专利名称：焦耳热的特征化的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明一般关于一种半导体领域。本发明更尤其关于一种用来将半导体的焦耳热特征化的方法与系统。
背景技术：
在获得速度增加的努力中，在微处理器与其它半导体装置技术的状态中，铜与低介质常数(″低-k″)的介质正取代铝以及现有的介质，譬如二氧化硅。藉由利用低k介质，相较于起因于使用现有介质而产生的电容值，半导体制造商能有利地得到减少的间层与内层电容值。不过，低k介质一般是导热性差的导体，并且在铜金属层，尤其是上部金属层中导致增加的″焦耳热″。
经由背景资料，″焦耳热″是电流遇到金属结构(譬如半导体装置中的互联机)的电阻所产生的热能。随着温度增加，金属结构中的电阻将由于在该金属结构中晶格碰撞的数量增加而增加。因此，因为增加的热能导致金属结构中的电阻增加，所以焦耳热将进一步随着电流增加而增加。由于焦耳热所产生的增加热能，半导体装置的性能可不利地受到影响。
同样地，在达成高速度的努力中，半导体制造商基本上藉由将电流密度增加到最大可允许范围，而使半导体装置的设计达到极限。结果，假如不将焦耳热所导致的热能增加考虑在半导体装置设计中的话，那么半导体装置的可靠度则可能受到不利的影响。因此，在使用铜与低k介质的半导体装置中将焦耳热特征化并且在设计那些装置上允许焦耳热的方面上，半导体制造商会受到挑战。
在现有的方法中，焦耳热系藉由对一特定金属结构进行非常多数的逐点测量而来决定，以对应注入于该金属结构内的特定电流量，而得到焦耳热量。因为非常大多数的数据点必须以个别的测量来得到，所以对应一特定结构所用的非常大次数注入电流而来决定焦耳热的制程则非�：氖�。更者，在包含数层金属层的半导体装置中，各金属层的焦耳热量则必须使用上述各金属层的耗时制程而个别地得到。
此外，在现有方法中，封装层次(同样称为烤炉层次)测量则使用来得到焦耳热数据。为了得到封装层次测量，包含一晶粒的封装必须予以切割以用于存取并且用于焦耳热测量。随后将该封装物放置于炉子中，将电流注入于在某温度的封装物内的晶粒的测试结构内，而且随后对应各电流密度，在各数据点上决定一对应的焦耳热，亦即金属结构温度的增加。因为该烤炉需要时间来加热，而且包含测试结构的晶粒必须予以切割并且聚集在封装物内，所以封装层次的测量则令人不希望地将额外的时间与经费加在得到焦耳热数据的制程。
因此则需要使半导体的焦耳热特征化的一种有效方法与系统的技艺。
发明内容
本发明满足并且解决在半导体的焦耳热特征化的有效方法与系统的技艺需求。
根据作为本发明一部份的示范具体实施例，一种在导体的焦耳热与该导体的电流密度之间建立关系的方法系藉由进行晶圆层级测量而实施。根据本示范具体实施例，进行晶圆层级的测量，以达到该导体里的电阻温度系数。该方法同样包括决定该导体的热电阻。该热电阻随后使用来在该导体的焦耳热与该导体的电流密度之间建立一种关系。如此得到的关系随后则用来决定设计规则、平均失败时间以及其它讯息，以有助于可靠半导体装置的设计。
根据另一示范具体实施例，晶圆层次的测量系统系用来在导体的焦耳热与该导体的电流密度之间建立关系。除了别的以外，该晶圆层次的测量系统还包括测量装置与加热装置。该加热装置是用来将其上具有导体的晶圆加热，而该测量装置则用来决定该导体的电阻的改变，以达成该导体的电阻温度系数。该系统随后则依据电阻的温度系数而来决定该导体的热电阻，在此处该热电阻系使用来建立导体的焦耳热与电流密度之间的关系，而且如此建立的关系还用来配合其它事项而决定平均失败时间与种种设计规则。本发明的其它特征与优点将在那些熟谙该技艺者回顾以下详细说明与附图以后，变得更简单明了。
第1图显示根据本发明的一个具体实施例而设计的示范晶圆层次测量系统的方块图。
第2A图显示根据本发明的一个具体实施例而设计的示范测试结构的一上视图。
第2B图显示在第2A图的示范测试结构中导体与通孔的截面图。
第3图系为显示一个示范金属结构的示范TCR线的图标。
