JP5057176B2 - 金属配線評価用パターン、半導体装置及び評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属配線評価用パターン、半導体装置及び金属配線評価用パターンの評価方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、半導体装置における金属配線の信頼性の評価の際に用いられる金属配線評価用パターンと、金属配線評価用パターンを備えた半導体装置と、金属配線の信頼性を評価する評価方法に関する。

集積回路等の半導体装置に用いる金属配線の線幅は微細化の進展に伴い縮小し、現在は数百から４０ナノメートル（ｎｍ）程度になっている。金属配線の電流密度が高くなるとそれに伴って断線故障が生じるおそれが高くなる。この断線故障の原因としては、所謂エレクトロマイグレーション（Electromigration）が知られている。

エレクトロマイグレーションの原因の一つは、金属配線の材料となる電気的な伝導体の中で移動する電子と金属原子との間で運動量の交換が行われるため、イオンが徐々に移動することによって金属配線の形状に欠損が生じる現象である（非特許文献１〜４参照）。エレクトロマイグレーションの他の原因は、ジュール加熱であり、金属配線材料中の原子の移動を加速する（非特許文献３、５参照）。

上記した二つの機構は何れも金属配線材料中の原子の移動を促進する。原子は、主として結晶粒界を介して移動し（非特許文献２参照）、最終的に金属配線が断線する。

このようなエレクトロマイグレーションによって誘起される断線は、大規模集積回路（ＶＬＳＩ）の金属配線における主要な故障原因となるので、金属配線の信頼性確保のためにＶＬＳＩが故障するまでの平均時間である平均故障寿命（ＭＴＴＦ：Mean Time To Failure）に関するデータ取得が必須となっている。これにより、種々の金属配線のＭＴＴＦから活性化エネルギーが実験的に求められている（非特許文献６，７参照）。

半導体回路における金属配線の信頼性の指標であるＭＴＴＦに関するデータ取得のために、製造したＶＬＳＩ又は金属配線試料を多数用意し、環境温度を変えながら金属配線試料が断線するまで長時間通電する、所謂高温加速試験が行われている。通電時間として数１０〜数１０００時間が必要となる。金属配線試料の断線までの寿命と環境温度との関係から、断線耐性の指標となる活性化エネルギーを求めている。さらに、高温加速試験の結果を、ＶＬＳＩの使用状態の温度まで外挿することによってＭＴＴＦを推定している。

H. B. Huntington and A. R. Grone, J. Phys. Chem. Solids 20, 76 (1961) P. S. Ho and T. Kwok, Rep. Prog. Phys. 52, 301 (1989) A. Scorzoni, B. Neri, C. Caprile, F. Fantini, Mat. Sci. Rep. 7, 143 (1991) J. R. Lloyd, Semicond. Sci. Technol. 12, 1177 (1997) C. Durkan and M. E. Welland, Ultramicroscopy 82, 125 (2000) M. Etzion, I. A. Blech, and Y. Komem, J. Appl. Phys. 46, 1455 (1975) M. Hauschildt, M. Gall, S. Thrasher, P. Justison, L. Michaelson, R. Hernandez, H. Kawasaki, P. S. Ho, Appl. Phys. Lett. 88, 211907 (2006) S. Gunther, A. Hitzke, and J. Behm, Surf. Rev. Lett. 4, 1103 (1997)

従来の金属配線のＭＴＴＦの取得には多数の試料を用意して、環境温度を変えて長時間の測定を必要とし、１回の評価に１０００時間以上の時間とコストが必要となる。従来技術におけるＭＴＴＦの取得に要する時間及びコストは、金属配線開発において、より多様な材料や構造を活かすことの妨げとなっている。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、金属配線断線の際の活性化エネルギーを短時間で直接求めることができる、金属配線評価用パターン及びこの評価用パターンを具備する半導体装置並びに評価方法を提供することにある。

上記第１の目的を達成するため、本発明は、半導体基板に配設された絶縁膜上の金属配線評価用パターンであって、狭窄部と、狭窄部の一端に接続される第１配線部と、該狭窄部の他端に接続される第２配線部と、を備えており、第１配線部と第２配線部とが密着層上に形成されると共に、該密着層が上記絶縁膜上に形成され、狭窄部が絶縁膜上に直接形成されていることを特徴とする、

上記構成において、金属配線評価用パターンは、好ましくは、金属配線評価用パターンに使用される金属材料のエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーを測定するためのパターンである。
上記第１配線部及び第２配線部にはそれぞれパッド部が接続されていると好ましい。
金属配線評価用パターンは、好ましくは、半導体装置内に配設されている。
さらに、金属配線評価用パターンは、好ましくは、寿命測定用の金属配線評価用パターン部を備えており、寿命測定用の金属配線評価用パターン部は、細線からなる配線部と配線部の両端に接続されるパッド部とからなる。

上記第２の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、金属配線評価用パターンを備え、この金属配線評価用パターンは、半導体基板に配設された絶縁膜上に配設され、狭窄部と、狭窄部の一端に接続される第１配線部と、該狭窄部の他端に接続される第２配線部と、を備え、第１配線部と第２配線部とが密着層上に形成されると共に、該密着層が上記絶縁膜上に形成され、上記狭窄部が上記絶縁膜上に直接形成されており、金属配線評価用パターンに使用される金属材料のエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーを測定するためのパターンであることを特徴とする。
この金属配線評価用パターンは、寿命測定用の金属配線評価用パターン部を備えていてもよく、この寿命測定用の金属配線評価用パターン部は、細線からなる配線部と該配線部の両端に接続されるパッド部とからなる。

