JPH04329654A - 電流駆動導電性材料評価方法および装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電流駆動導電性材料評
価装置に係わり、更に詳しくは、例えば、ＬＳＩ等に用
いられる各種導電性材料の例えばエレクトロマイグレー
ション耐性を効率よく測定する評価方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術を、導電性材料としてＬＳＩ
の配線材料を例にとり説明する。

【０００３】ＬＳＩの配線材料として、現在、主に、Ａ
ｌやＡｌに数％のＳｉを混入したＡｌ−Ｓｉ合金、ある
いはＣｕを少量加えたＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金等が用いら
れている。ＬＳＩの高集積化に伴い、これら配線の線幅
は益々細くなると共にその長さも長くなり、更に配線の
本数も増加する傾向にある。

【０００４】一方、ＬＳＩでは高集積化と同時に高速動
作が要求され、その結果、配線に流れる電流は増大する
傾向にある。即ち、単位断面積当たりに流れる電流密度
はＬＳＩの高集積化と共に益々増大しつつある。

【０００５】しかしながら、金属配線に大きな電流を流
すと電流の流れる方向とは逆方向に金属原子が移動し、
配線の一部が徐々に細くなりついには断線に至ることが
ある。この現象はエレクトロマイグレーションと呼ばれ
、金属配線の信頼性を決定する最も重要な要因の一つで
ある。

【０００６】そこで、より高性能なＬＳＩの開発には、
エレクトロマイグレーション耐性の高い材料が要求され
、その材料開発においては材料のエレクトロマイグレー
ションに対する強度を評価することが重要となる。

【０００７】従来のエレクトロマイグレーション耐性の
評価方法は以下の通りである。

【０００８】通常のＬＳＩ配線ではせいぜい１０５Ａ／
ｃｍ２程度の電流しか流さないが、信頼性試験では、配
線のエレクトロマイグレーションを加速するために１桁
大きな電流密度１０６Ａ／ｃｍ２の電流を配線に流す方
法がとられている。また、劣化をさらに加速させるため
に、雰囲気温度を２５０℃程度に上げる方法が採用され
ている。

【０００９】しかしながら、このような加速試験におい
ても、通常のＡｌ−Ｓｉ合金配線では、短寿命のもので
も、１カ月以上経過しないと断線には至らず、実際は例
えば、配線の抵抗をモニターし、テスト前の値に対し、
例えば５％あるいは１０％増加した寿命を持ってその配
線の寿命とする方法がとられている。

【００１０】にもかかわらず、多くの場合、抵抗値が以
上の変化を示すまでには、数週間〜１カ月程度の時間を
要し、材料開発の目標とする、より高エレクトロマイグ
レーション耐性の材料については、更に長い時間を要す
るため、配線材料開発における評価方法としては、現実
的には有効な方法とはなり得ないものであった。

【００１１】そこで、劣化試験を更に加速させるために
、より高密度の電流を流すことを本発明者は試みたが、
より高密度の電流を流そうとすると、ジュール熱により
配線が加熱され、その結果抵抗が増加し、また配線が更
に加熱されるということが起こることがわかった。 すなわち、配線温度を所定の温度に保つことはできず、
配線温度は暴走して熱による配線の溶断が起こってしま
う。従って、エレクトロマイグレーション耐性の評価が
できなくなってしまうという問題がある。

【００１２】以上のように、エレクトロマイグレーショ
ン耐性の評価試験を短時間で行うにも実際上できないの
が現状である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上の現状に鑑み、本
発明は、短時間で配線材料のエレクトロマイグレーショ
ン耐性の評価を行うことが可能で、材料開発に有効にフ
ィードバックできる電流駆動導電性材料評価方法及び評
価装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の第一の要旨は、
導電性材料よりなる配線パターンに第一の電流を流すこ
とにより前記配線パターンの抵抗値を測定した後、前記
配線パターンに前記第一の電流よりも大きな電流値を有
する第二の電流を流して前記配線パターンを加熱すると
同時に外部から冷却して前記配線パターンの温度を制御
し、前記第二の電流をきった後再び前記第一の電流を流
すことにより前記配線パターンの抵抗値を測定する操作
を複数回繰り返すことを特徴とする電流駆動導電性材料
評価方法に存在する。

