JP2000031142A - Semiconductor device and production thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、より詳しくは、半導体集積回路装置
の内部配線として金属配線を用いた半導体装置及びその
製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device using a metal wiring as an internal wiring of a semiconductor integrated circuit device and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、半導体集積回路の高集積化、微細
化に伴って、そこで用いられる金属配線の断面積は年々
縮小される傾向にあり、配線に流れる電流密度が大きく
なっている。そのため、高電流密度下で配線中の金属が
移動する、いわゆるエレクトロマイグレーションが生じ
易くなっている。エレクトロマイグレーションは、配線
の抵抗増加や断線をもたらすため、深刻な問題となって
いる。2. Description of the Related Art In recent years, as the degree of integration and miniaturization of semiconductor integrated circuits has increased, the cross-sectional area of metal wiring used therein has tended to decrease year by year, and the current density flowing through the wiring has increased. Therefore, so-called electromigration, in which metal in the wiring moves under a high current density, is likely to occur. Electromigration is a serious problem because it causes an increase in wiring resistance and disconnection.
【0003】そこで、エレクトロマイグレーション耐性
の向上が半導体集積回路装置の信頼性向上のために非常
に重要となっている。従来、配線の寿命試験を行ってエ
レクトロマイグレーション耐性を評価しており、配線の
寿命試験は以下のように行われる。即ち、まず、配線を
高温に保ち、配線に高電流密度の電流を流して、配線が
断線、又はある規定量の抵抗上昇を示すまでの時間を測
定する。Therefore, improvement of electromigration resistance is very important for improving reliability of a semiconductor integrated circuit device. Conventionally, an electromigration resistance is evaluated by performing a life test of a wiring, and the life test of the wiring is performed as follows. That is, first, the wiring is maintained at a high temperature, a current having a high current density is applied to the wiring, and the time until the wiring is disconnected or a certain amount of resistance rise is measured.
【0004】次いで、測定された寿命を対数正規プロッ
ト紙に記入する。この場合、通常、配線寿命は対数正規
分布に従うとされているため、図7に示すように、直線
で近似する。この直線に基づき、サンプル総数のうち所
定の割合の故障が生じるまでの時間tlifeを求める。次
に、tlifeと温度加速T及び電流加速jの効果に基づ
き、ブラックの式 tlife=A・j-n・exp (Ea /kT) ・・・(1) ここで、A:定数 j:電流 n=1〜2 k:ボルツマン定数 Ea=0.7〜0.9eV T:絶対温度 を用いて定数Aを計算する。Next, the measured life is written on a lognormal plot paper. In this case, since the wiring life generally follows a lognormal distribution, it is approximated by a straight line as shown in FIG. Based on this straight line, a time tlife until a predetermined percentage of failures in the total number of samples occurs is determined. Then, based on the effect of Tlife and temperature acceleration T and the current acceleration j, black formula tlife = A · j -n · exp (Ea / kT) ··· (1) where, A: constant j: current n = 1 to 2 k: Boltzmann's constant Ea = 0.7 to 0.9 eV T: Absolute temperature is used to calculate the constant A.
【0005】さらに、この定数Aを用いて、実際に集積
回路が使用される条件T,jまで外挿してその条件T,
jでの寿命tlifeを算出している。Further, using the constant A, extrapolation is made to conditions T and j for actually using the integrated circuit, and the conditions T and j are extrapolated.
The life tlife at j is calculated.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来、様々
な方法を用いて、平均寿命t50、即ちサンプル総数のう
ち50%の配線が寿命となるまでの時間を延ばすような
工夫を行ってきた。しかし、平均寿命t50がいくら長く
ても、図7の直線がねている場合、即ち、傾斜が小さい
場合、初期故障は非常に早く起こってしまう。この場合
も、半導体装置は致命的な故障に至る恐れがあることに
は変わりない。By the way, conventionally, various methods have been used to extend the average life t50, that is, the time until 50% of the wiring of the total number of samples reaches the life. However, no matter how long the average life t50 is, if the straight line in FIG. 7 is curved, that is, if the inclination is small, the initial failure occurs very quickly. In this case, the semiconductor device still has a possibility of causing a fatal failure.
【0007】従って、半導体集積回路中の配線の信頼性
を向上させるためには、平均寿命t50を延ばすだけでな
く、初期少数の故障に至る時間tlifeも延ばす必要があ
る。ここで、図7の直線の傾きは、寿命のバラツキに対
応し、傾斜が大きいほどバラツキが小さいといえる。従
って、半導体集積回路中の配線の信頼性を向上させるた
めには、寿命のバラツキを小さくしてtlifeを延ばすこ
とが極めて重要である。Therefore, in order to improve the reliability of wiring in a semiconductor integrated circuit, it is necessary not only to increase the average life t50 but also to increase the time tlife until a few initial failures occur. Here, the slope of the straight line in FIG. 7 corresponds to the variation in the life, and it can be said that the greater the slope, the smaller the variation. Therefore, in order to improve the reliability of the wiring in the semiconductor integrated circuit, it is extremely important to reduce the variation in the life and extend the tlife.
