JP2005536871A - エレクトロマイグレーション試験装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

本発明はエレクトロマイグレーション試験装置に関し、該試験装置は、直流電流源（１０１）および交流電圧源（１０２）を有する。該試験装置は、直流電流源（１０１）および交流電圧源（１０２）に電気的接続される試験導電性パターン（１００）を有する回路（１０４）と、試験導電性パターン内のエレクトロマイグレーションを示す電気的パラメータを測定する測定器とをさらに有する。交流電圧源（１０２）は、直流電流源の直流電流に依存せず、試験導電性パターン（１００）に交流電流を提供し、それにより試験導電性パターン（１００）を所定の温度まで加熱するように調整される。

Description

本発明はエレクトロマイグレーション試験装置およびエレクトロマイグレーションの試験方法に関する。

マイクロエレクトロ部品への高まる要求によって、導体路信頼性の決定への試験に対してますます大きな関心が寄せられている。部品を損傷し得るメカニズムは、エレクトロマイグレーションである。エレクトロマイグレーションに関して、電流の作用による導体路内の材料輸送であると解されている。材料輸送は電子の流れの方向に起こる。これは、発生したいわゆる電子風によって、導体路材料の格子原子を切り離す。この材料輸送は、様々な損傷に導き得る。損傷は、例えばボイド、すなわち格子構造内の欠陥、およびそこから発展した導体路内の断線である。さらなる例は、いわゆる噴出し（Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）、すなわち導体路自体からの導体路材料の側方への流れ出しである。この噴出しは、隣接する導体路を短絡し、その結果、部品の損傷を引き起こし得る。エレクトロマイグレーションの量は、電子部品の寿命を決定するパラメータである。

エレクトロマイグレーションプロセスの強さは、主に、導体路の材料、温度、および導体路内の電流密度に依存する。ここで、エレクトロマイグレーションの程度は、温度上昇および電流密度の上昇にともなって増加する。エレクトロマイグレーションプロセスの強さは、電流密度の直流電流部分に決定される。対称交流電流は、エレクトロマイグレーションの強さにほとんど影響しない。対称交流電流によって引き起こされるエレクトロマイグレーションは、直流電流によって引き起こされるエレクトロマイグレーションと比べて、１００〜１０００倍、遅く発生する（非特許文献１、参照）。この文献から、交流電流と直流電流との重畳の際に、エレクトロマイグレーションの量は、直流電流によって生じる電流密度に支配されることが、明らかになる。これは、いわゆる電子風は優先方向を有さねばならず、それにより、電子風は導電性パターンの材料を効果的に１つの方向に移動させ得るということによって、容易に説明され得る。しかしながら、対称交流電流は、そのような電子風の優先方向を有さない。

現代の信頼性試験において、集積電子回路の製造中に、特定の試験パターンの試験が実施される。試験パターンは、通常、本来の部品とともに、同一の基板上にかつ同一の材料によって形成される。そのため、試験パターンは同一の製造プロセスにさらされ、その結果、最終生産物内の同様な導体路のエレクトロマイグレーション耐性の判断に使用され得る。

従来技術によれば、導電パターンにエレクトロマイグレーションによって引き起こされる可能性のある各損傷メカニズムに対して、特別のパターンが使用される。試験中に増加された負荷（ストレス）が課せられるその特別パターンに対して、エレクトロマイグレーションに影響するパラメータを、故意に影響させる。その結果、エレクトロマイグレーション耐性に関する結果が、短期間に得られる。

エレクトロマイグレーションの量を検査するために、試験パターン（例えば、金属導体路）はウェーハから切り取られ、セラミックケース内に据付けられる。セラミックケースは回路基板上に置かれる。続いて、回路基板は測定容器内に配置され、適切な熱オーブン内に置かれ、エレクトロマイグレーション試験を受ける。

