JP4258914B2 - Semiconductor device - Google Patents

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JP4258914B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路に用いられる配線の信頼性向上、とくにエレクトロマイグレーション耐性の向上に有効な半導体装置に関する。
【0002】
近年のLSIの高集積化・微細化にともない、とりわけロジック用LSIにおいては多層配線の性能がLSI自体の性能を支配する大きな要因として急速に重要性を増している。現在の配線はアルミニウム合金膜を主体とした多層膜配線が主流となっており、実用になっているLSIでは5〜6層にもおよぶ配線が積層されている。また、配線遅延を少なくして性能を向上させるために、これらの配線中には105 A/cm2 にもおよぶ高密度の電流が流れている。一方、このような高電流密度の条件下では、配線中の金属原子が移動してボイドやヒロックを生じさせるいわゆるエレクトロマイグレーション現象(EM現象)が起きやすいことが知られている。このEM現象は配線が断線したり、隣接配線間のショートの要因になるため、LSIの信頼性低下につながるものである。
【0003】
【従来の技術】
集積回路の高性能化と高信頼化を達成するため、従来のアルミニウム合金を用いた配線に代わって銅配線を用いる試みがなされ、実用化されつつある。これは銅の比抵抗がアルミニウム合金のそれに較べ低いので、配線遅延を低減することができるためである。また、銅配線はダマシンプロセスによって作製する方法が有望視され、盛んに研究・開発されている。
【0004】
さらに銅の融点はアルミニウム合金の融点よりも高いことなどのために、エレクトロマイグレーション耐性はアルミニウム合金の10倍程度高いと推測されている。
【0005】
一方、エレクトロマイグレーションに起因する配線故障が発生するまでの時間を従来よりも長くする方法としては各種の手段が検討され、開示されている。例えば特開平10−256364では、配線の最上層にAl−Si−Cu合金の膜を設けることにより、この膜を持たなかった従来構造にはなかったアルミニウムの供給源とすることで、配線が断線に至るまでの時間を長くしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者はダマシンプロセスによって作製された銅配線を用いて、EM現象によって配線が劣化する様子をTEM(透過型電子顕微鏡)を用いてその場観察を行った。その結果を図9に模式的に示す。
【0007】
ここで用いた銅配線は幅0.2μm、高さ0.45μm、長さ70μmの単一層配線である。この配線の両側面と底面には、バリアメタルとして厚さ25nmのタンタル窒化物(TaN)がつけてある。配線の上面には、絶縁膜としておよび銅の拡散を防止するために、厚さ50nmのシリコン窒化物(SiN)が積層されている。
【0008】
この配線に4.5mAの電流を流したところ、約1時間後にカソード端に近いところでSiNと銅(Cu)との界面からボイドが発生することが観察された。この4.5mAという電流は、Cu金属中での電流密度は5×106 A/cm2 に相当する。これは、実用の際の電流の50倍程度の過酷な条件である。
【0009】
その後ボイドは下方へ拡がったりCu金属中の結晶粒界に沿って拡大するのではなく、SiNとCuの界面に沿って急速に拡がってゆくのが観察された。それとともに配線抵抗は上昇してゆき、最終的には断線に至った。
【0010】
すなわちボイドが発生すると、ボイドの領域では配線断面に占めるCu金属の割合が局所的に小さくなる。そのため、電流はこの部分に集中することになる。ボイドの大きさが断面方向または配線幅方向に拡大し続けると、電流の集中はより一層加速され、最終的にはジュール発熱が生じてCuが溶断するに至る。これが断線に至る過程であると考えられる。
【0011】
このことから、Cu配線のエレクトロマイグレーション耐性は結晶粒界や融点といったCu固有の性質よりも、絶縁膜であるSiNとCuの界面における原子の拡散のし易さが影響していることが明らかになった。そしてこの界面での劣化が最終的には配線の断線に繋がるため、絶縁膜とCuとの界面でのボイドの発生や拡大を防ぐことが必要である。
【0012】
絶縁膜とCuとの界面でのボイドの発生や拡大を防ぐ手段として、例えばCu配線の側面と底面だけではなく、上面もバリアメタルで覆う方法が考えられる。このような方法は特開平6−275612の集積回路の製造方法、特開平9−55427、特開平7−263589などで開示されている。
【0013】
しかし、これらの方法にはつぎのような欠点がある。
【0014】
まず第一に、作製工程が複雑で多いという欠点が挙げられる。通常のダマシン工程では、基板上に形成された開口中にバリア材料と銅やアルミニウムなどの導電性材料を堆積した後、CMP等によって開口部以外の導電性材料を除去する。
【0015】
しかし、例えば特開平6−275612では開口部の銅の表面が周囲よりも低い段差となるように制御よく除去する必要がある。そしてこの後にバリア材料を堆積し、さらにもう一度CMPをかける必要があるとされている。そのために通常よりも工程が増え、その結果製造コストが高くつくのは明らかである。
【0016】
第二に、特開平6−275612に開示されているように、導電性材料である銅の上面を開口部の周りよりも低くしてバリア材料を載せるため、結果として配線断面積に占める銅の割合が低くなる。このため通常のダマシン工程で作製した構造よりも配線抵抗が上昇する。この結果、集積回路の性能が劣化することになる。
