专利名称：一种芯片中局部温度控制的实现方法
技术领域：
本发明涉及芯片的可靠性测量，尤其涉及一种芯片中局部温度控制的实现方法。
背景技术：
随着超深亚微米CMOS工艺技术的不断发展，各种失效机理开始显现出来，热载流子注入效应(HCI, Hot Carrier Injection)、与时间有关的栅介质击穿(TDDB, TimeDependent Dielectric Breakdown)、金属化电迁移(EM,Electro migration)、欧姆接触孔链退化和PM0SFET负偏置温度不稳定性(NBTI,Negative Bias Temperature Instability)是超大规模集成电路中出现的主要失效机理，这些失效机理均和环境温度有关。ULSI/VLSI生产厂家为了保证所生产电路的可靠使用，均会在加速应力条件下对这些失效机理的可靠性进行评价，根据预定的失效判据，评价工艺线失效机理的可靠性水平。当芯片中存在多个器件时(不是所有的器件都在该次试验中使用)，在高温环境 条件下进行HCI、TDDB、EM和NBTI等效应的测量时，现有技术需要一个高温箱或加热平台，并对芯片整体进行加热。即增加了设备开支，而且由于是在高温环境条件下，试验过程中还会对芯片上的其它器件产生影响。对于金丝键合点来说，高温环境对金铝键合的可靠性有显著影响，用于封装级可靠性评价试验的器件(内含HCI、TDDB、EM和NBTI等效应的测试结构)，其键合引线不能采用金线键合，而只能使用铝线进行键合。但目前许多超大规模集成电路尤其是军用超大规模集成电路其内部的键合引线是金线，原因在于金线的导电导热性能好，金丝球焊的可靠性高。铜互连线的电迁移试验需要350°C左右的高温环境，对于大多数的科研和教学单位来说，高温箱能提供的环境温度为25 V _300°C，在这些单位中，最高温度可达350°C的高温箱非常少见，而且购买一台最高温度可达350°C高温箱的费用昂贵，使用过程中也会有大量的电源消耗，除了铜工艺产品生产厂家需要这么高温度的高温箱以进行产品的可靠性考核，一般的高温箱用户很少使用最高温度超过300°C的高温箱。Kiethley公司生产的4200-SCS半导体特性分析仪可进行MOS器件的HCI、TDDB,EM和PM0SFET的NBTI等效应的测量，配上开关阵列可同时对多个器件施加应力，该设备主要用于圆片级的可靠性测量。当进行高温环境条件下的HCI、TDDB, EM和PM0SFET的NBTI等效应的测量时，需要一个带有加热平台的探针台，并根据器件中PAD的排列位置制作探针卡，以实现预定的高温环境条件下各种效应的退化试验。Agilent公司生产的HP4155A及以上系列的半导体参数测量仪等设备均可进行MOS器件的HCI、TDDB、EM和PM0SFET的NBTI等效应的测量。该设备可用于圆片级和封装级的可靠性测量，配上开关阵列可同时对多个器件施加应力。由于设备中没有恒温装置，当进行高温环境条件下的HCI、TDDB、EM和NBTI效应的测量时，需要根据器件的封装尺寸制作高温PCB版，并需要一台高精度的高温箱控制环境温度，以实现预定的高温环境条件下HCI、TDDB, EM和NBTI等效应的退化试验。泰瑞达(Qualitau)公司的MIRA 可靠性测量模块。MIRA (Modular IntegratedReliability Analyzer,集成的可靠性分析模块)是可靠性测量的专业设备，配置有高温箱，所测器件置于高温箱中，高温箱最高温度可达350°C。由于设备自带高温箱，MIRA可进行高温环境下互连线的EM、接触孔的EM、互连线的SM(Stress Migration,应力迁移)、SILC(Stress Induce Leakage Current,应力引起的漏电流)、ILD(Inter LayerDielectric breakdown test,层间介质击穿测量)、TDDB、HCI、NBTI、交流HCI和双极器件的HCI效应的可靠性测量，主机柜可同时进行四种效应的可靠性测量。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种芯片中局部温度控制的实现方法，在不使用高温箱的条件下，解决HCI、TDDB、EM和NBTI等效应测量过程中器件的局部温度控制，使得失效机理的可靠性评价在恒定的温度环境下开展。