JP4322396B2 - 半導体装置の試験方法及び試験装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路に搭載される配線の信頼性評価試験、 特にエレクトロマイグレーション特性の評価の向上において有効な試験方法、及びその試験に使用する試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩ（Large Scale Integration ）の高速化及び高機能化とともに、素子の高集積化及び微細化が促進されており、これに伴って、素子間を接続する配線も微細化される傾向にある。現状ではロジックＬＳＩの最小配線幅は０．３μｍ以下であるが、将来的には線幅が０．１μｍ以下の配線の使用が予想されている。ＬＳＩの安定動作を保証するためには、線幅が細くてなっても配線の信頼性を確保することが重要である。
【０００３】
配線の信頼性を低下させる原因としてエレクトロマイグレーションがある。エレクトロマイグレーションとは、高温にさらされた配線中の金属原子が、高密度の電子流によって移動する現象である。エレクトロマイグレーションによって配線中にボイドやヒロイックが生じ、断線や隣接配線間の短絡を招いて、ＬＳＩの信頼性が低下する要因となる。
【０００４】
従来から、エレクトロマイグレーションによる配線の劣化を評価する試験が実施されている。この試験では、半導体チップに試験用配線を形成しておき、高温炉内で１５０〜２５０℃に加熱しつつ、５×１０5 〜５×１０6 Ａ／ｃｍ2 の電流密度で試験用配線に電流を流すことによって劣化を加速させ、配線が断線又は抵抗上昇するまでの時間を調べることによって配線の寿命を評価している。配線の平均寿命ＭＴＦは、下記（１）式に示すブラック（BLACK ）の経験式で表されることが知られている。
【０００５】
【数１】
【０００６】
ここで、Ａ及びｎは定数、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｊは電流密度、Ｅａは活性化エネルギーである。これらのうち、Ｅａ値及びｎ値はそれぞれ配線寿命ＭＴＦの温度依存性と電流密度依存性を示すパラメータであり、温度や電流密度を変えた試験から算出される。配線の信頼性評価試験では、Ｅａ値及びｎ値は最も重要なパラメータであるということができる。
【０００７】
近年、従来のアルミニウム合金を用いた配線に替えて、銅（Ｃｕ）を用いた配線の開発が行われ、実用化が進んでいる。これは、銅配線がアルミニウム配線よりも低抵抗で、エレクトロマイグレーション耐性が高いとされているためである。しかし、銅配線に対して上述の配線の信頼性評価試験を行った場合、試験時間はアルミニウム配線の場合よりも約１桁長くなるので、莫大な時間とコストがかかることになる。
【０００８】
一方、半導体チップを用いた試験とは別に、ウェハの状態で配線の信頼性の評価試験を行う方法が提案され、実用化されている。この方法では、ウェハ上の配線に直接プローブピンを接触させ、配線に５×１０6 Ａ／ｃｍ2 程度の過剰な電流を流すことでジュール熱を発生させ、配線が目的の試験温度となるようにして、断線までの時間を調べるものである。このとき、配線温度は配線抵抗の増加量から確認される。この方法は、例えば、R.E.Jones et al. J.Appl.Phys.61(1987)4670 やT.Nitta et al. J.Electrochem.Soc.139(1992)922 等（以下、文献という）に詳説されている。この方法では、半導体チップに組み上げる必要がなくウェハの状態で試験すること、試験の際の電流密度が半導体チップを用いた試験よりも半桁以上大きいことなどの理由により、試験時間とコストを大幅に縮小化することが可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のウェハ状態での配線の信頼性評価試験では、配線に流れる電流を制御して配線を目的の試験温度としているため、電流と温度とを別個に制御することができない。このため、信頼性評価試験において最も重要なパラメータであるｎ値及びＥａ値を別個に求めることができないという欠点がある。従来のウェハ状態での配線の信頼性評価試験方法では、前記（１）式においてｎ値を仮定し、ＭＴＦ×Ｊn の温度依存性からＥａ値を求める方法がとられてきた。しかしながら、ｎ値及びＥａ値の精度が十分でなく、これらのパラメータの値をより一層正確に求めることができる試験方法が要望されている。
【００１０】
以上から、本発明の目的は、ウェハ状態での配線の信頼性評価試験において、配線の信頼性パラメータを個別にかつ正確に求めることができる半導体装置の試験方法及び試験装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の試験方法は、交流電流と直流電流とが重畳された電流をスクライブライン上に形成された配線に流して該配線をジュール発熱させ、前記直流電流を一定にし、前記交流電流を変化させることで配線温度を変化させて信頼性評価試験を実施し配線寿命の温度依存性を調べ、異なる直流電流に対して前記配線温度が一定となるように交流電流を制御して信頼性評価試験を実施し配線寿命の電流密度依存性を調べることを特徴とする。
配線に発生するジュール熱の熱量は配線に流れる電流に関係し、エレクトロマイグレーションは直流成分に関係する。従って、配線に交流電流と直流電流とが重畳された電流を流し、交流電流と直流電流とを個別に制御することにより、配線温度とストレス電流（エレクトロマイグレーションの原因となる電流）とを個別に変化させることができる。
