用于芯片上应力检测的方法及设备技术

本发明专利技术提供一种微电子芯片装置，其包含：半导体衬底；及多个芯片上应变传感器(OCSS)，其在所述衬底上构建在所述衬底的各个位置处。所述OCSS可各自包含经配置以感测所述各个位置中的位置处的应变且产生表示那个位置处的所述应变的应变信号的多个压阻装置。应变测量电路也可经构建在所述半导体衬底上且经配置以从由所述OCSS产生的所述应变信号测量应变参数。所述应变参数表示所述各个位置处的所述应变。所述应变参数的值可用于分析所述芯片装置上的机械应力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于芯片上应力检测的方法及设备优先权主张本申请案主张2019年3月6日申请的第16/294,469号美国专利申请案的优先权的权益，其依据35U.S.C.§119(e)主张2018年12月31日申请的第62/786,762号美国临时专利申请案的优先权的权益，两个所述申请案的全部内容以引用方式并入。
技术介绍
在集成电路(IC)装置的制造期间，在裸片上产生机械应力。当IC装置用于电子装置中时，此类机械应力可能影响IC装置的性能。当IC装置经受无法忍受的机械应力量时，性能可能劣化到装置故障点，这例如引起参数偏移超出规格。机械力以及其它因素(例如电、热、化学物质及/或辐射)在IC装置的制造、组装及封装期间施加到IC装置时可能导致裸片上的各种程度的机械应变及应力。因此，可能起因于正常制造过程及包含IC设计缺陷的异常状况的此类因素促成导致装置故障的各种机制。尤其已开发用于基于这些因素的分析预测此类装置故障的模型。然而，此类模型无法考虑由特定IC装置经历的实际事件及状况，且因此仅可估计那个IC装置的最终故障的概率。附图说明在不一定按比例绘制的附图中，类似数字可在不同视图中描述类似组件。附图以实例方式而非限制方式大体上说明本文献中所论述的各种实施例。图1是说明用于使用一或多个芯片上应变传感器(OCSS)分析微电子芯片装置上的机械应力的系统的实施例的框图。图2是说明具有内建应力分析系统(例如图1的系统)的微电子装置的实施例的框图。图3是构建在半导体衬底结构(例如图2的微电子装置的衬底)上的OCSS的实施例的说明。图4是彼此相邻放置的一对OCSS的实施例的说明。图5是说明用于从由多个OCSS感测的应变信号测量应变参数的应变测量电路的实施例的框图。图6是说明图5的应变测量电路的实施例的电路图。图7是说明用于在应变参数的基于时间的测量及分析中消除温度相依性的方法的实施例的流程图。图8是说明用于在应变参数的基于电压的测量及分析中消除温度相依性的方法的实施例的流程图。图9是说明用于使用一或多个OCSS分析微电子芯片装置上的机械应力的方法的实施例的流程图。具体实施方式在以下详细描述中，参考形成其部分的附图，且在附图中以说明方式展示其中可实践本专利技术的特定实施例。足够详细地描述这些实施例以使所属领域的技术人员能够实施本专利技术，且应理解，可组合所述实施例，或可利用其它实施例且在不脱离本专利技术的精神及范围的情况下可作出结构、逻辑及电变化。在本公开中对“一”、“一个”或“各个”实施例的引用不一定是对同一实施例，且此类引用考虑一个以上实施例。以下详细描述提供实例，且本专利技术的范围由所附权利要求书及其合法等效物界定。本文献尤其论述一种用于使用一或多个芯片上应变传感器(OCSS)在集成电路(IC)装置中进行应力检测的系统及方法。各种其它技术已允许根据基于模型的模拟及/或间接测量(例如使用半导体芯片应变传感器)分析机械应力对IC装置的性能的效应。本标的物允许使用OCSS直接测量实际IC裸片上的机械应力。此直接测量可在制造期间执行，包含所制造装置的工艺及封装以及应用。“工艺”可包含晶片制造因素及工艺。OCSS可用于为膜应力提供大批量制造(HVM)电代理(其与膜厚度及膜性质相关)，以缩短间隙且识别可靠性教训，例如破裂或分层。“封装”可包含并非晶片的任何形状因子。OCSS可用于提供HVM电代理以用于与膜堆叠应力相关的良率问题，所述良率问题导致装置异常，例如翘曲及变形。此类应力可与以下项相关联：封装类型；封装材料及其性质；及间隔件、空隙及入口的使用等。OCSS可用于出于由于应力所致的迁移率变动的顾忌而评估阵列下CMOS的硅的模拟的方法中。在各种实施例中，OCSS可取决于预期应力分布而策略性地分布在每一裸片上。在各种实施例中，基于呈各种形式的OCSS的电阻的变化检测应力，例如响应于变化应力水平的变化(例如，在施加或形成应力之前及之后)及/或从同一裸片上的一个位置到另一位置的变化。