第4图系为显示根据本发明的一个具体实施例而设计的示范焦耳热特性曲线的图式。
第5图系为根据本发明的一个具体实施例而设计的对应示范方法步骤的流程图。
具体实施例方式
本发明针对焦耳热特征化的方法与系统。以下说明包含有关本发明的实施过程的特定信息。一般熟谙该技艺者将理解到，本发明可能以不同于本申请案中所具体讨论的方式来实施。更者，并不将本发明的某些特定细节予以讨论，以免混淆了本发明。
本申请案中的图式与其所伴随的详细说明系仅仅针对本发明的示范具体实施例。为了简洁目的，并不将本发明的其它具体实施例明确地说明于本申请案中，并且不由本图式所明确地显示。
第1图显示根据本发明一具体实施例，用来使焦耳热特征化的用来应用晶圆层次测量的示范系统的图式。已经将某些细节与特征自为一般熟谙该技艺者所明了的第1图省略。晶圆层次测量系统100包括加热装置102、晶圆104、测试结构106、测量装置108以及探头110与112。测试结构106包括导体118以及测试垫114与116。
如第1图所示，晶圆104系置于加热装置102上。加热装置102设有将晶圆104加热到希望温度的构件。加热装置102可以是热板或其它适当装置，以用来如该技艺中所知地控制晶圆104的温度。在一具体实施例中，加热装置102可由测量装置108所控制。如第1图中所示，晶圆104包括测试结构106，该结构包括导体118以及放置于导体118各端点上的测试垫114与116。导体118可包含铜、铝或其它合适金属。导体118可能置于测试结构106中的任何希望金属层中，譬如金属层1(同样称为M1)、金属层2(同样称为M2)、金属层3(同样称为M3)、或者任何较高的金属层，譬如金属层8(同样称为M8)。除了测试结构106以外，晶圆104可能同样包括不在第1图中所示的其它测试结构。进一步如第1图中所示，测量装置108系分别藉由探头110与112而连接到测试垫114与116。测试装置108亦可使用探头110与112，分别借助测试垫114与116将电流注入到导体118内，并且测量导体118的电阻。
现参考第2A图，其系显示在特定导体118与在第1图的示范测试结构106的扩大上视图。在第2A图中的测试结构206对应第1图的测试结构106并且包括导体218、通孔252与254、测试垫214与216、以及路径线262与264。在第2A图中的导体218以及测试垫214与216分别对应第1图中的导体118以及测试垫114与116。在本申请案所说明的方式中，示范测试结构206可使用来进行晶圆层次测量，以将焦耳热效应特征化，以用于在任何金属层上的导体，譬如导体218，而且还使用此特征化配合其它事项来决定平均失败时间(″MTF″)并且达成改善的设计规则。可将测试垫214与216连接到一测量装置，譬如第1图中的测量装置108，以允许电流输入到导体218内并且测量导体218的电阻。
参考第2A图，进一步显示导体218的第一端系连接到通孔252，而且导体218的第二端系连接到通孔254。如第2A图中所示，经由通孔252与路径线262，导体218的第一端连接到测试垫214。同样地，经由通孔254与路径线264，导体218的第二端连接到测试垫216。除了别的情形外，导体218的宽度246取决于特定技术、设计规则以及里面有导体218形成的金属层。经由一实例，导体218的宽度246可以是在大约0.15与0.40微米之间。经由另一实例，导体218的长度242可以是在大约250.0与800.0微米之间。导体218可能置于任何希望的金属层里，譬如M1至M8，或者较高的金属层。
第2B图显示第2A图导体218以及通孔252与254的截面图。如第2B图中所示，导体218的第一端系置于通孔252上，而且导体218的第二端置于通孔254上。除了别的情形外，导体218的厚度272取决于特定技术以及里面有导体218形成的金属层。经由一实例，导体218的厚度272可以是在大约0.20与0.4微米之间。
