JP4148911B2 - エレクトロマイグレーション評価装置およびそれを用いた半導体装置の配線信頼性評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般にエレクトロマイグレーション評価装置に関するものであり、より特定的には、ＬＳＩ（large-scale-integration）におけるビアのエレクトロマイグレーション信頼性試験を簡単にかつ効率的に行なうことができるように改良されたエレクトロマイグレーション評価装置に関する。この発明はまたそのようなエレクトロマイグレーション評価装置を用いた半導体装置の配線信頼性評価方法に関する。

ここで、エレクトロマイグレーションとは、金属配線を構成する金属原子が、電子（エレクトロン）との衝突により移動する現象をいう。高温環境下にてある一定以上の電流密度の電流を金属配線に流し続けると、エレクトロンマイグレーションによる金属原子の移動が発生し断線不良などを起こす。エレクトロマイグレーションの発生については、電流密度と温度が大きな要素となる。エレクトロマイグレーションは、ある条件下で金属配線に電流を流し続けることによって顕在化する現象であり、配線寿命に直接影響する。

ＬＳＩの微細化が進むにつれ、ＬＳＩ上の配線寸法は縮小し続けており、また異なる配線層を接続するためのビアの径も縮小し続けており、最近では２００ｎｍ以下の配線幅、２００ｎｍ以下のビア径になっている。配線幅が小さくなると配線の抵抗値が大きくなるだけでなく、配線に流れる電流密度も高くなるため、エレクトロマイグレーションによる配線の信頼性の劣化の問題およびビアの信頼性の劣化の問題が生じてきている。

この２つの問題を解決するために、従来のアルミ配線とタングステンプラグのビアとの組み合わせによる配線構造から、比抵抗率が低く、かつエレクトロマイグレーションに対する耐性が高い銅による、配線及びビアの組み合わせによる配線構造へと使用が移り変わるようになった。

銅配線を用いることによって、従来のアルミ配線に比べて、エレクトロマイグレーションに対する寿命は、一般に１０〜１００倍程度長くなった。しかし、一方、ビア部分での寿命（エレクトロマイグレーションの耐性）は、ビアと配線界面の影響等のために、配線部分ほどは上がっていない。このため銅配線を用いたＬＳＩでは、ビア部分でのエレクトロマイグレーションの評価が重要となっている。

従来、ビア部分のエレクトロマイグレーションの試験方法には、図５に示すようなビア−配線構造を有するエレクトロンマイグレーション評価装置が用いられている。

図５を参照して、従来のエレクトロンマイグレーション評価装置は、絶縁膜（図示せず）を介在させて上下に設けられた上層配線１と下層配線３と、絶縁膜中に設けられ、上層配線１と下層配線３を接続する２個のビア２とを備える。ビア２と上層配線１と下層配線３とからなる試験パターンに、オーブン等により与えられる高温雰囲気中で、ある一定のストレス電流を、定電流源６より電流印加パッド５を通じて印加することで加速試験を行ない、随時に電圧測定パッド４を通じて電圧計７により抵抗値を観察し、その抵抗の変化率が例えば１０％変化したところを、そのストレスでの寿命とするのが一般的である。

ここで平均寿命：ＭＴＦ（メディアン寿命［ｈ］）は、次のようなＢｌａｃｋの経験式で表される。
ＭＴＦ＝Ａ×Ｊ^−ｎ×ｅｘｐ（Ｅａ／ＫＴ）
ここで、Ａ：配線固有の係数、Ｊ：電流密度［Ａ／ｃｍ^２］、ｎ：電流密度依存性を示す係数、Ｅａ：活性化エネルギー［ｅＶ］、Ｋ：ボルツマン定数（８．６１６×１０^５ｅＶ／Ｋ）、Ｔ：絶対温度［Ｋ］である。

この式からわかるように寿命は、温度が高いほど、もしくは電流密度が高いほど、短くなるため、温度及び電流を実際の使用条件より高い条件で加速試験を行なうことで、試験時間の短縮化を行ない、そこから得られた寿命と加速試験時の温度、電流密度からＢｌａｃｋの式より、実際の使用条件での寿命を推測する。これによって、エレクトロマイグレーション信頼性を評価する。正確な寿命を推測するためには、ストレス温度の正確な観察が必要である。