上記第３の目的を達成するため、本発明は、金属配線評価用パターンを用いた金属配線の評価方法であって、半導体基板上に配設された絶縁膜上に、狭窄部と狭窄部の一端に接続される第１配線部と、狭窄部の他端に接続される第２配線部と、からなる金属配線評価用パターンを形成し、第１配線部及び第２配線部にランプ電圧を繰り返し印加し、ランプ電圧によって第１配線部と第２配線部との間に流れる電流から狭窄部のコンダクタンスを計算し、ランプ電圧によって、コンダクタンスが１００Ｇ_０から数百Ｇ_０（ここで、Ｇ_０は１量子コンダクタンスである。）の相１の状態からコンダクタンスが１０〜６０Ｇ_０の相２の状態を経て、狭窄部を破壊しナノ接合を形成し、相２のランプ電圧の最大値である臨界接合電圧（Ｖｃ）のヒストグラムを作成し、ヒストグラムの最頻値の電圧に電荷素量（ｑ）を乗じた値を、金属配線評価用パターンにおけるエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーの値として求めることを特徴とする。

上記構成において、ランプ電圧を第１配線部と第２配線部との間に繰り返し印加する際には、金属配線評価用パターンを冷却してもよい。金属配線評価用パターンと共に、細線からなる配線部と配線部の両端に接続されるパッド部とからなる寿命測定用の金属配線評価用パターン部を形成してもよい。
寿命測定用の金属配線評価用パターン部を用いて、高温下で金属配線の寿命を測定し、金属配線の寿命と活性化エネルギーとから、金属配線の平均寿命を求めることができる。

上記構成によれば、集積回路等の半導体装置中の金属配線の信頼性を、金属配線と同じ材料の原子数十個ほどからなる微小な接合を用い、原子一つずつの微小断線を何度も生じさせ、そのときの接合電位差を精密に測定し、統計処理することで、信頼性の指標である金属配線の断線における活性化エネルギーを直接に、かつ、短時間で求めることができる。さらに、通常の寿命試験を高温で行うことによって平均寿命の測定も、短時間で行うことができる。

本発明によれば、金属配線の断線耐性の評価項目である活性化エネルギーや平均寿命を劇的に低い時間コストで評価することができる金属配線評価用パターン、半導体装置及び評価方法を提供することができる。これにより、材料や微視的な結晶構造の違いといった多様な配線構造の断線耐性を比較検討することが可能となり、金属配線の開発に大きく寄与しうる。

本発明の実施の形態である金属配線評価用パターンの構成を示す模式的な断面図である。 図１の模式的な部分平面図である。 本発明の実施の形態である金属配線評価用パターンの構成の変形例を示す模式的な断面図である。 図３の模式的な部分平面図である。 金属配線評価用パターンの変形例を模式的に示す平面図である。 金属配線評価用パターンの変形例を模式的に示す平面図である。 本発明の金属配線評価用パターンを用いた金属配線の評価を行う金属配線評価装置のブロック図である。 金属配線評価用パターンに通電してからナノギャップ電極が形成されるまでのコンダクタンスの時間軸における変化を模式的に示す図である。 ＲｊをＶｃの関数として示す図である。 ＭＴＴＦを求めるための片対数グラフである。 狭窄部の走査型電子顕微鏡像であり、（Ａ）がナノ接合を、（Ｂ）がナノギャップ電極を示している。 実施例に関し、金属配線評価用パターンのランプ電圧印加直後におけるコンダクタンスと印加電圧の関係を示す図である。 実施例に関し、金属配線評価用パターンの相１におけるコンダクタンスの時間依存性を示す図である。 実施例に関し、金属配線評価用パターンの相２におけるコンダクタンスの時間依存性を示す図である。 実施例に関し、金属配線評価用パターンのＲｊと臨界接合電圧Ｖｃの関係を示す図である。 相２のコンダクタンス測定で得た臨界接合電圧Ｖｃの頻度を示すヒストグラムの一例である。 Ｇｊが３９Ｇｏのときのコンダクタンスの時間依存性を示す図である。

以下、本発明による金属配線評価用パターン及びその評価方法の実施の形態を図面により詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態である金属配線評価用パターンの構成を示す模式的な断面図である。図２は図１の模式的な部分平面図である。
金属配線評価用パターン１は、半導体からなる基板１１の表面側に設けられ絶縁膜１２の表面に配設されている。半導体は半導体装置に用いられる基板であれば何でもよく、シリコン（Ｓｉ）やＧａＡｓやＳｉＣ等の化合物半導体からなる。

絶縁膜１２は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）や窒化膜等を使用することができ、所謂層間絶縁膜でもよい。以下、絶縁膜１２はシリコン酸化膜として説明する。

金属配線評価用パターン１は、金属配線から形成されている。金属配線の材料としては、アルミニウム、銅、金等が挙げられる。

図２は、金属配線評価用パターン１の模式的な平面図である。図２のＩ−Ｉ線に沿った断面が図１である。
金属配線評価用パターン１は、狭窄部２と、この狭窄部２を両側で挟むように配置された左側の第１配線部３と右側の第２配線部４と、から構成されている。図示の場合、第１配線部３及び第２配線部４は三角形のパターンを有している。各三角形の頂点同士が対向しており、この頂点同士の接続する位置に狭窄部２が設けられている。狭窄部２は、後述するように、第１配線部３及び第２配線部４へ電源を接続し、電流を流すことによって最終的には損傷させ、第１配線部３と第２配線部４との電気的接続を無くすために設けている。後述するが、金属配線評価用パターン１によれば、金属配線の破壊におけるエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーを測定することができる。

