TWI221908B - Electromigration test apparatus and an electromigration test method - Google Patents

Description

1221908 五、發明說明（1) 本發明係有關電子遷移檢測裝置及電子遷移檢測方 法。隨著微電子組件之需求提升，逐漸注意決定互連可 考性之檢測。可損壞組件之一機構係為電子遷移。電子 遷移被了解為電路作用下於互連内之物質傳輸。物質傳 輸係進行於電子流方向。後者因產生俗稱電子風而夾帶 互連物質之晶格原子。此物質傳輸可導致各種損害。例 如，損害一例係俗稱孔隙，也就是晶格結構内之間隙及 從此發展於互連中之岔斷。進一步例子為俗稱擠壓，也 就是互連物質之側向流出。這些擠壓可導致鄰接互連間 之短路及組件之故障。電子遷移之大小係為決定電子組 件壽命之參數。 電子遷移處理之強度原則上視互連物質，互連溫度及 電流密度而定，當溫度上升且電流密度增加時，電子遷 移程度亦增強。電流密度之直流成份對於電子遷移處理 之強度係為關鍵。對稱交流電幾乎不會影響電子遷移強 度。因對稱交流電產生之電子遷移係較因直流[1 ]產生之 電子遷移慢1 0 0至1 0 0 0倍。明顯可看出，交流電及直流重 疊事件中，電子遷移之大小係被因直流產生之電流密度 所掌控。此可清楚地藉由俗稱電子風必須具有較佳方向 使其可於一方向有效夾帶電導結構物質之事實來解釋。 然而，對稱交流電並不具有此電子風之較佳方向。 針對現代可靠性檢測，積體電路之製造期間，檢測係 被實施於特殊檢測結構上。檢測結構通常被與相同基板 及相同物質上之實際組件一起製造當作組件。檢測結構

1221908 五、發明說明（2) 因而接受相同製造處理且可被用來評估最終產品中之類 似互連之電子遷 '移強度。 依據先前技術，特殊檢測結構係被用於電導結構上之 電子遷移所引起的每個可能損害機構，檢測結構接著藉 由影響電子遷移之人為影響參數而受到檢測中逐增的應 力，所以電子遷移係被增強。因此，有關電子遷移強度 之敘述係可於短時間被獲得。 為了檢測電子遷移大小，檢測結構（如金屬互連）係被 見於晶圓且被裝設於陶瓷外殼中。陶瓷外殼係被放置於 電路板上。電路板隨後被以測量設立安置且被引進合適 之加熱爐接受電子遷移檢測。針對此，檢測結構係被暴 露至固定直流。 如上述，被電子遷移引起之損害一例係為俗稱孔隙， 也就是晶格結構内之間隙及從此發展於如積體電路互連 .之電導結構之岔斷。為了檢測該損害，可使用如與其對 應連接之簡單互連。該互連條被置於應力下，也就是提 高溫度及提高電流密度。直到檢測結構故障為止之時間 消逝係被測量於此例中。此時間提供組件順從之電子遷 移處理之強度的測量。籍由直到結構故障為止之時間及 b 1 a c k ’ s方程式，係可計算正常操作情況下結構之平均壽 命0 如上述，被電子遷移引起之損害進一步例子係為擠壓 的產生，也就是電子遷移作用下來自互連之物質流出。 該擠壓可導致短路及被放置晶圓上之電路的故障。

1221908 五、發明說明（3) 依據先前技術之檢測裝置之一優點，係為檢測結構， 也就是對電子遷移之磁化率將被檢測之電導結構首先必 須被備妥來檢測。檢測結構係被看出且隨後再被裝設於 檢測裝置中。這些步驟係勞力密集且耗時且亦資本密 集。再者，被用於檢測裝置之電路板亦必須可抗熱。此 意指因無電路板可抵擋更高溫度而不損壞，所以溫度僅 可被增加至約攝氏4 0 0度。即使這些溫度下，也僅有少數 電路板可抵檔此溫度很長一段時間。因此，大於攝氏3 5 0 度之溫度無法被工業化處理。 再者，應力或可被加諸於檢測結構上之負載係被受限 溫度所限制，因此檢測需較長時間對檢測結構中之電子 遷移範圍做決定性陳述。 用於加熱電路板及檢測結構之外爐需要進一步優點。 所需之加熱爐係很複雜且其使用會產生檢測電子遷移的 額外成本。 俗稱自我加熱檢測結構亦被熟知於先前技術。由於被 檢測之電導結構之非反應性電阻，所以這些檢測結構充 分利用檢測結構被當作檢測結構之壓力源之直流加熱之 事實。結果，外部加熱爐可被排除於自我加熱檢測結構 之例子。 然而，這些自我加熱檢測結構係具有影響電子遷移之 二參量彼此被耦合的優點。不可獨立於溫度來增加電導 結構之電流密度。電流密度中之每一增加亦導致電導檢 測結構溫度之增加。此導致被檢測之參數之參數空間的

