测试结构及其形成方法、测试方法技术

一种测试结构及其形成方法、测试方法，其中，所述测试结构包括：半导体衬底，位于半导体衬底内的硅通孔互连结构；覆盖所述半导体衬底的介质层；位于介质层中的相互分离的第一金属互连层和第二金属互连层，所述第一金属互连层和第二金属互连层包括第二扩散阻挡层、以及位于第二扩散阻挡层上的铝金属层，所述第一金属互连层与硅通孔互连结构的表面相连接，第二金属互连层形状为环形，第一金属互连层位于环形内；与第一金属互连层相连接的第一测试端；与第二金属互连层相连接的第二测试端。本发明专利技术的测试结构能检测扩散阻挡层是否存在断裂缺陷，并能定位断裂缺陷的位置。

【技术实现步骤摘要】
测试结构及其形成方法、测试方法
本专利技术涉及半导体制作领域，特别涉及一种测试结构及其形成方法、测试方法。
技术介绍
随着半导体技术不断发展，目前半导体器件的特征尺寸已经变得非常小，希望在二维的封装结构中增加半导体器件的数量变得越来越困难，因此三维封装成为一种能有效提高芯片集成度的方法。目前的三维封装包括基于引线键合的芯片堆叠（DieStacking）、封装堆叠（PackageStacking）和基于硅通孔（ThroughSiliconVia，TSV）的三维堆叠。其中，利用硅通孔的三维堆叠技术具有以下三个优点：（1）高密度集成；（2）大幅地缩短电互连的长度，从而可以很好地解决出现在二维系统级芯片（SOC）技术中的信号延迟等问题；（3）利用硅通孔技术，可以把具有不同功能的芯片（如射频、内存、逻辑、MEMS等）集成在一起来实现封装芯片的多功能。因此，所述利用硅通孔互连结构的三维堆叠技术日益成为一种较为流行的芯片封装技术。请参考图1，目前硅通孔互连结构的形成方法包括：在半导体衬底101上形成硬掩膜层105，硬掩膜层105材料为氧化硅或氮化硅；刻蚀所述硬掩膜层105和半导体衬底101形成通孔；在通孔的侧壁和底部表面形成绝缘层，绝缘层材料为氧化硅；采用电镀的方法将铜填充满通孔，并用化学机械抛光移除多余的铜金属层，形成硅通孔互连结构102；在所述硅通孔互连结构102和硬掩膜层105上形成扩散阻挡层104；在扩散阻挡层104上形成第一金属层103，第一金属层103的材料为铝，所述扩散阻挡层104阻挡硅通孔互连结构102中的铜原子向第一金属层103中扩散；形成覆盖所述第一金属层103和硬掩膜层105的介质层106，介质层106的材料为氧化硅。硅通孔互连结构中，相对于半导体衬底材料和绝缘层材料的热膨胀系数，金属铜的热膨胀系数最大，后续工艺包含热处理工艺时，硅通孔互连结构102容易发生碰撞，硅通孔互连结构102的垂直方向（垂直与半导体衬底101的方向）的位移，容易使得第一金属层103和硅通孔互连结构102之间的扩散阻挡层104发生断裂，在第一金属层103和硅通孔互连结构102的交界面上形成断裂缺陷11，具体请参考图2，从图2中可以看出，硅通孔互连结构102纵向膨胀，会挤压上方的扩散阻挡层104，在扩散阻挡层104与硅通孔互连结构102的边缘交界处形成断裂缺陷11，使得第一金属层103的金属和硅通孔互连结构102中的铜通过该断裂缺陷11会相互扩散，硅通孔互连结构102中的铜扩散到第一金属层103中后，在高温的条件下，容易继续向介质层106中扩散，从而容易引起半导体器件的失效，降低了半导体器件的可靠性。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是怎样检测扩散阻挡层断裂时带来的器件失效。为解决上述问题，本专利技术提供一种测试结构，包括：半导体衬底，位于半导体衬底内的硅通孔互连结构；覆盖所述半导体衬底的介质层；位于介质层中的相互分离的第一金属互连层和第二金属互连层，所述第一金属互连层和第二金属互连层包括第二扩散阻挡层、以及位于第二扩散阻挡层上的铝金属层，所述第一金属互连层与硅通孔互连结构的表面相连接，第二金属互连层形状为环形，第一金属互连层位于环形内；与第一金属互连层相连接的第一测试端；与第二金属互连层相连接的第二测试端。可选的，所述硅通孔互连结构包括位于半导体衬底内的通孔、位于通孔侧壁和底部的绝缘层、位于绝缘层表面的第一扩散阻挡层、以及位于扩散阻挡层上且填充通孔的铜金属层。可选的，所述第一金属互连层位于硅通孔互连结构的正上方，第一金属互连层的尺寸大于硅通孔互连结构的尺寸。可选的，所述第一金属互连层的边缘与硅通孔互连结构边缘的距离为4～6微米。可选的，所述第一金属互连层位于第二金属互连层的环形的中心位置。可选的，所述第一金属互连层与第二金属互连层之间的距离为3～5微米。可选的，所述环形的第二金属互连层包括分立的至少两个子环形，分立的至少两个子环形环绕所述第一金属互连层。可选的，所述第二测试端包括若干子测试端，子测试端的数量与子环形的数量相等，且每个子测试端与相应的子环形相连。可选的，每个子环形的弧度相等，且等角度的环绕所述第一金属互连层。本专利技术还提供了一种测试方法，包括：提供测试结构，所述测试结构包括：半导体衬底，位于半导体衬底内的硅通孔互连结构；覆盖所述半导体衬底的介质层；位于介质层中的相互分离的第一金属互连层和第二金属互连层，所述第一金属互连层和第二金属互连层包括第二扩散阻挡层、以及位于第二扩散阻挡层上的铝金属层，所述第一金属互连层与硅通孔互连结构的表面相连接，第二金属互连层形状为环形，第一金属互连层位于环形内；与第一金属互连层相连接的第一测试端；与第二金属互连层相连接的第二测试端；将第一测试端连接电源端，第二测试端接地；测量获得第一测试端和第二测试端之间的漏电流值；当漏电流值的大于参考电流值时，则硅通孔互连结构与第一金属互连层之间的第二扩散阻挡层存在断裂缺陷。可选的，所述电源端的电压大小为1～20伏。可选的，所述参考电流值的大小为1E-6～9E-6安。可选的，所述环形的第二金属互连层包括分立的至少两个子环形，分立的至少两个子环形环绕所述第一金属层，所述第二测试端包括若干子测试端，子测试端的数量与子环形的数量相等，且每个子测试端与相应的子环形相连，每个子测试端接地。可选的，分别测试第一测试端与每个子测试端之间的电流，获得若干子测试电流，当某一个子测试电流大于参考电流值时，则与该子环形位置对应的第二扩散阻挡层区域存在断裂缺陷。本专利技术还提供了一种测试结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底内形成硅通孔互连结构；在所述半导体衬底上形成相互分离的第一金属互连层和第二金属互连层，所述第一金属互连层和第二金属互连层包括第二扩散阻挡层、以及位于第二扩散阻挡层上的铝金属层，所述第一金属互连层与硅通孔互连结构的表面相连接，第二金属互连层形状为环形，第一金属互连层位于环形内；形成覆盖所述第一金属互连层、第二金属互连层和半导体衬底的介质层；形成与第一金属互连层相连的第一测试端，与第二金属互连层连接的第二测试端。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下优点：所述测试结构包括分立的第一金属互连层和第二金属互连层，第一金属互连层位于硅通孔互连结构上并与硅通孔互连结构相连接，第二金属互连层为环形，第二金属互连层环绕所述第一金属互连层，因此无论第二扩散阻挡层与硅通孔互连结构的边缘的交界处在哪个方向发生断裂缺陷，本专利技术的测试结构均能通过检测第一金属互连层和第二金属互连层之间的漏电流，通过电流值的大小可以判断第二扩散阻挡层是否断裂，硅通孔互连结构中的金属是否扩散到第一金属互连层中和介质层中。进一步，第一金属互连层位于第二金属互连层的环形的中心位置，可以使得第二金属互连层在环形的一周与第一金属互连层的边缘的距离是相等的，当第二扩散阻挡层产生断裂缺陷时，在各个方向上，铜原子经过第一金属互连层向第二金属互连层方向扩散的路径是相等的，提高了后续测量的准确度和灵敏度。进一步，所述环形的第二金属互连层包括若干分立的子环形，若干分立的子环形环绕所述第一金属互连层，因此分别测量第一金属互连层与每个子环形之间的漏电流的大小，既能检测第二扩散阻挡层是否有断裂缺陷，还可以根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测试结构，其特征在于，包括：半导体衬底，位于半导体衬底内的硅通孔互连结构；覆盖所述半导体衬底的介质层；位于介质层中的相互分离的第一金属互连层和第二金属互连层，所述第一金属互连层和第二金属互连层包括第二扩散阻挡层、以及位于第二扩散阻挡层上的铝金属层，所述第一金属互连层与硅通孔互连结构的表面相连接，第二金属互连层形状为环形，第一金属互连层位于环形内；与第一金属互连层相连接的第一测试端；与第二金属互连层相连接的第二测试端。

