JP2004165672A - 集積回路の２つの線路間を電気的に接続する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 接続体と電気伝導線路間の境界性面にボイドが形成される可能性を減らす。
【解決手段】 集積回路の２つの伝導線路１、２の間を電気的に接続する装置は、２つの線路１、２間に第１の伝導性接続体３ａを有する。この装置は、第１の接続体との線路の境界面とは異なり、かつ線路の電流が流れる方向に平行であって、絶縁材料と線路の横方向の境界面とは異なった、２つの線路の１つの追加の境界面３ｂから３ｇ；６ａから６ｆをさらに有する。追加の境界面は、第１の接続体３ａから線路の幅よりも実質的に小さい距離の位置に配置されている。この追加の境界面は、２つの線路１、２の間に第２の電気伝導性接続体３ｂから３ｇを配置することにより、または線路にリブ６ａから６ｆを配置することにより、または線路の面の少なくとも１つに切り込みを配置することによって得ることができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電気回路の２つの伝導線路間を電気的に接続する装置に関し、特に集積電子回路に関する。

基板の表面に形成された集積電子回路において、基板の表面の上方にある重なり合った平行な平面内にある２つの伝導線路を電気的に互いに接続することがしばしば必要となる。これを行うために、これら線路は、特にその線路が互いに交差する場合には、基板表面へのそれぞれの投影が共通部分を持つように配置される。次に、これら２つの線路間を基板表面に対して直交する方向に電気的に接続する電気接続体が２つの線路間に配置される。

このような接続体は、当業者の専門用語では「ビア」という用語によって公知である。「ビア」は、２つの線路のそれぞれに接触し、基板表面に直交する軸を有する実質的に円柱状の部分を有する。この円柱形の部分は特に微小であり、各線路との境界面に、基板表面に平行に約０．１マイクロメータ、そして基板表面に直交する方向に沿っては約０．５マイクロメータの断面を有している。これらの寸法は接続体を形成する方法と関連している。

伝導線路は、例えば銅またはアルミニウムのような金属で形成される。これらの線路の密度は同じバルク材の理論的密度よりもしばしば小さく、そのため線路はそれらの構成材料の収縮、すなわち、熱的現象、特に加熱によって引き起こされる収縮を受ける。このような現象は、特に電気回路を形成中または後の回路の使用中に発生する。この収縮は線路への孔の形成を引き起こすことがある。通常、そのような孔は接続体と線路の間の境界面に形成される。その結果、２つの線路間の導通が断たれ、このことが電気回路の正常な動作を妨げることがある。場合によっては、導通が断たれることはないが、その孔が存在することで接続体と線路間の電気抵抗が増加する。したがって、電気回路の信頼性が、特にエレクトロマイグレーション効果によって低下する。

特に、線路の材料は、線路を形成した後では、初期のボイドが材料の全体にわたって分散されて存在するような多孔性を有する。これらの初期のボイドは、特に多孔性の孔、さもなければ材料中の原子規模の構造的な空位である。初期のボイドは、線路の材料と線路の外側の材料、特に線路が配置されている絶縁材料との間の膨張の違いによって発生する線路材料の応力によっても発生する。このような初期のボイドは、線路の材料と絶縁材料がそれぞれ異なる熱膨張率を有しているときに特に現れる。他の形態の初期のボイドも存在するが、それらの性質やそれらの発生源を特定することが困難である場合が多い。

初期のボイドは、線路の伝導材料中に特定の移動度を有すること、初期のボイドは、特定の場所に集まるように移動して、この場所により大きなボイドを形成することがわかっている。１つの線路の初期のボイドが集まる場所は、例えば線路材料の粒子間の接合部、すなわち特に大きな局部的応力を有するこうした線路の表面上の部位である。これは、線路と、線路自身の材料よりも硬くておよび／または弾性がある、線路を囲んでいる材料との間の境界面に属する縁部、または線路と、線路を囲んでいる材料とは異なった、線路の外側にある材料との間のより小さな境界面において特にそうである。

