(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さ、幅、厚さが互いに等しく、且つ、熱抵抗が互いに異なる複数の試験配線に電流を流し、ジュール発熱で自己発熱させ、その電流及び発熱温度で配線を劣化させて信頼性を評価する半導体装置の試験方法に於いて、
前記複数の試験配線に於ける発熱温度を等しくする為に各試験配線に大きさが異なる５×１０6 Ａ／ｃｍ2 以上の電流を流し、配線に於ける平均寿命の電流依存性を求めることを特徴とする半導体装置の試験方法。
【請求項２】
長さ、幅、厚さが互いに等しく、且つ、熱抵抗が互いに異なる複数の試験配線に電流を流し、ジュール発熱で自己発熱させ、その電流及び発熱温度で配線を劣化させて信頼性を評価する半導体装置の試験方法に於いて、
前記複数の試験配線に於ける発熱温度を異ならせる為に各試験配線に５×１０6 Ａ／ｃｍ2 以上の大きさが等しい電流を流し、配線に於ける平均寿命の温度依存性を求めることを特徴とする半導体装置の試験方法。
【請求項３】
前記複数の試験配線がそれぞれ１本の配線を複数回折り返し、且つ、その折り返し回数を互いに異ならせることで熱抵抗を互いに異ならせたものであること
を特徴とする請求項１或いは請求項２記載の半導体装置の試験方法。
【請求項４】
前記複数の試験配線が基板からの高さを互いに異ならせることで熱抵抗を互いに異ならせたものであること
を特徴とする請求項１或いは請求項２記載の半導体装置の試験方法。
【請求項５】
前記複数の試験配線がそれぞれ１本の配線を複数列に折り返し、且つ、相隣る複数列間の間隔を異ならせたものであること
を特徴とする請求項１或いは請求項２記載の半導体装置の試験方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路に於ける配線のエレクトロマイグレーション特性を評価する信頼性試験を実施するのに好適な半導体装置の試験方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、集積回路に於ける高集積化の進展に伴い、集積回路上の配線寸法は年々減少する方向に向かっていて、現在、ロジック集積回路に用いられている最小配線幅は０．３〔μｍ〕以下になっていて、将来は０．１〔μｍ〕前後まで微細化されるものと予測されている。
【０００３】
このように配線の寸法が小さくなると、配線に流れる電流密度が上昇することは明らかであり、現在に於ける最大電流密度は１０5 〔Ａ／ｃｍ2 〕台の前半であるが、近い将来、１０6 〔Ａ／ｃｍ2 〕オーダになるとされていて、このような高電流密度のもとでは、エレクトロマイグレーション劣化に対する信頼性の確保が大きな問題となる。
【０００４】
エレクトロマイグレーションは、高密度の電子流で引き起こされる電子風力に依って、配線を構成している金属原子が移動する現象であり、具体的には、配線にボイドやヒロックを生じ、それに依って断線や隣接配線間の短絡を発生させるものであって、集積回路の信頼性は著しく低下する。
【０００５】
従来、エレクトロマイグレーションに起因する信頼性を評価する為には、試験用に作成した配線を組み込んだ半導体チップを１５０〔℃〕乃至２５０〔℃〕の高温下で５×１０5 〔Ａ／ｃｍ2 〕乃至５×１０6 〔Ａ／ｃｍ2 〕の高電流密度の電流を流して加速劣化させて寿命試験を行っている。
【０００６】
具体的には、配線が断線或いは抵抗上昇するまでの時間（平均寿命）を調べるのであるが、この時間はブラック（Ｂｌａｃｋ）の経験式
ＭＴＦ＝Ａ-nｅｘｐ（−Ｅａ／ｋＴ）                        ・・・・（１）
ＭＴＦ：ｍｅａｎ  ｔｉｍｅ  ｔｏ  ｆａｉｌｕｒｅ（平均寿命）
Ａ及びｎ：定数
ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：絶対温度
ｊ：電流密度
Ｅａ：活性化エネルギ
で表されることが知られている。
【０００７】