【技术特征摘要】
1.一种测试结构，其特征在于，包括：半导体衬底，位于半导体衬底内的硅通孔互连结构；覆盖所述半导体衬底的介质层；位于介质层中的相互分离的第一金属互连层和第二金属互连层，所述第一金属互连层和第二金属互连层包括第二扩散阻挡层、以及位于第二扩散阻挡层上的铝金属层，所述第一金属互连层与硅通孔互连结构的表面相连接，第二金属互连层形状为环形，所述环形的第二金属互连层包括分立的至少两个子环形，分立的至少两个子环形环绕所述第一金属互连层；与第一金属互连层相连接的第一测试端；与第二金属互连层相连接的第二测试端。2.如权利要求1所述的测试结构，其特征在于，所述硅通孔互连结构包括位于半导体衬底内的通孔、位于通孔侧壁和底部的绝缘层、位于绝缘层表面的第一扩散阻挡层、以及位于第一扩散阻挡层上且填充通孔的铜金属层。3.如权利要求1所述的测试结构，其特征在于，所述第一金属互连层位于硅通孔互连结构的正上方，第一金属互连层的尺寸大于硅通孔互连结构的尺寸。4.如权利要求3所述的测试结构，其特征在于，所述第一金属互连层的边缘与硅通孔互连结构边缘的距离为4～6微米。5.如权利要求1所述的测试结构，其特征在于，所述第一金属互连层位于第二金属互连层的环形的中心位置。6.如权利要求5所述的测试结构，其特征在于，所述第一金属互连层与第二金属互连层之间的距离为3～5微米。7.如权利要求1所述的测试结构，其特征在于，所述第二测试端包括若干子测试端，子测试端的数量与子环形的数量相等，且每个子测试端与相应的子环形相连。8.如权利要求1所述的测试结构，其特征在于，每个子环形的弧度相等，且等角度的环绕所述第一金属互连层。9.一种测试方法，其特征在于，包括：提供测试结构，所述测试结构包括：半导体衬底，位于半导体衬底内的硅通孔互连结构；覆盖所述半导体衬底的介质层；位于介质层中的相互分离的第一金属互连层和第二金属互连层，所述第一金...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新，戚德奎，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31