JPH11238801A - Multi-layer structure of semiconductor device and its manufacture - Google Patents

Multi-layer structure of semiconductor device and its manufacture

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JPH11238801A
JPH11238801A JP28014198A JP28014198A JPH11238801A JP H11238801 A JPH11238801 A JP H11238801A JP 28014198 A JP28014198 A JP 28014198A JP 28014198 A JP28014198 A JP 28014198A JP H11238801 A JPH11238801 A JP H11238801A
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forming
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洋司 益田
Yoshiaki Kato
義明 加藤
Kosaku Yano
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a decline of wiring reliability arising from a stress, in an area between upper and lower plugs in a multi-layer wiring structure of a semiconductor device having a stack structure. SOLUTION: In a multi-layer wiring structure causing a resistance variation due to long time storage at high temperature, a void 40 is observed in wiring 4 between an upper plug 3 and a lower plug 6. Parts 43, 44 between upper and lower plugs 3, 6 have crystal grains of smaller size than that of other parts, and have different plane orientation from that of other parts. For this reason, in order to raise wiring reliability, a wiring stress is lessened by shifting a center of contact surfaces between upper and lower plugs, or sputtering temperature is set so as not to give rise to crystal grain boundaries between upper and lower plugs, when a wiring layer of aluminum or an aluminum alloy is formed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の多層
配線構造およびその製造方法に関するものである。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a multilayer wiring structure of a semiconductor device and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、超LSIにおける配線の微細化に
起因して、配線の信頼性の低下という問題が生じてい
る。特に、配線の多層化の進展により、例えばW(タン
グステン)やTiNなどの高融点金属やその化合物から
なるプラグが配線の上面および下面に配線を挟んで相対
向して設けられた構造、いわゆるスタック構造が、多層
配線構造において用いられているが、このスタック構造
において、プラグに挟まれた部分の配線が、信頼性が低
いという問題がある。
2. Description of the Related Art In recent years, there has been a problem that wiring reliability is reduced due to miniaturization of wiring in VLSI. In particular, due to the progress of multilayer wiring, a structure in which plugs made of a high melting point metal such as W (tungsten) or TiN or a compound thereof are provided on the upper and lower surfaces of the wiring so as to face each other with the wiring therebetween, that is, a stack. Although the structure is used in a multilayer wiring structure, in this stack structure, there is a problem that the wiring at a portion sandwiched between plugs has low reliability.

【0003】配線の信頼性を高める方法としては、例え
ば、第1の従来例として、保護膜からの応力によって配
線が断線するというストレスマイグレーションを防ぐた
めに、電流の大半が流れる領域にグレインサイズの大き
な配線層を形成する一方、配線の周囲(特に側壁部や上
端部)などのストレスが比較的かかりやすい位置にグレ
インサイズの小さな配線層を形成することが行われてい
る(特開平5−275426号公報参照)。
As a method of improving the reliability of wiring, for example, as a first conventional example, in order to prevent stress migration in which wiring is disconnected due to stress from a protective film, a region having a large grain size is provided in a region where most of the current flows. While forming a wiring layer, a wiring layer having a small grain size is formed at a position where stress is relatively likely to be applied, such as around a wiring (particularly, a side wall or an upper end) (Japanese Patent Laid-Open No. 5-275426). Gazette).

【0004】また、第2の従来例として、スタック構造
において、配線の幅を下層側接続孔の幅よりも狭くし、
かつ、上層側接続孔の底部を下層側接続孔まで延在させ
て、配線を囲むようにして補強することが提案されてい
る(特開平8−167609号公報参照)。
Further, as a second conventional example, in a stack structure, the width of a wiring is made smaller than the width of a lower connection hole,
In addition, it has been proposed to extend the bottom of the upper-layer connection hole to the lower-layer connection hole and to reinforce it so as to surround the wiring (see JP-A-8-167609).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第1の
従来例では、グレインサイズの大きな配線層の側壁にグ
レインサイズの小さな配線層を形成して配線を形成する
ため、配線の幅が大きくなりすぎてしまい、微細化には
向かない。
However, in the first conventional example, since the wiring is formed by forming a wiring layer having a small grain size on the side wall of the wiring layer having a large grain size, the width of the wiring becomes too large. It is not suitable for miniaturization.

【0006】また、第2の従来例では、まず、上層側お
よび下層側接続孔の幅が配線の幅よりも大きいことが不
可欠であるため、これもまた、微細化には向かない。さ
らに、配線が、高融点金属やその化合物によって囲まれ
ることになるが、配線の周囲の高融点金属やその化合物
による応力については、何ら考慮がなされていない。
In the second conventional example, first, it is indispensable that the width of the upper and lower connection holes is larger than the width of the wiring, so that this is not suitable for miniaturization. Further, the wiring is surrounded by the high melting point metal or its compound, but no consideration is given to the stress caused by the high melting point metal or its compound around the wiring.

【0007】前記の問題に鑑み、本発明は、スタック構
造を有する半導体装置の多層配線構造において、配線の
信頼性の低下、特に、上層側プラグと下層側プラグとに
挟まれた領域における応力に起因する配線の信頼性の低
下を、抑えることを課題とする。
In view of the above problems, the present invention provides a multilayer wiring structure for a semiconductor device having a stack structure, which reduces the reliability of wiring, particularly, the stress in a region sandwiched between an upper plug and a lower plug. It is an object to suppress a decrease in reliability of wiring due to the problem.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、請求項1の発明が講じた解決手段は、半導体装置
の多層配線構造として、基板と、この基板上に形成され
た2層以上の配線層と、前記2層以上の配線層のうちの
一の配線層に形成された配線とその上層配線とを電気的
に接続する上層側プラグと、前記上層側プラグと前記配
線を挟んで相対向して設けられ、前記配線とその下層配
線または前記基板とを電気的に接続する下層側プラグと
を備え、基板面の垂線方向からみたとき、前記上層側プ
ラグと前記配線との接触面の中心と、前記下層側プラグ
と前記配線との接触面の中心との間の距離は、前記上層
側および下層側プラグの径のほぼ2/3以上に設定され
ているものである。
Means for Solving the Problems To solve the above-mentioned problems, a solution taken by the invention of claim 1 is to provide a multi-layer wiring structure of a semiconductor device, a substrate and a two-layer structure formed on the substrate. The above-mentioned wiring layer, an upper-layer plug for electrically connecting the wiring formed on one of the two or more wiring layers and the upper-layer wiring, and sandwiching the upper-layer plug and the wiring And a lower-layer plug for electrically connecting the wiring and the lower-layer wiring or the substrate. When viewed from a direction perpendicular to the substrate surface, contact between the upper-layer plug and the wiring is provided. The distance between the center of the surface and the center of the contact surface between the lower plug and the wiring is set to be approximately 2/3 or more of the diameter of the upper and lower plugs.

【0009】また、請求項2の発明が講じた解決手段
は、半導体装置の多層配線構造として、基板と、この基
板上に形成された2層以上の配線層と、前記2層以上の
配線層のうちの一の配線層に形成された配線とその上層
配線とを電気的に接続する上層側プラグと、前記上層側
プラグと前記配線を挟んで相対向して設けられ、前記配
線とその下層配線または前記基板とを電気的に接続する
下層側プラグとを備え、前記一の配線層の下面に、下層
側に突出し、前記下層側プラグが接触する突出部が形成
されており、この突出部の前記一の配線層の下面から突
出する高さは、前記上層側および下層側プラグの径のほ
ぼ1/3以下に設定されているものである。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a multi-layer wiring structure including a substrate, two or more wiring layers formed on the substrate, and the two or more wiring layers. An upper-layer plug electrically connecting the wiring formed on one of the wiring layers and the upper-layer wiring, and the upper-layer plug and the lower-layer plug provided opposite to each other with the wiring interposed therebetween; A lower-layer plug electrically connecting the wiring or the substrate; and a lower portion of the one wiring layer is formed with a protruding portion that protrudes toward the lower layer and is in contact with the lower-layer plug. The height protruding from the lower surface of the one wiring layer is set to be approximately 1/3 or less of the diameter of the upper and lower plugs.

【0010】また、請求項3の発明が講じた解決手段
は、半導体装置の多層配線構造として、基板と、この基
板上に形成された2層以上の配線層と、前記2層以上の
配線層のうちの一の配線層に形成された配線とその上層
配線とを電気的に接続する上層側プラグと、前記上層側
プラグと前記配線を挟んで相対向して設けられ、前記配
線とその下層配線または前記基板とを電気的に接続する
下層側プラグとを備え、前記配線は、相対向する前記上
層側および下層側プラグに挟まれた領域に、結晶粒界を
有しないように構成したものである。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a multi-layer wiring structure, a substrate, two or more wiring layers formed on the substrate, and the two or more wiring layers. An upper-layer plug electrically connecting the wiring formed on one of the wiring layers and the upper-layer wiring, and the upper-layer plug and the lower-layer plug provided opposite to each other with the wiring interposed therebetween; A lower-layer plug electrically connecting the wiring or the substrate, wherein the wiring is configured so as not to have a crystal grain boundary in a region sandwiched between the opposed upper-layer and lower-layer plugs. It is.

【0011】また、請求項4の発明が講じた解決手段
は、半導体装置の多層配線構造として、基板と、この基
板上に形成された2層以上の配線層と、前記2層以上の
配線層のうち一の配線層に形成された配線とその上層配
線とを電気的に接続する上層側プラグと、前記上層側プ
ラグと前記配線を挟んで相対向して設けられ、前記配線
とその下層配線または前記基板とを電気的に接続する下
層プラグとを備え、前記一の配線層の上面に、前記上層
側プラグが接触する陥没部が形成されており、この陥没
部の前記一の配線層の上面から陥没する深さは、前記上
層側および下層側プラグの径のほぼ1/3以下に設定さ
れているものである。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a multi-layer wiring structure, a substrate, two or more wiring layers formed on the substrate, and the two or more wiring layers. An upper-layer plug for electrically connecting a wiring formed in one wiring layer and the upper-layer wiring, and the upper-layer plug and the lower-layer wiring provided opposite to each other with the upper-layer plug interposed therebetween. Or a lower plug electrically connected to the substrate, wherein a depression is formed on the upper surface of the one wiring layer, the depression being in contact with the upper layer plug. The depth of depression from the upper surface is set to be approximately 1/3 or less of the diameter of the upper and lower plugs.

