KR100296184B1 - 금속배선의 신뢰성 평가방법 및 금속배선의 신뢰성 평가장치 - Google Patents

금속배선의 신뢰성 평가방법 및 금속배선의 신뢰성 평가장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속배선의 신뢰성 평가방법 및 금속배선의 신뢰성 평가장치에 관한 것으로서, 실제 사용 환경을 재현한, 실시에 즉응한, 즉 일렉트로 마이그레이션, 스트레스 마이그레이션을 동시에 가속하는 시험조건으로 평가를 행할 수 있고, 종래에는 간과되고 있던 결함도 평가할 수 있다.
특히, 반도체장치에 사용되는 금속배선의 신뢰성을 평가하는 평가방법으로서, 소정 온도 이상의 온도에서 소정의 시간 신뢰성 평가용 배선의 항온 보존 시험 I를 행한 후, 이 배선에 정전류(定電流)를 인가하면서, 그 배선의 전압을 측정하는 시험 Ⅱ를 행함으로써 금속배선의 신뢰성 평가를 행한다.
[색인어]
반도체장치, 금속배선, 통전시험, 일렉트로마이그레이션, 스트레스 마이그레이션

Description

금속배선의 신뢰성 평가방법 및 금속배선의 신뢰성 평가장치 {METHOD OF AND APPARATUS FOR EVALUATING RELIABILITY OF METAL INTERCONNECT}
본 발명은 금속배선의 신뢰성 평가 방법 및 금속배선의 신뢰성 평가장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히 반도체장치에 사용되는 금속배선의 신뢰성 평가 방법 및 그 평가를 행하기 위한 장치로서 이용할 수 있다.
금속배선을 이용하는 분야에서, 금속배선의 신뢰성 평가는 중요하며, 예를 들면 반도체장치 분야에서, 초 LSI의 고집적화에 따라 금속배선의 신뢰성 평가는 중요한 과제로 된다. 특히, 실제 디바이스 사용 환경에 적합한 신뢰성 평가 수단이 요구되고 있다.
금속배선의 신뢰성 평가 방법으로는, 오래 전부터 일렉트로 마이그레이션 평가(elcectromigration evaluating test)가 일반적으로 이용되고 있다. 이것은 200℃ 정도의 환경 온도에서 일정 전류를 흐르게 하고, 단선(斷線)될 때까지, 또는 저항이 상승하여 임계치를 초과할 때까지의 수명 시간을 측정하는 것이다. 한편, 최근 수년 동안 금속배선의 기계적 요인에 의한 손상에 의해, 예를 들면 금속배선이 커버막 등으로부터 받는 응력에 의해 단선이 생긴다. 이른바, 스트레스 마이그레이션(stress-induced migration)에 의한 고장 모드가 문제된다.
이들 2가지의 평가 방법에 대하여 그 시험시간을 비교하면, 일렉트로 마이그레이션 평가 시험이 수 분에서 길어도 수 백 시간으로 이루어지는데 비해, 스트레스 마이그레이션 평가 시험은 수 천 시간을 요한다. 즉, 2가지의 고장 현상은 고장 발생을 위해 요구되는 시간이 서로 상이하다.
실제의 사용환경에서, 일렉트로 마이그레이션과 스트레스 마이그레이션은 동시에 진행한다고 생각된다. 따라서, 이들 2가지의 가속시험을 독립하여 행하는 것은 실제 사용 환경을 충분히 재현하고 있다고는 말할 수 없다.
예를 들면, 제4도에 도시된 TiN 등의 배리어 메탈(barrier metal; 11)을 바당재로 한 A1 배선(12)의 적층구조에서, 항온(恒溫) 유지시험 후에 제5도에 도시된 바와 같은 슬릿(slit)형 보이드(void)가 결함으로 발생하는 경우가 있다. 이 경우, 종래의 스트레스 마이그레이션 평가에서는 저항 변화가 거의 없고, 배리어 메탈의 용장(冗長) 효과에 의해 도통이 유지되고 있으므로, 신뢰성 시험의 결과는 양호하다고 판단되고 있었다.
