专利名称：具有自加热结构的半导体器件、其制造方法和测试方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件。
背景技术：
可以将半导体器件用在各种电子应用中，例如，个人计算机、手机、数码相机、以及其他电子设备等。通常通过在半导体衬底上方顺序地沉积绝缘层或者介电层、导电层以及半导体材料层和利用光刻技术图案化不同的材料层从而形成在其上的电路部件和元件来制造半导体器件。金属氧化物半导体(MOS)器件经常需要晶圆验收测试(WATs)，对于寿命测试来说，晶圆验收测试中的一部分包括使用外部电路加热MOS器件，从而在提高的温度下测试晶圆的运行参数(operating parameter)。例如,有时候对于可靠性寿命测试来说,半导体晶圆需要在高温下的WAT。这需要WAT组工作人员(team operator)改变WAT工具中的WAT探针卡并且将WAT工具中温度升高到更高温度，这些工作耗费时间。此外，特别是当需要进行高温WAT的时候，WAT具有较低的每小时晶圆产出量(WPH)的生产量。因此，本领域需要进行改进，即，在半导体器件上进行WAT的耗时较少的方法。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种半导体器件，其包括工件；有源电结构，被设置在所述工件上方；以及至少一个自加热结构，被设置为邻近所述有源电结构。优选地，所述有源电结构设置在金属化层中，并且所述至少一个自加热结构设置在所述金属化层中。优选地，所述有源电结构设置在第一金属化层中，并且其中所述至少一个自加热
结构设置在第二金属化层中。优选地，所述第二金属化层与所述第一金属化层相邻。优选地，所述至少一个自加热结构的多部分与所述有源电结构连接。优选地，所述至少一个自加热结构的与所述有源电结构连接的所述多部分包括通孔层中的通孔，所述通孔层被设置在所述第一金属化层和所述第二金属化层之间。优选地，所述半导体器件进一步包括第一节点，与所述至少一个自加热结构的第一端连接；以及第二节点，与所述至少一个自加热结构的第二端连接，其中，施加在第一节点和第二节点上的电压在所述至少一个自加热结构中产生热量。根据本发明的另一方面，提供一种制造半导体器件的方法，所述方法包括提供工件；在所述工件上方形成至少一个有源电结构；以及形成至少一个自加热结构，所述至少一个自加热结构邻近所述至少一个有源电结构。优选地，形成所述至少一个有源电结构包括形成电容器、电阻器、导线、导线段、或者晶体管。优选地，形成所述至少一个自加热结构包括形成具有基本上直线形状或者弯曲形状的布线。优选地，形成所述至少一个自加热结构包括在第一金属化层中形成多个第一自加热结构以及在第二金属化层中形成多个第二自加热结构。优选地，形成所述多个第一自加热结构包括形成沿第一方向定向的所述多个第一自加热结构，以及其中形成所述多个第二自加热结构包括形成沿第二方向定向的所述多个第二自加热结构，所述第二方向与所述第一方向不同或者相同。优选地，形成所述至少一个有源电结构包括在第三金属化层中形成所述至少一个有源电结构，以及其中将所述第三金属化层设置在所述第一金属化层和所述第二金属化层之间。
根据本发明的再一方面，提供一种测试半导体器件的方法，所述方法包括提供工件，金属化层设置在所述工件上方以及所述工件具有形成在其中的有源电结构，所述工件进一步包括至少一个自加热结构，被设置为邻近所述有源电结构；向所述至少一个自加热结构施加电压，加热所述至少一个自加热结构；以及对所述有源电结构实施至少一次电测试。优选地，所述方法进一步包括通过所述至少一个自加热结构测量电流，以及根据通过所述至少一个自加热结构所测量的电流量来确定在所述有源电结构附近所产生的热量。优选地，其中，使用等式I来确定产生的所述热量等式I :R = Vh/Ih ;其中，Vh是施加至所述至少一个自加热结构的电压，R是所述至少一个自加热结构的电阻，以及Ih是通过所述至少一个自加热结构所测量的电流，其中所述电阻R的改变指示所述至少一个自加热结构的温度。优选地，实施所述至少一次电测试包括实施至少一次晶圆验收测试(WAT)。优选地，所述方法进一步包括连续地将所述电压施加至所述至少一个自加热结构，同时对所述有源电结构实施所述至少一次电测试。优选地，所述方法进一步包括不连续地向所述至少一个自加热结构施加所述电压，同时对所述有源电结构实施所述至少一次电测试。优选地，施加所述电压包括施加大约15伏特或更小的电压。