【0008】本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて
創作されたものであり、配線寿命のバラツキを少なく
し、かつ配線寿命を延ばすことができる半導体装置及び
その製造方法を提供するものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and provides a semiconductor device capable of reducing variation in wiring life and extending wiring life, and a method of manufacturing the same. It is.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は半導体装置の製造方法に係り、基板上に形
成された配線に電流密度1×106 A/cm2 以上の電
流を流して前記配線中に生じる空孔の生成状態を揃える
ことにより、前記空孔に起因する累積故障率の分散を小
さくすることを特徴とする。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, in which a current having a current density of 1 × 10 6 A / cm 2 or more is supplied to a wiring formed on a substrate. Thus, the variance of the cumulative failure rate caused by the holes is reduced by making the states of the holes generated in the wiring uniform.
【0010】本発明においては、基板上に形成された配
線に電流密度1×106 A/cm2以上の電流を流して
配線中に生じる空孔の生成状態、例えば生成位置、生成
時期を揃えることにより、空孔に起因する累積故障率の
分散を小さくしている。累積故障率の分散を小さくして
いるため、対数正規プロット紙にプロットした直線はよ
り立ってくる。即ち、傾斜が大きくなる。このことは、
大電流印加により極端に劣化するサンプルを予め除去し
ておけば、通電試験前における配線中の空孔の生成状
態、即ち生成場所や生成時期等を揃えることに相当す
る。In the present invention, a current density of 1 × 10 6 A / cm 2 or more is caused to flow through the wiring formed on the substrate, and the generation state of vacancies generated in the wiring, for example, the generation position and the generation time are made uniform. This reduces the variance of the cumulative failure rate caused by the vacancies. Since the variance of the cumulative failure rate is reduced, the straight line plotted on the lognormal plot paper becomes more prominent. That is, the inclination increases. This means
If a sample that is extremely deteriorated due to the application of a large current is removed in advance, this corresponds to uniforming the generation state of holes in the wiring before the energization test, that is, the generation location and generation timing.
【0011】言い換えれば、全てのサンプルにわたって
故障までの寿命時間が揃ってくることに相当する。これ
により、累積故障率が小さいところ、即ち最初に少数の
故障が発生するまでの時間を延ばすことができる。電流
を流す期間の目安として、例えば、配線の抵抗値の変化
を監視することにより決めている。即ち、配線の抵抗値
が所定の値に増大するまで、或いは初期値に対する所定
の変化量だけ増大するまでとすることができる。これに
より、空孔の生成状態を揃えることができる。[0011] In other words, this corresponds to the fact that the life time until the failure becomes uniform over all the samples. As a result, it is possible to prolong the place where the cumulative failure rate is small, that is, the time until a small number of failures first occur. For example, the period during which the current flows is determined by monitoring a change in the resistance value of the wiring. That is, it can be until the resistance value of the wiring increases to a predetermined value or until the resistance increases by a predetermined change amount from the initial value. This makes it possible to make the state of generating holes uniform.
【0012】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
高融点金属、Al、Cu,Ti或いはSiを含有するA
l、又はCuからなる配線に適用することができる。さ
らに、上下層の配線が接続導体により接続された多層配
線を用いて、かつ接続導体側を低電位側におき、かつ接
続導体を介して配線に大電流を流すことにより、大電流
印加から所定時間ののちには元素の抜けた穴である空孔
は陰極側、かつ接続導体の近くに集まる。その後電流の
印加時間によらず、接続導体を越えて移動することはな
く、空孔の位置が一定する。Further, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention
A containing refractory metal, Al, Cu, Ti or Si
It can be applied to a wiring made of l or Cu. Further, by using a multilayer wiring in which upper and lower wiring layers are connected by connecting conductors, and by setting the connecting conductor side to the low potential side and flowing a large current through the wiring via the connecting conductor, a predetermined current is applied from a large current application. After time, the vacancies, which are vacancies of the elements, gather near the cathode and near the connecting conductor. Thereafter, the position of the hole is constant regardless of the application time of the current without moving over the connection conductor.
【0013】これにより、通電試験前における配線中の
空孔の位置をより一層揃えることができ、累積故障率の
分散を小さくすることが可能となる。また、本発明にお
いては、電流密度1×106 A/cm2 以上という大電
流を流しているので、短時間で上記の状態を実現するこ
とができる。さらに、周囲の温度を予め高く、好ましく
は100℃以上にしておけば、時間短縮の効果をたかめ
ることができる。Thus, the positions of the holes in the wiring before the energization test can be further aligned, and the variance of the cumulative failure rate can be reduced. In the present invention, since a large current having a current density of 1 × 10 6 A / cm 2 or more is passed, the above state can be realized in a short time. Further, if the ambient temperature is set high in advance, preferably 100 ° C. or higher, the effect of shortening the time can be enhanced.
【0014】このとき、配線に大電流を流すと配線から
の発熱が大きい場合、パルス状の電流を印加してもよ
い。これにより、高熱の印加による故障モードの発生を
防止することができる。また、配線の両端に接続導体を
有する場合には、適切な周波数・波形の交流の電流を流
すことにより、配線の両端の接続導体の近くに空孔を移
動させることができる。従って、配線中の空孔の位置よ
り、より近い方の接続導体の近くに空孔が集められるの
で、電流印加のための時間の短縮を図ることができる。At this time, if a large current flows through the wiring and the heat generated from the wiring is large, a pulsed current may be applied. Thereby, occurrence of a failure mode due to application of high heat can be prevented. Further, when connecting conductors are provided at both ends of the wiring, holes can be moved near the connecting conductors at both ends of the wiring by passing an alternating current having an appropriate frequency and waveform. Therefore, the holes are gathered closer to the connection conductor closer to the position of the holes in the wiring, so that the time for applying the current can be reduced.
