TW442911B - Semiconductor device - Google Patents

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、· 4429 I \ 5 978pif.doc/a〇2 A7 _B7_ — 五、發明說明（f ) 發明領域 本發明是有關於一種半導體元件，且特別是有關於 一種鋁或鋁合金內連線結構之可靠性。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 習知技藝 對於內連線結構而言，平坦化技術是相當重要的。 爲了在內連線結構的半導體製程做出導孔，近幾年已採用 嵌入高溫金屬的技術。該嵌入高溫金屬，可選用鎢金屬。 在低層內連線上的內層絕緣膜內做出導孔後，可選用氮化 鈦膜做成高溫金屬包覆（encapsulation)層。於是，在該導 孔內，就形成了一種高溫金屬氮化鈦的薄膜。之後，使用 回蝕等技術確保只有鎢留存在該導孔內。再把上層內連線 鋁合金做在該內層絕緣膜之上，與鎢相連接。舉例而言， .鋁合金和嵌入鎢上的電子漂移已在”Electromigration in two-level interconnect structures with A1 alloy lines and W studs (1992 American Institute of Physics, VOL. 72. NO. 1, July 1992)”等學術文件中介紹過。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在有一嵌入鎢層的多層內連線結構中，當鋁合金內 連線連接到高電位側時，電子會從低內連線經由導孔漂移 至鋁合金內連線。結果一開始漂移的鋁原子會集中在導孔 附近，而且在高電位側上層內連線端的鋁會損失以產生孔 洞。 綜合說明 因此本發明的目的就是提供一種可抑止高電位側端 鋁損（aluminum loss)的內連線結構。 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 4 429 1 5 978pii',doc/002 A7 B7 五、發明說明（2) 爲達前述的目的，本發明的一種半導體元件包含了 第一內連線和第二內連線。該第二內連線與該第一內連線 位屬不同層。且該第二內連線由鋁或鋁合金形成，經由不 含鋁的金屬連接到該第一內連線。該第二內連線並具有一 孔。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點能更明 顯易懂，下文特舉出實施例，並配合所附圖式，作詳細說 明如下： 單說明： 示依照本發明第一實施例的一種半導體元 件內連線給_浩.意圖 第,5 同 .種半-¾.¾件內連線示意圖。 \' 3A - 5-'ί) 第續示對應於第2圖之電子漂移及鋁損&111111丨1111111 loss)圖 "^^^對應於第1圖的修改範例示意圖。 第繪示依 照本發明第二實施例的一種半導體元 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 ----I--訂-------!·0 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 件內連線給意圖。 第依照 明第三實施例的一種半導體元 件內辱線·結構示意圖。 _繪示依照本發明第四實施例的一種半導體元 件內連線意圖。 第對應於第7圖的進一步範例說明示意圖。 圖式標^明 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 ^ 4 429 Ί 1 5 9 7 8 ρ ΐ f. d ϋ c / Ο Ο ί p^j _Β7_ 五、發明說明〇 ) 101 :半導體基底 1〇2 :第一內連線層 104、 204 ' 504、604、704、804 :第二內連線層 105、 205、505 ' 605、705、805 :阻障層 106、 206、506、606、706、806 : |呂合金 107 :埋入層 108 、 408 、 508 、 608 、 609 、 708 、 808 :孔 109' 110 '509、 510、 511 、 610、 611 、 710、 711 :電 子漂移方向 L:孔一端與埋入層一端的距離 L2:沿第二內連線縱向孔間距 w:沿第二內連線橫向孔間距 d:靠近內連線外側的孔與內連線邊緣的距離 :電子 ㊉：高電位側 Θ :低電位側 實施例 第一實施例 請參照第1圖，其繪示依照本發明第一實施例的一 種半導體元件內連線結構示意圖。圖1 (a)爲一透視圖，圖 1 (b)爲圖1 (a)中沿A-A5線的剖面圖。圖1中，在半導體 基底101上做出第一內連線層102。可選用鋁合金作爲第 一內連線層102。第二內連線104係藉著一絕緣膜（圖內未 顯示）做在內連線層102上。該第二內連線104由105及106 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝！ .^、 A7 B7 4429 1 1 5 978pit'.ti〇c/〇〇2 玉、發明說明（f) 以疊層結構形成。