JP6361464B2 - 配線構造 - Google Patents

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Description

本発明は、配線構造に関する。
近年、電子機器に対する小型化、高性能化及び低価格化等の要求に伴い、半導体チップの微細化、多端子化、半導体チップを搭載する回路基板の微細化、多層化、及び、回路基板上での半導体チップや電子部品の高密度実装化が進められている。
なお、均一な材料からなるシード膜やめっき下地層を工夫することで、平坦性を確保したり、エレクトロマイグレーションを防止したりする技術がある。また、絶縁膜と配線との間に均一な材料からなる応力緩和層を設けることで、配線の剥がれ等を防止する技術もある。また、複数の貫通導体が平面視で重なることによる応力を緩和すべく、一部の貫通導体を弾性率が低い錫を主成分とする均一な金属材料からなるものとして、クラック等の発生を抑制する技術もある。また、スルーホールに、銅などの均一な金属材料をめっきした後、その内部に発生した応力を吸収しうる他の金属材料を均一に埋め込むことで、クラック等が発生するのを防止する技術もある。
特開2003−124216号公報 特開2005−54257号公報 特開2003−51500号公報 特開2011−222945号公報 特開平11−177236号公報
しかしながら、ビアの微細化が進むにつれて、温度が変化した際の応力の影響が大きくなり、ビアと配線の間で応力による断線不良等が生じてくることがわかった。
特に、温度が変化した際にビアと配線の界面に応力が集中し、断線不良等が生じることがわかった。
このように、温度が変化した際に断線不良等が生じてしまうと、信頼性を低下させることになる。
そこで、温度が変化した際にビアと配線の界面に集中する応力を緩和できるようにし、信頼性の高い配線構造を実現したい。
本配線構造は、第1配線と、第2配線と、第1配線と第2配線とを接続するビアとを備え、ビアは、第1配線及び第2配線の材料と同一の材料と、第1配線及び第2配線の材料と異なる材料とを含み、第1配線及び第2配線の材料と異なる材料の割合が第1配線の側及び第2配線の側で高くなっており、第1配線及び第2配線の材料と異なる材料は、第1配線及び第2配線の材料と同一の材料の中に分散している。
本配線構造は、第1配線と、第2配線と、第1配線と第2配線とを接続するビアとを備え、ビアは、第1配線及び第2配線の材料と同一の材料と、第1配線及び第2配線の材料と異なる材料とを含み、第1配線及び第2配線の材料と異なる材料の割合が第1配線の側及び第2配線の側で高くなっており、第1配線及び第2配線の材料と異なる材料は、第1配線及び第2配線の材料よりも熱膨張係数の大きい材料である。
本配線構造は、第1配線と、第2配線と、第1配線と第2配線とを接続するビアとを備え、ビアは、第1配線及び第2配線の材料と同一の材料と、第1配線及び第2配線の材料と異なる材料とを含み、第1配線及び第2配線の材料と異なる材料の割合が第1配線の側及び第2配線の側で高くなっており、第1配線及び第2配線の材料と異なる材料は、第1配線及び第2配線の材料よりもヤング率の小さい材料である。
本配線構造は、第1配線と、第2配線と、第1配線と第2配線とを接続するビアとを備え、ビアは、第1配線及び第2配線の材料と同一の材料と、第1配線及び第2配線の材料と異なる材料とを含み、第1配線及び第2配線の材料と異なる材料の割合が第1配線の側及び第2配線の側で高くなっており、第1配線及び第2配線の材料と異なる材料は、第1配線の側及び第2配線の側の外周部に位置する。
したがって、本配線構造によれば、温度が変化した際にビアと配線の界面に集中する応力を緩和でき、信頼性の高い配線構造を実現することができるという利点がある。
第1実施形態にかかる配線構造の構成を示す模式的断面図である。 図2(A)、図2(B)は、従来の配線構造の応力シミュレーションモデルを示しており、図2(C)は、応力シミュレーションで得られた応力分布状態を示している。 図3(A)、図3(B)は、第1実施形態にかかる配線構造の応力シミュレーションモデルを示しており、図3(C)は、応力シミュレーションで得られた応力分布状態を示している。 第1実施形態にかかる配線構造の応力シミュレーションで得られた、熱膨張係数の異なる含有金属を用いた場合の最大相当応力を示す図である。 第1実施形態の変形例にかかる配線構造の構成を示す模式的断面図である。 図6(A)、図6(B)は、第1実施形態の変形例にかかる配線構造の応力シミュレーションモデルを示しており、図6(C)は、応力シミュレーションで得られた応力分布状態を示している。 第2実施形態にかかる配線構造の構成を示す模式的断面図である。 図8(A)、図8(B)は、第2実施形態にかかる配線構造の応力シミュレーションモデルを示しており、図8(C)は、応力シミュレーションで得られた応力分布状態を示している。 第2実施形態にかかる配線構造の応力シミュレーションで得られた、ヤング率の異なる含有金属を用いた場合の最大相当応力を示す図である。
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる配線構造について説明する。
[第1実施形態]
まず、第1実施形態にかかる配線構造について、図1〜図4を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる配線構造は、例えば半導体チップや半導体ウェハなどの半導体装置、あるいは、例えばパッケージ基板やビルドアップ基板などの基板に設けられる配線構造に適用するのが好ましい。
本実施形態にかかる配線構造は、図1に示すように、第1配線1(ここでは上層配線;上部配線層)と、第2配線2(ここでは下層配線;下部配線層)と、第1配線1と第2配線2とを接続するビア3とを備える。
そして、ビア3は、第1配線1及び第2配線2の材料(配線材料)と同一の材料3Aと、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bとを含み、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bの割合が第1配線1の側及び第2配線2の側で高くなっている。つまり、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aに、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bを含ませた材料からなり、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bの割合(濃度)が第1配線1の側(ここでは上側部分)及び第2配線2の側(ここでは下側部分)で高くなるように分布しているビア3で、第1配線1と第2配線2とが接続されている。
本実施形態では、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bは、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXである。つまり、ビア3を、第1配線1の側及び第2配線2の側で、即ち、第1配線1及び第2配線2との界面の近傍で、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料の割合が高くなるものとしている。
これにより、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面(特に外周部)に集中する応力を緩和でき、特に、ビア3と配線1、2の界面に生じる最大応力を低減することができ、信頼性の高い配線構造を実現することができる。例えば、高密度で微細な配線を接続するのに、信頼性の高い微細なビア構造(高性能性ビア)を実現することができる。この場合、ビア3の第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料が設けられている領域は、応力緩和領域として機能する。
また、熱膨張係数の大きい材料を含む材料(例えば配線材料とそれよりも熱膨張係数の大きい材料の合金材料)によって第1配線の側から第2配線の側まで均一になるようにビアを構成する場合と比較して、抵抗の増大を抑えながら、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和することができ、特に、ビア3と配線1、2の界面に生じる最大応力を低減することができる。
