(57)【要約】【課題】コーナー部を有する微細金属配線を備えた半導体装置の信頼性を向上させることを目的とする。【解決手段】第１層間絶縁膜８２に埋め込まれ、屈曲したコーナー部を有する第１配線２１を一定のコーナー数毎に区切る。区切った第１配線２１同士は、第２層間絶縁膜８７に埋め込まれたプラグ２２及び第２配線２３によって連結する。第１配線はコーナー部により結晶粒径が減少するが、一定のコーナー部数で短く区切られるためエレクトロマイグレーション耐性が向上する。また、第２配線２３の配線幅を調整することにより、第１配線２１のコーナー部による抵抗上昇を、第２配線２３で補償することができる。【選択図】図１１
2010021277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上方に形成され、コーナー部を有する第１の配線と、前記第１の配線と別の層に形成された第２の配線と、を備え、
前記第１の配線はそれぞれ複数のコーナー数を有する複数の部分に区分され、前記区分された各々の前記第１の配線が前記第２の配線を介して接続されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の配線は、クランクが連なった形状又は階段状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１の配線は、コーナー部による抵抗増加量を、コーナー部１つあたりの抵抗増加分で割った値以下のコーナー数ごとに区分されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２の配線は前記第１の配線の幅より広く形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体基板の上方に、第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜に、一定のコーナー数ごとに複数の部分に区分された第１の配線を埋め込む工程と、
前記第１の層間絶縁膜及び前記第１の配線の上方に第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
区分された前記第１の配線の各々を接続する第２の絶縁膜を形成する工程と、
区分された前記第１の配線の各々を接続する第２の配線を前記第２の絶縁膜に埋め込む工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細な金属配線を備えた半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳ-ＬＳＩ等の半導体装置は、ＩＴＲＳ（International Technology Roadmap for Semiconductors）の示すロードマップにしたがって、世代ごとに集積化とトランジスタ素子の微細化が進んでいる。それに伴い、半導体装置内の金属配線の微細化が求められている。例えば、現在量産されている６５ｎｍノードのＣＭＯＳ-ＬＳＩでは、最小配線幅はおよそ１００ｎｍであり、４５ｎｍノードのＣＭＯＳ-ＬＳＩの最小配線幅は７０ｎｍである。さらに、次世代の３２ｎｍノードのＣＭＯＳ-ＬＳＩの最小配線幅は５０ｎｍ以下になるとされている。
【０００３】
現在、配線材料として用いられるＣｕ（銅）の電気伝導を担う電子の平均自由行程は室温で４０ｎｍ程度であり、半導体装置内の金属（銅）配線の幅が平均自由行程に近づいている。
【０００４】
このように、金属配線の微細化が進むと従来問題とならなかった新たな問題が生じてきた。例えば、配線の幅が１００ｎｍ程度以下となると、配線を構成する金属そのものの抵抗率が上昇してしまうことが知られている（例えば、非特許文献１）。このような抵抗率の上昇は、配線側壁による電子の散乱の影響が大きくなることや、金属結晶の粒径減少により粒界による散乱の影響が大きくなるためと考えられている。
【０００５】
その他、金属配線のエレクトロマイグレーションを防止する技術として、アルミニウム配線中に開口部を形成するもの（例えば特許文献１）、金属配線を高融点金属層で区切るもの（例えば特許文献２等）、プラグ付近で金属配線にスリットを入れて金属配線幅を狭くするもの（例えば特許文献３）等がある。
【非特許文献１】W. Steinhogel, et.al., "Comprehensive Study of the resistivity of copper wires with lateral dimensions of 100nm and smaller", Journal of Applied Physics, 27 December 2004, Vol.97, 023706.
【非特許文献２】与田利花、「電子後方散乱回折像法（EBSP）による結晶方位解析」、こべるにくす、株式会社コベルコ技研、平成１２年４月、第９巻（No.17）、p.10-11
【特許文献１】特開２０００−２９４６３９号公報
【特許文献２】特開平１−１０１６５３号公報
【特許文献３】特開２０００−４９２２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述の検討は直線状の金属配線に対するものであり、屈曲したコーナー部を有する金属配線に対するものではなかった。すなわち、コーナー部を有する微細な金属配線において、コーナー部が配線抵抗へどのような影響を及ぼすか、またコーナー部がエレクトロマイグレーション耐性へどのような影響を及ぼすかは明らかとはなっていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、半導体基板の上方に形成され、コーナー部を有する第１の配線と、前記第１の配線と別の層に形成された第２の配線とを備え、前記第１の配線はそれぞれ複数のコーナー部数を有する複数の部分に区分され、前記区分された部分同士が前記第２の配線を介して接続されていることを特徴とする半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