ここで、ｎとＥａは、それぞれ電流密度依存性と温度依存性を示すパラメータであって電流密度や温度を変えた試験から算出され、そして、これを用いた試験結果に依って使用条件における信頼性を評価することができるので、この試験に於ける最も重要なパラメータである。
【０００８】
ところで、近年、Ａｌ合金からなる配線材料をＣｕに代替する試みが活発になされ、既に一部実用化されているところである。
【０００９】
このようなことが行われる理由は、Ｃｕの融点がＡｌの融点に比較して高いことから、エレクトロマイグレーション耐性が１０倍程度高いとされている為であり、従って、エレクトロマイグレーション試験を行う場合、試験時間は約１桁長くなるから、信頼性評価に莫大なコストと時間を要することになる。
【００１０】
前記した半導体チップを用いた試験とは別にウエハ・レベルで試験を行う方法も提案され、且つ、実用化されている。
【００１１】
この方法は、配線に過剰な（＞５×１０6 〔Ａ／ｃｍ2 〕）電流を流すことで生ずるジュール発熱に依って配線を加熱して温度をコントロールし、断線に至るまでの時間を調べてエレクトロマイグレーションに依る寿命を評価する方法である（要すれば、「Ｒ．Ｅ．Ｊｏｎｅｓ  ｅｔ  ａｌ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６１（１９８７）４６７０」、「Ｔ．Ｎｉｔｔａ  ｅｔ  ａｌ  Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１３９（１９９２）９２２）」、などを参照）。
【００１２】
前記方法を採った場合に於ける配線温度は、配線抵抗の増加量から容易に確認することができ、そして、実施する場合、半導体チップにする必要がないこと、また、試験の際の電流密度が通常のエレクトロマイグレーション試験に比較して半桁以上も大きいことの二つの理由から、試験時間の大幅な短縮及びコストの低減が可能である。
【００１３】
然しながら、前記説明したウエハ・レベルに於ける試験方法に於いては、配線に流す電流に依って同時に配線を加熱するようにしていることから、電流と温度とを独立して制御することはできず、従って、信頼性評価に最も重要な因子であるｎ値、即ち、電流密度依存性、及び、Ｅａ値、即ち、温度依存性を別個に求めることができない。
【００１４】
そこで、前記した文献に開示されたところでは、式（１）に於いてｎ値を仮定し、ＭＴＦ×ｊn をパラメータに用いてＥａを算出する方法が採られてきた。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、配線のエレクトロマイグレーション特性を評価する信頼性試験をウエハ・レベルで実施する場合、配線の信頼性パラメータを素早く知得できるようにする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
一般に、配線に電流を流した際のジュール発熱に依る温度上昇分Ｔ〔Ｋ〕は、配線への投入電力Ｐ〔Ｗ〕と熱抵抗θ〔Ｋ／Ｗ〕を用いて、
Ｔ＝Ｐθ                                                  ・・・・（２）
と表すことができる。ここで電流Ｉ〔Ａ〕と配線抵抗Ｒ〔Ω〕を用い、
Ｐ＝ＲＩ2                                                 ・・・・（３）
と表されることは勿論である。
【００１７】
同じ配線幅をもち、熱抵抗を異にする配線であれば、同じ電流を流しても発熱温度は異なり、また、発熱温度を同じにした場合では電流が異なることになる。
【００１８】
従って、同一ウエハ或いは同一ロット内で配線の熱抵抗が異なる複数の配線を作成しておき、電流を同一にしてウエハ・レベルの試験を行えば、そのウエハ又はロットに於ける信頼性パラメータＥａを測定できることになり、また、配線温度を一定にして試験を行えば、信頼性パラメータｎを測定できることになる。
【００１９】