【００１５】本発明の第二の要旨は、導電性材料よりな
る配線パターンの形成された基板を保持する手段と、前
記基板を冷却する手段と、前記配線パターンに第一の電
流を流すための手段と、前記配線に第一の電流を流した
ときにおける配線パターンの抵抗値を測定する手段と、
前記配線パターンに前記第一の電流よりも大きな電流値
を有する第二の電流を流す為の手段と、前記第二の電流
をきった後再び前記第一の電流を流すことにより前記配
線パターンの抵抗値を測定する操作を繰り返し行わせる
ための制御手段と、を有していることを特徴とする電流
駆動導電性材料評価装置に存在する。

【００１６】

【実施態様例】以下に本発明の実施態様例を説明する。

【００１７】導電性材料としては、ＬＳＩの配線材料が
典型例としてあげられる。

【００１８】ＬＳＩの配線材料としては、例えば、Ａｌ
、Ａｌ−Ｓｉ（２〜５％）合金，Ａｌ−Ｓｉ（１〜５％
）−Ｃｕ（１〜５％）合金、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｗ
Ｓｉ２，ＭｏＳｉ２，ＴｉＳｉ２、あるいはポリシリコ
ン等の他、これらの材料が層状に形成された配線，例え
ば、ＡｌとＴｉ等の高融点材料を交互に積み重ねた配線
等があげられる。なお、これら以外に、超伝導体も導電
性材料として例示することができる。

【００１９】基板としては、例えば、Ｓｉウエファー、
Ｓｉウエファーの表面に０．１〜１μｍシリコン酸化膜
を形成した基板、ガラス基板、アルミナ等のセラミック
基板、表面に例えばＳｉＯ２等の絶縁膜を形成した銅製
基板等があげられる。銅製の基板の場合、熱伝導率が高
いため冷却効率が良くなり、より高電流密度の実験が可
能となる。これら基板の上に、配線材料の薄膜を例えば
、蒸着、スパッター、ＣＶＤ，ＭＯＣＶＤ法で０．７〜
１μｍ作製し、例えば、長さ１００μｍ〜１ｍｍ、幅０
．３〜１μｍのエレクトロマイグレーション耐性測定用
配線パターンを作製する。

【００２０】基板を保持する手段（基板保持手段）とし
ては、配線パターンが形成された基板を保持することが
でき、また、冷却手段に取付可能なものであれば特に限
定はされないが、基板より大きな径を有し、厚さ２〜５
ｍｍの銅板、アルミ板あるいはセラミック板が例示され
る。このうち熱伝導率が良好な銅板が好ましい。なお、
基板は、例えば、インジウムのような低融点金属を用い
て基板保持手段に接着すればよい。また、基板保持手段
には、複数の基板を保持せしめてもよい。更に、基板の
他に配線パターンを電源、計測器と接続させるための引
き出し用プリント基板を保持せしめてもよい。

【００２１】配線に第一の電流を流す手段は、配線パタ
ーンのパッド部とプリント基板の対応するパッドを接続
する、例えばワイヤーボンディング等の接続手段、プリ
ント基板の引き出し用ピンと電源とを接続するための、
例えば、コネクター等の接続手段、及び電源により構成
される。電源は、直流、交流電源いずれでもよい。

【００２２】抵抗値を測定する手段は、配線パターンの
パッド部とプリント基板の対応するパッドを接続する、
例えばワイヤーボンディング等の接続手段、プリント基
板のピンと電圧計とを接続するための、例えば、コネク
ター等の接続手段、及び電圧計により構成される。

【００２３】第一の電流よりも大きな電流値を有する第
二の電流を流す手段は第一の電流を流す手段を共用して
もよいし、別に設けてもよい。この場合電源としては、
直流電源に限らず交流電源を用いてもよい。また、交流
電源は正弦波出力を持ったものでもよいし、パルス出力
のものでもよい。更に、直流に交流を重畳させたものを
用いてもよいことはいうまでもない。