加速試験を短時間で済ませ、測定による時間ロスを少なくするためには、ストレス温度を上げることで解決できるが、一般的なオーブンでは４００℃程度が上限であり、特にアルミ配線用に用いられていたオーブンでは２５０℃程度が限界となる。したがって、銅配線を用いた場合には、試験時間の長時間化を引き起こすこととなる。

また、ストレス電流を上げることで試験時間を短縮化することが可能であるが、この場合、電流を上げるにつれ、ジュール発熱が発生し、配線の温度が上昇するので、オーブンにより与えられる雰囲気温度に加えて、ジュール発熱の温度も考慮する必要がある。

配線のパターンでは、抵抗の上昇率等より、ジュール発熱の温度を比較的に簡単に把握できるが、ビア部分に関しては、次の理由により、ジュール発熱による温度上昇の把握は困難となる。

第一に、ビア部分の抵抗値が配線部分の抵抗値に対して小さく、ビア部分の抵抗上昇率が見積もりにくい。第二に、ビア自体の発熱が上下につながった配線へ放熱するため、この影響で、ビア全体が均一な温度になりにくい。第三に、ジュール発熱によるビアの発熱そのものが、ビアの体積が小さいため小さい、また、周囲の絶縁膜や配線に放熱しやすいので、充分に長い配線に比べ発熱しにくい。

ＬＳＩ内の配線とビアに則したエレクトロマイグレーションの評価を行なうためには、エレクトロマイグレーション評価装置の構造を、次の現象を考慮した形にする必要がある。

Ｂｌｅｃｈ効果とよばれ、電子によって押し流された原子が下流側に溜まることで、その部分に圧縮応力が発生し、上流側では原子が流れ出るため引張応力が発生する。配線の距離が短いほど応力勾配が大きくなり、エレクトロマイグレーションを妨げる方向に力が働くために、原子移動が平衡状態になり、エレクトロマイグレーションが発生しなくなるという現象がある。

この現象は、下記のような式で表される。
Ｊ×Ｌ＝Ｂ
ここで、Ｊ：電流密度、Ｌ：Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｌｅｎｇｔｈ、Ｂ：定数である。

エレクトロマイグレーションが発生し始める配線長Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｌｅｎｇｔｈは、電流密度に反比例することがわかる。ここで、定数Ｂは配線の材質および試験温度によって変わり、銅においては２５００Ａ／ｃｍ〜４０００Ａ／ｃｍ程度である。

ＬＳＩ内のすべての配線に接続されたビアのエレクトロマイグレーション信頼性を保証するような評価を行なうためには、ビアに接続する配線の長さは充分に長くし、Ｂｌｅｃｈ効果の影響を少なくする必要がある。

また、ビアに接続されている配線の余剰(オーバーラップ)部分が大きいと、ビア部分の原子が押し流されても、オーバーラップ部分から原子が供給されるため、エレクトロマイグレーションが発生しにくくなる現象がある。

これらのことを考慮すると、図５に示すような２個のビア２と上層配線１もしくは下層配線３を組み合わせたエレクトロマイグレーション評価装置を各チップ単位でパッケージした後、オーブンで加熱しながら、２ＭＡ／ｃｍ^２以下のストレス電流を印加することで、ジュール発熱をなるべく抑えるようにして評価するのが一般的である。ちなみに、図５では、ビア２，２間の配線が上層配線１で行なわれた例が示されている。

しかし、この方法では前述の通りに、温度加速および電流加速も制限されるために、銅のようなエレクトロマイグレーション耐性の高い材料では、ストレス時間の長時間化が必然的に生じてくる。

また、上記のようなオーブンを使った測定方法では、評価パターンをチップ化し、セラミック製のパッケージに封入する必要があるために、高コスト化し、またパッケージのための時間ロス等が発生する。一方で、問題の起こったウェハーをすばやく評価したいニーズがあるために、ウェハーレベルでのエレクトロマイグレーション評価が切望されている。

そこで、高電流のストレスを印加することで、電流加速だけでなく、ジュール発熱により、２００℃〜５００℃に配線そのものの温度をあげることで、ウェハーレベルで極短時間で、エレクトロマイグレーションを評価する手法も一般化されつつある。この場合も、ビア部分のエレクトロマイグレーションを評価する場合は、前述したビア部分の発熱の見積もりが困難になる。

