专利名称：互连线失效检测方法
技术领域：
本发明涉及一种互连线失效检测方法。
背景技术：
多层互连技术业已成为大规模集成电路和特大规模集成电路制备工艺的
重要组成部分。当前高性能的特大规模集成电路已具有多达7-8层的铜互连 线。因此，寻求较低电阻率的金属互连材料和较低介电常数的绝缘材料已成 为深亚微米和纳米器件的 一 大研究方向。
当前，多层互连中采用低k介质，即介电常数较低(k<3.2)的材料来取 代传统的二氧化硅(Si02)作为层间绝缘。低k介质的材料可在不降低布线密 度的条件下，有效地减小互连电容值，使芯片工作速度加快、功耗降低。目 前最有前途和有可能应用的低k介质是①新型的掺碳氧化物，可提高芯片 内信号传输速度并降低功耗，该氧化物通过简单的双层堆叠来设置，易于制 作；②硅低k绝缘介质， 一种旋转涂敷聚合物；③多孔硅低k绝缘介质；④黑 金刚石， 一种无机和有机的混合物；⑤超薄氟化氮化物，该超薄氟化氮化物 加上由有机层构成的隔离薄膜，使得铜扩散减少一个数量级或更多，从而增 强多层互连芯片工作的可靠性。
而金属互连线选用铜或铝两种材料，目前大多数公司都使用铜作为互连 线，因为铜有比铝低的电阻率(铜的电阻率为1.69uQ -cm,铝的电阻率为2.62 uQ .cm)和较高的抗电迁移性，故铜被普遍认为是深亚微米和纳米集成电路 多层互连线的一种首选材料。然而，随着集成电路器件的最小特征尺寸的越 来越小，电迁移引起的可靠性问题也逐渐成为了影响芯片性能的一个重要因 素。电迁移程度加剧就可能造成互连线开路，现在一般都是利用BLACK方程M7TF = ^exp(^^X/—"来研究互连线的电迁移现象，其中MTTF表示电迁移
允r
导致互连线失效所需时间的中间值，A是由金属层本身特性决定的系数，Ea 为激活能，k为波尔兹曼常数，T为温度，j为测试电流密度，n为拟和系数，这 种方法也被称为是加速寿命试验方法。但是一旦互连线出现了早期失效的现 象(early fail),即位于同一个互连线单元中的互连线在极短时间内全部失效 的现象，现有的BLACK方程是无法根据这种现象来对于互连线的电迁移作出 准确分析的。早期失效现象的过程描述如下，图l所示为一个铜互连线的单元， 当由于电迁移的加剧导致其中的一条互连线开路时，其他四条互连线上将会 有更大的电流通过， 一般可能会增加到原来电流强度的125%，因此其他四条 互连线也将会在极短的时间内失效。因此，寻找一种可以发现互连线早期失 效现象的方法对于解决互连线早期失效现象以及研究互连线电迁移现象都显 得很重要。然而现有的方法都是通过^r测每一根互连线的电阻来发现失效互 连线的，这样的方法对于互连线规模较大的芯片来说显然速度太慢，不能满 足检测的要求。
发明内容
本发明要解决的问题是现有技术发现互连线早期失效现象的速度太慢， 不能满足检测的要求。
为解决上述问题，本发明提供一种互连线失效检测方法，包括，
将至少两个以上具有相同互连线规模的互连线单元串接起来构成失效探 测电^各；
向失效探测电路输入测试电流，并测量失效探测电路两端的电压；
如果所测得的电压大于或等于设定电压值时，则失效探测电路中出现互 连线失效。本发明还提供了另外一种互连线失效检测方法，包括，
将至少两个以上具有相同互连线规模的互连线单元串接起来构成失效探
测电^各；
向失效探测电路输入测试电流，并测量失效探测电路两端的电压；
如果所测得的电压大于或等于设定电压值时，则失效探测电路中出现互 连线失效；
将出现互连线失效的失效探测电路的输入与输出相连构成惠斯通电桥；
向惠斯通电桥输入电流，测量惠斯通电桥的中点上的电流方向，并根据 电流方向来定位失效互连线的位置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
