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Dokumentenidentifikation DE102006025365A1 06.12.2007
Titel Verfahren und Teststruktur zum Abschätzen von Elektromigrationseffekten, die durch poröse Barrierenmaterialien hervorgerufen werden
Anmelder Advanced Micro Devices, Inc., Sunnyvale, Calif., US
Erfinder Feustel, Frank, 01187 Dresden, DE;
Hau-Riege, Christine, Fremont, Calif., US;
Letz, Tobias, 01097 Dresden, DE
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Anmeldedatum 31.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006025365
Offenlegungstag 06.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.12.2007
IPC-Hauptklasse H01L 23/544(2006.01)A, F, I, 20060928, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 21/66(2006.01)A, L, I, 20060928, B, H, DE   H01L 23/52(2006.01)A, L, I, 20060928, B, H, DE   
Zusammenfassung Durch Bereitstellen einer Teststruktur für Elektromigrationsprüfungen in Halbleiterbauelementen, die den Status einer Barrierenschicht an der Unterseite einer Testkontaktdurchführung in der Struktur angeben kann, wird eine deutlich erhöhte Zuverlässigkeit entsprechender Elektromigrationsprüfungen erreicht. Des weiteren kann das Maß an Porosität der Barrierenschicht auf der Grundlage der resultierenden Teststruktur abgeschätzt werden, die eine Speiseleitung mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für eine Hohlraumausbildung im Vergleich zu der Testkontaktdurchführung besitzt, wenn ein spezielles Maß an Porosität in der Testkontaktdurchführung geschaffen wird.

Beschreibung[de]
Gebiet der vorliegenden Erfindung

Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung von Mikrostrukturen, etwa moderne integrierte Schaltungen, und betrifft insbesondere die Herstellung und die Prüfung von leitenden Strukturen, etwa Metallgebieten und ihre Eigenschaften während Belastungsbedingungen.

Beschreibung des Stands der Technik

Bei der Herstellung moderner Mikrostrukturen, etwa integrierter Schaltungen, gibt es ein ständiges Bestreben, die Strukturgrößen von Mikrostrukturelementen stets zu verringern, wodurch die Funktion dieser Strukturen verbessert wird. Beispielsweise ist in modernen integrierten Schaltungen die minimale Strukturgröße, etwa die Kanallänge von Feldeffekttransistoren, auf den Bereich deutlich unter 1 &mgr;m gesunken, wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen im Hinblick auf Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme gestiegen ist. Wenn die Größe einzelner Schaltungselemente mit jeder neuen Schaltungsgeneration reduziert wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente verbessert wird, wird auch der verfügbare Platz für Verbindungsleitungen geringer, die elektrisch die einzelnen Schaltungselemente verbinden. Folglich müssen die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen verringert werden, um dem geringeren Anteil an verfügbarem Platz und der höheren Anzahl an Schaltungselementen pro Einheitsfläche Rechnung zu tragen. Die geringere Querschnittsfläche der Verbindungsleitungen kann möglicherweise in Verbindung mit einem Anstieg der statischen Leistungsaufnahme äußerst größenreduzierter Transistorelemente mehrere gestapelte Metallisierungsschichten erforderlich machen, um die Anforderungen im Hinblick auf eine akzeptable Stromdichte in den Metallleitungen zu erfüllen.

Moderne integrierte Schaltungen mit Transistorelementen, die eine kritische Abmessung von 0,13 &mgr;m und deutlich weniger aufweisen, können jedoch deutlich erhöhte Stromdichten in den einzelnen Verbindungsleitungen trotz des Vorsehens einer relativ großen Anzahl an Metallisierungsschichten auf Grund der großen Anzahl an Schaltungselementen pro Einheitsfläche erforderlich machen. Das Betreiben der Verbindungsleitungen bei erhöhten Stromdichten kann jedoch eine Reihe von Problemen nach sich ziehen, die mit einer belastungshervorgerufenen Leitungsbeeinträchtigung in Beziehung stehen, was schließlich zu einem vorzeitigen Ausfall der integrierten Schaltung führen kann. Ein wichtiges Phänomen in dieser Hinsicht ist der strominduzierte Materialtransport in Metallgebieten, d. h. in Leitungen und Kontaktdurchführungen, das auch als „Elektromigration" bezeichnet wird, was zur Ausbildung von Hohlräumen innerhalb und von Materialanhäufungen oder Erhebungen angrenzend zu dem Metallgebiet führen kann, woraus sich ein reduziertes Leistungsverhalten und eine geringere Zuverlässigkeit oder ein vollständiger Ausfall des Bauelements ergibt. Beispielsweise werden Aluminiumleitungen und Kontaktdurchführungen, die in Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid eingebettet sind, häufig als Metall für Metallisierungsschichten verwendet, wobei, wie zuvor erläutert ist, in modernen integrierten Schaltungen mit kritischen Abmessungen von 0,18 &mgr;m oder weniger eine deutlich geringere Querschnittsfläche der Metallleitungen und damit erhöhte Stromdichten erforderlich sein können, wodurch Aluminium zu einem wenig attraktiven Material für die Herstellung von Metallisierungsschichten wird.

Folglich wird Aluminium zunehmend durch Kupfer ersetzt, da Kupfer einen deutlich geringen Widerstand aufweist und merkliche Elektromigrationseffekte erst bei deutlich höheren Stromdichten im Vergleich zu Aluminium zeigt. Die Einführung von Kupfer bei der Herstellung von Mikrostrukturen und integrierten Schaltungen ist mit einer Reihe von schwerwiegenden Problemen begleitet, die in der Eigenschaft des Kupfers begründet liegen, leicht in Siliziumdioxid und einer Vielzahl von dielektrischen Materialien mit kleinem &egr; zu diffundieren. Um die nötige Haftung bereitzustellen und um die unerwünschte Diffusion von Kupferatomen in empfindliche Bauteilgebiete zu vermeiden, ist es daher für gewöhnlich erforderlich, eine Barrierenschicht zwischen dem Kupfer und dem dielektrischen Material, indem die Kupferleitungen und die Kontaktdurchführungen eingebettet sein, vorzusehen. Obwohl Siliziumnitrid ein dielektrisches Material ist, das in effizienter Weise die Diffusion von Kupferatomen unterdrückt, ist die Auswahl von Siliziumnitrid als ein Zwischenschichtdielektrikumsmaterial wenig wünschenswert, da Siliziumnitrid eine moderat hohe Permittivität aufweist, wodurch die parasitäre Kapazität benachbarter Kupferleitungen erhöht wird. Daher wird eine dünne leitende Barrierenschicht, die dem Kupfer ebenfalls die erforderliche mechanische Stabilität verleiht, so gebildet, dass der Hauptanteil des Kupfers von dem umgebenden dielektrischen Material getrennt ist, und es wird lediglich eine dünne Siliziumnitrid- oder Siliziumkarbid- oder eine kohlenstoffangereichtere Siliziumnitridschicht in Form einer Deckschicht häufig in Metallisierungsschichten auf Kupferbasis eingesetzt. Aktuell werden Tantal, Titan, Wolfram, Wolfram/Kobalt/Phosphor-Verbindungen, Wolfram/Kobalt/Bor-Verbindungen und ihre Verbindungen mit Stickstoff und Silizium und dergleichen als bevorzugte Kandidaten für eine leitende Barrierenschicht verwendet, wobei die Barrierenschicht zwei oder mehrere Teilschichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung aufweisen kann, um damit die Erfordernisse im Hinblick auf die diffusionsunterdrückenden Eigenschaften und Hafteigenschaften zu erfüllen.

Eine weitere Eigenschaft des Kupfers, die es deutlich von Aluminium unterscheidet, ist die Tatsache, dass Kupfer nicht in einfacher Weise in großen Mengen durch chemische und physikalische Dampfabscheideverfahren aufgebracht werden kann, wozu sich die Tatsache gesellt, dass Kupfer nicht in effiziente Weise durch anisotrope Trockenätzprozesse strukturiert werden kann, wodurch eine Prozessstrategie erforderlich ist, die häufig als die Damaszener- oder Einlegetechnik bezeichnet wird. In einem Damaszener-Prozess wird zunächst eine dielektrische Schicht gebildet, die dann strukturiert wird, um Gräben und Kontaktöffnungen zu erhalten, die nachfolgend mit Kupfer oder Kupferlegierungen gefüllt werden, wobei, wie zuvor erläutert ist, vor dem Einfüllen des kupferbasierten Metalls eine leitende Barrierenschicht innerhalb der Gräben und Kontaktöffnungen gebildet wird. Das Abscheiden des Hauptanteil des Kupfermaterials in die Gräben und Kontaktöffnungen wird möglicherweise durch nasschemische Abscheideprozesse, etwa Elektroplattieren und stromloses Plattieren, bewerkstelligt, wobei das zuverlässige Auffüllen von Kontaktöffnungen mit einem Aspektverhältnis von 5 oder mehr mit einem Durchmesser von 0,1 &mgr;m oder weniger in Verbindung mit Gräben mit einer Breite im Bereich von 0,1 &mgr;m bis mehrere Mikrometer erforderlich ist. Obwohl elektrochemische Abscheideprozesse für Kupfer auf dem Gebiet der Herstellung von Leiterplatten gut etabliert sind, ist ein im Wesentlichen hohlraumfreies Füllen von Kontaktöffnungen mit hohem Aspektverhältnis eine äußerst komplexe und herausfordernde Aufgabe, wobei die Eigenschaften der schließlich erhaltenen Kupfermetallleitung deutlich von Prozessparametern, Materialien und der Geometrie der interessierenden Struktur abhängen. Da die Abmessungen von Verbindungsstrukturen durch die Entwurfserfordernisse bestimmt sind und daher nicht wesentlich für eine vorgegebene Mikrostruktur geändert werden kann, ist es von großer Bedeutung, den Einfluss von Materialien, etwa leitende und nicht leitende Barrierenschichten, der kupferbasierten Mikrostruktur und ihre wechselseitige Einflussnahme auf die Eigenschaften wechselseitige Einflussnahme auf die Eigenschaften der Verbindungsstruktur abzuschätzen und zu steuern, um sowohl eine hohe Ausbeute als auch die erforderliche Produktzuverlässigkeit sicherzustellen. Insbesondere ist es wichtig, Mechanismen zur Beeinträchtigung und für Fehler in Verbindungsstrukturen für diverse Konfigurationen zu erkennen und zu überwachen, um damit die Bauteilzuverlässigkeit für jede neue Bauteilgeneration oder jeden Technologiestandard beizubehalten.

