JPH11186433A

JPH11186433A - 半導体装置の多層配線構造

Info

Publication number: JPH11186433A
Application number: JP9347914A
Authority: JP
Inventors: Yumi Saito; 由美斎藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-12-17
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 1999-07-09
Anticipated expiration: 2017-12-17
Also published as: JP3221383B2; KR19990063104A; US20030205813A1; KR100278493B1

Abstract

(57)【要約】【課題】アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる
上層配線とタングステンプラグからなるビアとを有する
ボーダレス配線技術による多層配線構造において、エレ
クトロマイグレーションによって発生したボイドによる
抵抗上昇や断線を防ぎ、寿命を長くする。【解決手段】上層配線１１の厚さをｔ、配線の長手方向
に沿ったタングステンプラグ１２の差し渡し（径）をｄ
として、ｔ／ｄを１未満、好ましくは０.７５以下とす
ることにより、電流密度が最大になると考えられる点Ｏ
を基準として、配線の長手方向に関し、電流密度勾配が
前方側よりも後方側で大きくなるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の多層
配線構造に関し、特に、下層配線（あるいは電極など）
と上層配線とを層間絶縁膜中に形成されタングステン
（Ｗ）プラグなどの導電性材料によって接続するととも
に、上層配線として例えばアルミニウム（Ａｌ）を使用
する多層配線構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置、特に集積回路（ＩＣ）や大
規模集積回路（ＬＳＩ）では、層間絶縁膜をはさんで下
層配線や電極と上層配線とを配置した多層配線構造が用
いられており、多層配線構造では、必要に応じて、下層
配線と上層配線とが層間絶縁膜を介して重なるところの
層間絶縁膜に孔部を設けて導電性物質を充填し、下層配
線と上層配線とを電気的に接続している。このような多
層配線構造は、まず下層配線（あるいは電極）を形成
し、下層配線を含む面上に層間絶縁膜を形成し、接続点
において層間絶縁膜に孔部（スルーホール、コンタクト
ホール、ビアホールなどと呼ばれる）を形成してこの孔
部内に導電性材料からなるプラグ（ビア）を下層配線と
電気的に接続するように充填し、その後、プラグと電気
的に接続するように上層配線を設けることによって、形
成することができる。なお、配線幅が広く孔部の直径を
大きくできる場合には、プラグを設けることなく、上層
配線の形成時に上層配線の材料によって孔部内が充填さ
れるようにしてもよい。また、この工程を繰り返し実行
することによって、配線層の数が３層あるいはそれ以上
の多層配線構造とすることができる。

【０００３】上述したような多層配線構造において、上
層配線を構成する材料としては、アルミニウムあるいは
アルミニウム合金が広く使用されている。また、層間絶
縁膜内に形成するプラグとしては、例えば、タングステ
ンなどが使用されている。

【０００４】ところで、半導体装置における集積度の向
上などに伴い、各層の配線パターンの微細化が進行して
いる。従来は、上層配線と下層配線と孔部との目合わせ
の誤差や信頼性の向上を考慮して、接続点（孔部が形成
されるべき場所）の部分だけ上層配線の配線幅を太く
し、この配線幅が太くなったところのほぼ中心に孔部が
形成されるようにしていた。しかしながら、一部にせよ
配線幅が太くなっていることは、その太い幅の部分を基
準に配線間隔などを決定することになるので、配線密度
の向上の妨げとなり、ひいては半導体装置の集積度の向
上の妨げともなる。半導体装置の高集積化に対応して配
線ピッチを極小化すると、配線間隔と配線幅がほぼ同等
となるため、接続点にに対応した配線の太らせはなくさ
なけれならない。また、孔部の径も、配線からはみださ
ないという条件下でなるべく大きくすることが求められ
てきている。

【０００５】そこで、最近、ボーダレスビア配線技術と
呼ばれる、孔部（ビア）の形成部において上層配線の幅
を太くすることなく、上層配線の幅とほぼ同じ直径のビ
アを設ける技術が採用されるようになってきた。ボーダ
レスビア配線技術による多層配線構造では、一般に、ビ
ア内のプラグをタングステンで構成し、上層配線をアル
ミニウムかアルミニウム合金で構成する。図６(a)はボ
ーダレスビア配線技術によらない従来の多層配線構造で
のアルミニウム配線層７１（上層配線）とビア７２との
位置関係を示す上面図であり、図６(b)はボーダレスビ
ア配線技術による多層配線構造でのアルミニウム配線層
７１（上層配線）とビア７２との位置関係を示す上面図
である。

