JP2005259968A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】同一配線層で配線幅の異なる配線同士が接続された配線構造において、細幅配線にボイドが発生するのを低減でき、断線を防止できる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、半導体基板上に形成され、太い配線幅aを持つ太幅配線11と、この太幅配線11と同一の配線層に形成され、配線幅が0.2μm以下の細い配線幅bを持つ細幅配線12とを具備する。太幅配線11と細幅配線12とが配線幅aの部分と配線幅bの部分とで接続され、配線幅aと配線幅bとの比(a/b)が10より小さく設定されている。
【選択図】 図1
【解決手段】半導体装置は、半導体基板上に形成され、太い配線幅aを持つ太幅配線11と、この太幅配線11と同一の配線層に形成され、配線幅が0.2μm以下の細い配線幅bを持つ細幅配線12とを具備する。太幅配線11と細幅配線12とが配線幅aの部分と配線幅bの部分とで接続され、配線幅aと配線幅bとの比(a/b)が10より小さく設定されている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、半導体基板上の同一配線層において配線幅の異なる配線同士が接続された配線構造を有する半導体装置に関するものである。
近年、コンピューターや通信機器の重要部分には、多数のトランジスタや抵抗などが電気回路を構成するように結びつけられて、1チップ上に集積化された大規模集積回路(LSI)が多用されている。このため、機器全体の性能は、LSI単体が持つ性能に大きく影響されてしまう。LSI単体の性能向上は、集積度を高めること、つまり素子の微細化を推進することにより実現できる。
LSIにおける信号配線の幅は、必要電流量と回路の複雑さに依存して様々な形態をとる。すなわち、素子の高性能化を達成するために、大電流を流すために太い配線幅を持つ太幅配線が存在し、また最小の設計寸法でデザインされた下層配線に接続される配線ではより細い配線幅を持つ細幅配線が存在することになる。
しかし、素子の微細化に伴って配線の微細化や多層化が進んだ結果、以下のような問題が顕在化している。
LSIにおいて上層の配線と下層の配線とを接続するビアでは、ビア内部にボイドが発生するという問題が生じている。この問題を解決するために、ビアに接続される配線の配線幅を規定することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
LSIでは、また同一の配線層において太幅配線と細幅配線とが接続される場合が多々存在する。配線幅の極端に異なる配線が同一の配線層で接続される構造では、ストレスマイグレーションにより細幅配線にボイドが発生し、細幅配線が断線するという問題が生じる。
特開2002−124565号公報
この発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、同一の配線層に形成される細い配線幅を持つ細幅配線と太い配線幅を持つ太幅配線とが接続される配線構造において、細幅配線にボイドが発生するのを低減でき、細幅配線の断線を防止できる半導体装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、この発明の一実施形態の半導体装置は、半導体基板上に形成され、第1配線幅aを持つ第1の配線と、前記半導体基板上の前記第1の配線と同一の配線層に形成され、配線幅が0.2μm以下の第2配線幅bを持つ第2の配線とを具備し、前記第1の配線と前記第2の配線とが前記第1配線幅aの部分と前記第2配線幅bの部分とで接続され、前記第1配線幅aと前記第2配線幅bとの比(a/b)が10より小さいことを特徴とする。
この発明によれば、同一の配線層に形成される細い配線幅を持つ細幅配線と太い配線幅を持つ太幅配線とが接続される配線構造において、細幅配線にボイドが発生するのを低減でき、細幅配線の断線を防止できる半導体装置を提供できる。
