EP1362372A2 - Elektromigrations-teststruktur zur erfassung einer zuverlässigkeit von verdrahtungen - Google Patents

Elektromigrations-teststruktur zur erfassung einer zuverlässigkeit von verdrahtungen

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Publication number
EP1362372A2
EP1362372A2 EP01995590A EP01995590A EP1362372A2 EP 1362372 A2 EP1362372 A2 EP 1362372A2 EP 01995590 A EP01995590 A EP 01995590A EP 01995590 A EP01995590 A EP 01995590A EP 1362372 A2 EP1362372 A2 EP 1362372A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electromigration
test structure
area
region
structure according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01995590A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Josef Fazekas
Andreas Martin
Jochen Von Hagen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1362372A2 publication Critical patent/EP1362372A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/2851—Testing of integrated circuits [IC]
    • G01R31/2855—Environmental, reliability or burn-in testing
    • G01R31/2856—Internal circuit aspects, e.g. built-in test features; Test chips; Measuring material aspects, e.g. electro migration [EM]
    • G01R31/2858—Measuring of material aspects, e.g. electro-migration [EM], hot carrier injection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • H01L22/30—Structural arrangements specially adapted for testing or measuring during manufacture or treatment, or specially adapted for reliability measurements
    • H01L22/34—Circuits for electrically characterising or monitoring manufacturing processes, e. g. whole test die, wafers filled with test structures, on-board-devices incorporated on each die, process control monitors or pad structures thereof, devices in scribe line
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • Electromigration test structure to detect reliability of wiring
  • the present invention relates to an electromigration test structure for determining the reliability of wiring and in particular to an electromigration test structure for highly accelerated tests in semiconductor circuits.
  • a first and a second sensor connection are located on the test structure connection areas, which leads to an associated sensor pad.
  • JEDEC standard test methods such as the isothermal test (JESD63) and the so-called SWEAT test (JEP119)
  • JEDEC standard test methods such as the isothermal test (JESD63) and the so-called SWEAT test (JEP119)
  • JEDEC standard test methods such as the isothermal test (JESD63) and the so-called SWEAT test (JEP119)
  • JEDEC standard test methods such as the isothermal test (JESD63) and the so-called SWEAT test (JEP119)
  • the invention is therefore based on the object of providing an electromigration test structure for detecting a reliability of wiring, with which a test can be further accelerated with improved test accuracy.
  • a simplified electrical fault analysis can also be carried out for the exact determination of a failure location.
  • the first and second test structure connection areas preferably have a taper to the area to be tested, as a result of which the occurrence of mechanical stresses and a metal flow divergence due to temperature differences and a changed electromigration can be prevented.
  • the taper is in this case essentially stepped, so that a maximum and precisely predeterminable temperature gradient can be set with a corresponding structuring or selection of the respective conductor track widths.
  • the sensor connections to the electromigration area or to the test structure connection area are designed in such a way that a certain temperature adjustment can take place and the influence of the sensor connections is minimized.
  • a second sensor connection is preferably located on the second test structure connection area in the area of the taper, as a result of which a temperature prevailing in the electromigration area remains almost unaffected.
  • blind structures can be formed essentially parallel to the area to be tested, as a result of which much more realistic structures are generated and, for example, a temperature derivative on adjacent conductor tracks can be evaluated.
  • the blind structure preferably consists of a blind electromigration area and a blind Electromigration barrier area, whereby not only the conductor tracks but also, for example, the contacts (vias) can be tested with regard to their product-relevant temperature behavior.
  • FIG. 1 a shows a simplified top view of an electromigration test structure according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 1b shows a temperature profile associated with the test structure according to FIG.
  • Figure lc is a simplified sectional view taken along section A-A 'in Figure la;
  • FIG. 1d shows a partial view of the electromigration test structure in the region of an electromigration barrier region
  • FIG. 2 shows a simplified top view of an electromigration test structure according to a second exemplary embodiment
  • Figure 3 is a partial sectional view of an electromigration barrier area according to a third embodiment.
  • FIG. 1 a shows a simplified top view of an electromigration test structure according to a first embodiment. game, wherein an area to be tested has an electromigration area L and an electromigration barrier area V. More precisely, the electromigration region L consists, for example, of a metallic conductor track with a width B1, which is formed, for example, in a metallization level of an associated semiconductor circuit. With a sufficient length 1 of the electromigration region L, there is a constant material flow in this region at a constant temperature, which is caused by electromigration.
  • the test structure uses a contact (via) or contact hole V, which is located between the metallization level for the electromigration area L and a further metallization level for one first test structure connection area II is located.
  • contacts (vias) establish respective connections between the individual metallization levels, although usually other materials are used and therefore a reduced material flow due to the electromigration effect prevails. These areas therefore act as electrical migration barriers.
  • Figure lc shows a simplified sectional view along a section A-A 'in Figure la, the same reference numerals representing the same or corresponding elements and a repeated description is omitted below.
  • the first connection region II can have a first metallic conductor track, which consists, for example, of aluminum, copper, etc.
  • a first metallic conductor track which consists, for example, of aluminum, copper, etc.
  • Electromigration area L also have an aluminum, copper or other metallic conductor track.
