JP2011522417A - 相互接続構造（改善された耐エレクトロマイグレーション特性を有する集積回路のための相互接続構造） - Google Patents

Abstract

【課題】 集積回路（ＩＣ）デバイスのための相互接続構造を提供する。
【解決手段】 集積回路（ＩＣ）デバイスのための相互接続構造は、第１の幅ｗ_１で形成された１つ以上のセグメント及び１つ以上の追加の幅Ｗ_２・・・ｗ_Ｎで形成された１つ以上のセグメントを有する細長い導電性ラインを備え、第１の幅は前記１つ以上の追加の幅のそれぞれよりも狭く、１つ以上の追加の幅で形成された１つ以上の導電性セグメントの全長Ｌ_２・・・Ｌ_Ｎに対する第１の幅で形成された１つ以上の導電性セグメントの全長Ｌ_１の関係は、導電性ラインの全長Ｌ＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋・・・Ｌ_Ｎが臨界長さに関係なく最小の所望の設計長さを満足するように、導電性ラインに流れる電流の所定の大きさに対して、エレクトロマイグレーション・ショート・レングス効果の利点が維持されるように選択される。
【選択図】 図７

Description

本発明は、集積回路（ＩＣ）デバイスの製造に関し、更に具体的にいうならば、改善された耐エレクトロマイグレーション特性を有する相互接続構造に関する。

代表的に、集積回路は、パターン化された金属化ライン（線）のレベル相互間の電気的接続を与えるために、選択された位置にビアを有する層間誘電体層により電気的に互いに分離されているパターン化された金属化ラインの多層レベルを有するように製造される。これらの集積回路が、（例えばデバイスの速度を増大することによりそして所定のチップ面積当たりの回路機能を増大することにより）増大された密度及び性能を実現するための開発努力において更に小さな寸法に小型化されているにつれて、相互接続ライン（線）の幅の寸法はますます狭くされ、これに伴ってこれらを例えばエレクトロマイグレーションのような有害な効果を受けやすくする。

Ｒ．Ｇ．Ｆｉｌｉｐｐｉ等による、２００２年５月のＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、第９１巻、第９号の“Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ， Ｓｔｒｉｐｅ Ｌｅｎｇｔｈ、 Ｓｔｒｉｐｅ Ｗｉｄｔｈ，ａｎｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ Ｄｕｒｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ Ｔｅｓｔｉｎｇ”

エレクトロマイグレーションとは、相互接続材料を構成する金属原子（例えば銅若しくはアルミニウム）が、この材料を一方向性の電流即ちＤＣ電流が流れることに基づいて物質移動する現象を指す用語である。更に具体的にいうと、電子電流が拡散金属原子に衝突することにより、金属原子を電流が流れる方向に押し出す。長い期間に亘って、相互接続材料の陽極端に金属が蓄積すると、この系の局部的な機械的応力を著しく増大する。これにより層の剥離、クラック及び最終的には金属ワイヤからの金属の押し出しが生じ、これにより隣接する相互接続への電気的短絡を引き起こす。エレクトロマイグレーションは、線の幅の寸法が小さくなるに従って金属ラインを流れる電流密度が増大するにつれて、集積回路設計における更に重大な問題となっている。

従来技術の前述の問題点及び欠陥は、本発明の細長い導電性ライン（線）を含む集積回路（ＩＣ）デバイスの相互接続構造により解決される。細長い導電性ラインは、第１の幅ｗ_１で形成された１つ以上のセグメント及び１つ以上の追加の幅ｗ_２・・・ｗ_Ｎで形成された１つ以上のセグメントを有し、ここで、第１の幅は１つ以上の追加の幅のそれぞれよりも狭く、そして１つ以上の追加の幅で形成された１つ以上の導電性セグメントの全長Ｌ_２・・・Ｌ_Ｎに対する第１の幅で形成された１つ以上の導電性セグメントの全長Ｌ_１の関係は、導電性ラインの全長Ｌ＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋・・・Ｌ_Ｎが臨界長さに関係なく最小の所望の設計長さを満足するように、導電性ラインに流れる電流の所定の大きさに対して、エレクトロマイグレーション・ショート・レングス効果（短い長さの効果）の利点に関する臨界長さが維持されるように選択される。

他の実施例において、集積回路（ＩＣ）デバイスのための相互接続構造は、細長い導電性ラインを含み、細長い導電性ラインは、高融点層及びこれの窒化物並びに銅含有材料及びアルミニウム含有材料の１つ以上の層を含み、導電性ラインは、これの対向する端部に配置された一対の拡散バリアと電気的に接触し、細長い導電性ラインは、第１の幅ｗ_１で形成された１つ以上のセグメント及び１つ以上の追加の幅ｗ_２・・・ｗ_Ｎで形成された１つ以上のセグメントを含み、第１の幅は１つ以上の追加の幅のそれぞれよりも狭く、そして１つ以上の追加の幅で形成された１つ以上の導電性セグメントの全長Ｌ_２・・・Ｌ_Ｎに対する第１の幅で形成された１つ以上の導電性セグメントの全長Ｌ_１の関係は、導電性ラインの全長Ｌ＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋・・・Ｌ_Ｎが臨界長さに関係なく最小の所望の設計長さを満足するように、導電性ラインに流れる電流の所定の大きさに対して、エレクトロマイグレーション・ショート・レングス効果の利点に関する臨界長さが維持されるように選択される。

