JPH065713A - 半導体集積回路用配線およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 積層構造の半導体集積回路用配線のスルーホ
ールのＥＭ耐性を向上させ、信頼性を向上させる。 【構成】 絶縁層６を介して下層配線１と上層配線２を
多層形成する。絶縁層６にスルーホール３を形成し、こ
の中に配線１、２とは異なる種類の金属または合金から
なる配線接続用金属層８を充填形成する。下層配線１を
陰極側配線とし、上層配線２を陽極側配線とし、この陽
極側となる上層配線２のスルーホール３に対応するパッ
ド部９Ｂの一部周縁に所要長さの配線部１０を延長形成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路用配線
およびその製造方法に関し、特に多層配線の長寿命化お
よび信頼性を向上させるようにした半導体集積回路用配
線およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】集積回路の高機能化、高集積化に伴いチ
ップ内の総配線長は長くなり、配線領域を確保するだけ
でもチップ面積は肥大化する。生産効率をよくするた
め、チップ面積の縮小が不可欠である。また高速にする
には信号の伝播遅延時間を小さくするためにトランジス
タ間の配線の長さを短くすることが必須である。そこ
で、近年ではこれらの要求を満たすため、配線を一層の
配線だけではなく、その上に二層目、三層目・・と多層
化して必要な素子（トランジスタ等）間を最短距離で結
ぶことで、高速化とチップの縮小を同時に達成してい
る。そして、このような多層化した半導体集積回路用配
線においては、下層と上層の配線層間を絶縁層によって
電気的に絶縁分離し、上、下層を接続する必要がある箇
所をスルーホールを介して電気的に接続している。

【０００３】また最近では集積回路技術の進歩により、
内部回路は微細化され、内部配線も微細に形成されるよ
うになった。配線材料としては、配線に信号伝播遅延を
抑制するため電気抵抗の低いアルミニウムが使われてい
る。アルミニウム配線では、大きな電流密度の下で電流
担体である電子とアルミニウム原子が衝突して運動量交
換が起こりアルミニウム原子が移動して突起物や空間が
形成され、その結果配線の短絡もしくは断線事故が発生
することが広く知られている。この故障現象は、エレク
トロマイグレーション（以下、ＥＭと略記する）と呼ば
れている。純アルミニウム配線は、特にＥＭ故障に弱い
ので、アルミニウムに少量のシリコンや銅を混ぜたアル
ミニウム合金配線（例えば、Ａｌ-１％Ｓｉー０．５％Ｃ
ｕ等が代表的な組成である）にしたり、最近はこの合金
の上もしくは下に高融点金属を重ねた積層配線構造によ
り、配線のＥＭ耐性を上げ高信頼度化が図られている。

【０００４】図３（ａ）、（ｂ）は従来の積層配線構造
からなる半導体集積回路用配線のスルーホールの断面構
造を示す図で、（ａ）は高融点金属層がアルミニウム合
金層の上にある場合、（ｂ）は高融点金属層がアルミニ
ウム合金層の下にある場合を示す。（ａ）図において、
１は下層の配線で、この下層配線１はＡｌ合金層４と、
その上に形成された高融点金属層５とで構成されてい
る。２は下層配線１の上に絶縁層６を介して積層形成さ
れた上層配線で、この上層配線２もＡｌ合金層４と、そ
の上に形成された高融点金属層５とで構成されている。
３は下層配線１と上層配線２を電気的に接続するスルー
ホールである。（ｂ）図は、下層配線１および上層配線
２とも高融点金属層５をＡｌ合金層４の下に形成した点
で（ａ）図の構成と相違している。

【０００５】ところが、上記構成からなる積層配線構造
にすると、スルーホール３においては状況が大きく異な
り、アルミニウム原子の流れが妨げられるためにＥＭ故
障が容易に発生するという問題があった。すなわち、下
層配線１と上層配線２を電気的に接続しているスルーホ
ール３の内部にアルミニウム合金層４、４に挟まれて高
融点金属層５が形成されており、この高融点金属層５は
アルミニウム原子の流れを妨げるためにＥＭ現象が生じ
る時、流入がなく流出のみの領域となるため、スルーホ
ール３の陽極側に図４に示すように上層配線のＡｌ合金
層４に空洞７が発生し、著しい抵抗増加や断線が生じる
欠点があった。