往回参考第1图，在本具体实施例中，测量装置108可以是以计算机控制的测试装置，其系架构来测量由于流经导体的电流、在导体中(譬如测试结构106的导体118)的焦耳热所导致的温度增加。在一具体实施例中，测量装置108包括一计算机，其系架构以在经由探头110与112所得到的数据上进行计算，并且进一步架构以显示或者不然输出此计算的最后结果。
由于流经导体118的电流，焦耳热效应以上述的方式而在导体118中造成额外的温度增加。因为部份的本发明，晶圆层次测量系使用来在导体118的焦耳热所导致的温度增加与电流密度之间有利地建立一预测关系，而不事先需要极多数的逐点测量而且不需要封装层次测量。在本发明中，经由下述晶圆层次测量而得到的焦耳热与电流密度之间的关系还可使用来配合其它事项而决定发明设计规则以及决定种种半导体装置譬如微处理器的平均失败时间(″MTF″)。
为了藉由使用晶圆层次测量而建立导体118的焦耳热与电流密度之间的一预测关系，电阻的温度系数(″TCR″)则首先藉由以下的方程式而决定用在导体118dR/dT＝TCR×R0方程式(1)在此，″R0″系为在参考温度的导体118的电阻，而且″dR/dT″则为随着温度变化的导体118的电阻变化率。导体118的TCR可以如下述关于第3图地予以决定。
现在参考第3图，图形300显示一示范金属结构的示范TCR线。图形300的TCR线302的斜率显示在一特定金属层的金属结构(譬如导体118)的电组变化对温度变化的比例。图形300包括电阻轴304与温度轴306。在图形300中，在温度312与314上将譬如导体118的导体的电阻308与310测量，以分别决定出数据点316与318，该些数据点系使用来绘出线302并且决定导体118的TCR，亦即线302的斜率。在其它具体实施例中，可得到不同的数据点，以决定譬如导体118的金属结构的TCR。
在本具体实施例中，相对于上述的现有封装层次，分别在晶圆层次的温度312与314上测量电阻308与310。由于使用晶圆层次测量，TCR线302可以比封装层次测量还需要的更少时间来决定。原因是，封装层次测量需要时间使烤炉加热，更者，包含测试结构的晶粒必须予以切割并且聚集于封装物内。应该注意的是，虽然为了简洁，仅将电阻308与310以及温度312与314显示于图300中，但是在其它具体实施例中，譬如导体118的一金属结构的多数个电阻数据点则在相应的温度上予以测量，以产生数个数据点，而以希望的准确度来描绘TCR线302。
现在参考第1图，导体118的热电阻TR系由以下方程序所界定TR＝ΔTj/ΔP方程式(2)在此″ΔTj″是起因于流经导体118的电流的导体118的焦耳热而造成的温度增加，而且″ΔP″是导体118所损耗的功率。″ΔP″可由该方程式所表示ΔP＝I2×R方程式(3)在此，″I″是输入到导体118内的电流而且″R″是导体118的电阻。″R″可由以下的方程式所表示R＝ρ(T)×L/A方程式(4)在此，″ρ(T)″是在操作温度″T″上导体118的金属电阻率；″L″是导体118的长度；而且″A″是导体118的截面面积。可将具有固定尺寸的导体的特征，热电阻TR决定如下TCR与R0可从方程式(1)得知，而且藉由进行使用第1图系统100的晶圆层次测量，假定注入电流的电阻变化，亦即dR，其系可藉由测量装置108来测量，而温度的改变，亦即dT，其系可从方程式(1)来确定。温度变化，亦即dT，其系可视为″ΔTj″而使用于方程式(2)中。因为方程式(2)中的″ΔTj″与″ΔP″两者均已知，所以则可得到TR。
随后可将方程式(2)改写成Tj＝TR×I2×R方程式(5)使用方程式(4)来界定电阻R，方程式(5)随后可写成Tj＝TR×I2×ρ(T)×L/A方程式(6)
