TWI472010B - 導孔鏈結構與測試方法 - Google Patents

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Description

導孔鏈結構與測試方法
本發明大致上係關於一種導孔鏈的測試。特別是，本發明關於一種通過提高導孔鏈的環境溫度，來迅速和有效地測試導孔鏈的系統和方法。
在晶粒的(die)封裝體中，導孔鏈(via chain)是常見的結構，用來垂直地連接金屬層。當導孔鏈置於應力之下時，會發生電致遷移(EM)的現象，動量藉此從電子風(electron wind)傳遞到金屬晶格中的離子中，而這些離子隨後又會送進了鄰近的材料中。這種不斷遷移的過程，最終將導致在導孔下方聚集成空洞，從而造成結構的毀壞。因此，每一個導孔鏈都具有與其相關的特定壽命。由於現代半導體裝置都密密麻麻的建構有互連結構，導孔鏈的故障於是成為一個嚴重的設計問題。為了要預測何時會發生故障，會採用布萊克方程式(Black’s equation)。布萊克方程式如下式(1)所示。
平均故障時間(Mean Time To Failure,MTTF)=Aωj-n e(Q/κT) (1)其中： A=常數
J=電流密度
n=模型參數
Q=活化能
κ=波爾茲曼常數
T=絕對溫度
ω=金屬導線寬度
由上述公式所表明，電致遷移的測量是非常依賴溫度的。因此，一種決定壽命和電致遷移的測量的方法是，將導孔鏈至於熱和電流的應力之下。焦耳加熱(Joule heating)現象是因為電流通過導孔鏈中而產生的。然而，高焦耳熱因為將其他與晶粒故障無關的機制(mechanism)引入系統中，使得數據的測量變複雜，而且如果可以的話，製造商傾向於消除此等方式。但是，如果只使用熱能加熱，晶圓層級可達到的最高溫度是受限於晶圓載盤(wafer chuck)的，典型的情況是高溫閾值在150℃。在封裝層級中，晶粒可以在烤爐中加熱，但是在這個過程中再次受限於約200℃的最高溫度。高於此溫度的話，在封裝結構之中的金和鋁，就會形成金屬間化合物。
因此本領域的目標，即在於找到一種導孔鏈的測試方法，可以將導孔鏈至於高溫氛圍的應力下，同時又限制所使用焦耳加熱的量。
有鑑於此，發明的目的在於提供一個測試標準的電致遷移導孔鏈的手段，而能夠避免先前技藝中所遭遇的缺點，同時在測試時又節省時間。
導孔鏈測試結構例示性的實施例包括：基板、位於基板上的絕緣層、位於絕緣層上的第一導孔鏈、位於第一導孔鏈兩側之絕緣層上的第二導孔鏈，其處於第一導孔鏈之熱效周圍(thermal proximity)附近、位於基板下方之第一熱源，用來提供第一導孔鏈熱能、以及用來加熱第二導孔鏈之電流源，使得第二導孔鏈作為第一導孔鏈的第二熱源。
根據例示性的實施例的測試方法包括：提供具有位於其上之絕緣層之基板、在絕緣層上安置第一導孔鏈、在絕緣層上、第一導孔鏈之兩側安置第二導孔鏈，而處於第一導孔鏈之熱效周圍附近、使用第一熱源以提供第一導孔鏈熱能、使用電流源以提供第二導孔鏈焦耳熱，於是第二導孔鏈作為第二熱源。
除了第一熱源和第二熱源之外，又還提供了位於第一導孔鏈下方，並被絕緣層所隔離之第一金屬互連層，其中第一熱源，第二熱源和第三熱源具有加成性。此外，還可以進一步使用電流來直接加熱第一導孔鏈。
如前述之詳細說明，在電致遷移的領域中寧願不使用高 焦耳加熱來加熱受到測試的導孔鏈。然而，只使用熱能來加熱所能達到的溫度是有限的。