また、例えば、熱膨張係数の大きい材料を含む均一な材料からなるシード膜やめっき下地層を用いる場合よりも、抵抗の増大を抑えながら、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和することができ、特に、ビア3と配線1、2の界面に生じる最大応力を低減することができる。つまり、シード膜やめっき下地層は、ビア及び配線に対してボリュームが少なく、厚さも薄いため、熱膨張係数の大きい材料を含む均一な材料をシード膜やめっき下地層に用いても、温度が変化した際にビアと配線の界面に集中する応力を緩和する効果が小さく、特に、ビアと配線の界面に生じる最大応力を低減する効果が小さい。また、応力低減効果を高めるために、熱膨張係数の大きい材料を多く含むものとすると、抵抗が増大してしまい、逆に、抵抗が増大しないように、熱膨張係数の大きい材料を少なくすると、応力低減効果が小さいものとなる。これに対し、本実施形態のように、第1配線1及び第2配線2との界面の近傍で熱膨張係数の大きい材料の割合が高くなるようにしたビア3を用いた場合、ビア3はシード膜等よりもボリュームが大きく、また、熱膨張係数の大きい材料もシード層等よりも広い範囲に分布するため、抵抗の増大を抑えながら、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和する効果を大きくすることができ、特に、ビア3と配線1、2の界面に生じる最大応力を低減する効果を大きくすることができる。
また、ビアホールの中に、配線材料とそれよりも熱膨張係数の大きい材料とを積層(充填)することでビアを構成する場合、配線材料とそれよりも熱膨張係数の大きい材料との熱膨張係数差で発生する応力がこれらの材料の界面に発生し、応力による破損等が起こるおそれがある。これに対し、上述のように構成することで、このような事態が起こるのを防止することができ、信頼性の高い配線構造を実現することが可能となる。
特に、本実施形態では、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXは、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aの中に分散している。つまり、ビア3の第1配線1の側及び第2配線2の側で、即ち、第1配線1及び第2配線2との界面の近傍で、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXの割合が高くなるように、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aの中に第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXが分散している。この場合、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aの中に分散している、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXは、ビア3と配線(ここでは第1配線1及び第2配線2)との界面の近傍に位置することになる。この場合、ビア3の第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXが分散している領域は、応力緩和領域として機能する。
このように、熱膨張係数の大きい材料3BXを分散させることで、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を分散させることができ、特に、ビア3と配線1、2の界面に生じる最大応力を顕著に低減することができる。
これにより、例えば、後述の変形例のように、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bを、第1配線1の側及び第2配線2の側の外周部に位置するように設ける場合よりも、抵抗を増大させずに、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和することができ、特に、ビア3と配線1、2の界面に生じる最大応力を顕著に低減することができる。
また、例えば、熱膨張係数の大きい材料を含む均一な材料からなるシード膜やめっき下地層を用いる場合よりも、抵抗を増大させずに、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を分散させる効果が大きく、応力の集中を緩和することができ、特に、最大応力を顕著に低減することができる。
なお、シード層は、設けても、設けなくても良い。シード層を設ける場合、シード層の膜厚は例えば約30nm〜約100nm程度で薄いため、温度変化時の応力に与える影響は小さい。
また、本実施形態では、配線構造は、第1配線1、第2配線2及びビア3の周囲に設けられた絶縁膜4も備える。そして、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bは、絶縁膜4の材料よりも熱膨張係数の小さい材料3BXである。
ここで、第1配線1及び第2配線2の材料は、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)などの金属材料である。
また、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3B、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXは、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)などの金属材料である。なお、ここでは、金属材料として、電気抵抗の低い金属材料を例示している。これは、できるだけ抵抗の増大を抑えるためである。
ここで、銅(Cu)の熱膨張係数は、約16.5ppm/℃である。また、アルミニウム(Al)の熱膨張係数は、約23.1ppm/℃である。また、銀(Ag)の熱膨張係数は、約18.9ppm/℃である。また、亜鉛(Zn)の熱膨張係数は、約30.2ppm/℃である。また、錫(Sn)の熱膨張係数は、約22ppm/℃である。
このため、例えば、第1配線1及び第2配線2の材料が銅(Cu)の場合、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3B、即ち、第1配線及び第2配線の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXとして、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)のいずれかを用いることができる。つまり、第1配線1及び第2配線2の材料が銅(Cu)の場合、ビア3を、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aである銅(Cu)の中に、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3B、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXとして、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)のいずれかを含ませたものとすれば良い。例えば、ビア3を、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)のいずれかの割合が第1配線1及び第2配線2との界面の近傍で高くなるように、銅(Cu)の中にアルミニウム(Al)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)のいずれかを分散させたものとすれば良い。この場合、銅(Cu)と、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)のいずれかとは、合金化していても良い。例えば、第1配線1及び第2配線2との界面の近傍で、アルミニウム(Al)リッチになっているCu−Al合金、銀(Ag)リッチになっているCu−Ag合金、亜鉛(Zn)リッチになっているCu−Zn合金、錫(Sn)リッチになっているCu−Sn合金であっても良い。
また、例えば、第1配線1及び第2配線2の材料がアルミニウム(Al)の場合、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3B、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXとして、亜鉛(Zn)を用いることができる。つまり、第1配線1及び第2配線2の材料がアルミニウム(Al)の場合、ビア3を、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aであるアルミニウム(Al)の中に、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3B、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXとして、亜鉛(Zn)を含ませたものとすれば良い。例えば、ビア3を、亜鉛(Zn)の割合が第1配線1及び第2配線2との界面の近傍で高くなるように、アルミニウム(Al)の中に亜鉛(Zn)を分散させたものとすれば良い。この場合、アルミニウム(Al)と亜鉛(Zn)とは、合金化していても良い。例えば、第1配線1及び第2配線2との界面の近傍で亜鉛(Zn)リッチになっているAl−Zn合金であっても良い。
