JP2010272810A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配線中での細幅配線と太幅配線とが接続箇所でのエレクトロマイグレーションによるボイド発生を抑制する。
【解決手段】
半導体装置は、第１幅を有する第１金属配線１１と、第１金属配線１１に接続され、第１幅よりも広い第２幅を有する第２金属配線１２とを具備する。第１金属配線１１及び第２金属配線１２は同層である。第２金属配線１２は、第１金属配線１１との接続箇所１３の近傍部分に絶縁膜３１が埋め込まれたスリット部１４を含む。接続箇所１３からスリット部１４までの距離が第１幅以上で、第２幅より小さい。近傍部分を構成する複数の配線部分の各々の第３幅は、第１幅以上で、第２幅より小さい。
【選択図】図５Ａ

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に太幅配線及び細幅配線の接続部を有する半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

Ｃｕダマシン配線を用いた半導体装置が知られている。Ｃｕダマシン配線では、配線幅が相対的に細い細幅配線と、配線幅が相対的に太い太幅配線とが接続する箇所が存在する。図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれＣｕダマシン配線における細幅配線と太幅配線との接続箇所を示す平面図及び断面図である。ただし、図１Ｂは、図１ＡのＡＡ’断面図である。Ｃｕダマシン配線である配線１１０は、細幅配線１１１と、太幅配線１１２とを含み、絶縁層１２０に埋設されている。設計基準に従っている限り、このような配線幅の変化に対しては特に制約はない。

関連する技術として特開２００３−２５７９７０号公報（対応米国特許ＵＳ６９３６９２６（Ｂ２））に半導体装置及びその配線構造が開示されている。この配線構造は、第一の配線幅を有する第一の配線と、前記第一の配線と同一層で形成され、前記第一の配線幅よりも大きい第二の配線幅を有し、前記第一の配線に接続される第二の配線と、からなる。前記第一及び第二の配線は銅または銅を主成分とする合金からなり、前記第一及び第二の配線は同一の厚さを有しており、前記第二の配線の面積と前記第一の配線の面積との比がＮ：１であり、前記Ｎは２０００以上かつ２００００００００以下の任意の数（２０００≦Ｎ≦２００００００００）である。

特開２００４−０６３７０２号公報（対応米国特許ＵＳ６９１７０９２（Ｂ２））に配線層構造及びその形成方法が開示されている。この配線層構造は、配線層中に複数のスリットダミーが離間配設されている。配線層の配線幅をＷとし、該配線層に想定された最大許容配線抵抗率変化により指定される基準最大配線幅をＷｍａｘとし、距離Ｒを前記基準最大配線幅Ｗｍａｘの半分の値、すなわち、Ｒ＝Ｗｍａｘ／２とし、及び、前記配線幅Ｗが、前記基準最大配線幅Ｗｍａｘより大きいとき、複数の前記スリットダミーは、互いに隣接する２つのスリットダミー間の間隔Ｌが、０＜Ｌ＜２Ｒを満たす関係で、配設されている。

特開２００４−３２７６６６号公報（対応米国出願ＵＳ２００４２１１９５８（Ａ１））に半導体装置およびその製造方法が開示されている。この半導体装置は、半導体基板上に形成された第１の層間絶縁層と、この第１の層間絶縁層に形成された電極パターンと、前記第１の層間絶縁層の表面に形成されビア・コンタクト・ホールが設けられた第２の層間絶縁層を具備する。前記電極パターンには、前記ビア・コンタクト・ホールの底部を取り囲むように所定間隔を離間して絶縁体のダミーパターンが設けられている。

特開２００３−２５７９７０号公報 特開２００４−０６３７０２号公報 特開２００４−３２７６６６号公報 特開２００１−２９８０８４号公報

しかし、図１Ａ及び図１Ｂのような細幅配線と太幅配線との接続箇所に電流を流すと、エレクトロマイグレーションが起きる可能性がある。図２は、細幅配線と太幅配線との接続箇所でのエレクトロマイグレーションを模式的に示す平面図である。この場合、電子が太幅配線１１２から細幅配線１１１へ流れる（電流が細幅配線１１１から太幅配線１１２へ流れる）ことにより、接続部分から細幅配線１１１側の領域に、エレクトロマイグレーションによるボイド１３０が発生している。