【０００６】アルミニウム配線とタングステンプラグを
用いる場合一般にいえることであるが、ボーダレスビア
配線技術を採用した場合、エレクトロマイグレーション
によるアルミニウム配線（特に上層配線）の抵抗上昇や
断線が無視できないという問題点がある。アルミニウム
配線とタングステンプラグとの界面ではエレクトロマイ
グレーションによるアルミニウム原子の流れが不連続と
なるため、空孔（ベーカンシー）の発生が起こり、この
空孔が核成長することによってボイドが発生し、不良へ
とつながる。図７(a)はエレクトロマイグレーションに
よる不良の発生を説明する模式断面図である。層間絶縁
膜８１にビアホールが形成されてそこにタングステンプ
ラグ８２が充填されており、このタングステンプラグ８
２を介してＡｌ（アルミニウム）合金からなる下層配線
８３と、同じくＡｌ合金からなる上層配線８４とが電気
的に接続しているものとし、上層配線８４から下層配線
８３に向かって電流が流れるものとする。上層配線８４
はビアホールの位置で終端しており（上層配線８４のみ
について見ればビアホールの位置で行き止まりとなって
おり）、上層配線８４において、電流の経路に関して遠
方の方向を前方と呼ぶことにする。すると、上層配線８
４において、図示斜線部で示すように、タングステン／
アルミニウム界面などからエレクトロマイグレーション
によるボイド８５が発生する。ボーダレスビア配線技術
を用いる場合には、ビア近傍でのアルミニウムの体積が
小さいので、エレクトロマイグレーションによって不具
合が生じるまでの寿命（ＥＭ寿命）が劣化する。

【０００７】また、このような不良に対し、ビア近傍の
アルミニウム層からアルミニウム原子が補われる現象が
あり（あるいは、空孔がビア部から拡散して移動す
る）、これはリザバー効果と呼ばれている。リザバー効
果により、ビア部でのボイド発生までの時間が長くな
り、ＥＭ寿命が長くなる。従来の多層配線構造では、ビ
ア近傍でのアルミニウム配線の太らせ部分がリザバーと
して機能していた。しかしながらボーダレスビア配線で
は、リザバーがなくなるために、従来の配線に比べてＥ
Ｍ寿命が短くなるのは避けられなかった。ただし、配線
の長手方向への延長もリザバーとしての効果があること
が分かっており、そこで、図７(b)に示すように、ボー
ダレスビア配線において、アルミニウム合金からなる上
層配線８４をビアホール位置からさらに後方に延長して
リザバー８６を形成することが行われるようになってき
た。このようにリザバー８６を設けた場合、電流がほと
んど（全く）流れていないリザバー部からボイドが発生
して成長し、このボイドがビア部に達したときに初めて
不良となるため、リザバーがないときによりもＥＭ寿命
が長くなり、上層配線８４の耐ＥＭ特性が向上する。

【０００８】しかしながら、リザバー８６を設けたとし
ても、図７(c)に示すように、上層配線８４とプラグ８
２との接続位置よりも前方側でボイド８５が生成して断
線が発生することがあり、そのような場合にはＥＭ寿命
を長くすることはできない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、エレ
クトロマイグレーションによって発生したボイド等によ
る抵抗上昇や断線が防止され、ＥＭ寿命が長い上層配線
を有する半導体装置の多層配線構造を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、リザバー効
果が生じる理由を詳細に検討し、本発明を完成するに至
った。リザバー効果が生じる原因として、濃度勾配によ
る空孔の拡散が挙げられる。層間絶縁膜内にほぼ垂直に
設けられた孔部（ビアホール）がプラグで充填されてい
るとし、層間絶縁膜上に設けられた配線に対し、上述の
図７に示すように、プラグの上面と配線の一端側の底面
とが接合している場合を考える。配線の底面での電流密
度は、プラグと配線との接合領域内の点のうち、図にお
いて電流が折れ曲がるコーナ部分の最内角の点（後述の
図１では点Ｏ）、すなわち、プラグでの最前方の点で最
大となり、この点の位置での空孔発生が多くなる。ここ
で発生した空孔はその濃度勾配によって拡散する。従来
の、ビア形成位置で配線幅を太らせるものの場合（図６
(a)に示すもののような場合）、配線を太らせた方向に
電流密度勾配が生じ、この電流密度勾配に沿って空孔が
拡散するため、リザバー効果が顕著になると考えられ
る。ボーダレスビア配線の場合も、配線長手方向に延長
したリザバーをより効果的にするには、空孔がリザバー
方向（後方）に拡散するような電流密度分布にする必要
がある。そこで本発明者は、孔部を有する層間絶縁膜
と、層間絶縁膜上に形成され第１の端部と第２の端部と
を有する帯状の配線と、孔部内に充填され導電性材料か
らなり一端が第１の端部側で配線と接合するプラグとを
有し、配線の第２の端部側とプラグの他端側との間で電
気的接続を確立する半導体装置の多層配線構造におい
て、配線の第１の端部側を後方、第２の端部側を前方と
し、配線の第２の端部側からプラグの他端側へ電流を流
した場合に、配線と前記プラグとの接合領域内の点のう
ち最も電流密度が大きくなる点を基準として、配線の長
手方向に関し、前方側よりも後方側の方が電流密度勾配
が大きくなるように、配線及びプラグの材質と、配線の
配線幅方向の断面形状とが定められている、半導体装置
の多層配線構造とすることによって、本発明を完成させ
た。したがって、本発明では、配線の後方側に延在する
リザバーを設けることが特に好ましい。