他の実施例において、集積回路（ＩＣ）デバイスのための相互接続構造を形成する方法は、細長い導電性ラインを形成するステップを含み、細長い導電性ラインは、第１の幅ｗ_１で形成された１つ以上のセグメント及び１つ以上の追加の幅Ｗ_２・・・ｗ_Ｎで形成された１つ以上のセグメントを有し、ここで、第１の幅は１つ以上の追加の幅のそれぞれよりも狭く、そして１つ以上の追加の幅で形成された１つ以上の導電性セグメントの全長Ｌ_２・・・Ｌ_Ｎに対する第１の幅で形成された１つ以上の導電性セグメントの全長Ｌ_１の関係は、導電性ラインの全長Ｌ＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋・・・Ｌ_Ｎが臨界長さに関係なく最小の所望の設計長さを満足するように、導電性ラインに流れる電流の所定の大きさに対して、エレクトロマイグレーション・ショート・レングス効果の利点に関する臨界長さが維持されるように選択される。

更に他の実施例において、集積回路（ＩＣ）デバイスのための相互接続構造を形成する方法は、細長い導電性ラインを形成するステップを含み、細長い導電性ラインは、第１の幅ｗ_１で形成された１つ以上のセグメント及び１つ以上の追加の幅ｗ_２・・・ｗ_Ｎで形成された１つ以上のセグメントを有し、ここで、第１の幅は１つ以上の追加の幅のそれぞれよりも狭く、そして１つ以上の追加の幅で形成された１つ以上の導電性セグメントの全長Ｌ_２・・・Ｌ_Ｎに対する第１の幅で形成された１つ以上の導電性セグメントの全長Ｌ_１の関係は、導電性ラインの全長Ｌ＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋・・・Ｌ_Ｎが臨界長さに関係なく最小の所望の設計長さを満足するように、導電性ラインに流れる電流の所定の大きさに対して、エレクトロマイグレーション・ショート・レングス効果の利点に関する臨界長さが維持されるように選択される。

ＩＣ相互接続構造の陰極端からの電子のマイグレーションを引き起こす陰極端からのエレクトロマイグレーション力及び電子の流れの方向を示す概略図である。 相互接続構造の陰極端及び陽極端の両方に拡散バリアが配置されるときのエレクトロマイグレーション力及び応力で誘起される原子の逆流を示す概略図である。 図１に示されている例をデュアル・ダマシンの銅とした場合を示す図である。 図２に示されている例をデュアル・ダマシンの銅とした場合を示す図である。 陰極端及び陽極端にＶ２ビアを含む幅ｗ及び長さＬのＭ２レベルの相互接続の上面図である。 陰極端及び陽極端にＶ２ビアを含む幅Ｗ及び長さＬのＭ２レベルの相互接続の断面図である。 本発明に従う改善された耐エレクトロマイグレーション特性を有する相互接続構造の概略図である。 一様な狭い幅ｗ及び減少された長さを有する図７の構造と等価の相互接続構造を示す図である。 本発明の他の実施例に従う改善された耐エレクトロマイグレーション特性を有する相互接続構造の概略図である。 本発明の更に他の実施例に従う改善された耐エレクトロマイグレーション特性を有する相互接続構造の概略図である。 本発明の更に他の実施例に従う改善された耐エレクトロマイグレーション特性を有する相互接続構造の概略図である。 本発明の更に他の実施例に従うエレクトロマイグレーション・ショート・レングスの利点の閾値条件を実現するに必要な、相互接続構造の狭い領域の全長対残りの広い領域の全長の関係を示すグラフである。 ３種類の許容可能な設計幅を有する構造の更に他の実施例を示すグラフである。 ３種類の許容可能な設計幅を有する構造の更に他の実施例を示すグラフである。

上記のように、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）は、電界及び電子の流れの影響のもとで金属原子が移動する、金属相互接続にとって確実性のある故障メカニズムである。アルミニウム（Ａｌ）及び銅（Ｃｕ）の相互接続の場合、エレクトロマイグレーションの物質の流れは、電子の流れの方向である。エレクトロマイグレーションの間、電子風（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｗｉｎｄ）は、次式で表される原子流束（ａｔｏｍｉｃ ｆｌｕｘ）を生じる力を加える。

ここで、ｎは、原子の密度であり、Ｖ_ｅは移動原子のドリフト速度であり、Ｄは実効拡散率であり、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度であり、ｊは電流密度であり、ρは抵抗率であり、そしてｅＺ^＊は実効イオン電荷である。図１は、下側高融点層１０２（例えば、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ））、ＡｌＣｕ層１０６，上側高融点層１０４及びライン（導体）の陰極端に配置されたＷスタッド１０８を含む多層アルミニウム銅（ＡｌＣｕ）相互接続構造１００の電子の流れとＥＭ力の方向とが同じである場合を示している。ＡｌＣｕ層１０６，上側高融点層１０４及びＷスタッド１０８は、ラインの陰極端に配置される。陰極端からの原子のマイグレーションは、この領域にボイド（空隙）を形成し、最終的にこのラインの抵抗の増大を引き起こす。

しかしながら、拡散バリアが存在する場合には、原子が導体の陽極端に蓄積し、そして陰極端で空乏化し、応力傾斜及び原子の逆拡散を引き起こす（例えば、１９７６年のＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，４７．１２０３のＩ．Ａ．Ｂｌｅｃｈの論文を参照）。エレクトロンマイグレーション及び応力により誘起された原子の逆流の組み合わせは、安定状態において、次式により与えられる正味の原子流束Ｊ_ｅｆｆまで上昇する。