【0017】
本発明は以上の点を鑑み、主としてダマシンプロセスによって作製される銅配線のエレクトロマイグレーション耐性を高めることができる簡便な手法を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明者が課題を解決するために鋭意検討を行った結果、上記の課題は、配線と、前記配線に接続され、他の配線とは電気的に独立している第一のスルービアとを有し、該配線は、上面が絶縁膜で覆われ、銅または銅合金からなる最上層と、前記最上層の側面及び底面を覆い、高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層とを有する多層膜からなり、該第一のスルービアは、該多層膜と同一の層構成で埋め込まれており、該絶縁膜に開設された開口の底面に表出した該最上層に密着しており、前記最上層のカソード側のみに配置されていることを特徴とする半導体装置とすることによって解決される。
【0019】
すなわち本発明の半導体装置においては、他の配線とは電気的に独立している第一のスルービアを、多層膜からなる配線の上に構成するようにしている。こうすることによって、エレクトロマイグレーションによって絶縁膜と最上層との界面でボイドが発生して界面に沿って拡がっても、高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層であるバリアメタルと最上層との界面では密着性が良いためにボイドの拡大が阻止され、ボイドの成長はそこで停止する。
【0020】
また、上記の課題は、開口は、幅が配線の幅を超えており、第一のスルースルービアは、配線の幅方向に膨出している半導体装置とすることによって解決される。
【0021】
すなわち本発明の半導体装置においては、開口の幅が配線の幅を超えており、かつ第一のスルービアは配線の幅方向に膨出している半導体装置とするように構成している。こうすることによって、第一のスルービアに接する部分の配線の断面はバリアメタルである高融点金属または高融点金属窒化物で完全に包囲されることになり、エレクトロマイグレーションによって絶縁膜と最上層との界面でボイドが発生して界面に沿って拡がっても、高融点金属または高融点金属窒化物からなるバリアメタルと最上層との界面では密着性が良いためにボイドの拡大が阻止され、かつ配線の幅を超える直径の第一のスルービアであるために、ボイドの成長はそこで停止する。そのため、配線の抵抗の上昇は抑えられ、エレクトロマイグレーション耐性は高まる。
【0024】
本発明により、シングルダマシン法で配線を作製する場合の例を図1に示す。
【0025】
まず、配線の上部に第一のスルービアを形成する。この第一のスルービアの底部にはTaNやTiNといった高融点の密着層であるバリアメタルを使用し、これと接する最上層の断面の上部はバリアメタルによって覆われることになる。そのため、その場観察で観測したように、エレクトロマイグレーションによって絶縁膜と最上層との界面でボイドが発生して界面に沿って拡がっても、バリアメタルと最上層との界面では密着性が良いためにボイドの拡大が阻止され、成長はそこで停止する。そのため抵抗の上昇は抑えられ、エレクトロマイグレーション耐性は高まる。本発明により、デュアルダマシン法で配線を作製する場合の例を図2に示す。第一のスルービアは第二のスルービアと同時に作製される。そのため、第二のスルービアと同時に作製すればよく、工程の数はとくに増加することはない。
【0026】
図1および図2に示すような第一のスルービアは、ボイドがさまざまな場所に生じる可能性があるために、一つの配線の長手方向に沿ってできるだけ多くの数を設置すれば、ボイドの拡大と発生の両方を抑制するのに有効である。
【0027】
また、ボイドは通常、配線のカソード端に生じやすい。そのため、配線のレイアウト上、任意の場所に多くの第一のスルービアを配置できないような場合には、カソード側またはカソードになる確率の高い側に重点的に配置するのがよい。
【0028】
第一のスルービアの形状については、図1に示すように、ボイドの拡大を完全に阻止するために、接続する配線の幅方向を覆うくらいの大きさが必要である。もしも第一のスルービアが円柱状または円錐状であれば、第一のスルービアの底面の直径が配線幅以上であればよい。これによって第一のスルービアに接する部分の配線の断面は高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層であるバリアメタルによって完全に囲まれることになり、ボイドの拡大を阻止できる。
【0029】
しかし、配線の幅が広いか、またはプロセスの都合上、第一のスルービアの幅をあまり大きくすることができない場合には、図2に示すように複数の小径の第一のスルービアを接近させて配置してもよい。この場合にはボイドが配線幅まで拡がることを仮定すると、これらの第一のスルービアと配線との接面が、配線の長さ方向からみて配線幅いっぱいに拡がっていることが望ましい。
【0030】
また、配線の長手方向では配線幅のおよそ2倍以内に接近していることが望ましい。このようにすることで最悪の場合に配線幅まで拡がったボイドが拡大してきても、その拡大を効果的に阻止できる。
【0031】
以上の説明では最上層の材料をとくに指定しなかったが、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀または銀合金のいずれであっても有効である。
【0032】
