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DE102008059504B4 - Eingebaute Nachgiebigkeit in Strukturen zum Testen von Leckströmen und dielektrischen Durchschlag dielektrischer Materialien von Metallisierungssystemen von Halbleiterbauelementen - Google Patents

Eingebaute Nachgiebigkeit in Strukturen zum Testen von Leckströmen und dielektrischen Durchschlag dielektrischer Materialien von Metallisierungssystemen von Halbleiterbauelementen Download PDF

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DE102008059504B4
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    • H01L22/30Structural arrangements specially adapted for testing or measuring during manufacture or treatment, or specially adapted for reliability measurements
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Abstract

Teststruktur (250) zum Überwachen dielektrischer Eigenschaften eines Metallisierungssystems eines Halbleiterbauelements, wobei die Teststruktur (250) umfasst: ein Testgebiet (260), das über einem Substrat ausgebildet ist und mehrere Testmetallgebiete, die in einem dielektrischen Material (211) einer Metallisierungsebene gebildet sind, aufweist; eine Strombegrenzungsstruktur (240), die über dem Substrat gebildet ist; und eine Verbindungsstruktur (230), die mit dem Testgebiet (260) und der Strombegrenzungsstruktur (240) verbunden ist, wobei die Verbindungsstruktur (230) ausgebildet ist, die Strombegrenzungsstruktur (240) und das Testgebiet (260) elektrisch zu verbinden und das Anlegen einer Spannung in einem spezifizierten Spannungsbereich über dem Testgebiet (260) und der Strombegrenzungsstruktur (240) mittels einer externen Testeinrichtung zu ermöglichen; wobei die Strombegrenzungsstruktur (240) eine Widerstandsstruktur (242) aufweist, die zumindest teilweise in dem dielektrischen Material (211) ausgebildet ist und eine höhere Spannungsfestigkeit im Vergleich zu dem Testgebiet (260) besitzt.

Description

  • Gebiet der vorliegenden Erfindung
  • Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Mikrostrukturen, etwa moderne integrierte Schaltungen, und betrifft insbesondere Metallisierungssysteme mit komplexen dielektrischen und leitenden Materialien.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Bei der Herstellung moderner Mikrostrukturen, etwa von integrierten Schaltungen, gibt es ein ständiges Bestreben, die Strukturgrößen der Mikrostrukturelemente zu verringern, um damit die Funktionsvielfalt dieser Strukturen zu verbessern. Z. B. haben in modernen integrierten Schaltungen die minimalen Strukturgrößen, etwa die Kanallänge von Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht, wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen im Hinblick auf die Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder Funktionsvielfalt verbessert wird. Wenn die Größe der einzelnen Schaltungselemente bei jeder neuen Schaltungsgeneration verringert wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente verbessert wird, wird auch der verfügbare Platz für Verbindungsleitungen, die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch miteinander verbinden, ebenfalls verringert. Folglich müssen auch die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen reduziert werden, um einen geringeren Anteil an verfügbarer Fläche und einer größeren Anzahl an Schaltungselementen, die pro Einheitschipfläche vorgesehen sind, Rechnung zu tragen, da typischerweise die Anzahl der erforderlichen Verbindungen schnelle ansteigt als die Anzahl der Schaltungselemente. Daher werden typischerweise eine Vielzahl gestapelter „Verdrahtungsschichten” vorgesehen, die auch als Metallisierungsschichten bezeichnet werden, wobei einzelne Metallleitungen einer Metallisierungsschicht mit einzelnen Metallleitungen einer darüber liegenden oder darunter liegenden Metallisierungsschicht durch sogenannte Kontaktdurchführungen verbunden sind. Trotz des Vorsehens einer Vielzahl von Metallisierungsschichten sind kleinere Abmessungen der Verbindungsleitung erforderlich, um der hohen Komplexität, beispielsweise moderner CPU's, Speicherchips, ASIC's (anwendungsspezifische IC's) und dergleichen Rechnung zu tragen.
  • Moderne integrierte Schaltungen mit Transistorelementen mit einer kritischen Abmessung von 0,05 μm und darunter werden daher typischerweise bei deutlich höheren Stromdichten bis zu mehreren Kiloampere pro cm2 in den einzelnen Verbindungsstrukturen betrieben, obwohl eine relativ große Anzahl an Metallisierungsschichten vorgesehen ist, die durch die hohe Anzahl an Schaltungselementen pro Einheitsfläche erforderlich ist. Folglich werden gut etablierte Materialien, etwa Aluminium, durch Kupfer und Kupferlegierungen ersetzt, d. h. eine Material mit einem deutlich geringeren elektrischen Widerstand und einen verbesserten Widerstandsverhalten im Hinblick auf Elektromigration selbst bei deutlich höheren Stromdichten im Vergleich zu Aluminium. Das Einführen von Kupfer in dem Herstellungsprozess für Mikrostrukturen und integrierte Schaltungen ist mit einer Vielzahl von kleinsten Problemen begleitet, die in der Eigenschaft des Kupfers begründet liegen, gut in Siliziumdioxid und eine Vielzahl von dielektrischen Materialien mit kleinem ε zu diffundieren, die in Verbindung mit Kupfer eingesetzt werden, um die parasitäre Kapazität innerhalb komplexer Metallisierungsschichten zu verringern. Um die erforderliche Haftung zu erreichen und um eine ungewünschte Diffusion von Kupferatomen in empfindliche Bauteilgebiete zu vermeiden, ist es daher für gewöhnlich erforderlich, eine Barrierenschicht zwischen dem Kupfer und dem dielektrischen Material vorzusehen, in welchem die kupferbasierten Verbindungsstrukturen eingebettet sind. Obwohl Siliziumnitrid ein dielektrisches Material ist, das in wirksamer Weise die Diffusion von Kupferatomen verhindert, ist die Auswahl von Siliziumnitrid als ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial wenig wünschenswert, da Siliziumnitrid eine moderat hohe Permittivität besitzt, wodurch die parasitäre Kapazität zwischen benachbarten Kupferleitungen erhöht wird, was zu nicht akzeptablen Signalausbreitungsverzögerungen führen würde. Daher wird eine dünne leitende Barrierenschicht, die dem Kupfer auch die erforderliche mechanische Stabilität verleiht, für gewöhnlich vorgesehen, um damit das Kupferfüllmaterial von dem umgebenden dielektrischen Material zu trennen, wodurch die Kupferdiffusion in dielektrischen Materialien verringert wird und auch die Diffusion unerwünschter Sorten, etwa von Sauerstoff, Fluor und dergleichen in das Kupfer vermieden wird. Des weiteren bieten die leitenden Barrierenschichten auch eine sehr stabile Grenzfläche mit dem Kupfer, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass ein ausgeprägter Materialtransport an der Grenzfläche stattfindet, die typischerweise ein kritisches Gebiet im Hinblick auf ausgeprägtere Diffusionspfade darstellt, die durch Strom hervorgerufene Materialdiffusion erleichtern. Aktuell werden Tantal, Titan, Wolfram und ihre Verbindungen mit Stickstoff und Silizium und dergleichen bevorzugt für eine leitende Barrierenschicht verwendet, wobei die Barrierenschicht zwei oder mehr Unterschichten unterschiedlicher Zusammensetzungen aufweisen kann, um damit die Erfordernisse im Hinblick auf die diffusionsunterdrückende Wirkung und die Haftung zu erfüllen.
