JPH0797585B2 - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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- JPH0797585B2 JPH0797585B2 JP3829691A JP3829691A JPH0797585B2 JP H0797585 B2 JPH0797585 B2 JP H0797585B2 JP 3829691 A JP3829691 A JP 3829691A JP 3829691 A JP3829691 A JP 3829691A JP H0797585 B2 JPH0797585 B2 JP H0797585B2
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- Formation Of Insulating Films (AREA)
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は超LSIの多層配線構造
を有する半導体装置に関する。
を有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、超LSIの高集積化に伴って、配
線構造を2層以上に積層する多層配線構造がとられ、さ
らに前記配線が形成された半導体装置は水分や不純物の
浸透防止のために保護膜として、Pを含有するSiO2
(以下ではPSG(リンシリケートガラス)と記す)と
プラズマCVDで形成したシリコン窒化膜(以下ではS
iNと記す)で覆う構造が用いられている。
線構造を2層以上に積層する多層配線構造がとられ、さ
らに前記配線が形成された半導体装置は水分や不純物の
浸透防止のために保護膜として、Pを含有するSiO2
(以下ではPSG(リンシリケートガラス)と記す)と
プラズマCVDで形成したシリコン窒化膜(以下ではS
iNと記す)で覆う構造が用いられている。
【0003】このような2層配線構造の断面構造の一例
を図9に示す。同図において、一部を開口して絶縁膜1
0で覆われトランジスタ領域が作り込まれた基板11
に、第1層配線12を形成し、その上に層間絶縁膜13
を介して第2層配線14を設け、最終保護膜15として
PSGとSiNを形成して2層配線が完成する。この配
線構造は基本的に3つの部分、即ち第1層配線12のラ
イン、第2層配線14のラインと、第1層配線12と第
2層配線14を電気的に接続する部分13a(以下、コ
ンタクト部と記す)からなっている。
を図9に示す。同図において、一部を開口して絶縁膜1
0で覆われトランジスタ領域が作り込まれた基板11
に、第1層配線12を形成し、その上に層間絶縁膜13
を介して第2層配線14を設け、最終保護膜15として
PSGとSiNを形成して2層配線が完成する。この配
線構造は基本的に3つの部分、即ち第1層配線12のラ
イン、第2層配線14のラインと、第1層配線12と第
2層配線14を電気的に接続する部分13a(以下、コ
ンタクト部と記す)からなっている。
【0004】ところで、LSIの高集積化が進み、配線
サイズが微細化すると、配線に電流を流して使用するだ
けで、配線の断線不良が発生するといった問題が起こ
る。この現象をエレクトロマイグレーション(以下EM
と記す)不良と言い、この原因としては、電流による電
子の流れる方向にAl原子が移動し、その移動の激しい
部分が断線するためである。これを防ぐ対策として、ア
ルミ膜中に他元素(例えば、Cu,Ti等)を添加する
ことにより、アルミ粒界に存在する空位の数を減少させ
てAl原子の移動を低減する方法がとられている(P.
B.Gate,Solid State Technol
ogy,Vol.3,pp.113−120,1983)。
サイズが微細化すると、配線に電流を流して使用するだ
けで、配線の断線不良が発生するといった問題が起こ
る。この現象をエレクトロマイグレーション(以下EM
と記す)不良と言い、この原因としては、電流による電
子の流れる方向にAl原子が移動し、その移動の激しい
部分が断線するためである。これを防ぐ対策として、ア
ルミ膜中に他元素(例えば、Cu,Ti等)を添加する
ことにより、アルミ粒界に存在する空位の数を減少させ
てAl原子の移動を低減する方法がとられている(P.