舉例而言，其中105可選用氮化鈦；106 可選用鋁合金。第二內連線104經由埋入層1〇7連接到第 一內連線102。該埋入層107含高溫金屬，可採用鎢金屬。 埋入層107的作法爲:在整個絕緣膜（圖內未顯示）表 面上形成鎢，然後移除孔以外所有的鎢可得。該絕緣膜（圖 內未顯示）位在第一內連線層102及第二內連線層104之 間，並具有一 CVD的孔。 第二內連線層104係在絕緣膜上形成阻障層105，然 ' 後，利用濺度技術在105上形成鋁合金1〇6。該絕緣膜爲 在孔內形成埋入層107者。其中，105含氮化鈦等。該鋁 合金106成形於一般的成形溫度，攝氏1〇〇到300度之間。 此時該鋁合金的晶粒大小範圍爲ί 到2 之間。 將第一內連線層102連接到低電位側，第二內連線104 連接到高電位側，當電流流入內連線時，原子會從第一內 連線層102經由埋入層107漂移到第二內連線104。 本實施例中，孔108成形於鋁合金106內，位於與 埋入層107 —端距離等於或小於50 處，如圖L所示。 因孔108的緣故，第二內連線104的寬度被分開爲2個寬 度d的部份。把該d値設定爲小於鋁合金晶粒大小，比如 爲1 U饥。 接下來由圖2和圖3說明L需等於或小於50 的 原因。 請參照第2圖，其中圖2 (a)爲一透視圖，圖2 (b)爲 圖2 〇)中沿A-A’線的剖面圖。於圖2中，除了開口未成 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） • ^ ). ----------.Γ/-裝------丨訂--------*轉 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 .4429 1 Τ 5978ρΐΓ·ιί〇ΰ/00：2 A7 _B7_ 五、發明說明（$ ) 形於第二內連線204以外，其結構與圖1同，故相同的物 件說明代號在此不再贅述。 請參照第3圖，其繪示當圖2的第一內連線層102 .連接至低電位側，而第二內連線層204連接至高電位側時， 所產生的電子漂移及銘損（aluminum loss)圖。 如圖3所示，當加入電位時，電子會經由埋入層1 〇 7， 從第一內連線層102流到第二內連線層204。在此同時， 鋁原子也會伴隨著電子流漂移。如圖2及圖3的結構所示， 鎢埋入層107和氮化鈦高溫金屬205存在於第一內連線層 和第二內連線層之間。因此，不管鋁原子是否伴隨著電子 的移動而漂移，沒有鋁的來源，鋁也會從鋁內連線206的 一端損失。 當採用鋁合金作爲第一內連線層，不使用埋入層107 和氮化鈦阻障金屬205，而直接把第一內連線102和第二 內連線鋁合金層206接在一起時，因爲第一內連線層提供 了鋁原子，因此，在第二內連線層鋁損不會發生。 此種鋁原子漂移因鋁晶粒大小而異，亦即，若內連 線寬度小於鋁晶粒大小，則很難發生鋁漂移。 當鋁合金內連線兩端以某材質連接，例如不含鋁的 高溫金屬等，此時鋁合金內連線內將不會產生鋁原子的供 應與放電。也因此，繞線內會產生鋁原子密度不均。在鋁 原子稀疏處會產生孔洞，而在密集處應力會增加。於是在 密集處會產生出減緩該應力的力（電子漂移會造成鋁原 漂，而本力會與電子漂移所產生的力相反）。這是歸因於 8 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) *·..裝---- 訂---------婢 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4429 η 5978pif. doo/002 ____B7_____ 五、發明說明（έ ) 逆流效應，且當該力與造成鋁原子漂移的力平衡時，孔洞 會停止生成。爲了產生逆流現象，及避免孔洞成生，較好 的做法是在與埋入層107—端距離等於或小於5〇 處， 用鋁合金形成一區域來妨礙鋁原子的漂發，亦即，使用鋁 合金時’該區域需比鋁晶粒大小還窄。 在第一個實施例中，如圖1(c)之109，Π0所示，電 子以該方式移動到第二內連線層104。該移動可被區分開 成介於孔108側的窄區域。在這些窄區域的錦原子漂移會 被窄於鋁晶粒大小的窄區域阻礙。於是，藉由與埋入層107 一端距離等於或小於50 處之區域所造成的逆流效 應’可抑止第二內連線104上孔洞的生成。 在本實施例中，可同時做出第二內連線104的圖形 及孔108，因此可避免增加製程數。 請參照第4圖，如圖4所示，孔408可爲一凹槽， 而不用穿過第二內連線104。該凹槽形孔408，可按常用 的方法，在第二內連線104成形後，將一對應於孔408的 區域做第二次蝕刻至預定深度以得。本例中，因爲鋁合金 仍留在鋁合金106的底部，完整的內連線剖面得以保存， 是以可抑止內連線阻抗的增加。 第二實施例 請參照第5圖，其繪示依照本發明第二實施例的一 種半導體元件內連線的結構示意圖。其中圖5 (a)爲一透視 圖，圖5 (b)爲圖5(a)中沿A-A’線的剖面圖。圖5中，與 第一實施例同結構，同說明代號的部份在此不再贅述。 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------裝·! f 訂------1!.