JPH0325957A - Ｌｓｉ多層膜構造最適設計支援方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＬＳＩ製造の多層膜形成工程に係り、特に、ア
ルミ配線の微細化、多層膜化に伴う層間絶縁膜のクラッ
ク発生抑止条件の決定に好適なＬＳＩ多層膜構造最適設
計支援技法に関する。

〔従来の技術〕

従来、ＬＳＩ製造のアルミ配線を中心とする多層膜形戊
工程については、電子情報通信学会技術研究報告，Ｒ８
７−３６，（１９８７年）において論じられているよう
に、アルミ配線自体のエレクトロマイグレーションおよ
びストレスマイグレーション現象による断線、あるいは
配線批抗変動に関する実験を主体とする信頼性＃価が行
なわれていた．しかし、索子微細化に伴い顕在化したア
ルミ２Ｍ配線間のＭ間絶縁膜のクラック発生については
，未だこの問題が認識され始めたあるいは、発生メカニ
ズムの検討が行なわれ始めた状態であり、クラック発生
抑止条件の決定法については配慮されていなかった， 〔発明が解決しようとする課題〕 上記従来技術は、素子微細化に伴い顕在化し始めてきた
アルミ配線部の均間１＆’クラックの発生評価について
配慮がされておらず，素子の信頼性低−ドの要因である
クラックの発生限界内における多層膜構造の最適化を合
理的にできないという問題があった． 本発明のｌ」的は、従来まで／＋ｌｒＥ化していた層間
膜のクラック発生に対し、素子微３ｌ１１化によります
ます顕在化することを予想し、その発生メカニズムの解
明に基づき、このクラック発生の限界内にＬＳＩ多層膜
構造の最適化を支援することにある．〔課題を解決する
ための手段〕 上記目的を達成するために、熱応力起因による層間膜ク
ラックの発生を、クラックの進展しやすさの目安を与え
る破壊パラメータの算出モデルの構築によりシミュレー
ション予８１リできるようにしたものである。

〔作用〕

破壊パラメータは、多層１県構造中の潜在クラックを考
慮した熱弾性モデルを有限要素法により計算すれば求め
られる。この熱弾性モデルは、シリコン基板」二に、酸
化１１％　，アルミ第１−層配線，屓間膜（１），層間
＋Ｊ！ａ（２）というように、線ｊ影帳係数，弾性定数
がそれぞれ異なる膜が順次形成された多Ｍ膜構造が、４
００〜５００℃の熱処理を受けた時のクラック進展の駆
動力を破壊パラメータとして与えるものである。断面形
状，各膜物性の影響がこの破壊パラメータに反映してお
り、この挿が大きいほど、クラックが進展しやすい、つ
まり，層間膜が破壊しやすい．したがって、クラック発
生率を有する既実験データに対応する破壊パラメータを
求め、その発生限界値を推定しておけば、この値と，評
価対象膜構造に対し求められる破壊パラメータとの比較
から、耐クラック性がシミュレーション予測できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図から第１０図により説
明する。

第王図は本発明の評価方式の全体図を示し、ＩＩ’Ｊ構
造断面形状データの設定１，ＦＥＭ　（有限要素法）メ
ッシュデータ自動生或２，ＦＥＭによる応力計算３，破
壊評価パラメータの算出４，不確定膜物性値，限界破壊
評価パラメータの推定５，クラック発生予浦６から構成
される。

第２図は本発明を計算機システム上に実現した場合の全
体構成を示し、ＬＳＩ多層１１κ構造の断向ＳＥＭ写真
１０，イメージリーダ１工，イメージプロセッサー１２
，膜形状変化点座標データ１３，計算モデルを格納した
汎用計算機１４，各膜の物性４（＜データファイル１５
，計算結果格納ファイル１５，計算結果の表示用グラフ
ィック端末１６から構成される。

次にその動作を説明する． ＬＳＩ多層膜構造断面ＳＥＭ写真１０から直接、あるい
は、商精度化のために，イメージリーダ１１，イメージ
プロセッサー１２を通して得られる膜形状変化点座標デ
ータ１３がＦ　Ｅ　Ｍメッシュデ〜タ自動生成部２に人
力され、対象膜構造断面全体に対する有限要素分割が行
われ、各膜の物性値データファイル１５を人力して、ｌ
’ＥＭ計算３が実行される。この応力，変位状態の計算
結果、及び応力拡大係数算の破壊Ｈｌ，価パラメータ計
算４の結果が計算結果格納ファイル１６に保存され，適
宜，計算結果の表示用グラフィック端末１７にその内容
が表示される． 次に，本発明の骨格部をなす熱弾性モデル、及び応力拡
大係数算出モデルについて説明する。

