(57)【要約】ビアおよび／またはデバイスを含む配線構造へのダメージは、配線に曲がりや凹みを備えることによって、様々な熱膨張（ＣＴＥ）率を有する材料間の弾性率の低い絶縁体を介して、相互に伝わる。なお、この配線は、熱膨張（ＣＴＥ）の相違に基づいてビア（つまりデバイス接続部）に近接した配線の軸長を制限するものである。したがって、配線は剪断力の拡大を制限し、配線の狭い幅の部分を越える配線の曲がりによって、剪断力を軽減し、ビア（つまりデバイス接続部）近傍への剪断力の集中を防ぐ。配線の直線部分の長さを制限することを基礎とした設計規則として、実施されることが好ましい。
2004507883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線構造と、
上記配線構造の熱膨張率とは異なる熱膨張率を有する層とを備え、
上記配線構造および上記層が、上記層よりも弾性率の低い絶縁体によって分離されており、
さらに、この絶縁体を貫いて上記配線構造および上記層を接続する、少なくとも１つのビア接続部とを備えた集積回路であって、
上記配線構造が、その長さの範囲内で方向を変更し、上記ビア接続部に近接した上記配線構造の軸長が、上記配線構造および上記層の各熱膨張率の相違に応じて制限される、集積回路。
【請求項２】
上記配線構造は、斜めに結合している２つの部分を備える、請求項１に記載の集積回路デバイス。
【請求項３】
上記配線構造は、屈曲した形状を有する、請求項１に記載の集積回路デバイス。
【請求項４】
上記配線構造は、上記ビア接続部および金属パッドを接続する、請求項１に記載の集積回路デバイス。
【請求項５】
上記金属パッドを上記層に接続する他のビア接続部が備えられている、請求項４に記載の集積回路デバイス。
【請求項６】
上記配線構造は、絶縁層の凹みに形成されている、請求項１に記載の集積回路デバイス。
【請求項７】
上記配線構造は、絶縁層の凹みに形成されている、請求項２に記載の集積回路デバイス。
【請求項８】
上記配線構造は、絶縁層の凹みに形成されている、請求項３に記載の集積回路デバイス。
【請求項９】
上記配線構造は、絶縁層の凹みに形成されている、請求項４に記載の集積回路デバイス。
【請求項１０】
上記配線構造は、絶縁層の凹みに形成されている、請求項５に記載の集積回路デバイス。
【発明の詳細な説明】
〔発明の背景〕
（発明の属する技術分野）
本発明は、一般的に、集積回路およびその実装、特にビア（ｖｉａ）用の金属配線構造に関するものである。
【０００１】
（従来技術の説明）
半導体集積回路デバイスは、近年の傾向として、集積密度を高め、かつ、製造コストの削減と、デバイス性能の向上およびそれに起因するデバイス機能の向上とを兼ね備えることによって複雑さを増してきた。言い換えると、このことは、結果として、チップとパッケージレベルとの両方において配線回路の複雑さを増すことになり、かつ、サイズをより小さくして、より優れた樹脂を用いて、チップおよびパッケージレベルにおけるこのような配線構造を製造することになる。所定の誘電率を有する絶縁体を用いると、信号線の間隔がますます近接して、静電結合もまた増加する。したがって、酸化物および窒化物のような従来用いられてきた絶縁材料は、電流および次世代の集積回路デバイスには不都合な場合が多いのである。
【０００２】
集積密度の上昇と周波数の切り替えによって、集積回路チップから分散されるべき熱量が増し、チップの長い熱偏倚運動（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｘｃｕｒｓｉｏｎｓ）と回路パッケージとが衝突する場合が多い。大量の熱循環量が製造中にも発生するので、製造歩留り（ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｙｉｅｌｄ）が著しく低下する場合が多い。
【０００３】
酸化物および窒化物をチップ配線層（ｃｈｉｐ ｗｉｒｉｎｇ ｌａｙｅｒ）に位置する絶縁体として使用すると、金属配線は膨張し、チップの半導体基板と同程度に、熱によって収縮する。つまり、比較的高い弾性率を有する絶縁体に接着した金属は、熱変化に応じて膨張・収縮するチップと同様に、弾力的に変形する。
【０００４】
このような場合には、金属と絶縁体および／またはチップとの間の熱膨張（ＣＴＥ）率が異なることに起因する剪断応力は、配線の長さ全体に比較的均一に分解される。また、この剪断応力は、（配線レベル（ｗｉｒｉｎｇ ｌｅｖｅｌｓ）間を接続できる）ビアと、前述の特徴的なサイズ規定（ｆｅａｔｕｒｅ ｓｉｚｅ ｒｅｇｉｍｅｓ）に適した寸法を有する能動素子との接続部とを含んだ配線構造の至るところに位置する伸縮性のある変形部分に、依然としてかなり残っている。しかし、集積密度が上昇すると、ビアおよびデバイス接続部の物理的寸法も縮小されなければならず、ダメージを受けることなく剪断力に耐えることはほとんどできない。したがって、金属配線は膨張せず、熱膨張中にチップと共に収縮する。金属配線の寸法をあまり変化させないと、ビアおよびデバイス接続部に剪断力が集中してしまう。