【００１２】
前記（１）式のＥａ値は温度に依存するパラメータであり、ｎ値は配線に流れる電流に依存するパラメータである。従って、例えば直流電流を一定にし、交流電流を変化させて信頼性評価試験を行うことにより、Ｅａ値を求めることができる。また、異なる直流電流に対して配線温度が一定となるように交流電流を制御して信頼性評価試験を行うことにより、ｎ値を求めることができる。
【００１３】
本発明の半導体試験装置は、交流電流と直流電流とが重畳された電流を出力可能であり、かつ交流成分及び直流成分を個別に設定できる電流源と、前記電流源から出力された電流をウェハ上に形成された配線に供給する接触子と、前記配線の電圧を測定する電圧測定器とを有し、前記電流源は、前記配線に流れる直流成分を一定にし、交流成分を変化させることで配線温度を変化させて信頼性評価試験を行うことが可能であり、かつ、異なる直流電流に対して前記配線温度が一定となるように交流成分を制御して信頼性評価試験を行うことが可能であることを特徴とする。
この試験装置を使用し、配線に流れる電流の交流成分と直流成分とを個別に制御することによって、前記（１）式のパラメータＥａ及びパラメータｎを求めることができて、配線の信頼性をより正確に評価することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明についてより詳細に説明する。エレクトロマイグレーション劣化は、高密度の電子流によって引き起こされる電子風力によって、配線中の金属原子が電子流と同じ方向へ移動する現象である。従って、両方向へのそれぞれの電流の平均値が等しく、実効的な直流成分がゼロであるような交流電流を配線に流しても、エレクトロマイグレーションによる劣化は起きない。
【００１５】
一方、抵抗値Ｒ（Ω）の配線に電流Ｉ（Ａ）を流したときに生じるジュール発熱の熱量Ｐ（Ｗ）は、下記（２）式により表される。
【００１６】
【数２】
【００１７】
このとき、配線の熱抵抗をθ（Ｋ／Ｗ）とすると、配線での温度上昇は下記（３）式のようになる。
【００１８】
【数３】
【００１９】
前記（２）式で示されるように、ジュール発熱による発熱量Ｐは電流量の２乗に比例する。
図１（ａ）に示す波形の電流Ｉは、図１（ｂ）に示す直流電流ＩD と、図１（ｃ）に示す交流電流ＩA との和として表すことができる。すなわち、下記（４）式のように表記することができる。
【００２０】
【数４】
【００２１】
このような電流Ｉを試験用配線に流した場合、試験用配線の温度上昇は、下記（５）式で算出される。
【００２２】
【数５】
【００２３】
例えば、配線に流れる電流として、図１（ａ）に示したような波形の電流Ｉを用いた場合、配線温度は下記（６）式で求めることができる。
【００２４】
【数６】
【００２５】
一方、上述したように電子風力の大きさは電流Ｉの直流成分（ＩD ）に依存するので、ストレス電流値は配線に流れる電流の平均で与えられる。交流成分（ＩA ）の平均がゼロであるので、ストレス電流値は直流成分（ＩD ）に等しい。このことから、本発明のように、試験用配線に流す電流として、図１（ａ）に示すような波形の電流Ｉ（交流パルス電流）を用いれば、交流成分（ＩA ）と直流成分（ＩD ）を制御することによって、試験用配線の温度とストレス電流値とを個別に設定することができる。
【００２６】
例えば、直流電流ＩD を一定とし、異なる交流電流ＩA に対して信頼性評価試験を行うことにより、パラメータＥａを測定できる。また、異なる直流電流ＩD に対してＩA 2 ＋ＩD 2 が一定となるように交流電流ＩA を設定することによって、パラメータｎを測定できる。試験用配線に流す電流として、図２（ａ）に示す電流Ｉ、すなわち図２（ｂ）に示す直流電流ＩD と、図２（ｃ）に示す正弦波の交流電流ＩA とを重畳した電流や、図３に示すように正電流と負電流とのデューティ比が異なるＡＣパルス電流などを用いた場合でも、同様の理由でパラメータＥａ，ｎを測定することが可能である。
【００２７】
図４，図５は試験用配線の例を示す平面図である。本発明の実施の形態においては、図４又は図５に示すような試験用配線１１を、ウェハのスクライブライン上に形成する。試験用配線１１は、例えば銅により形成し、幅が０．３μｍ、高さが０．４μｍ、長さが１５０μｍとする。図４に示すように，試験用配線１１の両端に幅が太い引き出し配線１２ａ，１２ｂを接続し、これらの引き出し配線１２ａ，１２ｂの端部に端子１３ａ，１３ｂを接続しておくことが好ましい。また、図５に示すように、試験用配線１１の両端にそれぞれ２本の引き出し配線１４ａ〜１４ｄを接続し、これらの引き出し配線１４ａ〜１４ｃの端部に端子１５ａ〜１５ｄを接続しておいてもよい。
【００２８】
なお、本発明は、試験用配線をスクライブライン上に形成することに限定するものではないが、試験用配線は信頼性評価のためだけに使用するものであり，試験後は不要となるので、スクライブラインの上のようにウェハ上の不要な領域に形成することが好ましい。
図６は本発明の実施の形態の試験装置を示す模式図である。この試験装置は、フルオートプローバ２１、ストレス電流源２２、スキャナ２３及びホストコンピュータコンピュータ２４により構成される。フルオートプローバ２１には多数のプローブピン（接触子）２１ａが設けられており、これらのプローブピン２１ａがウェハ１０上に形成された端子に接触するようになっている。この例では、ウェハ１０上に、図５に示す４端子の試験用配線が形成されているものとする。
【００２９】