【００２４】基板を冷却する手段としては、例えば、図
１に示した構成のものが用いられる。図には冷却手段と
共に、基板１、プリント基板２、基板保持手段３も併せ
て示してある。冷却手段は、容器４、冷媒導入口５、冷
媒排出口６、流量制御手段９、流量計１０及び冷媒温度
制御手段１１から構成される。冷媒導入口５は、容器１
内部で冷媒導入管７と接続され、導入管の先端は、配線
で発生する熱を効率的に取り除くために、基板保持手段
３を介し基板１の直下に配置される。また、容器内部に
は、空気の滞留を防ぐために、導入管７を取り囲むよう
にして仕切部８が設けられている。排出口は、仕切部の
上端よりも低位の位置に設けられ、断熱性のパイプ１２
を介して冷媒温度制御手段１１の導入口に連結される。 一方、冷媒導入口５は、流量計１０、流量制御手段９、
断熱性パイプ１２を介し、冷媒温度制御手段１１の冷媒
出口に連結されている。

【００２５】冷媒流量制御手段９及び温度制御手段１１
は、配線の温度検知手段の出力を入力信号として冷媒流
量及び温度を制御し、所定の温度に維持するために設け
られる。

【００２６】温度を検知するための手段は、配線温度を
測れるものであれば適宜のものが用いられる。例えば、
上記第二の電流を流す手段と抵抗値を測定する手段をそ
のまま用いることができる。即ち、配線の比抵抗の温度
特性を予め測定しておき、第二の電流を流したときに配
線両端での電位差から配線抵抗値を求め、先の比抵抗温
度特性を参照することにより、配線温度を求めることが
可能である。その他、熱電対等の接触式の温度計や焦電
素子やサーモパイル等の非接触式温度計等も用いること
もできる。

【００２７】冷却容量を制御する手段とは、配線温度を
所定の温度に保つために冷媒の流量及び温度を制御する
手段である。冷媒の流量を制御する手段としては、一般
のバルブを用いることができるが、上記の温度検知手段
からの出力信号を入力信号として流量を制御できる電磁
式のバルブが好ましい。また、冷媒温度を制御する手段
としては、例えば、恒温槽等が用いられるが、同様に温
度検知手段からの出力信号を入力信号として冷媒温度を
制御できる加熱器及び冷却器を備えたものが好ましい。

【００２８】

【作用】次に導電体のエレクトロマイグレーションに対
する寿命を求める方法を図２を用いて説明する。図は、
第一の電流と第二の電流を繰り返し流したときの配線パ
ターンの抵抗値が変化する様子を示している。

【００２９】導電体の配線パターンに、例えば、１０４
〜１０６Ａ／ｃｍ２の範囲の任意の第一の電流を流し、
パターンの両端の電位差から配線の抵抗の初期値を求め
る。次に、電流を徐々に増加し、第二の電流値にし、配
線温度が所定の温度になるように電流値調整する。従っ
て、試験温度を定めると、それぞれの材料に対し、スト
レス電流の大きさが決まる。また、異なった温度の測定
を行うには、冷媒の温度を変更してもよい。図２におい
て第二の電流を流したとき抵抗値が急激に大きくなるの
は配線温度が上がり、その結果抵抗が増加するからであ
る。

【００３０】１０６〜１０９Ａ／ｃｍ２程度の第二の電
流を一定時間流した後、電流を瞬間的に第１の電流まで
下げる。配線温度はすみやかに水温まで下がり、抵抗値
も低下する。ここで再び抵抗値を測定する。このときの
抵抗値は、第２の電流を流したことによるエレクトロマ
イグレーション効果により初期値より大きな値になる。 以上の操作を繰り返すと、抵抗値が徐々に大きくなり、
初期値から５％あるいは１０％増加した時点を配線寿命
とする。この寿命の定義は５％、１０％以外のいかなる
変化によって定義してもよい。

【００３１】本発明においては、第一の電流は直流、交
流のどちらを用いても良い。交流の場合には、抵抗測定
時に生じるエレクトロマイグレーション効果は抑制され
る。エレクトロマイグレーションによる配線劣化は、一
般に下記の経験式（Ｉ）で表される。

【００３２】 　　（Ｉ）式から明らかなように、２種類以上の温度で
上記試験を行うことで、未知の定数Ａ，Ｅが決まる。そ
の結果、任意の温度でのエレクトロマイグレーションに
対する寿命と電流密度の積が求まり、例えば、ある電流
密度での寿命や、必要な寿命に対する最大許容電流密度
を推定することができる。