Daher wurde in den vergangenen Jahrzehnten ein hoher Aufwand betrieben, um die Beeinträchtigung von Kupferleitungen und Kontaktdurchführungen zu untersuchen, insbesondere im Hinblick auf die Elektromigration, um neue Materialien und Prozessstrategien zur Herstellung kupferbasierter Metallleitungen und Kontaktdurchführungen zu finden. Obwohl der genaue Mechanismus der Elektromigration in Kupferleitungen und Kontaktdurchführungen noch nicht vollständig verstanden ist, so zeigt sich dennoch, dass Hohlräume, die in und an Seitenwänden und Grenzflächen angeordnet sind, und Hohlräume und Reste an der Unterseite der Kontaktdurchführungen einen deutlichen Einfluss auf die Produktionsausbeute und Zuverlässigkeit ausüben. Mit Ausnahme von großflächigen Defekten, sind derartige Defekte in Kontaktöffnungen, die in Form von Kontaktlochketten als Überwachungsstrukturen in Schneidelinien von Scheiben vorgesehen sein können, schwer in standardmäßigen elektrischen Testverfahren zu erkennen. Daher werden große Anstrengungen bei der Gestaltung geeignet ausgebildeter Teststrukturen unternommen, um das Elektromigrationsverhalten von Kontaktdurchführungen abzuschätzen und um die erwartete Zeit bis zum Ausfall für derartige Kontaktdurchführungen und Metallleitungen abzuschätzen, wobei die Ergebnisse für die Eigenschaften tatsächlicher Metallisierungsstrukturen nur dann kennzeichnend sind, wenn gut definierte Bedingungen in der Teststruktur eingerichtet werden. Ansonsten können die entsprechenden Testergebnisse zu im Wesentlichen bedeutungslosen Aussagen im Hinblick auf die tatsächlichen Schaltungselemente führen. Beispielsweise wird zum Abschätzen der mittleren Zeit bis zum Ausfall einer Kontaktdurchführung und einer Leitung, die damit verbunden ist, die gemäß einem spezifizierten Prozessablauf auf der Grundlage spezieller Materialien, etwa Kupfer, Aluminium, Silber, und dergleichen mit speziellen Barrierenmaterialien hergestellt sind, eine Teststruktur auf der Grundlage des speziellen Prozessablaufs hergestellt, wobei die Gestaltung der Teststruktur so gewählt ist, dass ein durch Elektromigration hervorgerufener Fehler, d. h. eine entsprechende Flussdivergenz des Materialflusses in der Leitung oder der Kontaktdurchführung, nur in einem spezifizierten Abschnitt der Teststruktur hervorgerufen wird. Somit kann durch Ausüben gut definierter Belastungsbedingungen, etwa Temperatur und eines eingeprägten Stromes, der entsprechende Abschnitt im Hinblick auf einen Widerstandsanstieg überwacht werden, der eine durch Elektromigration hervorgerufene Hohlraumbildung und damit einen Leitungsfehler oder Kontaktlochfehler anzeigt.

Mit Bezug zu den 1a und 1b wird nunmehr eine typische konventionelle Teststruktur zum Abschätzen von Elektromigrationseffekten in Metallisierungsschichten von Halbleiterbauelementen detaillierter beschrieben, um die Prinzipien und die mit dem konventionellen Testablauf verknüpften Probleme zu veranschaulichen.

1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer Teststruktur 100 mit einem Substrat 101, das ein beliebiges geeignetes Substrat für die Herstellung von Halbleiterbauelementen oder anderen Mikrostrukturelemente repräsentieren kann, die eine Metallisierungsschicht zum Bereitstellen elektrischer Verbindungen gemäß einer speziellen Schaltungsanordnung erfordern. Beispielsweise kann das Substrat 101 ein Halbleitersubstrat, etwa ein Siliziumsubstrat, repräsentieren, das darauf ausgebildet eine entsprechende Halbleiterschicht aufweist, die für die Herstellung von Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondensatoren, und dergleichen geeignet ist. Eine erste dielektrische Schicht 102, die aus einem beliebigen geeigneten dielektrischen Material aufgebaut sein kann, wie es in der interessierenden Metallisierungsschicht verwendet wird, ist über dem Substrat 101 ausgebildete und kann das dielektrische Material einer entsprechenden Metallisierungsschicht repräsentieren. Beispielsweise kann die dielektrische Schicht 102 auf der Grundlage der gleichen Prozesstechniken und der gleichen Materialien hergestellt werden, wie sie für Metallisierungsschichten und anderen Substraten verwendet werden, oder die Schicht 102 kann einen Teil einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements repräsentieren, das die Teststruktur 100 an einer speziellen Substratposition beinhaltet. Ferner ist eine Metallleitung 103, die auch als Speiseleitung bezeichnet wird, in der dielektrischen Schicht 102 ausgebildet und kann spezielle Abmessungen und Eigenschaften aufweisen, so dass diese eine reduzierte Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Elektromigrationswirkungen, etwa einer Metalldiffusion, zeigt, wenn die vordefinierten Testbedingungen ausgeübt werden.

Wie zuvor erläutert ist, sind Elekgromigrationswirkungen der Gegenstand intensiver Forschungen über die vergangenen Jahrzehnte, wobei erkannt wurde, dass Elektromigration, die sich aus der Wechselwirkung der bewegenden Elektronen mit diffundierenden Metallatomen ergibt, wodurch eine Nettokraft auf die diffundierenden Metallatome bei hohen Ladungsträgerdichten ausgeübt wird, ein wesentlicher Grund für einen vorzeitigen Bauteilausfall sein kann, wodurch effiziente Mechanismen zum Erkennen und Vermeiden oder Reduzieren von Mechanismen zur Beeinträchtigung von Metallleitungen und Kontaktöffnungen erforderlich sind. Da beispielsweise Elektromigration eine Wechselwirkung zwischen Elektronen und diffundierenden Metallatomen ist, ist eine erhöhte Diffusionsaktivität beispielsweise auf Grund einer erhöhten Temperatur, eines erhöhten Maßes an Gitterdefekten oder im Allgemeinen auf Grund des Vorhandenseins größerer Diffusionswege, etwa Korngrenzen entsprechender Grenzflächen, und dergleichen ein wichtiger Aspekt und die Elektromigration ist äußerst abhängig von den speziellen Herstellungsverfahren und der verwendeten Materialien. In modernen Halbleiterbauelementen können auch die Abmessungen der entsprechenden Kontaktdurchführungen und Metallleitungen einen deutlichen Einfluss auf das schließlich erreichte Maß an Materialtransport innerhalb der Metallleitungen besitzen. Obwohl in modernen Halbleiterbauelementen häufig Kupfer und Kupferlegierungen verwendet werden, die eine deutlich höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration und einen geringeren elektrischen Widerstand aufweisen, hat die ständige Reduzierung der Linienbreite zu moderat hohen Stromdichten geführt, wodurch auch ein hohes Maß an Elektromigration in Metallisietvngsschichten auf Kupferbasis auftritt. Da eine Vielzahl komplexer Mechanismen einen deutlichen Einfluss auf das Elektromigrationsverhalten besitzen kann, etwa die Korngröße, die Kornorientierung, die Art des verwendeten Banierenmaterials, die Art dielektrischer Banierenmaterialien und dergleichen, ist es von großer Wichtigkeit, Fertigungstechniken effizient zu überwachen, um die Produktzuverlässigkeit zu steuern und zu verbessern. Daher wurden speziell gestaltete Teststrukturen entwickelt, die aussagekräftige Abschätzungen im Hinblick auf die Elektromigrationseigenschaften ermöglichen.

Daher wird die Speiseleitung 103 typischerweise so gestaltet, dass im Hinblick auf entsprechende Elektromigrationsbedingungen ein entsprechender Materialtransport in der Speiseleitung 103 nicht stattfindet. Zu diesem Zweck wird in konventionellen Verfahren die Speiseleitung 103 beispielsweise so gestaltet, dass die Blech-Länge nicht überschritten wird, die eine charakteristische Länge definiert, unterhalb derer ein Materialtransport durch Elektromigrationswirkungen nicht stattfindet.

Des weiteren besitzt die Teststruktur 100 eine Anschlussleitung 104, die mit der Speiseleitung 103 auf der Grundlage entsprechender Kontaktdurchführungen 105 verbunden ist, wobei die Anschlussleitung 104 Abmessungen aufweist, die deutlich größer sind im Vergleich zu den Abmessungen einer entsprechenden Testmetallleitung 106, die mit der Speiseleitung 103 über eine Testkontaktdurchführung 107 verbunden ist. Die Testkontaktdurchführung 107 und die Metallleitung 106 sind entsprechend den Entwurfserregeln für tatsächliche Schaltungselemente dimensioniert, um eine entsprechende Zeit bis zum Ausfall der entsprechenden Produktbauelemente auf der Grundlage der Teststruktur 100 abzuschätzen. Auf Grund der Ausbildung der Speiseleitung 103 und der großen Abmessungen der Anschlussleitung 104, die mit einer geeigneten Sondierungsfläche (nicht gezeigt) verbunden sein kann, ist im Prinzip sichergestellt, dass Elektromigrationseffekte, etwa die durch Materialtransport hervorgerufenen Hohlräume, in der Testkontaktdurchführung 107 und in der entsprechenden Testmetallleitung 106 stattfinden. Da typischerweise die Teststruktur 100 gemäß tatsächlicher Fertigungsprozesse hergestellt wird, können die entsprechenden Metallkomponenten 105, 104, 107 und 106 in einer entsprechenden dielektrischen Schicht 108 gebildet werden, die auf einer entsprechenden Ätzstoppschicht 109 ausgebildet ist, wobei eine zusätzliche Deckschicht oder Ätzstoppschicht 110 die Metallleitung 104 und 106 einschließen kann.

1b zeigt schematisch eine Draufsicht der Teststruktur 100, wie sie in 1a gezeigt ist, wobei ein Spannungsanschluss 111 gezeigt ist, der mit der Speiseleitung 103 verbunden ist, oder mit der Anschlussleitung 104 verbunden sein kann, abhängig von den Entwurfserfordernissen. Wie aus 1b hervorgeht, ist die Anschlussleitung 104 mit mehreren Kontaktdurchführungen 105 mit der Speiseleitung 103 verbunden, die wiederum eine geeignete Länge aufweist, um damit einen Materialtransport auf Grund von Elektromigration während spezifizierter Belastungsbedingungen zu vermeiden, etwa eine spezifizierten Stromdichte, die in die Testkontaktdurchführung 107 und in die Metallleitung 106 eingeprägt wird.

Die Teststruktur 100 kann auf der Grundlage gut etablierter Verfahren hergestellt werden, wobei in anspruchsvollen Anwendungen eine sogenannte Einlege- oder Damaszener-Technik zur Herstellung der von Kupfer basierten Metallgebieten eingesetzt wird, wobei, wie zuvor erläutert ist, eine geeignete leitende Barrierenschicht, etwa die Schicht 112, vorgesehen wird, um die erforderlichen Eigenschaften im Hinblick auf das Unterdrücken einer Kupferdiffusion in das dielektrische Material und einer Diffusion reaktiver Komponenten in die kupferbasierte Metallgebiete zu erreichen, wobei zusätzlich die Eigenschaften der Barrierenschicht 112 deutlich das Elektromigrationsverhalten beeinflussen können.

