JPH03254126A - 半導体集積回路配線の評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体集積回路の配線の評価に関し、特にエレ
クトロマイグレーション寿命を短期間に正確に評価する
方法に関するものである。

（従来の技術） 集積回路技術の進歩により内部回路は微細化され、内部
配線も微細に形成されるようになった。

配線材料としては、配線による信号伝搬遅延を抑制する
ためアルミニウムが使われている。アルミ配線では、大
きな電流密度の下で電流の担体である電子とアルミニウ
ム原子との運動量交換が起こりアルごニウム原子が移動
してヒロックやホイトが発生し、配線の短絡もしくは断
線故障が発生することが広く知られている。この故障現
象は、エレクトロマイグレーション（以下ＥＭと記す）
と呼ばれている。

（発明が解決しようとする課題） 従来のＥＭ故障を評価する方法では、高温の一定温度の
もとでｌＸ１Ｏ’Ａ／ｃ−以上の電流密度の大電流を流
して評価していた。評価時間を短縮するために、電流密
度を大きくするか温度を上げていた。

しかしこの加速試験方法では、大電流を流すことで発生
するジュール発熱の影響もあり、配線温度が極めて（２
００″Ｃ以上にも達することも多い）高くなる。そのた
め、実使用温度（８０℃以下）で起きる故障と異なるメ
カニズムの故障が発生し、正確な評価ができない。

例えば、ジュール発熱のため配線中に温度勾配ができ、
温度勾配に起因するサーマルマイグレーション故障がＥ
Ｍ故障と同時に進行するため、１Ｍ寿命が見掛は上短く
測定されてしまうことがある。またＥＭはアルミの結晶
性と密接な関連を持っており、アルミの結晶性の変化す
る２００″Ｃ以上の高温域では、実使用状態を模擬した
正確な評価はできない。

本発明は上記の欠点を改善するために提案されたもので
、その目的は、ＥＭ故障を短時間で正確に測定すること
で、高信頼なアルミニウム配線を安定的に提供するため
の半導体集積回路配線の評価方法を提供することにある
。

（！ｌ１題を解決するための手段） 上記の目的を達成するため、本発明は周囲温度を一定期
間一定に保ちＩ　Ｘ　１０’Ａ／　Ｃａｌ”以上の電流
密度の電流を流して半導体集積回路のアルミニウム配線
層の信頼性を評価する方法において、周囲温度を高温域
と低温域の間で周期的に交互に変化させることを特徴と
する半導体集積回路配線の評価方法を発明の要旨とする
ものである。

換言すれば、本発明は、半導体集積回路のアルくニウム
配線層に１Ｘｌｏ’Ａ／ｃ−以上の電流密度の電流を流
しながら、配線温度を１２５°Ｃ以上の高温域と０°Ｃ
以下の低温域の間で交互に変化させる（以下温度サイク
ルと記す）ことを特徴とするものである。

ここに高温域として１２５°Ｃ以上、低温域として０°
Ｃ以下と定めたものは、通常この種の半導体集積回路は
１２５°Ｃ未満、０°Ｃを越えた範囲で用いられている
ので、本発明においては加速試験を行うため、高温域と
して１２５’Ｃ以上、低温域として０°Ｃ以下を用いる
ことにしたものである。しかしてこの試験において温度
サイクル試験を、集積回路の故障発生（例えば配線の短
絡、断線など）するまでの回数を調べ、この回数により
集積回路の品質の判定を行うものである。

（作用） 本発明においては、集積回路に通電しながら、周囲温度
に温度サイクルを加えることで、短期間に正確な１Ｍ寿
命が測定できるものである。

高温域では、ＥＭ故陣の原因となるアルミ原子の抜けた
穴（以下空孔と記す）が高密度に生成され、この空孔は
電流担体である電子と運動量交換により高速で移動し、
将来断線する場所（以下ボイドと記す）に蓄積されてい
く、空孔密度、移動速度は温度が高いほど大きい。した
がって、高温域では、多量の空孔がボイド周辺に蓄積さ
れる。

一方位温域では、空孔の生成量は小さく移動は抑えられ
るが、高温域で蓄積されたボイド周辺の高い空孔密度は
保持されている。さらに低温域では、配線の上下にある
絶縁膜から配線に大きな弓張り応力が働く、これは、ア
ルミ膜と絶縁膜の熱膨張係数の違いに起因する熱応力で
あり、アルミ層の形成温度と試験温度の差の２乗以上に
比例する。従って、試験温度が低いほど応力が大きくな
る。ボイド部には周囲よりも大きな引張り応力が働き、
ボイドの成長によって、応力緩和が住しる。