また、例えば、第1配線1及び第2配線2の材料が銀(Ag)の場合、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料として、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)を用いることができる。つまり、第1配線1及び第2配線2の材料が銀(Ag)の場合、ビア3を、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aである銀(Ag)の中に、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3B、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXとして、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)のいずれかを含ませたものとすれば良い。例えば、ビア3を、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)のいずれかの割合が第1配線1及び第2配線2との界面の近傍で高くなるように、銀(Ag)の中にアルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)のいずれかを分散させたものとすれば良い。この場合、銀(Ag)と、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)のいずれかとは、合金化していても良い。例えば、第1配線及び第2配線との界面の近傍で、アルミニウム(Al)リッチになっているAg−Al合金、亜鉛(Zn)リッチになっているAg−Zn合金、錫(Sn)リッチになっているAg−Sn合金であっても良い。
また、絶縁膜4は、PI(ポリイミド)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレンポリ四フッ化エチレン)、PFA(テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー)、FEP(フッ化エチレンプロピレンテトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、MCナイロン、ポリアセタール、超高分子ポリエチレン、PPS(ポリフェニレンスルフィド)、ABS(アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体)、フェノール(ノボラック)、エポキシなどの樹脂絶縁膜である。
ここで、PI(ポリイミド)の熱膨張係数は、約10〜約40ppm/℃である。また、PTFE(ポリテトラフルオロエチレンポリ四フッ化エチレン)は、約100ppm/℃である。また、PFA(テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー)は、約120ppm/℃である。また、FEP(フッ化エチレンプロピレンテトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体)は、約90ppm/℃である。また、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)は、約50ppm/℃である。また、MCナイロンは、約65〜約90ppm/℃である。また、ポリアセタールは、約90〜約170ppm/℃である。また、超高分子ポリエチレンは、約170〜約190ppm/℃である。また、PPS(ポリフェニレンスルフィド)は、約26〜約50ppm/℃である。また、ABS(アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体)は、約95ppm/℃である。また、フェノール(ノボラック)は、約30〜約70ppm/℃である。また、エポキシは、約40〜約80ppm/℃である。
このため、絶縁膜4の材料として、これらの樹脂材料のどれを用いるかによって、ビア3に含ませる、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bとして、上述のどの材料を用いるかを決めれば良い。この場合、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bが、絶縁膜4の材料よりも熱膨張係数の小さい材料になっていれば良い。つまり、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bが、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXであり、かつ、絶縁膜4の材料よりも熱膨張係数の小さい材料3BXであれば良い。
ところで、上述のように構成される配線構造に備えられるビア3は、例えば、電解めっき液中に2種以上の金属(配線金属及びこれと異なる金属)を溶解してなるめっき液を用い、電流密度を制御して濃度勾配ができるようにすることで、形成することができる。
例えば、第1配線1及び第2配線2の材料として銅(Cu)を用い、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3B、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXとして亜鉛(Zn)を用い、絶縁膜4として樹脂絶縁膜を用いる場合、配線構造は、例えば、以下のようにして作製することができる。
つまり、下層配線2のランド上にビア3を形成する際に、配線1、2及びビア3の材料であるCuよりも熱膨張係数の大きい材料3BXであるZnをCuに含有させるために、真鍮めっき(ピロリン酸Cu50浴)で、電圧を調整することによってCu中のZn量(Zn容積)を調整し、上下の配線界面付近のZn容積を例えば30%とし、ビア3の中心高さ付近ではZnが含まれないようにして(Zn容積0%)、ビア3を形成し、その上に上層配線1のランドを形成し、樹脂絶縁膜4(例えばJSR社WPR)にてモールドすることで、配線構造(ここではダマシン構造)を作製することができる。この場合、ビア3は、下層配線2の側の下側部分及び上層配線1の側の上側部分で、Cuの割合が70%となり、Znの割合が30%となり、中央部分で、Cuの割合が100%となり、Znの割合が0%となり、Cuからなるビアの中に下層配線2の側の下側部分及び上層配線1の側の上側部分から中央部分へ向けてZnが30%から0%の範囲で分布するものとなる。このようにして、ビア3の下層配線2の側の下側部分及び上層配線1の側の上側部分で、下層配線2及び上層配線1の材料であるCuよりも熱膨張係数の大きい材料3BXであるZnの割合が高くなるようにしている。なお、ビア3をめっきによって形成する前に、例えばTi/Cuからなるシード層を形成しても良い。この場合、Tiは密着層である。
ところで、上述のように構成しているのは、以下の理由による。
つまり、ビアの微細化が進むにつれて、温度が変化した際の応力の影響が大きくなり、ビアと配線の間で応力による断線不良等が生じてくることがわかった。特に、温度が変化した際にビアと配線の界面に応力が集中し、断線不良等が生じることがわかった。このように、温度が変化した際に断線不良等が生じてしまうと、信頼性を低下させることになる。
例えば、従来、LSI再配線、ウェハレベルパッケージ、疑似SOCにおいて、温度変化時の応力(ストレス)に対するビアの信頼性を改善する簡便な技術は提供されていなかった。なぜなら、これまで微細なビアを形成する製品では、絶縁膜の材料として、配線金属材料よりも熱膨張係数が小さい無機絶縁材料(例えばSOG、SiO、SiON、SiNなど;例えば熱膨張係数約10ppm/℃以下)を用いてきたためである。
