监控电路与半导体器件的制作方法

1.本技术涉及半导体领域，具体而言，涉及一种监控电路与半导体器件。


背景技术：

2.应力迁移(sm：stress migration)是半导体工艺中评价金属互连层可靠性的重要测试项目之一。其中，金属互连层包括：多根金属互连线及连接所述金属互连线的通孔。应力迁移是在一定温度下，由于各种材料热膨胀系数不同在材料间形成应力，从而使金属互连线或者通孔中晶粒间的小空隙向应力集中的地方聚集形成空洞的物理现象。应力迁移形成的空洞到达一定程度就导致金属互连层断路。
3.如图1所示，目前对组成芯片的介质材料的应力迁移特性的评估是在芯片10(die)与芯片10之间的切割道上设计对应的测试结构20，然后在测试结构20上施加测试条件(一般地测试条件会远大于芯片工作条件，例如进行高温烘烤)，然后用可靠性模型来评估金属应力迁移的寿命。
4.现有的方案仅能一定程度上评估金属应力迁移的寿命，无法实时监控芯片工作时应力迁移的本征寿命情况。


技术实现要素：

5.根据本技术的一个方面，提供了一种监控电路，包括：第一开关单元，具有第一端、第二端和控制端，所述第一开关单元的第一端与电源端电连接，施加在所述第一开关单元的控制端上的电压控制所述第一开关单元的断开或者闭合；应力迁移测试结构，具有第一端和第二端，所述应力迁移测试结构的第一端与所述第一开关单元的第二端电连接；电阻单元，具有第一端和第二端，所述电阻单元的第一端与所述应力迁移测试结构的第二端电连接，所述电阻单元的第二端与接地端电连接；电压监测单元，与所述电阻单元的第一端电连接，其中，在所述第一开关单元的控制端施加第一电压，使得所述第一开关单元断开，所述应力迁移测试结构仅受温度作用；在所述第一开关单元的控制端施加第二电压，使得第一开关单元闭合，此时所述电压监测单元根据电阻单元的第一端的电压的大小监控所述应力迁移测试结构中的金属材料的应力迁移特性。
6.进一步地，所述电压监测单元包括：电压跟随器，具有正输入端、负输入端和输出端，所述电压跟随器的正输入端与所述应力迁移测试结构的第二端电连接；电压监测模块，与所述电压跟随器的输出端电连接，用于根据所述电压跟随器的输出端输出的电压的大小监控所述应力迁移测试结构中的金属材料的应力迁移特性。
7.进一步地，所述电压监测模块还包括：第二开关单元，具有第一端、第二端和控制端，所述第二开关单元的第一端与所述电源端电连接，所述第二开关单元的控制端与所述第一开关单元的控制端电连接；分压电阻模块，包括n个串联的分压电阻，第一个所述分压电阻的第一端与所述第二开关单元的第二端电连接，第n个所述分压电阻的第二端与所述接地端电连接；n个第三开关单元，第m个所述分压电阻的第二端与第m个所述第三开关单元
的控制端电连接，所述电压跟随器的输出端分别与n个所述第三开关单元的第一端电连接，所述第三开关单元导通的个数，用于表征所述应力迁移测试结构的第二端的电压的大小，其中，n＞2，1≤m≤n。
8.进一步地，所述电压监测模块还包括：n个上拉电阻，第m个所述上拉电阻的第一端与第m个所述第三开关单元的第三端电连接，n个所述上拉电阻的第二端分别与所述接地端电连接。
9.进一步地，所述电阻单元的阻值是定值，不具有金属应力迁移效应。
10.进一步地，所述第一开关单元、所述第二开关单元和所述第三开关单元为以下之一：pmos、nmos、pnp bjt、npn bjt。
11.进一步地，所述应力迁移测试结构由设计成评估金属应力迁移效应的结构形成。
12.进一步地，所述应力迁移测试结构由被评估应力迁移特性的金属材料制成，所述金属材料包括以下至少之一：铝、铜、钨、金、银。
13.根据本技术的另一方面，提供了一种半导体器件，包括芯片和监控电路，所述监控电路为任一种所述的监控电路，所述监控电路用于监控芯片的金属材料的应力迁移特性。
14.应用本技术的技术方案，在第一开关单元的控制端施加第一电压的情况下，第一开关单元处于断开状态，此时对应力迁移测试结构进行加热使得应力迁移测试结构仅受温度作用，在第一开关单元的控制端施加第二电压的情况下，第一开关单元处于闭合状态，此时电压监测单元可以监测到电阻单元的第一端的电压的大小，即监测到应力迁移测试结构的第二端的电压的大小，进而根据应力迁移测试结构的第二端的电压的大小监控所述应力迁移测试结构中的金属材料的应力迁移特性。进而解决了现有无法实时监控芯片工作时的应力迁移的本征寿命情况的问题。
