专利名称：大规模集成互连电迁移失效测试方法
技术领域：
本发明属于测试技术领域，涉及半导体器件的可靠性测试，特别是一种大规模集成互连电迁移失效的测试方法。
背景技术：
随着集成电路器件特征尺寸的持续缩小和电路复杂度的提高，互连密度、层数和工作电流密度不断增大，由此引发的互连电迁移失效问题也更加显著，成为微电子器件中主要的失效现象之一，也是集成电路可靠性评价的重要内容之一。现有的集成电路互连电迁移失效研究普遍采用单链接结构互连进行失效实验，测试效率很低，为了减少测试周期往往需要多个测试装置同时工作，测试成本较高；或是采用齐纳二极管搭建外部旁通电路的方式实现串联结构多链接电迁移失效试验，但这种测试装置存在明显的不足，即当齐纳二极管与整个多链接互连并联时将导致测试无法获得其包含 的每个单链接互连失效的具体时间信息，而当齐纳二极管与每个单链接互连并联时，则会因占用互连测试芯片样品的引脚资源过多而极大限制了多链接结构的规模。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种大规模集成互连电迁移失效测试方法，以提高测试效率，实现大规模集成互连电迁移失效的快速自动测试。实现本发明目的的技术原理是根据反熔丝的特性制作互联-反熔丝单元结构。反熔丝是由两个导电层夹介质层组成的耐高温可编程逻辑单元，在电压击穿之前表现为电容特性，通过上、下电极间的编程电压实现编程后则表现出良好的欧姆电阻特性，本发明正是利用反熔丝这种在编程前后电阻发生巨大变化的特性，在集成互连线上通过平面工艺制作反熔丝，与互连线形成互连-反熔丝并联结构。在电迁移测试过程中，集成互连线未失效时反熔丝表现为高阻态可视做开路，当集成互连线电阻高于失效判据时反熔丝开始导通，形成低阻电流通路，以实现与齐纳二极管类似的功能而无需占用测试芯片引脚资源。具体实现步骤包括如下(I)通过平面工艺在集成互连线的焊盘上制作反熔丝，使反熔丝与互连线并联连接，形成多个互连-反熔丝单元结构；(2)将多个互连-反熔丝单元结构首尾依次相连，形成大规模集成互连多链接结构；(3)将大规模集成互连多链接结构的首尾两端分别与测试电流源和电压表的同极性端相连，测试该多链接结构两端的电压-时间曲线；(4)记录多链接结构两端电压下降跳变点的时间，作为整个大规模集成互连的电迁移失效时间。所述反熔丝在互连失效前为高阻态并表现为开路，互连失效后转化为低阻态并表现为短路。
所述互连线材料选用铝或铜金属材料。所述通过平面工艺在集成互连线的焊盘上制作反熔丝，按如下步骤进行(Ia)在所述的集成互连线上涂光刻胶，在集成互连线的焊盘正上方区域内刻蚀出反熔丝孔；(Ib)在反熔丝孔中通过化学气相淀积CVD形成下金属电极；(Ic)在下金属电极上通过等离子体化学气相淀积PECVD形成一层绝缘介质层；(Id)在绝缘介质层上通过化学气相淀积CVD形成上金属电极；(Ie)去除光刻胶，形成金属-绝缘介质-金属结构的反熔丝。
本发明的方法具有如下优点I)通过平面工艺在集成互连线的焊盘上制作反熔丝，不需要增加额外的芯片，降低了测试成本；2)将多个互连-反熔丝单元结构首尾依次相连，形成大规模集成互连多链接结构，再进行测试，可以一次性测试大量的互连样品，减少了测试时间，大大提高了测试效率。
图I为本发明的测试流程图；图2为本发明制作互连-反熔丝单元的子流程示意图；