【0015】[0015]
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。 (1)本発明の第1の実施の形態 本願発明者は、寿命のバラツキが生じる要因として、以
下のように配線中のボイド(空孔)の様々な生成状態が
関係していると考えた。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (1) First Embodiment of the Present Invention The inventor of the present application considered that various generation states of voids (voids) in a wiring are related to the cause of the variation in life as follows. .
【0016】即ち、現在主流となっている、Al又はA
l合金層の上下をTi又はTiNという金属膜で覆った
積層配線構造においては、Al又はAl合金層中に生じ
たボイドによって配線の抵抗増加がもたらされる。この
ため、このボイドの生成の仕方、例えばボイドの生成す
る時期や位置などが必ずしも均一でないことが不均一な
抵抗増加、即ち寿命のバラツキを起こしていると考えら
れる。That is, Al or A, which is currently mainstream,
In a laminated wiring structure in which the upper and lower portions of the 1 alloy layer are covered with a metal film of Ti or TiN, the resistance of the wiring increases due to voids generated in the Al or Al alloy layer. For this reason, it is considered that non-uniformity in the way of generation of the voids, for example, the timing and position of the voids, causes uneven resistance increase, that is, variation in life.
【0017】本願発明者らは、上記のことを確かめるた
め、さまざまな加速条件で電流印加したときの配線の故
障解析を行った。試料としてAl系積層配線を用い、解
析にはOBIRCH法(Nikawa et al.,Jpn.J.A.P.,34
(1995)2260 )を用いた。OBIRCH法は、配線部の
表面に細く絞ったレーザ光を走査しながら照射して、微
小面積部分を加熱すると同時に配線の抵抗変化を測定す
るものである。In order to confirm the above, the inventors of the present application conducted a failure analysis of the wiring when current was applied under various acceleration conditions. Al-based laminated wiring was used as the sample, and the OBIRCH method (Nikawa et al., Jpn. JAP, 34
(1995) 2260). The OBIRCH method is to irradiate the surface of a wiring portion with a laser beam which is narrowed down while scanning, thereby heating a minute area portion and simultaneously measuring a change in resistance of the wiring.
【0018】即ち、配線中にボイドがある場合、ボイド
の部分での熱伝導は周りの部分よりも大きくなり、配線
抵抗の変化として現れる。レーザ走査に同期させてこの
抵抗変化を走査した画像を作成することにより、ボイド
の像を画像化(OBIRCH像)することができる。図
1(b),図2(b)は作成した配線の断面図である。
この配線12,14は長さ200μm、幅2.5μm
で、膜厚50nmのTiN膜111と、膜厚500nm
の0.5%Cu含有Al膜112と、膜厚20nmのT
i膜113と、膜厚30nmのTiN膜114からなる
積層金属からできている。That is, when there is a void in the wiring, the heat conduction in the void becomes larger than that in the surrounding part and appears as a change in wiring resistance. By creating an image in which this resistance change is scanned in synchronization with laser scanning, an image of a void can be imaged (OBIRCH image). 1B and 2B are cross-sectional views of the prepared wiring.
These wirings 12 and 14 are 200 μm in length and 2.5 μm in width.
A TiN film 111 having a thickness of 50 nm and a
0.5% Cu-containing Al film 112 and a 20 nm thick T film
It is made of a laminated metal including an i film 113 and a 30 nm thick TiN film 114.
【0019】陰極側にはビアホールに埋め込まれたタン
グステン(W)製のプラグ13があり、このプラグ13
を介して下層配線12と上層配線14とが接続されてい
る。図1(a)は、電流密度2×106 A/cm2 とい
う高加速条件で電流印加した配線の陰極部分のOBIR
CH像を模式的に示したものである。図1(a)に示さ
れているように、配線12中の陰極側、特にプラグ13
の直下において、1個のボイド21が発生していること
が分かった。そして、この図1(a)に示されている陰
極側のプラグ13直下以外の部分からはボイドらしき像
は観察されなかった。On the cathode side, there is a tungsten (W) plug 13 embedded in the via hole.
The lower wiring 12 and the upper wiring 14 are connected via the. FIG. 1A shows an OBIR of a cathode portion of a wiring to which a current is applied under a high acceleration condition of a current density of 2 × 10 6 A / cm 2.
5 schematically shows a CH image. As shown in FIG. 1A, the cathode side of the wiring 12, especially the plug 13
, It was found that one void 21 was generated. Then, from the portion other than immediately below the plug 13 on the cathode side shown in FIG. 1 (a), no image like a void was observed.
【0020】複数の配線について同様の方法及び条件で
調査したが、いずれも同じ傾向、即ち電流印加後におい
て配線中の陰極側の終端部に1個のボイドが見いだされ
るのみで、他の部分にはボイドが見られなかった。な
お、上記のように、大電流を印加することによりボイド
は一定の場所に生じるが、最初からその場所に生じる場
合もあるかもしれないが、ボイドの生成と電流方向への
更なる移動の両方が起こって最終的にその場所に存在す
るようになるのかもしれない。このうち何れが起こって
いるかは現在不明である。A plurality of wirings were examined by the same method and under the same conditions. In each case, the same tendency was observed, that is, only one void was found at the terminal end on the cathode side in the wirings after the current was applied, and the other parts were not. Did not show any voids. As described above, a void is generated in a certain place by applying a large current, but it may occur in that place from the beginning, but both void generation and further movement in the current direction may occur. May happen and eventually end up in that location. Which of these is occurring is currently unknown.
