一种电迁移测试结构的制作方法

本实用新型涉及半导体器件测试领域，特别是涉及一种电迁移测试结构。

背景技术：

电迁移EM(electromigration)是微电子器件中主要的失效机理之一，电迁移造成金属化的开路和短路，使器件漏电流增加。电迁移发生时，一个运动电子的部分动量转移到邻近的激活离子，这会导致该离子离开它的原始位置。随着时间推移，这种力量会引起庞大数量的原子远离它们的原始位置。电迁移会导致导体(尤其是狭窄的导线)中出现断裂(break)或缺口(gap)阻止电的流动，这种缺陷被称为空洞(void)或内部失效(internal failure)，即开路。电迁移还会导致一个导体中的原子堆积(pile up)并向邻近导体漂移(drift)形成意料之外的电连接，这种缺陷被称为突起失效(hillock failure)或晶须失效(whisker failure)，即短路。上述两类缺陷都会引起芯片失效。在器件向亚微米、深亚微米发展后，金属线的宽度不断减小，电流密度不断增加，更易于因电迁移而失效。因此，随着工艺的进步，需要有效的测试结构来评估器件的抗电迁移能力。

现有的电迁移测试结构主要有Upstream结构和downstream结构。Upstream结构也就是上游结构，如在图1a所示，测试结构也为对称结构且被测试金属110(第二层金属导线M2)两端均存在金属连接孔121，具体地，第一层金属导线M1通过金属连接孔121连接至第二层金属导线M2。即测试时，在第一层金属导线的测试端111和测试端112施加电流，通过检测端111和检测端112之间的电阻可以测得被测试金属110(第二层金属导线M2)的电迁移。

与Upstream结构对应的还有Downstream结构，即下游结构，顾名思义，Downstream结构的电流流向就是从上层线到下层线再回到上层线的一个通路，如图1b所示，测试结构为对称结构且被测试金属110(第二层金属导线M2)两端均存在金属连接孔122，具体地，第二层金属导线M2通过金属连接孔122连接至第三层金属导线M3。测试时，在第三层金属导线测试端131和测试端132施加电流，电子e^-产生移动，其运动方向如图中箭头方向所示，其中，当测试结构施加的电流极性相反时，则电子e^-运动方向相反(未图示)。不过，该测试结构中电子e^-运动方向并不影响被测试金属的电迁移。通过检测测试端131和测试端132之间的电阻可以测得被测试金属的电迁移。

由于集成电路的特征尺寸越来越小，在28nm后道工艺(BEOL)中，采用金属硬掩模层(metal hard mask,MHM)进行一体化(all-in-one,AIO)刻蚀已经成为一种标准工艺。因为AIO一体化刻蚀相比原来的via 1st trench last工艺，具有更好RC和可靠性。然而，如图2a和2b所示，在AIO一体化刻蚀过程中，如果上层金属(Mx+1)宽度远大于下层金属(Mx)宽度，那么通孔需要扩大，这就导致了一种新型的失效机理。这种新型的失效机理就是在利用化学湿法刻蚀开孔过程中，容易在金属线的边缘处形成Cu/barrier的界面损害，进而沿着金属线边缘将形成一条快速扩散路径。电子e^-通过该路径快速迁移，将导致导体(尤其是狭窄的金属线)中出现断裂(break)或缺口(gap)阻止电的流动，这种缺陷被称为空洞(void)或内部失效(internal failure)，即开路。

然而，现有技术中的downstream结构的电迁移测试(图1b)无法真实的测出上述待测结构的电迁移。因此，如何提供一种新的电迁移测试结构，能准确评估电迁移是否受到上层通孔的影响，从而保证电迁移失效分析的准确性，已成为本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种电迁移测试结构，用于解决现有技术中无法准确评估电迁移是否受到上层通孔的影响，从而无法保证电迁移失效分析的准确性的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种电迁移测试结构包括：

第一待测金属，所述第一待测金属的两端通过下层通孔连接至第一下层金属的第一下层测试端以及第三下层金属的第三下层测试端，所述第一待测金属通过多个上层通孔连接至上层金属的测试端；第二待测金属，所述第二待测金属的两端通过下层通孔连接至第二下层金属的第二下层测试端以及第三下层金属的第三下层测试端。