エレクトロマイグレーションによって引き起こされ得る損傷は、上記されたように、例えば、いわゆるボイド、すなわち格子構造内の欠陥、およびそこから成長した、導電パターン例えば集積回路の導体路の断線である。そのような損傷を検査するために、例えば、対応する接続を有する簡単な導体路が使用される。導体路は、ストレス下に、すなわち高められた温度下に、および増加された電流密度下に置かれる。ここで、試験パターンが破壊されるまでの経過時間が測定される。この時間は、部品が影響下にあるエレクトロマイグレーションプロセスの強さの尺度を提供する。パターンの破壊までの時間およびブラック（Ｂｌａｃｋ）の方程式を用いて、通常の使用条件におけるパターンの平均寿命が算出され得る。

エレクトロマイグレーションによって引き起こされ得るさらなる損傷は、上記したように、例えばいわゆる噴出しの出現、すなわちエレクトロマイグレーションの影響による導体路からの材料の流れ出しである。この噴出しは短絡を導き、その結果、ウェーハ上に存在する電気回路を故障させ得る。

従来技術による試験装置の短所は、エレクトロマイグレーションに対する非対抗性を検査するための試験パターンすなわち導電性パターンが試験のためにまず準備されねばならない点にある。試験パターンが切り取られ、続いて試験装置内に再び配置されねばならない。この工程は労力および時間を費やし、その結果コストがかさむ。さらに、試験装置のために使用される回路基板は、耐熱性である必要がある。これにり、温度は４００°Ｃまでしか上昇できないこととなる。なぜなら、それより高温に損傷なく耐え得る回路基板は存在しないからである。また、この温度において長時間耐え得る回路基板は、ごく少量しか準備できない。そのため、３５０°Ｃを超える温度は、工業的に適用できない。

さらに、試験パターンに課せられるストレス、言い換えれば負荷は、制限された温度によって制限され、その結果、試験は、試験パターン内にエレクトロマイグレーションの程度に関する確固とした証が出現し得るまでに長時間を要する。

さらなる短所は、回路基板あるいは試験パターンの加熱のための外部オーブンの必要性である。使用される加熱オーブンは複雑であり、その使用はエレクトロマイグレーション検査の実施の際の追加費用の要因となる。

従来技術において、また、いわゆる自己加熱試験パターンが知られている。この試験パターンにおいては、試験パターンに対してストレス源として使用される直流電流を用いて、試験パターンを、試験導電性パターンのオーミック抵抗によって加熱することが、利用される。これにより、自己加熱試験パターンの場合は、外部加熱オーブンは省かれ得る。

しかしながら、この自己加熱試験パターンは、エレクトロマイグレーションに影響する２つの量が互いに結合されるという短点を有する。導電性パターン内の電流密度が温度上昇と無関係であることは、不可能である。電流密度の任意の増加は、導電性パターンの温度を上昇させる。これは、制限を受けないで検査される量のパラメータ範囲を制限することとなる。

Ｊ．Ａ．Ｍａｉｚ（非特許文献２、参照）において、エレクトロマイグレーションに対する非対称電流の影響が調査された。結果として、非対称電流の等価直流電流が、信号電流の中間値によって与えられることが示された。

米国特許第４，７３９，２５８号明細書には、エレクトロマイグレーション試験装置が示され、そこでは、ウェーハ面上に、各々が薄膜の導体路を有する若干の集積回路が形成されている。試験装置は、外部加熱器によって加熱され、薄膜導体路の抵抗変化は、温度に委ねられる。
Ｔ．Ｊｉｎｇらによる「Ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ Ｔｉｍｅ−Ｖａｒｙｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｒｔｅｓｓ」、Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ３８（３） （１９９８） ２９５〜３０８ページ Ｊ．Ａ．Ｍａｉｚによる「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ（ＢＣ） ａｎｄ Ｐｕｌｓｅｄ Ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ （ＰＤＣ） Ｃｕｒｒｅｎｔｓ」、Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、２７ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ、１９９８年４月、２２０〜２２８ページ 米国特許第４，７３９，２５８号明細書

本発明の課題は、外部のオーブンを用いることなく温度調整可能な簡易な試験装置を提供することにある。しかしながら、従来技術によれば自己加熱による試験パターンにおいて生じていたような温度量と電流密度量との好ましくない結合が、試験パターンにおいて生じてはならない。