ところが、低コスト化を図るべく、絶縁膜として樹脂絶縁膜を用いた樹脂埋め込み配線が用いられるようになってきている。そして、樹脂絶縁膜に用いられる樹脂材料の熱膨張係数は、一般に配線金属材料よりも熱膨張係数が大きい。このため、樹脂埋め込み配線において配線の微細化が進み、配線ピッチが例えば約10μm以下となると、ビアも微細化され、ビアと配線の界面での温度変化時の応力の影響が大きくなり、ビアと配線の間で応力による断線不良等が発生する頻度が多くなってきた。特に、ビア径が約10μm以下になると断線不良等の発生頻度が増加する。このように断線不良等の発生頻度が多くなってくると、信頼性を低下させることになる。
ここで、図2(A)、図2(B)は、配線及びビアの材料に銅(Cu)を用い、ビア径を10μmとし、樹脂絶縁膜としてJSR社WPRを用いた従来の樹脂埋め込み配線の温度変化(−65℃〜150℃)時の応力シミュレーションモデルを示しており、図2(C)は、応力シミュレーションで得られた応力分布状態を示している。なお、図2(B)はビアの上面の四分の一の部分を拡大して示している。
図2(C)中、符号X、Yで示す部分、即ち、ビアと配線の界面(特にビアと配線の界面のビア外周部)に、温度変化時に局所的に応力が集中していることが分かる。
そこで、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和できるようにし、信頼性の高い配線構造を実現すべく、上述のような構成を採用している。これにより、温度変化時にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和し、最大応力を顕著に低減することで、低コストで、信頼性の高い微細配線構造を実現することができる。
ここで、図3(A)、図3(B)は、上述の実施形態のようにして作製した配線構造(配線の材料に銅(Cu)を用い、ビアの材料にCu及びZnを用い、下層配線の側及び上層配線の側でCuの割合が70%となり、Znの割合が30%となり、中央部分でCuの割合が100%となり、Znの割合が0%となるものとし、ビア径を10μmとし、樹脂絶縁膜としてJSR社WPRを用いた樹脂埋め込み配線)の温度変化(−65℃〜150℃)時の応力シミュレーションモデルを示しており、図3(C)は、応力シミュレーションで得られた応力分布状態を示している。なお、図3(B)はビアの上面の四分の一の部分を拡大して示している。
上述の従来の配線構造、即ち、配線及びビアの材料に銅(Cu)を用い、ビア径を10μmとし、樹脂絶縁膜としてJSR社WPRを用いた樹脂埋め込み配線よりも、図3(C)中、符号X、Yで示す部分、即ち、ビアと配線の界面(特にビアと配線の界面のビア外周部)に集中する応力が小さくなり、最大応力(最大相当応力;最大ミーゼス応力)が小さくなることが確認できた。具体的には、図4に示すように、熱膨張係数が約16.5ppm/℃である銅(Cu)のみをビアに用いた場合の最大相当応力が約440MPaであったのに対し、熱膨張係数が約30.2ppm/℃である亜鉛(Zn)を含有金属(添加金属)として含むビアを用いた場合の最大相当応力は約428MPaとなり、最大相当応力が小さくなり、応力の集中が少なくなることが確認できた。これにより、ビアの信頼性、ひいては、配線構造の信頼性を向上させることができる。
また、ビアに含ませる材料であるZnを、Cuよりも熱膨張係数の大きな金属材料であるAl、Ag、Snに置き換えた応力シミュレーションモデルで、同様の応力シミュレーションを行なった結果、Znを用いた場合と同様に、最大相当応力が小さくなり、応力の集中も少なくなることが確認できた。具体的には、図4に示すように、熱膨張係数が約16.5ppm/℃である銅(Cu)のみをビアに用いた場合の最大相当応力が約440MPaであったのに対し、熱膨張係数が約23.1ppm/℃であるアルミニウム(Al)を含有金属として含むビアを用いた場合の最大相当応力は約401MPaとなり、また、熱膨張係数が約18.9ppm/℃である銀(Ag)を含有金属として含むビアを用いた場合の最大相当応力は約424MPaとなり、また、熱膨張係数が約22ppm/℃である錫(Sn)を含有金属として含むビアを用いた場合の最大相当応力は約406MPaとなり、いずれの場合も最大相当応力が小さくなり、応力の集中が少なくなることが確認できた。これにより、ビアの信頼性、ひいては、配線構造の信頼性を向上させることができる。
ここで、ビアの中に上述の各金属を含有させることによるビアの抵抗変化を求めたところ、銅(Cu)のみをビアに用いた場合の抵抗値は約2.119mΩ(抵抗変化率100.0%)であったのに対し、亜鉛(Zn)を含有金属として含むビアを用いた場合の抵抗値は約2.384mΩとなり、抵抗変化率約112.5%であり、アルミニウム(Al)を含有金属として含むビアを用いた場合の抵抗値は約2.260mΩとなり、抵抗変化率約106.7%であり、銀(Ag)を含有金属として含むビアを用いた場合の抵抗値は約2.097mΩとなり、抵抗変化率約99.0%であり、錫(Sn)を含有金属として含むビアを用いた場合の抵抗値は約2.461mΩとなり、抵抗変化率約116.1%であり、いずれの場合も抵抗値がそれほど上昇せず、ビアの抵抗変化はそれほどないことが確認できた。
したがって、本実施形態にかかる配線構造によれば、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和でき、信頼性の高い配線構造を実現することができるという利点がある。
なお、上述の実施形態では、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bが、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aの中に分散しているものとして構成しているが、これに限られるものではない。
例えば、図5に示すように、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bは、第1配線1の側及び第2配線2の側の外周部に位置するように構成しても良い。この場合、ビア3は、第1配線1の側の上側部分及び第2配線2の側の下側部分の外周部が、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bによって構成されており、それ以外の部分が、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aによって構成されているものとなる。例えば、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aを銅(Cu)とし、これと異なる材料3Bとして亜鉛(Zn)を用いる場合、ビア3は、第1配線1の側の上側部分及び第2配線2の側の下側部分の外周部、即ち、第1配線1及び第2配線2との界面近傍の外周部が、亜鉛(Zn)によって構成され、それ以外の部分が、銅(Cu)によって構成されたものとなる。この場合、第1配線1の側の上側部分及び第2配線2の側の下側部分で銅(Cu)の外周部にリング状に備えられる亜鉛(Zn)の厚さ(ビア径方向の厚さ)は配線との界面近傍で例えば約0.5μmとし、徐々に薄くなるようにし、中央部分の外周部には亜鉛(Zn)が備えられていないものとすれば良い。これにより、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和でき、信頼性の高い配線構造を実現することができる。
この場合も、ビア3は、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aと、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bとを含み、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bの割合が第1配線1の側及び第2配線2の側で高くなっていることになる。また、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bは、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXである。また、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bは、絶縁膜4の材料よりも熱膨張係数の小さい材料3BXである。
ここで、図6(A)、図6(B)は、上述の実施形態の変形例の配線構造、即ち、配線の材料に銅(Cu)を用い、ビアの材料にCu及びZnを用い、下層配線の側及び上層配線の側の外周部でZnの厚さを約0.5μmとし、中央部分でZnの厚さが0となるものとし、ビア径を10μmとし、樹脂絶縁膜としてJSR社WPRを用いた樹脂埋め込み配線)の温度変化(−65℃〜150℃)時の応力シミュレーションモデルを示しており、図6(C)は、応力シミュレーションで得られた応力分布状態を示している。なお、図6(B)はビアの上面の四分の一の部分を拡大して示している。
