一种铜金属互连电迁移测试结构及其测试方法技术

本发明专利技术公开了一种铜金属互连电迁移测试结构，包括一金属线，水平设置，包括；多个上层金属层，水平设置于所述金属线的上层；多个下层金属层，水平设置于所述金属线的下层；多个上层金属层连接通孔，分别连接所述上层金属层和金属线；多个下层金属层连接通孔，分别连接所述下层金属层和金属线；多个连接线，分别一端连接所述上层金属层或下层金属层；多个金属板。还公开了一种铜金属互连电迁移测试结构的测试方法。根据本发明专利技术的铜金属互连电迁移测试结构的测试结果设计出较符合工艺制程的测试结构，很好地监控金属线上端开通孔工艺对于后段金属互连结构的影响，从而改善阻挡层或者后段铜金属互连工艺，降低产品量产的风险。

【技术实现步骤摘要】
一种铜金属互连电迁移测试结构及其测试方法
本专利技术涉及一种半导体铜金属层测试结构，尤其涉及一种铜金属互连电迁移测试结构及其测试方法。
技术介绍
随着技术节点的发展，电迁移已经成为集成电路中金属互连重要的可靠性关注热点，在典型的电迁移评估中，有两种结构，包括如图1的测试电子下行情况(downstream)与如图2的测试电子上行情况(upstream)来评估电迁移的金属线或者通孔(via)的失效模式以及寿命的预测。从电迁移失效的角度来考虑，一般在测试电子上行情况(upstream)的测试结构中会出现被测金属线上孔洞(trenchvoid)以及通孔孔洞(viavoid)；在测试电子下行情况(downstream)的测试结构中一般出现通孔底部孔洞(voidbeneathvia)以及被测金属线上孔洞(trenchvoid)，所有的孔洞(void)几乎很少形成于阳极。但是随着技术节点发展，电迁移(EM，electromigration)的失效是否与之前保持一致不得而知。随着尺寸的减小，越来越薄的阻挡层(barrier)以及更好的铜(Cu)填充，来降低电路的电阻，从而提高电路的性能。但是阻挡层(barrier)的变薄，会引起较高的电迁移风险，同样也会引起测试电子下行情况(downstream)以及测试电子上行情况(upstream)的测试结构的失效机理的不同。如图6所示，上端开通孔工艺(Upperviaopenprocess)由于使用了湿的化学试剂对于铜与阻挡层的相接界面处(Cu/barrierinterface)会产生一定的破坏(damage)，从而使得金属线边缘的Cu原子在电子风的作用下更容易发生扩散，使得EM的测试结构更容易发生破坏，而这种状况与工艺也是一致的。所以，通常使用的EMupstream结构具有一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术中的上述问题提出了一种能更为精确的估算到金属线实际使用寿命的铜金属互连电迁移测试结构及其测试方法。首先本专利技术提供了一种铜金属互连电迁移测试结构。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种铜金属互连电迁移测试结构，包括一金属线，水平设置，包括；多个上层金属层，水平设置于所述金属线的上层；多个下层金属层，水平设置于所述金属线的下层；多个上层金属层连接通孔，分别连接所述上层金属层和金属线；多个下层金属层连接通孔，分别连接所述下层金属层和金属线；多个连接线，分别一端连接所述上层金属层或下层金属层；多个金属板，分别设置至少两个金属板连接于同一连接线的另一端。为了进一步优化上述技术方案，本专利技术所采取的技术措施为：优选的，所述上层金属层同水平面设置两个，彼此间相对所述金属线的中线对称设置。更优选的，所述下层金属层同水平面设置两个，彼此间相对所述金属线的中线对称设置。更优选的，所述金属板在同一连接线上并排设置多个。更优选的，所述金属线设置为铜双大马士革结构。更优选的，所述金属线从上到下依次设置有第一low-k材质层、硅碳氮层、铜金属层、阻挡层、第二low-k材质层。更优选的，所述阻挡层为钽与氮化钽材质。更优选的，所述铜金属层设置在阻挡层和硅碳氮层围合而成的腔体内。更优选的，所述阻挡层设置在第二low-k材质层和硅碳氮层围合而成的腔体内。其次本专利技术提供了一种铜金属互连电迁移测试结构的测试方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种铜金属互连电迁移测试结构的测试方法，包括如下步骤：S1选择同一组相同材质和设置的多个铜金属互连电迁移测试结构作为测试样品；S2选择其中一个铜金属互连电迁移测试结构的两个不同的连接线一和连接线二；S3连接线一上设置的金属板一和金属板二串联；连接线二上设置的金属板三和金属板四串联；S4在连接线一和连接线二相对更远端的金属板二和金属板四之间加电流应力；S5在连接线一和连接线二相对更近端的金属板一和金属板三之间量测两端电压；S6根据电流和电压计算出金属线阻值；S7持续记录电流和电压，并实时计算出阻值变化，达到10％的电阻偏移后，记录电迁移失效时间；S8根据电迁移失效时间计算活化能因子；S9根据布拉克方程计算出样品的工作失效时间；S10对本组所有的铜金属互连电迁移测试结构的测试样品进行S2-S9的测试步骤；S11对所有的测试样品的工作失效时间取对数正态分布，推算出累积失效率为0.1％时，工作条件下所述金属线的寿命；S12选择另一对不同的连接线并对所有样品进行S10-S11的测试步骤；S13根据得到的所有的多个不同电流路径的所述金属线的寿命的测试数据，对所述金属线的抗电迁移性能进行评估。本专利技术采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：根据本专利技术的铜金属互连电迁移测试结构的测试结果设计出较符合工艺制程的测试结构，很好地监控金属线上端开通孔工艺(upperviaopenprocess)对于后段金属互连结构的影响，从而改善阻挡层(barrier)或者后段铜(Cu)金属互连工艺，降低产品量产的风险。这种测试结构的设计更能真实的模拟电路结构，能更好地监测工艺制程对后段金属互连结构寿命的影响，从而更早地发现工艺制程中的问题，达到及时改善工艺的目的。本专利技术从新的电迁移的失效机理角度出发，对于金属线上端开通孔工艺(vialandingonmetaledge)对于通孔落在金属线边缘工艺对铜与阻挡层界面之间(Cu/Barrier)造成的破坏(damage)而引起的铜(Cu)原子在电子风的作用形成的较快的扩散路径，这样的一个过程进行有效的监控，有效改善工艺过程中出现的阻挡层(barrier)过薄引起的易发生电迁移的问题以及阻挡层(barrier)过厚造成的整个芯片的后段电路的阻值较高，芯片性能下降的问题。而且尺寸的进一步的缩小对于整个金属线的失效时间的影响因素增多，在原有的测试结构，如只有测试电子下行情况(downstream)或测试电子上行情况(upstream)的测试方法中，只能分析一部分的情况，无法从总体上更精确的得到整个金属线的测试结果。而且在进一步缩小了金属线的参数后，还会有其他的影响因素，在现有的实验条件下，因为工艺的限制，很难得到理想的金属线，而现有的测试手段并不能很精确的得到整条金属线的使用寿命，因此需要进行实际金属线的测试，本专利技术能直接得到更为精确的实际使用时的金属线的失效时间数据，与测试部分参数后按理论值估算出的失效时间相比，更为精确。附图说明图1为现有的测试电子下行情况的测试结构图；图2为现有的测试电子上行情况的测试结构图；图3为本专利技术的一种优选实施例的铜金属互连电迁移测试结构的局部图；图4为本专利技术的一种优选实施例的铜金属互连电迁移测试结构的整体图；图5为本专利技术的一种优选实施例的金属线的剖视图；图6为本专利技术的一种优选实施例的金属线的剖视图；图7为本专利技术的一种优选实施例的铜金属互连电迁移测试结构的整体图；图8为本专利技术的一种优选实施例的一种铜金属互连电迁移测试结构的测试方法的流程图；具体的附图标记为：1金属线；2上层金属层；3下层金属层；4上层金属层连接通孔；5下层金属层连接通孔；6连接线；7金属板；11第一low-k材质层；12硅碳氮层；13铜金属层；14阻挡层；15第二low-k材质层；61连接线一；62连接线二；71金属板一；72金属板本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜金属互连电迁移测试结构，其特征在于：包括一金属线，水平设置，包括；多个上层金属层，水平设置于所述金属线的上层；多个下层金属层，水平设置于所述金属线的下层；多个上层金属层连接通孔，分别连接所述上层金属层和金属线；多个下层金属层连接通孔，分别连接所述下层金属层和金属线；多个连接线，分别一端连接所述上层金属层或下层金属层；多个金属板，分别设置至少两个金属板连接于同一连接线的另一端。