Während des Betriebs der Teststruktur 100 wird ein entsprechender Strom in die Teststruktur 100 beispielsweise dadurch eingeprägt, dass eine entsprechende Sondierungsfläche (nicht gezeigt), die mit der Anschlussleitung 104 verbunden ist, mit einer geeigneten Stromquelle verbunden wird, so dass ein Elektronenstrom von der Anschlussleitung 104 in die Metallleitung 106 über die Speiseleitung 103 und die Kontaktdurchführung 107 erfolgt, wobei die Metallleitung 106 auch mit einer entsprechenden Sondierungsfläche mit geeigneten Abmessungen verbunden ist. Mittels des Spannungsabgriffs 111 kann ein entsprechender Widerstandsanstieg erkannt werden, der auf eine entsprechende Bildung eines Hohlraums in der Kontaktdurchführung 107 und/oder der Metallleitung 106 hindeutet, da diese Komponenten erwartungsgemäß die „schwächsten" Glieder des gesamten leitenden Weges von einer Sondierungsfläche zur anderen sind. Folglich kann ein entsprechender Schwellwert für die Widerstandsänderung definiert werden und kann damit als eine Angabe für einen Fehler der Kontaktdurchführung 107 und/oder der Metallleitung 106 verwendet werden, wodurch eine entsprechende Zeit bis zum Ausfall abgeleitet werden kann. In der Praxis können die entsprechenden Zeiten bis zum Ausfall und damit Zuverlässigkeitswerte, die aus der Teststruktur 100 abgeleitet werden, in einigen Fällen zu unrealistischen Vorhersagen für eigentliche Bauteile führen, insbesondere wenn äußerst größenreduzierte Metallisierungsstrukturen das Herstellen entsprechender Barrierenschichten beinhalten, wodurch die entsprechende Teststruktur 100 sowie die damit einhergehende Prüfprozedur als wenig zuverlässig und damit kostenintensiv wird.

Angesichts der zuvor erkannten Probleme besteht ein Bedarf für eine verbesserte Technik zum Prüfen von Elektromigrationseffekten für Metallisierungsstrukturen mit Barrierenschichten, wobei eines oder mehrere der zuvor erkannten Probleme vermieden oder zumindest reduziert werden.

Überblick über die Erfindung

Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik zum Bewerten von Elektromigrationseffekten komplexer Metallisierungsstrukturen, wobei Kontaktdurchführungen und Metallleitungen vorgesehen werden, die eine Barrierenschicht aufweisen, wobei Eigenschaften der Barrerenschicht innerhalb der Testkontaktdurchführungen bewertet werden können, indem eine geeignet gestaltete Teststruktur vorgesehen wird. Es wurde erkannt, dass in konventionellen Teststrukturen mit einer Testkontaktdurchführung und einer Metallleitung, die auf der Grundlage einer Barrierenschicht hergestellt sind, das Maß an Bedeckung der Unterseite der Kontaktdurchführung durch die Barrerenschicht deutlich das Gesamtverhalten einer konventionellen Teststruktur beeinflussen kann. Beispielsweise kann das Vorhandensein poröser Bereiche oder Löcher innerhalb der Barrierenschicht an der Unterseite der Kontaktdurchführung zur Ausbildung eines Hohlraumes in der Speiseleitung auf Grund der modifizierten elektrischen Eigenschaften der Kontaktdurchführung auf Grund des Fehlens oder zumindest des teilweise Fehlens der Barrerenschicht an der Unterseite führen, was beispielsweise den Reihenwiderstand von der Speiseleitung zu der Kontaktdurchführung reduzieren und damit auch den entsprechenden Einfluss der Speiseleitung schwächen kann, der ansonsten erreicht würde, wenn die entsprechende Barrierenschicht intakt bleibt. Da der Elektromigrationsfehler von der eigentlichen Teststruktur zur Speiseleitung verschoben wird, kann die schließlich gewonnene Zeit bis zum Ausfall aus der entsprechenden Teststruktur zu einer scheinbar längeren Lebensdauer im Vergleich zu einer Teststruktur führen, die eine im Wesentlichen kontinuierlich bedeckte Testkontaktdurchführung aufweist. Um die nachteiligen Auswirkungen einer fehlerhaften Barrierenschicht bei der Bewertung von Elektromigrationseffekten auf der Grundlage einer entsprechenden Teststruktur zu verringern, wird in der vorliegenden Erfindung eine entsprechende Speiseleitung vorgesehen, die die höchste Wahrscheinlichkeit aller beteiligten elektrischen Komponenten in der Teststruktur für die Ausbildung eines Hohlraumes aufweist, wenn eine entsprechende Testkontaktdurchführung der Teststruktur eine fehlerhafte Barrierenschicht an ihrer Unterseite besitzt. Zu diesem Zweck wird die entsprechende Speiseleitung so gestaltet, dass die Ausbildung von Hohlräumen zuerst in der Speiseleitung stattfindet, wenn die entsprechende Testkontaktdurchführung der Teststruktur eine poröse Barrierenschicht oder ein Loch in der Barriere an der Unterseite der Kontaktdurchführung aufweist. Folglich wird beim Bausführen eines Elektromigrationstests auf der Grundlage einer fehlerhaften Barrierenschicht innerhalb der Testkontaktdurchführung ein rascher Anstieg des Widerstands in der Speiseleitung erkannt, wodurch daher ein entsprechender Fehler der Barrierenschicht angezeigt wird, so dass das entsprechende Testergebnis unter Berücksichtigung des entsprechenden Barrierenfehlers analysiert werden kann. Somit kann eine deutlich zuverlässigere Einschätzung einer Teststruktur im Hinblick auf Elekgromigration erreicht werden.

Gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Teststruktur eine Testkontaktdurchführung und eine damit verbundene Testmetallleitung, wobei die Testkontaktdurchführung und die Testmetallleitung in einer Metallisierungsschicht ausgebildet sind, die über einem Substrat angeordnet ist, das für die Herstellung von Halbleiterbauelementen für eine integrierte Schaltung geeignet ist. Des weiteren weisen die Testkontaktdurchführung und die Testkontaktleitung eine leitende Barrierenschicht auf. Ferner ist eine Speiseleitung mit der Testkontaktdurchführung verbunden, wobei eine Querschnittsfläche der Speiseleitung kleiner ist als eine Querschnittsfläche der Testmetallleitung. Ferner umfasst die Teststruktur eine Anschlussleitung, die mit der Speiseleitung verbunden ist.

Gemäß einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Teststruktur zum Abschätzen von Elektromigrationseffekten in einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements eine erste Testkontaktdurchführung mit einer Barrierenschicht und einem Metall. Ferner ist eine erste Speiseleitung vorgesehen und ist mit der ersten Testkontaktdurchführung verbunden, wobei die erste Speiseleitung ausgebildet ist, dass diese eine höhere Wahrscheinlichkeit für die Hohlraumbildung im Vergleich zu der ersten Testkontaktdurchführung aufweist, wenn die Barrierenschicht im Wesentlichen nicht zusammenhängend auf einer Unterseite der ersten Testkontaktdurchführung ausgebildet ist, wodurch eine im Wesentlichen nicht kontinuierliche Grenzfläche mit der Speiseleitung gebildet ist.

Gemäß einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Einprägen eines spezifizierten Stromes in eine Teststruktur, wobei die Teststruktur eine erste Testkontaktdurchführung und eine erste Speiseleitung aufweist, die mit der ersten Testkontaktdurchführung verbunden ist, wobei die erste Speiseleitung eine größere Wahrscheinlichkeit für die Hohlraumbildung während des Einprägens des spezifizierten Stromes im Vergleich zu der ersten Testkontaktdurchführung besitzt, wenn eine im Wesentlichen zusammenhängende Barrierenschicht auf einer Unterseite davon nicht vorhanden ist. Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln einer ersten Widerstandsänderung an einer ersten Position und einer zweiten Widerstandsänderung an einer zweiten Position der ersten Speiseleitung. Schließlich wird ein Status der Barrierenschicht an der Unterseite der ersten Testkontaktdurchführung auf der Grundlage der ersten und der zweiten Widerstandsänderung abgeschätzt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:

1a schematisch eine Querschnittsansicht einer konventionellen Teststruktur zeigt, die in einer Metallisierungsschicht ausgebildet ist, die gemäß einem Prozessablauf zur Herstellung von Halbleiterbauelementen gebildet ist, wobei eine Testkontaktdurchführung und eine Testmetallleitung mit einer entsprechenden Sondierungsfläche auf der Grundlage einer Speiseleitung mit einer spezifizierten Konfiguration verbunden sind, um damit Elektromigrationseffekte zu unterdrücken, wenn die Testkontaktdurchführung mittels einer Barrierenschicht zuverlässig mit der Speiseleitung verbunden ist;

1b schematisch eine Draufsicht der Teststruktur aus 1a zeigt;

2a und 2b schematisch Querschnittsansichten einer Teststruktur während diverser Fertigungsphasen zeigen, wobei die Struktur eine Testkontaktdurchführung und eine Testmetallleitung aufweist, die mit einer Speiseleitung verbunden sind, die eine höhere Wahrscheinlichkeit für Elektromigrationsfehler aufweist, wenn eine nicht zusammenhängende Barrierenschicht an der Unterseite vorgesehen ist, gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;

2c schematisch eine Draufsicht der in 2a und 2b gezeigten Teststruktur darstellt;

2d schematisch eine Querschnittsansicht einer Teststruktur zeigt, wie sie in 2c dargestellt ist, während des Betriebs gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und

2e schematisch eine Teststruktur zeigt, die mehrere Testkontaktdurchführungen und Testmetallleitungen, die mit entsprechenden Speiseleitungen mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten für Elekgromigrationsfehler verbunden sind, gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten.

Detaillierte Beschreibung

Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der vorliegenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.

Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung eine Technik zur Verbesserung des Leistungsvermögens von Elektromigrationstestverfahren, um Bewertungen der betrachteten Teststrukturen mit erhöhter Zuverlässigkeit zu erhalten. Wie zuvor erläutert ist, ist die Elekgromigration ein äußerst komplexer dynamischer Vorgang, in welchem der Impulsaustausch zwischen Ladungsträger, d. h. Elektronen in Metallen, und diffundierenden Metallatomen zu einer gerichteten Bewegung der diffundierenden Atome führen kann, wenn ein ausreichend hohe Stromdichte erreicht wird. Auf Grund der geringeren Querschnittsflächen von Metallleitungen und Kontaktdurchführungen in modernen integrierten Schaltungen und der Tatsache, dass im Prinzip die entsprechenden Metallleitungen in entsprechenden dielektrischen Materialien eingeschlossen sind, wodurch ein effizienter Wärmetransfer in die umgebenden Chipflächen möglich ist, können äußerst hohe Stromdichten von ungefähr 106 Ampere pro cm2 erreicht werden, wodurch merklich Elektromigrationseffekte hervorgerufen werden. Sofern die Metallisierungsstruktur entsprechender Halbleiterbauelemente nicht so gestaltet und hergestellt ist, dass entsprechend hohe Stromdichten zuverlässig in jedem Metallgebiet des Halbleiterbauelements vermieden werden, tritt folglich eine merkliche Elektromigration während des Betriebs der entsprechenden Halbleiterbauelemente auf. Jedoch würde eine entsprechende Gestaltung von Halbleiterbauelementen deutlich die Entwurfsflexibilität verringern und würde auch geringere Packungsdichten erforderlich machen, wodurch das Leistungsverhalten und die Kosteneffizienz der entsprechenden Halbleiterbauelemente merklich beeinträchtigt würde. Daher wird typischerweise ein Kompromiss zwischen dem Leistungsverhalten und der Packungsdichte im Hinblick auf die Elektromigration dahingehend gemacht, dass anstelle der Herstellung von im Wesentlichen „unsterblichen" Metallisierungsstrukturen Gestaltungs- und Herstellungskriterien so gewählt werden, dass eine gewünschte Lebensdauer unter spezifizierten Betriebsbedingungen erreicht wird. Folglich ist es äußerst wichtig, in zuverlässiger Weise die erwartete Lebensdauer der Metallisierungsstrukturen von Halbleiterbauelementen abzuschätzen, was typischerweise auf der Grundlage entsprechender Teststrukturen durchgeführt wird, die auf der Grundlage von Belastungsbedingungen betrieben werden, zu denen hohe Stromdichten und hohe Temperaturen gehören, wobei die Zeit bis zum Ausfall eine Angabe für die Lebensdauer der entsprechenden Metallisierungsstrukturen unter realen Betriebsbedingungen liefert. Obwohl gewisse theoretische Modelle der kinetischen Vorgänge der Elektromigration entwickelt werden, die beispielsweise als Blacks Gesetz bekannt sind, das eine Abhängigkeit zwischen einer typischen Ausfallzeit und dem Quadrat der inversen Stromdichten angibt, was quantitativ die Auswirkung von Elektromigration für eine gewisse Klasse an Bedingungen beschreibt, beispielsweise für Metallleitungen ohne umschließende Barrierenschichten, und dergleichen, wobei eine moderat hohe Genauigkeit erreicht wird, und wobei andere Effekte, etwa der Blech-Effekt entdeckt wurden, womit Elektromigrationseffekte vollständig vermieden werden können, wenn die Länge eines Metallgebiets bei einer spezifizierten Stromdichte so gewählt ist, dass diese gleich oder größer ist als ein sogenanntes kritisches Produkt der Länge und der Stromdichte, so zeigt es sich dennoch, dass auf Grund des deutlichen Einflusses von Diffusion auf die schließlich erreichte Elektromigrationswirkung eine theoretische Vorhersage der schließlich erreichten Zeit bis zum Ausfall äußerst komplex ist und nicht ausreichend ist, um zuverlässig die Eigenschaften komplexer Metallisierungsstrukturen abzuschätzen, wie sie typischerweise in modernen integrierten Schaltungen verwendet sind. Selbst die Konfiguration einer entsprechenden Teststruktur kann einen deutlichen Einfluss auf das Ergebnis der entsprechenden Lebensdauerprüfungen aufweisen, wobei beispielsweise eine nicht korrekte vorhergesagte Zeit bis zum Ausfall während entsprechender Elektromigrationsprüfungen zu einer nicht korrekt vorhergesagten Lebensdauer der eigentlichen Halbleiterbauelemente führen kann, wodurch zu einer geringeren Zuverlässigkeit der entsprechenden Produkte beigetragen wird, was sich zu einem großen wirtschaftlichen Risiko für den Halbleiterhersteller führen kann.

Erfindungsgemäß wird eine verbesserte Technik zum Abschätzen der Zeit bis zum Ausfall während Elektromigrationsprüfungen auf der Grundlage einer Teststruktur erreicht, in der der Status einer entsprechenden Barrierenschicht in einer Testkontaktdurchführung zuverlässig im Zusammenhang des Elektromigrationstests abgeschätzt werden kann, um damit die Zuverlässigkeit der entsprechenden Testergebnisse zu bewerten. Ferner wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen das Maß an Barrierenschäden in den entsprechenden Testkontaktdurchführungen auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Teststruktur abgeschätzt. Zu diesem Zweck wird im Gegensatz zu konventionellen Gestaltungen, eine zusätzliche „Engstelle" in der eigentlichen Teststruktur, die eine Testkontaktdurchführung beinhaltet, vorgesehen, um damit eine hohe Wahrscheinlichkeit für eine Ausbildung von Hohlräumen in der Engstelle der Speiseleitung zu erreichen, wenn die Testkontaktdurchführung keine im Wesentlichen zusammenhängende Barrierenschicht insbesondere an ihrer Unterseite aufweist. Folglich kann während eines entsprechenden Elektromigrationstests eine entsprechende Widerstandsänderung in der Speiseleitung erkannt werden, um damit das Vorhandensein einer im Wesentlichen nicht zusammenhängenden Barrierenschicht in der Testkontaktdurchführung abzuschätzen. Auf diese Weise kann die Qualität der Testkontaktdurchführungen und damit der Kontaktdurchführungen der eigentlichen Metallisierungsstruktur abgeschätzt werden, während gleichzeitig zusätzliche aussagekräftige Lebensdauerergebnisse von der entsprechenden Teststruktur gewonnen werden können, da erkannt werden kann, ob ein Barrierenfehler außerhalb der Engstelle der Speiseleitung aufgetreten ist oder nicht.

Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung äußerst vorteilhaft im Zusammenhang mit modernen Halbleiterbauelementen ist, in denen eine Metallisierungsstruktur, beispielsweise auf Grundlage von Kupfer, Kupferlegierungen oder anderen gut leitenden Metallen in Verbindung mit Schaltungselementen mit kritischen Abmessungen von 100 nm und deutlich weniger erfordern, da hier äußerst komplexe Fertigungsverfahren, etwa Einlegetechniken in Form von Einzel- oder Dual-Damaszener-Prozessen typischerweise während der Herstellung von Metallisierungsschichten eingesetzt werden. Beispielsweise ist in Verbindung mit mehreren Metallen, etwa Kupfer und Kupferlegierungen, die gemäß einer Einzel- oder Dualeinlegetechnik hergestellt werden, eine geeignete Barrierenschicht typischerweise in entsprechenden Kontaktöffnungen und Grabenöffnungen vor dem Einfüllen der gut leitenden Metalle erforderlich. Während der Abscheidung des Barrierenmaterials können Prozessungleichförmigkeiten insbesondere an entsprechenden Unterseiten der Kontaktöffnungen daher einen kritischen Aspekt des gesamten Fertigungsprozesses repräsentieren, da diese kritischen Bauteilbereiche zu nicht realistischen Lebensdauerabschätzungen führen können, wodurch eine hohe Wahrscheinlichkeit für einen vorzeitigen Ausfall in eigentlichen Produkten hervorgerufen wird. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Prinzipien der Erfindung auch für eine beliebige Metallisierungsschicht unabhängig von den Gegebenheiten der verwendeten Materialien und der eingesetzten Fertigungstechnik angewendet werden können, solange Metallkontaktdurchführungen vorgesehen sind, in denen eine Barrierenschicht erforderlich ist, deren Eigenschaften deutlich das gesamte Elektromigrationsverhalten beeinflussen kann. Wenn daher in der Beschreibung und den angefügten Patentansprüche nichts anderes dargelegt ist, sollte die vorliegende Erfindung nicht als auf kupferbasierte Metallisierungsstrukturen, die auf der Grundlage von Einlegeverfahren hergestellt sind, eingeschränkt betrachtet werden.

Mit Bezug zu den 2a bis 2e werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.

2a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer Teststruktur 200, die über einem Substrat 201 ausgebildet ist, das ein beliebiges Substrat zur Herstellung von Halbleiterbauelementen darauf und darin repräsentieren kann, die eine Metallisierungsstruktur erfordern, die mehrere Metallisierungsschichten enthalten kann, wie sie typischerweise in modernen integrierten Schaltungen vorgesehen sind, wobei entsprechende Metallleitungen die elektrische Verbindung von Schaltungselementen innerhalb einer Ebene bereitstellen, wohingegen entsprechende Kontaktdurchführungen die Verbindung zu benachbarten Metallisierungsschichten herstellen. Beispielsweise kann das Substrat 201 ein Siliziumsubstrat, ein SOI- (Silizium-auf-Halbleiter-) Substrat oder ein anderes geeignetes Trägermaterial mit darauf ausgebildeten entsprechenden Halbleitergebieten repräsentieren, wie sie für die Herstellung spezieller Schaltungselemente, etwa Transistoren, Kondensatoren, und dergleichen erforderlich sind. In einigen anschaulichen Ausführungsformen weist das Substrat 201 darauf und darin ausgebildet Schaltungselemente, etwa Transistoren mit einer kritischen Abmessung, etwa der Gatelänge, von 100 nm und deutlich weniger auf. Es sollte beachtet werden, dass die Teststruktur 200 über dem Substrat 201 ausgebildet sein kann, das auf entsprechenden Chipbereichen funktionale integrierte Schaltungen aufweist, während in anderen anschaulichen Ausführungsformen das Substrat 201 ein spezielles Testsubstrat repräsentiert, auf dem die Teststruktur 200 hergestellt ist, während im Wesentlichen funktionale integrierte Schaltungen fehlen. Über dem Substrat 201 und einer etwaigen Bauteilschicht und etwaigen tieferliegenden Metallisierungsschichten ist eine dielektrische Schicht 202 vorgesehen, beispielsweise auf der Grundlage eines geeigneten Materials, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, dielektrische Materialien. mit kleinem &egr;, und dergleichen. Es sollte beachtet werden, dass die dielektrische Schicht 202 das dielektrische Material einer speziellen Metallisierungsschicht repräsentieren kann, wie sie typischerweise in anderen Bereichen des Substrats 201 gebildet ist. Die dielektrische Schicht 202 weist darin eine Speiseleitung 203 auf, die eine Konfiguration besitzt, so dass diese einer erhöhten Elektromigrationswirkung unter spezifizierten Testbedingungen unterliegt. Beispielsweise ist die Speiseleitung 203 aus einem geeigneten Metall (etwa Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium, und dergleichen) aufgebaut, abhängig von den Prozesserfordernissen. Wenn beispielsweise die Teststruktur 200 gemeinsam mit tatsächlichen Produkten auf dem Substrat 201 hergestellt ist, kann die Speiseleitung 203 gemäß spezieller Fertigungsverfahren hergestellt sein. In diesem Falle können die gewünschten Eigenschaften der Speiseleitung 203 auf der Grundlage der entsprechenden Entwurfsabmessungen eingestellt werden, d. h. die Querschnittsfläche der Speiseleitung 203 kann geeignet ausgewählt werden, beispielsweise indem eine geeignete Breite der Speiseleitung 203 festgelegt wird, die die Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 2a repräsentiert. D. h., die Speiseleitung 203 ist so gestaltet, dass für eine vorgegebene Stromdichte die höchste Wahrscheinlichkeit für die Ausbildung eines Hohlraumes, der durch Elektromigration hervorgerufen wird, in der Speiseleitung 203 erreicht wird, wenn eine nicht gewünschte Konfiguration einer Barrierenschicht 212, die in einer entsprechenden Testkontaktdurchführung 220 gebildet ist, sich während eines entsprechenden Fertigungsprozesses ergibt.