そこで、図６に示すようなエレクトロマイグレーション評価装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このエレクトロマイグレーション評価装置は、２個のビア２と上層配線１と下層配線３とを備える。下層配線３の下にさらに下層の発熱用配線２６が設けられている。ビア２と上層配線１と下層配線３とからなる試験パターンに、ある一定のストレス電流を、定電流源６より電流印加パッド５を通じて印加することで加速試験を行ない、随時に電圧測定パッド４を通じて電圧計７により抵抗値を観察する。ここまでは、従来のエレクトロマイグレーション評価装置と同じであるが、発熱用配線２６にヒータ用電流源９からヒータ用電流印加パッド８を通じて電流を供給し、発熱用配線２６でジュール発熱させることにより温度加速し、ストレス電流はオーブンを用いたときと同程度で行なう点で異なっている。これによって、ウェハーレベルにおける正確なエレクトロマイグレーション評価が行なわれている。

特開平６−１５１５３７号公報

しかし、特許文献１に開示された手法では次のような問題が発生する。第１に発熱用配線２６に電流を印加するためのヒーター用電流源９が余分に必要になり、測定を行なうために初期コストがかかってしまうこと、第２に発熱用配線２６を形成するために余分な工程が必要となり、作成に時間とコストがかかること、第３に発熱用配線２６自体がエレクトロマイグレーションにより断線してしまう可能性があることが問題になる。

この発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、ビアを含む配線構造のエレクトロマイグレーションに対する信頼性評価を短時間で、正確に、かつ安価に行なうことができるように改良されたエレクトロマイグレーション評価装置を提供することを目的とする。

この発明の他の目的は、そのようなエレクトロマイグレーション評価装置を用いる、半導体装置の配線信頼性評価方法を提供することにある。

この発明にかかるエレクトロマイグレーション評価装置は、下層配線とビアと上層配線とビアを電気的に直列に接続したパターンを複数個電気的に直列に接続し、これを、折り返し部分を設けて複数列に並ぶように構成してなる。上記複数列に並べられたパターンの周囲に、1周以上もしくは１列分以上の長さを有する、ジュール熱を発生させて当該装置を周囲から加熱するための配線がさらに設けられている。

このように構成することにより、各配線からのジュール発熱が相補的になり、ひいては、この評価装置内の温度を一定化させることができる。また、上記複数列に並べられたパターンの周囲に、1周以上もしくは１列分以上の長さを有する、ジュール熱を発生させて当該装置を周囲から加熱するための配線がさらに設けられている。また、両端のビアに挟まれた上記折り返し部分の長さは、２０μm以上であるのが好ましい。このように構成することにより、評価対象のビアが周囲温度の影響を受けにくくなるので、評価装置の規模を小さくすることができ、また、パッド等の大きなパターンからの距離も離すことができる。

この発明の好ましい実施態様によれば、上記下層配線及び上層配線の１個当りの長さは、２０μm以上１０００μm以下である。この範囲の値より短いと、発熱が起こりにくくなり、かつ、Ｂｌｅｃｈ効果により、エレクトロマイグレーションも起こりにくくなり、好ましくない。この範囲の値より長いと、抵抗が高くなり、電流を流したときに配線端の電圧差が大きくなり、ひいては、測定器の限界や線間絶縁膜の耐圧が問題になり、好ましくない。

上記下層配線及び上層配線の幅は、０．０５μm以上１０μm以下であることが好ましい。

幅の狭さの限界はプロセス（微細化度合い）に依存し、０．０５μm以上が好ましい。幅がこの範囲より広いと電流密度が下がり、発熱が起こりにくくなるので、測定器の電流値限界によっては発熱しなくなる。

上記下層配線及び上層配線の膜厚は、０．１μm以上１μm以下であることが好ましい。

膜厚は設計またはプロセスに依存し、０．１μm以上が好ましい。膜厚がこの範囲より厚いと電流密度が下がり、発熱が起こりにくくなり、測定器の電流値限界によっては発熱しなくなる。

上記下層配線及び上層配線はアルミ配線によって構成されており、上記ビアはタングステンプラグによって構成されている。

また、上記下層配線及び上層配線は銅配線によって構成され、上記ビアは銅で形成されてもよい。このように構成することにより、今後主流となる銅配線に対応することができる。

この発明の他の局面に従う半導体装置の配線信頼性評価方法は、上述のエレクトロマイグレーション評価装置を用いることを特徴とする。

この発明によれば、各配線からのジュール発熱が相補的になり、ひいては、この評価装置内の温度を一定化させることができる。また、ジュール発熱を利用することで、短時間に測定を終了できる。その結果、ＬＳＩにおけるエレクトロマイグレーション評価を正確にかつ短時間に行なうことができる。