因为将电流密度″J″界定为″I/A″，故就电流密度而言，方程式(6)可表示为Tj＝TR×J2×ρ(T)×(L×A)方程式(7)因为导体的体积相等导体的截面面积乘以长度，所以方程式(7)可修改成ΔTj＝(TR×V)×J2×ρ(T)方程式(8)在此，″ΔTj″是导体118的焦耳热所导致的导体118的温度变化；″TR″则是以上定义的导体118的特征热电阻；″V″是导体118的体积；″J″是导体118的电流密度；以及″ρ(T)″是在操作温度″T″的导体118的电阻率。因此，由于部份的本发明，如方程式(8)所示，将一关系建立于金属结构中的焦尔热与电流密度之间。要注意的是，建立当作一部份本发明的方程式(8)，其藉由依靠为导体物理特征的参数，而使焦尔热与电流密度产生关系。换句话说，参数TR、V以及″ρ(T)″系为一给定导体的物理特征，且就其本身而论，因为参数TR、V与″ρ(T)″对各导体而言均为唯一，所以起因于焦尔热的温度增加，亦即″ΔTj″与电流密度之间的关系对一给定导体而言是唯一的关系。更者，如以上所述，并没有任何参数TR、V与″ρ(T)″需要封装层次的测量。因此，由于部份的本发明，在某一金属层的给定导体的焦尔热与电流密度之间的关系则可使用唯一的晶圆层次测量来建立。
建立作为一部份发明的导体的焦耳热与电流密度之间的关系还可有利地用来配合其它事项而决定MTF或者发明出以下所讨论的设计规则。藉由背景资料，MTF是由Black定律所界定，其系使用来预言譬如微处理器的半导体装置的平均失败时间。Black定律现有地由以下方程序所表示MTF=A×(J)-n×exp(Ea)k×T]]>方程式(9)在此，″MTF″是一金属结构的平均失败时间，譬如导体118；″A″是该金属结构的截面面积；″J″是该金属结构的电流密度；″n″是例如在1.0与2.0之间时一个数字，其取决于该金属结构所包含的材料型态；″Ea″是活化能，其系为与可预测的特定型态缺陷(譬如电徙动)有关的从实验衍生的常数；″k″是Boltzmann常数，其使分子的平均全部能量与其绝对温度产生关联，其系并且大概等于1.38×10-23焦耳/每绝对温度；而且″T″是使金属结构受到测试的温度。不管怎样，如方程式(9)所示，Black定律的现有表示式并不容易包括焦耳热效应。由于部份的本发明，如以下方程序所表示的，Black定律现在可有利地包括焦耳热效应MTF=A×(J)-n×exp(Ea)k×(T+ΔTj)]]>方程式(10)在此，″ΔTj″是本发明的方程式(8)所表示的焦耳热项。于是，由于部份的本发明，焦耳热系以上述的可测量物理项来表示，而且如方程式(10)所示，焦耳热效应可有利地包括在Black定律里。结果，由于部份的本发明，方程式(10)可有利地用来求出半导体装置的金属结构(譬如互联机)的可靠度。例如，方程式(10)可有利地用来求出微处理器的互联机的可靠度，以用于电徙动(″EM″)失败。因此，由于部份的本发明，所以可更可靠地预测半导体装置(譬如微处理器)的希望寿命。
本发明同样可有利地用来发明出包括焦耳热效应的设计规则。譬如导体118的金属线的体积可由以下方程序所表示V＝A×L＝W×d×L方程式(11)在此，″A″是金属线的截面面积，而″W″、″d″与″L″则分别是金属线的宽度、厚度与长度。经由使用方程式(11)″V″的表示式，方程式(8)可写成Tj＝(TR×W)×(d×L)×J2×ρ(T) 方程式(12)方程式(12)可有利地使用来发明譬如导体118的金属线的设计规则。方程式(12)可改写为方程式(13)W=ΔTjTR×(d×L)×J2×ρ(T)]]>方程式(13)方程式(13)可由半导体设计者有利地使用，以在焦耳热目标的范围内调整金属线的宽度″W″。因此，藉由使用方程式(12)与(13)，本发明有利地允许半导体设计者在发明设计规则时考虑到焦耳热效应。
第4图显示出范例图形400，其包括根据本发明的一个具体实施例而设计的示范焦耳热特性曲线。图形400包括焦耳热轴402与电流密度轴404。图形400亦包括焦耳热特性曲线406、408、410、412、414、416与418。焦耳热特性曲线406、408、410、412、414、416与418分别显示在使用晶圆层次测量的金属层M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7与M8里的各导体焦耳热对增加电流密度的相对改变，以及建立当作部份本发明与陈述于上述方程式(8)的焦耳热与电流密度之间的关系。在图形400所示的实例中，在一特定的电流密度上，焦耳热随着较高的金属层而增加。例如，假设金属层M5的导体具有与金属层M1的导体相同的宽度、长度与电流密度的话，那么相较于金属层M1的导体，金属层M5的导体将显现出增加的焦耳热。原因乃在于，在本实例中，以及同样地在典型的情形中，相对于较低的金属层，譬如金属层M1，较高的金属层，譬如金属层M5，具有较大的厚度，其导致方程式(8)中较大的″V″。