为了更全面地理解本发明及其优势，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中图I示出了根据本发明的实施例包括电容的有源电结构和自加热结构的俯视图，该自加热结构被设置为邻近同一金属化层内的有源电结构；图2示出了图I中所示的半导体器件的部分的横截面图；图3示出了根据另一实施例的包括电气布线或者电阻器的有源电结构和设置为邻近该有源电结构的在相邻的金属化层中的自加热结构的透视图；图4示出了图3中所示的半导体器件的部分的横截面图；图5示出了另一实施例的透视图，其中，在相邻的金属化层中形成有源电结构和自加热结构；
图6示出了根据另一实施例的包括MOS晶体管的有源电结构的示意图，该MOS晶体管具有邻近多个晶体管端子的自加热结构；图7示出了实施例的透视图，其中，在两个金属化层中形成多个自加热结构并且在这两个金属化层之间的金属化层中形成有源电结构；以及图8是示出利用本发明的实施例的新式自加热结构测试半导体器件的方法的流程图。除非另有说明，不同附图中的相应数字和符号通常指相应部件。为了清楚地示出实施例的相关方面绘制附图而不必按比例进行绘制。
具体实施例方式下面，详细讨论本发明各实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许 多可以在各种具体环境中实现的可应用的创造性的概念。所讨论的具体实施例仅仅示出制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明的范围。本发明的实施例涉及半导体器件的制造并且涉及半导体器件的测试。这里将描述具有内置的片上自加热结构的半导体器件、其制造方法、和使用新的自加热结构的测试方法。首先，参考图1，示出了包括有源电结构102a/102b的半导体器件100的俯视图。例如，这里用术语“有源电结构”来描述在器件100的正常运行和/或测试期间在半导体器件100中具有有源功能的结构。在图I和图2中示出的实施例中的有源电结构102a/102b包括电容器。电容器包括两个电容器极板102a和102b，形成在多个互连梳状或指状结构中。在同一金属化层Ml中，将自加热结构110设置为邻近有源电结构102a和102b。例如，金属化层Ml可以包括在后道工序(BEOL)过程中所形成的金属层。可选地，有源电结构102a/102b和自加热结构110可以在半导体器件100的其他金属化层M2，M3……Mx (图I中未示出)中形成。第一节点104与电容器极板102a的一端相连，并且第二节点106与有源电结构102a/102b的电容器极板102b的一端相连。如所示的，第一节点112也与自加热结构110的端部相连，并且第二节点114与自加热结构110的相对端相连。例如，节点104、106、112以及114可以连接到或者可以包括半导体器件100的表面上的接触件，使得这些接触件便于电测试和施加电压/电流。可以通过向自加热结构110的节点112和114施加电压Vh来加热自加热结构110，这导致电流Ih流经自加热结构110并且加热该自加热结构110。施加在第一节点112和第二节点114上的电压Vh通过电流Ih流动在自加热结构110中产生热量。由于自加热结构110与有源电结构102a/102b相邻，所以也加热有源电结构102a/102b，并且可以使用节点104和106对有源电结构102a/102b进行测试，同时加热自加热结构110或者同时在加热之后，允许自加热机构110冷却。优选地，可以进行的测试包括晶圆验收测试(WAT)，使得不需要对于半导体器件100处于的晶圆进行外部WAT，(例如，需要装载晶圆和较长的生产时间)，在制造工艺流程中节省时间，因此提供较大的成本节约。图2示出了图I中所示的半导体器件100的部分的横截面图。为了制造半导体器件100，提供工件120。例如，工件120可以包括半导体衬底，该半导体衬底包括硅或其他的半导体材料，并且可以被绝缘层覆盖。工件120也可以包括其他有源部件或电路(未示出)。例如，工件120可以包括在单晶硅上方的二氧化硅。工件120可以包括其他导电层或者其他半导体元件，例如晶体管、二极管等。可以使用诸如GaAs、InP、Si/Ge、或者SiC的化合物半导体来代替硅。例如，工件120可以包括绝缘体上硅(SOI)衬底或绝缘体上锗(GOI)衬底。工件120可以包括形成其上方的一个或多个电路层和/或电子功能件(electricalfunction)，并且可以包括例如，导线、通孔、电容器、二极管、晶体管、电阻器、电感器、和/或其他在前道工序(FEOL)过程中所形成的其他电子元件(未示出)。可以在半导体器件100的上金属化层的BEOL中形成本发明的实施例的新式自加热结构110。为了形成金属化层M1，例如，可以沉积绝缘材料122，并且使用光刻技术通过用于有源电结构102a/102b和自加热结构110的图案来图案化该绝缘材料。