このような現象は、発明者の研究によれば、以下のような理由により発生すると考えられる。
太幅配線１１２から細幅配線１１１に変わる箇所では配線１１０のＣｕ（銅）膜の結晶粒サイズが変わっている。図３は、細幅配線と太幅配線との接続箇所での結晶粒を模式的に示す平面図である。結晶粒は、太幅配線１１２で大きく、細幅配線１１１で小さくなっている。これは、太幅配線用の金属膜と細幅配線用の金属膜とは同一で同時に形成されるところ、その形成中及びその後の熱工程において、配線用の溝の幅に応じてＣｕ膜の結晶成長の状態が異なるためと考えられる。すなわち、細幅配線用の溝内ではＣｕ膜の結晶が小さく成長し、太幅配線用の溝内ではＣｕ膜の結晶粒が大きく成長するためと考えられる。その結果、このような太幅配線１１２から細幅配線１１１に変わる箇所では結晶粒界の数も変わる。すなわち、結晶粒界の数は、太幅配線１１２で少なく、細幅配線１１１で多くなる。

一方、エレクトロマイグレーションによるＣｕ原子の拡散は表面の絶縁キャップ膜界面又はＣｕ膜内の結晶粒界を経路とする。従って、エレクトロマイグレーションによってＣｕ原子が結晶粒界を経路として拡散する場合、図２のように電子が流れると、Ｃｕ原子も同じ方向へ拡散するので、結晶粒界が少ないところから、結晶粒界が多いところへ拡散することになる。この結晶粒界の変化により、拡散経路も変化するので、Ｃｕの拡散が不均一となる。すなわち、太幅配線１１２から細幅配線１１１に変わると拡散経路が多くなる。従って、拡散経路の増加にＣｕ原子の供給が追いつかず、細幅配線１１１の接続箇所近傍においてボイド１３０が発生しやすくなると考えられる。

また、太幅配線１１２から細幅配線１１１に変わる箇所では、高温によるＣｕ膜の収縮（凝集）により、細幅配線１１１と太幅配線１１２とでは互いに反対方向に引っ張る応力が働くと考えられる。図４は、細幅配線と太幅配線との接続箇所での応力（矢印で表示）を模式的に示す平面図である。このような場合、細幅配線１１１の接続箇所近傍（楕円で囲んだ部分）がその反対方向の引張応力の影響を最も受け易い。その結果、エレクトロマイグレーションによるＣｕ原子の拡散が急激な応力勾配により加速されて、ボイド１３０がより発生しやすくなると考えられる。

特開２００３−２５７９７０号公報は、デュアルダマシン配線に高温熱処理が施されたとき、銅が凝集してビアホールのほぼ中央部（の底部）にボイドが発生する、という現象を防止することを目的としている。そして、細幅配線と太幅配線とが同層で接続する場合、両者の幅の比を特定の範囲にすることで銅の凝集を防止することが記載されている。一方、上部配線とビアとが異層で接続する場合（特開２００１−２９８０８４号公報（対応米国特許ＵＳ６３７３１３６（Ｂ２））、上部配線に絶縁突出パターンを設けることで、ストレスマイグレーションによる銅の凝集を防止し、ビアの先端部（底部）のボイドの発生を防止することが記載されている。

後者の場合、ビアを細幅配線、上部配線を太幅配線と見れば、ボイドの発生という点で上記図２と一見似ているようにも思える。しかし、この現象は、異層接続部分で発生していること、高温熱工程におけるストレスマイグレーションで発生するボイドであること等から、発生するメカニズム（高温熱工程における応力による銅の凝集）や、発生する時期（製造時）や、発生する位置（ビアにおける上部配線との接続部分とは反対側の部分）が図２の場合と異なることが分かる。すなわち、この文献の技術を図２のエレクトロマイグレーションの抑制に用いることはできない。

また、特開２００４−３２７６６６号公報は、ダマシン配線に高温熱処理が施されたとき、応力勾配により、電極パターン内のベーカンシーがビアの底部付近に凝集してボイドが発生する、という現象を防止することを目的としている。そして、下部の電極パターンとビアとが異層で接続する場合、下部の電極パターン内に絶縁体のダミーパターンを設けることで、ストレスマイグレーションによりベーカンシーの凝集を防止することが記載されている。この文献によれば、幅広の電極パターンの場合には電極パターン内にボイドが発生し易いが、幅の狭い電極パターンの場合には電極パターン内にボイドが発生し難い。したがって、ビアと接続する箇所を絶縁体のダミーパターンで囲み擬似的に幅の狭い電極パターンにしている。

