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

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体装置に形成さ
れたメタル配線の恒温放置試験での寿命評価方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】従来の恒温放置試験での配線寿命、いわ
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。
【0003】この例では各試験温度Taの時の累積不良
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。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上述
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。
【0005】断線法は不良特性としてはデバイス特性の
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。
【0006】この発明は、以上述べた試験日数が非常に
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。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は、メタル配線
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。
【0008】また第2の実施例として、従来の抵抗10
%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。
【0009】
【作用】本発明は前述のような手段としたので以下の作
用が生じる。
【0010】第1の実施例では、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。
【0011】第2の実施例では放置試験の初期段階又は
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。
【0012】
【実施例】図1はこの発明の第1の実施例を示すもの
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。
【0013】ここでボイドとは図3に示すように、一定
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。
【0014】これ以降は恒温放置温度を変更して同様な
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。
【0015】図2はこの発明の第2の実施例を示すAl
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。
【0016】従来はDとD′点に至る時間tD
(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
B ,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 C ,t1D′=k1
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。
【0017】まとめると、定量的評価方法では tB
又はtCまで試験する。
【0018】 予め求めていた定数k,k1 によりt
D =ktB ,t1D=k1 C を計算する。
【0019】 (tD +t1D)×1/2を10%抵抗
増に至る試験時間とする。
【0020】 tB ,tC で定義される不良に、サン
プル総数の5%又は50%がなった時点を5%不良寿命
F =5%、又は50%不良寿命tF =50%として求
める。
【0021】 tF =5%,tF =50%を前記スト
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。
【0022】次に定性的評価法はtB 又はtB とtC
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。
【0023】
【発明の効果】以上、詳細に説明したようにこの発明に
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。
【0024】また第2の実施例では、放置試験の初期段
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。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の説明図。
【図2】本発明の第2の実施例の説明図。
【図3】Al配線の生じるボイドの模式図。
【図4】恒温放置試験結果の一例。
【図5】従来の恒温放置試験の配線寿命評価方法。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
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