  • Eine weitere Eigenschaft des Kupfers, die es deutlich von Aluminium unterscheidet, ist die Tatsache, dass Kupfer nicht in größeren Mengen durch chemische und physikalische Dampfabscheidetechniken aufgebracht werden kann, wodurch eine Prozessstrategie erforderlich ist, die üblicherweise als Damaszener- oder Einlegetechnik bezeichnet wird. In dem Damaszener-Prozess wird zunächst eine dielektrische Schicht gebildet, die dann strukturiert wird, so dass diese Gräben und/oder Kontaktöffnungen aufweist, die nachfolgend mit Kupfer gefüllt werden, wobei, wie zuvor erläutert ist, vor dem Einfüllen des Kupfers eine leitende Barrierenschicht an Seitenwänden der Gräben und Kontaktöffnungen gebildet wird. Das Abscheiden des Kupferfüllmaterials in die Gräben und Kontaktöffnungen wird für gewöhnlich durch nasschemische Abscheideprozesse, etwa Elektroplattieren und stromloses Plattieren, bewerkstelligt, wobei das zuverlässige Auffüllen von Kontaktöffnungen mit einem Aspektverhältnis von 5 oder mehr mit einem Durchmesser von 0,3 μm oder weniger in Verbindung mit Gräben mit einer Breite im Bereich von 0,1 μm bis mehrere Mikrometern erforderlich ist. Elektrochemische Abscheideprozesse für Kupfer sind auf dem Gebiet der elektronischen Leiterplattenherstellung gut etabliert. Jedoch ist für die Abmessungen der Metallgebiete in Halbleiterbauelementen die hohlraumfreie Auffüllung von Kontaktöffnungen mit hohem Aspektverhältnis eine äußerst komplexe und herausfordernde Aufgabe, wobei die Eigenschaften der schließlich erzeugten kupferbasierten Verbindungsstruktur wesentlich von Prozessparametern, Materialien und der Geometrie der interessierenden Struktur abhängen. Da die Geometrie von Verbindungsstrukturen im Wesentlichen durch die Entwurfserfordernisse vorgegeben ist und daher nicht wesentlich für eine gegebene Mikrostruktur geändert werden kann, ist von großer Wichtigkeit, den Einfluss von Materialien, etwa leitende und nicht-leitende Barrierenschichten, der Kupfermittelstruktur und dergleichen und ihre gegenseitige Wechselwirkung auf die Eigenschaften der Verbindungsstruktur als Ganzes abzuschätzen und zu steuern, um sowohl eine hohe Ausbeute als auch die erforderliche Produktzuverlässigkeit sicherzustellen. Insbesondere ist es wichtig, Beeinträchtigungsmechanismen und Fehlermechanismen in Metallisierungssystemen für diverse Konfigurationen zu erkennen, zu überwachen und zu reduzieren, um damit die Bauteilzuverlässigkeit für jede neue Bauteilgeneration oder jeden Technologiestandard beizubehalten.
  • Daher wird ein großer Aufwand betrieben, um die Beeinträchtigung von Kupferverbindungsstrukturen insbesondere in Verbindung mit dielektrischen Materialien mit kleinem ε oder Materialien mit ultrakleinem ε (ULK) mit einer relativen Permittivität von 3,0 oder weniger zu untersuchen, um damit neue Materialien und Prozessstrategien zu finden, um kupferbasierte Leitungen und Kontaktdurchführungen mit einer geringen Gesamtpermittivität herzustellen.
  • Ein Ausfallmechanismus, von dem angenommen wird, dass er wesentlich zu einem vorzeitigen Bauteilausfall beiträgt, ist die durch Elektromigration hervorgerufene Materialwanderung insbesondere entlang einer Grenzfläche, die zwischen dem Kupfer und einer dielektrischen Deckschicht gebildet wird, die nach dem Einfüllen des Kupfermaterials in die Gräben und Kontaktöffnungen vorgesehen wird, deren Seitenwände durch die leitenden Barrierenmaterialien ausgekleidet sind. Zusätzlich zur Beibehaltung der Kupferintegrität dient die dielektrische Deckschicht für gewöhnlich als eine Ätzstoppschicht während der Herstellung der Kontaktöffnungen in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial. Häufig verwendete Materialien sind beispielsweise Siliziumnitrid und stickstoffenthaltendes Siliziumkarbid, die eine moderat hohe Ätzselektivität für typischerweise verwendete Zwischenschichtdielektrika zeigen, etwa für eine Vielzahl von dielektrischen Materialien mit kleinem ε, und die auch die Diffusion von Kupfer in das Zwischenschichtdielektrikum unterdrücken. Aktuelle Forschungsergebnisse scheinen jedoch anzudeuten, dass die zwischen dem Kupfer und der dielektrischen Deckschicht gebildete Grenzfläche ein ausgeprägter Diffusionspfad für den Materialtransport während des Betriebs der Metallverbindungsstruktur ist.
  • Folglich wurden eine Vielzahl von Alternativen entwickelt, um zu versuchen, die Grenzflächeneigenschaften zwischen dem Kupfer und der Deckschicht zu verbessern, die die Eigenschaft besitzt, das Kupfer zuverlässig einzuschließen und dessen Integrität beizubehalten. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, selektiv leitende Materialien auf der Oberseite des kupferenthaltenden Gebiets vorzusehen, die ein besseres Elektromigrationsverhalten besitzen, ohne damit in unerwünschter Weise den Gesamtwiderstand der entsprechenden Metallleitung zu verringern. Beispielsweise verweisen sich diverse Legierungen, etwa eine Verbindung aus Kobalt/Wolfram/Phosphor (CoWP), eine Verbindung aus Nickel/Molybdän/Phosphor (NiMoP) und dergleichen als aussichtsreiche Kandidaten für leitende Deckschichten, die die Elektromigrationseffekte innerhalb einer entsprechenden Metallleitung deutlich verringern. Obwohl diese Verbindungen ein besseres Elektromigrationsverhalten ermöglichen und in den gesamten Prozessablauf zur Herstellung komplexer Metallisierungssysteme eingerichtet werden können, da diese Verbindungen effizient auf der Grundlage selektiver elektrochemischer Abscheiderezepte aufgebracht werden können, zeigt sich jedoch, dass ausgeprägte Defekte in Metallisierungssystemen mit Kupferleitungen mit einer leitenden Deckschicht beobachtet werden. Beispielsweise können erhöhte Leckströme und Durchschläge im Dielektrium in derartigen Bauelementen verstärkt auftreten im Vergleich zu Bauelementen mit einem Metallisierungssystem auf der Grundlage einer dielektrischen Deckschicht.
  • Des weiteren wird beim Betrieb des Bauelements eine kleinere Zeitdauer bis zu einem elektrischen Durchbruch komplexer Metallisierungssystemen beobachtet, wobei angenommen wird, dass eine wesentliche Quelle für den vorzeitigen Verlust der Spannungsfestigkeit die Grenzfläche zwischen den dielektrischen Materialien zwei aufeinanderfolgender Metallisierungsschichten in dicht liegenden Metallleitungen ist, wie dies mit Bezug zu 1a erläutert ist.
  • 1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 mit einem Substrat 101 in und über welchem Schaltungselemente hergestellt sind, etwa Transistoren und dergleichen, wie dies für den gesamten Schaltungsaufbau des Halbleiterbauelements 100 erforderlich ist. Wie zuvor erläutert ist, erfordert die ständige Verringerung der kritischen Strukturgrößen, die aktuell bei ungefähr 50 nm und weniger liegen, eine entsprechende Anpassung der Strukturgrößen von Metallleitungen und Kontaktdurchführungen in einem Metallisierungssystem 130 des Bauelements 100. In dem in 1a gezeigten Beispiel enthält das Metallisierungssystem 130 in dem gezeigten Fertigungsstadium eine Metallisierungsschicht 110 in einem im Wesentlichen vollständigen Zustand und eine Metallisierungsschicht 130 vor dem Strukturieren des entsprechenden darin enthaltenen dielektrischen Materials. Die Metallisierungsschicht 110 umfasst ein dielektrisches Material 111, etwa ein dielektrisches Material mit kleinem ε, und mehrere Metallleitungen 112, die typischerweise ein gut leitendes Metall 112, etwa Kupfer, in Verbindung mit einem leitenden Barrierenmaterial 112b aufweisen, etwa Tantal, Tantalnitrid und dergleichen. Des weiteren ist im Hinblick auf einen besseren Kupfereinfluss und auf ein besseres Elektromigrationsverhalten häufig eine leitende Deckschicht 113 auf einer oberen Fläche 112s des Metallgebiets 112 gebildet. Wie zuvor erläutert ist, können eine Vielzahl von Legierungen eingesetzt werden, die einen moderat geringen Widerstand besitzen, während gleichzeitig eine starke Grenzfläche mit der Oberfläche 112s gebildet wird, die daher zu einem geringeren Grad an Strom hervorgerufenen Materialdiffusion führt, wie dies auch zuvor angegeben ist. Typischerweise besitzen die Metallleitungen 112 einen gewissen Grad an Verjüngung bzw. Seitenwandneigung, so dass die kritische Abmessung 112w in der Nähe der oberen Oberfläche 112s größer ist im Vergleich zu der kritischen Breite 112w an der Unterseite der Metallleitungen 112. Folglich ist der Abstand zwischen benachbarten dichtliegenden Metallleitungen 112d an einer Grenzfläche 111s des dielektrischen Materials 111 mit einem nachfolgenden dielektrischen Material 112 das als ein dielektrisches Material der nachfolgenden Metallisierungsschicht 120 betrachtet werden kann oder das als eine Deckschicht des dielektrischen Materials 111 betrachtet werden kann, am kleinsten. Im jedem Falle unterscheiden sich die dielektrischen Materialien 122, 111 typischerweise in ihrer Materialzusammensetzung, so dass Diffusionspfade für Kontaminationsstoffe, etwa Metallreste und dergleichen, vorzugsweise an der Grenzfläche 111s auftreten. Des weiteren kann ein weiteres dielektrisches Material 121, etwa ein dielektrisches Material mit kleinem ε und dergleichen, auf der dielektrischen Schicht 122 gebildet sein.
