专利名称：栅氧化层和介质层完整性的测试结构及测试方法
技术领域：
本发明涉及半导体测试领域，特别涉及一种栅氧化层完整性的测试结构及测试方 法和一种介质层完整性的测试结构及测试方法。
背景技术：
在半导体器件的制造过程中，为了对制造工艺进行监控，保证半导体器件的可靠 性，通常的做法是在器件中形成测试结构(testkey)，用于一些关键参数的测试。在CMOS工 艺中，栅氧化层(gate oxide)是器件结构中的重要结构，栅氧化层应该是一个理想的介质 层，其中没有影响其绝缘特性的缺陷，但是，在制造过程中如离子扩散侵入、俘获电荷等因 素都会影响栅氧化层的质量。栅氧化层完整性(gate oxide integrity，简称G0I)测试是验证栅氧化层质量的 测试过程。在半导体器件的制造过程中，一般都要形成专门的测试结构用于栅氧化层完整 性测试，检测栅氧化层中是否存在缺陷，防止栅氧化层缺陷造成器件的可靠性下降。类似 的，在互连结构形成之后，需要对相邻互连结构之间的介质层的完整性测试，防止由于离子 扩散等缺陷造成介质层的击穿电压下降，使得器件的可靠性下降。图1给出了现有技术的一种栅氧化层完整性的测试结构。首先提供待测器件，所 述待测器件中形成有MOS晶体管，所述MOS晶体管主要包括衬底100、栅氧化层101、栅电 极102以及源极和漏极(图中未示出)；所述测试结构主要包括焊垫103和焊垫104，焊垫 103连接于所述衬底100 ；焊垫104连接于所述栅电极。在进行栅氧化层完整性测试时，在 所述焊垫103和焊垫104之间施加电压，以测量所述栅氧化层101的击穿电压(voltage breakdown，简称Vbd)，若击穿电压较高，高于规格电压，则表明栅氧化层101中并没有缺 陷，测试通过；相反，如果击穿电压低于规格电压，则表明栅氧化层101中存在缺陷，测试未 通过。专利号为ZL200510030381的中国专利中公开了一种栅氧化层完整性的测试结 构，主要包括多根多晶硅栅线，解码器和一个焊垫，其中，多晶硅栅线相当于之前所述的栅 电极。在测试过程中，将全部多晶硅栅线连接到解码器，并通过解码器连接至所述焊垫，通 过解码器选择需要测试的多晶硅栅线。上述公开的方案中虽然没有提到连接至衬底的焊 垫，但实际上仍然是用2个焊垫来进行栅氧化层完整性测试。在测试过程中，通过解码器将 焊垫连接至不同的多晶硅栅线逐一进行测试，从而确定故障的位置。但实际上，所述测试结构的焊垫并不是直接连接至所述栅电极和衬底的，而是通 过器件中的金属互连层间接连接至栅电极和衬底的。如图2所示，衬底100中形成有MOS 晶体管，所述MOS晶体管包括栅氧化层101、栅电极102、源极和漏极(图中未示出)，在所述 MOS晶体管之上形成有金属互连层110，图2只是示意图，所述金属互连层110可以是第一 金属互连层，也可以是其他金属互连层，如第二金属互连层。所述金属互连层110中形成有 连接垫IlOa和110b，连接垫下还形成有栓塞，分别与所述衬底100和栅电极102连接。焊 垫103通过所述连接垫IlOa连接至MOS晶体管的衬底100，焊垫104通过所述连接垫IlOb连接至MOS晶体管的栅电极102。因此，如果金属互连层110中存在有缺陷，将会影响栅氧 化层完整性测试的测试结果。如果测试过程中焊垫103和焊垫104之间的击穿电压很小，测 试结果未通过，则其原因既可能是栅氧化层101中存在缺陷，也可能是金属互连层110中有 缺陷，如连接垫IlOa与IlOb之间存在桥接(bridging)缺陷，如图3所示，金属互连层110 之上有残留的金属，导致连接垫IlOa与IlOb之间短路，从而使得焊垫103和104之间也发 生短路。