1221908 五、發明說明（4) 限制，此限制係不可接受的。 電子遷移上之不對稱電流效應係被檢測於J. A. Mai z [2 ]。結果，可了解不對稱等效直流係藉由訊號電流平均 值來獲得。 美國專利號第4，7 3 9，2 5 8係揭示一種電子遷移檢測裝 置，其中各具有薄膜互連之若干積體電路係被實施於晶 圓位準。檢測裝置係藉由外部加熱器來加熱，且薄膜互 連中之電阻對溫度之改變係被繪製。 本發明係建立於提供一種簡單檢測裝置，藉此溫度可 在不需外爐情形下被調節之問題基礎上。然而，如發生 於依據先前技術之自我加熱檢測結構，預期檢測結構並 不呈現兩參數溫度之任何非預期耦合。 該問題係藉由具有依據各項申請專利範圍中之特徵之 電子遷移檢測裝置及電子遷移檢測方法來解決。 依據本發明之電子遷移檢測裝置係具有直流電源及交 流電源。再者’該檢測裝置係具有一電路。後者具有至 少一被檢測之電導結構，其被電導連接至直流電源及交 流電源。再者，該檢測裝置係具有一測量元件，其以偵 測電子參數方式被設立，該參數係指示檢測結構中之電 子遷移。電子遷移檢測安置中，交流電壓源係暴露該被 檢測之電導結構至獨立於直流電源之直流電之交流電之 方式被設立。藉由交流電源產生之交流電，該被檢測之 電導結構係被加熱至可預定，較佳為可設定之溫度。 依據本發明之電子遷移檢測電導結構之方法係具有以

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下步驟。被檢測之電導結構係被電耦合至一電路，該電 路係被電柄合至直流電源及交流電源。附帶步驟中，該 被檢測之電導結構係被暴露至直流電，該直流電會引起 該被檢測之電導結構内之電子遷移。再者，依據本發明 之方法係藉由被交流電壓源所產生之交流電來加熱該被 檢測之電導結構，該交流電係獨立於會引起該被檢測之 電導結構内之電子遷移之直流電。再者，依據本發明之 方法係具有偵測電子參數之步驟，該參數係指示檢測结 構中之電子遷移。 該裝置及該方法係提供一種簡單檢測裝置，藉此溫度 I在不需使用外爐情形下被調節。如發生於依據先前技 術之自我加熱檢測結構，不預期呈現溫度及電流密度兩 f數之搞合係可被避免。可加熱該被檢測之電導結構之 較佳對稱交流電本身並不引起被檢測之結構中之電子遷 移。有了依據本發明之檢測結構，因為該裝置及該方法 =子中僅被檢測之電導結構被加熱，所以被檢測結構暴 露之溫度係可明顯地被增加超過攝氏4 〇 〇度。電路板本身 並不暴露至提升溫度中。此亦排除選擇電路板時，發生 於依據先前技術之檢測結構例子之問題及限制（如熱阻） 於度可被τ至更高值之事實，與依據先前技術之裝 、置相較、，依據本發明之裝置之進〆步優點，係為該被檢 測之電導結構之個別檢測係可於較短時間内被實施。依 據^發明之檢測裝置係可於數分鐘範圍之期間，較佳為 0分鐘至1 ο 〇分鐘期間來檢測電子遷移。期間短暫可使該

第9頁 1221908 五、發明說明（6) 檢測直接被實施於晶圓位準。因為上述用於準備被檢測 之電導結構之廣泛動作係被排除，所以此可進一步節省 成本。 本發明較佳發展係可從附帶申請專利範圍得知。 依據本發明之電子遷移檢測裝置係被更詳細說明如下。 電子遷移檢測裝置之精進亦用於檢測電子遷移之電導結 構之方法。 依據本發明之電子遷移檢測裝置中，電導參數係較佳 為該被檢測之電導結構之電阻。 再者，依據本發明之電子遷移檢測裝置係較佳具有可 決定電源之評估單元。該評估單元係具有一電壓測量元 件及一電流測量元件。該電壓測量元件及該電流測量元 件係以該電流測量元件測量流經該被檢測之電導結構之 電流平方根，及該電壓測量元件偵測跨越該被檢測之電 導結構之電壓平方根之方法而被引進電路。該被檢測之 電導結構係較佳具有鋁，銅或銅及鋁合金，或如金或銀 之其他電導物質。 再者，依據本發明之檢測裝置係較佳具有一控制元 件。該控制元件係以控制及/或調節交流電壓源之方式被 設立，該被檢測之電導結構之溫度係以該法被設定及保 持固定於預定位準。 依據本發明之檢測裝置之至少某些組件係較佳被安置 於半導體晶圓上。 交流電源係較佳被整合於脈衝產生器中。直流電源亦

