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PATTERN FOR EVALUATING METAL WIRING, SEMICONDUCTOR DEVICE AND EVALUATION METHOD commons

Patent code P100000163
File No. AF11P007
Posted date Apr 17, 2009
Application number P2009-077629
Publication number P2010-232384A
Patent number P5057176
Date of filing Mar 26, 2009
Date of publication of application Oct 14, 2010
Date of registration Aug 10, 2012
Inventor
  • (In Japanese)梅野 顕憲
  • (In Japanese)平川 一彦
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
Title PATTERN FOR EVALUATING METAL WIRING, SEMICONDUCTOR DEVICE AND EVALUATION METHOD commons
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pattern for evaluating a metal wiring that can directly obtain an activation energy for disconnection of metal wiring in a short time, and to provide a semiconductor device and an evaluation method.
SOLUTION: The pattern 1 for evaluating metal wiring, which is formed on an insulation film 12 provided on a semiconductor substrate 10, includes a constriction part 2, a first wiring 3 connected with one end of the constriction part 2 and a second wiring 4 connected with the other end thereof. Ramp voltage is repeatedly applied to the pattern 1 for evaluating the metal wiring, and the conductance of the constriction part 2 is calculated from a flowing current. The state changes to a phase 2 with a conductance of 10-60 G0 from a phase 1 with a conductance of 100 G0 to several hundreds G0, thus destroying the constriction part 2 to form a nano junction. The histogram of critical junction voltage (Vc) in the phase 2 is prepared, and the voltage of a mode in the histogram is used to find out an activation energy of electromigration.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


集積回路等の半導体装置に用いる金属配線の線幅は微細化の進展に伴い縮小し、現在は数百から40ナノメートル(nm)程度になっている。金属配線の電流密度が高くなるとそれに伴って断線故障が生じるおそれが高くなる。この断線故障の原因としては、所謂エレクトロマイグレーション(Electromigration)が知られている。



エレクトロマイグレーションの原因の一つは、金属配線の材料となる電気的な伝導体の中で移動する電子と金属原子との間で運動量の交換が行われるため、イオンが徐々に移動することによって金属配線の形状に欠損が生じる現象である(非特許文献1~4参照)。エレクトロマイグレーションの他の原因は、ジュール加熱であり、金属配線材料中の原子の移動を加速する(非特許文献3、5参照)。



上記した二つの機構は何れも金属配線材料中の原子の移動を促進する。原子は、主として結晶粒界を介して移動し(非特許文献2参照)、最終的に金属配線が断線する。



このようなエレクトロマイグレーションによって誘起される断線は、大規模集積回路(VLSI)の金属配線における主要な故障原因となるので、金属配線の信頼性確保のためにVLSIが故障するまでの平均時間である平均故障寿命(MTTF:Mean Time To Failure)に関するデータ取得が必須となっている。これにより、種々の金属配線のMTTFから活性化エネルギーが実験的に求められている(非特許文献6,7参照)。



半導体回路における金属配線の信頼性の指標であるMTTFに関するデータ取得のために、製造したVLSI又は金属配線試料を多数用意し、環境温度を変えながら金属配線試料が断線するまで長時間通電する、所謂高温加速試験が行われている。通電時間として数10~数1000時間が必要となる。金属配線試料の断線までの寿命と環境温度との関係から、断線耐性の指標となる活性化エネルギーを求めている。さらに、高温加速試験の結果を、VLSIの使用状態の温度まで外挿することによってMTTFを推定している。

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、金属配線評価用パターン、半導体装置及び金属配線評価用パターンの評価方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、半導体装置における金属配線の信頼性の評価の際に用いられる金属配線評価用パターンと、金属配線評価用パターンを備えた半導体装置と、金属配線の信頼性を評価する評価方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
半導体基板に配設された絶縁膜上の金属配線評価用パターンであって、
狭窄部と、該狭窄部の一端に接続される第1配線部と、該狭窄部の他端に接続される第2配線部と、を備えており、
上記第1配線部と上記第2配線部とが密着層上に形成され、該密着層が上記絶縁膜上に形成され、
上記狭窄部が上記絶縁膜上に直接形成されていることを特徴とする、金属配線評価用パターン。