本発明の半導体装置のように、第一のスルービアを配線上に配置するだけで信頼性を高めることができるという利点があると同時に、従来の配線作製のプロセスを全く変更する必要がないということがコストの面からも極めて有効である。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0034】
図3は本発明による一実施例のシングルダマシン法によって作製した銅配線の構造を示す断面図であり、図6は従来型の配線構造を示す断面図である。図中、1および6は配線を、1aおよび6aは最上層としての銅(Cu)膜を、1bおよび6bは高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層としての厚さ40nmのTaNを、2は絶縁膜を、51および52は第二のスルービアを、53は第一のスルービアをそれぞれ示している。
【0035】
なお、図中に示す構成要素は、従来例を示す図6と対応するものには同一符号が付してある。
【0036】
〔実施例1〕
図3は、実施例1を説明する断面図である。この図に示す銅配線をシングルダマシン法によって作製した。1aおよび6aで示す最上層としてのCu膜はめっき法で成膜し、1bおよび6bで示すバリアメタルである高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層としてはTaNをスパッタリング法で形成した。
【0037】
形成された最上層1aの幅は0.3μm、高さは0.4μmである。この最上層1aには両端に配線同士を接続する第二のスルービア51および52が接続され、上層の配線6と繋がっている。ここで、第二のスルービア51と52の距離は100μmである。また、第二のスルービア51と52は円柱形で、高さは0.4μm、直径は0.3μmである。そして第二のスルービア52から5μm離れたところに、第一のスルービア53を配置した。この第一のスルービア53の形状は第二のスルービア51または52と同じである。ここではシングルダマシン法を用いており、この第一のスルービア53は上層の配線または下層の配線とは繋がっていない。
【0038】
なお、第二のスルービア51、52および第一のスルービア53は、配線1および6と同じくTaNをバリアメタルとしたCu導体層の埋め込みで形成されるものである。また、引き出し配線6も配線1と同じプロセスで形成されるもので、その配線幅は5μmである。
【0039】
この配線1の信頼性を調べ、従来型の配線と比較するために寿命試験を行った。用いた従来型の配線構造は図6に示すものであり、ここでは配線幅0.3μmのものを用いた。これは図3と較べると第一のスルービア53がないもので、他の構造は図3と全て同じである。
【0040】
寿命試験の温度は250℃で、加速電流は3.6mAを流し続けて行った。このとき、電流は第二のスルービア51からスルービア52に向かって流した。なお、この加速電流の値は試験する配線1において電流密度3×106 A/cm2 に相当する。図7に寿命試験中の経過時間に対する配線抵抗の変化を示す。この結果から、一般に寿命推定に使われるBlackの式を用いて実際の使用条件として110℃、1×106 A/cm2 における寿命を推定すると、従来例では9年であったものが、本発明により16.5年に延びることがわかった。すなわち、従来型の配線構造と比較して、本発明による配線構造ではボイドが形成しても拡大しにくいため、寿命が約1.8倍に延びていることがわかる。
【0041】
〔実施例2〕
本実施例では、デュアルダマシン法を用いて銅配線を作製した例を示す。図4に、用いた配線構造を示す。高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層1b、6bは実施例1と同様に厚さ40nmのTaNを用い、これにCu最上層1a、6aをめっき法で埋め込んでいる。配線の高さも同じく0.4μmであるが、配線の幅は1a、6aでそれぞれ0.9μm、8μmである。
【0042】
この配線1の両端には第二のスルービア54、55があり、これを介して上層の配線6と繋がっている。この第二のスルービア54、55はどちらも直径が0.3μmの円柱状で、配線の長手方向と垂直な方向に0.6μm離れて2つ並んだ構造をしている。
【0043】
この試験で用いた配線1の長さは100μmであるが、ここで第二のスルービア55から10μm離れたところに第一のスルービアを、小径化した第一のスルースルービア群56として配置した。この第一のスルービア群56は図4のように、0.6μmピッチで5個配置してある。また、この第一のスルービア群56は長さ1.5μm、幅1.2μmの上層の配線61と繋がっているが、この配線61は他の配線とは電気的には繋がっておらず独立している。
【0044】
なお、第一のスルービアを小径化した第一のスルービア群56の数の効果を調べるために、図5に示すように2個だけ配線幅方向に並べた配線についても寿命試験を行った。第一のスルービア群56のスルービアの数以外の配線構造、構成は図4と同じである。
【0045】
本構造を用いて実施例1と同様の寿命試験を行った。試験条件は250℃で、電流は12mAを第二のスルービア54からスルービア55に向かって流し続けた。この電流は、配線1において電流密度3.3×106 A/cm2 に相当する。また、実施例1と同じく、第一のスルービア群56のない従来型の配線も作製して両者の比較を行った。図8に、実施例2の寿命試験中の経過時間に対する配線抵抗の変化を示す。
【0046】
この結果を、実施例1と同じようにBlackの式を用いて実使用条件における寿命を推定すると、平均寿命が81年から97年に延びたことに相当している。すなわち、配線の抵抗が上昇し始めるまでの時間は従来のものより約20%延びることがわかった。なお、第一のスルービア群56のスルービアの数を2個にしたものの平均寿命は約8%の延びに相当する。