ストレス電流源２２は、交流電流及び直流電流を発生し、これらの電流をフルオートプローバ２１のプローブピン２１ａを介して試験用配線に供給する。このストレス電流源２２は、交流電流として周波数１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの任意の波形が発生可能であり、正側、負側の電流値を１ｍＡ〜５００ｍＡの範囲でそれぞれ個別に設定することができる。この電源の主な仕様は以下のとおりである。但し、この例では、ストレス電流源２２から出力される電流は、図１（ａ）に示すような波形の交流パルス電流である。
【００３０】
（ストレス電流源の仕様）
設定電流範囲（正側） ：１ｍＡ〜５００ｍＡ
設定電流範囲（負側） ：１ｍＡ〜５００ｍＡ
設定パルス繰り返し周波数：１０Ｈｚ、１００Ｈｚ、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ
設定デューティー比範囲 ：１０％〜９０％
追従電圧 ：３０Ｖ
スキャナ２３は、フルオートプローバ２１のプローブピン２１ａに接続される。そして、試験用配線の両端部における電圧を測定し、その結果から配線抵抗を求める。ホストコンピュータ２４は、スキャナ２３で求めた配線抵抗から試験用配線に発生するジュール発熱量を計算し、その結果を基にストレス電流源２２を制御して、試験用配線の温度が目的温度となるようにする。
【００３１】
図７は、横軸に配線に流す交流電流ＩA の絶対値をとり、縦軸に温度をとって、図１に示す波形の電流Ｉを配線に流した場合の電流と温度との関係を調べた結果を示す図である。但し、配線の幅は０．３μｍ、電流Ｉの直流成分（ＩD ）は４．６ｍＡである。この図から、直流成分（ＩD ）が一定の条件で交流成分（ＩA ）を変化させることにより、配線温度を制御することができることがわかる。
【００３２】
図４に示すように、試験用配線１１の両端にそれぞれ１個の端子１３ａ，１３ｂが接続されている場合、端子１３ａ，１３ｂに図１（ａ）に示す波形の電流Ｉを流し、端子１３ａ，１３ｂ間の抵抗をスキャナ２３で測定する。また、図５に示すように試験用配線１１の両端にそれぞれ２個の端子１５ａ〜１５ｄが接続されている場合は端子１５ａ，１５ｂ間に交流電流ＩA と直流電流ＩD とが重畳された電流Ｉを流し、端子１５ｃ，１５ｄ間の電圧を測定する。また、端子１５ａ，１５ｂ間に交流電流ＩA を流し、端子１５ｃ，１５ｄ間に直流電流ＩD を流して、端子１５ｃ，１５ｄ間の電圧を測定してもよい。更に、端子１５ａ，１５ｂ間に直流電流ＩD を流し、端子１５ｃ，１５ｄ間に交流電流ＩA を流して、端子１５ｃ，１５ｄ間の電圧を測定してもよい。但し、いずれも場合も電圧を測定する際のサンプリング時間は、交流成分（ＩA ）の１周期よりも長いことが必要である。
【００３３】
上述の試験装置を使用して配線の信頼性評価試験を行った。試験用配線には、図４に示すように、両端に引き出し配線を介してそれぞれ２個の端子が接続されている。試験用配線１１の幅は０．３μｍ、高さは０．４μｍ、長さは１５００μｍである。配線１１は、直径８インチのシリコンウェハ１０の上に厚さが０．７μｍのＳｉＯ2 からなる絶縁膜を形成し、この絶縁膜の上に形成している。
【００３４】
図６に示すように、ウェハ１０をオートプローバ２１の上に搭載し、ウェハ１０の温度が室温の状態で、直流電流ＩD 及び交流電流ＩA を個別に制御して配線の信頼性試験を実施した。用いた試験体（ＴＥＧ：Test Element Group）の数は、各条件で１８個であった。試験時の配線温度は、電流を流したときの配線抵抗から類推した。これは、前述の論文に記載されている方法と同じ原理である。金属抵抗の温度係数は、予め別の試験体を用いて測定しておいた値を用いた。
【００３５】
前述した数値計算の場合と同様に、直流成分（ＩD ）一定の下で、交流成分（ＩA ）を変化させて測定を行った。実際に印加した電流値は、直流成分が４．６ｍＡ、交流成分が２８．４ｍＡ、３０．４ｍＡ、３２．４ｍＡである。この結果をプロットしたものが図８である。このグラフから活性化エネルギーＥａの値は１．１２ｅＶと得られた。
【００３６】
前述の（１）式から、電流に関係するパラメータ（ｊ及びｎ）が一定であるとすると、平均寿命の対数はＥａの一次関数として表すことができる。従って、図８に示すように、横軸に温度Ｔの逆数をとり、縦軸に平均寿命ＭＴＦの対数をとって測定結果をプロットすると、パラメータＥａはプロットした点により表される直線の傾きとして求めることができる。
【００３７】
これと同様に、（１）式から、温度に関するパラメータ（Ｅａ及びＴ）が一定であるとすると、平均寿命の対数は電流の対数の一次関数として表すことができる。従って、図９に示すように、横軸に電流密度ｊの対数をとり、縦軸に平均寿命ＭＴＦの対数をとって測定結果をプロットすると、パラメータｎはプロットした点により表される直線の傾きとして求めることができる。
【００３８】
このように、本実施の形態においては、試験用配線の温度とストレス電流とを個別に制御し、式（１）のパラメータＥａ及びｎを正確に求めることができるので、配線の信頼性を高精度で評価することができる。また、本実施の形態ではウェハの状態で配線の信頼性を評価することができ、かつ、試験用配線をスクライブラインのようにウェハ上の不要な領域に形成するので、コストダウンに寄与するという効果も得られる。
【００３９】
（付記１）交流電流と直流電流とが重畳された電流を配線に流して該配線をジュール発熱させ、前記交流電流及び前記直流電流を個別に変化させて前記配線の温度及びストレス電流を制御することを特徴とする半導体装置の試験方法。