  • the as a takt (Via) realized electromigration area consists, for example, of tungsten, titanium or another electrically conductive material with good filling properties. Due to the different material, however, such contacts (vias) V act as electromigration barriers, since no material of the same type is subsequently supplied and therefore material is preferably removed at the conductive level, which can ultimately lead to failure of the test structure.
  • a first sensor connection S 1 and a third sensor connection S 3 with a small conductor track width B are located in the immediate vicinity of the contact (vias) V. Due to the small conductor track width, influencing a temperature of the area to be tested can be minimized. Furthermore, a width B2 of the first test structure connection region II at the contact (via) V is dimensioned to the width B1 of the electromigration region L in such a way that the temperature gradient does not become too high between the two levels due to the heating caused by the impressed heating current.
  • a temperature gradient between the first test structure connection region II at the contact (via) V and the electromigration region L is preferably set to ⁇ 50 ° C., as a result of which mechanical stresses and an influence on electromigration can be reliably minimized.
  • Current is impressed directly from the first test structure connection area II to the second test structure connection area 12, which connects at the other end of the electromigration area L.
  • the widths of the first and second test structure connection areas II and 12 are each gradually reduced (tapering), which results in a taper to the area to be tested.
  • the cross-sectional areas of the respective conductor track sections are again so adjusted so that a maximum temperature gradient Tmax of, for example, 50 ° C. results and mechanical stresses between the stages are thus avoided in particular.
  • the second test structure connection region 12 has a second sensor connection S2, which, according to FIG. 1 a, is only formed at the taper or second stage, as a result of which the temperature profile is influenced by the second sensor connection S2 can be further reduced.
  • the width of the sensor connection is kept as small as possible in order to prevent an undesirable temperature drop.
  • Figure lb shows a simplified representation of a temperature profile along the test structure shown in Figure la. It is essential here that the temperature generated in the electromigration area L is extremely homogeneous and can also be quantitatively recorded very precisely via the sensor connections S2 and S3, which is particularly important in the case of highly accelerated tests. With a test structure of this type, the greatly increased current densities and high temperatures resulting from the Joule heating, which leads to a substantial reduction in the test times, can thus be achieved, particularly in the electromigration region L, due to the greatly increased current densities.
  • the extraordinarily high temperatures in the electromigration range L are essentially constant and can be determined with high precision via the second and third sensor connections S2 and S3 in order to control the respective test programs accordingly.
  • a temperature dependency of the electromigration region L or an associated metal resistor is used to determine the temperature, the sensor connections each being used as voltage taps for detection a respective voltage drop or a potential difference across the electromigration range L.
  • the simple structure of the electromigration region L with its sufficient length 1 and predetermined width B1 thus enables a simple and extremely exact determination of a respective conductor temperature during the measurement, as a result of which sufficient conclusions can be drawn about the associated semiconductor circuit or thin-film circuit.
  • the electromigration area L and the contact (via) correspond to typical conductor tracks and contacts (vias) in the associated semiconductor circuit.
  • the widths B1, B2, B3 and B4 of the respective connection regions II and 12 of the electromigration region L and the electromigration barrier region V are dimensioned such that when a respective test temperature in the electromigration region L is reached, a respective temperature gradient below a maximum predetermined value T ma ⁇ (e.g. 50 ° C).
  • T ma ⁇ e.g. 50 ° C.
  • this additional sensor connection S3 now makes it possible to also determine the exact location of the failure electrically, as a result of which a particular cause of the failure can be determined. Expensive preparations and SEM examinations, as they had to be carried out on conventional test structures, for example to determine the exact location of the failure, are therefore no longer necessary.
  • FIG. 2 shows a simplified top view of an electro-migration test structure in accordance with a second exemplary embodiment, the same reference symbols denoting identical or corresponding elements and a repeated description being omitted below.
  • blind structures are formed in a second exemplary embodiment parallel to the area to be tested, which essentially has the electromigration area L and the electromigration barrier area V, and are preferably spaced apart by a distance F.
  • F is a minimal structural width of a respective manufacturing process that can be realized lithographically.
  • Such a blind structure which is designed at least for the electromigration region L, in turn serves to increase a respective product relevance. Since, in particular, the imaging properties used in lithographic processes can only image isolated or individual conductor tracks in a fuzzy manner and with very indefinite cross-sectional properties, the blind structure shown in FIG. 2 enables adaptation to actually prevailing conditions, since the area to be tested is essentially the same Structuring shows how a conductor track in the associated semi-conductor ter or thin film circuit. The occurrence of supercritical test structures, which fail earlier than the associated semiconductor circuit, for example, can thereby be prevented.
  • a blind electromigration region or a respective Du my line DL is therefore formed parallel to the electromigration region L at the minimum permitted distance on both sides of the test structure.
  • the temperature conditions in an associated semiconductor circuit can also be simulated much better. More precisely, the blind electromigration areas DL cool because of their proximity to the test structure or to the electromigration area L, which is why a higher current density is necessary to achieve the same test temperature. Since this current also flows through the electromigration barrier areas V and causes it to heat up, the blind structures can also have respective blind electromigration barrier areas DV or so-called dummy contacts (vias) in order to avoid a corresponding overheating.