B.Gate,Solid State Technol
ogy,Vol.3,pp.113−120,1983)。
【0005】またもうひとつの問題として、高温に保持
しているだけで、配線が断線する現象がある。これをス
トレスマイグレーション(以下SMと記す)という。S
M現象については、とくに150℃付近で保持すると断
線発生頻度が高くなるという報告があり、Cu等の添加
で改善される(J.Kelma他,22nd Annua
l Proceeding Internationa
l Reliability Physics Sym
posium,pp.1−5,1984)。
しているだけで、配線が断線する現象がある。これをス
トレスマイグレーション(以下SMと記す)という。S
M現象については、とくに150℃付近で保持すると断
線発生頻度が高くなるという報告があり、Cu等の添加
で改善される(J.Kelma他,22nd Annua
l Proceeding Internationa
l Reliability Physics Sym
posium,pp.1−5,1984)。
【0006】上記2つの問題は、1層の配線ラインの問
題および解決として報告されている。しかし高集積化に
よる2層配線などでは、さらにコンタクト部についてE
M、SM問題を解決する必要がある。
題および解決として報告されている。しかし高集積化に
よる2層配線などでは、さらにコンタクト部についてE
M、SM問題を解決する必要がある。
【0007】このコンタクト部についてのEM、SM現
象の報告は少なく、経験的にコンタクト部の層間絶縁膜
にテーパーをつけて第2配線のアルミのカバレッジを改
善することでEM、SM特性がよくなると予測して実施
されている。ところが、コンタクト部にテーパーをつけ
ると、第2配線のアルミをスパッタリング法で形成する
際に、スパッタリングの投入電力が大きいときに基板の
コンタクト部のSiO 2がテーパーであるためにスパッ
タされ易く、第1と第2のアルミ間にSiO2が形成さ
れ、これがEM特性劣化の原因となるため、コンタクト
界面SiO2 形成には注意がいると報告されている
(H.Tomioka他,27nd Annual Pr
oceeding International Re
liability Physics Symposi
um,p.57,1989)。
象の報告は少なく、経験的にコンタクト部の層間絶縁膜
にテーパーをつけて第2配線のアルミのカバレッジを改
善することでEM、SM特性がよくなると予測して実施
されている。ところが、コンタクト部にテーパーをつけ
ると、第2配線のアルミをスパッタリング法で形成する
際に、スパッタリングの投入電力が大きいときに基板の
コンタクト部のSiO 2がテーパーであるためにスパッ
タされ易く、第1と第2のアルミ間にSiO2が形成さ
れ、これがEM特性劣化の原因となるため、コンタクト
界面SiO2 形成には注意がいると報告されている
(H.Tomioka他,27nd Annual Pr
oceeding International Re
liability Physics Symposi
um,p.57,1989)。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、かかる2層配
線の構成による現状を(表1)に示す。
線の構成による現状を(表1)に示す。
【0009】
【表1】 (表1)から明らかなように、第1および第2配線の配
線自体のEM、SM特性の報告や、コンタクト部の問題
等の個別の報告はあるものの、2層配線を半導体素子
((表1)中デバイスと記載)に使用したときの、各部
のマッチングをとったものがない。
線自体のEM、SM特性の報告や、コンタクト部の問題
等の個別の報告はあるものの、2層配線を半導体素子
((表1)中デバイスと記載)に使用したときの、各部
のマッチングをとったものがない。
【0010】本発明の目的としては、この配線各部間の
マッチングしたEM、SM特性の良い2層配線を実現す
るために特にコンタクト部のEM特性改善を目指し、同
時にSM特性についても判断することに至った技術的経
緯を説明する。
マッチングしたEM、SM特性の良い2層配線を実現す
るために特にコンタクト部のEM特性改善を目指し、同
時にSM特性についても判断することに至った技術的経
緯を説明する。
【0011】まず、半導体素子に用いられる配線の各部
のサイズの関係は次のようになる。例えば第1配線幅を
1.2μm(配線に負荷が大きいマイクロプロセッサで
は最小レベルのサイズである)とすると、第2層配線幅
も最小サイズで、1.2μmとなる。このときのコンタ
クト部は、第1配線と第2配線が交差する点でのサイズ
が最大になるように決められ、この場合は1.2ミクロ
ン角で作られる。この様子を図10に示す。同図は平面
状態を示し、コンタクト周辺の第1層配線と第2層配線
の広がり(図中アライメントマージンと記載)はフォト
リソグラフィにおけるアライメントずれを見込んだ余裕
度である。これより、2層配線を作るときの各部のサイ
ズは、第1層と第2層の配線幅が同じサイズで、コンタ
クトサイズは、前記配線幅を一辺とする四角形となる。
のサイズの関係は次のようになる。例えば第1配線幅を
1.2μm(配線に負荷が大きいマイクロプロセッサで
は最小レベルのサイズである)とすると、第2層配線幅
も最小サイズで、1.2μmとなる。このときのコンタ
クト部は、第1配線と第2配線が交差する点でのサイズ
が最大になるように決められ、この場合は1.2ミクロ
ン角で作られる。この様子を図10に示す。同図は平面
状態を示し、コンタクト周辺の第1層配線と第2層配線
の広がり(図中アライメントマージンと記載)はフォト
リソグラフィにおけるアライメントずれを見込んだ余裕
度である。これより、2層配線を作るときの各部のサイ
ズは、第1層と第2層の配線幅が同じサイズで、コンタ
クトサイズは、前記配線幅を一辺とする四角形となる。
【0012】以上のような配線各部のEM特性を測定し
た結果、図11になった。(SM特性については実施例
中で述べるが、問題なかった。)この測定に用いた各部
の断面構造を図1に示す。図1において1%Siと0.
5%Cuを含有したアルミ(以下、これをアルミと記
す)を第1と第2の配線金属に用いた。第1配線と第2
配線のコンタクト部が1.2ミクロン角の400個のコ
ンタクト部の直列接続(以下、コンタクトチェーンと記
す)を図1(a)に示す構造で作り、EM測定を行っ
た。
た結果、図11になった。(SM特性については実施例
中で述べるが、問題なかった。)この測定に用いた各部
の断面構造を図1に示す。図1において1%Siと0.