图3为本发明制作的集成互连多链接示意图；图4为本发明试验使用的3个互连-反熔丝单元串联连接的实例示意图；图5为对图4进行电迁移失效测试的电压V-时间t曲线。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的内容做进一步详细的说明。参照图1，本发明大规模集成互连电迁移失效测试方法，具体步骤包括如下步骤一通过平面工艺在集成互连线的焊盘上制作反熔丝，使反熔丝与互连线并联连接，形成多个互连-反熔丝单元结构。参照图2，本步骤的具体实现如下(Ia)在衬底100上淀积一层互连层间介质111，所述衬底100米用娃衬底,但不限于硅衬底，所述互连层间介质111选用低介电常数材料；(Ib)在互连层间介质111上光刻并刻蚀出第一层互连线沟槽图形1001 ；(Ic)填充互连线沟槽图形1001，形成第一层互连线113，所述互连线113的材料选用铝或铜金属材料；(Id)在步骤(Ic)所形成的图形上淀积一层互连层间介质112，所述互连层间介质112选用低介电常数材料；(Ie)在互连层间介质112上光刻并刻蚀出通孔焊盘沟槽图形1002和通孔焊盘沟槽图形1003 ；(If)填充通孔焊盘沟槽图形1002和通孔焊盘沟槽图形1003，形成通孔焊盘114和通孔焊盘115，所述通孔焊盘114和通孔焊盘115的材料选用铝或铜金属材料；(Ig)在步骤(If)所形成的图形上淀积一层互连层间介质120，所述互连层间介质120选用低介电常数材料；(Ih)在互连层间介质120上光刻并刻蚀出通孔焊盘沟槽图形1004、通孔焊盘沟槽图形1005和通孔焊盘沟槽图形1006 ；(Ii)填充通孔焊盘沟槽图形1004、通孔焊盘沟槽图形1005和通孔焊盘沟槽图形1006，形成通孔焊盘121、通孔焊盘122和通孔焊盘123的图形，所述通孔焊盘121、通孔焊盘122和通孔焊盘123的材料选用铝或铜金属材料；(Ij)在步骤(Ii)所形成的图形上涂光刻胶1007，所述光刻胶1007通过甩胶形成均匀涂层，在通孔焊盘121的正上方区域内用常规的刻蚀技术刻蚀出反熔丝孔1008，露出通孔焊盘121 ；(Ik)在反熔丝孔1008中采用化学气相淀积CVD形成下金属电极201，所述下金属电极201的材料采用氮化钛或钨化钛；
(11)采用等离子体化学气相淀积PECVD方法，在反熔丝孔1008中的下金属电极201上形成一层绝缘介质层202，所述绝缘介质层202的材料选用氮化硅或非晶硅或掺杂了氮、氟元素的含氢非晶碳薄膜；(Im)采用化学气相淀积CVD方法，在反熔丝孔1008中的绝缘介质层202上形成上金属电极203，所述上金属电极203的材料采用氮化钛或钨化钛；(In)使用湿氧去胶或高温干氧去胶等常规的去胶工艺，去除步骤(Ii)所形成图形上残留的光刻胶1007，淀积形成一个绝缘介质层200 ；(Io)在绝缘介质层200上光刻并刻蚀出通孔焊盘沟槽图形1009、通孔焊盘沟槽图形1010、通孔焊盘沟槽图形1011和通孔焊盘沟槽图形1012 ；(Ip)在通孔焊盘沟槽图形1009、通孔焊盘沟槽图形1010、通孔焊盘沟槽图形1011和通孔焊盘沟槽图形1012中，用电镀或物理溅射方法淀积金属并抛光，制作通孔焊盘204、通孔焊盘205、通孔焊盘206和通孔焊盘207。步骤二 将多个互连-反熔丝单元结构首尾依次相连，即将每个互连-反熔丝单元中的焊盘306和焊盘307用引线309直接连接，将相邻两个单元的首尾焊盘通过引线310相连，形成大规模集成互连多链接结构，如图3所示。图4给出了一个用三个互连-反熔丝单元串联的多链接结构，将互连-反熔丝单元41的焊盘406和焊盘407用键合引线415连接，互连-反熔丝单元42的焊盘409和焊盘410用键合引线417连接，互连-反熔丝单元43的焊盘412和焊盘413用键合引线419连接。