JP2002289661A - エレクトロマイグレーション評価装置及びその評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体装置における，配線のエレクトロマイ
グレーション現象は、配線に定電流を供給して、その抵
抗率変動で測定して感知するが、信頼性に難がある。 【解決手段】 半導体基板上に、半導体装置に使用の配
線と同じ，金属の被膜からなる複数の金属配線１１を形
成し、各金属配線１１を、下方ビア１２及びこれに接続
した下層金属配線１３でもって直列に繋ぎ、これに定電
流を供給する。一方、各配線には、外側の金属配線１１
に上層金属配線１６及び内部の前記複数の金属配線１１
間にまたがる電位差測定用金属配線１８を設けて、それ
ぞれを上方タップ１５で接続して、各金属配線１１，上
層金属配線１６，上方タップ１５及び電位差測定用金属
配線１８による単位測定部の直列接続された，電位差測
定系を構成する。これにより、前記単位測定部の電位差
を合算して測定でき、感知機能は合算倍に拡大されるの
で、エレクトロマイグレーションの評価が一層容易であ
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、製品としての半導
体装置におけるエレクトロマイグレーション故障感知及
びエレクトロマイグレーション耐性評価が高精度で可能
な評価装置と、その評価装置を利用する評価方法に関
し、特に、多層配線構造上での、金属原子の供給源のな
い，金属配線のビア近傍において、その金属配線に起こ
るエレクトロマイグレーション現象の評価を適切に行う
ための技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の高集積化、とりわけ、金属
配線の寸度微細化により、その金属配線で起こるエレク
トロマイグレーション現象は、半導体装置における前記
金属配線の経時による断線の主要因であり、半導体製品
では、これが故障原因となるため、半導体装置に用いら
れる金属配線の，いわゆるエレクトロマイグレーション
評価は、半導体製品の信頼性を高める上で、重要事項の
一つである。

【０００３】多層配線に用いられる金属配線にあって
は、金属原子の供給源を有しない，ビア近傍の金属配線
で、エレクトロマイグレーション耐性が最も弱い。そこ
で、従来は、半導体装置における多層配線の，金属配線
のビア近傍におけるエレクトロマイグレーション現象を
感知し、そのエレクトロマイグレーション評価を行うこ
とがなされていた。

【０００４】図４に、従来のエレクトロマイグレーショ
ン評価で用いられる，半導体装置における金属配線のビ
ア近傍での接続を表した，等価回路を示す。これによ
り、定電流源３１から所定の定電流を印加供給し、Ｖ１
で示す電圧計３２、Ｖ２で示す電圧計３３、Ｖ３で示す
電圧計３４及びＶ４で示す電圧計３５のうち、測定しよ
うとする配線部分に結線されている電圧計によって、そ
の配線部分の電位差を測定し、その経時変化から、エレ
クトロマイグレーション評価を行っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のようなエレクト
ロマイグレーション評価によれば、測定に使用される電
圧計の測定限界値が、そのエレクトロマイグレーション
評価の限界値となる。したがって、エレクトロマイグレ
ーション評価の精度を高めるには、定電流の印加供給時
の，電位差測定に用いる電圧計を、より高精度なものに
する必要があるとともに、そのエレクトロマイグレーシ
ョン現象による電位差の変動を、回路誤動作と誤認しな
い高レベルにまで，すなわち、半導体装置における金属
配線のエレクトロマイグレーション現象を感知し，十分
に評価することの可能な実用レベルにまで，増幅する必
要がある。

【０００６】従来から、金属配線のビア近傍における微
小部分の電位変化を、回路誤動作と誤認しないように、
エレクトロマイグレーション現象による電位差変動とし
て感知することは、なかなか至難のことであった。

【０００７】また、従来の場合、金属配線の断線故障に
要する時間を測定し、それによって、エレクトロマイグ
レーション現象を感知し評価する場合に、金属配線の断
線による故障の主原因が、金属配線ビア部分の構造上の
問題なのか、金属配線材料上の問題なのかなど、そのエ
レクトロマイグレーション耐性評価を基にしての，さら
なる故障要因の解明には、そのデータから得られる情報
が不十分であった。

