1 前言

銅金屬化在高功率汽車應用領(lǐng)域的優(yōu)勢是具備通態(tài)低電阻，并且具有可重復箝位魯棒性。然而，從可靠性角度而言，來自厚Cu層的應力是主要關(guān)注的問題。傳統(tǒng)應力監(jiān)控方法是進行線內(nèi)晶圓彎曲度測量。這種測量方法的缺點是只能反應特定時間點的應力情況，而且分辨率欠缺。由于相消效應，難以分析從拉伸到壓縮之間的累積性應力。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計芯片，以電氣方式進行Cu薄膜層局部應力測量。

2 實驗

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

測量的兩個參數(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對測試溫度和應力敏感的參數(shù)，但能很好耐受工藝變動。OverVoltage是一個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工具進行測量。在圖1和圖2的原始測量點處，源于公式(1)和(2)的MaxBowXY參數(shù)可說明Cu應力導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)拉伸應力。

圖1：用于最大彎曲度計算的局部測量點A、B、C和D

圖2：A、B、C局部測量點截面圖

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，每個晶圓的過壓值降低了20mV。我們認為電路層級過壓值的漂移是因為對于大面積厚Cu層而言，250℃應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，250℃退火后過壓值和帶隙參考電壓一致降低，當應力由于piezojunction效應施加在雙極晶體管上時，帶隙參考電壓降低。

圖4：退火前和退火后3個晶圓的過壓累積情況

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

圖6(a)和6(b)分別說明每個晶圓退火前后MaxBowXY和過壓及帶隙參考電壓的對比情況。MaxBowXY從圖6(a)到圖6(b)的增加是因為Cu再結(jié)晶導致拉伸應力。當MaxBowXY增加時帶隙參考電壓和過壓值降低是因為厚Cu層在電路上施加應力。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，正如其他文獻所述。

如圖7所示，當我們探究晶圓均勻性時，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力(參見圖8)。在圖7中，從晶圓中心壓縮(負)到外緣拉伸(正)的應力梯度與圖8中晶圓中心帶隙參考壓力最大到外緣帶隙參考壓力最低密切關(guān)聯(lián)。由于每個晶圓要進行1200個晶粒測量，Cu應力測量方法的分辨率遠高于晶圓彎曲度測量方法(每個晶圓測量37個點)。

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

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

圖7：退火后晶圓均勻性輪廓圖(測量1200個晶粒的帶隙參考電壓)

圖8：退火后晶圓均勻性輪廓圖(37個局部測量點)

4 結(jié)論

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

總而言之，這種方法可以擴展用于任何具有拉伸應力或壓縮應力的薄膜類型，以實現(xiàn)半導體制造工藝監(jiān)控。借助帶隙參考電壓電路的特殊設計，能夠監(jiān)控BEOL集成中的應力預算。