上述の従来の配線構造、即ち、配線及びビアの材料に銅(Cu)を用い、ビア径を10μmとし、樹脂絶縁膜としてJSR社WPRを用いた樹脂埋め込み配線よりも、図6(C)中、符号X、Yで示す部分、即ち、ビアと配線の界面(特にビアと配線の界面のビア外周部)に集中する応力が小さくなり、最大応力(最大相当応力;最大ミーゼス応力)が小さくなることが確認できた。具体的には、熱膨張係数が約16.5ppm/℃である銅(Cu)のみをビアに用いた場合の最大相当応力が約440MPaであったのに対し、熱膨張係数が約30.2ppm/℃である亜鉛(Zn)を外周部にリング状に備えるビアを用いた場合の最大相当応力は約427MPaとなり、最大相当応力が小さくなり、応力の集中が少なくなることが確認できた。これにより、ビアの信頼性、ひいては、配線構造の信頼性を向上させることができる。
また、ビアに含ませる材料であるZnを、Cuよりも熱膨張係数の大きな金属材料であるAl、Ag、Snに置き換えた応力シミュレーションモデルで、同様の応力シミュレーションを行なった結果、Znを用いた場合と同様に、最大相当応力が小さくなり、応力の集中も少なくなることが確認できた。具体的には、熱膨張係数が約16.5ppm/℃である銅(Cu)のみをビアに用いた場合の最大相当応力が約440MPaであったのに対し、熱膨張係数が約23.1ppm/℃であるアルミニウム(Al)を外周部にリング状に備えるビアを用いた場合の最大相当応力は約396MPaとなり、また、熱膨張係数が約18.9ppm/℃である銀(Ag)を外周部にリング状に備えるビアを用いた場合の最大相当応力は約419MPaとなり、また、熱膨張係数が約22ppm/℃である錫(Sn)を外周部にリング状に備えるビアを用いた場合の最大相当応力は約394MPaとなり、いずれの場合も最大相当応力が小さくなり、応力の集中が少なくなることが確認できた。これにより、ビアの信頼性、ひいては、配線構造の信頼性を向上させることができる。
[第2実施形態]
まず、第2実施形態にかかる配線構造について、図7、図8を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる配線構造は、上述の第1実施形態のものに対し、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bとして用いる材料が異なる。
つまり、上述の第1実施形態では、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bは、第1配線1及び第2配線2の材料よりも熱膨張係数の大きい材料3BXであるのに対し、本実施形態では、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bは、第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYである点が異なる。また、上述の第1実施形態では、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bは、絶縁膜4の材料よりも熱膨張係数の小さい材料3BXであるのに対し、本実施形態では、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bは、絶縁膜4の材料よりもヤング率が大きい材料3BYである点が異なる。
この場合も、ビア3は、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aと、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bとを含み、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bの割合が第1配線1の側及び第2配線2の側で高くなっている。また、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bは、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aの中に分散している。
本実施形態では、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bは、第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYである。つまり、本実施形態では、ビア3を、第1配線1の側及び第2配線2の側で、即ち、第1配線1及び第2配線2との界面の近傍で、第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYの割合が高くなるものとしている。
これにより、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面(特に外周部)に集中する応力を緩和でき、特に、ビア3と配線1、2の界面に生じる最大応力を低減することができ、信頼性の高い配線構造を実現することができる。例えば、高密度で微細な配線を接続するのに、信頼性の高い微細なビア構造(高性能性ビア)を実現することができる。この場合、ビア3の第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYが設けられている領域は、応力緩和領域として機能する。
また、ヤング率の小さい材料を含む材料(例えば配線材料とそれよりもヤング率の小さい材料の合金材料)によって第1配線の側から第2配線の側まで均一になるようにビアを構成する場合と比較して、抵抗の増大を抑えながら、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和することができ、特に、ビア3と配線1、2の界面に生じる最大応力を低減することができる。
また、例えば、ヤング率の小さい材料を含む均一な材料からなるシード膜やめっき下地層を用いる場合よりも、抵抗の増大を抑えながら、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和することができ、特に、ビア3と配線1、2の界面に生じる最大応力を低減することができる。つまり、シード膜やめっき下地層は、ビア及び配線に対してボリュームが少なく、厚さも薄いため、ヤング率の小さい材料を含む均一な材料をシード膜やめっき下地層に用いても、温度が変化した際にビアと配線の界面に集中する応力を緩和する効果が小さく、特に、ビアと配線の界面に生じる最大応力を低減する効果が小さい。また、応力低減効果を高めるために、ヤング率の大きい材料を多く含むものとすると、抵抗が増大してしまい、逆に、抵抗が増大しないように、ヤング率の小さい材料を少なくすると、応力低減効果が小さいものとなる。これに対し、本実施形態のように、第1配線1及び第2配線2との界面の近傍でヤング率の小さい材料3BYの割合が高くなるようにしたビア3を用いた場合、ビア3はシード膜等よりもボリュームが大きく、また、ヤング率の小さい材料3BYもシード層等よりも広い範囲に分布するため、抵抗の増大を抑えながら、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和する効果を大きくすることができ、特に、ビア3と配線1、2の界面に生じる最大応力を低減する効果を大きくすることができる。
また、ビアホールの中に、配線材料とそれよりもヤング率の小さい材料とを積層(充填)することでビアを構成する場合、配線材料とそれよりもヤング率の小さい材料とのヤング率差で発生する応力がこれらの材料の界面に発生し、応力による破損等が起こるおそれがある。これに対し、上述のように構成することで、このような事態が起こるのを防止することができ、信頼性の高い配線構造を実現することが可能となる。
特に、本実施形態では、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3B、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYは、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aの中に分散している。つまり、ビア3の第1配線1の側及び第2配線2の側で、即ち、第1配線1及び第2配線2との界面の近傍で、第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYの割合が高くなるように、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aの中に第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYが分散している。この場合、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aの中に分散している、第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYは、ビア3と配線(ここでは第1配線1及び第2配線2)との界面の近傍に位置することになる。この場合、ビア3の第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYが分散している領域は、応力緩和領域として機能する。
