WO2012053130A1 - 半導体装置 - Google Patents

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WO2012053130A1
WO2012053130A1 PCT/JP2011/002969 JP2011002969W WO2012053130A1 WO 2012053130 A1 WO2012053130 A1 WO 2012053130A1 JP 2011002969 W JP2011002969 W JP 2011002969W WO 2012053130 A1 WO2012053130 A1 WO 2012053130A1
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WO
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wiring
semiconductor device
vias
layer
dummy
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PCT/JP2011/002969
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岩崎晃久
高橋道弥
植木彰
千田周子
元嶋大
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パナソニック株式会社
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Publication date
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    • H01L23/52—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
    • H01L23/522—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames including external interconnections consisting of a multilayer structure of conductive and insulating layers inseparably formed on the semiconductor body
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the technology described in this specification relates to a semiconductor device, and more particularly to a stacked via structure used in multilayer wiring.
  • Patent Document 1 a solution method using a layout with an enlarged via side has been proposed.
  • a power supply wiring through which a large current flows is provided.
  • the power supply wiring often passes current from the upper layer wiring to the lower layer wiring via a plurality of intermediate wiring layers and vias, and such a structure is called a “stacked via structure”. Since a large current flows through the stacked via, the stacked via structure has a structure in which a plurality of vias are arranged in parallel with respect to one wiring and two or more vias are provided. Since such a structure has a plurality of vias arranged in parallel, current concentration is likely to occur in a specific via disposed in a lower layer than a via disposed in an upper layer.
  • an object of the present invention is to provide a stacked via structure capable of suppressing Joule heat generation and having EM resistance.
  • a semiconductor device as an example of the present invention includes a plurality of first vias formed on or above a substrate, a first wiring formed on the plurality of first vias, and the first wiring.
  • a stacked via structure including a plurality of second vias formed thereon and a second wiring formed on the plurality of second vias is provided.
  • the first via that is closest to one end of the first wiring among the plurality of first vias and the one end of the first wiring among the plurality of second vias.
  • the first via is at least partially overlapped with the second via closest to the portion in plan view, and the first wiring is connected to the end of the first via closest to one end of the first wiring. From the position of the first via to the one end, there is a first extension portion that is extended six times or more the via width of the first via.
  • the first extension portion is extended and extended from the first via close to one end portion of the first wiring toward the one end portion of the first wiring. It is possible to effectively dissipate Joule heat generated in the first via where concentration tends to occur. Therefore, the temperature rise of the first via can be suppressed, and the EM resistance can be greatly increased. For this reason, the allowable amount of current can be increased without increasing the via width of the first via. In particular, since the length of the first extension portion is 6 times or more the width of the first via, the heat dissipation effect is greater than that of the conventional stacked via structure.
  • a semiconductor device includes a plurality of first vias formed on or above a substrate, a first wiring formed on the plurality of first vias, A stacked via structure including a second via formed on the first wiring and a second wiring formed on the second via, wherein the first wiring includes the plurality of first wirings; Of the vias, the first via extended from the position of the first via closest to the one end of the first wiring toward the one end more than 6 times the via width of the first via. Has an extension.
  • the number of second vias provided above the first via is not necessarily plural. Even in this case, since the current can be concentrated on the first via, the Joule heat generated in the first via can be effectively radiated from the first extended portion.
  • Joule heat generated in the first via can be effectively radiated through the first extension portion of the first wiring. Therefore, the temperature rise of the first via can be suppressed, and the EM resistance can be greatly increased.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing a stacked via structure in the semiconductor device according to the first reference example
  • FIGS. 1B and 1C are diagrams illustrating current concentration in the stacked via structure shown in FIG. It is a figure for demonstrating Joule heat_generation
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a stacked via structure in the case where the cross-sectional area of the upper layer wiring and the upper layer via is expanded in the semiconductor device according to the second reference example.
  • 3A is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the first embodiment
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing a model of the semiconductor device
  • FIG. 3C is shown in FIG. FIG.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a simulation result of a relationship between a length ratio of an extended portion of a wiring and a heat dissipation effect ⁇ T in a semiconductor device having a stacked via structure.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a third reference example.
  • FIG. 5A is a perspective view (left view) showing a stacked via structure in the semiconductor device according to the first modification of the first embodiment, and a plan view (right view) of the wiring 12, and FIG. These are the perspective view (left figure) which shows the stacked via structure in the semiconductor device which concerns on a 2nd reference example, and the top view (right figure) of the wiring 12.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a second modification of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A is a diagram showing a cell layout of a semiconductor device according to a fourth reference example using a stacked via structure for parallel transistors constituting an analog driver circuit or the like, and
  • FIG. 8B is a diagram showing the second embodiment. It is a figure which shows the layout of the specific example to which the stacked via structure which concerns on a form is applied.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, and FIG.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a modification of the third embodiment.
  • FIG. 10A is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 10B is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the first modification of the fourth embodiment.
  • C is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a second modification of the fourth embodiment.
  • FIG. 11A is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a third modification of the fourth embodiment
  • FIG. 11B is a semiconductor device according to the fourth modification of the fourth embodiment.
  • stacked via means an aggregate of vias stacked in a plurality of stages that electrically connect between upper layer wiring and lower layer wiring when a plurality of layers of wiring are formed. If the upper layer via and the lower layer via overlap at least partly when viewed from above the substrate, it is called a stacked via.
  • the “stacked via structure” refers to a wiring connection structure including a stacked via when a plurality of vias form a stacked via in a predetermined region.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing a stacked via structure in the semiconductor device according to the first reference example
  • FIGS. 1B and 1C are diagrams illustrating current concentration in the stacked via structure shown in FIG. It is a figure for demonstrating Joule heat_generation
  • the formed wiring 13 is laminated in order from the bottom.
  • a stacked via structure including a plurality of vias 21 that connect the wiring 11 and the wiring 12 in parallel and a plurality of vias 22 that connect the wiring 12 and the wiring 13 in parallel.
  • the stacked via 45a is composed of a via 21a and a via 22a
  • the stacked via 45b is composed of a via 21b and a via 22b
  • R 11 , R 12 , and R 13 shown in FIGS. 1B and 1C are wiring resistances of the wirings 11 , 12 , and 13 , respectively
  • R 21 and R 22 are respectively the vias 21 and This is the via resistance of each of the vias 22.
  • wiring resistances R 11 , R 12 and R 13 and via resistances R 21 and R 22 as shown in FIG. 1B exist.
  • the wiring resistances are as follows: It can be assumed that the resistances of the vias are the same as each other. In such a case, the resistance R 13 of the wiring 13, the resistance R 22 of the via 22 b, the resistance R 21 of the via 21 a , and the resistance R 11 of the wiring 11 can be assumed.
  • the flowing currents are equal to each other, and the currents flowing through the resistance R 22 of the via 22b and the resistance R 21 of the via 21b are equal.
  • Rw represents the resistance of one wiring
  • Rv represents the resistance of one via constituting the vias 21 and 22
  • the current flowing through the wiring 13 and via 22b is I 1 and the current flowing through the via 22a.
  • I 2 I 1 ⁇ ⁇ 3 / 2Rv + Rw-Rv 2/2 (Rw + Rv) ⁇ / (1 / 2Rv + Rw)
  • Patent Document 1 Although application of via side enlargement or specific via size enlargement as shown in Patent Document 1 can be expected to reduce Joule heat generation by reducing current concentration, vias and via dimensions are required for fine wiring located in lower layer wirings. There are concerns about an increase in the chip area due to expansion and processing concerns such as instability of the via shape, and the situation is not applicable.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a stacked via structure when the cross-sectional area of the wiring 13 and the plurality of vias 22 located in the upper layer is expanded in the semiconductor device according to the second reference example.
  • the cross-sectional area of the wiring 13 in the third wiring layer in the current traveling direction is larger than the cross-sectional area of the wiring 11 in the first wiring layer and the wiring 12 in the second wiring layer, and the cross-sectional area of the via 22 is Consider a stacked via structure in which a current flows from the rough wiring layer to the fine wiring layer, which is larger than the cross-sectional area of 21.
  • the stacked via structure connecting the rough wiring layer to the fine wiring layer reduces the current concentration of the via 22a (via on the upper wiring), but flows to the via 21b (via on the lower wiring). Compared with the via 21a, the current tends to concentrate. Further, when the current value is calculated, it can be seen that the current concentration is easier in the case of FIG. 2 than in the case of FIG.
  • the present inventors have studied various wiring structures for effectively dissipating the heat generated in the vias that are likely to cause current concentration, and extending and extending the wiring constituting the stacked via structure to the outside of the via structure to dissipate heat. I came up with a configuration to make it happen.
  • embodiments of the present invention will be described in detail.
  • constituent elements having the same functions as those of the other embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is simplified.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the first embodiment. Since FIG. 3A is a schematic diagram, L2 is shown to be shorter than the actual length. However, as will be described later, L2 is preferably at least six times L1. FIG. 3A is a longitudinal cross section passing through the centers of the plurality of vias 21 and 22.
  • the semiconductor device of this embodiment includes a wiring 11 formed in a first wiring layer of a plurality of interlayer insulating films formed above a substrate (not shown) made of a semiconductor.
  • the plurality of vias 21 include a via 21 a and a via 21 b formed in parallel with each other between the wiring 11 and the wiring 12, and the plurality of vias 22 are a via 22 a formed in parallel with each other between the wiring 12 and the wiring 13. And vias 22b.
  • the via 21a and the via 22a are at least partially overlapped when viewed in a plane to form a stacked via 45a, and the via 21b and the via 22b are at least partially overlapped when viewed in a plane to form a stacked via 45b.
  • the wiring 13 and the wiring 11 are electrically connected by a stacked via structure including a plurality of vias 21 and 22.
  • the constituent material of the wirings 11, 12 and 13 may be a conductor, such as Cu (copper), Cu alloy, Al (aluminum), tungsten, polysilicon, silicide, titanium (Ti) or tantalum (Ta). May be.
  • the constituent material of the metal compound vias 21 and 22 containing tungsten, silicon (poly, silicide), Ti, or Ta may be any metal as long as the wiring material is, for example, Cu or tungsten (W).
  • the vias 21a and 21b and the vias 22a and 22b are arranged at a certain narrow pitch.
  • Such a stacked via structure is preferably used in a portion that supplies a large current, such as a power supply section, because the resistance in the current path is low and the voltage drop (IR drop) is minimized compared to the multilayer wiring used in signal wiring and the like. Is done.
  • the wiring 12 is the via 21b closest to one end (wiring end) of the wiring 12 among the plurality of vias 21, that is, the via on the tip side in the current traveling direction in the wirings 11 and 12.
  • FIG. 1 shows that the extended portion 12x is extended from the formation position of 21b toward one end of the wiring 12 described above by a length L2 that is six times or more the via width L1 of the via 21b.
  • the position of the end of the stacked via 45b substantially coincides with the position of the end of the via 21b.
  • the via width of the via 21b indicates the length of the via 21b at a portion in contact with the wiring 12 in the extending direction of the wiring 12 in the region where the plurality of vias 21 are formed. That is, the via width of the via connected to the wiring in which the extension portion is formed refers to the length of the via at a portion in contact with the wiring in the extension direction of the extension portion.
  • substantially no current path is formed means that the case where the position of the end of the via 22b is slightly shifted in the extending direction of the extended portion 12x as compared to the position of the end of the via 21b is allowed.
  • the extended portion 12x can function as a radiator. That is, by forming the extended portion 12x in the wiring 12 having high thermal conductivity, the wiring 12 can earn a surface area (peripheral length) corresponding to the length of L2. Since heat is dissipated at the contact portion between the wiring and the interlayer insulating film between the wirings, Joule heat generated in the via 21b where current concentrates can be effectively radiated through the extended portion 12x, and EM resistance can be obtained. Can be greatly improved. Therefore, a large current can flow even when the via width of the via 21b connected to the lower layer wiring cannot be increased.
  • the wiring width of the wiring 12 and the wiring width of the wiring 13 may be different, but may be substantially the same.