金属配線評価用パターン１は、第１配線部３に接続されるパッド部５と第２配線部４に接続されるパッド部６を備えていてもよい。パッド部５，６は、金属配線評価用パターン１と同時に形成することができる。また、図示するように、パッド部５，６は、金属配線評価用パターン１の形成後に形成してもよい。

金属配線評価用パターン１は、基板１１上に絶縁膜１２を形成し、絶縁膜１２上に形成することができる。金属配線となる材料の金属層を蒸着法、ＣＶＤ法等で堆積し、金属層を金属配線評価用パターン１に形成する工程によって形成することができる。金属配線評価用パターン１の形状は、リソグラフィとエッチングとの組合せによる工程等によって形成することができる。

図３は、本発明の実施の形態である金属配線評価用パターンの構成の変形例を示す模式的な断面図である。図４は図３の模式的な部分平面図である。
金属配線評価用パターン１Ａは半導体装置１０の所定の領域に配置され、所謂評価用パターン（ＴＥＧとも呼ばれている）として配置されている。半導体装置１０は、半導体からなる基板１１の表面側に設けられた絶縁膜１２と、基板１１又は基板１１の表面近傍に形成された素子１３と、素子用の金属配線１４を備えている。図示の場合、金属配線評価用パターン１Ａは素子用の金属配線１４と同じ材料から構成され、絶縁膜１２の表面に配置されている。

金属配線評価用パターン１Ａは、半導体装置１０の所定の領域に素子用の金属配線１４と同時に形成することができる。具体的には、金属配線１４となる材料の金属層を蒸着、ＣＶＤなどで堆積し、金属層を所定のパターンに形成する工程によって形成することができる。金属配線評価用パターン１Ａの形状は、リソグラフィとエッチングとの組合せによる工程等によって形成することができる。

図５は、金属配線評価用パターンの変形例を模式的に示す平面図である。図５に示すように、金属配線評価用パターン１Ｂにおいて、図３で示した素子用の金属配線１４は、第１配線層７と第２配線層８とから構成されている。狭窄部２の下部は酸化膜１２上に配置されており、第２配線層８だけで形成されている。第１配線部３及び第２配線部４は、酸化膜１２上に形成された第１配線層７と第２配線層８とから形成されている。パッド部５，６も第１配線部３及び第２配線部４と同様に２層構造によって形成することができる。

第１配線層７は例えばＴｉ等の密着層であり、第２配線層８は、半導体装置１０の電極となる配線層であって、上記したアルミニウム、銅、金等からなる。第２配線層８は、第１配線層７よりも厚く形成されている。第１配線部３、第２配線部４を、Ｔｉからなる第１配線層７と金からなる第２配線層８とで形成した場合には、酸化膜１２との密着がよくなる。金からなる狭窄部２は、酸化膜１２上に配置されているが、第１配線部３及び第２配線部４の第２配線層８に接続しているので、酸化膜１２との密着性はよくないが、酸化膜１２からは剥離しないようになる。
これにより、金属配線評価用パターン１Ｂによれば、狭窄部２が断線の評価対象となる第２配線層８だけで構成されるので、第１配線層７の影響を受けずに第２配線層８の断線評価を正確に行うことができる。

上記説明では、金属配線評価用パターン１Ｂの狭窄部２以外を２層、つまり、金属配線１４が２層で構成される例を示したが、金属配線１４が多層で形成されてもよい。この場合、密着層以外の最も断面積の大きい主となる配線層だけで狭窄部２を形成すればよい。主となる配線層は、金属配線１４の断線評価をする配線層である。

図６は、金属配線評価用パターンの変形例を模式的に示す平面図である。図６に示すように、金属配線評価用パターン１Ｃは、活性化エネルギー測定用の金属配線評価用パターン１，１Ａ，１Ｂの何れかと、寿命測定用の金属配線評価用パターン部１５とから構成されている。金属配線評価用パターン部１５は、細線からなる配線部１６と、この配線部１６の両端に接続されるパッド部５，６とから形成されている。この金属配線評価用パターン部１５は、所謂従来の寿命測定用の配線パターンと同様の構成を有しており、細線の幅は最小加工寸法としてもよい。金属配線評価用パターン１（１Ａ，１Ｂ）と金属配線評価用パターン部１５は、同じ金属配線を用いて同時に形成する。さらに、金属配線評価用パターン１（１Ａ，１Ｂ）と金属配線評価用パターン部１５は、図示するように複数個配設してもよい。

次に、本発明の金属配線評価用パターン１，１Ａ，１Ｂを用いた金属配線の評価を行う装置及び評価方法について説明する。評価装置及び評価方法は、金属配線評価用パターン１，１Ａ，１Ｂに依存しない。このため、以下の説明では金属配線評価用パターン１として説明する。
図７は、本発明の金属配線評価用パターンを用いた金属配線の評価を行う金属配線評価装置のブロック図である。金属配線評価装置２０は、測定試料となる金属配線評価用パターン１の試料載置部２２と、金属配線評価用パターン１に接続端子２４を介して電圧を印加する電圧発生部２６と、金属配線評価用パターン１に電圧を印加したときに流れる電流を測定する電流検出部２８と、制御部３０と、から構成されている。