附图说明
15.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
16.图1示出了芯片与测试结构的结构示意图；
17.图2示出了根据本技术实施例的一种监控电路的结构示意图；
18.图3示出了根据本技术实施例的应力迁移测试结构示意图；
19.图4示出了根据本技术实施例的应力迁移测试过程示意图。
20.其中，上述附图包括以下附图标记：
21.10、芯片；20、测试结构；30、第一开关单元；40、应力迁移测试结构；41、第一金属互连层；42、第二金属互连层；43、通孔；50、电阻单元；60、电压监测单元；61、电压跟随器；62、电压监测模块；620、第二开关单元；621、分压电阻；622、第三开关单元；623、上拉电阻。
具体实施方式
22.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
23.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根
据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
24.应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
25.正如背景技术所介绍的，在一些实施例中无法实时监控芯片工作时应力迁移的本征寿命情况，为了解决如上问题，本技术提出了一种监控电路与半导体器件。
26.根据本技术的实施例，提供了一种监控电路。图2是根据本技术实施例的监控电路的结构示意图。如图2所示，该电路包括：
27.第一开关单元30，具有第一端、第二端和控制端，上述第一开关单元30的第一端与电源端vcc电连接，施加在上述第一开关单元30的控制端上的电压控制上述第一开关单元30的断开或者闭合；
28.应力迁移测试结构40，具有第一端和第二端，上述应力迁移测试结构40的第一端与上述第一开关单元30的第二端电连接；
29.电阻单元50，具有第一端和第二端，上述电阻单元50的第一端与上述应力迁移测试结构40的第二端电连接，上述电阻单元50的第二端与接地端vss电连接；
30.电压监测单元60，与上述电阻单元50的第一端电连接，
31.其中，在上述第一开关单元30的控制端施加第一电压，使得上述第一开关单元30断开，上述应力迁移测试结构40仅受温度作用；
32.在上述第一开关单元30的控制端施加第二电压，使得第一开关单元30闭合，此时上述电压监测单元60根据电阻单元50的第一端的电压的大小监控上述应力迁移测试结构40中的金属材料的应力迁移特性。
33.需要说明的是，在第一开关单元导通的情况下，电阻单元的电阻是恒定不变的，应力迁移测试结构由于发生了金属材料的应力迁移，导致应力迁移测试结构的电阻发生了变化，由于应力迁移测试结构和电阻单元串联，导致应力迁移测试结构上分到的电压就会发生变化，这样通过监测应力迁移测试结构的第二端的电压的变化就可以实时监控芯片工作时应力迁移的本征寿命情况。
34.需要说明的是，本技术的实施例中的监控电路属于要监控的芯片的内部电路的一部分。
35.具体地，应力迁移测试结构表现为电阻特性，即应力迁移测试结构的阻值随温度的变化而变化。
36.上述监控电路中，在第一开关单元的控制端施加第一电压的情况下，第一开关单元处于断开状态，此时对应力迁移测试结构进行加热使得应力迁移测试结构仅受温度作用，在第一开关单元的控制端施加第二电压的情况下，第一开关单元处于闭合状态，此时电压监测单元可以监测到电阻单元的第一端的电压的大小，即监测到应力迁移测试结构的第二端的电压的大小，进而根据应力迁移测试结构的第二端的电压的大小监控上述应力迁移测试结构中的金属材料的应力迁移特性。进而解决了现有无法实时监控芯片工作时的应力
迁移的本征寿命情况的问题。
37.具体地，为了实现更为可靠的测试，优选上述加热的温度为100～250℃。