  • “substantially the same” means that wiring width variation due to processing variation or the like may be included.
  • the wiring width here is a width in a direction perpendicular to the extended length direction when viewed from above the substrate.
  • One or more upper layer wirings may be formed on the upper layer of the wiring 13, but in such a case, the wiring widths of the wirings 12 and 13 serving as intermediate layer wirings are made the same and used for power supply wirings and the like. By making it smaller than the wiring width of the uppermost layer wiring, the extension portion 12x can be effectively arranged in the empty area.
  • the “intermediate layer wiring” refers to a wiring formed in a wiring layer other than the lowermost layer wiring and the uppermost layer wiring among the wirings provided in the plurality of wiring layers.
  • the extended portion 12x extends in a straight line, but may have a shape having a curved portion such as a spiral shape, a shape having a bent portion, or the like. Even in this case, the length L2 along the extending direction of the extended portion 12x may be 6 times or more the via width L1.
  • the wirings such as the wiring 11 and the wiring 12 are not limited to linear ones.
  • the wiring width may be changed between the extended portion 12x and the other portion of the wiring 12, or the wiring width of the wirings 11 and 12 in the region where the plurality of vias 21 and 22 are provided is longer than the wiring length. It may be a shape. However, the case where the extended portion is linear is preferable because an equivalent effect can be obtained with a smaller area.
  • FIG. 3C is a diagram illustrating a simulation result of the relationship between the length ratio of the extended portion of the wiring and the heat radiation effect ⁇ T in the semiconductor device having the stacked via structure.
  • the semiconductor device including the plurality of vias 21, the wiring 12 having the extension 12 x, the plurality of vias 22, and the wiring 13 as illustrated in FIG. 3B the length L2 of the extension is changed.
  • the temperature of the wiring 12 at the position immediately above the via 21b was calculated.
  • 3C shows the rate of temperature change with respect to the case where the temperature change due to heat dissipation when the extension portion 12x is extended to the practical layout limit is 1, and the horizontal axis is (Length L2 of extended portion 12x) / (via width L1 of via 21b where current concentrates).
  • the extended portion 12x functions as a heat radiator that can effectively dissipate Joule heat generated in the via 21b where current is likely to concentrate.
  • the heat radiation effect ⁇ T as the heat radiating body of the expansion portion 12x is abruptly 6 or more when L2 / L1, which is the length ratio between the expansion portion length and the via width, is 1 to 6. Then we can see that it rises slowly. Therefore, in order to obtain a sufficient heat dissipation effect, it can be said that it is preferable to set the length ratio between the extension portion length and the via width to 6 or more. Thereby, the structure which can thermally radiate the heat generated in the via can be realized.
  • the L2 / L1 ratio is 8 or more because a further heat dissipation effect can be expected. Since it is small, it is more preferable that the ratio L2 / L1 is 10 or more.
  • FIG. 3C shows a simulation result when the length L2 of the extended portion 12x is changed with the via width L1 fixed, but the same is true even when the via width L1 is changed within a practical range. Result is obtained.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a third reference example.
  • a via 22c that connects the extended portion 12x of the wiring 12 and the wiring 13 is further provided, and the other configuration is the same as that of the semiconductor device of the present embodiment.
  • the via 22c does not constitute a stacked via with any of the plurality of vias 21. It is assumed that the resistance of the via 22c is equal to the resistance of the vias 22a and 22b.
  • FIG. 5A is a perspective view (left view) showing a stacked via structure in the semiconductor device according to the first modification of the first embodiment, and a plan view (right view) of the wiring 12, and FIG. These are the perspective view (left figure) which shows the stacked via structure in the semiconductor device which concerns on a 2nd reference example, and the top view (right figure) of the wiring 12.
  • FIG. 5A is a perspective view (left view) showing a stacked via structure in the semiconductor device according to the first modification of the first embodiment, and a plan view (right view) of the wiring 12, and FIG. These are the perspective view (left figure) which shows the stacked via structure in the semiconductor device which concerns on a 2nd reference example, and the top view (right figure) of the wiring 12.
  • the wiring 12 in the second wiring layer is centered around the via 21b located at the tip of the wirings 11 and 12 in the current traveling direction among the plurality of vias 21 and the X direction. It extends in the Y direction (wiring width direction) intersecting with.
  • FIG. 5A shows an example in which the X direction and the extending direction of the extended portion 12y are orthogonal to each other.
  • the wiring 12 has the extended portion 12y extending along the direction intersecting the extending direction in addition to the extended portion 12x extending along the extending direction, so that a higher heat dissipation effect can be obtained. EM resistance can be improved.
  • the length of the extended portion 12y is preferably 6 times or more of the via width, since it effectively improves the heat dissipation effect, and if the length of the via width is 8 times or more, the heat dissipation effect is further improved. Since it can improve, it is still more preferable.
  • the via width in this case refers to the length of the contact portion between the via 21 and the wiring 12 in the extending direction of the extended portion 12y.
  • the wiring 12 is expanded in the X direction (the extending direction of the wiring 12 in the via formation region; the wiring length direction) and the Y direction.
  • the volume of the wiring 12 is equivalent to that of the semiconductor device shown in FIG.
  • the surface where heat is dissipated that is, the wiring surface area of the extension portions 12x and 12y is the extension of the wiring according to this modification shown in FIG. It turns out that it is small compared with the wiring surface area of the part.
  • the wiring peripheral length (corresponding to the wiring surface area) of the expansion portions 12x and 12y is 3L1 + 6L2 in the semiconductor device of this modification (FIG. 5A), and the semiconductor device of the second reference example (FIG. 5 ( The wiring peripheral length of the extended portion of the wiring 12 in b)) is 3L1 + 2L2.
  • the wiring peripheral length in this modification shown in FIG. 5A is 2 as compared with this reference example shown in FIG. .6 times larger.
  • the length L2 from the via 21 to one end is set to be 6 times or more of the via width L1 even when the wiring 12 is expanded in a plate shape outward of the via 21b. This improves the heat dissipation effect, but it can be seen that the semiconductor device according to this modification has a structure with a higher heat dissipation effect.
  • the extended portion 12y protrudes on both sides when viewed from the via 21b. However, it may be provided only on either one according to the request for the wiring layout. Further, in the case where there is not enough free space in the X direction shown in FIG. 5A, only the extension part 12y may be provided without providing the extension part 12x.
  • the length of the extended portion 12x is 6 times or more of the via width of the via 21b
  • the length of the extended portion 12y is not more than 6 times the via width because it already has a high heat dissipation effect. Also, a certain heat dissipation effect can be ensured.
  • the plurality of vias 22 include vias 22a and 22b, but only the vias 21a may be provided.
  • the extended portion 12y may be linear, but is not limited thereto, and may be a shape having a bent portion or a curved portion, for example. Even in this case, it is more preferable that the length L2 along the extending direction of the extended portion 12y is not less than 6 times the via width L1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a second modification of the first embodiment.
  • the semiconductor device according to this modification has a stacked via structure constituted by four-layer wiring. That is, the semiconductor device according to the present modification includes the wiring 11 in the first wiring layer, the second wiring stacked in order from the bottom in a plurality of interlayer insulating films formed above a substrate (not shown) made of a semiconductor. A wiring 12 in the wiring layer, a wiring 13 in the third wiring layer, a wiring 14 in the fourth wiring layer, a plurality of vias 21 respectively connecting the wiring 11 and the wiring 12, and the wiring 12 and the wiring 13 A plurality of vias 22 for connecting to each other and a plurality of vias 23 for connecting the wirings 13 and 14 to each other are provided.
  • the wiring 11 is a lowermost layer wiring
  • the wiring 14 is an uppermost layer wiring
  • the wirings 12 and 13 are intermediate layer wirings.
  • the plurality of vias 21 include vias 21a and 21b arranged in parallel to each other, the plurality of vias 22 include vias 22a and 22b arranged in parallel to each other, and the plurality of vias 23 are arranged in parallel to each other. Vias 23a and 23b.
  • the vias 21a, 22a, and 23a constitute a stacked via 45a, and the vias 21b, 22b, and 23b constitute a stacked via 45b.
  • the plurality of vias 21, 22, and 23 are arranged at a certain narrow pitch.
  • Such a stacked via structure is preferably used in a portion that supplies a large current, such as a power supply portion, because the resistance in the current path is low and the voltage effect (IR drop) is minimized as compared with a normal multilayer wiring.
  • the wiring 12 is connected to the via 21b from the formation position of the via 21b closest to one end of the wiring 12 to the one end of the wiring 12 described above.
  • the extended portion 12x is extended by a length L2 that is 6 times or more of the via width L1.
  • the via 21 b is a via on the front end side in the current traveling direction in the wirings 11 and 12.
  • the position of the end of the stacked via 45b matches the position of the end of the via 21b. Since the extension portion 12x is not formed with the wiring 11 or the via connected to the wiring 12, a current path is not formed during operation.
  • the extended portion 12x can function as a radiator. That is, by forming the extended portion 12x in the wiring 12 having high thermal conductivity, the wiring 12 can earn a surface area (peripheral length) corresponding to the length of L2. Since heat is dissipated at the contact portion between the wiring and the interlayer insulating film between the wirings, Joule heat generated in the via 21b where current concentrates can be effectively radiated through the extended portion 12x, and EM resistance can be obtained. Can be greatly improved.
  • the heat radiation effect of the extended portion 12x exists even if the length L2 of the extended portion 12x is less than 6 times (1 times or more) the via width L1, but if L2 is 6 times or more than L1, the current is concentrated. This is preferable because the heat generated in the via 21b which is easy to be performed can be effectively dissipated. If the length L2 of the extended portion 12x is 8 times or more of the via width L1, the heat dissipation effect is further increased, and it is more preferable if the length L2 of the extended portion 12x is 10 times or more of the via width L1.
  • the current flowing through the via 21b in the case of the stacked via structure having a large number of wiring layers is larger than the current flowing through the via 21b in the case of FIG. Therefore, in the case of a stacked via structure with a large number of wiring layers, a configuration such as this modification that can dissipate Joule heat generated in the via 21b more effectively is very effective.
  • the extended portion 12y extended in the wiring width direction of the wiring 12 from the position where the via 21b is formed 12 is preferable because the heat dissipation effect is further improved.
  • the wiring 12 not only the wiring 12 but also the wiring 13 which is the wiring of the intermediate layer is formed with an extended portion extending from the position where the via 22b is formed (the end of the stacked via 45b) to the end of the wiring 13 in the via formation region. If it is, it is preferable because the heat dissipation effect can be further improved.
  • FIG. 6 shows a stacked via structure constituted by four-layer wiring, but a semiconductor device according to this modification example even if there is a stacked via structure constituted by five or more layers of wiring such as five-layer wiring and six-layer wiring.
  • the same heat dissipation effect can be expected.
  • the extended portion is formed in at least one of the intermediate layer wirings, and the extended portion may be formed in all the intermediate layer wirings.
  • the wiring widths of the wirings 12 and 13 which are wirings in the intermediate layer may be substantially the same.
  • the wiring width here is a width in a direction perpendicular to the extended length direction when viewed from above the substrate.
  • FIG. 7 is a sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
  • the stacked via structure is configured by two-layer wiring, and the extension portion 11x is formed in the wiring 11 connected to the substrate 10 by the plurality of vias 21 in FIG. This is different from the semiconductor device according to the first embodiment shown.
  • the semiconductor device of this embodiment includes the wiring 11 in the first wiring layer and the wiring 12 in the second wiring layer, the substrate 10 and the wiring 11, which are stacked in order from the bottom above the substrate 10 made of semiconductor.
  • a plurality of vias 21 that respectively connect to each other and a plurality of vias 22 that respectively connect the wiring 11 and the wiring 12 are provided.
  • the plurality of vias 21 are connected to, for example, an impurity diffusion layer in the substrate 10.
  • the plurality of vias 21 include vias 21a and 21b arranged in parallel to each other, and the plurality of vias 22 include vias 22a and 22b arranged in parallel to each other.