金属配線評価装置の試料載置部２２は、金属配線評価用パターン１を一定温度にするための恒温槽や冷凍器３２を含んで構成されている。さらに、金属配線評価用パターン１と、試料載置部２２と、接続端子２４とは、図示しない真空槽内に配置してもよい。後述するように、金属配線評価用パターン１によってエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーを求める場合、試料載置部２２の温度は室温でもよい。さらに、金属配線評価用パターン１の熱エネルギーの揺らぎを抑圧するために試料載置部２２を冷却してもよい。熱エネルギーはｋＴ（ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。）で見積もられ、室温では約０．０３ｅＶである。これにより、特に活性化エネルギーとして、少数点以下２桁台の精度が要求される場合には、試料載置部２２を冷却する。

接続端子２４としては、Ｗ線の針等を用いたプローブを使用することができる。

電圧発生部２６はランプ波を発生する。ランプ波は、１サイクルの掃印の間に電圧値が直線的に増加し、それから急に元の値に戻って、次のサイクルを開始するような掃印電圧を繰り返して発生する回路である。

電流検出部２８の一端は電圧発生部２６の出力端子に接続され、電流検出部２８の他端は接続端子２４の一端に接続されている。接続端子２４の他端は、電圧発生部２６の接地側に接続されている。
ここで、電流検出部２８の他端と接続端子２４の一端との間には、雑音除去用のフィルタ３２が挿入されていてもよい。フィルタ３２としては、例えば高周波除去用のローパスフィルタを用いることができる。

制御部３０は、電圧発生部２６で発生するランプ波を制御すると共に、ランプ波の電圧と電流検出部２８で検出された電流値から金属配線評価用パターン１のコンダクタンスを計算する。制御部３０は、電子計算機３２から構成されている。このような電子計算機３２としては、パーソナルコンピュータを用いることができる。電子計算機３２は、ランプ波や金属配線評価用パターン１のコンダクタンス等を表示するディスプレー部３６を備えていてもよい。

（金属配線評価用パターン１を用いた金属配線の評価方法）
次に、本発明の金属配線評価用パターン１を用いた金属配線の評価方法について説明する。

金属配線評価用パターン１への電圧ストレスの印加前に、測定系の全抵抗Ｒｓ（＝Ｖ／Ｉ）を測定する。全抵抗Ｒｓは、パッシブなローパスフィルタの直列抵抗を含み、測定系の時間に独立な直列抵抗である。金属配線評価用パターン１の抵抗は、全抵抗Ｒｓを差し引いた値となる。

次に、金属配線評価用パターン１へ遅い帰還制御された電圧ストレスによって金属配線評価用パターン１の破壊工程を行う。バイアス電圧Ｖは、電流を監視しながら行う。ランプ電圧の時間に対する上昇は、例えば１ｍＶ／２００ｍｓである。

金属配線評価用パターン１におけるエレクトロマイグレーションの前兆は、コンダクタンスＧ（ここで、Ｇ（ｉ）＝Ｉ／Ｖ（Ｉ））、と微分コンダクタンス（ΔＩ／ΔＶ（ｉ））の増加を監視することによって、ランプ電圧の印加中に検出される。ここで、ｉは電圧ステップ数である。ΔＶは、例えば１０ｍＶに設定することができる。

ランプ電圧は、一例として微分コンダクタンス（ΔＩ／ΔＶ（ｉ＋１））が、大凡Ｇ（ｉ）になるまで上昇させた。つまり、ΔＩ／ΔＶ（ｉ＋１）≒Ｇ（ｉ）である。
しかしながら、微分コンダクタンスがある閾値よりも小さいＧ（ｉ）になったときには、ランプ電圧Ｖがエレクトロマイグレーション工程で安定するように、急激に減少させた。減少度合いは、例えば１０％である。

微分コンダクタンスの閾値は、経験的に調整することができる。閾値は破損が発展するように典型的には８０％から２００％まで増加させた。

制御されたストレスと緩和を繰り返すことによって、金属配線評価用パターン１の狭窄部２は徐々に破壊する。最終的には、狭窄部２は無くなり、金属配線評価用パターン１は、第１配線部３と第２配線部４とがｎｍオーダーの間隔で対向した、所謂ナノギャップ電極となる。

金属配線評価用パターン１の狭窄部２へランプ電圧によって電気的なストレスを数回繰り返すにつれて、エレクトロマイグレーションは進行し、回路抵抗であるＲは初期値Ｒｓから増加する。この回路抵抗Ｒから初期値Ｒｓを差し引いたＲ−Ｒｓが、金属配線評価用パターン１の正味の抵抗である。Ｒの増加は、狭窄部２におけるナノギャップ接合の形成に起因している。

金属配線評価用パターン１の抵抗Ｒｊは、下記（１）式で定義される。
Ｒｊ＝Ｒ−Ｒｓ （１）
金属配線評価用パターン１のコンダクタンスＧｊは、下記（２）式で定義される。
Ｇｊ＝（Ｒ−Ｒｓ）^−１＝１／Ｒｊ （２）

金属配線評価用パターン１に印加される電圧Ｖｊにおいて、電圧降下がほぼ狭窄部２で生じるので、狭窄部２の接合電圧はＶｊと近似的に表わされる。従って、Ｖｊは下記（３）式で与えられる。
Ｖｊ＝Ｉ／Ｇｊ （３）
ここで、Ｉは、金属配線評価用パターン１を流れる電流である。