然后，在绝缘材料122上方沉积包括一种或多种金属的导电材料来填充图案。例如，导电材料可以包括铜、铜合金、或其他金属。例如，使用一次或多次化学机械抛光工艺和/或蚀刻工艺从绝缘 材料122上方去除多余的导电材料，在单镶嵌工艺中形成有源电结构102a/102b和自加热结构110。也可以通过使用光刻技术沉积导电材料并图案化导电材料使用减少蚀刻工艺来形成有源电路结构102a/102b和自加热结构110。然后，在有源电结构102a/102b和自加热结构110之间形成绝缘材料122。可选地，可以使用其他方法在工件120上方形成有源电结构102a/102b和自加热结构110。此外，虽然示出了用于形成自加热结构的金属化层，但是本领域的技术人员将认识到可以使用其他层，该其他层包括但不限于在多晶硅层中形成自加热结构。在图I和图2中仅仅示出了一个与有源电结构102a/102b相邻的自加热结构110 ；可选地，可以形成与有源电结构102a/102b相邻的两个或多个自加热结构110(本文中要进行进一步描述)。邻近其他类型的有源电结构102的半导体器件100可以包括本发明的实施例的自加热结构110，在图3至图7中示出了其实例。将用于描述图I和图2的相同的标号用于图3至图7中的各种元件。为了避免重复，图3至图7中所示的每个参考标号此处不再详细描述。更确切地说，将类似的材料100、102、104等用于描述如用于描述图I和图2的所示的各种材料层和元件。例如，图3示出了有源电结构102以及两个自加热结构IlOa和IlOb的透视图，其中，有源电结构102包括在半导体器件100的金属化层Ml中所形成的电气布线或电阻，相邻的金属化层M2中，两个自加热结构IlOa和IlOb设置为与该有源电结构102邻近。图4示出了图3中所示的半导体器件100的部分的横截面图。在图3中仅示出了两个自加热结构I IOa和IlOb ;然而根据本发明的实施例，可以在半导体器件100的一个或多个金属化层M2、M3、Mx中形成多个(例如，数十个或者数百个)或者更多的自加热结构IlOa和110b。在一些实施例中，可以将自加热结构IlOa和IlOb的多部分连接至有源电结构102。例如，如图3和图4所示，可以使用任选的通孔124a和124b，从而将自加热结构IlOa和IlOb分别电连接至以及热连接至下层的有源电结构102。通孔124a和124b便于将热量传递到测试的有源电结构102。例如，可以使用单镶嵌工艺或者双镶嵌工艺来形成通孔124a和124b。金属化层Ml包括在绝缘材料122a中形成的有源电结构102。通孔层Vl包括在绝缘材料122b中所形成的通孔124a和124b，并且金属化层M2包括在绝缘材料122c中所形成的自加热结构IlOa和110b(图中不可见)。
在形成通孔124a和124b以及自加热结构I IOa和IlOb的双镶嵌工艺中，在金属化层Ml中形成有源电结构102和绝缘材料122a之后，将绝缘材料122b沉积在绝缘材料122a和有源电结构102上方。可以在绝缘材料122b上方形成任选的蚀刻停止层(未示出)，并且在绝缘材料122b上方形成绝缘材料122c。同时(或者在两个单独的图案化步骤中)通过用于金属化层Vl中的通孔124a和124b的图案以及用于金属化层M2中的自加热结构IlOa和IlOb的图案来图案化绝缘材料122b和绝缘材料122c。然后，用导电材料填充这两个图案化的绝缘材料122b和122c，在金属化层Vl中形成通孔124a和124b，以及在金属化层M2中形成自加热结构IlOa和110b。使用一次或多次CMP工艺和/或蚀刻工艺从绝缘材料122c上方去除多余的导电材料。可选地，还可以使用三次单镶嵌工艺、三次单减少蚀刻工艺或者其他方法来形成三个金属化层Ml、Vl以及M2。可以通过在节点112a和114a以及112b和114b上分别施加电压Vhl和Vh2来加热自加热结构IlOa和IlOb0例如，通过绝缘金属化层122b，也通过通孔124a和124b (如果结构中包括的话)，将热量传递给有源电结构102。在一些实施例中，可以持续地将电压Vhl 和Vh2施加在自加热结构IlOa和IlOb上，同时对于有源电结构102实施电测试，在测试过程中保持加热自加热结构IlOa和IlOb并且还加热有源电结构102。如果在半导体器件100中包括通孔124a和124b，则在一些实施例中，对自加热结构IlOa和IlOb加热一预定时间来达到理想的温度,并且然后,从自加热结构IlOa和IlOb的节点112a和114a以及112b和114b去除电压Vhl和Vh2或者断开电压Vhl和Vh2。然后，例如，使用节点104和106对有源电结构IlOa和IlOb进行例如WAT的电测试。