  • the vias 21a and 22a constitute a stacked via 45a, and the vias 21b and 22b constitute a stacked via 45b.
  • the plurality of vias 21 and 22 are arranged at a certain narrow pitch.
  • Such a stacked via structure is preferably used in a portion that supplies a large current, such as a power supply portion, because the resistance in the current path is low and the voltage effect (IR drop) is minimized as compared with a normal multilayer wiring.
  • the wiring 11 extends from one of the plurality of vias 21 that is closest to one end of the wiring 11 to the one end of the wiring 11 described above. Part 11x.
  • the via 21 b is a via on the tip side in the current traveling direction in the substrate 10 and the wiring 11.
  • the position of the end of the stacked via 45b matches the position of the end of the via 21b. Since the via connected to the substrate 10 or the wiring 12 is not formed in the extended portion 11x, a current path is not formed during operation.
  • the extension portion 11x can function as a radiator. That is, by forming the extended portion 11x in the wiring 11 having a high thermal conductivity, the wiring 11 can earn a surface area (peripheral length) corresponding to the length of L2. Since heat is dissipated at the contact portion between the wiring and the interlayer insulating film, Joule heat generated in the via 21b where current concentrates can be effectively radiated through the extended portion 11x, and EM resistance is greatly improved. Can be made.
  • a heat dissipation effect can be obtained if the length L2 of the extension portion 11x is at least larger than the via width L1 of the via 21b. However, if the length L2 of the extension portion 11x is six times or more of the via width L1, it occurs in the via 21b. It is preferable because heat can be effectively dissipated.
  • the heat dissipation effect by the extended portion 11x is further improved. If the extension length L2 is 10 times or more of the via width L1, the heat dissipation effect by the extension portion 11x is further improved, which is further preferable.
  • the semiconductor device according to the present embodiment relates to the first embodiment. A larger current can be passed as compared with the semiconductor device.
  • FIG. 8A is a diagram showing a cell layout of a semiconductor device according to a fourth reference example using a stacked via structure for parallel transistors constituting an analog driver circuit or the like
  • FIG. 8B is an analog driver circuit or the like
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a layout of a specific example in which the stacked via structure according to the second embodiment is applied to the parallel transistors configuring the circuit.
  • gate electrodes 30a and 30b are provided on a substrate, and impurity diffusion layers that serve as source / drain regions in regions on both sides of the gate electrodes 30a and 30b in the substrate. 35 is formed.
  • wirings 12a and 12b extending in a direction orthogonal to the extending direction of the gate electrodes 30a and 30b are formed.
  • the source region of the transistor and the wiring 12a include a plurality of vias 21 and 22 and the wiring 11 on the source side. Is electrically connected.
  • the drain region of the transistor and the wiring 12b are electrically connected through a plurality of vias 21 and 22 on the drain side.
  • the vias 21 and 22 constituting the stacked via are extended by the gate electrodes 30a and 30b. Two rows are arranged in the direction, and the wiring width of the wiring 11 (the width in the direction orthogonal to the gate electrodes 30a and 30b) needs to be increased. As a result, the allowable current in the wiring 11 or the plurality of vias 21 and 22 can be increased. At this time, the cell width needs to be a length a shown in FIG.
  • the extension portions 11x of the three wirings 11 extend from the positions where the vias 21b are formed in a direction parallel to the gate electrodes 30a and 30b. Since the extended portion 11x effectively dissipates Joule heat generated in the via 21b, in the semiconductor device according to this specific example, generation of EM in the plurality of vias 21 can be suppressed. A large current can flow. As a result, the plurality of vias 21 and 22 are arranged in one row, and the wiring width of the wiring 11 can be reduced.
  • the cell width can be set to the length b (b ⁇ a) shown in FIG. 8B by arranging the extension portions 11x of the wiring 11 so as to be alternately switched. Therefore, according to the semiconductor device according to this example, the cell area can be reduced when a current equivalent to the layout according to the third reference example is passed.
  • FIG. 9A is a sectional view showing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
  • the semiconductor device includes a wiring 11 in a first wiring layer, a wiring 12 in a second wiring layer, and a third wiring layer that are stacked in order from the bottom above a substrate (not shown) made of a semiconductor.
  • the wiring 12 has an extended portion 12x extended from the end of the via 21b at the front end in the traveling direction of the current flowing through the wiring 11.
  • the vias 21 a and 21 b partially overlap with the vias 22 in plan view, and form vias 22 and stacked vias 45.
  • the number of vias 22 connected to the upper wiring 13 is smaller than the number of vias 21 connected to the lower wiring 11.
  • the wiring width and wiring height (thickness) of the wiring 13 are, for example, twice that of the wirings 11 and 12, respectively.
  • the cross-sectional area of the wiring 13 is, for example, four times the cross-sectional area of the wirings 11 and 12. It has become.
  • a plurality of vias 21 arranged in parallel between the wiring 11 and the wiring 12 are arranged at a certain narrow pitch.
  • the via width of the via 22 is approximately twice the via width of each via 21.
  • Such a stacked via structure is preferably used in a portion supplying a large current, such as a power supply unit, because the resistance in the current path is low and the voltage effect (IR drop) is minimized as compared with a normal multilayer wiring.
  • the cross-sectional area of the upper layer wiring is made larger than the cross-sectional area of the lower layer wiring, and the width of the via connected to the upper layer wiring is also increased.
  • the second embodiment, and these modifications a large current can be supplied.
  • a current flows from the wiring 13 to the wiring 11, and from the position where the via 21 b on the front end side in the current traveling direction of the wirings 11 and 12 is provided toward one end of the wiring 12.
  • the extended portion 12x having the length L2 is expanded.
  • the wiring 12 can earn a surface area (peripheral length) corresponding to the length of L2. Since heat is dissipated at the contact portion between the wiring and the interlayer insulating film between the wirings, Joule heat generated in the via 21b where current concentrates can be effectively radiated through the extended portion 12x, and EM resistance can be obtained. Can be greatly improved.
  • the extension portion 12x has a heat dissipation effect if the length L2 of the extension portion 12x is equal to or greater than the via width L1 of the via 21b. It is preferable because it can dissipate heat. More preferably, the length L2 of the extended portion 12x is 8 times or more and 10 times or more of the via width L1.
  • Such a stacked via structure is preferably applied to, for example, a power supply unit that supplies current to a standard cell, a power supply unit of an I / O (input / output) cell, or a driver unit of an analog circuit.
  • the wiring 12 has an extended portion extended in the wiring length direction (X direction) from the via 21b located at the front end portion in the current traveling direction, and an extended portion extended in the Y direction intersecting the X direction. May be.
  • the extended portion 12x does not have the wiring 11 and the via connected to the wiring 12.
  • the wiring for providing the extension portion is not limited to the wiring 12, and it is more preferable that the extension portion is formed in a plurality of wiring layers.
  • a stacked via structure constituted by three-layer wiring is shown, but a stacked via structure constituted by a multilayer wiring such as a four-layer wiring, a five-layer wiring, or the like may be used.
  • the wiring width of the wiring 11 and the wiring width of the wiring 12 thereon may be substantially equal.
  • FIG. 9A shows an example in which only one via 22 is formed, but two or more vias may be formed.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view showing a modified example of the semiconductor device of the present embodiment in which a stacked via structure is constituted by the two-layer wiring and the substrate 10.
  • the cross-sectional area of the upper-layer wiring 12 is increased to about twice the cross-sectional area of the wiring 11 and the via width of the via 22 is set to, for example, about twice the via width of the via 21.
  • the extension portion 11x extending from the formation position of the via 21b to the outside of the via 21b is formed.
  • FIG. 10A is a sectional view showing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the wiring 11 in the first wiring layer and the wiring in the second wiring layer are stacked in order from the bottom above the semiconductor substrate (not shown).
  • the wiring 12 has a via 21b that is closest to one end of the wiring 12 among the plurality of vias 21, that is, an extended portion 12x that is extended from the end of the via 21b at the front end in the traveling direction of the current flowing through the wiring 12.
  • the plurality of vias 21 include vias 21a and 21b arranged in parallel to each other, and the plurality of vias 22 include vias 22a and 22b arranged in parallel to each other.
  • the plurality of vias 21 and 22 are arranged at a certain narrow pitch.
  • Such a stacked via structure is preferably used in a portion that supplies a large current, such as a power supply portion, because the resistance in the current path is low and the voltage effect (IR drop) is minimized as compared with a normal multilayer wiring.
  • the semiconductor device according to the present embodiment has the above-described stacked via structure, the dummy via 22x formed on the extended portion 12x of the wiring 12, and the dummy via 22x positioned in the same wiring layer as the wiring 13, Is different from the semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. 3A in that it further includes an electrically isolated dummy wiring 13x.
  • the extended portion 12x can function as a heat radiator.
  • the dummy wiring 13x that is electrically separated from the wiring 13 and the dummy via 22x that connects the extension portion 12x and the dummy wiring 13x are formed, the dummy via 22x and the dummy wiring 13x also function as a heat radiator. Can do. For this reason, according to the semiconductor device which concerns on this embodiment, the heat dissipation effect can be improved more compared with the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment.
  • the length L2 of the extension portion 12x is preferably not less than 6 times the via width of the via 21b, and not less than 8 times. 10 times or more is even more preferable.
  • the number of dummy vias 22x may be one, but it is more preferable that two or more dummy vias are provided. It is preferable to extend the length of the dummy wiring 13x as long as possible.
  • the wiring 12 has an extended portion extended in the wiring length direction (X direction) from the via 21b located at the front end portion in the current traveling direction, and an extended portion extended in the Y direction intersecting the X direction. May be.
  • the wiring for providing the extension portion is not limited to the wiring 12, and it is more preferable that the extension portion is formed in a plurality of layers of wiring.
  • a stacked via structure constituted by three-layer wiring is shown, but a stacked via structure constituted by a multilayer wiring such as a four-layer wiring, a five-layer wiring, or the like may be used.
  • the wiring width of the wiring 11 and the wiring width of the wiring 12 on the wiring 11 may be approximately equal, and the wiring width of the wiring 12 and the wiring width of the wiring 13 may be approximately equal.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a first modification of the present embodiment.
  • FIG. 10A shows a stacked via structure constituted by three-layer wiring
  • a stacked via structure constituted by a substrate 10 and two-layer wiring may be used as shown in FIG. 10B.
  • the wiring 11 has an extended portion 11x serving as a heat radiator, a dummy via 22x is formed on the extended portion 11x, and a dummy wiring 13x in the same wiring layer as the wiring 13 is formed on the dummy via 22x.
  • the extended portion 11x, the dummy via 22x, and the dummy wiring 13x can function as a heat radiator, and the EM resistance can be improved and a large current can flow.
  • the number of wiring layers may be further increased, and a stacked via structure may be configured by three or more wiring layers and a substrate.
  • FIG. 10C is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a second modification of the present embodiment.
  • the dummy wirings when the stacked via structure is constituted by four or more layers of wirings and vias connecting these wirings, the dummy wirings may be multilayered, and dummy vias connecting the dummy wirings may be further formed.
  • the wiring 14 is provided as the uppermost layer wiring above the wiring 13, and the wiring 13 and the wiring 14 are connected to each other, and a plurality of them arranged in parallel to each other are provided.
  • a via 23 is provided.
  • the wiring 12 has an extended portion 12x, and is disposed in the same wiring layer as the wiring 13 above the extended portion 12x.
  • the dummy wiring 13x electrically separated from the wiring 13 and the same wiring layer as the wiring 14
  • the dummy wirings 14x that are arranged inside and are electrically separated from the wirings 14 are stacked in order from the bottom.
  • the extension portion 12x and the dummy wiring 13x are connected by a dummy via 22x, and the dummy wiring 13x and the dummy wiring 14x are connected by a dummy via 23x.
  • the dummy wiring formed in the same layer as the upper layer wiring and the dummy via connecting the dummy wiring can be functioned as a heat radiator, so that the via is generated more effectively. Heat can be dissipated and EM resistance can be improved. Therefore, even when the lower layer wiring is miniaturized, a large current can be passed using the stacked via structure.