  • Typischerweise wird das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 auf der Grundlage der folgenden Prozesstechniken hergestellt. Nach der Herstellung von Schaltungselementen in und über dem Substrat 101 auf der Grundlage gut etablierter Techniken gemäß den speziellen Entwurfsregeln, die kritische Abmessungen von 50 nm und deutlich weniger für Schaltungselemente, etwa Transistoren und dergleichen, erfordern können, wird eine geeignete Kontaktstruktur (nicht gezeigt) so gebildet, dass diese die jeweiligen Schaltungselemente mit dem Metallisierungssystem 130 verbindet. Daraufhin wird das Metallisierungssystem 130 hergestellt, wobei die Anzahl und der Aufbau der einzelnen Metallisierungsschichten 110, 120 von der Komplexität und den Entwurfkriterien für die Schaltung abhängt, die durch die Schaltungselemente in der Bauteilebene gebildet wird, wie dies auch zuvor erläutert ist. Beispielsweise wird die Metallisierungsschicht 110, die die Metallleitungen 112 enthält, durch Abscheiden des dielektrischen Materials 111 hergestellt, das ein Material mit geringerer Permittivität repräsentieren kann, indem geeignete Abscheidetechniken angewendet werden, etwa plasmaunterstützte CVD (chemische Dampfabscheidung), Aufschleudertechniken und dergleichen. Daraufhin wird eine geeignete Ätzmaske auf der Grundlage von Lithographie hergestellt, wobei beim Bedarf Hartmaskenmaterialien verwendet werden, um die laterale Abmessung 111w und den Abstand 112d zwischen benachbarten Metallleitungen 112 zu definieren. Daraufhin wird ein anisotroper Ätzprozess ausgeführt auf der Grundlage gut etablierter Rezepte, wobei ein gewisser Grad an Verjüngung bzw. Seitenwandneigung erzeugt wird, so dass typischerweise die Breite 112w und der Abstand 112d so gewählt werden, dass sie mit dem gesamten Entwurfsregeln für eine gegebene hohe Dichte der Metallleitungen 112 kompatibel sind. Nach dem Ätzprozess und dem Entfernen der entsprechenden Ätzmaske wir das Barrierenmaterial 112b gebildet, beispielsweise durch Sputter-Abscheidung und dergleichen, woran sich das Einfüllen des Kupfermaterials anschließt, was typischerweise durch elektrochemische Abscheidetechniken bewerkstelligt wird. Danach wird überschüssiges Material des Kupferfüllmaterials und der leitenden Barrierenschicht 112b entfernt, wobei typischerweise CMP-(chemische mechanische Polier-)Techniken eingesetzt werden. Während einer abschließenden Phase einer entsprechenden Poliersequenz werden daher Kupfermaterial, Barrierenmaterial und Material der dielektrischen Schicht 111 der Einwirkung der Polierumgebung ausgesetzt, was zu einem gewissen Grad an „Kupferkontamination” der Oberfläche 111s des dielektrischen Materials 111 führen kann. Obwohl sehr effiziente Reinigungsprozesse in einer späteren Fertigungsphase ausgeführt werden, kann dennoch die Anwesenheit selbst kleinster Kupferreste zu einer geringeren Spannungsfestigkeit insbesondere an der Grenzfläche 111s führen, an der auch der Abstand zwischen benachbarten Metallleitungen 112 am kleinsten ist. Die Situation wird noch kritischer in Halbleiterbauelementen, in denen das metallenthaltende Deckmaterial 113 vorgesehen wird. Zu diesem Zweck wird typischerweise ein weiterer elektrochemischer Abscheideprozess durchgeführt, häufig ein stromloser Prozess, um damit in selektiver Weise das gewünschte leitende Deckmaterial 113 auf den Oberflächenbereichen 112s aufzubringen. Während dieses Prozesses werden freiliegende Oberflächenbereiche des dielektrischen Materials 111 ebenfalls mit Elektrolytlösungen, die Metallatome enthalten, in Kontakt gebracht, die zu einem gewissen Grade auch in das dielektrische Material diffundieren können. Somit werden Reinigungsprozesse nach dem stromlosen Abscheideprozess ausgeführt, um Kontaminationsstoffe zu entfernen, wobei jedoch weiterhin kleinste Metallreste von dem vorhergehenden chemisch-mechanischen Polieren des Kupfermaterials und dem nachfolgenden stromlosen Abscheidungsprozess für das leitende Deckmaterial 113 vorhanden sein können. Daraufhin wird das dielektrische Material 112 etwa durch plasmaunterstützte CVD-Techniken abgeschieden, wobei das Material 122 als ein Ätzstoppmaterial während der Strukturierung des dielektrischen Materials 121 der Metallisierungsschicht 120 dient. Z. B. werden Siliziumkarbid, stickstoffenthaltendes Siliziumkarbid und dergleichen häufig als geeignete Ätzstoppmaterialien eingesetzt. Auf Grund einer speziellen Fehlanpassung hinsichtlich der Materialzusammensetzung und der Molekularstruktur zwischen den Materialien 122 und dem dielektrischen Material 111 repräsentiert die Grenzfläche 111s einen Diffusionspfad für Metallreste, was zu einer noch geringeren Spannungsfestigkeit beim Betrieb des Bauelements 100 führt, wobei typischerweise wiederholt moderat hohe Temperaturen innerhalb des Metallisierungssystems 130 erzeugt werden.
  • Das dielektrische Material 121 wird dann abgeschieden und nachfolgend strukturiert, indem die Schicht 122 als ein Stoppmaterial verwendet wird, wobei nachfolgend Kontaktdurchführungen und Metallleitungen in der Metallisierungsschicht 120 hergestellt werden.
  • Somit sorgt der geringe Abstand der Metallleitungen 112 insbesondere an der Grenzfläche 112s für erhöhte elektrische Felder beim Betrieb des Bauelements 100, was noch kritischer werden kann auf Grund der weniger stabilen Grenzfläche 111s und der Anwesenheit selbst kleinster Metallreste, etwa in Form von Kupfer oder Material der leitenden Deckschicht 113. Daher wird ein vorzeitiger Ausfall, d. h. ein elektrisches Durchschlagen, in Metallisierungsebenen kritischer Halbleiterbauelemente beobachtet.
  • Aus diesem Grund werden große Anstrengungen unternommen, um Fehler in den Metallisierungssystemen zu bestimmen und die entsprechenden Gründe im sehr komplexen Fertigungsablauf und den darin verwendeten Materialien zu erkennen. Zu diesem Zweck werden geeignet gestaltete Teststrukturen typischerweise in den Halbleiterbauelementen vorgesehen, die dann unter vordefinierten Belastungsbedingungen, etwa erhöhten Temperaturen, moderat hohen Spannungen und dergleichen, untersucht werden, um damit Schwachstellen in dem Metallisierungssystem und der zugehörigen Fertigungstechnik zu erkennen.
