KR100494116B1 - Method for estimating reliability of metal line - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전류 흐름 방향에 따른 제 1및 제 2플러그 간의 수명 차이를 극복하여 금속 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 금속 배선의 신뢰도 평가 방법에 관해 개시한 것이다.The present invention discloses a method for evaluating the reliability of a metal wiring, which can improve the reliability of the metal wiring by overcoming the life difference between the first and second plugs according to the current flow direction.
하부 구리 금속배선(N)(N≥1)과, 상기 하부 구리 금속배선 상의 상부 구리 금속배선(N+1)과, 하부 구리 금속배선(N)과 상부 구리 금속배선(N+1) 사이에 형성되며, 하부 구리 금속배선(N)에서 상부 구리 금속배선(N+1)으로 전류가 흐르는 제 1플러그 및 상부 구리 금속배선(N+1)에서 하부 구리 금속배선(N)으로 전류가 흐르는 제 2플러그를 포함한 금속 배선 구조에 있어서, 본 발명은 제 1플러그의 수를 1개, 크기를 0.4㎛ 이상으로 고정시키고, 제 2플러그 수(≥1)를 각각 달리하여 제 2플러그의 수명을 테스트하는 제 1단계와, 제 2플러그의 수를 1개, 크기를 0.4㎛이상으로 고정시키고, 제 1플러그 수(≥1)를 각각 달리하여 제 1플러그의 수명을 테스트하는 제 2단계와, 제 1단계와 제 2단계로부터 제 1및 제 2플러그가 일정 수명이 유지되는 각각의 제 1및 제 2플러그 갯수를 산출하는 제 3단계를 포함한다.Between the lower copper metal wiring (N) (N≥1), the upper copper metal wiring (N + 1) on the lower copper metal wiring, and the lower copper metal wiring (N) and the upper copper metal wiring (N + 1). And a first plug in which current flows from the lower copper metal wire N to the upper copper metal wire N + 1, and a current flowing from the upper copper metal wire N + 1 to the lower copper metal wire N. In the metal wiring structure including two plugs, the present invention fixes the number of first plugs to one size and 0.4 µm or more, and tests the life of the second plugs by varying the number of second plugs (≥1). A second step of testing the life of the first plug by fixing the number of the second plugs to one and the size of 0.4 µm or more, and varying the number of the first plugs (≥1); From the first and second stages, the number of first and second plugs, respectively, for which the first and second plugs have a constant lifetime, Shipping is a third step.
Description
본 발명은 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전류의 흐름 방향이 서로 다른 제 1 및 제 2 플러그를 포함한 금속 배선에 있어서, 상기 전류 흐름 방향에 따른 제 1및 제 2플러그 간의 수명 차이를 극복하여 금속 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 금속 배선의 신뢰도 평가 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a metal wiring including first and second plugs having different current flow directions, wherein the lifespan between the first and second plugs in the current flow direction is different. The present invention relates to a method for evaluating the reliability of metal wirings, which can overcome the differences and improve the reliability of metal wirings.
알루미늄을 이용한 금속 배선의 경우, 상기 금속 배선의 상부 또는 하부에 텅스텐 플러그가 접촉되어 연결되며, 상기 금속 배선과 접촉되는 텅스텐 플러그의 상부 및 하부에는 계면이 존재하여 인가 전류 방향에 상관없이 텅스텐 플러그의 수명이 유사하다.In the case of metal wiring using aluminum, a tungsten plug is contacted to be connected to the upper or lower portion of the metal wiring, and an interface exists at the upper and lower portions of the tungsten plug in contact with the metal wiring, so that the Life is similar.
반면에, 구리를 이용한 금속 배선의 경우, 듀얼 다마신(dual damascene) 구조가 적용된다. 상기 듀얼 다마신 구조에서는 플러그의 하부에 계면이 존재하며 C.L.Gan et al., Appl.Phys. Lett79,4592(2001)에도 기재된 바와 같이, 구리 금속배선과 확산방지층 간의 부착력이 취약한 관계로 인가 전류의 방향에 따라 텅스텐 플러그의 수명에 차이가 존재한다. On the other hand, in the case of metal wiring using copper, a dual damascene structure is applied. In the dual damascene structure, an interface exists at the bottom of the plug, and C.L.Gan et al., Appl. Phys. As described in Lett 79,4592 (2001), there is a difference in the life of the tungsten plug depending on the direction of the applied current because the adhesion between the copper metal wiring and the diffusion barrier layer is weak.