この課題は、独立請求項による特徴を有するエレクトロマイグレーション試験装置およびエレクトロマイグレーションの試験方法によって解決される。

本発明によるエレクトロマイグレーション試験装置は、直流電流源および交流電流源を有する。さらに、試験装置は回路を有する。回路は、直流電流源および交流電流源に接続される少なくとも１つの試験導電性パターンを有する。さらに、試験装置は、試験導電性パターン内のエレクトロマイグレーションを示す電気的パラメータを把握するように構成された測定器を有する。エレクトロマイグレーション試験装置内において、交流電圧源は、直流電流源の直流電流に依存せず、試験導電性パターンに交流電流を提供するように構成される。交流電圧源によって生成された交流電流を用いて、試験導電性パターンは所定の、好ましくは設定可能な温度まで温度上昇される。

本発明による導電性パターンのエレクトロマイグレーションを試験する方法は以下の工程を有する。試験導電性パターンは、直流電流源および交流電流源と電気的に接続された電気回路に電気的に接続される。次の工程において、試験導電性パターンにエレクトロマイグレーションを引き起こす直流電流が、試験導電性パターンに供給される。さらに、本発明による方法は、試験導電性パターンを交流電圧源によって生成された交流電流によって加熱する工程を有する。ここで、交流電流は試験導電性パターン内にエレクトロマイグレーションを引き起こす直流電流に依存しない。さらに、本発明による方法は、試験導電性パターン内のエレクトロマイグレーションを示す電気的パラメータを把握する工程を有する。

本発明の装置および方法によって、外部のオーブンを用いることなく温度を調整する簡易な試験装置が提供される。それによって、従来技術によれば自己加熱による試験パターンにおいて生じていたような温度量と電流密度量との好ましくない結合が、回避される。試験パターンの加熱に使用される好ましくは対称交流電流は、それ自身によって試験パターン内にエレクトロマイグレーションを引き起こさない。本発明による試験パターンにおいて、試験パターンに提供される温度は、明らかに４００°Ｃより高い。なぜなら、本発明の装置および方法においては、試験パターンのみが加熱されるからである。回路基板自体には高温が提供されない。そのため、従来技術よる試験パターンにおいて、回路基板の選択の際に生じていた問題および制限（例えば、耐熱性）が、回避される。

従来技術による装置に対する本発明の装置のさらなる利点は、高い温度の使用が可能となり、それにより、試験パターンの一回の試験が短時間に実施され得ることにある。本発明の試験装置を用いることにより、エレクトロマイグレーションの検査が、分の領域の時間内において、特に、１０分から１００分の時間において可能である。時間短縮は、試験が基板平面（ウェーハ）上において直接行われ得ることを、可能にする。これによって大幅なコスト削減となる。なぜなら、上記された試験パターンを準備するための膨大な作業が省かれるからある。

本発明の好ましいさらなる形態は、従属請求項から明らかになる。

さらなる形態において、本発明によるエレクトロマイグレーション試験装置が詳細に記される。エレクトロマイグレーション試験装置の実施形態は、エレクトロマイグレーションの試験の方法にも適用される。

本発明によるエレクトロマイグレーション試験装置において、電気的パラメータは、好ましくは試験導電性パターンの電気抵抗である。

本発明によるエレクトロマイグレーション試験装置は、好ましくは電力を確定するための評価ユニットをさらに有する。評価ユニットは、好ましくは電圧測定装置および電流測定装置を有しする。電圧測定装置および電流測定装置は、電流測定装置が試験導電性パターンを流れる実効電流を測定し、電圧測定装置が試験導電性パターンの実効電圧を把握できるように、回路内に配置される。試験導電性パターンは、好ましくはアルミニウム、銅、あるいは銅およびアルミニウムの合金、あるいは例えば金または銅のような他の導電性材料からなる。

本発明によるエレクトロマイグレーション試験装置は、好ましくは制御装置をさらに有する。制御装置は、試験導電性パターンの温度が設定され、かつ所定の基準に一定に保持されるように交流電圧源を制御あるいは調整するように構成される。

