[科普中国]-电阻温度系数

简介

随着大规模集成电路向深次微米时代发展，制程的可控制范围将变得更加狭窄，对集成电路可靠性的要求也不断提高。集成电路制造商需要更多的在线、实时监控手段来保证生产线上的良率与产品的可靠性。由于对集成电路组件容量要求愈来愈大但相对于芯片尺寸要求愈来愈小，因此，金属互连层在产品的可靠性方面扮演着越来越重要的角色。芯片级的应力迁移（Stress Migration）测试、恒温电迁移测试（Iso- thermal Electro Migration） 与封装级测试是监测金属互连层可靠性的主要方法。但是他们的共同问题是需要几百甚至上千小时的测试周期，这对于快速的在线监测要求来说是不能接受的。电阻温度系数（Temperature Coefficient of Resistance）作为一个反映电阻随温度变化的参数在金属互连线的可靠性测试中被广泛使用。对电阻温度系数的内在含义进行了详细的阐述，指出电阻温度系数的大小与金属互连层的微观结构相关，与电迁移测试的结果具有较强的相关性。电阻温度系数可以作为一个金属互连层可靠性监测的早期参数，对工艺发展、产品验证以及在线监测进行早期预测1。

电阻温度系数在半导体中，金属互连层（铝或铜）的阻值在常温附近的范围内与它的温度具有线性关系，这也是半导体测试中金属互连线经常被用来作为温度传感器的原因。半导体中用电阻温度系数来表征金属的阻值和它的温度之间的关系。电阻温度系数表示单位温度改变时，电阻值（电阻率）的相对变化。

电阻温度系数并不恒定而是一个随着温度而变化的值。随着温度的增加，电阻温度系数变小。因此，我们所说的电阻温度系数都是针对特定的温度的。

对于一个具有纯粹的晶体结构的理想金属来说，它的电阻率来自于电子在晶格结构中的散射，与温度具有很强的相关性。实际的金属由于工艺的影响，造成它的晶格结构不再完整，例如界面、晶胞边界、缺陷、杂质的存在，电子在它们上面的散射形成的电阻率是一个与温度无关的量。因此，实际的金属电阻率是由相互独立的两部分组成。

电阻温度系数是一个与金属的微观结构密切相关的一个参数，在没有任何缺陷的情况下，它具有理论上的最大值。也就是说，电阻温度系数本身的大小在一定程度上表征了金属工艺的性能。在新技术工艺的研发过程或在线监测中，我们可以利用电阻温度系数对金属的可靠性进行早期监测与快速评估2。

物理含义根据上节电阻温度系数的定义与它的内在物理含义，随着电阻温度系数的增加，金属应该具有更好的电迁移性能和应力迁移性能。为验证此种结论，我们对一个铜工艺技术的研发过程中不同阶段的电迁移测试的历史数据（失效时间与电阻温度系数）进行了总结，电迁移失效时间和电阻温度系数是在相同的测试结构以及测试条件下得到的，不同的只是制造工艺。电阻温度系数与失效时间具有正相关性，大的电阻温度系数具有比较长的失效时间。电阻温度系数变化10%时，失效时间变化了一个数量级，可见电阻温度系数是一个可以反映金属性能的非常敏感的参数，能够对金属可靠性进行早期评估。

在两组工艺的电阻温度系数相差较小时，电迁移失效时间也比较接近，但并不完全服从正相关性。这说明在电阻温度系数没有明显差异时（