  • 1b zeigt schematisch eine Draufsicht einer typischen Teststruktur, die einen Teil eines Halbleiterbauelements repräsentiert, etwa des Bauelements 100, wie es zuvor beschrieben ist. Die Teststruktur 150 wird typischerweise als ein Bereich des Metallisierungssystems vorgesehen, beispielsweise als ein Bereich der Metallisierungsschicht 110, wie sie zuvor beschrieben ist. Z. B. wird die Teststruktur 150 zusammen mit den eigentlichen Bauteilstrukturelementen in der Metallisierungsschicht 110 hergestellt, jedoch in zugehörigen Bauteilbereichen, etwa den Schneidelinien und dergleichen, oder sogar innerhalb des Chipbereichs tatsächlicher Halbleiterbauelemente. In anderen Fällen werden die Teststrukturen 150 auf speziellen Chipbereichen oder sogar Testsubstraten hergestellt, wobei dies von der gesamten Fertigungsstrategie abhängt. Die Teststruktur 150 enthält damit Metallleitungen 112, die einen ähnlichen Aufbau aufweisen, wie sie zuvor mit Bezug zu 1a beschrieben sind. Jedoch repräsentieren die Metallleitungen 112 nicht notwendigerweise funktionelle Einheiten, die eine geeignete Konfiguration besitzen, beispielsweise im Hinblick auf den Abstand zweier benachbarter Metallleitungen und entsprechende laterale Abmessungen, um die Informationen über die tatsächlichen dielektrischen Eigenschaften in der restlichen Metallisierungsschicht 110, die über den eigentlichen Bauteilgebieten gebildet ist, zu liefern. Beispielsweise können die Linienbreite und der Abstand sowie der Aufbau im Wesentlichen identisch sein zu kritischen Bereichen der Metallisierungsschicht 110, wenn eigentliche Bauteilstrukturelemente betrachtet werden. In anderen Fällen wird eine andere geeignete Struktur realisiert, beispielsweise im Hinblick auf das Bestimmen minimaler erforderlicher Abstände in Bezug auf eine vorgegebene Fertigungssequenz, um damit Technologie inhärente Beschränkungen und dergleichen zu bewerten. Auf der Grundlage der Teststruktur 150 können somit die dielektrischen Eigenschaften der Metallisierungsschicht 110 bewertet werden, etwa im Hinblick auf die Zuverlässigkeit bezüglich eines vorzeitigen Ausfalls, wie dies auch zuvor detaillierter erläutert ist. Dazu wird die Teststruktur 150 gewissen Belastungsbedingungen, die durch 151 angegebenen sind, etwa einer erhöhten Temperatur, Feuchtigkeit, mechanischen Belastungen und dergleichen, unterworfen, wobei auch eine entsprechende Spannung über der Teststruktur 150 angelegt wird. Zu diesem Zweck wird eine geeignete Verbindungsstruktur 130, die in 1b lediglich schematisch dargestellt ist, vorgesehen und diese ist geeignet ausgebildet, um elektrischen Zugang mittels einer externen Testanordnung zu ermöglichen, die wiederum eine geeignete Testspannung über der Teststruktur 150 anlegt. Während der anspruchsvollen Testbedingungen 151 und auf der Grundlage der geeigneten Testspannung wird der entsprechende hervorgerufene Leckstrom überwacht, um damit einen Fehler in der Teststruktur 150, d. h. eine rasche Zunahme des Stromes, zu erkennen.
  • 1c zeigt schematisch einen typischen Verlauf des Leckstromes, wie er durch die zuvor beschriebene Prüfprozedur erzeugt wird. Wie gezeigt ist, wird ein moderat geringer Leckstrom beobachtet, solange Modifikationen der Teststruktur 150 nicht zu einer deutlichen Modifizierung des dielektrischen Materials 111 und/oder der Metallleitungen 112 führen. Für gewöhnlich kann eine entsprechende Modifizierung auftreten, etwa ein Spannungsdurchschlag, der zu einer drastischen Erhöhung des Leckstromes führt, wie dies im Zeitpunkt T0 angegeben ist, was somit als ein Fehler in der Teststruktur 150 betrachtet werden kann, wodurch auch entsprechende Schwachstelle beider Metallisierungssysteme bezeichnet wird. Auf der Grundlage der Zeit T0 kann somit die Zuverlässigkeit der Teststruktur 150 und damit des Metallleitungsaufbaus und der Fertigungsverfahren, die zur Herstellung der Teststruktur 150 angewendet wurden, im Hinblick auf die Zuverlässigkeit bewertet werden. Auf Grund des sehr komplexen Fertigungsablaufes, wie er zuvor beschrieben ist, können jedoch eine große Anzahl von verschiedenen Aspekten zum elektrischen Durchschlag beitragen, was wiederum auf der Grundlage der Teststruktur 150 nicht oder nicht wesentlich bewertet werden kann. D. h., typischerweise führt der rasche Anstieg des Stromes während der Prüfprozedur, die zuvor beschrieben ist, zu einem umfangreichen Fehler in einem entsprechenden Gebiet der Teststruktur 150, was zu einem Riss in dielektrische Materialien und zu massiven Schäden führen kann, so dass eine weitergehende Analyse, beispielsweise eine Querschnittsanalyse und dergleichen, keine weitere wertvolle Information über einen Fehlermechanismus liefert. Es wäre daher wünschenswert, die Testspannung abzuschalten, bevor der Leckstrom kritische Werte übersteigt, so dass ein entsprechender umfangreicher Fehler nicht hervorgerufen wird, wodurch es beim Erkennen eines entsprechenden Fehlers in der Teststruktur 150 möglich ist, eine weitere Analyse des jeweiligen Fehlergebiets in der Struktur 150 durchzuführen. Es zeigt sich jedoch, dass eine entsprechende Zunahme des Leckstromes innerhalb sehr kurzer Zeitintervalle auftritt, beispielsweise innerhalb einiger Nanosekunden, so dass dies durch die externe Testschaltung nur schwer erkennbar und bewertbar ist.
  • In der DE 10 2006 025 351 A1 wird eine Teststruktur zum Überwachen dielektrischer Eigenschaften eines Metallisierungssystems einer Halbleiterbauteils beschrieben.
  • In der US 2007/0 252 611 A1 wird ein Halbleiterwafer mit einer Testvorrichtung zum Überwachen dielektrischer Eigenschaften beschrieben, wobei die Testvorrichtung spannungsgesteuerte Widerstände aufweist.
  • Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung Teststrukturen und Verfahren, in denen dielektrische Eigenschaften aufwendiger Metallisierungssysteme im Hinblick auf die Zuverlässigkeit geprüft werden können, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest reduziert werden.
  • Überblick über die Offenbarung
  • Im Allgemeinen stellt die vorliegende Offenbarung Teststrukturen, Fertigungstechniken und Verfahren zur Verwendung der Teststrukturen bereit, wobei beim Erkennen eines Fehlers in einer Teststruktur zusätzliche Information gewonnen werden kann, was bewerkstelligt werden kann, indem eine „eingebaute” Nachgiebigkeitsfunktion” in der Teststruktur vorgesehen wird, so dass die Steilheit des Anstiegs des Stromes beim Auftreten eines Fehlers in der Teststruktur deutlich verringert wird. Folglich kann die Spannung in geeigneter Weise reduziert oder abgeschaltet werden, wobei im Wesentlichen ein katastrophaler Fehler in dem beteiligten Bereich der Teststruktur vermieden wird, das nunmehr für weitere Analysen verfügbar ist, um damit gewisse Information in Bezug auf die zugehörigen Fehlermechanismen zu erhalten. Auf der Grundlage der Teststrukturen mit der eingebauten Strombegrenzungsfunktion können somit die dielektrischen Eigenschaften komplexer Metallisierungssysteme, d. h. das Verhalten im Hinblick auf eine „Reaktion” der dielektrischen Materialien in Bezug auf angelegte Spannungen und in Bezug auf das Verringern von parasitären Leckströmen in dem dielektrischen Material von Metallisierungssystemen mit deutlich besserer Effizienz untersucht werden, da die gleiche Teststruktur zum Bestimmen der Zuverlässigkeit durch Ermitteln des Zeitpunktes eines entsprechenden Fehlers verwendet werden kann, wobei in effizienter Weise eine rasche Zunahme des Stromes vermieden wird, der durch den Fehler hervorgerufen wird, so dass „Sekundäreffekte”, die durch den erhöhten Strom selbst hervorgerufen werden, auf einem geringen Niveau gehalten werden können. Dazu wird eine Teststruktur mit einer Strombegrenzungsstruktur verbunden, die somit eine geeignete „Zeitkonstante” in Bezug auf entsprechende Fehlermechanismen besitzt, um damit in effizienter Weise den Anstieg des Stromes beim Auftreten eines Fehlers zu verlangsamen, so dass eine externe Testanlage effizient die Testspannung abschalten oder zumindest verringern kann. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird die strombegrenzende Wirkung durch eine Widerstandsstruktur, die in dem Metallisierungssystem vorgesehen ist, erreicht, während in anderen Fällen Widerstandsstrukturen, die in der Bauteilebene vorgesehen sind, beispielsweise auf der Grundlage eines Halbleitermaterials, verwendet werden. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird eine Stromsteuerwirkung auf der Grundlage entsprechender Transistorelemente erreicht, die geeignet durch die Spannung für den eigentlichen Testgebiet der Teststruktur so gesteuert sind, so dass eine entsprechende Steuerung des gesamten Stromflusses auf der Grundlage einer typischen Zeitkonstanten erreicht wird, die durch die bauteilinternen Transistorelemente vorgegeben ist. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird ein selbstbegrenzender Stromsteuermechanismus eingerichtet, indem eine Widerstandsstruktur auf der Grundlage „elektronische Sicherungen” angewendet wird, in der der Stromfluss zu einer geringeren Leitfähigkeit der Widerstandsstruktur führt, wodurch ebenfalls der Stromfluss in dem eigentlichen Testgebiet der Teststruktur beschränkt wird.