第10頁 1221908 五、發明說明（7) ；~' 較佳被整合於脈衝產生器中。也就是說，脈衝產生 較佳被設計為被提供一偏置之交流電源。 交流電源係較佳以其產生1仟赫茲及2 0 0仟赫茲之間， 特別較佳為5仟赫茲之頻率之交流電之方式被設立。 再者’此外，依據本發明之電子遷移檢測裝置較佳具 有一加熱爐或加熱板，係以其加熱該被檢測之電導結構 之方式被設立。此加熱爐可被用來設定一偏置溫度。後 者較佳約攝氏2 0 0至2 5 0度。 本發明之實施例係被描繪於圖示中且被更詳細說明如 下。 參考弟一圖’依據本發明實施例之電子遷移檢測裝置 係被更詳細說明。電子遷移檢測裝置係具有一晶圓丨〇 8， 其擁有被檢測之一電導結構1 0 0。該被檢測之電導結構係 由銘組成。 再者，該檢測裝置係具有一直流電源1 0 1。直流電源 1 〇 1係被電導連接至被檢測之電導結構1 0 0。直流電源1 〇 1 可使電導結構1 0 0位於應力下。也就是說，電導結構丨〇 〇 係藉由被施加之直流電源之直流電而被暴露至加速電導 結構1 0 0中之電子遷移情況中。此應例情況係為與電子組 件正常操作相較之被提高電流密度。 再者，該檢測裝置係具有一脈衝產生器1 0 2。後者係被 連接於直流電源1 0 1及被檢測之電導結構1 〇 0之間。脈衝 產生器1 0 2可將對稱交流電疊置於當做應力電流之直流電 上。對稱交流電係被用來藉由電導結構1 0 0之非反應性電

1221908 五、發明說明（8) 阻來加熱該電導結構。因為脈衝產生器可提供對稱交流 電，所以電子遷移幾乎不被交流電作用之電流密度所影 響。交流電僅有之作用係加熱該被檢測之電導結構1 0 0。 被設定於實施例中之溫度係為攝氏2 6 2度。實施例中，溫 度係藉由偵測電導結構之熱阻增加來決定。若方便，交 流電大小係可被再調整，藉此維持電導結構之固定溫度 及固定應力情況。加熱此溫度所需之交流電大小係為 2 3 . 3mA。交流電之頻率為5仟赫茲。當做應力電流之直流 電為0 . 5 m A。 再者，該檢測裝置係具有一電流測量元件1 0 3。電流測 量元件1 0 3係被整合於電路1 0 4中，其電導耦合被檢測之 電導結構1 0 0，直流電源1 0 1及脈衝產生器1 0 2。電流測量 元件1 0 3係偵測流經電導結構1 0 0之電流平方根。 再者，依據本發明之該檢測裝置係具有一電壓測量元 件1 0 5。電壓測量元件1 0 5偵測跨越第一電壓抽頭（t a p ) 1 0 6及第二電壓抽頭1 0 7間之電導結構1 0 0之電壓平方根， 該電壓抽頭之一係被安置於該電導結構末端區域中。 再者，依據本發明之電子遷移檢測裝置係具有一電腦 (無圖示）。該電腦可讀取被電壓測量元件1 0 5及電流測量 元件1 0 4偵測之值。藉由讀取被偵測之值，該電腦可決定 被檢測之電導結構1 0 0之電阻。使用被決定之電阻，被檢 測之電導結構之溫度（應力溫度）亦可被決定。再者，該 電腦係以其再調整交流電大小之方式被設立，該法中應 力溫度係為固定。