以下、図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
[第1の実施形態]
まず、この発明の第1の実施形態の配線構造を含む半導体装置について説明する。
まず、この発明の第1の実施形態の配線構造を含む半導体装置について説明する。
図1は、第1の実施形態の配線構造を含む半導体装置の構成を示す平面図である。
太い配線幅aを持つ太幅配線11と細い配線幅bを持つ細幅配線12は、半導体基板上の同一の配線層に形成されており、図1に示すように、太幅配線11と細幅配線12とは配線幅aの部分と配線幅bの部分にて互いに接続されている。この実施形態は、太幅配線11と細幅配線12の配線幅a、bが50μm以下であり、特に細幅配線12の配線幅bが0.2μm以下の場合に適用される。太幅配線11の配線幅aと細幅配線12の配線幅bとの比(a/b)は、10より小さくなるように設定されている。さらに、太幅配線11と細幅配線12は、例えば銅(Cu)、または銀(Ag)、アルミニウム(Al)等から形成されている。
図2に、太幅配線11と細幅配線12の斜視図を示す。図2に示すように、同一の配線層で接続された太幅配線11と細幅配線12は配線高さcを持つ。
また、図3に、図1に示した太幅配線11と細幅配線12の3−3線に沿った断面を示す。これら太幅配線11と細幅配線12は、例えばダマシーン法で製造される。その製造方法を以下に述べる。
図3に示すように、半導体基板21上に絶縁分離層22を形成し、続いて、絶縁分離層22上に層間絶縁膜23を形成する。この層間絶縁膜23に、配線パターンに合わせて溝を掘り、配線溝を形成する。その後、配線溝に配線用の金属を充填することにより、金属配線、すなわち太幅配線11及び細幅配線12を形成する。
この充填工程は、例えば以下のように行う。ここでは、太幅配線11及び細幅配線12は銅から形成されるものとする。スパッタ法により、配線溝内及び層間絶縁膜23上にバリアメタルとなるタンタル膜(図示せず)を膜厚10nm程度堆積する。さらに、同様にスパッタ法により、タンタル膜上に銅を膜厚80nm程度堆積する。続いて、めっき法により銅を膜厚800nm程度形成する。
その後、CMP法により層間絶縁膜23上を研磨して、層間絶縁膜23上の余分な銅及びタンタルを除去する。続いて、太幅配線11及び細幅配線12を形成する銅の酸化及び拡散を防ぐ酸化拡散防止膜24を、太幅配線11上及び細幅配線12上に形成する。さらに、酸化拡散防止膜24上に表面保護膜25を形成する。
前述した配線構造を持つ半導体装置では、太幅配線11と細幅配線12との配線幅比(a/b)を10より小さくすることにより、細幅配線12を形成する銅が太幅配線11に吸い上げられる現象の影響を低減できる。これにより、細幅配線12にボイドが発生するのを抑制でき、細幅配線12に生じる断線などの不良を防止できる。
次に、図1〜図3に示した構造を持つ太幅配線11及び細幅配線12を作成し、細幅配線12に不良が発生するか否かを調べた実験結果を述べる。なお、太幅配線11及び細幅配線12は銅から形成されている。
第1群の試料では、太幅配線11の配線幅aと細幅配線12の配線幅bとの比(a/b)を種々変化させた試料を準備した。細幅配線12の配線幅bは90nm程度であり、太幅配線11及び細幅配線12の配線高さcは160nm程度である。
また、第2群の試料では、細幅配線12のアスペクト比(c/b)を種々変化させた試料を準備した。細幅配線12の配線幅bは0.2μm以下であり、太幅配線11及び細幅配線12の配線高さcは160nm程度である。
表1は、太幅配線11の配線幅aと細幅配線12の配線幅bとの比(a/b)を変えたときの不良率の変化をまとめたものである。表2は、太幅配線11の配線幅aと細幅配線12の配線幅bとの比(a/b)が10以上の試料において、細幅配線12の配線高さcと配線幅bとの比(c/b)を変えたときの不良率の変化をまとめたものである。
実験終了後の観察の結果、不良が発生した細幅配線12にはボイドが形成されているのが確認された。表1に示すように、不良が発生した試料の配線幅比(a/b)は10以上であり、配線幅比(a/b)が10より小さい場合には不良は確認されなかった。また、配線幅比(a/b)が10以上の場合であっても、細幅配線12の配線高さcと配線幅bとの比(c/b)が1.1以下の場合には不良が確認されなかった。
