一种半导体介质层裂纹检测结构及检测方法与流程

本发明涉及半导体检测，特别涉及一种半导体介质层裂纹检测结构及检测方法。

背景技术：

1、目前在半导体器件的制造过程中，钝化层（passivation layer）通常采用等离子体增强化学气相沉积（pecvd）工艺沉积氮化硅（pecvd silicon nitride）薄膜，以保护芯片表面免受水汽、离子污染和机械划伤。然而，在钝化层沉积过程中，由于等离子体对薄膜表面的轰击作用，以及钝化层材料与硅衬底之间热膨胀系数不匹配等原因，大量应力会累积在钝化层中。

2、当半导体器件中的金属层数足够多（例如四层及以上）时，钝化层中累积的应力可以通过各层金属和介质层逐级缓冲和释放，通常不会对器件造成明显损伤。但是，当金属层数较少时（例如1p2m结构，即一层多晶硅加两层金属），钝化层中的应力缺乏足够的缓冲路径，会直接作用于下方的介质层。当应力超过介质材料的抗拉强度时，便会导致介质层产生裂纹。这些裂纹会严重影响器件及金属互连电路的电学性能和长期可靠性。

3、目前，针对介质层裂纹的检测主要采用以下两种方式：

4、其一，金属间介质层（imd）可靠性测试。该测试通过施加恒定的电压或采用电压斜坡（v-ramp）方式进行介质击穿测试，旨在评估介质层本身的绝缘完整性。然而，该测试方法仅对已形成连通导电路径的宏观裂纹或孔洞较为敏感，对于未贯穿介质层的、微小的、闭合的裂纹，由于尚未形成导电路径，该方法的探测能力十分有限。

5、其二，应力迁移（sm）测试。该测试主要关注高温存储条件下，由于热膨胀系数失配等因素产生的应力所导致的金属线空洞、挤出或断裂等失效现象。虽然该测试能够间接反映介质-金属界面的应力状态，但其主要检测对象是金属互连线的完整性，而非介质层本身的裂纹。介质裂纹可能作为应力迁移的结果出现，但并非该测试的直接检测目标。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种半导体介质层裂纹检测结构及其检测方法，能够解决现有检测手段对介质层中未贯穿的、微小的、闭合的裂纹探测能力有限的问题。

2、本发明还提出一种具有上述一种半导体介质层裂纹检测结构的检测方法。

3、根据本发明第一方面实施例的一种半导体介质层裂纹检测结构，包括依次堆叠设置的衬底、第一金属层、介质层以及第二金属层；其中，所述第一金属层和所述第二金属层均由两个或多个部件构成，部件形状为蛇形线或网格状，部件之间呈叉指状配合且部件之间互相不接触，所述第一金属层与所述第二金属层在垂直方向上至少部分重叠以形成三明治结构，所述第一金属层和所述第二金属层配合两者之间的所述介质层检测沿竖直方向延伸的裂纹，所述第一金属层和所述第二金属层中各自相邻导线线段用于检测所述介质层沿水平方向延伸的裂纹。

4、至少具有如下有益效果：通过设置依次堆叠的衬底、第一金属层、介质层和第二金属层，并将第一金属层和第二金属层配置为蛇形线状或网格状分布且二者在垂直方向上至少部分重叠形成三明治结构，第一金属层和第二金属层配合能够检测介质层沿竖直方向延伸的裂纹，第一金属层和第二金属层中各自相邻的导线线段能够检测介质层沿水平方向延伸的裂纹，由此实现了对介质层裂纹在垂直方向和水平方向上的双重检测。

5、根据本发明的一些实施例，所述第一金属层和所述第二金属层的材料相同，所述第一金属层和所述第二金属层的材料为铝或铜。

6、根据本发明的一些实施例，所述第一金属层和所述第二金属层的材料不同，所述第一金属层和所述第二金属层的材料为铝或铜。

7、根据本发明的一些实施例，所述第一金属层和所述第二金属层中，蛇形线或网格线的相邻线段之间的间距为可调参数。

8、根据本发明的一些实施例，所述第一金属层和所述第二金属层中，蛇形线或网格线的总长度和总宽度为可调参数。

9、根据本发明第二方面实施例的一种检测方法，包括根据本发明上述第一方面实施例的一种半导体介质层裂纹检测结构，还包括以下步骤：

10、步骤s1：在未施加应力条件下，测量所述检测结构的第一漏电流i1；

11、步骤s2：向所述检测结构施加应力电流is和应力温度ts，控制电流密度满足jmax< is < iem stress，其中jmax为所述金属层的正常工作最大电流密度，iem stress为导致所述金属层发生电迁移失效的临界电流密度，使所述金属层中的金属原子发生电迁移但未达到电迁移失效状态；