ここで、ｖ_ｂは原子の逆流速度であり、Δσは陰極端及び陽極端の間の応力の差であり、Ωは原子の体積であり、そしてＬは導体の長さである。図２に示すように、直線的な応力の傾斜は、安定状態のもとで或る期間の経過後に生じる。かくして、ラインの両端に応力を発生させるために拡散遮断材料（例えば、タングステン）をラインの両端に配置することが必要である。具体的には、図２は、相互接続構造１００の陽極端に他のタングステン・スタッド１１０が配置されていることを示す。

背応力傾斜（ｂａｃｋ ｓｔｒｅｓｓ ｇｒａｄｉｅｎｔ）がエレクトロマイグレーション力と釣り合うとき、物質移動は完全に押さえられる。この現象は、エレクトロマイグレーション閾値若しくはショート・レングス効果（短い長さの効果、ｓｈｏｒｔ ｌｅｎｇｔｈ ｅｆｆｅｃｔ）と呼ばれ、そして長さが十分に短い相互接続及び低電流密度の場合に生じる。閾値条件はＪ_ｅｆｆに対する上述の関係から規定され、その結果次式となる。

ここで、（ｊＬ）_ｔｈは閾値と長さの積である。ｊＬの値が（ｊＬ）_ｔｈよりも小さい場合、相互接続構造にエレクトロマイグレーションの故障は生じない。もしもｊ及びＬが閾値条件に正確に対応するならば、相互接続の長さは、臨界長さと呼ばれる長さに対応する。ショート・レングス効果は、タングステンの層間スタッドを有するＡｌＣｕ相互接続並びに層間ビアを有するデュアル・ダマシンＣｕ相互接続において観察され、ここで、デュアル・ダマシン相互接続は、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、Ｔｉ，ＴｉＮ，Ｗ，ルテニウム（Ｒｕ），窒化ルテニウム（ＲｕＮ）及び窒化タングステン（ＷＮ）のようなライナー材料を例えば拡散バリアとして利用する。

図３は、図１に示されている例をデュアル・ダマシンの銅とした場合を示す図であり、そして
図４は図２に示されている例をデュアル・ダマシンの銅とした場合を示す図である。更に具体的にいうと、図３は、ライナー層２０２（Ｃｕの拡散を防止する）、デュアル・ダマシンＣｕビア／トレンチ充填層２０４、キャップ層２０６及びこのラインの陰極端に配置された充填ビア２１０を有する相互接続構造２００を示す。キャップ層２０６の例示的な材料は、例えば窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化珪素（ＳｉＣ）若しくはシリコン炭窒化物（ＳｉＣＮ）のような誘電体材料を含むことができる。これの代わりに、例えばＴａ，ＴａＮ、コバルトタングステンリン（ＣｏＷＰ）若しくはＲｕのような金属キャップ材料が、使用する技術に従って使用されることができる。図４において、例えばライナー材料２０２のような遮蔽材料が相互接続構造２００の陽極端に配置された他の充填ビア２１２内に含まれている。

使用されるビア及び相互接続金属の特定な型に係わらず、ショート・レングス効果の利点を得るための１つの方法は、短い相互接続を設計することである。その理由は、許容される電流密度は導体の長さが減少するにつれて増大するからである。しかしながら、この解決法は、短い長さの設計が、歩留まりの低下及び抵抗の増大を引き起こす更に多くの層間ビアを必要とするので、制限される。従って、導体の長さを著しく短くすることなく高い電流密度を許容するレイアウトを設計することが有益である。

図５及び図６を参照すると、幅ｗ、長さＬで、陰極端及び陽極端にＶ２ビアを有するＭ２レベルの相互接続３００の例が示されている。更に具体的にいうと、図５は相互接続の上面を示し、一方図６は相互接続の断面を示す。もしもこの相互接続の長さＬ（２つのＶ２ビア相互間の長さ）が臨界長さよりも長いならば、ショート・レングス効果の利益は生じなく、そしてこの構造は時間の経過と共にエレクトロマイグレーションの望ましくない効果を受ける。一方、ビア相互間の距離は、ショート・レングス効果の利点を得るために臨界長さよりも短くされる。しかしながら、導体の長さを短くすることは実用的な解決策ではない。

従って、本発明に従うと異なる解決策が採用され、ここで全導体長Ｌの一部分に対して、導体の幅ｗが、領域若しくはセグメントに対する電流密度を減少するように、他の部分に対して広くされる。例えば、図７は、本発明の１つの実施例に従って形成された相互接続構造４００の概略図である。図示のように、相互接続４００の幅が、第１の半分（０．５０Ｌ）のセグメントではｗであり、第２の半分（０．５０Ｌ）のセグメントでは２ｗであるように（図５の構造に対して）変更されている。狭い幅（ｗ）のセグメントにおける電流密度は、広い幅（２ｗ）のセグメントの電流密度の２倍であるので、幅２ｗのセグメントの臨界長さは、幅ｗのセグメントよりも２倍（２ｘ）長い。

ショート・レングスの利点の点から、図８は、図７と等価的である相互接続構造５００を示し、この構造は、一様な狭い幅ｗを有するが短くされた長さ０．７５Ｌを有する。言い換えると、一様な幅ｗを有する相互接続の臨界長さが０．７５Ｌであるならば、図７に示されるように相互接続の一部分を広くすることにより、セグメントの長さは、図８の短い０．７５Ｌの相互接続と同じショート・レングスの利点を生じるように増大されることができる。