  • Eine anschauliche hierin offenbarte Teststruktur zum Überwachen dielektrischer Eigenschaften eines Metallisierungssystems eines Halbleiterbauelements umfasst: ein Testgebiet, das über einem Substrat ausgebildet ist und mehrere Testmetallgebiete, die in einem dielektrischen Material einer Metallisierungsebene gebildet sind, aufweist; eine Strombegrenzungsstruktur, die über dem Substrat gebildet ist; und eine Verbindungsstruktur, die mit dem Testgebiet und der Strombegrenzungsstruktur verbunden ist, wobei die Verbindungsstruktur ausgebildet ist, die Strombegrenzungsstruktur und das Testgebiet elektrisch zu verbinden und das Anlegen einer Spannung in einem spezifizierten Spannungsbereich über dem Testgebiet und der Strombegrenzungsstruktur mittels einer externen Testeinrichtung zu ermöglichen; wobei die Strombegrenzungsstruktur eine Widerstandsstruktur aufweist, die zumindest teilweise in dem dielektrischen Material ausgebildet ist und eine höhere Spannungsfestigkeit im Vergleich zu dem Testgebiet besitzt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Ausführungsformen des hierin offenbarten Gegenstands sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen auch deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
  • 1a schematisch eine Querschnittsansicht eines komplexen Halbleiterbauelements mit einem Metallisierungssystem zeigt, das auf der Grundlage moderner Fertigungstechniken und Materialien hergestellt ist, deren Eigenschaften zu untersuchen sind;
  • 1b schematisch eine Draufsicht einer konventionellen Teststruktur zum Bestimmen der dielektrischen Eigenschaften komplexer Metallisierungssysteme zeigt;
  • 1c schematisch einen Graphen darstellt, um einen Zuverlässigkeitsfehler der Teststruktur aus 1b gemäß konventioneller Strategien zu bestimmen;
  • 2a schematisch eine Draufsicht einer Teststruktur mit einer eingebauten Nachgiebigkeitsfunktion gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigt;
  • 2b schematisch eine Draufsicht einer Teststruktur mit einer weiteren kritischen Teststruktur als eine Strombegrenzungskomponente mit Widerstandsverhalten gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigt;
  • 2c und 2d schematisch Querschnittsansichten von Widerstandsstrukturen zeigen, die als strombegrenzende Komponenten in Form eines Halbleitermaterials gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen verwendet sind;
  • 2e schematisch eine Teststruktur mit einem „Transistor-Flip-Flop” zum Beschränken des Stromflusses durch ein Testgebiet gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigt; und
  • 2f schematisch den zeitlichen Verlauf eines Leckstromes während eines Prüfverfahrens zeigt, im welchem die Testspannung in zuverlässiger Weise vor dem Überschreiten eines vordefinierten Schwellwertes gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen abgeschaltet wird.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Techniken und Teststrukturen und somit Halbleiterbauelemente, in denen die dielektrischen Eigenschaften, beispielsweise die dielektrische Spannungsfestigkeit komplexer dielektrischer Materialien, etwa dielektrische Materialien mit kleinem ε, auf der Grundlage einer effizienteren Teststruktur bewertet werden, indem „sekundäre” Effekte eines hohen Stromes im Wesentlichen vermieden werden, die beim Auftreten eines Fehlers in einer Teststruktur erzeugt werden. Dies kann erreicht werden, indem ein bauteilintemer Strombegrenzungsmechanismus hinzugefügt werden, um damit ein ausreichendes Zeitintervall zum Abschalten oder zum Reduzieren der extern zugeführten Testspannung bereitzustellen. Zu diesem Zweck wird eine geeignete Strombegrenzungsstruktur in Reihe mit dem eigentlichen Testgebiet der Teststruktur vorgesehen, so dass der Anstieg des Stromes bei einem Fehler auf Grund der Strombegrenzungsstruktur verlangsamt wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird eine Widerstandsstruktur selbst oder ein zusätzlich bereitgestellter selbstbegrenzender Mechanismus vorgesehen, um damit den inneren Widerstand beim Anstieg des durch die Widerstandsstruktur fließenden Stromes zu erhöhen. Beispielsweise werden in einigen anschaulichen Ausführungsformen Transistorelemente innerhalb des Strompfades des Leckstromes vorgesehen, wobei die Transistoren so gesteuert werden, dass sie weniger leitend sind, wenn ein Anstieg des Laststromes durch die Transistoren folgt. In anderen anschaulichen Ausführungsformen werden geeignete Widerstandsstrukturen, etwa Widerstandselemente in Form elektronischer Sicherungen, in dynamischer Weise verwendet, indem diese Komponenten geeignet so dimensioniert sind, dass ein unerwünschter Anstieg des Stromes deutlich die Leitfähigkeit der Widerstandskomponente verringert. Beispielsweise sind elektronische Sicherungen als siliziumbasierte Komponenten vorgesehen, in denen ein Metallsilizid für eine bessere Leitfähigkeit sorgt. Jedoch kann die gesamte Struktur der siliziumbasierten Komponente so festgelegt werden, dass beim Auftreten eines höheren Stromes ausgeprägte Elektromigrationswirkungen und andere typischerweise negativ bewertete Effekte zu einer Metallsilizidverarmung führen, wodurch die Leitfähigkeit der entsprechenden siliziumbasierten Komponente verringert wird. Folglich kann auch in diesem Falle ein selbststeuernde Verringerung der Leitfähigkeit und damit des Stromes erfolgen, wodurch das eigentliche Testgebiet „geschützt” wird, um damit einen weiteren Zugang zu einem entsprechenden Fehlergebiet zu ermöglichen, das während der vorhergehenden Zuverlässigkeitsprüfung erzeugt wurde.
  • Mit Bezug zu den 2a bis 2f werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch auf die 1a bis 1c im Hinblick auf Fertigungstechniken zur Herstellung von Metallisierungssystemen und dergleichen Bezug genommen wird.