この発明のさらに他の局面にかかる方法は、ビアを含む試験配線を電流と電流によるジュール発熱による自己発熱で加速的に劣化させて評価するエレクトロマイグレーション信頼性評価方法にかかり、下層配線とビアと上層配線とビアを電気的に直列に接続したパターンを複数個電気的に直列に接続し、これを、折り返し部分を設けて複数列に並ぶように構成し、上記複数列に並べられたパターンの周囲に、１周以上もしくは１列分以上の長さを有する、ジュール熱を発生させて当該装置を周囲から加熱するための配線がさらに設けられたエレクトロマイグレーション評価装置を用いて行なうことを特徴とする。

ジュール発熱を利用した自己発熱法のエレクトロマイグレーションにおいては、ビア部分の温度を効率的にあげるだけでなく、折り返し配線することでジュール発熱を効率的に活用できるために、比較的に低い電流で同等の温度に上昇させることができ、ひいては、測定器の電流容量を低くおさえることができ、測定器の電圧容量もその分低くできる。

上記下層配線及び上層配線の１個当りの長さは、１０μm以上であるのが好ましい。

この発明の他の実施態様によれば、両端のビアに挟まれた上記折り返し部分の長さが２０μm以上であるエレクトロマイグレーション評価装置を用いて行なう。

上記下層配線及び上層配線がアルミ配線によって構成されており、上記ビアがタングステンプラグによって構成されていてもよい。また、上記下層配線及び上層配線が銅配線によって構成され、上記ビアが銅で形成されていてもよい。

本発明によれば、加速試験法を用いたビアのエレクトロマイグレーション測定において、高電流ストレスで加速でき、ビア部分の温度も簡単に把握できるために、短時間でかつ正確に測定を行なうことができ、また今後主流となる銅配線に対応することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。なお、従来例と同一または相当する部分には、同一の参照番号を付し、その説明を繰り返さない。

均一なジュール発熱を行なうためには、配線幅及び配線厚が小さく、かつ配線長が大きい構造にし、さらに、大きな面積を持つ配線に短距離で接続しないことや近傍に放熱源となる配線を配置しないことが重要である。しかし、ビアにおいては前述の通り、そのような構造を形成することは難しく、均一なジュール発熱を行なうことが困難である。

図７に、０．２μｍ径×０．４μｍのビアと０．２μｍ幅×０．３５μｍ厚×７０μｍ長の単層配線における、ストレス電流とジュール発熱による温度の相関グラフを示す。

この構造においては、配線の方がビアより印加電流に対して発熱しやすいことがわかる。
また、配線においても配線の周囲に大きな配線があったり、これに直接つながっていたりすると、そこへの放熱が大きくなり、配線内のジュール発熱が不均一になりやすく、また配線の長さが短い場合も配線内のジュール発熱が不均一になりやすい

そこで、図１に示すように、上層配線１とビア２と下層配線３を交互に接続し、かつ、これを折り返し部分１０を設けて複数列に並ぶように構成することで、各配線１，３からのジュール発熱が相補的になり、ひいては、この評価装置内の温度を一定化させることができ、配線温度とビア部分温度が同一となる。上層配線１及び下層配線３を長くすることで、ジュール発熱の均一化ができ、Ｂｌｅｃｈ効果の影響も少なくできる。

図１の評価装置では、上層配線１とビア２と下層配線３の繰り返し回数が少ないと、周辺への放熱によって、外周部での温度低下による影響が無視できなくなる。

そこで、図２に示すように、定電流源６につながる配線の始点と終点に１列分以上の配線１１を設けることや、折り返し部分１０の配線を充分に長くすることで、エレクトロマイグレーション評価装置内のビア２部分における温度をさらに均一化することができる。このように構成することにより、評価装置内の温度が均一になるので、ストレス電流印加時の抵抗の上昇率と予め求めた温度係数からビアの温度が導出できる。

ジュール発熱を利用した自己発熱法のエレクトロマイグレーションにおいても、上記の構造は有効である。ビア部分の温度を効率的にあげるだけでなく、折り返し配線することでジュール発熱を効率的に活用できるために、比較的に低い電流で同等の温度に上昇させることができ、測定器の電流容量を低く抑えることができ、測定器の電圧容量もその分低くできる。したがって、図６の装置で設けられたような、発熱用配線２６も必要がない。