1. 本发明互连线失效检测方法通过将互连线单元串接构成失效探测电 路，并通过测量失效探测电路两端的电压来快速发现互连线单元的失 效现象。
2. 本发明另 一种互连线失效检测方法还通过将失效4果测电路的输入与 输出相连构成惠斯通电桥，通过向惠斯通电桥输入电流，并测量惠斯 通电桥的中点上的电流方向来快速定位失效互连线单元的位置，因此 本发明互连线失效检测方法检测效率较高，并且能够准确定位失效互 连线的位置。
图l是现有^t支术铜互连线单元结构示意图2是本发明实施例1互连线失效检测方法流程图3是本发明实施例2互连线失效4企测方法流程图；图4是本发明实施例1和本发明实施例2失效探测电路示意图 图5是本发明实施例2失效定位电路示意图； 图6是本发明实施例2失效定位电路等效电路示意图。
具体实施例方式
通过测量失效探测电路两端的电压来发现互连线单元的失效现象，并通过将 失效探测电路的输入与输出相连构成惠斯通电桥，通过向惠斯通电桥输入电 流，并测量惠斯通电桥的中点上的电流，并根据电流方向来定位失效互连线 的位置。
本发明以两个具体的实施例来对于本发明的失效才企测方法进行详细说明。
实施例1，如图2所示，本发明实施例1的互连线失效;险测方法包括如下 步骤，
步骤sl，将至少两个以上具有相同互连线M^莫的互连线单元串接起来构 成失效探测电路。因为之前所述的电迁移现象只有在达到一定长度的互连线 中才能发现，因此挑选的互连线单元的规模其实是根据对于特定长度的互连 线的电迁移现象的研究需求而定的。本发明实施例1为了使叙述方便，仍采 用如图1所示的铜互连线单元。例如，假设图1所示的每一根长度为400微 米的铜互连线的阻值为500Qm,那么如图1所示的由5才艮铜互连线并联构成 的最小互连线单元就相当于一个阻值为100Qm的等效电阻。而将所述互连线 单元等效成电阻就能够根据简单地电压和电流测量来对于互连线失效现象进 行量化分析了。
如图3所示，本实施例1将16个所述铜互连线单元串接起来构成失效探 测电3各。如前所述，本发明实施例1中的互连线单元的阻值为100Qm,而由16个互连线单元串接起来构成的失效纟冢测电路的总阻值就为16*100nm = 1600Qm。其实，用多个所述互连线单元串接起来构成失效探测电路的目的也 是为了构成一个等效大电阻。因为如之前所述，当电迁移导致互连线失效的 时候，互连线两端就会形成开路的状态，这时候构成的等效电阻的阻值会比 之前互连线正常情况下的阻值大大增加。而由失效探测电路构成的等效大电 阻将会使得所述的阻值增加的情况更加显著，以便于更早地发现互连线失效 的现象。
步骤s2，向失效4冢测电路输入测试电流，并测量失效纟笨测电路两端的电 压来判定互连线是否失效。根据步骤sl所述，由电迁移导致的互连线失效会 使得互连线阻值大大增加，那么通过输入测试电流并对于失效探测电路两端 的电压进行测量就能够发现由于阻值增加而带来的电压变化。
本发明实施例1中，向失效探测电路输入0.5mA的测试电流Iin，那么当 互连线未失效的时候，由于整个失效探测电路中的互连线单元都是串联的， 因此经过各互连线单元的电流都等于测试电流，在失效4冢测电路输入和输出 两端测得的电压应该为测试电流和失效纟冢测电^各总电阻的乘积，即失效纟果测 电路两端的电压U = 0.5mA*1600Qm = 0.8V,将此电压值U作为标准电压值。 而当互连线失效的时候，互连线的阻值一般至少会增加20%,因此整个失效 探测电路将至少增加的阻值AR- 1600Qm*20% =320nm。并且，将增加的 阻值AR与输入的测试电流Iin相乘就能获得由于互连线失效而导致的最小电 压增量AU- AR*Iin = 320Qm*0.5mA = 0.16V,将AU作为设定的最小偏差 值，并设定当在失效探测电路两端测得的电压大于U+ AU = 0.8+0.16 = 0.96V 时，就判定失效探测电路中有互连线失效。