【０００８】本発明は、半導体装置におけるエレクトロ
マイグレーション現象を，金属配線のビア近傍の微小部
分の電位変化であっても，高い感度で感知し、適切に評
価し得る，エレクトロマイグレーション評価装置及びそ
の評価方法を提供する。

【０００９】すなわち本発明の目的は、半導体装置にお
ける，細線化された多層配線のエレクトロマイグレーシ
ョン現象を、高精度で感知し、もって、高信頼性の評価
ができる，エレクトロマイグレーション評価装置及びそ
の評価方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
のエレクトロマイグレーション評価装置は、半導体基板
上方に形成された金属の被膜からなる，複数の金属配線
と、前記複数の金属配線を直列に接続するための，前記
金属配線の各両端で下方ビアにより接続された，下層金
属配線と、前記複数の金属配線の各線間にまたがって設
けられた，多数の電位差測定用金属配線、及び前記電位
差測定用金属配線の両端を前記金属配線の各線に接続す
るための上方タップと、上方タップにより前記金属細線
に接続され，前記多数の電位差測定用金属配線で直列に
接続された前記金属細線の任意の箇所から導出される，
上層金属配線とをそなえたものである。これにより、複
数の金属配線のビア近傍のエレクトロマイグレーション
現象に基づく電位差が合算されて測定できるので、複数
倍に拡大された感知機能を有する。

【００１１】本発明の請求項２に記載のエレクトロマイ
グレーション評価方法は、請求項１に記載のエレクトロ
マイグレーション評価装置を用いて、前記下層金属配線
を通じて、直列に接続された前記金属配線に定電流を印
加供給しながら、前記上層金属配線をもって、前記上方
タップにより直列に接続された前記複数の金属配線の，
所定電位差測定用金属配線間における，電位差を測定す
ることにより、前記定電流印加供給中における，前記電
位差測定用金属配線間の電位差変動を感知することを含
むものである。これにより、前記定電流印加供給中にお
ける，前記複数の金属配線での各電位差測定用金属配線
部分の電位差変動を合算して測定することができ、高精
度での感知が可能である。

【００１２】本発明の請求項３に記載のエレクトロマイ
グレーション評価装置は、半導体基板上方に形成された
金属の被膜からなる，複数の金属配線と、前記複数の金
属配線を直列に接続するための，前記金属配線の各両端
の上方ビアにより接続された，上層金属配線と、前記複
数の金属配線の各線間にまたがって設けられた，多数の
電位差測定用金属配線、及び前記金属電位差測定用配線
の両端を前記金属配線の各線に接続するための下方タッ
プと、下方タップにより前記金属細線に接続され，前記
多数の電位差測定用金属配線で直列に接続された前記金
属細線の任意の箇所から導出される，下層金属配線とを
そなえたものである。これにより、複数の金属配線のビ
ア近傍のエレクトロマイグレーション現象に基づく電位
差が合算されて測定できるので、複数倍に拡大された感
知機能を有する。

【００１３】本発明の請求項４に記載のエレクトロマイ
グレーション評価方法は、請求項３に記載のエレクトロ
マイグレーション評価装置を用いて、前記上層金属配線
を通じて、直列に接続された前記金属配線に定電流を印
加供給しながら、前記下層金属配線をもって、前記下方
タップにより直列に接続された前記複数の金属配線の，
所定電位差測定用金属配線間における，電位差を測定す
ることにより、前記定電流印加供給中における，前記電
位差測定用金属配線間の電位差変動を感知することを含
むものである。これにより、前記定電流印加供給中にお
ける，前記複数の金属配線での各電位差測定用金属配線
部分の電位差変動を合算して測定することができ、高精
度での感知が可能である。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明を
実施の形態により詳しく説明する。