以上説明したようにこの第1の実施形態では、同一の配線層で太幅配線と細幅配線が接続された構造において、太幅配線と細幅配線の配線幅比または細幅配線のアスペクト比(高さ/配線幅)を特定することにより、細幅配線に発生するボイドを低減でき、細幅配線の断線を防止することができる。
なお、細幅配線の配線幅bが0.2μmより太い場合は、細幅配線にボイドが形成されて断線するという不良はほとんど発生せず、問題とならない場合が多い。したがって、この発明の実施形態では、細幅配線の配線幅が0.2μm以下の場合に適用される。さらに、この実施形態は、多層配線あるいは単層配線のいずれの配線構造を有する半導体装置にも適用できる。これは、以下の実施形態においても同様である。
[第2の実施形態]
次に、この発明の第2の実施形態の配線構造を含む半導体装置について説明する。前記第1の実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付す。
次に、この発明の第2の実施形態の配線構造を含む半導体装置について説明する。前記第1の実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付す。
図4は、第2の実施形態の配線構造を含む半導体装置の構成を示す平面図である。
太い配線幅aを持つ太幅配線11と細い配線幅bを持つ細幅配線12は、半導体基板上の同一の配線層に形成されている。太幅配線11の配線幅aと細幅配線12の配線幅bとの比(a/b)は10以上であり、細幅配線12のアスペクト比(c/b)は、1.2以上に設定されている。この場合、図4に示すように、太幅配線11と細幅配線12との間に中間配線13を配置して、太幅配線11と細幅配線12とを中間配線13を介して接続する。中間配線13は、太幅配線11の配線幅aより小さく細幅配線12の配線幅bより大きい配線幅dを有する(a>d>b)。これにより、接続部分の中間配線13と細幅配線12との配線幅比、及び太幅配線11と中間配線13との配線幅比が10以上にならないようにする。中間配線13は、図4に示すように、細幅配線12から太幅配線11へ向けて、階段状に順次、配線幅が広くなるように形成してもよい。
この実施形態も、前記第1の実施形態と同様に、太幅配線11、細幅配線12、及び中間配線13の配線幅が50μm以下であり、特に細幅配線12の配線幅bが0.2μm以下の場合に適用される。さらに、太幅配線11、細幅配線12、及び中間配線13は、例えば銅(Cu)、または銀(Ag)、アルミニウム(Al)等から形成されている。
図5に、太幅配線11、細幅配線12、及び中間配線13の斜視図を示す。同一の配線層で接続された太幅配線11、細幅配線12、及び中間配線13は配線高さcを持つ。
また、図6に、図4に示した太幅配線11、細幅配線12、及び中間配線13の6−6線に沿った断面を示す。これら太幅配線11、細幅配線12、及び中間配線13は、例えばダマシーン法で製造される。その製造方法を以下に述べる。
図6に示すように、半導体基板21上に絶縁分離層22を形成し、続いて、絶縁分離層22上に層間絶縁膜23を形成する。この層間絶縁膜23に、配線パターンに合わせて溝を掘り、配線溝を形成する。その後、配線溝に配線用の金属を充填することにより、金属配線、すなわち太幅配線11、細幅配線12、及び中間配線13を形成する。
この充填工程は、例えば以下のように行う。ここでは、太幅配線11、細幅配線12、及び中間配線13は銅から形成されるものとする。スパッタ法により、配線溝内及び層間絶縁膜23上にバリアメタルとなるタンタル膜(図示せず)を膜厚10nm程度堆積する。さらに、同様にスパッタ法により、タンタル膜上に銅を膜厚80nm程度堆積する。続いて、めっき法により銅を膜厚800nm程度形成する。