38.在一些实施例中，如图2所示，上述电压监测单元60包括：电压跟随器61，具有正输入端、负输入端和输出端，上述电压跟随器61的正输入端与上述应力迁移测试结构40的第二端电连接；电压监测模块62，与上述电压跟随器61的输出端电连接，用于根据上述电压跟随器61的输出端输出的电压的大小监控上述应力迁移测试结构40中的金属材料的应力迁移特性。电压跟随器61的正输入端得到的电压与输出端输出的电压是相同的，所以根据电压跟随器61的输出端输出的电压的大小可以监控上述应力迁移测试结构40中的金属材料的应力迁移特性。
39.在一些实施例中，如图2所示，上述电压监测模块62还包括：第二开关单元620，具有第一端、第二端和控制端，上述第二开关单元620的第一端与上述电源端电连接，上述第二开关单元620的控制端与上述第一开关单元30的控制端电连接；分压电阻621模块，包括n个串联的分压电阻621，第一个上述分压电阻621的第一端与上述第二开关单元620的第二端电连接，第n个上述分压电阻621的第二端与上述接地端电连接；n个第三开关单元622，第m个上述分压电阻621的第二端与第m个上述第三开关单元622的控制端电连接，上述电压跟随器61的输出端分别与n个上述第三开关单元622的第一端电连接，上述第三开关单元622导通的个数，用于表征上述应力迁移测试结构40的第二端的电压的大小，其中，n＞2，1≤m≤n。
40.具体地，如图2所示，第三开关单元622为pmos，电压跟随器61的输出端耦合至每一个第三开关单元的源极，施加在每一个第三开关单元622的栅极上的电压是不同的，所以可以根据上述第三开关单元622导通的个数，确定电压跟随器61的输出端的电压的大小，进而确定应力迁移测试结构40的第二端的电压的大小，进而评估金属材料的应力迁移特性。
41.具体地，采用电压跟随器可以保证该电路中的电压更为稳定，输出的电压更为稳定，电压不会有波动的情况，这样保证了每一个第三开关单元的源极上的电压的稳定，进而保证上述第三开关单元导通的个数的准确。进而可以更为高效准确地确定金属材料的应力迁移特性。
42.在一些实施例中，如图2所示，上述电压监测模块62还包括：n个上拉电阻623，第m个上述上拉电阻623的第一端与第m个上述第三开关单元622的第三端电连接，n个上述上拉电阻623的第二端分别与上述接地端电连接。具体地，在每一个第三开关单元622的漏极连接一个上拉电阻。
43.需要说明的是，对于电路是否导通，仅仅通过肉眼观察是无法进行判断的，因此，在电路中设计了上拉电阻，上拉电阻位于电路的回路中，如果第三开关单元导通，上拉电阻的第一端的电位为高电位，如果第三开关单元截止，上拉电阻的第一端的电位为低电位。即通过监测上拉电阻上的电压值确定第三开关单元导通还是截止。
44.需要说明的是，上述分压电阻的阻值是定值，不具有金属应力迁移效应。例如多晶硅。
45.一种具体的实施例中，在第三开关单元为pmos，分压电阻模块包括了5个分压电阻，分别是第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻、第四分压电阻和第五分压电阻，第二开关单元导通后，电源端的电压为10v，第一分压电阻的第一端的电位为2v，第二分压电
阻的第一端的电位为4v，第三分压电阻的第一端的电位为6v，第四分压电阻的第一端的电位为8v，第五分压电阻的第一端的电位为10v。在只有与第一分压电阻连接的第三开关单元导通的情况下，确定电压跟随器输出端的电压大于2v且小于4v，在只有与第一分压电阻连接的第三开关单元和与第二分压电阻连接的第三开关单元导通的情况下，确定电压跟随器输出端的电压大于4v且小于6v，依次类推，此处不再一一列举。
46.本技术的一种具体的实施例中，上述第一开关单元、上述第二开关单元和上述第三开关单元为以下之一：pmos、nmos、pnp bjt、npn bjt。当然，并不限于上述的几种，还可以为其他任何可行的开关单元。
47.一种具体的实施例中，上述应力迁移测试结构由设计成评估金属应力迁移效应的结构形成。
48.一种具体的实施例中，如图3所示，上述应力迁移测试结构包括第一金属互连层41、第二金属互连层42和连接在上述第一金属互连层和上述第二金属互连层之间的通孔43。
49.本技术的再一种具体的实施例中，上述电源端vdd的电压为以下之一：1.5v、3v、5v。当然，并不限于以上的几种，还可以为其他任何可行的电压。
50.本技术的另一种具体的实施例中，上述应力迁移测试结构由被评估应力迁移特性的金属材料制成，上述金属材料包括以下至少之一：铝、铜、钨、金、银。