この文献において、ビアを細幅配線、下部の電極パターンを太幅配線と見れば、ボイドの発生という点で上記図２と一見似ているようにも思える。しかし、この文献の現象は、異層接続部分で発生して間にバリアメタルが介在していること、高温熱工程におけるストレスマイグレーションで発生するボイドのであること等から、メカニズム（ベーカンシーの移動）や、発生する時期（製造時）や、発生する位置（幅広の電極パターン内にボイドが発生）が図２の場合と異なることが分かる。すなわち、この文献の技術を図２のエレクトロマイグレーションの抑制に用いることはできない。

一方、特開２００４−０６３７０２号公報は、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）におけるディッシングに関する技術であり、エレクトロマイグレーションには関係がない。すなわち、この文献の技術を図２のエレクトロマイグレーションの抑制に用いることはできない。

以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の半導体装置は、第１幅（ａ）を有する第１金属配線（１１）と、第１金属配線（１１）に接続され、第１幅（ａ）よりも広い第２幅（ｂ）を有する第２金属配線（１２）とを具備する。第1金属配線（１１）及び第２金属配線（１２）は同層である。第２金属配線（１２）は、第１金属配線（１１）との接続箇所（１３）の近傍部分に絶縁膜（３１）が埋め込まれたスリット部（１４）を含む。接続箇所（１３）からスリット部（１４）までの距離（ｄ）が第１幅（ａ）以上で、第２幅（ｂ）より小さい。近傍部分を構成する複数の配線部分の各々の第３幅（ｃ）は、第１幅（ａ）以上で、第２幅（ｂ）より小さい。

本発明の半導体装置は、太幅配線（１２）にスリット部（１４）を所定の条件で設けている。そのため、太幅配線（１２）におけるスリット部（１４）で分けられた部分が、太幅配線（１２）よりも幅の狭い擬似的な配線と見ることができる。その結果、細幅配線（１１）は、当該擬似的な部分の配線を介して、太幅配線（１２）につながる。それにより、細幅配線（１１）と太幅配線（１２）との接続部分の付近における、配線幅の急激な変動を実質的に抑制することができる。それにより、細幅配線（１１）と太幅配線（１２）との間で結晶粒の大きさが急激に変化することを抑制できる。併せて、細幅配線（１１）と太幅配線（１２）との間で応力の大きさが急激に変化することを抑制できる。これらにより、エレクトロマイグレーションを抑制することができ、配線の寿命を改善でき、配線の信頼性を向上させることが可能となる。

本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁層（３０）に、第１幅（ａ）を有する第１溝（３０ａ）、及び、第１溝（３０ａ）に接続され、第１幅（ａ）よりも広い第２幅（ｂ）を有し、第１溝（３０ａ）との接続箇所（１３）の近傍部分に絶縁層（３０）の凸部（３１）を含む第２溝（３０ｂ）を形成する工程を具備する。ここで、第２溝（３０ｂ）において、接続箇所（１３）から凸部（３１）までの距離（ｄ）が第１幅（ａ）以上で、第２幅（ｂ）より小さい。近傍部分を構成する複数の溝部分の各々の第３幅（ｃ）は、第１幅（ａ）以上で、第２幅（ｂ）より小さい。そして、本発明の半導体装置の製造方法は、更に、金属膜（１０ａ）を形成する工程と、化学機械研磨法により、金属膜（１０ａ）を平坦化し、第１溝（３０ａ）に第１金属配線（１１）を、及び、第２溝（３０ｂ）に第２金属配線（１２）を、それぞれ形成する工程とを具備する。

本発明の半導体装置の製造方法は、太幅配線（１２）にスリット部（１４）を所定の条件で形成する。そのため、太幅配線（１２）におけるスリット部（１４）で分けられた部分が、太幅配線（１２）よりも幅の狭い擬似的な配線と見ることができる。その結果、細幅配線（１１）は、当該擬似的な部分の配線を介して、太幅配線（１２）につながる。それにより、細幅配線（１１）と太幅配線（１２）との接続部分の付近においても、配線幅の急激な変動を実質的に抑制することができる。それにより、製造時に高温熱工程を経た後であっても、細幅配線（１１）と太幅配線（１２）との間で結晶粒の大きさが急激に変化することを抑制できる。併せて、細幅配線（１１）と太幅配線（１２）との間で応力の大きさが急激に変化することを抑制することができる。それにより、エレクトロマイグレーションを抑制することができ、配線の寿命を改善でき、配線の信頼性を向上させることが可能となる。

