JP2008541462A - 半導体デバイスのローカル及びグローバル配線の形成方法 - Google Patents

半導体デバイスのローカル及びグローバル配線の形成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 異なる回路に対する異なる後工程(BEOL)配線を同一の半導体デバイス、即ちウェハ又はチップの上に形成する方法を開示する。
【解決手段】 1つの実施形態において、この方法は、第1誘電体層(110)内のデュアル・ダマシン構造体(124)を用いて第1回路(102)の上のBEOL配線と、第1誘電体層(110)内のシングル・ダマシン・ビア構造体(126)を用いて第2回路(104)の上のBEOL配線とを同時に形成するステップを含む。次に、この方法は、第2誘電体層(150)内のデュアル・ダマシン構造体(220)を用いて第1回路(102)の上のBEOL配線と、第2誘電体層(150)内のシングル・ダマシン・ライン配線構造体(160)を用いて第2回路(104)の上のBEOL配線とを同時に形成するステップを含む。シングル・ダマシン・ビア構造体は、デュアル・ダマシン構造体のビア部分の約2倍の幅を有し、シングル・ダマシン・ライン配線構造体は、デュアル・ダマシン構造体のライン配線部分の約2倍の幅を有する。異なる回路に対する異なる幅のBEOL配線を有する半導体デバイスもまた開示される。
【選択図】 図3

Description

本発明は、一般に半導体デバイスの製造に関し、より具体的には、半導体デバイスのローカル及びグローバル配線の形成方法に関する。
半導体デバイスの製造中に、多くの異なる回路を単一の半導体デバイス、即ちチップ又はウェハの上に形成することができる。各々の回路は、より低いレベルからの配線を拡大するための配線レベルを含む、後工程(back-end−of−line(BEOL))配線に関する異なる要件をもつ可能性がある。1つの従来のプロセスを説明するために、図1を参照すると、異なるBEOL配線要件をもつ2つの回路(又はチップ)A、Bに関するステップの表が示されている。回路Aは、6つの1X「ローカル配線」(又は「細い配線」)及び1つの4X「グローバル配線」(又は「太い配線」)を含むように設計され、回路Bは2つの1Xローカル配線及び4つの2Xグローバル配線を含み4Xグローバル配線は含まないように設計されている。「ローカル配線」は、幅X(故に、1Xの指示)を有する第1金属レベル配線と実質的に同じ高さ及び幅の任意の配線であって産業界では「細い配線」と呼ばれることがあり、そして「グローバル配線」は、1より大きな多重の第1金属レベル配線、例えば2X、4X、8Xなどの任意の配線であり、産業界では「太い配線」と呼ばれることがある。従って、2Xグローバル配線は名目上、ローカル配線の2倍の高さ及び幅をもち、4Xグローバル配線は名目上、ローカル配線の4倍の高さ及び幅をもつなどとなる。
図1に示すように、2つの回路A、Bを同一の半導体デバイスの上に搭載する従来の方法は、全部で11のデュアル・ダマシン銅(さらにアルミニウム又は他の金属)レベルを加工することになり、11回の金属堆積ステップ及び11回の化学機械研磨(CMP)ステップを必要とする。基本的には、回路Aに必要な6つのローカル配線を加工し、次に回路Bに必要な4つの2Xグローバル配線を加工し、次いで回路Aに必要な1つの4Xグローバル配線を加工しなければならない。さらに、初めの2つのローカル配線が完成した後、回路Bは、回路構成が何らかの形で、回路Aに必要な残りの4つのローカル配線レベルを通して「上に伝達されて(carried−up)」初めの2Xグローバル配線に接続することが必要となる。再設計を行わない場合には、「上への伝達(carry−up)」は多分、ビア及び小さな金属アイランド(即ち、垂直配線)を有する一連の特別な(垂直配線レベル)レチクルを通して行われることになる。垂直配線レベルのレチクルはまた、回路Bの2Xレベルの構築中に回路Aの上で用い、また回路Aの4Xレベルの構築中に回路Bの上で用いることが必要となる。
