JP5804664B2

JP5804664B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP5804664B2
Application number: JP2007274043A
Authority: JP
Inventors: 聡蔭山
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2027-10-22
Also published as: JP2009105147A

Description

この発明は、微細な配線を有する半導体装置に関する。

半導体装置は、トランジスタなどの素子が作り込まれた半導体基板上に、Ａｌ（アルミニウム）またはＣｕ（銅）などの金属材料からなる配線を備えている。
具体的には、素子が作り込まれた半導体基板上には、絶縁性材料からなる層間絶縁膜が積層され、金属材料からなる配線は、その層間絶縁膜上に所定のパターンで形成されている。たとえば、配線材料としてＡｌが用いられる場合、このＡｌからなる配線は、層間絶縁膜の平坦な表面上に形成される。また、配線材料としてＣｕが用いられる場合、このＣｕからなる配線は、いわゆるダマシン法により、層間絶縁膜の表面に所定のパターンで形成された溝に埋設される。配線の表面は、絶縁性材料からなる第２の層間絶縁膜またはパッシベーション膜により被覆されている。
特開２００１−３２６３２５号公報

配線を被覆する層間絶縁膜またはパッシベーション膜は、配線の形成後に、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長）法によって形成される。ＣＶＤ法による層間絶縁膜またはパッシベーション膜の形成は、ＣＶＤ装置内において、３００〜４００℃の高温下で行われる。そのため、層間絶縁膜またはパッシベーション膜の形成後、半導体装置は、ＣＶＤ装置から取り出されることにより、室温で急激に冷却される。このとき、配線の材料である金属と層間絶縁膜またはパッシベーション膜の材料である絶縁性材料との熱収縮率が大きく異なるために、配線の収縮が層間絶縁膜またはパッシベーション膜により阻止される。その結果、配線には、配線と層間絶縁膜またはパッシベーション膜との熱収縮差による大きなストレスがかかる。

従来の半導体装置では、配線幅が大きく形成され、また、配線がＡｌとＴｉ（チタン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＴｉＷ（チタンタングステン）、Ｔａ（タンタル）、ＴａＮ（窒化タンタル）等の高融点金属とを積層して構成されていたので、配線と層間絶縁膜またはパッシベーション膜との熱収縮差に起因するストレスが配線に生じても、配線の断線を生じることがなかった。

しかし、配線の微細化を図るため、配線幅を０．４μｍ以下にすると、配線と層間絶縁膜またはパッシベーション膜との熱収縮差に起因するストレスが配線に生じたときに、配線の断線を生じることがわかった。
そこで、本発明の目的は、配線幅が０．４μｍ以下であっても、ストレスによる配線の断線の発生を防止することができる、半導体装置を提供することである。

前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、半導体層と、前記半導体層上に形成された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜の平坦な表面上に形成され、０．４μｍ以下の配線幅を有し、かつ、Ａｌを主に含む金属材料からなる配線と、前記配線の少なくとも一方の側面から配線幅方向に平面視略半円形状に張り出すように、前記第１絶縁膜の平坦な表面上に前記配線と一体的に形成され、かつ、前記配線に沿う方向に１００μｍ以上３００μｍ以下の間隔を空けて複数形成された幅広部と、前記配線を被覆するように前記第１絶縁膜上に形成された第２絶縁膜と、を備え、前記配線が延びる方向に直交する方向において、前記配線の配線幅に前記幅広部の幅を加えた幅は、前記配線の配線幅の２倍であり、前記配線が延びる方向における前記幅広部の長さは、互いに隣り合う２つの前記幅広部の間の配線の長さよりも短い、半導体装置である。
この構成によれば、半導体層上には、第１絶縁膜が形成されている。第１絶縁膜の平坦な表面上には、０．４μｍ以下の配線幅を有し、かつ、Ａｌを主に含む金属材料からなる配線が形成されている。配線には、配線の少なくとも一方の側面から配線幅方向に平面視略半円形状に張り出す幅広部が一体的に形成されている。この幅広部は、配線に沿う方向に１００μｍ以上３００μｍ以下の間隔を空けて複数設けられている。第１絶縁膜上には、配線を被覆するように第２絶縁膜が形成されている。
配線が延びる方向に直交する方向において、配線の配線幅に幅広部の幅を加えた幅は、配線の配線幅の２倍である。そして、配線が延びる方向における幅広部の長さは、互いに隣り合う２つの幅広部の間の配線の長さよりも短く設定されている。これにより、配線上に第２絶縁膜が形成された後、配線と第２絶縁膜との熱収縮差に起因するストレスが配線に生じても、そのストレスを平面視略半円形状の幅広部で吸収することができる。その結果、ストレスによる配線の断線の発生を良好に防止することができるから、配線幅が０．４μｍ以下であっても、ストレスによる配線の断線の発生を防止することができる半導体装置を提供できる。なお、第２絶縁膜は、たとえば、層間絶縁膜やパッシベーション膜等であってもよい。
また、幅広部間の間隔が３００μｍ以下にされることにより、２つの幅広部間において配線に生じるストレスを両幅広部で良好に吸収することができる。また、幅広部間の間隔が１００μｍ以上にされることにより、幅広部が配線の微細化の妨げとなるのを防止することができる。