优选地，与各上层通孔连接的上层金属的宽度均大于等于两倍所述上层通孔的直径。

优选地，与各下层通孔连接的下层金属的宽度均大于等于两倍所述第一待测金属的宽度。

优选地，上层金属的测试端包括第一上层测试端、第二上层测试端、第三上层测试端以及第四上层测试端。

优选地，第一上层测试端和第二上层测试端的两端，第一上层测试端和第三上层测试端的两端连接用于测量漏电流的设备。

优选地，上层通孔包括均匀分布的第一上层通孔、第二上层通孔、第三上层通孔以及第四上层通孔，其中，所述第一上层通孔和第四上层通孔位于第一待测金属的两端。

优选地，第一上层通孔以及第四上层通孔位分别与第一下层通孔以及第二下层通孔连接。

优选地，上层通孔以及下层通孔的直径均相同。

优选地，第一下层测试端连接正极以及第二下层测试端连接负极。

优选地，第三下层测试端连接正极以及第一下层测试端连接负极，第三层测试端连接正极以及第二下层测试端连接负极。

如上所述，本实用新型的电迁移测试结构，具有以下有益效果：

本实用新型提供的电迁移测试结构，具有通过若干上层通孔结构与第一待测金属连接的虚拟上层金属，以增强上层通孔结构对电迁移失效的影响，从而能准确评估电迁移失效是否受到上层通孔的影响，从而保证电迁移失效分析的准确性。

本实用新型提供的电迁移测试结构，还具有作为第一待测金属对照结构的第二待测金属，在于通过第一待测金属和第二待测金属的对比，消除无关变量对实验结果的影响，增强测试结果的准确度。

附图说明

图1a显示为本实用新型(现有技术中)的电迁移测试结构测试下行情况的示意图。

图1b显示为本实用新型(现有技术中)的电迁移测试结构测试上行情况的示意图。

图2a显示为本实用新型(现有技术中)的一种电迁移失效原理的示意图。

图2b显示为本实用新型(现有技术中)的一种电迁移失效原理的示意图。

图3显示为本实用新型的一种电迁移测试结构的示意图。

图4显示为本实用新型的一种电迁移测试结构测试情况的示意图。

图5a显示为本实用新型的一种电迁移测试结构测试情况的示意图。

图5b显示为本实用新型的一种电迁移测试结构测试情况的示意图。

图6显示为本实用新型的一种电迁移测试结构测试情况的示意图。

元件标号说明

110 测试金属

M1,M2,M3 金属导线

111～112,131～132 测试端

121,122 金属连接孔

11a,11b 待测金属

12a,12b,12c,12d 上层通孔

13a,13b,13c,13d 上层金属

14a,14b,14c,14d 下层通孔

15a,15b,15c 下层金属

D1,D2,D3,D4 上层测试端

T1,T2,T3 下层测试端

S1～S5 步骤

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅图3至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

实施例一

如图3所示，本实用新型提供一种电迁移测试结构包括：待测金属，所述待测金属包括第一待测金属11a和第二待测金属11b。本实施例中，第二待测金属11b作为第一待测金属11a的对照组，其采用的尺寸，材料等都与第一待测金属11a相同。

本实施例中，第一待测金属11a的一端通过第一下层通孔14a连接至第一下层金属15a的第一下层测试端T1。第一待测金属11a的另一端通过第四下层通孔14d连接至第三下层金属15c的第三下层测试端T3。

第一待测金属11a通过多个上层通孔连接至上层金属的测试端。所述上层金属的测试端包括第一上层测试端D1、第二上层测试端D2、第三上层测试端D3以及第四上层测试端D4。所述上层通孔包括均匀分布的第一上层通孔12a、第二上层通孔12b、第三上层通孔12c以及第四上层通孔12d。具体的，第一上层通孔12a通过第一上层金属13a连接至第一上层测试端D1，第二上层通孔12b通过第二上层金属13b连接至第二上层测试端D2，第三上层通孔12c通过第三上层金属13c连接至第三上层测试端D3，第四上层通孔12d通过第四上层金属13d连接至第四上层测试端D4。

进一步，本实施例中，第一上层通孔12a和第四上层通孔12d位于第一待测金属11a的两端，且所述第一上层通孔12a以及第四上层通孔12d分别与第一下层通孔14a以及第二下层通孔14d连接。具体的，第一上层通孔12a与第二下层通孔14d连接，第四上层通孔12d与第一下层通孔14a。一般来说，本实施例中采用的上层通孔以及下层通孔的直径均相同。

进一步，本实施例中，与四个上层通孔连接的四个上层金属的宽度均大于等于两倍所述四个上层通孔的直径。一般来说，本实施例中采用的上层通孔与下层通孔的直径相同。如果直径不相同的时候，所述上层金属的宽度大于等于两倍所述最大上层通孔的直径。

本实施例中，第二待测金属11b的一端通过第二下层通孔14b连接至第二下层金属15b的第二下层测试端T2。第二待测金属11b的另一端通过第三下层通孔14c连接至第三下层金属15c的第三下层测试端T3。