【0012】また、請求項5の発明が講じた解決手段
は、基板と、この基板上に形成された2層以上の配線層
と、前記2層以上の配線層のうちの一の配線層に形成さ
れた配線とその上層配線とを電気的に接続する上層側プ
ラグと、前記上層側プラグと前記配線を挟んで相対向し
て設けられ、前記配線とその下層配線または前記基板と
を電気的に接続する下層側プラグとを備え、前記配線
と、前記上層側および下層側プラグのうちの少なくとも
一方との、材料の熱膨張係数の差は、前記配線の前記上
層側および下層側プラグに挟まれた領域にボイドが生じ
ない程度に小さくしているものである。
[0012] Further, according to a fifth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a substrate; two or more wiring layers formed on the substrate; and one of the two or more wiring layers. An upper-layer-side plug for electrically connecting the formed wiring and the upper-layer wiring, and an upper-layer plug provided opposite to the upper-layer plug with the wiring therebetween, and electrically connecting the wiring to the lower-layer wiring or the substrate. A lower-layer plug connected to the wiring, and a difference in thermal expansion coefficient of a material between the wiring and at least one of the upper-layer and lower-layer plugs is sandwiched between the upper-layer and lower-layer plugs of the wiring. The size is so small that voids do not occur in the region that has been removed.

【0013】そして、請求項6の発明では、前記請求項
5の半導体装置の多層配線構造における配線と上層側お
よび下層側プラグのうちの少なくとも一方とは、同一材
料によって形成されているものとする。
According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor device of the fifth aspect, the wiring and at least one of the upper and lower plugs are formed of the same material. .

【0014】さらに、請求項7の発明では、前記請求項
6の半導体装置の多層配線構造における配線と上層側お
よび下層側プラグのうちの少なくとも一方とは、とも
に、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる
か、または、アルミニウムもしくはアルミニウム合金
と、高融点金属、高融点金属合金もしくはこれらの複合
層との積層構造からなるものとする。
According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor device of the sixth aspect, the wiring and at least one of the upper and lower plugs are made of aluminum or an aluminum alloy. Alternatively, it has a laminated structure of aluminum or an aluminum alloy and a high melting point metal, a high melting point metal alloy, or a composite layer thereof.

【0015】また、請求項8の発明が講じた解決手段
は、半導体装置の多層配線構造として、基板と、この基
板上に形成された2層以上の配線層と、前記2層以上の
配線層のうちの一の配線層に形成された配線とその上層
配線とを電気的に接続する上層側プラグと、前記上層側
プラグと前記配線を挟んで相対向して設けられ、前記配
線とその下層配線または前記基板とを電気的に接続する
下層側プラグとを備え、前記一の配線層は、その上面側
に、高融点金属または高融点金属合金の膜が形成されて
おり、前記配線と前記上層側プラグとは、この高融点金
属または高融点金属合金の膜を介して接触しているもの
である。
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a multi-layer wiring structure, a substrate, two or more wiring layers formed on the substrate, and the two or more wiring layers. An upper-layer plug electrically connecting the wiring formed on one of the wiring layers and the upper-layer wiring, and the upper-layer plug and the lower-layer plug provided opposite to each other with the wiring interposed therebetween; A lower-layer plug for electrically connecting a wiring or the substrate, wherein the one wiring layer has a film of a high-melting-point metal or a high-melting-point metal alloy formed on an upper surface thereof; The upper plug is in contact with this high melting point metal or high melting point metal alloy film.

【0016】また、請求項9の発明が講じた解決手段
は、半導体装置の多層配線構造として、基板と、この基
板上に形成された2層以上の配線層と、前記2層以上の
配線層のうちの一の配線層に形成された配線とその上層
配線とを電気的に接続する上層側プラグと、前記上層側
プラグと前記配線を挟んで相対向して設けられ、前記配
線とその下層配線または前記基板とを電気的に接続する
下層側プラグとを備え、前記一の配線層は、その下面側
に高融点金属膜が形成されており、この高融点金属膜の
膜厚は、10nm以下または80nm以上に設定されて
いるものである。
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a multi-layer wiring structure, a substrate, two or more wiring layers formed on the substrate, and the two or more wiring layers. An upper-layer plug electrically connecting the wiring formed on one of the wiring layers and the upper-layer wiring, and the upper-layer plug and the lower-layer plug provided opposite to each other with the wiring interposed therebetween; A wiring or a lower-layer plug for electrically connecting the wiring to the substrate, wherein the one wiring layer has a refractory metal film formed on the lower surface thereof, and the thickness of the refractory metal film is 10 nm. It is set to be equal to or less than 80 nm.

【0017】また、請求項10の発明が講じた解決手段
は、半導体装置の多層配線構造の製造方法として、基板
上に形成された第1の絶縁膜に第1の開口部を形成し、
この第1の開口部に下層側プラグを形成する工程と、前
記第1の絶縁膜および下層側プラグ上に配線を形成する
工程と、前記配線上に第2の絶縁膜を形成し、この第2
の絶縁膜に、前記第1の開口部に対向する第2の開口部
を形成し、この第2の開口部に上層側プラグを形成する
工程とを備え、前記下層側プラグ形成工程は、CMP法
またはエッチバック法を用いて、前記下層側プラグの上
面と前記第1の絶縁膜の上面との距離が、前記上層側お
よび下層側プラグの径のほぼ1/3以下になるように行
うものである。
According to a tenth aspect of the present invention, as a method of manufacturing a multilayer wiring structure of a semiconductor device, a first opening is formed in a first insulating film formed on a substrate.
Forming a lower-layer plug in the first opening; forming a wiring on the first insulating film and the lower-layer plug; forming a second insulating film on the wiring; 2
Forming a second opening facing the first opening in the insulating film, and forming an upper-layer plug in the second opening. The distance between the upper surface of the lower plug and the upper surface of the first insulating film is made to be approximately 1/3 or less of the diameter of the upper plug and the lower plug by using a method or an etch-back method. It is.

【0018】また、請求項11の発明が講じた解決手段
は、半導体装置の多層配線構造の製造方法として、基板
上に形成された第1の絶縁膜に第1の開口部を形成し、
この第1の開口部に下層側プラグを形成する工程と、前
記第1の絶縁膜および下層側プラグ上に、少なくともア
ルミニウムまたはアルミニウム合金からなる層を有する
配線を形成する工程と、前記配線上に第2の絶縁膜を形
成し、この第2の絶縁膜に、前記第1の開口部に対向す
る第2の開口部を形成し、この第2の開口部に上層側プ
ラグを形成する工程とを備え、前記配線形成工程は、前
記配線が,相対向する前記上層側および下層側プラグに
挟まれた領域に結晶粒界を有しないように、前記配線の
アルミニウムまたはアルミニウム合金の層を、スパッタ
リングによって、ほぼ200℃以上の堆積温度において
形成するものである。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a multilayer wiring structure of a semiconductor device, comprising: forming a first opening in a first insulating film formed on a substrate;
Forming a lower plug in the first opening, forming a wiring having at least a layer made of aluminum or an aluminum alloy on the first insulating film and the lower plug, Forming a second insulating film, forming a second opening in the second insulating film facing the first opening, and forming an upper-layer plug in the second opening; And forming the wiring by sputtering the aluminum or aluminum alloy layer of the wiring so that the wiring does not have a crystal grain boundary in a region sandwiched between the opposed upper and lower plugs. Is formed at a deposition temperature of about 200 ° C. or more.

【0019】また、請求項12の発明が講じた解決手段
は、半導体装置の多層配線構造の製造方法として、基板
上に形成された第1の絶縁膜に第1の開口部を形成する
工程と、前記第1の開口部に下層側プラグを形成すると
ともに、前記第1の絶縁膜上に配線を形成する工程と、
前記配線上に第2の絶縁膜を形成し、この第2の絶縁膜
に、前記第1の開口部に対向する第2の開口部を形成
し、この第2の開口部に上層側プラグを形成する工程と
を備え、前記下層側プラグおよび配線形成工程は、CV
D法によって、または、CVD法およびスパッタリング
によって、アルミニウムまたはアルミニウム合金を、前
記第1の開口部内および前記第1の絶縁膜上に堆積させ
て、下層側プラグおよび配線を形成するものである。
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a multilayer wiring structure of a semiconductor device, comprising the steps of: forming a first opening in a first insulating film formed on a substrate; Forming a lower plug in the first opening, and forming a wiring on the first insulating film;
A second insulating film is formed on the wiring, a second opening facing the first opening is formed in the second insulating film, and an upper-layer plug is formed in the second opening. Forming the lower plug and the wiring.
Aluminum or an aluminum alloy is deposited in the first opening and on the first insulating film by a method D or by a CVD method and sputtering to form a lower plug and a wiring.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】図1は半導体装置の多層配線構造
におけるスタック構造の影響を電気的に検知するための
試料の構造を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a structure of a sample for electrically detecting the influence of a stack structure in a multilayer wiring structure of a semiconductor device.

【0021】図1(a)はこの試料の断面図である。図
1(a)において、1は半導体基板、2は第1の絶縁
膜、3はTiとTiNとの2層膜上に形成されたW(タ
ングステン)からなるコンタクト埋込み金属(下層側プ
ラグ)、4はTiとTiNとの2層膜上に形成され、か
つ、その上層にTiN膜を有する,Cuを含有したAl
合金からなる第1の配線、5は第2の絶縁膜、6はコン
タクト埋込み金属3と同様の金属構成からなるスルーホ
ール埋込み金属(上層側プラグ)、7は第1の配線4と
同様の金属膜構成からなる上層配線としての第2の配
線、8は保護膜としてのシリコン窒化膜、9はLSIチ
ップコートのポリイミド膜である。
FIG. 1A is a sectional view of this sample. In FIG. 1A, 1 is a semiconductor substrate, 2 is a first insulating film, 3 is a contact buried metal (lower plug) made of W (tungsten) formed on a two-layer film of Ti and TiN, Reference numeral 4 denotes a Cu-containing Al formed on a two-layer film of Ti and TiN and having a TiN film thereon.
A first wiring made of an alloy, 5 is a second insulating film, 6 is a through-hole burying metal (upper-layer plug) having the same metal structure as the contact burying metal 3, and 7 is a metal similar to the first wiring 4. A second wiring as an upper layer wiring having a film configuration, 8 is a silicon nitride film as a protective film, and 9 is a polyimide film coated with an LSI chip.

【0022】図1(b)は図1(a)の試料のうち、第
1の配線4並びにその上下に接続されたコンタクト埋込
み金属3およびスルーホール埋込み金属6を含む部分の
斜視図である。この試料では、第1の配線4の配線長は
31mmであり、コンタクトホールとスルーホールはそ
れぞれ1000個ずつ設けられている。各試料の第1の
配線4の配線幅は0.4μm〜1.0μmの種々のサイ
ズであり、コンタクトホールとスルーホールの直径は配
線幅と等しい。
FIG. 1B is a perspective view of a portion of the sample of FIG. 1A including the first wiring 4 and the contact buried metal 3 and the through-hole buried metal 6 connected above and below it. In this sample, the wiring length of the first wiring 4 is 31 mm, and 1000 contact holes and 1000 through holes are provided respectively. The wiring width of the first wiring 4 of each sample is various sizes of 0.4 μm to 1.0 μm, and the diameter of the contact hole and the through hole is equal to the wiring width.