  • the dummy wiring 14x can be extended longer to easily enhance the heat dissipation effect.
  • one or more dummy wirings may be further formed above the dummy wiring 13x.
  • FIG. 11A is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a third modification of the present embodiment. As shown in the figure, instead of forming the dummy via and the dummy wiring on the extended portion 12x of the wiring 12, a dummy via and a dummy wiring may be formed below the extended portion 12x.
  • the wiring device 12 is arranged in the same wiring layer as the wiring 11 below the extended portion 12 x of the wiring 12.
  • a dummy wiring 11y and a dummy wiring 11y electrically isolated from the wiring 11 are formed. No current substantially flows through the dummy wiring 11y and the dummy via 21x during operation.
  • the dummy via 21x and the dummy wiring 11y can be functioned as a heat dissipator, as in the extension portion 12x. Therefore, Joule heat generated in the via 21b where current concentrates can be effectively radiated through the extended portion 12x, the dummy via 21x, and the dummy wiring 11y, and the EM resistance can be greatly improved.
  • FIG. 11B is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a fourth modification of the present embodiment.
  • a stacked via structure including a plurality of vias 21, a plurality of vias 22, wirings 11 and 12, and a substrate 10
  • an extension portion 11x and a dummy diffusion layer 37 formed in the substrate 10 are provided.
  • a dummy via 21x to be connected may be formed.
  • the vias 21a and 21b are connected to the impurity diffusion layer 60 formed in the substrate 10, for example, but the dummy diffusion layer 37 to which the dummy via 21x is connected is electrically connected to the impurity diffusion layer 60 by the element isolation region 40 or the like. And is in an electrically floating state.
  • the Joule heat generated in the via 21b is transmitted to the dummy via 21x and the dummy diffusion layer 37 via the extension portion 11x of the wiring 11, so that the extension portion 11x, the dummy via 21x, and the dummy diffusion layer 37 function as a heat radiator. Can be made. Therefore, Joule heat generated in the vias in the stacked via structure can be effectively radiated and EM resistance is improved.
  • the stacked via structure according to an example of the present invention is useful for various circuits such as a cell power source and an analog driver circuit used in a semiconductor integrated circuit having a multilayer wiring.

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Abstract

　半導体装置は、基板の上または上方に形成された複数の第１のビア２１と、複数の第１のビア２１上に形成された第１の配線１２と、第１の配線１２上に形成された複数の第２のビア２２と、複数の第２のビア２２上に形成された第２の配線１３とを含むスタックドビア構造を備えている。複数の第１のビアの２１うち、第１の配線１２の一方の端部に最も近い第１のビア２１ｂと、複数の第２のビア２２のうち、第１の配線１２の一方の端部に最も近い第２のビア２２ｂとは平面的に見て少なくとも一部が重なっており、第１の配線１２は、第１のビア２１ｂの端の位置から第１の配線１２の一方の端部に向かって、第１のビアのビア幅の６倍以上拡張された第１の拡張部を有している。

Description

半導体装置
　本明細書に記載の技術は、半導体装置に関し、特に多層配線で使用されるスタックドビア構造に関する。
　近年、半導体集積回路装置の高集積化・高速化の要求に対し、半導体製造プロセスの微細化が進められている。これに伴い、配線幅、配線膜厚、ビア径が微細になってきており、金属配線に流れる電流密度は上昇してきている。
　金属配線では、電流印加時に電子と金属原子とが衝突し、エレクトロマイグレーション（Electromigration：以下、「EM」と略）と呼ばれる現象が起こり、長期間電流を印加した場合に配線又はビアが断線し、信頼性に関わる問題が発生するおそれがある。そのため、金属配線に流すことの許される許容電流密度という設計上の制約が存在する。しかし、微細化に伴って電流密度が上昇するため、電流密度を許容範囲内に抑えることが難しくなりつつある。
　ＬＳＩ（Large Scale Integration）のような半導体集積回路装置においては、異層の金属配線間を接続するビア部で電流集中が発生し、ＥＭ耐性が低下するという不具合がある。この不具合に対し、例えば、ビア部での電流集中を緩和するため、ビア辺を拡大したレイアウトによる解決手法が提案されている（特許文献１）。
特開平１０－２１４８９３号公報
　半導体集積回路装置においては、大電流が流れる電源配線などが設けられている。例えば、電源配線は、上層配線から下層配線へ複数の中間配線層及びビアを経由して電流を流す場合が多く、このような構造は「スタックドビア構造」と呼ばれる。スタックドビアには大電流が流れるため、スタックドビア構造は、１つの配線に対して複数のビアが並列に配置されるとともに、２層以上のビアを有する構造になっている。このような構造では複数の並列配置されたビアを有するため、上層に配置されるビアよりも下層に配置される特定のビアで電流集中が発生しやすい。
　特許文献１に記載されたビア辺の拡大は電流集中緩和で効果があるものの、スタックドビア構造のような電流密度が高い、すなわち電流量が大きい場合は、ビア部でジュール発熱が発生し、局所的に温度が上昇する。又、複数列のビアを有するスタックドビア構造においては、下層に配置される特定のビアで電流集中が発生するため、更に動作時の温度が上昇することになる。温度が上昇すると電子と金属原子の衝突がより活性化されるため、ＥＭが顕著となる。そのため、上記のようなスタックドビア構造では、ジュール発熱に起因するＥＭ耐性の低下という不具合が新たに発生しうる。
　本発明は、上記の点に鑑み、ジュール発熱を抑制可能で、ＥＭ耐性を有するスタックドビア構造を提供することを目的とする。
　本発明の一例である半導体装置は、基板の上または上方に形成された複数の第１のビアと、前記複数の第１のビア上に形成された第１の配線と、前記第１の配線上に形成された複数の第２のビアと、前記複数の第２のビア上に形成された第２の配線とを含むスタックドビア構造を備えている。また、前記複数の第１のビアのうち、前記第１の配線の一方の端部に最も近い第１のビアと、前記複数の第２のビアのうち、前記第１の配線の一方の端部に最も近い第２のビアとは平面的に見て少なくとも一部が重なっており、前記第１の配線は、前記第１の配線の一方の端部に最も近い前記第１のビアの端の位置から前記一方の端部に向かって、前記第１のビアのビア幅の６倍以上拡張された第１の拡張部を有している。
　この構成によれば、第１の配線の一方の端部に近い第１のビアから第１の配線の当該一方の端部に向かって第１の拡張部が拡張、延伸されているので、電流集中が起きやすい第１のビアで生じるジュール熱を効果的に放熱することができる。そのため、第１のビアの温度上昇を抑えることができ、ＥＭ耐性を大きく上昇させることができる。このため、第１のビアのビア幅を拡げなくても許容できる電流量を大きくすることができる。特に、第１の拡張部の長さは第１のビア幅の６倍以上となっているので、従来のスタックドビア構造と比べて放熱効果が大きくなっている。
　また、本発明の別の一例である半導体装置は、基板の上または上方に形成された複数の第１のビアと、前記複数の第１のビア上に形成された第１の配線と、前記第１の配線上に形成された第２のビアと、前記第２のビア上に形成された第２の配線とを含むスタックドビア構造を備え、前記第１の配線は、前記複数の第１のビアのうち、前記第１の配線の一方の端部に最も近い第１のビアの端の位置から前記一方の端部に向かって、前記第１のビアのビア幅の６倍以上拡張された拡張部を有している。
　このように、第１のビアより上層に設けられた第２のビアは必ずしも複数でなくてもよい。この場合でも、第１のビアに電流が集中しうるので、第１の拡張部から第１のビアで生じたジュール熱を効果的に放熱することができる。
　本発明の一例に係る半導体装置によれば、第１のビアで生じるジュール熱を第１の配線の第１の拡張部を介して効果的に放熱することができる。そのため、第１のビアの温度上昇を抑えることができ、ＥＭ耐性を大きく上昇させることができる。