12、步骤s3：撤去应力，测量所述检测结构的第二漏电流i2；

13、步骤s4：比较所述第二漏电流i2与所述第一漏电流i1，若i2> i1，则判定所述介质层存在裂纹。

14、至少具有如下有益效果：通过在电迁移临界条件以下施加应力电流和应力温度，利用电迁移效应驱动金属原子沿电场方向迁移并填充至介质层裂纹中，使得原本闭合的微小裂纹形成导电路径从而被检出，同时避免了金属层自身发生电迁移失效，实现了对介质层裂纹的非破坏性高灵敏度检测；通过比较应力施加前后的漏电流变化直观判定介质层是否存在裂纹，检测方式简单高效。

15、根据本发明的一些实施例，在步骤s4中，若i2/i1 ≥ 100，则判定所述介质层存在裂纹。

16、根据本发明的一些实施例，在步骤s2中，所述应力温度ts为150℃至300℃。

17、根据本发明的一些实施例，所述第一漏电流i1包括所述第一金属层与所述第二金属层之间的第一层间漏电流、所述第一金属层中相邻线段之间的同层漏电流以及所述第二金属层中相邻线段之间的同层漏电流；所述第二漏电流i2包括所述第一金属层与所述第二金属层之间的第二层间漏电流、所述第一金属层中相邻线段之间的同层漏电流以及所述第二金属层中相邻线段之间的同层漏电流。

18、根据本发明的一些实施例，还包括步骤s5：对判定存在裂纹的检测结构进行失效分析以定位漏电热点位置，并采用能谱分析检测所述漏电热点位置的介质层裂纹中是否存在金属元素。

19、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

1.一种半导体介质层裂纹检测结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种半导体介质层裂纹检测结构，其特征在于，所述第一金属层（20）和所述第二金属层（40）的材料相同，所述第一金属层（20）和所述第二金属层（40）的材料为铝或铜。

3.根据权利要求1所述的一种半导体介质层裂纹检测结构，其特征在于，所述第一金属层（20）和所述第二金属层（40）的材料不同，所述第一金属层（20）和所述第二金属层（40）的材料为铝或铜。

4.根据权利要求1所述的一种半导体介质层裂纹检测结构，其特征在于，所述第一金属层（20）和所述第二金属层（40）中，蛇形线或网格线的相邻线段之间的间距为可调参数。

5.根据权利要求1所述的一种半导体介质层裂纹检测结构，其特征在于，所述第一金属层（20）和所述第二金属层（40）中，蛇形线或网格线的总长度和总宽度为可调参数。

6.一种检测介质层裂纹的方法，应用了权利要求1至5任意一项所述的一种半导体介质层裂纹检测结构，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种检测介质层裂纹的方法，其特征在于，在步骤s4中，若i2/i1 ≥ 100，则判定所述介质层存在裂纹。

8.根据权利要求6所述的一种检测介质层裂纹的方法，其特征在于，在步骤s2中，所述应力温度ts为150℃至300℃。

9.根据权利要求6所述的一种检测介质层裂纹的方法，其特征在于，所述第一漏电流i1包括所述第一金属层与所述第二金属层之间的第一层间漏电流、所述第一金属层中相邻线段之间的同层漏电流以及所述第二金属层中相邻线段之间的同层漏电流；所述第二漏电流i2包括所述第一金属层与所述第二金属层之间的第二层间漏电流、所述第一金属层中相邻线段之间的同层漏电流以及所述第二金属层中相邻线段之间的同层漏电流。

10.根据权利要求6所述的一种检测介质层裂纹的方法，其特征在于，还包括步骤s5：对判定存在裂纹的检测结构进行失效分析以定位漏电热点位置，并采用能谱分析检测所述漏电热点位置的介质层裂纹中是否存在金属元素。