JPH07326647A

JPH07326647A - 配線特性の試験装置および試験方法

Info

Publication number: JPH07326647A
Application number: JP6120953A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Ofuji; 晋一大藤; Mitsuo Tsukada; 光男塚田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1994-06-02
Filing date: 1994-06-02
Publication date: 1995-12-12

Abstract

(57)【要約】【目的】試験時に大電流密度を使用した場合のジュー
ル発熱で生ずる試料水準間の温度差を低減し、試料水準
間での温度加速性の不揃いを解消して試験精度を高めた
高加速性の配線信頼性評価用試験装置および試験方法を
提供すること。【構成】本発明装置は、被試験配線と絶縁されかつ隣
接する温度検出用配線と、検出温度を入力とし、被試験
配線に通電する試験電流を出力とする試験電流制御装置
とを有することを特徴とする。なお、該被試験配線の抵
抗値と試験電流との経時変化を記録する試験結果収集装
置とを有することが好ましい。本発明方法は、被試験配
線と絶縁されかつ隣接する温度検出用配線を設け、該温
度検出用配線により検出する該試験配線の試験中の温度
を、試験電流を制御することにより設定試験温度に平衡
させ、その時に得られる平衡試験電流値を試験終了まで
保持することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置上の半導体
回路の配線の品質および信頼性の評価技術に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】エレクトロマイグレーションを主劣化要
因とする配線の性能・信頼性評価方法としては、配線評
価用試験回路を製作し、配線に流す電流密度を実使用状
態に比べて高め、かつ試験回路の周囲温度も高めること
により劣化を電流と温度で加速する手段が従来より取ら
れている。通常、配線材料の物性上の制限から、実使用
状態での配線の電流密度は一定値を想定して線幅、膜厚
等の設計が行われる。従って、試験時においても電流密
度は概ね一定として各種材料、線幅、膜厚、加工条件等
について最適条件が検討される場合が多い。

【０００３】しかしながら、電流密度を一定としても配
線材料固有の比抵抗、線幅、膜厚等により配線の単位長
さ当たりの抵抗値が異なるため、単位長さ当たりのジュ
ール発熱量が異なる。従来技術では、半導体チップ上に
孤立して設けられた１配線を試験対象として用いていた
ため、各試料水準ごとに試験対象配線からの発熱量およ
び形状に依存した放熱特性が異なっていた。さらに、試
験時には実使用時に比べて大きな電流密度を用いるた
め、このジュール発熱に影響された配線の実効的な表面
温度は試験時の周囲温度、即ち試験槽の設定温度に比べ
て数度から数十度の範囲で高い値となっていた。その結
果、試験時の実効的な配線表面温度に差異が発生するた
め、温度に依存した寿命加速係数が試料水準間で異なる
こという不具合を生じ、試験の誤差を大きくするという
欠点を有していた。

【０００４】従来技術では、このような大電流密度の試
験での発熱による誤差の増大を回避するために、電流密
度を下げて電流による寿命加速を小さく抑える方法や電
流による寿命加速に代えて周囲温度を高めて温度加速性
を高める等の改善が図られてきた。

【０００５】しかし、前者の方法では試験時間が長くな
り試験結果を迅速に製造条件の決定にフィードバックで
きないという欠点を生じていた。また、後者の方法では
配線内部の主要なＡｌ拡散経路が周囲温度で変わるため
に実使用状態とは故障モードが一致せず、実使用を模し
た加速試験としては成り立たなくなるという欠点を有し
ていた。

【０００６】また、配線のジュール発熱を積極的に利用
する試験方法も提案されている。R.E.Jones 等の提案す
る等温ジュール熱加熱法（Robert E. Jones, Jr. and L
arryD. Smith, “A new wafer-level isothermal Joule
-heated electromigrationtest for rapid testing of
integrated-circuit interconnect," Journal of Appli
ed Physics Vol.61, No.9, page 4670, 1 May l987.）
は、被試験配線の抵抗値から試験中の実効的な配線温度
を検出し、一定温度となるようにコンピュータを使って
試験電流にフィードバックをかける方法である。この方
法は配線が劣化して抵抗が増大しても、故障と判定され
る値に至るまでは配線の表面温度を一定値に保持し続け
る特徴を有する。しかし、実使用状態では、劣化が起こ
るとその抵抗増大位置での発熱が増し、温度が増大して
劣化をさらに促進するフィードバックが掛かる末期的現
象が起こるが、上記方法ではこの実使用状態での状況を
反映できないという欠点を有していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、試験
時に大電流密度を使用した場合のジュール発熱で生ずる
試料水準間の温度差を低減し、試料水準間での温度加速
性の不揃いを解消して試験精度を高めた高加速性の配線
信頼性評価用試験装置および試験方法を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題は、被試験配線
と絶縁されかつ隣接する温度検出用配線と、該温度検出
用配線から検出した検出温度を入力とし、被試験配線に
通電する試験電流を出力とする試験電流制御装置とを少
なくとも有することを特徴とする配線特性の試験装置に
よって解決される。