【0023】第1の配線4の両端に設けられたパッド部
4A,4Bの間で電圧・電流特性を測定する。この電圧
・電流特性の測定は、上下にコンタクトホール埋込み金
属3およびスルーホール埋込み金属6を有する第1の配
線4の抵抗値を測定することに相当する。というのは、
コンタクト埋込み金属3と電気的に接続された半導体基
板1はSiからなるため、金属からなる第1の配線4に
比して抵抗値が高く、また、スルーホール埋込み金属6
と電気的に接続された第2の配線7はその配線層におい
てそれぞれが電気的に独立した構造であるからである。
Voltage / current characteristics are measured between pad portions 4A and 4B provided at both ends of the first wiring 4. The measurement of the voltage / current characteristics corresponds to measuring the resistance value of the first wiring 4 having the contact hole burying metal 3 and the through hole burying metal 6 on the upper and lower sides. I mean,
Since the semiconductor substrate 1 electrically connected to the contact buried metal 3 is made of Si, the resistance value is higher than that of the first wiring 4 made of metal, and the through hole buried metal 6
This is because each of the second wirings 7 electrically connected to each other has an electrically independent structure in the wiring layer.

【0024】図2は図1に示す試料に対して、250℃
近辺の高温保存の前後において、パッド部4A,4B間
の電圧・電流特性、すなわち、第1の配線4の抵抗の変
化を測定した結果を示す図である。同図中、(a)は試
料を250℃で保存した時間と配線の不良率との関係を
表すグラフであり、縦軸は不良率(%)、横軸は250
℃での保存時間(h)である。ここでは、抵抗変動が2
0%を越えた配線を不良と判定して、その不良率を求め
ている。また、(b)は試料を250℃で1000時間
保存した後の、配線幅とその抵抗変動との関係を表すグ
ラフであり、縦軸は抵抗変動(%)、横軸は配線幅(μ
m)である。
FIG. 2 shows the sample shown in FIG.
FIG. 9 is a diagram showing a result of measuring a voltage-current characteristic between pad portions 4A and 4B, that is, a change in resistance of a first wiring 4 before and after high-temperature storage in the vicinity. In the figure, (a) is a graph showing the relationship between the time when the sample was stored at 250 ° C. and the defect rate of the wiring, wherein the ordinate is the defect rate (%) and the abscissa is the 250%.
Storage time in ° C. (h). Here, the resistance variation is 2
Wiring exceeding 0% is determined to be defective, and the defect rate is determined. Also, (b) is a graph showing the relationship between the wiring width and its resistance variation after the sample was stored at 250 ° C. for 1000 hours, where the vertical axis represents the resistance variation (%) and the horizontal axis represents the wiring width (μ).
m).

【0025】図3は図1に示す試料に対して、保存温度
と累積故障率が0.1%になるまでの時間すなわち累積
故障到達時間との関係を示すグラフである。ここでは、
図2と同様に、抵抗変動が20%を越えた配線を不良と
判定している。縦軸は累積故障到達時間(h)、横軸は
1000/保存温度(1/K)である。図3は保存温度
が250℃付近のとき、累積故障到達時間が最も小さく
なることを示している。図3から、この配線の抵抗変動
は、ストレスによるAl合金のマイグレーションによる
不良、いわゆるストレスマイグレーション不良に起因す
るものであることがわかる。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the storage temperature and the time until the cumulative failure rate reaches 0.1%, that is, the cumulative failure arrival time, for the sample shown in FIG. here,
As in FIG. 2, a wiring in which the resistance variation exceeds 20% is determined to be defective. The vertical axis represents the cumulative failure arrival time (h), and the horizontal axis represents 1000 / storage temperature (1 / K). FIG. 3 shows that when the storage temperature is around 250 ° C., the cumulative failure arrival time is the shortest. From FIG. 3, it can be seen that the resistance variation of the wiring is caused by a failure due to migration of the Al alloy due to stress, that is, a so-called stress migration failure.

【0026】図4は配線構造と良品率との関係を示す図
である。図4は、図1に示すような相対向する上層側プ
ラグおよび下層側プラグが形成された配線構造Aと、下
層側プラグのみが形成された配線構造Bと、上層側プラ
グのみが形成された配線構造Cとの3種類の配線構造に
対しての、200℃において1000時間保存した後に
おける良品率を示している。ここでも、抵抗変動が20
%を越えた配線を不良と判定して良品率を求めている。
図4から、本発明の解決課題は、相対向する上層側プラ
グおよび下層側プラグが形成された配線構造に特徴的な
問題であることがわかる。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the wiring structure and the yield rate. FIG. 4 shows a wiring structure A in which opposing upper layer plugs and lower layer plugs are formed as shown in FIG. 1, a wiring structure B in which only lower layer plugs are formed, and only an upper layer plug formed. The percentage of non-defective products after storage at 200 ° C. for 1000 hours is shown for three types of wiring structures, namely, wiring structure C. Again, the resistance variation is 20
% Is determined as defective, and the non-defective rate is determined.
FIG. 4 shows that the problem to be solved by the present invention is a characteristic problem in the wiring structure in which the upper plug and the lower plug opposed to each other are formed.

【0027】図5は図1に示すような相対向する上層側
プラグおよび下層側プラグが形成された配線構造であっ
て、200℃において1000時間保存した後に抵抗変
動が20%を超えたものを、透過型電子顕微鏡によって
観察した結果を示す断面図である。図5では、第1の配
線4のAl合金の結晶性をX線回折によって測定した結
果も併せて示している。
FIG. 5 shows a wiring structure in which upper and lower plugs opposed to each other as shown in FIG. 1 are formed, and the resistance variation of which exceeds 20% after storage at 200 ° C. for 1000 hours. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the result of observation with a transmission electron microscope. FIG. 5 also shows the result of measuring the crystallinity of the Al alloy of the first wiring 4 by X-ray diffraction.

【0028】図5に示すように、下層側プラグとしての
コンタクトホール埋込み金属3と上層側プラグとしての
スルーホール埋込み金属6とによって挟まれた第1の配
線4内に、ボイド40が観察された。また、第1の絶縁
膜2と第2の絶縁膜5とに挟まれた配線部分41,42
におけるAl合金の面方位は(111)であるのに対
し、コンタクトホール埋込み金属3とスルーホール埋込
み金属6とによって挟まれた配線部分43,44におけ
るAl合金の面方位は(311)または(022)であ
った。さらに、コンタクトホール埋込み金属3とスルー
ホール埋込み金属6とによって挟まれた領域には結晶粒
界45があり、これにより、配線部分43,44の結晶
粒のサイズは、配線部分41,42における結晶粒より
も小さい。
As shown in FIG. 5, a void 40 was observed in the first wiring 4 sandwiched between the contact hole burying metal 3 as the lower layer plug and the through hole burying metal 6 as the upper layer plug. . Further, wiring portions 41 and 42 sandwiched between the first insulating film 2 and the second insulating film 5.
The plane orientation of the Al alloy in (3) is (111), whereas the plane orientation of the Al alloy in the wiring portions 43 and 44 sandwiched between the contact hole burying metal 3 and the through hole burying metal 6 is (311) or (022). )Met. Further, a crystal grain boundary 45 is provided in a region sandwiched between the contact hole burying metal 3 and the through hole burying metal 6, and the size of the crystal grains of the wiring portions 43 and 44 is reduced by the crystal in the wiring portions 41 and 42. Smaller than a grain.

【0029】図6は図5の配線構造において、コンタク
トホール埋込み金属3とスルーホール埋込み金属6とに
よって挟まれた部分のうち右半分の領域Xについて、温
度を400℃から25℃に変化させたときに生じる内部
応力を、有限要素法によってシミュレーションした結果
を示す図である。
FIG. 6 shows that, in the wiring structure of FIG. 5, the temperature was changed from 400 ° C. to 25 ° C. in the right half region X of the portion sandwiched between the contact hole burying metal 3 and the through hole burying metal 6. FIG. 9 is a diagram illustrating a result of simulating an internal stress that sometimes occurs by a finite element method.

【0030】第1の配線4の平坦な部分にかかる応力は
200〜300MPa(メガパスカル)である。これに
対して、スルーホール埋込み金属6が第1の配線4に進
入した部分に生じる応力ははるかに高く、コンタクト埋
込み金属3の上面が第1の絶縁膜2の上面よりも下にあ
る場合(図6(a))は457MPaであり、コンタクト
埋込み金属3の上面が第1の絶縁膜2の上面と面一の場
合(図6(b))は449MPaであった。
The stress applied to the flat portion of the first wiring 4 is 200 to 300 MPa (megapascal). On the other hand, the stress generated in the portion where the through-hole buried metal 6 has entered the first wiring 4 is much higher, and the upper surface of the contact buried metal 3 is lower than the upper surface of the first insulating film 2 ( 6 (a)) was 457 MPa, and when the upper surface of the contact burying metal 3 was flush with the upper surface of the first insulating film 2 (FIG. 6 (b)), it was 449 MPa.

【0031】これらの実験およびシミュレーションか
ら、本発明に係る半導体装置の多層配線構造におけるス
トレスマイグレーション不良は、次のような要因によっ
て生じるものと考えられる。すなわち、(1)上層側プ
ラグと下層側プラグとによって挟まれた配線部分におい
て、(2)特に、上層側プラグが配線に進入した構造の
場合に強い応力がかかり、(3)この配線部分の結晶粒
が小さいこと、および、結晶面方位が(311)や(0
22)といった応力に対して弱い面方位であることに起
因して、高温保存を行うとストレスマイグレーションが
生じる、と想定される。
From these experiments and simulations, it is considered that the stress migration failure in the multilayer wiring structure of the semiconductor device according to the present invention is caused by the following factors. That is, (1) strong stress is applied to the wiring portion sandwiched between the upper layer plug and the lower layer plug, particularly (2) in the case where the upper layer plug enters the wiring, and (3) the wiring portion The crystal grains are small and the crystal plane orientation is (311) or (0
It is assumed that stress migration occurs when stored at high temperature due to the plane orientation weak against stress as in 22).