즉, 제6도에 개략적으로 도시된 바와 같이, 전류는 도면 부호 "14"로 나타낸 바와 같이 배리어 메탈(11)을 흐르므로, 단선이라는 평가는 이루어지지 않는 것이다. 한편, 종래 수법에 따라서 일렉트로 마이그레이션 평가를 상기 스트레스 마이그레이션 평가와 독립으로 행할 경우, 슬릿형 보이드가 아직 발생하지 않으면 물론 양호하다고 판단되고, 슬릿형 보이드(13)가 비록 생기더라도 곧바로 단선되지 않으면 양호하다고 판단된다.
그러나, 실제로는 슬릿형 보이드가 생길 경우, 이것은 단선으로 이어진다. 제7도에 도시된 바와 같이 통전시의 쥴 열(Joule heating) 등으로 불가피하게 슬릿형 보이드(13)가 화살표(15)와 같이 성장하고, 마침내 제8도와 같이 단선으로 발전하기 때문이다. 종래는 제5도에 도시된 것과 같은 불량은 검출할 수 없었던 것이다.
실제, 스트레스 마이그레이션 시험 없이 단독으로 일렉트로 마이그레이션 시험을 행한 경우에는, 0.3μm 또는 0.2μm의 선 폭에서 MTF(누적 불량율이 50%로 되는 Mean Time to Failure)가 양호하다고 평가되어도, 실제로 스트레스 마이그레이션 시험을 행하면 불량으로 평가되는 경우가 있다.
본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하고, 실제 사용환경을 재현한, 실시에 즉응한, 즉 예를 들면 일렉트로 마이그레이션, 스트레스 마이그레이션을 동시에 가속할 수 있는 조건으로 시험을 행할 수 있고, 그 평가를 행할 수 있으므로, 종래 간과했던 결함도 평가할 수 있는 금속배선의 신뢰성 평가 장치 및 금속배선의 신뢰성 평가 방법을 제공하는 것이다.
제1도는 실시예 1의 공정을 나타낸 플로도.
제2도는 실시예 1의 신뢰성 평가장치를 나타낸 구성도.
제3도는 실시예 3의 신뢰성 평가장치를 나타낸 블록도.
제4도는 금속배선의 불량 발생 메카니즘(1)을 나타낸 도면.
제5도는 금속배선의 불량 발생 메카니즘(2)을 나타낸 도면.
제6도는 금속배선의 불량 발생 메카니즘(3)을 나타낸 도면.
제7도는 금속배선의 불량 발생 메카니즘(4)을 나타낸 도면.
제8도는 금속배선의 불량 발생 메카니즘(5)을 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
I : 신뢰성 평가용 배선의 항온 보존 시험
Ⅱ : 통전 중의 전류·전압 측정시험,
1 : 가속 시험(일렉트로 마이그레이션 시험)실 (항온조),
2 : 실온시험(스트레스 마이그레이션 시험)실,
3 : 반송실(자동 반송기구) 4 : 로더,
5 : 웨이퍼 카세트 6 : 시료
7 : 지지부 71 : 히터.
본 발명에 따르면, 반도체장치에 사용되는 금속배선의 신뢰성을 평가하는 평가 방법으로서, 상기 반도체장치의 평가 시료의 금속배선의 초기저항(start-up resistance)을 측정하는 단계, 상기 금속배선을 특정 시간동안 25℃ 이상의 온도에 방치한 후, 상기 금속배선의 저항을 측정하고 상기 저항을 상기 금속배선의 상기 초기 저항과 비교함으로써, 소정 시간 동안 반도체 장치의 상기 평가 시료에 대한 항온 보존 시험을 수행하는 단계, 및 상기 항온 보존 시험이 행해지는 상기 반도체 장치의 평가 시료의 상기 금속배선에 전류를 인가하고, 동시에 상기 금속배선의 저항을 측정하여 상기 저항을 상기 금속배선의 상기 초기 저항과 비교하는 단계를 제공한다.
반도체장치의 평가 시료는 반도체 웨이퍼 또는 반도체 웨이퍼를 잘라 패키지에 봉인한 것이 사용된다.