  • a further improvement in product relevance or heat radiation on parallel conductor tracks can be realized by the blind connection areas DI shown in FIG. 2 parallel to the first and second connection areas II and 12.
  • a uniform cooling of the contact (vias) V and the conductive plane can consequently be achieved and a possibly uniform and photo-technically flawless image of the respective structure can be realized, as a result of which a very precise statement can be made about the respective structure Receives product properties of an associated semiconductor circuit.
  • FIG. 3 shows a simplified partial sectional view of an electromigration test structure in accordance with a third exemplary embodiment in the area of the electro-migration barrier V.
  • the same reference symbols again designate the same or corresponding elements as in FIGS. 1 and 2, which is why a repeated description is omitted below.
  • an electromigration barrier with a reduced material flow can also be created, for example, by depositing a continuous metallic conductor track over a topography or edge, which, for example, results in different material structures due to different deposition speeds on the edge and a reduced material flow due to the Electromigration effect occurs.
  • the electromigration test structure described above can therefore be applied not only to the contacts (vias) described above but also to the electromigration barrier regions V shown in FIG. 3, which in turn enables a highly accurate and highly accelerated test of such structures can realize.
  • side wall contacts or connecting structures in trenches, for example, which are realized by means of spacer technology also fall under the term electromigration barrier region.
  • the invention has been described above using integrated semiconductor circuits. However, it is not limited to this and in the same way comprises electrical circuits which are formed using thin-film technology.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektromigrations-Teststruktur zur Erfassung einer Zuverlässigkeit von Verdrahtungen, wobei zwischen einem ersten und zweiten Teststruktur-Anschlussbereich (I1, I2) ein zu testender Bereich mit einem Elektromigrationsbereich (L) und einem Elektromigrations-Barrierenbereich (V) ausgebildet ist. Zum hochgenauen und für hochbeschleunigte Tests geeigneten Abschätzen einer Lebensdauer befinden sich in unmittelbarer Nähe des Elektromigrations-Barrierenbereichs (V) ein erster und dritter Sensoranschluss (S1, S3), sowie am zweiten Teststruktur-Anschlussbereich (I2) ein zweiter Sensoranschluss (S2).

Description

Beschreibung
Elektromigrations-Teststru tur zur Erfassung einer Zuverlässigkeit von Verdrahtungen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektromigrations-Teststruktur zur Erfassung einer Zuverlässigkeit von Verdrahtungen und insbesondere auf eine Elektromigrations- Teststruktur für hochbeschleunigte Tests in Halbleiterschal- tungen.
Eine hohe Zuverlässigkeit insbesondere bei integrierten Halbleiterschaltungen aber auch in der Dünnfilmtechnik stellt einen wesentlichen Faktor bei der Produktion und der späteren Verwendung dar. Es werden daher eine Vielzahl von Tests bei der Herstellung durchgeführt, um eine möglichst genaue Aussage hinsichtlich der Qualität eines jeweiligen Herstellungsprozesses geben zu können.
Da ferner mit fortschreitender Integrationsdichte eine Strukturbreite von Verdrahtungen insbesondere in Halbleiterschaltungen zunehmend verringert wird, werden derartige Leiterbahnen in hochintegrierten Schaltkreisen während eines Betriebs mit sehr hohen Stromdichten belastet. Hierbei kommt es auf- grund der guten Kühlung durch das verwendete Grundmaterial bzw. Substrat nicht zu einem Aufschmelzen der Leiterbahnen. Statt dessen kommt es durch den Strom zu einem Materialtransport in Elektronenrichtung, der durch Bildung von Löchern in den Leiterbahnen zum Ausfall des Schaltkreises führen kann. Dieser Mechanismus ist stromdichten- und temperaturabhängig und wird üblicherweise Elektromigration genannt. Die Elektro- migration bestimmt unter anderem eine maximale Lebensdauer bzw. eine Zuverlässigkeit einer jeweiligen Schaltung und kann durch verschiedene Parameter in der Herstellung beeinflusst werden. Um daher eine maximale Lebensdauer von Halbleiterschaltungen oder Dünnfilmschaltungen abschätzen zu können, werden sogenannte Elektromigrations-Tests durchgeführt, die bei erhöhten Temperaturen und Stromdichten an bestimmten Teststrukturen stattfinden. Üblicherweise wurden diese erhöhten Temperaturen in speziellen Öfen realisiert, wodurch ein beschleunigter künstlicher Alterungsprozess herbeigeführt werden kann. Da jedoch die Herstellung insbesondere von integrierten Halbleiterschaltungen mehrere Wochen dauern kann und bereits während der Herstellung die Überprüfung von eventuell fehlerhaften
Strukturen gewünscht ist, wurden sogenannte beschleunigte und hochbeschleunigte Tests entwickelt, die eine Abweichung in der Herstellung in regelmäßigen Kontrollmessungen ermöglichen. Diese Messungen müssen hierbei im Sekundenmaßstab ab- laufen, um die Herstellzeit und damit die Herstellkosten nicht zu erhöhen.