図７に示されている特定な構造（即ち、狭い幅を有する導体の半分の部分が構造の陰極端に配置されそして広い幅を有する導体の半分の部分が導体の陽極端に配置されている）に加えて、他の構造も又可能である。例えば、図９の相互接続構造６００に示されているように、広い幅（２ｗ）の部分が構造の陰極端に配置されそして幅の狭い（ｗ）部分が構造の陽極端に配置されることができる。これの代わりに、図１０の相互接続構造７００に示されているように、幅（２ｗ）の部分がこの導体の中央部に配置され、そして１対の０．２５Lの狭い幅（ｗ）の部分がこの構造の陰極端及び陽極端にそれぞれ配置されることができる。他の変形例において、図１１の相互接続構造８００に示されているように、陰極端から幅Wで長さ０．２５Lの部分、幅２ｗで長さ０．２５Lの部分、幅ｗで長さ０．２５Lの部分及び幅２ｗで長さ０．２５Lの部分を交互に設けることができる。図７，図９，図１０及び図１１の実施例のそれぞれにおいて、全導体長Lの半分は、幅ｗで形成され、そして全導体長の半分は、幅２ｗで形成される。このように、もしも一様な幅ｗの導体に対する臨界長さが所望の長さLよりも小さくなるならば、長さLは、ショート・レングスの利点を引き出すためにデバイスのビアの量を増大するように、短くされる必要はない。

しかしながら、V2ビアの底部のライナーの厚さは、ショート・レングス効果を適切に使用するために十分でなければならないことを理解されたい。もしもＶ２ビアに接触するＭ３ラインが狭すぎると、構造のアスペクト比（縦横比）は増大しそしてバイア内に適切なライナー被覆が生じるのを妨げる。即ち、もしもＭ３ラインの幅がＶ２バイアの寸法と同じであるならば、この構造のショート・レングス効果は低くなる。従って、設計がプロセスの限界に適応するように注意することが必要である。又、ショート・レングス効果は、電流がビアから上のラインに流れる構造において生じ、これはビアデプレッション・フェイラー・モードと呼ばれる。上述の例示的な構造は、電子の流れがビアからこれの下側のラインに至る（これはライン・デプレッション・フェイラー・モードと呼ばれる）シミュレーションに対応する。

所望の閾値条件を達成するために、相互接続の幅の広い領域を幅の狭い領域に比べてどのぐらいの長さにするかを決定する方法を提供することが可能である。即ち、図５及び図６に示されているレイアウトが、所定の電流密度に対して閾値ショート・レングス条件に対応するならば、相互接続の長さ自体を減少することなくそして追加のビアを必要とすることなく、同じ信頼性の利点を生じる、狭いセグメント及び広いセグメントの両方を有する構造が設計されることができる。例えばｗ_１＝０．１μｍが狭いセグメントの幅であり、そしてｗ_２＝０．２μｍ、ｗ_２＝０．３μｍ、ｗ_２＝０．４μｍ及びｗ_２＝０．５μｍが広いセグメントの可能な幅であるというように相互接続設計が２つの幅だけを有する特定な場合を考える。もしもＬ_１が狭い領域の全長を表し、そしてＬ_２が広い領域の長さであるならば、Ｌ_１＋Ｌ_２は相互接続構造の全長Ｌである。与えられた電流に対して、もしも臨界長さが、０．１μｍの相互接続の幅に対して１００μｍであるならば、臨界長さは、０．２μｍの幅に対して２００μｍであり、０．３μｍの幅に対して３００μｍであり、
０． ４μｍの幅に対して４００μｍであり、そして０．５μｍの幅に対して５００μｍである。従って、狭い領域に関して広い領域の対応する長さを決定するのに次の関係が使用され得る。
広い領域の幅、ｗ _２ （μｍ） 広い領域の最大長さ、Ｌ _２ （μｍ）
０．２２（１００−Ｌ_１）
０．３３（１００−Ｌ_１）
０．４４（１００−Ｌ_１）
０．５５（１００−Ｌ_１）

Ｌ_２は、閾値条件を生じる広い幅のセグメントに対する最大全長に対応することを理解されたい。

更に一般的に説明すると、もしもＬ_ｃが所定の電流に対して第１の幅ｗ_１（狭い幅）で全体的に形成された相互接続構造の臨界長さであるならば、狭い領域の全長Ｌ_１，広い領域の全長Ｌ_２及び臨界長さの間の関係は次の通りである。

したがって、Ｌ_１に関してＬ_２は次式のようになる。

上記の例において、所定の電流に対して０．１μｍの狭い幅ｗ_１の一様な相互接続構造の形成において、この構造の全長は、ショート・レングスＥＭの利点を維持するために１００μｍを越えることはない。しかしながらこの例において、ＩＣ設計が、デバイスの歩留まりを減少し又は抵抗を増大するあるいは両方を生じ得る層間レベル・ビアをなくするように、少なくとも１５０μｍの相互接続長さを要求すると仮定する。全長のうち５０μｍがｗ_１＝０．１μｍで形成され、そして全長のうち残りの１００μｍがｗ_２＝０．２μｍで形成されるような１５０μｍの長さの相互接続構造を形成することにより、このような相互接続構造は、０．１μｍの狭い幅ｗ_１で全体的に形成された１００μｍの相互接続構造と同じショート・レングスの利点を有する。他の等価な１５０μｍの相互接続構造は、例えば全長のうち７５μｍがｗ_１＝０．１μｍで形成され、そして全長のうち残りの７５μｍがｗ_２＝０．３μｍで形成された構造である。

