CN102915998A

CN102915998A - 通孔结构

Info

Publication number: CN102915998A
Application number: CN2012102693956A
Authority: CN
Inventors: 菲力普·J·爱尔兰
Original assignee: Nanya Technology Corp
Current assignee: Nanya Technology Corp
Priority date: 2011-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: US20130026647A1; US8482131B2; CN102915998B; TWI456724B; TW201306221A

Abstract

本发明公开了一种通孔结构，包括至少第一通孔组以及第二通孔组，而与第一通孔组电连接。在第一通孔组中有至少一第一通孔，而第二通孔组中有至少一第二通孔。第一通孔组中的第一通孔，其第一横截面积大于第二通孔组中第二通孔的第二横截面积。借此，通孔结构在高电流下可具有更高的可靠性。

Description

通孔结构

技术领域

本发明大致涉及形成一种坚固的金属间通孔结构，特别是涉及创造出一种金字塔形（pyramiding）通孔结构，而允许温度梯度从一端逐渐上升至另一端。这样会将陡热梯度（abrupt thermal gradients）和其相关应力效应的影响降到最低。

背景技术

在后段工艺（BEOL）的过程中，通常是与位在晶圆上又经由在晶圆上布线而与主动器件，例如晶体管或电阻，电连接的金属层有关。当高电流通过后段工艺的装置中时，由于来自高电流所引起焦耳发热（Joule heating）的热能，会自然发展出温度曲线分布（temperature profile）。在后段工艺的一些电连接媒介中，例如由钨（W）所形成的通孔结构，或其它高电阻的接触，会特别容易发生由于高电流所引起大规模的焦耳加热。

因此，在后段工艺的装置中所表现出的温度，特别是在通孔结构中的温度，会明显比周围的金属还要来的高。这种在金属器件间发生的温度差异，在周遭产生遽变的温度突峰，于是造成了很多可靠性方面的问题。

其中的一个问题是，由于结构的突然损坏所造成后段工艺装置潜在的故障。第二个问题是，由于在周遭不平均温度遽变突峰的热膨胀所造成应力的结构脱层（delamination）。这可能带来了另一个问题：结构脱层将导致整个结构的扭曲和破裂，这会又使得脆弱的后段工艺装置变的更加不可靠。

有鉴于以上的情况，所以还需要一种新颖的互连结构，来克服由于高电流通过高电阻的材料在周遭产生遽变温度突峰的问题。

发明内容

因此，本发明提出了一种新的概念，允许高电流通过高电阻材料的通孔结构。因此，因为突然的温度变化会造成设备的不可靠，所以此新颖结构会具有跨结构缓和的温度梯度。

在本发明的第一方面，首先提出了一种通孔结构。此通孔结构包括至少一个第一通孔组，其经由至少一个通孔插塞而与第二通孔组电连接。在第一通孔组中具有至少一个通孔插塞，但是在第二通孔组中只有一个通孔。第一通孔组具有第一横截面积与第一表面积。第二通孔组具有第二横截面积与第二表面积。第二表面积实质上大于第一表面积，而使得第二横截面积实质上大于第一横截面积。

本发明在第二方面，又提出了另一种通孔结构。此通孔结构包括至少一个第一通孔组，其经由至少一个通孔插塞而与第二通孔组电连接。第一通孔组中具有至少一个通孔插塞，而在第二通孔组中则允许有多个通孔插塞。第一通孔组具有第一横截面积以及第一表面积。第二通孔组则具有第二横截面积以及第二表面积。第二表面积实质上大于第一表面积。

由于较大的表面积，会使得因为高电流的焦耳加热效应而产生的热能更容易消散。对应于较大表面积的较大横截面积，又降低了在通孔结构内的电流密度。尽管是高电阻材料，焦耳加热现象如此一来会产生较少的热能。总结而言，本发明从较大的通孔插塞，或是总表面积较大的多个通孔插塞，经由通孔链（via chain）的结构直至单一通孔，创造出了金字塔形递减（pyramiding down）的温度梯度。

由于上述的优点，本发明新颖的通孔结构，具有一个更为渐缓的温度梯度，而不是传统上遽变的温度梯度。所有温度遽变所造成的一切问题都可以迎刃而解，而本发明新颖的通孔结构，在高电流下就会具有更高的可靠性。

附图说明

图1和图2所示为本发明金字塔形通孔结构的两个例示的具体实施方式。

其中，附图标记说明如下：

100通孔结构 151金属线

110第一通孔组 152第三通孔插塞

111第一金属线 200金字塔形的通孔结构

120第二通孔组 210第一通孔组

121第二金属线 211第一金属线

130第一通孔插塞 220第二通孔组

131第二通孔插塞 230第一通孔插塞

150第三通孔组 231第二通孔插塞

具体实施方式

本发明提供了表面积较大的通孔结构，并借由将较大的通孔插塞或大表面积上的多个通孔插塞以金字塔形递减方式缩减成单一通孔插塞，以在通孔结构中创造出了一个温度梯度。尽管是高电阻材料，较大的表面积与由此而来的较大横截面积仍然允许高电流通过通孔结构。因此，本发明新颖的结构，提供在整个结构中，逐步缓和的温度梯度，而不是传统上遽变的温度梯度。由于遽变的温度改变比起缓和的温度改变会使得设备变的更加不可靠，所以所有温度遽变所造成的一切问题，都可以迎刃而解，而且本发明新颖的通孔结构更加可靠。可以防止在高电流下发生扭曲、破裂或是故障等问题。

请参考图1和图2，其绘示出本发明金字塔通孔结构的两个例示的具体实施方式。本发明的通孔结构，包括至少一个第一通孔组、至少一个第二通孔组、至少一条金属线、至少一通孔插塞与一绝缘材料。第一通孔组与第二通孔组一起形成一延伸通孔链。在第一通孔组中具有一通孔插塞与一条金属线，而在第二通孔组中具有至少一通孔插塞与至少一条金属线。在第一通孔组中的通孔插塞与第二通孔组中的通孔插塞，经由位于其间的金属线电连接。

第一通孔组、第二通孔组、金属线与通孔插塞都位于绝缘材料中。绝缘材料使得第一通孔组、第二通孔组、金属线和通孔插塞与其周围的器件电性绝缘（未示于图中）。第一通孔组以及第二通孔组则与其它适当的器件或是电路（未示于图中）电连接。本发明的通孔结构可以用于连接高电流电路中或是用于电致迁移（electromigration）测试中，以避免此等领域中的装置故障。

在本发明的第一个实施例中，如图1所示，金字塔形通孔结构100包含第一通孔组110与第二通孔组120。每个第一通孔组110都具有第一金属线111，以及具有第一表面积的第一通孔插塞130。所有第一通孔组110的通孔插塞130都有类似的形状和大小。第二通孔组120具有第二金属线121，而每组中只有单一个具有第二表面积的第二通孔插塞131。由于每个第二通孔插塞131比起每个第一通孔插塞130都有实质上较大的尺寸（例如：较大的表面积、较大的横截面积及/或较大的体积），所以第二表面积大于第一表面积、第二横截面积大于第一横截面积或是第二体积大于第一体积。例如，表面积表示通孔组或是通孔插塞的外部面积。

第一通孔插塞130和第二通孔插塞131可独立地包括一种导电材料。第一金属线111和第二金属线121的导电度基本上并无关紧要。换句话说，第一通孔插塞130和第二通孔插塞131可能独立包括导电度较低的导电材料，例如钨（W）。然而，第一通孔插塞130和第二通孔插塞131也可能包括一个导电性较高的导电材料，如铜（Cu），或是银（Ag）。绝缘材料140可能是氧化物、氮氧化物或氮化物，例如氧化硅。第一金属线111和第二金属线121也会包含，例如铜，的导电材料。

如图1中所例示的另一个实施例，通孔结构100还可能进一步包括第三通孔组150。第三通孔组150中，包括金属线151和具有第三表面积、第三横截面积、与第三体积的第三通孔插塞152。第三通孔插塞152具有实质上较大的尺寸，例如，比第二通孔插塞131更大的表面积，更大的横截面积或是更大的体积。例如，第三表面积比第二表面积还要来的大。

当高电流通过本发明金字塔式的通孔结构100时，因焦耳加热而产生的热能，更容易因为第二通孔插塞131较大的表面积而散逸掉。正因为如此，这样的安排方式就比较不会积累热量。对应于较大表面积的较大横截面积则会降低了通孔结构100中的电流密度。结果是，无论通孔结构100是否包含一个高电阻的材料，高电流的焦耳加热现象都比较不会产生热能。

这两种方法，亦即较大的横截面积和较大的表面积，会提供产生和累积更少的热量的好处。此外，还使得本发明新颖的通孔结构会产生出一个跨结构、缓和的温度梯度。所有传统上温度的遽变所造成的问题，都可以从而迎刃而解。如此一来，如上描述的结构还可以更进一步消除其它问题，例如由于结构的突然损坏所造成潜在的故障、由于应力所造成结构脱层、以及整个结构的扭曲和破裂的问题。本发明新颖的通孔结构，高电流下会表现出可靠的结构完整度。

在本发明的第二个实施例中，如图2所示，金字塔形的通孔结构200中，包括多个第一通孔组210与多个第二通孔组220。一方面，在每个第一通孔组210中都只具有一条第一金属线211和具有一只第一通孔插塞230。第一通孔组210具有第一表面积、第一横截面积与第一体积。所有的第一通孔插塞230都有类似的形状和大小。另一方面，每个具有多条第二金属线221与多个第二通孔插塞231的第二通孔组220，都具有第二总表面积、第二总横截面积与第二总体积。换句话说，在第二通孔组220中比有第一通孔组210更多的通孔插塞。其中一个第二通孔组220的形状和大小，可能会与第一通孔组210或是另一个第二通孔组220的不同。由于有多个第二通孔插塞231，每个第二通孔组220中的第二通孔插塞231比起第一通孔组210的第一通孔插塞230会具有较大的第二总表面积、较大的第二总横截面积与较大的第二总体积。较大的总横截面积会导致较低的电流密度，或是较大的整体表面积会导致更好的焦耳热散逸。

第一通孔插塞230和第二通孔插塞231可独立地包括一种导电材料。第一通孔插塞230和第二通孔插塞231的导电度基本上并无关紧要。换句话说，第一通孔插塞230和第二通孔插塞231可能独立包括导电度较低的导电材料，例如钨（W）。然而，第一通孔插塞230和第二通孔插塞231也可能还包括一个导电性较高的导电材料，如铜（Cu），或是银（Ag）。金属线211/221也可以包含导电材料，例如铜。绝缘材料240可能是氧化物、氮氧化物或是氮化物，例如氧化硅。

本发明从一般的情况来看，第一通孔组具有第一表面积、第一横截面积与第一体积。第二通孔组，由于可以具有一个或是多个通孔插塞，而具有第二总表面积、第二总横截面积与第二总体积。本发明的特点之一是在于，不管第二通孔组总共有多少个通孔插塞，第二总表面积实质上会不小于，或是说，大于第一表面积。本发明的另一个特点是在于，不管第二通孔组总共有多少个通孔插塞，第二总横截面积实质上会不小于，或是说，大于第一横截面积。然而，本发明的又一个特点是，不管第二通孔组总共有多少个通孔插塞，第二总体积实质上会不小于，或是说，大于第一体积。这个概念可以经由如上所述的各种实施例来实现。

当高电流通过本发明金字塔式的通孔结构200时，因为通过结构的电流密度变小，所以因焦耳加热产生的热能会变少。即使通孔结构200包括一个高电阻的材料，结构中的热还是会变少。整体较大的横截面积代表整体的表面积较大，这表示因高电流的焦耳加热产生的热能更容易散逸。

这两种方法都会提供产生和累积更少的热量的好处。这会使得本发明新颖的通孔结构，具有一个跨结构缓和的温度梯度，而不是传统遽变的温度梯度。传统技艺所会遇到的问题，例如由于结构的突然损坏所造成潜在的故障，应力所造成结构分层，和整个结构的扭曲和破裂的问题，都可以迎刃而解。因此，本发明新颖的通孔结构，高电流下会表现出可靠的结构完整度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种通孔结构，其特征在于，包含：

具有一第一横截面积的一第一通孔组；以及

至少一第二通孔组，其具有一第二横截面积并电连接至所述第一通孔

组，其中所述第二通孔组具有实质上大于所述第一通孔组的一第一表面积

的一第二表面积，使得所述第二横截面积实质上大于所述第一横截面积。

2.根据权利要求1所述的通孔结构，其特征在于，所述第一通孔组与所述第二通孔组一起形成一延伸通孔链。

3.根据权利要求2所述的通孔结构，其特征在于，当一电流通过所述延伸通孔链时，所述延伸通孔链呈现出一梯度温度分布。

4.根据权利要求2所述的通孔结构，其特征在于，当一电流通过所述延伸通孔链时，所述延伸通孔链维持一结构完整性。

5.根据权利要求1所述的通孔结构，其特征在于，所述第二通孔组由单一第二金属线与单一第二通孔插塞所组成。

6.根据权利要求1所述的通孔结构，其特征在于，所述第二通孔组包括多个第二通孔插塞。

7.根据权利要求1所述的通孔结构，其特征在于，所述第一通孔组由单一第一金属线与单一第一通孔插塞所组成。

8.根据权利要求1所述的通孔结构，其特征在于，所述第二通孔组具有实质上大于所述第一通孔组的一第一体积的一第二体积。

9.根据权利要求1所述的通孔结构，其特征在于，所述第二通孔组与所述第一通孔组的至少一者包括钨。

10.根据权利要求1所述的通孔结构，其特征在于，所述通孔结构使用在一后段工艺装置中。

11.一种通孔结构，其特征在于，包括：

具有一第一横截面积的一第一通孔组；以及

至少一第二通孔组，其具有一第二横截面积并电连接至所述第一通孔组，其中所述第二通孔组包括多个第二通孔插塞，且所述第一横截面积与所述第二横截面积实质上不相等。

12.根据权利要求11所述的通孔结构，其特征在于，所述第一通孔组包括多个第一通孔插塞。

13.根据权利要求11所述的通孔结构，其特征在于，所述第二横截面积不小于所述第一横截面积。

14.根据权利要求11所述的通孔结构，其特征在于，所述第二横截面积实质上大于所述第一横截面积。

15.根据权利要求11所述的通孔结构，其特征在于，所述第二通孔组具有不小于所述第一通孔组的一第一体积的一第二体积。