上の説明によると、異なるBEOL配線を有する2つの回路(又はチップ)を同一のウェハ上に構築することは、複雑なプロセスを含むので、かなり面倒で費用がかかる。費用の非効率さに加えて、垂直配線は、全ての異なる配線に対して必要なライナのため、抵抗及び静電容量を増加させる。
上述のことを考慮すると、当技術分野には、異なる回路(又はチップ)に対する異なるBEOL配線を同一のウェハ上に、より高い費用効率及び性能を向上する方法で形成する必要性がある。
本発明は、異なる回路に対する異なる後工程(back−end−of−line(BEOL))配線を同一の半導体デバイス、即ちウェハ又はチップの上に形成する方法を含む。1つの実施形態において、この方法は、第1誘電体層内のデュアル・ダマシン構造体を用いて第1回路の上のBEOL配線と、第1誘電体層内のシングル・ダマシン・ビア構造体を用いて第2回路の上のBEOL配線とを同時に形成するステップを含む。次に、第2誘電体層内のデュアル・ダマシン構造体を用いて第1回路の上のBEOL配線と、第2誘電体層内のシングル・ダマシン・ライン配線構造体を用いて第2回路の上のBEOL配線とを同時に形成するステップを含む。シングル・ダマシン・ビア構造体は、デュアル・ダマシン構造体のビア部分の約2倍の幅をもち、シングル・ダマシン・ライン配線構造体は、デュアル・ダマシン構造体のライン配線部分の約2倍の幅をもつ。本発明は、また、異なる回路に対して異なる幅のBEOL配線を有する半導体デバイスを含む。
本発明の第1の態様は、異なる回路に対する異なる後工程(BEOL)配線を同一のウェハ上に形成する方法に向けられるが、この方法は、第1回路及び第2回路並びにそれらの上の少なくとも2つの金属配線レベルを含む構造体を準備するステップと、第1後工程誘電体層内に、ビア開口幅をもつ第1デュアル・ダマシン構造体を第1回路の上に形成し、同時にビア開口幅の約2倍の幅をもつシングル・ダマシン・ビア構造体を第2回路の上に形成するステップと、第1デュアル・ダマシン構造体及びシングル・ダマシン・ビア構造体の内部に金属を充填するステップと、キャップ層を含む第2後工程誘電体層を堆積させるステップと、第2後工程誘電体層内において、第1デュアル・ダマシン構造体の金属に接触し、ライン配線開口幅をもつ第2デュアル・ダマシン構造体を第1回路の上に形成し、同時に、シングル・ダマシン・ビア構造体の金属に接触し、第1ライン配線開口幅の約2倍の幅をもつシングル・ダマシン・ライン配線構造体を第2回路の上に形成するステップと、第2デュアル・ダマシン構造体及びシングル・ダマシン・ライン配線構造体の内部に金属を充填するステップとを含む。
本発明の第2の態様は、異なる回路に対する異なる後工程(BEOL)配線を同一のウェハ上に形成する方法に向けられるが、この方法は、第1誘電体層内のデュアル・ダマシン構造体を用いて第1回路の上の後工程(BEOL)配線と、第1誘電体層内のシングル・ダマシン・ビア構造体を用いて第2回路の上のBEOL配線とを同時に形成するステップと、第2誘電体層内のデュアル・ダマシン構造体を用いて第1回路の上のBEOL配線と、第2誘電体層内のシングル・ダマシン・ライン配線構造体を用いて第2の回路の上のBEOL配線とを同時に形成するステップとを含み、ここで、シングル・ダマシン・ビア構造体は、デュアル・ダマシン構造体のビア部分の約2倍の幅をもち、シングル・ダマシン・ライン配線構造体は、デュアル・ダマシン構造体のライン配線部分の約2倍の幅をもつ。
本発明の第3の態様は、第1回路及び第2回路を備えた半導体デバイスに関し、該デバイスは、第1回路の上の第1後工程(BEOL)誘電体層内にあってビア開口幅を有する第1デュアル・ダマシン金属構造体と、第2回路の上及び第1後工程誘電体層内にあってビア開口幅の約2倍の幅をもつシングル・ダマシン金属ビア構造体と、第1後工程誘電体層の上でかつ第1回路の上の第2後工程誘電体層内にあってライン配線開口幅を有する第2デュアル・ダマシン金属構造体と、第2回路の上のシングル・ダマシン金属ビア構造体に接続し、ライン配線開口幅の約2倍の幅を有するシングル・ダマシン金属ライン配線構造体とを備える。