（付記２）前記交流電流が、一定の周期で電流の向きが反転し、両方向に流れる電流の平均値が等しい矩形波又は正弦波であることを特徴とする付記１に記載の半導体装置の試験方法。
【００４０】
（付記３）前記配線の一端と他端との間に前記交流電流と直流電流とが重畳された電流を流し、前記配線の一端と他端との間の電圧を測定することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の試験方法。
（付記４）前記配線の一端側に接続された第１の端子と他端側に接続された第２の端子との間に前記交流電流と直流電流とが重畳された電流を流し、前記配線の一端側に接続された第３の端子と他端側に接続された第４の端子との間の電圧を測定することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の試験方法。
【００４１】
（付記５）前記配線の一端側に接続された第１の端子と他端側に接続された第２の端子との間に前記直流電流を流し、前記配線の一端側に接続された第３の端子と他端側に接続された第４の端子との間に前記交流電流を流し、前記第３の端子と前記第４の端子との間の電圧を測定することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の試験方法。
【００４２】
（付記６）前記配線に流す電流が５×１０6 Ａ／ｃｍ2 以上であることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の試験方法。
（付記７）前記配線を、ウェハのスクライブライン上に形成することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の試験方法。
（付記８）正電流と負電流とを交互に配線に流して該配線をジュール発熱させ、前記正電流及び前記負電流の周期、並びに前記正電流及び前記負電流の電流量を変化させて、前記配線の温度及びストレス電流を制御することを特徴とする半導体装置の試験方法。
【００４３】
（付記９）前記配線を、ウェハのスクライブライン上に形成することを特徴とする付記８に記載の半導体装置の試験方法。
（付記１０）交流電流を発生可能で、かつ、正側及び負側の電流量を個別に設定できる電流源と、前記電流源から出力された電流をウェハ上に形成された配線に供給する接触子と、前記配線の電圧を測定する電圧測定器とを有することを特徴とする半導体装置の試験装置。
【００４４】
（付記１１）前記電流源は、交流電流の周波数及びデューティ比の少なくとも一方が調整可能であることを特徴とする付記１０に記載の半導体装置の試験装置。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、配線に交流電流と直流電流とが重畳された電流を流し、交流電流及び直流電流を個別に変化させて配線の温度とストレス電流を制御するので、ウェハ状態での配線の信頼性評価試験における重要なパラメータを個別にかつ正確に求めることができる。これにより、例えば試験時間とコストとを大幅に縮小化できるとともに、試験結果の信頼性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態において試験用配線に流す電流の例（その１）を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態において試験用配線に流す電流の例（その２）を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態において試験用配線に流す電流の例（その３）を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における試験用配線の例（その１）を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態における試験用配線の例（その２）を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態の試験装置を示す図である。
【図７】試験用配線に流す電流と配線の温度との関係を示す図である。
【図８】パラメータＥａの取得方法を示す図である。
【図９】パラメータｎの取得方法を示す図である。
【符号の説明】
１０…ウェハ、
１１…試験用配線、
１２ａ，１２ｂ，１４ａ〜１４ｄ…引き出し配線、
１３ａ，１３ｂ，１５ａ〜１５ｄ…端子、
２１…プローバ、
２２…ストレス電流源、
２３…スキャナ、
２４…ホストコンピュータ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路に搭載される配線の信頼性評価試験、 特にエレクトロマイグレーション特性の評価の向上において有効な試験方法、及びその試験に使用する試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩ（Large Scale Integration ）の高速化及び高機能化とともに、素子の高集積化及び微細化が促進されており、これに伴って、素子間を接続する配線も微細化される傾向にある。現状ではロジックＬＳＩの最小配線幅は０．３μｍ以下であるが、将来的には線幅が０．１μｍ以下の配線の使用が予想されている。ＬＳＩの安定動作を保証するためには、線幅が細くてなっても配線の信頼性を確保することが重要である。
【０００３】