  • 2a zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Teststruktur 250, die geeignet so gestaltet ist, dass die dielektrischen Eigenschaften aufwendiger Metallisierungssysteme eines Halbleiterbauelements bewertet werden können. Beispielsweise umfasst die Teststruktur 250 ein Testgebiet 260, das einen Bereich eines Metallisierungssystems oder einer Metallisierungsschicht 210 repräsentiert, das auf der Grundlage von Materialien und Prozesstechniken hergestellt werden, wie sie auch zur Herstellung eines Metallisierungssystems eines komplexen Halbleiterbauelements angewendet werden. Beispielsweise wird das Testgebiet 260 auf der Grundlage von Techniken hergestellt, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 beschrieben sind. Es sollte beachtet werden, dass die Teststruktur 250 innerhalb eines Halbleiterbauelements in einem speziellen Bauteilgebiet vorgesehen werden kann oder die Teststruktur 250 an einer speziellen Stelle über einem Substrat hergestellt werden, beispielsweise in einer Schneidelinie einer Halbleiterscheibe und dergleichen. Des weiteren ist zu beachten, dass die Teststruktur 250 in Form eines speziellen Halbleiterbauelements vorgesehen werden kann, das in ein Gehäuse eingebracht werden kann und entsprechenden Prüfprozeduren und Umgebungsbedingungen nach Bedarf unterworfen werden kann. In anderen Fällen ist die Teststruktur 250 über einem Substrat vor dem Separieren des Substrats in einzelne Chips gebildet. Wie gezeigt, umfasst das Testgebiet 260 mehrere Metallgebiete 212, beispielsweise in Form von Metallleitungen, die in einem dielektrischen Material 211 eingebettet sind, das eine beliebige Zusammensetzung aufweist, wie sie für die betrachtete Prozesstechnologie erforderlich ist. In ähnlicher Weise können die Metallgebiete 212 auf der Grundlage von Materialien und Techniken hergestellt sein, für die eine entsprechende Bewertung erforderlich ist. Z. B. werden ähnliche Prozesstechniken eingesetzt, wie sie zuvor beschrieben sind. Des weiteren umfasst die Teststruktur 250 eine Strombegrenzungsstruktur 240, die mit dem Testgebiet 260 verbunden ist, beispielsweise über eine geeignet gestaltete Verbindungsstruktur 230, um damit den Stromfluss durch das Testgebiet 260 zu begrenzen, oder zumindest die Steilheit des Stromanstieges während eines entsprechenden Tests für die dielektrische Festigkeit zu verringern, um damit eine Verringerung der Testspannung oder ein Abschalten von bei noch unkritischen Stromwerten zu ermöglichen. Die Strombegrenzungsstruktur 240 kann in Form einer Widerstandsstruktur, möglicherweise in Verbindung mit weiteren Steuermechanismen zum Einrichten einer selbstgesteuerten Zunahme des Widerstandes, bei Bedarf, vorgesehen werden. In anderen Fällen repräsentiert die Strombegrenzungsstruktur 240 eine Widerstandsstruktur, die somit für eine Begrenzung eines Stromflusses sorgt, selbst wenn eine deutliche Änderung der Leitfähigkeit in dem Testgebiet 260 auftritt. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, ist in einer anschaulichen Ausführungsform die Widerstandsstruktur 240 in der gleichen Metallisierungsschicht 210 wie das Gebiet 260 gebildet, während in anderen Fallen die Widerstandskomponenten, etwa halbleiterbasierte Widerstände und dergleichen, vorgesehen sind und in geeigneter Weise mit dem Testgebiet 260 auf der Grundlage der Verbindungsstruktur 230 verbunden sind. Die Verbindungsstruktur 230 besitzt einen beliebigen geeigneten Aufbau, d. h. Metallstrukturelemente in dem Metallisierungssystem der Teststruktur 250 und dergleichen, möglicherweise in Verbindung mit geeigneten Kontaktelementen, die eine Verbindung zu einer Bauteilebene der Teststruktur 250 herstellen, um damit die elektrische Verbindung zwischen der Struktur 240 und dem Testgebiet 260 herzustellen. Des weiteren kann die Verbindungsstruktur auch einen Zugriff auf die Teststruktur 250 durch eine externe Testeinrichtung, etwa eine Spannungsquelle, und dergleichen, ermöglichen. Zu diesem Zweck umfasst die Verbindungsstruktur 230 geeignete leitende Pfade, die in dem Metallisierungssystems der Struktur 250 ausgebildet sind, wobei geeignete Kontaktflächen (nicht gezeigt) vorgesehen sind, die einen Zugang von Sonden von einer externen Einrichtung ermöglichen oder die mit entsprechenden I/O-(Eingabe/Ausgabe)Anschlüssen eines entsprechenden Gehäuses verbunden sind. Wie somit schematisch in 2a gezeigt ist, besitzt die Verbindungsstruktur 240 Kontakte 231a, 231b, um eine Spannung über der Teststruktur 250 anzulegen. Des weiteren ist, wie dies dargestellt ist, in einigen anschaulichen Ausführungsformen ein weiterer Kontakt 231c vorgesehen, um einen individuellen Zugriff auf das Testgebiet 260 bei Bedarf zu ermöglichen.
  • Die Teststruktur 250 kann auf der Grundlage konventioneller Prozesstechniken hergestellt werden, wie sie zuvor auch mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 beschrieben sind. Es sollte beachtet werden, dass die Teststruktur 250 in unterschiedlichen Phasen des gesamten Fertigungsablaufs „angewendet” werden kann. Wenn beispielsweise ein Zuverlässigkeitstest gewünscht wird, ohne dass dieser weitere Metallisierungsschichten beeinflusst ist, die über der Metallisierungsschicht 210 in tatsächlichen Halbleiterbauelementen herzustellen sind, um damit die volle Funktion mit dem Metallisierungssystem zu ermöglichen, ist die Verbindungsstruktur 230 so gestaltet, dass die Kontakt 231a, 231b in der betrachteten Metallisierungsschicht 210 vorgesehen sind. In anderen Fällen wird die Teststruktur 250 in einer späteren Fertigungsphase betrieben, beispielsweise nach der Fertigstellung des gesamten Metallisierungssystems und vor oder nach dem Separieren entsprechender Substrate, wie dies zuvor erläutert ist. Es sollte beachtet werden, dass die Teststruktur 250 zusätzliche Testgebiete 260 aufweisen kann, die in anderen Metallisierungsebenen des entsprechenden Metallisierungssystems vorgesehen sind, oder die innerhalb der gleichen Metallisierungsebene jedoch mit unterschiedlichem Aufbau zumindest einiger Komponenten vorgesehen sind, wie dies auch nachfolgend detaillierter erläutert ist.
  • 2b zeigt schematisch die Teststruktur 250 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen die Strombegrenzungsstruktur 240 in Form eines zusätzlichen Testgebiets 260a vorgesehen ist, das in der gleichen oder einer anderen Metallisierungsebene ausgebildet ist, in der das Testgebiet 260 gebildet ist. Beispielsweise ist in der gezeigten Ausführungsform das zusätzliche Testgebiet 260a in der gleichen Metallisierungsschicht ge- bildet und umfasst somit das dielektrische Material 211 und entsprechende Metallleitungen 212, jedoch mit Abständen 212s, die größer als ein Abstand 212t, der zwischen benachbarten Metallgebieten 212 des eigentlichen Testgebiets 260 vorgesehen ist. Somit besitzt das zusätzliche Testgebiet 260a eine höhere dielektrische Spannungsfestigkeit im Vergleich zu dem eigentlichen Testgebiet 260, so dass bei Auftreten anspruchsvoller Testbedingungen ein dielektrischer Durchschlag in dem eigentlichen Testgebiet 260 mit einer deutlich höheren Wahrscheinlichkeit im Vergleich zu dem zusätzlichen Gebiet 260a auftritt, das daher als eine Widerstandsstruktur oder Strombegrenzungsstruktur dienen kann. Der Unterschied der Abstände 212s, 212t kann effizient hergestellt werden, indem eine geeignet gestaltete Lithographiemaske während der Strukturierungssequenz während der Herstellung der betrachteten Metallisierungsschicht, etwa der Metallisierungsschicht 210, verwendet wird. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird das zusätzliche Testgebiet 260a in einer anderen Metallisierungsschicht vorgesehen, beispielsweise in einer Schicht, in der typischerweise weniger kritische Bedingungen auftreten, so dass eine entsprechende Anwendung von Belastungsbedingungen, die zur Bewertung des Gebiets 260 ausgelegt sind, zu einer deutlich höheren dielektrischen Widerstandsfestigkeit des Gebiets 260a führen. In diesem Falle kann die Verbindungsstruktur 230 in geeigneter Weise so gestaltet sein, dass diese für die Zwischenebenenverbindung zwischen den Gebieten 260a, 260 sorgt.
  • 2c zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Teils einer Strombegrenzungsstruktur 240 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen eine Widerstandsstruktur in der Bauteilebene in der Teststruktur 250 gebildet ist. Wie gezeigt, umfasst die Struktur 250 ein Substrat 201, etwa ein Halbleitersubstrat, ein isolierendes Substrat und dergleichen, das geeignet ist, um darüber ein geeignetes Halbleitermaterial herzustellen, um damit darin und darüber entsprechende halbleiterbasierte Elemente, etwa Transistoren und dergleichen, herzustellen. In der gezeigten Ausführungsform ist eine Bauteilschicht 202 über dem Substrat 201 gebildet, wobei diese als eine Schicht zu verstehen ist, die Halbleitermaterial (nicht gezeigt) in Verbindung mit Isolationsgebieten 202a besitzt, die aus Siliziumdioxid und dergleichen aufgebaut sein können. Ferner ist ein Widerstand 241 auf oder über der Bauteilschicht 202 gebildet und umfasst zumindest teilweise ein Halbleitermaterial, etwa ein polykristallines Silizium, polykristallines Silizium/Germaniummischungsmaterial und dergleichen, wobei dies von den entsprechenden Bauteilerfordernissen abhängt, oder umfasst Widerstandsstrukturen in anderen Bereichen des entsprechenden Halbleiterbauelements. Es sollte beachtet werden, dass die Bauteilschicht 202 in Verbindung mit entsprechenden halbleiterbasierten Komponenten, die darauf gebildet sind, auch als eine Bauteilebene der Teststruktur 250 und entsprechender Halbleiterbauelemente bezeichnet werden kann, die zusammen mit einer Struktur 250 in anderen Bereichen des Substrats 201 gebildet sind. In der gezeigten Ausführungsform enthält der Widerstand 241 das polykristalline Halbleitermaterial 241a in Verbindung mit einem metallenthaltenden Material 241b, etwa einem Metallsilizidmaterial, wie es typischerweise zur Verbesserung der Leitfähigkeit siliziumbasierter Halbleitermaterialien verwendet wird. Durch geeignetes Bestimmen der gesamten Abmessungen des Widerstands 241 und der inneren Leitfähigkeiten der Materialien 241a, 241b kann somit die Gesamtleitfähigkeit und damit der Durchlassstrom des Widerstands 241 eingestellt werden. Ferner ist eine Kontaktebene 203 vorgesehen, die ein oder mehrere dielektrische Materialen 203c, 203d aufweist, in entsprechende Kontaktelemente 203a, 203b eingebettet sind. Die Kontaktelemente stellen eine Verbindung zu dem Widerstand 241 her und können aus einem beliebigen geeigneten Metallmaterial, etwa Wolfram und dergleichen aufgebaut sein. Die Kontaktelemente 203a, 203b sind schließlich mit dem Testgebiet 260 (siehe 2a und 2b), beispielsweise über die Verbindungsstruktur 230 (siehe 2a und 2b) verbunden, die wiederum in einem entsprechenden Metallisierungssystem mit der Kontaktebene 203 gebildet ist.