在实际的测试过程中，为了判断测试未通过的真实原因是在于栅氧化层还是金属 互连层，需要进行失效分析(failure analysis，简称FA)，需要花费大量的时间、人力和设 备成本。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种栅氧化层和介质层完整性的测试结构及测试方法， 避免金属互连层缺陷对测试结果的干扰，改善栅氧化层和介质层完整性的测试精度。本发明提供了一种栅氧化层完整性的测试结构，包括依次位于衬底上的栅氧化 层、栅电极、连接所述衬底的第一连接垫、连接所述栅电极的第二连接垫以及与所述第一连 接垫和第二连接垫之间均具有间隔的第三连接垫，其中所述第一连接垫、第二连接垫、第三 连接垫形成于同一介质层中；第一焊垫，连接于所述第一连接垫；第二焊垫，连接于所述第 二连接垫；其特征在于，还包括第三焊垫，连接于所述第三连接垫。可选的，所述第一连接垫、第二连接垫、第三连接垫下形成有接触孔。可选的，所述第三连接垫和第三焊垫分别为另一测试结构中的第二连接垫和第二 焊垫。可选的，所述第三连接垫和第三焊垫分别为相邻测试结构中的第二连接垫和第二焊垫。本发明还提供了一种使用上述测试结构的栅氧化层完整性的测试方法，包括通过第一焊垫与第二焊垫对栅氧化层的完整性进行测试，若测试通过，则测试结 果标定为通过，并结束测试；否则，测试第一焊垫与第三焊垫之间或第二焊垫与第三焊垫之间是否存在短路问 题，若存在短路问题，则测试结果标定为通过，并结束测试；若不存在短路问题，则测试结果 标定为未通过，并结束测试。可选的，述通过第一焊垫与第二焊垫对栅氧化层完整性进行测试包括测试第一 焊垫与第二焊垫之间的击穿电压，若击穿电压高于规格电压(specification voltage)，则 测试通过；否则测试未通过。可选的，所述测试第一焊垫与第三焊垫之间或第二焊垫与第三焊垫之间是否存在 短路问题包括测试第一焊垫与第三焊垫之间或第二焊垫与第三焊垫之间的漏电流，若漏 电流高于规格电流(specification current)，则存在短路问题，测试结果标定为通过；否 则不存在短路问题，测试结果标定为未通过。为了解决上述问题，本发明还提供了一种介质层完整性的测试结构，所述介质层 之上形成有金属互连层，所述测试结构包括第一电极和第二电极，形成于所述介质层中， 连接所述第一电极的第一连接垫、连接所述第二电极的第二连接垫以及与所述第一连接垫 和第二连接垫之间均具有间隔的第三连接垫，所述第一连接垫、第二连接垫和第三连接垫形成于所述金属互连层中；第一焊垫，连接所述第一连接垫；第二焊垫，连接所述第二连接 垫；其特征在于，还包括第三焊垫，连接所述第三连接垫。可选的，所述第一连接垫、第二连接垫、第三连接垫下形成有栓塞。可选的，所述第三连接垫和第三焊垫分别为另一测试结构中的第二连接垫和第二 焊垫。可选的，所述第三连接垫和第三焊垫分别为相邻测试结构中的第一连接垫和第一 焊垫，或者分别为相邻测试结构中的第二连接垫和第二焊垫。本发明还提供了一种使用上述测试结构的介质层完整性的测试方法，包括通过第一焊垫与第二焊垫对介质层的完整性进行测试，若测试通过，则测试结果 标定为通过，并结束测试；否则，测试第一焊垫与第三焊垫之间或第二焊垫与第三焊垫之间是否存在短路问 题，若存在短路问题，则测试结果标定为通过，并结束测试；若不存在短路问题，则测试结果 标定为未通过，并结束测试。可选的，所述通过第一焊垫与第二焊垫对介质层完整性进行测试包括测试第一 焊垫与第二焊垫之间的击穿电压，若击穿电压高于规格电压，则测试通过；否则测试未通 过。可选的，所述测试第一焊垫与第三焊垫之间或第二焊垫与第三焊垫之间是否存在 短路问题包括测试第一焊垫与第三焊垫之间或第二焊垫与第三焊垫之间的漏电流，若漏 电流高于规格电流，则存在短路问题，测试结果标定为通过；否则不存在短路问题，测试结 果标定为未通过。上述公开的技术方案中，与现有技术相比增加了一个焊垫，在常规完整性测试未 通过时，通过使用增加的焊垫对金属互连层进行测试，排除了金属互连层中的短路问题对 测试结果的干扰，提高了栅氧化层和介质层完整性测试的测试精度。