【００１１】ここで電流密度勾配が配線方向（前方）の
方が大きいと、空孔拡散がその方向に起きてしまって、
その結果、配線中からボイド発生が起こり、リザバー中
に起こるものと異なってこのボイドは電流経路にあるた
め、即、抵抗上昇につながり、ひいては断線につなが
る。前方側の方が電流密度勾配が大きい場合には、後方
側にリザバーを設けてもその効果が得られなくなるので
ある。

【００１２】本発明者によって見いだされた具体的数値
を挙げれば、配線がアルミニウムまたはアルミニウム合
金からなり、プラグがタングステンからなる場合、配線
の長手方向に沿ったプラグの差し渡しをｄとし、配線の
厚さをｔとするとき、ｔ／ｄを１未満とする。好ましく
は、ｔ／ｄ≦０.７５であるようにする。また、配線の
後方側への延在部分つまりリザバー部分を設けることが
好ましく、リザバー部分の長さは０.２μｍ以上である
ようにするとよい。

【００１３】本発明において、孔部とは層間接続のため
に層間絶縁膜に開口されるものを総称したものであっ
て、一般に、ビアホール、コンタクトホール、スルーホ
ールなどと呼ばれるもののことである。本発明では、こ
の孔部内に導電性物質（例えばタングステンなど）から
なるプラグを充填し、プラグの上面と層間絶縁膜上の配
線の底面とが電気的に接合するようにして、多層配線構
造を形成している。その際、孔部の形状とプラグの形状
は一致しているものと考えてよい。孔部（ビア）の上面
形状は、通常、矩形あるいは円形、楕円形である。微細
加工上の限界から、矩形のビアのつもりとして形成して
も、１辺の長さが０.５μｍ以下程度になると、角部が
かなり丸みを帯びてくるようになり、だんだん、円形、
楕円形のビアとの区別がつきにくくなってくる。本発明
において、プラグの差し渡しとは、配線方向に平行な辺
を持つ矩形の孔部にプラグを形成する場合であれば、そ
の孔部の辺の長さのことであり、楕円形や円形の孔部に
プラグを形成する場合であれば、その孔部の径のことで
ある。本発明では、楕円形のビアのように、配線幅方向
のプラグの差し渡しが、配線の長手方向に沿ったプラグ
の差し渡しと異なっていてもよい。むしろ、上述のｔ／
ｄの値を所望のものとするために、積極的に楕円形や長
方形のプラグとすることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好ましい実施の形
態について、図面を参照して説明する。図１(a)は、多
層配線構造における上層配線とビアとの関係を示す上面
図、図２(b)は、多層配線構造を示す模式断面図であ
る。

【００１５】この多層配線構造は、アルミニウムあるい
はアルミニウム合金（典型的には、アルミニウムに少量
の銅を含有させた）からなる帯状の上層配線１１を層間
絶縁膜１４上に形成したものであって、上層配線１１の
一端側にボーダレスビア配線構造となるように、ビア１
２が形成されている。ビア１２は、層間絶縁膜１４に略
矩形の孔部（ビアホール）を形成してそこにタングステ
ンを充填してタングステンプラグとしたものである。ビ
アホールは層間絶縁膜１４の表面に対してほぼ垂直に延
びている。ビア１２の上面（一端）は層間絶縁膜１４の
表面と同じレベルにあって、上層配線１１の底面と接合
し、上層配線１１とビア１２との間で電気的な接続が確
立している。ビア１２の他端は、不図示の下層配線に接
合し、これによって、上層配線１１と下層配線との層間
接続が確立している。

