(57)【要約】【課題】加熱を行わなくても、金属配線などの導体寿命をコントロールして的確に導体寿命の検査を行うことができるようにする。【解決手段】試験配線１０における評価用部１１に対して電界を印加し、その状態で検査用電流を流す。これにより、評価用部１１のうち第１、第２電界印加配線２０、３０と対向する部分に電子が引き寄せられることで集中し、この電子が集中させられた部分が電流経路となるため、実効的な配線幅が小さくなる。したがって、断線寿命を短時間させて断線寿命を測定することが可能となる。よって、加熱を行わなくても配線寿命をコントロールでき、的確に配線寿命の検査を行うことが可能となる。【選択図】図１
2016206144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属導体にて構成され、断線寿命の評価対象となる一定幅のラインを含む評価用部（１１）を有する試験導体（１０）と、
前記評価用部のうちの前記一定幅のラインに対して対向配置され、該一定幅のラインに対して電界を印加する電界印加配線（２０、３０）と、
前記試験導体に対して検査用電流を流す電流供給装置（４０）と、
前記電界印加配線に対して電圧を印加することで、該電界印加配線にて前記電界を発生させる電圧印加装置（５０、６０）と、
前記試験導体に対して前記電界を印加しつつ前記検査用電流を流した状態で、前記検査電流に基づいて前記試験導体の断線寿命の評価を行う評価装置（７０）と、を有していることを特徴とする導体寿命検査装置。
【請求項２】
前記評価用部における一定幅のラインは、直線状のラインであることを特徴とする請求項１に記載の導体寿命検査装置。
【請求項３】
前記試験導体は、絶縁膜を介して前記金属導体および配線材料を多層に配置した構造であり、
前記評価用部のうち前記一定幅のラインの両側がコンタクトホール（１３）を介して上層の引出配線部（１４）に接続され、
前記電界印加配線は、前記評価用部と同層に配置され、前記評価用部から所定間隔を開けて対向配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の導体寿命検査装置。
【請求項４】
前記電界印加配線は、第１電界を印加する第１電界印加配線（２０）と第２電界を印加する第２電界印加配線（３０）とを有し、前記第１電界印加配線と前記第２電界印加配線とは前記評価用部を挟んで反対側に配置され、
前記電圧印加装置は、前記第１電界印加配線に対して第１電圧を印加する第１電圧印加装置（５０）と前記第２電界印加配線に対して第２電圧を印加する第２電圧印加装置（６０）とを備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の導体寿命検査装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１つに記載の導体寿命検査装置は、前記金属導体として金属配線の寿命の検査を行うものであることを特徴とする配線寿命検査装置。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれか１つに記載の導体寿命検査装置は、前記金属導体として薄膜抵抗の寿命の検査を行うものであることを特徴とする抵抗寿命検査装置。
【請求項７】
請求項１ないし４の導体寿命検査装置に適用される金属導体構造であって、
前記評価用部における一定幅のラインと前記電界印加配線とが対向配置されていると共に、前記評価用部を含む前記試験導体に対して前記検査用電流を供給するための第１パッド（１５）および第２パッド（１６）と、前記電界印加配線に対して電圧を印加するための電圧印加パッド（２２、３２）と、を有していることを特徴とする金属導体構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロマイグレーション（以下、ＥＭという）による金属配線や薄膜抵抗などの導体の断線寿命を測定する導体寿命検査装置およびそれに用いる金属導体構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１において、金属配線の断線寿命を試験的に測定する金属配線の試験用構造が提案されている。金属配線では、電流を流した際に配線内を電子が均一に流れ、金属配線の寿命は、ＥＭによって決定される。なお、ＥＭとは、金属配線中で移動する電子と金属配線を構成している金属原子の間で運動量の交換が行われることに基づいて、イオンが徐々に移動し、金属配線の形状に欠損が生じる現象である。