【０００９】なお、前記被試験配線の抵抗値と試験電流
との経時変化を記録する試験結果収集装置をさらに有す
ることが好ましい。

【００１０】また、被試験配線と絶縁されかつ隣接する
温度検出用配線を設け、該温度検出用配線により検出す
る該試験配線の試験中の温度を、試験電流を制御するこ
とにより設定試験温度に平衡させ、その時に得られる平
衡試験電流値を試験終了まで保持することを特徴とする
配線特性の試験方法によって解決される。

【００１１】なお、試験終了判定用抵抗値に達するまで
の累積通電電荷量を配線特性の評価指標に用いることが
好ましい。

【００１２】本発明を、前述した従来技術と対比すると
次の通りとなる。

【００１３】本発明によるところの試験装置の特徴は、
各試料水準について、被試験配線に絶縁されかつ隣接
する温度検出用配線を配置すること、該温度検出用配
線の温度を検出し、その検出温度を入力とし、被試験配
線に通電する試験電流を出力とする試験電流制御装置を
用意して試験電流を制御すること、該被試験配線の抵
抗値と試験電流の経時変化を記録する試験結果収集装置
を用意して試験結果を判定すること（請求項２）、であ
る。

【００１４】本発明によるところの試験装置では、温度
検出用配線を試験配線とは別に設けて温度を検出する点
と、被試験配線の抵抗値と試験電流の両者の経時変化を
記録する点で従来装置と異なる。従来では温度検出に被
試験配線の抵抗値を用いて試験電流を制御していた。ま
た、試験結果として故障判定に至る試験時間と平均電流
値のみを用いていた。すなわち、試験電流の経時変化
は、配線特性の評価指標には直接には用いていなかっ
た。

【００１５】本発明よるところの試験方法の特徴は、各
試料水準について、上記本発明による装置を用いて、
試験電流を制御して、温度検出用配線により検出する該
試験配線の試験中の温度を設定試験温度に平衡させ、
その時に得られる平衡試験電流値を以後試験終了まで保
持する点である。さらに、好ましい態様として、試験
終了判定用抵抗値に達するまでの累積通電電荷量を配線
特性の評価指標に用いる点である。

【００１６】本発明よるところの試験方法は、被試験配
線ではなく、被試験配線に隣接して設けた温度検出用配
線により温度を検出・制御する点と、平衡試験電流値を
試験中に一度定めると以後その試料の試験終了までその
電流値を保持する点で従来技術と異なる。また、配線特
性評価用指標として従来は試験時間と平均電流値から計
算した値を用いていたが、それに代えて累積通電電荷量
を用いる点で従来技術と異なる。

【００１７】

【作用】本発明によるところの試験装置は、被試験配線
に絶縁されかつ隣接する温度検出用配線を有するため、
他の温度検出用素子を近接させる方法に比べて距離をμ
ｍ前後の最小加工線幅まで近接でき、かつ被試験配線の
全長に渡って平行に配置させることができる。これによ
り被試験配線の表面温度に近い温度が配線全体に渡って
平均化されて測定できる。かつ、被試験配線と温度検出
用配線間の温度差について予備試験で定めた補正手続き
を取ることにより、精度の高い温度測定ができる。

【００１８】また、被試験配線は大電流の通電により試
験中に劣化して温度以外の欠陥発生等の要因による真性
抵抗の増大を生じるが、従来はこの抵抗値も含めて温度
に換算していたため、実際の配線表面温度よりも高い温
度が記録される欠点を有していた。しかし、本発明では
温度検出用配線を被試験配線とは別個に用意して低電流
密度で駆動するため、このような温度以外の劣化による
温度測定誤差を生ずることは少なく、従来よりも温度測
定精度を高める作用を有する。