【０００６】また、配線が更に微細化されると、スルー
ホール３をアルミニウムで埋めることが困難になるた
め、図５（ａ）、（ｂ）に示すようにスルーホール３内
を他の金属、例えばタングステンを埋め込んで配線接続
用金属層８を形成した多層配線構造のものが使用されて
いる。一般に積層配線では、アルミニウム合金４と高融
点金属５をバイメタルのように重ね合わせることによ
り、使用開始後しばらくは電気抵抗の低いアルミニウム
合金層４に大部分の電流が流れ、長時間使用後にアルミ
ニウム合金層４がＥＭ故障で断線しても高融点金属層５
をバイパスして電流が流れるため、配線としては多少の
抵抗増加はあるものの電流を流す機能は保たれるように
したもので、ＥＭ故障の長寿命化が図られる。高融点金
属層５は、アルミニウムの１０〜１００倍以上の長寿命
である。配線幅が１μｍ以下の微細な配線を用いた集積
回路で広く採用されている。なお、図５中９Ａ、９Ｂは
下層配線１と上層配線２が互いに重なり合いスルーホー
ル３によって接続される領域に設けられたパッド部で、
通常配線の幅にマスク合わせ余裕を見込んだ大きさの方
形パターンに形成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
積層構造の半導体集積回路用配線においても同様にアル
ミニウム原子の流れが阻害されるためにＥＭ故障が容易
に発生するという問題が依然として存在していた。した
がって、今後さらに集積回路の微細化が進み電流密度が
増加していくことを考慮すると、スルーホール３につい
て高信頼度化対策が必要になる。

【０００８】したがって、本発明は上記したような従来
の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするとこ
ろは、積層構造配線で微細化により信頼性の低下が懸念
されているスルーホールのＥＭ耐性を向上させるように
した半導体集積回路用配線およびその製造方法を提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載された本発明に係る半導体集積回路
用配線は、二層以上の多層配線構造を有する配線の下層
と上層の配線がスルーホールによって電気的に接続され
ており、当該スルーホール内に配線層とは異なる種類の
金属または合金が電流経路を横切る状態で存在する半導
体集積回路用配線において、上層配線と下層配線のうち
陽極側となる配線のスルーホールに対応するパッド部の
一部周縁に所要長さの配線部が延長形成されているもの
である。また、請求項２に記載された本発明に係る半導
体集積回路用配線の製造方法は、二層以上の多層配線構
造を有する配線の下層と上層の配線がスルーホールによ
って電気的に接続されており、当該スルーホール内に配
線層とは異なる種類の金属または合金が電流経路を横切
る状態で存在する半導体集積回路用配線の製造方法であ
って、下層配線を形成する工程と、下層配線上に絶縁層
を形成する工程と、絶縁層にスルーホールを形成する工
程と、スルーホール内に前記下層配線とは異なる金属ま
たは合金からなる配線接続用金属層を充填形成する工程
と、前記絶縁層および前記配線接続用金属層の上に前記
下層配線と同種の材料からなる上層配線を形成する工程
とを備え、何れか一方が陽極側として他方が陰極側とし
て形成される前記下層配線または上層配線のうち陽極側
となる配線の形成工程において、陰極側配線と重なる陽
極側配線のパッド部の一部周縁に所要長さの配線部を、
陽極側配線の形成と同時に延長形成するようにしたもの
である。

【００１０】

【作用】本発明において、陽極側配線のスルーホールパ
ッド部の領域を大きくすることにより、アルミニウム原
子の供給源を形成し、ＥＭによる空洞の成長を抑え、配
線のＥＭ故障寿命を延ばす。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。図１（ａ）、（ｂ）は本発明に係る半
導体集積回路用配線の一実施例を示すスルーホール部の
平面図およびＡ−Ａ線断面図である。なお、図中図３〜
図５と同一構成部品のものに対しては同一符号を以て示
し、その説明を省略する。同図において、本実施例は下
層配線１と上層配線２のうち陽極側として使用される上
層配線２のスルーホール３に対応するパッド部９Ｂに配
線部１０を延長形成した点を特徴とするもので、その他
の構成は図５に示した従来構造と同様である。配線部１
０の幅および長さは適宜とされるが、上層配線２の幅と
略同一の幅で、スルーホール３の開口の一辺の長さの２
倍以上の長さを有することが好ましい。