【0047】
実施例1と較べると寿命の延び方が少ないが、第一のスルービア群の配置を変更することでさらに延びることは容易に考察できる。
【0048】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、配線の上部に繋がった第一のスルービアを設けることで、エレクトロマイグレーションによって生じるボイドの拡大を阻止することができる。このことにより、配線の断線や抵抗値の上昇に至るまでの時間を延ばすことができ、半導体装置の信頼性向上に大きく寄与する。
【0049】
また、本発明は、集積回路作製プロセスを一切変更する必要がない上に、回路の動作と関係のないところのレイアウトを変更することで達成できるので、信頼性の向上にあわせ、コストダウンに寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の効果を示す断面図(その1)。
【図2】 本発明の効果を示す断面図(その2)。
【図3】 実施例1を説明する断面図。
【図4】 実施例2を説明する断面図(その1)。
【図5】 実施例2を説明する断面図(その2)。
【図6】 従来型の配線構造を示す断面図。
【図7】 実施例1の、寿命試験中の配線抵抗の変化を示す図。
【図8】 実施例2の、寿命試験中の配線抵抗の変化を示す図。
【図9】 TEMでのその場観察を示す模式断面図。
【符号の説明】
1、6および61 配線
1aおよび6a 銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀または銀合金からなる最上層
1bおよび6b 高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層
2 絶縁膜
2a SiO2
2b SiN膜
3 シリコン基板
4 ボイド
5 スルービア
51、52、54、55 配線同士を接続する第二のスルービア
53 第一のスルービア
56 第一のスルービア群
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device effective for improving the reliability of wiring used in an integrated circuit, particularly for improving electromigration resistance.
[0002]
With the recent high integration and miniaturization of LSIs, especially in logic LSIs, the performance of multilayer wiring is rapidly gaining importance as a major factor governing the performance of LSIs themselves. The current wiring is mainly a multilayer film wiring mainly composed of an aluminum alloy film. In practical LSI, 5 to 6 wirings are laminated. Further, in order to reduce the wiring delay and improve the performance, a high-density current as high as 10 5 A / cm 2 flows in these wirings. On the other hand, it is known that under such a high current density condition, a so-called electromigration phenomenon (EM phenomenon) in which metal atoms in the wiring move to generate voids or hillocks is likely to occur. This EM phenomenon causes a disconnection of wiring or a short circuit between adjacent wirings, leading to a decrease in LSI reliability.
[0003]
[Prior art]
In order to achieve high performance and high reliability of integrated circuits, attempts have been made to use copper wiring instead of wiring using conventional aluminum alloy, and it is being put into practical use. This is because the wiring resistance can be reduced because the specific resistance of copper is lower than that of aluminum alloy. In addition, the copper wiring is promising to be produced by the damascene process, and is actively researched and developed.
