[发明专利]用于测量微电子元件分层金属化结构中机械应力的传感器

说明书

本发明涉及一种用于测量诸如集成电路管芯的后道工艺部分的分层金属化结构中机械应力的传感器。该传感器用作包括栅电极(1)、栅极介电(5)、沟道(6)以及源极和漏极(7、8)的场效应晶体管，其中，栅电极是第一金属化层的导体(1)，而源极和漏极电极是两个互连通孔(7、8)，将沟道(6)连接至相邻层中的各个导体(3、4)。互连通孔中的至少一个通孔由其电阻对通孔方向上的机械应力敏感的材料形成。电阻对机械应力的敏感性足以通过读出晶体管的漏极电流来对应力进行测量。传感器因此允许在开裂发生前监测BEOL中的应力。

技术领域

本发明涉及针对诸如集成电路管芯之类的微电子元件中的机械应力的测量。

背景技术

在集成电路管芯的后道工艺(BEOL)制造工艺中，越来越多地使用低K介电材料导致了涉及管芯机械稳定性的问题。低K材料是机械易碎的并且可能容易开裂。可能发生开裂的薄弱点取决于BEOL布局中通孔的图案。通孔密度较低的区域在机械上较弱。开裂通常在集成电路的封装或相关的后处理运行期间发生。除了形成开裂外，在垂直于BEOL部分各层的方向上的机械应力可能会导致这些层的层离，从而导致芯片损坏。当前的解决方案主要限于基于连通性检查以检测开裂的外观的BEOL传感器。但是，这些解决方案无法确定开裂形成之前的应力累积。例如从文献US2016/0377497中已知的BEOL中的电容性应力传感器。但是，这种类型的传感器不适用于局部应力感测，因为它需要应用难以精确测量的小电容。可通过重新设计BEOL布局来解决BEOL中开裂形成和扩展的问题。但是，当前的重新设计是在反复试验的基础上进行的：例如，重新设计直到布局在封装期间被证明具有抗裂性为止。这种方式增加了芯片的设计时间和制造成本。

发明内容

本发明旨在提供一种应力传感器，该应力传感器可被结合在IC的后道工艺部分中，并且可以解决目前已知的解决方案的上述问题。此目的是通过被结合在分层结构中的应力传感器并通过包括分层结构的微电子元件来实现的。

本发明涉及一种用于测量诸如集成电路管芯的后道工艺部分的分层金属化结构中机械应力的传感器。该传感器用作包括栅电极、栅极介电、沟道以及源极和漏极的场效应晶体管，其中，栅电极是第一金属化层的导体，而源极和漏极电极是两个互连通孔，将沟道连接至相邻层中的各个导体。互连通孔中的至少一个通孔由其电阻对通孔方向上的机械应力敏感的材料形成。电阻对机械应力的敏感性足以通过在晶体管处于导通状态时读出晶体管的漏极电流来对应力进行测量。传感器因此允许在开裂发生前监测BEOL中的机械应力。传感器基于测量电阻的变化，并因此适合于局部应力感测。

本发明尤其涉及一种被结合在分层结构中的应力传感器，该分层结构包括多层，该多层包括电导体和用于互连不同层的导体的通孔连接，各层的导体和通孔连接被嵌入在介电材料的层中，应力传感器包括：

-在分层结构的第一层中的第一导体，该第一导体执行晶体管的栅电极的功能，

-与该第一导体接触的介电层，所述层执行晶体管的栅极介电的功能，

-在介电层上的一部分半导体材料，所述部分执行晶体管的沟道的功能，

-与沟道电接触的第一和第二通孔，该第一和第二通孔分别执行晶体管的源极和漏极的功能，通孔在与第一层相邻的第二层中被电连接到各个导体，

其中，各通孔中的至少一个通孔，以下称为“伪通孔(pseudo-via)”，由其电阻对沿通孔方向作用在分层结构上的机械应力敏感的材料形成，并且其中至少一个伪通孔的电阻对机械应力的敏感性足以通过在晶体管处于导通状态时读出晶体管的漏极电流来对应力进行测量。

根据一个实施例，沟道和至少一个伪通孔由相同的材料形成。在后一种情况下，可对至少一个伪通孔和沟道进行掺杂，并且至少一个伪通孔中的掺杂剂密度可与沟道中的密度不同。

根据一个实施例，至少一个伪通孔由非晶硅或多晶硅形成。根据另一实施例，至少一个伪通孔由铟镓锌氧化物(IGZO)形成。根据一个实施例，第一和第二通孔两者都是伪通孔。