また、アルミ配線用の、オーブン温度が低いエレクトロマイグレーション測定器を用いて、銅配線を評価する場合でも、本発明を用いればビア部分の温度を把握できるので、オーブンの限界温度とストレス電流によるジュール発熱を利用することで、短時間に測定を終了できる。

これにより、ＬＳＩにおけるエレクトロマイグレーション評価を正確にかつ短時間に行なうことができ、今後主流となる銅配線に対応することができる。また、Ｂｌｅｃｈ効果等のエレクトロマイグレーション測定に影響を与える現象の影響も少なく出来る。

以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。
（参考例）

図１は、参考例にかかるエレクトロマイグレーション評価装置の概念図である。
４端子抵抗測定を行なうために、配線２０の始点と終点が、電流印加パッド１組５，５と電圧測定パッド１組４，４に接続されている。この配線２０は、上層配線１とビア２と下層配線３とビア２を１構成単位とし、これが複数個繰り返して直列に接続された構成となっている。

図のように、複数回にわたって折り返すような折り返し部１０を設けた形状にすることと、および一列あたりに前述した１構成単位の上層配線１とビア２と下層配線３とビア２を複数個つなげた形状にすることで、評価装置内の温度を均一化することができる。

このエレクトロマイグレーション評価装置の外周部は中心部に対して、温度が低くなる傾向があるので、折り返しの回数を増やし、１列あたりの上層配線１とビア２と下層配線３とビア２の構成単位を増やすと、温度の均一性が上がる。

さらにＢｌｅｃｈ効果の抑制、及び配線の温度均一性確保のために、１構成単位中の上層１および下層配線３の長さを２０μm以上１０００μm以下にすることが望ましい。この範囲の値より短いと、発熱が起こりにくくなり、かつ、Ｂｌｅｃｈ効果により、エレクトロマイグレーションも起こりにくくなり、好ましくない。この範囲の値より長いと、抵抗が高くなり、電流を流したときに配線端の電圧差が大きくなり、測定器の限界や線間絶縁膜の耐圧が問題になり、好ましくない。

下層配線３及び上層配線１の幅は、０．０５μm以上１０μm以下であることが好ましい。幅の狭さの限界はプロセス（微細化度合い）に依存し、０．０５μm以上が好ましい。幅がこの範囲より広いと電流密度が下がり、発熱が起こりにくくなるので、測定器の電流値限界によっては発熱しなくなる。

下層配線３及び上層配線１の膜厚は、０．１μm以上１μm以下であることが好ましい。膜厚は設計またはプロセスに依存し、０．１μm以上が好ましい。膜厚がこの範囲より厚いと電流密度が下がり、発熱が起こりにくくなり、測定器の電流値限界によっては発熱しなくなる。

ビア２の径はもちろん、配線とビアのオーバーラップはＬＳＩ設計で規定される最小値にすることで、先述の配線のオーバーラップ部分からの原子の供給を少なくでき、実際のＬＳＩ信頼性に則したエレクトロマイグレーション評価となる。配線間の距離もできるだけＬＳＩ設計で規定される最小値にすることで、評価装置内の温度のムラを抑えることができる。

他の注意点としては、できるだけパッド４，５と被試験対象のビア２を10μm以上の充分な距離を離すことが望ましい。なぜなら、パッド４，５が放熱源となり、評価装置内の温度の不均一性の原因となり、正確な評価の妨げとなる可能性がある。

さて、これまで多くの構成単位を持ち、かつ配線長が望ましいと説明してきたが、これを達成するにはいくつかの制約が発生する。

最大の制約は測定装置の電圧測定限界である。例えば、銅で形成された０．２μｍ幅×０．３５μｍ厚×１００μｍ長の上層配線１および下層配線３で、２００構成単位用いられた場合、ビア２の抵抗を無視したとしても、３５０℃雰囲気中では２５０００Ω程度になり、０．２０μｍ径のビアに対して５ＭＡ/ｃｍ^２程度のストレス電流密度を与える場合、印加電流は１．５７ｍＡとなり、この評価装置の両端の電圧差は４０Ｖ弱となる。一般的なＬＳＩ評価用測定器では、電圧測定上限が２０Ｖ〜２００Ｖ程度であり、その限界を超さないように充分なマージンを持った設計にするように考慮する必要がある。