図１２は、上述の関係が、２つの許容される幅、狭い幅及び広い幅を有する構造にどのように適用されるかを示すグラフである。狭い領域の所定の全長に対して、閾値条件を実現するに必要な広い領域の全長は、広い領域の幅が増大するにつれて増大する。明らかなように、相互接続の全長は、１００μｍよりも長くされることができ、そして同じ信頼性の改善を有する。図１２に示されている曲線上の各点は、０．１μｍの幅及び１００μｍの長い相互接続と同じ閾値条件に対応する。

もしも設計において２つ以上の幅が許容されるならば、同様の技術が開発され得ることを理解されたい。即ち、上述の技術は、２つ以上の幅、即ち第１の（最も狭い）ベース・ライン幅及びこの第１の幅よりもそれぞれ広い複数の第２の幅を有する相互接続構造に延長されることができる。例えば、相互接続設計が３つの幅だけを有する特定な場合、即ち、例えばｗ_１＝０．１μｍが狭いセグメントの幅である場合、ｗ_２＝０．２μｍ、ｗ_２＝０．３μｍ、ｗ_２＝０．４μｍ及びｗ_２＝０．５μｍが広いセグメントの１つの可能な幅である場合、そしてｗ_３＝０．２μｍ、ｗ_３＝０．３μｍ、ｗ_３＝０．４μｍ及びｗ_３＝０．５μｍが広いセグメントの他の可能な幅である場合が存在する。もしもＬ_１が狭い領域の全長を表し、Ｌ_２が１つの広い領域の長さを表し、そしてＬ_３が他の領域の長さを表すならば、Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｌ_３は相互接続構造の合計の長さＬである。

与えられた電流に対して、もしも臨界長さが、０．１μｍの相互接続幅に対して１００μｍであるならば、臨界長さは０．２μｍの幅に対して２００μｍであり、０．３μｍの幅に対して３００μｍであり、０．４μｍの幅に対して４００μｍであり、そして０．５μｍの幅に対して５００μｍである。従って、次の関係が、狭い領域及び他の広い領域ｗ_３に関して広い領域の１つ（ｗ_２）の対応する長さを決定するために使用されることができる。
広い領域の幅、ｗ _２ （μｍ） 広い領域の最大長、Ｌ _２ （μｍ）
０．２２（１００−Ｌ_１−（（ｗ_１／ｗ_３）Ｌ_３））
０．３３（１００−Ｌ_１−（（ｗ_１／ｗ_３）Ｌ_３））
０．４４（１００−Ｌ_１−（（ｗ_１／ｗ_３）Ｌ_３））
０．５５（１００−Ｌ_１−（（ｗ_１／ｗ_３）Ｌ_３））

Ｌ_２が、閾値条件を生じる広いセグメントに対する最大の全長に対応することを理解されたい。

これを更に一般的に説明すると、もしもＬ_ｃが、所定の電流に対する第１の（狭い幅）ｗ_１で全体的に形成されている相互接続構造の臨界長さを表すとすると、狭い領域の全長Ｌ_１，広い領域の全長Ｌ_２，Ｌ_３及び臨界長さの間の関係は次の通りである。

従って、Ｌ_１及びＬ_３に関して、Ｌ_２は次式のようになる。

同様に、次の関係が、狭い領域及び１つの広い領域ｗ_２に関して広い領域ｗ_３の他方の対応する長さを決定するのに使用されることができる。
広い領域の幅、ｗ _３ （μｍ） 広い領域の最大長、Ｌ _３ （μｍ）
０．２２（１００−Ｌ_１−（（ｗ_１／ｗ_２）Ｌ_２））
０．３３（１００−Ｌ_１−（（ｗ_１／ｗ_２）Ｌ_２））
０．４４（１００−Ｌ_１−（（ｗ_１／ｗ_２）Ｌ_２））
０．５５（１００−Ｌ_１−（（ｗ_１／ｗ_２）Ｌ_２））

Ｌ_３は、閾値条件を生じる広いセグメントに対する最大の全長に対応することを理解されたい。

上述のように、もしもＬ_ｃが，所定の電流に対して第１の（狭い幅）ｗ_１で全体的に形成された相互接続構造の臨界長さを表すとすると、狭い領域の全長Ｌ_１，広い領域の全長Ｌ_２，Ｌ_３及び臨界長さの関係は次の通りである。

従って、Ｌ_１及びＬ_２に関してＬ_３は次のようになる。

図１３及び図１４を参照すると、上述の関係が、３つの許容された設計幅、即ちベース・ラインの最も狭い幅（ｗ_１）並びにｗ_１よりも広い追加の幅ｗ_２及びｗ_３を有する構造にまで如何に延長可能であるかを示す一対のグラフが示されている。図１３の例において、狭い幅ｗ_１は再び０．１μｍで有り、第３の幅ｗ_３は０．４μｍであり、ｗ_３における全セグメント長Ｌ_３は４０μｍである。かくして、図１３は、複数のｗ_２の値に対する、ｗ_１＝０．１μｍの１つ以上のセグメントの全長Ｌ_１及び幅ｗ_２の１つ以上のセグメントの全長Ｌ_２の間の関係を示す。第２の幅ｗ_２は第３の幅ｗ_３よりも広く又は狭くされ得るが、ｗ_２及びｗ_３の両方はｗ_１よりも広いことに注目されたい。