5%Cuを含有したアルミ(以下、これをアルミと記
す)を第1と第2の配線金属に用いた。第1配線と第2
配線のコンタクト部が1.2ミクロン角の400個のコ
ンタクト部の直列接続(以下、コンタクトチェーンと記
す)を図1(a)に示す構造で作り、EM測定を行っ
た。
【0013】図1(a)において、SiO2膜10が形
成された基板11上に、第1の金属配線12と、SiO
2 よりなる層間絶縁膜13と、コンタクト部13aを介
して第1の金属配線12に接続する第2の金属配線14
が形成されている。この上に保護膜15としてPSG膜
15aとSiN膜15bが形成されている。スパッタリ
ングによるアルミのステップカバレッジは悪いため、こ
れを改善することを目的としてコンタクト部は約55°
のテーパー加工が施されている。
成された基板11上に、第1の金属配線12と、SiO
2 よりなる層間絶縁膜13と、コンタクト部13aを介
して第1の金属配線12に接続する第2の金属配線14
が形成されている。この上に保護膜15としてPSG膜
15aとSiN膜15bが形成されている。スパッタリ
ングによるアルミのステップカバレッジは悪いため、こ
れを改善することを目的としてコンタクト部は約55°
のテーパー加工が施されている。
【0014】また同図(a)の構造を作る際に同時に、
第2配線と電気的に絶縁した1.2μm幅で0.8μm厚
の第1配線だけの部分(図1(b))と、第1配線と電
気的に絶縁した1.2μm幅で1.0μm厚の第2配線だ
け部分(図1(c))を作り、各々のEM測定による配
線寿命を測った。
第2配線と電気的に絶縁した1.2μm幅で0.8μm厚
の第1配線だけの部分(図1(b))と、第1配線と電
気的に絶縁した1.2μm幅で1.0μm厚の第2配線だ
け部分(図1(c))を作り、各々のEM測定による配
線寿命を測った。
【0015】測定条件は第1配線、第2配線およびコン
タクト各部の断面積を求めた後、150℃で電流密度が
2×106A/cm2になるように電流を流して行い、断
線不良の発生時間を調べた(これを一般にはEM測定と
言う)。その結果を図11に示す。同図より明らかなよ
うにコンタクトチェーンが、他のものに比べてEM特性
の不良に到る時間が1桁以上も短いことが判る。
タクト各部の断面積を求めた後、150℃で電流密度が
2×106A/cm2になるように電流を流して行い、断
線不良の発生時間を調べた(これを一般にはEM測定と
言う)。その結果を図11に示す。同図より明らかなよ
うにコンタクトチェーンが、他のものに比べてEM特性
の不良に到る時間が1桁以上も短いことが判る。
【0016】このコンタクトチェーンのEM特性の劣化
原因に従来例で、第1配線と第2配線の接触部に薄いS
iO2が存在する(第2配線のアルミをスパッタリング
で堆積する際、テーパー部のSiO2がArイオンでス
パッタされて、コンタクトで開口している第1配線上に
再付着するために生じる)ことが報告されている。この
要因を除くために、本発明では第2配線のアルミスパッ
タリングを高真空状態で、しかもスパッタ電力を小さく
して、SiO2がArイオンでスパッタされない条件の
元で行った。
原因に従来例で、第1配線と第2配線の接触部に薄いS
iO2が存在する(第2配線のアルミをスパッタリング
で堆積する際、テーパー部のSiO2がArイオンでス
パッタされて、コンタクトで開口している第1配線上に
再付着するために生じる)ことが報告されている。この
要因を除くために、本発明では第2配線のアルミスパッ
タリングを高真空状態で、しかもスパッタ電力を小さく
して、SiO2がArイオンでスパッタされない条件の
元で行った。
【0017】さらに界面にSiO2が存在しないことを
次のように確認した。界面に薄いSiO2が存在する
と、2層配線を作成後コンタクトチェーン抵抗のばらつ
きが大きくなり、400℃程度の熱処理でその抵抗値が
大きく変化する。この確認結果を図12に示す。
次のように確認した。界面に薄いSiO2が存在する
と、2層配線を作成後コンタクトチェーン抵抗のばらつ
きが大きくなり、400℃程度の熱処理でその抵抗値が
大きく変化する。この確認結果を図12に示す。
【0018】同図は、テーパー角度が55゜のときの1
0000個のコンタクトチェーン抵抗の450℃150
分の熱処理前後の変化を示す。コンタクトサイズを0.