本発明の前述及びその他の特徴は、本発明の実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかとなる。
本発明の実施形態は、類似の符号が類似の要素を示す添付の図面を参照しながら詳細に説明される。
添付の図面を参照すると、図2〜図7は、異なる回路に対する異なる後工程(BEOL)配線を同一のウェハ上に形成する方法の1つの実施形態を示す。図2に示すように、第1のステップは、第1回路102及び第2回路104を含む構造体100を準備するステップを含む。この時点で、両方の回路102、104は、構築された第1の2つのローカル配線金属レベル106を有する。構造体100は、回路102、104を含む単一のチップ、又は異なるチップの形態で回路102、104を含むウェハを表すことができる。本明細書で用いられるように、「回路」は任意の電気回路を意味することができ、また「半導体デバイス」は半導体ウェハ又はチップを意味する。第1回路102と第2回路104は、BEOL配線、即ち、少なくとも2つの金属レベル106の後の配線に対して異なる要件を有する。第1BEOL誘電体層110はまた、金属レベル106の上にキャップ層112、例えば窒化シリコン(Si)を有するように示されている。
図2〜図3は、第1BEOL誘電体層110の内部に、第1回路102の上に幅X(図2)の第1ビア開口124をもつ第1デュアル・ダマシン構造体120を形成し、同時に第2回路104の上にビア開口124の幅Xの約2倍の幅2X(図2)をもつシングル・ダマシン・ビア構造体126を形成する次のステップを示す。このステップは、第1回路102に対する、第1のビア開口幅Xをもつ第1ビア開口124を形成し、同時に第2回路104に対するシングル・ダマシン・ビア構造体126を形成するステップと、第1回路102に対する、第1ビア開口124に接続する第1ライン配線開口130を形成して第1デュアル・ダマシン構造体120を完成させるステップとを含むことができる。開口を形成するステップは、第1BEOL誘電体層110へのレジスト堆積、パターン形成及びビアの反応性イオン・エッチング(RIE)などの何らかの従来のプロセスを含むことができる。第1ライン配線開口130を有する他のライン配線構造体(図示せず)も、第1BEOL誘電体層110内に形成することができる。
図4に移ると、次のステップは、第1デュアル・ダマシン構造体120(図3)及びシングル・ダマシン・ビア構造体126(図3)の内部に金属140を充填するステップを含む。このステップは、キャップ層112の開口形成、ライナ142の堆積、金属140の堆積及び金属140の平坦化、すなわち、ビアの化学機械研磨(CMP)などの従来のプロセスを含むことができる。
図5は、現在既知の又は将来開発される何れかの様式で、キャップ層152を下に含む第2BEOL誘電体層150を堆積させる次のステップを示す。
図5〜図6は、第2BEOL誘電体層150の内部において、第1回路102の上に、第1デュアル・ダマシン構造体124の金属140と接触する第2デュアル・ダマシン構造体220を形成し、同時に第2回路104の上に、シングル・ダマシン・ビア構造体126の金属140と接触するシングル・ダマシン・ライン配線構造体160を形成する次のステップを示す。このステップは、図5に示すように、第1回路102に対する第2ビア開口224を形成し、同時に第2回路104に対するシングル・ダマシン・ライン配線開口160を形成するステップと、次いで第2ビア開口224に接続される第1回路102に対して、第2ライン配線開口230を形成して第2デュアル・ダマシン構造体220を完成させるステップを含むことができる。他の第2ライン配線開口230を有するライン配線構造体(図示せず)も、第2BEOL誘電体層150の内部に形成することができる。図6に示すように、シングル・ダマシン・ライン配線構造体160は、第1ライン配線開口230の幅Yの約2倍の幅2Yを有する。また、シングル・ダマシン配線の幅は2Yより広くすることができ、そして第1ライン配線開口230の幅は幅Yより広くできることを理解されたい。より具体的には、基本ルールは一般に配線幅の大きな分布を許容する。従って、幅Y及び幅2Yは、2種類の配線に関する最小幅となる可能性があり、一方が他方の約2倍の大きさとなり得る。