【００１５】図１は、本発明の一実施形態である，エレ
クトロマイグレーション評価装置の要部を表した，金属
配線パターンの平面図であり、図２は、上記図１におけ
る，Ａ−Ａ’ラインに沿う間の所定位置の，断面図であ
る。

【００１６】本実施形態の装置は、図１及び図２のよう
に、半導体基板の上方に、並列的に多数配置された，エ
レクトロマイグレーション評価用の複数の金属配線１１
を有し、その各金属配線１１に対して、下方ビア１２と
下層金属配線１３とにより、絶縁膜１４を介して、これ
ら複数の金属配線１１を直列に結線している。これに対
して、測定系は、前記複数の金属配線１１の，最外の２
つに対して、その上方で、上方タップ１５と上層金属配
線１６とにより、絶縁膜１７を介して、引き出される導
出端子を形成しており、さらに、内側の各金属配線１１
上では、各金属配線間にまたがって多数配設した電位差
測定用金属配線１８でもって、金属配線１１の所定の長
さ部分、すなわち上方タップ１５及び電位差測定用金属
配線１８でなる単位の構成体を、それぞれ，直列接続し
た構成である。

【００１７】各配線の構造は、１層目の下層金属配線１
３と、２層目の複数の金属配線１１、及び３層目の上層
金属配線１６並びに電位差測定用金属配線１８の３層構
造であり、各層間には、絶縁膜１４，１７を介在させ、
下方の絶縁膜１４には下方ビア１２を埋設し、一方、上
方の絶縁膜１７側には上方タップ１５を植立させて、そ
れらによって、互いの導通をとっている。そして、この
構造によると、２層目の複数の金属配線１１に対するコ
ンタクト、すなわち金属配線１１と下方ビア１２とのコ
ンタクト部分では、金属配線１１の材料とは異なる金属
材料ないしは導体材料を用いることにより、前記金属の
原子供給源のない接続構造になっており、したがって、
金属配線１１では、１層目の下層金属配線１３を通じ
て、これに供給される定電流に依存して、エレクトロマ
イグレーション現象が起こり得る構成である。

【００１８】前記金属配線１１には、１層目の下層金属
配線１３を通じて、下方ビア１２を介して、２層目の複
数の金属配線１１の全線へ所定の定電流が供給されるの
で、金属配線１１のどこの断面でも、電流密度はその断
面積に逆比例するものとなる。

【００１９】なお、この装置で、測定系における，前記
上方タップ１５による前記金属細線１１へのコンタクト
抵抗は十分に高いので、この測定系の結線による，前記
金属配線１１に供給される定電流への影響は無視でき
る。

【００２０】以上に記載の，本実施形態の装置は、金属
配線１１及び下方ビア１２を含む，半導体基板上の配線
構造における，エレクトロマイグレーション現象の評価
に用いるものであるから、半導体基板に作り込まれる，
集積化半導体装置の配線構造を製造する際に、同じ半導
体基板の一部に、同時に形成するのが適切である。

【００２１】図３は、上記図１及び図２で示した，本実
施の形態のエレクトロマイグレーション評価装置を、そ
の結線状態で示した，等価回路図である。

【００２２】このように構成されたエレクトロマイグレ
ーション評価装置によると、複数の金属配線１１に対し
て、その直列接続された最端部の下層金属配線１３によ
る，部位と部位との間に、所定の定電流源から定電
流を印加供給して、例えば、その中間の，部位と部位
との間の電位差を測ると、測定系において、複数の金
属配線１１上に、上方タップ１５及び電位差測定用金属
配線１８でなる，単位の構成体が直列接続されているた
め、各金属配線１１上での所定長さによる，隣接の各電
位差測定用金属配線１８間に生ずる，各電位が合算（足
し算）されて測定値に現れる。このため、エレクトロマ
イグレーション評価は、例えば、金属配線１１上での所
定長さを１単位として、これを，電位差測定用金属配線
１８によって，１００個直列につなぐことにより、１０
０倍大きい電位差の測定値として感知することが可能に
なり、したがって、通常の測定機器を使用しても、金属
配線のビア近傍の微小部分の電位変動を、測定に適し
た，高感度の範囲で、高精度に感知することが可能であ
る。