図１（ａ）は、第１の参考例に係る半導体装置において、スタックドビア構造を概略的に示す断面図であり、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示すスタックドビア構造における電流集中およびジュール発熱を説明するための図である。 図２は、第２の参考例に係る半導体装置において、上層に位置する配線と上層のビアの断面積を拡げた場合のスタックドビア構造を概略的に示す断面図である。 図３（ａ）は、第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図であり、（ｂ）は、半導体装置のモデルを示す断面図であり、（ｃ）は、（ｂ）に示す、スタックドビア構造を有する半導体装置において、配線の拡張部の長さ比率と放熱効果ΔＴとの関係のシミュレーション結果を示す図である。 図４は、第３の参考例に係る半導体装置を示す断面図である。 図５（ａ）は、第１の実施形態の第１の変形例に係る半導体装置におけるスタックドビア構造を示す斜視図（左図）、及び配線１２の平面図（右図）であり、（ｂ）は、第２の参考例に係る半導体装置におけるスタックドビア構造を示す斜視図（左図）、及び配線１２の平面図（右図）である。 図６は、第１の実施形態の第２の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。 図７は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図８（ａ）は、アナログドライバ回路などを構成する並列トランジスタにスタックドビア構造を使用した第４の参考例に係る半導体装置のセルのレイアウトを示す図であり、（ｂ）は、第２の実施形態に係るスタックドビア構造を適用した具体例のレイアウトを示す図である。 図９（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置を示す断面図であり、（ｂ）は、第３の実施形態の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。 図１０（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置を示す断面図であり、（ｂ）は、第４の実施形態の第１の変形例に係る半導体装置を示す断面図であり、（ｃ）は、第４の実施形態の第２の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。 図１１（ａ）は、第４の本実施形態の第３の変形例に係る半導体装置を示す断面図であり、（ｂ）は、第４の実施形態の第４の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
　－スタックドビア構造におけるジュール発熱について－
　実施形態を説明する前に、スタックドビア構造の課題である電流集中及びジュール発熱について図面を参照して説明する。なお、本明細書中において、「スタックドビア」とは、複数層の配線が形成されている場合に、上層配線と下層配線との間を電気的に接続する、複数段積み重ねられたビアの集合体をいい、上層のビアと下層のビアとが基板上方から見て少なくとも一部オーバーラップしていれば、スタックドビアと呼ぶものとする。また、「スタックドビア構造」とは、所定の領域で複数のビア同士がスタックドビアを形成する場合、これらのスタックドビアを含む配線接続構造を指すものとする。
　図１（ａ）は、第１の参考例に係る半導体装置において、スタックドビア構造を概略的に示す断面図であり、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示すスタックドビア構造における電流集中およびジュール発熱を説明するための図である。
　この例では、半導体で構成された基板（図示せず）の上方に第１配線層内に形成された配線１１と、第２配線層内に形成された配線１２と、第３配線層内に形成された配線１３とが下から順に積層されている。ここで、配線１１と配線１２とを並列に接続する複数のビア２１と、配線１２と配線１３とを並列に接続する複数のビア２２とで構成されるスタックドビア構造について考える。
　なお、図１に示す例では、スタックドビア４５ａはビア２１ａとビア２２ａとで構成され、スタックドビア４５ｂはビア２１ｂとビア２２ｂとで構成される。また、図１（ｂ）、（ｃ）に示すＲ11、Ｒ12、およびＲ13はそれぞれ配線１１、１２、１３の配線抵抗であり、Ｒ21、Ｒ22、はそれぞれビア２１の各々、及びビア２２の各々のビア抵抗である。
　このスタックドビア構造では、図１（ｂ）に示すような配線抵抗Ｒ11、Ｒ12、およびＲ13とビア抵抗Ｒ21、Ｒ22とが存在する。配線１１、１２、１３の太さ及び構成材料が互いに同じであり、複数のビア２１、２２を構成するビアの構成材料および形状が互いに同じである場合は、以下のように各配線抵抗が互いに同じで各ビアの抵抗も互いに同じと仮定することができ、このような場合、配線１３の抵抗Ｒ13、ビア２２ｂの抵抗Ｒ22、ビア２１ａの抵抗Ｒ21、及び配線１１の抵抗Ｒ11に流れる電流は互いに等しく、ビア２２ｂの抵抗Ｒ22及びビア２１ｂの抵抗Ｒ21に流れる電流は等しくなる。ここで、Ｒｗは１本分の配線抵抗を表し、Ｒｖはビア２１、２２を構成するビア１個分の抵抗を表すとし、配線１３、ビア２２ｂに流れる電流をＩ1、ビア２２ａに流れる電流をＩ2とするとＩ1とＩ2の関係は以下のようになる。
　Ｉ2＝Ｉ1・{３／２Ｒｖ＋Ｒｗ－Ｒｖ2／２（Ｒｗ＋Ｒｖ）}／（１／２Ｒｖ＋Ｒｗ）
　ここで、ビア部の電流集中及びジュール発熱について考えてみる。上記の式から、例えばＲｗとＲｖの値が互いに等しいとすると、ビア２１ｂにはビア２１ａと比較して１．５倍の電流が流れることが分かる。これと同様に、ビア２２ａにはビア２２ｂと比較して１．５倍の電流が流れることも分かる。このとき、ジュール熱Ｑは、抵抗Ｒと電流Ｉの２乗との積に比例する（Ｑ∝ＲＩ2）ので、ビア２１ｂには、ビア２１ａと比較して２．２５倍のジュール熱が発生し、ビア２２ａにはビア２２ｂと比較して２．２５倍のジュール熱が発生する。
　また、同様に計算すれば、配線とビアの抵抗が異なる場合においても同様にビア２１ｂ及びビア２２ａにはそれぞれビア２１ａ及びビア２２ｂと比較して大きな電流が流れていることがわかる。
　特許文献１に示すようなビア辺拡大、または特定ビアの寸法拡大を適用すれば、電流集中の緩和でジュール発熱低減の効果が期待できるものの、下層配線に位置する微細配線ではビア辺、ビア寸法拡大によるチップ面積増加の懸念、及びビア形状の不安定性などの加工上の懸念があり、適用できない状況にある。
　次に、図２は、第２の参考例に係る半導体装置において、上層に位置する配線１３と複数のビア２２の断面積を拡げた場合のスタックドビア構造を概略的に示す断面図である。
　図２に示すように、第３配線層の配線１３の電流進行方向の断面積が第１配線層の配線１１および第２配線層の配線１２の断面積より大きく、ビア２２の断面積がビア２１の断面積より大きくなっている、ラフ配線層から微細配線層へと電流を流すスタックドビア構造を考える。この場合も同様に計算すると、ラフ配線層から微細配線層へと繋がるスタックドビア構造は、ビア２２ａ（上層配線側のビア）の電流集中を緩和するものの、ビア２１ｂ（下層配線側のビア）に流れる電流はビア２１ａと比較して電流集中しやすい構造になっている。また、電流値について計算すると、図１の場合よりも図２の場合のほうが更に電流集中しやすくなっていることもわかる。
　このように、スタックドビア構造では、最下層の配線と接続された電流進行方向の先端側のビアで最も電流集中が発生しやすくなる。ジュール発熱は電流量の２乗で影響を受けるので、この電流側の先端側のビアではジュール発熱が大きくなる。
　そこで、本願発明者らは電流集中が生じやすいビアで生じた熱を効果的に放熱させるための配線構造を種々検討し、スタックドビア構造を構成する配線を、ビア構造外側に延伸・拡張させて放熱させる構成に想到した。以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の各実施形態において、他の実施形態と同様の機能を有する構成要素については同一の符号を付して説明を簡略にする。
　　（第１の実施形態）
　本発明の第１の実施形態に係る半導体装置について、図を参照して説明する。
　図３（ａ）は、第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。なお、図３（ａ）は概略図であるためＬ２が実際より短く表されているが、後述するように、Ｌ２は好ましくはＬ１の６倍以上となっている。なお、図３（ａ）は、複数のビア２１、２２の中心を通る縦方向断面である。
　図３（ａ）に示すように、本実施形態の半導体装置は、半導体からなる基板（図示せず）の上方に形成された複数の層間絶縁膜の第１配線層内に形成された配線１１と、配線１１上の第２配線層内に形成された配線１２と、配線１２上の第３配線層内に形成された配線１３と、配線１１と配線１２とをそれぞれ接続する複数のビア２１と、配線１２と配線１３とをそれぞれ接続する複数のビア２２とを備えている。複数のビア２１は配線１１と配線１２との間で互いに並列に形成されたビア２１ａとビア２１ｂを含み、複数のビア２２は配線１２と配線１３との間で互いに並列に形成されたビア２２ａとビア２２ｂを含んでいる。
　ビア２１ａとビア２２ａとは平面的に見て少なくとも一部が重なっており、スタックドビア４５ａを構成し、ビア２１ｂとビア２２ｂとは平面的に見て少なくとも一部が重なっており、スタックドビア４５ｂを構成する。すなわち、配線１３と配線１１とは複数のビア２１、２２で構成されたスタックドビア構造により電気的に接続されている。
　配線１１、１２、１３の構成材料は導電体であればよく、例えばＣｕ（銅）やＣｕ合金、Ａｌ（アルミニウム）、タングステン、ポリシリコン、シリサイド、チタン（Ｔｉ）又はタンタル（Ｔａ）などであってもよい。配線材料はタングステン、シリコン（ポリ、シリサイド）、Ｔｉ又はＴａを含んだ金属化合物ビア２１、２２の構成材料も金属であればよく、例えばＣｕやタングステン（Ｗ）などであってもよい。
　ビア２１ａ、２１ｂおよびビア２２ａ、２２ｂは、それぞれある程度の狭いピッチで並べられている。このようなスタックドビア構造は、信号配線等で用いられる多層配線と比較して電流経路における抵抗が低く電圧降下（ＩＲドロップ）が最小となるため、電源供給部など大電流を供給する部分で好ましく使用される。
　図３（ａ）に示す半導体装置の場合、動作時の電流は上層の配線１３から下層の配線１１に向かって流れる。
　本実施形態の半導体装置では、配線１２が、複数のビア２１のうち、配線１２の一方の端部（配線端）に最も近いビア２１ｂ、すなわち配線１１、１２における電流進行方向の先端側のビア２１ｂの形成位置から上述した配線１２の一方の端部に向かって、ビア２１ｂのビア幅Ｌ１の６倍以上の長さＬ２だけ拡張された拡張部１２ｘを有している点が図１に示す半導体装置と異なっている。なお、本実施形態の半導体装置では、スタックドビア４５ｂの端の位置はビア２１ｂの端の位置とほぼ一致している。
　ここで、ビア２１ｂのビア幅とは、複数のビア２１が形成された領域における配線１２の拡張方向において、配線１２と接触する部分でのビア２１ｂの長さを指すものとする。すなわち、拡張部が形成された配線に接続するビアのビア幅とは、当該拡張部の拡張方向において、当該配線と接触する部分でのビアの長さを指す。
　この構成においては、拡張部１２ｘにはビアが直接接続されていないので、拡張部１２ｘには動作時に実質的に電流経路が形成されない。なお、「実質的に電流経路が形成されない」とは、ビア２２ｂの端の位置がビア２１ｂの端の位置に比べて拡張部１２ｘの延伸方向に多少ずれた場合も許容することを意味する。
　このような構成によれば、拡張部１２ｘでジュール熱がほぼ生じないので、拡張部１２ｘを放熱体として機能させることができる。すなわち、熱伝導率の高い配線１２に拡張部１２ｘを形成することにより、配線１２はＬ２の長さ分の表面積（周囲長）を稼ぐことができる。熱は、配線と配線間の層間絶縁膜との接触部分で放散されるので、拡張部１２ｘを介して電流が集中するビア２１ｂで発生するジュール熱を効果的に放熱することができ、ＥＭ耐性を大きく向上させることができる。そのため、下層配線に接続されたビア２１ｂのビア幅を拡げられない場合であっても大きな電流を流すことができる。
　なお、本実施形態の半導体装置において、配線１２の配線幅と配線１３の配線幅とは異なっていてもよいが、ほぼ同じであってもよい。ここで、「ほぼ同じ」とは、加工ばらつき等による配線幅のばらつきを含んでいてもよいことを意味する。また、ここでいう配線幅とは、基板上方から見たときの拡張長さ方向に対して垂直な方向の幅のことである。配線１３の上層にさらに１層以上の上層配線が形成されていてもよいが、このような場合、中間層の配線となる配線１２、１３の配線幅を同じとし、電源供給配線などに用いられる最上層配線の配線幅よりも小さくすることで、空き領域に効果的に拡張部１２ｘを配置することができる。特に、配線１２と配線１３の配線幅が同じ最小幅の場合、回路面積を最小にしつつ、ＥＭ耐性を向上させることができるので、中間層の配線（配線１２、１３）のいずれかの配線幅を大きくする場合に比べて面積を縮小することができる。
なお、「中間層の配線」とは、複数の配線層内に設けられた配線のうち最下層配線及び最上層配線以外の配線層内に形成された配線のことをいうものとする。