図7は第2デュアル・ダマシン構造体220及びシングル・ダマシン・ライン配線構造体160の内部に金属240を充填するステップを含む方法の最後のステップを示す。このステップは、キャップ層152の開口形成、ライナ242の堆積、金属240の堆積及び金属の平坦化、即ち、ビアの化学機械研磨(CMP)などの従来のプロセスを含むことが出きる。
形成される構造体の幅は変化し得ることを認識されたい。例えば、上で説明された実施形態は、第1金属レベル106配線の幅X、Yに一致する、ビア開口124の幅X及びライン配線開口230の幅Yを用いている。しかしながら、ビア開口124の幅及びライン配線開口230の幅は、第1金属レベル106配線の幅の約2倍、即ち、2X、2Yに一致させることもできる。従って、シングル・ダマシン構造体126、160は、4X、4Yの幅をもつことができる。さらに、ビア開口124の幅及びライン配線開口230の幅は、第1金属レベル106配線の幅の4倍、即ち、4X、4Yに一致させることができる。従って、シングル・ダマシン構造体126、160は、8X、8Yの幅をもつことができる。
上述の方法はまた、引き続く層に対して繰り返すことができる。
本発明はまた、異なる回路に対する異なるBEOL配線を同一のウェハ上に形成する方法を含み、この方法は、第1誘電体層内のデュアル・ダマシン構造体を用いて第1回路の上の後工程(BEOL)配線と、第1誘電体層内のシングル・ダマシン・ビア構造体を用いて第2回路の上のBEOL配線とを同時に形成するステップと、第2誘電体層内のデュアル・ダマシン構造体を用いて第1回路の上のBEOL配線と、第2誘電体層内のシングル・ダマシン・ライン配線構造体を用いて第2回路の上のBEOL配線とを同時に形成するステップとを含む。シングル・ダマシン・ビア構造体は、デュアル・ダマシン構造体のビア部分の約2倍の幅を有し、シングル・ダマシン・ライン配線構造体は、デュアル・ダマシン構造体のライン配線部分の約2倍の幅を有する。
図7に示すように、本発明はまた、第1回路102及び第2回路104と、第1回路102の上で、第1BEOL誘電体層110の内部にある第1デュアル・ダマシン金属構造体302と、第2回路104の上で、第1BEOL誘電体層110の内部にあるシングル・ダマシン金属ビア構造体304とを備えた半導体デバイス300を含む。シングル・ダマシン金属ビア構造体304は、ビア開口124の幅X(図2)の約2倍の幅(2X)を有する。デバイス300はまた、第1回路102の上及び第1BEOL層110の上の第2BEOL誘電体層150の内部の第2デュアル・ダマシン金属構造体308を含む。第2デュアル・ダマシン金属構造体308は、ライン配線開口230の幅Y(図6)をもつ。デバイス300はまた、第2回路104の上に、シングル・ダマシン金属ビア構造体304と接続するシングル・ダマシン金属ライン配線構造体310を含む。シングル・ダマシン金属ライン配線構造体310は、ライン配線開口230の幅(Y)(図6)の約2倍の幅(2Y)を有する。
上述のように、幅に関しては、各々のデュアル・ダマシン金属構造体302、308のライン配線部分130、230は、第1金属レベル配線の幅に一致する幅Yを有する。或いは、各々のデュアル・ダマシン金属構造体302、308のライン配線部分130、230は、第1金属レベル配線の約2倍の幅に一致する幅をもつことができる。従って、シングル・ダマシン金属構造体304、310は、4X、4Yの幅をもつことができる。さらに、各々のデュアル・ダマシン金属構造体302、308のライン配線部分130、230は、第1金属レベル配線の4倍の幅に一致する幅をもつことができる。従って、シングル・ダマシン金属構造体304、320は、8X、8Yの幅をもつことができる。
図8は、図2〜図7の方法のステップを説明する表を示す。図8は、上述の方法を用いると、CMPステップの回数がどのように11から減少する(図1〜図7に示すように)かを示す。上述のステップ及び構造体は例証のためだけのものであり、本発明は他の構造体の組み合わせに用いることができることを理解されたい。また、同様に、このプロセスは「ライン・ファースト」集積方式により実施することができる。