【００３３】以上述べたように、本発明の評価方法及び
装置により、配線を加熱するための第二の電流を流す際
に発生する余分な熱は冷却装置により効果的に取り除か
れ、熱の暴走が抑えられる結果、配線温度は任意の温度
に保たれ、エレクトロマイグレーションによる抵抗値変
化を求めることが可能となる。更に、より高密度の電流
を流すことにより、より高温度でのエレクトロマイグレ
ーション耐性評価試験を行うことも可能となる。結果と
して、従来少なくとも１カ月以上かかっていた評価試験
が１〜２時間で行うことが可能となる。

【００３４】

【実施例】次に実施例をあげて本発明を詳細に説明する
が、本発明がこれら実施例に限定されないことはいうま
でもない。

【００３５】表面に０．５μｍの熱酸化膜を形成したＳ
ｉウエファー上に蒸着あるいはスパッター法でＡｌを１
μｍ形成した。その後エッチングにより１μｍ×１ｍｍ
のＶａｎ　ｄｅｒ　Ｐａｕｗ　パターンを基板当たり１
００個形成した。ＣＶＤ法でウエファー表面にシリコン
酸化膜を１μｍ形成し、パッド部をエッチングで除去し
た後ダイシングして基板を作製した。

【００３６】この基板とワイヤーボンディング用パッド
及び外部引き出し用ピンを有すセラミック製プリント基
板を５０ｍｍφ、２ｍｍｔの銅板の上にインジウムを用
いて接着し、その後基板上の配線とプリント基板上の対
応するパッド間をワイヤーボンディングで接続した。こ
の銅板を図１に示した冷却容器にＯリングを介してネジ
で固定した。容器の冷媒導入口及び排出口は、恒温槽と
連結され、冷媒は常に所定の温度に保たれるようにした
。

【００３７】次に、図３の概念図に示すように、２組の
パッドの一方に、直流電源と直流電流計を直列に接続し
、他方の組のパッドには直流電流計を接続した。本実施
例では、直流電圧計、直流電源、直流電流計の信号入出
力ポートを、コンピュータと接続し、コンピュータによ
り第一の電流及び第二の電流の電流値及びオンーオフの
タイミング制御、配線抵抗値の計算、配線温度の計算と
これに基づく冷媒温度の制御等を行った。

【００３８】続いて、以下に述べる方法でエレクトロマ
イグレーションに対する配線の寿命を求めた。

【００３９】先ず、各配線に第１の電流を流し、各々の
抵抗を測定した。次に電流値を徐々に上げ、所定の温度
に対応する第２の電流値とし、１分間この状態を保持し
た。電流を第１の電流値まで下げ、抵抗値を測定した。 抵抗値が初期値より５％増加するまで３分間周期の以上
の操作を繰り返した。

【００４０】蒸着膜の場合、第１の電流及び第２の電流
はそれぞれ１ｘ１０４Ａ／ｃｍ２、及び１．０４〜１．
１２×１０７Ａ／ｃｍ２とし、冷却水温度及び第２の電
流値を変えて配線の設定温度を８０℃、１１０℃、１４
０℃とした。スパッター膜は、第１及び第２の電流密度
をそれぞれ１×１０４Ａ／ｃｍ２，２．１６〜２．７４
×１０７Ａ／ｃｍ２とし、配線設定温度を２２０、２３
５、２５０℃とした。

【００４１】蒸着膜及びスパッタ膜について、配線の抵
抗値が５％増加するまでの平均時間を表１に示した。

【００４２】

【表１】 　　一方、各々の配線ついて、寿命、温度及び第二の電
流値から、（Ｉ）式のＬｏｇ（Ｊ２＊τ）と１／Ｔの関
係を求め、結果を図４にプロットした。図の直線は、各
温度でのデータの平均値を最小２乗法により直線近似し
て求めたものである。図４の直線から、ある温度でのＪ
２＊τ、即ち電流値の２乗と寿命の積が求められる。こ
の値から、例えば常温（３００Ｋ）で１０年の寿命をも
たせるための電流密度は、電流密度は蒸着膜の場合、２
．６ｘ１０５／ｃｍ２（図４（ａ））、スパッタ膜の場
合、１．５ｘ１０７Ａ／ｃｍ２となる（図４（ｂ））。