　また、図３（ａ）では拡張部１２ｘは直線上に延びているが、渦巻き状など曲線部を有する形状や、屈曲部を有する形状などであってもよい。この場合でも、拡張部１２ｘの伸長方向に沿った長さＬ２がビア幅Ｌ１の６倍以上あればよい。
　また、配線１１や配線１２などの配線は、線状のものに限られない。例えば、配線１２のうち拡張部１２ｘとそれ以外の部分とで配線幅を変えてもよいし、複数のビア２１、２２が設けられた領域における配線１１、１２の配線幅が配線長よりも長い形状であってもよい。ただし、拡張部を線状とする場合の方がより小さい面積で同等の効果を得ることができるので、好ましい。
　次に、拡張部１２ｘの長さＬ２とビア２１ｂのビア幅Ｌ１との関係について説明する。図３（ｃ）は、スタックドビア構造を有する半導体装置において、配線の拡張部の長さ比率と放熱効果ΔＴとの関係のシミュレーション結果を示す図である。ここでは、図３（ｂ）に示すような複数のビア２１、拡張部１２ｘを有する配線１２、複数のビア２２、及び配線１３を備えた半導体装置において、拡張部の長さＬ２を変化させた場合の、ビア２１ｂの直上位置での配線１２の温度を計算した。図３（ｃ）の縦軸ΔＴは、現実的なレイアウト上の限界まで拡張部１２ｘを延ばした場合の放熱による温度変化を１とした場合に対する、温度変化の割合を示しており、横軸は（拡張部１２ｘの長さＬ２）／（電流集中するビア２１ｂのビア幅Ｌ１）を示している。
　本実施形態のスタックドビア構造では、拡張部１２ｘには電流が流れないのでジュール熱が発生しない。そのため、拡張部１２ｘは、電流集中しやすいビア２１ｂで生じるジュール熱を効果的に放熱できる放熱体として機能する。
　図３（ｃ）に示す結果から、拡張部１２ｘの放熱体としての放熱効果ΔＴは、拡張部長さとビア幅の長さ比率であるＬ２／Ｌ１が１～６までの範囲で急激に、６以上では緩やかに上昇することが分かる。よって、十分な放熱効果を得るためには、少なくとも拡張部長さとビア幅の長さ比率を６以上に設定するのが好ましいことと言える。これにより、ビアで発生する熱を効果的に放熱できる構成を実現できる。
　しかしながら、実際のレイアウト等では拡張部１２ｘの長さを十分に取ることができない場合も想定でき、その場合は拡張部長さとビア幅との比率を５程度としてもある程度の放熱効果が得られるので、拡張部１２ｘを設けない場合に比べて大電流を流してもＥＭの発生をある程度低減することができる。なお、拡張部１２ｘの放熱効果は拡張部１２ｘの長さＬ２が少なくともビア幅Ｌ１より大きければある程度得ることができる。
　また、レイアウト上十分な領域が存在する場合は、Ｌ２／Ｌ１比率を８以上とすれば更なる放熱効果が期待できるためより好ましく、Ｌ２／Ｌ１比率が１０以上の区間では放熱効果の上昇率が小さくなっていることから、Ｌ２／Ｌ１比率を１０以上とすればさらに好ましい。
　なお、図３（ｃ）はビア幅Ｌ１を固定して拡張部１２ｘの長さＬ２を変化させた場合のシミュレーション結果であるが、実用的な範囲でビア幅Ｌ１を変更した場合でもこれと同様の結果が得られる。
　次に、スタックドビア構造を有する本実施形態の半導体装置を、参考例に係る半導体装置と比較して説明する。
　図４は、第３の参考例に係る半導体装置を示す断面図である。
　図４に示す本参考例に係る半導体装置では、配線１２の拡張部１２ｘと配線１３とを接続するビア２２ｃがさらに設けられ、それ以外の構成は本実施形態の半導体装置と同様である。ビア２２ｃは複数のビア２１のいずれともスタックドビアを構成していない。なお、ビア２２ｃの抵抗はビア２２ａ、２２ｂの抵抗と等しいとする。
　本参考例の半導体装置では、上層配線から下層配線に電流が流れる場合、ビア２２ｃにも電流が回り込む。
　そのため、ビア２１ｂには本実施形態の半導体装置におけるよりも多くの電流が流れ、ジュール発熱によりＥＭ耐性が低下してしまう。また、配線１２の拡張部１２ｘには電流が流れるため放熱体として十分に機能しない。このように、拡張部１２ｘを放熱体として十分に機能させるためには、動作時に電流経路となるビア２２ｃを接続しないようにすることが必要である。
　　－第１の変形例に係る半導体装置－
　図５（ａ）は、第１の実施形態の第１の変形例に係る半導体装置におけるスタックドビア構造を示す斜視図（左図）、及び配線１２の平面図（右図）であり、（ｂ）は、第２の参考例に係る半導体装置におけるスタックドビア構造を示す斜視図（左図）、及び配線１２の平面図（右図）である。
　本変形例に係る半導体装置では、複数のビア２１のうち配線１１、１２の電流進行方向の先端部に位置するビア２１ｂを中心として、第２配線層内の配線１２がＸ方向と、Ｘ方向に交差するＹ方向（配線幅方向）に延びている。なお、図５（ａ）ではＸ方向と拡張部１２ｙの延伸方向とが直交する例を示している。
　このように、配線１２が、延伸方向に沿って延びる拡張部１２ｘに加えて当該延伸方向と交差する方向に沿って延びる拡張部１２ｙを有していることで、更に高い放熱効果を得ることができ、ＥＭ耐性を向上させることができる。
　なお、拡張部１２ｘと同様に、拡張部１２ｙの長さは、ビア幅の６倍以上であれば効果的に放熱効果を向上させるので好ましく、ビア幅の８倍以上であればさらに放熱効果を向上させることができるので、さらに好ましい。ただし、この場合のビア幅は拡張部１２ｙの延伸方向におけるビア２１と配線１２との接触部分の長さをいうものとする。
　ここで、図５（ｂ）に示すように、第２の参考例に係る半導体装置として、配線１２をＸ方向（ビア形成領域における配線１２の延伸方向；配線長方向）およびＹ方向に拡張しつつ、配線１２の体積を図５（ａ）に示す半導体装置と同等にした例について考えてみる。
　このように、単純に配線幅を幅広化したスタックドビア構造の場合は、熱が放散される面、すなわち拡張部１２ｘ、１２ｙの配線表面積が図５（ａ）に示す本変形例に係る配線の拡張部分の配線表面積と比べて小さくなっていることが分かる。
　具体的に、拡張部１２ｘ、１２ｙの配線周囲長（配線表面積に相当）は、本変形例の半導体装置（図５（ａ））で３Ｌ１＋６Ｌ２となり、第２の参照例の半導体装置（図５（ｂ））での配線１２の拡張部分の配線周囲長は３Ｌ１＋２Ｌ２となる。
　このため、十分な放熱効果が得られるＬ２＝６Ｌ１の条件下では、図５（ａ）に示す本変形例での配線周囲長は、図５（ｂ）に示す本参考例と比較して２．６倍大きくなっている。第２の参考例に係るように、配線１２をビア２１ｂの外方へ板状に拡げた場合であってもビア２１から一方の端部までの長さＬ２をビア幅Ｌ１の６倍以上とすることで放熱効果は改善するが、本変形例に係る半導体装置はさらに放熱効果が高い構造であることが分かる。
　なお、図５（ａ）に示す例では、拡張部１２ｙがビア２１ｂから見て両側に突き出ているが、配線レイアウトの要請に応じていずれか一方にのみ設けられていてもよい。また、図５（ａ）に示すＸ方向に十分な空きスペースがない場合などには、拡張部１２ｘを設けずに拡張部１２ｙのみを設けてもよい。
　また、拡張部１２ｘの長さがビア２１ｂのビア幅の６倍以上ある場合には、既に高い放熱効果を有しているので、拡張部１２ｙの長さはビア幅の６倍以下であっても一定の放熱効果を確保することができる。
　また、図５（ａ）では複数のビア２２はビア２２ａとビア２２ｂを含んでいるが、ビア２１ａのみ設けられていてもよい。
　また、拡張部１２ｙは直線状であってもよいがこれに限られず、例えば屈曲部または曲線部を有する形状であってもよい。この場合でも、拡張部１２ｙの延伸方向に沿った長さＬ２がビア幅Ｌ１の６倍以上であればより好ましい。
　　－第２の変形例に係る半導体装置－
　図６は、第１の実施形態の第２の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
　図６に示すように、本変形例に係る半導体装置は、４層配線で構成したスタックドビア構造を有している。すなわち、本変形例に係る半導体装置は、半導体からなる基板（図示せず）の上方に形成された複数の層間絶縁膜中に下から順に積層された第１配線層内の配線１１、第２配線層内の配線１２、第３配線層内の配線１３、及び第４配線層内の配線１４と、配線１１と配線１２とをそれぞれ接続する複数のビア２１と、配線１２と配線１３とをそれぞれ接続する複数のビア２２と、配線１３と配線１４とをそれぞれ接続する複数のビア２３とを備えている。配線１１は最下層配線、配線１４は最上層配線であり、配線１２、１３は中間層の配線となっている。
　複数のビア２１は互いに並列に配置されたビア２１ａ、２１ｂを含んでおり、複数のビア２２は互いに並列に配置されたビア２２ａ、２２ｂを含んでおり、複数のビア２３は互いに並列に配置されたビア２３ａ、２３ｂを含んでいる。ビア２１ａ、２２ａ、２３ａはスタックドビア４５ａを構成し、ビア２１ｂ、２２ｂ、２３ｂはスタックドビア４５ｂを構成する。これら複数のビア２１、２２、２３はそれぞれある程度の狭いピッチで並べられている。このようなスタックドビア構造は、通常の多層配線と比較して電流経路における抵抗が低く電圧効果（ＩＲドロップ）が最小となるため、電源供給部など大電流を供給する部分で好ましく使用される。
　図６に示す半導体装置の場合、動作時の電流は上層の配線１４から下層の配線１１に向かって流れる。
　本変形例の半導体装置では、配線１２が、複数のビア２１のうち、配線１２の一方の端部に最も近いビア２１ｂの形成位置から上述した配線１２の一方の端部に向かって、ビア２１ｂのビア幅Ｌ１の６倍以上の長さＬ２だけ延伸された拡張部１２ｘを有している。ビア２１ｂは、配線１１、１２における電流進行方向の先端側のビアである。
　なお、本変形例の半導体装置では、スタックドビア４５ｂの端の位置とビア２１ｂの端の位置とは一致している。拡張部１２ｘには配線１１または配線１２に接続されるビアが形成されていないので、動作時に電流経路が形成されない。
　この構成によれば、拡張部１２ｘでジュール熱が生じないので、拡張部１２ｘを放熱体として機能させることができる。すなわち、熱伝導率の高い配線１２に拡張部１２ｘを形成することにより、配線１２はＬ２の長さ分の表面積（周囲長）を稼ぐことができる。熱は、配線と配線間の層間絶縁膜との接触部分で放散されるので、拡張部１２ｘを介して電流が集中するビア２１ｂで発生するジュール熱を効果的に放熱することができ、ＥＭ耐性を大きく向上させることができる。
　また、拡張部１２ｘの放熱効果は拡張部１２ｘの長さＬ２がビア幅Ｌ１の６倍未満（１倍以上）であっても存在するが、Ｌ２がＬ１の６倍以上であれば電流が集中しやすいビア２１ｂで発生する熱を効果的に放熱できるので好ましい。拡張部１２ｘの長さＬ２がビア幅Ｌ１の８倍以上であればさらに放熱効果が大きくなるので好ましく、拡張部１２ｘの長さＬ２がビア幅Ｌ１の１０倍以上であれば一層好ましい。
　ここで、このように配線層数が多いスタックドビア構造の場合におけるビア２１ｂに流れる電流は、配線１２に流れる電流分だけ図１の場合においてビア２１ｂに流れる電流よりも大きくなる。そのため、配線層数が多いスタックドビア構造の場合、ビア２１ｂで発生するジュール熱をより効果的に放熱できる本変形例のような構成は非常に有効である。
　なお、本変形例に係る半導体装置においても、第１の変形例に係る半導体装置と同様に、ビア２１ｂが形成された位置から配線１２の配線幅方向に向かって延伸された拡張部１２ｙが配線１２に形成されていれば、さらに放熱効果が向上するので好ましい。
　また、配線１２だけでなく、中間層の配線である配線１３にもビア２２ｂが形成された位置（スタックドビア４５ｂの端）からビア形成領域における配線１３の端部へと拡張する拡張部が形成されていれば、さらに放熱効果を向上させることができるので好ましい。
　また、図６では４層配線で構成されたスタックドビア構造を示しているが、５層配線、６層配線など、５層以上の配線で構成されたスタックドビア構造あっても本変形例に係る半導体装置と同様の放熱効果が期待できる。この場合に、中間層の配線の少なくとも１つ以上に拡張部が形成されていればよく、中間層の配線すべてに拡張部が形成されていてもよい。
　また、中間層の配線である配線１２、１３の配線幅はほぼ同じであってもよい。ここでいう配線幅とは、基板の上方から見たときの拡張長さ方向に対して垂直な方向の幅のことである。
　　（第２の実施形態）
　図７は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
　本実施形態の半導体装置は、スタックドビア構造が２層配線で構成されており、複数のビア２１によって基板１０に接続された配線１１に拡張部１１ｘが形成されている点が図３（ａ）に示す第１の実施形態に係る半導体装置と異なっている。