[0004]
Furthermore, it is estimated that the electromigration resistance is about 10 times higher than that of the aluminum alloy because the melting point of copper is higher than that of the aluminum alloy.
[0005]
On the other hand, various means have been studied and disclosed as a method for making the time until a wiring failure due to electromigration occurs longer than before. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 10-256364, an Al—Si—Cu alloy film is provided on the uppermost layer of the wiring, so that the wiring is disconnected by using an aluminum supply source that was not provided in the conventional structure without this film. The time to reach is lengthened.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventor performed in-situ observation using a TEM (transmission electron microscope) of how the wiring deteriorated due to the EM phenomenon using the copper wiring produced by the damascene process. The result is schematically shown in FIG.
[0007]
The copper wiring used here is a single layer wiring having a width of 0.2 μm, a height of 0.45 μm, and a length of 70 μm. Tantalum nitride (TaN) having a thickness of 25 nm is attached as a barrier metal to both side surfaces and the bottom surface of the wiring. On the upper surface of the wiring, silicon nitride (SiN) having a thickness of 50 nm is laminated as an insulating film and to prevent diffusion of copper.
[0008]
When a current of 4.5 mA was passed through the wiring, it was observed that a void was generated from the interface between SiN and copper (Cu) near the cathode end after about 1 hour. This current of 4.5 mA corresponds to a current density of 5 × 10 6 A / cm 2 in Cu metal. This is a severe condition of about 50 times the current in practical use.
[0009]
Thereafter, it was observed that the void did not spread downward or expanded along the grain boundary in the Cu metal, but rapidly expanded along the interface between SiN and Cu. Along with that, the wiring resistance increased, and finally it was broken.
[0010]
That is, when a void is generated, the proportion of Cu metal in the wiring cross section locally decreases in the void area. Therefore, the current is concentrated on this portion. When the size of the void continues to expand in the cross-sectional direction or the wiring width direction, the current concentration is further accelerated, and eventually Joule heat is generated, leading to Cu melting. This is considered to be a process leading to disconnection.
[0011]
From this, it is clear that the electromigration resistance of Cu wiring is affected by the ease of diffusion of atoms at the interface between SiN and Cu, which is an insulating film, rather than the inherent properties of Cu such as grain boundaries and melting points. became. Since the deterioration at the interface eventually leads to disconnection of the wiring, it is necessary to prevent the generation and expansion of voids at the interface between the insulating film and Cu.
[0012]
As a means for preventing the generation and expansion of voids at the interface between the insulating film and Cu, for example, a method of covering not only the side surface and the bottom surface of the Cu wiring but also the upper surface with a barrier metal is conceivable. Such a method is disclosed in Japanese Laid-Open Patent Publication No. Hei 6-275612, a manufacturing method of an integrated circuit, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 9-55427, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 7-263589 and the like.
[0013]
However, these methods have the following drawbacks.
[0014]
First of all, there is a drawback that the manufacturing process is complicated and many. In a normal damascene process, after depositing a barrier material and a conductive material such as copper or aluminum in an opening formed on a substrate, the conductive material other than the opening is removed by CMP or the like.
[0015]
However, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 6-275612, it is necessary to remove with good control so that the copper surface of the opening is a step lower than the surroundings. After this, it is said that it is necessary to deposit a barrier material and perform another CMP. Obviously, this increases the number of processes than usual, resulting in high manufacturing costs.
[0016]
Secondly, as disclosed in JP-A-6-275612, the upper surface of copper, which is a conductive material, is made lower than the periphery of the opening so that a barrier material is placed thereon. The rate is low. For this reason, the wiring resistance is higher than that of a structure manufactured by a normal damascene process. As a result, the performance of the integrated circuit is degraded.
[0017]
In view of the above points, the present invention has an object to provide a simple technique that can increase the electromigration resistance of a copper wiring produced mainly by a damascene process.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies by the present inventors to solve the problem, the above-described problem has a wiring and a first through via connected to the wiring and electrically independent from the other wiring. The wiring has an upper surface covered with an insulating film, and has an uppermost layer made of copper or a copper alloy, and a lowermost layer made of a refractory metal or a refractory metal nitride covering the side and bottom surfaces of the uppermost layer. a multilayer film, said first through vias are embedded in the same layer configuration as the multilayer film, and in close contact with the top layer which is exposed to the bottom of the opening that is opened in the insulating film, wherein This is solved by providing a semiconductor device characterized in that it is arranged only on the cathode side of the uppermost layer .