将互连-反熔丝单元41的焊盘408通过键合引线416与互连-反熔丝单元42的焊盘409连接，互连-反熔丝单元42的焊盘411通过键合引线418与互连-反熔丝单元43的焊盘412连接。步骤三将大规模集成互连多链接的首尾两端分别与测试电流源和电压表的同极性端相连，测试该多链接结构两端的电压-时间曲线。参照图3，本步骤的具体连接如下将首端互连-反熔丝单元31的焊盘305通过引线301与测试电流源的一端连接，焊盘306通过引线302与测试电压表的同极性端连接，并将末端互连-反熔丝单元33的焊盘308通过引线304与测试电流源的另一端连接，焊盘307通过引线303与测试电压表的同极性端连接，记录电压表上电压随时间变化的电压-时间曲线。
所述引线309和引线310为键合引线，可选用集成金属连线。所述引线301、引线302、引线303和引线304均为键合引线。例如对于图4，在测试过程中，是将互连-反熔丝单元41的焊盘405通过引线401与测试电流源正极连接，焊盘406通过引线402与测试电压表正极连接，将互连-反熔丝单元43的焊盘414通过引线404与测试电流源负极连接，焊盘413通过引线403与测试电压表负极连接。步骤四在电迁移测试过程中，将集成互连线未失效时反熔丝的高阻态视为开路，当集成互连线电阻高于失效判据时反熔丝导通，并形成低阻电流通路，从而引起电压表下降跳变，记录多链接结构两端电压下降跳变点的时间，即为大规模集成互连的电迁移失效时间。例如，对图4结构进行电迁移测试，获得的电迁移失效测试电压V-时间t曲线如图5。其中501、502和503为反熔丝编程时的电压跳变点，此时互连线发生电迁移失效。 上述步骤一，给出如下三种实施例。实施例I如图2所示互连-反熔丝单元，其互连线的材料为铜。第一层互连线113的长度为300微米。反熔丝的上金属电极203和下金属电极201的材料为氮化钛，厚度为200纳米，中间绝缘介质202的材料为氮化硅，厚度为5纳米。实施例2如图2所示互连-反熔丝单元，其互连线的材料为铝。第一层互连线113的长度为350微米。反熔丝的上金属电极203和下金属电极201的材料为钨化钛，厚度为250纳米，中间绝缘介质202的材料为非晶硅，厚度为60纳米。实施例3如图2所示互连-反熔丝单元，其互连线的材料为铜。第一层互连线113的长度为400微米。反熔丝的上金属电极203和下金属电极201的材料为氮化钛，厚度为300纳米，中间绝缘介质202的材料为掺杂了氮、氟元素的含氢非晶碳薄膜，厚度为25纳米。本发明的性能可通过以下测试详细说明。测试I在实施例I的测试过程中，互连线电阻约为550欧姆，反熔丝的电阻约为22兆欧，漏电流约为5纳安。反熔丝编程电压约为I伏特。电迁移测试电流为O. 33毫安，测试温度为300摄氏度，互连线电迁移寿命约为100小时。300摄氏度温度3. 5伏特电压下反熔丝经时击穿寿命约为1000小时。当互连线电阻增大至约3000欧姆时，反熔丝导通，导通后反熔丝电阻接近22欧姆。测试2在实施例2的测试过程中，互连线电阻约为420欧姆，反熔丝的电阻约为100兆欧，漏电流约为10纳安。反熔丝编程电压约为3伏特。电迁移测试电流为O. 33毫安，测试温度为300摄氏度，互连线电迁移寿命约为100小时。300摄氏度温度3. 5伏特电压下反熔丝经时击穿寿命约900小时。当互连线电阻增大至约9000欧姆时，反熔丝导通，导通后反熔丝电阻接近70欧姆。测试3
在实施例3的测试过程中，互连线电阻约为600欧姆，反熔丝的电阻约为300兆欧，漏电流约为I纳安。反熔丝编程电压约为3. 5伏特。电迁移测试电流为O. 33毫安，测试温度为300摄氏度，互连线电迁移寿命约为150小时。300摄氏度温度3. 5伏特电压下反熔丝经时击穿寿命约为1200小时。当互连线电阻增大至约10千欧时，反熔丝导通，导通后反熔丝电阻接近100欧姆。
