JP2001313320A

JP2001313320A - 半導体装置の試験方法及び試験装置

Info

Publication number: JP2001313320A
Application number: JP2000130404A
Authority: JP
Inventors: Hiromoto Kondo; 博基近藤; Takashi Suzuki; 貴志鈴木; Noriyoshi Shimizu; 紀嘉清水
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2001-11-09
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP4322396B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ウェハ状態での配線の信頼性評価試験におい
て、配線の信頼性パラメータを個別にかつ正確に求める
ことができる半導体装置の試験方法及び試験装置を提供
する。【解決手段】ウェハ１０上の試験用配線に、交流電流
と直流電流とが重畳された電流を流してジュール発熱さ
せ、交流電流及び直流電流を個別に変化させて、配線の
温度及びストレス電流を個別に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路に
搭載される配線の信頼性評価試験、特にエレクトロマイ
グレーション特性の評価の向上において有効な試験方
法、及びその試験に使用する試験装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＳＩ（Large Scale Integratio
n ）の高速化及び高機能化とともに、素子の高集積化及
び微細化が促進されており、これに伴って、素子間を接
続する配線も微細化される傾向にある。現状ではロジッ
クＬＳＩの最小配線幅は０．３μｍ以下であるが、将来
的には線幅が０．１μｍ以下の配線の使用が予想されて
いる。ＬＳＩの安定動作を保証するためには、線幅が細
くてなっても配線の信頼性を確保することが重要であ
る。

【０００３】配線の信頼性を低下させる原因としてエレ
クトロマイグレーションがある。エレクトロマイグレー
ションとは、高温にさらされた配線中の金属原子が、高
密度の電子流によって移動する現象である。エレクトロ
マイグレーションによって配線中にボイドやヒロイック
が生じ、断線や隣接配線間の短絡を招いて、ＬＳＩの信
頼性が低下する要因となる。

【０００４】従来から、エレクトロマイグレーションに
よる配線の劣化を評価する試験が実施されている。この
試験では、半導体チップに試験用配線を形成しておき、
高温炉内で１５０〜２５０℃に加熱しつつ、５×１０⁵
〜５×１０⁶Ａ／ｃｍ²の電流密度で試験用配線に電流
を流すことによって劣化を加速させ、配線が断線又は抵
抗上昇するまでの時間を調べることによって配線の寿命
を評価している。配線の平均寿命ＭＴＦは、下記（１）
式に示すブラック（BLACK ）の経験式で表されることが
知られている。

【０００５】

【数１】

【０００６】ここで、Ａ及びｎは定数、ｋはボルツマン
定数、Ｔは絶対温度、ｊは電流密度、Ｅａは活性化エネ
ルギーである。これらのうち、Ｅａ値及びｎ値はそれぞ
れ配線寿命ＭＴＦの温度依存性と電流密度依存性を示す
パラメータであり、温度や電流密度を変えた試験から算
出される。配線の信頼性評価試験では、Ｅａ値及びｎ値
は最も重要なパラメータであるということができる。

【０００７】近年、従来のアルミニウム合金を用いた配
線に替えて、銅（Ｃｕ）を用いた配線の開発が行われ、
実用化が進んでいる。これは、銅配線がアルミニウム配
線よりも低抵抗で、エレクトロマイグレーション耐性が
高いとされているためである。しかし、銅配線に対して
上述の配線の信頼性評価試験を行った場合、試験時間は
アルミニウム配線の場合よりも約１桁長くなるので、莫
大な時間とコストがかかることになる。