进一步，本实施例中，与第二下层通孔14b以及第三下层通孔14c连接的第二下层金属以15b及第三下层金属15c的宽度均大于等于两倍第一待测金属11a的宽度。

实施例二

如图4所示，本实用新型提供一种电迁移测试结构包括：所述第一下层测试端T1连接正极，第二下层测试端T2连接负极并接地(GND)。

采用本实用新型电迁移测试结构进行电迁移测试，判断待测金属是否出现电迁移失效。本实施例中，所述待测金属包括第一待测金属以及第二待测金属。

步骤S1：判断待测金属是否出现电迁移失效。

步骤S1-1：在所述第一下层测试端T1及所述第二下层测试端T2上施加电流，检测所述第一下层测试端T1及所述第二下层测试端T2上的电压，以此获得待测金属的电阻RS₁₂，从而实现对待测金属的电迁移测试。本实施中采用的是Kelvin四端法测电阻法。

步骤S1-2：采用现有技术中的电迁移测试结构检测待测金属的电迁移，获得待测金属的标准电阻RS₀₀。

步骤S1-3：比较步骤1和步骤2中检测到的电阻RS₁₂与RS₀₀；

具体的，如果RS₁₂等于标准电阻RS₀₀，则表示电迁移结构没有出现电迁移失效，结束；

如果RS₁₂大于标准电阻RS₀₀，则表示电迁移结构出现电迁移失效，进入步骤S4，进行电迁移失效原因分析。

实施例三

如图5a所示，本实用新型提供一种电迁移测试结构包括：第三下层测试端T3连接正极，第一下层测试端T1连接负极并接地(GND)。如图5b所示，本实用新型提供一种电迁移测试结构包括：第三层下层测试端T3连接正极，第二下层测试端T2连接负极并接地(GND)。

采用本实用新型电迁移测试结构进行电迁移测试，判断电迁移失效是否由于上层金属13及s上层通孔14引起以及电迁移失效发生的位置。

步骤S4：判断电迁移失效的原因及失效位置。

步骤S4-1：如图5a所示，在第一下层测试端T1及所述第三下层测试端T3上施加电流，检测所述第一下层测试端T1及所述第三下层测试端T3上的电压，以此获得第一待测金属11a的电阻RS₁₃，从而实现对第一待测金属11a的电迁移测试。本实施中采用的是Kelvin四端法测电阻法。

步骤S4-2：如图5b所示，在第三下层测试端T3及所述第二下层测试端T2上施加电流，检测所述第三下层测试端T3及所述第二下层测试端T2上的电压，以此获得第二待测金属11b的电阻RS₂₃，从而实现对第二待测金属11b的电迁移测试。

步骤S4-3：比较步骤S4-1和步骤S4-2中检测到的电阻RS₁₃与RS₂₃；

具体的，如果RS₁₃大于RS₂₃，则电迁移失效发生在第二待测金属11b中。第二待测金属11b没有上层金属以及上层通孔结构，说明上层金属以及上层通孔结构没有加强待测金属的电迁移失效，结束。

如果RS₂₃大于RS₁₃，则电迁移失效发生在第一待测金属11a中；说明待测金属的电迁移失效是由于上层金属以及上层通孔结构引起，进入步骤S5。

实施例四

如图6所示，本实用新型提供一种电迁移测试结构包括：第一上层测试端D1和第二上层测试端D2的两端，第一上层测试端D1和第三上层测试端D3的两端连接用于测量漏电流的设备。

采用本实用新型电迁移测试结构进行电迁移测试，在实施例二的基础上进一步精确判断电迁移失效发生的位置。

步骤S5：进一步精确判断电迁移失效位置。

步骤S5-1：第一上层测试端D1和第三上层测试端D3的两端连接用于测量漏电流的设备。具体的，如果检测到(open current)开路，说明电迁移失效位置发生在第一上层测试端D1和第三上层测试端D3之间，进入步骤S5-2；如果没有检测到(open current)开路，说明电迁移失效位置发生在第三上层测试端D3和第四上层测试端D4之间。

步骤S5-2：第一上层测试端D1和第二上层测试端D2的两端连接用于测量漏电流的设备。具体的，如果检测到(open current)开路，说明电迁移爱失效位置发生在第一上层测试端D1和第二上层测试端D2之间；如果没有检测到(open current)开路，说明电迁移爱失效位置发生在第二上层测试端D2和第三上层测试端D3之间。

检测出开路的测试端之间的待测金属发生电迁移失效(例如，Void)，为了更精确判断电迁移失效位置，可以根据待测结构的实际情况，设置所需的测试端数量，测试端的数量不受本实施例的限制。

综上所述，本实用新型提供的电迁移测试结构，具有通过若干上层通孔结构与第一待测金属连接的虚拟上层金属，以增强上层通孔结构对电迁移失效的影响，从而能准确评估电迁移失效是否受到上层通孔的影响，从而保证电迁移失效分析的准确性。本实用新型提供的电迁移测试结构，还具有作为第一待测金属对照结构的第二待测金属，在于通过第一待测金属和第二待测金属的对比，消除无关变量对实验结果的影响，增强测试结果的准确度。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。