如前所述，从理论上来说，串接的互连线单元越多，能够测得的由于互 连线失效引起的电压变化也越显著。因此，串接的互连线单元的数量也可以 根据实际的被检测芯片的规模而定，而特别是对于较大规模的芯片，通过本发明实施例1的失效探测电路就能够快速地探测到互连线失效的情况。
步骤S3,如果所测得的电压小于设定电压值，则互连线未失效。根据步
骤s2所述，当在失效探测电路的两端测得的电压小于0.96V时，由于测试电 流是稳定的，就说明失效探测电路中没有出现总阻值异常增加的情况，因而 失效探测电路中没有发生互连线失效的情况。
步骤s4,如果所测得的电压大于或等于设定电压值时，则互连线失效。 根据步骤s2所述，当在失效探测电路的两端测得的电压大于或等于0.96V时， 由于测试电流是稳定的，就说明失效探测电路中出现了总阻值异常增加的情 况，并且阻值的增加量超过了 20%,因此就可以认为失效探测电路中发生了 互连线失效的情况。
实施例2，如图3所示，本发明实施例2的互连线失效;险测方法包括如下 步骤，
步骤s10,将至少两个以上具有相同互连线规模的互连线单元串接起来构 成失效探测电路。因为之前所述的电迁移现象只有在达到一定长度的互连线 中才能发现，因此挑选的互连线单元的规模其实是根据对于特定长度的互连 线的电迁移现象的研究需求而定的。本发明实施例2为了使叙述方便，仍采 用如图1所示的铜互连线单元。例如，假设图1所示的每一根长度为400微 米的铜互连线的阻值为500Qm,那么如图1所示的由5根铜互连线并联构成 的最小互连线单元就相当于一个阻值为100Qm的等效电阻。而将所述互连线 单元等效成电阻就能够根据简单地电压和电流测量来对于互连线失效现象进 行量化分析了。
如图3所示，本实施例2将16个所述铜互连线单元串接起来构成失效探 测电路。如前所述，本发明实施例2中的互连线单元的阻值为100Qm,而由 16个互连线单元串接起来构成的失效探测电路的总阻值就为16*100Qm = 1600Qm。其实，用多个所述互连线单元串接起来构成失效探测电路的目的也是为了构成一个等效大电阻。因为如之前所述，当电迁移导致互连线失效的 时候，互连线两端就会形成开路的状态，这时候构成的等效电阻的阻值会比 之前互连线正常情况下的阻值大大增加。而由失效探测电路构成的等效大电 阻将会使得所述的阻值增加的情况更加显著，以便于更早地发现互连线失效 的现象。
步骤s20，向失效探测电路输入测试电流，并测量失效4笨测电路两端的电 压来判定互连线是否失效。根据步骤slO所述，由电迁移导致的互连线失效会 使得互连线阻值大大增加，那么通过输入测试电流并对于失效探测电路两端 的电压进行测量就能够发现由于阻值增加而带来的电压变化。
本发明实施例2中，向失效探测电路输入0.5mA的测试电流Iin，那么当 互连线未失效的时候，由于整个失效探测电路中的互连线单元都是串联的， 因此经过各互连线单元的电流都等于测试电流，在失效探测电路输入和输出 两端测得的电压应该为测试电流和失效探测电路总电阻的乘积，即失效探测 电路两端的电压U = 0.5mA*1600Qm= 0.8V，将此电压值U作为标准电压值。 而当互连线失效的时候，互连线的阻值一般至少会增加20%，因此整个失效 探测电路将至少增加的阻值△ R = 1600Qm*20 % = 320Qm。并且，将增加的 阻值AR与输入的测试电流Iin相乘就能获得由于互连线失效而导致的最小电 压增量AU- AR*Iin = 320Qm*0.5mA = 0.16V，将AU作为设定的最小偏差 值，并设定当在失效探测电路两端测得的电压大于1;+ AU-0.8+0.16 = 0.96V 时，就判定失效探测电路中有互连线失效。