このように、ヤング率の小さい材料を分散させることで、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を分散させることができ、特に、ビア3と配線1、2の界面に生じる最大応力を顕著に低減することができる。
これにより、例えば、後述の変形例のように、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bを、第1配線1の側及び第2配線2の側の外周部に位置するように設ける場合よりも、抵抗を増大させずに、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和することができ、特に、ビア3と配線1、2の界面に生じる最大応力を顕著に低減することができる。
また、例えば、ヤング率の小さい材料を含む均一な材料からなるシード膜やめっき下地層を用いる場合よりも、抵抗を増大させずに、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を分散させる効果が大きく、応力の集中を緩和することができ、特に、最大応力を顕著に低減することができる。
なお、シード層は、設けても、設けなくても良い。シード層を設ける場合、シード層の膜厚は例えば約30nm〜約100nm程度で薄いため、温度変化時の応力に与える影響は小さい。
また、本実施形態では、配線構造は、第1配線1、第2配線2及びビア3の周囲に設けられた絶縁膜4も備える。そして、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料は、絶縁膜4の材料よりもヤング率の大きい材料3BYである。
ここで、第1配線1及び第2配線2の材料は、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)などの金属材料である。
また、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3B、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYは、ニオブ(Nb)、ビスマス(Bi)、セリウム(Ce)、バリウム(Ba)、錫(Sn)などの金属材料である。なお、ここでは、金属材料として、電気抵抗の低い金属材料を例示している。これは、できるだけ抵抗の増大を抑えるためである。また、ビア3の中に含ませるヤング率の小さい材料3BYとしては、約300℃以下の温度で配線材料と同一の材料3Aである金属材料と合金化しない金属材料を用いるのが好ましい。このため、ここではそのような金属材料を例示している。
ここで、銅(Cu)のヤング率は、約130.0GPaである。また、アルミニウム(Al)のヤング率は、約70.0GPaである。また、銀(Ag)のヤング率は、約83.0GPaである。また、ニオブ(Nb)のヤング率は、約105.0GPaである。ビスマス(Bi)のヤング率は、約32.0GPaである。また、セリウム(Ce)のヤング率は、約33.6GPaである。また、バリウム(Ba)のヤング率は、約20.0GPaである。また、錫(Sn)のヤング率は、約22.0GPaである。
このため、例えば、第1配線1及び第2配線2の材料が銅(Cu)である場合、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3B、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYとして、ニオブ(Nb)、ビスマス(Bi)、セリウム(Ce)、バリウム(Ba)、錫(Sn)のいずれかを用いることができる。つまり、第1配線1及び第2配線2の材料が銅(Cu)である場合、ビア3を、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aである銅(Cu)の中に、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3B、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYとして、ニオブ(Nb)、ビスマス(Bi)、セリウム(Ce)、バリウム(Ba)、錫(Sn)のいずれかを含ませたものとすれば良い。例えば、ビア3を、ニオブ(Nb)、ビスマス(Bi)、セリウム(Ce)、バリウム(Ba)、錫(Sn)のいずれかの割合が第1配線1及び第2配線2との界面の近傍で高くなるように、銅(Cu)の中にニオブ(Nb)、ビスマス(Bi)、セリウム(Ce)、バリウム(Ba)、錫(Sn)のいずれかを分散させたものとすれば良い。
また、例えば、第1配線1及び第2配線2の材料がアルミニウム(Al)、銀(Ag)のいずれかである場合、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3B、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYとして、ビスマス(Bi)、セリウム(Ce)、バリウム(Ba)、錫(Sn)のいずれかを用いることができる。つまり、第1配線1及び第2配線2の材料がアルミニウム(Al)、銀(Ag)のいずれかである場合、ビア3を、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aであるアルミニウム(Al)、銀(Ag)のいずれかの中に、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3B、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYとして、ビスマス(Bi)、セリウム(Ce)、バリウム(Ba)、錫(Sn)のいずれかを含ませたものとすれば良い。例えば、ビア3を、ビスマス(Bi)、セリウム(Ce)、バリウム(Ba)、錫(Sn)のいずれかの割合が第1配線1及び第2配線2との界面の近傍で高くなるように、アルミニウム(Al)、銀(Ag)の中にビスマス(Bi)、セリウム(Ce)、バリウム(Ba)、錫(Sn)のいずれかを分散させたものとすれば良い。
また、絶縁膜4は、PI(ポリイミド)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレンポリ四フッ化エチレン)、PFA(テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー)、FEP(フッ化エチレンプロピレンテトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、MCナイロン、ポリアセタール、超高分子ポリエチレン、PPS(ポリフェニレンスルフィド)、ABS(アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体)、フェノール(ノボラック)、エポキシなどの樹脂絶縁膜である。
ここで、PI(ポリイミド)のヤング率は、約3〜約7GPaである。また、PTFE(ポリテトラフルオロエチレンポリ四フッ化エチレン)は、約0.4〜約0.6GPaである。また、PFA(テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー)は、約0.31〜約0.35GPaである。また、FEP(フッ化エチレンプロピレンテトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体)は、約0.32〜約0.36GPaである。また、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)は、約0.02〜約0.098GPaである。また、MCナイロンは、約0.07〜約0.1GPaである。また、ポリアセタールは、約0.04〜約0.06GPaである。また、超高分子ポリエチレンは、約0.035〜約0.045GPaである。また、PPS(ポリフェニレンスルフィド)は、約0.075〜約0.085GPaである。また、ABS(アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体)は、約0.039GPaである。また、フェノール(ノボラック)は、約0.045〜約0.065GPaである。また、エポキシは、約0.035〜約0.084GPaである。