[0019]
That is, in the semiconductor device of the present invention, the other wiring has a first through-via you are electrically independent, so as to constitute on the wiring made from the multi-layer film. Thus, even if a void is generated at the interface between the insulating film and the uppermost layer due to electromigration and spreads along the interface, the barrier metal and the uppermost layer made of the refractory metal or refractory metal nitride are formed. Because of the good adhesion at the interface, the expansion of the void is prevented, and the growth of the void stops there.
[0020]
In addition, the above-described problem can be solved by using a semiconductor device in which the opening has a width exceeding the width of the wiring, and the first through-through via is expanded in the width direction of the wiring.
[0021]
That is, in the semiconductor device of the present invention, the width of the opening exceeds the width of the wiring, and the first through via is configured to be a semiconductor device bulging in the width direction of the wiring. By doing so, the cross section of the wiring in the portion in contact with the first through via is completely surrounded by the refractory metal or refractory metal nitride as the barrier metal, and the electromigration causes the insulating film and the uppermost layer to be surrounded. Even if a void is generated at the interface and spreads along the interface, the expansion of the void is prevented because the adhesiveness is good at the interface between the barrier metal made of refractory metal or refractory metal nitride and the uppermost layer, and the wiring Void growth stops there because it is the first through via with a diameter that exceeds the width of. Therefore, an increase in wiring resistance is suppressed, and electromigration resistance is increased.
[0024]
FIG. 1 shows an example in which a wiring is manufactured by a single damascene method according to the present invention.
[0025]
First, a first through via is formed on the wiring. A barrier metal that is a high melting point adhesive layer such as TaN or TiN is used at the bottom of the first through via, and the upper portion of the cross section of the uppermost layer in contact with the barrier metal is covered with the barrier metal. Therefore, as observed by in-situ observation, even if voids are generated at the interface between the insulating film and the uppermost layer due to electromigration and spread along the interface, the adhesion at the interface between the barrier metal and the uppermost layer is good. Voids are prevented from expanding and growth stops there. Therefore, an increase in resistance is suppressed and electromigration resistance is increased. FIG. 2 shows an example in which wiring is manufactured by the dual damascene method according to the present invention. The first through via is formed simultaneously with the second through via. For this reason, it is sufficient to produce the second through via at the same time, and the number of processes does not increase particularly.
[0026]
In the first through via as shown in FIGS. 1 and 2, voids can be generated in various places. Therefore, if as many as possible are installed along the longitudinal direction of one wiring, the voids are enlarged. It is effective in suppressing both occurrence and occurrence.
[0027]
In addition, voids are usually easily generated at the cathode end of the wiring. For this reason, when many first through vias cannot be arranged at an arbitrary position in the wiring layout, it is preferable to place them on the cathode side or the side that has a high probability of becoming a cathode.
[0028]
As shown in FIG. 1, the shape of the first through via needs to be large enough to cover the width direction of the wiring to be connected in order to completely prevent the void from expanding. If the first through via is cylindrical or conical, the diameter of the bottom surface of the first through via may be equal to or greater than the wiring width. As a result, the cross section of the wiring in the portion in contact with the first through via is completely surrounded by the barrier metal, which is the lowermost layer made of refractory metal or refractory metal nitride, and the expansion of the void can be prevented.
[0029]
However, if the width of the wiring is wide or the width of the first through via cannot be made too large for the convenience of the process, as shown in FIG. You may arrange. In this case, assuming that the void extends to the wiring width, it is desirable that the contact surface between the first through via and the wiring extends to the entire wiring width as viewed from the length direction of the wiring.
[0030]
Further, it is desirable that the distance in the longitudinal direction of the wiring is within about twice the width of the wiring. By doing in this way, even if the void that has expanded to the wiring width in the worst case expands, the expansion can be effectively prevented.
[0031]
In the above description, the material of the uppermost layer is not particularly specified, but any of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, silver, or silver alloy is effective.
[0032]
Like the semiconductor device of the present invention, there is an advantage that the reliability can be improved only by arranging the first through via on the wiring, and at the same time, there is no need to change the conventional wiring manufacturing process at all. However, it is extremely effective from the viewpoint of cost.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these.