8、1.0、1.2ミクロン角とし、各々108個の試料
を測定した。0.8ミクロン角で抵抗のばらつきが、少
し大きいことを除いて熱処理前後で大きい抵抗の変化は
見られなかった。このことはコンタクト部に薄いSiO
2の存在が無いことを意味する。さらに物理的に確認す
るために、上記1.2ミクロン角のコンタクト部の断面
を透過形電子顕微鏡で観察した結果、SiO2の存在が
無く、コンタクト部でアルミがアロイ化していることを
確認した。
0000個のコンタクトチェーン抵抗の450℃150
分の熱処理前後の変化を示す。コンタクトサイズを0.
8、1.0、1.2ミクロン角とし、各々108個の試料
を測定した。0.8ミクロン角で抵抗のばらつきが、少
し大きいことを除いて熱処理前後で大きい抵抗の変化は
見られなかった。このことはコンタクト部に薄いSiO
2の存在が無いことを意味する。さらに物理的に確認す
るために、上記1.2ミクロン角のコンタクト部の断面
を透過形電子顕微鏡で観察した結果、SiO2の存在が
無く、コンタクト部でアルミがアロイ化していることを
確認した。
【0019】以上述べたように、本発明が解決しようと
する課題は、最適な2層配線を作成したときに、第1層
配線と第2層配線とのコンタクト部で、その界面にSi
O2の存在が無いにもかかわらず、半導体装置の寿命を
決めるEM特性の不良を解析するものである。即ち本発
明の目的は、2層配線のコンタクト部におけるEM特性
の改善した半導体装置を提供することである。
する課題は、最適な2層配線を作成したときに、第1層
配線と第2層配線とのコンタクト部で、その界面にSi
O2の存在が無いにもかかわらず、半導体装置の寿命を
決めるEM特性の不良を解析するものである。即ち本発
明の目的は、2層配線のコンタクト部におけるEM特性
の改善した半導体装置を提供することである。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するため、コンタクト部のEM寿命を決めているのが
コンタクト部に形成された保護膜のストレスであること
を明らかにし、コンタクト部に形成した第2の金属配線
上に形成されるシリコン窒化膜の厚みとストレス量とを
乗じた値が、前記第2の金属配線を覆うように形成され
たシリコン窒化膜厚とストレス量とを乗じた値の2/5
以下であるように、前記シリコン窒化膜のストレスとコ
ンタクト部に形成されるシリコン窒化膜の膜厚を制御す
る構成を備えたものである。
決するため、コンタクト部のEM寿命を決めているのが
コンタクト部に形成された保護膜のストレスであること
を明らかにし、コンタクト部に形成した第2の金属配線
上に形成されるシリコン窒化膜の厚みとストレス量とを
乗じた値が、前記第2の金属配線を覆うように形成され
たシリコン窒化膜厚とストレス量とを乗じた値の2/5
以下であるように、前記シリコン窒化膜のストレスとコ
ンタクト部に形成されるシリコン窒化膜の膜厚を制御す
る構成を備えたものである。
【0021】
【作用】本発明は上述の構成によって、保護膜の特にシ
リコン窒化膜によるコンタクト部のアルミ配線にかかる
ストレスを低く抑えることにより、ストレスの影響によ
るコンタクト部のEM寿命を1桁近く改善することが可
能となる。
リコン窒化膜によるコンタクト部のアルミ配線にかかる
ストレスを低く抑えることにより、ストレスの影響によ
るコンタクト部のEM寿命を1桁近く改善することが可
能となる。
【0022】
【実施例】図1は本発明による半導体装置の断面構造図
である。同図は2層配線の構造を第1配線、第2配線と
コンタクト部の各部分に分解したものである。
である。同図は2層配線の構造を第1配線、第2配線と
コンタクト部の各部分に分解したものである。
【0023】図1(a)はコンタクトチェーン部を示
し、SiO2膜10が形成された基板11上に第1の金
属配線12と、SiO2よりなる層間絶縁膜13と、1.
2ミクロン角のコンタクト部13aを介して第1の金属
配線12に接続する第2の金属配線14が形成されてい
る。この上に保護膜15としてPSG膜15aとSiN
膜15bが形成されている。
し、SiO2膜10が形成された基板11上に第1の金
属配線12と、SiO2よりなる層間絶縁膜13と、1.