【請求項2】
 
前記金属配線評価用パターンは、該金属配線評価用パターンに使用される金属材料のエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーを測定するためのパターンであることを特徴とする、請求項1に記載の金属配線評価用パターン。

【請求項3】
 
さらに、前記第1配線部及び前記第2配線部にそれぞれ接続されるパッド部を備えていることを特徴とする、請求項1に記載の金属配線評価用パターン。

【請求項4】
 
前記金属配線評価用パターンが、半導体装置内に配設されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の金属配線評価用パターン。

【請求項5】
 
前記金属配線評価用パターンは、さらに寿命測定用の金属配線評価用パターン部を備えており、
上記寿命測定用の金属配線評価用パターン部は、細線からなる配線部と該配線部の両端に接続されるパッド部とからなることを特徴とする、請求項1~4の何れかに記載の金属配線評価用パターン。

【請求項6】
 
金属配線評価用パターンを備えた半導体装置であって、
上記金属配線評価用パターンは、半導体基板に配設された絶縁膜上に配設され、狭窄部と、該狭窄部の一端に接続される第1配線部と、該狭窄部の他端に接続される第2配線部と、を備え、
上記第1配線部と上記第2配線部とが密着層上に形成され、該密着層が上記絶縁膜上に形成され、
上記狭窄部が上記絶縁膜上に直接形成されており、
上記金属配線評価用パターンは、該金属配線評価用パターンに使用される金属材料のエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーを測定するためのパターンであることを特徴とする、半導体装置。

【請求項7】
 
前記金属配線評価用パターンは、さらに寿命測定用の金属配線評価用パターン部を備えており、
上記寿命測定用の金属配線評価用パターン部は、細線からなる配線部と該配線部の両端に接続されるパッド部とからなることを特徴とする、請求項6に記載の半導体装置。

【請求項8】
 
金属配線評価用パターンを用いた金属配線の評価方法であって、
半導体基板上に配設された絶縁膜上に、狭窄部と該狭窄部の一端に接続される第1配線部と、該狭窄部の他端に接続される第2配線部と、からなる上記金属配線評価用パターンを形成し、
上記第1配線部及び第2配線部にランプ電圧を繰り返し印加し、
上記ランプ電圧によって上記第1配線部と上記第2配線部との間に流れる電流から上記狭窄部のコンダクタンスを計算し、
上記ランプ電圧によって、上記コンダクタンスが100G0から数百G0(ここで、G0は1量子コンダクタンスである。)の相1の状態から上記コンダクタンスが10~60G0の相2の状態を経て、上記狭窄部を破壊しナノ接合を形成し、
上記相2のランプ電圧の最大値である臨界接合電圧(Vc)のヒストグラムを作成し、
該ヒストグラムの最頻値の電圧に電荷素量(q)を乗じた値を、上記金属配線評価用パターンにおけるエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーの値として求めることを特徴とする、金属配線の評価方法。

【請求項9】
 
前記ランプ電圧を前記第1配線部と前記第2配線部との間に繰り返し印加する際に、前記金属配線評価用パターンを冷却することを特徴とする、請求項8に記載の金属配線の評価方法。

【請求項10】
 
前記金属配線評価用パターンと共に、さらに細線からなる配線部と該配線部の両端に接続されるパッド部とからなる寿命測定用の金属配線評価用パターン部を形成することを特徴とする、請求項8は9に記載の金属配線の評価方法。

【請求項11】
 
前記寿命測定用の金属配線評価用パターン部を用いて、高温下で金属配線の寿命を測定し、
上記金属配線の寿命と前記活性化エネルギーとから、金属配線の平均寿命を求めることを特徴とする、請求項810の何れかに記載の金属配線の評価方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2009077629thum.jpg
State of application right Registered
Reference ( R and D project ) CREST Development of the Foundation for Nano-Interface Technology AREA
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