本発明による試験装置の構成要素の少なくとも一部は、好ましくは半導体ウェーハ上に配置される。

好ましくは、交流電流源がパルス発生器内に組み入れられる。パルス発生器内には、好ましくは直流電圧源が組み入れられる。すなわち、パルス発生器は、好ましくはオフセットが提供された交流電流源として形成される。

好ましくは、交流電圧源は、１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲の周波数、特に好ましくは５ｋＨｚの周波数を有する交流電流を生成するように調整される。

さらに好ましくは、本発明による試験装置は、試験導電性パターンを加熱するように構成される熱オーブンあるいは熱板をさらに有する。これら熱オーブンによって、好ましくは、ほぼ２００°Ｃ〜２５０°Ｃのオフセット温度が調整され得る。

本発明の実施例が図面に示され、さらに詳細に説明される。

図１を参照して、本発明の一実施例によるエレクトロマイグレーション試験装置が詳細に説明される。

エレクトロマイグレーション試験装置は、試験導電性パターン１００を有するウェーハ１０８を含む。試験導電性パターン１００はアルミニウムからなる。

試験装置は、さらに直流電流源１０１を含む。直流電流源１０１は、試験導電性パターン１００と電気的に接続されている。直流電流源１０１は導電性パターン１００にストレスを付与するために使用される。すなわち、導電性パターン１００には、直流電流源の直流電流を用いて、導電性パターン１００内のエレクトロマイグレーションを加速する条件が提供される。このストレス条件は、電気部品の通常動作に対して増加された電流密度である。

試験装置は、さらにパルス発生器１０２を含む。これは、直流電流源１０１と試験導電性パターン１００との間に接続される。パルス発生器１０２は、ストレスとして機能する直流電流を対称交流電流に重畳する。対称交流電流は、導電性パターン１００のオーミック抵抗を用いて導電性パターンを加熱するために使用される。パルス発生器１０２は対称交流電流を使用するため、エレクトロマイグレーションは、対称交流電流の電流密度によってほとんど影響を受けることはない。交流電流は試験導電性パターン１００の加熱にのみ機能する。実施例に設定された温度は、２６２°Ｃである。温度は、実施例においては、導電性パターンの熱的な抵抗の増加の把握によって確定される。必要に応じて、交流電流の大きさは、導電性パターンに対して一定温度および一定ストレス条件を維持するために、再調整される。この温度への加熱に必要とされる交流電流の大きさは、２３．３ｍＡである。ストレス電流として機能する直流電流は、０．５ｍＡである。

試験装置は、さらに電流測定装置１０３を含む。電流測定装置１０３は、試験導電性パターン１００、直流電流源１０１、およびパルス発生器１０２と電気的に接続される回路１０４内に組み入れられる。電流測定装置１０３によって、導電性パターン１００を流れる実効電流が把握される。

本発明によるエレクトロマイグレーション試験装置は、さらに電圧測定装置１０５を含む。電圧測定装置１０５は、導電性パターン１００において第１の電圧プローブ１０６と第２の電圧プローブ１０７との間で降下する実効電圧を把握する。ここで、第１の電圧プローブ１０６は導電性パターンの開始領域に配置され、第２の電圧プローブ１０７は導電性パターンの終了領域に配置される。

エレクトロマイグレーション試験装置は、さらにコンピュータ（図示されず）を含む。コンピュータは、電圧測定装置１０５および電流測定装置１０３によって把握された値を読み込む。コンピュータは、把握され、読み込まれた値を用いて、試験導電性パターン１００の抵抗を決定する。そのようにして決定された抵抗によって、試験導電性パターンの温度（ストレス温度）が決定される。コンピュータは、さらに、ストレス温度は一定となるように交流電流の大きさを再調整するように、構成される。

試験導電性パターン１００は、半導体ウェーハの円盤平面上に直接配置される
図２は、導電性パターン１００の本発明によるエレクトロマイグレーション試験装置によって決定された抵抗の時間変化を示す。抵抗を決定するためのパラメータは、２６２°Ｃの温度に対応する、２３．３ｍＡの交流電流であった。課されたストレス電流は０．５ｍＡである。試験は、およそ１０、０００秒の期間、実施された。測定期間の最後において、所定抵抗の跳躍的な上昇２０９が明らかに認められる。

