JP2004311930A - 多層配線を含む半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

多層配線を含む半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】水分による回路部の腐食を防止し、高信頼性を保証する半導体装置およびその製造方法の開発が求められる。
【解決手段】回路部13を完全に取り囲むように配置される、配線とビアによって構成されたシールリング12において、シーリング配線118,128の底部周辺をその下層の層間絶縁膜5に食い込むように形成する。また、シーリングビア119,129をその下層のシーリング配線118,128に対して平面的にずらして配置・接続し、シーリングビア119,129の底部の一部を下層の層間絶縁膜3に食い込ませることにより、ストッパ膜4/層間絶縁膜5の界面A−A’およびストッパ膜6/層間絶縁膜3の界面B−B’からの水分の侵入を完全に防ぐことが出来る。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に多層配線を含む回路部周辺を取り囲むように配置される配線とビアによって構成されたシールリングの構造をもつ半導体装置およびその製造方法に関する。
半導体デバイスにとって、半導体パッケージ内部への水分の侵入はデバイスの信頼性を大きく劣化させる原因のひとつである。一般に半導体装置は、はじめウェハ状態で形成され、その後にダイシング技術によりチップ状に分割・切断され、半導体パッケージに実装される。このプロセスの中で、ダイシング途中およびダイシング後にチップ端部側面から水分が侵入する恐れがある。
特に、半導体装置が低誘電率の層間絶縁膜を含む多層配線構造を有する場合、低誘電率膜は一般に低密度であるために水分が透過しやすく、さらに問題は深刻になる。
この問題を解決するために、シールリング構造とよばれる構造が検討されている。このシールリングとは、配線およびビアで構成され、回路部を完全に取り囲むリング状配線である。各層のシールリングは回路部の配線およびビアを形成するのと同時に形成されるが、新たにフォトレジスト工程を追加する必要が無く、上下のシールリングが縦方向に互いに連結される。このシールリング構造においては、チップ側面からの水分の侵入に対して金属配線と耐湿性にすぐれた絶縁膜が「壁」を構成し、回路部の腐食を食い止めるように機能する。
図6は第1の従来例によるシングルダマシン構造の多層配線を有する半導体装置の断面図であり、これを用いて多層配線への水分の侵入について考察する。このシングルダマシン構造は、シリコン基板1の上に、素子を含む絶縁層2、第1ストッパ膜4、第1層間絶縁膜3、第2ストッパ膜6、第2層間絶縁膜5が積層される。ここで、第1層間絶縁膜3、第1ストッパ膜4に配線8と内側シーリング配線18、外側シーリング配線28が、第2層間絶縁膜5、第2ストッパ膜6にビア9と内側シーリングビア19、外側シーリングビア29が形成される。また、配線8とビア9が構成する回路部13の外側に、内側シーリング配線18、外側シーリング配線28、内側シーリングビア19、外側シーリングビア29が構成するシールリング12が配置されている。図6においては、ビア9、内側シーリングビア19、外側シーリングビア29の上には、配線8、内側シーリング配線18、外側シーリング配線28がそれぞれ設けられ、この動作が繰り返されてシールリング12を形成する。
このシングルダマシン構造では、配線とビアとを独立して形成するため、第1ストッパ膜4/第2層間絶縁膜5の界面A−A’および第2ストッパ膜6/第1層間絶縁膜3の界面B−B’が必ず存在し、また、これらの界面は配線8とビア9の接続界面と連続している。従って、外部から水分11は第1層間絶縁膜3、第1ストッパ膜4、第2層間絶縁膜5、第2ストッパ膜6という絶縁膜そのものの内部と、第1ストッパ膜4/第2層間絶縁膜5界面A−A’および第2ストッパ膜6/第1層間絶縁膜3界面B−B’から侵入してくる。シーリング配線18,28は第1層間絶縁膜3および第1ストッパ膜4を、シーリングビア19,29は第2層間絶縁膜5および第2ストッパ膜6を完全に縦断しているため、それらの絶縁膜そのものから侵入する水分はシーリング配線18,28およびシーリングビア19,29によって完全にブロックすることができる。