Es sollte beachtet werden, dass andere Eigenschaften der Speiseleitung 203 in geeigneter Weise eingestellt werden können, um das gewünschte Verhalten zu erreichen. Wenn beispielsweise die Teststruktur 200 auf einem speziellen Substrat hergestellt wird, etwa dem Substrat 201, kann ein gewisses Maß an Freiheit im Hinblick auf den Herstellungsprozess zur Herstellung der Speiseleitung 203 ermöglicht werden, wodurch eine spezielle Einstellung der Elektromigrationseigenschaften der Speiseleitung 203 ermöglicht wird, indem beispielsweise nicht nur die entsprechende Breite sondern auch eine spezielle Dicke der Speiseleitung 203, eine spezielle Art an Material und/oder eine spezielle Fertigungstechnik zum Einstellen der Korngröße und/oder Orientierung, und dergleichen gewählt wird. Beispielsweise kann die dielektrische Schicht 202 in Verbindung mit der Speiseleitung 203 auf der Grundlage von Prozessstrategien hergestellt werden, die nicht den Fertigungsablauf für die tatsächliche Metallisierungsschichten entsprechen, da die Metallstrukturen, etwa die Speiseleitung 203 in eigentlichen Produkten nicht verwendet werden. In diesem Falle können mehrere Parameter verwendet werden, um das gewünschte Elektromigrationsverhalten zu erreichen. Somit kann im Gegensatz zu konventionellen Gestaltungen die Speiseleitung 203 bewußt so gebildet werden, dass eine große Hohlraumbildung während Elektromigrationstestbedingungen stattfindet, wenn die Barrierenschicht 212 in der Testkontaktdurchführung 220 eine im Wesentlichen nicht kontinuierliche Konfiguration insbesondere an der Unterseite 220a aufweist. In der dargestellten Ausführungsform kann angenommen werden, dass die Speiseleitung 203 und die dielektrische Schicht 202 gemäß den Bauteil- und Prozesserfordernissen hergestellt werden, wie sie auch für die Herstellung tatsächlicher Halbleiterprodukte angewendet werden. Wenn beispielsweise eine kupferbasierte Metallisierungsstruktur betrachtet wird, wird die Speiseleitung 203 typischerweise von einer Barrierenschicht 213, etwa einem Barrierenmaterial, wie es zuvor angegeben ist, eingeschlossen, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Barrierenschicht 213 im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie die Barrierenschicht 212 aufweist. Des weiteren kann die Speiseleitung 203 auf der Oberseite durch eine entsprechende dielektrische Deckschicht 209, die beispielsweise aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, stickstoffangereichertem Siliziumkarbid, Kombinationen davon, oder einem anderen geeigneten dielektrischen Deckmaterial, eingeschlossen sein. Die Schicht 209 kann als eine effiziente Ätzstoppschicht während des Strukturierens einer dielektrischen Schicht 208 dienen, in der die Testkontaktdurchführungsöffnung 220 und eine entsprechende Testmetallleitungsöffnung 223 gebildet werden. Ferner kann eine entsprechende Kontaktdurchführungsöffnung 221, die mit einer entsprechenden Grabenöffnung 222 verbunden ist, in der dielektrischen Schicht 208 ausgebildet sein, um eine entsprechende Verdrahtungsstruktur zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung zu einer geeigneten Sondierungsfläche (nicht gezeigt) vorzusehen. Es sollte beachtet werden, dass die Testkontaktdurchführungsöffnung 220 und die entsprechende Grabenöffnung 223 auf der Grundlage typischer Bauteilabmessungen und Fertigungsverfahren hergestellt werden können, um ein hohes Maß an Authentizität in Bezug auf die entsprechende Metallisierungsstrukturen in eigentlichen Produktbauelementen zu erhalten. Wenn beispielsweise die Teststruktur 200 gemeinsam mit tatsächlichen Produkten hergestellt wird, können die Kontaktlochöffnung 220 und die Grabenöffnung 223 zumindest über eine spezifizierte Länge davon Abmessungen aufweisen, die tatsächliche Metallisierungsstrukturen im Produktbereichen des Substrats 201 entsprechen. Somit kann die dielektrische Schicht 208 eine Konfiguration aufweisen, die identisch zu tatsächlichen Produkten ist, und kann aus einem dielektrischen Material mit kleinem &egr;, einer Kombination diverser dielektrischer Materialien, und dergleichen hergestellt sein. Das gleiche gilt für die Barrierenschicht 212, die aus einem beliebigen geeigneten Barrierenmaterial aufgebaut sein kann, wie es tatsächlich in dem Fertigungsprozess für die betrachteten Halbleiterbauelemente verwendet wird.

Ein typischer Prozessablauf zur Herstellung der Teststruktur 200, wie sie in 2a gezeigt ist, kann die folgenden Prozesse umfassen. Nach der Herstellung von Schaltungselementen, falls diese vorgesehen sind, in und über dem Substrat 201 auf der Grundlage gut etablierter Prozessverfahren einschließlich etablierter mikromechanischer und/oder mikroelektronischer Fertigungsprozesse wird die dielektrische Schicht 202 auf der Grundlage gut etablierter Abscheideverfahren, etwa CVD-(chemische Dampfabscheide-), Aufschleuder-Verfahren, und dergleichen gebildet. Danach wird die dielektrische Schicht 202 auf der Grundlage von Photolithographie und anisotropen Ätzverfahren strukturiert, woran sich das Abscheiden der Barrierenschicht 213, falls diese vorgesehen ist, anschließt, was auf der Grundlage von Sputter-Abscheidung, stromloser Abscheidung, CVD und dergleichen bewerkstelligt werden kann. Danach wird ein entsprechendes Material, etwa Kupfer, Kupferlegierungen und dergleichen in die entsprechende Öffnung durch elektrochemnische Abscheideverfahren, etwa Elektroplattieren, stromloses Plattieren, und dergleichen eingefüllt. Es sollte jedoch beachtet werden, dass, wie zuvor erläutert ist, eine andere Prozesssequenz in Abhängigkeit von den Prozess- und Bauteilerfordernissen, wie sie zuvor spezifiziert sind, angewendet werden kann. Anschließend wird bei Bedarf die resultierende Oberflächentopographie eingeebnet, beispielsweise indem überschüssiges Material entfernt wird, und die dielektrische Barrierenschicht 209 kann auf der Grundlage einer geeigneten Abscheidetechnik, etwa CVD, hergestellt werden. Als nächstes wird die dielektrische Schicht 208 auf der Grundlage von Prozessverfahren gebildet, wie sie auch in tatsächlichen Halbleiterbauelementen eingesetzt werden, d. h. für äußerst moderne Halbleiterbauelemente kann typischerweise das dielektrische Material 208 zumindest teilweise ein dielektrisches Material mit kleinem &egr; enthalten, d. h. ein dielektrisches Material mit einer relativen Permittivität von 3,0 und deutlich weniger. Da die letztlich erreichten Eigenschaften einer Metallisierungsstruktur im Hinblick auf die Elektromigration von einer Vielzahl sich gecenseitig beeinflussender Eigenschaften abhängen, etwa dem Diffusionsverhalten, das deutlich von den Eigenschaften der entsprechenden Grenzflächen, und dergleichen abhängen kann, werden in speziellen Ausführungsformen die gleichen Prozessrezepte zur Herstellung der dielektrischen Schicht 208 eingesetzt, selbst wenn die Teststruktur 200 auf separaten Substraten gebildet wird, die keine tatsächlichen Halbleiterprodukte enthalten. Folglich werden die entsprechenden Kontaktlochöffnungen und Grabenöffnungen 221, 220, 222 und 223 auf der Grundlage einer speziellen Prozesstechnik hergestellt, wie sie auch für tatsächliche Halbleiterprodukte eingesetzt wird.

Beispielweise wird in der dargestellten Ausführungsform eine sogenannte duale Einlegetechnik verwendet, in der die entsprechenden Kontaktlochöffnungen und Grabenöffnungen in der dielektrischen Schicht 208 gemäß eines geeigneten Strukturierungsschemas gebildet werden, wobei die entsprechenden Öffnungen dann in einem gemeinsamen Metallabscheideprozess gefüllt werden. Es sollte beachtet werden, dass andere Prozessverfahren eingesetzt werden können, beispielsweise ein Einzeldamaszenerschema, in welchem Kontaktdurchführungen zuerst hergestellt und anschließend die entsprechenden Metallleitungen gebildet werden. In einer anschaulichen Ausführungsform werden während des Strukturierens der dielektrischen Schicht 208 zur Herstellung der Kontaktlochöffnungen 221 und 220 die entsprechenden Entwurfsabmessungen 221w der Kontaktlochöffnung 221 so gewählt, dass eine deutlich erhöhte Wahrscheinlichkeit für eine zuverlässige Bedeckung des entsprechenden Kontaktlochbodens während eines nachfolgenden Abscheideprozesses 224 erreicht wird, d. h., die Entwurfsbreite oder der Durchmesser 221w der Kontaktdurchführung 221 werden größer im Vergleich zu der Breite 220w der eigentlichen Testkontaktdurchführung 220 gewählt, die im Wesentlichen tatsächlichen Kontaktdurchführungen entspricht, wie sie in dem entsprechenden Halbleiterbauelementen gebildet werden. In ähnlicher Weise besitzt die entsprechende Grabenöffnung 221, die mit der Kontaktdurchführung 221 verbunden ist, eine ausreichende Breite, um im Wesentlichen eine Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Elektromigrationswirkungen im Hinblick auf die vordefinierten Testbedingungen für einen Elektromigrationstest, der mit der Struktur 200 auszuführen ist, zu vermeiden. Nach dem Strukturieren der dielektrischen Schicht 208 auf der Grundlage gut etablierter Verfahren wird der Abscheideprozess, etwa ein Sputter-Abscheideprozess oder ein anderer Abscheideprozess, wie er typischerweise für die Herstellung von tatsächlichen Metallisierungsstrukturen verwendet wird, ausgeführt, wobei insbesondere bei Öffnungen mit hohen Aspektverhältnis, etwa der Testkontaktdurchführungsöffnung 220, eine deutliche Wahrscheinlichkeit für eine nicht kontinuierliche Abdeckung des Kontaktlochbodens 220a auftreten kann. Folglich kann ein Loch oder ein gewisses Maß an Porosität insbesondere an dem Boden 220a geschaffen werden, was in tatsächlichen Metallisierungsstrukturen zu einem unterschiedlichen Elektromigrationsverhalten führen kann und das zu weniger zuverlässigen Lebensdauerabschätzungen in konventionellen Teststrukturen führen kann, wie dies zuvor mit Bezug zu den 1a und 1b erläutert ist. Im Gegensatz zu der Kontaktdurchführung 220 ist die Kontaktlochöffnung 221 im Wesentlichen zusammenhängend von der Barrierenschicht 212 bedeckt, da hier das Aspektverhältnis deutlich kleiner ist, wodurch die entsprechenden Anforderungen für den Abscheideprozess 224 deutlich geringer sind.