항온 보존 시험은 상기 금속배선의 저항을 측정하는 단계 및 상기 금속배선을 특정 시간 동안 방치한 후 상기 금속배선의 저항을 측정하는 단계를 반복함으로써 이루어진다. 금속배선의 저항으로서, 실온에서 저항을 초기값으로 취하거나, 또는 100℃ 이상의 온도에서 가열된 금속배선의 저항을 초기값으로 취한다. 전자의 경우, 금속배선은 실온 이상으로 가열되어, 소정 시간 유지하고, 실온으로 냉각된다. 그 후, 저항을 측정한다. 금속배선의 저항 변화를 시간에 따라서 관찰한다. 후자의 경우, 금속배선은 초기값으로 측정된 온도로서 유지하고, 저항 변화를 각 소정 시간마다 관찰한다.
제2 단계에서, 일렉트로 마이그레이선 시험은 시료가 위에 탑재된 지지부의 온도를 바람직하게는 200℃로 올리고, 1× 106A/cm2 이상의 고 밀도 전류의 정전류(定電流)를 인가하여, 수명시간을 측정한다.
본 발명의 신뢰성 평가 방법을 행하는데 적합한 장치는, 상기 금속배선을 구비하는 반도체 장치인 평가 시료를 지지하는 제1 지지부 및 상기 평가 시료의 저항을 측정하는 제1 측정수단을 구비하는 제1 시험실, 상기 평가 시료를 지지하는 제2 지지부, 상기 제2 지지부를 가열하는 수단 및 상기금속배선에 전류를 인가하는 동안 상기 금속배선의 전압을 측정하는 제2 측정수단을 구비하는 제2 시험실, 및 상기 제1 시험실과 상기 제2 시험실 사이에 상기 평가 시료를 반송하는 반송실을 구비한다. 스트레스 마이그레이션 시험은 제1 시험실과 제2 시험실을 사용하여 수행하고, 일렉트로 마이그레이션 시험은 제2 시험실을 사용하여 수행한다.
본 발명에 따른 금속배선의 신뢰성 평가 방법에서는, 처음에 소정 온도 예를 들면 100℃ 이상의 온도로 항온 보존 시험을 행한다. 소정 시간, 예를 들면 2000 시간을 경과하는 동안에 배선에는 스트레스 마이그레이션에 의한 보이드가 생길 경우가 있다. 이 보이드는 배선폭과 결정 입자의 크기 관계에 따라서 여러 가지 형상을 나타낸다. 배선폭이 결정 입자보다 상당히 작을 경우에는 이른바 "뱀부(bamboo)" 구조라고 하는 것으로 나타나고,
이 경우는 슬릿형 보이드로 된다. 역으로, 배선폭이 결정 입자보다 클 경우에는 쐐기형 보이드로 된다.
항온 보존 시험을 종료한 시료를 사용하여, 다음에 통전 시험에 의한 일렉트로 마이그레이션 시험을 행하면, 보이드가 형성된 부분에서는 전류 밀도의 증대로 인해 발열이 생긴다.
항온 보존 시험의 일렉트로 마이그레이션 시험에 의한 불량 발생 메카니즘을 제4도 내지 제8도를 참조하여 다음에 설명한다.
TiN 등의 배리어 메탈(11)을 바탕재로 한 Al 배선(12)의 적층 구조(제4도)에 대하여, 항온 보존 시험 후에는 제5도에 도시된 슬릿형 보이드(13)가 생기는 경우가 있고, 이것은 종래 스트레스 마이그레이션 평가에서는 저항 변화가 거의 없고, 배리어 메달(11)의 용장 효과에 의해 도통이 유지되고 있으므로(제6도 참조), 신뢰성 시험의 결과는 양호하다고 평가된다.
그러나, 이 시료를 사용하여 일렉트로 마이그레이션 시험을 행하면 제6도에 도시된 바와 같이 배리어 메탈(11)에 집중적으로 전류가 흐른다. 이 결과 쥴 발열이 생기므로 Al 배선(12)의 마이그레이션이 촉진되어, 슬릿의 벌어짐 정도가 점점 커지고(제7도), 결국에는 제8도와 같이 배리어 메탈(11)의 용단(溶斷)· 단선으로 이어진다.