例如，从自加热结构IlOa和IlOb上去除电压Vhl和Vh2可以降低或者防止电压Vhl和Vh2以及电流Ihl和Ih2干扰电测试。图5示出了另一个实施例的透视图，其中，在相邻的金属化层Mx和Mx+1中形成有源电结构102a、102b以及102c和自加热结构IlOaUlOb以及110c。在本实施例中，有源电结构102包括三个包括导线段的有源电结构102a、102b以及102c。通过通孔124a、124b以及124c将三个自加热结构IlOaUlOb以及IlOc分别连接至有源电结构102a、102b以及102c。可以使用节点(图5中未示出；见图I和图3)，从而在自加热结构IlOaUlOb以及IIOc上施加电压Vh并且在有源电结构102a、102b以及102c中产生热量。与在其他实施例中一样，在金属化层凡和凡+1中形成有源电结构102a、102b以及102c和自加热结构110a、IlOb以及110c，其中金属化层Mx和Mx+1是半导体器件100中的通过通孔层Vx分离的相邻金属化层,其中在通孔层Vx中形成任选的通孔124a、124b以及124c。例如，金属化层Mx和Μχ+ι可以包括本实施例的和这里所述的其他实施例的半导体器件100中的任何金属化层。虽然所说明的实施例示出了在相邻金属化层中所形成的自加热结构，但是在其他预期实施例中，假如自加热结构足够接近从而允许通过中间层或多个中间层将热量从自加热结构有效地传递给有源电结构，可以在金属化层中形成自加热结构，该金属化层通过一层或多层从有源电结构上去除。图6示出了有源电结构102的示意图，其中有源电结构102包括具有自加热结构IlOaUlOb以及IlOc的MOS晶体管，自加热结构IlOaUlOb以及IlOc与多个晶体管的端子或节点104、106以及130相邻。在本实施例中，自加热结构IlOaUlOb以及IlOc可以在与包括有源电结构102的MOS晶体管的部分形成在其中的金属化层相邻的金属化层中形成。
图7示出了实施例的透视图，其中，分别在两个金属化层Mz和Mx中形成多个第一自加热结构IlOa和多个第二自加热结构110b。在设置在金属化层Mz和Mx之间的金属化层My中形成有源电结构102。多个第一自加热结构IlOa定向为第一方向132(例如纵向)，以及多个第二自加热结构IlOb定向为第二方向134。在所示的实施例中，第二方向134与第一方向132不同。例如,第二方向134可以基本上与第一方向132垂直。在其他实施例中，第二方向134可以基本上与第一方向132相同(未示出)。例如，优选地，图7中所示的结构通过在有源电结构102上方和下方的自加热结构IlOa和IlOb的平行线提供均匀加热来提供有源电结构102的均匀加热。如图3至图7所示，这里描述的新的自加热结构110、110a、110b以及IlOc可以包括具有基本直线形状的导电金属线。如图I所示，自加热结构110、110a、IIOb以及IlOc也可以包括具有弯曲形状的导电金属线。可选地，自加热结构110、110a、110b以及IlO c可以包括其他形状和结构。图8是利用本发明的实施例的新式自加热结构110、110a、110b以及IlOc测试半导体器件100的方法的流程图。首先，提供包括至少一个有源电结构102和至少一个自加热结构110的工件120 (步骤142)。在至少一个自加热结构110上施加电压Vh (步骤144)，加热至少一个自加热结构110。然后对于有源电结构102进行一次电测试(或多次电测试)(步骤146)。在一些实施例中，施加给自加热结构110、110a、110b或IlOc的节点112、112a、112b、112c、114、114a、114b以及114c的电压Vh、Vhl以及Vh2的量可以包括大约I伏特。可选地，在一些实施例中，根据本申请和半导体器件100，施加的电压Vh、Vhl以及Vh2的量可以包括其他值，例如大约15伏特或者更小。在一些实施例中，可以通过自加热结构110、110a、110b或者IlOc来测量电流Ih、Ihl、以及Ih2，并且可以通过自加热结构110、110a、I IOb或者IlOc所测量的电流Ih、Ihl以及Ih2的量来确定在有源电结构102、102a、或者102b附近所产生的热量。可以使用等式I来确定产生的热量等式I R = Vh/Ih ；其中，Vh是施加给自加热结构110、110a、IIOb或者IlOc的电压，R是自加热结构110、110a、110b或者IlOc的电阻，以及Ih是通过自加热结构110、110a、IlOb或者IlOc所测量的电流。电阻R的变化指示自加热结构110、110a、110b或者IlOc的温度。例如，在室温测量中的电阻值R的改变量Λ R指示自加热结构110、110a、IIOb或者IlOc以及诸如有源电结构102、102a或者102b的周围结构的温度。