【００４３】この結果は、従来法により評価した蒸着膜
及びスパッター膜の結果（それぞれ１．５〜３．５ｘ１
０５Ａ／ｃｍ２、０．７〜２．５ｘ１０７Ａ／ｃｍ２）
と良く一致した。また、従来法ではスパッタ膜の場合１
カ月以上かかったのに対し、本実施例では２０〜２００
分ですみ、本発明の評価装置がいかに効率的であるかを
示した。

【００４４】

【発明の効果】本発明により、短時間で配線材料のエレ
クトロマイグレーション耐性の評価を行うことが可能な
電流駆動導電性材料評価装置を提供することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】電流駆動導電性材料評価装置の一構成を示す概
念図。

【図２】第一の電流と第二の電流を繰り返し流したとき
の配線パターンの抵抗値の変化を示すグラフ。

【図３】評価装置測定系の構成を示す概念図。

【図４】（ａ）Ａｌ蒸着膜の任意の電流密度でのエレク
トロマイグレーションに対する寿命（τ）と温度（１／
Ｔ）の関係を示すグラフ。 （ｂ）Ａｌスパッター膜の任意の電流密度でのエレクト
ロマイグレーションに対する寿命（τ）と温度（１／Ｔ
）の関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１　　　　　　基板、 ２　　　　　　プリント基板、 ３　　　　　　基板保持手段、 ４　　　　　　容器、 ５　　　　　　冷媒導入口、 ６　　　　　　冷媒排出口、 ７　　　　　　冷媒導入管、 ８　　　　　　仕切部、 ９　　　　　　流量制御手段、 １０　　　　　　流量計、 １１　　　　　　温度制御手段、 １２　　　　　　配管。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　導電性材料よりなる配線パターンに第
   一の電流を流すことにより前記配線パターンの抵抗値を
   測定した後、前記配線パターンに前記第一の電流よりも
   大きな電流値を有する第二の電流を流して前記配線パタ
   ーンを加熱すると同時に外部から冷却して前記配線パタ
   ーンの温度を制御し、前記第二の電流をきった後再び前
   記第一の電流を流すことにより前記配線パターンの抵抗
   値を測定する操作を複数回繰り返すことを特徴とする電
   流駆動導電性材料評価方法。
2. 【請求項２】　　導電性材料よりなる配線パターンの形
   成された基板を保持する手段と、前期基板を冷却する手
   段と、前記配線パターンに第一の電流を流すための手段
   と、前記配線に第一の電流を流したときにおける配線パ
   ターンの抵抗値を測定する手段と、前記配線パターンに
   前記第一の電流よりも大きな電流値を有する第二の電流
   を流す為の手段と、前記第二の電流をきった後再び前記
   第一の電流を流すことにより前記配線パターンの抵抗値
   を測定する操作を繰り返し行わせるための制御手段と、
   を有していることを特徴とする電流駆動導電性材料評価
   装置。
3. 【請求項３】　　前記冷却手段の冷却容量を制御する手
   段と、第二の電流を流したときにおける配線パターンの
   温度を検知するための手段と、検知した温度に基づいて
   前記冷却容量を制御する手段を駆動するようにしたこと
   を特徴とする請求項２記載の電流駆動導電性材料評価装
   置。
4. 【請求項４】　　前記温度検知手段は、前記第二の電流
   を流したときにおける配線パターンの抵抗値を測定する
   手段と抵抗値を温度に換算する手段とにより構成されて
   いることを特徴とする請求項２記載の電流駆動導電性材
   料評価装置。
5. 【請求項５】　　前記冷却手段は、出口を有する容器と
   、該容器の内部に配置され、該容器の外壁の高さよりも
   全部または一部が低い高さの仕切部と、冷媒の出口が保
   持材の直下に配置されたノズルと、から構成されている
   ことを特徴とする請求項３記載の電流駆動導電性材料評
   価装置。
6. 【請求項６】　　第二の電流を１０６〜１０９Ａ／ｃｍ
   ２としたことを特徴とする請求項２ないし５のいずれか
   １項に記載の電流駆動導電性材料評価装置。