JP2930766B2 - メタル配線寿命の評価方法 - Google Patents
メタル配線寿命の評価方法Info
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Description
れたメタル配線の恒温放置試験での寿命評価方法に関す
るものである。
ゆるストレスマイグレーション寿命の評価方法は以下の
ように行われている。まずテストサンプルをパッケージ
内に組立て、恒温(例えば150℃)に制御された恒温
槽に入れる。そして一定時間毎にサンプルを取り出して
配線が断線していないか、又は配線抵抗を測定する。測
定後、再び同じ恒温槽に戻して放置試験を継続する。こ
の作業を過半数以上のサンプルか断線又は初期抵抗の1
0%増に至るまで繰り返す。この作業のフローチャート
を図5に示す。不良カテゴリー別に10%抵抗増不良に
ついて累積不良率と試験時間の関係を対数正規確率紙に
プロットする。一例を図4に示す。
率TF が5%に至るまでの時間を表内にまとめている。
同様に断線不良についても累積不良率と試験時間の関係
をプロットし、TF =5%に至るもでの試験時間を求め
る。恒温放置寿命の強さは一般に、断線不良又は配線増
加不良について累積不良率が50%に至るまでの試験時
間の長さで表わし、長いほど長寿命と言える。場合によ
っては結果を早く知るために累積不良率が前述の例のよ
うに5%に設定する場合もある。但しこの場合は結果の
信ぴょう性を高めるため試験サンプル数を多くとる必要
がある。不良に至る時間はサンプル構造に大きく依存す
るが、筆者らの経験では断線まで試験を行なうには極度
に長い日数を要し、予定の期限に間に合わなくなること
が多いので、通常、抵抗増不良(通常10%増)につい
て累積不良率を何%に設定するかをサンプル数との兼ね
合いで決めている。10%抵抗増を不良と定義した時の
寿命と断線不良までの寿命とは比例関係があるので、断
線不良よりもむしろ抵抗増不良の方が良く用いられてい
る。
べたいずれの方法でも試験時間が非常に長くかかるとい
う問題点があった。例えばLSIに通常、用いられてい
るAl配線では150℃程度の低温でも塑性変形が起こ
るが、そのクリープ速度(歪速度)は極めて小さく、短
時間では抵抗増や断線には至らない。また温度を上げて
もエレクトロマイグレーション寿命{tSO=AJ-nex
p(Q/kT)}(A:定数、J:電流密度、n:2、
Q:活性化エネルギー、k:ボルツマン定数、T:サン
プル温度(°K)のように温度に対して寿命をアレニウ
スプロットしても直線関係にはないので、加速係数を大
きくできない。
故障に直結するので最適であるが、欠点は試験時間が1
0,000Hを越える場合もめずらしくなく、非常に長
時間かかる。一方、10%抵抗増不良も断線不良よりは
短時間で結果がでるが、それでも3,000Hの試験時
間で累積不良率は50%に満たず、やはり結果がでるの
に時間がかかることは問題となっていた。さらにこの方
法は10%抵抗増を不良としているが、デバイス特性が
10%の配線抵抗上昇で劣化又は故障するか否かは、デ
バイスの種類にも依存すると思れるが、まだよくわかっ
ていない。このように従来は、いずれの方法でも評価に
時間がかかるという欠点があった。
長い欠点を除去するため、他の不良特性に着目して比較
的短時間で恒温放置寿命を求めることを目的とする。
の恒温放置試験での寿命評価方法において、第1の実施
例として、メタル配線が塑性変形する結果、生じるボイ
ドの発生速度を不良特性として評価するようにしたもの
である。
%増に至る時間ではなく、初期の減少傾向から飽和に転
ずる時間と、飽和から増加に転ずる時間により寿命を評
価するようにしたものである。
用が生じる。
により寿命を評価するようにしたので、評価時間を大幅
に短縮できる。
中間段階で寿命が推定できるので、従来よりはるかに短
時間でストレスマイグレーション寿命の定量評価が可能
となる。
で、ウェハ状態のまま恒温槽に入れた時の多数のAl合
金配線の恒温放置で発生するボイド数及び配線抵抗変化
の平均値を示している。
配線長当たりに、配線幅の1/3以上の大きさのAl欠
損箇所を指す。図1のボイド曲線上に示した各測定イン
ターバル間で発生するボイド数(ボイドの発生速度)
は、初期段階で大きく徐々に小さくなる傾向がある。
又、初期のボイド発生速度が小さいサンプルほど配線抵
抗の減少量も大きく、且つ、減少傾向を示す期間も長い
ことがわかる。従って抵抗が増加傾向に転ずる時期も長
くなる。然るに配線抵抗が増加傾向に転ずる時期、これ
は断線時間と比例関係にあるので、断線寿命はボイド発
生速度と反比例の関係にある。従ってボイド発生速度よ
り断線寿命を推定することができる。先程も述べたよう
にボイド発生速度は初期段階での有意差が顕著に現われ
る。サンプルAの最初のインターバルで発生速度は1.