이와 같이, 일렉트로 마이그레이션 시험이나 스트레스 마이그레이션 시험을 단독으로 행한 경우에는 볼 수 없었던 불량모드를 이 평가방법으로 재현하여 평가하는 것이 가능하게 된다. 이 불량모드의 발생 과정은 실제 디바이스 사용 환경에 즉시 적용한 것이다.
다음에, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 그러나, 당연한 것이지만, 본 발명은 다음의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
이 실시예에서, 패키지에 조립한 반도체 시료(試料), 즉 반도체 웨이퍼를 잘라 패키지에 봉인(封止)한 반도체 시료를 사용하여, 본 발명의 금속배선의 신뢰성 평가를 행하였다.
시료의 평가용 배선구조는 다음과 같다. 재료(막두께)로 나타낸다. 즉, 배선구조를 AlSiCu(500nm)/Ti(30nm)/TiN(70nm)/Ti(30nm)의 적층 구조형으로 하고, 커버막으로는 P- SiN(750nm)을 사용하였다. 시료로 될 배선 양단에 전류 공급패드와 전압 측정패드를 각각 설치하고, 본딩을 행하여, 세라믹 패키지에 봉인하였다. 측정에 사용한 시료의 개수로는, 한 조건에 대하여 약 50개이다. 처음에, 150℃로 설정한 항온조내에 시료를 세트하고, 배선에 -5V를 인가하며, 전류치를 판독하여 배선의 저항을 계산한다. 다음에, 전류의 인가를 중지하고, 항온조 내에서 보존 시험을 행한다. 그리고, 100 시간마다 전압을 인가하여 측정한다. 2000 시간을 경과하는 동안에 배선에 보이드가 발생한다. 다음에, 항온조의 온도를 200℃로 상승시키고, 전류 밀도를 5.0× 106A/㎠로 하여 일렉트로 마이그레이션 시험을 행한다.
본 실시예에서는, 제1도에 도시된 바와 같이, 신뢰성 평가용 금속배선의 항온 보존 시험 I(100℃ 이상)에 의해 스트레스 마이그레이션 시험을 행하고, 이어서 통전중에 전류·전압 측정시험 Ⅱ를 실온에서 행하여, 일렉트로 마이그레이션 시험을 행하였다.
[실시예 2]
본 실시예는 웨이퍼 형상의 시료를 사용하여 본 발명에 따른 금속배선의 신뢰성 평가를 행하는 방법이다.
시료의 배선구조(막두께) 는 AlSiCu(500nm)/Ti(30nm)/TiN(70nm)/Ti(30nm)의 적층 구조형으로 하고, 커버막으로는 P- SiN(750nm)을 사용하였다. 시료로 이용된 배선의 양단에 전류 공급패드와 전압 측정패드를 각각 설치하였다. 측정에 사용하는 칩의 개수로는, 한 조건에 대하여 약 100 개로 하였다. 처음에, 실온에서 웨이퍼의 금속배선 저항을 측정한다. 다음에, 150℃로 설정한 항온조 내에 웨이퍼를 세트하고, 예를 들면 100 시간마다 웨이퍼를 꺼내어 금속배선의 저항을 측정한다. 이 단계를 반복하여, 예를 들면 2000시간까지 측정한다. 다음에, 통상의 웨이퍼레벨의 일렉트로 마이크레이션 평가 장치에 웨이퍼를 세트하고, 예를 들면 기판 온도를 20℃로 하고, 전류 밀도를 7.0 × 106A/㎠로 하여 일렉트로 마이그레이션 시험을 행한다.
본 실시예에 의해, 제4도 내지 제8도를 참조하여 설명한 불량 발생모드가 생겨, 금속배선의 신뢰성 평가를 행할 수 있다. 이로써, 상기 실시예 1과 동일한 효과가 얻어졌다.