上記各式のＲｊ，Ｇｊは、印加するランプ電圧と測定されるＩから制御部３０で計算される。例えば、計算されたＧｊ，Ｖｊ等の時間変化は、ディスプレー装置３４に表示される。

図８は、金属配線評価用パターン１に通電してからナノギャップ電極が形成されるまでのコンダクタンスの時間軸における変化を模式的に示す図である。図８に示すように、コンダクタンスは相１から相２へ変化することによって、金属配線評価用パターン１の狭窄部２の破壊が進展し、相２の最後で狭窄部２がなくなりナノギャップ電極が形成される。
初期のコンダクタンスの非常に緩やかな減少の後、電圧帰還制御が開始される。そしてＧ−Ｖ特性は、狭窄部２の破壊工程の進展につれて、電圧Ｖが減少するという傾向を有した複雑なパターンを示し始める。相１では、Ｇｊが、Ｇ_０の数百倍大きい初期段階では、電圧のストレス及び緩和の制御に同期して、Ｇｊは、急激な減少と完全でない復帰を繰り返し示す。Ｇ_０は１量子コンダクタンスであり下記（４）式で表わされる。
Ｇ_０＝２ｅ^２／ｈ （４）
ここで、ｅは電子の単位電荷であり、ｈはプランク定数である。

相１から相２の変換点のコンダクタンスＧｊが、例えばＧ_０の数十倍になると、エレクトロマイグレーションモードが変化することが分かる。相１から相２の変換点のコンダクタンスＧｊは、金属配線評価用パターン１の試料毎、或いは用いる金属材料でも若干異なるが、１００Ｇ_０未満で、特に５０Ｇ_０程度以下の値となることが多い。金属配線評価用パターン１が金配線からなる場合には、相１から相２の変換点のコンダクタンスＧｊは用いる１０Ｇ_０〜６０Ｇ_０程度である。

しかしながら、図８に相２として示すように、Ｇｊは量子化コンダクタンスの平坦部を有するようになり、連続的にＧ_０ずつ階段状に減少するようになる。これは、相２のエレクトロマイグレーションが、金の原子の連続的な１個ずつの剥離が進行していることを示している。相２をバリスティック相とも呼ぶことにする。

図８の相１及び相２の状態をさらに詳しく調べるために、接合電圧Ｖｊにおける臨界接合電圧Ｖｃを定義する。臨界接合電圧Ｖｃは、Ｇｊが急激に減少し始めるときの接合電圧Ｖｊであり、基本的には図８の相１及び相２に示しているように、鋸波状の接合電圧Ｖｊの最大値に等しい電圧とする。

図９は、ＲｊをＶｃの関数として示す図である。図の横軸は臨界接合電圧Ｖｃ（Ｖ）であり、図の縦軸はＲｊ（ｈ／（２ｅ^２））である。ｈ／（２ｅ^２）は、１量子コンダクタンスの逆数であり、１量子抵抗である。
図９に示すように、Ｒｊが小さいときは、ＲｊとＶｃとの関係（Ｒｊ−Ｖｃ特性とも呼ぶ）は、従来のジュール加熱モデルであるＲｊ＝Ｖｃ^２／Ｐ＊で良く表わされる。ここで、Ｐ＊は定数であり、接合におけるエレクトロマイグレーションが生起するときの臨界電力消費として説明することができる。

しかしながら、相２において狭窄部２の幅が数十原子位に狭くなると、Ｒｊ−Ｖｃ特性は一定電力の線からはずれるようになる。これは、狭窄部２において、熱ではない機構、つまり、エレクトロマイグレーション工程が生起し始めることを意味している。これにより、Ｇｊが数十Ｇｏ（Ｇｊ＜数十Ｇｏ）の電子輸送機構は、バリスティック伝導であることが示唆される。

相２では、金属配線評価用パターン１のコンダクタンス変化は、１量子コンダクタンスずつの連続的な低下が観測される。１量子コンダクタンスは、狭窄部２の接合電圧が臨界値を超えたときの配線材料に用いる原子の一つずつの剥離に相当する。

（エレクトロマイグレーションにおける活性化エネルギーの求め方）
金属配線評価用パターン１の狭窄部２におけるエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーは、相２における臨界接合電圧Ｖｃのヒストグラムを作成し、最も頻度の高い電圧から求めることができる。つまり、最頻値の電位差×（電荷素量ｑ：１．６×１０^−１９Ｃ）として活性化エネルギーの値が求められる。
これにより、金属配線評価用パターン１の狭窄部２において、相２の臨界接合電圧のヒストグラムによってピーク値を求めることによって、配線材料に用いる原子の表面自己拡散過程の活性化エネルギーを求めることができる。

さらに、相２の臨界接合電圧のヒストグラムにおけるピーク値は、配線材料に用いる原子のＭＴＴＦの活性化エネルギーと一致する。ＭＴＴＦは、別途、従来の配線材料の信頼性試験から求められた値である。結果は、エレクトロマイグレーションが熱由来ではないことを示し、その素過程は、粒界における単一の伝導電子から単一の金属原子に対して続いて運動エネルギーの伝達によって生起（誘起）される表面拡散である。

本発明の金属配線評価方法によれば、金属配線評価用パターン１は半導体装置１０と同じ材料からなり、狭窄部２にランプ電圧を繰り返し通電することによって原子数が数十個ほどからなる相２の状態とし、狭窄部２を微小な接合とし、これに精密にランプ電圧を通電することで、原子一つ分の微小断線を何度も生じさせ、観測される臨界接合電圧Ｖｃの頻度分布から直接、（最頻値の電位差）×（電荷素量ｑ＝１．６×１０^−１９Ｃ）として活性化エネルギー（ｅＶ）の値を求めることができる。