為了克服這個問題，本案的披露引入位於第一導孔鏈下方、並被一絕緣層所隔離之第一金屬互連層，以及表面積是第一導孔鏈兩倍的第二導孔鏈。第一金屬互連層主要是當作第一導孔鏈的加熱器。第二導孔鏈主要是當作第一導孔鏈的加熱器。為了清晰表示的緣故，第一金屬互連層之後會表示為金屬加熱器、第一導孔鏈(亦即受測之導孔鏈)之後會表示為受測導孔鏈、而第二導孔鏈之後會表示為導孔鏈加熱器。
請參考第1圖，其繪示了本發明的一個例示性的實施例100。如第1圖所示，金屬加熱器20位在基板10之上，還包括提供熱能給受測導孔鏈50之晶圓載盤(wafer chuck)(圖未示)。如前所述，載盤溫度受限於上限閾值150℃的限制。受測導孔鏈位於絕緣層30上，直接位於金屬加熱器20之上方。導孔鏈加熱器60也位於絕緣層30上，並位在受測導孔鏈50之兩側又圍繞受測導孔鏈50。
與此同時，第一熱源(晶圓載盤)提供加熱熱量給受測導孔鏈50，電流將通過金屬加熱器20，而導孔鏈加熱器60則產生焦耳加熱效應(Joule heating effect)。焦耳加熱會加熱金屬加熱器與導孔鏈加熱器60到遠超過僅使用熱能加熱所可以達到的溫度。由於受測導孔鏈50位在接近金屬加熱器20與導孔鏈加熱器60的熱效周圍(thermal proximity) 附近，因為兩個導孔鏈與第一金屬互連層之間的熱傳導，透過焦耳加熱在金屬加熱器20與導孔鏈加熱器60中所誘導出來的溫度，亦會加熱受測導孔鏈50。如此一來，受測導孔鏈50的環境溫度就會增加。
如前所述，焦耳加熱會造成影響用於決定壽命的數據的測量機制，然而，金屬加熱器20與導孔鏈加熱器60僅僅是被用來作為受測導孔鏈50的加熱器，自己本身並沒有接受測試，此等機制即可忽視。受到焦耳加熱而被影響的機制，只會發生在金屬加熱器20與導孔鏈加熱器60中，同時受測導孔鏈50只經歷金屬加熱器20與導孔鏈加熱器60所提供的熱效應。此等熱效應將與晶圓載盤直接提供給受測導孔鏈50之熱效應加乘，藉此使得受測導孔鏈50會受到比起傳統方法還要更高溫度之下的應力，同時又避免大量的焦耳加熱被直接施加到受測導孔鏈50上。
請再次參考第1圖，其為測試結構100、基板10、金屬加熱器20、和絕緣層30的一個橫截面視圖。如第1圖所示，第一層金屬互連、M1金屬加熱器20位在基板10上，而絕緣層30位於金屬加熱器20與受測導孔鏈50之間而作為電性絕緣之用。受測導孔鏈50連接M2到另一個金屬層M3。導孔鏈加熱器60也將M2連接到M3，並圍繞受測導孔鏈50，使得導孔鏈加熱器60與受測導孔鏈50一起位於熱效周圍的附近。
由於加熱的目的，是在於加熱受測導孔鏈50直到故障 發生，金屬加熱器20與導孔鏈加熱器60會需要被驅使到自身亦會發生故障的高溫。為了防止這種故障，透過在受測導孔鏈50中使用一個小規模的焦耳加熱，金屬加熱器20與導孔鏈加熱器60會維持在，比起受測導孔鏈50而言，還要稍低一點的溫度，藉此確保金屬加熱器20與導孔鏈加熱器60在整個測試過程中都會正常的工作無虞。
因此，提供了受測導孔鏈50三個主要的熱量來源：直接來自載盤的熱量、來自金屬加熱器20的熱量、和來自導孔鏈加熱器60的熱量。如前所述，還可以直接在受測導孔鏈50中施加一個小規模的焦耳加熱，雖然可施加的量受限於電流密度因素的考量。這些熱量來源都是可以加乘的，使得受測導孔鏈50的最高溫度幾乎可以達到400℃。
最初，是載盤加熱受測導孔鏈50。理想地，會將其「浸泡」一段時間使得受測導孔鏈50達到最高溫度。然後，電流通過金屬加熱器20與導孔鏈加熱器60，而導致溫度迅速上升。請注意，在一些實施例中，M1可以不作為熱源之用。此外，在測試過程中的某一點，還可以將少量的焦耳熱直接施加在受測導孔鏈50。