【０００３】
特許文献１では、配線寿命の推定を短時間化するために、試験配線と別個に加熱配線を設け、加熱配線からジュール熱を発生することにより試験配線を加熱してＥＭを促進させて、配線寿命の検査を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１３４５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の試験用構造では試験配線を加熱することによってＥＭ寿命をコントロールするというものであり、加熱配線によって加熱することが必要になる。特許文献１にも示されているが、加熱配線によって過度に加熱を行うと、加熱配線が断線することもあり、適切にＥＭによる配線寿命の検査を行えない可能性がある。
【０００６】
なお、ここでは導体として配線を例に挙げて説明したが、薄膜抵抗などの他の導体に関しての寿命の検査を行う場合についても上記と同様のことが言える。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、加熱を行わなくても、配線などの導体の寿命をコントロールして的確に導体寿命の検査を行うことができる導体寿命検査装置およびそれに用いる金属導体構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、金属導体にて構成され、断線寿命の評価対象となる一定幅のラインを含む評価用部（１１）を有する試験導体（１０）と、評価用部のうちの一定幅のラインに対して対向配置され、該一定幅のラインに対して電界を印加する電界印加配線（２０、３０）と、試験導体に対して検査用電流を流す電流供給装置（４０）と、電界印加配線に対して電圧を印加することで、該電界印加配線にて電界を発生させる電圧印加装置（５０、６０）と、試験導体に対して電界を印加しつつ検査用電流を流した状態で、検査電流に基づいて試験導体の断線寿命の評価を行う評価装置（７０）と、を有していることを特徴としている。
【０００９】
このように、試験導体における評価用部に対して電界を印加し、その状態で検査用電流を流すようにしている。このため、評価用部のうち電界印加配線と対向する部分に電子が引き寄せられることで集中し、この電子が集中させられた部分が電流経路となるため、実効的な導体幅が小さくなる。したがって、断線寿命を短時間させて断線寿命を測定することが可能となる。これにより、加熱を行わなくても導体寿命をコントロールでき、的確に導体寿命の検査を行うことが可能となる。
【００１０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる配線寿命検査装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す配線寿命検査装置において、試験配線１０に対して第１電界を印加したときの様子を示した図である。
【図３】第１電界を発生させたときの印加電界と断線寿命との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１３】
（第１実施形態）
本実施形態では導体寿命検査装置の一例として、導体で構成される配線の寿命の検査を行う配線寿命検査装置を例に挙げて説明する。まず、本実施形態にかかる配線寿命検査装置について、図１〜図３を参照して説明する。なお、図１は、配線寿命検査装置における配線構造を簡略化して示してあるが、実際には絶縁膜などを用いた多層構造にて形成してある。この配線寿命検査装置は、例えば、半導体デバイスに用いられる金属配線層の寿命を測定するための金属配線構造の検査モデルとして用いられる。この配線寿命検査装置による配線寿命の測定結果を反映して、半導体デバイスに用いられている金属配線の金属種や配線太さおよび厚さなどが、半導体デバイスとして要求される寿命を満たすように設計される。
【００１４】