この地点において、エレクトロマイグレーションは試験導電性パターンの損傷を引き起こし、これに続いて、１つあるいは多数のボイドが、導体材料の導体断面の大幅な減少を引き起こす。それにより抵抗が急激に上昇する。好ましくは、エレクトロマイグレーションの検査のための試験は、電気抵抗の著しい増加が確認されるまで続く。

要約すれば、本発明は、速く、簡易であって、かつ経済的な、エレクトロマイグレーションを試験する導電性パターンの試験を可能にする。本発明によるエレクトロマイグレーション試験装置は、一方において、試験導電性パターンの加熱のためのいかなる外部加熱オーブンを必要としない。他方、本発明の実施形態は、従来技術による自己加熱試験パターンの短所、すなわち、試験導電性パターン内のエレクトロマイグレーションに影響する温度および電流密度の両パラメータが結合されるという短所を示さない。

本発明の一実施形態によるエレクトロマイグレーション試験装置を示す。 導電性パターンの抵抗の時間変化を示す測定曲線である。

符号の説明

１００ 試験導電性パターン
１０１ 直流電流源
１０２ パルス発生器
１０３ 電流測定装置
１０４ 回路
１０５ 電圧測定装置
１０６ 第１の電圧プローブ
１０７ 第２の電圧プローブ
１０８ ウェーハ
２０９ 電圧上昇

Claims (12)

1. エレクトロマイグレーションを試験する装置であって、
   直流電流源と、
   交流電圧源と、
   該直流電流源および該交流電圧源に電気的に接続される少なくとも１つの試験導電性パターンを有する回路と、
   該試験導電性パターン内のエレクトロマイグレーションを示す電気的パラメータを把握するように構成される測定器とを備え、
   該交流電圧源は、該直流電流源の直流電流に依存せず、該試験導電性パターンに交流電流を提供し、それにより該試験導電性パターンを所定の設定可能な温度まで加熱するように構成される、エレクトロマイグレーション試験装置。
2. 前記電気パラメータは前記試験導電性パターンの抵抗である、請求項１に記載の装置。
3. 電力を確定するための評価ユニットをさらに備え、
   該評価ユニットは電圧測定装置および電流測定装置を有し、該電圧測定装置および電流測定装置は、前記試験導電性パターンを流れる実効電流および該試験導電性パターンの実効電圧を把握できるように前記回路内に配置される、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記試験導電性パターンの前記温度を一定に保持するように前記交流電圧源を制御するように構成される制御装置が設けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記試験導電性パターンは、半導体ウェーハ上あるいはその内部に配置される、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記交流電流源および前記直流電流源は、１つのパルス発生器内に組み入れられている、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記試験導電性パターンを加熱するように構成される熱オーブンをさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 導電性パターンのエレクトロマイグレーションを試験する方法であって、以下の工程：
   試験導電性パターンを、直流電流源および交流電流源と電気的に接続された回路に電気的に接続する工程と；
   該試験導電性パターン内に該エレクトロマイグレーションを引き起こす直流電流を該試験導電性パターンに供給する工程と；
   該試験導電性パターンを該交流電流によって加熱する工程であって、該交流電流は該試験導電性パターン内に該エレクトロマイグレーションを引き起こす直流電流には依存しない、工程と；
   該試験導電性パターン内の該エレクトロマイグレーションを示す電気的パラメータを把握する工程と
   を包含する、方法。
9. 電気的パラメータとして、前記試験導電性パターンの抵抗が把握される、請求項８に記載の方法。
10. 前記試験導電性パターンを流れる実効電流および該試験導電性パターンの実効電圧を把握し、それにより電力を決定する工程を、さらに包含する、請求項８または９に記載の方法。
11. 評価ユニットによって、前記試験導電性パターンの前記温度が一定に制御される、請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記試験導電性パターンが、半導体ウェーハ上あるいはその内部に形成される、請求項８から１１のいずれか一項に記載の方法。