上記の態様によれば、第１の配線同士を、複数のコーナー部数を有する複数の部分に区分して第２の配線で接続するので、第２の配線で第１の配線のコーナー部の増加による配線抵抗増加分を補償することができる。これにより、コーナー部による配線抵抗のバラツキを抑制することができ、半導体装置の回路動作のバラツキを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施形態の説明に先立って、本願発明者らが行った検討事項について説明する。ここに、図１（ａ）及び（ｂ）は、本願発明者らが検討を行った配線の上面図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、コーナー部を有する金属配線内の結晶粒を観察した結果を示す模式図である。図３は、金属配線のコーナー部数と粒径サイズの関係を示すグラフである。図４は、金属配線のコーナー部数と配線抵抗との関係を示すグラフである。図５は、金属配線の配線幅と配線抵抗との関係を示すグラフである。
【００１０】
本願発明者らは、コーナー部による影響を探るべく、図１（ａ）、（ｂ）に示すような屈曲したコーナー部を有するＣｕ（銅）配線１を作製した。ここで、破線部Ｃで示す部分が９０°屈曲したコーナー部である。また、Ｃｕ配線１において、破線Ｔに沿った長さが経路長であり、符号Ｗで示す長さがＣｕ配線１の配線幅Ｗであり、符号Ｌで示す長さが隣接するコーナー部間の長さである。
【００１１】
Ｃｕ配線１は、図１に示すように、コーナー部が一定の間隔Ｌ毎に配置され、クランクが連なった形状の配線パターンである。ここで、クランクとは、直角の狭いカーブが交互に繋がっている形状をいう。Ｃｕ配線１は、酸化炭化シリコン膜中に埋め込まれ、その厚さは０．１５μｍ程度である。Ｃｕ配線１の両端部は、プラグを介してパッド（図示せず）と接続されている。
【００１２】
本願発明者らは、Ｃｕ配線１の経路長を１５００μｍで一定とし、配線幅Ｗを０．１〜０．２μｍ及びコーナー部数を３５０〜３８００まで変化させた試料を作製した。なお、Ｃｕ配線１のコーナー部数は、間隔Ｌで調整した。例えば、コーナー部数の多いＣｕ配線１は、図１（ａ）に示すように間隔Ｌが小さく、コーナー部数の少ないＣｕ配線１は、図１（ｂ）に示すように間隔Ｌが大きい。
【００１３】
本願発明者らは、Ｃｕ配線１について電子後方散乱回折像（Electron Back Scattering Pattern: ＥＢＳＰ）法による結晶の粒径の測定を行った。
【００１４】
結晶粒径の測定は、傾斜させた試料の表面に、収束させた電子線を照射して反射電子による菊池線と呼ばれる回折パターンをカメラで取得して行った。この回折パターンは試料の結晶方位によって異なるため、収束させた電子線の照射位置を走査させながら回折パターンを取得することで、結晶方位の異なった結晶粒同士を識別できる。また、コンピュータで画像を解析することで結晶粒径の平均値を求めた。
【００１５】
ＥＢＳＰ法による測定の結果、例えば図２に示すような像が得られた。図２（ａ）は、配線幅０．１μｍ、隣接するコーナー部間の間隔Ｌが０．３μｍのＣｕ配線１の観察結果であり、図２（ｂ）は、配線幅０．１μｍ、隣接するコーナー部間の間隔Ｌが０．７μｍのＣｕ配線１の観察結果である。図２に示すように、間隔Ｌが狭くコーナー部数が多いＣｕ配線１ほど、結晶粒径が小さくなっていることが明らかとなった。
【００１６】
Ｃｕ配線１のコーナー部数と、粒径の大きさの関係としては、図３に示すような結果が得られた。なお、図３の横軸は経路長１５００μｍのＣｕ配線１中のコーナー部の数ｎを示し、縦軸は粒径の平均値を示す。図３に示すように、Ｃｕ配線中のコーナー部数が多くなるほど平均粒径が小さくなることがわかった。
【００１７】
次に、本願発明者らは、Ｃｕ配線１について抵抗値の測定を行った。その結果、図４及び図５に示す結果が得られた。なお、図４の横軸は経路長１５００μｍの配線のコーナー部の数ｎであり、縦軸はＣｕ配線１から求めた抵抗率ρ（Ωｍ）をバルク状の純銅の抵抗率ρ0（Ωｍ）で割った値（比率）を示している。また、図５の横軸は配線幅Ｗ（μｍ）を示し、縦軸はＣｕ配線１から求めた抵抗率ρ（Ωｍ）をバルク状の純銅の抵抗率ρ0（Ωｍ）で割った値（比率）を示している。
【００１８】
図４に示すように、同じ配線幅で同じ配線長さ（経路長）のＣｕ配線１では、コーナー部数の増大により、コーナー部数にほぼ比例して抵抗が増加することがわかった。特に、配線幅０．２μｍ以下の領域で、図５に示すように、コーナー部数の増大により抵抗率の増加が顕著となっている。これは、配線が直線状でない場合、配線の壁に電子が衝突する確率が増し、抵抗がより一層上昇するためと考えられる。コーナー部は配線中で局所的に抵抗値が高くなっているものと考えられ、電流を流したときに局所的に発熱してエレクトロマイグレーション耐性の低下、さらにはサーモマイグレーション現象を引き起こすおそれもある。
【００１９】
以上のように、コーナー部によって抵抗の増加と粒径の減少が生じることが明らかとなった。これによって、コーナー部数の増加によって配線抵抗のバラツキによる回路動作の不均一化や、エレクトロマイグレーション現象及びサーモマイグレーション現象等による信頼性低下など生ずる可能性がある。
【００２０】
しかしながら、半導体装置（ＬＳＩ等）による金属配線、特に配線幅が小さくなる下層側の配線のレイアウトはトランジスタの配置によって決定されてしまうため、金属配線のコーナー部を全てなくした直線状のレイアウトとするのは現実的ではない。また、仮に半導体装置内の金属配線を直線状の配線のみとした場合には、配線の引き回し方が大きく制約をうけ、チップサイズが大きくなり半導体装置のコストを増大させてしまう。