本标的物可例如提供HVM数据以量化在机械应力及/或热应力修改硅的特性以相应地采取措施之后识别的电变动，提供有关空间应力分量的HVM数据以消除物理裸片检验的要求(例如，用于封装翘曲测量的阴影叠纹法)，及/或提供由于硅遭受机械应力及热应力所致的电效应的信息。OCSS可用于特性化每一裸片上的相对应力及应变以更快地识别最低风险的解决方案及预防措施，由此减少开发循环时间。OCSS可用于收集表示机械应力及/或热应力对每一裸片的效应的电经验数据，且提供可测量最终IC装置产品的质量及可靠性的HVM。OCSS可用于缩短客户退回的间隙且加快问题识别速度并提供对预防措施的反馈。将一或多个OCSS并入到每一裸片中不需要特殊制造技术。使用OCSS进行的测量并非破坏性的。对每个裸片执行基于OCSS的测量足够快且在HVM中是可行的。本标的物还可使用电路提供OCSS感测信号的芯片上测量(即，电阻变化)，所述电路用作高相对精度芯片上数字欧姆表且经设计用于制造、可靠性及测试。经测量数据可用于与工艺及封装相关的质量及可靠性问题的预测控制。图1是说明用于使用一或多个OCSS102分析微电子装置上的机械应力的应力分析系统100的实施例的框图。OCSS102各自构建在微电子芯片装置的衬底上。为了以下论述清楚起见，除非语言或上下文另外明确指示，否则术语“衬底”在本文中用于识别基础衬底，例如半导体衬底；且术语“衬底组合物”在本文中用于识别如形成例如半导体装置所需的其上形成有额外结构的半导体衬底。因此，可形成“建置在衬底上”或“构建在衬底上”的OCSS：至少部分地在半导体衬底本身的尺寸内(例如，在半导体衬底内的掺杂区中)或替代地可至少部分地形成在半导体衬底上方形成的材料层中。例如，第一OCSS的组件可至少部分地形成在衬底内的掺杂区内，且部分地形成在衬底上方形成的材料内；且一或多个额外OCSS可完全形成在从半导体衬底向外安置的层中。根据本文描述，所有此类OCSS均“建置在衬底上”或“构建在衬底上”。在各种实施例中，微电子装置包含具有包含OCSS102的微电子装置的IC芯片。在各种实施例中，OCSS102包含分布在芯片上以减少应变测量中的噪声的多个OCSS。此噪声可与在制造过程期间芯片上的各种因素的非均匀分布(例如电压及温度分布)相关联。OCSS102可各自感测芯片的一部分上的应变且产生表示应变的应变信号。在各种实施例中，OCSS102可各自使用压阻效应感测应变信号。压阻效应包含响应于施加到半导体或金属结构的机械应力的所述结构的电阻率的变化。半导体(包含但不限于锗、多晶硅、非晶硅及单晶硅)的压阻效应用于感测应变。在IC芯片中使用此类半导体允许将应变传感器集成到各种微电子电路装置中。最简单形式的压阻装置包含压阻器，所述压阻器可由多种压阻材料制成且可用于感测机械应变。压阻硅传感器的实例包含压阻器，所述压阻器由P或N衬底内的简单的两个接触扩散N或P阱组成。额外P+或N+扩散潜在地用于促进与装置的欧姆接触。由在机械应力下压阻器的变形引起的电阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微电子芯片装置，其包括：/n半导体衬底，其具有边缘及拐角；/n多个芯片上应变传感器(OCSS)，其在所述衬底上构建在所述衬底的各个位置处，所述OCSS中的至少一者包含经配置以感测所述OCSS的位置处的应变且产生表示那个位置处的所述应变的应变信号的多个压阻装置，所述多个压阻装置包含至少一对互补的N型及P型半导体电阻器；及/n应变测量电路，其经构建在所述半导体衬底上且经配置以从由所述OCSS产生的所述应变信号测量应变参数，所述应变参数表示所述各个位置处的所述应变。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181231 US 62/786,762;20190306 US 16/294,4691.一种微电子芯片装置，其包括：
半导体衬底，其具有边缘及拐角；
多个芯片上应变传感器(OCSS)，其在所述衬底上构建在所述衬底的各个位置处，所述OCSS中的至少一者包含经配置以感测所述OCSS的位置处的应变且产生表示那个位置处的所述应变的应变信号的多个压阻装置，所述多个压阻装置包含至少一对互补的N型及P型半导体电阻器；及
应变测量电路，其经构建在所述半导体衬底上且经配置以从由所述OCSS产生的所述应变信号测量应变参数，所述应变参数表示所述各个位置处的所述应变。


