根據具體實施例之圖1之IC之沿著線條A – A的剖面圖。
圖3繪示根據具體實施例之包含用於偵測與監視裂縫成長之系統的IC的平面圖，其中該裂縫偵測與監視系統包含周邊線(PLINE)與跨越連接(straddling connection)。
圖4繪示根據具體實施例之圖3之IC的放大部分平面圖。
圖5繪示根據具體實施例之圖3之IC中PLINE的部分剖面圖。
圖6繪示根據具體實施例之包含用於偵測與監視裂縫成長之系統的IC的平面圖，其中該裂縫偵測與監視系統包含PLINE與穿隧連接(tunneling connection)。
圖7繪示根據具體實施例之圖6之IC的放大部分平面圖。
圖8繪示根據具體實施例之圖6之IC中PLINE的部分剖面圖。
圖9繪示根據具體實施例之圖6之IC之沿著線條B – B的部分剖面圖。
圖10繪示根據具體實施例之用以導向與抑制成長之裂縫的PLINE的剖面圖。
圖11A、圖11B、和圖11C繪示根據具體實施例之圖10之PLINE之裂縫導向與抑制功能的範例。
圖12繪示根據具體實施例之用於偵測與監視IC之裂縫的程序的流程圖。
圖13繪示根據其他具體實施例之包含裂縫偵測與監視系統的IC的平面圖。
圖14繪示根據具體實施例的偵測與監視電路。
圖15描述根據附加具體實施例的偵測與監視電路。
應注意到本發明的附圖並未按比例繪製。附圖旨在僅繪示本發明的典型態樣，因此不應視為限制本發明的範疇。在附圖中，類似的元件符號表示附圖之間的類似元件。
100:裂縫偵測與監視系統
102:積體電路(IC)
104:基材
106:主動區域
108:非主動區域
110:保護環
112、114:止裂物
120、122、124:PLINE
126:偵測與監視電路
130:裂縫

Claims (20)

  1. 一種用於偵測與監視一積體電路(IC)中的一裂縫之系統，其包含： 至少一導電周邊線(PLINE)，其延伸圍繞形成在該IC之一非主動區域中的一保護結構並與其電隔離，其中該IC之一主動區域係被包圍在該保護結構內； 一電路，其用於感測該至少一PLINE之一電氣特性的一變化，該電氣特性的該變化指示一裂縫存在該IC之該非主動區域中；以及 一連接結構，其用於將每個PLINE電耦合到該感測電路。
  2. 如請求項1之系統，其中該感測電路係組態成回應該至少一PLINE之該電氣特性的所感測的一變化以提供一警示。
  3. 如請求項1之系統，其中該電氣特性包含該至少一PLINE之一電阻。
  4. 如請求項1之系統，其中該IC之該保護結構包含一止裂物或一保護環。
  5. 如請求項1之系統，其中該連接結構更包含： 至少一導電跨越接頭(straddling connector)，其在該IC之該保護結構上方延伸並與其電隔離。
  6. 如請求項5之系統，其中該至少一PLINE更包含複數個導電區段，其透過下部與上部導電接頭之一交替序列而連接一起，且其中該至少一PLINE之每個導電區段更包含： 多個導電金屬片段所形成之複數個層；及 複數個導電互連，其用於互連導電金屬片段所形成之該複數個層。
  7. 如請求項6之系統，其中下部與上部導電接頭之該交替序列包含一下部金屬接頭和一上部金屬接頭。
  8. 如請求項1之系統，其中該連接結構更包含： 至少一導電穿隧接頭，其在該IC之該保護結構下方延伸並與其電隔離。
  9. 如請求項8之系統，其中該至少一PLINE更包含複數個導電區段，其透過下部與上部導電接頭之一交替序列而連接一起，且其中該至少一PLINE之每個導電區段更包含： 多個導電金屬片段所形成之複數個層；及 複數個導電互連，其用於互連導電金屬片段所形成之該複數個層。
  10. 如請求項9之系統，其中下部與上部導電接頭之該交替序列更包含形成在該IC之一半導體基材中的一摻雜半導體區域。
  11. 如請求項8之系統，其中該導電穿隧接頭包含形成在該IC之一半導體基材中的一摻雜半導體井。
  12. 如請求項2之系統，其中所提供以回應該至少一PLINE之該電氣特性的所感測到的一變化的該警示係指示該裂縫已朝向該IC之該主動區域傳播通過該至少一PLINE，其中該警示係在該裂縫已傳播到該IC之該主動區域中之前提供。
  13. 如請求項2之系統，其中所提供以回應該至少一PLINE之該電氣特性的所感測的一變化的該警示係指示該IC之失效之一估計時間。
  14. 如請求項1之系統，其中該IC包括複數個保護結構，該系統更包含複數個該等PLINE，其中每個PLINE延伸圍繞一個別保護結構之一周邊。
  15. 如請求項1之系統，其中該等PLINE之至少一者包括一結構，該結構包括一減弱區，用於將該裂縫導向組態成抑制該裂縫的一增強區。
  16. 一種用於偵測與監視一積體電路(IC)中的一裂縫之方法，其包含： 形成至少一導電周邊線(PLINE)，其圍繞形成在該IC之一非主動區域中的一保護結構，其中該IC之一主動區域係被包圍在該保護結構內； 監視該至少一PLINE之一電氣特性，其中該電氣特性的一變化指示一裂縫存在該IC之該非主動區域中；以及 提供一警示以回應該至少一PLINE之該電氣特性的所感測的該變化。
  17. 如請求項16之方法，其中該警示係在該裂縫已傳播到該IC之該主動區域中之前提供。
  18. 如請求項16之方法，其更包含： 判定一穩定環境中的該IC中的該裂縫之一成長率；及 基於該裂縫之該成長率，將每個PLINE定位在與該主動區域相距一特定距離處，其中該距離係校準為該IC之一剩餘運作壽命； 其中該警示係指示該IC之失效之一估計時間。
  19. 如請求項16之方法，其更包含提供用於吸引該裂縫的一減弱區及用於抑制該裂縫的一增強區於該至少一PLINE。
  20. 一種用於偵測與監視一積體電路(IC)中的一裂縫之系統，其包含： 至少一導電周邊線(PLINE)，其延伸圍繞形成在該IC之一非主動區域中的一保護結構並與其電隔離，其中該IC之一主動區域係被包圍在該保護結構內； 一電路，其用於感測該至少一PLINE之一電氣特性的一變化，該電氣特性的該變化指示一裂縫存在該IC之該非主動區域中；以及 一連接結構，其用於將每個PLINE電耦合到該感測電路，其中該連接結構更包含以下之至少一者： 一金屬跨越接頭，其在該IC之該保護結構上方延伸並與其電隔離；以及 一摻雜半導體穿隧接頭，其在該IC之該保護結構下方延伸並與其電隔離。
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