【００２１】
以上の事項を検討した結果、本願発明者らは以下の諸実施形態を着想するに至った。
【００２２】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
図６（ａ）は、第１実施形態に係る金属配線の上面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のI-I線に沿った断面図である。図７〜図９は、第１実施形態に係る金属配線の製造工程を順に示す断面図である。なお、図７〜図９は、図６（ａ）のII-II線に沿った断面に対応する。上記各図でＸ及びＹで示す方向は、半導体基板の面内の方向に対応し、Ｚで示す方向は半導体基板面に直交する方向に対応する（他の図でも同様とする）。
【００２４】
図６（ａ）に示すように、第１実施形態に係る金属配線１０は、第１の配線１１と、第１の配線１１の上方に配置された第２の配線１３とを備えている。
【００２５】
第１の配線１１は、一定の数のコーナー部が一定間隔で連続した部分であり、符号Ａで示す部分に形成されている。なお、第１の配線は、後述するように一定のコーナー部数で画定される。
【００２６】
第１の配線１１は、図６（ｂ）に示すように、第１の絶縁膜８２に埋め込まれている。図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の配線１１の端部の上にはプラグ１２が形成されている。プラグ１２は、図６（ｂ）に示すように、第２の絶縁膜８７に埋め込まれており、第１の配線１１と第２の配線１３とを電気的に接続している。
【００２７】
第２の配線１３は、図６（ｂ）に示すように、第１の配線１１の上方の第２の絶縁膜８７に埋め込まれている。第２の配線１３は、プラグ１２を介して、隣接する第１の配線１１の端部間を接続している。図６（ａ）に示すように、第２の配線１３は第１の配線１１よりも配線幅が広く形成されている。このように、第２の配線１３は第１の配線１１よりも幅広に形成されている分、単位長さ当たりの抵抗値が低い。このため、第１の配線１１のコーナー部による配線抵抗の増加分を第２の配線１３で補償することができる。第１の配線１１、プラグ１２及び第２の配線１３の材料には、例えばＣｕ又はＣｕを主体とする合金等を使用できる。
【００２８】
なお、第２の配線１３は、例えば図６（ｂ）に示すように、第２の絶縁膜８７に埋め込まれ形成されているが、配置スペースを確保できるのであれば、他の絶縁膜（図示せず）に埋め込んで形成してもよい。
【００２９】
以上のような金属配線１０において、第１の配線１１を画定するコーナー部数は、第１の配線１１に含まれるコーナー部数増加による抵抗増加量の許容範囲から以下のようにして定めることができる。
【００３０】
まず、第１の配線１１の抵抗増加量の許容値を標準抵抗Ｒ0のＸ％を定める。なお、標準抵抗Ｒ0は、第１の配線１１と同一配線幅、同一経路長及び同一の厚さであって、コーナー部のない直線状の配線の抵抗値である。
【００３１】
つぎに、コーナー部１つあたりの抵抗上昇分Ｙ（Ω／Corner）を求める。この抵抗上昇分（Ω／Corner）は、図４の直線の傾きに相当する。これにより、第１の配線１１に含まれるコーナー部数をｎとすると、第１の配線１１の抵抗値は、Ｒ0＋ｎ×Ｙ（Ω）として求まる。この抵抗値を上述の許容値Ｘ（％）に抑えるという条件から、以下の式が成立する。
【００３２】
【数１】
2010021277.tif 000003
これにより、第１の配線１１のコーナー部数ｎは、ｎ≦（Ｘ／１００）×（Ｒ0／Ｙ）として定めることができる。すなわち、（Ｘ／１００）×Ｒ0はコーナー部数増加による抵抗増加量の許容範囲であり、この値をコーナー部数１つあたりの抵抗上昇分Ｙで割ることで第１の配線１１のコーナー部数ｎが求まる。
【００３３】
例えば、本願発明者らが図４で示した実測データでは、Ｃｕ配線１は、配線幅が０．１０μｍ、厚さ１５０ｎｍ、配線長さ（経路長）１５００μｍ、及びコーナー部数１５００個の場合に抵抗値が２７８２Ωであった。一方、同一の配線幅、厚さ、及び経路長の直線状配線（コーナー部数が０個の場合）では、この値がＲ0＝２６００Ωであった。これらの値から、コーナー部１つあたりの抵抗増加分Ｙは０．１２１（Ω／Corner）と求まる。抵抗の誤差（バラツキ）の許容値Ｘ（％）として一般的に用いられる５％又は１０％とした場合には、コーナー部数はそれぞれ、ｎ≦１０７４（Ｘ＝５％）、ｎ≦２１４８（Ｘ＝１０％）として求まる。
【００３４】
また、図４に示す実測データを用いて、第１の配線１１の配線幅が０．２０μｍのときのコーナー部数ｎを上述と同様な手法で求める。図４よりコーナー部１つ当たりの抵抗増加分Ｙが０．０７１２（Ω／Corner）と求まる。この場合、第１の配線１１の抵抗の誤差の許容値Ｘ（％）を５％及び１０％とすると、第１の配線１１のコーナー部数ｎは、それぞれｎ≦１８２５個（Ｘ＝５％）及びｎ≦３６５０個（Ｘ＝１０％）として求まる。
【００３５】
以上のようにして求めたコーナー部数ｎで第１の配線１１を区分することで、第１の配線１１のコーナー部による抵抗増加を許容範囲とすることができる。そして、この第１の配線１１の抵抗増加分を抵抗の低い第２の配線１３で補償することで、金属配線１０内の抵抗のバラツキを抑制できる。
【００３６】
なお、第２の配線１３の配線幅は、第１の配線１１のコーナー部数（抵抗増加分）に応じて配線幅を太くすることで、コーナー部数の増大による抵抗値増加分を補償することができる。
【００３７】