配線の信頼性を低下させる原因としてエレクトロマイグレーションがある。エレクトロマイグレーションとは、高温にさらされた配線中の金属原子が、高密度の電子流によって移動する現象である。エレクトロマイグレーションによって配線中にボイドやヒロイックが生じ、断線や隣接配線間の短絡を招いて、ＬＳＩの信頼性が低下する要因となる。
【０００４】
従来から、エレクトロマイグレーションによる配線の劣化を評価する試験が実施されている。この試験では、半導体チップに試験用配線を形成しておき、高温炉内で１５０〜２５０℃に加熱しつつ、５×１０5 〜５×１０6 Ａ／ｃｍ2 の電流密度で試験用配線に電流を流すことによって劣化を加速させ、配線が断線又は抵抗上昇するまでの時間を調べることによって配線の寿命を評価している。配線の平均寿命ＭＴＦは、下記（１）式に示すブラック（BLACK ）の経験式で表されることが知られている。
【０００５】
【数１】
ここで、Ａ及びｎは定数、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｊは電流密度、Ｅａは活性化エネルギーである。これらのうち、Ｅａ値及びｎ値はそれぞれ配線寿命ＭＴＦの温度依存性と電流密度依存性を示すパラメータであり、温度や電流密度を変えた試験から算出される。配線の信頼性評価試験では、Ｅａ値及びｎ値は最も重要なパラメータであるということができる。
【０００７】
近年、従来のアルミニウム合金を用いた配線に替えて、銅（Ｃｕ）を用いた配線の開発が行われ、実用化が進んでいる。これは、銅配線がアルミニウム配線よりも低抵抗で、エレクトロマイグレーション耐性が高いとされているためである。しかし、銅配線に対して上述の配線の信頼性評価試験を行った場合、試験時間はアルミニウム配線の場合よりも約１桁長くなるので、莫大な時間とコストがかかることになる。
【０００８】
一方、半導体チップを用いた試験とは別に、ウェハの状態で配線の信頼性の評価試験を行う方法が提案され、実用化されている。この方法では、ウェハ上の配線に直接プローブピンを接触させ、配線に５×１０6 Ａ／ｃｍ2 程度の過剰な電流を流すことでジュール熱を発生させ、配線が目的の試験温度となるようにして、断線までの時間を調べるものである。このとき、配線温度は配線抵抗の増加量から確認される。この方法は、例えば、R.E.Jones et al. J.Appl.Phys.61(1987)4670 やT.Nitta et al. J.Electrochem.Soc.139(1992)922 等（以下、文献という）に詳説されている。この方法では、半導体チップに組み上げる必要がなくウェハの状態で試験すること、試験の際の電流密度が半導体チップを用いた試験よりも半桁以上大きいことなどの理由により、試験時間とコストを大幅に縮小化することが可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のウェハ状態での配線の信頼性評価試験では、配線に流れる電流を制御して配線を目的の試験温度としているため、電流と温度とを別個に制御することができない。このため、信頼性評価試験において最も重要なパラメータであるｎ値及びＥａ値を別個に求めることができないという欠点がある。従来のウェハ状態での配線の信頼性評価試験方法では、前記（１）式においてｎ値を仮定し、ＭＴＦ×Ｊn の温度依存性からＥａ値を求める方法がとられてきた。しかしながら、ｎ値及びＥａ値の精度が十分でなく、これらのパラメータの値をより一層正確に求めることができる試験方法が要望されている。
【００１０】
以上から、本発明の目的は、ウェハ状態での配線の信頼性評価試験において、配線の信頼性パラメータを個別にかつ正確に求めることができる半導体装置の試験方法及び試験装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の試験方法は、交流電流と直流電流とが重畳された電流をスクライブライン上に形成された配線に流して該配線をジュール発熱させ、前記直流電流を一定にし、前記交流電流を変化させることで配線温度を変化させて信頼性評価試験を実施し配線寿命の温度依存性を調べ、異なる直流電流に対して前記配線温度が一定となるように交流電流を制御して信頼性評価試験を実施し配線寿命の電流密度依存性を調べることを特徴とする。
配線に発生するジュール熱の熱量は配線に流れる電流に関係し、エレクトロマイグレーションは直流成分に関係する。従って、配線に交流電流と直流電流とが重畳された電流を流し、交流電流と直流電流とを個別に制御することにより、配線温度とストレス電流（エレクトロマイグレーションの原因となる電流）とを個別に変化させることができる。
【００１２】
前記（１）式のＥａ値は温度に依存するパラメータであり、ｎ値は配線に流れる電流に依存するパラメータである。従って、例えば直流電流を一定にし、交流電流を変化させて信頼性評価試験を行うことにより、Ｅａ値を求めることができる。また、異なる直流電流に対して配線温度が一定となるように交流電流を制御して信頼性評価試験を行うことにより、ｎ値を求めることができる。
【００１３】
本発明の半導体試験装置は、交流電流と直流電流とが重畳された電流を出力可能であり、かつ交流成分及び直流成分を個別に設定できる電流源と、前記電流源から出力された電流をウェハ上に形成された配線に供給する接触子と、前記配線の電圧を測定する電圧測定器とを有し、前記電流源は、前記配線に流れる直流成分を一定にし、交流成分を変化させることで配線温度を変化させて信頼性評価試験を行うことが可能であり、かつ、異なる直流電流に対して前記配線温度が一定となるように交流成分を制御して信頼性評価試験を行うことが可能であることを特徴とする。