如前所述，从理论上来说，串接的互连线单元越多，能够测得的由于互 连线失效引起的电压变化也越显著。因此，串接的互连线单元的数量也可以 根据实际的被检测芯片的规模而定，而特别是对于较大规模的芯片，通过本 发明实施例2的失效探测电路就能够快速地探测到互连线失效的情况。
步骤s30，如果所测得的电压小于设定电压值，则互连线未失效。根据步骤s20所述，当在失效探测电路的两端测得的电压小于0.96V时，由于测试电
流是稳定的，就说明失效探测电路中没有出现总阻值异常增加的情况，因而 失效探测电路中没有发生互连线失效的情况。
步骤s40,如果所测得的电压大于或等于设定电压值时，则互连线失效。 根据步骤s20所述，当在失效探测电路的两端测得的电压大于或等于0.96V时， 由于测试电流是稳定的，就说明失效探测电路中出现了总阻值异常增加的情 况，并且阻值的增加量超过了 20%,因此就可以认为失效探测电路中发生了 互连线失效的情况。
步骤s50，将出现互连线失效的失效探测电路的输入与输出相连构成惠斯 通电桥。如步骤s40所述，如果通过失效探测电路探测到出现了互连线失效的 情况，则将失效探测电路的输入与输出相连构成如图5所示的失效定位电路。 该失效定位电路其实是一个惠斯通电桥(wheatstone bridge ),该电桥包括如图 5所示的4个互连线单元组。图5中所示的互连线单元组其实就是由多个所述 的最小互连线单元组合而成的。本发明实施例挑选了 16个互连线单元，那么 每个互连线单元组就包括了 4个互连线单元。惠斯通电桥的等效电路如图6 所示，由互连线单元组21和互连线单元组24串联，互连线单元组23和互连 线单元组22串联，再将所述的两组互连线单元组并联。
步骤s60,向惠斯通电桥输入电流，测量惠斯通电桥的中点上的电流方向， 并根据电流方向来定位失效互连线的位置。所述由惠斯通电桥构成的失效定 位电路的工作原理如下，结合图5和图6所示，分别在互连线单元组21和互 连线单元组22之间取第一端点，在互连线单元组23和互连线单元组24之间 取第二端点，在第一端点和第二端点之间设置一个电流计。当互连线未失效 的情况下，当向惠斯通电桥输入电流Isin时，由于互连线单元组21、互连线 单元组22、互连线单元组23和互连线单元组24都是由4个具有相同互连线 规模的互连线单元构成，所述的4个互连线单元组阻值相同，因此第一端点和第二端点的电压应该是相同的，因而电流计是测不到有电流通过的。而当 互连线失效的时候，例如假设互连线单元組21失效，那么互连线单元组21
构成的等效电阻的阻值就会增大，从而当向惠斯通电桥输入电流Isin时，在 互连线单元组21上的电压降就比互连线单元组23上的电压降大，因此第一 端点的电压就会比第二端点的电压低，电流就会从第二端点流向第 一端点。 那么此时，电流计上的指针就会指示电流的方向为从互连线单元组23向互连 线单元组22。当然，发现电流方向为从互连线单元组23向互连线单元组22 也可能是互连线单元组24失效，这里只是为了叙述方便以互连线单元组21 失效为例。
因此如上所述，根据电流计上指针指示的电流方向就能够快速地定位出 现失效互连线的互连线单元组是互连线单元组21。本发明实施例2的互连线 单元组是由4个互连线单元组成的，依照构建失效定位电路的方法，将互连 线单元组21的4个互连线单元头尾相接，同样构成一个惠斯通电桥，然后同 样在电桥的两个中点间设置电流计，向惠斯通电桥输入电流，通过观察电流 计上指针指示的电流方向就能够最终定位到出现互连线失效的互连线单元 了，在找到了产生互连线失效的互连线单元之后，就能通过常规的检测方法， 例如显微镜观察的方法来找到互连线单元中的5根铜互连线中出现互连线失 效现象的铜互连线了。