このように、金属配線１０の第１の配線１１を上記で定めたコーナー部数で画定し、幅広の第２の配線１３で第１の配線１１のコーナー部による抵抗上昇分を補償すれば、同一配線幅、厚さ及び経路長の直線状配線との抵抗値の差を許容範囲内とできる。このため、本実施形態に係る金属配線１０によれば、半導体装置の配線遅延のバラツキ、応答速度及び作動周波数のバラツキ等を抑制できる。
【００３８】
金属配線１０は、例えば、以下に説明するようにダマシン法を用いて作製できる。
【００３９】
まず、図７（ａ）に示す構造を形成するまでの工程について説明する。なお、図７において、下地絶縁膜８１までのトランジスタ製造工程はすでに完了したものとし、トランジスタ及びコンタクトプラグについては特に図示しない。
【００４０】
図７（ａ）に示すように、酸化シリコン等よりなる下地絶縁膜８１の上に、酸化炭化シリコンをＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で厚さ１３０ｎｍ程度堆積させて第１の絶縁膜８２を形成する。なお、第１の絶縁膜８２の材料としては酸化炭化シリコン以外の低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）材料又は酸化シリコンを用いてもよい。また、第１の絶縁膜８２は、ＣＶＤ法以外にもＳＯＤ（Spin On Deposition）法で成膜することもできる。
【００４１】
次に、第１の絶縁膜８２の上にハードマスクとなるＳｉＣ膜８３を厚さ２０ｎｍ程度に成膜する。
【００４２】
次に、図７（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法及びエッチング法により、幅１００ｎｍ程度の配線溝８２ａを形成する。
【００４３】
続いて、図７（ｃ）に示すように、バリアメタルとなるＴａ（タンタル）又はＴａＮ（タンタル窒化物）よりなるバリアメタル膜８４をスパッタ法で成膜し、その上に後述する電解メッキ法によるＣｕ膜成膜の際のシードとなるＣｕ膜（図示せず）をスパッタ法により成膜する。
【００４４】
次に、図８（ｄ）に示すように、電解メッキ法によりＣｕ膜８５を成膜して配線溝８２ａを完全に埋め込む。この電解メッキは、初期の電流密度を３ｍＡ／ｃｍ2程度とし、徐々に電流密度を上げ、配線の中央部を埋め込むころに２０ｍＡ／ｃｍ2程度となるように電流密度を制御しながら行う。
【００４５】
その後、図８（ｅ）に示すように、半導体基板１の上面をＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)法で研磨して平坦化し、配線溝８２ａよりも上に形成されたＣｕ膜を除去して第１の配線１１が完成する。
【００４６】
次に、図８（ｆ）に示すように、炭化ケイ素をＣＶＤ法により厚さ２０ｎｍ程度堆積させて、第１の配線１１中のＣｕの拡散を防ぐキャップ膜８６を成膜する。つぎに、酸化炭化シリコンをＣＶＤ法により厚さ３１０ｎｍ程度堆積させて第２の絶縁膜８７を形成し、その上に炭化ケイ素をＣＶＤ法で厚さ２０ｎｍ程度堆積させてハードマスクとなるＳｉＣ膜８８を形成する。
【００４７】
以後、デュアルダマシン法を用いてプラグ１２及び第２の配線１３を形成する。
【００４８】
まず、図９（ｇ）に示すように、フォトリソグラフィー法及びエッチング法により、ビア孔及び配線溝８７ａを形成する。ビア孔の底部には、第１の配線１１の上面が露出する。
【００４９】
次に、図９（ｈ）に示すように、第１の配線１１を形成したときと同様にして、バリアメタル膜８９と、Ｃｕシード膜（図示せず）をスパッタ法で成膜し、電解メッキ法でＣｕ膜９０を成膜してビア孔及び配線溝８７ａを埋め込む。この電解メッキは、初期の電流密度を３ｍＡ／ｃｍ2程度とし、徐々に電流密度を上げ、配線の中央部を埋め込むころに２０ｍＡ／ｃｍ2程度となるように電流密度を制御しながら行う。
【００５０】
次に、図９（ｉ）に示すように、半導体基板８０の上面全面をＣＭＰ法で研磨して平坦化して余分なＣｕ膜９０を除去する。これにより、プラグ１２及び第２の配線１３が完成する。なお、プラグ１２の厚さは２００ｎｍ程度であり、第２の配線１３の厚さは１５０ｎｍ程度である。続いて、図９（ｉ）に示すように、Ｃｕの拡散を防ぐため、炭化ケイ素をＣＶＤ法により厚さ２０ｎｍ程度に堆積させてキャップ膜９１を形成する。以上のようにして、本実施形態に係る金属配線１０が完成する。その後、酸化炭化シリコンをＣＶＤ法で堆積させて第３の絶縁膜９２を形成、さらに配線層（図示せず）等を順次形成すると本実施形態に係る半導体装置が完成する。
【００５１】
（第１実施形態の実験例）
本願発明者らは、上記実施形態に基づいた金属配線を作製して評価を行った。本実施形態の実験例に係る金属配線１０の全体の長さ（経路長）は、５０００μｍ程度であり、第１の配線１１の配線幅は１００ｎｍ程度、厚さは１５０ｎｍ程度である。第１の配線１１には経路長１μｍごとに９０°屈曲したコーナー部が形成されている。第１の配線１１の長さ（経路長）は４０μｍ程度である。また、第２の配線１３は配線幅１μｍ程度、厚さ１５０ｎｍ程度、及び長さ１０μｍ程度となっている。
【００５２】
本願発明者らが実験例の第１の配線１１で粒径を測定したところ、平均粒径は０．１５μｍ程度であった。なお、同一配線幅（０．１μｍ）の直線状配線の場合の平均粒径は０．２１μｍであり、コーナー部によって粒径が約３０％小さくなることがわかった。
【００５３】
このとき、第１の配線１１はコーナー部数が４０個であり、この部分の抵抗は直線配線にくらべ４．８５Ω上昇した。また、第２の配線１３自体の抵抗値は１．７３Ωであった。また、実験例の２つのプラグ１２の抵抗値は１０．７４Ωであった。このため、第１の配線１１及び第２の配線１３を含めた配線の抵抗は実質的に８７．９Ωとなり、第１の配線１１のコーナー部による抵抗上昇分は第２の配線１３によって相殺された。一方、第２の配線１３を設けずにその区間を第１の配線１１で形成した配線の抵抗値は９２．７Ωであった。このように、第１の配線１１のコーナー部による抵抗増加分を補償できることが確認できた。
