導孔連結構與測試方法
2023-05-16 20:08:16 1
專利名稱：導孔連結構與測試方法
技術領域：
本發明涉及一種導孔鏈的測試，特別是涉及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。
背景技術：
在晶片的(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。當導孔鏈置於應力下時，會發生電致遷移(Electromigration)的現象,動量藉此從電子風(electron wind)遷移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(Black’s equation)。布萊克方程如下式(I)所示。平均故障時間(MeanTime To Failure, MTTF)=Αω j-ne (Q/KT) (I)其中A=常數J=電流密度η=模型參數Q=活化能K=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，高焦耳熱因為將其它與晶片故障無關的機制引入系統中，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°C。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°C的最高溫度。高於此溫度的話，封裝結構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，可以將導孔鏈置於高溫氛圍的應力下，同時又限制所使用焦耳加熱的量。
發明內容
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，而能夠避免現有技術中所遭遇的缺點，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的絕緣層上的第二導孔鏈，其處於第一導孔鏈的熱效周圍(thermal proximity)附近、位於基板下方的第一熱源,用來提供第一導孔鏈熱能、以及用來加熱第二導孔鏈的電流源，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的絕緣層的基板、在絕緣層上安置第一導孔鏈、在絕緣層上、第一導孔鏈的兩側安置第二導孔鏈，而處於第一導孔鏈的熱效周圍附近、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，並被絕緣層所隔離的第一金屬互連層，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。
圖I所示為本發明的例示性實施例。其中，附圖標記說明如下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
具體實施例方式如前述的詳細說明，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，本案提出了位於第一導孔鏈下方、並被一絕緣層所隔離的第一金屬互連層，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(亦即受測的導孔鏈)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。請參考圖I,其所示為本發明的一個例示性實施例100。如圖I所示,金屬加熱器20位在基板10上，還包括提供熱能給受測導孔鏈50的晶圓載盤(未示於圖中)。如前所述，載盤溫度受限於上限閾值150°C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的上方。導孔鏈加熱器60也位於絕緣層30上，並位在受測導孔鏈50的兩側又圍繞受測導孔鏈50。在此同時，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。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的熱效周圍附近，因為兩個導孔鏈與第一金屬互連層之間的熱傳導，通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，也會加熱受測導孔鏈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隻經歷金屬加熱器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的熱效應加乘，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。請再次參考圖1，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。如圖I所示，第一層金屬互連、Ml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 —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，通過在受測導孔鏈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會維持在相對於受測導孔鏈50來說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慮。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°C。最初，是以載盤加熱受測導孔鏈50。在理想的情況下，會將其靜置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，Ml可以不作為熱源之用。此外，在測試過程期間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最好是長排的導孔鏈，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最好也具有高阻抗，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。本發明還適用其它能協助達成這種溫度平均分布的導孔連結構，例如，在每個端點比在中間有更多導孔的導孔連結構。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器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現有技術所不能及的溫度。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種導孔鏈測試結構，其特徵在於，包含 一基板； 位於所述基板上的一絕緣層； 位於所述絕緣層上的一第一導孔鏈； 一第二導孔鏈，位於所述第一導孔鏈兩側的所述絕緣層上，並位於所述第一導孔鏈的熱效周圍； 一第一熱源，位於所述基板下方，以提供所述第一導孔鏈熱能；以及 一電流源，以加熱所述第二導孔鏈，使得所述第二導孔鏈作為所述第一導孔鏈的一第二熱源。
2.根據權利要求I所述的導孔鏈測試結構，其特徵在於，更包含 位於所述基板上並被所述絕緣層與所述第一導孔鏈所隔離的一第一金屬互連層，其中所述電流源加熱所述第一金屬互連層，使得所述第一金屬互連層作為所述第一導孔鏈的一第二熱源。
3.根據權利要求I所述的導孔鏈測試結構，其特徵在於，所述第一熱源、所述第二熱源和所述第三熱源具有加成性。
4.根據權利要求I所述的導孔鏈測試結構，其特徵在於，所述第一熱源為晶圓載盤。
5.根據權利要求I所述的導孔鏈測試結構，其特徵在於，所述第二導孔鏈的表面積是所述第一導孔鏈的兩倍。
6.根據權利要求I所述的導孔鏈測試結構，其特徵在於，所述電流源也用來直接加熱所述第一導孔鏈。
7.根據權利要求I所述的導孔鏈測試結構，其特徵在於，所述第二導孔鏈與所述第一導孔鏈兩者均由長排的導孔所形成，而且所述第二導孔鏈具有高阻抗。
8.—種測試第一導孔連結構的方法，其特徵在於，包含 提供一基板，而具有位於其上的一絕緣層； 在所述絕緣層上安置一第一導孔鏈； 在所述絕緣層上、所述第一導孔鏈的兩側安置一第二導孔鏈，並位於所述第一導孔鏈的熱效周圍； 使用一第一熱源，以提供所述第一導孔鏈熱能；以及 使用一電流源，以提供所述第二導孔鏈焦耳熱，使得所述第二導孔鏈作為一第二熱源。
9.根據權利要求8所述的測試第一導孔連結構的方法，其特徵在於，更包括 提供位於所述第一導孔鏈下方且因為所述絕緣層而與所述第一導孔鏈隔離的一第一金屬互連層；以及 使用所述電流源，以提供所述第一金屬互連層焦耳熱，使得所述第一金屬互連層作為所述第一導孔鏈的一第三熱源。
10.根據權利要求9所述的測試第一導孔連結構的方法，其特徵在於，所述第一熱源、所述第二熱源和所述第三熱源具有加成性。
11.根據權利要求8所述的測試第一導孔連結構的方法，其特徵在於，所述第二導孔鏈的表面積是所述第一導孔鏈的兩倍。
12.根據權利要求8所述的測試第一導孔連結構的方法，其特徵在於，更包括進一步利用所述電流來直接加熱所述第一導孔鏈。
13.根據權利要求8所述的測試第一導孔連結構的方法，其特徵在於，所述第二導孔鏈與所述第一導孔鏈均由長排的導孔所形成，而且所述第二導孔鏈具有高阻抗。
全文摘要
本發明公開了一種導孔鏈測試結構，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的絕緣層上的第二導孔鏈，而處於第一導孔鏈的熱效周圍且位於基板下方的第一熱源，以提供第一導孔鏈熱能、以及用以加熱第二導孔鏈的電流源，使得第二導孔鏈作為第一導孔鏈的第二熱源。
文檔編號G01R31/26GK102916000SQ20121027704
公開日2013年2月6日 申請日期2012年8月6日 優先權日2011年8月4日
發明者菲力普·J·愛爾蘭, 江文松 申請人:南亞科技股份有限公司