この構造と類似したシールリングを図7(d)に示す。図7(d)のシールリングは、図7(a)〜(d)の断面図に示す製造工程により製造される。
図において、シリコン基板1上には素子を含む絶縁層2が形成され、この絶縁層2上に、低誘電率材料で形成された第1の層間絶縁膜21、シリコン酸化膜で形成された第2の層間絶縁膜22、低誘電率材料で形成された第3の層間絶縁膜23が積層され、この第1の層間絶縁膜21に第1の金属配線24が埋め込まれ、第3の層間絶縁膜23及び第2の層間絶縁膜22に第2の金属配線25が埋め込まれ、第2の層間絶縁膜22にはビアホール20が形成される。また、シールリング26は、は第1,第2,第3の層間絶縁膜21〜23にそれぞれ形成されたシーリング層126,226,326から構成される。
図7(a)〜(d)はその製造方法を順次示す工程断面図である。まず、図7(a)に示すように、シリコン基板1上にトランジスタなどの素子部(図示なし)を含む下部層間絶縁層2を形成する。その後、絶縁層2上に第1の層間絶縁膜21を形成する。この第1の層間絶縁膜21は通常、配線間の容量を低減することを目的として低誘電率材料で形成されている。
次に、図7(b)に示すように、第1の層間絶縁膜21に配線を埋め込む配線溝を形成するとともに、シーリング層126が充填される配線溝を形成する。その溝が完全に埋まるように半導体基板表面に金属膜を成膜し、更に第1の層間絶縁膜21上の余分な金属膜をCMP法により除去し、第1の金属配線24およびシーリング層126を形成する。
このとき、シーリング層126は、後に形成されるダイシングラインの近傍で、回路部13からスクライブ線に向かって10μm程度離れた位置に幅1μm程度の大きさに形成する。また、配線溝に金属膜を埋め込むにはスパッタ法で金属膜を成膜後、熱処理により金属膜を軟化させるリフロー法や、CVD法、メッキ法などがある。また、金属の種類としては一般にアルミ合金や銅などが使用される。
次に、図7(c)に示すように、全面に第2の層間絶縁膜22を形成し、引き続き第3の層間絶縁膜23を形成する。ここでは第2の層間絶縁膜22はプラズマCVD法で形成したシリコン酸化膜からなり、第3の層間絶縁膜23は第1の層間絶縁膜21と同様な低誘電率材料からなる。この場合、シリコン酸化膜の比誘電率は4.4であり、低誘電率膜と比較して大きい。
次に、図7(d)に示すように、第2の層間絶縁膜22ビアホールを、第3の層間絶縁膜23に配線溝を形成するとともに、第2および第3の層間絶縁膜22,23に、シーリング層126上でかつシーリング層126と同一の幅のシーリング層226,326を形成するための配線溝を形成する。その後、第1の金属配線24を形成したのと同様にして、第2の層間絶縁膜22と第3の層間絶縁膜23に金属膜を充填し、第2の金属配線層25とシーリング層226,326を形成する。この結果、シーリング層126,226,326は一体となってシールリング26を構成して紙面右側の回路部を外部からシールドする。
この後、図7(c),(d)の工程を何回か繰り返すことによって、金属配線を積層する。最後に、パッシベーション膜(図示なし)で表面を覆うことによって、ウエハプロセスを完了する。ウエハプロセス完了後、シールリング26より外側をダイシングラインに沿って切断し、半導体チップに分割することにより半導体装置が完成する。
このような構成によれば、配線部の絶縁膜の延長部で、ダイシングラインと回路部の配線との間に金属からなるシールリング26を備えるようにしたので、ダイシングラインから回路部に外気の水が侵入することを防止することができる。また、回路部の配線が複数層の絶縁膜を有し、上記複数層の絶縁膜すべてにシーリング層を備えるようにしたので、半導体チップの側面全部において水の侵入を防止することができる(例えば、特許文献1参照)。