本発明により、配線中での細幅配線と太幅配線とが接続箇所でのエレクトロマイグレーションによるボイド発生を抑制することができる。それにより、配線の信頼性を向上させることが可能となる。

図１Ａは、Ｃｕダマシン配線における細幅配線と太幅配線との接続箇所を示す平面図である。 図１Ｂは、Ｃｕダマシン配線における細幅配線と太幅配線との接続箇所を示す断面図である。 図２は、細幅配線と太幅配線との接続箇所でのエレクトロマイグレーションを模式的に示す平面図である。 図３は、細幅配線と太幅配線との接続箇所での結晶粒を模式的に示す平面図である。 図４は、細幅配線と太幅配線との接続箇所での応力を模式的に示す平面図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示す平面図である。 図５Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 図６Ａは、細幅配線の幅と太幅配線の幅との比とエレクトロマイグレーション寿命との関係を示すグラフである。 図６Ｂは、細幅配線の幅と太幅配線の幅との関係を模式的に示す平面図である。 図７は、本実施の形態に係る半導体装置での細幅配線、太幅配線及びスリット部の設計条件を模式的に示す平面図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程の一例を示す平面図である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程の一例を示す断面図である。 図９Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程の一例を示す平面図である。 図９Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程の一例を示す断面図である。 図１０Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程の一例を示す平面図である。 図１０Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程の一例を示す断面図である。

以下、本発明の半導体装置及び半導体装置の製造方法の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。

まず、本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成について説明する。
図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示す平面図及び断面図である。ただし、図５Ｂは図５ＡにおけるＢＢ’断面図である。これらの図は、本実施の形態に係る半導体装置でのダマシン配線を示している。このダマシン配線である配線１０は、配線幅が相対的に細い細幅配線（第１金属配線）１１と、配線幅が相対的に太い太幅配線（第２金属配線）１２とを具備している。細幅配線１１及び太幅配線１２は同層（同一レイヤー）に設けられている。配線材料としては、金属、特にＣｕ（銅）を用いることが好ましく、その場合Ｃｕダマシン配線となる。

太幅配線１２は、スリット部１４を含んでいる。スリット部１４は、太幅配線１２内における細幅配線１１との接続箇所１３の近傍部分に設けられている。スリット部１４は、図５Ｂに示されるように、太幅配線１２を貫通し、絶縁膜３１（例示：層間絶縁層）が埋め込まれている。ただし、スリット部１４の形状は、後述の条件を満たすのであれば、特に限定されるものではない。すなわち、図５Ａに示されるような太幅配線１２の延在方向と平行な辺を有する矩形形状の長方形パターンや、延在方向と垂直な方向に細長いパターンでも良いし、ＢＢ’線に対称でＢ’側に頂点を有する二等辺三角形パターンでも良い。このような二等辺三角形の場合、幅ｃが徐々に変化するので、結晶成長や応力の面で変化が緩やかなため、エレクトロマイグレーションが起こり難くなり好ましい。また、楕円形状や多角形であっても良い。更に、複数のスリット部１４が延在方向と垂直な方向に並んでいても良い。

ここで、細幅配線の幅と太幅配線の幅との比とエレクトロマイグレーション寿命との関係について、発明者がその研究により得た実験結果を以下に示す。図６Ａは、細幅配線の幅と太幅配線の幅との比とエレクトロマイグレーション寿命との関係を示すグラフである。ただし、横軸は細幅配線の幅と太幅配線の幅との比であり、縦軸は半導体装置におけるエレクトロマイグレーション寿命（任意単位）である。図６Ｂは、細幅配線の幅と太幅配線の幅との関係を模式的に示す平面図である。細幅配線の幅ａと太幅配線の幅ｂとの比ａ／ｂと、エレクトロマイグレーション寿命との関係を見ると、ａ／ｂの値の減少に伴い、エレクトロマイグレーション寿命が急減することが分かる。例えば、ａ／ｂが“１／２”になると、“１”の場合と比較して、エレクトロマイグレーション寿命は１／１０より小さくなる。更に、“１／３”になると、“１”の場合と比較して、エレクトロマイグレーション寿命は１／１００より小さくなる。すなわち、細幅配線の幅ａと太幅配線の幅ｂとの差が大きくなればなるほど、エレクトロマイグレーション寿命が極端に短くなることが分かる。