【００１９】また、温度検出用配線の検出温度を入力と
して被試験配線に通電する試験電流を出力とする試験電
流制御装置を有するため、従来の槽温度による温度設定
に比べて、試験電流を制御することにより配線の実効的
な表面温度をより高精度に所望の値に保持できる作用を
有する。

【００２０】さらに、本発明による装置では試験電流を
試験中にも可変としているため従来行ってきた試験電流
値での試料水準間の相対比較が不正確になる可能性があ
るが、本発明では故障判定に至る試験時間と試験電流の
記録に止まらず、抵抗値と試験電流の経時変化まで記録
する試験結果収集装置を有するため、各時刻における電
流を試験時間で積分することにより得られる累積通電電
荷量の算出を可能とする作用を有する。

【００２１】以上の本発明によるところの装置の各要素
の作用により、従来よりも高い精度で配線の実効的な表
面温度を所望の値に保持できる。かつ、その時の電流を
可変とした影響を累積通電電荷量の算出を可能とするこ
とにより回避できるようになる。

【００２２】本発明によるところの試験方法では、試験
電流を制御して温度検出用配線により検出する試験配線
の試験中の温度を設定試験温度に平衡させると共に、そ
の時得られる平衡試験電流値を以後試験終了まで保持す
るため、通電試験により熱平衡に達した以後配線が劣化
して真性の抵抗増大が発生した場合にも、実使用状態と
同様に劣化部位でのジュール発熱が増大して劣化を促進
する作用を有する。これにより、従来の等温ジュール熱
加熱法の欠点であった実使用状態とは異なる劣化末期で
の等温状態を改善でき、より実使用状態に近い故障状況
を模擬できる利点を有する。

【００２３】また、試験終了判定用抵抗値に達するまで
の累積通電電荷量を配線特性の評価指標に用いることに
より、本方法の如く試験電流を可変とした場合でも、試
験電流値での試料水準間の相対比較が不正確となる欠点
を回避させる作用を有する。これが可能な理由は、本発
明のごとくジュール発熱を積極的に利用して実効配線表
面温度を精密に設定する試験法では、配線の寿命が従来
方法のごとく試験電流値の−２〜−３乗に比例するとの
経験則には従わず、エレクトロマイグレーションの運動
量輸送の基本物理モデルに従って累積通電電荷量に反比
例するものと見なすことが可能となることに因る。

【００２４】これらの作用により、本発明の目的とする
ところの大電流密度を使用した場合にも各試験水準間で
被試験配線の表面近傍の実効的温度を設定温度に一定に
保つことができる。また、実使用状態の劣化末期での高
い発熱を伴う故障状況を高精度に模擬でき、かつ試験電
流可変による電流値での相対比較の不正確さを累積通電
電荷量を検出することで回避できる。これらの作用によ
り試料間の温度加速性の不揃いを解消でき、高加速性の
配線信頼性試験を可能とすることができる。

【００２５】

【実施例】図１は本発明の実施例を説明するための図で
あって、膜厚０．５μｍ、線幅１μｍの２本のＡｌ配線
が形成された試験対象となる試験装置の一部を切り出し
た部分断面図を示す。１は基板となるＳｉウエハ、２は
ＳｉＯ₂から成る層間絶縁膜、３は層間絶縁膜２の中に
平坦化加工して埋め込んだ線幅１μｍ、長さ１ｍｍの被
試験用Ａｌ配線、４はこれと１μｍ隔てて平行に配置し
た線幅１μｍ、長さ１ｍｍの温度検出用Ａｌ配線であ
る。

【００２６】この試料について本来の信頼性試験を開始
する前に、次に述べる予備試験を実施する。被試験用Ａ
ｌ配線３に室温から１７５℃の試験槽の温度範囲で電流
密度５×１０⁵〜１．２×１０⁷Ａ／ｃｍ²で通電を行
い、このときの熱平衡時の該配線両端の電位差から抵抗
値とその温度係数を求め、抵抗値から実効的な配線表面
温度を導出しておく。同時に、電流密度５×１０⁵Ａ／
ｃｍ²で通電した隣接する温度検出用Ａｌ配線４の両端
の電位差から抵抗を測定し、この値から各試験槽温度お
よび試験電流密度における被試験用Ａｌ配線３の実効的
な配線表面温度が求まる校正表を作成する。これらの予
備検討においては通電時間を必要最小限にとどめ、被試
験用Ａｌ配線３の劣化を無視し得る範囲に抑える。