为了实现上述目的，本发明的技术方案为一种芯片中局部温度控制的实现方法，利用多晶加热板、测温电阻以及电连接线形成测试结构，测温电阻铺在铺在多晶加热板上并通过热传导的方式感受多晶加热板产生的温度场，被测器件放置于多晶加热板的中心，电连接线分别与多晶加热板、被测器件电连接，使电流流过多晶加热板时产生的焦耳热抬 升位于中心的被测器件温度，当达到热平衡后，根据测温电阻的电阻值变化量来确定温度值。进一步地，设置四个PAD与测温电阻相连接，利用四线法测量提高电阻值的测量精度。进一步地，通过电阻值的变化量除以温度系数得到温度的变化值。优选地，所述多晶加热板的长度为250 u m,宽为50 i! m，中间开孔的尺寸为20 u m，宽为 17. 5 u mo优选地，所述测温电阻的宽度为2 U m,长度为800 U m,并采用折线方式减少占用的芯片面积。进一步地，所述电连接线与多晶加热板连接的两端分别放置200个接触孔以实现良好的电连接。进一步地，温度值的控制、测温电阻值的大小与温度的关系如下式R(Ttest) = R(Tref) [1+TCR (Tref) X (Ttest-Tref)]式中，Ttest是电流作用下要求达到的测试线温度，单位为摄氏度，R(Ttest)则是该温度下的电阻值。TCR(Tref)是温度系数，单位为TTSR(Tm)是室温下的电阻值，单位为欧姆，而TMf是测试前的室温，单位为摄氏度。优选地，当进行封装级器件的可靠性评价时，被测器件的键合引线用金丝球焊的方式形成以提高测量过程中的可靠性。与现有技术相比，在不使用高温箱的条件下，解决HCI、TDDB、EM和NBTI等效应测量过程中器件的局部温度控制，使得失效机理的可靠性评价在恒定的温度环境下开展，通过模型参数的提取，评价超大规模集成电路单一失效机理的可靠性水平。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。图I是本发明带有多晶加热板的测试结构示意图。
图2是多晶板的局部放大图。图3是电流与温度变化的关系曲线图。图4是器件I-V特性与环境温度的对应关系图。图5是器件跨导特性与环境温度的对应关系图。图6是器件阈值特性与环境温度的对应关系图。图7是器件线性区漏极电流与环境温度的对应关系图。图8是器件跨导与环境温度的对应关系图。图9是器件阀值电压与环境温度的对应关系图。
具体实施方式
请参阅图I和图2，在本实施例中，多晶加热板I、测温电阻2以及电连接线3形成具有微区温度控制的可靠性测试结构。多晶加热板I的作用是在电流作用下，通过产生的焦耳热形成一个温度场，这个温度场随电流的变化而变化，可以通过改变电流值的大小而达到预定的温度值。多晶加热板的设计长度为250iim，宽为50 iim，中间开孔的尺寸为20 ym，宽为17. 5 ym，以便在多晶加热板的中间形成一个稳定的温度场，同时又保证与中间的器件有足够的间隔，以保证测量过程的可靠性。测温电阻2的作用是形成一定阻值的电阻，以进行多晶加热板形成的温度值的探测，因此测温电阻2的宽度仅为2 ym，而长度为800 y m，采用了折线方式以减少占用的芯片面积，测温电阻直接铺在多晶加热板上，通过热传导的方式感受多晶上产生的温度场，当达到热平衡后，其温度值可从测温电阻的电阻值的变化量来确定；为了提高电阻值的测量精度设计了四个PAD与金属3电阻相连接而进行四线法测量。被测器件系需要被加温的器件，位于多晶板的中心，该器件可以是电阻、电容和MOS管。电连接线3的作用是提供电连接，既给被测器件提供电连接，也给多晶板提供电连接，电连接线与多晶板连接的两端分别放置了 200个接触孔以实现良好的电连接。请参阅图3，设计文件提供的多晶的方块电阻值是3. 0 Q / □，金属3的方块电阻值是60m Q/口。经测量，多晶的电阻值是12. 84Q，而多晶上金属3的电阻值则是21. 4Q，测量值与设计文件相符合，测量时的环境温度是25°C。设计文件给出的金属条的温度系数是0.0035/°C . Q，根据金属条电阻值随温度的变化关系，可计算出不同电流条件下金属3中的温度值。表I是多晶加热板中的电流与测温电阻值的变化关系，随着电流的增大电阻值相应增大。表2则是定出环境温度、对应的电阻值及加热电流的对应关系,表3则是新加坡特许半导体有限公司0. 35 ii m CMOS工艺器件参数随温度的变化值。表I^金属3的电阻值I 电流值金属3的电阻值
(mA )( Q)( mA )( Q)
Q21.6— 10523.38
—10 —21.7— 11023.542021. 9412023. 923022 013024. 2840 —22. 08140— 24. 76
—50 —22.24— 15025.26
—60 —22. 30— 16025. 80
—70 —22.52— 17026.6