その他の制約は、評価パターンの大きさである。特に１列あたりに多くの構成単位を用いると、一列あたりの長さが大きくなるので、設計上制約がでる場合が多い。

また、図１のように配線２０の始点側と終点側が隣合う形状の場合は、配線間の絶縁膜の耐圧にも考慮した設計にする必要がある。

次に具体的に、試験方法を説明する。上記に記すように適切に設計されたエレクトロマイグレーション評価装置をＬＳＩ作成と同等の工程、もしくは同等の配線工程で作成した後、ウェハーからチップ化を行ない、高熱に耐えられるセラミックパッケージに封入する。
その後、銅配線では２００〜４００℃雰囲気のオーブン中で、評価装置内のビア２に対して１０ＭＡ／ｃｍ^２以下のストレス電流を印加する。ストレス電流に関しては、上記の電流以上印加して、ジュール発熱を起こさせてオーブン温度を補うようにしてもよい。

電流を印加しながら、４端子測定法を用いて抵抗を常に測定するようにし、断線もしくは抵抗値の上昇率が規定値、例えば１０％上昇したところをその評価装置での寿命とする。
同時にもしく順番に、１５個以上の評価装置での寿命を測定し、その結果を正規対数分布関数もしくはワイブル分布関数に当てはめて、その傾向から０.１％不良の寿命を予測する。
その後、Ｂｌａｃｋの式を用いて、ＬＳＩ最大動作保証条件での温度、電流とストレス温度、ストレス電流から加速係数を求める。０.１％不良の寿命と加速係数との積がＬＳＩの配線の寿命となる。

なお、エレクトロマイグレーション評価装置をＬＳＩ作成と同等の工程、もしくは同等の配線工程で作成するので、コストは高くならない。
（実施例１）

図２は、実施例１にかかるエレクトロマイグレーション評価装置の概念図である。

本実施例は参考例を発展させたもので、装置内のさらなる温度の均一化を、電流印加用の配線１１を配線―ビア列に対して始点側と終点側で平行に１往復配置することと、各列の両端のビア２、２にはさまれた折り返し部分１０の配線の長さを２０μｍ以上にすることで達成している。

折り返し部分１０の配線の寸法は、配線―ビア列の配線１，３と同じ幅、同じ厚さにすることが望ましい。

このように構成することにより、評価対象のビア２が周囲温度の影響を受けにくくなるので、評価装置の規模を小さくすることができ、パッド４，５等の大きなパターンとビア２の距離も離すことができる。

このときも実施例１で述べた測定器限界、絶縁膜の耐圧を考慮した設計が必要であり、折り返し部分１０では配線の角の内側に電流が集中するので、図２のように折り返し部分１０の線幅を大きくすることや、図３のように４５度のセリフパターン１４をつける等の対策を行なうことが望ましい。また、図３のように、折り返し部分１０は、エレクトロマイグレーションの影響を受けないように、多数のビア２と幅広い配線の組み合わせで行なっても良い。

また、図４に示すように、電流印加用の配線１５，１６を、試験ビア−配線に対して始点側と終点側で、周囲に１周以上、回す設計にすれば、折り返し部分１０の対策は不必要になる。測定及び寿命推測方法は実施例１と同じである。なお、図４において、図１に示す部材と同一または相当する部分には、同一の参照番号を付し、その説明を繰り返さない。（実施例２）

実施例１に記載のエレクトロマイグレーション評価装置において、銅配線においては、２０ＭＡ／ｃｍ²以上の高電流密度の電流ストレスを印加することで、ジュール発熱による自己発熱によって、ウエハーレベルでのエレクトロマイグレーション測定を行なう場合には、次の点で配慮が必要である。

電流密度が高いのでＢｌｅｃｈ効果におけるＣｒｉｔｉｃａｌ Ｌｅｎｇｔｈが短くなり、試験ビア−配線の配線長をオーブンを用いた場合より短くできるが、配線長は１０μｍ以上あることが発熱の均一性の確保を含めて望ましい。

さらにオーブンを使用した場合より高電流を印加したうえに、配線温度も高くなる場合があり、評価装置の両端電圧が高くなるので、設計において、この点の考慮は充分行なう必要がある。

測定方法については、まず印加電流１ＭＡ／ｃｍ^２以下での抵抗を４端子測定法で測定し、次に先述の高電流密度の電流ストレス電流を印加し、ジュール発熱を発生させ、両方の抵抗の変化率から配線温度を求める。規定の配線温度、例えば銅配線では３５０℃以上になるようにストレス電流を設定する。