したがって、接続体と線路間の境界面は初期のボイドが集まりやすい場所である。それゆえ、接続体の断面に匹敵する大きさのボイドがこの境界面に現われることがある。多数の初期のボイドが接続体との境界面における局部化されたボイドの形成を伴った場合には、接続体と線路間の電気的接触が断たれる。電気的接触が断たれることは、特に高い集積度を有する電子回路では、接続体が小さければ小さいほどより速く、そして線路が広く、したがって多数の初期のボイドを含んでいそうな場合には、より速く発生する。

本発明の１つの目的は、接続体と伝導線路間の境界面にボイドが形成される可能性を減少させることにある。

したがって、本発明は、第１の線路と第２の線路間に第１の伝導性接続体を有する、集積電気回路の、第１の伝導線路と第２の伝導線路間を電気的に接続する装置を提供する。第１の線路は、第１の接続体との第１の境界面と、第１の線路を横方向に囲む絶縁材料との第２の境界面を有し、第２の境界面は、第１の線路内を電流が流れる方向に実質的に平行である。第１の線路は、第１の接続体から、第１の境界面での第１の線路の幅よりも実質的に小さいある距離離れた位置に配置された、第１の線路と第１の接続体の外側の材料との少なくとも１つの追加の境界面をさらに有する。従来、線路の幅は電流が線路内を流れる方向に直交し、かつ基板表面に平行な方向に測定されている。

このように、この電気的に接続する装置は、第１の線路内に存在する初期のボイドが集まることがある１つまたは２つ以上の追加の境界面を有する。初期のボイドは次に、第１の接続体と第１の線路間の境界面だけでなく、１つまたは２つ以上の追加の境界面上の多くの場所に分散し、その結果、第１の接続体で発生したボイドは小さくなる。この結果、２つの線路間の導通が断たれる可能性は減り、追加の境界面の大きさが大きくなればなる程なおさらそうである。回路の信頼性はこのように向上する。

２つの線路間の導通が断たれる可能性のこの減少は、１つまたは２つ以上の追加の境界面が第１の接続体の近く配置された場合に確認された。第１の接続体における第１の線路の幅よりも小さい、少なくとも１つの追加の境界面と第１の接続体間の距離が前記の可能性の実質的な減少を確認するのにとって好ましいものと思われる。

本発明にしたがって追加された追加の境界面は、少なくとも２つの異なった種類のものであってもよい。第１の実施態様によれば、追加の境界面は２つの線路間に第２の伝導性接続体を追加することよって得られる。これは次に第１の線路と第２の接続体の間の境界面になる。この境界面が小さい場合には、この境界面は初期のボイドが集まるのに好都合な場所を形成する。特に、第１と第２接続体は同一、すなわち同じ材料で作られ、かつ実質的に同じ大きさを有していてもよい。この場合、所与の初期のボイドが線路との２つの接続体の１つの境界面に向かっての拡がる各確率は、第１の接続体だけが存在する構成においてこの初期のボイドが第１の接続体との境界面に向かって拡散する各確率の半分になる。このように、線路と第１の接続体間の電気的接触が失われる確率は、それに応じて減少する。

第２の実施態様によれば、この追加の境界面は第１の線路と絶縁材料間の境界面である。このような追加の境界面は、特に第２の境界面に機能を追加することによって得ることができる。このような機能は、第２の境界面に対する追加の境界面部分を形成する。第２の境界面は第１の線路内を電流が流れる方向に実質的に平行であるので、追加の境界面部分はそれとは異なる方向を向いていてもよい。線路と絶縁材料の間のこれらの追加の境界面部分は、初期のボイドが集まる追加の場所を形成する。したがって、第１の実施態様の場合と同じようにして、線路と第１の接続体の間の電気的接触が失われる可能性は減少する。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