2b zeigt schematisch die Teststruktur 200 in einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium. Hier sind entsprechende Öffnungen mit einem geeigneten Metall, etwa Kupfer, eine Kupferlegierung, und dergleichen gefüllt, um damit die Testkontaktdurchführung 207 bereitzustellen, die mit einer entsprechenden Testmetallleitung 206 verbunden ist, während eine Kontaktdurchführung 205 mit einem kontinuierlich bedeckten Boden und die entsprechende Anschlussleitung 204 vorgesehen sind. Ferner ist eine entsprechende Deckschicht 210, die beispielsweise aus einem dielektrischen Material aufgebaut ist, das entsprechend den Bauteilerfordernissen ausgewählt ist, so gebildet, dass die entsprechende Metallleitungen 206 und 204 eingeschlossen werden. Wie zuvor erläutert ist, können die entsprechenden Metalle gemäß einem spezifizierten Fertigungsablauf einschließlich nachgeschalteter Behandlungen eingefüllt werden, um damit die gewünschten Eigenschaften beispielsweise im Hinblick auf die Korngröße, die Kornorientierung und dergleichen zu erhalten; das gleiche gilt für die Herstellung der Deckschicht 210.

2c zeigt schematisch eine Draufsicht der Teststruktur 200 gemäß anschaulicher Ausführungsformen, wobei zu beachten ist, dass die entsprechenden dielektrischen Materialien, 210, 208 und 209 nicht gezeigt sind. In der dargestellten Ausführungsform können die Eigenschaften der Speiseleitung 203 im Hinblick auf ihre hohe Wahrscheinlichkeit für die Ausbildung von Hohlräumen während der Elektromigrationsbedingungen für einen geringeren Serienwiderstand der Kontaktdurchführung 207 auf Grund einer porösen oder nicht kontinuierlichen Barrierenschicht an der Unterseite (siehe 2b) eingestellt werden, indem eine Breite 203w gewählt wird, um damit eine entsprechend reduzierte Querschnittsfläche beispielsweise im Vergleich zu der Metallleitung 206 zu erreichen, wenn ein Fertigungsprozess angewendet wurde, in weichem eine Dicke oder eine Tiefe der entsprechenden Metallleitungen durch den Prozessablauf bestimmt ist. D. h., wenn die entsprechende Ätztiefe während des Strukturierens des Grabens für die Speiseleitung 203 durch Prozessablaufeigenheiten definiert ist und im Wesentlichen gleich ist für die Grabenöffnung 223 der Metalltestleitung 206 kann die Breite 203w in geeigneter Weise als ein effizienter Mechanismus zum Einstellen der Wahrscheinlichkeit für die Hohlraumausbildung während eines Elektromigrationstest ausgewählt werden. Auf Grund der Einstellung der Abmessungen der Anschlussleitung 204 und der moderat größeren Breite oder des Durchmesser der Kontaktdurchführung 205, die mit der Speiseleitung 203 verbunden ist, kann ein entsprechender Elektromigrationsfehler im Falle einer porösen Kontaktdurchführung 207 im Wesentlichen auf die Speiseleitung 203 beschränkt werden. Ferner sind in der in 2c gezeigten Ausführungsform entsprechende Spannungsabgriffe 211 und 231 so vorgesehen, dass eine entsprechende Spannung an spezifizierten Positionen der Speiseleitung 203 erfasst werden kann. In der dargestellten Ausführungsform ist der Spannungsabgriff 231 mit der Anschlussleitung 204 oder einem ersten Ende der Speiseleitung 203 verbunden, während der zweite Spannungsabgriff 211 mit der Speiseleitung 203 im Wesentlichen an deren Ende vor der Testkontaktdurchführung 207 verbunden ist. Auf diese Weise können Widerstandsänderungen, die vor dem Spannungsabgriff 231 und vor dem Spannungsabgriff 211 auftreten, in effizienter Weise erkannt werden. Durch Vorsehen der entsprechenden Spannungsabgriffe 231 und 211 an entsprechenden Enden der Speiseleitung 203 kann eine entsprechende Bildung von Hohlräumen in effizienter Weise über die gesamte Länge der Speiseleitung 203 hinweg erkannt werden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die entsprechenden Spannungsabgriffe 213, 211 auch so vorgesehen werden können, dass lediglich eine spezifizierte Länge der Speiseleitung 203 bei Bedarf überwacht wird.

2d zeigt schematisch eine Querschnittsansicht der in 2c gezeigten Teststruktur 200 während des Betriebs. D. h., es sind vordefinierte Testbedingungen eingerichtet; beispielsweise kann eine gewisse Temperatur ausgeübt und ein spezieller Strom in die Teststruktur 200 auf der Grundlage einer entsprechenden Spannungsquelle (nicht gezeigt) eingeprägt werden, die mit den entsprechenden Sondierungsflächen (nicht gezeigt) verbunden ist, wovon eine mit der Anschlussleitung 204 verbunden ist, während die andere mit der Metallleitung 206 dahinter verbunden ist. In der in 2d gezeigten Situation wird angenommen, dass ein Stromfluss eingerichtet wird, wobei Elektronen von der Anschlussleitung 204 über die Kontaktdurchführung 205 zur Speiseleitung 203 und weiter zur Testkontaktdurchführung 207 und zur Testmetallleitung 206 fließen. Somit kann eine durch Elektromigration hervorgerufene Materialwanderung von Metallatomen, etwa von Kupfer, entlang der Flussrichtung der Elektronen stattfinden, wie dies durch den Pfeil 233 angezeigt ist, wodurch den Kupferatomen eine Nettokraft in Richtung der Anode der entsprechenden Stromquelle verliehen wird. Es sollte beachtet werden, dass jegliche Information im Hinblick auf die Position einer Komponente, etwa vor, nach, und dergleichen in Bezug auf die Flussrichtung der Elektronen zu betrachten ist, wie dies in 2d gezeigt ist. D. h., in 2d liegt die Speiseleitung 203 vor der Testkontaktdurchführung 207. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die umgekehrte Stromrichtung ebenso eingestellt werden kann, wodurch ein Materialtransport in der umgekehrten Richtung stattfindet. Während des Testverfahrens wird ein hoher Strom in die Testkontaktdurchführung 207 und in die Testmetallleitung 206 eingeprägt, um darin eine erwünschte hohe Stromdichte zu erhalten, die deutlich die typischen Stromdichten übersteigen können, die während standardmäßiger Betriebsbedingungen erreicht werden. Ferner können andere Belastungsbedingungen ausgeübt werden, beispielsweise erhöhte Temperaturen oder Temperaturgradienten können in der Teststruktur 200 eingerichtet werden und/oder es kann eine mechanische Verspannung erzeugt werden, um die abgeschätzte Lebensdauer der entsprechenden Metallisierungsstrukturen in tatsächlichen Produkten abzuschätzen. Wie zuvor erläutert ist, herrscht während der Testprozedur eine hohe Stromdichte in der Testkontaktdurchführung 207 und in der Testmetallleitung und ebenso in der Speiseleitung 203 vor, wobei die Wahrscheinlichkeit eines strominduzierten Materialtransportes, etwa eines Kupferflusses, wie er durch 232 angezeigt ist, stattfinden kann, wenn eine im Wesentlichen nicht kontinuierliche Bedeckung der Kontaktunterseite 220a durch die Barrierenschicht 212 sich während der Fertigungssequenz ergab. Wie beispielsweise zuvor erläutert ist, kann die Querschnittsfläche der Speiseleitung 203 oder eine andere geeignete Eigenschaft so gewählt werden, dass diese nahe an der minimalen Querschnittsfläche oder der minimale Parameterwert der entsprechenden Eigenschaft liegt, um damit eine bevorzugte Wahrscheinlichkeit zum Auftreten eines strominduzierten Materialtransports zu erhalten, wenn eine Grenzfläche zwischen der Speiseleitung 203 und der Kontaktdurchführung 207 zumindest an dem unteren Bereich der Kontaktdurchführung 207 eine reduzierte Abdeckung aufweist, wodurch beispielsweise ein geringerer Serienwiderstand, und dergleichen hervorgerufen wird. Während in konventionellen Verfahren die entsprechende Speiseleitung 103 als ausfallsicher während eines Elektronenmigrationsprozesses betrachtet wird, kann eine deutliche übergroße Abschätzung der erwarteten Lebensdauer einer Kontaktdurchführung, etwa der Kontaktdurchführung 207 mit einer nicht kontinuierlichen Barrierenschicht, auftreten, da eine entsprechende Beeinträchtigung der entsprechenden Speiseleitung unerkannt bleiben kann, während das modifizierte Elektromigrationsverhalten der Testkontaktdurchführung zu einer zu hohen abgeschätzten Lebensdauer der Teststruktur führen kann. In der Speiseleitung 203 wird die entsprechende Wahrscheinlichkeit für einen Elektromigrationsfehler so erhöht, dass ein Materialtransport, d. h. eine Ausbildung eines Hohlraumes, erkannt wird, während in einigen anschaulichen Ausführungsformen zusätzlich entsprechende Messdaten auch von der Testkontaktdurchführung 207 gewonnen werden, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, den Status der Testkontaktdurchführung mit der Testmetallleitung 206, und der Speiseleitung 203 abzuschätzen.