費用効果の高い方法で、異なる要件をもつ2つの回路を同一のウェハ上に搭載することを可能にすることに加えて、本発明は、同一チップ内の異なる回路を異なる方法で配線することを可能にすることにより、単一チップ内の配線効率を高めることができる。例えば、特定の回路に関してはグローバル配線に進む前に4つのローカル配線(1X)を用いることが有利である可能性があり、一方、別の回路は、2つだけのローカル配線の後に2Xグローバル配線に進むことで、より効率的になり得る。この状況は、金属ラインの抵抗が寸法の縮小のために各新技術により増加しつつあるので、ますます出現する可能性が増し、また、幾つかの場合においては、ローカル配線の完成後に、できる限り早くより低抵抗の経路を定めることが重要になる。2つのローカル配線だけを必要とする回路に関する従来の解決策は、1Xのビア及び1Xのライン又はアイランドにより、2つの残りのローカル配線レベルを通過して信号を「上に伝達する(carry up)」ことであるが、この従来の技術は回路の抵抗を増し(性能を損なう可能性がある)、配線トラックを使い尽くし(密度を損ない、そしてより多くの金属レベルの必要性を促す可能性すらある)、そしてグローバル配線をシリコンからさらに遠くへ移動させる(熱消散には不利となり得る)。前述の方法はこれらの問題を取り除く。
上述の方法と同じ費用で、同じレチクルを用いて、第2回路104に対する同じ2X配線パターンを、1つの2X厚配線の代わりに2つの1X厚配線の形に構築できたはずであることにも注目されたい。この場合、シングル・ダマシン金属構造体310(図7)は、2つの半分の高さの配線(両方とも2X厚の配線と等しい幅をもつ)に分割することができ、その際、一方が他方の上面に直接広がり(走行し)、ビア・レチクルを2回及びライン・レチクルを2回(この場合、ビア及びラインは両方とも2Xの幅と1Xの高さをもつ)用いることによって互いの上面の大きなビアにより互いに接続できたはずである。しかし、この状況に比較して、前述の実施形態は抵抗(作成された構造体はより小さなライナ体積分率をもたらすので)及び全静電容量の両方において有利であることがモデリング(45nmテクノロジに適切な寸法での2Xの太い配線に関する)により予測されている。具体的には、高さ2Xの1つのラインは、高さ1Xの2つのライン(3つのラインが全て等しい幅もつとして)よりも小さなライナ体積分率を有し、結果として一対の1Xラインの並列抵抗に対して2Xラインのより低い抵抗がもたらされるが、何故なら金属ライナ(タンタル、タングステンなど)は、一般にラインを充填するのに用いられる金属(銅、アルミニウムなど)よりも遥かに高い抵抗を有するからである。
本発明は、上に概説された特定の実施形態に関連して説明されたが、多くの代替、修正及び変更が当業者には明らかとなることは明白である。従って、上に示された本発明の実施形態は例証のためであり、限定のためではない。添付の特許請求の範囲により規定される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更を施すことができる。
本発明は、半導体の分野において、及びより特定的にはそれら半導体の後工程配線の分野において、産業上の利用可能性を有する。
従来の方法のステップを説明する表を示す。 本発明による方法の1つの実施形態を示す。 本発明による方法の1つの実施形態を示す。 本発明による方法の1つの実施形態を示す。 本発明による方法の1つの実施形態を示す。 本発明による方法の1つの実施形態を示す。 本発明による方法の1つの実施形態を示す。 図2〜図7の方法のステップを説明する表を示す。
符号の説明
100:構造体
102:第1回路
104:第2回路
106:第1ローカル配線金属レベル
110:第1BEOL誘電体層
112,152:キャップ層
120:第1デュアル・ダマシン構造体
124:第1ビア開口
126:シングル・ダマシン・ビア構造体
130:第1ライン配線開口
140、240:金属
142、242:ライナ