2ミクロン角のコンタクト部13aを介して第1の金属
配線12に接続する第2の金属配線14が形成されてい
る。この上に保護膜15としてPSG膜15aとSiN
膜15bが形成されている。
【0024】図1(b)は第1配線部で、第2配線とは
電気的に絶縁した1.2μm幅で0.8μm厚の第1配
線だけの部分である。図1(c)は第1配線とは電気的
に絶縁した1.2μm幅で1.0μm厚の第2配線だけの
部分である。
電気的に絶縁した1.2μm幅で0.8μm厚の第1配
線だけの部分である。図1(c)は第1配線とは電気的
に絶縁した1.2μm幅で1.0μm厚の第2配線だけの
部分である。
【0025】課題で述べたように、図1(a)のコンタ
クト部のEM特性が問題であり、このSiN膜15bの
影響を明確にするため、図2の1つのコンタクト部の断
面構造に示すように、コンタクトの傾きθを変化させ
て、第2層アルミのカバレッジ率、SiN膜厚と平均故
障時間の関係を調べた。
クト部のEM特性が問題であり、このSiN膜15bの
影響を明確にするため、図2の1つのコンタクト部の断
面構造に示すように、コンタクトの傾きθを変化させ
て、第2層アルミのカバレッジ率、SiN膜厚と平均故
障時間の関係を調べた。
【0026】このアルミのカバレッジおよびSiNの膜
厚は、コンタクト部の断面を走差型電子顕微鏡で観察し
て求めた。さらに500個のコンタクトを直列に接続し
て、全ての試料に対して同一電流(85°の試料のコン
タクト部の最小アルミ断面積で2×106A/cm2にな
るように設定した)を流してEM測定を行い、平均故障
時間(図11で示すEM測定結果で累積故障率が50%
になる時間を平均故障時間という)を求めた。この結果
を図3に示す。
厚は、コンタクト部の断面を走差型電子顕微鏡で観察し
て求めた。さらに500個のコンタクトを直列に接続し
て、全ての試料に対して同一電流(85°の試料のコン
タクト部の最小アルミ断面積で2×106A/cm2にな
るように設定した)を流してEM測定を行い、平均故障
時間(図11で示すEM測定結果で累積故障率が50%
になる時間を平均故障時間という)を求めた。この結果
を図3に示す。
【0027】同図(a)でコンタクトの角度θが大きく
なる程、アルミのカバレッジ率は低下する。同様に同図
(b)よりコンタクト部でのSiNの膜厚も低下する。
それに反して、同図(c)より平均故障時間はθの増加
に連れて、改善されて高くなる。とくに本発明の目的で
ある第2配線のEM寿命と同レベルのコンタクトチェー
ンのEM寿命を得るには、コンタクトのテーパー角度を
80゜以上にすれば得られることになる。ただし、本発
明は角度を規定しようとするものではなく、コンタクト
チェーンのEM寿命を制限する物理的要因をつきとめ、
規定するものである。アルミのカバレッジ率から考える
と、通常言われている電流密度が大きくなるとEM特性
は劣化することに図3は相反している。そのためにSi
N膜に着目して、以下のことを行った。
なる程、アルミのカバレッジ率は低下する。同様に同図
(b)よりコンタクト部でのSiNの膜厚も低下する。
それに反して、同図(c)より平均故障時間はθの増加
に連れて、改善されて高くなる。とくに本発明の目的で
ある第2配線のEM寿命と同レベルのコンタクトチェー
ンのEM寿命を得るには、コンタクトのテーパー角度を
80゜以上にすれば得られることになる。ただし、本発
明は角度を規定しようとするものではなく、コンタクト
チェーンのEM寿命を制限する物理的要因をつきとめ、
規定するものである。アルミのカバレッジ率から考える
と、通常言われている電流密度が大きくなるとEM特性
は劣化することに図3は相反している。そのためにSi
N膜に着目して、以下のことを行った。
【0028】まず、SiN膜のないもの(テーパー角8
5゜)と、SiN膜厚を厚くし、かつSiNストレス量
を1/2にしたもの(テーパー角85゜)のEM測定
し、平均故障時間を求めた。その結果のSiN膜厚に対
する平均故障時間を図4に示す。同図の○印は、同じス
トレス量のSiN膜で、この平均故障時間はSiN膜厚
が薄くなるほど平均故障時間が増加し、EM寿命が伸び
ているのがわかる。SiN膜がないと、平均故障時間が
大きく(100任意時間以上であった)改善される。こ
れは、コンタクトチェーンのEM寿命を決めているの
が、SiN膜に関係することを示す。また同図の□印
は、SiN膜のストレス量が○印のものの1/2のスト
レス量のSiN膜である。このことはコンタクト部にお
けるEM特性がSiN膜厚のみに依存するのではなく
て、SiN膜のストレス量とも関係することを示す。
5゜)と、SiN膜厚を厚くし、かつSiNストレス量
を1/2にしたもの(テーパー角85゜)のEM測定
し、平均故障時間を求めた。その結果のSiN膜厚に対
する平均故障時間を図4に示す。同図の○印は、同じス
トレス量のSiN膜で、この平均故障時間はSiN膜厚
が薄くなるほど平均故障時間が増加し、EM寿命が伸び
ているのがわかる。SiN膜がないと、平均故障時間が
大きく(100任意時間以上であった)改善される。こ
れは、コンタクトチェーンのEM寿命を決めているの