【0032】以下、本発明の実施形態について、図面を
参照して説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0033】(第1の実施形態)本発明の第1の実施形
態は、相対向する上層側プラグおよび下層側プラグを有
する配線構造に対して、基板面の垂線方向からみたとき
の上層側プラグと下層側プラグとの重なり度合を小さく
して、配線にかかる応力を小さくするものである。
(First Embodiment) A first embodiment of the present invention relates to a wiring structure having opposing upper-layer plugs and lower-layer plugs. And the degree of overlap between the lower plug and the lower plug is reduced to reduce the stress applied to the wiring.

【0034】図7は相対向する上層側プラグおよび下層
側プラグを有する配線構造において、上層側プラグと下
層側プラグの重なり度合と良品率との関係を示す図であ
る。ここでは、上層側および下層側プラグの径は0.6
μmとし、重なり度合を0.6μm,0.3μm,0.
2μmと変化させて(すなわち、基板面の垂線方向から
みたときの、上層側プラグと配線との接触面の中心と、
下層側プラグと配線との接触面の中心との間の距離を、
0μm,0.3μm,0.4μmと変化させて)いる。
また、良品率は、この配線を200℃において1000
時間保存したとき、抵抗変動が20%を越えたものを不
良と判定して、求めている。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the degree of overlap between the upper plug and the lower plug and the yield rate in a wiring structure having upper and lower plugs facing each other. Here, the diameter of the upper and lower plugs is 0.6
μm, and the degree of overlap is 0.6 μm, 0.3 μm, 0.
2 μm (that is, the center of the contact surface between the upper plug and the wiring when viewed from the direction perpendicular to the substrate surface,
The distance between the lower plug and the center of the contact surface with the wiring
0 μm, 0.3 μm, 0.4 μm).
In addition, the non-defective product rate is as follows:
When the resistance was changed over 20% when stored for a long time, it was determined to be defective and determined.

【0035】図7に示すように、重なり度合が0.2μ
mのときに良品率が100%になり、重なり度合を0.
2μm以下にするとストレスマイグレーション不良が生
じないことが分かった。したがって、上層側プラグと配
線との接触面および下層側プラグと配線との接触面の中
心間の距離を0.4μm以上、すなわち、上層側および
下層側プラグの径のほぼ2/3以上にすることによっ
て、ストレスマイグレーション不良が生じにくい、良好
な多層配線構造を形成することができる。
As shown in FIG. 7, the degree of overlap is 0.2 μm.
m, the non-defective rate is 100%, and the degree of overlap is 0.
It was found that stress migration failure did not occur when the thickness was 2 μm or less. Therefore, the distance between the center of the contact surface between the upper plug and the wiring and the center of the contact surface between the lower plug and the wiring is 0.4 μm or more, that is, approximately 2/3 or more of the diameter of the upper and lower plugs. This makes it possible to form a good multilayer wiring structure in which stress migration failure hardly occurs.

【0036】(第2の実施形態)図8(a)は本発明の
第2の実施形態に係る半導体装置の多層配線構造を示す
断面図である。
(Second Embodiment) FIG. 8A is a sectional view showing a multilayer wiring structure of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【0037】図8(a)に示す半導体装置の多層配線構
造は、次のようにして製造される。まず、半導体基板上
の第1の絶縁膜2にドライエッチングによって第1の開
口部としてのコンタクト開口部を設け、スパッタ法等に
よってTiとTiNの2層膜を形成した後に、CVD方
法によってWを埋め込む。そして、WおよびTiとTi
Nの2層膜をエッチバックして、コンタクト開口部にコ
ンタクト埋込み金属3(下層側プラグ)を形成する。そ
の上に、TiとTiNの2層膜を形成し、この2層膜の
上にCuを含有したAl合金を形成し、さらにその上に
TiN膜を形成して第1の配線4を形成する。第1の配
線4の上に第2の絶縁膜5を形成し、第2の開口部とし
てのスルーホール開口部に、コンタクト埋込み金属3の
形成と同様にして、スルーホール埋込み金属6(上層側
プラグ)を形成する。
The multilayer wiring structure of the semiconductor device shown in FIG. 8A is manufactured as follows. First, a contact opening as a first opening is provided in a first insulating film 2 on a semiconductor substrate by dry etching, a two-layer film of Ti and TiN is formed by a sputtering method or the like, and then W is deposited by a CVD method. Embed. And W and Ti and Ti
The N-layer film is etched back to form a contact buried metal 3 (lower plug) in the contact opening. A two-layer film of Ti and TiN is formed thereon, an Al alloy containing Cu is formed on the two-layer film, and a TiN film is further formed thereon to form the first wiring 4. . A second insulating film 5 is formed on the first wiring 4, and a through hole buried metal 6 (upper layer side) is formed in a through hole opening as a second opening in the same manner as the formation of the contact buried metal 3. Plug).

【0038】図8(a)に示す半導体装置の多層配線構
造において、下層側プラグ形成のときにWおよびTiと
TiNの2層膜をエッチバックする際のオーバーエッチ
量を変えて、リセスd1の異なる複数の試料を製造し
た。リセスd1は、第1の配線4が形成された配線層の
下面に形成された、下層側に突出し、コンタクト埋込み
金属3が接触する突出部4Hの、この配線層の下面から
突出する高さのことである。図8(b)はこれらの試料
を250℃において168時間保存したときの不良率を
示すグラフである。ここでも、抵抗変動が20%を超え
たものを不良と判定して、不良率を求めている。図8
(b)において、縦軸は不良率(%)、横軸はリセス
(μm)である。また、上層側および下層側プラグの径
は0.6μmである。
In the multilayer wiring structure of the semiconductor device shown in FIG. 8A, the amount of over-etching when etching back the two-layer film of W and Ti and TiN when forming the lower layer side plug is changed to change the recess d1. Different samples were produced. The recess d <b> 1 is formed on the lower surface of the wiring layer on which the first wiring 4 is formed, and projects to the lower layer side and has a height of the protrusion 4 </ b> H with which the contact embedded metal 3 comes into contact with the lower surface of the wiring layer. That is. FIG. 8B is a graph showing the percentage defective when these samples were stored at 250 ° C. for 168 hours. In this case as well, those having a resistance variation exceeding 20% are determined to be defective, and the defect rate is determined. FIG.
In (b), the vertical axis represents the defect rate (%), and the horizontal axis represents the recess (μm). The diameter of the upper and lower plugs is 0.6 μm.

【0039】図8(b)から明らかなように、リセスd
1が0.2μm以下のときは不良率が0%になり、スト
レスマイグレーション不良が生じない。不良率測定後の
試料の断面を走査型電子顕微鏡によって観察すると、次
のようなことが分かった。リセスd1が0.2μmより
も大きい試料においては、第1の配線4内のコンタクト
埋込み金属3上の領域にほぼ必ず結晶粒界が存在した。
これに対して、リセスd1が0.2μm以下の試料にお
いては、第1の配線4内のコンタクト埋込み金属3上の
領域には、結晶粒界はほとんど存在せず、また、この領
域の結晶粒の大きさは他の領域とほぼ同じであった。
As apparent from FIG. 8B, the recess d
When 1 is 0.2 μm or less, the failure rate becomes 0%, and no stress migration failure occurs. When the cross section of the sample after the measurement of the defect rate was observed with a scanning electron microscope, the following was found. In the sample in which the recess d1 is larger than 0.2 μm, a crystal grain boundary almost always exists in a region on the contact buried metal 3 in the first wiring 4.
On the other hand, in the sample in which the recess d1 is 0.2 μm or less, almost no crystal grain boundary exists in the region on the contact buried metal 3 in the first wiring 4, and the crystal grain in this region does not exist. Was almost the same size as the other regions.

【0040】このような結果から、リセスd1が0.2
μmのときが、ストレスマイグレーション不良が生じる
か否かの境目と考えられる。したがって、リセスd1を
0.2μm以下、すなわち、上層側および下層側プラグ
の径のほぼ1/3以下にすることによって、ストレスマ
イグレーション不良が生じにくい、良好な多層配線構造
を形成することができる。
From these results, the recess d1 was 0.2
It is considered that the case of μm is a boundary of whether or not the stress migration failure occurs. Therefore, by setting the recess d1 to 0.2 μm or less, that is, to about 1/3 or less of the diameter of the upper layer and lower layer plugs, it is possible to form a good multilayer wiring structure in which stress migration failure hardly occurs.

【0041】なお、コンタクト埋込み金属3およびスル
ーホール埋込み金属6を形成する際に、ドライエッチン
グによるエッチバック法を用いる場合を示したが、エッ
チバック法を用いる場合には、残渣が残りやすいために
オーバーエッチが多くなり、リセスd1が大きくなる傾
向がある。これに対して、CMP(Chemical Mechanical
Polishing)法を用いてコンタクト埋込み金属3および
スルーホール埋込み金属6を形成する場合には、リセス
d1の寸法を精度よく制御することができる。したがっ
て、本実施形態に係る半導体装置の多層配線構造を確実
に形成することができる。
Although the case where the contact buried metal 3 and the through-hole buried metal 6 are formed using the etch-back method by dry etching has been described, when the etch-back method is used, residues tend to remain. Overetching tends to increase and the recess d1 tends to increase. In contrast, CMP (Chemical Mechanical
When the contact buried metal 3 and the through-hole buried metal 6 are formed by using the (Polishing) method, the dimensions of the recess d1 can be controlled with high precision. Therefore, the multilayer wiring structure of the semiconductor device according to the present embodiment can be reliably formed.

【0042】(第3の実施形態)図9は本発明の第3の
実施形態に係る半導体装置の多層配線構造の製造方法を
示す図であり、各工程における構造の断面図である。図
9(a)に示すように、半導体基板1上の第1の絶縁膜
2に第1の開口部としてのコンタクト開口部2aを形成
し、その上に、図9(b)に示すように、TiとTiN
の2層膜3a上にW膜3bを形成する。図9(c)に示
すように、第1の絶縁膜2上のTiとTiNの2層膜3
aおよびW膜3bをエッチングして、コンタクト開口部
2aにのみTiとTiNの2層膜3aおよびW膜3bを
残し、これによってコンタクト埋込み金属3を形成す
る。その上に、TiとTiNの2層膜4aを形成し、こ
の2層膜4aの上にCuを含有したAl合金4bを形成
し、さらにその上にTiN膜4cを形成して、第1の配
線4を形成する。
(Third Embodiment) FIG. 9 is a view showing a method for manufacturing a multilayer wiring structure of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view of the structure in each step. As shown in FIG. 9A, a contact opening 2a as a first opening is formed in the first insulating film 2 on the semiconductor substrate 1, and as shown in FIG. , Ti and TiN
A W film 3b is formed on the two-layer film 3a. As shown in FIG. 9C, a two-layer film 3 of Ti and TiN on the first insulating film 2 is formed.
The a and W films 3b are etched to leave the two-layer film 3a of Ti and TiN and the W film 3b only in the contact opening 2a, thereby forming the contact buried metal 3. A two-layered film 4a of Ti and TiN is formed thereon, an Al alloy 4b containing Cu is formed on the two-layered film 4a, and a TiN film 4c is formed thereon. The wiring 4 is formed.