【技术特征摘要】
1.一种铜金属互连电迁移测试结构，其特征在于：包括一金属线，水平设置，包括；多个上层金属层，水平设置于所述金属线的上层；多个下层金属层，水平设置于所述金属线的下层；多个上层金属层连接通孔，分别连接所述上层金属层和金属线；多个下层金属层连接通孔，分别连接所述下层金属层和金属线；多个连接线，分别一端连接所述上层金属层或下层金属层；多个金属板，分别设置至少两个金属板连接于同一连接线的另一端。2.根据权利要求1所述的铜金属互连电迁移测试结构，其特征在于：所述上层金属层同水平面设置两个，彼此间相对所述金属线的中线对称设置。3.根据权利要求2所述的铜金属互连电迁移测试结构，其特征在于：所述下层金属层同水平面设置两个，彼此间相对所述金属线的中线对称设置。4.根据权利要求3所述的铜金属互连电迁移测试结构，其特征在于：所述金属板在同一连接线上并排设置多个。5.根据权利要求4所述的铜金属互连电迁移测试结构，其特征在于：所述金属线设置为铜双大马士革结构。6.根据权利要求5所述的铜金属互连电迁移测试结构，其特征在于：所述金属线从上到下依次设置有第一low-k材质层、硅碳氮层、铜金属层、阻挡层、第二low-k材质层。7.根据权利要求6所述的铜金属互连电迁移测试结构，其特征在于：所述阻挡层为钽与氮化钽材质。8.根据权利要求7所述的铜金属互连电迁移测试结构，其特征在于：所述铜金属层设置在阻挡层和硅碳氮层围合而...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱鹏飞，郑仲馗，陈雷刚，
申请(专利权)人：上海华力微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31