この試験装置を使用し、配線に流れる電流の交流成分と直流成分とを個別に制御することによって、前記（１）式のパラメータＥａ及びパラメータｎを求めることができて、配線の信頼性をより正確に評価することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明についてより詳細に説明する。エレクトロマイグレーション劣化は、高密度の電子流によって引き起こされる電子風力によって、配線中の金属原子が電子流と同じ方向へ移動する現象である。従って、両方向へのそれぞれの電流の平均値が等しく、実効的な直流成分がゼロであるような交流電流を配線に流しても、エレクトロマイグレーションによる劣化は起きない。
【００１５】
一方、抵抗値Ｒ（Ω）の配線に電流Ｉ（Ａ）を流したときに生じるジュール発熱の熱量Ｐ（Ｗ）は、下記（２）式により表される。
【００１６】
【数２】
このとき、配線の熱抵抗をθ（Ｋ／Ｗ）とすると、配線での温度上昇は下記（３）式のようになる。
【００１８】
【数３】
前記（２）式で示されるように、ジュール発熱による発熱量Ｐは電流量の２乗に比例する。
図１（ａ）に示す波形の電流Ｉは、図１（ｂ）に示す直流電流ＩD と、図１（ｃ）に示す交流電流ＩA との和として表すことができる。すなわち、下記（４）式のように表記することができる。
【００２０】
【数４】
このような電流Ｉを試験用配線に流した場合、試験用配線の温度上昇は、下記（５）式で算出される。
【００２２】
【数５】
例えば、配線に流れる電流として、図１（ａ）に示したような波形の電流Ｉを用いた場合、配線温度は下記（６）式で求めることができる。
【００２４】
【数６】
一方、上述したように電子風力の大きさは電流Ｉの直流成分（ＩD ）に依存するので、ストレス電流値は配線に流れる電流の平均で与えられる。交流成分（ＩA ）の平均がゼロであるので、ストレス電流値は直流成分（ＩD ）に等しい。このことから、本発明のように、試験用配線に流す電流として、図１（ａ）に示すような波形の電流Ｉ（交流パルス電流）を用いれば、交流成分（ＩA ）と直流成分（ＩD ）を制御することによって、試験用配線の温度とストレス電流値とを個別に設定することができる。
【００２６】
例えば、直流電流ＩD を一定とし、異なる交流電流ＩA に対して信頼性評価試験を行うことにより、パラメータＥａを測定できる。また、異なる直流電流ＩD に対してＩA 2 ＋ＩD 2 が一定となるように交流電流ＩA を設定することによって、パラメータｎを測定できる。試験用配線に流す電流として、図２（ａ）に示す電流Ｉ、すなわち図２（ｂ）に示す直流電流ＩD と、図２（ｃ）に示す正弦波の交流電流ＩA とを重畳した電流や、図３に示すように正電流と負電流とのデューティ比が異なるＡＣパルス電流などを用いた場合でも、同様の理由でパラメータＥａ，ｎを測定することが可能である。
【００２７】
図４，図５は試験用配線の例を示す平面図である。本発明の実施の形態においては、図４又は図５に示すような試験用配線１１を、ウェハのスクライブライン上に形成する。試験用配線１１は、例えば銅により形成し、幅が０．３μｍ、高さが０．４μｍ、長さが１５０μｍとする。図４に示すように，試験用配線１１の両端に幅が太い引き出し配線１２ａ，１２ｂを接続し、これらの引き出し配線１２ａ，１２ｂの端部に端子１３ａ，１３ｂを接続しておくことが好ましい。また、図５に示すように、試験用配線１１の両端にそれぞれ２本の引き出し配線１４ａ〜１４ｄを接続し、これらの引き出し配線１４ａ〜１４ｃの端部に端子１５ａ〜１５ｄを接続しておいてもよい。
【００２８】
なお、本発明は、試験用配線をスクライブライン上に形成することに限定するものではないが、試験用配線は信頼性評価のためだけに使用するものであり，試験後は不要となるので、スクライブラインの上のようにウェハ上の不要な領域に形成することが好ましい。
図６は本発明の実施の形態の試験装置を示す模式図である。この試験装置は、フルオートプローバ２１、ストレス電流源２２、スキャナ２３及びホストコンピュータコンピュータ２４により構成される。フルオートプローバ２１には多数のプローブピン（接触子）２１ａが設けられており、これらのプローブピン２１ａがウェハ１０上に形成された端子に接触するようになっている。この例では、ウェハ１０上に、図５に示す４端子の試験用配線が形成されているものとする。
【００２９】
ストレス電流源２２は、交流電流及び直流電流を発生し、これらの電流をフルオートプローバ２１のプローブピン２１ａを介して試験用配線に供給する。このストレス電流源２２は、交流電流として周波数１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの任意の波形が発生可能であり、正側、負側の電流値を１ｍＡ〜５００ｍＡの範囲でそれぞれ個別に設定することができる。この電源の主な仕様は以下のとおりである。但し、この例では、ストレス電流源２２から出力される電流は、図１（ａ）に示すような波形の交流パルス電流である。
【００３０】
（ストレス電流源の仕様）
設定電流範囲（正側） ：１ｍＡ〜５００ｍＡ
設定電流範囲（負側） ：１ｍＡ〜５００ｍＡ
設定パルス繰り返し周波数：１０Ｈｚ、１００Ｈｚ、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ
設定デューティー比範囲 ：１０％〜９０％
追従電圧 ：３０Ｖ
スキャナ２３は、フルオートプローバ２１のプローブピン２１ａに接続される。そして、試験用配線の両端部における電圧を測定し、その結果から配線抵抗を求める。ホストコンピュータ２４は、スキャナ２３で求めた配線抵抗から試験用配線に発生するジュール発熱量を計算し、その結果を基にストレス電流源２２を制御して、試験用配線の温度が目的温度となるようにする。