도 1은 통상적인 금속 배선의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a conventional metal wiring.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 하부 구리 금속배선(M)(≥1)(3)에서 그 상부 구리 금속배선(M+1)(7)으로 전류가 흐르는 제 1 플러그(5)의 수명과 상부 구리 금속배선(M+1)(7)에서 하부 구리 금속배선(M)(3)으로 전류가 흐르는 제 2플러그(6)의 수명 간에는 차이가 존재한다. 도 1에서, 도면부호 1은 반도체 기판을, 도면부호 2 및 4는 제 1및 제 2층간절연막을 각각 나타낸 것이다.That is, as shown in FIG. 1, the life of the first plug 5 through which current flows from the lower copper metal wiring M (≥1) 3 to the upper copper metal wiring M + 1 (7). There is a difference between the lifetimes of the second plugs 6 through which current flows from the upper copper metallization M + 1 to the lower copper metallization M3. In Fig. 1, reference numeral 1 denotes a semiconductor substrate, and reference numerals 2 and 4 denote first and second interlayer insulating films, respectively.
따라서, 종래 기술에 따른 금속 배선 구조는 제 1및 제 2플러그 간의 수명 차이 발생으로 인해 전체 금속 배선의 수명이 단축됨으로써, 결과적으로 금속 배선의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.Therefore, the metal wiring structure according to the prior art has a problem in that the lifetime of the entire metal wiring is shortened due to the occurrence of the life difference between the first and second plugs, and as a result, the reliability of the metal wiring is degraded.
이에 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 인가 전류의 방향에 따라 텅스텐 플러그의 수를 다르게 함으로써, 금속 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 금속 배선의 신뢰도 향상 방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and to provide a method for improving the reliability of metal wiring by varying the number of tungsten plugs according to the direction of the applied current, to improve the reliability of the metal wiring. There is this.
상기 목적을 달성하기 위해, 하부 구리 금속배선(N)(N≥1)과, 상기 하부 구리 금속배선 상의 상부 구리 금속배선(N+1)과, 하부 구리 금속배선(N)과 상부 구리 금속배선(N+1) 사이에 형성되며, 하부 구리 금속배선(N)에서 상부 구리 금속배선(N+1)으로 전류가 흐르는 제 1플러그 및 상부 구리 금속배선(N+1)에서 하부 구리 금속배선(N)으로 전류가 흐르는 제 2플러그를 포함한 금속 배선 구조에 있어서, 본 발명은 제 1플러그의 수를 1개로 고정시키고, 제 2플러그 수(≥1)를 각각 달리하여 제 2플러그의 수명을 테스트하는 제 1단계와, 제 2플러그의 수를 1개로 고정시키고, 제 1플러그 수(≥1)를 각각 달리하여 제 1플러그의 수명을 테스트하는 제 2단계와, 제 1단계와 제 2단계로부터 제 1및 제 2플러그가 일정 수명이 유지되는 각각의 제 1및 제 2플러그 갯수를 산출하는 제 3단계를 포함한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the lower copper metal wiring (N) (N≥1), the upper copper metal wiring (N + 1) on the lower copper metal wiring, the lower copper metal wiring (N) and the upper copper metal wiring It is formed between (N + 1), the first plug and the current flowing from the lower copper metal wiring (N) to the upper copper metal wiring (N + 1) and the lower copper metal wiring (N + 1) in the lower copper metal wiring ( In the metal wiring structure including the second plug through which current flows to N), the present invention fixes the number of first plugs to one and tests the life of the second plug by varying the number of second plugs (≥1). The first step, and the second step of fixing the number of second plugs to one, and testing the life of the first plug by varying the number of first plugs (≥1), respectively, from the first and second steps. A third that calculates the number of first and second plugs each of which the first and second plugs have a constant lifetime; Characterized in that it comprises a step.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 금속 배선 구조는, 도 2에 도시된 바와 같이, 듀얼 다마신 구조의 하부 구리 금속배선(N)(N≥1)(12), 상기 하부 구리 금속배선(N)(12)과 연결되는 상부 구리 금속배선(N+1)(16)과, 상기 하부 구리 금속배선(N)(12)과 상기 상부 구리 금속배선(N+1)(16) 사이에 형성되며, 하부 구리 금속배선(N)(12)에서 상부 구리 금속배선(N+1)(16)으로 전류가 흐르는 제 1플러그(14) 및 상부 구리 금속배선(N+1)(16)에서 하부 구리 금속배선(N)(12)으로 전류가 흐르는 제 2플러그(15)를 포함한다.As shown in FIG. 2, the metal wiring structure of the present invention is connected to the lower copper metal wiring N (N ≧ 1) 12 and the lower copper metal wiring N 12 of the dual damascene structure. The upper copper metal wiring (N + 1) 16 is formed between the lower copper metal wiring (N) 12 and the upper copper metal wiring (N + 1) 16, and the lower copper metal wiring ( N) 12, the first plug 14 through which current flows from the upper copper metallization (N + 1) 16 and the lower copper metallization N of the upper copper metallization (N + 1) 16 (N) ( And a second plug 15 through which current flows.