In einer anschaulichen Ausführungsform kann eine entsprechende Widerstandsänderung an dem Spannungsabgriff 231 (siehe 2c) zusammen mit einer entsprechenden Widerstandsänderung erkannt werden, die von dem zweiten Spannungsabgriff (siehe 2c) 211 erhalten wird, wobei eine Differenz der entsprechenden Widerstandsänderungen den Status der Speiseleitung 203 angibt. Wenn beispielsweise ein merklicher Materialtransport, wie er durch 232 angezeigt ist, während des Testverfahrens aufgetreten ist, kann eine entsprechende Widerstandsänderung vor einem entsprechenden Hohlraum beispielsweise an dem Spannungsabgriff 231 erkannt werden, während der zweite Spannungsabgriff 211 im Wesentlichen den gleichen Widerstandswert ergibt oder einen geringeren Widerstandswert aufzeichnen kann, abhängig von den speziellen Eigenschaften, wobei zusätzliches Material sich in der Nähe der Kontaktdurchführung 207 oder der Metallleitung 206 aufbauen kann. Beim Erkennen einer spezifizierten Differenz der Widerstandsänderungen entlang einer spezifizierten Länge der Speiseleitung 203 kann die entsprechende Testkontaktdurchführung 207 so bewertet werden, dass eine Schicht 202 mit im Wesentlichen zusammenhängender Fläche an den Kontaktdurchführungsboden 220a fehlt. In einigen anschaulichen Ausführungsformen besitzt die Kontaktdurchführung 205 vor der Speiseleitung 203 einen ausreichend großen Durchmesser, um eine intakte Barrierenschicht 212 bereitzustellen, so dass die entsprechend erkannte Differenz der Widerstandsänderungen der Speiseleitung 203 zugeordnet werden kann, die nunmehr als eine Angabe zum Abschätzen verwendet wird, ob die entsprechende betrachtete Struktur, d. h. die Testkontaktöffnung 207 und die Testmetallleitung 206, die Entwurfskriterien im Hinblick auf die Barrierenschicht 212 erfüllen und kann ferner eine Angabe über die Zuverlässigkeit der entsprechenden Lebensdauermessungen bereitstellen. Wenn beispielsweise ein entsprechendes Messergebnis eine signifikante Hohlraumbildung in der Speiseleitung 203 anzeigt, kann die entsprechende Testkontaktdurchführung 207 als eine nicht zusammenhängend bedeckte Testkontaktdurchführung bewertet werden und die resultierenden Lebensdauerwerte können nicht zum Abschätzen der Elektromigrationseigenschaften entsprechender Produktstrukturen, die im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie die Testkontaktdurchführung 207 und die entsprechende Metallleitung 206 aufweisen, verwendet werden. Somit kann die Zuverlässigkeit der entsprechenden Elektromigrationsprüfungen deutlich verbessert werden, während gleichzeitig ein effizientes Verfahren zum Abschätzen der Porosität einer Testkontaktdurchführung bereitgestellt wird.

2e zeigt schematisch die Teststruktur 200 gemäß anderer anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesen Ausführungsformen umfasst die Teststruktur 200 zwei oder mehr Testkontaktdurchführungen, die mit entsprechenden Speiseleitungen verbunden sind. Wie in 2e gezeigt ist, entspricht eine erste Testkontaktdurchführung der Testkontaktdurchführung 207, wie sie in 2c gezeigt ist, die mit der entsprechenden Speiseleitung 203 verbunden ist. In ähnlicher Weise ist eine zweite Testkontaktdurchführung 207a mit einer entsprechenden zweiten Testmetallleitung 206a verbunden und ist mit einer entsprechenden Speiseleitung 203a mit einer entsprechenden Anschlussleitung 204a mittels einer entsprechenden Kontaktdurchführung 205a verbunden. In anderen anschaulichen Ausführungsformen können drei oder mehr Testkontaktdurchführungen und Metallleitungen 207b, 206b vorgesehen sein, die mittels entsprechender Speiseleitungen 203b mit einer Anschlussleitung 204b auf der Grundlage einer Kontaktdurchführung 205b verbunden sind. In einigen anschaulichen Ausführungsformen besitzen die entsprechenden Anschlussleitungen 204, ..., 204b und die Kontaktdurchführungen 205, ..., 205b im Wesentlichen den gleichen Aufbau. In ähnlicher Weise können die Testkontaktdurchführungen 207, ..., 207a und die Metallleitungen 206, ..., 206b im Wesentlichen den gleichen Aufbau besitzen, d. h., diese Komponenten können auf der Grundlage der gleichen Prozessverfahren und mit den gleichen Entwurfsabmessungen hergestellt werden, so dass auf Grund der unmittelbaren Nachbarschaft zueinander angenommen werden kann, dass die entsprechende Fertigungssequenz zu im Wesentlichen der gleichen Konfiguration der entsprechenden Kontaktlochböden im Hinblick auf die Bedeckung durch die Barrierenschicht 212 führt. In ähnlicher Weise können entsprechende Spannungsabgriffe 231a, 231b und 211a, 211b vorgesehen werden und sind mit den entsprechenden Speiseleitungen 203a, 203b verbunden. Es sollte beachtet werden, dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen die entsprechenden Spannungsabgriffe entsprechende Sondierungsflächen auf der Grundlage des Schaltelements, etwa eines Transistors, geleitet sind, um damit die Überwachung der entsprechenden Spannungsabgriffe 231, ..., 231b, 211, ..., 211b in einer gebündelten Weise zu ermöglichen, wodurch entsprechende Sondierungsflächen eingespart werden können. Wenn die Anzahl der Sondierungsflächen zum Erhalten der entsprechenden Widerstandsänderungsinformation über die Spannungsabgriffe unkritisch ist, kann eine entsprechende Anzahl an Sondierungsflächen vorgesehen werden. Die diversen Speiseleitungen 203, ..., 203 unterscheiden sich in ihrer Wahrscheinlichkeit zum Erzeugen eines Hohlraums während spezifizierter Elektromigrationsbedingungen, so dass eine Quantifizierung des Status der entsprechenden Barrierenschicht in den diversen Testkontaktdurchführungen 207, ..., 207 möglich ist, von denen angenommen wird, dass sie im Wesentlichen die gleiche Konfiguration besitzen.

In einer anschaulichen Ausführungsform besitzt die Speiseleitung 203 die höchste Wahrscheinlichkeit, was erreicht werden kann, indem eine geeignete Querschnittsfläche durch Auswählen einer spezifizierten Leitungsbreite 203 eingestellt wird, um damit eine relativ schmale Metallleitung zu erhalten, wie in 2e gezeigt ist. In ähnlicher Weise kann eine der Speiseleitungen 203a, 203 eine größere Breite aufweisen, um eine geringere Wahrscheinlichkeit für die Hohlraumausbildung im Vergleich zur Speiseleitung 203 zu erhalten. Beispielsweise ist eine Breite 203wa der Speiseleitung 203a größer als die Breite 203w, die kleiner ist als eine entsprechende Breite 203wb der Speiseleitung 203. Somit tritt während des Betriebs der Teststruktur 200, wie sie in 2 gezeigt ist, beim Auftreten einer porösen oder nicht kontinuierlichen Barrierenschicht in den entsprechenden Testkontaktdurchführungen 207, ..., 207 ein entsprechender Fehler in der Speiseleitung 203 zuerst auf und kann dort erkannt werden. Ferner kann eine entsprechende Hohlraumbildung auch in der zweiten Speiseleitung 203a erkannt werden, jedoch zu einer späteren Zeit auf Grund der reduzierten Wahrscheinlichkeit, d. h. in der dargestellten Ausführungsform auf Grund der größeren Linienbreite 203wa im Vergleich zu 203w. Die Zeitdauer für einen entsprechenden Ausfall in der Speiseleitung 203 ist noch größer auf Grund der weiter reduzierten Wahrscheinlichkeit, d. h. in diesem Beispiel auf Grund der größeren Linienbreite 203wb im Vergleich zur Linienbreite 203wa, wobei die größere Linienbreite 203wb dennoch für eine größere Wahrscheinlichkeit für die Hohlraumbildung im Vergleich zu den Metalltestleitungen 206, ..., 206 sorgt. Folglich kann durch Ermitteln der entsprechenden Messergebnisse, d. h. der entsprechenden Widerstandsänderungen an ersten und zweiten Positionen der entsprechenden Speiseleitungen 203, ..., 203 eine quantitative Abschätzung das Ausmaßes an Porosität der entsprechenden Barrierenschicht 212 erhalten werden. Zu diesem Zweck werden die entsprechenden Zeitintervalle bis zum Auftreten von Fehlern, d. h. für das Ermitteln eines vordefinierten Wertes des Unterschieds der Widerstandsänderungen in den entsprechenden Speiseleitungen 203, ..., 203, ermittelt und daraus das Ausmaß an Porosität quantitativ bestimmt. Beispielsweise können entsprechende Querschnittsanalysen, etwa SEM- (Rasterelektronenmikroskopie) Messungen als Referenz verwendet werden. Eine entsprechende Korrelation zwischen eigentlichen Querschnittsanalyseergebnissen und den entsprechenden Messergebnissen können ebenfalls nur einmal oder einige wenige male ausgeführt werden, um die gewünschte Referenz zu erreichen. In anderen Fällen werden die entsprechenden Messergebnisse selbst als quantitative Messung für den Status der Barrierenschicht 212 verwendet, ohne dass eine spezielle Referenz zu Referenzdaten durchgeführt wird, wodurch die Möglichkeit geschalten wird, die entsprechenden Konfigurationen auf der Grundlage der Elektromigrationsergebnisse zu bewerten. Beispielsweise kann ein entsprechender Elektromigrationsfehler nach einer moderat langen Zeitdauer in der Speiseleitung 203b einen hohen Grad an Porosität der Barrierenschicht in den Testkontaktdurchführungen 207, ..., 207b im Vergleich zu entsprechenden Testkontaktdurchführungen einer anderen Struktur andeuten, in der ein entsprechender Elektromigrationsfehler in der Speiseleitung 203b nach einer kurzen Zeitdauer erkannt wurde. Beispielsweise können die diversen Testkontaktdurchführungen auf der Grundlage unterschiedlicher Entwurfsdurchmesser in jeder der mehreren unterschiedlichen Teststrukturen hergestellt sein, etwa der Struktur 200, wie sie in 2e gezeigt ist, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, nicht nur den Grad der Porosität für eine spezielle Testkontaktdurchführung abzuschätzen, sondern auch den Status der entsprechenden Barrierenschicht für mehrere unterschiedliche Testkontaktdurchführungskonfigurationen zu vergleichen. Ferner kann auf der Grundlage der entsprechenden Widerstandsänderungen in der Nähe der entsprechenden Testkontaktdurchführungen 207, ..., 207b auch der Status der entsprechenden Testkontaktdurchführungen und Testmetallleitungen beispielsweise auf der Grundlage der entsprechenden Speiseleitung 203b mit der geringsten Wahrscheinlichkeit für einen Elektromigrationsfehler abgeschätzt werden. In diesem Falle wird die erwartete Lebensdauer von Kontaktdurchführungen, die im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie die Testkontaktdurchführungen 207, ..., 207b aufweisen, gleichzeitig mit dem Bewerten des Status der entsprechenden Barrierenschicht abgeschätzt. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird die Breite einer entsprechenden Speiseleitung so vergrößert, dass diese eine größere wirksame Querschnittsfläche und damit eine reduzierte Wahrscheinlichkeit für die Hohlraumausbildung im Vergleich zu der Metallleitung, etwa der Metallleitung 206 aufweist, wodurch eine moderat hohe Lebensdauer der Speiseleitung und ein weniger effizienter Mechanismus für die Hohlraumbildung erzeugt wird, um damit eine aussagekräftige Abschätzung des tatsächlichen Elektromigrationsverhaltens der entsprechenden Testkontaktdurchführung und der damit verbundenen Metallleitung zu ermöglichen.

Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt eine neue Teststruktur und ein entsprechendes damit verknüpftes Testverfahren bereit, um in effizienter Weise den Status einer Barrierenschicht in einer Testkontaktdurchführung während einer Elektromigrationstestprozedur zu bestimmen, indem eine Speiseleitung mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für die Hohlraumbildung vorgesehen wird, wenn eine nicht intakte Barrierenschicht an der Kontaktlochunterseite ausgebildet ist. Dies kann erreicht werden, indem die entsprechende Speiseleitung mit einem deutlich geringeren Querschnitt, etwa einer geringeren Leitungsbreite, vorgesehen wird, die im Wesentlichen einer minimalen Leitungsbreite oder einem in der Nähe befindlichen Wert zum Widerstehen der Elektromigrationswirkung für ein spezifiziertes Zeitintervall für eine im Wesentlichen kontinuierlich abgedeckte Kontaktlochunterseite der Testkontaktdurchführung entspricht. Folglich kann bei Auftreten eines gewissen Maßes an Porosität oder anderer Defekte der Barrierenschicht ein entsprechend modifiziertes Elekgromigrationsverhalten einen hohen Materialtransport in der Speiseleitung hervorrufen, der dann effizient als entsprechende Widerstandsänderungen an diversen Positionen an der Speiseleitung erkannt werden kann. Folglich können entsprechende Elektromigrationsprüfungen, die auf der Grundlage konventioneller Teststrukturen ausgeführt werden, im Hinblick auf Barrierendefekte in den entsprechenden Unterseiten der Kontaktdurchführung „verifiziert" werden, indem zusätzlich eine entsprechende Teststruktur in der oben beschriebenen Weise vorgesehen wird. In anderen Fällen kann die entsprechende Teststruktur so gestaltet sein, dass eine quantitative Abschätzung des Ausmaßes an Barrierendefekten erreicht wird, wodurch ein effizientes Mittel zum Abschätzen des entsprechenden Prozessablaufes vorgesehen wird, der zur Herstellung der entsprechenden Testkontaktdurchführungen und damit entsprechender Metallisierungsstrukturen in tatsächlichen Halbleiterprodukten eingesetzt wird. In noch anderen Ausführungsformen können die entsprechenden Teststrukturen auch gleichzeitig zum Abschätzen des Elektromigrationsverhaltens der entsprechenden Testkontaktdurchführungen eingesetzt werden, unabhängig davon, ob ein Test eine poröse Barrierenschicht und dergleichen angibt.

Weitere Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu übermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.


Anspruch[de]
Teststruktur mit:

einer Testkontaktdurchführung und einer damit verbundenen Testmetallleitung, wobei die Testkontaktdurchführung und die Testmetallleitung in einer Metallisierungsschicht ausgebildet sind, die über einem Substrat angeordnet ist, das zur Herstellung von Halbleiterbauelementen für eine integrierte Schaltung geeignet ist, wobei die Testkontaktdurchführungen und die Testmetallleitung eine leitende Barrierenschicht aufweisen;

einer Speiseleitung, die mit der Testkontaktdurchführung verbunden ist, wobei eine Querschnittsfläche der Speiseleitung kleiner ist als eine Querschnittsfläche der Testmetallleitung; und

einer Anschlussleitung, die mit der Speiseleitung verbunden ist.
Teststruktur nach Anspruch 1, die ferner mindestens eine Kontaktdurchführung aufweist, die mit der Speiseleitung und der Anschlussleitung verbunden ist, wobei die mindestens eine Kontaktdurchführung eine Breite aufweist, die größer ist als eine Breite der Testkontaktdurchführung. Teststruktur nach Anspruch 1, die ferner eine Verbindungsanordnung aufweist, die ausgebildet ist, eine Widerstandsänderung in der Nähe beider Enden der Speiseleitung zu bestimmen. Teststruktur nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine Kontaktdurchführung eine Barrierenschicht aufweist und wobei eine Dicke der Barrierenschicht an einer Unterseite der mindestens einen Kontaktdurchführung größer ist als eine Dicke der Barrierenschicht an einer Unterseite der Testkontaktdurchführung. Teststruktur nach Anspruch 1, wobei die Metallisierungsschicht eine Metallisierungsschicht repräsentiert, die auf der Grundlage von Kupfer und einem dielektrischen Material mit kleinem &egr; hergestellt ist. Teststruktur zum Abschätzen von Elektromigrationswirkungen in einer Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements, wobei die Teststruktur umfasst:

eine erste Kontaktdurchführung mit einer Barrierenschicht und einem Metall;

eine Speiseleitung, die mit der ersten Kontaktdurchführung verbunden ist, wobei die Speiseleitung so ausgebildet ist, dass diese eine höhere Wahrscheinlichkeit für die Hohlraumbildung im Vergleich zu der ersten Kontaktdurchführung besitzt, wenn die Barrierenschicht im Wesentlichen nicht kontinuierlich auf einer Unterseite der ersten Testkontaktdurchführung ausgebildet ist, um damit eine im Wesentlichen nicht zusammenhängende Grenzfläche mit der Speiseleitung zu bilden.
Teststruktur nach Anspruch 6, die ferner eine Testmetallleitung aufweist, die mit der ersten Testkontaktdurchführung verbunden und in Abwärtsrichtung angeordnet ist. Teststruktur nach Anspruch 7, die ferner eine Anschlussleitung aufweist, die für die Speiseleitung vorgesehen ist, wobei die Anschlussleitung mit der Speiseleitung durch mindestens eine Kontaktdurchführung verbunden ist, wobei die mindestens eine Kontaktdurchführung die Barrierenschicht aufweist, und diese kontinuierlich eine Unterseite der mindestens einen Kontaktdurchführung bedeckt. Teststruktur nach Anspruch 8, wobei ein Durchmesser der mindestens einen Kontaktdurchführung größer ist als ein Durchmesser der ersten Testkontaktdurchführung. Teststruktur nach Anspruch 8, wobei eine Querschnittsfläche der Speiseleitung kleiner ist als eine Querschnittsfläche der Testmetallleitung und eine Querschnittsfläche der Anschlussleitung. Teststruktur nach Anspruch 6, die ferner einen ersten und einen zweiten Spannungsabgriff, die mit der Speiseleitung verbunden sind, aufweist. Teststruktur nach Anspruch 11, wobei der erste und der zweite Spannungsabgriff so angeschlossen sind, dass eine Spannung an jedem Ende der Speiseleitung bestimmt werden kann. Teststruktur nach Anspruch 6, die ferner eine zweite Testkontaktdurchführung mit der Barrierenschicht und eine zweite Speiseleitung aufweist, wobei die zweite Speiseleitung eine zweite höhere Wahrscheinlichkeit für die Hohlraumausbildung im Vergleich zu der zweiten Testkontaktdurchführung besitzt, wenn die Barrierenschicht im Wesentlichen nicht zusammenhängend an einer Unterseite der zweiten Testkontaktdurchführung ausgebildet ist, um damit eine im Wesentlichen nicht zusammenhängende Grenzfläche mit der zweiten Speiseleitung zu bilden. Teststruktur nach Anspruch 13, wobei die erste und die zweite Speiseleitung so ausgebildet sind, dass die erste höhere Wahrscheinlichkeit größer ist als die zweite höhere Wahrscheinlichkeit. Teststruktur nach Anspruch 14, wobei eine Breite der ersten Speiseleitung kleiner ist als eine Breite der zweiten Speiseleitung. Teststruktur nach Anspruch 6, wobei die Metallisierungsschicht eine Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements mit Transistorelementen mit einer Gatelänge von weniger als ungefähr 100 nm repräsentiert. Verfahren mit:

Einprägen eines spezifizierten Stromes in eine Teststruktur, wobei die Teststruktur eine erste Testkontaktdurchführung und eine erste Speiseleitung, die mit der ersten Testkontaktdurchführung verbunden ist, aufweist, wobei die erste Speiseleitung eine höhere Wahrscheinlichkeit für eine Hohlraumausbildung während des Einprägens des spezifizierten Stromes im Vergleich zu der ersten Testkontaktdurchführung aufweist, wenn diese eine im Wesentlichen zusammenhängende Barrierenschicht an ihrer Unterseite nicht aufweist;

Ermitteln einer ersten Widerstandsänderung an einer ersten Position und einer zweiten Widerstandsänderung an einer zweiten Position der ersten Speiseleitung; und

Abschätzen eines Status der Barrierenschicht an der Unterseite der ersten Testkontaktdurchführung auf der Grundlage der ersten und der zweiten Widerstandsänderung.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfasst: Verwenden der ersten und/oder der zweiten Widerstandsänderung zum Bewerten einer Elektromigrationseigenschaft der Teststruktur, wenn der Status der Barrierenschicht der ersten Testkontaktdurchführung so abgeschätzt wird, dass eine im Wesentlichen zusammenhängende Abdeckung der Unterseite der ersten Testkontaktdurchführung vorhanden ist. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Status der Barrierenschicht der ersten Kontaktdurchführung als nicht zusammenhängend abgeschätzt wird, wenn die erste und die zweite Widerstandsänderung unterschiedlich sind. Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfasst: Einprägen des spezifizierten Stromes in eine zweite Speiseleitung, die mit einer zweiten Testkontaktdurchführung mit im Wesentlichen der gleichen Konfiguration wie die erste Testkontaktdurchführung verbunden ist, wobei die zweite Speiseleitung eine höhere Wahrscheinlichkeit für die Hohlraumausbildung während des Einprägens des Stromes im Vergleich zu der zweiten Testkontaktdurchführung aufweist, wenn diese keine im Wesentlichen zusammenhängende Barrierenschicht an ihrer Unterseite aufweist;

Ermitteln einer ersten Widerstandsänderung an einer ersten Position und einer zweiten Widerstandsänderung an einer zweiten Position der zweiten Speiseleitung; und

Verwenden der ersten und der zweiten Widerstandsänderung der zweiten Speiseleitung zum Abschätzen des Status der Barrierenschicht der ersten Testkontaktdurchführung.






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