2.根据权利要求1所述的装置，其中所述OCSS是沿所述衬底的所述边缘中的一或多个边缘且靠近所述衬底的所述拐角中的一或多个拐角分布，且进一步包括应变分析电路，所述应变分析电路经构建在所述半导体衬底上且经配置以接收所述经测量应变参数并通过处理选自所述经测量应变参数的应变参数以表示所述各个位置中的两个或更多个位置处的所述应变来分析所述装置上的机械应力。


3.根据权利要求2所述的装置，其中所述应变分析电路进一步经配置以基于在各种状况下测量的所述选定应变参数分析所述装置上的所述机械应力。


4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其中所述OCSS经分布在所述衬底上的在所述装置的制造期间预期有最大应变的位置中。


5.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其中所述多个OCSS包括彼此相邻放置的一对OCSS，且其中每一OCSS包含经配置以感测应变的多个压阻装置。


6.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其进一步包括多路复用器，所述多路复用器经耦合在所述应变测量电路与一或多个OCSS的所述多个压阻装置之间，且其中所述应变测量电路经配置以通过一次从选自所述多个压阻装置的一或多个压阻装置感测来产生所述应变信号。


7.根据权利要求6所述的装置，其中所述多个压阻装置包括第三压阻装置，且其中所述应变测量电路经配置以从所述一对互补的N型及P型半导体电阻器感测以产生具有所要振幅的所述应变信号且从所述第三压阻装置感测以产生具有所要粒度的所述应变信号。


8.一种微电子芯片装置，其包括：
半导体衬底，其具有边缘及拐角；
多个芯片上应变传感器(OCSS)，其在所述衬底上构建在所述衬底的各个位置处，所述OCSS各自包含经配置以感测所述各个位置中的位置处的应变且产生表示那个位置处的所述应变的应变信号的一或多个压阻装置；及
应变测量电路，其经构建在所述半导体衬底上且经配置以使用所述应变信号测量应变参数，所述应变测量电路包含：
振荡器，其经配置以通过由所述OCSS产生的所述应变信号的应变信号来驱动以生成具有依据所述驱动应变信号的频率的振荡信号；及
计数器，其经配置以测量所述振荡信号的所述频率且基于所述频率产生所述经测量应变参数中的应变参数。


9.根据权利要求8所述的装置，其中所述OCSS是沿所述衬底的一或多个边缘分布且分布在所述衬底的一或多个拐角处，且进一步包括应变分析电路，所述应变分析电路经构建在所述半导体衬底上且经配置以接收所述经测量应变参数并通过处理选自所述经测量应变参数的应变参数以表示所述各个位置中的两个或更多个位置处的所述应变来分析所述装置上的机械应力。


10.根据权利要求9所述的装置，其中所述应变分析电路进一步经配置以基于在各个时间测量的所述选定应变参数分析所述装置上的所述机械应力。


11.根据权利要求8到10中任一权利要求所述的装置，其中所述OCSS经分布在所述衬底上的在所述装置的制造期间预期有最大应变的位置中。


12.根据权利要求8到10中任一权利要求所述的装置，其中所述OCSS包括彼此相邻放置的一或多对OCSS。


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【专利技术属性】
技术研发人员：K·W·马尔，C·切拉福利，M·皮卡尔迪，MD·蒂布尔齐，E·H·弗雷曼，J·D·托迈科，
申请(专利权)人：美光科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US