상기 구조의 금속 배선에 있어서, 전류의 흐름 방향에 따라 제 1플러그(14)와 제 2플러그(16) 간의 수명 차이가 존재하는데, 본 발명에서는 상기 수명 차이를 없애 각각의 수명을 일정하게 유지할 수 있는 제 1플러그와 제 2플러그의 갯수를 산출하려는 것이다.In the metal wiring of the above structure, there is a life difference between the first plug 14 and the second plug 16 according to the flow direction of the current. In the present invention, the life difference can be kept constant by eliminating the life difference. The number of first and second plugs present is calculated.
이하, 본 발명에 따른 금속 배선의 신뢰도를 형상시킬 수 있는 방법을 알아보면 하기와 같다.Hereinafter, a method for shaping the reliability of the metal wiring according to the present invention will be described.
본 발명에 따른 금속 배선의 신뢰도 향상 방법은, 먼저, 제 1플러그의 수를 1개, 크기를 0.4㎛ 이상으로 고정시킨 다음, 제 2플러그 수(≥1)를 각각 달리하여 제 2플러그의 갯수에 따른 수명을 테스트한다. In the method of improving the reliability of the metal wiring according to the present invention, first, the number of the first plugs is fixed to one and the size is 0.4 µm or more, and then the number of the second plugs is changed by varying the number of the second plugs (≥1). Test the lifetime according to.
그런 다음, 상기 제 2플러그의 수를 1개, 크기를 0.4㎛이상으로 고정시키고, 제 1플러그 수(≥1)를 각각 달리하여 제 1플러그의 갯수에 따른 수명을 테스트한다.Then, the number of the second plugs is fixed to one or more than 0.4 μm, and the number of first plugs (≧ 1) is varied to test the lifespan according to the number of the first plugs.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 도 3은 제 1플러그의 수를 1개, 크기를 0.4㎛ 이상으로 고정시킨 상태에서 제 2플러그가 4개 제작된 평면도이고, 도 4는 제 2플러그의 수를 1개, 크기를 0.4㎛이상으로 고정시킨 상태에서 제 1플러그가 6개 제작된 평면도이다.3 and 4 is an embodiment according to the present invention, Figure 3 is a plan view made of four second plugs in a state in which the number of the first plug is fixed to one, the size of 0.4㎛ or more, Figure 4 Is a plan view in which six first plugs are manufactured in a state in which the number of second plugs is fixed to one and the size is 0.4 µm or more.
또한, 도 5는 상기 도 3및 도 4를 토대로 하여 제 1및 제 2플러그 갯수에 따른 제 1및 제 2플러그의 수명 관계를 도시한 그래프이다. 5 is a graph showing the life relationship of the first and second plugs according to the number of first and second plugs based on FIGS. 3 and 4.
이 후, 상기 제 1및 제 2플러그 갯수에 따른 수명을 각각 테스트 결과, 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1플러그의 수를 1개, 크기를 0.4㎛ 이상으로 고정시킨 상태에서 제 2플러그의 갯수를 4개로 제작한 경우와 상기 제 2플러그의 수를 1개, 크기를 0.4㎛이상으로 고정시킨 상태에서 제 1플러그의 갯수를 6개로 제작한 경우 제 1및 제 2플러그의 수명이 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 도 5에서, 도면부호 A는 제 2도전 플러그 갯수 대 수명의 상관 관계를, 도면부호 B는 제 1도전 플러그 갯수 대 수명의 상관 관계를 나타낸 것이다. After that, as a result of testing the lifespan according to the number of the first and second plugs, respectively, as shown in FIGS. 3, 4 and 5, the number of the first plugs and the size of the first plugs are fixed to 0.4 µm or more. 1 and 2 when the number of the second plug is 4 in the state and when the number of the first plug is 6 in the state where the number of the second plug is fixed to 1 and the size is 0.4 μm or more. It can be seen that the life of the plug is kept constant. In FIG. 5, reference numeral A denotes a correlation between the number of second conductive plugs and the life, and reference numeral B denotes a correlation between the first conductive plugs and the life.
