利用帶隙電壓參考電路進行銅應力測量的新方法

1 前言

銅金屬化在高功率汽車應用領域的優勢是具備通態低電阻，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層的應力是主要關注的問題。傳統應力監控方法是進行線內晶圓彎曲度測量。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，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)技術進行處理。11μm厚Cu經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，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，主要來自CMOS和雙極晶體管。

3 結果和討論

晶圓利用EH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再結晶(參見圖3)，晶圓彎曲度增加，出現拉伸應力。

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構。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