【0021】続けて行われた寿命試験の結果、上記の大
電流の印加によって寿命のバラツキは極めて小さくな
り、寿命のバラツキを表す分散値σはいずれも0.1以
下であった。一方、比較例として上記と全く同じ配線1
2を用い、その配線12に電流密度2×105 A/cm
2 の低加速条件で電流印加した配線12のOBIRCH
像を取った例を図2(a)に示す。その配線の断面図を
図2(b)に示す。As a result of the continuous life test, the variation in the life was extremely small by the application of the above-mentioned large current, and the dispersion value σ representing the variation in the life was 0.1 or less. On the other hand, as a comparative example, the same wiring 1 as above was used.
And a current density of 2 × 10 5 A / cm
Wiring 12 which is the current applied in the second low acceleration conditions OBIRCH
FIG. 2A shows an example in which an image is taken. A cross-sectional view of the wiring is shown in FIG.
【0022】図2(a),(b)によれば、図1
(a),(b)と同様に、配線12中にはボイドが1個
のみ見つかった。しかし、その位置は配線12中の陰極
側のプラグ13直下よりも離れた所にあった。この傾向
は低加速条件で電流印加した配線のすべてについて見ら
れた。この配線の寿命試験を行ったところ、寿命のバラ
ツキは極めて大きく、寿命のバラツキの分散値σは1前
後と大きかった。According to FIGS. 2A and 2B, FIG.
As in (a) and (b), only one void was found in the wiring 12. However, the position was farther than the position immediately below the cathode-side plug 13 in the wiring 12. This tendency was observed for all the wirings to which the current was applied under the low acceleration condition. When the life test of this wiring was performed, the dispersion of the life was extremely large, and the dispersion value σ of the dispersion of the life was as large as about 1.
【0023】配線12中のボイドの生成状態と抵抗値と
を調査したところ、約500時間経過後では、図2
(a),(b)のようにボイドが生じて抵抗上昇を示す
ものだけでなく、全くボイドが見られず、抵抗も上昇し
ていない配線もあった。以上の実験事実から、実使用条
件のような低加速条件下での配線寿命のバラツキは、ボ
イドの生成場所や生成時期が配線毎に異なることに起因
していると考えられる。When the state of formation of voids in the wiring 12 and the resistance value were examined, after about 500 hours had passed, FIG.
(A) and (b), not only wirings in which voids were generated and the resistance increased, but also wirings in which no voids were observed and the resistance did not increase. From the above experimental facts, it is considered that the variation in the wiring life under the low acceleration conditions such as the actual use conditions is caused by the fact that the void generation location and the generation timing differ for each wiring.
【0024】これに対して、本発明によれば、予め金属
配線12に1×106 A/cm2 以上の高電流密度の電
流を流してやることで、微小なボイド又はボイドの核を
作ることができる。このとき、上記の実験事実からわか
るようにこのボイドは常に陰極側のプラグ13の近くに
発生し、これによりボイドの生じる場所を一定にしてや
ることができる。On the other hand, according to the present invention, minute voids or void nuclei are formed by applying a current having a high current density of 1 × 10 6 A / cm 2 or more to the metal wiring 12 in advance. Can be. At this time, as can be seen from the above-described experimental fact, the void is always generated near the plug 13 on the cathode side, so that the place where the void is generated can be made constant.
【0025】また、実験によれば、低加速及び高加速の
どちらの条件においてもボイドは一個のみしか生じなか
った。このことから、予め高加速条件で微小なボイド、
またはボイドの核を生成した後に、実使用条件である低
加速条件で使用しても、このボイドが成長・拡大するの
みで、他の場所に新たにボイドが生じることはないと考
えられる。According to the experiment, only one void was generated under both low acceleration and high acceleration conditions. From this, small voids were previously obtained under high acceleration conditions,
Alternatively, even after the void nucleus is formed, even if the void is used under a low acceleration condition, which is an actual use condition, it is considered that this void only grows and expands and no new void is generated in another place.
【0026】なお、本発明では、製造された配線12に
高密度の電流を流して微小なボイドを作るために、通常
のように電流を全く流さない配線12よりも平均寿命t
50そのものは少し短くなってしまう。しかしながら、寿
命のバラツキを小さくすることにより、tlifeを大きく
伸ばすことが可能になる。そのため平均寿命t50の短縮
はそれほど問題にならない。In the present invention, since a high-density current is applied to the manufactured wiring 12 to form minute voids, the average life t is longer than that of the wiring 12 in which no current flows as usual.
50 itself becomes a little shorter. However, by reducing the variation in the service life, it is possible to greatly increase the tlife. Therefore, shortening of the average life t50 is not so problematic.
【0027】また、高密度電流を流しながら、配線抵抗
をモニタすることで、所定の値で電流を止めること、ま
たは抵抗増加が初期値の1%或いはそれ以下の値で電流
を正確に止めることは容易である。さらに、高密度の電
流を流す時間を短くするには、電流密度を例えば5×1
0 6 A/cm2 以上に上げること、或いは、配線12の
温度を100℃以上、更には200℃以上に上げてやる
ことが効果的で、これによりボイド生成にかかる時間を
短縮することができる。Further, while a high-density current is passed, the wiring resistance
Monitoring the current to stop the current at a predetermined value, or
Or when the resistance increase is 1% or less of the initial value
It is easy to stop exactly. In addition, high-density
To shorten the time for flowing the current, the current density is set to, for example, 5 × 1
0 6A / cmTwoAbove, or the wiring 12
Increase the temperature to 100 ° C or more, and even 200 ° C or more
Is effective, which reduces the time it takes to create voids.