【００１２】ここで、本実施例においては下層配線１と
上層配線２を同一直線上に形成し、配線部１０をパッド
部９Ｂの３辺１１ａ〜１１ｃのうち、上層配線２側にお
いて電流の流れ方向（矢印Ｂ方向）と直交する辺１１ａ
に、上層配線２と同一平面を形成するように延長形成し
て下層配線１と重ね合わせたが、下層配線１と上層配線
２との関係および配線部１０の形成箇所としては図２
（ａ）〜（ｅ）に示すように適宜変更可能である。すな
わち、図２（ａ）は、下層配線１と上層配線２を互いに
直交するように形成し、陽極側配線となる上層配線２の
パッド部９Ｂの、上層配線２における電流の流れ方向Ｂ
と直交する辺１１ａに延長形成した例、（ｂ）は同じく
下層配線１と上層配線２を互いに直交するように形成
し、陽極側配線となる上層配線２のパッド部９Ｂの、上
層配線２における電流の流れ方向Ｂと平行な２辺１１
ｂ、１１ｃのうちの一方の辺１１ｂに延長形成した例、
（ｃ）は下層配線１と上層配線２を同一直線上に形成
し、下層配線１を陽極側配線とし、上層配線２を陰極側
配線とし、下層配線１のパッド部９Ａの３つの辺１２ａ
〜１２Ｃのうち、下層配線１における電流の流れ方向Ｂ
と直交する辺１２ａに延長形成した例、（ｄ）は下層配
線１と上層配線２を互いに直交するように形成し、陽極
側配線となる下層配線１のパッド部９Ａの３つの辺１２
ａ〜１２Ｃのうち、下層配線１における電流の流れ方向
Ｂと直交する辺１２ａに延長形成した例、（ｅ）は下層
配線１と上層配線２を互いに直交するように形成し、陽
極側配線となる下層配線１のパッド部９Ａの３つの辺１
２ａ〜１２Ｃのうち、下層配線１における電流の流れ方
向Ｂと平行な２辺１２ｂ、１２ｃのうちの一方の辺１２
ｃに延長形成した例を示す。なお、（ｂ）と（ｅ）のよ
うに配線部１０を陰極側配線と重なるように形成する
と、余分な場所を必要とせず、高集積化に適している。

【００１３】次に、このような二層配線構造からなる半
導体集積回路用配線の製造手順を説明する。先ず下層配
線１を形成する。この下層配線１の形成に際しては、高
融点金属層５を形成し、しかる後この高融点金属層５と
は異なる金属、具体的にはアルミニウム合金層４を形成
し、これらによって下層配線１とする。次に、下層配線
１の上に絶縁層６を形成し、次いで所定箇所にスルーホ
ール３を形成する。次にスルーホール３内に前記下層配
線１とは異なる金属または合金からなる配線接続用金属
層８を充填形成し、しかる後その上に上層配線２を形成
する。この上層配線２は、下層配線１と同様、高融点金
属層５を形成し、その上にアルミニウム合金層４を形成
することで行われる。

【００１４】この半導体集積回路用配線の製造工程にお
いて、図１においては下層配線１を陰極側配線とし、上
層配線２を陽極側配線としているため、上層配線２の形
成工程において配線部１０がこの上層配線２の形成と同
時に形成されるが、図２（ｃ）〜（ｅ）に示したように
下層配線１を陽極側配線とし、上層配線２を陰極側配線
とした場合は、下層配線１の形成工程において配線部１
０をこの下層配線１の形成と同時に形成すればよい。ま
た、本実施例においては高融点金属層５をアルミニウム
合金層４の下側に形成した場合を示したが、図３（ａ）
に示すように高融点金属層５をアルミニウム合金層４の
上側に形成してもよいことは勿論である。その場合は、
高融点金属層５とアルミニウム合金層４の形成工程を逆
にすればよい。なお、下層配線１、上層配線２等の製作
は、従来周知の蒸着法、スパッタリング法等によって行
われるものであるため、その説明については省略する。