4個/Hであり、以後、0.52,0.55と減少し、
800Hでは0.11と1/10以下まで減少する。従
って300Hまでのボイド総数との比をボイド発生率と
定義し、計算すると 100/300=0.33個/hour、同様にサンプ
ルBは 200/300=0.66個/hour であるから、発生率はサンプルAに比べて2倍大きい。
即ち断線寿命はサンプルBがサンプルAの半分であるこ
とがわかる。
評価を行ない、ストレスマイグレーション寿命のモデル
式の定数A′及び活性化 tF =5%=A′・T・σ-n・exp(Q/kT) σ:メタル配線の応力、n:6,k:ボルツマン定数 T:サンプル温度 エネルギーQを求める。
合金配線の一定温度放置での配線抵抗の経時変化を示
す。ウェハ上にスパッタ法で成膜した金属膜を加工して
作った配線パターンの抵抗は一般に、試験初期は結晶歪
の回復や結晶成長が起こるため抵抗は試験前より減少す
る。そして減少が止まりB点に達すると飽和傾向を示
す。一定時間、飽和値を示した後C点以降になると配線
の粒界などにボイドが発生するため抵抗は増加に転ず
る。以後は比較的単調に増加してゆき、抵抗増10%の
D点を経由して最後は断線に至る。
(tD ′)を故障時間として比較し、破線のサンプルの
方が長寿命と判断していた。実施例では、tD =k
tB ,tD ′=ktB ′(k>1)の関係を利用し、t
B とtB ′を測定することによりtD とtD ′を見積も
るものである。さらに見積もり精度を上げるには、tC
とtc ′まで測定し、t1D=k1 tC ,t1D′=k1 t
C ′(k1 >1)の関係を利用しt1D,t1D′を見積
り、実線サンプル寿命(tD +t1D)×1/2と破線サ
ンプル寿命(tD ′+t1D′)×1/2で寿命を推定す
る方法をとる。尚、比例係数k,k1 は同一形成方法で
成膜したAl配線サンプルについて予め、抵抗増10%
まで試験し、tB ,tC ,tD を求めて計算しておく必
要がある。筆者らの実験データではk,k1 のバラツキ
は比較的小さかった。このようにB点及びC点を不良の
代替特性とし、試験サンプル総数の内、累積不良率が5
%又は50%になった時の試験時間を各々tF =5%寿
命、tF =50%寿命として求める。これ以降は従来と
同様にストレスマイグレーション寿命のモデル式tF =
50%=A′・T・σ-n・exp(Q/kT)(A′:
定数、σ:メタル配線の応力)にtF =50%、Tを代
入して活性化エネルギーQ、定数A′を求め、実使用条
件70℃での寿命を計算し、信頼性基準を満たしている
か否かを判断する。
又はtCまで試験する。
D =ktB ,t1D=k1 tC を計算する。
増に至る試験時間とする。
プル総数の5%又は50%がなった時点を5%不良寿命
tF =5%、又は50%不良寿命tF =50%として求
める。
レスマイグレーションのモデル式に代入してA′,Qを
求める。
比較すべきサンプルについて測り、大小関係により定量
評価を行なう。
よれば、第1の実施例では恒温放置試験の初期段階での
ボイドの発生速度の差により寿命を評価するようにした
ので、評価時間を大幅に短縮できる。またウェハ状態の
まま試験が可能で、且つウェハ内の多数の配線サンプル
について光学顕微鏡で迅速に評価できるのも大きな利点
である。
階又は中間段階で寿命が推定できるので、従来よりはる
かに短時間でストレスマイグレーション寿命の定量評価
が可能となる。
Claims (4)
- 【請求項1】 半導体ウェハ上に形成されたメタル配線
の恒温放置試験での寿命評価方法として、前記メタル配
線が塑性変形することにより生じるボイドの発生速度を
不良特性として評価することを特徴とするメタル配線寿
命の評価方法。 - 【請求項2】 半導体ウエハ上に形成されたメタル配線
の恒温放置試験での寿命評価方法として、前記メタル配
線抵抗値の経時変化のうち、試験初期段階の抵抗減少傾
向から飽和に転ずる時点の試験時間を不良特性として評
価することを特徴とするメタル配線寿命の評価方法。 - 【請求項3】 半導体ウエハ上に形成されたメタル配線
の恒温放置試験での寿命評価方法として、前記メタル配
線抵抗値の経時変化のうち、試験中間段階の抵抗飽和傾
向から増加に転ずる時点の試験時間を不良特性として評
価することを特徴とするメタル配線寿命の評価方法。 - 【請求項4】 請求項2記載の不良特性と請求項3記載
の不良特性との平均値を不良特性とすることを特徴とす
るメタル配線寿命の評価方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11318591A JP2930766B2 (ja) | 1991-05-17 | 1991-05-17 | メタル配線寿命の評価方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11318591A JP2930766B2 (ja) | 1991-05-17 | 1991-05-17 | メタル配線寿命の評価方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04340739A JPH04340739A (ja) | 1992-11-27 |
JP2930766B2 true JP2930766B2 (ja) | 1999-08-03 |
Family
ID=14605712
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11318591A Expired - Lifetime JP2930766B2 (ja) | 1991-05-17 | 1991-05-17 | メタル配線寿命の評価方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2930766B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4611602B2 (ja) | 2002-05-29 | 2011-01-12 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | 配線設計方法 |
-
1991
- 1991-05-17 JP JP11318591A patent/JP2930766B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH04340739A (ja) | 1992-11-27 |
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