したがって、エレクトロマイグレーション寿命の観点から、線幅の比ａ／ｂはできるだけ大きくすることが好ましい。図７は、本実施の形態に係る半導体装置での細幅配線、太幅配線及びスリット部の設計条件を模式的に示す平面図である。ここで、太幅配線１２における接続箇所１３からスリット部１４までの領域をＳ１、太幅配線１２における接続箇所１３の近傍部分におけるスリット部１４を除いた複数の配線部分の各々の領域をＳ２、太幅配線１２における残りの領域をＳ３とする。また、細幅配線１１の幅をａ、太幅配線１２の幅をｂ、接続箇所１３からスリット部１４までの距離をｄ、接続箇所１３の近傍部分におけるスリット部１４を除いた幅を２ｃ（複数の配線部分の各々（Ｓ２）の幅をｃとして、その２倍）とする。
その場合、配線の設計条件は以下のようになる。
（細幅配線の幅ａ）≦（接続箇所１３からスリット部１４までの距離ｄ）＜（太幅配線の幅ｂ）…（１）
（細幅配線の幅ａ）≦（複数の配線部分の各々の幅ｃ）…（２）

これらの条件は、以下の理由で設定される。すなわち、距離ｄや幅ｃが幅ａより小さくなると、その箇所での電流密度が細幅配線１１（幅ａ）での電流密度よりも高くなってしまい、エレクトロマイグレーション不良の起こり易い箇所となってしまう可能性があるからである（エレクトロマイグレーションは電流密度が高いほど起き易い）。

また、この場合、太幅配線１２中にスリット部１４が存在することから、必然的に以下の条件が成立している。
（接続箇所１３の近傍部分のスリット部１４を除いた幅２ｃ）＜（太幅配線の幅ｂ）…（３）
２×（細幅配線の幅ａ）＜（太幅配線の幅ｂ）…（４）

スリット部１４を設けると、細幅配線１１と太幅配線１２との接続は、細幅配線１１と、１本の配線（領域Ｓ１）と、２本の配線（２つの領域Ｓ２）と、１本の配線（領域Ｓ３）との接続と見ることができる。この場合、上記（１）及び（２）の条件でスリット部１４を設けることで、領域Ｓ１の実質的な配線幅は幅ｄ程度となる。すなわち、領域Ｓ１の配線幅は幅ａ以上かつ幅ｂより小さくなる。ここで、エレクトロマイグレーション寿命の観点から線幅の比はできるだけ大きくすることが好ましいことは、既述（図６Ａ参照）の通りである。したがって、上記条件でスリット部１４を設けることで、接続箇所１３での配線幅の比が実質的にａ／ｄとなり、式（１）よりａ／ｂよりも大きくなる。それにより、スリット部１４を形成しない場合に比較して、細幅配線１１と領域Ｓ１との接続において、エレクトロマイグレーション寿命を延ばすことが出来る。

また、領域Ｓ１と２つの領域Ｓ２との接続は、配線幅ｄの配線（領域Ｓ１）と配線幅ｃの２本の配線（領域Ｓ２）との接続となる。ここで、１つの領域Ｓ２に着目すると、この場合、上記条件でスリット部１４を設けることで、領域Ｓ１と領域Ｓ２との接続における配線幅の比が実質的にｄ／ｃとなり、下記理由からａ／ｂよりも大きくなる。それにより、スリット部１４を形成しない場合に比較して、領域Ｓ１と２つの領域Ｓ２の各々との接続において、エレクトロマイグレーション寿命を延ばすことが出来る。
ただし、ｄ／ｃとａ／ｂとの大小関係は、以下のように求まる。すなわち、式（１）を２ｃで割ると（ａ／２ｃ）≦（ｄ／２ｃ）、ｂで割ると（ａ／ｂ）≦（ｄ／ｂ）となる。ここで、式（３）の２ｃ＜ｂを考慮すると、前者の不等式の各辺は、それぞれ後者の不等式の各辺よりも大きい。よって、（ａ／ｂ）≦（ｄ／ｂ）＜（ｄ／２ｃ）となり、（ａ／ｂ）＜（ｄ／ｃ）となる。

