本发明专利技术涉及一种用于测量诸如集成电路管芯的后道工艺部分的分层金属化结构中机械应力的传感器。该传感器用作包括栅电极(1)、栅极介电(5)、沟道(6)以及源极和漏极(7、8)的场效应晶体管，其中，栅电极是第一金属化层的导体(1)，而源极和漏极电极是两个互连通孔(7、8)，将沟道(6)连接至相邻层中的各个导体(3、4)。互连通孔中的至少一个通孔由其电阻对通孔方向上的机械应力敏感的材料形成。电阻对机械应力的敏感性足以通过读出晶体管的漏极电流来对应力进行测量。传感器因此允许在开裂发生前监测BEOL中的应力。
【技术实现步骤摘要】
用于测量微电子元件分层金属化结构中机械应力的传感器
本专利技术涉及针对诸如集成电路管芯之类的微电子元件中的机械应力的测量。
技术介绍
在集成电路管芯的后道工艺(BEOL)制造工艺中，越来越多地使用低K介电材料导致了涉及管芯机械稳定性的问题。低K材料是机械易碎的并且可能容易开裂。可能发生开裂的薄弱点取决于BEOL布局中通孔的图案。通孔密度较低的区域在机械上较弱。开裂通常在集成电路的封装或相关的后处理运行期间发生。除了形成开裂外，在垂直于BEOL部分各层的方向上的机械应力可能会导致这些层的层离，从而导致芯片损坏。当前的解决方案主要限于基于连通性检查以检测开裂的外观的BEOL传感器。但是，这些解决方案无法确定开裂形成之前的应力累积。例如从文献US2016/0377497中已知的BEOL中的电容性应力传感器。但是，这种类型的传感器不适用于局部应力感测，因为它需要应用难以精确测量的小电容。可通过重新设计BEOL布局来解决BEOL中开裂形成和扩展的问题。但是，当前的重新设计是在反复试验的基础上进行的：例如，重新设计直到布局在封装期间被证明具有抗裂性为止。这种方式增加了芯片的设计时间和制造成本。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种应力传感器，该应力传感器可被结合在IC的后道工艺部分中，并且可以解决目前已知的解决方案的上述问题。根据所附权利要求，此目的是通过传感器并通过微电子元件来实现的。本专利技术涉及一种用于测量诸如集成电路管芯的后道工艺部分的分层金属化结构中机械应力的传感器。该传感器用作包括栅电极、栅极介电、沟道以及源极和漏极的场效应晶体管，其中，栅电极是第一金属化层的导体，而源极和漏极电极是两个互连通孔，将沟道连接至相邻层中的各个导体。互连通孔中的至少一个通孔由其电阻对通孔方向上的机械应力敏感的材料形成。电阻对机械应力的敏感性足以通过在晶体管处于导通状态时读出晶体管的漏极电流来对应力进行测量。传感器因此允许在开裂发生前监测BEOL中的机械应力。传感器基于测量电阻的变化，并因此适合于局部应力感测。本专利技术尤其涉及一种被结合在分层结构中的应力传感器，该分层结构包括多层，该多层包括电导体和用于互连不同层的导体的通孔连接，各层的导体和通孔连接被嵌入在介电材料的层中，应力传感器包括：-在分层结构的第一层中的第一导体，该第一导体执行晶体管的栅电极的功能，-与该第一导体接触的介电层，所述层执行晶体管的栅极介电的功能，-在介电层上的一部分半导体材料，所述部分执行晶体管的沟道的功能，-与沟道电接触的第一和第二通孔，该第一和第二通孔分别执行晶体管的源极和漏极的功能，通孔在与第一层相邻的第二层中被电连接到各个导体，其中，各通孔中的至少一个通孔，以下称为“伪通孔(pseudo-via)”，由其电阻对沿通孔方向作用在分层结构上的机械应力敏感的材料形成，并且其中至少一个伪通孔的电阻对机械应力的敏感性足以通过在晶体管处于导通状态时读出晶体管的漏极电流来对应力进行测量。根据一个实施例，沟道和至少一个伪通孔由相同的材料形成。在后一种情况下，可对至少一个伪通孔和沟道进行掺杂，并且至少一个伪通孔中的掺杂剂密度可与沟道中的密度不同。根据一个实施例，至少一个伪通孔由非晶硅或多晶硅形成。根据另一实施例，至少一个伪通孔由铟镓锌氧化物(IGZO)形成。根据一个实施例，第一和第二通孔两者都是伪通孔。根据一个实施例，仅第一通孔是伪通孔，并且其中第二通孔通过第二通孔和沟道之间的接触材料连接到沟道。根据一个实施例，至少一个伪通孔的电阻的敏感性高于或等于50ppm/MPa。本专利技术同样涉及一种包括分层结构的微电子元件，该分层结构包括多层，该多层包括电导体和用于互连不同层的导体的通孔连接，各层的导体和通孔连接被嵌入在介电材料的层中，并且其中根据本专利技术的至少一个传感器被结合在微电子元件的分层结构中。根据基于本专利技术的元件的实施例，多个传感器跨至少部分分层结构的表面区域分布，并且其中多个传感器可通过耦合到传感器的栅电极的各个字线和通过多个位线来访问，其中每个位线将传感器子组的源电极或漏电极互连。各传感器可以以规则间隔的二维阵列布置。根据一个实施例，此元件是集成电路管芯，并且分层结构是管芯的后道工艺(BEOL)部分。介电材料可以是低K介电材料。本专利技术还涉及根据本专利技术的传感器的用途，用于测量在垂直于分层结构的各层的方向上的应力，该分层结构包括多层，该多层包括电导体和用于互连不同层的导体的通孔连接，各层的导体和通孔连接被嵌入在介电材料的层中。