【００３１】
図７は、横軸に配線に流す交流電流ＩA の絶対値をとり、縦軸に温度をとって、図１に示す波形の電流Ｉを配線に流した場合の電流と温度との関係を調べた結果を示す図である。但し、配線の幅は０．３μｍ、電流Ｉの直流成分（ＩD ）は４．６ｍＡである。この図から、直流成分（ＩD ）が一定の条件で交流成分（ＩA ）を変化させることにより、配線温度を制御することができることがわかる。
【００３２】
図４に示すように、試験用配線１１の両端にそれぞれ１個の端子１３ａ，１３ｂが接続されている場合、端子１３ａ，１３ｂに図１（ａ）に示す波形の電流Ｉを流し、端子１３ａ，１３ｂ間の抵抗をスキャナ２３で測定する。また、図５に示すように試験用配線１１の両端にそれぞれ２個の端子１５ａ〜１５ｄが接続されている場合は端子１５ａ，１５ｂ間に交流電流ＩA と直流電流ＩD とが重畳された電流Ｉを流し、端子１５ｃ，１５ｄ間の電圧を測定する。また、端子１５ａ，１５ｂ間に交流電流ＩA を流し、端子１５ｃ，１５ｄ間に直流電流ＩD を流して、端子１５ｃ，１５ｄ間の電圧を測定してもよい。更に、端子１５ａ，１５ｂ間に直流電流ＩD を流し、端子１５ｃ，１５ｄ間に交流電流ＩA を流して、端子１５ｃ，１５ｄ間の電圧を測定してもよい。但し、いずれも場合も電圧を測定する際のサンプリング時間は、交流成分（ＩA ）の１周期よりも長いことが必要である。
【００３３】
上述の試験装置を使用して配線の信頼性評価試験を行った。試験用配線には、図４に示すように、両端に引き出し配線を介してそれぞれ２個の端子が接続されている。試験用配線１１の幅は０．３μｍ、高さは０．４μｍ、長さは１５００μｍである。配線１１は、直径８インチのシリコンウェハ１０の上に厚さが０．７μｍのＳｉＯ2 からなる絶縁膜を形成し、この絶縁膜の上に形成している。
【００３４】
図６に示すように、ウェハ１０をオートプローバ２１の上に搭載し、ウェハ１０の温度が室温の状態で、直流電流ＩD 及び交流電流ＩA を個別に制御して配線の信頼性試験を実施した。用いた試験体（ＴＥＧ：Test Element Group）の数は、各条件で１８個であった。試験時の配線温度は、電流を流したときの配線抵抗から類推した。これは、前述の論文に記載されている方法と同じ原理である。金属抵抗の温度係数は、予め別の試験体を用いて測定しておいた値を用いた。
【００３５】
前述した数値計算の場合と同様に、直流成分（ＩD ）一定の下で、交流成分（ＩA ）を変化させて測定を行った。実際に印加した電流値は、直流成分が４．６ｍＡ、交流成分が２８．４ｍＡ、３０．４ｍＡ、３２．４ｍＡである。この結果をプロットしたものが図８である。このグラフから活性化エネルギーＥａの値は１．１２ｅＶと得られた。
【００３６】
前述の（１）式から、電流に関係するパラメータ（ｊ及びｎ）が一定であるとすると、平均寿命の対数はＥａの一次関数として表すことができる。従って、図８に示すように、横軸に温度Ｔの逆数をとり、縦軸に平均寿命ＭＴＦの対数をとって測定結果をプロットすると、パラメータＥａはプロットした点により表される直線の傾きとして求めることができる。
【００３７】
これと同様に、（１）式から、温度に関するパラメータ（Ｅａ及びＴ）が一定であるとすると、平均寿命の対数は電流の対数の一次関数として表すことができる。従って、図９に示すように、横軸に電流密度ｊの対数をとり、縦軸に平均寿命ＭＴＦの対数をとって測定結果をプロットすると、パラメータｎはプロットした点により表される直線の傾きとして求めることができる。
【００３８】
このように、本実施の形態においては、試験用配線の温度とストレス電流とを個別に制御し、式（１）のパラメータＥａ及びｎを正確に求めることができるので、配線の信頼性を高精度で評価することができる。また、本実施の形態ではウェハの状態で配線の信頼性を評価することができ、かつ、試験用配線をスクライブラインのようにウェハ上の不要な領域に形成するので、コストダウンに寄与するという効果も得られる。
【００３９】
（付記１）交流電流と直流電流とが重畳された電流を配線に流して該配線をジュール発熱させ、前記交流電流及び前記直流電流を個別に変化させて前記配線の温度及びストレス電流を制御することを特徴とする半導体装置の試験方法。
（付記２）前記交流電流が、一定の周期で電流の向きが反転し、両方向に流れる電流の平均値が等しい矩形波又は正弦波であることを特徴とする付記１に記載の半導体装置の試験方法。
【００４０】
（付記３）前記配線の一端と他端との間に前記交流電流と直流電流とが重畳された電流を流し、前記配線の一端と他端との間の電圧を測定することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の試験方法。
（付記４）前記配線の一端側に接続された第１の端子と他端側に接続された第２の端子との間に前記交流電流と直流電流とが重畳された電流を流し、前記配線の一端側に接続された第３の端子と他端側に接続された第４の端子との間の電圧を測定することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の試験方法。
【００４１】
（付記５）前記配線の一端側に接続された第１の端子と他端側に接続された第２の端子との間に前記直流電流を流し、前記配線の一端側に接続された第３の端子と他端側に接続された第４の端子との間に前記交流電流を流し、前記第３の端子と前記第４の端子との間の電圧を測定することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の試験方法。