Can be shortened.
【0028】本発明は、積層配線で、特にビアホールに
埋め込まれたプラグにより、別の層の配線、例えば上層
配線と結ばれた多層配線構造に対して極めて有効であ
る。なぜなら、図1のように、多層配線では必ずボイド
がプラグ(接続導体)の直下という特定の場所に生成す
るため、寿命のバラツキが抑えられるからである。な
お、上記では下層配線12中にボイド21を形成してい
るが、上層配線14中にボイド21を形成するようにし
てもよい。この場合、上層配線14からプラグ13を通
して電流を下層配線12に流す。即ち、上層配線14に
おいてプラグ13を陰極側に配置するようにする。The present invention is extremely effective for a multilayer wiring structure in which wiring is connected to another layer, for example, an upper layer wiring by a plug embedded in a via hole in a stacked wiring. This is because, as shown in FIG. 1, in the multilayer wiring, voids are always generated in a specific place immediately below the plug (connection conductor), so that variations in life can be suppressed. Although the voids 21 are formed in the lower wiring 12 in the above description, the voids 21 may be formed in the upper wiring 14. In this case, a current flows from the upper wiring 14 to the lower wiring 12 through the plug 13. That is, the plug 13 is arranged on the cathode side in the upper wiring 14.
【0029】(2)本発明の第2の実施の形態 図3は、本発明の第2の実施の形態に係る配線の構造を
示す断面図である。図3に示す試験配線に高い電流密度
の電流を流した後、さらに低い電流密度の電流を流して
寿命試験を行い、配線寿命を調べた。以下に実験結果を
説明する。(2) Second Embodiment of the Present Invention FIG. 3 is a sectional view showing the structure of a wiring according to a second embodiment of the present invention. After a current having a high current density was passed through the test wiring shown in FIG. 3, a life test was conducted by flowing a current having a lower current density, and the wiring life was examined. The experimental results are described below.
【0030】配線は、図3に示すように、膜厚50nm
のTiN膜と、膜厚500nmの0.5%Cu含有Al
膜と、膜厚30nmのTiN膜からなる積層配線構造を
有する。この配線の両端にはビアホールに埋め込まれた
W製のプラグ3a,3bを介して下層配線2と上層配線
4a及び4bとが接続されている。下層配線2の幅は
2.5μmで、2つのプラグ3a,3b間の長さは30
0μmである。The wiring has a film thickness of 50 nm as shown in FIG.
TiN film and Al containing 0.5% Cu with a thickness of 500 nm
It has a laminated wiring structure composed of a film and a 30 nm-thick TiN film. The lower wiring 2 and the upper wirings 4a and 4b are connected to both ends of this wiring via W plugs 3a and 3b embedded in the via holes. The width of the lower layer wiring 2 is 2.5 μm, and the length between the two plugs 3a and 3b is 30 μm.
0 μm.
【0031】また、プラグ3a,3bは円柱状であり、
その直径は1μm、高さは1μmとした。これらのプラ
グ3a,3bは断面積が比較的大きいので、高密度の電
流を流してもプラグ3a,3bからの発熱は無視でき
る。なお、上層配線4a及び4bはプラグ3a,3bの
直上からすでに幅が10μm以上あり、この部分でのエ
レクトロマイグレーションの影響は無視できる。The plugs 3a and 3b have a columnar shape.
The diameter was 1 μm and the height was 1 μm. Since these plugs 3a and 3b have a relatively large cross-sectional area, the heat generated from plugs 3a and 3b can be neglected even when a high-density current flows. Note that the upper wirings 4a and 4b already have a width of 10 μm or more from directly above the plugs 3a and 3b, and the effect of electromigration in this part can be ignored.
【0032】実験は以下のようにして行った。即ち、温
度を250℃に設定したオーブンの中にこの試験配線を
入れた。そして、その状態で、電圧をモニタしながら、
陽極側(プラグ3b側)から陰極側(プラグ3a側)に
向かって直流の電流62.5mAを流した。これは配線
中のAl合金層での電流密度が5×106 A/cm2に
相当する。The experiment was performed as follows. That is, the test wiring was placed in an oven set at a temperature of 250 ° C. And while monitoring the voltage in that state,
A direct current of 62.5 mA was passed from the anode side (plug 3b side) to the cathode side (plug 3a side). This corresponds to a current density of 5 × 10 6 A / cm 2 in the Al alloy layer in the wiring.
【0033】そして、算出される抵抗値が初期値よりも
0.5%上昇したらこの電流を止めるようにセットして
おいた。合計20個のTEGを用いたが、平均約13分
で終了した。その後、電流密度を2×105 A/c
m2 、すなわち2.5mAに落とし、またオーブンの温
度を225℃にセットして試験配線について通常の寿命
試験を行った。When the calculated resistance value rises by 0.5% from the initial value, the current is stopped. A total of 20 TEGs were used, averaging about 13 minutes. Thereafter, the current density was increased to 2 × 10 5 A / c.
m 2 , that is, 2.5 mA, and the oven temperature was set to 225 ° C., and a normal life test was performed on the test wiring.