Eine weitergehende Beschleunigung ist jedoch nur über sehr hohe Temperaturen und entsprechende Stromdichten möglich, wobei eine Selbstheizung über den hohen Strom erfolgt.
Aus der Literaturstelle H.A. Schafft, "Reliability Test Chips: NIST33 & 34 for JEDEC Inter-Laboratory Experiments and More", IEEE International Integrated Realibility Workshop Final Report, S. 144f, 1997, ist eine Elektromigrations- Teststruktur zur Erfassung einer Zuverlässigkeit von Verdrahtungen mittels hochbeschleunigter Tests bekannt, wobei zwischen einem ersten und zweiten Teststruktur-Anschlussbereich ein zu testender Elektromigrationsbereich in Form einer me- tallischen Leiterbahn bekannt ist. Zur Überprüfung eines
Ausfalls befinden sich an den Teststruktur-Anschlussbereichen jeweils ein erster und zweiter Sensoranschluss, der zu einem dazugehörigen Sensorpad führt. Unter Verwendung der JEDEC- Standardtestverfahren wie z.B. dem isothermischen Test (JESD63) und dem sogenannten SWEAT-Test (JEP119) können somit Lebensdauerabschätzungen für die dazugehörigen Halbleiterschaltungen getroffen werden. Nachteilig ist jedoch bei der- artigen Teststrukturen, dass sie nur eine geringe Produktrelevanz aufweisen, da üblicherweise in Halbleiterschaltungen sogenannte Elektromigrations-Barrieren beispielsweise in Form von Kontakten (Vias) zwischen leitenden Schichten verwendet werden, welche mit derartigen Teststrukturen nicht oder nicht ausreichend überprüft werden können.
Aus der Literaturstelle T.S. Srira , "Electromigration Teststructure Designs to identify VIA failure modes", Proc. International Conference on Microelectronic Teststructures, S. 155 bis 157, 2000 ist eine weitere herkömmliche Elektromigrations-Teststruktur zur Erfassung einer Zuverlässigkeit von Verdrahtungen bei hochbeschleunigten Tests bekannt, wobei der zu testende Bereich der Elektromigrations-Teststruktur sowohl einen Elektromigrationsbereich in Form einer metallischen Leiterbahn als auch eine Elektromigrations-Barriere in Form eines Kontaktes (Vias) aufweist. Auf diese Weise erhält man zwar eine verbesserte Produktrelevanz bzw. verbesserte Aussagekraft für die dazugehörige Halbleiterschaltung, wobei jedoch keine hochgenauen quantitativen Aussagen insbesondere hinsichtlich der Temperatur möglich sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektromigrations-Teststruktur zur Erfassung einer Zuverlässigkeit von Verdrahtungen zu schaffen, mit der eine weitere Beschleunigung eines Tests bei verbesserter Testgenauigkeit realisierbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Insbesondere durch die Verwendung eines dritten Sensoranschlusses, der in unmittelbarer Nähe zum Elektromigrations- Barrierenbereich an dem Elektromigrationsbereich angeschaltet ist und eine derartige Strukturierung des Elektromigrations- bereichs dahingehend, dass sich darin eine im wesentlichen homogene Temperaturverteilung ergibt, können außerordentlich präzise Aussagen über die jeweils anliegenden Temperaturen getroffen werden, wodurch sich die Stromdichten einstellen lassen und in Abhängigkeit von den quantitativen Aussagen über die Temperatur eine verbesserte Testgenauigkeit auch bei Verwendung von beispielsweise Kontakten (Vias) ergibt. Als
Nebeneffekt kann dadurch ferner eine vereinfachte elektrische Fehleranalyse zur genauen Bestimmung eines Ausfallortes durchgeführt werden.
Vorzugsweise besitzen erste und zweite Teststruktur- Anschlussbereiche eine Verjüngung zum zu testenden Bereich, wodurch das Auftreten von mechanischen Spannungen und eine Metallflussdivergenz aufgrund von Temperaturunterschieden sowie eine veränderte Elektromigration verhindert werden kann. Die Verjüngung ist hierbei im wesentlichen stufenweise ausgebildet, wodurch bei einer entsprechenden Strukturierung bzw. Auswahl der jeweiligen Leiterbahnbreiten ein maximaler und genau vorbestimmbarer Temperaturgradient eingestellt werden kann.
Zur weiteren Erhöhung der Testgenauigkeit werden die Sensoranschlüsse so zum Elektromigrationsbereich bzw. zum Teststruktur-Anschlussbereich ausgebildet, dass ein gewisser Temperaturabgleich stattfinden kann und der Einfluss der Sensoranschlüsse minimiert wird. Ein zweiter Sensoranschluss befindet sich hierbei vorzugsweise am zweiten Teststruktur- Anschlussbereich im Bereich der Verjüngung, wodurch eine im Elektromigrationsbereich vorherrschende Temperatur nahezu unbeeinflusst bleibt.