  • Es sollte beachtet werden, dass der Widerstand 241 auch über einem Halbleitermaterial hergestellt sein kann, d. h. über einem Bereich der Bauteilschicht 202, die aus einem kristallinen Halbleitermaterial hergestellt ist, wobei ein entsprechendes isolierendes Material zwischen dem kristallinen Halbleitermaterial der Schicht 202 und dem Halbleitermaterial 241 vorgesehen wird. In diesem Falle wird der Widerstand 241 als ein „vergrabener” Widerstand bezeichnet.
  • Ein Teil der Strombegrenzungsstruktur 240, wie sie in 2c gezeigt ist, kann auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt werden, um etwa Transistorelemente oder Widerstandsstrukturen in anderen Bauteilbereichen zu bilden, wobei jedoch, wie zuvor erläutert ist, die lateralen Abmessungen des Abstands 241 in geeigneter Weise für ein gegebenes Verhältnis der Materialien 241b, 241a zueinander und der entsprechenden inneren Leitfähigkeiten so gewählt werden, dass der Gesamtwiderstandwert und der Durchlassstrom entsprechend eingestellt sind. Folglich kann beim Betreiben der Teststruktur 250 der Widerstand 241 für eine gewünschte Begrenzung des Stromes beim Auftreten eines Fehlers in dem Testgebiet 260 sorgen.
  • 2d zeigt schematisch einen Teil der Strombegrenzungsstruktur 240 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen eine selbstbegrenzende Widerstandskomponente 242 vorgesehen ist. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Widerstandskomponente 242 ein Halbleitermaterial 242a, beispielsweise in Form von polykristallinem Silizium, kristallinem Silizium und dergleichen, in Verbindung mit einem Metallsilizidgebiet 242a. Des weiteren besitzt die Widerstandskomponente 242 geeignete Abmessungen, die zu einem gewünschten Widerstandswert für eine gewisse Stromdichte führt, die durch einen speziellen Spannungsabfall über der Komponente 242 hervorgerufen wird. Wie zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 beschrieben ist, ist die Elektromigration ein gut bekanntes Phänomen, das in Leitungen bei erhöhten Stromdichten auftritt. Diese an sich ungewünschte Wirkung kann jedoch häufig vorteilhaft ausgenutzt werden, um die Leitfähigkeit einer Leitung deutlich zu ändern. Beispielsweise werden sogenannte elektronische Sicherungen häufig so gebildet, dass beim Anlegen einer erhöhten Spannung und damit einer moderat hohen Stromdichte eine ausgeprägte Elektromigration stattfindet, die zu einer entsprechenden Beeinträchtigung der Leitung beiträgt, beispielsweise hervorgerufen durch eine Diffusion von Metallatomen und dergleichen. Folglich erleidet die Metallleitung eine „Verarmung” einer entsprechenden Metallkomponente, wodurch die Gesamtleitfähigkeit verringert wird. Somit kann eine entsprechende elektronische Sicherung durch Anlegen einer geeigneten hohen Spannung und damit einer Stromdichte „programmiert” werden. In ähnlicher Weise wird die Widerstandskomponente 242 so gestaltet, dass eine ausgeprägte Elektromigrationswirkung auftritt, wenn eine moderat hohe Spannung über der Komponente 242 angelegt wird. Beispielsweise wird in einer entsprechenden Testprozedur ein Elektronenstrom 242e erzeugt, beispielsweise über die Verbindungsstruktur und das Testgebiet 260, wie dies zuvor erläutert ist. D. h. der Elektronenstrom 242 repräsentiert den entsprechenden Leckstrom, der während der anspruchsvollen Prüfbedingungen erzeugt wird. Ohne Auftreten eines dielektrischen Überschlags in dem Testgebiet 260 führt der Elektronenfluss 242a im Wesentlichen nicht zu einer ausgeprägten Elektromigration, so dass eine moderat hohe Leitfähigkeit in der Komponente 242 beibehalten wird. Bei einem dielektrischen Spannungsdurchschlag in dem Testgebiet 260 steigt dessen Leitfähigkeit schnell an, woraus sich ein erhöhter Spannungsabfall über der Komponente 242 ergibt, das wiederum einen entsprechenden höheren Elektronenstrom 242a ergibt. In diesem Falle tritt eine ausgeprägte Elektromigration auf und führt zu einer geringeren Leitfähigkeit, wodurch der Elektronenfluss 242a verringert wird, oder wodurch der gesamte Anstieg des Stromfluss zumindest verlangsamt wird. Somit wird ein selbstbegrenzender Mechanismus mittels der Widerstandskomponente 242 bereitgestellt.
  • Es sollte beachtet werden, dass in anderen anschaulichen Ausführungsformen eine oder mehrere Widerstandskomponenten 242 als ein Teil der Widerstandsstruktur 240 in einer „vorprogrammierten” Weise verwendet werden können, so dass ein gewünschter Widerstandswert erhalten wird, der als ein im Wesentlichen stabiler Widerstandswert betrachtet werden kann, wodurch ebenfalls ein strombegrenzender Effekt erzeugt wird, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Widerstand 241 beschrieben ist.
  • 2e zeigt schematisch die Teststruktur 250 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen Strombegrenzungsfunktion die Struktur 240 auf der Grundlage von Widerstanden 243a, 243b, 243c eingerichtet wird, die eine geeignete Konfiguration aufweisen, beispielsweise in Form, wie dies zuvor mit Bezug zu dem Widerstand 241 (siehe 2c) beschrieben ist. Ferner ist ein erster Transistor 246 mit steuerbarem Strompfad 246 zwischen dem Widerstand 243c und dem Testgebiet 246 angeschlossen. In ähnlicher Weise ist ein zweiter Transistor 245 mit seinem steuerbaren Strompfad 245a zwischen den Widerständen 243a und 243b angeschlossen. Des weiteren ist ein Steueranschluss 246 des Transistors 246 mit einem Knoten des Strompfades zwischen dem Widerstand 243a und dem Strompfad 245a angeschlossen. In ähnlicher Weise ist ein Steueranschluss 245b des Transistors 245 mit einem Knoten verbunden, der mit einem Strompfad von dem Testgebiet 260 zu dem steuerbaren Strompfad 246a verbunden ist. Beispielsweise kann der Aufbau mit den Widerständen 243a, ..., 243c und dem Testgebiet 260, das ebenfalls als eine Widerstandsstruktur betrachtet werden kann, in Verbindung mit den Transistoren 246 und 245 als ein Transistor-Flip-Flop bezeichnet werden. Es sollte beachtet werden, dass die Transistoren 245, 246 auf der Grundlage geeigneter Fertigungstechniken in Verbindung mit Transistorelementen eines Halbleiterbauelements hergestellt werden können, wobei dies über der Bauteilschicht 202 (siehe 2d) erfolgen kann.