【0034】寿命は抵抗が初期値の25%上昇するまで
の時間で定義した。また、同時に、比較のため、全く同
じ配線構造の試験配線について、上記の大電流印加の加
速試験を施さないサンプルの寿命試験も行った。図4
(a)にこの寿命試験の際の抵抗変化の一例を示す。図
4(b)は比較実験の結果である。The life was defined as the time until the resistance increased by 25% of the initial value. At the same time, for comparison, a life test of a sample which was not subjected to the above-described acceleration test of applying a large current was also performed on test wirings having exactly the same wiring structure. FIG.
(A) shows an example of a resistance change during the life test. FIG. 4B shows the result of the comparative experiment.
【0035】図4(a)に示すように、大電流印加の加
速試験を施したサンプルではすでに抵抗が僅かに上昇す
るまでボイド生成の状態が揃っているため、図4(b)
のような潜在期間は見られない。また、実施の形態に係
る全てのサンプルのボイドの位置や大きさが揃っている
ため、その後の抵抗上昇の仕方はかなり均一であった。As shown in FIG. 4A, in the sample subjected to the acceleration test in which a large current is applied, the state of void formation is already uniform until the resistance slightly increases.
There is no latent period like. Further, since the positions and sizes of the voids of all the samples according to the embodiment were uniform, the manner of the subsequent resistance increase was fairly uniform.
【0036】一方、比較例のサンプルでは、図4(b)
に示すように、寿命試験の初期に抵抗上昇が起きない潜
在期間(incubation time )が見られ、その後、抵抗上
昇が始まる。しかし、その上昇の仕方は配線によって大
きくばらついた。図5は、上記試験結果から得られた寿
命データを対数正規プロットしたグラフである。On the other hand, in the sample of the comparative example, FIG.
As shown in the figure, at the beginning of the life test, there is a latent time (incubation time) in which the resistance does not rise, and thereafter, the resistance starts to rise. However, the way of the rise varied greatly depending on the wiring. FIG. 5 is a graph in which the life data obtained from the test results is logarithmically plotted.
【0037】図5に示すように、大電流を印加した試験
配線の平均寿命t50=110時間は、大電流を印加しな
い試験配線の平均寿命t50=150時間よりもやや小さ
い。これは図4(a)において、潜在期間がないことに
ほぼ対応している。一方、大電流を印加した試験配線の
累積故障率と時間との関係を示す直線の傾きは大電流を
印加しない試験配線の場合に比べて明らかに立ってお
り、大電流を印加した試験配線の累積故障率のバラツキ
が比較例よりも極めて小さいことを示している。As shown in FIG. 5, the average life time t50 of the test wiring to which a large current is applied is slightly shorter than the average life time t50 of the test wiring to which a large current is not applied. This substantially corresponds to the absence of a latent period in FIG. On the other hand, the slope of the straight line indicating the relationship between the cumulative failure rate of the test wiring to which a large current was applied and the time was clearly higher than that of the test wiring to which a large current was not applied, and the slope of the test wiring to which the large current was applied was larger. This shows that the variation of the cumulative failure rate is extremely smaller than that of the comparative example.
【0038】また、試験配線の総数のうちの0.5%が
不良となるまでの寿命tlifeは、この実施の形態に係る
試験配線でtlife=98時間であるのに対して、比較例
では、tlife=65時間となり、この実施の形態に係る
試験配線の方が比較例よりも約1.5倍伸びることがわ
かった。なお、試験配線に印加する電流は直流のみでは
なく、適切な周波数・波形の交流とすることができる。
これにより、配線の両端部にボイドを同時に生成するこ
とができる。Further, the life tlife until 0.5% of the total number of test wirings becomes defective is tlife = 98 hours in the test wiring according to the present embodiment, whereas in the comparative example, tlife = 65 hours, and it was found that the test wiring according to the present embodiment is about 1.5 times longer than the comparative example. The current applied to the test wiring is not limited to DC, but may be AC having an appropriate frequency and waveform.
Thereby, voids can be simultaneously generated at both ends of the wiring.
【0039】(3)第3の実施の形態 この実施の形態で用いた試験配線の構造は第2の実施の
形態と全く同じである。この場合、第1及び第2の実施
の形態と異なり、加速試験はパルス状の電流を印加する
とともに、室温中で行った。(3) Third Embodiment The structure of the test wiring used in this embodiment is exactly the same as that of the second embodiment. In this case, unlike the first and second embodiments, the acceleration test was performed at room temperature while applying a pulsed current.
【0040】このパルス電流の波形を図6に示す。電流
パルスは、パルス周期100ms、パルス幅50msの
矩形状を有し、その電流値は125mAである。この1
25mAという電流値は、配線の積層金属中のAl合金
層に電流密度1×107 A/cm2 の電流が流れること
に相当する。合計20個の試験配線について同じ試験を
行い、各々の試験配線の抵抗値が初期値の0.5%上昇
するまで電流を流し続けた。終点検出のための抵抗値の
測定は、このパルス状電流を流した際の平均直流電圧を
読み取って、抵抗値を概算することにより行った。この
加速試験はいずれの試験配線についても10〜20分で
終了した。FIG. 6 shows the waveform of the pulse current. The current pulse has a rectangular shape with a pulse period of 100 ms and a pulse width of 50 ms, and its current value is 125 mA. This one
A current value of 25 mA corresponds to a current having a current density of 1 × 10 7 A / cm 2 flowing through the Al alloy layer in the laminated metal of the wiring. The same test was performed on a total of 20 test wirings, and current was continued to flow until the resistance value of each test wiring increased by 0.5% of the initial value. The measurement of the resistance value for detecting the end point was performed by reading the average DC voltage when the pulsed current was passed and estimating the resistance value. This acceleration test was completed in 10 to 20 minutes for each test wiring.