이 실시예에서, 항온 보존 시험 및 일렉트로 마이그레이션 시험은 하나의 시험실에 설치된 지지부 상에 웨이퍼를 배치하고, 시험실 내의 온도 및 지지부의 온도를 조정함으로써, 하나의 시험실에서 행할 수 있다. 그러나, 이 실시예의 평가시험은 제2도에 도시된 평가장치를 사용하여 행할 수 있다.
제2도에서, (1)은 일렉트로 마이그레이션 시험을 행하는 시험실이고, (2)는 스트레스 마이그레이션 시험을 행할 때, 실온에서 금속배선의 저항을 측정하는 시험실이고, (3)은 상기 시험실(1)과 시험실(2)을 서로 연결하는 반송실이다. 여기서, 시험실(1)은 항온 보존조(constant-temperature storage vessel)를 구성하고, 시험실(2)은 실온 시험실을 구성한다. 또한, 제2도에서, (4)는 로더, (5)는 웨이퍼를 수납하는 웨이퍼 카세트, (6)은 평가용 시료, (7)은 시료를 지지하는 지지부, (71)은 히터, (81)은 일렉트로 마이그레이션 시험용 프로브, (82)는 스트레스 마이그레이션 시험용 프로브이다.
이 신뢰성 시험장치에서, 시험실(2)은 스트레스 마이그레이션 시험을 위한 저항 측정부이고, 시험실(1)은 일렉트로 마이그레이션 시험실로서 기능하는 항온 유지부이다. 시료의 저항은 실온에서 시험실(2)에서 측정한다. 시료는 반송실(3)에 의해 시험실(1)로 반송된다. 시험실(1)에서, 시료는 실온 이상의 소정 온도에서 소정 시간 유지되고, 시험실(2)로 반송된다. 따라서, 시료의 저항은 시험실(2)에서 다시 측정된다. 시료의 저항을 측정하기 위하여, 시험실(2)은 소정 전압을 인가하도록 구성된다. 여기서, 시험실(2)은 실온실로 하지만, 실내에 온도를 일정하게 유지하는 수단을 설치해도 된다. 예를 들면, 100 시간마다 저항을 측정하고, 2000 시간을 경과하는 동안에 항온 보존 시험은 종료된다. 그 다음에, 시험실(1)내에 시료를 반송하고, 시료에 전류를 인가하여 전압을 측정하는 일렉트로 마이그레이션 시험을 행한다. 시험실(1)은 1.0 × 106A/㎠ 이상의 고 전류 밀도의 전류를 인가할 수 있도록 구성된다. 여기서, 5.0 × 106A/㎠의 전류 밀도를 갖는 전류를 인가하여 일렉트로 마이그레이션 시험을 행한다. 시험실(1)에서, 시료의 온도는 히터(71)를 수납하는 지지부(7)에 의하여 제어되고, 예를 들면, 200℃로 가열하여 시험을 행하였다.
다음에, 본 발명에 의한 신뢰성 평가장치의 다른 예에 대하여 설명한다.
제3도에 본 실시예의 신뢰성 평가 장치의 구성도를 도시한다. 항온조(20)내에 IC 소켓을 탑재한 보드(20a)의 샘플을 세트한다. 보드(20a)는 전류 전압치를 자유롭게 설정할 수 있고, 또한 전류계/전압계를 구비한 정전류/정전압원(22)과 스위치(21)를 통하여 접속되어 있다. 이 정전류/정전압원(22)은 컴퓨터(23)와 연결되어, 데이터를 페치(fetch)하고 CRT(24)에 상기 데이타를 표시한다. 또, 데이터 처리 소프트웨어에 의해, 프린터(25)를 통해 자동으로 시험결과를 출력할 수 있다. 도면 부호 "26"은 메인 전원을 지칭한다.
본 실시예에 의하면, 다음의 효과가 얻어진다.
1. 일렉트로 마이그레이션, 및 스트레스 마이그레이션 시험을 개별적으로 수행하는 종래 방법에 비해, 실제 디바이스 사용환경에 적합한 시험 환경을 재현할 수 있다.