一方、２つの領域Ｓ２と領域Ｓ３との接続は、配線幅ｃの２本の配線（領域Ｓ２）と配線幅ｂの配線（領域Ｓ３）との接続となる。ここで、１つの領域Ｓ２に着目すると、この場合、上記条件でスリット部１４を設けることで、領域Ｓ２と領域Ｓ３との接続における配線幅の比が実質的にｃ／ｂとなり、式（２）よりａ／ｂと同程度又は大きくなる。ところが、領域Ｓ３流れる電流と、２つの領域Ｓ２とに流れる電流とは同量であるから、２つの領域Ｓ２における電流密度は１／２になる。したがって、ｃ／ｂがａ／ｂと同程度であっても、電流密度の減少により、２つの領域Ｓ２の各々と領域Ｓ３との接続において、スリット部１４を形成しない場合に比較して、エレクトロマイグレーション寿命を延ばすことが出来る。また、ｃ／ｂがａ／ｂよりも大きい場合には、これまでの場合と同様に、スリット部１４を形成しない場合に比較して、２つの領域Ｓ２の各々と領域Ｓ３との接続において、エレクトロマイグレーション寿命を延ばすことが出来る。

以上のように、配線の設計条件として、上記式（１）及び式（２）を設定し、スリット部１４を設けることで、スリット部１４を形成しない場合に比較して、エレクトロマイグレーション寿命を延ばすことが可能となる。その結果、配線信頼性を向上させることができる。

更に、線幅の比ａ／ｂが１／１に近い場合（図６Ａでは、エレクトロマイグレーション寿命は“１００”以上）と比較して、配線幅の比ａ／ｂが１／２未満の場合（図６Ａでは“１０”以下）でも、エレクトロマイグレーション寿命を少なくとも１／１０以内（図６Ａにおける“１０”以上）に近づけようと考える場合、以下のように考えることができる。すなわち、図６Ａを考慮すれば、細幅配線１１と１本の配線（領域Ｓ１）との接続、１本の配線（領域Ｓ１）と２本の配線（２つの領域Ｓ２）の各々との接続、及び、２本の配線（２つの領域Ｓ２）の各々と１本の配線（領域Ｓ３）との接続のそれぞれにおいて、線幅の比が１／２以上になればよいことが分かる。

したがって、エレクトロマイグレーション寿命を、線幅の変化のほとんど無い箇所（線幅の比ａ／ｂが１／１に近い場合）の１／１０程度以内に収めるために、本実施の形態では、配線の設計条件として、更に、以下の条件を加えることがより好ましい。
（接続箇所１３からスリット部１４までの距離ｄ）≦２×（細幅配線の幅ａ）…（５）
（複数の配線部分の各々の幅ｃ）≦２×（細幅配線の幅ａ）…（６）

これらの条件は、以下の理由で設定される。すなわち、幅ｃ＝幅ａのとき、細幅配線１１及び領域Ｓ２（複数の配線部分の各々）に接続する領域Ｓ１（接続箇所１３からスリット部１４まで）の幅ｄ≦２ａ（５）のとき、（１／２）≦（ａ／ｄ）＝（ｃ／ｄ）となり、上記線幅の比が１／２以上の要件を満たす。すなわち、細幅配線１１及び領域Ｓ２の各々のエレクトロマイグレーション寿命を上記１／１０以内にすることができる。
同様に、幅ｄ＝幅ａのとき、領域Ｓ１（接続箇所１３からスリット部１４まで）に接続する領域Ｓ２（複数の配線部分の各々）の幅ｃ≦２ａ（６）のとき、（１／２）≦（ａ／ｃ）＝（ｄ／ｃ）となり、領域Ｓ１のエレクトロマイグレーション寿命を上記１／１０以内にすることができる。
これらにより、スリット部１４の効果を十分に得ることが可能となると考えられるからである。

これらの各設定は、エレクトロマイグレーションの発生し易さとの関係から、細幅配線１１の幅ａが１００ｎｍ以下の場合に、特に効果があり好ましい。より好ましくは、細幅配線１１の幅ａが７０ｎｍ以下の場合である。また、エレクトロマイグレーションの発生し易さとの関係から、太幅配線１２の幅ｂが細幅配線１１の幅ａの３倍以上（上記（４）で“２×”を“３×”）の場合に、より効果があり好ましい。

以上のように、配線の設計条件として、上記式（１）、式（２）、式（５）、式（６）を設定し、スリット部１４を設けることで、スリット部１４を形成しない場合に比較して、エレクトロマイグレーションによるボイド発生をより抑制し、エレクトロマイグレーション寿命をより延ばし、全体として、例えば線幅の変化のほとんど無い箇所のエレクトロマイグレーション寿命の１／１０程度以内に近づけることが可能となる。その結果、配線信頼性をより向上させることができる。