图1至图3是现有技术的栅氧化硅层完整性的测试结构的剖面结构示意图；图4是本发明实施例的栅氧化层完整性的测试结构的结构示意图；图5是本发明实施例的栅氧化层完整性的测试方法的流程示意图；图6是本发明实施例的介质层完整性的测试结构的结构示意图。
具体实施例方式在实际生产中，如图3所示，测试结构的焊垫103和104是通过金属互连层中的连 接垫IlOa和IlOb间接连接于MOS晶体管的栅电极102和衬底100的。而所述连接垫IlOa 和IlOb的形成过程主要包括在介质层中形成开口 ；在所述开口中填充金属，形成栓塞及 栓塞上的连接垫，在填充过程中，有部分金属溢出所述开口覆盖在介质层表面；通过化学机 械抛光(CMP)研磨去除覆盖在介质层表面的金属，完成金属互连层的形成过程。在化学机 械抛光过程中，如果抛光后有残留的金属覆盖在介质层表面，如图3所示，会造成金属互连 层内的连接垫之间存在桥接缺陷，干扰栅氧化层完整性的测试结果。经过发明人研究发现， 在化学机械抛光过程中，晶圆周边的区域较容易发生抛光残留现象，造成金属互连层中存在桥接缺陷，干扰栅氧化层完整性测试的测试结果。经发明人统计，栅氧化层完整性测试未 通过的情况中，有30%是由于金属互连层的桥接缺陷造成的，并非栅氧化层本身存在缺陷， 因此，需要改进现有的测试结构和测试方法，排除金属互连层中的缺陷对测试结果的干扰， 改善测试精度。本发明提供了一种栅氧化层和介质层完整性的测试结构和测试方法，增加了一个 焊垫，在常规测试未通过时，通过使用增加的焊垫对金属互连层进行测试，排除了金属互连 层中的短路问题对测试结果的干扰，提高了栅氧化层和介质层完整性测试的测试精度。为使本发明的方法、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具 体实施方式做详细的说明。图4给出了本发明实施例的栅氧化层完整性的测试结构的结构示意图。如图4所示，包含所述测试结构的器件中形成有MOS晶体管及介质层210，所述 MOS晶体管包括衬底200、栅氧化层201、栅电极202、源极和漏极(未示出)，所述介质层210 中形成有第一连接垫210a、第二连接垫210b和第三连接垫210c，在本实施例中上述三个 连接垫下形成有接触孔(contact) 210d、210e、210f，其中所述第二连接垫210b通过接触孔 210e连接于所述栅电极202，所述第一连接垫210a通过接触孔210d连接于所述衬底200， 所述第三连接垫210c与所述第一连接垫210a和第二连接垫210b之间有间隔，且其下的接 触孔210f与所述衬底200之间无接触，使其与所述栅电极201和衬底200之间无电性连接， 在本实施例中所述第三连接垫210c下形成有接触孔210f，在本发明的其他实施例中，所述 第三连接垫210c可以为单独的连接垫结构，下方并不形成有接触孔。栅氧化层完整性的测 试结构还包括第一焊垫203，通过第一连接垫210a与所述栅电极202连接；第二焊垫204， 通过第二连接垫210b与所述衬底200连接；第三焊垫205，与所述第三连接垫210c连接， 所述第三焊垫205与所述栅电极202和衬底200之间绝缘。