51.如图2所示的实施例中，第一开关单元30和第二开关单元620均为pmos，第一开关单元30的栅极与第二开关单元620的栅极电连接，第一开关单元30的源极与应力迁移测试结构40的第一端电连接，第一开关单元30的漏极与电源端电连接；第二开关单元620的源极与分压电阻621电连接，第二开关单元620的漏极与电源端电连接。
52.如图4所示的实施例，整个测试过程分为测试阶段和加热阶段，第一开关单元和第二开关单元均为pmos，在初始测试阶段，在第一开关单元的栅极与第二开关单元的栅极施加低电平，使得第一开关单元和第二开关单元均导通，此时第一次测得应力迁移测试结构第二端的电压；然后在第一开关单元的栅极与第二开关单元的栅极施加高电平使得第一开关单元和第二开关单元均截止，此时给应力迁移测试结构加热，使得应力迁移测试结构发生金属应力迁移效应，一段时间后停止加热；再次在第一开关单元的栅极与第二开关单元的栅极施加低电平，使得第一开关单元和第二开关单元均导通，再次测得应力迁移测试结构第二端的电压；然后再次进入加热阶段，不断地循环进入加热阶段和测试阶段是测得金属材料的应力迁移特性。
53.一种实施例中，在芯片上电后，第一开关单元或者第二开关单元关闭时，电路是断路的，不会有电流流经应力迁移测试结构，是无法监测到金属材料的应力迁移特性的，在第一开关单元的栅极上为低电平的时候，第一开关单元和第二开关单元就会开启，第一开关单元和第二开关单元就都导通了，此时应力迁移测试结构的电压服从如下关系：v_node_l＝r_sm inhibit/(r_sm r_sm inhibit)
×
vdd(r_sm，r_sminhibit＞＞ron of mp1 pmos)，其中，v_node_l为应力迁移测试结构的第二端的电压，r_sm inhibit为初始化时应力迁移测试结构的电压，r_sm为第一电阻的电压，vdd为电源端的电压，r_sm inhibit＞＞ron of mp1 pmos表示初始化时应力迁移测试结构的电压远远大于第一开关单元的电压。
54.根据本技术实施例，还提供了一种半导体器件，包括芯片和监控电路，上述监控电
路为任一种上述的监控电路，上述监控电路用于监控芯片的金属材料的应力迁移特性。
55.上述的半导体器件中，由于包括了上述的监控电路，该监控电路中，在第一开关单元的控制端施加第一电压的情况下，第一开关单元处于断开状态，此时对应力迁移测试结构进行加热使得应力迁移测试结构仅受温度作用，在第一开关单元的控制端施加第二电压的情况下，第一开关单元处于闭合状态，此时电压监测单元可以监测到电阻单元的第一端的电压的大小，即监测到应力迁移测试结构的第二端的电压的大小，进而根据应力迁移测试结构的第二端的电压的大小监控上述应力迁移测试结构中的金属材料的应力迁移特性。进而解决了现有无法实时监控芯片工作时的应力迁移的本征寿命情况的问题。
56.从以上的描述中，可以看出，本技术上述的实施例实现了如下技术效果：
57.1)、本技术的监控电路，在第一开关单元的控制端施加第一电压的情况下，第一开关单元处于断开状态，此时对应力迁移测试结构进行加热使得应力迁移测试结构仅受温度作用，在第一开关单元的控制端施加第二电压的情况下，第一开关单元处于闭合状态，此时电压监测单元可以监测到电阻单元的第一端的电压的大小，即监测到应力迁移测试结构的第二端的电压的大小，进而根据应力迁移测试结构的第二端的电压的大小监控上述应力迁移测试结构中的金属材料的应力迁移特性。进而解决了现有无法实时监控芯片工作时的应力迁移的本征寿命情况的问题。
58.2)、本技术的半导体器件，由于包括了上述的监控电路，该监控电路中，在第一开关单元的控制端施加第一电压的情况下，第一开关单元处于断开状态，此时对应力迁移测试结构进行加热使得应力迁移测试结构仅受温度作用，在第一开关单元的控制端施加第二电压的情况下，第一开关单元处于闭合状态，此时电压监测单元可以监测到电阻单元的第一端的电压的大小，即监测到应力迁移测试结构的第二端的电压的大小，进而根据应力迁移测试结构的第二端的电压的大小监控上述应力迁移测试结构中的金属材料的应力迁移特性。进而解决了现有无法实时监控芯片工作时的应力迁移的本征寿命情况的问题。
59.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。