その後、CMP法により層間絶縁膜23上を研磨して、層間絶縁膜23上の余分な銅及びタンタルを除去する。続いて、太幅配線11、細幅配線12、及び中間配線13を形成する銅の酸化及び拡散を防ぐ酸化拡散防止膜24を、太幅配線11、細幅配線12、及び中間配線13上に形成する。さらに、酸化拡散防止膜24上に表面保護膜25を形成する。
前述した配線構造を持つ半導体装置では、太幅配線11と細幅配線12との接続部分に中間配線13を配置して、これら配線の接続部分における配線幅比(a/b)を10より小さくすることにより、細幅配線12を形成する銅が太幅配線11に吸い上げられる現象の影響を低減できる。これにより、細幅配線12にボイドが発生するのを抑制でき、細幅配線12に生じる断線などの不良を防止できる。
次に、図4〜図6に示した構造を持つ太幅配線11、細幅配線12、及び中間配線13を作成し、細幅配線12に不良が発生するか否かを調べた実験結果を述べる。細幅配線12の配線幅bは、0.2μm以下である。また、太幅配線11、細幅配線12、及び中間配線13は銅から形成されている。
第3群の試料では、太幅配線11の配線幅aと細幅配線12の配線幅bとの比(a/b)を種々変化させ、中間配線13を設置した試料を準備した。細幅配線12の配線幅bは90nm程度であり、太幅配線11及び細幅配線12の配線高さcは160nm程度である。中間配線13は、細幅配線12に対して片側40nmずつ3段階で順次、配線幅が広くなるように形成した。例えば、細幅配線12の幅が90nmの場合、中間配線13を170nm、250nm、330nmと細幅配線12側から順次、配線幅を広くして太幅配線11に接続させている。
また、第4群の試料では、細幅配線12のアスペクト比(c/b)を種々変化させ、中間配線13を設置した試料を準備した。細幅配線12の配線幅bは0.2μm以下であり、太幅配線11及び細幅配線12の配線高さcは160nm程度である。ここで、同様に、中間配線13は細幅配線12に対して片側40nmずつ3段階で順次、配線幅が広くなるように形成した。さらに、太幅配線11の配線幅aと細幅配線12の配線幅bとの比(a/b)は10以上に設定した。
表3は、太幅配線11の配線幅aと細幅配線12の配線幅bとの比(a/b)を変えたときの不良率の変化をまとめたものである。表2は、太幅配線11の配線幅aと細幅配線12の配線幅bとの比(a/b)が10以上の試料において、細幅配線12の配線高さcと配線幅bとの比(c/b)を変えたときの不良率の変化をまとめたものである。
実験終了後の観察の結果、表3に示すように、細幅配線12に不良は確認されなかった。前記第1の実施形態では配線幅比(a/b)が10以上の場合、不良が発生していたが、ここでは配線幅比(a/b)が10以上の場合であっても、不良が確認されなかった。また、表4に示すように、配線幅比(a/b)が10以上で、かつ細幅配線12の配線高さcと配線幅bとの比(c/b)が1.2以上の場合でも、不良が確認されなかった。
以上説明したようにこの第2の実施形態では、同一の配線層で太幅配線と細幅配線が接続された構造において、太幅配線と細幅配線との間に、配線幅が太幅配線より小さく細幅配線より大きい中間配線を配置することにより、細幅配線に発生するボイドを低減でき、細幅配線の断線を防止することができる。
[第3の実施形態]
次に、この発明の第3の実施形態の配線構造を含む半導体装置について説明する。前記第1の実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付す。
次に、この発明の第3の実施形態の配線構造を含む半導体装置について説明する。前記第1の実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付す。
図7は、第3の実施形態の配線構造を含む半導体装置の構成を示す平面図である。
太い配線幅aを持つ太幅配線31と細い配線幅bを持つ細幅配線32は、半導体基板上の同一の配線層に形成されており、太幅配線31の配線幅aと細幅配線32の配線幅bとの比(a/b)は10以上である。この実施形態も、前記第1の実施形態と同様に、太幅配線31と細幅配線32の配線幅a、bが50μm以下であり、特に細幅配線32の配線幅bが0.2μm以下の場合に適用される。