このため、絶縁膜4の材料として、これらの樹脂材料のどれを用いるかによって、ビア3に含ませる、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bとして、上述のどの材料を用いるかを決めれば良い。この場合、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bが、絶縁膜4の材料よりもヤング率が大きい材料3BYになっていれば良い。つまり、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bが、第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYであり、かつ、絶縁膜4の材料よりもヤング率の大きい材料3BYであれば良い。
ところで、上述のように構成される配線構造に備えられるビア3は、例えば、電解めっき液中に2種以上の金属(配線金属及びこれと異なる金属)を溶解してなるめっき液を用い、電流密度を制御して濃度勾配ができるようにすることで、形成することができる。
例えば、第1配線1及び第2配線2の材料として銅(Cu)を用い、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3B、即ち、第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYとしてニオブ(Nb)を用い、絶縁膜4として樹脂絶縁膜を用いる場合、配線構造は、例えば、以下のようにして作製することができる。
つまり、下層配線2のランド上にビア3を形成する際に、配線1、2及びビア3の材料であるCuよりもヤング率の小さい材料3BYであるNbをCuに含有させるために、電圧を調整することによって電解めっき液のCu中のNb量(Nb容積)を調整し、上下の配線界面付近のNb容積を例えば30%とし、ビア3の中心高さ付近ではNbが含まれないようにして(Nb容積0%)、ビア3を形成し、その上に上層配線1のランドを形成し、樹脂絶縁膜4(例えばJSR社WPR)にてモールド(被覆)することで、配線構造(ここではダマシン構造)を作製することができる。この場合、ビア3は、下層配線2の側の下側部分及び上層配線1の側の上側部分で、Cuの割合が70%となり、Nbの割合が30%となり、中央部分で、Cuの割合が100%となり、Nbの割合が0%となり、Cuからなるビア3の中に下層配線2の側の下側部分及び上層配線1の側の上側部分から中央部分へ向けてNbが30%から0%の範囲で(即ち、30%、20%、10%、0%と順に割合が少なくなるように)分布するものとなる。このようにして、ビア3の下層配線2の側の下側部分及び上層配線1の側の上側部分で、下層配線2及び上層配線1の材料であるCuよりもヤング率の小さい材料3BYであるNbの割合が高くなるようにしている。なお、ビア3をめっきによって形成する前に、例えばTi/Cuからなるシード層を形成しても良い。この場合、Tiは密着層である。
このように、上述の第1実施形態の場合と同様の理由で、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和できるようにし、信頼性の高い配線構造を実現すべく、上述のような構成を採用している。これにより、温度変化時にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和し、最大応力を顕著に低減することで、低コストで、信頼性の高い微細配線構造を実現することができる。
ここで、図8(A)、図8(B)は、上述の実施形態のようにして作製した配線構造(配線の材料に銅(Cu)を用い、ビアの材料にCu及びNbを用い、下層配線の側及び上層配線の側でCuの割合が70%となり、Nbの割合が30%となり、中央部分でCuの割合が100%となり、Nbの割合が0%となるものとし、ビア径を10μmとし、樹脂絶縁膜としてJSR社WPRを用いた樹脂埋め込み配線)の温度変化(−65℃〜150℃)時の応力シミュレーションモデルを示しており、図8(C)は、応力シミュレーションで得られた応力分布状態を示している。なお、図8(B)はビアの上面の四分の一の部分を拡大して示している。
上述の従来の配線構造、即ち、配線及びビアの材料に銅(Cu)を用い、ビア径を10μmとし、樹脂絶縁膜としてJSR社WPRを用いた樹脂埋め込み配線よりも、図8(C)中、符号X、Yで示す部分、即ち、ビアと配線の界面(特にビアと配線の界面のビア外周部)に集中する応力が小さくなり、最大応力(最大相当応力;最大ミーゼス応力)が小さくなることが確認できた。具体的には、図9に示すように、ヤング率が約130.0GPaである銅(Cu)のみをビアに用いた場合の最大相当応力が約440MPaであったのに対し、ヤング率が約105.0GPaであるニオブ(Nb)を含有金属(添加金属)として含むビアを用いた場合の最大相当応力は約433MPaとなり、最大相当応力が小さくなり、応力の集中が少なくなることが確認できた。これにより、ビアの信頼性、ひいては、配線構造の信頼性を向上させることができる。
また、ビアに含ませる材料であるNbを、Cuよりもヤング率の小さな金属材料であるBi、Ce、Ba、Snに置き換えた応力シミュレーションモデルで、同様の応力シミュレーションを行なった結果、Nbを用いた場合と同様に、最大相当応力が小さくなり、応力の集中も少なくなることが確認できた。具体的には、図9に示すように、ヤング率が約130.0GPaである銅(Cu)のみをビアに用いた場合の最大相当応力が約440MPaであったのに対し、ヤング率が約32.0GPaであるビスマス(Bi)を含有金属として含むビアを用いた場合の最大相当応力は約414.8MPaとなり、また、ヤング率が約33.6GPaであるセリウム(Ce)を含有金属として含むビアを用いた場合の最大相当応力は約416.0MPaとなり、また、ヤング率が約20.0GPaであるバリウム(Ba)を含有金属として含むビアを用いた場合の最大相当応力は約413.6MPaとなり、また、ヤング率が約22.0GPaである錫(Sn)を含有金属として含むビアを用いた場合の最大相当応力は約406MPaとなり、いずれの場合も最大相当応力が小さくなり、応力の集中が少なくなることが確認できた。これにより、ビアの信頼性、ひいては、配線構造の信頼性を向上させることができる。
したがって、本実施形態にかかる配線構造によれば、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和でき、信頼性の高い配線構造を実現することができるという利点がある。
なお、上述の実施形態では、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bが、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aの中に分散しているものとして構成しているが、これに限られるものではなく、例えば、上述の第1実施形態の変形例の場合と同様に、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bは、第1配線1の側及び第2配線2の側の外周部に位置するように構成しても良い。この場合、ビア3は、第1配線1の側の上側部分及び第2配線2の側の下側部分の外周部が、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bによって構成されており、それ以外の部分が、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aによって構成されているものとなる。これにより、温度が変化した際にビア3と配線1、2の界面に集中する応力を緩和でき、信頼性の高い配線構造を実現することができる。この場合も、ビア3は、第1配線1及び第2配線2の材料と同一の材料3Aと、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bとを含み、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bの割合が第1配線1の側及び第2配線2の側で高くなっていることになる。また、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bは、第1配線1及び第2配線2の材料よりもヤング率の小さい材料3BYである。また、第1配線1及び第2配線2の材料と異なる材料3Bは、絶縁膜4の材料よりもヤング率が大きい材料3BYである。