図１に示すように、配線寿命検査装置は、試験配線１０、第１電界印加配線２０、第２電界印加配線３０、電流供給装置４０、第１電圧印加装置５０、第２電圧印加装置６０および評価装置７０などを備えた金属配線構造を有している。試験配線１０、第１電界印加配線２０および第２電界印加配線３０は、半導体デバイスで用いられている配線構造によって構成されており、その一部は多層構造によって構成されている。これらのうち、ハッチングを示した部分は同層となる第１配線層にて形成してあり、ハッチングを示していない部分がその上層または下層となる第２配線層にて形成してある。
【００１５】
試験配線１０は、試験導体に相当するもので、例えば半導体デバイスに用いられるＡｌ（アルミニウム）などの配線材料によって構成された金属配線である。試験配線１０は、一部が第１配線層にて形成してあり、そのうち後述する第１電界印加配線２０と対向している部分を断線寿命の評価対象となる評価用部１１とし、この評価用部１１において配線寿命をコントロールし、配線寿命の検査を行う。
【００１６】
具体的には、評価用部１１は、直線状とされ、所定長さ、所定の配線幅で形成されている。ここでは、評価用部１１の長さを８００μｍとし、配線幅を０．２５μｍとしている。
【００１７】
評価用部１１の両側にはそれぞれコンタクト部１２が備えられており、コンタクトホール１３を通じて上層または下層の第２配線層によって構成される引出配線部１４に電気的に接続され、それぞれの引出配線部１４が第１パッド１５と第２パッド１６に接続されている。これら第１パッド１５と第２パッド１６を介して、電流供給装置４０より検査用電流が評価用部１１を含む試験配線１０に供給されるようになっている。
【００１８】
なお、試験配線１０のうち、評価用部１１については、配線寿命の測定の為に、所定長さ、所定の配線幅としているが、他の部分については特に限定されないため、長さや配線幅について任意に設定すれば良い。
【００１９】
第１電界印加配線２０は、評価用部１１に対して第１電界を印加するためのものであり、評価用部１１に対して対向配置されていると共に、第１評価用部１１と同じ長さとしてある。第１電界印加配線２０も、評価用部１１と同じ第１配線層にて形成してあり、第１電界印加配線２０と評価用部１１との間隔が所定間隔、ここでは０．２５μｍとなるように第１電界印加配線２０をレイアウトしてある。第１電界印加配線２０は、評価用部１１の反対側において引出配線部２１に接続され、さらに引出配線部２１が第１電圧印加パッド２２に接続されている。この第１電圧印加パッド２２および引出配線部２１を介して、第１電圧印加装置５０より第１電界印加配線２０に第１電圧が印加されることで、第１電界印加配線２０より評価用部１１に対して第１電界を加えられるようになっている。
【００２０】
第２電界印加配線３０は、評価用部１１に対して第２電界を印加するためのものであり、評価用部１１に対して対向配置されていて、評価用部１１を挟んで第１電界印加配線２０と反対側に配置されている。第２電界印加配線３０も、評価用部１１と同じ第１配線層にて形成してあり、第２電界印加配線３０と評価用部１１との間隔が所定間隔、ここでは０．２５μｍとなるように第２電界印加配線３０をレイアウトしてある。第２電界印加配線３０は、一方の端部が評価用部１１よりも外側まで延設され、それを引出配線部３１としており、さらに引出配線部３１が第２電圧印加パッド３２に接続されている。この第２電圧印加パッド３２および引出配線部３１を介して、第２電圧印加装置６０より第２電界印加配線３０に第２電圧が印加されることで、第２電界印加配線３０より評価用部１１に対して第２電界を加えられるようになっている。
【００２１】
なお、第２電界印加配線３０については、試験配線１０におけるコンタクト部１２と対向する部分があることから、若干、試験配線１０との対向長さが長くなっているが、その範囲は少ないため、寿命評価の影響は少ない。勿論、第２電界印加配線３０についても第１電界印加配線２０と同様、引出配線部３１が第２電界印加配線３０における評価用部１１と反対側から引き出される構成とすることもできる。その場合、第２電界印加配線３０と評価用部１１との対向長さを第１電界印加配線２０と評価用部１１との対向長さと等しくできる。
【００２２】
電流供給装置４０は、評価装置７０と共に第１パッド１５と第２パッド１６との間に接続され、試験配線１０に対して検査用電流を供給する。電流供給装置４０は、検査時に、例えば検査用電流として３０ｍＡの電流を試験配線１０に流す。
【００２３】