根据上文描述的使用的一个实施例，应力传感器的二维阵列被包括在集成电路芯片的BEOL部分的设计中，并且该使用包括以下阶段：-在处理晶片上制造多个芯片，每个芯片包括所述传感器阵列，-使处理晶片受到机械应力，-测量传感器所在位置处的应力，从而确定芯片的BEOL部分中的任何薄弱点，-如果检测到薄弱点，则重新设计BEOL部分以便消除该薄弱点。附图说明图1例示了根据本专利技术的一个实施例的应力传感器的结构。图2例示了根据一个实施例的传感器，其中标准通孔和沟道之间没有接触材料。图3例示了根据一个实施例的传感器，其中第一和第二通孔两者均为伪通孔。图4例示了根据本专利技术的多个传感器如何能够互连。图5a至图5i例示了用于制造根据本专利技术的传感器的可能的方法步骤。具体实施方式根据本专利技术的传感器基本上是结合在诸如集成电路管芯的后道工艺(BEOL)部分的分层金属化结构中的场效应晶体管。图1例示了在IC的BEOL部分中的根据本专利技术的传感器的实现。该图示出了两个金属化层Mn和Mn+1。第一层Mn包括导体1，如果Mn是第一金属化层M1，则导体1可以是嵌入在介电材料2中的金属线，该介电材料2被称为层间介电(ILD)或金属前介电(PMD)。介电2可以是本领域已知的低K介电材料。第二层Mn+1同样包括ILD材料2，并进一步包括两条平行的导体线3和4。在导体1的顶部上提供栅极介电5以及由半导体材料形成的沟道6。栅极介电5可由例如氮化硅(SiN)、氧化铝(Al2O3)或氧化铪(HfO2)或符合高质量栅极介电的任何其他材料或材料堆叠形成。沟道6在层Mn+1中通过两个相应的互连通孔7和8电连接到两个导体3和4。导体1用作晶体管的栅电极，其中通孔7和8分别用作源极和漏极或相反，这取决于传感器如何连接到电压源以及参考或接地电位。电极可经由IC外部的端子被访问，并经由BEOL网络被连接到电极1、7和8。根据本专利技术，通孔7和8中的至少一个由其电阻对垂直于BEOL的各层的方向上的机械应力敏感的材料形成。在图1所示的实施例中，左侧通孔7是这样的应力敏感通孔，而右侧通孔8由用于BEOL工艺的标准低电阻材料(例如铜)制成。应力敏感通孔7在下文中被称为“伪通孔”。适用于伪通孔的任何材料都在流经伪通孔的电流方向上表现出对机械应力的电阻敏感性。可对该材料进行掺杂以便调谐电阻。合适的材料是非晶硅、多晶硅(polycrystal本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种被结合在分层结构中的应力传感器，所述分层结构包括多层(M
【技术特征摘要】
20181108 EP 18205087.21.一种被结合在分层结构中的应力传感器，所述分层结构包括多层(Mn、Mn+1)，所述多层包括电导体(1、3、4)和用于互连不同层的导体的通孔连接(7、8)，各层的所述导体和通孔连接被嵌入在介电材料(2)的层中，所述应力传感器包括：
-在所述分层结构的第一层(Mn)中的第一导体(1)，所述第一导体执行晶体管的栅电极的功能，
-与所述第一导体(1)接触的介电层(5)，所述层执行所述晶体管的栅极介电的功能，
-在所述介电层(5)上的一部分(6)半导体材料，所述部分执行所述晶体管的沟道的功能，
-与所述沟道(6)电接触的第一和第二通孔(7、8)，所述第一和第二通孔分别执行所述晶体管的源极和漏极的功能，所述通孔(7、8)在与所述第一层(Mn)相邻的第二层(Mn+1)中被电连接到各个导体(3、4)，
其中，所述通孔(7)中的至少一个通孔，以下称为“伪通孔”，由其电阻对沿所述通孔方向作用在所述分层结构上的机械应力敏感的材料形成，并且其中所述至少一个伪通孔(7)的所述电阻对所述机械应力的敏感性足以通过在所述晶体管处于导通状态时读出所述晶体管的所述漏极电流来对所述应力进行测量。
2.如权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述沟道(6)和所述至少一个伪通孔(7)由同一材料形成。
3.如权利要求2所述的应力传感器，其特征在于，所述至少一个伪通孔(7)和所述沟道(6)被掺杂，并且其中所述至少一个伪通孔(7)中的掺杂剂密度与所述沟道(6)中的所述密度不同。
4.如前述权利要求中任一项所述的应力传感器，其特征在于，所述至少一个伪通孔(7)由非晶硅或多晶硅形成。
5.如权利要求1至3中任一项所述的应力传感器，其特征在于，所述至少一个伪通孔(7)由铟镓锌氧化物(IGZO)形成。
6.如前述权利要求中任一项所述的应力传感器，其特征在于，所述第一和第二通孔(7、8)两者都是伪通孔。
7.如前述权利要求中任一项所述的应力传感器，其特征在于，仅所述第一通孔(7)是伪通孔，并且其中所述第二通孔(...
【专利技术属性】
技术研发人员：G·西布罗特，L·克尔朱卡，
申请(专利权)人：IMEC非营利协会，
类型：发明
国别省市：比利时;BE
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