【００１６】図において、上層配線１１の配線幅はｗで
表されており、ビア１２の配線幅方向の差し渡しもｗと
なっている。また、ビア１２の配線長手方向の差し渡し
はｄである。ビア１２の前端部（ビア１２と上層配線１
１との接合部分のうち最も前方側の位置）が点Ｏで表さ
れている。上層配線１１の配線幅方向の断面形状は矩形
であり、上層配線１１の厚さはｔである。上層配線１１
は、後方側にも延在してリザバー１３を形成しており、
リザバー１３の延在長は、ビア１２の後端部（ビア１２
と上層配線１１との接合部分のうち最も後方側の位置）
からｋである。

【００１７】この多層配線構造では、上層配線１１の厚
さｔとビア１２の配線長手方向の差し渡しｄとの比ｔ／
ｄが１未満、好ましくは０.７５以下となっている。こ
の多層配線構造では、上層配線１１での電流密度を考え
ると、ビア１２の前端部（点Ｏ）の位置で最大となる
が、ｔ／ｄをここで述べたように設定したことにより、
電流密度勾配が点Ｏを基準として前方側よりも後方側で
大きくなるため、点Ｏの近傍で発生した空孔が後方側へ
と拡散するようになり、ボイドの発生による配線抵抗の
上昇や断線が抑制される。

【００１８】図２は、図１に示す多層配線構造でのｔ／
ｄの値と電流密度との関係をシミュレーションした結果
を示すグラフである。ここでは、上層配線１１の底面の
位置（図１での太線の位置）での電流密度を、上層配線
１１の長手方向に沿って計算した。上層配線１１とし
て、シリコンが１重量％、銅が０.５重量％、残りがア
ルミニウムからなるアルミニウム合金を用いるものとし
て、シミュレーションを行った。距離の原点としては、
上述の点Ｏを用いた。ビア１２の径（配線長手方向の差
し渡し）ｄは０.４μｍに固定し、配線膜厚ｔを３００
ｎｍ、４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍと変化させ
て、電流密度を求めた。配線幅ｗは、０.４５μｍとし
た。電流密度Ｉの基準としては、十分に遠方の位置での
電流密度Ｉ ₀を用い、Ｉ／Ｉ₀と規格化した電流密度を縦
軸に示した。電流密度勾配は、電流密度のグラフの傾き
で表される。

【００１９】図２から分かるように、ｔ／ｄが０.７５
（Ａの場合）及び１（Ｂの場合）のときには、前方側よ
りも後方側で電流密度勾配が大きくなるのに対し、ｔ／
ｄが１.１２５（Ｃの場合）及び１.５（Ｄの場合）の時
には、前方側と後方側とで電流密度勾配にほとんど差が
なくなる。以上より、ｔ／ｄを１未満とし、好ましくは
０.７５以下とすべきことがわかる。

【００２０】次に、リザバー１３を設けることの効果に
ついて検討した。図３及び図４は、リザバー１３の長さ
ｋを０（リザバーを設けない）、０.２μｍ及び１.０μ
ｍとしたときの時間と累積不良率との関係を示したもの
である。配線幅ｗは０.４５μｍ、ビア１２の径（配線
長手方向の差し渡し）ｄは０.４μｍとし、配線膜厚ｔ
については３００ｎｍ（ｔ／ｄ＝０.７５）と５００ｎ
ｍ（ｔ／ｄ＝１.２５）として、１０個チェーンのビア
を構成し、試験温度２００℃、不良判定条件は抵抗上昇
１０％とした。

【００２１】図３及び図４から分かるように、リザバー
がないと、０.２μｍのリザバーを設けた場合に比べ、
かなり寿命が短くなっている。加工精度上の問題により
ビアと配線端がきちんと位置決めできていない影響もあ
るが、リザバーがない場合に寿命が短くなるのは、拡散
する空孔の行き場としてのリザバーの効果が顕著である
ことを示している。また、リザバーとして長さ０.２μ
ｍよりも１.０μｍのものを設けた方が寿命が長くなっ
ている。ｔ／ｄ＝０.７５のものとｔ／ｄ＝１.２５のも
のとを比較すると、ｔ／ｄ＝０.７５のものでは、リザ
バーが長くなると寿命が長くなる上に、寿命のばらつき
は小さいままである。これに対し、ｔ／ｄ＝１.２５の
ものでは、リザバーが長くなると寿命のばらつきが大き
くなっている。信頼性の観点からは、寿命のばらつきが
小さいことが好ましいので、そのことからも、ｔ／ｄ＝
０.７５のものの方が優れていることが分かる。