【００１５】かくしてこのような構成からなる半導体集
積回路用配線においては、陽極側配線となる上層配線２
のパッド部９Ｂに配線部１０を延長形成しているので、
スルーホール３内に充填形成した配線接続用金属層８に
よってアルミニウム原子の流れが阻止されて生じるＥＭ
故障現象を、抑制防止することができ、配線全体の配線
レイアウトを大きく変更することなしに配線全体のＥＭ
耐性を向上させることができる。この延命効果のメカニ
ズムは次のように説明することができる。すなわち、ア
ルミニウムの供給領域とした配線部１０には電流が流れ
ないので、ＥＭ故障メカニズムによるアルミニウム原子
の移動は起こらないが、隣接した通電領域（パッド部９
Ｂ）でＥＭ故障メカニズムのためアルミニウムが移動し
アルミニウム密度が低くなると熱拡散によりアルミニウ
ム供給源である配線部１０から通電領域にアルミニウム
が拡散して行き補充されるので、通電領域でのアルミニ
ウムの減少、空洞化が抑制され、ＥＭ故障時間が延び
る。なお、従来の半導体集積回路用配線におけるパッド
部は本発明による配線部１０を有さず、積層配線やタン
グステン埋め込み型スルーホール特有のスルーホールで
のＥＭ故障メカニズムは考慮されていない。

【００１６】なお、本発明は上記実施例に特定されるこ
となく種々の変形、変更が可能であり、例えばパッド部
９Ａ、９Ｂを矩形に形成したが、円形等適宜な形状とす
ることができ、また２層構造に限らず２層以上の半導体
集積回路用配線にも適用可能である。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る半導体
集積回路用配線およびその製造方法は、陽極側となる配
線のパッド部に配線部を延長形成したので、積層配線の
スルーホールのＥＭ耐性を向上させることができ、長寿
命化を図ることができる。また、積層配線は、配線層の
信頼性を向上させるために不可欠な配線構造なので、本
発明により、配線層とスルーホールを合わせた配線系全
体として、大きな信頼性の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明に係る半導体集積回路
用配線の一実施例を示すスルーホール部の平面図および
Ａ−Ａ線断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ本発明の他の実施例
を示すスルーホールの平面図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）は従来の積層配線構造からなる
半導体集積回路用配線のスルーホールの断面構造を示す
図で、（ａ）は高融点金属層がアルミニウム合金層の上
にある場合、（ｂ）は高融点金属層がアルミニウム合金
層の下にある場合を示す図である。

【図４】ＥＭ現象によって生じたスルーホールでの断線
故障の模式図である。

【図５】（ａ）、（ｂ）はスルーホール内がタングステ
ンで埋め込まれた従来の積層配線を示す断面図および平
面図である。

【符号の説明】

１ 下層配線 ２ 上層配線 ３ スルーホール ４ アルミニウム合金層 ５ 高融点金属層 ６ 絶縁層 ７ 空洞 ８ 配線接続用金属層 ９Ａ、９Ｂ パッド部 １０ 配線部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二層以上の多層配線構造を有する配線の
   下層と上層の配線がスルーホールによって電気的に接続
   されており、当該スルーホール内に配線層とは異なる種
   類の金属または合金が電流経路を横切る状態で存在する
   半導体集積回路用配線において、 上層配線と下層配線のうち陽極側となる配線のスルーホ
   ールに対応するパッド部の一部周縁に所要長さの配線部
   が延長形成されていることを特徴とする半導体集積回路
   用配線。
2. 【請求項２】 二層以上の多層配線構造を有する配線の
   下層と上層の配線がスルーホールによって電気的に接続
   されており、当該スルーホール内に配線層とは異なる種
   類の金属または合金が電流経路を横切る状態で存在する
   半導体集積回路用配線の製造方法であって、下層配線を
   形成する工程と、下層配線上に絶縁層を形成する工程
   と、絶縁層にスルーホールを形成する工程と、スルーホ
   ール内に前記下層配線とは異なる金属または合金からな
   る配線接続用金属層を充填形成する工程と、前記絶縁層
   および前記配線接続用金属層の上に前記下層配線と同種
   の材料からなる上層配線を形成する工程とを備え、何れ
   か一方が陽極側として他方が陰極側として形成される前
   記下層配線または上層配線のうち陽極側となる配線の形
   成工程において、陰極側配線と重なる陽極側配線のパッ
   ド部の一部周縁に所要長さの配線部を、陽極側配線の形
   成と同時に延長形成するようにしたことを特徴とする半
   導体集積回路用配線の製造方法。