互連線失效檢測方法
2023-11-07 06:54:32
專利名稱：互連線失效檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種互連線失效檢測方法。
背景技術：
多層互連技術業已成為大規模集成電路和特大規模集成電路製備工藝的
重要組成部分。當前高性能的特大規模集成電路已具有多達7-8層的銅互連 線。因此，尋求較低電阻率的金屬互連材料和較低介電常數的絕緣材料已成 為深亞微米和納米器件的 一 大研究方向。
當前，多層互連中採用低k介質，即介電常數較低(k<3.2)的材料來取 代傳統的二氧化矽(Si02)作為層間絕緣。低k介質的材料可在不降低布線密 度的條件下，有效地減小互連電容值，使晶片工作速度加快、功耗降低。目 前最有前途和有可能應用的低k介質是①新型的摻碳氧化物，可提高晶片 內信號傳輸速度並降低功耗，該氧化物通過簡單的雙層堆疊來設置，易於制 作；②矽低k絕緣介質， 一種旋轉塗敷聚合物；③多孔矽低k絕緣介質；④黑 金剛石， 一種無機和有機的混合物；⑤超薄氟化氮化物，該超薄氟化氮化物 加上由有機層構成的隔離薄膜，使得銅擴散減少一個數量級或更多，從而增 強多層互連晶片工作的可靠性。
而金屬互連線選用銅或鋁兩種材料，目前大多數公司都使用銅作為互連 線，因為銅有比鋁低的電阻率(銅的電阻率為1.69uQ -cm,鋁的電阻率為2.62 uQ .cm)和較高的抗電遷移性，故銅被普遍認為是深亞微米和納米集成電路 多層互連線的一種首選材料。然而，隨著集成電路器件的最小特徵尺寸的越 來越小，電遷移引起的可靠性問題也逐漸成為了影響晶片性能的一個重要因 素。電遷移程度加劇就可能造成互連線開路，現在一般都是利用BLACK方程M7TF = ^exp(^^X/—"來研究互連線的電遷移現象，其中MTTF表示電遷移
允r
導致互連線失效所需時間的中間值，A是由金屬層本身特性決定的係數，Ea 為激活能，k為波爾茲曼常數，T為溫度，j為測試電流密度，n為擬和係數，這 種方法也被稱為是加速壽命試驗方法。但是一旦互連線出現了早期失效的現 象(early fail),即位於同一個互連線單元中的互連線在極短時間內全部失效 的現象，現有的BLACK方程是無法根據這種現象來對於互連線的電遷移作出 準確分析的。早期失效現象的過程描述如下，圖l所示為一個銅互連線的單元， 當由於電遷移的加劇導致其中的一條互連線開路時，其他四條互連線上將會 有更大的電流通過， 一般可能會增加到原來電流強度的125%，因此其他四條 互連線也將會在極短的時間內失效。因此，尋找一種可以發現互連線早期失 效現象的方法對於解決互連線早期失效現象以及研究互連線電遷移現象都顯 得很重要。然而現有的方法都是通過^r測每一根互連線的電阻來發現失效互 連線的，這樣的方法對於互連線規模較大的晶片來說顯然速度太慢，不能滿 足檢測的要求。
發明內容
本發明要解決的問題是現有技術發現互連線早期失效現象的速度太慢， 不能滿足檢測的要求。
為解決上述問題，本發明提供一種互連線失效檢測方法，包括，
將至少兩個以上具有相同互連線規模的互連線單元串接起來構成失效探 測電^各；
向失效探測電路輸入測試電流，並測量失效探測電路兩端的電壓；
如果所測得的電壓大於或等於設定電壓值時，則失效探測電路中出現互 連線失效。本發明還提供了另外一種互連線失效檢測方法，包括，
將至少兩個以上具有相同互連線規模的互連線單元串接起來構成失效探
測電^各；
向失效探測電路輸入測試電流，並測量失效探測電路兩端的電壓；
如果所測得的電壓大於或等於設定電壓值時，則失效探測電路中出現互 連線失效；
將出現互連線失效的失效探測電路的輸入與輸出相連構成惠斯通電橋；
向惠斯通電橋輸入電流，測量惠斯通電橋的中點上的電流方向，並根據 電流方向來定位失效互連線的位置。
與現有技術相比，本發明具有以下優點
1. 本發明互連線失效檢測方法通過將互連線單元串接構成失效探測電 路，並通過測量失效探測電路兩端的電壓來快速發現互連線單元的失 效現象。
2. 本發明另 一種互連線失效檢測方法還通過將失效4果測電路的輸入與 輸出相連構成惠斯通電橋，通過向惠斯通電橋輸入電流，並測量惠斯 通電橋的中點上的電流方向來快速定位失效互連線單元的位置，因此 本發明互連線失效檢測方法檢測效率較高，並且能夠準確定位失效互 連線的位置。
圖l是現有^t支術銅互連線單元結構示意圖2是本發明實施例1互連線失效檢測方法流程圖3是本發明實施例2互連線失效4企測方法流程圖；圖4是本發明實施例1和本發明實施例2失效探測電路示意圖 圖5是本發明實施例2失效定位電路示意圖； 圖6是本發明實施例2失效定位電路等效電路示意圖。
具體實施例方式
通過測量失效探測電路兩端的電壓來發現互連線單元的失效現象，並通過將 失效探測電路的輸入與輸出相連構成惠斯通電橋，通過向惠斯通電橋輸入電 流，並測量惠斯通電橋的中點上的電流，並根據電流方向來定位失效互連線 的位置。
本發明以兩個具體的實施例來對於本發明的失效才企測方法進行詳細說明。
實施例1，如圖2所示，本發明實施例1的互連線失效;險測方法包括如下 步驟，
步驟sl，將至少兩個以上具有相同互連線M^莫的互連線單元串接起來構 成失效探測電路。因為之前所述的電遷移現象只有在達到一定長度的互連線 中才能發現，因此挑選的互連線單元的規模其實是根據對於特定長度的互連 線的電遷移現象的研究需求而定的。本發明實施例1為了使敘述方便，仍採 用如圖1所示的銅互連線單元。例如，假設圖1所示的每一根長度為400微 米的銅互連線的阻值為500Qm,那麼如圖1所示的由5才艮銅互連線並聯構成 的最小互連線單元就相當於一個阻值為100Qm的等效電阻。而將所述互連線 單元等效成電阻就能夠根據簡單地電壓和電流測量來對於互連線失效現象進 行量化分析了。
如圖3所示，本實施例1將16個所述銅互連線單元串接起來構成失效探 測電3各。如前所述，本發明實施例1中的互連線單元的阻值為100Qm,而由16個互連線單元串接起來構成的失效糹冢測電路的總阻值就為16*100nm = 1600Qm。其實，用多個所述互連線單元串接起來構成失效探測電路的目的也 是為了構成一個等效大電阻。因為如之前所述，當電遷移導致互連線失效的 時候，互連線兩端就會形成開路的狀態，這時候構成的等效電阻的阻值會比 之前互連線正常情況下的阻值大大增加。而由失效探測電路構成的等效大電 阻將會使得所述的阻值增加的情況更加顯著，以便於更早地發現互連線失效 的現象。
步驟s2，向失效4冢測電路輸入測試電流，並測量失效糹笨測電路兩端的電 壓來判定互連線是否失效。根據步驟sl所述，由電遷移導致的互連線失效會 使得互連線阻值大大增加，那麼通過輸入測試電流並對於失效探測電路兩端 的電壓進行測量就能夠發現由於阻值增加而帶來的電壓變化。
本發明實施例1中，向失效探測電路輸入0.5mA的測試電流Iin，那麼當 互連線未失效的時候，由於整個失效探測電路中的互連線單元都是串聯的， 因此經過各互連線單元的電流都等於測試電流，在失效4冢測電路輸入和輸出 兩端測得的電壓應該為測試電流和失效糹冢測電^各總電阻的乘積，即失效糹果測 電路兩端的電壓U = 0.5mA*1600Qm = 0.8V,將此電壓值U作為標準電壓值。 而當互連線失效的時候，互連線的阻值一般至少會增加20%,因此整個失效 探測電路將至少增加的阻值AR- 1600Qm*20% =320nm。並且，將增加的 阻值AR與輸入的測試電流Iin相乘就能獲得由於互連線失效而導致的最小電 壓增量AU- AR*Iin = 320Qm*0.5mA = 0.16V,將AU作為設定的最小偏差 值，並設定當在失效探測電路兩端測得的電壓大於U+ AU = 0.8+0.16 = 0.96V 時，就判定失效探測電路中有互連線失效。
如前所述，從理論上來說，串接的互連線單元越多，能夠測得的由於互 連線失效引起的電壓變化也越顯著。因此，串接的互連線單元的數量也可以 根據實際的被檢測晶片的規模而定，而特別是對於較大規模的晶片，通過本發明實施例1的失效探測電路就能夠快速地探測到互連線失效的情況。
步驟S3,如果所測得的電壓小於設定電壓值，則互連線未失效。根據步
驟s2所述，當在失效探測電路的兩端測得的電壓小於0.96V時，由於測試電 流是穩定的，就說明失效探測電路中沒有出現總阻值異常增加的情況，因而 失效探測電路中沒有發生互連線失效的情況。
步驟s4,如果所測得的電壓大於或等於設定電壓值時，則互連線失效。 根據步驟s2所述，當在失效探測電路的兩端測得的電壓大於或等於0.96V時， 由於測試電流是穩定的，就說明失效探測電路中出現了總阻值異常增加的情 況，並且阻值的增加量超過了 20%,因此就可以認為失效探測電路中發生了 互連線失效的情況。
實施例2，如圖3所示，本發明實施例2的互連線失效;險測方法包括如下 步驟，
步驟s10,將至少兩個以上具有相同互連線規模的互連線單元串接起來構 成失效探測電路。因為之前所述的電遷移現象只有在達到一定長度的互連線 中才能發現，因此挑選的互連線單元的規模其實是根據對於特定長度的互連 線的電遷移現象的研究需求而定的。本發明實施例2為了使敘述方便，仍採 用如圖1所示的銅互連線單元。例如，假設圖1所示的每一根長度為400微 米的銅互連線的阻值為500Qm,那麼如圖1所示的由5根銅互連線並聯構成 的最小互連線單元就相當於一個阻值為100Qm的等效電阻。而將所述互連線 單元等效成電阻就能夠根據簡單地電壓和電流測量來對於互連線失效現象進 行量化分析了。
如圖3所示，本實施例2將16個所述銅互連線單元串接起來構成失效探 測電路。如前所述，本發明實施例2中的互連線單元的阻值為100Qm,而由 16個互連線單元串接起來構成的失效探測電路的總阻值就為16*100Qm = 1600Qm。其實，用多個所述互連線單元串接起來構成失效探測電路的目的也是為了構成一個等效大電阻。因為如之前所述，當電遷移導致互連線失效的 時候，互連線兩端就會形成開路的狀態，這時候構成的等效電阻的阻值會比 之前互連線正常情況下的阻值大大增加。而由失效探測電路構成的等效大電 阻將會使得所述的阻值增加的情況更加顯著，以便於更早地發現互連線失效 的現象。
步驟s20，向失效探測電路輸入測試電流，並測量失效4笨測電路兩端的電 壓來判定互連線是否失效。根據步驟slO所述，由電遷移導致的互連線失效會 使得互連線阻值大大增加，那麼通過輸入測試電流並對於失效探測電路兩端 的電壓進行測量就能夠發現由於阻值增加而帶來的電壓變化。
本發明實施例2中，向失效探測電路輸入0.5mA的測試電流Iin，那麼當 互連線未失效的時候，由於整個失效探測電路中的互連線單元都是串聯的， 因此經過各互連線單元的電流都等於測試電流，在失效探測電路輸入和輸出 兩端測得的電壓應該為測試電流和失效探測電路總電阻的乘積，即失效探測 電路兩端的電壓U = 0.5mA*1600Qm= 0.8V，將此電壓值U作為標準電壓值。 而當互連線失效的時候，互連線的阻值一般至少會增加20%，因此整個失效 探測電路將至少增加的阻值△ R = 1600Qm*20 % = 320Qm。並且，將增加的 阻值AR與輸入的測試電流Iin相乘就能獲得由於互連線失效而導致的最小電 壓增量AU- AR*Iin = 320Qm*0.5mA = 0.16V，將AU作為設定的最小偏差 值，並設定當在失效探測電路兩端測得的電壓大於1;+ AU-0.8+0.16 = 0.96V 時，就判定失效探測電路中有互連線失效。
如前所述，從理論上來說，串接的互連線單元越多，能夠測得的由於互 連線失效引起的電壓變化也越顯著。因此，串接的互連線單元的數量也可以 根據實際的被檢測晶片的規模而定，而特別是對於較大規模的晶片，通過本 發明實施例2的失效探測電路就能夠快速地探測到互連線失效的情況。
步驟s30，如果所測得的電壓小於設定電壓值，則互連線未失效。根據步驟s20所述，當在失效探測電路的兩端測得的電壓小於0.96V時，由於測試電
流是穩定的，就說明失效探測電路中沒有出現總阻值異常增加的情況，因而 失效探測電路中沒有發生互連線失效的情況。
步驟s40,如果所測得的電壓大於或等於設定電壓值時，則互連線失效。 根據步驟s20所述，當在失效探測電路的兩端測得的電壓大於或等於0.96V時， 由於測試電流是穩定的，就說明失效探測電路中出現了總阻值異常增加的情 況，並且阻值的增加量超過了 20%,因此就可以認為失效探測電路中發生了 互連線失效的情況。
步驟s50，將出現互連線失效的失效探測電路的輸入與輸出相連構成惠斯 通電橋。如步驟s40所述，如果通過失效探測電路探測到出現了互連線失效的 情況，則將失效探測電路的輸入與輸出相連構成如圖5所示的失效定位電路。 該失效定位電路其實是一個惠斯通電橋(wheatstone bridge ),該電橋包括如圖 5所示的4個互連線單元組。圖5中所示的互連線單元組其實就是由多個所述 的最小互連線單元組合而成的。本發明實施例挑選了 16個互連線單元，那麼 每個互連線單元組就包括了 4個互連線單元。惠斯通電橋的等效電路如圖6 所示，由互連線單元組21和互連線單元組24串聯，互連線單元組23和互連 線單元組22串聯，再將所述的兩組互連線單元組並聯。
步驟s60,向惠斯通電橋輸入電流，測量惠斯通電橋的中點上的電流方向， 並根據電流方向來定位失效互連線的位置。所述由惠斯通電橋構成的失效定 位電路的工作原理如下，結合圖5和圖6所示，分別在互連線單元組21和互 連線單元組22之間取第一端點，在互連線單元組23和互連線單元組24之間 取第二端點，在第一端點和第二端點之間設置一個電流計。當互連線未失效 的情況下，當向惠斯通電橋輸入電流Isin時，由於互連線單元組21、互連線 單元組22、互連線單元組23和互連線單元組24都是由4個具有相同互連線 規模的互連線單元構成，所述的4個互連線單元組阻值相同，因此第一端點和第二端點的電壓應該是相同的，因而電流計是測不到有電流通過的。而當 互連線失效的時候，例如假設互連線單元組21失效，那麼互連線單元組21
構成的等效電阻的阻值就會增大，從而當向惠斯通電橋輸入電流Isin時，在 互連線單元組21上的電壓降就比互連線單元組23上的電壓降大，因此第一 端點的電壓就會比第二端點的電壓低，電流就會從第二端點流向第 一端點。 那麼此時，電流計上的指針就會指示電流的方向為從互連線單元組23向互連 線單元組22。當然，發現電流方向為從互連線單元組23向互連線單元組22 也可能是互連線單元組24失效，這裡只是為了敘述方便以互連線單元組21 失效為例。
因此如上所述，根據電流計上指針指示的電流方向就能夠快速地定位出 現失效互連線的互連線單元組是互連線單元組21。本發明實施例2的互連線 單元組是由4個互連線單元組成的，依照構建失效定位電路的方法，將互連 線單元組21的4個互連線單元頭尾相接，同樣構成一個惠斯通電橋，然後同 樣在電橋的兩個中點間設置電流計，向惠斯通電橋輸入電流，通過觀察電流 計上指針指示的電流方向就能夠最終定位到出現互連線失效的互連線單元 了，在找到了產生互連線失效的互連線單元之後，就能通過常規的檢測方法， 例如顯微鏡觀察的方法來找到互連線單元中的5根銅互連線中出現互連線失 效現象的銅互連線了。
因此，通過上述的定位方法，能夠對於具有較大規模的互連線結構進行 快速定位。如上所述的，通過將互連線結構首尾相接構建惠斯通電橋，測量 惠斯通電橋中心點上的電流，並根據電流計指針指示的電流方向快速定位惠 斯通電橋上阻值出現異常變化的互連線單元組的位置，並通過將互連線單元 組繼續構建惠斯通電橋，測量電流方向的方法將出現互連線失效的定位範圍 進一步縮小，這樣通過幾次快速定位就能夠最終找到出現互連線失效的互連 線單元的位置，並通過常規的檢測方法，例如顯微鏡觀察的方法找到最終出現互連線失效現象的銅互連線了。所以，本發明互連線失效檢測方法不但能 夠快速檢測到互連線失效的現象，還能夠快速定位出現失效的互連線位置。
權利要求
1.一種互連線失效檢測方法，其特徵在於，包括，將至少兩個以上具有相同互連線規模的互連線單元串接起來構成失效探測電路；向失效探測電路輸入測試電流，並測量失效探測電路兩端的電壓；如果所測得的電壓大於或等於設定電壓值時，則失效探測電路中出現互連線失效。
2. 如權利要求1所述的互連線失效檢測方法，其特徵在於，所述設定電壓值 為標準電壓值U與設定的偏差值AU之和，其中標準電壓值U是互連線未失 效時，失效:探測電if各兩端總電阻值與測試電流的乘積；偏差值AU為互連線 失效時，失效探測電路兩端增加的電阻值與測試電流的乘積。
3. 如權利要求2所述的互連線失效檢測方法，其特徵在於，所述增加的電阻 值至少為互連線未失效時失效探測電路兩端總電阻值的20 % 。
4. 一種互連線失效檢測方法，其特徵在於，包括，將至少兩個以上具有相同互連線規模的互連線單元串接起來構成失效探 測電路；向失效探測電路輸入測試電流，並測量失效探測電路兩端的電壓；如果所測得的電壓大於或等於設定電壓值時，則失效探測電路中出現互 連線失效；向惠斯通電橋輸入電流，測量惠斯通電橋的中點上的電流方向，並根據 電流方向來定位失效互連線的位置。
5. 如權利要求4所述的互連線失效檢測方法，其特徵在於，所述設定電壓值為標準電壓值U與設定的偏差值△ U之和，其中標準電壓值U是互連線未失效時，失效探測電路兩端總電阻值與測試電流的乘積；偏差值AU為互連線 失效時，失效探測電路兩端增加的電阻值與測試電流的乘積。
6. 如權利要求5所述的互連線失效檢測方法，其特徵在於，所述增加的電阻 值至少為互連線未失效時失效探測電路兩端總電阻值的20 % 。
7. 如權利要求4所述的互連線失效檢測方法，其特徵在於，所述惠斯通電橋 為由四個阻值相同的電阻或等效電阻兩兩串聯之後再並聯所構成的電阻或等 效電阻結構。
8. 如權利要求4至7任一項所述的互連線失效檢測方法，其特徵在於，所述 定位失效互連線的位置進一步包括，根據惠斯通電橋的中點上的電流方向，定位出現互連線失效的互連線單 元組的位置；將互連線單元組構成惠斯通電橋並輸入電流，根據惠斯通電橋的中點上 的電流方向，定位出現互連線失效的更小互連線少見模的互連線單元組的位置；重複上述步驟直到定位到互連線單元； 通過顯微鏡觀察互連線單元找到出現失效現象的互連線。
9. 如權利要求8所述的互連線失效;險測方法，所述互連線單元組至少包括兩 個互連線單元。
全文摘要
本發明公開了一種互連線失效檢測方法，包括，將至少兩個以上具有相同互連線規模的互連線單元串接起來構成失效探測電路；向失效探測電路輸入測試電流，並測量失效探測電路兩端的電壓；如果所測得的電壓大於或等於設定電壓值時，則失效探測電路中出現互連線失效；將出現互連線失效的失效探測電路的輸入與輸出相連構成惠斯通電橋；向惠斯通電橋輸入電流，測量惠斯通電橋的中點上的電流方向，並根據電流方向來定位失效互連線的位置。本發明互連線失效檢測方法不但能夠快速檢測到互連線失效的現象，還能夠快速定位出現失效的互連線位置。
文檔編號G01R31/02GK101295002SQ200710040250
公開日2008年10月29日 申請日期2007年4月24日 優先權日2007年4月24日
發明者王劍屏 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司