[0034]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a structure of a copper wiring produced by a single damascene method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a cross-sectional view showing a conventional wiring structure. In the figure, 1 and 6 are wirings, 1a and 6a are copper (Cu) films as the uppermost layer, 1b and 6b are TaN with a thickness of 40 nm as the lowermost layer made of refractory metal or refractory metal nitride. 2 shows an insulating film, 51 and 52 show a second through via, and 53 shows a first through via, respectively.
[0035]
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component shown in a figure corresponding to FIG. 6 which shows a prior art example.
[0036]
[Example 1]
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the first embodiment. The copper wiring shown in this figure was produced by a single damascene method. The Cu film as the uppermost layer shown by 1a and 6a was formed by a plating method, and TaN was formed by the sputtering method as the lowermost layer made of a refractory metal or refractory metal nitride as a barrier metal shown by 1b and 6b. .
[0037]
The formed uppermost layer 1a has a width of 0.3 μm and a height of 0.4 μm. The uppermost layer 1a is connected to second through vias 51 and 52 that connect the wirings at both ends, and is connected to the upper wiring 6. Here, the distance between the second through vias 51 and 52 is 100 μm. The second through vias 51 and 52 have a cylindrical shape, a height of 0.4 μm, and a diameter of 0.3 μm. Then, the first through via 53 was arranged at a distance of 5 μm from the second through via 52. The shape of the first through via 53 is the same as that of the second through via 51 or 52. Here, a single damascene method is used, and the first through via 53 is not connected to an upper layer wiring or a lower layer wiring.
[0038]
The second through vias 51 and 52 and the first through via 53 are formed by embedding a Cu conductor layer using TaN as a barrier metal, similarly to the wirings 1 and 6. The lead-out wiring 6 is also formed by the same process as the wiring 1, and the wiring width is 5 μm.
[0039]
The reliability of the wiring 1 was examined, and a life test was performed in order to compare with the conventional wiring. The conventional wiring structure used is shown in FIG. 6, and a wiring structure having a wiring width of 0.3 μm is used here. Compared with FIG. 3, the first through via 53 is not provided, and all other structures are the same as FIG.
[0040]
The temperature of the life test was 250 ° C., and the acceleration current was continuously applied at 3.6 mA. At this time, current flowed from the second through via 51 toward the through via 52. The value of the acceleration current corresponds to a current density of 3 × 10 6 A / cm 2 in the wiring 1 to be tested. FIG. 7 shows the change in wiring resistance with respect to the elapsed time during the life test. From this result, when the life at 110 ° C. and 1 × 10 6 A / cm 2 is estimated as the actual use condition using the Black equation generally used for life estimation, the conventional example is 9 years. The invention has been found to extend to 16.5 years. That is, it can be seen that the life of the wiring structure according to the present invention is about 1.8 times longer than that of the conventional wiring structure because it is difficult to expand even if voids are formed.
[0041]
[Example 2]
In this embodiment, an example in which a copper wiring is manufactured using a dual damascene method is shown. FIG. 4 shows the wiring structure used. The lowermost layers 1b and 6b made of a refractory metal or a refractory metal nitride use TaN having a thickness of 40 nm as in the first embodiment, and the Cu uppermost layers 1a and 6a are embedded therein by a plating method. The wiring height is also 0.4 μm, but the wiring width is 0.9 μm and 8 μm for 1a and 6a, respectively.
[0042]
Second through vias 54 and 55 are provided at both ends of the wiring 1, and are connected to the upper wiring 6 through the second through vias 54 and 55. Each of the second through vias 54 and 55 has a cylindrical shape with a diameter of 0.3 μm, and has a structure in which two are spaced apart by 0.6 μm in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the wiring.
[0043]
The length of the wiring 1 used in this test is 100 μm, but the first through via is arranged as a first through through via group 56 having a reduced diameter at a distance of 10 μm from the second through via 55. As shown in FIG. 4, five first through via groups 56 are arranged at a pitch of 0.6 μm. The first through via group 56 is connected to an upper wiring 61 having a length of 1.5 μm and a width of 1.2 μm. However, the wiring 61 is not electrically connected to other wirings and is independent. ing.
[0044]
In order to examine the effect of the number of first through via groups 56 in which the diameters of the first through vias were reduced, a life test was performed on only two wires arranged in the wiring width direction as shown in FIG. The wiring structure and configuration other than the number of through vias of the first through via group 56 are the same as those in FIG.
[0045]
A life test similar to that in Example 1 was performed using this structure. The test condition was 250 ° C., and a current of 12 mA was continuously applied from the second through via 54 toward the through via 55. This current corresponds to a current density of 3.3 × 10 6 A / cm 2 in the wiring 1. Further, as in Example 1, a conventional wiring without the first through via group 56 was also produced and compared. FIG. 8 shows the change in wiring resistance with respect to the elapsed time during the life test of Example 2.