【０００８】一方、半導体チップを用いた試験とは別
に、ウェハの状態で配線の信頼性の評価試験を行う方法
が提案され、実用化されている。この方法では、ウェハ
上の配線に直接プローブピンを接触させ、配線に５×１
０⁶Ａ／ｃｍ²程度の過剰な電流を流すことでジュール
熱を発生させ、配線が目的の試験温度となるようにし
て、断線までの時間を調べるものである。このとき、配
線温度は配線抵抗の増加量から確認される。この方法
は、例えば、R.E.Jones et al. J.Appl.Phys.61(1987)4
670 やT.Nitta et al. J.Electrochem.Soc.139(1992)92
2 等（以下、文献という）に詳説されている。この方法
では、半導体チップに組み上げる必要がなくウェハの状
態で試験すること、試験の際の電流密度が半導体チップ
を用いた試験よりも半桁以上大きいことなどの理由によ
り、試験時間とコストを大幅に縮小化することが可能で
ある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のウェハ
状態での配線の信頼性評価試験では、配線に流れる電流
を制御して配線を目的の試験温度としているため、電流
と温度とを別個に制御することができない。このため、
信頼性評価試験において最も重要なパラメータであるｎ
値及びＥａ値を別個に求めることができないという欠点
がある。従来のウェハ状態での配線の信頼性評価試験方
法では、前記（１）式においてｎ値を仮定し、ＭＴＦ×
Ｊⁿの温度依存性からＥａ値を求める方法がとられてき
た。しかしながら、ｎ値及びＥａ値の精度が十分でな
く、これらのパラメータの値をより一層正確に求めるこ
とができる試験方法が要望されている。

【００１０】以上から、本発明の目的は、ウェハ状態で
の配線の信頼性評価試験において、配線の信頼性パラメ
ータを個別にかつ正確に求めることができる半導体装置
の試験方法及び試験装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の試
験方法は、交流電流と直流電流とが重畳された電流を配
線に流して該配線をジュール発熱させ、前記交流電流及
び前記直流電流を個別に変化させて前記配線の温度及び
ストレス電流を制御することを特徴とする。配線に発生
するジュール熱の熱量は配線に流れる電流に関係し、エ
レクトロマイグレーションは直流成分に関係する。従っ
て、配線に交流電流と直流電流とが重畳された電流を流
し、交流電流と直流電流とを個別に制御することによ
り、配線温度とストレス電流（エレクトロマイグレーシ
ョンの原因となる電流）とを個別に変化させることがで
きる。

【００１２】前記（１）式のＥａ値は温度に依存するパ
ラメータであり、ｎ値は配線に流れる電流に依存するパ
ラメータである。従って、例えば直流電流を一定にし、
交流電流を変化させて信頼性評価試験を行うことによ
り、Ｅａ値を求めることができる。また、異なる直流電
流に対して配線温度が一定となるように交流電流を制御
して信頼性評価試験を行うことにより、ｎ値を求めるこ
とができる。

【００１３】本発明の半導体試験装置は、交流電流を発
生可能で、かつ、正側及び負側の電流量を個別に設定で
きる電流源と、前記電流源から出力された電流をウェハ
上に形成された配線に供給する接触子と、前記配線の電
圧を測定する電圧測定器とを有することを特徴とする。
この試験装置を使用し、配線に流れる電流の交流成分と
直流成分とを個別に制御することによって、前記（１）
式のパラメータＥａ及びパラメータｎを求めることがで
きて、配線の信頼性をより正確に評価することができ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明についてより詳細に
説明する。エレクトロマイグレーション劣化は、高密度
の電子流によって引き起こされる電子風力によって、配
線中の金属原子が電子流と同じ方向へ移動する現象であ
る。従って、両方向へのそれぞれの電流の平均値が等し
く、実効的な直流成分がゼロであるような交流電流を配
線に流しても、エレクトロマイグレーションによる劣化
は起きない。

【００１５】一方、抵抗値Ｒ（Ω）の配線に電流Ｉ
（Ａ）を流したときに生じるジュール発熱の熱量Ｐ
（Ｗ）は、下記（２）式により表される。

【００１６】

【数２】

【００１７】このとき、配線の熱抵抗をθ（Ｋ／Ｗ）と
すると、配線での温度上昇は下記（３）式のようにな
る。

【００１８】

【数３】

【００１９】前記（２）式で示されるように、ジュール
発熱による発熱量Ｐは電流量の２乗に比例する。図１
（ａ）に示す波形の電流Ｉは、図１（ｂ）に示す直流電
流Ｉ_Dと、図１（ｃ）に示す交流電流Ｉ_Aとの和として
表すことができる。すなわち、下記（４）式のように表
記することができる。

【００２０】

【数４】

【００２１】このような電流Ｉを試験用配線に流した場
合、試験用配線の温度上昇は、下記（５）式で算出され
る。

【００２２】

【数５】

【００２３】例えば、配線に流れる電流として、図１
（ａ）に示したような波形の電流Ｉを用いた場合、配線
温度は下記（６）式で求めることができる。

【００２４】

【数６】

【００２５】一方、上述したように電子風力の大きさは
電流Ｉの直流成分（Ｉ_D）に依存するので、ストレス電
流値は配線に流れる電流の平均で与えられる。交流成分
（Ｉ _A）の平均がゼロであるので、ストレス電流値は直
流成分（Ｉ_D）に等しい。このことから、本発明のよう
に、試験用配線に流す電流として、図１（ａ）に示すよ
うな波形の電流Ｉ（交流パルス電流）を用いれば、交流
成分（Ｉ_A）と直流成分（Ｉ_D）を制御することによっ
て、試験用配線の温度とストレス電流値とを個別に設定
することができる。

【００２６】例えば、直流電流Ｉ_Dを一定とし、異なる
交流電流Ｉ_Aに対して信頼性評価試験を行うことによ
り、パラメータＥａを測定できる。また、異なる直流電
流Ｉ_Dに対してＩ_A ²＋Ｉ_D ²が一定となるように交流
電流Ｉ_Aを設定することによって、パラメータｎを測定
できる。試験用配線に流す電流として、図２（ａ）に示
す電流Ｉ、すなわち図２（ｂ）に示す直流電流Ｉ_Dと、
図２（ｃ）に示す正弦波の交流電流Ｉ_Aとを重畳した電
流や、図３に示すように正電流と負電流とのデューティ
比が異なるＡＣパルス電流などを用いた場合でも、同様
の理由でパラメータＥａ，ｎを測定することが可能であ
る。

【００２７】図４，図５は試験用配線の例を示す平面図
である。本発明の実施の形態においては、図４又は図５
に示すような試験用配線１１を、ウェハのスクライブラ
イン上に形成する。試験用配線１１は、例えば銅により
形成し、幅が０．３μｍ、高さが０．４μｍ、長さが１
５０μｍとする。図４に示すように，試験用配線１１の
両端に幅が太い引き出し配線１２ａ，１２ｂを接続し、
これらの引き出し配線１２ａ，１２ｂの端部に端子１３
ａ，１３ｂを接続しておくことが好ましい。また、図５
に示すように、試験用配線１１の両端にそれぞれ２本の
引き出し配線１４ａ〜１４ｄを接続し、これらの引き出
し配線１４ａ〜１４ｃの端部に端子１５ａ〜１５ｄを接
続しておいてもよい。

【００２８】なお、本発明は、試験用配線をスクライブ
ライン上に形成することに限定するものではないが、試
験用配線は信頼性評価のためだけに使用するものであ
り，試験後は不要となるので、スクライブラインの上の
ようにウェハ上の不要な領域に形成することが好まし
い。図６は本発明の実施の形態の試験装置を示す模式図
である。この試験装置は、フルオートプローバ２１、ス
トレス電流源２２、スキャナ２３及びホストコンピュー
タコンピュータ２４により構成される。フルオートプロ
ーバ２１には多数のプローブピン（接触子）２１ａが設
けられており、これらのプローブピン２１ａがウェハ１
０上に形成された端子に接触するようになっている。こ
の例では、ウェハ１０上に、図５に示す４端子の試験用
配線が形成されているものとする。

【００２９】ストレス電流源２２は、交流電流及び直流
電流を発生し、これらの電流をフルオートプローバ２１
のプローブピン２１ａを介して試験用配線に供給する。
このストレス電流源２２は、交流電流として周波数１０
Ｈｚ〜１０ｋＨｚの任意の波形が発生可能であり、正
側、負側の電流値を１ｍＡ〜５００ｍＡの範囲でそれぞ
れ個別に設定することができる。この電源の主な仕様は
以下のとおりである。但し、この例では、ストレス電流
源２２から出力される電流は、図１（ａ）に示すような
波形の交流パルス電流である。

【００３０】（ストレス電流源の仕様）設定電流範囲（正側）：１ｍＡ〜５００ｍＡ設定電流範囲（負側）：１ｍＡ〜５００ｍＡ設定パルス繰り返し周波数：１０Ｈｚ、１００Ｈｚ、１
ｋＨｚ、１０ｋＨｚ設定デューティー比範囲：１０％〜９０％追従電圧：３０Ｖスキャナ２３は、フルオートプローバ２１のプローブピ
ン２１ａに接続される。そして、試験用配線の両端部に
おける電圧を測定し、その結果から配線抵抗を求める。
ホストコンピュータ２４は、スキャナ２３で求めた配線
抵抗から試験用配線に発生するジュール発熱量を計算
し、その結果を基にストレス電流源２２を制御して、試
験用配線の温度が目的温度となるようにする。

【００３１】図７は、横軸に配線に流す交流電流Ｉ_Aの
絶対値をとり、縦軸に温度をとって、図１に示す波形の
電流Ｉを配線に流した場合の電流と温度との関係を調べ
た結果を示す図である。但し、配線の幅は０．３μｍ、
電流Ｉの直流成分（Ｉ_D）は４．６ｍＡである。この図
から、直流成分（Ｉ_D）が一定の条件で交流成分
（Ｉ _A）を変化させることにより、配線温度を制御する
ことができることがわかる。

【００３２】図４に示すように、試験用配線１１の両端
にそれぞれ１個の端子１３ａ，１３ｂが接続されている
場合、端子１３ａ，１３ｂに図１（ａ）に示す波形の電
流Ｉを流し、端子１３ａ，１３ｂ間の抵抗をスキャナ２
３で測定する。また、図５に示すように試験用配線１１
の両端にそれぞれ２個の端子１５ａ〜１５ｄが接続され
ている場合は端子１５ａ，１５ｂ間に交流電流Ｉ_Aと直
流電流Ｉ_Dとが重畳された電流Ｉを流し、端子１５ｃ，
１５ｄ間の電圧を測定する。また、端子１５ａ，１５ｂ
間に交流電流Ｉ_Aを流し、端子１５ｃ，１５ｄ間に直流
電流Ｉ_Dを流して、端子１５ｃ，１５ｄ間の電圧を測定
してもよい。更に、端子１５ａ，１５ｂ間に直流電流Ｉ
_Dを流し、端子１５ｃ，１５ｄ間に交流電流Ｉ_Aを流し
て、端子１５ｃ，１５ｄ間の電圧を測定してもよい。但
し、いずれも場合も電圧を測定する際のサンプリング時
間は、交流成分（Ｉ_A）の１周期よりも長いことが必要
である。

【００３３】上述の試験装置を使用して配線の信頼性評
価試験を行った。試験用配線には、図４に示すように、
両端に引き出し配線を介してそれぞれ２個の端子が接続
されている。試験用配線１１の幅は０．３μｍ、高さは
０．４μｍ、長さは１５００μｍである。配線１１は、
直径８インチのシリコンウェハ１０の上に厚さが０．７
μｍのＳｉＯ₂からなる絶縁膜を形成し、この絶縁膜の
上に形成している。

