利用帶隙電壓參考電路進(jìn)行銅應(yīng)力測(cè)量的新方法

1 前言

銅金屬化在高功率汽車應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)是具備通態(tài)低電阻，并且具有可重復(fù)箝位魯棒性。然而，從可靠性角度而言，來自厚Cu層的應(yīng)力是主要關(guān)注的問題。傳統(tǒng)應(yīng)力監(jiān)控方法是進(jìn)行線內(nèi)晶圓彎曲度測(cè)量。這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是只能反應(yīng)特定時(shí)間點(diǎn)的應(yīng)力情況，而且分辨率欠缺。由于相消效應(yīng)，難以分析從拉伸到壓縮之間的累積性應(yīng)力。憑借新的電路技術(shù)，我們能利用具備帶隙參考電壓和過壓功能的特別設(shè)計(jì)芯片，以電氣方式進(jìn)行Cu薄膜層局部應(yīng)力測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)

3個(gè)帶有帶隙參考電壓電路的特別設(shè)計(jì)晶圓(每晶圓1000個(gè)芯片)利用英飛凌BCD(雙極、CMOS和DMOS)技術(shù)進(jìn)行處理。11μm厚Cu經(jīng)電化學(xué)感光蝕刻形成頂部金屬層。晶圓上的局部薄膜利用Flex測(cè)試器在25℃下進(jìn)行電氣測(cè)量，以獲得初始帶隙參考電壓和過壓值。晶圓在250℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行45分鐘的退火。在退火之后，在25℃的室溫下再次測(cè)量帶隙參考電壓和晶圓彎曲度。

測(cè)量的兩個(gè)參數(shù)是帶隙參考電壓(V_REF)和過壓值(OverVoltage)。主要來自雙極晶體管的帶隙參考電壓是一個(gè)對(duì)測(cè)試溫度和應(yīng)力敏感的參數(shù)，但能很好耐受工藝變動(dòng)。OverVoltage是一個(gè)了解芯片過壓閾值能力的參數(shù)，主要來自CMOS和雙極晶體管。

3 結(jié)果和討論

晶圓利用E&H工具進(jìn)行測(cè)量。在圖1和圖2的原始測(cè)量點(diǎn)處，源于公式(1)和(2)的MaxBowXY參數(shù)可說明Cu應(yīng)力導(dǎo)致的晶圓彎曲度情況。在250℃退火后，由于Cu再結(jié)晶(參見圖3)，晶圓彎曲度增加，出現(xiàn)拉伸應(yīng)力。

圖1：用于最大彎曲度計(jì)算的局部測(cè)量點(diǎn)A、B、C和D

圖2：A、B、C局部測(cè)量點(diǎn)截面圖

圖3：退火后MaxBowXY VS退火前MaxBowXY(250℃，45分鐘)

如圖4所示，在250℃退火后，每個(gè)晶圓的過壓值降低了20mV。我們認(rèn)為電路層級(jí)過壓值的漂移是因?yàn)閷?duì)于大面積厚Cu層而言，250℃應(yīng)力改變了雙極晶體管和CMOS晶體管等器件的顆粒結(jié)構(gòu)。如圖5所示，在晶圓層級(jí)，250℃退火后過壓值和帶隙參考電壓一致降低，當(dāng)應(yīng)力由于piezojunction效應(yīng)施加在雙極晶體管上時(shí)，帶隙參考電壓降低。

圖4：退火前和退火后3個(gè)晶圓的過壓累積情況

圖5：退火前和退火后晶圓層級(jí)的過壓中值VS 帶隙參考電壓中值[!--empirenews.page--]

圖6(a)和6(b)分別說明每個(gè)晶圓退火前后MaxBowXY和過壓及帶隙參考電壓的對(duì)比情況。MaxBowXY從圖6(a)到圖6(b)的增加是因?yàn)镃u再結(jié)晶導(dǎo)致拉伸應(yīng)力。當(dāng)MaxBowXY增加時(shí)帶隙參考電壓和過壓值降低是因?yàn)楹馛u層在電路上施加應(yīng)力。從圖6(a)和6(b)中，我們可以看到過壓和帶隙參考電壓有更線性的匹配，正如其他文獻(xiàn)所述。

如圖7所示，當(dāng)我們探究晶圓均勻性時(shí)，我們可以看到晶圓最外側(cè)邊緣的帶隙參考電壓最低(紅色)，而該區(qū)域具有更高的拉伸應(yīng)力(參見圖8)。在圖7中，從晶圓中心壓縮(負(fù))到外緣拉伸(正)的應(yīng)力梯度與圖8中晶圓中心帶隙參考?jí)毫ψ畲蟮酵饩墡秴⒖級(jí)毫ψ畹兔芮嘘P(guān)聯(lián)。由于每個(gè)晶圓要進(jìn)行1200個(gè)晶粒測(cè)量，Cu應(yīng)力測(cè)量方法的分辨率遠(yuǎn)高于晶圓彎曲度測(cè)量方法(每個(gè)晶圓測(cè)量37個(gè)點(diǎn))。

此外，晶圓彎曲度測(cè)量只是在特定工藝步驟的即時(shí)應(yīng)力監(jiān)控方面更為準(zhǔn)確。而施加到器件上的累積性應(yīng)力則難以監(jiān)測(cè)，而新方法則可提供累積性應(yīng)力測(cè)量結(jié)果。

圖6：退火前(a)和退火后(b)MaxBowXY與過壓的對(duì)比(左軸)以及MaxBowXY與帶隙參考電壓的對(duì)比(右軸)

圖7：退火后晶圓均勻性輪廓圖(測(cè)量1200個(gè)晶粒的帶隙參考電壓)

圖8：退火后晶圓均勻性輪廓圖(37個(gè)局部測(cè)量點(diǎn))

4 結(jié)論

在本文中，我們闡述了一種測(cè)量Cu薄膜應(yīng)力的新方法——利用具備帶隙參考電壓并具備過壓功能的特殊設(shè)計(jì)芯片。通過這種方法，我們能夠確定Cu應(yīng)力行為在后端集成方案中的敏感性。

總而言之，這種方法可以擴(kuò)展用于任何具有拉伸應(yīng)力或壓縮應(yīng)力的薄膜類型，以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制造工藝監(jiān)控。借助帶隙參考電壓電路的特殊設(shè)計(jì)，能夠監(jiān)控BEOL集成中的應(yīng)力預(yù)算。