【0043】Al合金4bはスパッタリングによって形
成し、このときの堆積温度は200℃以上とする。20
0℃以上の温度でAl合金4bを堆積することによっ
て、コンタクト開口部2a上で結晶粒界が生じにくくな
る。またAl合金4bは、コンタクト開口部2a上の凹
みを埋めるように形成され、コンタクト開口部2a上の
部分の厚みが他の部分よりも厚くなる。
The Al alloy 4b is formed by sputtering, and the deposition temperature at this time is set to 200 ° C. or higher. 20
By depositing the Al alloy 4b at a temperature equal to or higher than 0 ° C., a crystal grain boundary hardly occurs on the contact opening 2a. The Al alloy 4b is formed so as to fill the depression on the contact opening 2a, and the thickness of the portion on the contact opening 2a is larger than that of the other portions.

【0044】図9(d)に示すように、第1の配線4上
に第2の絶縁膜5を形成し、第2の絶縁膜5に第2の開
口部としてのスルーホール開口部5aを設けて、Tiと
TiNの2層膜6a上にW膜6bを形成する。このと
き、スルーホール開口部5aが、第1の絶縁膜2の上面
とコンタント埋込み金属3の上面との段差以上に、第1
の配線4内に深く入らないようにする。スルーホール開
口部5aをこのように形成することによって、第1の配
線4は、コンタクト埋込み金属3上の厚みが他の部分の
厚みと同等以上になる。
As shown in FIG. 9D, a second insulating film 5 is formed on the first wiring 4, and a through-hole opening 5a as a second opening is formed in the second insulating film 5. The W film 6b is formed on the two-layer film 6a of Ti and TiN. At this time, the through-hole opening 5 a is formed to have a height equal to or larger than the height difference between the upper surface of the first insulating film 2 and the upper surface of the contact embedded metal 3.
Not deeply into the wiring 4. By forming the through-hole opening 5a in this manner, the thickness of the first wiring 4 on the contact embedding metal 3 is equal to or greater than the thickness of other portions.

【0045】次に、図9(e)に示すように、第2の絶
縁膜5上のTiとTiNの2層膜6aおよびW膜6bを
エッチングして、スルーホール開口部5aにのみTiと
TiNの2層膜6aおよびW膜6bを残し、これによっ
てスルーホール埋込み金属6を形成する。その上に、T
iとTiNの2層膜7aを形成し、この2層膜7aの上
にCuを含有したAl合金7bを形成し、さらにその上
にTiN膜7cを形成して、第2の配線7を形成する。
図9(f)に示すように、プラズマCVDによって保護
膜としてシリコン窒化膜8を形成する。
Next, as shown in FIG. 9E, the two-layer film 6a of Ti and TiN and the W film 6b on the second insulating film 5 are etched, and Ti and Ti are formed only in the through-hole opening 5a. The two-layer film 6a and the W film 6b of TiN are left, and thereby the through-hole buried metal 6 is formed. On top of that, T
forming a two-layer film 7a of i and TiN, forming an Al alloy 7b containing Cu on the two-layer film 7a, further forming a TiN film 7c thereon, and forming a second wiring 7; I do.
As shown in FIG. 9F, a silicon nitride film 8 is formed as a protective film by plasma CVD.

【0046】このように製造された半導体装置の多層配
線構造においては、第1の配線4のAl合金4bは、コ
ンタクト埋込み金属3上の厚みが他の部分の厚みと同等
以上になる。そして、第2の実施形態と同様に、第1の
配線4のコンタクト埋込み金属3上の領域、すなわち、
相対向する上層側および下層側プラグに挟まれた領域の
Al合金4bには、結晶粒界はほとんど存在せず、ま
た、この領域の結晶粒の大きさは他の領域とほぼ同じで
あった。このため、本実施形態に係る構造では、第2の
実施形態と同様に、高温保存後のストレスマイグレーシ
ョン不良による配線抵抗の上昇は見られなかった。
In the multilayer wiring structure of the semiconductor device manufactured as described above, the thickness of the Al alloy 4b of the first wiring 4 on the contact embedding metal 3 is equal to or greater than the thickness of other portions. Then, as in the second embodiment, the region of the first wiring 4 on the contact buried metal 3, that is,
Al alloy 4b in the region between the upper and lower plugs opposed to each other had almost no crystal grain boundaries, and the size of the crystal grains in this region was almost the same as the other regions. . For this reason, in the structure according to the present embodiment, similarly to the second embodiment, no increase in wiring resistance due to stress migration failure after high-temperature storage was observed.

【0047】図10はスパッタリング時の堆積温度と、
相対向する上層側および下層側プラグに挟まれた領域に
おける第1の配線4の厚さとの関係を示す図である。図
10(a)はこの関係を求めるための実験に用いた試料
の断面構造を示す図である。半導体基板1上の0.7μ
m厚の第1の絶縁膜2に、0.6μm径のコンタクト開
口部を形成し、このコンタクト開口部に、TiとTiN
の2層膜上に形成されたWからなるコンタクト埋込み金
属3を形成する。第1の配線4の下面とコンタクト埋込
み金属3の上面との距離は0.2μmである。そしてこ
の上に、50nm厚のTi膜と、Cuを含有した600
nm厚のAl合金と、30nm厚のTiN膜とを形成す
る。この実験では、Al合金の堆積温度を変えて試料を
製造し、その断面をSEM観察して、コンタクト埋込み
金属3上の第1の配線4の陥没部4Iの深さd2を測定
した。
FIG. 10 shows the deposition temperature during sputtering and
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between the thickness of a first wiring 4 in a region sandwiched between opposed upper and lower plugs. FIG. 10A is a diagram showing a cross-sectional structure of a sample used in an experiment for obtaining this relationship. 0.7μ on semiconductor substrate 1
A contact opening having a diameter of 0.6 μm is formed in the first insulating film 2 having a thickness of m, and Ti and TiN are formed in the contact opening.
Is formed on the two-layer film of FIG. The distance between the lower surface of the first wiring 4 and the upper surface of the contact burying metal 3 is 0.2 μm. Then, a 50 nm thick Ti film and a Cu-containing 600
An Al alloy having a thickness of 30 nm and a TiN film having a thickness of 30 nm are formed. In this experiment, a sample was manufactured by changing the deposition temperature of the Al alloy, and the cross section thereof was observed by SEM to measure the depth d2 of the depression 4I of the first wiring 4 on the contact embedded metal 3.

【0048】図10(b)はこの実験結果を示すグラフ
である。第1の配線4のAl合金が、コンタクト開口部
上の領域において他の領域と同等以上に厚く形成される
ためには、深さd2は0.2μm以下である必要があ
る。このように、陥没部4Iの深さd2を0.2μm以
下にすることによって、図6の応力シミュレーションで
示したような,上層側プラグが配線層に進入することに
よって生じる大きな応力を減少させることができる。し
たがって、深さd2を0.2μm以下すなわち上層側お
よび下層側プラグの径のほぼ1/3以下にすることによ
って、ストレスマイグレーション不良が生じにくい、良
好な多層配線構造を形成することができる。図10
(b)から分かるように、深さd2が0.2μ以下にな
るのはAl合金の堆積温度が200℃以上のときであ
る。したがって、配線が、相対向する上層側および下層
側プラグに挟まれた領域に結晶粒界を有しないようにす
るためには、Al合金の堆積温度は200℃以上が好ま
しいといえる。
FIG. 10B is a graph showing the results of this experiment. In order for the Al alloy of the first wiring 4 to be formed as thick as or more than the other region in the region above the contact opening, the depth d2 needs to be 0.2 μm or less. In this way, by setting the depth d2 of the depression 4I to 0.2 μm or less, it is possible to reduce a large stress caused by the upper plug entering the wiring layer as shown in the stress simulation of FIG. Can be. Therefore, by setting the depth d2 to 0.2 μm or less, that is, to about 1/3 or less of the diameter of the upper and lower plugs, it is possible to form a favorable multilayer wiring structure in which stress migration failure hardly occurs. FIG.
As can be seen from (b), the depth d2 becomes 0.2 μm or less when the deposition temperature of the Al alloy is 200 ° C. or more. Therefore, it can be said that the deposition temperature of the Al alloy is preferably 200 ° C. or higher so that the wiring does not have a crystal grain boundary in a region sandwiched between the upper and lower plugs facing each other.

【0049】(第4の実施形態)図11は本発明の第4
の実施形態に係る半導体装置の多層配線構造の製造方法
を示す図であり、各工程における構造の断面図である。
図11(a)に示すように、半導体基板1上の第1の絶
縁膜2に第1の開口部としてのコンタクト開口部2aを
形成する。そして、図11(b)に示すように、Ti膜
4dを形成し、その上に、ジメチルアルミハイドライド
を原料ガスとして260℃の堆積温度でCVD法によっ
てアルミニウム膜を100nm堆積し、続いてスパッタ
リングによって、Cuを含有したAl合金を400℃の
堆積温度で500nm堆積して、CVDアルミニウムと
Al合金の層4eを形成する。さらにその上に、TiN
膜4fを形成する。Ti膜4d,CVDアルミニウムと
Al合金の層4eおよびTiN膜4fを配線形状に加工
して、第1の配線4を設ける。CVD法によってアルミ
ニウム膜を形成するため、コンタクト開口部2aにはア
ルミニウムが埋込まれるので、コンタクト開口部2a上
の第1の配線4は、他の部分と比べて十分に厚くなる。
(Fourth Embodiment) FIG. 11 shows a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a view illustrating the method for manufacturing the multilayer wiring structure of the semiconductor device according to the embodiment, and is a cross-sectional view of the structure in each step.
As shown in FIG. 11A, a contact opening 2a as a first opening is formed in a first insulating film 2 on a semiconductor substrate 1. Then, as shown in FIG. 11B, a Ti film 4d is formed, and an aluminum film is deposited thereon to a thickness of 100 nm by a CVD method at a deposition temperature of 260 ° C. using dimethylaluminum hydride as a source gas, followed by sputtering. An Al alloy containing Cu is deposited at a deposition temperature of 400 ° C. to a thickness of 500 nm to form a layer 4 e of CVD aluminum and an Al alloy. Furthermore, TiN
The film 4f is formed. The first wiring 4 is provided by processing the Ti film 4d, the CVD aluminum and Al alloy layer 4e, and the TiN film 4f into a wiring shape. Since the aluminum film is formed by the CVD method, aluminum is buried in the contact opening 2a, so that the first wiring 4 on the contact opening 2a is sufficiently thicker than other portions.