次に、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図８Ａ及び図８Ｂ、図９Ａ及び図９Ｂ、図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程の一例を示す平面図及び断面図である。ただし、図８Ｂ、図９Ｂ、及び図１０Ｂは、それぞれ図８Ａ、図９Ａ、及び図１０ＡにおけるＣＣ’断面図である。これらの図は、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法でのダマシン配線の製造工程を示している。

まず、図８Ａ及び図８Ｂに示されるように、素子が形成された半導体基板（図示されず）上に絶縁層３０を形成する。例えば、絶縁層３０として、酸化シリコン層形成後、窒化シリコン／酸化シリコンの積層膜を形成する。その後、フォトリソグラフィーの技術を用いて、絶縁層３０の上層の酸化シリコン層をエッチングし、配線用の溝４１を形成する。ただし、溝４１は、細幅配線１１用の第１溝３０ａと、太幅配線１２用の第２溝３０ｂとを備える。第１溝３０ａは、幅ａを有する。第２溝３０ｂは、第１溝３０ａに接続箇所１３で接続され、幅ａよりも広い幅ｂを有する。第２溝３０ｂには、第１溝３０ａとの接続箇所１３の近傍部分に絶縁層３０の凸部である絶縁膜３１を含む。そして、第２溝３０ｂにおいて、接続箇所１３から凸部（絶縁膜３１）までの距離ｄが幅ａ以上で、幅ｂより小さい。また、近傍部分を構成する複数の溝部分の各々の幅ｃは、幅ａ以上で、幅ｂより小さい。なお、これら、ａ、ｂ、ｃ、ｄの間の関係は、上記（１）〜（４）を満たすものであるとする。なお、上記各酸化シリコンは、誘電率を下げて寄生配線容量を減らすために、炭素含有酸化シリコンであることが好ましい。

次に、図９Ａ及び図９Ｂに示されるように、全面に金属膜１０ａを形成する。金属膜１０ａは、バリアメタル膜と配線用金属膜との積層膜である。例えば、スパッタリング法でバリアメタル膜としてＴａＮ膜を成膜後、スパッタリング法でシード膜としてＣｕ膜を成膜し、続いてめっき法によりＣｕ膜を成膜することにより、溝４１を埋めるように金属膜１０ａを成膜する。その後、金属膜１０ａの熱処理を行う。

続いて、図１０Ａ及び図１０Ｂに示されるように、化学機械研磨（ＣＭＰ）法により、金属膜１０ａを平坦化する。これにより、第１溝３０ａに細幅配線１１を、及び、第２溝３０ｂにスリット部１４を有する太幅配線１２を、それぞれ同層で形成することができる。以上のように、ダマシン配線の形成工程を応用して、本発明の実施の形態に係る半導体装置を製造することができる。

ただし、図８Ａにおける溝４１を形成するに際して、既述のように、接続箇所１３から凸部（絶縁膜３１）までの距離ｄは、幅ａ以上、幅ａの２倍以下であることがより好ましい。更に、近傍部分を構成する複数の溝部分の各々の幅ｃは、幅ａ以上、第１幅ａの２倍以下であることがより好ましい。すなわち、上記（５）〜（６）を満たすものであることがより好ましい。

また、凸部の絶縁膜３１の形状は、第２溝３０ｂの延在方向と平行な辺を有する矩形形状の長方形パターンや、延在方向と垂直な方向に細長いパターンでも良いし、ＣＣ’線に対称でＣ’側に頂点を有する二等辺三角形でも良い。楕円形状や多角形であっても良い。更に、複数の凸部の絶縁膜３１が延在方向と垂直な方向に並んでいても良い。

ダマシン配線では、めっき法によりＣｕ膜を配線溝に埋め込んだ後に熱処理を行うが、その際に結晶粒の成長が起こる。更に、ＣＭＰ法で溝以外の余剰のＣｕ膜を除去した後でも、プロセス中の熱工程により結晶粒の成長が起こる。また、Ｃｕ膜は高温により凝集を起こすという性質がある。

これらの結果、Ｃｕ膜は、収縮して配線の膜中のストレスが大きくなる。このストレスは、太幅配線と細幅配線とでは異なるものとなる。特に、Ｃｕ原子の多い太幅配線の広い箇所に向かって、Ｃｕ原子が凝集する結果、太幅配線と接続する細幅配線のＣｕ原子が移動してしまい、細幅配線中にボイドが発生してしまう可能性がある。