　すなわち、本実施形態の半導体装置は、半導体からなる基板１０の上方に下から順に積層された第１配線層内の配線１１及び第２配線層内の配線１２と、基板１０と配線１１とをそれぞれ接続する複数のビア２１と、配線１１と配線１２とをそれぞれ接続する複数のビア２２とを備えている。複数のビア２１は、例えば基板１０のうちの不純物拡散層などに接続される。
　複数のビア２１は互いに並列に配置されたビア２１ａ、２１ｂを含んでおり、複数のビア２２は互いに並列に配置されたビア２２ａ、２２ｂを含んでいる。ビア２１ａ、２２ａはスタックドビア４５ａを構成し、ビア２１ｂ、２２ｂはスタックドビア４５ｂを構成する。これら複数のビア２１、２２はそれぞれある程度の狭いピッチで並べられている。このようなスタックドビア構造は、通常の多層配線と比較して電流経路における抵抗が低く電圧効果（ＩＲドロップ）が最小となるため、電源供給部など大電流を供給する部分で好ましく使用される。
　図７に示す半導体装置の場合、動作時の電流は配線１２から基板１０に向かって流れる。
　本実施形態の半導体装置では、配線１１が、複数のビア２１のうち、配線１１の一方の端部に最も近いビア２１ｂの形成位置から上述した配線１１の一方の端部に向かって拡張する拡張部１１ｘを有している。ビア２１ｂは、基板１０、配線１１における電流進行方向の先端側のビアである。なお、本実施形態の半導体装置では、スタックドビア４５ｂの端の位置とビア２１ｂの端の位置とは一致している。拡張部１１ｘには基板１０または配線１２に接続されるビアが形成されていないので、動作時に電流経路が形成されない。
　この構成によれば、拡張部１１ｘでジュール熱が生じないので、拡張部１１ｘを放熱体として機能させることができる。すなわち、熱伝導率の高い配線１１に拡張部１１ｘを形成することにより、配線１１はＬ２の長さ分の表面積（周囲長）を稼ぐことができる。熱は、配線と層間絶縁膜との接触部分で放散されるので、拡張部１１ｘを介して電流が集中するビア２１ｂで発生するジュール熱を効果的に放熱することができ、ＥＭ耐性を大きく向上させることができる。
　拡張部１１ｘの長さＬ２が少なくともビア２１ｂのビア幅Ｌ１より大きければ放熱効果を得ることができるが、拡張部１１ｘの長さＬ２がビア幅Ｌ１の６倍以上であれば、ビア２１ｂで生じる熱を効果的に放熱できるので、好ましい。
　なお、拡張部１１ｘの長さＬ２がビア２１ｂのビア幅Ｌ１の８倍以上とすると、拡張部１１ｘによる放熱効果がさらに向上する。拡張長さＬ２がビア幅Ｌ１の１０倍以上とすると、拡張部１１ｘによる放熱効果がより一層向上するので、さらに好ましい。
　なお、ビア２１ｂが基板１０に接続されている場合は、ビア２１ｂが下層配線に接続された場合よりもＥＭ耐性がある程度大きくなるので、本実施形態の半導体装置では、第１の実施形態に係る半導体装置に比べてより大きな電流を流すことが可能となる。
　なお、配線１１だけでなく配線１２にも、ビア２２ｂから外方へ向かって拡張する拡張部を形成すれば、放熱効果をさらに向上させることができるので好ましい。
　また、図７では基板１０と２層配線とで構成されたスタックドビア構造について説明したが、３層以上の配線と基板１０とで構成されたスタックドビア構造であっても本実施形態と同様の放熱効果を得ることができ、ＥＭの発生を抑えつつ、上層配線から基板へと大電流を流すことができる。
　　－第２の実施形態の具体例－
　図８（ａ）は、アナログドライバ回路などを構成する並列トランジスタにスタックドビア構造を使用した第４の参考例に係る半導体装置のセルのレイアウトを示す図であり、（ｂ）は、アナログドライバ回路などを構成する並列トランジスタに第２の実施形態に係るスタックドビア構造を適用した具体例のレイアウトを示す図である。
　図８（ａ）、（ｂ）の例では、基板上にゲート電極３０ａ、３０ｂが設けられ、基板のうちゲート電極３０ａ、３０ｂの両側方に位置する領域にソース／ドレイン領域となる不純物拡散層３５が形成されている。基板の上方には、ゲート電極３０ａ、３０ｂの延伸方向と直交する方向に延びる配線１２ａ、１２ｂが形成され、トランジスタのソース領域と配線１２ａとはソース側の複数のビア２１、２２及び配線１１を介して電気的に接続されている。トランジスタのドレイン領域と配線１２ｂとはドレイン側の複数のビア２１、２２を介して電気的に接続されている。
　トランジスタに電流が流れる際に、配線またはビア部の許容電流が律速した場合、図８（ａ）に示す第４の参考例では、スタックドビアを構成するビア２１、２２をゲート電極３０ａ、３０ｂの延伸方向に２列配置し、配線１１の配線幅（ゲート電極３０ａ、３０ｂと直交する方向の幅）を大きくする必要がある。これによって配線１１または複数のビア２１、２２での許容電流を増やすことができる。この際に、セル幅は図８（ａ）に示す長さａが必要になる。
　一方、本具体例に係る半導体装置では、３本の配線１１はそれぞれビア２１ｂが形成された位置からゲート電極３０ａ、３０ｂに平行な方向に向かって拡張部１１ｘが延びている。拡張部１１ｘがビア２１ｂで生じるジュール熱を効果的に放熱するので、本具体例に係る半導体装置では、複数のビア２１でＥＭが発生するのを抑えることができ、複数のビア２１、２２により大きな電流を流すことが可能になる。その結果、複数のビア２１、２２をそれぞれ１列配置とし、配線１１の配線幅を小さくすることが可能となる。
　よって、例えば配線１１の拡張部１１ｘの向きを交互に入れ替えるように配置することで、セル幅は図８（ｂ）に示す長さｂ（ｂ＜ａ）とすることができる。そのため、本具体例に係る半導体装置によれば、第３の参考例に係るレイアウトと同等の電流を流す場合に、セル面積を縮小することができる。
　　（第３の実施形態）
　図９（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
　本実施形態に係る半導体装置は、半導体からなる基板（図示せず）の上方に下から順に積層された第１配線層内の配線１１、第２配線層内の配線１２、及び第３配線層内の配線１３と、配線１１と配線１２とをそれぞれ接続する複数のビア２１と、配線１２と配線１３とを接続するビア２２とを備えている。配線１２は、配線１１に流れる電流の進行方向の先端部のビア２１ｂの端から拡張された拡張部１２ｘを有している。ビア２１ａ、２１ｂは平面的に見てビア２２とそれぞれ一部が重なっており、ビア２２とスタックドビア４５を構成する。
　本実施形態に係る半導体装置では、上層の配線１３に接続されるビア２２の個数が下層の配線１１に接続されたビア２１の個数よりも少なくなっている。また、配線１３の配線幅、配線高さ（厚さ）はそれぞれ配線１１、１２の例えば２倍となっており、この場合、配線１３の断面積は配線１１、１２の断面積の例えば４倍となっている。配線１１と配線１２との間で並列に配置された複数のビア２１はそれぞれある程度の狭いピッチで並べられている。さらに、ビア２２のビア幅は、ビア２１の各々のビア幅の約２倍となっている。
　このようなスタックドビア構造は、通常の多層配線と比較して電流経路における抵抗が低く電圧効果（ＩＲドロップ）が最小となるため、電源供給部など大電流を供給する部分で好ましく使用される。
　特に、本実施形態に係る半導体装置では、上層配線の断面積をそれより下層の配線の断面積よりも大きくし、上層配線に接続されたビアの幅も大きくしているので、第１の実施形態、第２の実施形態及びこれらの変形例に係る半導体装置と比較して大電流を供給することができる。
　本実施形態に係る半導体装置では、配線１３から配線１１へと電流が流れ、配線１１、１２における電流進行方向の先端側のビア２１ｂが設けられた位置から配線１２の一方の端部に向かって長さＬ２の拡張部１２ｘが拡張されている。熱伝導率の高い配線１２に拡張部１２ｘを形成することにより、配線１２はＬ２の長さ分の表面積（周囲長）を稼ぐことができる。熱は、配線と配線間の層間絶縁膜との接触部分で放散されるので、拡張部１２ｘを介して電流が集中するビア２１ｂで発生するジュール熱を効果的に放熱することができ、ＥＭ耐性を大きく向上させることができる。
　拡張部１２ｘの長さＬ２は、ビア２１ｂのビア幅Ｌ１以上であれば放熱効果を有するが、Ｌ１の６倍以上とすることで、電流が集中しやすいビア２１ｂで発生する熱を効果的に放熱できるので好ましい。拡張部１２ｘの長さＬ２がビア幅Ｌ１の８倍以上、１０倍以上であればそれぞれ一層好ましい。
　このようなスタックドビア構造は、例えばスタンダードセルに電流を供給する電源部、Ｉ／Ｏ（入出力）セルの電源部、あるいはアナログ回路のドライバ部などに好ましく適用される。
　また、配線１２は、電流進行方向の先端部に位置するビア２１ｂから配線長方向（Ｘ方向）に拡張された拡張部と、Ｘ方向と交差するＹ方向に拡張した拡張部とを有していてもよい。
　また、拡張部１２ｘは、配線１１及び配線１２と接続するビアを持たないことが好ましい。
　また、拡張部を設ける配線は、配線１２だけに限られず、複数層の配線に拡張部を形成すればより好ましい。
　なお、本実施形態では３層配線で構成されたスタックドビア構造を示しているが、４層配線、５層配線等、さらに多層の配線で構成されたスタックドビア構造であってもよい。
　また、配線１１の配線幅とその上の配線１２の配線幅とがほぼ等しくてもよい。
　図９（ａ）では、ビア２２が１個のみ形成された例を示しているが、２個以上形成されていてもよい。
　また、図９（ｂ）は、２層配線と基板１０とでスタックドビア構造が構成されている本実施形態の半導体装置の変形例を示す断面図である。２層配線の場合、上層の配線１２の断面積を配線１１の断面積の２倍程度に大きくし、ビア２２のビア幅をビア２１のビア幅の例えば２倍程度にした上で、配線１１にビア２１ｂの形成位置からビア２１ｂの外方へと拡張する拡張部１１ｘが形成される。
　このようなスタッドビア構造であっても第１の具体例に係る半導体装置と同様の効果を得ることができる。
　　（第４の実施形態）
　図１０（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態に係る半導体装置では、半導体からなる基板（図示せず）の上方に下から順に積層された第１配線層内の配線１１、第２配線層内の配線１２、及び第３配線層内の配線１３と、配線１１と配線１２とをそれぞれ接続する複数のビア２１と、配線１２と配線１３とを接続する複数のビア２２とを備えている。配線１２は、複数のビア２１のうち、配線１２の一方の端部に最も近いビア２１ｂ、すなわち配線１２に流れる電流の進行方向の先端部のビア２１ｂの端から拡張された拡張部１２ｘを有している。複数のビア２１は互いに並列に配置されたビア２１ａ、２１ｂを含み、複数のビア２２は互いに並列に配置されたビア２２ａ、２２ｂを含んでいる。これら複数のビア２１、２２はそれぞれある程度の狭いピッチで並べられている。このようなスタックドビア構造は、通常の多層配線と比較して電流経路における抵抗が低く電圧効果（ＩＲドロップ）が最小となるため、電源供給部など大電流を供給する部分で好ましく使用される。
　本実施形態の半導体装置は、上述のスタックドビア構造において、配線１２の拡張部１２ｘ上に形成されたダミービア２２ｘと、ダミービア２２ｘ上に位置し、配線１３と同一配線層内に形成され、配線１３とは電気的に分離されたダミー配線１３ｘとをさらに備えている点が、図３（ａ）に示す第１の実施形態の半導体装置と異なっている。
　図１０（ａ）に示す例では、電流は配線１３から配線１１に向かって流れる。拡張部１２ｘ、ダミービア２２ｘ、ダミー配線１３ｘには実質的に電流は流れない。
　本実施形態の半導体装置は、配線１２が、少なくともビア２１ｂのビア幅Ｌ１より大きい長さＬ２の拡張部１２ｘを備えていることで、拡張部１２ｘを放熱体として機能させることができる。さらに、配線１３とは電気的に分離されたダミー配線１３ｘと、拡張部１２ｘとダミー配線１３ｘとを接続するダミービア２２ｘが形成されているので、ダミービア２２ｘ及びダミー配線１３ｘも放熱体として機能させることができる。このため、本実施形態に係る半導体装置によれば、第１の実施形態に係る半導体装置に比べてより放熱効果を向上させることができる。
　なお、他の実施形態と同様に、拡張部１２ｘの放熱効果を十分に大きくするために、拡張部１２ｘの長さＬ２はビア２１ｂのビア幅の６倍以上であることが好ましく、８倍以上、１０倍以上であればより一層好ましい。
　また、ダミービア２２ｘは１個でもよいが、２個以上設けられていればより好ましい。ダミー配線１３ｘはできる限り配線長さを長く拡張する方が好ましい。