【0050】図11(c)に示すように、第1の配線4
上に第2の絶縁膜5を形成し、第2の絶縁膜5に第2の
開口部としてのスルーホール開口部5aを設ける。図1
1(d)に示すように、Ti膜7d上にCVDアルミニ
ウムとAl合金の層7eを形成し、その上にTiN膜7
fを形成し、配線形状に加工して第2の配線7を形成す
る。次いで、図11(e)に示すように、プラズマCV
Dによって保護膜としてシリコン窒化膜8を形成する。
As shown in FIG. 11C, the first wiring 4
The second insulating film 5 is formed thereon, and the second insulating film 5 is provided with a through-hole opening 5a as a second opening. FIG.
As shown in FIG. 1D, a layer 7e of CVD aluminum and an Al alloy is formed on the Ti film 7d, and a TiN film 7 is formed thereon.
f is formed and processed into a wiring shape to form the second wiring 7. Next, as shown in FIG.
D forms a silicon nitride film 8 as a protective film.

【0051】このように製造された半導体装置の多層配
線構造においては、第1の配線4と、コンタクト埋込み
金属3およびスルーホール埋込み金属6とが、ともに同
じAl合金によって形成される。すなわち、配線と、こ
れを挟んで相対向する上層側および下層側プラグとが同
一の材料で形成されている。このため、上層側プラグお
よび下層側プラグが配線と異なる金属(例えばW)で形
成された構造と比べて、上層側および下層側プラグに挟
まれた領域にかかる応力は格段に小さくなる。このた
め、本実施形態に係る構造では、高温保存後でのストレ
スマイグレーション不良による配線抵抗の上昇は見られ
なかった。
In the multilayer wiring structure of the semiconductor device manufactured as described above, the first wiring 4, the contact burying metal 3 and the through-hole burying metal 6 are both formed of the same Al alloy. That is, the wiring and the upper and lower plugs opposed to each other with the wiring therebetween are formed of the same material. For this reason, the stress applied to the region sandwiched between the upper layer plug and the lower layer plug is much smaller than a structure in which the upper layer plug and the lower layer plug are formed of a metal (for example, W) different from the wiring. Therefore, in the structure according to the present embodiment, no increase in wiring resistance due to stress migration failure after high-temperature storage was observed.

【0052】なお、本実施形態では、コンタクト開口部
2aやスルーホール開口部5aへのAl合金の埋込みを
CVDとスパッタリングによって行ったが、CVDのみ
によって行ってもよい。また、スパッタリングによって
Al合金を形成した後に、加熱や加圧によってAl合金
を流動させることによって、埋込みを行ってもよい。
In this embodiment, the Al alloy is buried in the contact opening 2a and the through-hole opening 5a by CVD and sputtering. However, the embedding may be performed only by CVD. After the Al alloy is formed by sputtering, the embedding may be performed by flowing the Al alloy by heating or pressing.

【0053】また、上層側プラグおよび下層側プラグの
材料が配線と異なる場合であっても、材料同士の熱膨張
係数の差が、高温保存によってボイドが生じない程度に
小さいものであれば、ストレスマイグレーション不良は
生じない。例えば、Alの熱膨張係数は23.8×10
-6/Kであるのに対し、Wの熱膨張係数は4.3×10
-6/Kであり、その差が大きいのでWプラグではストレ
スマイグレーション不良が生じるが、Ni(熱膨張係数
13.1×10-6/K)やCu(熱膨張係数16.8×
10-6/K)などをプラグ材として用いることによっ
て、ストレスマイグレーション不良は発生しなくなる。
Even when the material of the upper plug and the lower plug is different from that of the wiring, if the difference in the coefficient of thermal expansion between the materials is small enough not to cause voids due to high-temperature storage, the stress is reduced. No migration failure occurs. For example, the thermal expansion coefficient of Al is 23.8 × 10
−6 / K, whereas the thermal expansion coefficient of W is 4.3 × 10
−6 / K, and the difference is large, so that stress migration failure occurs in the W plug. However, Ni (thermal expansion coefficient 13.1 × 10 −6 / K) and Cu (thermal expansion coefficient 16.8 ×)
By using 10 −6 / K) or the like as a plug material, stress migration failure does not occur.

【0054】また、配線と上層側および下層側プラグの
うちのいずれか一方とが、材料の熱膨張係数の差が、高
温保存によってボイドが生じない程度に小さいものであ
ってもよい。例えば、下層配線がAl合金からなり、上
層配線がCuからなる多層配線構造を形成する場合、配
線層間のプラグをWで形成すると、Al配線に熱膨張係
数の差によるストレスマイグレーションが発生するが、
このプラグ材をNiまたはCuに替えることにより,A
l配線のストレスマイグレーション不良を防止すること
ができる。
Further, the difference between the thermal expansion coefficient of the material and the one of the upper layer side plug and the lower layer side plug may be so small that voids are not generated by high-temperature storage. For example, when forming a multilayer wiring structure in which the lower wiring is made of an Al alloy and the upper wiring is made of Cu, if a plug between wiring layers is formed of W, stress migration occurs due to a difference in thermal expansion coefficient in the Al wiring.
By replacing this plug material with Ni or Cu, A
Stress migration failure of the l wiring can be prevented.

【0055】(第5の実施形態)図12は本発明の第5
の実施形態に係る半導体装置の多層配線構造におけるコ
ンタクト埋込み金属3とスルーホール埋込み金属6とに
よって挟まれた第1の配線4の領域の拡大図である。図
12に示す多層配線構造では、第1の配線4は、Ti膜
4a、Cuを添加したAl合金4bおよび高融点金属ま
たは高融点金属合金の膜としてのTiN膜4cが積層さ
れてなり、上層側プラグとしてのスルーホール埋込み金
属6と、TiN膜4cを介して接触している。
(Fifth Embodiment) FIG. 12 shows a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an enlarged view of a region of a first wiring 4 sandwiched between a contact burying metal 3 and a through-hole burying metal 6 in the multilayer wiring structure of the semiconductor device according to the third embodiment. In the multilayer wiring structure shown in FIG. 12, the first wiring 4 is formed by laminating a Ti film 4a, an Al alloy 4b to which Cu is added, and a TiN film 4c as a film of a high melting point metal or a high melting point metal alloy. It is in contact with a through-hole buried metal 6 as a side plug via a TiN film 4c.

【0056】図12に示す多層配線構造は、基本的に
は、図9に示す第3の実施形態に係る方法と同様にして
製造される。ただし、第2の絶縁膜5にスルーホール開
口部5aをドライエッチング等によって形成する際に、
第1の配線4のTiN膜4cを除去しないで残してお
く。
The multilayer wiring structure shown in FIG. 12 is manufactured basically in the same manner as the method according to the third embodiment shown in FIG. However, when the through-hole opening 5a is formed in the second insulating film 5 by dry etching or the like,
The TiN film 4c of the first wiring 4 is left without being removed.

【0057】本実施形態に係る半導体装置の多層配線構
造によると、第1の配線4とスルーホール埋込み金属6
とがTiN膜4cを介して接触しているので、このTi
N膜4cによって、スルーホール埋込み金属6による応
力が緩和される。したがって、ボイドの発生を抑えるこ
とができ、ストレスマイグレーションによる抵抗上昇を
防ぐことができる。
According to the multilayer wiring structure of the semiconductor device according to the present embodiment, the first wiring 4 and the through-hole buried metal 6
Are in contact with each other via the TiN film 4c.
The N film 4c alleviates the stress caused by the through-hole buried metal 6. Therefore, generation of voids can be suppressed, and an increase in resistance due to stress migration can be prevented.

【0058】(第6の実施形態)図1(a)の試料にお
いて、第1の配線4の下層に、TiとTiNとの2層膜
の代わりに高融点金属膜としてのTi膜を形成し、この
Ti膜の膜厚を0〜120nmの範囲で設定変更して、
それぞれ不良率を測定した。図13はこのような測定に
よって得られた、Ti膜の膜厚と不良率との関係を示す
グラフである。ここでは、各試料を250℃において1
68時間保存し、抵抗変動が20%を越えたものを不良
と判定して、不良率を求めている。
(Sixth Embodiment) In the sample of FIG. 1A, a Ti film as a refractory metal film is formed below the first wiring 4 instead of a two-layer film of Ti and TiN. By changing the thickness of the Ti film in the range of 0 to 120 nm,
Each defective rate was measured. FIG. 13 is a graph showing the relationship between the thickness of the Ti film and the defect rate obtained by such measurement. Here, each sample was placed at 250 ° C. for 1 hour.
The sample was stored for 68 hours, and a sample whose resistance variation exceeded 20% was determined to be defective, and the defect rate was determined.

【0059】図13から分かるように、Ti膜の膜厚が
50nmのとき、不良率は最大になり、Ti膜が0nm
および100nm以上において、不良率は0になる。T
i膜の膜厚と不良率との関係が図13のようになる理由
は、次のように考えられる。第1の配線4にかかる応力
はTi膜によって緩和され、膜厚が大きいほど、この応
力緩和の効果は大きい。一方、Ti膜があると、アルミ
合金中のSiがTi膜4aに吸い出されて、アルミ合金
内に空隙(Vacancy)が生じやすくなる。したがって、
応力緩和の効果とアルミ合金内の空隙の生じやすさとの
兼ね合いによって、Ti膜の膜厚と不良率との関係は図
13のようになると考えられる。
As can be seen from FIG. 13, when the thickness of the Ti film is 50 nm, the defect rate is maximized, and
And the defect rate becomes 0 at 100 nm or more. T
The reason why the relationship between the thickness of the i-film and the defect rate becomes as shown in FIG. 13 is considered as follows. The stress applied to the first wiring 4 is relieved by the Ti film, and the greater the film thickness, the greater the effect of the stress relieving. On the other hand, if there is a Ti film, Si in the aluminum alloy is sucked out by the Ti film 4a, so that vacancies are easily generated in the aluminum alloy. Therefore,
It is considered that the relationship between the thickness of the Ti film and the defect rate is as shown in FIG. 13 due to the balance between the effect of stress relaxation and the tendency to form voids in the aluminum alloy.