因此，藉由使用晶圆层次测量，配合着其它的事项，本发明有利地得到用于任何金属层的导体的焦耳热与电流密度之间的关系，其无需非常多数的以实验决定的数据点，其中在达到MTF、设计规则或其它有用的设计讯息上，此关系立即可用。反之，例如，在不具有本发明好处的情形下，现有焦耳热特性曲线将需要以实验决定非常多数据点的非�：氖敝瞥蹋缘玫秸返慕苟忍匦郧撸杂糜谥种纸鹗舨阒械闹种值继�。
参考第5图，流程图500显示出根据本发明一具体实施例而设计的示范方法。因为流程图500的方法步骤使用譬如晶圆层次测量系统100的一种系统来实施，所以流程图500的以下说明会包括对第1图的晶圆层次测量系统100的参考。在流程图500的步骤502上，进行晶圆层次测量，以达到导体118的TCR。例如，使用测量装置108，可在两个或更多个不同温度上测量导体118的电阻，以用上述的方式来决定导体118的TCR。在步骤504上，进行晶圆层次测量，以决定起因于注入电流的导体118的电阻变化。在步骤506上，从TCR与R0的电阻改变，温度的相对应改变乃从以上方程序(1)得到，亦即藉由查询譬如第3图中图形300的图的相对应温度改变。此种温度的改变对应″ΔTj″。在步骤508上，导体118所消耗的功率可例如藉由将导体118的注入电流与电阻值适当地输入到方程式(3)内而来决定。
在步骤510上，决定导体118的热电阻。导体118的热电阻TR可例如藉由将在步骤506上所决定的导体118的温度变化值以及将在步骤508上所决定的导体118消耗的功率值输入到方程式(2)而决定。在步骤512上，导体118的热电阻系使用来建立一种在导体118里焦耳热与电流密度之间的关系。导体118里的焦耳热与电流密度之间的关系系标示于方程式(8)中。因此，由于部份的本发明，可将导体118里的焦耳热与电流密度之间的关系有利地建立，从而在不需要多数个以实验决定的数据点的情形下，产生焦耳热特性曲线(譬如在第4图的图形400的焦耳热特性曲线)。在步骤514上，在步骤512上所建立的导体118的焦耳热与电流密度之间的关系还可有利地用来配合其它事项而决定导体118的MTF，或者发明在种种金属层譬如导体118的导体的设计规则。导体118的MTF可藉由使用本发明的方程式(10)来决定。例如，可有利地使用方程式(10)，以求出导体118的可靠度，以用于电徙动失败。于另一实例中，本发明的方程式(12)与(13)可用来有利地达到适当的设计规则并且调整导体118的几何结构，譬如导体118的宽度，以符合希望的焦耳热设计目标。
因此，如上所述，本发明能够有利地得到在导体里的焦耳热与电流密度之间的预测性关系，从而决定在种种金属层里导体的焦耳热特性曲线，在此，可有利地配合其它事项而应用焦耳热与电流密度之间的关系，以决定MTF或者发明设计规则，决定在任何金属层里导体的几何结构。
从本发明示范具体实施例的以上说明来看，可将种种技术明显地使用来实施本发明的概念，而不会背离本发明的范围。更者，虽然已经具体参考某些具体实施例而说明本发明，但是一般熟谙该技艺的人却将理解到，在不背离本发明的精神与范围之下，可于形式及细节上进行改变。在所有态样考虑到的说明性示范具体实施例是用来说明，而非用作限制。同样应该理解到的是，本发明并不受限于其中所说明的特定示范具体实施例，但却能够在不背离本发明的范围之下，进行许多的重新排列、修改与替代。
于是，用于焦耳热特征化的方法与系统则如上的说明。
权利要求