本发明的实施例的优势包括通过在制造位置或者探测区域进行WAT来消除或者减少在实验室、无尘室装置或者测试设备中对半导体器件100和晶圆的WAT的需要。可以在例如125摄氏度的温度下进行用于可靠性寿命测试的高温WAT，而不必在WAT工具中改变WAT探针卡或者提高温度。新的自加热结构110、110a、110b以及IlOc在低温环境和例如温度为25摄氏度左右的常温环境也是可用的。此外，提高了每小时晶圆产出量(WPH)统计数字，获得改善和更高的产量。在现有的测试和制造工艺流程中容易实施这里描述的新式测试方法和半导体器件100的制造方法。本发明的实施例包括半导体器件及其制造方法，该半导体器件具有包括在其中的新式自加热结构110、110a、110b以及110c。实施例也包括使用这里描述的新式自加热结构110、110a、IIOb以及IlOc测试半导体器件100的方法。在一个实施例中，半导体器件包括工件；有源电结构，被设置在工件上方；以及至少一个自加热结构，被设置为邻近有源电结构。在另一个实施例中，制造半导体器件的方法包括提供工件；以及在工件上方形成至少一个有源电结构。与至少一个有源电结构相邻地形成有至少一个自加热结构。在又一个实施例中，测试半导体器件的方法包括提供工件，金属化层被设置在工件上方并且该工件具有形成在内部的有源电结构。工件包括至少一个自加热结构，其被设置为邻近有源电结构。测试方法包括将电压施加给至少一个自加热结构，加热至少一个自加热结构以及对于有源电结构进行至少一次电测试。
尽管已经详细地描述了本发明及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。例如，本领域技术人员应当容易理解，这里描述的特征、功能、工艺以及材料可以变化，同时保持在本发明的范围内。此外，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。
权利要求
1.一种半导体器件包括 工件； 有源电结构，被设置在所述工件上方；以及 至少一个自加热结构，被设置为邻近所述有源电结构。
2.根据权利要求I所述的半导体器件，其中，所述有源电结构设置在金属化层中，并且所述至少一个自加热结构设置在所述金属化层中。
3.根据权利要求I所述的半导体器件，其中，所述有源电结构设置在第一金属化层中，并且其中所述至少一个自加热结构设置在第二金属化层中。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中，所述第二金属化层与所述第一金属化层相邻。
5.根据权利要求4所述的半导体器件，其中，所述至少一个自加热结构的多部分与所述有源电结构连接。
6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，所述至少一个自加热结构的与所述有源电结构连接的所述多部分包括通孔层中的通孔，所述通孔层被设置在所述第一金属化层和所述第二金属化层之间。
7.根据权利要求I所述的半导体器件，进一步包括第一节点，与所述至少一个自加热结构的第一端连接；以及第二节点，与所述至少一个自加热结构的第二端连接，其中，施加在第一节点和第二节点上的电压在所述至少一个自加热结构中产生热量。
8.—种制造半导体器件的方法，所述方法包括 提供工件； 在所述工件上方形成至少一个有源电结构；以及 形成至少一个自加热结构，所述至少一个自加热结构邻近所述至少一个有源电结构。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，形成所述至少一个有源电结构包括形成电容器、电阻器、导线、导线段、或者晶体管。
10.一种测试半导体器件的方法，所述方法包括 提供工件，金属化层设置在所述工件上方以及所述工件具有形成在其中的有源电结构，所述工件进一步包括至少一个自加热结构，被设置为邻近所述有源电结构； 向所述至少一个自加热结构施加电压，加热所述至少一个自加热结构；以及 对所述有源电结构实施至少一次电测试。
全文摘要
本发明公开了具有自加热结构的半导体器件、其制造方法以及测试方法。在一个实施例中，半导体器件包括工件；有源电结构，被设置在该工件上方；以及至少一个自加热结构，被设置为与该有源电结构相邻。
文档编号G01R31/26GK102969301SQ20111042253
公开日2013年3月13日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年8月30日
发明者柯家洋, 邱盈翰, 王琳松 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司