Zur weiteren Verbesserung einer jeweiligen Produktrelevanz können im wesentlichen parallel zum zu testenden Bereich Blindstrukturen ausgebildet werden, wodurch wesentlich realistischere Strukturen erzeugt werden und beispielsweise eine Temperaturableitung auf benachbarte Leiterbahnen ausgewertet werden kann. Die Blindstruktur besteht vorzugsweise aus einem Blind-Elektromigrationsbereich und einem Blind- Elektromigrations-Barrierenbereich, wodurch nicht nur die Leiterbahnen, sondern auch beispielsweise die Kontakte (Vias) hinsichtlich ihres produktrelevanten Temperaturverhaltens getestet werden können.
In den weiteren ünteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bezeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbei- spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
Figur la eine vereinfachte Draufsicht einer Elektromigrati- ons-Teststruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Figur lb ein zur Teststruktur gemäß Figur la dazugehöriges Temperaturprofil;
Figur lc eine vereinfachte Schnittansicht entlang eines Schnitts A-A' in Figur la;
Figur ld eine Teilansicht der Elektromigrations-Teststruktur im Bereich eines Elektromigrations-Barrieren- bereichs;
Figur 2 eine vereinfachte Draufsicht einer Elektromigrations-Teststruktur gemäß einem zweiten Ausführungs- beispiel; und
Figur 3 eine Teil-Schnittansicht eines Elektromigrations- Barrierenbereichs gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel .
Figur la zeigt eine vereinfachte Draufsicht einer Elektromigrations-Teststruktur gemäß eines ersten Ausführungsbei- spiels, wobei ein zu testender Bereich einen Elektromigrationsbereich L und einen Elektromigrations-Barrierenbereich V aufweist. Genauer gesagt besteht der Elektromigrationsbereich L beispielsweise aus einer metallischen Leiterbahn mit einer Breite Bl, die beispielsweise in einer Metallisierungsebene einer dazugehörigen Halbleiterschaltung ausgebildet ist. Bei einer ausreichenden Länge 1 des Elektromigrationsbereichs L herrscht bei einer konstanten Temperatur in diesem Bereich ein konstanter Materialfluss vor, der durch Elektromigration verursacht wird.
Zur Realisierung eines Elektromigrations-Barrierenbereichs V, in dem ein verringerter Materialfluss aufgrund von Elektromigration vorherrscht, verwendet die Teststruktur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel einen Kontakt (Via) bzw. Kontaktloch V, welches sich zwischen der Metallisierungsebene für den Elektromigrationsbereich L und einer weiteren Metallisierungsebene für einen ersten Teststruktur-Anschlussbereich II befindet. In der dazugehörigen Halbleiterschaltung stellen derartige Kontakte (Vias) jeweilige Verbindungen zwischen den einzelnen Metallisierungsebenen her, wobei jedoch üblicherweise andere Materialien verwendet werden und deshalb ein verringerter Materialfluss aufgrund des Elektromigrationsef- fektes vorherrscht. Diese Bereiche wirken daher als Elektro- migrations-Barrieren .
Figur lc zeigt eine vereinfachte Schnittansicht entlang eines Schnitts A-A' in Figur la, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente darstellen und auf eine wie- derholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß Figur lc kann der erste Anschlussbereich II eine erste metallische Leiterbahn aufweisen, die beispielsweise aus Aluminium, Kupfer usw. besteht. In gleicher Weise kann der in der darunterliegenden Metallisierungsebene ausgebildete
Elektromigrationsbereich L ebenfalls eine Aluminium-, Kupferoder sonstige metallische Leiterbahn aufweisen. Der als Kon- takt (Via) realisierte Elektromigrationsbereich besteht beispielsweise aus Wolfram, Titan oder einem sonstigen elektrisch leitenden Material mit guten Fülleigenschaften. Aufgrund des unterschiedlichen Materials wirken jedoch derartige Kontakte (Vias) V als Elektromigrations-Barrieren, da kein gleichartiges Material nachgeliefert wird und somit an diesen Stellen bevorzugt ein Abtransport von Material in der leitenden Ebene erfolgt, der schließlich zum Ausfall der Teststruktur führen kann.
Gemäß Figuren la und lc befinden sich in unmittelbarer Nähe des Kontaktes (Vias) V ein erster Sensoranschluss Sl und ein dritter Sensoranschluss S3 mit geringer Leiterbahnbreite B . Aufgrund der geringen Leiterbahnbreite kann bereits eine Beeinflussung einer Temperatur des zu testenden Bereichs minimiert werden. Ferner wird eine Breite B2 des ersten Teststruktur-Anschlussbereichs II am Kontakt (Via) V zu der Breite Bl des Elektromigrationsbereichs L derart bemessen, dass zwischen beiden Ebenen der Temperaturgradient aufgrund der durch den eingeprägten Heizstrom erfolgten Joule 'sehen Erwärmung nicht zu hoch wird. Vorzugsweise wird ein Temperaturgradient zwischen dem ersten Teststruktur-Anschlussbereich II am Kontakt (Via) V und dem Elektromigrationsbereich L auf < 50°C eingestellt, wodurch mechanische Spannungen und eine Beein- flussung der Elektromigration zuverlässig minimiert werden kann. Eine Stromeinprägung erfolgt hierbei direkt von dem ersten Teststruktur-Anschlussbereich II zum zweiten Teststruktur-Anschlussbereich 12, der sich am anderen Ende des Elektromigrationsbereichs L anschließt.