—80 —22.76— 18027.38 " 90 —22.84一 19028.28
IQQ —23.22一 20029.28注环境温度是25DC表 2
环境温度I金属3的电阻值I对应的电流值
r n (0C)(Q)(mA)25^21. 600
35QCI22. 56 I54
45QCI23.32 I83
55°C24.08103
65QC24.85118
15°C.25. 6113085QC26.37~141
95QC.27.14152
1Q5QC27. 90161
115QC28.66168
125QC—29.43172表 3
环境温度 ^阈值电压^^ 漏极电流
(qC)__MO__UisJ__(^iA)
一 25°C —613. 7—147. 36134. Q
一 35QC —610.1—144.81130.6
一 45QC —603.2—139.48126.0
一 55°C —594.8—134.38122.465QC585. Q~ 129. 05一 118. Q一 15°C —572.9—124.03114.9一 85QC —561. I—119.01110.1一 95°C —553. 4—113. 82105.2一 1Q5QC —539. 3—108. 86102.8一 115QC —533. 8—104. 2598.67
125QC I521.57I 99. 25| 96.17请参阅图4至图9，所测器件是0.35u m CMOS工艺器件，宽长比为10 1，从图中可见，随着环境温度的上升，所测参数均呈下降趋势，测量的环境温度均由多晶加热提供。表4是高温环境条件下器件阈值电压变化值与设计文件的对比值。从测量结果可知，阈值电压的下限值有所超标，但总的变化范围均没有超过lOOmV。表4125°C的环境条件下0. 35 U m器件参数的变化
权利要求
1.一种芯片中局部温度控制的实现方法，其特征在于，利用多晶加热板、测温电阻以及电连接线形成测试结构，测温电阻铺在铺在多晶加热板上并通过热传导的方式感受多晶加热板产生的温度场，被测器件放置于多晶加热板的中心，电连接线分别与多晶加热板、被测器件电连接，使电流流过多晶加热板时产生的焦耳热抬升位于中心的被测器件温度，当达到热平衡后，根据测温电阻的电阻值变化量来确定温度值。
2.根据权利要求I所述的芯片中局部温度控制的实现方法，其特征在于，设置四个PAD与测温电阻相连接，利用四线法测量提高电阻值的测量精度。
3.根据权利要求I所述的芯片中局部温度控制的实现方法，其特征在于，通过电阻值的变化量除以温度系数得到温度的变化值。
4.根据权利要求I所述的芯片中局部温度控制的实现方法，其特征在于，所述多晶加热板的长度为250iim，宽为50 iim，中间开孔的尺寸为20iim，宽为17. 5iim。
5.根据权利要求I所述的芯片中局部温度控制的实现方法，其特征在于，所述测温电阻的宽度为2 u m,长度为800 u m,并采用折线方式减少占用的芯片面积。
6.根据权利要求I所述的芯片中局部温度控制的实现方法，其特征在于，所述电连接线与多晶加热板连接的两端分别放置200个接触孔以实现良好的电连接。
7.根据权利要求I所述的芯片中局部温度控制的实现方法，其特征在于，温度值的控制、测温电阻值的大小与温度的关系如下式 R(Ttest) = R(Tref) [I+TCR(Tref) X (Ttest-Tref)]式中，Ttest 是电流作用下要求达到的测试线温度，单位为摄氏度，ROtest)则是该温度下的电阻值。TCRU是温度系数，单位为tT1，R(Tref)是室温下的电阻值，单位为欧姆，而Tref是测试前的室温，单位为摄氏度。
8.根据权利要求I所述的芯片中局部温度控制的实现方法，其特征在于，当进行封装级器件的可靠性评价时，被测器件的键合引线用金丝球焊的方式形成以提高测量过程中的可靠性。
全文摘要
本发明公开了一种芯片中局部温度控制的实现方法，利用多晶加热板、测温电阻以及电连接线形成测试结构，测温电阻铺在铺在多晶加热板上并通过热传导的方式感受多晶加热板产生的温度场，被测器件放置于多晶加热板的中心，电连接线分别与多晶加热板、被测器件电连接，使电流流过多晶加热板时产生的焦耳热抬升位于中心的被测器件温度，当达到热平衡后，根据测温电阻的电阻值变化量来确定温度值。
文档编号G05D23/20GK102819278SQ20111015388
公开日2012年12月12日 申请日期2011年6月9日 优先权日2011年6月9日
发明者章晓文 申请人:工业和信息化部电子第五研究所