また図8は、従来例2によるデュアルダマシン構造の多層配線を有する半導体装置の断面図であり、多層配線への水分の侵入について考察するために参照する図である。デュアルダマシン構造では配線とその下層のビアを同時に形成するため、ストッパ膜/層間絶縁膜界面B−B’のみが存在し、この界面は下側の配線と上側のビアの接続界面と連続している。水分11は層間絶縁膜7、ストッパ膜6という絶縁膜そのものの内部と、ストッパ膜/層間絶縁膜界面B−B’から侵入してくる。シーリング配線10は層間絶縁膜7およびストッパ膜6を完全に上下方向に縦断しているため、それらの絶縁膜そのものから侵入する水分はシーリング配線10によって完全にブロックすることができる。
特開2000―150429号公報
しかしながら、各従来例のシールリングを絶縁膜のみを横切るように配置しただけでは効果が不十分である。図6の場合は、配線とビアの接続部は構造的に弱いために、ストッパ膜/層間絶縁膜界面A−A’およびストッパ膜/層間絶縁膜界面B−B’から侵入する水分の侵入を完全に防ぐことができない。
また、図8の場合も、配線とビアの接続部は構造的に弱いためにストッパ膜/層間絶縁膜界面B−B’から侵入する水分の侵入を完全に防ぐことができない。
本発明の目的は、回路部を囲むシールリング構造を最適化し、チップ端部からの水分の侵入を完全に遮断することにより、回路部の腐食を防止し、高信頼性を保証できるようにした半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
本発明の半導体装置は、半導体基板上に設けられた複数の層間絶縁膜のそれぞれを貫通し、一体となってチップ内部を取り囲むようにチップ周辺に設けられる複数の壁を備える半導体装置であって、前記複数の壁のうち相対的に上層に位置する上部層間絶縁膜を貫通する上層壁は、前記複数の壁のうち前記上部層間絶縁膜の直下の下部層間絶縁膜を貫通する下層壁と連結しつつ、前記下部層間絶縁膜の一部にも食い込んで設けられることを特徴とする。
上記本発明の半導体装置においては、前記上層壁は、その平面上の中心が前記下層壁の平面上の中心からずれるように前記下層壁と連結され、前記複数の壁は、Alを主成分とする合金、Cu、またはCuを主成分とする合金を含む。
上記本発明の半導体装置においてはまた、前記複数の層間絶縁膜が、SiO、L−Ox(梯子型水素化シロキサン)、HSQ、SiOC、SiLK(ポリフェニレン)、SiOF、SiCN、SiC、SiNまたはSiONを含む組成物からなる。
上記本発明の半導体装置においてはさらに、前記複数の壁のそれぞれは、前記複数の層間絶縁膜のうちの対応する層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールに埋め込まれる導電体または前記複数の層間絶縁膜のうちの対応する層間絶縁膜に設けられ、前記層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールと前記コンタクトホールより開口面積が大きく、浅く、前記コンタクトホールと通じる溝とに埋め込まれる導電体である。
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に複数の層間絶縁膜を形成し、前記複数の層間絶縁膜のそれぞれを貫通し、一体となってチップ内部を取り囲むようにチップ周辺に複数の壁を形成する半導体装置の製造方法であって、前記複数の壁のうち相対的に上層に位置する上部層間絶縁膜を貫通する上層壁を、前記複数の壁のうち前記上部層間絶縁膜の直下の下部層間絶縁膜を貫通させて下層壁と連結させつつ、前記下部層間絶縁膜の一部にも食い込ませて形成することを特徴とする。
上記本発明の半導体装置の製造方法においては、前記上層壁は、その平面上の中心が前記下層壁の平面上の中心からずれるように前記下層壁と連結される。
以上説明したように、本発明は、回路部周辺を取り囲むように配置される配線とビアによって構成されたシールリングを有する。このシールリングにおいて、シーリング配線の底部外周を下層の間絶縁膜に達するようにし、また、シーリングビアを下層のシーリング配線に対してすこしずらして配置して接続する。これにより、シーリングビア底部の一部を下層の層間絶縁膜に達するようにしている。
従って、シーリング配線の底部外周を下層の層間絶縁膜に食い込むようにすることにより、該当する2つの層間絶縁膜の界面をシーリング配線の端部が縦断する構造となり、絶縁膜界面からの水分の侵入を完全に防ぐことができる。
また、シーリングビアを下層のシーリング配線に対してオフセット配置して接続し、シーリングビア底部の一部が下層の層間絶縁膜に食い込むようにすることにより、該当する2つの層間絶縁膜の界面をシーリングビアの一部が縦断する構造となり、絶縁膜界面からの水分の侵入を完全に防ぐこともできる。
(実施例1)
次に本発明の構成および特徴を明確にするために図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施形態の断面図であり、シングルダマシン構造を示している。本実施形態においても、回路部13がシールリング12によって完全に囲まれている。シーリング配線8は第1層間絶縁膜3および第1ストッパ膜4を、シーリングビア9は第2層間絶縁膜5および第2ストッパ膜6を上下方向に完全に縦断するとともに、回路部13を平面的に完全に取り囲むリング状構造となっている。ダイシングラインに近い方を外側と呼ぶこととすると、第1層間絶縁膜3及び第1ストッパ膜4を貫通する外側シーリング配線128及び内側シーリング配線118と、第2層間絶縁膜5及び第2ストッパ膜6を貫通する外側シーリング配線129及び内側シーリングビア119がシールリングを構成する。
このような構造のため、絶縁膜そのものから侵入する水分は外側シーリング配線128及び内側シーリング配線118と外側シーリング配線129及び内側シーリングビア119によって完全にブロックすることができる。
また、シーリング配線118,128の底部周辺は、その下層の第2層間絶縁膜5に食い込むように形成されているので、第1ストッパ膜4/第2層間絶縁膜5界面A−A’を横切っており、第1ストッパ膜4/第2層間絶縁膜5界面A−A’からの水分の侵入を完全に防ぐことができる。
さらに、シーリングビア119,129をその下層のシーリング配線118,128に対してオフセット配置して接続し、かつシーリングビア119,129の底部の一部は下層の第1層間絶縁膜3に食い込むように形成されているので、シーリングビア119,129は第2ストッパ膜6/第1層間絶縁膜3界面B−B’を上下方向に縦断し、第2ストッパ膜6/第1層間絶縁膜3界面B−B’からの水分の侵入を完全に防ぐことができる。
なお、配線118,128およびビア119,129としては、Al、もしくはCuを用いることができ、また、層間絶縁膜3,5としては、SiO、L−Ox、HSQ、SiOC、SiLK、SiOF、SiCN、SiC、SiN、SiONなどを用いることができる。
図2(a)〜(c)は図1の実施形態の製造方法を工程順示す断面図である。
まず、図2(a)に示すように、シリコン基板1上に素子を含む絶縁層2を形成する。まず、シリコン基板1上に形成された素子を含む絶縁層2の上に第1ストッパ膜4および第1層間絶縁膜3を成膜する。次に、第1層間絶縁膜3及び第1ストッパ膜4を貫通する配線溝を形成する。第1層間絶縁膜3は2種類以上の絶縁膜の積層膜でも構わない。ここでシーリング配線118,128が形成される配線溝は、その下層の絶縁膜(本図においては素子を含む絶縁層2、2層目以上の配線においては第2層間絶縁膜5に相当する)に達するようにエッチング条件をコントロールして形成する。溝形成後は、Cu、Alなどで構成される金属膜を溝が十分に埋まるように成膜し、金属CMP技術により第1層間絶縁膜3上の余剰な金属膜を除去する。このようにして図2(b)に示すように、リング状のシーリング配線118,128が内部配線108とともに形成される。
次に、図2(c)に示すように、内部配線108、シーリング配線118,128の上に第2ストッパ膜6および第2層間絶縁膜5を成膜する。第2層間絶縁膜5は2種類以上の絶縁膜の積層膜でも構わない。次に、第2層間絶縁膜5、第2ストッパ膜6の全部と、第1層間絶縁膜3の一部をエッチングしてビアホールを形成する。ビアホール形成後は、Cu、Alなどで構成される金属膜をビアホールが完全に埋まるように成膜し、CMP技術により第2層間絶縁膜5上の余剰な金属膜を除去する。このようにして、シーリングビア119,129の底部が第1層間絶縁膜3に食い込むように形成される。ここで、シーリングビア119,129は下層のシーリング配線118,128に対して平面的に少しずれて位置するように形成される。
次に、図3に示すように、内部配線208とともに内側シーリング配線218と外側シーリング配線228を形成する。この形成プロセスは、図2(b)で説明したプロセスと同じである。以下、図2(c)と図3のプロセスを繰り返すことで所望のシングルダマシン多層配線構造を形成することができる。
このように本実施形態は、回路部周辺を取り囲むように配置される配線とビアによって構成された複数のシールリングを積み重ねる。このシールリングにおいて、シーリング配線の底部周辺を下層の層間絶縁膜に食い込むようにし、かつ、シーリングビアを下層のシーリング配線に対して互いの中心が少しずれるように配置して接続する。これにより、シーリングビア底部の一部が下層の層間絶縁膜に食い込むことができる。従って、シールリング配線の底部周辺が該当する2つの層間絶縁膜の界面を縦断する構造となり、絶縁膜界面からの水分の侵入を完全に防ぐことができる。
(実施例2)
図4は、本発明の第2の実施形態の断面図であり、デュアルダマシン多層配線構造を示している。回路部13は、シールリング12によって完全に囲まれている。配線及びビアを兼ねるシーリング配線419,429は層間絶縁膜7およびストッパ膜6を上下方向に縦断しているため、それらの絶縁膜そのものから侵入する水分は完全にブロックすることができる。
また、シーリング配線419,429をその下層のシーリング配線319,329に対して互いの中心を少しずらして配置して接続し、かつシーリング配線の底部の一部は下層の層間絶縁膜7に食い込むように形成されている。従って、シーリング配線はストッパ膜/層間絶縁膜界面B−B’を上下方向に縦断しており、ストッパ膜/層間絶縁膜界面B−B’からの水分の侵入を完全に防ぐことができる。
図5(a)〜(c)は図4の実施形態の製造方法を示す断面図である。まず、図5(a)に示すように、シリコン基板1上に素子を含む絶縁層2を形成する。次に、シリコン基板1上に形成された素子を含む絶縁層2の上に、ストッパ膜4および層間絶縁膜3を成膜し、層間絶縁膜3、ストッパ膜4、絶縁層2に配線溝を形成する。層間絶縁膜3は2種類以上の絶縁膜の積層膜でも構わない。続いて図5(b)に示すように、回路部13の内部配線308をリング状に取り囲むシーリング配線318,328を形成する。
ここで、シーリング配線318,328を形成する配線溝は、層間絶縁膜3、ストッパ膜4を完全に貫通するようにエッチング除去した後、その下層の絶縁膜(本図においては素子を含む絶縁層2、2層目以上の配線においては層間絶縁膜7に相当する)の一部をエッチングすることにより形成される。溝形成後は、Cu、Alなどで構成される金属膜を溝が完全に埋め込まれるように成膜し、金属CMP技術により層間絶縁膜3上の余剰の金属膜を除去する。
次に、回路部13およびシーリング配線8の上にストッパ膜6および層間絶縁膜7を成膜する。層間絶縁膜7は2種類以上の絶縁膜の積層膜でも構わない。ここで、ビアホールを層間絶縁膜7及びストッパ膜6を貫通し、さらに層間絶縁膜3に食い込むように形成する。ビアホール形成後は、Cu、Alなどで構成される金属膜をビアホールが完全に埋まるように成膜し、金属CMP技術により層間絶縁膜7上の余剰の金属膜を除去する。このようにして図5(c)に示すように、デュアルダマシン構造の回路部13の内部配線309及びシーリング配線319,329を形成する。
以下、図5(c)のプロセスを繰り返すことで所望のデュアルダマシン多層配線構造を形成することができる。
従って、本実施形態によっても、層間絶縁膜とその下層の層間絶縁膜界面をシーリング配線のビア部分の一部が縦断する構造となり、絶縁膜界面からの水分の侵入を完全に防ぐことができる。
本発明の第1の実施形態の半導体装置を示す断面図。 (a)〜(c)は図1の実施形態の製造方法を工程順に示す断面図。 図1の実施形態の製造方法の図2の後工程を示す断面図。 本発明の第2の実施形態の半導体装置を示す断面図。 (a)〜(c)は図4の第2の実施形態の製造方法を工程順に示す断面図。 従来例のシングルダマシン多層配線におけるシールリング構造を用いた半導体装置の断面図。 (a)〜(d)は図6に関連する構造の製造方法を工程順に示す断面図。 従来例のデュアルダマシン多層配線におけるシールリング構造を用いた半導体装置の断面図。
符号の説明
1 シリコン基板
2 素子を含む絶縁層
3 第1層間絶縁膜
4 第1ストッパ膜
5 第2層間絶縁膜
6 第2ストッパ膜
7 層間絶縁膜
8 シーリング配線
9 シーリングビア
10,318,319,328,329,419,429 シーリング配線
11 水分
12 シールリング
13 回路部
18,118,218 内側シーリング配線
19,119 内側シーリングビア
20 ビアホール
21 第1の層間絶縁膜
22 第2の層間絶縁膜
23 第3の層間絶縁膜
24 第1の金属配線
28,128,228 外側シーリング配線
29,129 外側シーリングビア
108,208,308,309 内部配線
126,226,326 シーリング層

Claims (7)

  1. 半導体基板上に設けられた複数の層間絶縁膜のそれぞれを貫通し、一体となってチップ内部を取り囲むようにチップ周辺に設けられる複数の壁を備える半導体装置であって、前記複数の壁のうち相対的に上層に位置する上部層間絶縁膜を貫通する上層壁は、前記複数の壁のうち前記上部層間絶縁膜の直下の下部層間絶縁膜を貫通する下層壁と連結しつつ、前記下部層間絶縁膜の一部にも食い込んで設けられることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記上層壁は、その平面上の中心が前記下層壁の平面上の中心からずれるように前記下層壁と連結される請求項1記載の多層配線を含む半導体装置。
  3. 前記複数の壁は、Alを主成分とする合金、Cu、またはCuを主成分とする合金を含む請求項1又は2記載の半導体装置。
  4. 前記複数の層間絶縁膜が、SiO2、L−Ox(梯子型水素化シロキサン)、HSQ、SiOC、SiLK(ポリフェニレン)、SiOF、SiCN、SiC、SiNまたはSiONを含む組成物からなる請求項1,2または3記載の半導体装置。
  5. 前記複数の壁のそれぞれは、前記複数の層間絶縁膜のうちの対応する層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールに埋め込まれる導電体または前記複数の層間絶縁膜のうちの対応する層間絶縁膜に設けられ、前記層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールと前記コンタクトホールより開口面積が大きく、浅く、前記コンタクトホールと通じる溝とに埋め込まれる導電体である請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 半導体基板上に複数の層間絶縁膜を形成し、前記複数の層間絶縁膜のそれぞれを貫通し、一体となってチップ内部を取り囲むようにチップ周辺に複数の壁を形成する半導体装置の製造方法であって、前記複数の壁のうち相対的に上層に位置する上部層間絶縁膜を貫通する上層壁を、前記複数の壁のうち前記上部層間絶縁膜の直下の下部層間絶縁膜を貫通させて下層壁と連結させつつ、前記下部層間絶縁膜の一部にも食い込ませて形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 前記上層壁は、その平面上の中心が前記下層壁の平面上の中心からずれるように前記下層壁と連結される請求項6記載の半導体装置の製造方法。
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