[0046]
When this result is used to estimate the life under actual use conditions using the Black equation in the same manner as in Example 1, this corresponds to an increase in the average life from 81 years to 97 years. That is, it has been found that the time until the wiring resistance starts to increase is about 20% longer than the conventional one. The average life of the first through via group 56 with two through vias corresponds to an extension of about 8%.
[0047]
Compared with the first embodiment, the lifetime is less likely to be extended, but it can be easily considered that the lifetime is further extended by changing the arrangement of the first through via group.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by providing the first through via connected to the upper part of the wiring, it is possible to prevent the expansion of voids caused by electromigration. As a result, it is possible to extend the time until the wiring breaks and the resistance value increases, which greatly contributes to improving the reliability of the semiconductor device.
[0049]
In addition, the present invention does not require any changes to the integrated circuit manufacturing process, and can be achieved by changing the layout that is not related to the operation of the circuit, thus contributing to the improvement of reliability and cost reduction. There is a lot to do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the effect of the present invention (part 1).
FIG. 2 is a sectional view showing the effect of the present invention (part 2).
3 is a cross-sectional view illustrating Example 1. FIG.
4 is a cross-sectional view illustrating a second embodiment (No. 1). FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a second embodiment (No. 2).
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a conventional wiring structure.
7 is a graph showing a change in wiring resistance during a life test in Example 1. FIG.
8 is a graph showing a change in wiring resistance during a life test in Example 2. FIG.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing in-situ observation with a TEM.
[Explanation of symbols]
1, 6 and 61 Wirings 1a and 6a Top layers 1b and 6b made of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, silver or silver alloy Bottom layer 2 made of refractory metal or refractory metal nitride 2 Insulating film 2a SiO 2 film 2 b SiN film 3 Silicon substrate 4 Void 5 Through vias 51, 52, 54, 55 Second through via 53 for connecting wirings First through via 56 First through via group

Claims (3)

配線と、前記配線に接続され、他の配線とは電気的に独立している第一のスルービアとを有し、
該配線は、上面が絶縁膜で覆われ、銅または銅合金からなる最上層と、前記最上層の側面及び底面を覆い、高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層とを有する多層膜からなり、
該第一のスルービアは、該多層膜と同一の層構成で埋め込まれており、該絶縁膜に開設された開口の底面に表出した該最上層に密着しており、前記最上層のカソード側のみに配置されていることを特徴とする半導体装置。
A wiring and a first through via connected to the wiring and electrically independent from the other wiring;
The wiring is a multilayer film having an upper surface covered with an insulating film and having a top layer made of copper or a copper alloy and a bottom layer made of a refractory metal or a refractory metal nitride covering the side and bottom surfaces of the top layer. Consists of
The first through via is embedded in the same layer configuration as the multilayer film, is in close contact with the uppermost layer exposed on the bottom surface of the opening formed in the insulating film, and is on the cathode side of the uppermost layer A semiconductor device characterized in that the semiconductor device is arranged only in the semiconductor device.
前記開口は、幅が前記配線の幅を超えており、前記第一のスルービアは、該配線の幅方向に膨出していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 1, wherein a width of the opening exceeds a width of the wiring, and the first through via bulges in a width direction of the wiring. 配線と、前記配線に接続され、他の配線とは電気的に独立している第一のスルービアとを有し、
該配線は、上面が絶縁膜で覆われ、銅または銅合金からなる最上層と、前記最上層の側面及び底面を覆い、高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層とを有する多層膜からなり、
該第一のスルービアは、該多層膜と同一の層構成で埋め込まれており、該絶縁膜に開設された開口の底面に表出した該最上層との接面を有しており、前記接面は、該配線の幅方向に少なくとも2個並んで配置されていることを特徴とする半導体装置。
A wiring and a first through via connected to the wiring and electrically independent from the other wiring;
The wiring is a multilayer film having an upper surface covered with an insulating film and having a top layer made of copper or a copper alloy and a bottom layer made of a refractory metal or a refractory metal nitride covering the side and bottom surfaces of the top layer. Consists of
The first through via is embedded in the same layer structure as the multilayer film, and has a contact surface with the uppermost layer exposed on the bottom surface of the opening formed in the insulating film. 2. A semiconductor device, wherein at least two surfaces are arranged side by side in the width direction of the wiring .
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