この場合、図7に示すように、太幅配線31と細幅配線32との接続部分近傍の太幅配線31中に、配線材料が存在しないスリット33を形成する。このスリット33は、配線材料が存在しない空洞領域であり、細幅配線32の配線方向を長手方向とする矩形形状を有している。スリット33は、細幅配線32の延長上を挟むように太幅配線31中に2つ配置され、2つのスリット33間の幅eと細幅配線の配線幅bとの比(e/b)が10より小さくなるようにするのが好ましい。図7では、細幅配線32の延長上を挟むように片側に1つずつのスリット33を配置しているが、片側に2つ以上のスリットを配置してもよい。
図7に示した太幅配線31と細幅配線32の3−3線に沿った断面を図3に示す。スリット33を含む太幅配線31と細幅配線32は、例えばダマシーン法で製造される。その製造方法を以下に述べる。
図3に示すように、半導体基板21上に絶縁分離層22を形成し、続いて、絶縁分離層22上に層間絶縁膜23を形成する。この層間絶縁膜23に、配線パターンに合わせて溝を掘り、配線溝を形成する。このとき、配線溝のうち太幅配線31が形成される領域にはスリット33を形成するための絶縁膜(図示せず)が突状態で残されている。その後、配線溝に配線用の金属を充填することにより、太幅配線31及び細幅配線32を形成すると共に、太幅配線31中にスリット33を形成する。
この充填工程は、例えば以下のように行う。ここでは、太幅配線31及び細幅配線32は銅から形成されるものとする。スパッタ法により、配線溝内及び層間絶縁膜23上にバリアメタルとなるタンタル膜(図示せず)を膜厚10nm程度堆積する。さらに、同様にスパッタ法により、タンタル膜上に銅を膜厚80nm程度堆積する。続いて、めっき法により銅を膜厚800nm程度形成する。
その後、CMP法により層間絶縁膜23上を研磨して、層間絶縁膜23上の余分な銅及びタンタルを除去する。続いて、太幅配線31及び細幅配線32を形成する銅の酸化及び拡散を防ぐ酸化拡散防止膜24を、太幅配線31上及び細幅配線32上に形成する。さらに、酸化拡散防止膜24上に表面保護膜25を形成する。
前述した配線構造を持つ半導体装置では、太幅配線31中にスリット33を形成することにより、細幅配線32を形成する銅が太幅配線31に吸い上げられる現象の影響を低減できる。これにより、細幅配線32にボイドが発生するのを抑制でき、細幅配線32に生じる断線などの不良を防止できる。
また図8に、前記第1の実施形態で紹介したストレス試験の結果のうち、不良が発生した試料においてボイドが発生した位置の度数分布を示す。ここで、ボイドが発生した位置は、太幅配線11と細幅配線12との接続部分から細幅配線12中のボイドまでの距離である。ここに示すように、ボイドは接続部分から細幅配線12中の12μmまでの範囲で分布しており、12μm以上の距離ではボイドが確認されなかった。スリット33により太幅配線を分割する目的はあたかも細幅配線の一部を太幅配線中に設置することにあり、長さが15μm以上のスリットを設置することで太幅配線中にボイドを形成させることが可能と考えられる。太幅配線中にボイドが形成された場合でも、スリットで分割された配線が複数存在するため、太幅配線が断線する心配はない。
以上説明したようにこの第3の実施形態では、同一の配線層で太幅配線と細幅配線が接続された構造において、太幅配線中に、細幅配線の延長上を挟むように複数のスリットを配置することにより、細幅配線に発生するボイドを低減でき、細幅配線の断線を防止することができる。
次に、前記第1の実施形態を適用した回路レイアウトの一例を図9に示す。図9は、ある配線層におけるレイアウトの一部を示している。
図9に示すように、配線層には信号線としての太幅配線11A、11Bが引き回されている。太幅配線11Aからは複数の細幅配線12A、12B、12C、12D、12Eが引き出され、これらの細幅配線12A〜12Eはそれぞれコア回路40A〜40Eに接続されている。コア回路40A〜40Eの各々は、所定の電気的な機能を実現する回路であり、図9に示した配線層を含む多層の配線層に形成されたパターンを有している。