【００２２】図５は、図２と同様のシミュレーションを
行った結果を示すグラフであるが、配線膜厚ｔは４５０
ｎｍで固定し、その代わり、ビア１２の径（配線長手方
向の差し渡し）ｄを０.４μｍ（Ａの場合）と０.６μｍ
（Ｂの場合）としてｔ／ｄを変化させた場合に、電流密
度分布がどうなるかを示したものである。同じ配線膜厚
に対しても、ビアを長くすることで、すなわちｔ／ｄを
小さくすることで、ビア前方の電流密度勾配が後方側よ
りも大きくなる傾向が得られた。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、上層配線
の厚さをｔ、配線の長手方向に沿ったプラグの差し渡し
（径）をｄとして、ｔ／ｄを１未満、好ましくは０.７
５以下とすることにより、電流密度が最大になると考え
られる点Ｏを基準として、配線の長手方向に関し、電流
密度勾配が前方側よりも後方側で大きくなり、これによ
って空孔が後方側に拡散するようになるので、エレクト
ロマイグレーションによるボイドの発生による不具合が
抑制されるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a)は、多層配線構造における上層配線とビア
との関係を示す上面図、(b)は、多層配線構造を示す模
式断面図である。

【図２】上層配線での電流密度の長手方向に関する分布
のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図３】リザバーの長さと累積不良率との関係を示すグ
ラフである。

【図４】リザバーの長さと累積不良率との関係を示すグ
ラフである。

【図５】上層配線での電流密度の長手方向に関する分布
のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図６】(a)はボーダレスビア配線技術によらない従来
の多層配線構造における上層配線とビア（層間の接続
部）との関係を示す上面図、(b)はボーダレス配線にお
ける上層配線とビアとの関係を示す上面図である。

【図７】(a)〜(c)は、従来のボーダレスビア配線におけ
るボイドの発生を説明する模式断面図である。

【符号の説明】

１１上層配線１２ビア１３リザバー１４層間絶縁膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】孔部を有する層間絶縁膜と、前記層間絶
縁膜上に形成され第１の端部と第２の端部とを有する帯
状の配線と、前記孔部内に充填され導電性材料からなり
一端が前記第１の端部側で前記配線と接合するプラグと
を有し、前記配線の前記第２の端部側と前記プラグの他
端側との間で電気的接続を確立する半導体装置の多層配
線構造において、前記配線の前記第１の端部側を後方、前記第２の端部側
を前方とし、前記配線の前記第２の端部側から前記プラグの他端側へ
電流を流した場合に、前記配線と前記プラグとの接合領
域内の点のうち最も電流密度が大きくなる点を基準とし
て、前記配線の長手方向に関し、前記前方側よりも前記
後方側の方が電流密度勾配が大きくなるように、前記配
線及び前記プラグの材質と、前記配線の配線幅方向の断
面形状とが定められている、半導体装置の多層配線構
造。
【請求項２】前記プラグの前記配線幅方向の差し渡し
が前記配線の配線幅と実質的に同等である請求項１に記
載の半導体装置の多層配線構造。
【請求項３】前記配線がアルミニウムまたはアルミニ
ウム合金からなり、前記プラグがタングステンからなる
請求項１または２に記載の半導体装置の多層配線構造。
【請求項４】孔部を有する層間絶縁膜と、前記層間絶
縁膜上に形成され第１の端部と第２の端部とを有しアル
ミニウムまたはアルミニウム合金からなる帯状の配線
と、タングステンからなり前記孔部内に充填され一端が
前記第１の端部側で前記配線と接合するプラグとを有
し、前記配線の前記第２の端部側と前記プラグの他端側
との間で電気的接続を確立する半導体装置の多層配線構
造において、前記プラグの前記配線幅方向の差し渡しが前記配線の配
線幅と実質的に同等であってボーダレスビア配線構造を
有し、前記配線の長手方向に沿った前記プラグの差し渡しをｄ
とし、前記配線の厚さをｔとするとき、ｔ／ｄ＜１であることを特徴とする半導体装置の多層配線構造。
【請求項５】ｔ／ｄ≦０.７５である請求項４に記載
の半導体装置の多層配線構造。
【請求項６】前記配線の前記第１の端部側を後方、前
記第２の端部側を前方として、前記配線と前記プラグと
の接合領域よりさらに前記後方側に前記配線が延在す
る、請求項５に記載の半導体装置の多層配線構造。
【請求項７】前記後方側への前記配線の延在長が、
０.２μｍ以上である請求項６に記載の半導体装置の多
層配線構造。
【請求項８】前記配線幅方向の前記プラグの差し渡し
が、前記配線の長手方向に沿った前記プラグの差し渡し
と異なる請求項４乃至７いずれか１項に記載の半導体装
置の多層配線構造。