本発明者は、前記説明した配線の実現についてシミュレーションを行い、そして、その結果に基づいて実験を行ったところ、シミュレーション結果と良く一致した。
【００２０】
図１は配線構造（配線パターン）を表した要部平面図であり、図に於いて、１は配線、２はパッドを示している。
【００２１】
図示の配線１はＣｕを材料とし、配線幅並びに折り返しパターンの間隔は共に０．３〔μｍ〕であり、また、配線の高さ（厚さ）は０．４〔μｍ〕であり、更に、基板から配線底までの高さ（絶縁膜の厚さに相当）として０．６〔μｍ〕のもの（以下、Ｍ１Ｌとする）及び１．５〔μｍ〕のもの（以下、Ｍ２Ｌとする）を対象として考察した。
【００２２】
図２は前記配線をジュール発熱で一定温度まで上昇させるのに必要な電流密度を算出した結果を表す線図であり、（Ａ）は第１層目配線に関する図、（Ｂ）は第２層目配線に関する図であって、何れに於いても横軸に配線折り返しの回数、縦軸に電流密度をそれぞれ採ってある。
【００２３】
図からすると、同一配線層であっても、折り返し回数が増すと、隣接する配線間での発熱が蓄積するのでより一層温度が上昇し、熱抵抗も上昇して、少ない電流でも発熱は大きいことが看取される。
【００２４】
従って、図１に見られるようなパターンの配線を形成すれば、同じ温度になるように制御しても異なる電流が流れるから、断線或いは抵抗上昇するまでの時間を測定し、且つ、式（１）を用いてｎ値を算出することができ、また、同じ電流を流せば異なる配線温度になるので式（１）を用いてＥａ値を算出することができ、このようにして二つのパラメータを独立に測定できる。
【００２５】
同様に、例えば同じ折り返し回数をもった配線をＭ１ＬとＭ２Ｌの両方に作成した場合、図２に示されているように、同じ測定方法で二つのパラメータを測定することができる。
【００２６】
図３は他の配線構造（配線パターン）を表した要部平面図であり、図１に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００２７】
図３では、同じ配線の折り返し数を４１とし、配線の間隔を変えた場合の例であり、Ｌは配線幅、Ｓは配線間の間隔を示している。
【００２８】
図４はＭ１ＬとＭ２Ｌとが３５０〔℃〕になるのに必要な電流密度の計算値を示す図であり、横軸にＬ／Ｓを、縦軸に電流密度をそれぞれ採ってある。
【００２９】
図からすると、電流が流れる配線の間隔が拡がるにつれて配線間に於ける熱の蓄積が少なくなり、温度は上昇し難くなることが看取され、従って、熱抵抗が低下し、同じ温度上昇させるのに大きな電流が必要となる。
【００３０】
これからすると、例えば同じ配線高さで且つ配線間隔を異にする配線を作成掏れば、前記と同じ方法でｎ値及びＥａ値の二つのパラメータを測定することが可能である。
【００３１】
前記したところから、本発明に依る半導体装置の試験方法に於いては、
（１）
長さ、幅、厚さが互いに等しく、且つ、熱抵抗が互いに異なる複数の試験配線に電流を流し、ジュール発熱で自己発熱させ、その電流及び発熱温度で配線を劣化させて信頼性を評価する半導体装置の試験方法に於いて、前記複数の試験配線に於ける発熱温度を等しくする為に各試験配線に大きさが異なる５×１０6 Ａ／ｃｍ2 以上の電流を流し、配線に於ける平均寿命の電流依存性を求めることを特徴とするか、或いは、
（２）
長さ、幅、厚さが互いに等しく、且つ、熱抵抗が互いに異なる複数の試験配線に電流を流し、ジュール発熱で自己発熱させ、その電流及び発熱温度で配線を劣化させて信頼性を評価する半導体装置の試験方法に於いて、前記複数の試験配線に於ける発熱温度を異ならせる為に各試験配線に５×１０6 Ａ／ｃｍ2 以上の大きさが等しい電流を流し、配線に於ける平均寿命の温度依存性を求めることを特徴とするか、或いは、
（３）
前記（１）又は（２）に於いて、前記複数の試験配線がそれぞれ１本の配線を複数回折り返し、且つ、その折り返し回数を互いに異ならせることで熱抵抗を互いに異ならせたものであることを特徴とするか、或いは、
（４）