Zur weiteren Verringerung eines jeweiligen Temperaturgradienten und der daraus resultierenden Materialflussdivergenz zu einem eigentlichen Anschlusspad werden die Breiten des ersten und zweiten Teststruktur-Anschlussbereichs II und 12 jeweils schrittweise verringert (Taperung) , wodurch sich eine Verjüngung zum zu testenden Bereich ergibt. Wiederum werden die Querschnittsflächen der jeweiligen Leiterbahnabschnitte so eingestellt, dass sich ein maximaler Temperaturgradient Tmax von z.B. 50 °C ergibt und somit insbesondere auch mechanische Spannungen zwischen den Stufen vermieden werden. Ein weiterer Vorteil der Stufenform ist die einfache fotolithografische Strukturierung.
Zur hochgenauen Bestimmung einer jeweils erzeugten Temperatur im Elektromigrationsbereich L besitzt der zweite Teststruktur-Anschlussbereich 12 einen zweiten Sensoranschluss S2, der gemäß Figur la beispielsweise erst an der Verjüngung bzw. zweiten Stufe ausgebildet wird, wodurch sich eine eventuelle Beeinflussung eines Temperaturprofils durch den zweiten Sensoranschluss S2 weiter verringern lässt. Wiederum wird eine Breite des Sensoranschlusses möglichst gering gehalten, um eine unerwünschte Temperatursenke zu verhindern.
Figur lb zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Temperaturprofils entlang der in Figur la dargestellten Teststruktur. Wesentlich ist hierbei, dass die im Elektromigrationsbe- reich L erzeugte Temperatur außerordentlich homogen ist und über die Sensoranschlüsse S2 und S3 auch quantitativ sehr genau erfasst werden kann, was insbesondere bei hochbeschleunigten Tests von Bedeutung ist. Mit einer derartigen Teststruktur können somit aufgrund von stark erhöhten Stromdich- ten insbesondere im Elektromigrationsbereich L die aufgrund der Joule' sehen Erwärmung resultierenden starken Erwärmungen und hohen Temperaturen erzielt werden, die zu einer wesentlichen Verkürzung der Testzeiten führen. Die außerordentlich hohen Temperaturen im Elektromigrationsbereich L sind hierbei im wesentlichen konstant und können über den zweiten und dritten Sensoranschluss S2 und S3 hochgenau ermittelt werden um jeweilige Testprogramme entsprechend anzusteuern.
Beispielsweise wird zur Temperaturbestimmung hierbei eine Temperaturabhängigkeit des Elektromigrationsbereichs L bzw. eines dazugehörigen Metallwiderstandes ausgenutzt, wobei die Sensoranschlüsse jeweils als Spannungsabgriffe zum Erfassen eines jeweiligen Spannungsabfalls bzw. einer Potentialdifferenz über dem Elektromigrationsbereich L dienen. Die einfache Struktur des Elektromigrationsbereichs L mit seiner ausreichenden Länge 1 und vorbestimmten Breite Bl ermöglicht somit eine einfache und äußerst exakte Bestimmung einer jeweiligen Leiterbahntemperatur während der Messung, wodurch sich ausreichende Rückschlüsse auf die dazugehörige Halbleiterschaltung bzw. Dünnfilmschaltung treffen lassen. Der Elektromigrationsbereich L und der Kontakt (Via) entsprechen hierbei typischen Leiterbahnen und Kontakten (Vias) in der dazugehörigen Halbleiterschaltung.
Da die Spannungsanschlüsse bzw. -abgriffe Sl und S3 am Kontakt (Via) zu einer unerwünschten Kühlung der Struktur und insbesondere des Elektromigrationsbereichs L führen können, werden diese Sensoranschlüsse Sl und S3 gemäß Figuren la und ld über einen gewissen Abschnitt bzw. zumindest teilweise parallel zum Elektromigrationsbereich L bzw. zum Teststruktur-Anschlussbereich II geführt, wodurch sich eine Optimie- rung des Temperaturprofils ergibt. In gleicher Weise ist auch der Sensoranschluss S2 nicht unmittelbar sondern erst nach der ersten Stufe zur Vermeidung unerwünschter Temperatursenken am zweiten Anschlussbereich 12 ausgebildet. Bei entsprechender Dimensionierung der jeweiligen Leiterbahnbreiten können somit insbesondere aufgrund von Temperaturunterschieden hervorgerufene mechanische Spannungen weitgehend verhindert werden.