第１電圧印加装置５０は、第１電圧印加パッド２２に接続され、第１電圧印加パッド２２を介して第１電界印加配線２０に対して第１電圧を印加することで第１電界印加配線２０に第１電界を発生させる。第１電圧の大きさは可変であり、第１電圧の大きさに応じて第１電界の強度も変化させられる。
【００２４】
第２電圧印加装置６０は、第２電圧印加パッド３２に接続され、第２電圧印加パッド３２を介して第２電界印加配線３０に対して第２電圧を印加することで第２電界印加配線３０に第２電界を発生させる。第２電圧の大きさは可変であり、第２電圧の大きさに応じて第２電界の強度も変化させられる。
【００２５】
評価装置７０は、試験配線１０に流れる検査用電流に基づいて、評価用部１１の断線寿命の評価を行う。具体的には、評価装置７０は電流計を有し、検査用電流の電流値に基づいて検査用電流が流れている状態から途切れた状態になったことを検知し、第１電界もしくは第２電界の少なくとも一方が評価用部１１に加えられた状態における断線寿命を測定する。
【００２６】
以上のような構成により、本実施形態にかかる配線寿命検査装置が構成されている。なお、ここでは第１電界と第２電界の両方を発生させられる配線寿命検査装置を例に挙げてあるが、少なくとも一方のみ備えられていれば良い。また、本実施形態のように第１電界と第２電界の両方を発生させられる配線寿命検査装置であっても、第１電界と第２電界のいずれか一方のみを用いて評価を行っても良い。
【００２７】
続いて、このように構成された配線寿命検査装置による配線寿命の検査方法について説明する。
【００２８】
まず、第１電圧印加装置５０により第１電圧印加パッド２２に対して第１電圧を印加すること、もしくは、第２電圧印加装置６０により第２電圧印加パッド３２に対して第２電圧を印加することの少なくとも一方を行う。ここでは、第１電圧、第２電圧として正電圧を印加しており、第１電圧と第２電圧の一方のみを印加する場合には、他方についてはオープン、つまり電圧固定しない状態としている。
【００２９】
第１電圧の印加のみを行う場合には、第１電界が発生させられ、評価用部１１に対して第１電界が加えられる。これにより、図２に示したように、第１電界の印加に基づいて、評価用部１１のうち第１電界印加配線２０と対向する部分に電子が引き寄せられることで集中する。このように、電子が集中させられた部分が電流経路となるため、実効的な配線幅が小さくなる。
【００３０】
同様に、第２電圧の印加のみを行う場合には、第２電界が発生させられ、評価用部１１に対して第２電界が加えられる。これにより、第２電界の印加に基づいて、評価用部１１のうち第２電界印加配線３０と対向する部分に電子が引き寄せられることで集中する。したがって、電子が集中させられた部分が電流経路となり、この場合にも実効的な配線幅が小さくなる。
【００３１】
また、第１電圧と第２電圧の印加の両方を行う場合には、第１電界と第２電界の両方が発生させられ、評価用部１１に対して第１電界と第２電界が加えられる。これにより、第１電界の印加に基づいて、評価用部１１のうち第１電界印加配線２０と対向する部分に電子が引き寄せられることで集中する。同様に、第２電界の印加に基づいて、評価用部１１のうち第２電界印加配線３０と対向する部分に電子が引き寄せられることで集中する。したがって、電子が集中させられた部分が電流経路となり、この場合にも実効的な配線幅が小さくなる。
【００３２】
そして、このように第１電界と第２電界の少なくとも一方が加えられることで実効的な配線幅が狭くなることから、その狭くなった部分に検査用電流が流れることとなり、配線寿命を低下させることが可能となる。すなわち、ＥＭに基づく配線寿命は、配線に流れる総電流量と配線温度に基づいて決まり、総電流量を多くする程、また、配線温度を高くする程、配線寿命が低下する。本実施形態の場合、実効的な配線幅が狭くなることで、狭くなった電流経路に流れる総電流量が大幅に増加し、寿命低下を加速している。これにより、配線寿命の短縮化を図ることが可能となり、そのときの配線寿命の測定に要する時間を短くすることが可能となって、配線寿命の推定を短時間化できる。
【００３３】
図３は、第１電界を発生させたときの配線寿命の測定結果を示している。具体的には、第１電界を発生させた状態で検査用電流を流し、流し始めてから流れなくなって断線が検知されるまでの間の時間を計測した。
【００３４】
