[發(fā)明專利]用于測量微電子元件分層金屬化結(jié)構(gòu)中機械應(yīng)力的傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911081720.4
• 申請日: 2019-11-07
• 公開（公告）號: CN111157152B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: G·西布羅特;L·克爾朱卡
• 申請（專利權(quán)）人: IMEC非營利協(xié)會
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;G01L5/162;H01L21/66
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 楊潔

本發(fā)明涉及一種用于測量諸如集成電路管芯的后道工藝部分的分層金屬化結(jié)構(gòu)中機械應(yīng)力的傳感器。該傳感器用作包括柵電極(1)、柵極介電(5)、溝道(6)以及源極和漏極(7、8)的場效應(yīng)晶體管，其中，柵電極是第一金屬化層的導(dǎo)體(1)，而源極和漏極電極是兩個互連通孔(7、8)，將溝道(6)連接至相鄰層中的各個導(dǎo)體(3、4)。互連通孔中的至少一個通孔由其電阻對通孔方向上的機械應(yīng)力敏感的材料形成。電阻對機械應(yīng)力的敏感性足以通過讀出晶體管的漏極電流來對應(yīng)力進行測量。傳感器因此允許在開裂發(fā)生前監(jiān)測BEOL中的應(yīng)力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及針對諸如集成電路管芯之類的微電子元件中的機械應(yīng)力的測量。

背景技術(shù)

在集成電路管芯的后道工藝(BEOL)制造工藝中，越來越多地使用低K介電材料導(dǎo)致了涉及管芯機械穩(wěn)定性的問題。低K材料是機械易碎的并且可能容易開裂。可能發(fā)生開裂的薄弱點取決于BEOL布局中通孔的圖案。通孔密度較低的區(qū)域在機械上較弱。開裂通常在集成電路的封裝或相關(guān)的后處理運行期間發(fā)生。除了形成開裂外，在垂直于BEOL部分各層的方向上的機械應(yīng)力可能會導(dǎo)致這些層的層離，從而導(dǎo)致芯片損壞。當(dāng)前的解決方案主要限于基于連通性檢查以檢測開裂的外觀的BEOL傳感器。但是，這些解決方案無法確定開裂形成之前的應(yīng)力累積。例如從文獻US2016/0377497中已知的BEOL中的電容性應(yīng)力傳感器。但是，這種類型的傳感器不適用于局部應(yīng)力感測，因為它需要應(yīng)用難以精確測量的小電容。可通過重新設(shè)計BEOL布局來解決BEOL中開裂形成和擴展的問題。但是，當(dāng)前的重新設(shè)計是在反復(fù)試驗的基礎(chǔ)上進行的：例如，重新設(shè)計直到布局在封裝期間被證明具有抗裂性為止。這種方式增加了芯片的設(shè)計時間和制造成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提供一種應(yīng)力傳感器，該應(yīng)力傳感器可被結(jié)合在IC的后道工藝部分中，并且可以解決目前已知的解決方案的上述問題。此目的是通過被結(jié)合在分層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力傳感器并通過包括分層結(jié)構(gòu)的微電子元件來實現(xiàn)的。

本發(fā)明涉及一種用于測量諸如集成電路管芯的后道工藝部分的分層金屬化結(jié)構(gòu)中機械應(yīng)力的傳感器。該傳感器用作包括柵電極、柵極介電、溝道以及源極和漏極的場效應(yīng)晶體管，其中，柵電極是第一金屬化層的導(dǎo)體，而源極和漏極電極是兩個互連通孔，將溝道連接至相鄰層中的各個導(dǎo)體。互連通孔中的至少一個通孔由其電阻對通孔方向上的機械應(yīng)力敏感的材料形成。電阻對機械應(yīng)力的敏感性足以通過在晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時讀出晶體管的漏極電流來對應(yīng)力進行測量。傳感器因此允許在開裂發(fā)生前監(jiān)測BEOL中的機械應(yīng)力。傳感器基于測量電阻的變化，并因此適合于局部應(yīng)力感測。

本發(fā)明尤其涉及一種被結(jié)合在分層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力傳感器，該分層結(jié)構(gòu)包括多層，該多層包括電導(dǎo)體和用于互連不同層的導(dǎo)體的通孔連接，各層的導(dǎo)體和通孔連接被嵌入在介電材料的層中，應(yīng)力傳感器包括：

-在分層結(jié)構(gòu)的第一層中的第一導(dǎo)體，該第一導(dǎo)體執(zhí)行晶體管的柵電極的功能，

-與該第一導(dǎo)體接觸的介電層，所述層執(zhí)行晶體管的柵極介電的功能，

-在介電層上的一部分半導(dǎo)體材料，所述部分執(zhí)行晶體管的溝道的功能，

-與溝道電接觸的第一和第二通孔，該第一和第二通孔分別執(zhí)行晶體管的源極和漏極的功能，通孔在與第一層相鄰的第二層中被電連接到各個導(dǎo)體，

其中，各通孔中的至少一個通孔，以下稱為“偽通孔(pseudo-via)”，由其電阻對沿通孔方向作用在分層結(jié)構(gòu)上的機械應(yīng)力敏感的材料形成，并且其中至少一個偽通孔的電阻對機械應(yīng)力的敏感性足以通過在晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時讀出晶體管的漏極電流來對應(yīng)力進行測量。

根據(jù)一個實施例，溝道和至少一個偽通孔由相同的材料形成。在后一種情況下，可對至少一個偽通孔和溝道進行摻雜，并且至少一個偽通孔中的摻雜劑密度可與溝道中的密度不同。

根據(jù)一個實施例，至少一個偽通孔由非晶硅或多晶硅形成。根據(jù)另一實施例，至少一個偽通孔由銦鎵鋅氧化物(IGZO)形成。根據(jù)一個實施例，第一和第二通孔兩者都是偽通孔。