すなわち応力によって、ＥＭ故障と同じような断線故障
モードが進行し、それは低温試験により加速される。

本発明による通電しながら温度サイクルを加える評価方
法を、故障メカニズムの視点から説明すると、高温域で
空孔発生量と移動速度を大きくしてボイド周辺の空孔密
度を一定以上に大きくし、低温域で応力により故障メカ
ニズムを加速している。ボイド周辺の空孔はボイドの成
長に使われるため、低温域の応力加速の期間では空孔密
度は徐々に減ってくる。そこで、一定時間ごとに高温域
に戻して空孔をボイド周辺に送り込んで補給・蓄積すれ
ば、低温域での加速は継続されることになる。

この方法により、従来よりも評価時間が短くなることを
、以下に説明する。

仮に、配線温度を高温域に保ったままで電流を流して故
障するまでの時間を、１．とする。これは、従来の評価
方法による故障時間と等しい。また仮に、ボイド周辺の
空孔密度が高温域と同し状態として、試験温度を低温域
に保ったままで電流を流して故障するまでの時間を、ｔ
、とする、さらに、本発明による方法での故障時間を、
ｔとす高温域と低温域の温度サイクルの１サイクル中で
、高温域の時間割合をｒｌ、低温域の時間割合をｒ２と
する。

ｒ１＋　ｒ２　＝　１　　　　　　　　　　　　　　（
１）本発明による評価方法での故障の進行速度は、高温
域での故障の進行速度と低温域での故障の進行速度の和
である。故障の進行速度は、故障時間の逆数に比例する
から １／１−（１／ｌ＋）Ｘｒ＋　＋（１／１ｚ）ｘｒｚ　
　　（２）となる。この式を変形して １／１−（１／ｌｌ）＋　（（１／ｌり−（１／１ｌ）
）　Ｘｒ！　（３１を得る。配線幅が狭くなると熱応力
が大きくなることが知られており、その場合 ｔ＋＞ｔｚ　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
となる。したがって ｔ　＜　ｔ　、　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（５）が成立する。本発明による評価方法の方が、従来
の評価方法よりも短時間に故障が発生することが示セた
。

なお、１／Ｌ＝（１／１ｌ）Ｘｒｌ＋（１／ｌりＸｒ２
の弐が成立するのは、本発明の評価方法のように、周期
的に繰返す高温域での通電で空孔をボイド周辺に供給す
ることで、低温域でもボイド周辺に高い空孔密度が保持
されている場合だけである。

もし、高温域がなく低温域でのみ試験を実施したならば
、空孔の発生量は少なく空孔の移動速度も遅いため、ボ
イド周辺の空孔密度は低いままである。この時大きな応
力が加わっても、ボイドの成長のもととなる空孔がない
から、故障の進行速度は１／１２よりも格段に遅い。

（実施例） 次に本発明の実施例について説明する。なお、実施例は
一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲で
、種々の変更あるいは改良を行い得ることは言うまでも
ない。

第１図は本発明の評価方法に用いられる通電電流を示す
もので、横軸に時間、縦軸に電流の大きさを示している
。

第２図は温度Ｔ、、Ｔ２の変化を示すもので、高温域１
２５°Ｃで約５分間、低温域０°Ｃで約５分間とっであ
る。

第３図は試験装置の構成を表し、図において、ｌは恒温
槽、２は測定系、３は電流源、４は制御装置、５は試料
、６は測定用の信号線、７は電流バイアス線、８は制御
線である。

これを動作するには、まず恒温槽を所定の高温に設定し
、次に試料に電流源から第１図に示す電流Ｉ０を流す。

試験開始後、制御装置にあらかじめ人力されたプログラ
ムに従い、恒温槽の温度をＴ、とＴ２の間を一定周期で
変化させ、試料が断線するまで続ける。試料が断線した
ことは、測定系の抵抗測定値より！ＩＪｍ装置で判断す
る。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、通電しながら周
囲温度に温度サイクルを加えることで、短期間に正確な
ＥＭ寿命が測定できる。

集積回路の高密度化に伴い配線の微細化が進むので、過
剰な信頼性マージンを排した正確な評価が必要となる。

また、信頼性も含めた開発期間の短縮化も、従来に増し
て重要になってきている。

このような状況の中で、本発明による短時間かつ正確な
評価方法は、極めて有効な方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は通電電流、第２図は温度Ｔの変化、第３図は試
験装置の構成を示す。 １・・・恒温槽 ２・・・測定系 ３・・・電流源 ４・・・制御装置 ５・・・試料 ６・・・測定用の信号線 ７・・・電流バイアス線 ８・・・制御線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 周囲温度を一定期間一定に保ち１×１０＾５Ａ／ｃｍ＾
   ２以上の電流密度の電流を流して半導体集積回路のアル
   ミニウム配線層の信頼性を評価する方法において、周囲
   温度を高温域と低温域の間で周期的に交互に変化させる
   ことを特徴とする半導体集積回路配線の評価方法。