2. 평가를 행할 때 시료의 형태로는 패키지 및 웨이퍼 모두 가능하며, 범용성(汎用性)이 높다.
3. 금속배선의 신뢰성 평가를 매우 정밀하게 행할 수 있어, 산업적인 관점에서 매우 유효하다.

Claims (13)

  1. 반도체장치에 사용되는 금속배선의 신뢰성을 평가하는 평가 방법으로서,
    상기 반도체장치의 평가 시료의 금속배선의 초기 저항(start-up resistance)을 측정하는 단계,
    상기 금속배선을 특정 시간 동안 25℃ 이상의 온도에 방치한 후, 상기 금속배선의 저항을 측정하고 상기 저항을 상기 금속배선의 상기 초기 저항과 비교함으로써, 소정 시간 동안 반도체 장치의 상기 평가 시료에 대한 항온 보존 시험을 수행하는 단계, 및
    상기 항온 보존 시험이 행해지는 상기 반도체 장치의 평가 시료의 상기 금속배선에 전류를 인가하고, 동시에 상기 금속배선의 저항을 측정하여 상기 저항을 상기 금속배선의 상기 초기 저항과 비교하는 단계를 포함하는 금속배선의 신뢰성 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체장치의 상기 평가 시료는 반도체 웨이퍼인 금속배선의 신뢰성 평가 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체장치의 상기 평가 시료는 반도체 웨이퍼를 잘라 패키지에 봉인한 반도체 시료인 금속배선의 신뢰성 평가 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 항온 보존 시험은, 상기 금속배선의 저항을 측정하는 단계 및 상기 금속배선을 특정 시간 동안 25℃ 이상의 온도에 방치한 후 상기 금속배선의 저항을 측정하는 단계를 반복함으로써 이루어지는 금속배선의 신뢰성 평가 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 항온 보존 시험은, 상기 금속배선의 저항을 측정하는 단계 및 상기 금속배선을 특정 시간 동안 실온에서 방치한 후 상기 금속배선의 저항을 측정하는 단계를 반복함으로써 이루어지는 금속배선의 신뢰성 평가방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 항온 보존 시험이 100℃ 이상의 온도에서 행해지는 금속배선의 신뢰성 평가 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인가 전류의 전류 밀도가 1 × 106A/㎠ 이상인 것을 특징으로 하는 금속배선의 신뢰성 평가 방법.
  8. 반도체장치에 사용되는 금속배선의 신뢰성을 평가하는 평가 장치로서,
    상기 금속배선을 구비하는 반도체 장치인 평가 시료를 지지하는 제1 지지부 및 상기 평가 시료의 저항을 측정하는 제1 측정수단을 구비하는 제1 시험실,
    상기 평가 시료를 지지하는 제2 지지부, 상기 제2 지지부를 가열하는 수단 및 상기 금속배선에 전류를 인가하는 동안 상기 금속배선의 전압을 측정하는 제2 측정수단을 구비하는 제2 시험실, 및
    상기 제1 시험실과 상기 제2 시험실 사이에 상기 평가 시료를 반송하는 반송실을 포함하는 금속배선의 신뢰성 평가 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 시험실이 1 × 106A/㎠ 이상의 고 전류 밀도의 전류를 인가할 수 있도록 구성된 금속배선의 신뢰성 평가 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 시험실이 소정 전압을 인가할 수 있도록 구성된 금속배선의 신뢰성 평가 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 시험실이 내부 온도를 일정하게 유지하는 수단을 구비하는 금속배선의 신뢰성 평가 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 시험실은 스트레스 마이그레이션 시험을 위한 저항 측정부를 구성하고, 상기 제2 시험실은 스트레스 마이그레이션 시험을 위한 항온 유지부를 구성하는 금속배선의 신뢰성 평가 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제1 시험실이 일렉트로 마이그레이션 시험실을 구성하는 금속배선의 신뢰성 평가 장치.
KR1019940027801A 1993-10-30 1994-10-28 금속배선의 신뢰성 평가방법 및 금속배선의 신뢰성 평가장치 KR100296184B1 (ko)

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