が、SiN膜に関係することを示す。また同図の□印
は、SiN膜のストレス量が○印のものの1/2のスト
レス量のSiN膜である。このことはコンタクト部にお
けるEM特性がSiN膜厚のみに依存するのではなく
て、SiN膜のストレス量とも関係することを示す。
【0029】図3(c)および図4より明らかなよう
に、2層配線におけるコンタクト部のEM寿命は、この
コンタクト部を被覆する保護膜の膜厚とストレス量の影
響を強く受ける。膜厚が薄くなるとEM特性が改善さ
れ、ストレス量が小さくなるとコンタクトのEM寿命は
改善される。このようにコンタクト部のEM特性はSi
N膜の膜厚並びにストレス量に同傾向で依存する。これ
はアルミを反りや圧縮などの変形させる変形量は、Si
N膜厚にストレス量(dynes/cm2 )を乗じた値
(以後これをトータルストレスと呼ぶ)で表されるため
である。
に、2層配線におけるコンタクト部のEM寿命は、この
コンタクト部を被覆する保護膜の膜厚とストレス量の影
響を強く受ける。膜厚が薄くなるとEM特性が改善さ
れ、ストレス量が小さくなるとコンタクトのEM寿命は
改善される。このようにコンタクト部のEM特性はSi
N膜の膜厚並びにストレス量に同傾向で依存する。これ
はアルミを反りや圧縮などの変形させる変形量は、Si
N膜厚にストレス量(dynes/cm2 )を乗じた値
(以後これをトータルストレスと呼ぶ)で表されるため
である。
【0030】さらにこの関係を数値化するために、Si
N膜の膜厚を種々に変化させてストレス量を実測した。
コンタクト部の保護膜のストレス量を知るために、上記
図3(b)の断面SEMより求めたコンタクト部の保護
膜膜厚と同じ厚みの保護膜をSi基板(PSGも堆積し
ているが、PSG膜のストレス量は108 dynes/
cm2 程度のために測定ストレス量はPSG膜を無視で
きる)上に堆積し、そのストレス量を測定した。このと
きのSiN膜厚とストレス量との関係を図5に示す。同
図において、SiN膜の堆積方法(プラズマCVDの堆
積条件)を変えることで膜質を変化させ、500nm厚
で求めたストレス量が、○印は3×10 9dynes/
cm2で、□印は1.5×109dynes/cm2のも
のである。 この実測トータルストレスとEM測定より
求めた平均故障時間との関係を図6に示す。同図から明
らかなようにコンタクト部の配線寿命はトータルストレ
ス量に反比例する。
N膜の膜厚を種々に変化させてストレス量を実測した。
コンタクト部の保護膜のストレス量を知るために、上記
図3(b)の断面SEMより求めたコンタクト部の保護
膜膜厚と同じ厚みの保護膜をSi基板(PSGも堆積し
ているが、PSG膜のストレス量は108 dynes/
cm2 程度のために測定ストレス量はPSG膜を無視で
きる)上に堆積し、そのストレス量を測定した。このと
きのSiN膜厚とストレス量との関係を図5に示す。同
図において、SiN膜の堆積方法(プラズマCVDの堆
積条件)を変えることで膜質を変化させ、500nm厚
で求めたストレス量が、○印は3×10 9dynes/
cm2で、□印は1.5×109dynes/cm2のも
のである。 この実測トータルストレスとEM測定より
求めた平均故障時間との関係を図6に示す。同図から明
らかなようにコンタクト部の配線寿命はトータルストレ
ス量に反比例する。
【0031】通常、SiN膜のストレス量はおよそ1〜
4×109dyenes/cm2で500nm〜800nm厚の保
護膜が用いられる。このようなストレスの保護膜に対し
て、EM寿命を1桁程度(この理由は後述する)改善す
るには、ストレス量、SiN膜厚、コンタクト寿命測定
等のバラツキを考慮する必要がある。
4×109dyenes/cm2で500nm〜800nm厚の保
護膜が用いられる。このようなストレスの保護膜に対し
て、EM寿命を1桁程度(この理由は後述する)改善す
るには、ストレス量、SiN膜厚、コンタクト寿命測定
等のバラツキを考慮する必要がある。
【0032】このことを図6で説明すると、第2配線上
に堆積したSiN膜厚は500nmであるため、第2配
線部におけるトータルストレスは1.5×105dyne
s/cm程度となる。また、コンタクト部のトータルス
トレスと平均故障時間の関係はおおむね実線の関係とな
るが、ばらつきを考慮すると破線の関係となる。また、
同図中に示しているように、第2配線の平均故障時間
(=EM寿命)は10〜20(任意値)である。これと
同程度にコンタクトチェーンのEM寿命(従来に比べて
1桁程度の改善)にするには、コンタクト部では破線よ
り6×104dynes/cm程度以下のトータルスト
レスでなければならない。この値が、すなわち第2配線
部のトータルストレス値の約2/5になる。
に堆積したSiN膜厚は500nmであるため、第2配
線部におけるトータルストレスは1.5×105dyne
s/cm程度となる。また、コンタクト部のトータルス
トレスと平均故障時間の関係はおおむね実線の関係とな
るが、ばらつきを考慮すると破線の関係となる。また、
同図中に示しているように、第2配線の平均故障時間
(=EM寿命)は10〜20(任意値)である。これと