請求項２に記載のように、前記幅広部は、等間隔で配置されていることが好ましい。幅広部が等間隔で配置されていることにより、配線にストレスの集中する部分が生じるのを防止することができる。そのため、ストレスによる配線の断線の発生をより良好に防止することができる。請求項３に記載のように、前記第１絶縁膜は、ＳｉＯ _２を含んでいてもよい。請求項４に記載のように、前記第２絶縁膜は、ＳｉＯ _２を含んでいてもよい。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
半導体装置１は、半導体層としての半導体基板２を備えている。この半導体基板２は、たとえば、Ｓｉ（シリコン）基板からなる。半導体基板２の表層部には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの素子が作り込まれている。

半導体基板２上には、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）からなる本発明の第１絶縁膜の一例としての第１層間絶縁膜３が形成されている。第１層間絶縁膜３は、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長）法によって形成される。
第１層間絶縁膜３には、所定のパターンの配線溝４がその上面から掘り下げて形成されている。配線溝４には、Ｃｕからなる配線５が埋設されている。配線５は、ダマシン法によって形成される。また、配線５の側面および底面は、Ｃｕの拡散に対するバリア性を有するＴａ（タンタル）系材料からなるバリア膜６により覆われている。バリア膜６は、たとえば、スパッタ法により形成される。なお、Ｔａ系材料としては、たとえば、ＴａまたはＴａＮ（窒化タンタル）を例示することができる。

第１層間絶縁膜３および配線５上には、Ｃｕの拡散に対するバリア性を有するＳｉＣ（炭化シリコン）からなるバリア膜７が形成されている。また、バリア膜７上には、ＳｉＯ_２からなる本発明の第２絶縁膜の一例としての第２層間絶縁膜８が積層されている。バリア膜７および第２層間絶縁膜８は、たとえば、ＣＶＤ法によって形成される。
図２は、配線５の形状を示すための図解的な平面図である。

配線５は、第１層間絶縁膜３上において、所定方向Ａに延びて形成されている。配線５には、複数の幅広部９が一体的に形成されている。幅広部９は、所定方向Ａに等間隔Ｄで形成されている。各幅広部９は、配線５の側面から配線５の幅方向（所定方向Ａと直交する方向）両側に平面視略半円形状に張り出している。配線５の配線幅Ｗ１は、０．４μｍｍ以下である。配線５が延びる方向に直交する方向において、配線５の配線幅Ｗ１に幅広部９の幅を加えた幅Ｗ２は、配線５の配線幅Ｗ１の約２倍である。たとえば、配線５の配線幅Ｗ１が０．４μｍである場合、配線５の配線幅Ｗ１に幅広部９の幅を加えた幅Ｗ２は０．８μｍである。

これにより、配線５上に第２層間絶縁膜８が形成された後、配線５と第２層間絶縁膜８との熱収縮差に起因するストレスが配線５に生じても、そのストレスを幅広部９で吸収することができる。その結果、ストレスによる配線５の断線の発生を防止することができる。
幅広部９間の間隔Ｄは、１００μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。間隔Ｄが３００μｍ以下にされることにより、２つの幅広部９間において配線５に生じるストレスを両幅広部９で良好に吸収することができる。また、間隔Ｄが１００μｍ以上にされることにより、幅広部９が配線５の微細化の妨げとなるのを防止することができる。

また、幅広部９が等間隔Ｄで配置されていることにより、配線５にストレスの集中する部分が生じるのを防止することができる。そのため、ストレスによる配線５の断線の発生をより良好に防止することができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、配線５は、Ａｌ（アルミニウム）を含む金属材料で形成されていてもよい。その場合、第１層間絶縁膜３に配線溝４が形成されず、第１層間絶縁膜３のほぼ平坦な表面上に配線５が所定のパターンで形成されてもよい。
また、幅広部９は、必ずしも等間隔Ｄで形成されなくてもよく、不規則なピッチで形成されていてもよい。