Gemäß Figuren la und lb werden die Breiten Bl, B2, B3 und B4 der jeweiligen Anschlussbereiche II und 12 des Elektromigrationsbereichs L und des Elektromigrations-Barrierenbereichs V derart dimensioniert, dass bei Erreichen einer jeweiligen Testtemperatur im Elektromigrationsbereich L ein jeweiliger Temperaturgradient unterhalb eines maximal vorbestimmten Wertes Tmaχ (z.B. 50°C) liegt. Insbesondere durch den dritten Sensoranschluss S3 ist es nun auch möglich, produktrelevante Zuverlässigkeitsuntersuchungen (d.h. Kontakte (Vias) V auf- weisende Halbleiterschaltungen) mit hochbeschleunigten Testmethoden durchzufuhren, wobei außerordentlich genaue Aussagen beispielsweise über eine jeweilige Lebensdauer von Halbleiterschaltungen oder Dunnfilmschaltungen getroffen werden können. Darüber hinaus ist es durch diesen weiteren Sensoranschluss S3 nunmehr möglich, auch den genauen Ausfallort elektrisch zu bestimmen, wodurch eine jeweilige Ursache des Ausfalls ermittelt werden kann. Aufwandige Praparationen und REM-Untersuchungen, wie sie an herkömmlichen Teststrukturen durchgeführt werden mussten, um beispielsweise den genauen Ort des Ausfalls zu ermitteln, sind folglich nicht mehr notwendig .
Figur 2 zeigt eine vereinfachte Draufsicht einer Elektro- migrations-Teststruktur gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente bezeichnen und auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß Figur 2 werden in einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel parallel zum zu testenden Bereich, der im wesentlichen den Elektromigrationsbereich L und den Elektromigrations- Barrierenbereich V aufweist, sogenannte Blindstrukturen ausgebildet, die vorzugsweise in einem Abstand F beabstandet sind. F ist hierbei eine minimale lithografisch zu realisierende Strukturbreite eines jeweiligen Herstellungsprozesses.
Eine derartige zumindest zum Elektromigrationsbereich L ausgebildete Blindstruktur dient wiederum einer Erhöhung einer jeweiligen Produktrelevanz. Da insbesondere die bei lithogra- fischen Prozessen verwendeten Abbildungseigenschaften isolierte bzw. einzelne Leiterbahnen nur unscharf und mit sehr unbestimmten Querschnittseigenschaften abbilden können, ermöglicht die in Figur 2 dargestellte Blindstruktur eine An- passung an tatsachlich vorherrschende Bedingungen, da der zu testende Bereich im wesentlichen die gleiche Strukturierung aufweist, wie eine Leiterbahn in der dazugehörigen Halblei- ter- bzw. Dünnfilmschaltung. Das Auftreten von überkritischen Teststrukturen, die beispielsweise früher ausfallen als die dazugehörige Halbleiterschaltung, kann dadurch verhindert werden .
Gemäß Figur 2 wird demzufolge parallel zu dem Elektromigrationsbereich L jeweils ein Blind-Elektromigrationsbereich bzw. eine jeweilige Du my-Leitung DL im minimal erlaubten Abstand zu beiden Seiten der Teststruktur, ausgebildet . Neben den vorstehend beschriebenen verbesserten Abbildungseigenschaften insbesondere für den Elektromigrationsbereich L können damit aber auch die Temperaturverhältnisse in einer dazugehörigen Halbleiterschaltung wesentlich besser nachgebildet werden. Genauer gesagt kühlen die Blind-Elektromigrationsbereiche DL wegen ihrer Nähe zur Teststruktur bzw. zum Elektromigrationsbereich L diesen ab, weshalb eine höhere Stromdichte zum Erreichen der gleichen Testtemperatur notwendig wird. Da dieser Strom auch durch die Elektromigrations-Barrieren- bereiche V fließt und eine Erwärmung darin hervorruft, können zur Vermeidung einer entsprechenden Überhitzung die Blindstrukturen auch jeweilige Blind-Elektromigrations- Barrierenbereiche DV bzw. sogenannte Dummy-Kontakte (Vias) aufweisen. Eine weitere Verbesserung der Produktrelevanz bzw. einer Wärmeabstrahlung an parallel liegende Leiterbahnen kann durch die in Figur 2 dargestellten Blind-Anschlussbereiche DI parallel zum ersten und zweiten Anschlussbereich II und 12 realisiert werden. Mit der in Figur 2 dargestellten Blind- Struktur kann demzufolge eine gleichmäßig Kühlung des Kontaktes (Vias) V und der leitenden Ebene erreicht und eine ög- liehst gleichmäßige und fototechnisch einwandfreie Abbildung der jeweiligen Struktur realisiert werden, wodurch man eine sehr genaue Aussage über die jeweiligen Produkteigenschaften einer dazugehörigen Halbleiterschaltung erhält.
Figur 3 zeigt eine vereinfachte Teil-Schnittansicht einer Elektromigrations-Teststruktur gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels im Bereich der Elektro igrations-Barriere V. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen wiederum gleiche oder entsprechende Elemente wie in den Figuren 1 und 2, weshalb auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß Figur 3 kann eine Elektromigrations-Barriere mit verringertem Materialfluss auch dadurch entstehen, dass beispielsweise eine durchgehende metallische Leiterbahn über einer Topografie bzw. Kante abgeschieden wird, wodurch beispielsweise aufgrund von unterschiedlichen Abscheidungsge- schwindigkeiten an der Kante unterschiedliche Materialstrukturen ergeben und ein verringerter Materialfluss aufgrund des Elektromigrationseffektes auftritt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann demzufolge die vorstehend beschriebene E- lektromigrations-Teststruktur nicht nur auf die vorstehend beschriebenen Kontakte (Vias) sondern auch auf die in Figur 3 dargestellten Elektromigrations-Barrierenbereiche V angewendet werden, wodurch man wiederum einen hochgenauen und hochbeschleunigten Test von derartigen Strukturen realisieren kann. In gleicher Weise fallen gemäß Figur 3 beispielsweise auch mittels Spacer-Technik realisierte Seitenwandkontakte oder Verbindungsstrukturen in Gräben unter den Begriff E- lektromigrations-Barrierenbereich.