此外，受測導孔鏈50與導孔鏈加熱器60較好是長的導孔鏈，這會使得沿著導孔鏈的熱模式(pattern)更加均勻。導孔鏈加熱器60較好也具有高阻抗，以維持沿著導孔鏈的熱模式，因為在每個端點溫度下降的速度會比較慢。本發明還適用其他能協助達成這種溫度平均分布的導孔鏈結構，例 如，在每個端點比在中間有更多導孔的導孔鏈結構。
綜上所述，本發明提供了一個第一導孔鏈在進行電致遷移測試時，不受限於載盤的溫度或封裝層級元件的熔融溫度的結構和相關的方法，也避免了通常與焦耳加熱相關的不利影響。經由利用焦耳加熱直接加熱圍繞第一導孔鏈的第二導孔鏈，以及位於第一導孔鏈之下的金屬加熱器的加乘效果，第一導孔鏈可以被加熱到會超過先前技藝所不能企及的溫度。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧基板
20‧‧‧金屬加熱器
30‧‧‧絕緣層
50‧‧‧受測導孔鏈
60‧‧‧導孔鏈加熱器
第1圖繪示了本發明的例示性的實施例。
10‧‧‧基板
20‧‧‧金屬加熱器
30‧‧‧絕緣層
50‧‧‧受測導孔鏈
60‧‧‧導孔鏈加熱器

Claims (11)

  1. 一種導孔鏈測試結構，包括：一基板；位於該基板上的一絕緣層；位於該絕緣層上的一第一導孔鏈；一第二導孔鏈，位於該第一導孔鏈兩側之該絕緣層上，並位於該第一導孔鏈之熱效周圍(thermal proximity)；一第一熱源，位於該基板下方，以提供該第一導孔鏈熱能；以及一電流源，以加熱該第二導孔鏈，使得該第二導孔鏈作為該第一導孔鏈的一第二熱源，且該電流源不直接加熱該第一導孔鏈。
  2. 如請求項1的導孔鏈測試結構，更包括：位於該基板上，並被該絕緣層與該第一導孔鏈所隔離之一第一金屬互連層，其中該電流源加熱該第一金屬互連層，使得該第一金屬互連層作為該第一導孔鏈的一第三熱源。
  3. 如請求項2的導孔鏈測試結構，其中該第一熱源、該第二熱源和該第三熱源具有加成性。
  4. 如請求項1的導孔鏈測試結構，其中該第一熱源為晶圓載盤(wafer chuck)。
  5. 如請求項1的導孔鏈測試結構，其中該第二導孔鏈的表面積是該第一導孔鏈的兩倍。
  6. 如請求項1的導孔鏈測試結構，其中該第二導孔鏈與該第一導孔鏈兩者均由長排的導孔所形成。
  7. 一種測試第一導孔鏈結構的方法，包括：提供一基板，而具有位於其上之一絕緣層；在該絕緣層上安置一第一導孔鏈；在該絕緣層上、該第一導孔鏈之兩側安置一第二導孔鏈，並位於該第一導孔鏈之熱效周圍(thermal proximity)；使用一第一熱源，以提供該第一導孔鏈熱能；以及使用一電流源，以提供該第二導孔鏈焦耳熱，使得該第二導孔鏈作為一第二熱源。
  8. 如請求項7測試第一導孔鏈結構的方法，更包括：提供位於該第一導孔鏈下方，因該絕緣層而與該第一導孔鏈所隔離之一第一金屬互連層；以及使用該電流源，以提供該第一金屬互連層焦耳熱，使得該第一金屬互連層作為該第一導孔鏈的一第三熱源。
  9. 如請求項8測試第一導孔鏈結構的方法，其中該第一熱源、該第二熱源和該第三熱源具有加成性。
  10. 如請求項7測試第一導孔鏈結構的方法，其中該第二導孔鏈的表面積是該第一導孔鏈的兩倍。
  11. 如請求項7測試第一導孔鏈結構的方法，其中該第二導孔鏈與該第一導孔鏈兩者均由長排的導孔所形成。
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