明瞭にするために、各図に示す種々の回路部分の寸法は実際の寸法に比例していない。いくつかの図に示す同一の参照番号は同一の要素に対応している。以下で用いられる用語「上部の」、「下部の」、「上に」「下に」は、図１と２に示された、線路に直交する共通の方向Ｄに関して定義されている。

従来技術の装置に関する図１によれば、２つの線路１と２の間の接続は接続体３、すなわち「ヴィア」によってなされている。線路１および２の各々は、例えば真直ぐで、Ｄ方向に異なった高さで配置されている。２つの線路１および２の各々は、各線路におけるそれぞれの電流Ｉ₁およびＩ₂が流れる向きに垂直な平面内に長方形の断面を有している。これらは、約０．１から２０マイクロメータの幅と、約０．５マイクロメータの厚さ（Ｄ方向に）を有している。線路１と２は互いに接してはいないが、Ｄ方向に互いに重なり合ったそれぞれの部分を有している。接続体３は、重なり合った線路の前記部分の間に配置され、Ｄ方向に平行な軸を有する、例えば円柱からなっている。したがって、接続体３は、線路１の上面にある境界面４によって線路１に、また線路２の下面にある境界面５によって線路２に接している。図１に示された幅ｌ₁は境界面４における線路１の幅である。

線路１と２および接続体３は、当業者に周知の「ダマシン」法によって作ることができる。この方法では、線路１、２および接続体３は、実質的に平坦な基板（図示せず）の上方で、Ｄ方向に重なり合った絶縁層内に形成されている。このために、各層は、線路１、接続体３、および線路２のうちの１つの要素の、Ｄ方向に直交する平面内の断面に対応する開口部を有するリソグラフィマスクによってエッチングされている。このようにしてエッチングされた容積には、当業者には周知の、例えば電解析出工程を有する方法を使用して、金属が充填されている。マスクは取り除かれて、堆積された過剰な金属を除去するために研磨が実行される。次に、次の絶縁層が生成される。

このようにして作られた線路と接続体は、異なる層の電気的絶縁材料内に配置される。この絶縁材料はいかなる化学組成を有していてもよい。特に、絶縁材料は、絶縁性の電気的挙動を絶縁材料に与えるように、他の原子、例えば酸素、炭素、フッ素等と結合したシリコン原子を有していてもよい。特にそれはシリカであってもよい。絶縁材料は、有機材料または「テフロン」という名称で知られてた、例えば炭素とフッ素の原子を含む化合物のような炭素原子をベースとした材料であってもよい。

線路１および２は、例えば銅、アルミニウム、銀、または上記の金属の少なくとも１つを含む合金をベースにしたものであってもよい金属で作られている。この金属が上述したように堆積されると、その金属は同じバルク材の理論的密度（「かさ密度」）よりも小さい密度を有している。一例として、実際の密度はその理論的密度の約８３％から９８．６％である。したがって、拡がり、特定の場所に集まり、その結果この場所により大きなボイドを形成する、図１においてｖ_eで示す初期のボイドが、例えば線路１内に存在する、境界面４は初期のボイドｖ_eが集るような位置であり、したがって図１においてＶで示すより大きなボイドが境界面４から生じる。したがって、線路１と接続体３の間の電気抵抗が増し、もしボイドＶが境界面４に対して十分に大きいと、これは線路１と接続体３の間の電気的接触の切断を引き起こす。

本発明の実施形態の種々の例を以下に説明する。それらは図１に示す要素を有し、然るべき製造方法によって得られる。これらの実施形態の各々は図１の接続装置の構成の変形例に相当し、これはこの構成におけるボイド容積Ｖの大きさに対して、このボイドの容積Ｖを小さくすることを目的としている。

図２は本発明の第１の典型的な実施形態を示している。この第１の実施形態によれば、それぞれが図１の接続体３と同一である２つの接続体３ａと３ｂが、線路１の幅に沿って互いに近接して配置されている。このために、これらの接続体３ａと３ｂにおける線路１の幅を広げることがおそらく必要であろう。したがって、２つの接続体３ａと３を隔てている距離ｄは線路１の幅ｌ₁よりも小さい。

接続体３ａと３ｂの線路１とのそれぞれの２つの境界面４ａと４ｂはそれぞれ、初期のボイドｖ_eが集まる特定の場所を形成し、その結果初期の各ボイドｖ_eは、境界面４ａまたは境界面４ｂのいずれかに拡がる。その結果生じたボイドの容積は次に、図１の電気的接続構成のために得られた成長速度の１／２で、それぞれ境界面４ａと４ｂにおいて成長し、その結果得られた最終的な寸法はより小さくなる。線路１と２間の導通が無くなるおそれは少なくなる。このおそれは、これらの大きさが十分に小さい場合には、ほとんどなくなる。

線路１と２の間の導通が失われるおそれをさらに減らすために、３つ以上の接続体を線路１と２の間に配置してもよい。特に、これら接続体は、線路１の幅に沿って、および線路１内の電流が流れる方向Ｉ₁に分布していてもよい。

図３は本発明の第２の実施形態を示している。この第２の実施形態によれば、絶縁材料で作らされた２つのリブ６ａと６ｂが、電流が流れる方向Ｉ₁と平行に線路１内に配置されている。例えば、これは線路１を囲む材料と同じ材料である。リブ６ａと６ｂは、例えば接続体３の両側、すなわち線路１の接続体３と同じ上面に配置されている。最高の効率を得るために、接続体３はリブ６ａと６ｂの概ね真中に配置されている。

リブ６ａと６ｂの面は本発明における追加の境界面を形成している。接続体３とリブ６ａの間の距離ｄは線路１の幅ｌ₁よりも小さい。

線路１内にあるいくつかの初期のボイドｖ_eが、それらが集まる場所、すなわちリブ６ａと６ｂの面にある場所、に向かって拡がるとすると、接続体３と線路１の間の境界面に到着する初期のボイドの数は、図１の構成と比較して減少する。

これら２つのリブの１つだけで本発明の作用を達成するのに十分であってもよい。しかし、この結果は、接続体３の両側に１つずつが配置された２つのリブによってより満足のいくものとなる。

第２の実施形態の改良例によれば、リブ６ａと６ｂは線路１の上面と下面の間で線路１を横切っている。この場合、線路１の、接続体３に対向する２つのリブ６ａと６ｂの一方と同じ側に最初に現われる初期のボイドｖ_eは、接続体３と線路１間の境界面に到達してはじめて拡がる。したがって、接続体３の線路１との境界面に達する初期のボイドが生じる線路１の容積は小さくなる。このようにして、線路１と２の間の導通を切断する確率がさらに小さくなる。

図４の接続装置は図２の装置と図３の装置の組み合わせに相当する。線路１を囲む絶縁材料の３つ以上のリブ、例えば６つのリブ６ａから６ｆが線路１の幅に沿って一定間隔で線路１に入っている。６つのリブ６ａから６ｆはそれぞれ電流Ｉ₁の流れる方向に平行である。リブ６ａから６ｆは互いに同じであってもよい。次に、接続体３ａが線路１の上面の第１の端部とリブ６ａの間に配置され、接続体３ｂから３ｆが２つの連続するリブ６ａと６ｂ、６ｂと６ｃ、６ｃと６ｄ、６ｄと６ｅ、６ｅと６ｆの間にそれぞれ配置され、接続体３ｇがリブ６ｆと線路１の上面の第２の端部の間に配置されている。線路１と２間の導通が断たれる確率の減少分は、図２と３のそれぞれ構成に対応する減少分を合わせたものになる。

場合によっては、電流Ｉ₁の流れる方向に直交するリブの断面を補償するように、リブ６ａから６ｆにおける線路１の全幅を局部的に大きくしてもよい。このような構成によって、電流の、線路１の全長にわたって一定流れ断面を得ることができる。これは次に、初期のボイドが拡がるのを促進するであろう、電流密度の局部的な増大によって熱が発生するのを防止する。