【００４２】
（付記６）前記配線に流す電流が５×１０6 Ａ／ｃｍ2 以上であることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の試験方法。
（付記７）前記配線を、ウェハのスクライブライン上に形成することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の試験方法。
（付記８）正電流と負電流とを交互に配線に流して該配線をジュール発熱させ、前記正電流及び前記負電流の周期、並びに前記正電流及び前記負電流の電流量を変化させて、前記配線の温度及びストレス電流を制御することを特徴とする半導体装置の試験方法。
【００４３】
（付記９）前記配線を、ウェハのスクライブライン上に形成することを特徴とする付記８に記載の半導体装置の試験方法。
（付記１０）交流電流を発生可能で、かつ、正側及び負側の電流量を個別に設定できる電流源と、前記電流源から出力された電流をウェハ上に形成された配線に供給する接触子と、前記配線の電圧を測定する電圧測定器とを有することを特徴とする半導体装置の試験装置。
【００４４】
（付記１１）前記電流源は、交流電流の周波数及びデューティ比の少なくとも一方が調整可能であることを特徴とする付記１０に記載の半導体装置の試験装置。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、配線に交流電流と直流電流とが重畳された電流を流し、交流電流及び直流電流を個別に変化させて配線の温度とストレス電流を制御するので、ウェハ状態での配線の信頼性評価試験における重要なパラメータを個別にかつ正確に求めることができる。これにより、例えば試験時間とコストとを大幅に縮小化できるとともに、試験結果の信頼性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態において試験用配線に流す電流の例（その１）を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態において試験用配線に流す電流の例（その２）を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態において試験用配線に流す電流の例（その３）を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における試験用配線の例（その１）を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態における試験用配線の例（その２）を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態の試験装置を示す図である。
【図７】試験用配線に流す電流と配線の温度との関係を示す図である。
【図８】パラメータＥａの取得方法を示す図である。
【図９】パラメータｎの取得方法を示す図である。
【符号の説明】
１０…ウェハ、
１１…試験用配線、
１２ａ，１２ｂ，１４ａ〜１４ｄ…引き出し配線、
１３ａ，１３ｂ，１５ａ〜１５ｄ…端子、
２１…プローバ、
２２…ストレス電流源、
２３…スキャナ、
２４…ホストコンピュータ。
Claims (5)
- 交流電流と直流電流とが重畳された電流をスクライブライン上に形成された配線に流して該配線をジュール発熱させ、前記直流電流を一定にし、前記交流電流を変化させることで配線温度を変化させて信頼性評価試験を実施し配線寿命の温度依存性を調べ、異なる直流電流に対して前記配線温度が一定となるように交流電流を制御して信頼性評価試験を実施し配線寿命の電流密度依存性を調べることを特徴とする半導体装置の試験方法。
- 前記配線の一端側に接続された第１の端子と他端側に接続された第２の端子との間に前記交流電流と直流電流とが重畳された電流を流し、前記配線の一端側に接続された第３の端子と他端側に接続された第４の端子との間の電圧を測定することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の試験方法。
- 前記配線の一端側に接続された第１の端子と他端側に接続された第２の端子との間に前記直流電流を流し、前記配線の一端側に接続された第３の端子と他端側に接続された第４の端子との間に前記交流電流を流し、前記第３の端子と前記第４の端子との間の電圧を測定することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の試験方法。
- 交流電流と直流電流とが重畳された電流を出力可能であり、かつ交流成分及び直流成分を個別に設定できる電流源と、
前記電流源から出力された電流をウェハ上に形成された配線に供給する接触子と、
前記配線の電圧を測定する電圧測定器とを有し、
前記電流源は、前記配線に流れる直流成分を一定にし、交流成分を変化させることで配線温度を変化させて信頼性評価試験を行うことが可能であり、かつ、異なる直流電流に対して前記配線温度が一定となるように交流成分を制御して信頼性評価試験を行うことが可能であることを特徴とする半導体装置の試験装置。 - 前記電流源は、交流成分の周波数及びデューティ比の少なくとも一方が調整可能であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の試験装置。
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