【００２３】多層配線に用いられる金属配線１１にあっ
ては、金属原子の供給源を有しない，下方ビア１２近傍
で、エレクトロマイグレーション耐性が最も弱いことが
知られているから、下方ビア１２近傍の接続部を含む，
金属配線１１上での所定長さを１単位として設定して、
これを多数直列に接続することにより、その単位でのエ
レクトロマイグレーション現象を合算して感知すること
ができ、これによって、エレクトロマイグレーション現
象の最も起こり得る配線位置での，その耐性の評価が、
一層容易になる。

【００２４】なお、上記本実施形態のエレクトロマイグ
レーション評価装置及びエレクトロマイグレーション評
価方法においては、複数の金属配線を直列接続するため
に、下方ビアによる下層金属配線を用いたが、複数の金
属配線に対して、上方ビアによる上層金属配線を用いる
ことに置き換えること、並びに複数の金属配線にまたが
って設けた電位差測定用金属配線を下層金属配線とし
て、下方タップにより、これらの下層金属配線を直列接
続して用いることに置き換えることも、可能である。

【００２５】さらに、定電流源のみでなく、パルス波電
流源などの他の電流源によっても、印加供給電流に伴
う，金属配線のビア近傍の微小な電位変動を、容易に測
定することが可能である。

【００２６】次に、本発明の上記実施形態のエレクトロ
マイグレーション評価装置により、エレクトロマイグレ
ーション現象を評価する際に、図１、図２及び図３に示
す，その直列接続された最端部の下層金属配線１３によ
る，部位と部位との間に、定電流あるいはパルス波
電流など、印加供給電流の値を違えて、それに伴う電位
差の変動を、中間の部位と部位との間で、各電位差
測定用金属配線１８の電位差で測定する。これにより、
部位と部位の間の電位差が、あらかじめ想定してい
た電位差値より大きいときには、複数の金属配線１１の
いずれかに故障が発生したものとして、直ちに故障の発
生を感知するとともに、中間の部位と部位とを順次
選択することにより、故障発生の位置を特定することが
できる。

【００２７】また、これにより、この故障発生までの時
間を計測して、かかる金属配線構造による，ビア近傍に
おける，エレクトロマイグレーション耐性をも評価する
ことができる。

【００２８】図３の等価回路によれば、電流源２１から
定電流を印加供給ながら、電圧計２２、電圧計２３、電
圧計２４及び電圧計２５のうち、測定しようとする金属
配線の位置に対応させて電圧計を選び、この電圧計の読
み値から、その部分の電位差を測定することが可能であ
る。例えば、図３における，電圧計２２で測定される電
位差は、同一の電流供給下において、図１における，電
圧計３１の１０倍の電圧が測定される。すなわち、例え
ば、被測定配線上の目的個所での，測定すべき電圧値
が、測定限界以下であるようなときでも、これによれ
ば、被測定配線上の目的個所と同じ条件のところを１０
箇所設定して，それを同時に測ることにより、測定すべ
き電圧の１０倍の電圧値として測定されるため、電圧計
３１による，測定可能な，高い感度の範囲で、その測定
結果を見定めることができ、この測定値からならば、配
線上の目的個所での変動がいかに微小でも、回路誤動作
と誤認することのない，高精度のレベルで、電位差値を
得ることができ、十分に信頼性のある測定が可能であ
る。

【００２９】このことから、本発明のエレクトロマイグ
レーション評価方法によれば、半導体装置の金属配線
の，ビア近傍などの微細個所で起こるエレクトロマイグ
レーション現象を、半導体装置において，測定回路での
誤動作はでない，高精度のレベルで感知して、適切に評
価することが可能になり、また、エレクトロマイグレー
ション故障の発生個所の特定も、より正確にできるよう
になる。さらには、半導体装置の各金属配線へのエレク
トロマイグレーション抑制対策を含めて、信頼性の高い
半導体装置の金属配線形成のためのプロセス開発が、一
段と効果的に行われるようになる。