線路１と２間のいくつかの接続体は、２つの隣接したリブの間、またはリブと線路１の上面の１つの端部の間に配置してもよい。そのような接続体は電流Ｉ₁の流れる方向に一列に並び、線路２の幅がそれに応じて局部的に変えるのが好ましい。

図５の電気的接続装置は、図４の原理を線路１と２の各々に対して対称に適用することによって得られる。このように、線路２には接続体における第２の線路の幅よりも実質的に小さいこの接続体から離れて配置された少なくとも１つの絶縁リブが入っている。図５では、５つのリブ７ａから７ｅが線路２内に配置されている。各リブは、線路２内を電流Ｉ₂が流れる方向と平行で、かつ線路２をその上面と下面の間で横切っている。次に、接続体３が、リブ６ａから６ｅの少なくとも１つが、線路１との、それらのそれぞれの境界面での２つの接続体もを分離するように、そしてリブ７ａから７ｅの少なくとも１つが、線路２との、それらのそれぞれの境界面での任意の２つの接続体を分離するように、線路１と２の間に配置されている。線路１と２内を電流Ｉ₁とＩ₂が流れる方向が互いに実質的に直交するときに、すべての接続体３は、線路１のリブ６ａから６ｅが電流Ｉ₂の方向に一列ずつ挿入され、線路２のリブ７ａから７ｅが電流Ｉ₁の方向に一列ずつ挿入されたマトリクスを形成する。

図６に示した第３の実施形態において、線路１の両縁部は、図６の面に対して垂直な、Ｄ方向に線路１の全体の高さにわたって延びる切り込みの形で配置されている。これらの切り込みは、一方で、図１に示す構成に存在し、従来技術から周知の、線路１と、線路１を囲む絶縁材料との間の境界面に相当する、電流Ｉ₁の方向に平行な面９を有している。これらの切り込みは、電流Ｉ₁の方向に垂直で、図６で参照番号８が付けられていて、面９同士の間に挿入された面をさらに有している。面８は追加の境界面部分を形成している。追加の境界面部分８のいくつかは、接続体３から、線路１の幅ｌ₁よりも小さい距離ｄの位置に位置している。追加の境界面部分は、追加の初期ボイドｖ_eが面９上に存在する場所に対して集まる場所を有している。したがって、接続体３と線路１間に、境界面の方向に拡がる初期ボイドｖ_eの数は、本発明の原理にしたがって、切り込み構造によって与えられる追加の境界面部分の面積に比例して減少する。

図７は切り込みが、線路１の接続体３から隔たった部分内に線路１の幅ｌに対して線路１の外に配置された図６の構成の変形例を示している。このような構成によって、電流Ｉ₁の線路１の全長にわたって一定の、流れの有効幅を確保することができる。

線路１の線路２との電気的接続領域内の線路１のいくつかの面上に切り込みを配置することからなる本発明の第３の実施形態は、第１の実施形態および／または第２の実施形態と組合せることが有利であることがもちろん理解されるべきである。

従来技術による、２つの電気伝導線路間の接続装置の斜視図である。 本発明の第１の実施形態による、２つの電気伝導線路間の接続装置の斜視図である。 本発明の第２の実施形態による、２つの電気伝導線路間の接続装置を示す図である。 第１の実施形態と第２の実施形態の組み合わせによる、２つの電気伝導線路間の接続装置を示す図である。 図４の接続装置の変形例を示す図である。 本発明の第３の実施形態による、２つの電気伝導線路間の接続装置を示す図である。 図６の接続装置の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 線路
２ 線路
３、３ａ〜３ｇ 接続体
４、４ａ、４ｂ 境界面
６ａ〜６ｆ リブ
７ａ〜７ｆ リブ
８、９ 面
Ｉ₁、Ｉ₂ 電流
ｌ₁ 幅
ｖｅ 初期ボイド
Ｖ ボイド
Ｄ 方向

Claims (16)

1. 集積回路の第１の伝導線路（１）と第２の伝導線路（２）との間を電気的に接続する装置であって、前記第１の線路と前記第２の線路間に第１の伝導性接続体（３ａ）を有し、前記第１の線路は、前記第１の接続体との第１の境界面（４ａ）と、前記第１の線路を横方向に囲む絶縁材料との第２の境界面とを有し、前記第２の境界面は、前記第１の線路内を電流（Ｉ₁）が流れる方向に実質的に平行である電気的接続装置において、前記第１の線路（１）は、前記第１の接続体から、前記第１の境界面における前記第１の線路の幅（１₁）よりも実質的に小さい距離（ｄ）離れた位置に位置する、絶縁材料との少なくとも１つの追加の境界面（６ａから６ｆ；８）を有することを特徴とする電気的接続装置。
2. 前記追加の境界面は、前記第１の線路（１）に含まれる、絶縁材料からなるリブ（６ａから６ｆ）の面を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記リブ（６ａから６ｆ）は、電流（Ｉ₁）が前記第１の線路内を流れる方向に平行である、請求項２に記載の装置。
4. 前記追加の境界面は、互いに、かつ前記第１の線路内を電流（Ｉ₁）が流れる方向に平行である、前記第１の線路（１）に含まれる、絶縁材料からなるいくつかのリブ（６ａから６ｆ）の面を有する、請求項３に記載の装置。
5. 前記第１の線路（１）と前記第２の線路（２）の間にいくつかの接続体（３ａから３ｇ）を有し、前記第１の線路と各２つの接続体（３）との間の少なくとも２つの境界面が、前記第１の線路に含まれる少なくとも１つのリブによって分離されている、請求項４に記載の装置。
6. 前記第１の線路（１）に含まれる１つまたは２つ以上の前記リブ（６ａから６ｆ）は、前記第１の線路を、前記第１の線路および前記第２の線路に直交する方向（Ｄ）に、前記第１の線路の２つの対向する面の間で横切っている、請求項２から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記第２の線路（２）は、前記第１の接続体から、前記第１の接続体とのその境界面における前記第２の線路の幅よりも実質的に小さいある距離離れた位置に、絶縁材料からなる少なくとも１つのリブ（７ａから７ｅ）を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記第２の線路（２）は、互いに、かつ前記第２の線路内を電流（Ｉ₂）が流れる方向に平行な、絶縁材料からなるいくつかのリブ（７ａから７ｅ）を有する、請求項７に記載の装置。
9. 前記第２の線路と各２つの前記接続体（３）間の少なくとも２つの境界面が、前記第２の線路に含まれる少なくとも１つのリブ（７ａから７ｅ）によって分離されている、請求項５または請求項８に記載の装置。
10. 前記第２の線路（２）に含まれる１つまたは２つ以上の前記リブ（７ａから７ｅ）が、前記第２の線路を前記第２の線路の２つの対向する面の間で横切っている、請求項７から９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記追加の境界面は、前記第２の境界面の部分同士（９）の間に挿入された切り込みの面（８）を有する、請求項１から１０に記載の装置。
12. 前記第２の境界面の部分同士（９）の間に挿入された切り込みの前記面（８）は、前記第１の線路内を電流（Ｉ₁）が流れる方向に実質的に直交している、請求項１１記載の装置。
13. 前記第１の線路（１）と前記第２の線路（２）間に、前記第１の接続体から、前記第１の境界面における、前記第１の線路の幅（１₁）よりも実質的に小さいある距離（ｄ）離れた位置にある第２の伝導性接続体をさらに有する、請求項１１または請求項１２に記載の装置。
14. 前記絶縁材料はシリコン原子を含む、請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記絶縁材料は炭素とフッ素の原子を含む、請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
16. 前記第１の線路（１）、前記第２の線路（２）、または１つまたは２つ以上の前記接続体（３）の前記材料の少なくとも１つは、銅、アルミニウム、銀、または前記金属の少なくとも１つを含む合金をベースにしている、請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置。

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