そのストレス電流を維持しながら、かつ常に抵抗値を測定しながら、断線もしくは抵抗値の上昇率が規定値、例えば１０％、上昇したところをその評価装置での寿命とする。その後の寿命の導出方法は、実施例１と同じである。

なお、上記実施例では、銅配線を例示したが、この発明はこれに限られるものでなく、銅合金の配線、アルミ、ＡｌＳｉ合金の配線であってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のエレクトロマイグレーション評価装置を用いると、ＬＳＩにおけるビアのエレクトロマイグレーション信頼性試験を簡単にかつ効率的に行なうことができる。

参考例にかかるエレクトロマイグレーション評価装置の概念図である。 実施例１にかかるエレクトロマイグレーション評価装置の概念図である。 実施例１にかかるエレクトロマイグレーション評価装置の変形例を示す図である。 実施例１にかかるエレクトロマイグレーション評価装置のさらなる変形例を示す図である。 従来のエレクトロンマイグレーション評価装置（パッケージレベル）の概念図である。 他の従来のエレクトロンマイグレーション評価装置（ウエハーレベル）の概念図である。 配線とビアの、ストレス電流とジュール発熱温度との関係を示す図である。

符号の説明

１： 上層配線
２： ビア
３： 下層配線
４： 電流印加パッド
５： 電圧測定パッド
１０： 配線折り返し部
１１、１５、１６： 電流印加用配線

Claims (13)

1. 下層配線とビアと上層配線とビアを電気的に直列に接続したパターンを複数個電気的に直列に接続し、これを、折り返し部分を設けて複数列に並ぶように構成し、
   前記複数列に並べられたパターンの周囲に、1周以上もしくは１列分以上の長さを有する、ジュール熱を発生させて当該装置を周囲から加熱するための配線がさらに設けられたエレクトロマイグレーション評価装置。
2. 前記下層配線及び上層配線の１個当りの長さは、２０μm以上１０００μm以下であることを特徴とする、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。
3. 前記下層配線及び上層配線の幅は、０．０５μm以上１０μm以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のエレクトロマイグレーション評価装置。
4. 前記下層配線及び上層配線の膜厚は、０．１μm以上１μm以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエレクトロマイグレーション評価装置。
5. 両端のビアに挟まれた前記折り返し部分の長さは、２０μm以上である請求項１または２に記載のエレクトロマイグレーション評価装置。
6. 前記下層配線及び上層配線はアルミ配線によって構成されており、前記ビアはタングステンプラグによって構成されている請求項１に記載のエレクトロマイグレーション評価装置。
7. 前記下層配線及び上層配線は銅配線によって構成されており、前記ビアは銅で形成されている請求項１に記載のエレクトロマイグレーション評価装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のエレクトロマイグレーション評価装置を用いた、半導体装置の配線信頼性評価方法。
9. ビアを含む試験配線を電流と電流によるジュール発熱による自己発熱で加速的に劣化させて評価するエレクトロマイグレーション信頼性評価方法において、
   下層配線とビアと上層配線とビアを電気的に直列に接続したパターンを複数個電気的に直列に接続し、これを、折り返し部分を設けて複数列に並ぶように構成し、
   前記複数列に並べられたパターンの周囲に、1周以上もしくは１列分以上の長さを有する、ジュール熱を発生させて当該装置を周囲から加熱するための配線がさらに設けられたエレクトロマイグレーション評価装置を用いて行なうことを特徴とする半導体装置の配線信頼性評価方法。
10. 前記下層配線及び上層配線の１個当りの長さは、１０μm以上であることを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の配線信頼性評価方法。
11. 両端のビアに挟まれた前記折り返し部分の長さが２０μm以上であるエレクトロマイグレーション評価装置を用いて行なう請求項９に記載の半導体装置の配線信頼性評価方法。
12. 前記下層配線及び上層配線がアルミ配線によって構成されており、前記ビアがタングステンプラグによって構成されているエレクトロマイグレーション評価装置を用いて行なう請求項９に記載の半導体装置の配線信頼性評価方法。
13. 前記下層配線及び上層配線が銅配線によって構成されており、前記ビアが銅で形成されているエレクトロマイグレーション評価装置を用いて行なう請求項９に記載の半導体装置の配線信頼性評価方法。

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