【0041】その後、温度225℃,印加電流密度2×
105 A/cm2 の条件で通常の寿命試験を行い、抵抗
変化、寿命、バラツキ等を測定した。その結果、抵抗変
化、寿命、バラツキ等全ての値が第1の実施の形態とほ
ぼ同じ値となった。また、実使用条件で、0.5%の配
線が不良となるまでの時間tlifeは、比較例(tlife=
65時間)に対しておおよそ1.45倍のtlife=94
時間に伸びた。Thereafter, at a temperature of 225 ° C. and an applied current density of 2 ×
A normal life test was performed under the conditions of 10 5 A / cm 2 , and the resistance change, life, variation and the like were measured. As a result, all the values, such as the resistance change, the life, and the variation, were almost the same as those in the first embodiment. Further, under actual use conditions, the time tlife until 0.5% of the wiring becomes defective is determined by the comparative example (tlife =
65 hours) about 1.45 times tlife = 94
Time stretched.
【0042】このように、第3の実施の形態において
は、特に、パルス状の電流を印加してボイドの状態を均
一な状態にし、初期故障までの寿命を延ばすことができ
る。また、パルス状の電流を印加しているため、配線か
らのジュール熱を抑えることができる。このため、高熱
の印加による他の故障モードの発生を防止することがで
きる。As described above, in the third embodiment, in particular, it is possible to make the state of the void uniform by applying a pulsed current, and to prolong the life until the initial failure. Further, since a pulsed current is applied, Joule heat from the wiring can be suppressed. Therefore, the occurrence of another failure mode due to the application of high heat can be prevented.
【0043】以上のように、本発明の実施の形態によれ
ば、寿命試験前に配線、特にビアホール内に埋め込まれ
たプラグを介して接続された上下層の多層配線に大電流
を流すことにより、配線中の空孔又はその核の生成時期
を揃え、かつ配線中の空孔又はその核を陰極側のプラグ
の近くに生成し、配線寿命のバラツキを小さくしてい
る。As described above, according to the embodiment of the present invention, a large current is caused to flow through the wiring, particularly the upper and lower multilayer wirings connected via the plugs embedded in the via holes, before the life test. In addition, the generation time of holes or nuclei in the wiring is made uniform, and the holes or nuclei in the wiring are generated near the plug on the cathode side, thereby reducing the variation in the life of the wiring.
【0044】即ち、寿命試験のときに初期故障の始まる
時間から全故障に至るまでの時間の幅を小さくしてい
る。このため、集積回路の品質保証に重要な、統計的に
少数の配線が不良となるまでの時間を大きく伸ばすこと
ができる。これにより、集積回路の配線の信頼性の向上
を図ることができる。That is, in the life test, the time range from the time when the initial failure starts to the time when all the failures occur is reduced. For this reason, it is possible to greatly increase the time required for a statistically small number of wirings to become defective, which is important for quality assurance of the integrated circuit. Thus, the reliability of the wiring of the integrated circuit can be improved.
【0045】なお、実施の形態では、本発明をプラグを
有する多層の配線に適用しているが、これに限らず単層
の配線に適用してもよい。この場合もボイドの生成状態
を揃えて累積故障率の分散を小さくすることができる。
また、配線として、TiN膜が上下に形成された0.5
%Cu含有Al膜を用いているが、0.5%Cu含有A
l膜自体を用いてもよいし、又は、他の導電膜、例えば
高融点金属膜、純Al膜、Ti或いはSiを含有するA
l膜、又はCu膜自体や、TiN膜等が上部又は下部に
形成されたこれらの導電膜を用いてもよい。In the embodiment, the present invention is applied to a multilayer wiring having a plug. However, the present invention is not limited to this and may be applied to a single-layer wiring. Also in this case, the variance of the cumulative failure rate can be reduced by aligning the void generation state.
In addition, as a wiring, a TiN film is formed on the upper and lower sides.
% Cu-containing Al film is used, but 0.5% Cu-containing A
1 film itself, or another conductive film, for example, a refractory metal film, a pure Al film, or an A film containing Ti or Si.
These conductive films in which an l film, a Cu film itself, or a TiN film or the like is formed on the upper or lower portion may be used.
【0046】さらに、プラグの材料としてタングステン
を用いているが、タングステン以外の高融点金属、純A
l、Cu,Ti或いはSiを含有するAl、又はCuを
用いてもよい。Further, although tungsten is used as a material for the plug, a high melting point metal other than tungsten, pure A
Al, Cu containing 1, Cu, Ti or Si, or Cu may be used.
【0047】[0047]
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、寿命試
験前に配線、特に上下層の多層配線に大電流を流して配
線中の空孔又はその核の生成状態を揃えることにより、
配線寿命のバラツキを小さくしている。即ち、寿命試験
のときに初期故障の始まる時間から全故障に至るまでの
時間の幅を小さくしている。As described above, according to the present invention, before the life test, a large current is applied to the wiring, particularly the upper and lower multilayer wirings, to make uniform the vacancies or the nuclei thereof in the wiring.