図１４は、図１３に示されている３つの幅を有する構造と同様の例を示す。ここで、狭い幅ｗ_１は再び０．１μｍであり、第２の幅ｗ_２は０．２μｍであり、ｗ_２における全セグメント長Ｌ_２は４０μｍである。図１４は、複数のｗ_３の値に対する、ｗ_１＝０．１μｍの１つ以上のセグメントの全長Ｌ_１及び幅ｗ_３の１つ以上のセグメントの全長Ｌ_３の間の関係を示す。

最も狭いベース・ライン幅を超える追加の（より広い）幅の数に係わらず、狭い領域の所定の全長に対して、閾値条件を達成するに必要な広い領域の全長は、広い領域の幅が増大するにつれて増大する。構造における任意の数の幅に対する一般的な式は次の通りである。

更に、他のセグメント（ｉ≠Ｍ）に関する全セグメント長Ｌ_Ｎの一般的な式は次の通りである。

ここで、Ｎは構造内の互いに異なる幅の数であり、Ｌ_ＭはＭ^ｔｈセグメントの長さであり、そしてＬ_Ｃは狭いセグメントに対する臨界長さである。

更なる例として、もしも相互接続構造が４つの許容される設計幅（即ち、Ｎ＝４）、詳細に言うと、Ｌｃ＝１００μｍ、ｗ_１＝０．１μｍ、Ｌ_１＝２５μｍ、ｗ_２＝０．２μｍ、Ｌ_２＝５０μｍ、ｗ_３＝０．３μｍ、Ｌ_３＝７５μｍ、ｗ_４＝０．４μｍを有するならば、上記の式（１１）から、Ｌ_４＝１００μｍそして構造の全長Ｌは、Ｌ＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｌ_３＋Ｌ_４＝２５μｍ＋５０μｍ＋７５μｍ＋１００μｍ＝２５０μｍである。

又、上に示されているように、（ｊＬ）_ｔｈが狭いラインに比較した場合広いラインに対して低いとして知られている、広いラインのショート・レングス効果に関する実務的な考えがある。エレクトロマイグレーション閾値に基づく幅の効果は、ＳＩＯ_２誘電体を有するＡｌＣｕ相互接続において観察され、そして金属及びこれを囲む誘電体材料の弾性特性に依存する実効的なバルク・モジュールに起因している。この動作を説明するのに使用されるモデルは、金属内の応力がエレクトロマイグレーション・テストの間に緩和されるという考えに基づいている。緩和されたバルク・モジュールは、金属の所定の厚さに対して幅が増大するにつれて減少するラインの厚さ及び幅に依存することが見出された。結果として、エレクトロマイグレーション閾値はラインの幅が増大するにつれて減少する。同じ現象がＣｕ相互接続及び低ｋ誘電体材料においても生じることが予測される。これに関する追加の情報は、Ｒ．Ｇ．Ｆｉｌｉｐｐｉ等による、２００２年５月のＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、第９１巻、第９号の“Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ， Ｓｔｒｉｐｅ Ｌｅｎｇｔｈ、 Ｓｔｒｉｐｅ Ｗｉｄｔｈ，ａｎｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ Ｄｕｒｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ Ｔｅｓｔｉｎ”に見出すことができる。この文献を参照として組み入れる。

これは第２の効果であるが、相互接続の設計を適切に行うために、幅に対する（ｊＬ）_ｔｈの依存性を決定することが望ましい。かくして、幅の増大に伴う（ｊＬ）_ｔｈの減少をなくするために、ラインの幅ｗ及び厚さｔの両方に依存する修正項が必要とされる。可能な最大の（ｊＬ）_ｔｈに対する幅効果を示すラインに対する（ｊＬ）_ｔｈの比は、幅毎の修正項である。もしもＬ_ｍａｘが最大臨界長を表し、そしてＬ_ｔｈが幅効果を示すセグメントに対する実際の臨界長さであるならば、Ａ（ｗ，ｔ）＝Ｌ_ｔｈ／Ｌ_ｍａｘがこれらの幅効果をなくする修正項である。最大臨界長さは、ｗ／ｔ＝１の場合に対応し、ここでラインの幅及び厚さは同じである。幅効果をなくする相互接続構造の幅の任意の数に対する一般的な式は次の通りである。

他のセグメント（ｉ≠Ｍ）に関するＬ_Ｍの項は、次式の通りである。

ここで、Ｎは構造内の互いに異なる幅の数であり、Ｌ_ＭはＭ^ｔｈのセグメントの長さであり、Ｌ_Ｃは狭いセグメントの臨界長さであり、Ａ_ｌ（ｗ_ｌ，ｔ_ｌ）は狭いセグメントの修正項であり、Ａ_ｉ（ｗ_ｉ，ｔ_ｉ）はｉ^ｔｈの幅に対する修正項であり、そしてＡ_Ｍ（ｗ_Ｍ，ｔ_Ｍ）はＭ^ｔｈの幅に対する修正項である。