まず、ここで対象としているアルミ配線部の多層１漠断
而を第３図に示す。シリコン基盤１００Ｊ二に順次、酸
化膜ＳｉＯ２１　１０＋アルミ第ＩＪ７配線ＡＩ２（１
）１２０，層間膜ｐ−Ｓｉｏ（プラズマ生成Ｓ　ｉ　Ｏ
）　　１　３　０，　ＳＯＧ　（Ｓｐｊ．ｏｎ　ｏｎ　
Ｇｌａｓｓ）ｐｌＪ　１　４　０　，　Ｐ　Ｓ　Ｇ　（
Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）膜１
５０，アルミ第２層配ｍＡ　Ｑ（２）１６０が熱処理，
エッチング処理等の処理を受けながら形成されていく．
今、ここではＳ　Ｏ　Ｇ　１１％　１　４　０形成時の
熱処理に伴う２磨層間膜Ｐ　−　Ｓ　ｉ　０　１　３　
０　／ＳＯＧ１４０にクラック上７０が発生する不良に
着目する．断而沖；直方向、つまり、配線長手方向には
断面寸法に比べ十分長いため、３１Ｌ向ひずｂ状態が仮
定でき，三角形定ひずみ要素婢を用いたイｆ限要索法に
より、熱処理の温度上昇に伴う熱応力計算を行なう．弾
性限界内でモデル化すれば、この時の等価外力は各収１
の線膨張係数α，，ボアツソン比ｖｌが異なることによ
り発生する熱ひずみ（　Ｍ　Ｏ）　”　（　ｔ　ＯＸＸ
＋　εＯｙｙ＋　Ｅ　Ｏｘｌ）”から与えられるー。

・・・（１） ここに、Δ゛Ｉ゛は温度差を表わす。

第４図にボすイｆ限要索分割に対し、各要素の剛性マト
リックスを合戊した全体剛性マトリックス［Ｋ］、及び
先の熱ひずみによる等価等点カベクトル（ト’＞Ｅｏか
ら、未知節点変位ベクトル｛５｝が次式を満足するよう
に決定される。

ｃ　　Ｋ　］（ａ）＝−　　　（Ｆ）Ｅ。　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・　（Ｚ）
ここで、境μ条・件として、Ｘ方向向端［ｒ１１におけ
るＸ方向変（１２，及びド＋ｆ＋ｉにおけるｙ方向変位
Ｋ’Ｓとする。

一方，耐クランク性を課価する応力拡大係故については
、ＭＩＥクラック長さａが第５一口ｙ　７Ｊｊすように
存在した場合、このクラックがＭｕ　）Ｊｔｔ　Ｌてｌ
Ｉ’Ｊ　Ｉ’Ｊ部を貫通し，破壊に至るかどうかの尺度
を与えるものである。ここで着Ｅｆ　Ｌた不良は、Ａｌ
（１）１２０中心線七に堆積した硬いレジスト残り１８
０がクラックの起点となっていることが推定され、温度
上昇時の熱応力が潜在クラック長さａをイＩするレジス
ト残り部に集中して、下層膜Ｐ　−　Ｓ　ｉ　０３０か
ら上層ｌｉκＳＵＧ１４０にかけて膜が破壊するものと
考えられる。第６図には、破壊した層間膜の断１＋ｊ　
Ｓ　Ｅ　Ｍ写真の模式図を示す。上部からアルミエッチ
液を流しているため、中心線上のクラックした磨間１助
部の下方のＡｌ（１）１２０は半円状に削られている。

今、第５図に示したように、クラック部をイｒ　ｌ！ｊ
Ｊ要素分割し、レジスト残り部を剛性の非常に大きい物
体として空洞近似してやれば、熱応力によるクラックの
駆動力により．ｌｆ！Ｊ在クラック部が隙間を広げるよ
うにＸ方向に変位する．クラック先端からの距離ｒにお
けるこの変位ｌｕｘから、引張りモードの応力拡大係数
Ｋ＋　は次のように求められる． 第７図は、第８図に示したクラック発生率の実験データ
を有する多層１１ｑ断面形状に対する破壊パラメータの
上記モデルに基づく評価結果である。

横軸は、不確定物性値である体積収縮を伴うＳＯＧ１１
１Ｊ　Ｌ　４　０の線膨張係数αｓｏｏ　．縦輔は（３
）式から応力拡大係数Ｋ＋　と１対１対応するＸ方向変
位ｕｘ　を破壊パラメータとして取っている。もちろん
、クラックを右する評価対象１１ＱはＰ　−　Ｓ　ｉ　
０１２０で回一、クランク先端からの比離ｒも同一とす
る。