그 결과, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1플러그는 6개를 형성하고, 제 2플러그는 4개를 형성함으로써, 상기 제 1및 제 2플러그는 일정 수명을 유지할 수 있다.As a result, as shown in FIG. 3, the first plug is formed six and the second plug is formed four, so that the first and second plugs can maintain a constant life.
본 발명에 따르면, 금속 배선의 신뢰도 평가 결과를 바탕으로 하여 금속 배선의 수명을 만족시키는 제 1및 제 2플러그 갯수를 산출함으로써, 금속 배선의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the reliability of the metal wiring can be improved by calculating the number of first and second plugs satisfying the life of the metal wiring based on the reliability evaluation result of the metal wiring.
즉, 본 발명에서는 제 1플러그의 수명이 제 2플러그의 것에 비해 열악한 경우, 제 1플러그(0.1∼0.4㎛ 크기) 갯수를 상대적으로 증가시키며, 반대로, 제 1플러그의 수명이 제 2플러그의 것에 비해 우수한 경우, 제 1플러그의 수를 상대적으로 감소시킨 것이다.That is, in the present invention, when the life of the first plug is poor compared to that of the second plug, the number of the first plugs (0.1 to 0.4 µm in size) is relatively increased, and conversely, the life of the first plug is to the second plug. In comparison, the number of first plugs is relatively reduced.
여기서, 본 발명에 따른 금속 배선 신뢰도 평가는 전자 이주(EM:Electromigration) 특성 평가, 스트레스 이주(stress migration) 또는 열 싸이클(thermal cycle) 평가방법을 적용하며, 이로써, 금속 배선의 수명을 만족시키는 제 1및 제 2플러그의 갯수를 산출할 수 있다.Here, the metal wiring reliability evaluation according to the present invention applies an electron migration (EM) characteristic evaluation, a stress migration (thermal stress) or thermal cycle (thermal cycle) evaluation method, thereby satisfying the life of the metal wiring The number of first and second plugs can be calculated.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 금속 배선 신뢰도 평가를 바탕으로 하여 (N)구리 금속배선에서 (N+1)구리 금속배선으로 전류가 흐르는 제 1플러그 및 (N+1)구리 금속배선에서 (N) 구리 금속배선으로 전류가 흐르는 제 2플러그의 수명이 일정하게 유지되는 각각의 제 1및 제 2플러그 갯수를 산출함으로써, (N) 및 (N+1)구리 금속 배선의 수명을 연장시킬 수 있다. As described above, based on the evaluation of the reliability of metal wiring according to the present invention, the first plug and (N + 1) copper metal wiring in which current flows from (N) copper metal wiring to (N + 1) copper metal wiring N) The lifespan of the (N) and (N + 1) copper metal wires can be extended by calculating the number of the first and second plugs, respectively, in which the life of the second plug through which current flows through the copper metal wire is kept constant. have.
따라서, 본 발명은 전체 구리 금속배선의 수명을 연장시켜 신뢰도가 향상된 이점이 있다.Therefore, the present invention has the advantage of improving reliability by extending the life of the entire copper metallization.
기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다. In addition, this invention can be implemented in various changes within the range which does not deviate from the summary.
도 1은 통상적인 금속 배선의 단면도.1 is a cross-sectional view of a conventional metal wiring.
도 2는 본 발명에 따른 금속 배선의 단면도.2 is a cross-sectional view of a metal wiring according to the present invention.
도 3은 제 1플러그의 수를 1개, 크기를 0.4㎛ 이상으로 고정시킨 상태에서 제 2플러그가 4개 제작된 평면도.3 is a plan view in which four second plugs are manufactured in a state in which the number of the first plugs is fixed to one and the size of 0.4 μm or more.
도 4는 제 2플러그의 수를 1개, 크기를 0.4㎛이상으로 고정시킨 상태에서 제 1플러그가 6개 제작된 평면도.4 is a plan view in which six first plugs are manufactured in a state in which the number of second plugs is fixed to one and the size is 0.4 μm or more.
도 5는 제 1및 제 2플러그 갯수에 따른 제 1및 제 2플러그의 수명 관계를 도시한 그래프. 5 is a graph showing the life relationship of the first and second plugs according to the number of the first and second plugs.
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