前記（１）又は（２）に於いて、前記複数の試験配線が基板からの高さを互いに異ならせることで熱抵抗を互いに異ならせたものであることを特徴とするか、或いは、
（５）
前記（１）又は（２）に於いて、前記複数の試験配線がそれぞれ１本の配線を複数列に折り返し、且つ、相隣る複数列間の間隔を異ならせたものであることを特徴とする。
【００３３】
前記手段を採ることに依り、信頼性評価に必要なパラメータＥａやパラメータｎを独立して且つ迅速に測定することが可能となり、しかも、同じ配線幅で熱抵抗を異にする複数配線を作成するに際し、集積回路作成プロセスの変更は不要であって、レイアウトを僅かに変更するのみで達成することができるから、半導体装置の信頼性向上とコスト・ダウンに大きく寄与することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
第一実施例
図１に示されている各配線パターンのうち、折り返し数が１の配線であって、且つ、Ｓｉ基板から配線底までの高さ（従って絶縁膜の厚さ）がＭ１Ｌ（０．７〔μｍ〕）及びＭ２Ｌ（１．８〔μｍ〕）、配線の厚さが０．４〔μｍ〕、配線の長さが５００〔μｍ〕のものについて測定を行った。尚、配線の材料はＣｕである。
【００３５】
試験は、２０〔ｃｍ〕（８インチ）ウエハをプローバにセットして実施し、その際に用いた配線の数は各試験条件の下で１２個であり、ウエハの温度は室温とし、配線の温度は、前記文献に開示されている原理に依存して、電流を流した場合の配線抵抗から類推するものとし、金属抵抗の温度係数は、予め別の配線を用いて測定しておいた値を使用した。
【００３６】
第１の測定は、配線の温度が３５０〔℃〕となるように電流を調整して実施したのであるが、その際に流れた電流の平均値は、Ｍ１Ｌでは３．７×１０7 〔Ａ／ｃｍ2 〕、Ｍ２Ｌでは３．２×１０7 〔Ａ／ｃｍ2 〕であった。
【００３７】
図５は寿命試験結果をプロットして得られた線図であって、横軸には電流密度を、また、縦軸にはＭＴＦをそれぞれ採ってあり、図からすると、ｎ値は２．０７であることが知得される。
【００３８】
第２の測定では、配線に３．２×１０7 〔Ａ／ｃｍ2 〕の一定の電流密度で電流を流し、抵抗上昇、或いは、断線するまでの時間を測定したのであるが、その結果、Ｍ２Ｌの配線温度は３５０〔℃〕、Ｍ１Ｌの配線温度は１９１〔℃〕であった。
【００３９】
図６は寿命試験結果をアレニウス・プロットして得られた線図であり、横軸に絶対温度の逆数１／Ｔを、そして、縦軸にＭＴＦをそれぞれ採ってあり、図からすると、活性化エネルギー、従って、信頼性パラメータであるＥａ値は０．６１〔ｅＶ〕であることが知得される。
【００４０】
第二実施例
図１に示されている配線パターンのうち、折り返しがない配線、折り返し回数が２回、２０回である各配線を用いて測定を行った。但し、総配線長は２０００〔μｍ〕に統一した。
【００４１】
この配線は第一実施例に於けるＭ１Ｌに相当するので、基板からの配線底までの高さは０．７〔μｍ〕であり、また、この配線の幅をＳＥＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）で測定したところ、０．２８５〔μｍ〕であり、そして、配線の厚さは０．４３〔μｍ〕であった。
【００４２】
この配線を、第一実施例と同様、ウエハ状態で試験を行い、設定温度は３２５〔℃〕とし、その温度になるように電流値を決定した。
【００４３】
図７は寿命試験結果をプロットして得られた線図であって、横軸には電流密度を、そして、縦軸にＭＴＦをそれぞれ採ってある。
【００４４】
図の測定結果を得た実験に於いて、配線に流れた電流の平均値は、折り返しがない配線、折り返し回数が２回、２０回である各配線で、４．０×１０7 〔Ａ／ｃｍ2 〕、２．９×１０7 〔Ａ／ｃｍ2 〕、２．３×１０7 〔Ａ／ｃｍ2 〕であり、この結果からｎ値として２．０３が得られた。
【００４５】
本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができ、以下、それを付記として例示する。