【0060】したがって、Ti膜の膜厚として10nm
〜80nmの範囲を除外することによって、すなわち、
Ti膜の膜厚を10nm以下または80nm以上にする
ことによって、ストレスマイグレーション不良が生じに
くい、良好な多層配線構造を形成することができる。
Therefore, the thickness of the Ti film is 10 nm.
By excluding the range of 8080 nm, ie,
By setting the thickness of the Ti film to 10 nm or less or 80 nm or more, it is possible to form a good multilayer wiring structure in which stress migration failure does not easily occur.

【0061】なお、各実施形態では、2層配線構造を例
にとって説明を行ったが、3層以上の多層配線構造にお
いても、本発明は同様に実現することができる。
In each of the embodiments, a description has been given of a two-layer wiring structure as an example. However, the present invention can be similarly realized in a multilayer wiring structure having three or more layers.

【0062】また、各実施形態は、そのいずれかを組み
合わせて実施してもかまわない。例えば、第1の実施形
態と第2の実施形態とを組み合わせて、上層側プラグと
配線との接触面の中心と下層側プラグと配線との接触面
の中心との間の距離が上層側および下層側プラグの径の
ほぼ2/3以上に設定され、かつ、配線層の下面に形成
された,下層側プラグが接触する突出部の高さが上層側
および下層側プラグの径のほぼ1/3以下に設定された
多層配線構造を構成してもよい。同様に、第2の実施形
態と第3の実施形態とを組み合わせたり、第1〜第3の
実施形態を組み合わせてもかまわない。
Further, each embodiment may be implemented by combining any of them. For example, by combining the first embodiment and the second embodiment, the distance between the center of the contact surface between the upper-layer plug and the wiring and the center of the contact surface between the lower-layer plug and the wiring is higher than the upper layer. The height of the protrusion formed on the lower surface of the wiring layer and in contact with the lower-layer plug is set to approximately 2/3 or more of the diameter of the lower-layer plug, and approximately 1/1 / the diameter of the upper-layer and lower-layer plugs. A multilayer wiring structure set to three or less may be configured. Similarly, the second embodiment and the third embodiment may be combined, or the first to third embodiments may be combined.

【0063】[0063]

【発明の効果】以上のように、本発明によると、上層側
プラグと下層側プラグとに挟まれた領域における応力に
起因する配線の信頼性の低下を抑えることができるの
で、ストレスマイグレーションによる抵抗上昇を抑える
ことができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to suppress a decrease in wiring reliability due to a stress in a region sandwiched between an upper-layer plug and a lower-layer plug. The rise can be suppressed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】半導体装置の多層配線構造におけるスタック構
造の影響を電気的に検知するための試料の構造を示す図
であり、(a)はこの試料の断面図、(b)は(a)の
試料の一部分の斜視図である。
FIGS. 1A and 1B are diagrams showing a structure of a sample for electrically detecting the influence of a stack structure in a multilayer wiring structure of a semiconductor device, wherein FIG. 1A is a cross-sectional view of the sample, and FIG. It is a perspective view of a part of sample.

【図2】本発明の解決課題を示す特性図であり、(a)
は図1に示す試料の高温保存時間と不良率との関係を表
すグラフ、(b)は図1に示す試料の高温保存後の配線
幅と抵抗変動との関係を表すグラフである。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a problem to be solved by the present invention;
3 is a graph showing the relationship between the high-temperature storage time of the sample shown in FIG. 1 and the defect rate, and FIG. 4B is a graph showing the relationship between the wiring width of the sample shown in FIG.

【図3】本発明の解決課題を示す特性図であり、図1に
示す試料の保存温度と累積故障到達時間との関係を示す
グラフである。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the problem to be solved by the present invention, and is a graph showing a relationship between the storage temperature of the sample shown in FIG. 1 and the cumulative failure arrival time.

【図4】本発明の解決課題を示す特性図であり、配線構
造と良品率との関係を示す図である。
FIG. 4 is a characteristic diagram illustrating a problem to be solved by the present invention, and is a diagram illustrating a relationship between a wiring structure and a non-defective rate.

【図5】図1に示す配線構造であって高温保存後に不良
になったものを、透過型電子顕微鏡によって観察した結
果を示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the result of observing the wiring structure shown in FIG. 1 which became defective after storage at a high temperature using a transmission electron microscope.

【図6】(a),(b)は図5の配線構造において、温
度変化時に生じる内部応力を有限要素法によってシミュ
レーションした結果を示す図である。
6 (a) and 6 (b) are diagrams showing the results of simulating the internal stress generated when the temperature changes in the wiring structure of FIG. 5 by the finite element method.

【図7】本発明の第1の実施形態を説明するための図で
あり、上層側プラグと下層側プラグの重なり度合と良品
率との関係を示すグラフである。
FIG. 7 is a diagram for explaining the first embodiment of the present invention, and is a graph showing the relationship between the degree of overlap between the upper plug and the lower plug and the yield rate.

【図8】(a)は本発明の第2の実施形態に係る半導体
装置の多層配線構造を示す断面図、(b)はリセスd1
と不良率との関係を示すグラフである。
FIG. 8A is a cross-sectional view illustrating a multilayer wiring structure of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, and FIG.
6 is a graph showing the relationship between the defect rate and the defect rate.

【図9】(a)〜(f)は本発明の第3の実施形態に係
る半導体装置の多層配線構造の製造方法を示す工程断面
図である。
FIGS. 9A to 9F are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a multilayer wiring structure of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第3の実施形態に係る実験を説明す
るための図であり、(a)は実験に用いた試料の断面構
造を示す図、(b)はスパッタリング時の堆積温度と下
層側プラグ上の配線凹部の深さd2との関係を示すグラ
フである。
FIGS. 10A and 10B are diagrams for explaining an experiment according to a third embodiment of the present invention, wherein FIG. 10A is a diagram showing a cross-sectional structure of a sample used in the experiment, and FIG. 9 is a graph showing a relationship between a wiring recess on a lower plug and a depth d2.

【図11】(a)〜(e)は本発明の第4の実施形態に
係る半導体装置の多層配線構造の製造方法を示す工程断
面図である。
FIGS. 11A to 11E are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a multilayer wiring structure of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の
多層配線構造を示す断面図である。
FIG. 12 is a sectional view showing a multilayer wiring structure of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第6の実施形態を説明するための図
であり、配線下層Ti膜の膜厚と不良率との関係を示す
グラフである。
FIG. 13 is a diagram for explaining the sixth embodiment of the present invention, and is a graph showing the relationship between the thickness of the wiring lower Ti film and the defect rate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体基板 2 第1の絶縁膜 2a コンタクト開口部(第1の開口部) 3 コンタクト埋込み金属(下層側プラグ) 4 第1の配線(一の配線層に形成された配線) 4a Ti膜(高融点金属膜) 4c TiN膜(高融点金属または高融点金属合金の
膜) 4H 突出部 4I 陥没部 5 第2の絶縁膜 5a スルーホール開口部(第2の開口部) 6 スルーホール埋込み金属(上層側プラグ) 7 第2の配線(上層配線) 40 ボイド 45 結晶粒界
Reference Signs List 1 semiconductor substrate 2 first insulating film 2a contact opening (first opening) 3 contact buried metal (lower plug) 4 first wiring (wiring formed in one wiring layer) 4a Ti film (high 4c TiN film (high-melting-point metal or high-melting-point metal alloy film) 4H protrusion 4I depression 5 second insulating film 5a through-hole opening (second opening) 6 through-hole buried metal (upper layer) Side plug) 7 Second wiring (upper wiring) 40 Void 45 Crystal grain boundary

フロントページの続き (72)発明者 矢野 航作 大阪府高槻市幸町1番1号 松下電子工業 株式会社内Continuation of the front page (72) Inventor Kosaku Yano 1-1, Sachimachi, Takatsuki-shi, Osaka Matsushita Electronics Corporation