在实际工艺中，所述第三连接垫210c可以通过其下的接触孔210f连接于其他相 邻MOS晶体管的源极、漏极或栅电极，也可以连接于图4中所示晶体管的源极或漏极。另外，所述第三焊垫205和第三连接垫210c可以分别是其他测试结构的第二焊垫 和第二连接垫，即与栅电极相连的焊垫和连接垫，使用这种方法，可以复用不同测试结构间 的焊垫和连接垫，而不需要为每个测试结构单独制造一第三焊垫，降低了复杂性，减小了成 本。作为一个优选的方案，所述第三焊垫205和第三连接垫210c分别优选为相邻测试结构 的第二焊垫和第二连接垫。本实施例中，所述介质层210为第一金属互连层中的介质层，在本发明的其他实 施例中，也可以为其他介质层。图5给出了本发明实施例的栅氧化层完整性的测试方法的结构示意图，下面结合 图4和5对本实施例进行详细说明。参考图4和图5，执行步骤Si，测试第一焊垫203与第二焊垫204之间的击穿电 压。具体包括在所述第一焊垫203和第二焊垫204之间连接一电压源，并逐步增大所述电 压源的输出电压，以测得击穿电压。由于所述第一焊垫203连接于所述栅电极202，第二焊 垫204连接于所述衬底200，因此，本步骤是通过第一焊垫203和第二焊垫204对栅氧化层 201的完整性进行测试，与现有技术相同。执行步骤S2，判断所述击穿电压是否小于规格电压。如果击穿电压较大，大于规格电压，则表明所述栅氧化层201中并没有缺陷，执行步骤S3，将测试结果标定为通过，并结 束所述栅氧化层完整性测试；如果击穿电压较小，则表明栅氧化层201中存在缺陷，或是第 一连接垫210a和第二连接垫210b之间存在桥接缺陷造成的短路，在这种情况下，则继续执 行步骤S4。参考图4和图5，执行步骤S4，测试第一焊垫203与第三焊垫205或第二焊垫204 与第三焊垫205之间的漏电流。具体包括在所述第一焊垫203与第三焊垫205之间或者 第二焊垫204与第三焊垫205之间施加一固定电压，并测量相应的漏电流。由于所述第三焊 垫205与所述栅电极202和衬底200之间没有电性连接，彼此之间为绝缘，因此，本步骤相 当于是对介质层210中的金属互连结构进行测试，检测其内部的连接垫210a、210b和210c 之间是否存在短路问题，防止介质层210中连接垫之间的桥接缺陷对所述栅氧化层完整性 测试的结果造成干扰。执行步骤S5，判断所述漏电流是否大于规格电流。如果漏电流较大，大于规格电 流，则表明所述介质层210内部的连接垫210a、210b和210c之间存在桥接缺陷造成的短路 问题，导致了之前步骤Sl中测得的击穿电压过小，因此，所述栅氧化层201的完整性并没有 问题，执行步骤S7，将测试结果标定为通过，并结束测试。如果漏电流较小，小于规格电流， 则表明所述介质层201中的连接垫之间并不存在桥接缺陷造成的短路问题，表明之前步骤 Sl中测得的击穿电压过小是由栅氧化层201的缺陷造成的，执行步骤S6，将测试结果标定 为未通过，并结束测试。需要说明的是，根据待测器件的尺寸和具体工艺，测试过程中用于判断测试是否 通过的规格电流和规格电压会有较大差别，因此，在本实施例中并没有对其数值做过多的 涉及。图6给出了本发明实施例的介质层完整性的测试结构的结构示意图。如图6所示，提供半导体基底300，所述半导体基底300上形成有介质层301和金 属互连层310，所述介质层301内形成有栓塞等金属互连结构，在介质材料两侧构成了第一 电极301a和第二电极301b ；所述金属互连层310内形成有第一连接垫310a、第二连接垫 310b和第三连接垫310c，其中第一连接垫310a和第二连接垫310b分别通过其下的栓塞 310d、310e连接于所述第一电极301a和第二电极301b，第三连接垫310c与所述第一连接 垫310a和第二连接垫310b之间都有间隔，本实施例中所述第三连接垫310c下也形成有栓 塞310f，但其并未连接于所述第一电极301a和第二电极301b，使其与所述第一电极301a 和第二电极301b之间无电性连接。