また、太幅配線11Bからは細幅配線12Fが引き出されている。細幅配線12Fは、パターン12G、12H間に形成されており、これらパターン12G、細幅配線12F、パターン12Hはデザインルールにおいて狭ピッチのレイアウトになっている。
以上説明したように、太幅配線11Aから引き出された細幅配線12A〜12Eは、太幅配線11Aとコア回路40A〜40Eとをそれぞれ接続する配線として用いられたり、また狭ピッチでレイアウトされた配線の1つとして用いられる。なおここでは、太幅配線と細幅配線が信号線である場合を示したが、電源線にも同様に適用することができる。また、前記第1の実施形態を適用した例を説明したが、第2、第3の実施形態も同様に適用することができる。
また、前述した各実施形態はそれぞれ、単独で実施できるばかりでなく、適宜組み合わせて実施することも可能である。さらに、前述した各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、各実施形態において開示した複数の構成要件の適宜な組み合わせにより、種々の段階の発明を抽出することも可能である。
11…太幅配線、12…細幅配線、21…半導体基板、22…絶縁分離層、23…層間絶縁膜、24…酸化拡散防止膜、25…表面保護膜、31…太幅配線、32…細幅配線、33…スリット。
Claims (5)
- 半導体基板上に形成され、第1配線幅aを持つ第1の配線と、
前記半導体基板上の前記第1の配線と同一の配線層に形成され、配線幅が0.2μm以下の第2配線幅bを持つ第2の配線とを具備し、
前記第1の配線と前記第2の配線とが前記第1配線幅aの部分と前記第2配線幅bの部分とで接続され、前記第1配線幅aと前記第2配線幅bとの比(a/b)が10より小さいことを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板上に形成され、第1配線幅aを持つ第1の配線と、
前記半導体基板上の前記第1の配線と同一の配線層に形成され、配線幅が0.2μm以下の第2配線幅bと配線高さcを持つ第2の配線とを具備し、
前記第1の配線と前記第2の配線とが前記第1配線幅aの部分と前記第2配線幅bの部分とで接続され、前記第1配線幅aと前記第2配線幅bとの比(a/b)が10以上であり、配線高さcと第2配線幅bとの比(c/b)が1.1以下であることを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板上に形成され、第1配線幅aを持つ第1の配線と、
前記半導体基板上の前記第1の配線と同一の配線層に形成され、配線幅が0.2μm以下の第2配線幅bを持つ第2の配線と、
前記半導体基板上の前記第1、第2の配線と同一の配線層に形成され、配線幅が前記第2配線幅より大きく前記第1配線幅より小さい第3配線幅dを持つ第3の配線とを具備し、
前記第1の配線と前記第2の配線とが前記第3の配線を介して接続され、前記第3配線幅dと前記第2配線幅bとの比(d/b)が10より小さく、前記第1配線幅aと前記第2配線幅bとの比(a/b)が10以上であることを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板上に形成され、第1配線幅aを持つ第1の配線と、
前記半導体基板上の前記第1の配線と同一の配線層に形成され、配線幅が0.2μm以下の第2配線幅bを持つ第2の配線とを具備し、
前記第1の配線と前記第2の配線とが前記第1配線幅aの部分と前記第2配線幅bの部分とで接続され、前記第1配線幅aと前記第2配線幅bとの比(a/b)が10以上であり、接続部分近傍の第1の配線中には配線材料が存在しないスリットが形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記第2の配線は配線高さcを持ち、配線高さcと第2配線幅bとの比(c/b)は、1.2以上であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
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