因此，通过上述的定位方法，能够对于具有较大规模的互连线结构进行 快速定位。如上所述的，通过将互连线结构首尾相接构建惠斯通电桥，测量 惠斯通电桥中心点上的电流，并根据电流计指针指示的电流方向快速定位惠 斯通电桥上阻值出现异常变化的互连线单元组的位置，并通过将互连线单元 组继续构建惠斯通电桥，测量电流方向的方法将出现互连线失效的定位范围 进一步缩小，这样通过几次快速定位就能够最终找到出现互连线失效的互连 线单元的位置，并通过常规的检测方法，例如显微镜观察的方法找到最终出现互连线失效现象的铜互连线了。所以，本发明互连线失效检测方法不但能 够快速检测到互连线失效的现象，还能够快速定位出现失效的互连线位置。
权利要求
1.一种互连线失效检测方法，其特征在于，包括，将至少两个以上具有相同互连线规模的互连线单元串接起来构成失效探测电路；向失效探测电路输入测试电流，并测量失效探测电路两端的电压；如果所测得的电压大于或等于设定电压值时，则失效探测电路中出现互连线失效。
2. 如权利要求1所述的互连线失效检测方法，其特征在于，所述设定电压值 为标准电压值U与设定的偏差值AU之和，其中标准电压值U是互连线未失 效时，失效:探测电if各两端总电阻值与测试电流的乘积；偏差值AU为互连线 失效时，失效探测电路两端增加的电阻值与测试电流的乘积。
3. 如权利要求2所述的互连线失效检测方法，其特征在于，所述增加的电阻 值至少为互连线未失效时失效探测电路两端总电阻值的20 % 。
4. 一种互连线失效检测方法，其特征在于，包括，将至少两个以上具有相同互连线规模的互连线单元串接起来构成失效探 测电路；向失效探测电路输入测试电流，并测量失效探测电路两端的电压；如果所测得的电压大于或等于设定电压值时，则失效探测电路中出现互 连线失效；向惠斯通电桥输入电流，测量惠斯通电桥的中点上的电流方向，并根据 电流方向来定位失效互连线的位置。
5. 如权利要求4所述的互连线失效检测方法，其特征在于，所述设定电压值为标准电压值U与设定的偏差值△ U之和，其中标准电压值U是互连线未失效时，失效探测电路两端总电阻值与测试电流的乘积；偏差值AU为互连线 失效时，失效探测电路两端增加的电阻值与测试电流的乘积。
6. 如权利要求5所述的互连线失效检测方法，其特征在于，所述增加的电阻 值至少为互连线未失效时失效探测电路两端总电阻值的20 % 。
7. 如权利要求4所述的互连线失效检测方法，其特征在于，所述惠斯通电桥 为由四个阻值相同的电阻或等效电阻两两串联之后再并联所构成的电阻或等 效电阻结构。
8. 如权利要求4至7任一项所述的互连线失效检测方法，其特征在于，所述 定位失效互连线的位置进一步包括，根据惠斯通电桥的中点上的电流方向，定位出现互连线失效的互连线单 元组的位置；将互连线单元组构成惠斯通电桥并输入电流，根据惠斯通电桥的中点上 的电流方向，定位出现互连线失效的更小互连线少见模的互连线单元组的位置；重复上述步骤直到定位到互连线单元； 通过显微镜观察互连线单元找到出现失效现象的互连线。
9. 如权利要求8所述的互连线失效;险测方法，所述互连线单元组至少包括两 个互连线单元。
全文摘要
本发明公开了一种互连线失效检测方法，包括，将至少两个以上具有相同互连线规模的互连线单元串接起来构成失效探测电路；向失效探测电路输入测试电流，并测量失效探测电路两端的电压；如果所测得的电压大于或等于设定电压值时，则失效探测电路中出现互连线失效；将出现互连线失效的失效探测电路的输入与输出相连构成惠斯通电桥；向惠斯通电桥输入电流，测量惠斯通电桥的中点上的电流方向，并根据电流方向来定位失效互连线的位置。本发明互连线失效检测方法不但能够快速检测到互连线失效的现象，还能够快速定位出现失效的互连线位置。
文档编号G01R31/02GK101295002SQ200710040250
公开日2008年10月29日 申请日期2007年4月24日 优先权日2007年4月24日
发明者王剑屏 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司