The variation in wiring life is reduced. That is, the range of time from the time when the initial failure starts to the time when all the failures occur during the life test is reduced.
【0048】このため、集積回路の品質保証に重要な、
統計的に少数の配線が不良となるまでの時間を大きく伸
ばすことができ、集積回路の配線の信頼性の向上に大き
く寄与する。For this reason, important for the quality assurance of the integrated circuit,
The time required for a small number of wirings to become defective statistically can be greatly extended, which greatly contributes to the improvement of the reliability of the wiring of the integrated circuit.
【図1】図1(a)は、本発明の第1の実施の形態に係
る半導体装置の製造方法に用いられる配線に生成したボ
イドについて観察した平面図であり、図1(b)は、図
1(a)の断面図である。FIG. 1A is a plan view of a void generated in a wiring used in a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 2 is a sectional view of FIG.
【図2】図2(a)は、比較例に係る半導体装置の製造
方法に用いられる配線に生成したボイドについて観察し
た平面図であり、図2(b)は、図2(a)の断面図で
ある。FIG. 2A is a plan view of a void generated in a wiring used in a method of manufacturing a semiconductor device according to a comparative example, and FIG. 2B is a cross-sectional view of FIG. 2A. FIG.
【図3】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法に用いられる配線について示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a wiring used in a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【図4】図4(a)は、本発明の第2の実施の形態に係
る半導体装置の製造方法に用いられる配線の抵抗変化の
様子を示すグラフであり、図4(b)は、比較例に係る
半導体装置の製造方法に用いられる配線の抵抗変化の様
子を示すグラフである。FIG. 4A is a graph showing a state of a change in resistance of a wiring used in a method of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a graph showing a state of a change in resistance of a wiring used in a method for manufacturing a semiconductor device according to an example.
【図5】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法に用いられる配線の寿命試験結果について示す
グラフである。FIG. 5 is a graph showing a result of a life test of a wiring used in a method of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法に用いられる配線への電流印加の方法について
示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a method of applying a current to a wiring used in a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
【図7】従来例の半導体装置の製造方法に用いられる配
線の寿命について示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing a life of a wiring used in a conventional method of manufacturing a semiconductor device.
1,11 絶縁性基板、 2,12 下層配線、 3a,3b,13 プラグ、 4a,4b,14 上層配線、 5,15 絶縁膜、 21 ボイド、 101,103,111,114 TiN膜、 102 Al膜、 112 Al−Cu膜、 113 Ti膜。 1,11 insulating substrate, 2,12 lower wiring, 3a, 3b, 13 plug, 4a, 4b, 14 upper wiring, 5,15 insulating film, 21 void, 101,103,111,114 TiN film, 102 Al film , 112 Al-Cu film, 113 Ti film.
Claims (7)
106 A/cm2 以上の電流を流して前記配線中に生じ
る空孔の生成状態を揃えることにより、前記空孔に起因
する累積故障率の分散を小さくすることを特徴とする半
導体装置の製造方法。A wiring formed on a substrate has a current density of 1 ×
A method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that a current of 10 6 A / cm 2 or more is caused to flow to make the state of vacancies generated in the wiring uniform, thereby reducing the variance of the cumulative failure rate caused by the vacancies. Method.
孔の生成位置又は生成時期のうち何れか1つの状態を示
すものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体
装置の製造方法。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the vacancy generation state indicates one of a vacancy generation position and a vacancy generation time in the wiring. Manufacturing method.
所で接続導体により他の層の配線と接続されている多層
配線の一つであり、前記接続導体側を低電位に保持し
て、かつ該接続導体を通して前記電流を流すことを特徴
とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。3. The wiring is one of multilayer wirings connected to a wiring of another layer by a connection conductor at least at one place of the wiring, and the connection conductor side is kept at a low potential, The method according to claim 1, wherein the current flows through the connection conductor.
値の変化を監視することにより決めることを特徴とする
請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置の製造方
法。4. The method according to claim 1, wherein a period during which the current flows is determined by monitoring a change in a resistance value of the wiring.
線を加熱して室温よりも高い温度に保持することを特徴
とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体装置の
製造方法。5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the wiring is heated to a temperature higher than room temperature while a current is flowing through the wiring. .
ことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方
法。6. The method according to claim 5, wherein the temperature of the wiring is 100 ° C. or higher.
106 A/cm2 以上の電流を流して前記配線中に生じ
る空孔の生成状態を揃えた配線を備えたことを特徴とす
る半導体装置。7. A wiring having a current density of 1.times.
A semiconductor device, comprising: a wiring in which a current of 10 6 A / cm 2 or more is caused to flow and a state of generation of holes generated in the wiring is made uniform.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10201401A JP2000031142A (en) | 1998-07-16 | 1998-07-16 | Semiconductor device and production thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10201401A JP2000031142A (en) | 1998-07-16 | 1998-07-16 | Semiconductor device and production thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000031142A true JP2000031142A (en) | 2000-01-28 |
Family
ID=16440484
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10201401A Withdrawn JP2000031142A (en) | 1998-07-16 | 1998-07-16 | Semiconductor device and production thereof |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000031142A (en) |
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- 1998-07-16 JP JP10201401A patent/JP2000031142A/en not_active Withdrawn
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