[发明专利]一种测试结构及一种后段金属互连可靠性的测试方法

说明书

本发明提供了一种基于多晶硅加热的测试结构以及一种金属互连工艺的可靠性测试方法，采用监测电阻温度系数来替代传统后段金属互连可靠性的测试方法，通过采用局部多晶硅加热方式实现了晶圆级测试和实时在线监测，避免了整片晶圆因烘烤而报废，相比传统测试时间缩短了2个数量级时间。最后结合一套优异的数据分析手段实现了线上金属互连可靠性快速异常诊断和监测，有效地增强了制程开发，产品量产，线上监测等工艺流程。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种测试结构及一种后段金属互连可靠性测试方法。

背景技术

从20世纪90年代以来，集成电路技术得到了快速发展。集成电路的特征尺寸不断缩小，集成度和性能不断提高。为了减小成本，提高性能，集成电路技术中引入大量新材料、新工艺和新的器件结构。这些发展都给集成电路可靠性保证和提高带来了巨大挑战。

金属化是集成电路芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上沉积金属薄膜以及随后刻印图形以便形成互联金属线和集成电路的孔填充塞的过程。由于超大规模集成电路组件的密度增加，互连电阻和寄生电容也随之增加，降低了信号的传播速度，这对集成电路互连技术提出了关键的挑战。现有技术主要从以下两方面着手应对：一方面，通过使用铜取代铝作为基本的导电金属而实现减小金属互连的电阻率；另一方面，通过使用低k层间介质(interlayer dielectric，ILD)来降低介电常数以减少寄生电容。

后段(Back end of line,BEOL)金属互连工艺的可靠性问题主要有电迁移(Electromigration，EM)和应力迁移(Stress Migration，SM)两种。EM是指在金属互连的系统中，金属线和通孔受到电流中电子的碰撞，产生能量交换，使晶格离子获得能量离开原来的位置，并在沿着电子运动方向漂移。由于金属结构中存在着缺陷或晶界交叉点，金属原子空位容易在这些地方聚集，随着时间的推移，空位容易成长为空洞，宏观上可以看见金属线条或通孔变得不连续，甚至断裂，造成电流的阻断。发生电迁移的地方电阻升高，在器件工作过程时造成局部过热，从而使器件失效。随着器件的等比例缩小，互连线的尺寸也相应减小，因此增加了电流密度和功率密度，EM效应更为严重。SM效应是由于互连金属与层间介质材料的热膨胀系数不同，当金属互连从较高的制造工艺温度降低到室温时，会在系统中产生残余热应力。该应力只有通过金属原子的迁移、空洞的形成和生长才能被释放出来。残余应力促使空位产生，并使其沿着应力梯度方向移动，即应力梯度成为空洞移动的驱动力，使空位聚集形成空洞或使空位在早先存在的空洞处积累，从而使其逐渐增大，最终导致金属互连开路。随着大规模集成电路技术的不断发展，特征尺寸减小，互连层数增多，集成度增加，导致互连电容电阻延迟上升，功耗增大，串扰效应加剧。新的互连工艺采用低介电常数材料和铜镶嵌工艺来改善以上问题。但低k介电材料也存在硬度小、密度低、粘附性差等缺点，而且低k材料与刻蚀停止层和阻挡层材料的热膨胀系数及弹性模量相差很多，这些特性所引起的工艺问题更有可能加剧空洞的产生和生长。

然而常规的EM测试(参考图1)一般需要经过切割晶圆(wafer saw)，在划割道上拾取测试结构，将它们固定在特殊的载体上(通常称作“陶瓷封装”)，并将陶瓷封装好的样品置于高温和电压应力下的特殊烘箱中，再经历几十到数百小时的测试，监测其电阻偏移超过预定的阀值(如10％)时的时间。总之，整个测试流程不仅过程十分繁琐，耗时长久，而且需要晶圆破片，整体成本非常高昂。对于常规SM测试来说(参考图2)，首先需要测试测试结构在常温下的初始电阻，然后将整片晶圆放置在高温(200C-250C)下烘烤数百的时间(通常为168/500/1000小时)后冷却到室温下在测试当前测试结构的电阻，在与初始电阻比对相对电阻变化率。一方面，整个测试过程耗时巨大；另一方面，由于需要整片晶圆放在烘箱中烘烤，使得整个晶圆上所有芯片包括其他可靠性测试结构都受到长时间热应力而无法继续工作。总之，传统后段金属可靠性测试都需要耗费成百上千小时的测试周期和浪费较多晶圆的测试成本，显然对于快速在线可靠性检测来说无法接受。特别是近年来集成电路产品的生命周期愈发短暂，竞争又十分激烈，整个集成电路行业迫切需要一种快速有效的方法来评估后段金属可靠性的风险。