同程度にコンタクトチェーンのEM寿命(従来に比べて
1桁程度の改善)にするには、コンタクト部では破線よ
り6×104dynes/cm程度以下のトータルスト
レスでなければならない。この値が、すなわち第2配線
部のトータルストレス値の約2/5になる。
【0033】以上のように、従来例およびコンタクト部
におけるトータルストレスを、第2の金属配線の保護膜
のトータルストレスの2/5以下にしたときの1.2ミ
クロン角のコンタクト部のEM特性を図7(a)に示
す。本発明により、従来例に比べて1桁以上のEM寿命
の改善がみられる。
におけるトータルストレスを、第2の金属配線の保護膜
のトータルストレスの2/5以下にしたときの1.2ミ
クロン角のコンタクト部のEM特性を図7(a)に示
す。本発明により、従来例に比べて1桁以上のEM寿命
の改善がみられる。
【0034】EM寿命を1桁程度改善する意味は製品の
寿命保証からくる。LSIの製品寿命は通常使用電流密
度と使用温度で決まり、この条件のもとで10年程度の
保証を行う。EM測定はこれを加速して行うものであ
る。このために本試験のEM測定条件は150℃で電流
密度が2×106A/cm2 で、現実の製品使用条件
(80℃で電流密度が1×105A/cm2 。これは特
殊用途を除くほとんどの製品使用レベルである)のもと
では、図7(a)で示す累積故障率の直線が約0.3%
になる時間が2.83試験時間となり、この時間のとき
が、配線寿命10年に相当する。この関係を図7(b)
に示す。同図から明らかなように本発明により、製品保
証10年を達成することが可能となる。
寿命保証からくる。LSIの製品寿命は通常使用電流密
度と使用温度で決まり、この条件のもとで10年程度の
保証を行う。EM測定はこれを加速して行うものであ
る。このために本試験のEM測定条件は150℃で電流
密度が2×106A/cm2 で、現実の製品使用条件
(80℃で電流密度が1×105A/cm2 。これは特
殊用途を除くほとんどの製品使用レベルである)のもと
では、図7(a)で示す累積故障率の直線が約0.3%
になる時間が2.83試験時間となり、この時間のとき
が、配線寿命10年に相当する。この関係を図7(b)
に示す。同図から明らかなように本発明により、製品保
証10年を達成することが可能となる。
【0035】なお、本実施例ではSiとCuを含有する
アルミ配線で述べたが、配線材料が純アルミでも、Si
やTiやPd含有アルミであっても同様の効果があり、
配線材料によって限定されるものではない。
アルミ配線で述べたが、配線材料が純アルミでも、Si
やTiやPd含有アルミであっても同様の効果があり、
配線材料によって限定されるものではない。
【0036】また、配線寿命を決定するもう1つの要因
であるストレスマイグレーション特性を測定し、図8に
示す。同図は保護膜を形成した400個のコンタクトを
直列に接続した配線の、従来例(テーパー角55゜)と
本発明(テーパー角85゜)の試料を150℃で保持
し、保持時間に対する断線の不良率を示している。コン
タクトサイズは各々1.2および1.0ミクロン角を調べ
た。従来例、本発明とも1000時間の保持では不良が
発生せず、1.0ミクロン角の2100時間で、従来
例、本発明とも不良が発生する。保持時間が1000時
間あれば製品に問題はなく、またわずかの差はあるにし
ろ2100時間では、従来例、本発明とも不良に到るこ
とから、コンタクト部のSiN膜の違いが、ストレスマ
イグレーションに大きく影響を与えることはない。
であるストレスマイグレーション特性を測定し、図8に
示す。同図は保護膜を形成した400個のコンタクトを
直列に接続した配線の、従来例(テーパー角55゜)と
本発明(テーパー角85゜)の試料を150℃で保持
し、保持時間に対する断線の不良率を示している。コン
タクトサイズは各々1.2および1.0ミクロン角を調べ
た。従来例、本発明とも1000時間の保持では不良が
発生せず、1.0ミクロン角の2100時間で、従来
例、本発明とも不良が発生する。保持時間が1000時
間あれば製品に問題はなく、またわずかの差はあるにし
ろ2100時間では、従来例、本発明とも不良に到るこ
とから、コンタクト部のSiN膜の違いが、ストレスマ
イグレーションに大きく影響を与えることはない。
【0037】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、コンタクト部に形成した第2の金属配線上に
形成されるシリコン窒化膜の厚みとストレス量とを乗じ
た値が、前記第2の金属配線を覆うように形成されたS
iN膜厚とストレス量とを乗じた値の2/5以下である
ように、SiN膜のストレスとコンタクト部に形成され
るSiN膜厚を制御することによって、保護膜の特にS
iN膜によるコンタクト部のアルミ配線にかかるストレ
スを低く抑えることにより、ストレスの影響によるコン
タクト部のエレクトロマイグレーション寿命を1桁近く
改善するという効果を有するものである。
によれば、コンタクト部に形成した第2の金属配線上に
形成されるシリコン窒化膜の厚みとストレス量とを乗じ