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板と、この基板上に形成された2層以
上の配線層と、 前記2層以上の配線層のうちの一の配線層に形成された
配線とその上層配線とを電気的に接続する上層側プラグ
と、 前記上層側プラグと前記配線を挟んで相対向して設けら
れ、前記配線とその下層配線または前記基板とを電気的
に接続する下層側プラグとを備え、 基板面の垂線方向からみたとき、前記上層側プラグと前
記配線との接触面の中心と、前記下層側プラグと前記配
線との接触面の中心との間の距離は、前記上層側および
下層側プラグの径のほぼ2/3以上に設定されている半
導体装置の多層配線構造。
An electrical connection between a substrate, two or more wiring layers formed on the substrate, a wiring formed on one of the two or more wiring layers, and an upper layer wiring. An upper-layer plug that is connected to the upper-layer plug and a lower-layer plug that is provided opposite to the upper-layer plug with the wiring interposed therebetween and electrically connects the wiring to the lower-layer wiring or the substrate; When viewed from the perpendicular direction, the distance between the center of the contact surface between the upper-layer plug and the wiring and the center of the contact surface between the lower-layer plug and the wiring is equal to the distance between the upper-layer plug and the lower-layer plug. A multilayer wiring structure of a semiconductor device in which the diameter is set to approximately 2/3 or more.
【請求項2】 基板と、この基板上に形成された2層以
上の配線層と、 前記2層以上の配線層のうちの一の配線層に形成された
配線とその上層配線とを電気的に接続する上層側プラグ
と、 前記上層側プラグと前記配線を挟んで相対向して設けら
れ、前記配線とその下層配線または前記基板とを電気的
に接続する下層側プラグとを備え、 前記一の配線層の下面に、下層側に突出し、前記下層側
プラグが接触する突出部が形成されており、この突出部
の前記一の配線層の下面から突出する高さは、前記上層
側および下層側プラグの径のほぼ1/3以下に設定され
ている半導体装置の多層配線構造。
2. An electrical circuit comprising: a substrate; two or more wiring layers formed on the substrate; and a wiring formed on one of the two or more wiring layers and an upper wiring. An upper-layer plug connected to the lower-layer plug, the lower-layer plug being provided opposite to the upper-layer plug with the wiring interposed therebetween, and electrically connecting the wiring to a lower-layer wiring or the substrate; A lower part of the wiring layer is formed with a protruding portion protruding from the lower layer side and in contact with the lower layer side plug. The height of the protruding part protruding from the lower surface of the one wiring layer is set to the upper layer side and the lower layer. A multilayer wiring structure of a semiconductor device in which a diameter of a side plug is set to approximately 1/3 or less.
【請求項3】 基板と、この基板上に形成された2層以
上の配線層と、 前記2層以上の配線層のうちの一の配線層に形成された
配線とその上層配線とを電気的に接続する上層側プラグ
と、 前記上層側プラグと前記配線を挟んで相対向して設けら
れ、前記配線とその下層配線または前記基板とを電気的
に接続する下層側プラグとを備え、 前記配線は、相対向する前記上層側および下層側プラグ
に挟まれた領域に、結晶粒界を有しないように構成した
半導体装置の多層配線構造。
3. An electrical connection between a substrate, two or more wiring layers formed on the substrate, and a wiring formed on one of the two or more wiring layers and an upper wiring. An upper-layer plug connected to the upper-layer plug and a lower-layer plug provided opposite to the upper-layer plug with the wiring interposed therebetween and electrically connecting the wiring to the lower-layer wiring or the substrate; Is a multilayer wiring structure of a semiconductor device which is configured so as not to have a crystal grain boundary in a region sandwiched between the opposed upper and lower plugs.
【請求項4】 基板と、この基板上に形成された2層以
上の配線層と、 前記2層以上の配線層のうち一の配線層に形成された配
線とその上層配線とを電気的に接続する上層側プラグ
と、 前記上層側プラグと前記配線を挟んで相対向して設けら
れ、前記配線とその下層配線または前記基板とを電気的
に接続する下層プラグとを備え、 前記一の配線層の上面に、前記上層側プラグが接触する
陥没部が形成されており、この陥没部の前記一の配線層
の上面から陥没する深さは、前記上層側および下層側プ
ラグの径のほぼ1/3以下に設定されている半導体装置
の多層配線構造。
4. A substrate, two or more wiring layers formed on the substrate, and a wiring formed on one of the two or more wiring layers and an upper layer wiring are electrically connected to each other. An upper-layer plug to be connected, and a lower-layer plug provided opposite to the upper-layer plug with the wiring interposed therebetween and electrically connecting the wiring to a lower-layer wiring or the substrate, wherein the one wiring A depression is formed on the upper surface of the layer, the depression being in contact with the upper-layer plug, and the depth of the depression from the upper surface of the one wiring layer is approximately 1 mm of the diameter of the upper-layer and lower-layer plugs. A multilayer wiring structure of a semiconductor device set to be equal to or less than / 3.
【請求項5】 基板と、この基板上に形成された2層以
上の配線層と、 前記2層以上の配線層のうちの一の配線層に形成された
配線とその上層配線とを電気的に接続する上層側プラグ
と、 前記上層側プラグと前記配線を挟んで相対向して設けら
れ、前記配線とその下層配線または前記基板とを電気的
に接続する下層側プラグとを備え、 前記配線と、前記上層側および下層側プラグのうちの少
なくとも一方との、材料の熱膨張係数の差は、前記配線
の前記上層側および下層側プラグに挟まれた領域にボイ
ドが生じない程度に小さくしていることを特徴とする半
導体装置の多層配線構造。
5. An electrical connection between a substrate, two or more wiring layers formed on the substrate, a wiring formed on one of the two or more wiring layers, and an upper layer wiring. An upper-layer plug connected to the upper-layer plug and a lower-layer plug provided opposite to the upper-layer plug with the wiring interposed therebetween and electrically connecting the wiring to the lower-layer wiring or the substrate; And the difference in thermal expansion coefficient of the material between at least one of the upper layer side plug and the lower layer side plug is reduced to such an extent that voids do not occur in a region between the upper layer side and the lower layer side plug of the wiring. A multilayer wiring structure for a semiconductor device, comprising:
【請求項6】 請求項5記載の半導体装置の多層配線構
造において、 前記配線と、前記上層側および下層側プラグのうちの少
なくとも一方とは、同一材料によって形成されているこ
とを特徴とする半導体装置の多層配線構造。
6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the wiring and at least one of the upper and lower plugs are formed of the same material. The multilayer wiring structure of the device.
【請求項7】 請求項6記載の半導体装置の多層配線構
造において、 前記配線と、前記上層側および下層側プラグのうちの少
なくとも一方とは、ともに、アルミニウムもしくはアル
ミニウム合金からなるか、または、アルミニウムもしく
はアルミニウム合金と、高融点金属、高融点金属合金も
しくはこれらの複合層との積層構造からなることを特徴
とする半導体装置の多層配線構造。
7. The multilayer wiring structure of a semiconductor device according to claim 6, wherein said wiring and at least one of said upper and lower plugs are made of aluminum or an aluminum alloy, or aluminum. Alternatively, a multilayer wiring structure for a semiconductor device, comprising a laminated structure of an aluminum alloy and a high melting point metal, a high melting point metal alloy or a composite layer thereof.
【請求項8】 基板と、この基板上に形成された2層以
上の配線層と、 前記2層以上の配線層のうちの一の配線層に形成された
配線とその上層配線とを電気的に接続する上層側プラグ
と、 前記上層側プラグと前記配線を挟んで相対向して設けら
れ、前記配線とその下層配線または前記基板とを電気的
に接続する下層側プラグとを備え、 前記一の配線層は、その上面側に、高融点金属または高
融点金属合金の膜が形成されており、前記配線と前記上
層側プラグとは、この高融点金属または高融点金属合金
の膜を介して接触している半導体装置の多層配線構造。
8. A substrate, two or more wiring layers formed on the substrate, and a wiring formed on one of the two or more wiring layers and an upper wiring are electrically connected to each other. An upper-layer plug connected to the lower-layer plug, the lower-layer plug being provided opposite to the upper-layer plug with the wiring interposed therebetween, and electrically connecting the wiring to a lower-layer wiring or the substrate; In the wiring layer, a film of a high melting point metal or a high melting point metal alloy is formed on the upper surface side, and the wiring and the upper layer side plug are interposed through the film of the high melting point metal or the high melting point metal alloy. The multilayer wiring structure of the semiconductor device in contact.
【請求項9】 基板と、この基板上に形成された2層以
上の配線層と、 前記2層以上の配線層のうちの一の配線層に形成された
配線とその上層配線とを電気的に接続する上層側プラグ
と、 前記上層側プラグと前記配線を挟んで相対向して設けら
れ、前記配線とその下層配線または前記基板とを電気的
に接続する下層側プラグとを備え、 前記一の配線層は、その下面側に高融点金属膜が形成さ
れており、この高融点金属膜の膜厚は、10nm以下ま
たは80nm以上に設定されていることを特徴とする半
導体装置の多層配線構造。
9. An electrical connection between a substrate, two or more wiring layers formed on the substrate, and a wiring formed on one of the two or more wiring layers and an upper wiring. An upper-layer plug connected to the lower-layer plug, the lower-layer plug being provided opposite to the upper-layer plug with the wiring interposed therebetween, and electrically connecting the wiring to a lower-layer wiring or the substrate; A high melting point metal film is formed on the lower surface side of the wiring layer, and the thickness of the high melting point metal film is set to 10 nm or less or 80 nm or more. .
【請求項10】 基板上に形成された第1の絶縁膜に第
1の開口部を形成し、この第1の開口部に下層側プラグ
を形成する工程と、 前記第1の絶縁膜および下層側プラグ上に配線を形成す
る工程と、 前記配線上に第2の絶縁膜を形成し、この第2の絶縁膜
に、前記第1の開口部に対向する第2の開口部を形成
し、この第2の開口部に上層側プラグを形成する工程と
を備え、 前記下層側プラグ形成工程は、CMP法またはエッチバ
ック法を用いて、前記下層側プラグの上面と前記第1の
絶縁膜の上面との距離が、前記上層側および下層側プラ
グの径のほぼ1/3以下になるように行う半導体装置の
多層配線構造の製造方法。
10. A step of forming a first opening in a first insulating film formed on a substrate, and forming a lower plug on the first opening; and forming the first insulating film and the lower layer. Forming a wiring on the side plug; forming a second insulating film on the wiring; forming a second opening in the second insulating film facing the first opening; Forming an upper-layer plug in the second opening; and forming the lower-layer plug in the upper-layer plug and the first insulating film using a CMP method or an etch-back method. A method of manufacturing a multilayer wiring structure of a semiconductor device, wherein a distance from an upper surface is set to be approximately 1/3 or less of diameters of the upper and lower plugs.
【請求項11】 基板上に形成された第1の絶縁膜に第
1の開口部を形成し、この第1の開口部に下層側プラグ
を形成する工程と、 前記第1の絶縁膜および下層側プラグ上に、少なくとも
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる層を有す
る配線を形成する工程と、 前記配線上に第2の絶縁膜を形成し、この第2の絶縁膜
に、前記第1の開口部に対向する第2の開口部を形成
し、この第2の開口部に上層側プラグを形成する工程と
を備え、 前記配線形成工程は、前記配線が,相対向する前記上層
側および下層側プラグに挟まれた領域に結晶粒界を有し
ないように、前記配線のアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金の層を、スパッタリングによって、ほぼ200℃
以上の堆積温度において形成する半導体装置の多層配線
構造の製造方法。
11. A step of forming a first opening in a first insulating film formed on a substrate, and forming a lower plug in the first opening; and forming the first insulating film and the lower layer. Forming a wiring having at least a layer made of aluminum or an aluminum alloy on the side plug; forming a second insulating film on the wiring; forming a second insulating film on the second insulating film in the first opening; Forming an opposing second opening, and forming an upper-layer plug in the second opening, wherein the wiring is formed between the upper-layer and lower-layer plugs facing each other. The aluminum or aluminum alloy layer of the wiring is formed by sputtering at about 200 ° C. so as not to have a crystal grain boundary in the sandwiched region.
A method for manufacturing a multilayer wiring structure of a semiconductor device formed at the above deposition temperature.
【請求項12】 基板上に形成された第1の絶縁膜に第
1の開口部を形成する工程と、 前記第1の開口部に下層側プラグを形成するとともに、
前記第1の絶縁膜上に配線を形成する工程と、 前記配線上に第2の絶縁膜を形成し、この第2の絶縁膜
に、前記第1の開口部に対向する第2の開口部を形成
し、この第2の開口部に上層側プラグを形成する工程と
を備え、 前記下層側プラグおよび配線形成工程は、CVD法によ
って、または、CVD法およびスパッタリングによっ
て、アルミニウムまたはアルミニウム合金を、前記第1
の開口部内および前記第1の絶縁膜上に堆積させて、下
層側プラグおよび配線を形成する半導体装置の多層配線
構造の製造方法。
12. A step of forming a first opening in a first insulating film formed on a substrate; forming a lower-layer plug in the first opening;
Forming a wiring on the first insulating film; forming a second insulating film on the wiring; and forming a second opening in the second insulating film opposite the first opening. Forming an upper-layer plug in the second opening. The lower-layer plug and the wiring forming step are performed by CVD or sputtering and aluminum or aluminum alloy. The first
Forming a lower-layer plug and a wiring in the opening of the semiconductor device and on the first insulating film to form a multilayer wiring structure of the semiconductor device.
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