上述の４つの幅の相互接続構造に戻ると、次の例示的な値は、幅に対する（ｊＬ）_ｔｈの従属性を反映する。Ｎ＝４，Ｌｃ＝１００μｍ、Ａ_ｌ（ｗ_ｌ、ｔ_ｌ）＝１，ｗ_ｌ＝０．１μｍ、Ｌ_ｌ＝２５μｍ、Ａ_２（ｗ_２，ｔ_２）＝０．９、ｗ_２＝０．２μｍ、Ｌ_２＝５０μｍ、Ａ_３（ｗ_３，ｔ_３）＝０．８，Ｗ_３＝０．３μｍ、Ｌ_３＝７５μｍ、Ａ_４（ｗ_４，ｔ_４）＝０．７，Ｗ_４＝０．４μｍ、次いで上記の式（１３）から、Ｌ_４＝４４．７μｍ。従って、幅効果に対する修正を考慮した構造の全長Ｌは、Ｌ＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｌ_３＋Ｌ_４＝２５μｍ＋５０μｍ＋７５μｍ＋４４．７μｍ＝１９４．７μｍである。実際には、このことは、幅効果を考慮に入れると、許容される長さが２５０μｍから１９４．７μｍにまで減少されたことを意味する。注目すべきことは、設計において狭い０．１μｍの幅のセグメントだけが使用された場合に許容される１００μｍよりも非常に大きいことである。

総括的に言うと、エレクトロマイグレーションのショート・レングス効果を得る代替的な手法を説明した。閾値条件に到達するようにビア相互間の距離を減少する代わりに、本発明の手法は、所望の閾値条件が更に長い相互接続長さに対して得られるように相互接続の幅を変更する。これにより、ショート・レングスの利点が要求される多くの設計が可能になる。

本明細書で説明した例示的な実施例は、“エレクトロマイグレーション・ショート・レングス効果の利点”に関する臨界長さは、導電性ラインの原子の物質移動を抑圧する（即ち、エレクトロミグレーションの損傷を防止する）ように、導電性ラインの１つの方向に加えられるエレクトロマイグレーション力が導電性ラインの反対方向に加えられる逆流力により均衡化される長さに対応することを説明したが、本明細書におけるいくつかの臨界閾値は、いくらかのエレクトロマイグレーションが長期間にわたって許容され得るように互いに接近できることを意図する。これに関して、“エレクトロマイグレーション効果の利点”は、エレクトロマイグレーションを完全に排除するということではなく、相互接続構造の長さに沿った或る部分を広くし、一方垂直のビア接続相互間を所望の最小距離に維持することにより相互接続構造を更に耐エレクトロマイグレーション性にするということである。

現在の半導体ワイヤリング法は、銅含有材料又はアルミニウム含有導電性材料あるいはその両方並びにこれらの合金を利用するが、例えば金、銀及びこれらの合金のような他の金属が本発明の実施例の範囲に含まれることを理解されたい。更に、図３及び図４に示されているデュアル・ダマシン及びＣｕの例（ビア及びラインが同じステップで形成される）は、ビア及びラインが別のステップで形成されるシングル・ダマシン・プロセスに適用できることを理解されたい。

種々な良好な実施例を参照して本発明を説明したが、本発明の精神から逸脱することなく種々な変更及び修正が可能であることは当業者にとって明らかである。又、本発明の精神から逸脱することなく、特定な状況及び材料を本発明の教示に適応させるための多くの修正が可能である。

本発明は、半導体デバイスの分野で有用であり、更に具体的にいうならば、相互接続構造において有用である。

１００、２００、３００，４００，５００、７００，８００ ＡｌＣｕ相互接続構造
１０２ 下側高融点層
１０４ 上側高融点層
１０６ ＡｌＣｕ層
１０８ Ｗスタッド
１１０ 他のスタッド
２０２ ライナー材料
２０４ デュアル・ダマシンＣｕビア／トレンチ充填層
２０６ キャップ層
２１０，２１２ 充填されたビア

Claims (13)

1. 集積回路（ＩＣ）デバイスのための相互接続構造であって、
   前記相互接続構造は、
   第１の幅ｗ_１で形成された１つ以上のセグメント及び１つ以上の追加の幅ｗ_２・・・ｗ_Ｎで形成された１つ以上のセグメントを有する細長い導電性ラインを備え、前記第１の幅は前記１つ以上の追加の幅のそれぞれよりも狭く、
   前記１つ以上の追加の幅で形成された前記１つ以上の導電性セグメントの全長Ｌ_２・・・Ｌ_Ｎに対する前記第１の幅で形成された前記１つ以上の導電性セグメントの全長Ｌ_１の関係は、前記導電性ラインの全長Ｌ＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋・・・Ｌ_Ｎが臨界長さに関係なく最小の所望の設計長さを満足するように、前記導電性ラインに流れる電流の所定の大きさに対して、エレクトロマイグレーション・ショート・レングス効果の利点が維持されるように選択される、相互接続構造。
2. 前記エレクトロマイグレーション・ショート・レングス効果の利点に関する臨界長さは、前記導電性ラインの原子の物質移動を抑圧するように、前記導電性ラインの１つの方向に加えられるエレクトロマイグレーション力が導電性ラインの反対方向に加えられる逆流力により均衡化される長さに対応する、請求項１に記載の相互接続構造。
3. Ｌ_Ｃは所定の大きさの電流に対して前記第１の幅ｗ_１で全体的に形成された等価的な相互接続構造の臨界長さであり、前記第１の幅で形成された前記１つ以上のセグメントの全長Ｌ_１，前記１つ以上の追加の幅で形成された前記１つ以上のセグメントの全長Ｌ_２・・・Ｌ_Ｎ及び前記Ｌ_Ｃの間の関係は、次式で表され、
   

   