【００５４】
（第２実施形態）
図１０（ａ）は、第２実施形態に係る金属配線の上面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のIII-III線に沿った断面図である。
【００５５】
第２実施形態の金属配線２０は、図１０（ａ）に示すように、コーナー部を有する第１の配線２１と隣接する第１の配線２１同士を接続する第２の配線２３とを備えている。第１の配線２１は９０°に屈曲したコーナー部が一定間隔で配置され、クランクが連なった形状に形成されている。第１の配線２１は、一定のコーナー部数ごとに分断されている。図１０（ｂ）に示すように、第１の配線２１は第１の絶縁膜８２に埋め込まれている。
【００５６】
第１の配線２１の端部の上にはプラグ２２が配置されている。プラグ２２は、図１０（ｂ）に示すように第２の絶縁膜８７に埋め込まれており、第１の配線２１と第２の配線２３とを電気的に接続している。プラグ２２と第１の配線２１の間は、バリアメタル膜８９で分断され、第１の配線２１とプラグ２２との間で配線を構成する金属（Ｃｕ）原子の移動は阻止される。
【００５７】
第２の配線２３は、図１０（ａ）に示すように、第１の配線２１同士が分断された部分の上方に配置されており、分断された第１の配線２１同士をプラグ２２を介して接続している。図１０（ｂ）に示すように第２の配線２３はその上の第２の絶縁膜８７に埋め込まれている。第１の配線２１と第２の配線２３との間はプラグ２２によって電気的に接続されている。第２の配線２３は、第１の配線２１の上方又は下方の他の絶縁膜に埋め込んで形成してもよい。第１の配線２１、プラグ２２及び第２の配線２３の材料には、例えばＣｕ又はＣｕを主体とする合金等を使用できる。
【００５８】
尚、第２実施形態の金属配線２０は、第１実施形態で説明した製造方法で同様にして作製できる。
【００５９】
第２実施形態では、第１の配線２１に存在するコーナー部により粒径が減少して、直線状の配線に比べてエレクトロマイグレーション耐性が低下する。さらに、コーナー部の局所的な発熱が発生し、これがエレクトロマイグレーション劣化を加速させる要因となる。したがって、同じ長さ（経路長）の配線であってもコーナー部数の増加によって、エレクトロマイグレーションによる劣化が起きる可能性が高い。
【００６０】
そこで、本実施形態の第１の配線２１では、同じ長さの配線で様々なコーナー部数ｎを有する配線についてエレクトロマイグレーション試験を行い、必要とする電流密度で信頼性を確保できるコーナー部数を求める。これにより、第１の配線２１を分断する長さの基準となるコーナー部数を定めることができる。このコーナー部数で第１の配線２１を分断することで第２実施形態の金属配線２０のエレクトロマイグレーション耐性を確保できる。
【００６１】
（第２実施形態の実験例）
以下、本願発明者らが第２実施形態に基づいて金属配線を作製し、評価した結果について説明する。
【００６２】
本実施形態の実験例の金属配線２０は、図１０に示す配線レイアウトと同様である。金属配線２０の全長（経路長）は５０００μｍ程度である。第１の配線２１及び第２の配線２３の配線幅は１００ｎｍ程度、厚さは１５０ｎｍ程度である。第１の配線２１には配線直下のトランジスタのレイアウトに応じる形で約０．２５μｍ毎に９０°に屈曲したコーナー部がある。この第１の配線２１の粒径を測定した結果、平均粒径は０．１５μｍ程度であった。なお、配線幅１００ｎｍの直線状の配線の平均粒径は０．２１μｍ程度であるため、実験例の第１の配線２１は、直線状の配線よりも粒径が約３０％小さくなっていることがわかった。
【００６３】
また、金属配線２０の抵抗を測定したところ、同じ長さ（５０００μｍ）でコーナー部のない直線状の配線の場合よりも７％程度大きい抵抗値であった。
【００６４】
実験例の第１の配線は、コーナー部数が２００個になったところで区切り、直径の０．１μｍ程度のプラグ２２を介して第２の配線２３に接続し、その第２の配線２３からプラグ２２を介して別の第１の配線２１と接続した。隣接する第１の配線２１間の距離は０．１μｍ程度とした。本実験例では、もとの回路サイズへの影響を小さくするため、第２の配線２３は２つのプラグ２２を最短経路で結ぶ直線状とし、その長さは０．３μｍ程度とした。
【００６５】
以上のような実施形態２の実験例に係る金属配線２０について、エレクトロマイグレーションが発生する臨界電流密度を見積もった。第１の配線２１は０．２５μｍ毎に形成されたコーナー部を２００個備えている。このため、第１の配線２１の端部間の経路長は、５０μｍ程度となる。エレクトロマイグレーション現象では、エレクトロマイグレーションが発生する臨界電流密度Ｊｃと配線の経路長との積（Ｊｃ・Ｌ）は一定値となることが知られている。この（Ｊｃ・Ｌ）の値は、配線材料、配線を埋め込む絶縁膜の種類等によって異なるが、配線材料にＣｕを用いた本実験例の第１の配線２１の場合３７００（Ａ／ｃｍ）程度である。このため、配線長５０μｍの第１の配線２１の場合、臨界電流密度７．４×１０5Ａ／ｃｍ2まではエレクトロマイグレーションによる故障は発生しない。
【００６６】
一方、比較例として第１の配線２１とほぼ同じ平均粒径（０．１５μｍ）を有し、配線幅０．１μｍ程度、厚さ１５０ｎｍ程度、配線長さ２００μｍ程度の直線状配線を作製し、これについてエレクトロマイグレーション試験を行った。この結果、配線の故障率を規定の数値に抑えるためには電流密度を５×１０5Ａ／ｃｍ2程度以下にしなければならなかった。
【００６７】
このように、第１の配線２１をコーナー部数２００個毎に分離して第２の配線２３で接続することで金属配線２０に流すことのできる電流を比較例の１．５倍程度に増加し、エレクトロマイグレーション耐性を確保できることが確認できた。
【００６８】