た値が、前記第2の金属配線を覆うように形成されたS
iN膜厚とストレス量とを乗じた値の2/5以下である
ように、SiN膜のストレスとコンタクト部に形成され
るSiN膜厚を制御することによって、保護膜の特にS
iN膜によるコンタクト部のアルミ配線にかかるストレ
スを低く抑えることにより、ストレスの影響によるコン
タクト部のエレクトロマイグレーション寿命を1桁近く
改善するという効果を有するものである。
【図1】(a)は本発明の実施例で用いた配線のEM寿
命測定のコンタクトチェーン部の断面構造図である。
(b)は第1層配線の断面構造図である。(c)は第2
層配線の断面構造図である。
命測定のコンタクトチェーン部の断面構造図である。
(b)は第1層配線の断面構造図である。(c)は第2
層配線の断面構造図である。
【図2】本発明のコンタクト部を示す断面構造図であ
る。
る。
【図3】(a)はコンタクト部におけるアルミのカバレ
ッジ特性図である。(b)はコンタクト部における保護
膜のSiN膜厚特性図である。(c)はコンタクト部に
おける平均故障時間の特性図である。
ッジ特性図である。(b)はコンタクト部における保護
膜のSiN膜厚特性図である。(c)はコンタクト部に
おける平均故障時間の特性図である。
【図4】コンタクト部のSiN膜厚と平均故障時間の関
係図である。
係図である。
【図5】SiN膜厚とトータルストレスとの関係図であ
る。
る。
【図6】トータルストレスと配線寿命との関係図であ
る。
る。
【図7】(a)は本発明による半導体装置のコンタクト
部のエレクトロマイグレーション特性図である。(b)
は試験時間と配線寿命の関係図である。
部のエレクトロマイグレーション特性図である。(b)
は試験時間と配線寿命の関係図である。
【図8】コンタクトチェーンのストレスマイグレーショ
ン特性図である。
ン特性図である。
【図9】半導体装置における2層配線を示す断面構造図
である。
である。
【図10】本発明による半導体装置の2層配線のコンタ
クトを示す平面図である。
クトを示す平面図である。
【図11】従来例における2層配線の各部のエレクトロ
マイグレーション特性図である。
マイグレーション特性図である。
【図12】熱処理前後のコンタクトチェーン抵抗特性図
である。
である。
10 SiO2 膜 11 半導体基板 12 第1金属配線 13 層間絶縁膜 13a コンタクト部 14 第2金属配線 15a PSG膜 15b シリコン窒化膜
Claims (2)
- 【請求項1】 半導体基板上に形成された第1の金属配
線と、前記第1の金属配線と一部を開口した絶縁膜を介
して電気的に接続された第2の金属配線と、前記第2の
配線金属上に少なくともシリコン窒化膜を有する保護膜
を形成した半導体装置であって、前記開口部に形成した
前記第2の金属配線上に形成されるシリコン窒化膜厚と
ストレス量とを乗じた値が、前記開口部を除いた前記第
2の金属配線上に形成されたシリコン窒化膜厚とストレ
ス量とを乗じた値の2/5以下であることを特徴とする
半導体装置。 - 【請求項2】 開口部に形成した第2の金属配線上に形
成されるシリコン窒化膜厚とストレス量とを乗じた値
が、6×104dynes/cm以下であることを特徴
とする請求項1記載の半導体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3829691A JPH0797585B2 (ja) | 1990-03-27 | 1991-03-05 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2-77863 | 1990-03-27 | ||
JP7786390 | 1990-03-27 | ||
JP3829691A JPH0797585B2 (ja) | 1990-03-27 | 1991-03-05 | 半導体装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04212423A JPH04212423A (ja) | 1992-08-04 |
JPH0797585B2 true JPH0797585B2 (ja) | 1995-10-18 |
Family
ID=26377514
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3829691A Expired - Fee Related JPH0797585B2 (ja) | 1990-03-27 | 1991-03-05 | 半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0797585B2 (ja) |
-
1991
- 1991-03-05 JP JP3829691A patent/JPH0797585B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH04212423A (ja) | 1992-08-04 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |