JP2001118922A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体装置に関し、エレクトロマイグレーシ
ョン耐性を高めることができる配線構造およびその製造
方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 半導体装置の配線構造において、高融点
金属または高融点金属窒化物からなる最下層１ｂ、銅、
銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀または銀
合金からなる最上層１ａの多層膜からなる第一のスルー
ビア５を、配線上を覆っている絶縁膜２ａに開設された
開口の底面を表出した最上層１ａに密着するように構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集積回路に用いら
れる配線の信頼性向上、とくにエレクトロマイグレーシ
ョン耐性の向上に有効な半導体装置に関する。

【０００２】近年のＬＳＩの高集積化・微細化にともな
い、とりわけロジック用ＬＳＩにおいては多層配線の性
能がＬＳＩ自体の性能を支配する大きな要因として急速
に重要性を増している。現在の配線はアルミニウム合金
膜を主体とした多層膜配線が主流となっており、実用に
なっているＬＳＩでは５〜６層にもおよぶ配線が積層さ
れている。また、配線遅延を少なくして性能を向上させ
るために、これらの配線中には１０⁵ Ａ／cm² にもおよ
ぶ高密度の電流が流れている。一方、このような高電流
密度の条件下では、配線中の金属原子が移動してボイド
やヒロックを生じさせるいわゆるエレクトロマイグレー
ション現象（ＥＭ現象）が起きやすいことが知られてい
る。このＥＭ現象は配線が断線したり、隣接配線間のシ
ョートの要因になるため、ＬＳＩの信頼性低下につなが
るものである。

【０００３】

【従来の技術】集積回路の高性能化と高信頼化を達成す
るため、従来のアルミニウム合金を用いた配線に代わっ
て銅配線を用いる試みがなされ、実用化されつつある。
これは銅の比抵抗がアルミニウム合金のそれに較べ低い
ので、配線遅延を低減することができるためである。ま
た、銅配線はダマシンプロセスによって作製する方法が
有望視され、盛んに研究・開発されている。

【０００４】さらに銅の融点はアルミニウム合金の融点
よりも高いことなどのために、エレクトロマイグレーシ
ョン耐性はアルミニウム合金の１０倍程度高いと推測さ
れている。

【０００５】一方、エレクトロマイグレーションに起因
する配線故障が発生するまでの時間を従来よりも長くす
る方法としては各種の手段が検討され、開示されてい
る。例えば特開平１０−２５６３６４では、配線の最上
層にＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金の膜を設けることにより、こ
の膜を持たなかった従来構造にはなかったアルミニウム
の供給源とすることで、配線が断線に至るまでの時間を
長くしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明者はダマシンプ
ロセスによって作製された銅配線を用いて、ＥＭ現象に
よって配線が劣化する様子をＴＥＭ（透過型電子顕微
鏡）を用いてその場観察を行った。その結果を図９に模
式的に示す。

【０００７】ここで用いた銅配線は幅０．２μｍ、高さ
０．４５μｍ、長さ７０μｍの単一層配線である。この
配線の両側面と底面には、バリアメタルとして厚さ２５
ｎｍのタンタル窒化物（ＴａＮ）がつけてある。配線の
上面には、絶縁膜としておよび銅の拡散を防止するため
に、厚さ５０ｎｍのシリコン窒化物（ＳｉＮ）が積層さ
れている。

【０００８】この配線に４．５ｍＡの電流を流したとこ
ろ、約１時間後にカソード端に近いところでＳｉＮと銅
（Ｃｕ）との界面からボイドが発生することが観察され
た。この４．５ｍＡという電流は、Ｃｕ金属中での電流
密度は５×１０⁶ Ａ／ｃｍ²に相当する。これは、実用
の際の電流の５０倍程度の過酷な条件である。

【０００９】その後ボイドは下方へ拡がったりＣｕ金属
中の結晶粒界に沿って拡大するのではなく、ＳｉＮとＣ
ｕの界面に沿って急速に拡がってゆくのが観察された。
それとともに配線抵抗は上昇してゆき、最終的には断線
に至った。

【００１０】すなわちボイドが発生すると、ボイドの領
域では配線断面に占めるＣｕ金属の割合が局所的に小さ
くなる。そのため、電流はこの部分に集中することにな
る。ボイドの大きさが断面方向または配線幅方向に拡大
し続けると、電流の集中はより一層加速され、最終的に
はジュール発熱が生じてＣｕが溶断するに至る。これが
断線に至る過程であると考えられる。

【００１１】このことから、Ｃｕ配線のエレクトロマイ
グレーション耐性は結晶粒界や融点といったＣｕ固有の
性質よりも、絶縁膜であるＳｉＮとＣｕの界面における
原子の拡散のし易さが影響していることが明らかになっ
た。そしてこの界面での劣化が最終的には配線の断線に
繋がるため、絶縁膜とＣｕとの界面でのボイドの発生や
拡大を防ぐことが必要である。

【００１２】絶縁膜とＣｕとの界面でのボイドの発生や
拡大を防ぐ手段として、例えばＣｕ配線の側面と底面だ
けではなく、上面もバリアメタルで覆う方法が考えられ
る。このような方法は特開平６−２７５６１２の集積回
路の製造方法、特開平９−５５４２７、特開平７−２６
３５８９などで開示されている。

【００１３】しかし、これらの方法にはつぎのような欠
点がある。

【００１４】まず第一に、作製工程が複雑で多いという
欠点が挙げられる。通常のダマシン工程では、基板上に
形成された開口中にバリア材料と銅やアルミニウムなど
の導電性材料を堆積した後、ＣＭＰ等によって開口部以
外の導電性材料を除去する。

【００１５】しかし、例えば特開平６−２７５６１２で
は開口部の銅の表面が周囲よりも低い段差となるように
制御よく除去する必要がある。そしてこの後にバリア材
料を堆積し、さらにもう一度ＣＭＰをかける必要がある
とされている。そのために通常よりも工程が増え、その
結果製造コストが高くつくのは明らかである。

【００１６】第二に、特開平６−２７５６１２に開示さ
れているように、導電性材料である銅の上面を開口部の
周りよりも低くしてバリア材料を載せるため、結果とし
て配線断面積に占める銅の割合が低くなる。このため通
常のダマシン工程で作製した構造よりも配線抵抗が上昇
する。この結果、集積回路の性能が劣化することにな
る。

【００１７】本発明は以上の点を鑑み、主としてダマシ
ンプロセスによって作製される銅配線のエレクトロマイ
グレーション耐性を高めることができる簡便な手法を提
供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明者が課題を解決す
るために鋭意検討を行った結果、上記の課題は、配線
と、第一のスルービアとを有し、該配線は、上面が絶縁
膜で覆われ、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム
合金、銀または銀合金からなる最上層と、高融点金属ま
たは高融点金属窒化物からなる最下層とを有する多層膜
からなり、該第一のスルービアは、該多層膜と同一の層
構成で埋め込まれており、該絶縁膜に開設された開口の
底面に表出した該最上層に密着している半導体装置とす
ることによって解決される。

【００１９】すなわち本発明の半導体装置においては、
銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀また
は銀合金からなる最上層と、高融点金属または高融点金
属窒化物からなる最下層とを有する多層膜からなる第一
のスルービアを、該多層膜からなる配線の上に構成する
ようにしている。こうすることによって、エレクトロマ
イグレーションによって絶縁膜と最上層との界面でボイ
ドが発生して界面に沿って拡がっても、高融点金属また
は高融点金属窒化物からなる最下層であるバリアメタル
と最上層との界面では密着性が良いためにボイドの拡大
が阻止され、ボイドの成長はそこで停止する。

【００２０】また、上記の課題は、開口は、幅が配線の
幅を超えており、第一のスルースルービアは、配線の幅
方向に膨出している半導体装置とすることによって解決
される。

【００２１】すなわち本発明の半導体装置においては、
開口の幅が配線の幅を超えており、かつ第一のスルービ
アは配線の幅方向に膨出している半導体装置とするよう
に構成している。こうすることによって、第一のスルー
ビアに接する部分の配線の断面はバリアメタルである高
融点金属または高融点金属窒化物で完全に包囲されるこ
とになり、エレクトロマイグレーションによって絶縁膜
と最上層との界面でボイドが発生して界面に沿って拡が
っても、高融点金属または高融点金属窒化物からなるバ
リアメタルと最上層との界面では密着性が良いためにボ
イドの拡大が阻止され、かつ配線の幅を超える直径の第
一のスルービアであるために、ボイドの成長はそこで停
止する。そのため、配線の抵抗の上昇は抑えられ、エレ
クトロマイグレーション耐性は高まる。

【００２２】また、上記の課題は、配線と、第一のスル
ービアとを有し、該配線は、上面が絶縁膜で覆われ、
銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀また
は銀合金からなる最上層と、高融点金属または高融点金
属窒化物からなる最下層とを有する多層膜からなり、該
第一のスルービアは、該多層膜と同一の層構成で埋め込
まれており、該絶縁膜に開設された開口の底面に表出し
た該最上層に密着している半導体装置の製造方法であっ
て、前記配線と、前記絶縁膜を介して存する配線とを接
続する第二のスルービアを有し、該第二のスルービアの
形成と前記第一のスルービアの形成とを、同一プロセス
で同時に行う半導体装置の製造方法とすることによって
解決される。

【００２３】すなわち本発明の半導体装置の製造方法に
おいては、第一のスルービアを形成する製造工程を、第
二のスルービアを形成する製造工程と同一プロセスで同
時に行うように構成している。こうすることによって、
製造工程を新たに追加する必要なしに、第一のスルービ
アの製造を第二のスルービアの製造と同一プロセスで同
時に形成できる。そのため、製造コストの追加もなく製
造することができる。

【００２４】本発明により、シングルダマシン法で配線
を作製する場合の例を図１に示す。

【００２５】まず、配線の上部に第一のスルービアを形
成する。この第一のスルービアの底部にはＴａＮやＴｉ
Ｎといった高融点の密着層であるバリアメタルを使用
し、これと接する最上層の断面の上部はバリアメタルに
よって覆われることになる。そのため、その場観察で観
測したように、エレクトロマイグレーションによって絶
縁膜と最上層との界面でボイドが発生して界面に沿って
拡がっても、バリアメタルと最上層との界面では密着性
が良いためにボイドの拡大が阻止され、成長はそこで停
止する。そのため抵抗の上昇は抑えられ、エレクトロマ
イグレーション耐性は高まる。本発明により、デュアル
ダマシン法で配線を作製する場合の例を図２に示す。第
一のスルービアは第二のスルービアと同時に作製され
る。そのため、第二のスルービアと同時に作製すればよ
く、工程の数はとくに増加することはない。

【００２６】図１および図２に示すような第一のスルー
ビアは、ボイドがさまざまな場所に生じる可能性がある
ために、一つの配線の長手方向に沿ってできるだけ多く
の数を設置すれば、ボイドの拡大と発生の両方を抑制す
るのに有効である。

【００２７】また、ボイドは通常、配線のカソード端に
生じやすい。そのため、配線のレイアウト上、任意の場
所に多くの第一のスルービアを配置できないような場合
には、カソード側またはカソードになる確率の高い側に
重点的に配置するのがよい。

【００２８】第一のスルービアの形状については、図１
に示すように、ボイドの拡大を完全に阻止するために、
接続する配線の幅方向を覆うくらいの大きさが必要であ
る。もしも第一のスルービアが円柱状または円錐状であ
れば、第一のスルービアの底面の直径が配線幅以上であ
ればよい。これによって第一のスルービアに接する部分
の配線の断面は高融点金属または高融点金属窒化物から
なる最下層であるバリアメタルによって完全に囲まれる
ことになり、ボイドの拡大を阻止できる。

【００２９】しかし、配線の幅が広いか、またはプロセ
スの都合上、第一のスルービアの幅をあまり大きくする
ことができない場合には、図２に示すように複数の小径
の第一のスルービアを接近させて配置してもよい。この
場合にはボイドが配線幅まで拡がることを仮定すると、
これらの第一のスルービアと配線との接面が、配線の長
さ方向からみて配線幅いっぱいに拡がっていることが望
ましい。

【００３０】また、配線の長手方向では配線幅のおよそ
２倍以内に接近していることが望ましい。このようにす
ることで最悪の場合に配線幅まで拡がったボイドが拡大
してきても、その拡大を効果的に阻止できる。

【００３１】以上の説明では最上層の材料をとくに指定
しなかったが、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウ
ム合金、銀または銀合金のいずれであっても有効であ
る。

【００３２】本発明の半導体装置のように、第一のスル
ービアを配線上に配置するだけで信頼性を高めることが
できるという利点があると同時に、従来の配線作製のプ
ロセスを全く変更する必要がないということがコストの
面からも極めて有効である。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、実施例により本発明をさら
に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるもの
ではない。

【００３４】図３は本発明による一実施例のシングルダ
マシン法によって作製した銅配線の構造を示す断面図で
あり、図６は従来型の配線構造を示す断面図である。図
中、１および６は配線を、１ａおよび６ａは最上層とし
ての銅（Ｃｕ）膜を、１ｂおよび６ｂは高融点金属また
は高融点金属窒化物からなる最下層としての厚さ４０ｎ
ｍのＴａＮを、２は絶縁膜を、５１および５２は第二の
スルービアを、５３は第一のスルービアをそれぞれ示し
ている。

【００３５】なお、図中に示す構成要素は、従来例を示
す図６と対応するものには同一符号が付してある。

【００３６】〔実施例１〕図３は、実施例１を説明する
断面図である。この図に示す銅配線をシングルダマシン
法によって作製した。１ａおよび６ａで示す最上層とし
てのＣｕ膜はめっき法で成膜し、１ｂおよび６ｂで示す
バリアメタルである高融点金属または高融点金属窒化物
からなる最下層としてはＴａＮをスパッタリング法で形
成した。

【００３７】形成された最上層１ａの幅は０．３μｍ、
高さは０．４μｍである。この最上層１ａには両端に配
線同士を接続する第二のスルービア５１および５２が接
続され、上層の配線６と繋がっている。ここで、第二の
スルービア５１と５２の距離は１００μｍである。ま
た、第二のスルービア５１と５２は円柱形で、高さは
０．４μｍ、直径は０．３μｍである。そして第二のス
ルービア５２から５μｍ離れたところに、第一のスルー
ビア５３を配置した。この第一のスルービア５３の形状
は第二のスルービア５１または５２と同じである。ここ
ではシングルダマシン法を用いており、この第一のスル
ービア５３は上層の配線または下層の配線とは繋がって
いない。

【００３８】なお、第二のスルービア５１、５２および
第一のスルービア５３は、配線１および６と同じくＴａ
ＮをバリアメタルとしたＣｕ導体層の埋め込みで形成さ
れるものである。また、引き出し配線６も配線１と同じ
プロセスで形成されるもので、その配線幅は５μｍであ
る。

【００３９】この配線１の信頼性を調べ、従来型の配線
と比較するために寿命試験を行った。用いた従来型の配
線構造は図６に示すものであり、ここでは配線幅０．３
μｍのものを用いた。これは図３と較べると第一のスル
ービア５３がないもので、他の構造は図３と全て同じで
ある。

【００４０】寿命試験の温度は２５０℃で、加速電流は
３．６ｍＡを流し続けて行った。このとき、電流は第二
のスルービア５１からスルービア５２に向かって流し
た。なお、この加速電流の値は試験する配線１において
電流密度３×１０⁶ Ａ／ｃｍ²に相当する。図７に寿命
試験中の経過時間に対する配線抵抗の変化を示す。この
結果から、一般に寿命推定に使われるＢｌａｃｋの式を
用いて実際の使用条件として１１０℃、１×１０⁶ Ａ／
ｃｍ² における寿命を推定すると、従来例では９年であ
ったものが、本発明により１６．５年に延びることがわ
かった。すなわち、従来型の配線構造と比較して、本発
明による配線構造ではボイドが形成しても拡大しにくい
ため、寿命が約１．８倍に延びていることがわかる。

【００４１】〔実施例２〕本実施例では、デュアルダマ
シン法を用いて銅配線を作製した例を示す。図４に、用
いた配線構造を示す。高融点金属または高融点金属窒化
物からなる最下層１ｂ、６ｂは実施例１と同様に厚さ４
０ｎｍのＴａＮを用い、これにＣｕ最上層１ａ、６ａを
めっき法で埋め込んでいる。配線の高さも同じく０．４
μｍであるが、配線の幅は１ａ、６ａでそれぞれ０．９
μｍ、８μｍである。

【００４２】この配線１の両端には第二のスルービア５
４、５５があり、これを介して上層の配線６と繋がって
いる。この第二のスルービア５４、５５はどちらも直径
が０．３μｍの円柱状で、配線の長手方向と垂直な方向
に０．６μｍ離れて２つ並んだ構造をしている。

【００４３】この試験で用いた配線１の長さは１００μ
ｍであるが、ここで第二のスルービア５５から１０μｍ
離れたところに第一のスルービアを、小径化した第一の
スルースルービア群５６として配置した。この第一のス
ルービア群５６は図４のように、０．６μｍピッチで５
個配置してある。また、この第一のスルービア群５６は
長さ１．５μｍ、幅１．２μｍの上層の配線６１と繋が
っているが、この配線６１は他の配線とは電気的には繋
がっておらず独立している。

【００４４】なお、第一のスルービアを小径化した第一
のスルービア群５６の数の効果を調べるために、図５に
示すように２個だけ配線幅方向に並べた配線についても
寿命試験を行った。第一のスルービア群５６のスルービ
アの数以外の配線構造、構成は図４と同じである。

【００４５】本構造を用いて実施例１と同様の寿命試験
を行った。試験条件は２５０℃で、電流は１２ｍＡを第
二のスルービア５４からスルービア５５に向かって流し
続けた。この電流は、配線１において電流密度３．３×
１０⁶ Ａ／ｃｍ² に相当する。また、実施例１と同じ
く、第一のスルービア群５６のない従来型の配線も作製
して両者の比較を行った。図８に、実施例２の寿命試験
中の経過時間に対する配線抵抗の変化を示す。

【００４６】この結果を、実施例１と同じようにＢｌａ
ｃｋの式を用いて実使用条件における寿命を推定する
と、平均寿命が８１年から９７年に延びたことに相当し
ている。すなわち、配線の抵抗が上昇し始めるまでの時
間は従来のものより約２０％延びることがわかった。な
お、第一のスルービア群５６のスルービアの数を２個に
したものの平均寿命は約８％の延びに相当する。

【００４７】実施例１と較べると寿命の延び方が少ない
が、第一のスルービア群の配置を変更することでさらに
延びることは容易に考察できる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
配線の上部に繋がった第一のスルービアを設けること
で、エレクトロマイグレーションによって生じるボイド
の拡大を阻止することができる。このことにより、配線
の断線や抵抗値の上昇に至るまでの時間を延ばすことが
でき、半導体装置の信頼性向上に大きく寄与する。

【００４９】また、本発明は、集積回路作製プロセスを
一切変更する必要がない上に、回路の動作と関係のない
ところのレイアウトを変更することで達成できるので、
信頼性の向上にあわせ、コストダウンに寄与するところ
が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の効果を示す断面図（その１）。

【図２】 本発明の効果を示す断面図（その２）。

【図３】 実施例１を説明する断面図。

【図４】 実施例２を説明する断面図（その１）。

【図５】 実施例２を説明する断面図（その２）。

【図６】 従来型の配線構造を示す断面図。

【図７】 実施例１の、寿命試験中の配線抵抗の変化を
示す図。

【図８】 実施例２の、寿命試験中の配線抵抗の変化を
示す図。

【図９】 ＴＥＭでのその場観察を示す模式断面図。

【符号の説明】

１、６および６１ 配線 １ａおよび６ａ 銅、銅合金、アルミニウム、アルミニ
ウム合金、銀または銀合金からなる最上層 １ｂおよび６ｂ 高融点金属または高融点金属窒化物か
らなる最下層 ２ 絶縁膜 ２ａ ＳｉＯ₂ 膜 ２ｂ ＳｉＮ膜 ３ シリコン基板 ４ ボイド ５ スルービア ５１、５２、５４、５５ 配線同士を接続する第二のス
ルービア ５３ 第一のスルービア ５６ 第一のスルービア群

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F033 HH08 HH09 HH11 HH12 HH14 HH17 HH32 HH33 JJ08 JJ09 JJ11 JJ12 JJ14 JJ17 JJ32 JJ33 KK08 KK09 KK11 KK12 KK14 KK17 KK32 KK33 MM01 MM02 MM12 MM13 NN06 NN07 PP15 PP27 PP28 XX05 XX33 XX34

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配線と、第一のスルービアとを有し、 該配線は、上面が絶縁膜で覆われ、銅、銅合金、アルミ
   ニウム、アルミニウム合金、銀または銀合金からなる最
   上層と、高融点金属または高融点金属窒化物からなる最
   下層とを有する多層膜からなり、 該第一のスルービアは、該多層膜と同一の層構成で埋め
   込まれており、該絶縁膜に開設された開口の底面に表出
   した該最上層に密着していることを特徴とする半導体装
   置。
2. 【請求項２】 前記開口は、幅が前記配線の幅を超えて
   おり、前記第一のスルービアは、該配線の幅方向に膨出
   していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の半導体装置の製造方法で
   あって、 前記配線と、前記絶縁膜を介して存する配線とを接続す
   る第二のスルービアを有し、 該第二のスルービアの形成と前記第一のスルービアの形
   成とを、同一プロセスで同時に行うことを特徴とする半
   導体装置の製造方法。