测试实验表明，采用本发明的互联-反熔丝单元结构，实现了大规模集成互连电迁移失效的快速自动测试。本发明将大量的互联-反熔丝单元结构串联起来，进行测试，提高了测试效率，减少了测试时间，从而大大降低了测试成本。
权利要求
1.一种大规模集成互连电迁移失效测试方法，包括如下步骤 (1)通过平面工艺在集成互连线的焊盘上制作反熔丝，使反熔丝与互连线并联连接，形成多个互连-反熔丝单元结构； (2)将多个互连-反熔丝单元结构首尾依次相连，形成大规模集成互连多链接结构； (3)将大规模集成互连多链接结构的首尾两端分别与测试电流源和电压表的同极性端相连，测试该多链接结构两端的电压-时间曲线； (4)记录多链接结构两端电压下降跳变点的时间，作为整个大规模集成互连的电迁移失效时间。
2.根据权利要求I所述的大规模集成互连电迁移失效测试方法，其特征在于，所述反熔丝在互连失效前为高阻态并表现为开路，互连失效后转化为低阻态并表现为短路。
3.根据权利要求I所述的大规模集成互连电迁移失效测试方法，其特征在于，所述互连线材料选用铝或铜金属材料。
4.根据权利要求I所述的大规模集成互连电迁移失效测试方法，其特征在于，所述互连线的长度为300um 400um。
5.根据权利要求I所述的大规模集成互连电迁移失效测试方法，其特征在于，步骤(I)所述的通过平面工艺在集成互连线的焊盘上制作反熔丝，按如下步骤进行 (Ia)在所述的集成互连线上涂光刻胶，在集成互连线的焊盘正上方区域内刻蚀出反熔丝孔； (Ib)在反熔丝孔中通过化学气相淀积CVD形成下金属电极； (Ic)在下金属电极上通过等离子体化学气相淀积PECVD形成一层绝缘介质； (Id)在绝缘介质层上通过化学气相淀积CVD形成上金属电极； (Ie)去除光刻胶，形成金属-绝缘介质-金属结构的反熔丝。
6.根据权利要求4所述的大规模集成互连电迁移失效测试方法，其特征在于，所述的上、下金属电极材料选用氮化钛或钨化钛。
7.根据权利要求4所述的大规模集成互连电迁移失效测试方法，其特征在于，所述绝缘介质的材料选用氮化硅或非晶硅或掺杂了氮、氟元素的含氢非晶碳薄膜。
8.根据权利要求4所述的大规模集成互连电迁移失效测试方法，其特征在于，所述绝缘介质层的厚度为5nm 60nm。
9.根据权利要求4所述的大规模集成互连电迁移失效测试方法，其特征在于，所述反熔丝上、下金属电极的厚度为200nm 300nm。
全文摘要
本发明公开了一种大规模集成互连电迁移失效快速自动测试方法，主要解决现有技术的测试成本高、测试规模小的问题。其实现方案是利用反熔丝在编程前后电阻发生巨大变化这一特性，在集成互连线的焊盘上通过平面集成工艺制作反熔丝，形成互连和反熔丝并联的结构，将大量的该互连-反熔丝单元结构串联起来即形成大规模集成互连多链接结构，在该多链接结构两端分别连接测试电流源和电压表进行电迁移失效测试，并记录多链接结构两端的电压下降跳变点时间，作为互连的失效时间。本发明具有测试成本低、测试效率高的优点，可用于大规模集成互连电迁移失效的测试。
文档编号G01R31/26GK102830338SQ201210332319
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者吴振宇, 杨银堂, 陈雪薇 申请人:西安电子科技大学
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