所述测试结构还包括第一焊垫302，通过所述第一连 接垫310a与所述第一电极301a连接；第二焊垫303，通过所述第二连接垫310b与所述第 二电极301b连接；第三焊垫304，与所述第三连接垫310c连接，且与所述第一电极301a和 第二电极301b之间无电性连接。与之前所述的栅氧化层完整性的测试结构类似，所述第三 焊垫304和第三连接垫310c可以是其他测试结构(如相邻的测试结构)的第一焊垫和第 一连接垫或者第二焊垫和第二连接垫，从而降低所述测试结构的复杂性。本实施例的介质层完整性的测试方法的具体步骤可以参考图5，主要包括通过 第一焊垫302和第二焊垫303对所述介质层的完整性进行测试，如果未通过测试，则表明介 质层301本身有缺陷或是金属互连层310内存在桥接缺陷造成第一连接垫310a与第二连 接垫310b之间的短路问题；之后通过第一焊垫302和第三焊垫304或是第二焊垫303和第三焊垫304来测试金属互连层310中是否存在短路现象，用以排除金属互连层310中的缺 陷对介质层完整性测试结果的干扰。本实施例中的测试方法与前述栅氧化层完整性的测试 方法类似，这里不再赘述。综上，本发明提供了一种栅氧化层和介质层完整性的测试结构和测试方法，增加 了一个焊垫，在常规完整性测试未通过时，使用增加的焊垫对金属互连层进行测试，排除了 金属互连层中的短路问题对测试结果的干扰，提高了栅氧化层和介质层完整性测试的测试 精度。另外，与现有技术相比，本发明不需要进行失效分析就可以排除金属互连层中的 短路问题对测试结果的干扰，缩短了测试周期，降低了测试成本。进一步的，本发明还可以复用不同测试结构之间的焊垫来实现相同的效果，与现 有技术相比并不增加测试结构的复杂性。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术 人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应 当以权利要求所限定的范围为准。
权利要求
1.一种栅氧化层完整性的测试结构，包括依次位于衬底上的栅氧化层、栅电极、连接 所述衬底的第一连接垫、连接所述栅电极的第二连接垫以及与所述第一连接垫和第二连接 垫之间均具有间隔的第三连接垫，其中所述第一连接垫、第二连接垫、第三连接垫形成于同 一介质层中；第一焊垫，连接于所述第一连接垫；第二焊垫，连接于所述第二连接垫；其特 征在于，还包括第三焊垫，连接于所述第三连接垫。
2.根据权利要求1所述的栅氧化层完整性的测试结构，其特征在于，所述第一连接垫、 第二连接垫、第三连接垫下形成有接触孔。
3.根据权利要求1所述的栅氧化层完整性的测试结构，其特征在于，所述第三连接垫 和第三焊垫分别为另一测试结构中的第二连接垫和第二焊垫。
4.根据权利要求3所述的栅氧化层完整性的测试结构，其特征在于，所述第三连接垫 和第三焊垫分别为相邻测试结构中的第二连接垫和第二焊垫。
5.一种使用权利要求1至4中任一项所述的测试结构的栅氧化层完整性的测试方法， 其特征在于，包括通过第一焊垫与第二焊垫对栅氧化层的完整性进行测试，若测试通过，则测试结果标 定为通过；否则，测试第一焊垫与第三焊垫之间或第二焊垫与第三焊垫之间是否存在短路问题， 若存在短路问题，则测试结果标定为通过；若不存在短路问题，则测试结果标定为未通过。