　また、配線１２は、電流進行方向の先端部に位置するビア２１ｂから配線長方向（Ｘ方向）に拡張された拡張部と、Ｘ方向と交差するＹ方向に拡張した拡張部とを有していてもよい。
　また、拡張部を設ける配線は、配線１２だけに限られず、複数層の配線に拡張部を形成すればより好ましい。
　なお、本実施形態では３層配線で構成されたスタックドビア構造を示しているが、４層配線、５層配線等、さらに多層の配線で構成されたスタックドビア構造であってもよい。
　また、配線１１の配線幅とその上の配線１２の配線幅とがほぼ等しくてもよく、配線１２の配線幅と配線１３の配線幅とがほぼ等しくてもよい。
　また、図１０（ｂ）は、本実施形態の第１の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。図１０（ａ）では３層配線で構成されたスタックドビア構造を示しているが、図１０（ｂ）に示すように、基板１０と２層配線で構成されたスタックドビア構造であってもよい。本変形例では、配線１１が放熱体となる拡張部１１ｘを有し、拡張部１１ｘ上にダミービア２２ｘが形成され、ダミービア２２ｘ上に配線１３と同一配線層内のダミー配線１３ｘが形成されている。
　このような構成であっても、拡張部１１ｘ、ダミービア２２ｘ、ダミー配線１３ｘを放熱体として機能させることができ、ＥＭ耐性を向上させ、大電流を流すことが可能となる。
　また、この構成において配線層数をさらに増やし、３層以上の配線層と基板とでスタックドビア構造を構成してもよい。
　図１０（ｃ）は、本実施形態の第２の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
　本実施形態の半導体装置において、スタックドビア構造を４層以上の配線とこれらを接続するビアとで構成した場合、ダミー配線も多層とし、ダミー配線間を接続するダミービアをさらに形成してもよい。
　図１０（ｃ）に示す第２の変形例に係る半導体装置では、配線１３の上方に最上層配線として配線１４を設け、配線１３と配線１４とを接続し、互いに並列に配置された複数のビア２３を有している。
　配線１２は拡張部１２ｘを有しており、拡張部１２ｘの上方に、配線１３と同じ配線層内に配置され、配線１３と電気的に分離されたダミー配線１３ｘと、配線１４と同じ配線層内に配置され、配線１４と電気的に分離されたダミー配線１４ｘとが下から順に積層されている。拡張部１２ｘとダミー配線１３ｘとはダミービア２２ｘによって接続され、ダミー配線１３ｘとダミー配線１４ｘとはダミービア２３ｘによって接続されている。
　このような構成をとることにより、上層配線と同じ層内に形成されたダミー配線と、これらダミー配線間を接続するダミービアを放熱体として機能させることができるので、さらに効果的にビアで発生する熱を放熱することができ、ＥＭ耐性を向上させることができる。そのため、下層配線が微細化された場合などであってもスタックドビア構造を用いて大きな電流を流すことが可能となる。特に、上層の配線層は下層の配線層に比べてスペースの余裕が大きいので、ダミー配線１４ｘを長く延ばして放熱効果を容易に高めることができる。また、図１０（ｂ）に示すような、基板に接続されるスタックドビア構造の場合も同様に、ダミー配線１３ｘの上方に更に１又は２以上のダミー配線を形成してもよい。
　図１１（ａ）は、本実施形態の第３の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。同図に示すように、配線１２の拡張部１２ｘの上にダミービアとダミー配線を形成する代わりに、拡張部１２ｘの下にダミービアとダミー配線を形成してもよい。
　すなわち、本変形例の半導体装置には、図３に示す第１の実施形態の半導体装置の構成に加え、配線１２の拡張部１２ｘの下方に、配線１１と同じ配線層内に配置され、配線１１と電気的に分離されたダミー配線１１ｙと、ダミー配線１１ｙとが形成されている。ダミー配線１１ｙ、ダミービア２１ｘには動作時に実質的に電流は流れない。
　このような構成では、拡張部１２ｘと同様に、ダミービア２１ｘ及びダミー配線１１ｙを放熱体として機能させることができる。従って、拡張部１２ｘ、ダミービア２１ｘ、ダミー配線１１ｙを介して電流が集中するビア２１ｂで発生するジュール熱を効果的に放熱することができ、ＥＭ耐性を大きく向上させることができる。
　また、図１１（ｂ）は、本実施形態の第４の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。同図に示ように、複数のビア２１、複数のビア２２、配線１１、１２、基板１０とで構成されるスタックドビア構造において、拡張部１１ｘと基板１０内に形成されたダミー拡散層３７とを接続するダミービア２１ｘを形成してもよい。
　この場合、ビア２１ａ、２１ｂは例えば基板１０内に形成された不純物拡散層６０に接続されるが、ダミービア２１ｘが接続されるダミー拡散層３７は素子分離領域４０などによって不純物拡散層６０と電気的に分離され、電気的に浮遊状態となっている。
　この例では、ビア２１ｂで生じたジュール熱は配線１１の拡張部１１ｘを介してダミービア２１ｘ、ダミー拡散層３７に伝達されるので、拡張部１１ｘ、ダミービア２１ｘ、ダミー拡散層３７を放熱体として機能させることができる。そのため、スタックドビア構造内のビアで発生したジュール熱を効果的に放熱でき、ＥＭ耐性が向上している。
　なお、以上で説明した実施形態やその変形例、具体例に係る半導体装置において、各配線やビアの形状、構造、構成材料等は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
　本発明の一例に係るスタックドビア構造は、例えば、多層配線を有する半導体集積回路で使用されるセル電源やアナログドライバ回路など、種々の回路に有用である。
１０　　　基板
１１ｘ、１２ｘ、１２ｙ　　　拡張部
１１、１２、１２ａ、１２ｂ、１３、１４　　　配線
１１ｙ、１３ｘ、１４ｘ　　ダミー配線
２１、２２、２３　　（複数の）ビア
２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ　　　ビア
２１ｘ、２２ｘ、２３ｘ　　ダミービア
３０ａ、３０ｂ　ゲート電極 
３５、６０　　　不純物拡散層
３７　　　ダミー拡散層
４０　　　素子分離領域
４５、４５ａ、４５ｂ　　　スタックドビア

Claims (21)

  1. 　基板の上または上方に形成された複数の第１のビアと、前記複数の第１のビア上に形成された第１の配線と、前記第１の配線上に形成された複数の第２のビアと、前記複数の第２のビア上に形成された第２の配線とを含むスタックドビア構造を備え、
    　前記複数の第１のビアのうち、前記第１の配線の一方の端部に最も近い第１のビアと、前記複数の第２のビアのうち、前記第１の配線の一方の端部に最も近い第２のビアとは平面的に見て少なくとも一部が重なっており、
    　前記第１の配線は、前記第１の配線の一方の端部に最も近い前記第１のビアの端の位置から前記一方の端部に向かって、前記第１のビアのビア幅の６倍以上拡張された第１の拡張部を有している半導体装置。
  2. 　請求項１に記載の半導体装置において、
    　前記基板上方であって、前記第１の配線の下に形成された第３の配線をさらに備えている半導体装置。
  3. 　請求項１に記載の半導体装置において、
    　前記基板は前記複数の第１のビアによって前記第１の配線に接続されている半導体装置。
  4. 　請求項２に記載の半導体装置において、
    　前記第１の配線は、前記第１の配線の一方の端部に最も近い前記第１のビアの端の位置から前記第１の拡張部の拡張方向と交差する方向に向かって拡張する第２の拡張部を有している半導体装置。
  5. 　請求項４に記載の半導体装置において、
    　前記第２の拡張部の長さは前記第１のビアの前記第２の方向におけるビア幅の６倍以上である半導体装置。
  6. 　請求項５に記載の半導体装置において、
    　前記第２の配線の上方に、１層以上形成された上層配線と、
    　前記第２の配線と前記上層配線との間を電気的に接続し、前記複数の第１のビアおよび前記複数の第２のビアと平面的に見て少なくとも一部が重なる上層ビアとをさらに備えている半導体装置。
  7. 　請求項６に記載の半導体装置において、
    　前記第２の配線及び前記上層配線のうち、最上層配線を除く中間層の配線の少なくとも一つには、前記第２のビアまたは前記上層ビアの端の位置から前記中間層の配線のそれぞれの端部に向かって拡張された第３の拡張部が形成されている半導体装置。
  8. 　請求項７に記載の半導体装置において、
    　前記複数の第１のビアは最下層配線に接続されたビアであり、
    　前記上層配線のうち、最上層配線に接続された前記上層ビアのビア幅は、前記第１のビアのビア幅の２倍以上である半導体装置。
  9. 　請求項７に記載の半導体装置において、
    　前記複数の第１のビアは最下層配線に接続されたビアであり、
    　前記上層配線のうち、最上層配線に接続された前記上層ビアの数は前記複数の第１のビアの数よりも少ない半導体装置。
  10. 　請求項５に記載の半導体装置において、
    　前記第２の配線が最上層配線であり、
    　前記複数の第１のビアは最下層配線に接続されたビアであり、
    　前記第２のビアのビア幅は、前記第１のビアのビア幅の２倍以上である半導体装置。
  11. 　請求項１０に記載の半導体装置において、
    　前記第１の拡張部の上に形成された第１のダミービアと、
    　前記第１のダミービア上であって、前記第２の配線と同じ配線層内に形成され、前記第２の配線と電気的に接続されない第１のダミー配線とが形成されている半導体装置。
  12. 　請求項１１に記載の半導体装置において、
    　前記第１のダミー配線の上方に１層以上形成された上層ダミー配線と、
    　前記第１のダミー配線と前記上層配線との間に形成された上層ダミービアとをさらに備えている半導体装置。
  13. 　請求項２に記載の半導体装置において、
    　前記第１の拡張部の下に形成された第２のダミービアと、
    　前記第２のダミービアの下であって、前記第３の配線と同じ配線層内に形成され、前記第３の配線と電気的に接続されない第２のダミー配線とをさらに備えている半導体装置。
  14. 　請求項３に記載の半導体装置において、
    　前記基板は、不純物を含み、前記複数の第１のビアに接続された拡散層と、不純物を含み、前記拡散層と電気的に分離されたダミー拡散層とを有しており、
    　前記第１の拡張部と前記ダミー拡散層とを直接接続する第３のダミービアをさらに備えている半導体装置。
  15. 　請求項１４に記載の半導体装置において、
    　前記第１の配線の幅は、前記第２の配線の幅とほぼ等しい半導体装置。
  16. 　請求項１５に記載の半導体装置において、
    　前記第１の拡張部は、前記第１の配線の一方の端部に最も近い前記第１のビアの端の位置から前記一方の端部に向かって、前記第１のビアのビア幅の８倍以上延伸されたものである半導体装置。
  17. 　請求項１６に記載の半導体装置において、
    　前記第１の拡張部は、前記第１の配線の一方の端部に最も近い前記第１のビアの端の位置から前記一方の端部に向かって、前記第１のビアのビア幅の１０倍以上延伸されたものである半導体装置。
  18. 　請求項１７に記載の半導体装置において、
    　前記第１の拡張部は屈曲部または曲線部を有している半導体装置。
  19. 　請求項１８に記載の半導体装置において、
    　前記第１の配線の一方の端部に最も近い前記第１のビアは、前記複数の第１のビアのうちで前記第１の配線に流れる電流の進行方向の先端に位置するビアである半導体装置。
  20. 　請求項１９に記載の半導体装置において、
    　前記第１の拡張部には前記第２の配線に接続されたビアが形成されておらず、
    　前記第１の拡張部には動作時に電流経路が形成されない半導体装置。
  21. 　基板の上または上方に形成された複数の第１のビアと、前記複数の第１のビア上に形成された第１の配線と、前記第１の配線上に形成された第２のビアと、前記第２のビア上に形成された第２の配線とを含むスタックドビア構造を備え、
    　前記第１の配線は、前記複数の第１のビアのうち、前記第１の配線の一方の端部に最も近い第１のビアの端の位置から前記一方の端部に向かって、前記第１のビアのビア幅の６倍以上拡張された拡張部を有している半導体装置。
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