（ＭＴＴＦの測定方法）
次に、金属配線の平均故障寿命（ＭＴＴＦ）の測定方法について説明する。
上記した評価方法によって金属配線評価用パターン１，１Ａ，１Ｂを用いて、金属配線のエレクトロマイグレーションにおける活性化エネルギーを求めることができる。さらに、金属配線評価用パターン１Ｃを用いることで、ＭＴＴＦを測定することができる。
金属配線評価用パターン１の測定は、以下の工程によって求めることができる。
工程１：金属配線評価用パターン１Ｃにおいて、上記の方法によって、金属配線評価用パターン１，１Ａ，１Ｂの何れかに用いる金属材料のエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーを求める。以下の説明では、金属配線評価用パターン１として説明する。
具体的には、金属配線評価用パターン１に通電を行い、狭窄部２の切断を行い、相２における臨界接合電圧を取得し、臨界接合電圧のヒストグラムを作成し、金属配線評価用パターン１に用いる金属材料のエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーを求める。活性化エネルギーの精度を高めるためには、多数の金属配線評価用パターン１，１Ａで活性化エネルギーを測定し、その平均値を活性化エネルギーとすることが望ましい。
工程２：金属配線評価用パターン１Ｃ内に金属配線評価用パターン１と共に配置されている寿命測定のための金属配線評価用パターン部１５を用い、通常の寿命試験である劣化試験を高温（Ｔｈ）で行い、劣化するまでの寿命を測定する。寿命測定の精度を向上させるには、高温は１点ではなく、複数の高温で行ってもよい。

工程３：工程２で得た温度Ｔｈにおける寿命を片対数グラフへプロットする。図１０は、ＭＴＴＦを求めるための片対数グラフであり、横軸は絶対温度（Ｋ）の逆数（直線目盛り）で、縦軸は寿命（時間）の対数目盛りである。工程２で得た温度Ｔｈにおける寿命を丸印（○）で示している。
工程４：寿命ｔｆは、下記（５）式で与えられる。
ｔ_ｆ＝Ａｅｘｐ（−Ｅａ／（ｋＴ）） （５）
ここで、Ａは定数、Ｅａはエレクトロマイグレーションの活性化エネルギー、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。
従って、図１０に示すように、片対数グラフへプロットした寿命の点を基準として、工程１で求めた活性化エネルギーを有する直線を低温側まで外挿線を描く。温度Ｔｈから低温側への外挿線を用い、低温側の寿命を得る。

上記方法によれば、図６に示す金属配線評価用パターン１Ｃを用い、金属配線評価用パターン部１５の劣化試験を高温で行うことによって、半導体装置１０に用いる金属配線の寿命を測定することができる。この方法によれば、金属配線評価用パターン１（１Ａ，１Ｂ）により短時間で求められる金属配線の活性化エネルギーと、高温側の少なくとも１点の寿命測定と、によってＭＴＴＦを求めることができる。このため、従来のＭＴＴＦ測定のように、低温側（例えば２００℃）から高温側（例えば５００℃）まで複数の測定を行う必要がなくなる、特に、低温側での時間が掛かる寿命測定が不要となるので、短時間にＭＴＴＦを得ることができる。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
（金属配線評価用パターン１の作製）
金属配線評価用パターン１は、高不純物密度添加のｐ^＋Ｓｉ基板１１の表面に形成された酸化膜（ＳｉＯ_２膜）上に形成した弱いナノ接合である狭窄部２を備えている。酸化膜１２の厚さは１００ｎｍである。金属配線評価用パターン１は、材料として金を用い、電子ビーム露光と引き続きの影蒸着で行った。

密着層７として、２ｎｍの厚さのＴｉを通常の入射で行った。次に、１０ｎｍの金層２層をそれぞれ、１１°、−１１°の角度で蒸着し、小さなオーバーラップ領域、つまり、狭窄部２を形成した。これにより、ごく僅かに重なった領域は、Ｔｉからなる密着層７の影響が回避される。製作した金属配線評価用パターン１の狭窄部２の幅は１５０ｎｍである。製作した金属配線評価用パターン１を、金属配線評価装置２０の試料載置部２２の銅ブロック上に載置し、真空にして４．２Ｋまで冷却し、エレクトロマイグレーションにおける活性化エネルギーを求めた。

金属配線評価用パターン１のうち狭窄部２は上記した遅い帰還制御によって破壊された。金属配線評価用パターン１に印加するランプ波は、電流を監視しながら１ｍＶ／２００ｍｓで変化させた。ΔＩ／ΔＶ（ｉ）の測定において、ΔＶは１０ｍＶに設定した。閾値は経験的に調整し、破損が発展するように典型的には８０％から２００％まで増加させた。ランプ電圧によって制御されたストレスと緩和を繰り返すことによって、狭窄部２のナノ接合は、徐々に破壊してナノギャップ電極とした。

図１１は、狭窄部２の走査型電子顕微鏡像であり、（Ａ）がナノ接合を、（Ｂ）がナノギャップ電極を示している。加速電圧は５０ｋＶであり、倍率は２０万倍である。
図１１から明らかなように、ランプ電圧を精度良く繰り返し印加することで、ナノ接合及びナノギャップ電極を形成することができた。