【００２７】図２は本発明の実施例を説明するための図
であって、図１に示した試験用配線装置を試験対象とし
た信頼性試験のための配線特性試験装置の構成図を示
す。１１は試験装置系全体の装置制御とデータ入出力制
御を行う計算制御装置、１２は試験データの収集と表示
を行う試験結果収集装置、１３は被試験配線を含む試験
装置を予め設定した温度に保つ試験用恒温槽、１４は被
試験配線に通電する電流を制御・供給する試験電流制御
装置、１５は被試験配線の両端の電位差を測定する電圧
計測装置、１６は温度検出用配線の抵抗値を測定するた
めの抵抗計測装置、１７は計測制御用のインターフェイ
スバスである。これらの各部装置はインターフェイスバ
ス１７を介して計算制御装置１１につながり、相互に制
御情報と計測データの授受を行う。

【００２８】まず、被試験配線が形成された試験装置を
試験用恒温槽１３に装填し、１７０℃に槽温度を高め
る。被試験配線の温度は、槽温度と被試験配線の発熱量
とのバランスで決まるので、槽温度は被試験配線の電流
密度、設定（目標）温度に応じて決める。次に試験電流
制御装置１４により電流密度１×１０⁷Ａ／ｃｍ²で通電
する。この時、抵抗計測装置１６を用いて温度検出用配
線に電流密度５×１０⁵Ａ／ｃｍ²で通電し、そのときの
配線両端の電位差を０．３秒間隔で測定して抵抗値を求
める。予備検討で求めてある配線温度の校正表より被試
験配線の表面温度を求める。このデータをインターフェ
イスバス１７を通して計算制御装置１１に送る。計算制
御装置１１は、この温度を、予め設定した２００℃とな
るように試験電流制御装置１４に制御信号を送る。試験
電流制御装置１４はＰＩＤ制御方式により電流を制御
し、通電開始後３０分で電流密度８×１０⁶Ａ／ｃｍ²前
後の一定電流値で２００℃の熱平衡状態に至らしめる。
以後、電流値はこの熱平衡状態の値を保持し、時間の経
過と共に被試験配線の抵抗値が増大傾向を示しても変え
ない。このときの抵抗値に比べて値が１０％増大した時
点を故障と判定する。この間、被試験配線の抵抗値と試
験電流の値を３０秒毎に試験結果収集装置１２に送信
し、データを記録する。

【００２９】試験結果収集装置１２は３０秒ごとの被試
験配線の抵抗値と試験電流を記録し、故障に至るまでの
電流値の時間に関する積分値を３０秒毎の値による近似
計算から求めて累積通電電荷量として記録及び表示を行
う。

【００３０】本実施例では、温度検出用配線を被試験配
線とは別に設けて従来より高精度に被試験配線の実効的
な表面温度を測定し、かつ配線のジュール発熱を積極的
に利用して試験電流で配線の実効的な温度を制御してい
るため、通電によるジュール発熱は試験温度の誤差とは
ならない。従って、ジュール発熱を利用しない従来方法
に比べて高い電流密度１×１０⁷Ａ／ｃｍ²以上の値を用
いることができ、これにより温度誤差を増さずに大電流
による加速性を高める作用を有する。

【００３１】試験電流は通電開始後３０分で２００℃の
平衡温度に到達して一定値に固定される。以後試験終了
までこの電流値を保持する。これにより熱平衡に達した
以後配線が劣化して真性の抵抗増大が発生しても、実使
用状態と同様に劣化部位でのジュール発熱が増大して劣
化を促進す作用を有する。これにより、従来の等温ジュ
ール熱加熱法の欠点であった劣化末期でも温度が不変に
制御されるという実使用状態とは異なる不具合が改善さ
れ、より実使用状態に近い故障状況を模擬できる効果を
有する。