Die Erfindung wurde vorstehend an Hand von integrierten Halb- leiterschaltungen beschrieben. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt und umfasst in gleicher Weise elektrische Schaltungen, die in Dünnfilmtechnik ausgebildet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Elektromigrations-Teststruktur zur Erfassung einer Zuverlässigkeit von Verdrahtungen mit
einem ersten und zweiten Teststruktur-Anschlussbereich (II, 12) zum Einprägen eines Heizstroms;
einem zu testenden Bereich, der einen Elektromigrationsbe- reich (L) mit konstantem Materialfluss und einen Elektro- migrations-Barrierenbereich (V) mit verringertem Material- fluss aufweist und zwischen die Anschlussbereiche (12, 12) geschaltet ist; und
einem ersten und zweiten Sensoranschluss (Sl, S2) zum Erfassen eines Ausfalls des zu testenden Bereichs (V, L) , ge ke n n z e i chne t du r ch
einen dritten Sensoranschluss (S3) , der in unmittelbarer Nähe zum Elektro igrations-Barrierenbereich (V) an den Elektromigrationsbereich (L) angeschaltet ist, wobei der Elektromigrationsbereich (L) derart strukturiert ist, dass sich darin eine im wesentlichen homogene Temperaturverteilung ergibt .
2. Elektromigrations-Teststruktur nach Patentanspruch 1, da d u r ch ge kenn z e i ch ne t , dass der Elektro- migrations-Barrierenbereich (V) einen Kontakt darstellt.
3. Elektromigrations-Teststruktur nach Patentanspruch 1 oder 2, d a d u rc h ge kenn z e i ch n e t , dass der Elektromigrationsbereich (L) eine metallische Leiterbahn mit konstanter Breite (Bl) darstellt.
4. Elektromigrations-Teststruktur nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, d a du rch g e kenn z e i ch net , dass der erste und zweite Teststruktur-Anschlussbereich (II, 12) eine Verjüngung zum zu testenden Bereich hin aufweist.
5. Elektromigrations-Teststruktur nach Patentanspruch 4, dadu r c h g e ke nn z e i ch n e t , dass die Verjüngung im wesentlichen stufenweise ausgebildet ist.
6. Elektromigrations-Teststruktur nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, da du rch ge ke n n z e i chnet , dass der erste Sensoranschluss (Sl) derart ausgebildet ist, dass ein gewisser Temperaturausgleich zum Elektromigrationsbereich (L) stattfinden kann.
7. Elektromigrations-Teststruktur nach einem der Patentan- Sprüche 4 bis 6, da durch g e ken n z e i chnet , dass der zweite Sensoranschluss (S2) am zweiten Teststruktur- Anschlussbereich (12) im Bereich der Verjüngung ausgebildet ist .
8. Elektromigrations-Teststruktur nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, da du rch g e ke n n z e i chnet , dass der dritte Sensoranschluss (S3) derart ausgebildet ist, dass ein gewisser Temperaturausgleich zum ersten Teststruktur- Anschlussbereich (II) stattfinden kann.
9. Elektromigrations-Teststruktur nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, da du rch g e ke n n z e i chnet , dass eine Querschnittsfläche der jeweiligen Anschlussbereiche (II, 12), des Elektromigrationsbereichs (L) und/oder des Elektro- migrations-Barrierenbereichs (V) derart ausgebildet ist, dass bei Erreichen einer Temperatur ein jeweiliger Temperaturgradient von maximal einem vorbestimmten Wert (Tmax) besteht.
10. Elektromigrations-Teststruktur nach einem der Patentan- Sprüche 1 bis 9, da du rch ge ke n n z e i chnet , dass zumindest eine Blindstruktur im wesentlichen parallel zum zu testenden Bereich ausgebildet ist.
11. Elektromigrations-Teststruktur nach Patentanspruch 10, dadurch ge kennzeichnet , dass die Blindstruktur einen Blind-Elektromigrationsbereich (DL) , einen Blind- Elektromigrations-Barrierenbereich (DV) und/oder einen Blind- Anschlussbereich (DI) aufweist.
12. Elektromigrations-Teststruktur nach einem der Patentansprüche 10 oder 11, dadurch ge kenn zeichnet , dass die Blindstruktur mit minimaler Strukturbreite (F) zum zu testenden Bereich beabstandet ist.
13. Elektromigrations-Teststruktur nach einem der Patentansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzei chnet , dass sie in einer Halbleiterschaltung oder einer Dünnfilmschaltung ausgebildet ist.
14. Elektromigrations-Teststruktur nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, dadurch ge kenn ze i chnet , dass sie für hochbeschleunigte Tests mit Joule 'scher Erwärmung ausgebildet ist.
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