1.一种在导体(118)的焦耳热与在该导体(118)的电流密度之间建立起关系的方法，该关系是用来决定该导体(118)的几何结构，该方法包含以下步骤进行晶圆层次测量，以达到该导体的电阻的温度系数(502)；决定该导体的热电阻(510)；使用该热电阻，以建立该导体的焦耳热与该导体的该电流密度之间的该关系(512)；使用该关系以决定该导体的该几何结构(514)。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包含在使用该热电阻以建立该关系的该步骤(512)以后，使用该关系以决定该导体的平均失败时间的步骤(514)。
3.一种在导体(118)的焦耳热与在该导体(118)的电流密度之间建立起关系的系统(100)，该关系用来决定一平均失败时间并且设计该导体的设计规则；该系统(100)包含一测量装置(108)与一加热装置(102)；该加热装置(102)将包含该导体(118)的一晶圆(104)加热，而且该测量装置(108)决定出该导体的电阻的变化，以达到该导体的温度系数(TCR)(502)；该系统(100)依据该TCR而决定该导体的热电阻(510)，该热电阻则用来建立该导体的该焦耳热与该导体的该电流密度之间的该关系(512)，其中该关系是使用来决定该平均失败时间并且设计该导体的该设计规则(514)。
4.如权利要求3所述的系统(100)，其中该系统进一步用来达到该导体(118)的该焦耳热与该导体(118)的该电流密度之间的该关系，以致于该关系乃藉由以下所界定ΔTj＝(TR×V)×J2×ρ(T)。
5.一种包含测量装置(108)与加热装置(102)的系统(100)，该系统(100)用来建立一导体(118)的焦耳热与该导体(118)里的电流密度之间的一种关系，该加热装置(102)将包含该导体(118)的一晶圆(104)加热，而且该测量装置(108)决定该导体的电阻里的变化，以达到该导体的温度系数(TCR)(502)；该系统(100)的特征为该系统(100)系依据该TCR而用来决定该导体的热电阻(510)，该热电阻则用来建立该导体里的该焦耳热与该导体里的该电流密度之间的该关系(512)，其中该关系用来决定一平均失败时间并且设计该导体用的设计规则(514)。
6.如权利要求5所述的系统(100)，其中该系统(100)是用来将电流注入于该导体(118)里，以决定该导体(504)的该电阻里的该变化。
7.如权利要求5所述的系统(100)，其中藉由使用该TCR，将该系统(100)用来查询该导体里的一相应温度变化(506)。
8.如权利要求5所述的系统(100)，其中该系统(100)是用来决定出该导体所消耗的功率(508)。
9.如权利要求5所述的系统(100)，其中该测量装置(108)系架构成将电流注入于该导体(118)里；以及决定该导体的该热电阻(510)。
10.如权利要求5所述的系统(100)，进一步特征为，该系统(100)是用来达到该导体(118)里的该焦耳热与该导体(118)里的该电流密度之间的该关系，其中该关系由以下所定义ΔTj＝(TR×V)×J2×ρ(T)。
全文摘要
根据一示范具体实施例，一种在导体的焦耳热与导体的电流密度之间建立关系的方法，系经由进行晶圆层次测量所实施(500)。根据本示范具体实施例，进行晶圆层次测量，以达到导体里的电阻的温度系数(118，502)。该方法同样包括决定该导体的热电阻(510)。该热电阻随后用来建立该导体的焦耳热与该导体的该电流密度之间的关系(512)。如此得到的关系随后则用来决定设计规则、平均失败时间与其它信息，以助于可靠半导体装置的设计(514)。根据另一示范具体实施例，晶圆层次测量系统(100)则使用来建立起一导体的焦耳热与该导体的电流密度之间的关系。
文档编号G01R31/28GK1682123SQ03822361
公开日2005年10月12日 申请日期2003年9月10日 优先权日2002年9月30日
发明者H·W·尧, A·P·马拉瑟, V－H·彭 申请人:先进微装置公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