以下、上述の実施形態及び各変形例に関し、更に、付記を開示する。
(付記1)
第1配線と、
第2配線と、
前記第1配線と前記第2配線とを接続するビアとを備え、
前記ビアは、前記第1配線及び前記第2配線の材料と同一の材料と、前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料とを含み、前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料の割合が前記第1配線の側及び前記第2配線の側で高くなっていることを特徴とする配線構造。
(付記2)
前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記第1配線及び前記第2配線の材料と同一の材料の中に分散していることを特徴とする、付記1に記載の配線構造。
(付記3)
前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記第1配線及び前記第2配線の材料よりも熱膨張係数の大きい材料であることを特徴とする、付記1又は2に記載の配線構造。
(付記4)
前記第1配線、前記第2配線及び前記ビアの周囲に設けられた絶縁膜を備え、
前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記絶縁膜の材料よりも熱膨張係数の小さい材料であることを特徴とする、付記3に記載の配線構造。
(付記5)
前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記第1配線及び前記第2配線の材料よりもヤング率の小さい材料であることを特徴とする、付記1又は2に記載の配線構造。
(付記6)
前記第1配線、前記第2配線及び前記ビアの周囲に設けられた絶縁膜を備え、
前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記絶縁膜の材料よりもヤング率が大きい材料であることを特徴とする、付記5に記載の配線構造。
(付記7)
前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記第1配線の側及び前記第2配線の側の外周部に位置することを特徴とする、付記1に記載の配線構造。
(付記8)
前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記第1配線及び前記第2配線の材料よりも熱膨張係数の大きい材料であることを特徴とする、付記7に記載の配線構造。
(付記9)
前記第1配線、前記第2配線及び前記ビアの周囲に設けられた絶縁膜を備え、
前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記絶縁膜の材料よりも熱膨張係数の小さい材料であることを特徴とする、付記8に記載の配線構造。
(付記10)
前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記第1配線及び前記第2配線の材料よりもヤング率の小さい材料であることを特徴とする、付記7に記載の配線構造。
(付記11)
前記第1配線、前記第2配線及び前記ビアの周囲に設けられた絶縁膜を備え、
前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記絶縁膜の材料よりもヤング率が大きい材料であることを特徴とする、付記10に記載の配線構造。
1 第1配線(上層配線;上部配線層)
2 第2配線(下層配線;下部配線層)
3 ビア
3A 第1配線及び第2配線の材料と同一の材料
3B 第1配線及び第2配線の材料と異なる材料
3BX 第1配線及び第2配線の材料よりも熱膨張係数の大きい材料
3BY 第1配線及び第2配線の材料よりもヤング率の小さい材料
4 絶縁膜

Claims (10)

  1. 第1配線と、
    第2配線と、
    前記第1配線と前記第2配線とを接続するビアとを備え、
    前記ビアは、前記第1配線及び前記第2配線の材料と同一の材料と、前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料とを含み、前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料の割合が前記第1配線の側及び前記第2配線の側で高くなっており、
    前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記第1配線及び前記第2配線の材料と同一の材料の中に分散していることを特徴とする配線構造。
  2. 第1配線と、
    第2配線と、
    前記第1配線と前記第2配線とを接続するビアとを備え、
    前記ビアは、前記第1配線及び前記第2配線の材料と同一の材料と、前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料とを含み、前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料の割合が前記第1配線の側及び前記第2配線の側で高くなっており、
    前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記第1配線及び前記第2配線の材料よりも熱膨張係数の大きい材料であることを特徴とする配線構造。
  3. 前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記第1配線及び前記第2配線の材料よりも熱膨張係数の大きい材料であることを特徴とする、請求項1に記載の配線構造。
  4. 前記第1配線、前記第2配線及び前記ビアの周囲に設けられた絶縁膜を備え、
    前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記絶縁膜の材料よりも熱膨張係数の小さい材料であることを特徴とする、請求項2又は3に記載の配線構造。
  5. 第1配線と、
    第2配線と、
    前記第1配線と前記第2配線とを接続するビアとを備え、
    前記ビアは、前記第1配線及び前記第2配線の材料と同一の材料と、前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料とを含み、前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料の割合が前記第1配線の側及び前記第2配線の側で高くなっており、
    前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記第1配線及び前記第2配線の材料よりもヤング率の小さい材料であることを特徴とする配線構造。
  6. 前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記第1配線及び前記第2配線の材料よりもヤング率の小さい材料であることを特徴とする、請求項1に記載の配線構造。
  7. 前記第1配線、前記第2配線及び前記ビアの周囲に設けられた絶縁膜を備え、
    前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記絶縁膜の材料よりもヤング率が大きい材料であることを特徴とする、請求項5又は6に記載の配線構造。
  8. 第1配線と、
    第2配線と、
    前記第1配線と前記第2配線とを接続するビアとを備え、
    前記ビアは、前記第1配線及び前記第2配線の材料と同一の材料と、前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料とを含み、前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料の割合が前記第1配線の側及び前記第2配線の側で高くなっており、
    前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記第1配線の側及び前記第2配線の側の外周部に位置することを特徴とする配線構造。
  9. 前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記第1配線及び前記第2配線の材料よりも熱膨張係数の大きい材料であることを特徴とする、請求項に記載の配線構造。
  10. 前記第1配線及び前記第2配線の材料と異なる材料は、前記第1配線及び前記第2配線の材料よりもヤング率の小さい材料であることを特徴とする、請求項に記載の配線構造。
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