この図に示す結果では、第１電界が１．６×１０6Ｖ／ｃｍよりも小さいときには断線寿命の変化が見られなかったが、その電界強度以上になると、徐々に断線寿命が短くなっていた。この結果より、第１電界に対する断線寿命の変化は図中破線で示したような関係になると推測される。すなわち、第１電界が１．８×１０6Ｖ／ｃｍ以上になると断線寿命が低下し始める。そして実験結果より、少なくとも、第１電界が２．４×１０6Ｖ／ｃｍになると１．６×１０6Ｖ／ｃｍのときよりも十分に断線寿命が短時間化していることが確認された。
【００３５】
なお、上記実験結果が真にＥＭに基づく寿命低下を示しており、配線間の絶縁膜が一定の電界が掛けられることで劣化して破壊されるというＴＤＤＢ（Time Dependent Dielectric Breakdown：経時破壊）劣化モードのような他の破壊メカニズムに基づく寿命低下でないことの確認も行った。具体的には、第１電界を印加しつつ検査用電流を流した場合と流さない場合とで断線寿命を測定した。その結果、検査用電流を流した場合と比較して流していない場合の断線寿命の方が十分に大きくなり、５０倍以上の断線寿命となっていた。したがって、上記実験による断線寿命の低下は、ＥＭに基づくものであると言える。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態では、試験配線１０における評価用部１１に対して電界を印加し、その状態で検査用電流を流すことで、断線寿命を短時間させて断線寿命を測定することが可能となる。これにより、加熱を行わなくても配線寿命をコントロールでき、的確に配線寿命の検査を行うことが可能となる。
【００３７】
なお、ここでは第１電界のみを印加したときの断線寿命について調べた結果を示したが、第２電界のみを印加したときの断線寿命についても同様の結果が得られた。第１電界と第２電界の両方を印加する場合、電流経路が２箇所に形成されることから、第１電界のみもしくは第２電界のみを印加する場合と比較すると寿命低下の割合が少なくなるが、この場合でも基本的には第１電界のみを印加したときの断線寿命の低下と同様であった。
【００３８】
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００３９】
例えば、第１電界印加配線２０および第１電圧印加装置５０によって第１電界を発生させる構成と、第２電界印加配線３０および第２電圧印加装置６０によって第２電界を発生させる構成の双方を備えるようにしたが、いずれか一方のみとしても良い。また、積層構造における同層に試験配線１０における評価用部１１と第１電界印加配線２０や第２電界印加配線３０を備えた構造としたが、同層である必要はなく、異なる層に配置して第１電界や第２電界が印加されるような構成としても良い。
【００４０】
また、上記実施形態では、評価用部１１を直線状のラインとして形成したが、必ずしも直線状である必要はなく、一定幅の湾曲したラインなどで形成されていても良い。また、評価用部１１のすべてが一定幅である必要はなく、一部を一定幅のライン状の領域としつつ他の部分をそれよりも幅広な領域として構成しても良い。その場合、一定幅の部分が実質的に断線寿命の評価対象となる部分となる。
【００４１】
さらに、上記実施形態では、導体寿命検査装置の一例として配線寿命検査装置について説明すると共にそれに適用される金属導体構造として金属配線構造の例を示したが、他の導体の寿命の検査を行う場合にも本発明を適用できる。例えば、導体としてＴａＮやＣｒＳｉなどで構成される薄膜抵抗の寿命の検査を行う抵抗寿命検査装置についても、本発明を適用できる。その場合、例えば上記実施形態のうちの評価用部１１を薄膜抵抗で構成し、薄膜抵抗で構成される評価用部１１に対して電界印加を行いつつ電流を流すようにすることで、導体寿命をコントロールすることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０  試験配線
１１  評価用部
２０  第１電界印加配線
３０  第２電界印加配線
４０  電流供給装置
５０  第１電圧印加装置
６０  第２電圧印加装置
７０  評価装置
【図１】
2016206144.tif 000003
【図２】
2016206144.tif 000004
【図３】
2016206144.tif 000005