また、幅広部９は、配線５の側面から配線５の両側に張り出しているとしたが、一方側にのみ張り出した形状に形成されていてもよい。
つまり、他の形態に係る半導体装置１は、半導体層２を含む。半導体層２上には、第１層間絶縁膜３（たとえばＳｉＯ _２膜）が形成されている。第１層間絶縁膜３の平坦な表面上には、０．４μｍ以下の配線幅Ｗ１を有し、かつ、Ａｌを主に含む金属材料からなる配線５が形成されている。第１層間絶縁膜３の平坦な表面上には、配線５の少なくとも一方の側面から配線幅方向Ａに平面視略半円形状に張り出す幅広部９が、配線５と一体的に形成されている。幅広部９は、配線５に沿う方向に所定間隔（１００μｍ以上３００μｍｍ以下）を空けて複数形成されている。幅広部９は、配線５に沿う方向に等間隔Ｄで形成されていてもよい。
配線５の配線幅Ｗ１に幅広部９の幅を加えた幅Ｗ２は、配線５が延びる方向に直交する方向において配線５の配線幅Ｗ１の約２倍であり、配線５が延びる方向における幅広部９の長さは、互いに隣り合う２つの幅広部９の間の配線５の長さよりも短い。この配線５を被覆するように、第２層間絶縁膜８（たとえばＳｉＯ _２膜）が第１層間絶縁膜３上に形成されている。
配線５を被覆する第２層間絶縁膜８は、配線５の形成後に、たとえば、ＣＶＤ法によって形成される。ＣＶＤ法による第２層間絶縁膜８の形成は、ＣＶＤ装置内において、３００〜４００℃の高温下で行われる。そのため、第２層間絶縁膜８の形成後、半導体装置１は、ＣＶＤ装置から取り出されることにより、室温で急激に冷却される。配線５の主たる金属材料であるＡｌと第２層間絶縁膜８の材料である絶縁性材料（たとえばＳｉＯ _２）との熱収縮率が大きく異なっている。そのため、配線５と第２層間絶縁膜８との熱収縮差により、配線５に大きなストレスがかかる。
他の形態に係る半導体装置１によれば、配線５に平面視略半円形状の幅広部９が形成されている。配線５が延びる方向に直交する方向において、配線５の配線幅Ｗ１に幅広部９の幅を加えた幅Ｗ２は、配線５の配線幅Ｗ２の約２倍に設定されている。そして、配線５が延びる方向における幅広部９の長さは、互いに隣り合う２つの幅広部９の間の配線の長さよりも短く設定されている。
これにより、配線５上に第２層間絶縁膜８が形成された後、配線５と第２層間絶縁膜８との熱収縮差に起因するストレスが配線５に生じても、そのストレスを平面視略半円形状の幅広部９で吸収することができる。その結果、ストレスによる配線５の断線の発生を良好に防止することができるから、配線幅が０．４μｍ以下であっても、ストレスによる配線の断線の発生を防止することができる半導体装置１を提供できる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能で
ある。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。図１に示す配線の図解的な平面図である。

符号の説明

１半導体装置
２半導体層
３第１層間絶縁膜（層間絶縁膜）
５配線
９幅広部
Ｄ間隔
Ｗ１配線幅

Claims

半導体層と、
前記半導体層上に形成された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜の平坦な表面上に形成され、０．４μｍ以下の配線幅を有し、かつ、Ａｌを主に含む金属材料からなる配線と、
前記配線の少なくとも一方の側面から配線幅方向に平面視略半円形状に張り出すように、前記第１絶縁膜の平坦な表面上に前記配線と一体的に形成され、かつ、前記配線に沿う方向に１００μｍ以上３００μｍ以下の間隔を空けて複数形成された幅広部と、
前記配線を被覆するように前記第１絶縁膜上に形成された第２絶縁膜と、を備え、
前記配線が延びる方向に直交する方向において、前記配線の配線幅に前記幅広部の幅を加えた幅は、前記配線の配線幅の２倍であり、
前記配線が延びる方向における前記幅広部の長さは、互いに隣り合う２つの前記幅広部の間の配線の長さよりも短い、半導体装置。
前記幅広部は、等間隔で配置されている、請求項１に記載の半導体装置。
前記第１絶縁膜は、ＳｉＯ _２を含む、請求項１または２に記載の半導体装置。
前記第２絶縁膜は、ＳｉＯ _２を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。