【００３２】また、設定温度に表面温度を平衡させる以
前には試験電流を可変としているため、従来のごとく電
流を一定にして通電する場合に比べて試験時間、すなわ
ち通電時間を配線特性の評価指標に採用した場合には誤
差が増大する。しかし、本実施例によるところの装置は
被試験配線の抵抗値と試験電流の経時変化を記録する試
験結果収集装置を有するため、これを用いて測定時刻ご
とに電流値と通電時間を積算することにより電流値の時
間に関する積分値に対応する累積通電電荷量を出力する
作用がある。これを配線信頼性特性の評価指標に用いる
ことにより、電流可変に起因する上述の誤差増大を回避
できる効果がある。

【００３３】以上に述べた作用により、試験用に大電流
密度を用いた場合にも試料水準間の配線の実効的な試験
温度を同一値に揃えることができるため、試料間の温度
加速性の不揃いを解消でき、高加速の配線信頼性試験を
高精度化できるという効果を生じる。

【００３４】

【発明の効果】これらの作用により、本発明の目的とす
るところの大電流密度を使用した場合にも各試験水準間
で被試験配線の表面近傍の実効的温度を設定温度に一定
に保つことができる。また、実使用状態の劣化末期での
高い発熱を伴う故障状況を高精度に模擬でき、かつ試験
電流可変による電流値での相対比較の不正確さを累積通
電電荷量を検出することで回避できる。これらの作用に
より試料間の温度加速性の不揃いを解消でき、高加速性
の配線信頼性試験を可能とする効果を有する。

【００３５】（請求項１）本発明の請求項１に係る装置
によれば、温度検出用の配線を被試験配線とは別個に有
するため試験配線の劣化の検出温度への影響を回避して
高精度の温度測定を可能とする効果を有する。

【００３６】（請求項２）本発明の請求項２に係る装置
では、試験電流制御装置との他に試験結果収集装置を有
するため、試験電流制御によるジュール発熱の影響をよ
り低減でき、配線特性の評価指標たる累積通電電荷量の
測定を可能とする効果を有する。

【００３７】（請求項３）本発明の請求項３に係る方法
は、請求項１に記載の装置による一定温度試験による試
験末期での実使用状態を反映しない欠点を改善し、より
実使用状態を模擬した加速試験を可能ならしめる効果を
有する。

【００３８】（請求項４）本発明の請求項４に係る方法
は、請求項２に係る装置を用いて電流制御による試験を
行った場合の電流可変による不都合を回避して配線特性
を評価可能ならしめる指標を提供する効果を有する。

【００３９】（請求項５）本発明の請求項５に係る方法
は、より精度の高い温度測定ひいては配線特性の評価が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるところの実施例の被試験用装置の
部分断面図である。

【図２】本発明によるところの実施例の配線特性試験装
置の構成図である。

【符号の説明】

１Ｓｉウエハ、２層間絶縁膜、３被試験用Ａｌ配線、４温度検出用Ａｌ配線、１１計算制御装置、１２試験結果収集装置、１３試験用恒温槽、１４試験電流制御装置、１５電圧計測装置、１６抵抗計測装置、１７インターフェイスバス。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被試験配線と絶縁されかつ隣接する温度
検出用配線と、該温度検出用配線から検出した検出温度
を入力とし、被試験配線に通電する試験電流を出力とす
る試験電流制御装置とを少なくとも有することを特徴と
する配線特性の試験装置。
【請求項２】前記被試験配線の抵抗値と試験電流との
経時変化を記録する試験結果収集装置をさらに有するこ
とを特徴とする請求項１記載の配線特性の試験装置。
【請求項３】被試験配線と絶縁されかつ隣接する温度
検出用配線を設け、該温度検出用配線により検出する該
試験配線の試験中の温度を、試験電流を制御することに
より設定試験温度に平衡させ、その時に得られる平衡試
験電流値を試験終了まで保持することを特徴とする配線
特性の試験方法。
【請求項４】試験終了判定用抵抗値に達するまでの累
積通電電荷量を配線特性の評価指標に用いることを特徴
とする請求項３記載の配線特性の試験方法。
【請求項５】試験を行うに先立ち、被試験配線と温度
検出用配線に、前記電流通電を行い、各種試験槽温度お
よび試験電流密度における被試験配線と温度検出用配線
との間の温度差を、予め求めておき、該温度差を校正し
ながら試験を行うことを特徴とする請求項３または４記
載の配線特性の試験方法。