6.根据权利要求5所述的栅氧化层完整性的测试方法，其特征在于，所述通过第一焊 垫与第二焊垫对栅氧化层完整性进行测试包括测试第一焊垫与第二焊垫之间的击穿电 压，若击穿电压高于规格电压，则测试通过；否则测试未通过。
7.根据权利要求5所述的栅氧化层完整性的测试方法，其特征在于，所述测试第一焊 垫与第三焊垫之间或第二焊垫与第三焊垫之间是否存在短路问题包括测试第一焊垫与第 三焊垫之间或第二焊垫与第三焊垫之间的漏电流，若漏电流高于规格电流，则存在短路问 题，测试结果标定为通过；否则不存在短路问题，测试结果标定为未通过。
8.一种介质层完整性的测试结构，所述介质层之上形成有金属互连层，所述测试结构 包括第一电极和第二电极，形成于所述介质层中；连接所述第一电极的第一连接垫、连接 所述第二电极的第二连接垫以及与所述第一连接垫和第二连接垫之间均具有间隔的第三 连接垫，所述第一连接垫、第二连接垫和第三连接垫形成于所述金属互连层中；第一焊垫， 连接所述第一连接垫；第二焊垫，连接所述第二连接垫；其特征在于，还包括第三焊垫，连 接所述第三连接垫。
9.根据权利要求8所述的介质层完整性的测试结构，其特征在于，所述第一连接垫、第 二连接垫、第三连接垫下形成有栓塞。
10.根据权利要求8所述的介质层完整性的测试结构，其特征在于，所述第三连接垫和 第三焊垫分别为另一测试结构中的第一连接垫和第一焊垫，或者分别为另一测试结构中的 第二连接垫和第二焊垫。
11.根据权利要求10所述的介质层完整性的测试结构，其特征在于，所述第三连接垫 和第三焊垫分别为相邻测试结构中的第一连接垫和第一焊垫，或者分别为相邻测试结构中 的第二连接垫和第二焊垫。
12.一种使用权利要求8至11任一项所述的测试结构的介质层完整性的测试方法，其特征在于，包括通过第一焊垫与第二焊垫对介质层的完整性进行测试，若测试通过，则测试结果标定 为通过，并结束测试；否则，测试第一焊垫与第三焊垫之间或第二焊垫与第三焊垫之间是否存在短路问题， 若存在短路问题，则测试结果标定为通过，并结束测试；若不存在短路问题，则测试结果标 定为未通过，并结束测试。
13.根据权利要求12所述的介质层完整性的测试方法，其特征在于，所述通过第一焊 垫与第二焊垫对介质层完整性进行测试包括测试第一焊垫与第二焊垫之间的击穿电压， 若击穿电压高于规格电压，则测试通过；否则测试未通过。
14.根据权利要求12所述的介质层完整性的测试方法，其特征在于，所述测试第一焊 垫与第三焊垫之间或第二焊垫与第三焊垫之间是否存在短路问题包括测试第一焊垫与第 三焊垫之间或第二焊垫与第三焊垫之间的漏电流，若漏电流高于规格电流，则存在短路问 题，测试结果标定为通过；否则不存在短路问题，测试结果标定为未通过。
全文摘要
一种栅氧化层和介质层完整性的测试结构及测试方法，所述栅氧化层完整性的测试方法包括通过第一焊垫与第二焊垫对栅氧化层的完整性进行测试，若测试通过，则测试结果标定为通过，并结束测试；否则，测试第一焊垫与第三焊垫之间或第二焊垫与第三焊垫之间是否存在短路问题，若存在短路问题，则测试结果标定为通过，并结束测试；若不存在短路问题，则测试结果标定为未通过，并结束测试。本发明排除了金属互连层中的短路问题对测试结果的干扰，提高了栅氧化层和介质层完整性测试的测试精度。
文档编号H01L21/66GK102097413SQ200910201199
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者何莲群, 周清华, 杨莉娟 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司