第12頁 1221908 五、發明說明（9) 〜 被檢測之電導結構1 〇 〇係被直接安置於導體晶 圓位準。 、 之晶 第二圖顯示被檢測之電導結構丨〇〇之電阻時域輪靡 電阻係藉由依據本發明之電子遷移檢測裝置來決定。’決讀 定電阻之參數係2 3· 3mA之交流電，其對應攝氏2 6 2度之溫 度。被施加之應力電流係為〇 · 5 m A。該檢測係被實施於約 1 0 0 0 0秒之期間。被決定電阻中朝向測量期間末端之突然 上升2 0 9係明顯可辨識。 ^ 此時點上，由於一個或更多孔隙產生線橫斷面中電導 物夤劇烈地下降，所以電子遷移會對電導結構產生損 害。結果電阻突然上升。電子遷移檢测係佳持續直到 電阻明顯增加被讀出為止。 總之，本發明提供一種電子遷移檢測裝置，其可快 速，簡單及經濟地檢測將被檢測電子遷 另'方面，依據本發明之電子遷移檢測 加熱该被檢測之電導結構之加熱爐。然而另一方面，依 據本發明之實施例亦不呈現依據先前技術之自我加熱檢 測結構之缺點，也就是影響被檢測之電導結構之電子遷 移之溫度及電流密度兩參數的被轉合。 以下文件係被引用於此文件中。 [1 ]時間變化電流應力下之電子遷移，t · J i a n g等人， Microelectronics Reliability 38 (3) (1998) ρρ· 295-308 。 [2]雙向（BC)及脈衝單向（PDC)下之電子遷移特徵化，

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第14頁 1221908 圖式簡單說明 第一圖顯示依據本發明實施例之電子遷移檢測裝置。 第二圖顯示電導結構電阻對時間之測量曲線。 元件符號說明： 1 0 0被檢測之電導結構 1 0 2脈衝產生器 1 04電路 1 0 6第一電壓抽頭 1 0 8晶圓 1 0 1直流電源 1 0 3電流測量元件 1 0 5電壓測量元件 1 0 7第二電壓抽頭 2 0 9電阻中之突然上升

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Claims (1)

1221908 六、申請專利範圍 1. 電子遷移檢測裝置，具有： 一直流電源； . 一交流電源； 一電路，具有至少一被檢測之電導結構，其係被電耦合 至該直流電源及該交流電源；及 一測量元件，其係以其偵測可指示該被檢測之電導結構 中之電子遷移之電子參數之方式而被設立； 該直流電源係以其暴露該被檢測之電導結構至獨立於該 直流電源之直流電之交流電，及加熱該被檢測之電導結 構至可被設定之預定溫度之方式而被設立。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，該電子參數係為該被檢 測之電導結構之電阻。 3. 如申請專利範圍第1或2項之裝置，其更具有可決定電 源之一評估單元，該評估單元係具有一電壓測量元件及 一電流測置元件’其兩者係以流經該被檢測之電導結構 之一電流平方根，及跨越該被檢測之電導結構之一電壓 平方根皆可被偵測之方式而被實施於該電路中。 4. 如申請專利範圍第1或2項之裝置，一控制元件係被提 供，其係以該控制元件控制該交流電壓源使該被檢測之 電導結構之溫度可被保持固定之方式被設立。 5 .如申請專利範圍第1或2項之裝置，該被檢測之電導結 構係被安置於一半導體晶圓之上或之中。 6 ·如申請專利範圍第1或2項之裝置，該交流電源及該直 流電源係被整合於一脈衝產生器中。

第16頁 1221908 六、申請專利範圍 7 ·如申請專利範圍第1或2項之裝置，其更具有以加熱該 被檢測之電導結構之方式被設立一加熱爐。 8 · —種電子遷移檢測電導結構之方法，係具有以下步 驟： 將一被檢測之電導結構電耦合至一電路，該電路係被電 耦合至一直流電源及一交流電源； 將會引起該被檢測之電導結構内之電子遷移之一直流電 施加於該被檢測之電導結構； 錯由父流電加熱該被檢測之電導結構，該交流電係獨立 於會引起該被檢測之電導結構内之電子遷移之該直流 電，該直流電；及 偵測可指示該被檢測之電導結構内之電子遷移之電子參 數。 9.如申請專利範圍第8項之方法，該被檢測之電導結構之 電阻係被偵測為該電子參數。 1 0 ·如申請專利範圍第8或9項之方法，更包含一步驟，該 被檢測之電導結構中之一電流平方根及跨越該被檢測之 電導結構之一電壓平方根係被偵測，而一電源係被決定 於此。 1 1 .如申請專利範圍第8或9項之方法，該被檢測之電導結 構之溫度係被評估單元調節為一固定值。 1 2.如申請專利範圍第8或9項之方法，該被檢測之電導結 構係被形成於一半導體晶圓之上或之中。

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