（第３実施形態）
図１１（ａ）は、第３実施形態に係る金属配線の上面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のIV-IV線に沿った断面図である。
【００６９】
第３実施形態に係る金属配線３０は、図１１（ａ）に示すように、一定間隔でコーナー部が形成された第１の配線３１と、隣接する第１の配線３１同士を接続する第２の配線３３とを備えている。本実施形態の第１の配線３１は、第２実施形態の第１の配線２１と同様に、一定のコーナー部数ごとに分断されている。ただし、第１の配線３１は、斜め方向に点在するトランジスタ等の素子と接続するため階段状に形成されている点で第２実施形態の第１の配線２１と異なる。
【００７０】
なお、プラグ３２は第２実施形態のプラグ２２と同様であり、第２の配線３３は第２実施形態の第２の配線２３と同様である。分断された第１の配線３１同士は、第１の配線３１と異なる層に形成されたプラグ３２及び第２の配線３３を介して接続されている。また、第１の配線３１、プラグ３２及び第２の配線３３の材料には、Ｃｕ又はＣｕを主体とする合金等を使用できる。
【００７１】
第１の配線３１を画定するコーナー部数は第２実施形態のときと同様に、同じ長さの配線で様々なコーナー部数ｎを有する配線についてエレクトロマイグレーション試験を行い、必要とする電流密度において信頼性を確保できるコーナー部数として実験的に定めることができる。このようにして求めたコーナー部数で第１の配線３１を分断することで、第１の配線３１のエレクトロマイグレーション耐性を確保できる。
【００７２】
本実施形態の金属配線３０は、第１実施形態で説明した製造工程と同様のダマシン法により作製できる。
【００７３】
（第３実施形態の実験例）
以下、本願発明者らが第３実施形態に基づいて金属配線を作製し、評価した結果について説明する。
【００７４】
本実施形態の実験例の金属配線３０は、全長（経路長）は１０００μｍ程度であり、第１の配線３１及び第２の配線３３の配線幅は１００ｎｍ程度であり、厚さは１５０ｎｍ程度である。第１の配線３１には配線直下のトランジスタのレイアウトに応じる形でおよそ０．２５μｍ毎に９０°に屈曲したコーナー部を有している。この第１の配線３１の粒径を測定した結果、平均粒径は０．１５μｍ程度であった。なお、配線幅１００ｎｍの直線状の配線の平均粒径は０．２１μｍであるため、実験例の第１の配線３１は、直線状の配線よりも粒径が約３０％小さくなっていることがわかった。
【００７５】
また、金属配線３０の抵抗を測定したところ、同じ長さ（経路長）で直線状の配線の場合よりも７％程度大きい抵抗値であった。
【００７６】
本実施形態の実験例の金属配線３０は、第１の配線３１をコーナー部数が１４８個になったところで切断し、プラグ３２を介して第２の配線３３と接続し、その第２の配線３３を介して隣接する別の第１の配線３１と接続した。隣接する第１の配線３１間の距離は０．３μｍ程度とした。本実験例では、もとの回路サイズへの影響を小さくするため、第２の配線３３の長さは０．３μｍ程度とした。
【００７７】
以上のような実施形態３の実験例に係る金属配線３０について、エレクトロマイグレーションが発生する臨界電流密度を見積もった。第１の配線３１は０．２５μｍ毎に形成されたコーナー部を１４８個備えている。このため、第１の配線３１の端部間の経路長は、３７μｍ程度となる。実験例の第１の配線３１の場合、臨界電流密度と配線長さとの積は、３７００（Ａ／ｃｍ）程度である。このため、配線長３７μｍの第１の配線３１の場合、臨界電流密度１×１０6Ａ／ｃｍ2まではエレクトロマイグレーションによる故障は発生しない。
【００７８】
一方、比較例として第１の配線２１とほぼ同じ平均粒径（０．１５μｍ）を有し、配線幅０．１μｍ程度、厚さ１５０ｎｍ程度、配線長さ２００μｍの直線状配線を作製し、これについてエレクトロマイグレーション試験を行った。この結果、配線の故障率を規定の数値に抑えるためには電流密度を５×１０5Ａ／ｃｍ2程度以下にしなければならなかった。
【００７９】
以上のように、第３実施形態の実験例では第１の配線３１をコーナー部数１４８個毎に分離して、第２の配線３３で接続することにより、金属配線３０に流すことのできる電流が比較例の２倍に増加し、エレクトロマイグレーション耐性を確保できることが確認できた。
【００８０】
（第４実施形態）
図１２は、第４実施形態に係る金属配線の上面図である。図１３（ａ）及び（ｂ）は、第４実施形態の変形例に係る金属配線の上面図である。
【００８１】
第４実施形態に係る金属配線４０は、図１２に示すように、一定の間隔でコーナー部が配置された第１の配線４１と、隣接する第１の配線４１同士を接続する第２の配線４３とを備えている。本実施形態の第１の配線４１は、第２実施形態の第１の配線２１と同様に、一定のコーナー部数ごとに分断されている。ただし、第１の配線４１は、Ｘ軸又はＹ軸から４５°傾いた方向に直線部が伸びる斜め配線がコーナー部で９０°屈曲しながら階段状に伸びている点で第２実施形態の第１の配線２１と異なる。
【００８２】
なお、本実施形態では、図１３（ａ）に示すような１３５°で屈曲するコーナー部Ｆや、図１３（ｂ）に示すような、４５°で屈曲するコーナー部Ｇ存在する場合が考えられるが、これらのコーナー部Ｆ，Ｇも９０°で屈曲するコーナー部と同様に扱えばよい。
【００８３】
なお、プラグ４２は第２実施形態のプラグ２２と同様であり、第２の配線４３は第２実施形態の第２の配線２３と同様である。分断された第１の配線４１同士は、第１の配線４１と異なる層に形成されたプラグ４２及び第２の配線４３によって接続される。第１の配線４１、プラグ４２及び第２の配線４３の材料には、Ｃｕ又はＣｕを主体とする合金等を使用できる。
【００８４】