  • Beim Betreiben der Teststruktur 250 mit der Strombegrenzungsstruktur 240, wie sie in 2e gezeigt ist, wird die Spannung an dem Steueranschluss 246b zu einem gewissen Grad an Durchlassstrom des Strom des Transistors 246, wodurch ein Stromfluss durch das Testgebiet 260 entsprechend dem dielektrischen Status ermöglich wird. Da in einer Anfangsphase der Prüfung für eine dielektrische Durchschlag eine moderat geringe Spannung an den Steueranschluss 245d des Transistors 245 angelegt wird, wird der Transistor in einem relativ hochohmigen Zustand gehalten, was wiederum zu einer entsprechenden hohen Spannung an dem Anschluss 246 führt. Wenn eine entsprechende Zunahme der Leitfähigkeit in dem Testgebiet 260 auf Grund eines dielektrischen Durchschlags auftritt, steigt die Spannung am Transistor 246 an, wodurch ebenfalls die Spannung an dem Steueranschluss 245b ansteigt, die wiederum die Leitfähigkeit des Transistors 245 erhöht und den Transistor 245 einschaltet, woraus sich ein entsprechender Spannungsabfall an dem Steuereingang 246b des Transistors 246 ergibt, der somit den Stromfluss durch das Gebiet 260 verringert oder zumindest einen entsprechenden Anstieg des entsprechenden Leckstroms verlangsamt. Folglich wird ein effizienter Selbststeuerungsmechanismus auf der Grundlage der gekoppelten Transistoren 245, 246 in Verbindung mit den jeweiligen Widerstandsstrukturen 243a, 243b und 243c erreicht.
  • 2f zeigt schematisch das Verhalten der Teststruktur 250 während des Betriebs. Wie zuvor mit Bezug zu der Teststruktur 150 erläutert ist, werden typischerweise anspruchsvolle Umgebungsbedingungen angewendet, beispielsweise höhere Temperaturen, ein höherer Grad an Feuchtigkeit, mechanische Belastung und dergleichen, möglicherweise in Verbindung mit einer geeignet ausgewählten Testspannung. Abhängig von dem Status des Testgebiets 260 wird somit ein gewisser Grad an Leckstrom beobachtet, der im Wesentlichen konstant bleiben kann, sofern keine ausgeprägte Modifizierung der Materialeigenschaften auf Grund der Einwirkung der anspruchsvollen Testbedingungen auftritt. Beispielsweise tritt zum Zeitpunkt T0 ein Spannungsüberschlag in einem beschränkten Bereich des Testgebiets 260 auf, wie dies auch zuvor im Zusammenhang mit der Teststruktur 150 beschrieben ist, und der Leckstrom steigt somit auf Grund des geringeren Widerstands des spezifizierten geschädigten Bereichs an. Im Gegensatz zur konventionellen Teststruktur 150 (siehe 1b) verringert jedoch das Strombegrenzungsverhalten oder die eingebaute Nachgiebigkeitsfunktion der Teststruktur 250 den Anstieg des Leckstromes oder verlangsamt diesen, was zu einer deutlich geringer ausgeprägten Steilheit des Leckstromes führt, wie dies durch die Kurve A in 2f angegeben ist. Folglich kann eine entsprechende Zunahme des Leckstromes effizient durch die externe Testeinrichtung erkannt werden und eine entsprechende Verringerung der Testspannung oder ein Abschalten der Testspannung kann bewerkstelligt werden, wodurch somit weitere sekundäre Schäden in dem Testgebiet 260 auf Grund des erhöhten Stromflusses vermieden werden. Beispielsweise kann, wie in 2f gezeigt ist, ein Schwellwert im Voraus festgelegt werden, zudem die extern zugeführte Spannung abgeschaltet wird, um damit eine weitere Schädigung in dem Testgebiet 260 zu vermeiden. Auf Grund der strombegrenzenden Wirkung der Struktur 240 kann das Abschalten der extern zugeführten Spannung innerhalb einer Zeitdauer bewerkstelligt werden, während welcher ein resultierender Leckstrom nach wie vor unter einem kritischen Wert bleibt. Beispielsweise tritt während des Zeitintervalls zwischen T0, das den Zeitpunkt des Auftretens des entsprechenden Durchschlagereignisses in dem Testgebiet 260 angibt, und der Zeit TOFF, die der Zeit entspricht, an der die Versorgungsspannung tatsächlich abgeschaltet wird, lediglich ein moderater Anstieg des Stromes auf, ohne dass ausgeprägte sekundäre Strom bewirkte Schäden erzeugt werden. Folglich kann durch das Bestimmen der Zeit TOFF ein entsprechendes Maß der Zuverlässigkeit des Testgebiets 260 und damit der entsprechenden Metallisierungsschicht ermittelt werden, wobei dennoch die Möglichkeit geschaffen wird, weitere Analysetechniken anzuwenden, um damit Information über die tatsächlichen Fehlermechanismen zu erhalten. Beispielsweise kann die weitere Analyse auf der Grundlage von Querschnittsanalysetechniken, etwa Elektronenmikroskopie und dergleichen ausgeführt werden.
  • Es gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Teststrukturen und Techniken zur Anwendung dieser Strukturen bereit, wobei zusätzliche Informationen ermittelt werden können, indem „sekundäre” Schäden in einem Testgebiet vermieden oder zumindest deutlich verringert werden, indem eine eingebaute Nachgiebigkeitsfunktion vorgesehen wird, die das Abscheiden der Testspannung ermöglicht, wodurch durch Strom hervorgerufene Schäden in der Teststruktur beim Auftreten eines dielektrischen Durchschlags verringert werden. Somit können extrem aufwendige externe Testeinrichtungen mit sehr schnellen elektronischen Komponenten mit hoher Zeitauflösung vermieden werden, da die eingebaute Nachgiebigkeitsfunktion auf ein Auftreten des Durchschlagen innerhalb einer Zeitdauer reagiert, die vergleichbar ist zu der Zeitdauer eines ausgeprägten Stromanstieges in einem Fehlergebiet.

Claims (9)

  1. Teststruktur (250) zum Überwachen dielektrischer Eigenschaften eines Metallisierungssystems eines Halbleiterbauelements, wobei die Teststruktur (250) umfasst: ein Testgebiet (260), das über einem Substrat ausgebildet ist und mehrere Testmetallgebiete, die in einem dielektrischen Material (211) einer Metallisierungsebene gebildet sind, aufweist; eine Strombegrenzungsstruktur (240), die über dem Substrat gebildet ist; und eine Verbindungsstruktur (230), die mit dem Testgebiet (260) und der Strombegrenzungsstruktur (240) verbunden ist, wobei die Verbindungsstruktur (230) ausgebildet ist, die Strombegrenzungsstruktur (240) und das Testgebiet (260) elektrisch zu verbinden und das Anlegen einer Spannung in einem spezifizierten Spannungsbereich über dem Testgebiet (260) und der Strombegrenzungsstruktur (240) mittels einer externen Testeinrichtung zu ermöglichen; wobei die Strombegrenzungsstruktur (240) eine Widerstandsstruktur (242) aufweist, die zumindest teilweise in dem dielektrischen Material (211) ausgebildet ist und eine höhere Spannungsfestigkeit im Vergleich zu dem Testgebiet (260) besitzt.
  2. Teststruktur (250) nach Anspruch 1, wobei das Testgebiet (260) Metallleitungen mit einem Abstand von 100 nm oder weniger enthält.
  3. Teststruktur (250) nach Anspruch 1, wobei die Widerstandsstruktur (242) Referenzmetallleitungen, die in dem dielektrischen Material (211) gebildet sind, aufweist und wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Referenzmetallleitungen größer ist als ein Abstand zwischen den Testmetallgebieten in dem Testgebiet (260).
  4. Teststruktur (250) nach Anspruch 1, wobei eine Fläche der Widerstandsstruktur (242) kleiner ist als eine Fläche des Testgebiets (260).
  5. Teststruktur (250) nach Anspruch 1, wobei die Strombegrenzungsstruktur (240) eine Widerstandsstruktur (242) aufweist, die auf der Grundlage eines Halbleitermaterials hergestellt ist.
  6. Teststruktur (250) nach Anspruch 5, wobei die Widerstandsstruktur (242) in einem kristallinen Halbleitergebiet hergestellt ist.
  7. Teststruktur (250) nach Anspruch 5, wobei die Widerstandsstruktur (242) ferner ein Metallsilizidmaterial aufweist.
  8. Teststruktur (250) nach Anspruch 1, wobei die Strombegrenzungsstruktur (240) ein erstes Transistorelement mit einem Steuereingang und einen durch den Steuereingang gesteuerten Strompfad aufweist, und wobei der Strompfad elektrisch mit dem Testgebiet (260) verbunden ist.
  9. Teststruktur (250) nach Anspruch 8, das ferner einen zweiten Transistor aufweist, der elektrisch über einen Steuereingang mit dem Testgebiet (260) verbunden ist, wobei der zweite Transistor ein Steuersignal zu dem Steuereingang des ersten Transistors liefert.
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