図１２〜１４は、実施例の金属配線評価用パターン１のコンダクタンス測定結果を示す図である。
図１２は、実施例に関し、金属配線評価用パターンのランプ電圧印加直後におけるコンダクタンスと印加電圧の関係を示す図である。図１２の横軸は電圧（Ｖ）を示し、図１２の縦軸はコンダクタンス（ｍＳ）を示している。
図１２に示すように、ランプ電圧印加直後の初期のコンダクタンスは、非常に緩やかに減少させた後、電圧帰還制御を開始した。コンダクタンスと電圧の特性（Ｇ−Ｖ特性とも呼ぶ）は、破壊工程の進展につれて、電圧Ｖが減少するという傾向を有している複雑なパターンを呈し始める。

図１３は、実施例に関し、金属配線評価用パターンの相１におけるコンダクタンスの時間依存性を示す図である。図１３の横軸は時間（秒）を、左縦軸及び右縦軸は、それぞれコンダクタンス（２ｅ^２／ｈ）、狭窄部２の接合電圧Ｖｊ（Ｖ）を示している。
図１３に示すように、狭窄部２のコンダクタンスＧｊは、ランプ電圧の変化によって２２０Ｇ_０〜１９５Ｇ_０まで減少する場合を示している。このように、ＧｊがＧ_０の百倍から数百倍と大きい初期段階では、ランプ電圧の上昇（ストレス）及び下降（緩和）の制御に同期して、狭窄部２のコンダクタンスＧｊは急激な減少と完全ではない増加（復帰）を繰り返し示すと共に、徐々に減少する。

図１４は、実施例に関し、金属配線評価用パターンの相２におけるコンダクタンスの時間依存性を示す図である。図１４の横軸及び縦軸は図１３と同じである。
図１４に示すように、狭窄部２の破壊工程における相２はＧｊがＧ_０の数十倍になると生じる相であり、相１からエレクトロマイグレーションモードの相２へ変化することが分かる。図１４では、狭窄部２のコンダクタンスがランプ電圧の変化によって４２Ｇ_０〜３０Ｇ_０まで減少する場合を示している。相２では、Ｇｊが量子化コンダクタンスの平坦部を有するようになり、連続的にＧ_０ずつ階段状に減少するようになる。これは、相２で生起するエレクトロマイグレーションでは、金の原子の連続的な１個ずつの剥離が進行していることを示している。

図１５は、実施例に関し、金属配線評価用パターンのＲｊと臨界接合電圧Ｖｃの関係を示す図であり、２つの試料Ａ，Ｂのデータを示している。図１５の横軸は臨界接合電圧Ｖｃ（Ｖ）であり、縦軸はＲｊ（ｈ／（２ｅ^２））である。
図１５から明らかなように、Ｒｊが小さい場合は、接合抵抗Ｒｊと臨界接合電圧Ｖｃの特性（Ｒｊ−Ｖｃ特性と呼ぶ）は図示する点線の傾きでＲｊが増加する。この領域が狭窄部２の接合における相１であり、ＲｊとＶｃとの関係は、従来のジュール加熱モデルで表わされる。Ｒｊが約０．０２Ｒ_０以上では、相１とは異なる傾きとなり、Ｒｊ−Ｖｃ特性から相２へ移行することが分かる。このように、相２では、狭窄部２の接合の幅が数十原子位に狭くなり、Ｒｊ−Ｖｃ特性は一定電力の線からずれるようになる。

図１６は、相２のコンダクタンス測定で得た臨界接合電圧Ｖｃの頻度を示すヒストグラムの一例である。図１６の横軸は臨界接合電圧Ｖｃ（Ｖ）を示し、縦軸は頻度を示している。
図１６から明らかなように、臨界接合電圧Ｖｃは０．２５Ｖから０．６Ｖまでの範囲に分布し、ピークが０．４２Ｖであることを示している。ピークの位置は、金線に対する信頼性試から経験的に決定された活性化エネルギーである０．４２±０．０２ｅＶ（非特許文献６参照）と等しいことが判明した。

さらに、ピークの位置は、ピークの位置は、走査型トンネル顕微鏡で実験的に決定された金の表面における自己拡散ポテンシャルである０．４ｅＶから０．４４ｅＶ（非特許文献８参照）と一致している。

上記結果から、エレクトロマイグレーションにおける素過程は、図１６の挿入図（ポテンシャルダイヤグラム）に示すように、単一の伝導電子から単一の金属原子に対する運動エネルギーの伝達によって誘起される表面拡散である。図１６に示すように、狭窄部２の破壊工程の最終段階のデータ点は１ｅＶを越えており、この値は、バルクの金の凝集エネルギー（３．８１ｅＶ）のオーダーである。これは、接合が、強い金属結合を有する数原子によって架橋されていることを示している。

図１７は、Ｇｊが３９Ｇｏのときのコンダクタンスの時間依存性を示す図である。図１７の実線及び点線は、それぞれ、Ｖｊが０．３２Ｖ及び０．４６Ｖのときの異なる試料におけるＧｊを示している。
図１７から明らかなように、Ｖｊが０．３２Ｖの場合には、Ｇｊは変化しないことが分かる。一方、Ｖｊが０．４６Ｖの場合のＧｊは、時間と共に急激に減少していることが分かる。

これらの結果は、Ｖｃのヒストグラム中の０．４Ｖのピークが金のナノ接合における金拡散に対する閾値を与えることを明瞭に示している。図１７は、原子の拡散ポテンシャルに対して接合の印加電圧を注意深く選定することによって、ＢＪ工程を原子単位で正確に制御することができる。