第１の配線４１を画定するコーナー部数は第２実施形態のときと同様に、同じ長さの配線で様々なコーナー部数ｎを有する配線についてエレクトロマイグレーション試験を行い、必要とする電流密度において、信頼性を確保できるコーナー部数を実験的に求めることにより定めることができる。このようにして求めたコーナー部数で、第１の配線４１を分断することでコーナー部を有する第１の配線４１エレクトロマイグレーション耐性を確保できる。
【００８５】
本実施形態の金属配線４０は第１実施形態で説明した製造工程と同様のダマシン法で作製することができる。
【００８６】
（第４実施形態の実験例）
以下、本願発明者らが第４実施形態に基づいて金属配線４０を作製し、評価した結果について説明する。
【００８７】
本実施形態の実験例の金属配線４０は、全長（経路長）５０００μｍ程度であり、第１の配線４１及び第２の配線４３の配線幅は１００ｎｍ程度であり、第１の配線４１及び第２の配線４３の厚さは１５０ｎｍ程度である。第１の配線４１には配線直下のトランジスタのレイアウトに応じる形でおよそ０．２５μｍ毎に９０°に屈曲したコーナー部を有している。この第１の配線４１の粒径を測定した結果、平均粒径は０．１５μｍ程度であった。
【００８８】
また、金属配線３０の抵抗を測定したところ、同じ長さ（経路長）で直線状の配線の場合よりも７％程度大きい抵抗値であった。
【００８９】
本実施形態の実験例の金属配線４０は、第１の配線４１をコーナー部数が２００個になったところで切断し、直径０．１μｍ程度のプラグ４２を介して第２の配線４３と接続し、その第２の配線４３を介して隣接する別の第１の配線４１と接続した。隣接する第１の配線４１間の距離は０．３μｍ程度とした。本実験例では、もとの回路サイズへの影響を小さくするため、第２の配線４３は隣接する第１の配線４１からそれぞれ伸びるプラグ４２を最短の経路で結ぶ直線状とし、その長さは０．３μｍ程度とした。
【００９０】
以上のような実施形態４の実験例に係る金属配線４０について、エレクトロマイグレーションが発生する臨界電流密度を見積もった。第１の配線４１は０．２５μｍ毎に形成されたコーナー部を２００個備えている。このため、第１の配線４１の端部間の経路長は５０μｍ程度となる。実験例の第１の配線４１の場合、臨界電流密度と配線長さとの積は３７００（Ａ／ｃｍ）程度である。このため、配線長５０μｍの第１の配線４１の場合、臨界電流密度７．４×１０5Ａ／ｃｍ2まではエレクトロマイグレーションによる故障は発生しない。
【００９１】
一方、比較例として第１の配線２１とほぼ同じ平均粒径（０．１５μｍ）を有し、配線幅０．１μｍ程度、厚さ１５０ｎｍ程度、配線長さ２００μｍの直線状配線のエレクトロマイグレーション試験の結果、この配線の故障率を規定の数値に抑えるためには電流密度を５×１０5Ａ／ｃｍ2程度以下にしなければならなかった。
【００９２】
以上のように、第４実施形態の実験例では第１の配線４１をコーナー部数２００個毎に分離して、第２の配線４３で接続することにより、金属配線４０に流すことのできる電流が比較例の１．５倍に増え、エレクトロマイグレーション耐性を確保できることが確認できた。
【００９３】
（第５実施形態）
図１４は、第５実施形態に係る金属配線の上面図である。
【００９４】
実施形態５に係る金属配線７０は、図１４に示すようにほぼ直線状に伸びた第１の配線７１と、第１の配線７１と異なる層に形成された第２の配線７３とを備えている。
【００９５】
金属配線７０の全長（経路長）は１５００μｍ程度であり、設計上の配線幅は７０ｎｍ程度である。この金属配線７０の近傍には、例えば図面上のＹ方向に１０μｍおきに隣接した配線群７５が配置されている。金属配線７０と配線群７５との間隔は、７０ｎｍ程度である。また、配線群７５が形成された部分の長さ（配線の伸びる方向の長さ）も５μｍ程度である。このような金属配線７０を実際に作成すると、フォトリソグラフィー工程とそれに続くエッチング工程は配線の配置に影響されて、設計した値と異なる配線幅となってしまう。本実施形態の場合、図１４に示すように、第１の配線７１に配線群７５が隣接しているところ、すなわち配線密度の高い部分では配線幅が設計値通りの７０ｎｍ程度に形成される。一方、配線群７５が隣接していない部分、すなわち配線密度の低い部分では配線幅が５０ｎｍ以下まで細くなってしまう。
【００９６】
この第１の配線７１について、配線の粒径を測定したところ、隣接した配線群７５がある部分の粒径は０．１５μｍであった。また、隣接した配線群７５がない部分の粒径は０．１μであった。このため、第１の配線７１のエレクトロマイグレーション耐性は、特に隣接した配線群７５がない部分で劣化しやすい。
【００９７】
そこで、本実施形態では、第１の配線７１を３０μｍ程度の長さで切断し、切断した第１の配線７１同士を、図１４に示すように第２の配線７３で接続した。その結果、粒径が０．１μｍと小さい部分を有するものの、電流密度が１×１０6（Ａ／ｃｍ2）程度となるまでエレクトロマイグレーションによる故障が発生しないことが確認できた。
【００９８】
以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００９９】
（付記１）半導体基板の上方に形成され、コーナー部を有する第１の配線と、前記第１の配線と別の層に形成された第２の配線と、を備え、
前記第１の配線はそれぞれ複数のコーナー数を有する複数の部分に区分され、前記区分された各々の前記第１の配線が前記第２の配線を介して接続されていることを特徴とする半導体装置。
【０１００】
（付記２）前記第１の配線は、クランクが連なった形状又は階段状に形成されていることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【０１０１】