【００３４】図６に示すように、ウェハ１０をオートプ
ローバ２１の上に搭載し、ウェハ１０の温度が室温の状
態で、直流電流Ｉ_D及び交流電流Ｉ_Aを個別に制御して
配線の信頼性試験を実施した。用いた試験体（ＴＥＧ：
Test Element Group）の数は、各条件で１８個であっ
た。試験時の配線温度は、電流を流したときの配線抵抗
から類推した。これは、前述の論文に記載されている方
法と同じ原理である。金属抵抗の温度係数は、予め別の
試験体を用いて測定しておいた値を用いた。

【００３５】前述した数値計算の場合と同様に、直流成
分（Ｉ_D）一定の下で、交流成分（Ｉ_A）を変化させて
測定を行った。実際に印加した電流値は、直流成分が
４．６ｍＡ、交流成分が２８．４ｍＡ、３０．４ｍＡ、
３２．４ｍＡである。この結果をプロットしたものが図
８である。このグラフから活性化エネルギーＥａの値は
１．１２ｅＶと得られた。

【００３６】前述の（１）式から、電流に関係するパラ
メータ（ｊ及びｎ）が一定であるとすると、平均寿命の
対数はＥａの一次関数として表すことができる。従っ
て、図８に示すように、横軸に温度Ｔの逆数をとり、縦
軸に平均寿命ＭＴＦの対数をとって測定結果をプロット
すると、パラメータＥａはプロットした点により表され
る直線の傾きとして求めることができる。

【００３７】これと同様に、（１）式から、温度に関す
るパラメータ（Ｅａ及びＴ）が一定であるとすると、平
均寿命の対数は電流の対数の一次関数として表すことが
できる。従って、図９に示すように、横軸に電流密度ｊ
の対数をとり、縦軸に平均寿命ＭＴＦの対数をとって測
定結果をプロットすると、パラメータｎはプロットした
点により表される直線の傾きとして求めることができ
る。

【００３８】このように、本実施の形態においては、試
験用配線の温度とストレス電流とを個別に制御し、式
（１）のパラメータＥａ及びｎを正確に求めることがで
きるので、配線の信頼性を高精度で評価することができ
る。また、本実施の形態ではウェハの状態で配線の信頼
性を評価することができ、かつ、試験用配線をスクライ
ブラインのようにウェハ上の不要な領域に形成するの
で、コストダウンに寄与するという効果も得られる。

【００３９】（付記１）交流電流と直流電流とが重畳さ
れた電流を配線に流して該配線をジュール発熱させ、前
記交流電流及び前記直流電流を個別に変化させて前記配
線の温度及びストレス電流を制御することを特徴とする
半導体装置の試験方法。（付記２）前記交流電流が、一定の周期で電流の向きが
反転し、両方向に流れる電流の平均値が等しい矩形波又
は正弦波であることを特徴とする付記１に記載の半導体
装置の試験方法。

【００４０】（付記３）前記配線の一端と他端との間に
前記交流電流と直流電流とが重畳された電流を流し、前
記配線の一端と他端との間の電圧を測定することを特徴
とする付記１に記載の半導体装置の試験方法。（付記４）前記配線の一端側に接続された第１の端子と
他端側に接続された第２の端子との間に前記交流電流と
直流電流とが重畳された電流を流し、前記配線の一端側
に接続された第３の端子と他端側に接続された第４の端
子との間の電圧を測定することを特徴とする付記１に記
載の半導体装置の試験方法。

【００４１】（付記５）前記配線の一端側に接続された
第１の端子と他端側に接続された第２の端子との間に前
記直流電流を流し、前記配線の一端側に接続された第３
の端子と他端側に接続された第４の端子との間に前記交
流電流を流し、前記第３の端子と前記第４の端子との間
の電圧を測定することを特徴とする付記１に記載の半導
体装置の試験方法。