   
   Ｎは前記相互接続構造内の互いに異なる幅の数である、請求項１に記載の相互接続構造。
4. 前記導電性ラインの全長Ｌは、閾値と長さの積（ｊＬ）_ｔｈが幅の増大に応じて減少する幅効果を補償するように選択され、この結果修正項Ａ（ｗ，ｔ）＝Ｌ_ｔｈ／Ｌ_ｍａｘが前記幅効果をなくする修正項であり、前記修正項は所定のセグメントの幅ｗ及び厚さｔに依存し、Ｌ_ｍａｘは最大臨界長さを表し、そしてＬ_ｔｈは前記幅効果を示すセグメントに対する実際の臨界長さであり、前記第１の幅で形成された前記１つ以上のセグメントの全長Ｌ_１，前記１つ以上の追加の幅で形成された前記１つ以上のセグメントの全長Ｌ_２・・・Ｌ_Ｎ及び及びＬ_Ｃは、次式
   

   

   
   で表される、請求項３に記載の相互接続構造。
5. 前記導電性ラインは、該導電性ラインの陽極端及び陰極端の一方に配置された前記第１の幅ｗ_１で形成された単一セグメント並びに前記陽極端及び陰極端の他方に配置された前記第２の幅ｗ_２で形成された単一セグメントを有する、請求項３に記載の相互接続構造。
6. 前記導電性ラインは、一方が前記導電性ラインの陽極端に配置され、他方が前記導電性ラインの陰極端に配置される前記第１の幅ｗ_１で形成された一対のセグメント、並びに前記陽極端及び前記陰極端の間の中央部分に配置され前記第２の幅ｗ_２で形成された単一のセグメントを有する、請求項３に記載の相互接続構造。
7. 集積回路（ＩＣ）デバイスのための相互接続構造であって、
   高融点金属及びこれの窒化物並びに銅含有材料及びアルミニウム含有材料の少なくとも１つからなる１つ以上の層を含む細長い導電性ラインであって、該導電性ラインの対向する端部に配置された一対の拡散バリアに電気的に接触する前記導電性ラインを備え、
   前記細長い導電性ラインは、第１の幅ｗ_１で形成された１つ以上のセグメント及び前記第１の幅ｗ_１よりも広い１つ以上の追加の幅ｗ_２・・・ｗ_Ｎで形成された１つ以上のセグメントを有し、
   前記１つ以上の追加の幅で形成された前記１つ以上の導電性セグメントの全長Ｌ_２・・・Ｌ_Ｎに対する前記第１の幅で形成された前記１つ以上の導電性セグメントの全長Ｌ_１の関係は、前記導電性ラインの全長Ｌ＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋・・・Ｌ_Ｎが臨界長さに関係なく最小の所望の設計長さを満足するように、前記導電性ラインに流れる電流の所定の大きさに対して、エレクトロマイグレーション・ショート・レングス効果の利点が維持されるように選択される、相互接続構造。
8. 前記エレクトロマイグレーション・ショート・レングス効果の利点に関する臨界長さは、前記導電性ラインの原子の物質移動を抑圧するように、前記導電性ラインの１つの方向に加えられるエレクトロマイグレーション力が導電性ラインの反対方向に加えられる逆流力により均衡化される長さに対応する、請求項７に記載の相互接続構造。
9. Ｌ_Ｃは所定の大きさの電流に対して前記第１の幅ｗ_１で全体的に形成された等価的な相互接続構造の臨界長さであり、前記第１の幅で形成された前記１つ以上のセグメントの全長Ｌ_１，前記１つ以上の追加の幅で形成された前記１つ以上のセグメントの全長Ｌ_２・・・Ｌ_Ｎ及び前記Ｌ_Ｃの間の関係は、次式で表され、
   

   

   
   Ｎは前記相互接続構造内の互いに異なる幅の数である、請求項７に記載の相互接続構造。
10. 前記導電性ラインの全長Ｌは、閾値と長さの積（ｊＬ）_ｔｈが幅の増大に応じて減少する幅効果を補償するように選択され、この結果修正項Ａ（ｗ，ｔ）＝Ｌ_ｔｈ／Ｌ_ｍａｘが前記幅効果をなくする修正項であり、前記修正項は所定のセグメントの幅ｗ及び厚さｔに依存し、Ｌ_ｍａｘは最大臨界長さを表し、そしてＬ_ｔｈは前記幅効果を示すセグメントに対する実際の臨界長さであり、前記第１の幅で形成された前記１つ以上のセグメントの全長Ｌ_１，前記１つ以上の追加の幅で形成された前記１つ以上のセグメントの全長Ｌ_２・・・Ｌ_Ｎ及びＬ_Ｃは、次式
    

    

    
    で表される、請求項９に記載の相互接続構造。
11. 前記導電性ラインは、該導電性ラインの陽極端及び陰極端の一方に配置された前記第１の幅Ｗ_１で形成された単一セグメント並びに前記陽極端及び陰極端の他方に配置された前記第２の幅ｗ_２で形成された単一セグメントを有する、請求項９に記載の相互接続構造。
12. 前記導電性ラインは、一方が前記導電性ラインの陽極端に配置され、他方が前記導電性ラインの陰極端に配置される前記第１の幅ｗ_１で形成された一対のセグメント、並びに前記陽極端及び前記陰極端の間の中央部分に配置され前記第２の幅ｗ_２で形成された単一のセグメントを有する、請求項９に記載の相互接続構造。
13. 前記高融点金属及びこれの窒化物は、タンタル（Ｔａ），窒化タンタル（ＴａＮ）、チタン（Ｔｉ），窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、ルテニウム（Ｒｕ）及び窒化ルテニウム（ＲｕＮ）からなる群から選択される請求項７に記載の相互接続構造。

Images