（付記３）前記第１の配線は、コーナー部による抵抗増加量を、コーナー部１つあたりの抵抗増加分で割った値以下のコーナー部数ごとに区分されていることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【０１０２】
（付記４）前記区分された部分同士が前記第１の配線層内で分離されていることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【０１０３】
（付記５）前記第１及び第２の配線は、Ｃｕを主体とする金属からなることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【０１０４】
（付記６）前記第２の配線は前記第１の配線の幅より広く形成されていることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【０１０５】
（付記７）前記第２の配線は前記第１の配線の幅より広く形成され、前記第１の配線と前記第２の配線を合わせた配線全体の抵抗値が、前記配線全体の経路長と同一であり、かつ前記第１の配線と配線幅及び厚さが同一の直線状の配線の抵抗値と等しいことを特徴とする付記３に記載の半導体装置。
【０１０６】
（付記８）半導体基板の上方に形成され、同一層内で配線密度の高い部分で配線幅が広く、同一層内で配線密度の低い部分で配線幅が狭く形成された第１の配線と、前記第１の配線と異なる層に形成された第２の配線と、を有する半導体装置であって、
前記第１の配線は、経路長方向に一定の長さで複数の部分に分断され、前記分断された部分同士が前記第２の配線によって接続されていることを特徴とする半導体装置。
【０１０７】
（付記９）半導体基板の上方に、第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜に、一定のコーナー部数ごとに複数の部分に区分された第１の配線を埋め込む工程と、
前記第１の絶縁膜及び前記第１の配線の上方に第２の絶縁膜を形成する工程と、
区分された前記第１の配線の各々を接続する第２の配線を前記第２の絶縁膜に埋め込む工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１０８】
（付記１０）前記第１の配線は、コーナー部による抵抗増加量を、コーナー部１つあたりの抵抗増加分で割った値以下のコーナー部数ごとに区分されていることを特徴とする付記９に記載の半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】図１（ａ）及び（ｂ）は、本願発明者らが検討を行った配線の上面図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、コーナー部を有する金属配線内の結晶粒を観察した結果を示す模式図である。
【図３】図３は、金属配線のコーナー部数と粒径サイズの関係を示すグラフである。
【図４】図４は、金属配線のコーナー部数と配線抵抗との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、金属配線の配線幅がと配線抵抗との関係を示すグラフである。
【図６】図６（ａ）は、第１実施形態に係る金属配線の上面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のI-I線に沿った断面図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態に係る配線の製造工程を順に示す断面図である（その１）。
【図８】図８（ｄ）〜（ｆ）は、第１実施形態に係る配線の製造工程を順に示す断面図である（その２）。
【図９】図９（ｇ）〜（Ｉ）は、第１実施形態に係る配線の製造工程を順に示す断面図である（その３）。
【図１０】図１０（ａ）は、第２実施形態に係る配線を示す上面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のIII-III線に沿った断面図である。
【図１１】図１１（ａ）は、第３実施形態に係る配線を示す上面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のIV-IV線に沿った断面図である。
【図１２】図１２は、第４実施形態に係る配線を示す上面図である。
【図１３】図１３（ａ）及び（ｂ）は、第４実施形態の変形例を示す上面図である。
【図１４】図１４は、第６実施形態に係る配線を示す上面図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１…Ｃｕ配線、１０、２０、３０、４０、７０…金属配線、１１、２１、３１、４１、７１…第１の配線、１２、２２、３２、４２、７２…プラグ、１３、２３、３３、４３、７３…第２の配線、７５…配線群、８０…基板、８１…下地絶縁膜、８２、８７、９２…絶縁膜、８３、８８…ＳｉＣ膜、８６、９１…キャップ膜、８２ａ、８７ａ…配線溝、８４、８９…バリアメタル膜、８５、９０…Ｃｕ膜。
【図１】
2010021277.tif 000004
【図２】
2010021277.tif 000005
【図３】
2010021277.tif 000006
【図４】
2010021277.tif 000007
【図５】
2010021277.tif 000008
【図６】
2010021277.tif 000009
【図７】
2010021277.tif 000010
【図８】
2010021277.tif 000011
【図９】
2010021277.tif 000012
【図１０】
2010021277.tif 000013
【図１１】
2010021277.tif 000014
【図１２】
2010021277.tif 000015
【図１３】
2010021277.tif 000016
【図１４】
2010021277.tif 000017