【００４２】（付記６）前記配線に流す電流が５×１０
⁶Ａ／ｃｍ²以上であることを特徴とする付記１乃至５
のいずれか１項に記載の半導体装置の試験方法。（付記７）前記配線を、ウェハのスクライブライン上に
形成することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項
に記載の半導体装置の試験方法。（付記８）正電流と負電流とを交互に配線に流して該配
線をジュール発熱させ、前記正電流及び前記負電流の周
期、並びに前記正電流及び前記負電流の電流量を変化さ
せて、前記配線の温度及びストレス電流を制御すること
を特徴とする半導体装置の試験方法。

【００４３】（付記９）前記配線を、ウェハのスクライ
ブライン上に形成することを特徴とする付記８に記載の
半導体装置の試験方法。（付記１０）交流電流を発生可能で、かつ、正側及び負
側の電流量を個別に設定できる電流源と、前記電流源か
ら出力された電流をウェハ上に形成された配線に供給す
る接触子と、前記配線の電圧を測定する電圧測定器とを
有することを特徴とする半導体装置の試験装置。

【００４４】（付記１１）前記電流源は、交流電流の周
波数及びデューティ比の少なくとも一方が調整可能であ
ることを特徴とする付記１０に記載の半導体装置の試験
装置。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
配線に交流電流と直流電流とが重畳された電流を流し、
交流電流及び直流電流を個別に変化させて配線の温度と
ストレス電流を制御するので、ウェハ状態での配線の信
頼性評価試験における重要なパラメータを個別にかつ正
確に求めることができる。これにより、例えば試験時間
とコストとを大幅に縮小化できるとともに、試験結果の
信頼性も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態において試験用配線に流す
電流の例（その１）を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態において試験用配線に流す
電流の例（その２）を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態において試験用配線に流す
電流の例（その３）を示す図である。

【図４】本発明の実施の形態における試験用配線の例
（その１）を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態における試験用配線の例
（その２）を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態の試験装置を示す図であ
る。

【図７】試験用配線に流す電流と配線の温度との関係を
示す図である。

【図８】パラメータＥａの取得方法を示す図である。

【図９】パラメータｎの取得方法を示す図である。

【符号の説明】

１０…ウェハ、１１…試験用配線、１２ａ，１２ｂ，１４ａ〜１４ｄ…引き出し配線、１３ａ，１３ｂ，１５ａ〜１５ｄ…端子、２１…プローバ、２２…ストレス電流源、２３…スキャナ、２４…ホストコンピュータ。

フロントページの続き (72)発明者清水紀嘉神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内Ｆターム(参考） 2G032 AA00 AB03 AD08 AE14 AL00 4M106 AA01 AA07 AC02 AC05 CA04 CA16 CA31 CA56 CA70 DH01 DH02 DH51 DH60 DJ24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電流と直流電流とが重畳された電流
を配線に流して該配線をジュール発熱させ、前記交流電
流及び前記直流電流を個別に変化させて前記配線の温度
及びストレス電流を制御することを特徴とする半導体装
置の試験方法。
【請求項２】前記配線の一端側に接続された第１の端
子と他端側に接続された第２の端子との間に前記交流電
流と直流電流とが重畳された電流を流し、前記配線の一
端側に接続された第３の端子と他端側に接続された第４
の端子との間の電圧を測定することを特徴とする請求項
１に記載の半導体装置の試験方法。
【請求項３】前記配線の一端側に接続された第１の端
子と他端側に接続された第２の端子との間に前記直流電
流を流し、前記配線の一端側に接続された第３の端子と
他端側に接続された第４の端子との間に前記交流電流を
流し、前記第３の端子と前記第４の端子との間の電圧を
測定することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置
の試験方法。
【請求項４】交流電流を発生可能で、かつ、正側及び
負側の電流量を個別に設定できる電流源と、前記電流源から出力された電流をウェハ上に形成された
配線に供給する接触子と、前記配線の電圧を測定する電圧測定器とを有することを
特徴とする半導体装置の試験装置。