^. (請先閱讀背面之注音S事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 44291| 597Spif.d〇c/002 A7 _ B7 五、發明說明（/)) 第二實施例與第一實施例不同處在於：第二實施例有 有複數個孔508橫跨第二內連線層504的寬度β該第二內 連線層504爲一疊層結構，包含阻障金屬層505及鋁合金 506，一層置於另一層上。其中，505含氮化鈦等。 第二內連線層504大体上被孔區分爲兩個寬度d及 一個寬度w的三部份。令該d和w都等於或小於1 是較適宜的。舉例來說，該內連線層寬度爲5 //m時， 可取該孔508爲1 且該d和w都取爲1 //m。 如圖5 (c)所示，當第一內連線層102連接至低電位 側，且第二內連線層5〇4連接至高電位側時，電子會從第 —內連線層102經由埋入層107移動，如509，510，511 所示。因爲孔擋在電子的移動路徑上，故電子會如圖 .式方式移動以避開孔。 藉著將內連線個別區分爲數個1 /zm寬度區，並使 該寬度窄於鋁晶粒大小，可抑止鋁分子的漂移。 進一步來說，利用與埋入層一端距離（L)5〇 //m以內 的孔508，可生成前述的逆流效應，且電子漂移的阻抗也 可獲得改善。 在第二個實施例中，僅做複數個孔而不必做更大的 孔，鋁合金內連線寬度也可以做的更窄，且電子漂移的阻 抗也可獲得改善。 與第一個實施例同理，在第二個實施例中也可形成 凹槽而不用完全穿過第二內連線層鋁合金的孔。 第三實施例 (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) y.、 '裝--------訂------11 --^ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公爱） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 59 7 8pii'.d〇t；/002 _ A7 B7 五、發明說明（δ1 ) 請參照第6圖，其繪示依照本發明第三實施例的— 種半導體元件內連線的結構示意圖。其中圖6 (a)爲一透視 圖，圖6 (b)爲圖6(a)中沿A-A’線的剖面圖。圖6中，與 第一實施例同結構，同說明代號的部份在此不再贅述。 第三實施例與第一實施例不同處在於:孔608和609 爲沿著第二內連線層604縱向排列。爲了利用孔608和609 之間的空隙L2獲得前述之逆流效應，該空隙L2宜等於或 小於50 /zm。第二內連線層604由阻障層605及鋁合金 606疊合形成。其中，605含氮化鈦等。 圖6 (c)敘述第三實際例的逆流效應。當第一內連線 層102連接到低電位伽，且第二內連線層604連接到高電 位側時，電子會從第一內連線層102經由埋入層107漂移 .到第二內連線層604。在第二內連線604上，電子通過被 孔608和609窄化的部分，如610，611所示。因爲這些 在第二內連線層被608和609窄化的寬度只有等於或小於 1 #m，因此鋁原子很難通過這些窄化的部份。故本逆流 現象發生在埋入層107和孔608之間，及孔608和609之 間。整個第二內連線的電子漂移阻抗也因此獲得改善。 在本實施例中，如第二實施例所述，亦可形成複數 個孔，跨越內連線寬度，亦即，可形成複數個孔跨越該內 連線寬度並沿內連線縱向排列。 第四實施例 請參照第7圖，其繪示依照本發明第四實施例的一 種半導體元件內連線的結構示意圖。其中圖7 (a)爲一透視 . -、J··、> ---------1 I ( . 裳------I--訂-------- (請先閱讀背面之注急事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 5978pif,d〇c/QQ2 A7 B7 五、發明說明（，） 圖’圖7 (b)爲圖7(a)中沿A-A，線的剖面圖。圖7中，與 第一實施例同結構，同說明代號的部份在此不再贅述。 第四實施例與第一實施例不同處在於:沿著第二內連 線層704縱向排列了一狹長孔708。該第二內連線層704 由阻障層7〇5及鋁合金706疊合形成。其中，705含氮化 鈦等。 本實施例中，埋入層107和開孔708的間隙L宜等 於或小於50 ，且狹長孔7〇8所區分開的各區域寬度 都宜等於或小於1 # m。孔708沿內連線縱向的長度可依 孔所在的內連線長度而設定。 依照本實施例，如圖7(c)所示，當第一內連線層102 連接到低電位側，且第二內連線層704連接到高電位側時， .電子會從第一內連線層102經由埋入層107漂移，如710， 711所示。因爲孔708擋在電子的移動路徑上，故電子會 如圖式方式移動以避開孔。 藉著將內連線區分開成數個1 的寬度區，使該 寬度窄於鋁晶粒大小，可抑止鋁分子的漂移。 利用與埋入層一端距離(L)5〇 以內的孔708可生 成逆流效應，而且電子漂移的阻抗也可獲得改善。 請參照第8圖，如圖8所示，當第二內連線層804 寬度很寬時，亦可形成複數個狹長孔808。該第二內連線 層804是由阻障金屬層8〇5及鋁合金806疊合形成。其中， 8〇5含氮化鈦等。本例中，較佳的做法是利用孔把區分開 的寬度d和w做成等於或小於1 # m，並使埋入層1〇7 一 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填窝本頁) 裝 II 訂------- -始. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4429 1 1 5 978pit'.doc/002 _B7_ 五'發明說明（^) 端與開口一端的距離L等於或小於50# m。 舉例來說，狹長孔808的寬度可採1 ，寬度d 和w各採1 # m。 在第四實施例中，孔穿越了第二內連線層，然而該 孔亦可做成爲凹槽形。該凹槽係在第二內連線層鋁合金 上，沿深度方向移除至近中間處以成形。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂---------蛑 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. (4 429 1 1 AS 5978pi,doc/0〇2 g D8 六、申請專利範圍 ' 1. 一種半導體元件，包括： 一第一內連線；以及 一第二內連線，與該第一內連線位屬不同層，由金g 或鋁合金形成，經由不含鋁的金屬連接到該第一內連線， 其中，該第二內連線具有一孔。 2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件，該金屬 爲一高溫金屬。 3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件，其中該 第二內連線被該孔區分開成數個寬度窄於組成該第二內連 線的鋁晶粒大小的區域，。 4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件，其中該 孔一端與該第二內連線橫向端距等於或小於1 Vm。 5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件，其中該 金屬到該孔的距離等於或小於50 #m。 6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件，其中 將該第一內連線連接到低電位側，且將該第二內連線連接 到高電位側。 7. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件，其中 該孔爲一沿該第二內連線縱向狹長型者。 8. 如申請專利範圍第〗項所述之半導體元件，其中 該複數個孔爲橫向跨越該第二內連線者。 9. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件，其中 該複數個孔爲沿該第二內連線縱向排列。 10. 如申請專利範圍第9項所述之半導體元件，其 14 (請先閱讀背面之注咅心事項再填寫本頁) -裝 訂. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4 429 1 1' B8 597Spii，.doc/002 C8 D8 六、申請專利範圍 中，該複數個孔之間隔爲等於或小於50 //m。 、 11. 一種半導體元件，包括： 一第一內連線； 一絕緣膜覆於該第一內連線上； 一孔成形於該絕緣膜上； 一高溫金屬嵌入於該孔，且連接到該第一內連線； 以及 一第二內連線，材質爲銀或鋁合金，成形在該絕緣 膜上，且和該高溫金屬相連接， 其中，在該第二內連線上，與該高溫金屬連接處距 離等於或小於5〇 //m處，有數個窄於該第二內連線晶粒 大小的部份。 12 _如申請專利範圍第11項所述之半導體元件，其 中該第二內連線窄於該晶粒大小的部份爲等於或小於1从 m ΰ 13.如申請專利範圍第12項所述之半導體元件，其 中一孔成形於該第二內連線內，該第二內連線被該孔區分 開，且該第二內連線上的各個被區分的寬度大体上皆等於 或小於1 μ m。 申請專利範圍第13項所述之半導體元件，具 有複孔間隔爲等於或小於50 #m。 15. 胃元件，包含： —第一内、遽奋；以及 一第二內連線，材質爲鋁或鋁合金，經由鋁以外的 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公发） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 I I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 AS BS C8 Dg 4 42 9 1 1 5978pir.d〇c/〇〇2 六、申請專利範圍 金屬導層連接至該第一內連線， 其中，該第二內連線具有一孔，用以窄化該第二內 連線的寬度。 16. 如申請專利範圍第15項所述之半導體元件’其 中，將該第一內連線連接至低電位側，且將該第二內連線‘ 連接至高電位側。 17. 如申請專利範圍第15項所述之半導體元件’其 中，該導層的金屬爲鋁以外的高溫金屬。_ 18. 如申請專利範圍第I5項所述之半導體元件’其 中，該複數個孔彼此間隔等於或小於50 /zm。 ---.--.1 \ 裝--------訂---------線.ΐ' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本買) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）