150:第2BEOL誘電体層
160:シングル・ダマシン・ライン配線構造体
220:第2デュアル・ダマシン構造体
224:第2ビア開口
230:第2ライン配線開口
300:半導体デバイス
302:第1デュアル・ダマシン金属構造体
304:シングル・ダマシン・ビア金属構造体
308:第2デュアル・ダマシン金属構造体
310:シングル・ダマシン金属配線構造体

Claims (8)

  1. 異なる回路に対する異なる後工程(BEOL)配線を同一のウェハ上に形成する方法であって、
    第1回路(102)及び第2回路(104)並びにそれらの上の少なくとも2つの金属配線レベルを含む構造体を準備するステップと、
    第1後工程誘電体層(110)の内部において、ビア開口幅を有する第1デュアル・ダマシン構造体(124)を前記第1回路(102)の上に形成し、同時に前記ビア開口幅の2倍の幅を有するシングル・ダマシン・ビア構造体(126)を前記第2回路(104)の上に形成するステップと、
    前記第1デュアル・ダマシン構造体(124)及び前記シングル・ダマシン・ビア構造体(126)の内部に第1金属を充填するステップと、
    キャップ層を含む第2後工程誘電体層(150)を堆積させるステップと、
    前記第2後工程誘電体層(150)の内部において、前記第1デュアル・ダマシン構造体(124)の前記第1金属と接触し、ライン配線開口幅を有する第2デュアル・ダマシン構造体(220)を前記第1回路(102)の上に形成し、同時に、前記シングル・ダマシン・ビア構造体(126)の前記第1金属と接触し、前記ライン配線開口幅の2倍の幅を有するシングル・ダマシン・ライン配線構造体(160)を前記第2回路(104)の上に形成するステップと、
    前記第2デュアル・ダマシン構造体(220)及び前記シングル・ダマシン・ライン配線構造体(160)の内部に第2金属を充填するステップと
    を含む方法。
  2. 前記第1デュアル・ダマシン構造体(124)及びシングル・ダマシン・ビア構造体(126)を形成するステップは、
    前記第1回路(102)に対する前記ビア開口幅を有する第1ビア開口を形成し、同時に前記第2回路(104)に対する前記シングル・ダマシン・ビア構造体(126)を形成するステップと、
    前記第1回路(102)に対する前記第1ビア開口に接続する第1ライン配線開口を形成して前記第1デュアル・ダマシン構造体(124)を完成させるステップと
    を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第2デュアル・ダマシン構造体(220)及び前記シングル・ダマシン・ライン配線構造体(160)を形成するステップは、
    前記第1回路(102)に対する第2ビア開口を形成し、同時に前記第2回路(104)に対するシングル・ダマシン・ライン配線開口を形成するステップと、
    前記第1回路(102)に対する前記第2ビア開口に接続する第2ライン配線開口を形成して前記第2デュアル・ダマシン構造体(220)を完成させるステップと
    を含む、請求項1に記載の方法。
  4. 各々の金属を充填する前記ステップは、
    前記キャップ層を開口するステップと、
    ライナを堆積させるステップと、
    前記金属を堆積させるステップと、
    前記金属を平坦化するステップと
    を含む、請求項1に記載の方法。
  5. 前記ビア開口幅及び前記ライン配線開口幅は、第1金属レベル配線の幅に一致する、請求項1に記載の方法。
  6. 前記ビア開口幅及び前記ライン配線開口幅は、第1金属レベル配線の幅の2倍に一致する、請求項1に記載の方法。
  7. 前記ビア開口幅及び前記ライン配線開口幅は、第1金属レベル配線の幅の4倍に一致する、請求項1に記載の方法。
  8. 引き続く層に対して前記方法を繰り返すステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
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