【００４６】
（付記１）
長さ、幅、厚さが互いに等しく、且つ、熱抵抗が互いに異なる複数の試験配線に電流を流し、ジュール発熱で自己発熱させ、その電流及び発熱温度で配線を劣化させて信頼性を評価する半導体装置の試験方法に於いて、
前記複数の試験配線に於ける発熱温度を等しくする為に各試験配線に大きさが異なる５×１０6 Ａ／ｃｍ2 以上の電流を流し、配線に於ける平均寿命の電流依存性を求めることを特徴とする半導体装置の試験方法。
【００４７】
（付記２）
長さ、幅、厚さが互いに等しく、且つ、熱抵抗が互いに異なる複数の試験配線に電流を流し、ジュール発熱で自己発熱させ、その電流及び発熱温度で配線を劣化させて信頼性を評価する半導体装置の試験方法に於いて、
前記複数の試験配線に於ける発熱温度を異ならせる為に各試験配線に５×１０6 Ａ／ｃｍ2 以上の大きさが等しい電流を流し、配線に於ける平均寿命の温度依存性を求めることを特徴とする半導体装置の試験方法。
【００４８】
（付記３）
（付記２）に於いて、複数の配線構造が基板から同一の高さに配置してあること
を特徴とする半導体装置の試験方法。
【００４９】
（付記４）
（付記２）に於いて、複数の配線構造が基板から配線底までの高さを異にして配置してあること
を特徴とする半導体装置の試験方法。
【００５０】
（付記５）
（付記２）に於いて、熱抵抗を異にする複数の配線構造が１本の配線を折り返して並行する複数列に配列され且つその折り返し回数が異なるものからなることを特徴とする半導体装置の試験方法。
【００５１】
（付記６）
（付記２）に於いて、熱抵抗を異にする複数の配線構造が１本の配線を折り返して並行する複数列に配列され且つその相隣る複数列間の間隔が相違するものからなること
を特徴とする半導体装置の試験方法。
【００５２】
（付記７）
（付記１）乃至（付記６）の何れか一つの付記に於いて、試験配線構造を製品である半導体装置上に搭載し、該製品の品質管理も行うこと
を特徴とする半導体装置の試験方法。
【００５３】
（付記８）
（付記７）に於いて、試験配線構造を半導体装置に於けるスクライブ・ライン上に配置すること
を特徴とする半導体装置の試験方法。
【００５４】
【発明の効果】
本発明に依る半導体装置の試験方法に於いては、試験配線に高密度電流を流してジュール発熱で自己発熱させ、その高密度電流と発熱温度で配線を劣化させて信頼性を評価する場合、１本の配線を折り返して複数列に配列しジュール発熱の発生効率を向上する。
【００５５】
前記構成を採ることに依り、信頼性評価に必要なパラメータＥａやパラメータｎを独立して且つ迅速に測定することが可能となり、しかも、同じ配線幅で熱抵抗を異にする複数配線を作成するに際し、集積回路作成プロセスの変更は不要であって、レイアウトを僅かに変更するのみで達成することができるから、半導体装置の信頼性向上とコスト・ダウンに大きく寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】配線構造を表した要部平面図である。
【図２】前記配線をジュール発熱で一定温度まで上昇させるのに必要な電流密度を算出した結果を表す線図である。
【図３】他の配線構造を表した要部平面図である。
【図４】Ｍ１ＬとＭ２Ｌとが３５０〔℃〕になるのに必要な電流密度の計算値を示す図である。
【図５】寿命試験結果をプロットして得られた線図である。
【図６】寿命試験結果をプロットして得られた線図である。
【図７】寿命試験結果をプロットして得られた線図である。
【符号の説明】
１  配線
２  パッド
【図１】
0003937383.tif 000002
【図２】
0003937383.tif 000003
【図３】
0003937383.tif 000004
【図４】
0003937383.tif 000005
【図５】
0003937383.tif 000006
【図６】
0003937383.tif 000007
【図７】
0003937383.tif 000008