【００３０】

【発明の効果】本発明のエレクトロマイグレーション評
価装置及び評価方法によれば、金属配線のビア近傍など
の微細個所に特化したエレクトロマイグレーション現象
の認識及び評価が、高感度、かつ高信頼性を持って可能
である。このため、半導体装置の金属配線へのエレクト
ロマイグレーション対策を強化し、半導体装置の金属配
線形成のためのプロセス開発を、一層効果的に行うこと
ができる，有用な知見を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエレクトロマイグレーション評価装置
の，金属配線パターンの平面図

【図２】本発明のエレクトロマイグレーション評価装置
の所定位置の断面図

【図３】本発明のエレクトロマイグレーション評価装置
の等価回路図

【図４】従来のエレクトロマイグレーション評価のため
の等価回路図

【符号の説明】

１１ 金属配線 １２ 下方ビア １３ 下層金属配線 １４ 絶縁膜 １５ 上方タップ １６ 上層金属配線 １７ 絶縁膜 １８ 電位差測定用金属配線 ２１ 定電流源 ２２，２３，２４，２５ 電圧計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M106 AA01 AA07 AA11 AB15 BA14 CA56 5F033 HH07 JJ07 KK07 VV12 XX37 5F038 DT11 DT12 EZ20

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上方に形成された金属の被膜
   からなる，複数の金属配線と、 前記複数の金属配線を直列に接続するための，前記金属
   配線の各両端で下方ビアにより接続された，下層金属配
   線と、 前記複数の金属配線の各線間にまたがって設けられた，
   多数の電位差測定用金属配線、及び前記電位差測定用金
   属配線の両端を前記金属配線の各線に接続するための上
   方タップと、 上方タップにより前記金属細線に接続され，前記多数の
   電位差測定用金属配線で直列に接続された前記金属細線
   の任意の箇所から導出される，上層金属配線とをそなえ
   たことを特徴とするエレクトロマイグレーション評価装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のエレクトロマイグレー
   ション評価装置を用いて、 前記下層金属配線を通じて、直列に接続された前記金属
   配線に定電流を印加供給しながら、前記上層金属配線を
   もって、前記上方タップにより直列に接続された前記複
   数の金属配線の，所定電位差測定用金属配線間におけ
   る，電位差を測定することにより、前記定電流印加供給
   中における，前記電位差測定用金属配線間の電位差変動
   を感知することを含むエレクトロマイグレーション評価
   方法。
3. 【請求項３】 半導体基板上方に形成された金属の被膜
   からなる，複数の金属配線と、 前記複数の金属配線を直列に接続するための，前記金属
   配線の各両端の上方ビアにより接続された，上層金属配
   線と、 前記複数の金属配線の各線間にまたがって設けられた，
   多数の電位差測定用金属配線、及び前記金属電位差測定
   用配線の両端を前記金属配線の各線に接続するための下
   方タップと、 下方タップにより前記金属細線に接続され，前記多数の
   電位差測定用金属配線で直列に接続された前記金属細線
   の任意の箇所から導出される，下層金属配線とをそなえ
   たことを特徴としたエレクトロマイグレーション評価装
   置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載のエレクトロマイグレー
   ション評価装置を用いて、 前記上層金属配線を通じて、直列に接続された前記金属
   配線に定電流を印加供給しながら、前記下層金属配線を
   もって、前記下方タップにより直列に接続された前記複
   数の金属配線の，所定電位差測定用金属配線間におけ
   る，電位差を測定することにより、前記定電流印加供給
   中における，前記電位差測定用金属配線間の電位差変動
   を感知することを含むエレクトロマイグレーション評価
   方法。