第゛ｌ図から、α３００が−５　Ｕ　Ｘ　１　０−ＩＩ
／Ｃより左側、つまり、Ｓ　Ｏ　Ｇ　Ｉ県王４０の体積
収縮か大きい領域では、クランク発生率と破壊パラメー
タの対応がよ＜一致する。このαｓｏａの領域は、ＳＵ
Ｇ膜１４０の体積収細による＋１ＩＪ！．ｐメ減少から
換算される線膨張係数のオーダに星敵している。さらに
、この不４ＫＦ定パラメータαＳ　Ｏ　Ｏの絞り込みの
ため、クラック発生のない実験データを追加し、この一
ノ『＋ｍ形状に対して得られた彼壊パラメータを妬′ｌ
図中の破線７６で示す。αＳ　Ｏ　Ｇ依存性から，αＳ
ＯＧ＝−１５０Ｘ１０−（多／℃より左側では、クラッ
ク発生を起こす断面形状に対するイ波壊パラメータ７２
．７３と回レベルになってしまい、結ノ，），ａ　ｓｏ
ｏは、−１．ＯＯｘｌＯ−”／℃近傍であることが推定
される。これよりαｓｏａ＝　　ＩＯＯＸＩＯ−’／℃
として，膜断而形状変化に対応する破壊パラメータを求
めてやれば酊クラック性が秤価できる。

以上の計算においては、第４１ｙ１に示した各＋ｌＬ；
！．ｉのヤング率Ｅ＋，線膨張係数α，を与え、ボアツ
ソン比Ｖ．は全で０．２　　とした。また、熱処理時の
室温からの温度差Δ゛Ｉ゛は４００℃であり．ａ＋７１
ａ領域におけるアルミの塑性挙動を考慮して、アルミの
ヤング率を１／５に低下させている。

なお、各評価断曲形状に対する有限要素メッシュデータ
は、第９図に示すように，各膜の変化点座標値のみ与え
ることにより自動生威される。つまり、対象とする多λ
１１１κ断血が知ノ１ウの組合せで表現できることに着
目し、第９国の左側の基本メッシュ分割を，各矩形小位
、例えばＢ　Ｃ　１１　Ｇのｉｊえへれた変化点座標イ
ｌ’（　Ｂ（ＸＢ＋　ｙ　ｎ）　＋　ｃ　（Ｘｃ＋　Ｙ
ｃ）　＋Ｈ（Ｘ．＋＋＋　Ｙｕ）＋　Ｇ（Ｘａ，Ｙｏ）
にＮ応シテ変形シテやれば、全体として右側のような胛
価対象断面のメッシュ分割が自動生戊できる。基本メッ
シュ分割の詳細を第１０図に示す。

本実施例によれば、熱応力起因による層間膜の耐クラッ
ク性をシミュレーション予Ｒｉｌｌできるので、多層膜
構造変化に伴うクラック発生を−＄前秤価し，クラック
発生限界内での膜構造の最Ｘｌ！ｌＩ設計期間を大幅に
姐縮する効果がある。

〔発明の効果〕

本発１リ１によれば、ＬＳＩ製造の多Ａ！　Ｉｇ！形成
ｕ’ｌ　ｋ’Ａで発生するクラ゜ツクに対し、その発生
条件の予測が計算機シミュレーションにより実現できる
ので，今後の素子微細化，多周膜化に伴いますます顕在
化する本不良に対し、発生メカニズムの解明に糸づく多
層膜構造の最適設計を合理的に進め効果がある。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明の支援方式の全体構或図、単２図は第１
図の方式を、計算機システム上で実現した場合の全体構
成図、第３図は対象としている多層膜構造の断面図、第
４図は解析対象の有限要素メッシュ分割図、第５図は破
壊パラメータの算出モデルの概要図、第６図は層間膜ク
ラックを起こした多周膜の断面ＳＥＭ写真の模式図、第
７図は断面形状変化に対応した破壊パラメータの計算結
果グラフ、第８図は第７図に対応する断面形状データ、
第９図は有限要素メッシュデータの自動生或の概要図、
第１０図は第９図における基本メッシュ分割図をそれぞ
れ示す。 １・・・膜構造断面形状データの設定、２・・・ＦＥＭ
メッシュデータ自動生成、３・・・Ｅ？　Ｅ　Ｍによる
応力計算、４・・・破壊評価パラメータの算出，５・・
・不確定膜物性値，限界破壊評価パラメータの推定、６
・・・クラック発生予測、７０〜７６・・・破壊パラメ
ータの計算結果、】２０・・・アルミ第１層配線，ｌ３
０・・・層間膜（Ｐ−Ｓ　ｉ　０１１２）　．　１　４
　０・・・層間膜（ＳＯＧ膜）．１７０・・・層間１県
クラック。 ｑ 図 囁 ３ ■ 笛 Ｓ ■ ＳＯ仔 一一Ｍρ １Ｂρ ６ ６ 図 柘 ７ 図 第 ３ 図 ）ニ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ＬＳＩ製造のＡｌ配線系の多層膜形成工程において
   発生する層間膜クラックを、膜断面に対する熱弾性モデ
   ルから計算される応力拡大係数等の破壊パラメータで評
   価することにより、多層膜形状、各膜物性値等の耐クラ
   ック性に優れた最適構造をシミュレーションを通して求
   めることを特徴とするＬＳＩ多層膜構造最適設計支援方
   式。