また、エレクトロマイグレーションによるＣｕ原子の移動は、結晶粒界又は配線表面の絶縁キャップ膜との界面を拡散経路とする。ところが、細幅配線１１と太幅配線１２との接続部分のように結晶粒の大きさが急激に変化するところでは（図３参照）、Ｃｕ原子の流れが不均一となるため、ボイドが発生し易い箇所となる。更に、Ｃｕ原子の拡散は応力勾配も駆動力となるため、応力が急激に異なるところでは拡散が促進されるためにやはり原子の流れが不均一となり、このことからもボイドが発生しやすい箇所となる。

しかし、本実施の形態では、太幅配線１２にスリット部１４を所定の条件で設けている。その結果、細幅配線１１と太幅配線１２との接続部分の付近においても、配線幅の急激な変動が実質的に抑制される。それにより、高温熱工程を経た後であっても、結晶粒の大きさが急激に変化することを抑制できる。それにより、Ｃｕ原子の移動を抑制することができる。併せて、応力の大きさが急激に変化することを抑制することができる。それらにより、エレクトロマイグレーションを抑制することができ、配線の寿命を改善でき、配線の信頼性を向上させることが可能となる。

本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。

１０ 配線
１０ａ 金属膜
１１ 細幅配線
１２ 太幅配線
１３ 接続箇所
１４ スリット部
３０ 絶縁層
３０ａ 第１溝
３０ｂ 第２溝
３１ 絶縁膜
４１ 溝
１１０ 配線
１１１ 細幅配線
１１２ 太幅配線
１２０ 絶縁層
１３０ ボイド

Claims (14)

1. 第１幅を有する第１金属配線と、
   前記第１金属配線に接続され、前記第１幅よりも広い第２幅を有する第２金属配線と
   を具備し、
   前記第１金属配線及び前記第２金属配線は同層であり、
   前記第２金属配線は、
   前記第１金属配線との接続箇所の近傍部分に絶縁膜が埋め込まれたスリット部を含み、
   前記接続箇所から前記スリット部までの距離が前記第１幅以上で、前記第２幅より小さく、
   前記近傍部分を構成する複数の配線部分の各々の第３幅は、前記第１幅以上で、前記第２幅より小さい
   半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記第２金属配線は、前記近傍部分の前記スリット部を除いた第４幅が前記第１幅より大きく前記第２幅より小さい
   半導体装置。
3. 請求項２に記載の半導体装置において、
   前記第２幅は、前記第１幅の２倍より大きい
   半導体装置。
4. 請求項３に記載の半導体装置において、
   前記接続箇所から前記スリット部までの距離は、前記第１幅以上、前記第１幅の２倍以下である
   半導体装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置において、
   前記第３幅は、前記第１幅以上、前記第１幅の２倍以下である
   半導体装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置において、
   前記第１金属配線及び前記第２金属配線は、同層のＣｕダマシン配線である
   半導体装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置において、
   前記スリット部は、前記第２金属配線の延在方向と平行な辺を有する矩形形状である
   半導体装置。
8. 絶縁層に、第１幅を有する第１溝、及び、前記第１溝に接続され、前記第１幅よりも広い第２幅を有し、前記第１溝との接続箇所の近傍部分に前記絶縁層の凸部を含む第２溝を形成する工程と、
   ここで、前記第２溝において、
   前記接続箇所から前記凸部までの距離が前記第１幅以上で、前記第２幅より小さく、
   前記近傍部分を構成する複数の溝部分の各々の第３幅は、前記第１幅以上で、前記第２幅より小さく、
   金属膜を形成する工程と、
   化学機械研磨法により、前記金属膜を平坦化し、前記第１溝に第１金属配線を、及び、前記第２溝に第２金属配線を、それぞれ形成する工程と
   を具備する
   半導体装置の製造方法。
9. 請求項８に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第２溝は、前記近傍部分の前記凸部を除いた第４幅が前記第１幅より大きく前記第２幅より小さい
   半導体装置の製造方法。
10. 請求項９に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第２幅は、前記第１幅の２倍より大きい
    半導体装置の製造方法。
11. 請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記接続箇所から前記凸部までの距離は、前記第１幅以上、前記第１幅の２倍以下である
    半導体装置の製造方法。
12. 請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第３幅は、前記第１幅以上、前記第１幅の２倍以下である
    半導体装置の製造方法。
13. 請求項８乃至１２のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記金属膜は、バリア膜と銅膜の積層膜である
    半導体装置の製造方法。
14. 請求項８乃至１３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記凸部は、前記第２溝の延在方向と平行な辺を有する矩形形状である
    半導体装置の製造方法。

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