上記実施例から、金属配線評価用パターン１に設けた狭窄部２の破壊工程におけるランプ電圧の繰り返し印加によって、狭窄部２の金原子が４０個、つまり、コンダクタンスが４０Ｇ_０位からなる相２の状態とし、臨界接合電圧Ｖｃを、さらに、精密に測定しつつ通電することで、原子一つ分ずつの微小断裂を何度も生じさせることが確認できた。狭窄部２に印加される臨界接合電圧Ｖｃのヒストグラムから、臨界接合電圧Ｖｃの最頻値として０．４Ｖを得て、狭窄部２の断線の活性化エネルギーとして０．４ｅＶの値を得た。この活性化エネルギーは、従来の測定法で得られた値とよく一致することが判明した。

本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれる。例えば、上記実施の形態で説明した金属配線評価用パターン１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、狭窄部２を有していれば、種々の半導体装置１０に応じて様々なパターン形状とし得ることは勿論である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ：金属配線評価用パターン
２：狭窄部
３：第１配線部
４：第２配線部
５，６：パッド部
７：第１配線層
８：第２配線層
１０：半導体装置
１１：基板
１２：絶縁膜
１３：素子
１４：金属配線
１５：寿命測定用の金属配線評価用パターン部
１６：配線部
２０：金属配線評価装置
２２：試料載置部
２４：接続端子
２６：電圧発生部
２８：電流検出部
３０：制御部
３２：恒温槽（冷凍器）
３４：フィルタ
３６：ディスプレー部

Claims (11)

1. 半導体基板に配設された絶縁膜上の金属配線評価用パターンであって、
   狭窄部と、該狭窄部の一端に接続される第１配線部と、該狭窄部の他端に接続される第２配線部と、を備えており、
   上記第１配線部と上記第２配線部とが密着層上に形成され、該密着層が上記絶縁膜上に形成され、
   上記狭窄部が上記絶縁膜上に直接形成されていることを特徴とする、金属配線評価用パターン。
2. 前記金属配線評価用パターンは、該金属配線評価用パターンに使用される金属材料のエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーを測定するためのパターンであることを特徴とする、請求項１に記載の金属配線評価用パターン。
3. さらに、前記第１配線部及び前記第２配線部にそれぞれ接続されるパッド部を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の金属配線評価用パターン。
4. 前記金属配線評価用パターンが、半導体装置内に配設されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の金属配線評価用パターン。
5. 前記金属配線評価用パターンは、さらに寿命測定用の金属配線評価用パターン部を備えており、
   上記寿命測定用の金属配線評価用パターン部は、細線からなる配線部と該配線部の両端に接続されるパッド部とからなることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の金属配線評価用パターン。
6. 金属配線評価用パターンを備えた半導体装置であって、
   上記金属配線評価用パターンは、半導体基板に配設された絶縁膜上に配設され、狭窄部と、該狭窄部の一端に接続される第１配線部と、該狭窄部の他端に接続される第２配線部と、を備え、
   上記第１配線部と上記第２配線部とが密着層上に形成され、該密着層が上記絶縁膜上に形成され、
   上記狭窄部が上記絶縁膜上に直接形成されており、
   上記金属配線評価用パターンは、該金属配線評価用パターンに使用される金属材料のエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーを測定するためのパターンであることを特徴とする、半導体装置。
7. 前記金属配線評価用パターンは、さらに寿命測定用の金属配線評価用パターン部を備えており、
   上記寿命測定用の金属配線評価用パターン部は、細線からなる配線部と該配線部の両端に接続されるパッド部とからなることを特徴とする、請求項６に記載の半導体装置。
8. 金属配線評価用パターンを用いた金属配線の評価方法であって、
   半導体基板上に配設された絶縁膜上に、狭窄部と該狭窄部の一端に接続される第１配線部と、該狭窄部の他端に接続される第２配線部と、からなる上記金属配線評価用パターンを形成し、
   上記第１配線部及び第２配線部にランプ電圧を繰り返し印加し、
   上記ランプ電圧によって上記第１配線部と上記第２配線部との間に流れる電流から上記狭窄部のコンダクタンスを計算し、
   上記ランプ電圧によって、上記コンダクタンスが１００Ｇ０から数百Ｇ０（ここで、Ｇ０は１量子コンダクタンスである。）の相１の状態から上記コンダクタンスが１０〜６０Ｇ０の相２の状態を経て、上記狭窄部を破壊しナノ接合を形成し、
   上記相２のランプ電圧の最大値である臨界接合電圧（Ｖｃ）のヒストグラムを作成し、
   該ヒストグラムの最頻値の電圧に電荷素量（ｑ）を乗じた値を、上記金属配線評価用パターンにおけるエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーの値として求めることを特徴とする、金属配線の評価方法。
9. 前記ランプ電圧を前記第１配線部と前記第２配線部との間に繰り返し印加する際に、前記金属配線評価用パターンを冷却することを特徴とする、請求項８に記載の金属配線の評価方法。
10. 前記金属配線評価用パターンと共に、さらに細線からなる配線部と該配線部の両端に接続されるパッド部とからなる寿命測定用の金属配線評価用パターン部を形成することを特徴とする、請求項８又は９に記載の金属配線の評価方法。
11. 前記寿命測定用の金属配線評価用パターン部を用いて、高温下で金属配線の寿命を測定し、
    上記金属配線の寿命と前記活性化エネルギーとから、金属配線の平均寿命を求めることを特徴とする、請求項８〜１０の何れかに記載の金属配線の評価方法。