【０００５】
金属の寸法が熱によって変化すると、金属配線の寸法も長くなり、それに応じて剪断力が増す。逆に言えば、多数からなる金属配線の長さは、集積密度が上昇することによって長くなる傾向にある。なぜなら、チップの機能性が増すということは、設計上、チップの様々な領域に様々な機能を備えることになる場合が多く、配線は、そのような部分間に必要とされるので長くなるのである。
【０００６】
したがって、集積密度の上昇によって、より優れた配線樹脂が必要となり、かつ、弾性率の低い絶縁体の使用することが必要となる。なお、絶縁体は、金属および半導体材料のＣＴＥの違いに起因して、ビアおよび接続部に剪断力を集中させてしまうものである。同様に、剪断力に耐える能力を減少させる集積密度の上昇に伴って、ビアおよび接続部の大きさは縮小されなければならない。また他方、集積密度の上昇に伴って金属配線の長さが長くなることによって、剪断力は、ビアおよびデバイス接続部において発生し、さらに集中する。この力は、デバイスが配置されて使用された後の熱循環によって、かつ、製造中およびチップが完成する前にビアが有効な周波数で停止するような通電テスト中にも発生する。したがって、剪断力が適切に制限されないなら、製造歩留りまたは確実性のどちらかが、危うくなってしまう。他方、剪断力を制限する公知の方法は、電流および予知できる集積密度に対応していない。
【０００７】
〔発明の要約〕
したがって、本発明の目的は、集積回路チップおよび／またはパッケージの熱膨張中に発生する剪断力を軽減する配線構造を提供することにある。
【０００８】
本発明の第２目的は、低弾性率の絶縁体を用いたビアおよびデバイス接続部に対するダメージを回避するビアおよびデバイス接続部を含んだ金属配線用の設計規定（ｄｅｓｉｇｎ ｒｕｌｅｓ）を提供することにある。
【０００９】
本発明のこれらの目的および他の目的を達成するために、配線構造と、配線構造の熱膨張率とは異なる熱膨張率を有する層と、上記配線構造と、前記層の弾性率よりも低い弾性率を有する絶縁体によって分離され、かつ、前記絶縁体を貫く少なくとも１つのビア接続によって接続された上記層とを含んだ集積回路を提供する。なお、上記の配線構造は、その長さの範囲内で方向を変える。また、配線と上記層との熱膨張率がそれぞれ異なっているので、ビア接続に近接した配線構造の軸長は制限される。
【００１０】
〔本発明の実施形態の詳細な説明〕
前述の、および、他の目的、特徴、利点について、図面を参照しながら次に示す本発明の実施形態の詳細な説明からさらに明らかにする。図１Ａは、金属パッドと配線との平面図であり、本発明によって解決された課題を図示したものである。図１Ｂは、図１Ａの構造から生じるダメージの典型例を示す断面図である。図２Ａは、本発明の第１の実施形態に基づいた金属パッドと配線との典型例を示す平面図である。図２Ｂは、本発明の第２の実施形態に基づいた金属パッドと配線との典型例を示す平面図である。
【００１１】
これらの図、特に図１Ａの平面図を参照すると、図１Ｂに示したダメージと類似して、剪断応力によってダメージを受ける可能性の高い金属パッドと配線構造１０とが示されている。また、これらの図は「関連技術」として示されており、以下のことが理解されるべきである。すなわち、これらの図は本発明を示しているわけではないが、他方、これらの説明図は、本発明が取り組んだ課題をよりよく理解するためのものであり、かつ、図のどの箇所も、本発明に関する先行技術であることを認めていない。
【００１２】
特に、図１Ａには、比較的大きな長方形の金属パッド１２と、ビア（ＶＩＡ、つまりデバイス接続部）１６において終端している比較的長い金属配線（ｍｅｔａｌ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｔｒａｃｅ）１４とが示されている。金属パッドおよび配線は、ミトライドキャップ（ｍｉｔｒｉｄｅ ｃａｐ）層２４および／または接着層２８を含むことのできる絶縁体２２（図１Ｂ）上に形成される。なお、ミトライドキャップ（ｍｉｔｒｉｄｅ ｃａｐ）層２４は、金属と絶縁塗料（ｒｅｓｉｓｔ）との間の接触を回避するか、またはそうでなければ、製造を容易にするための層であり、接着層２８は、もう１つの層（つまり基板２０）を覆う層であり、この層２０は、金属パッドおよび配線材料の熱膨張（ＣＴＥ）率とは異なる熱膨張率を有している。（本発明を実施するにあたって重要ではないが、本技術をよく理解するために、金属配線（金属接続部）１４は、他の絶縁層３０に形成された凹所において、好ましくはハードマスク３２を用いて、ダマスク構造として製造されることが好ましい。）熱によって金属１４が変形すると、絶縁体２２およびその下の材料２０は、異なる率で膨張・縮小し、サイズの差を拡大させる。
【００１３】
拡大した剪断力は、サイズの違いがもたらすものであり、金属およびその下の材料の弾性率のことである。このことは、本技術分野において技量を有する者にはよく理解できることである。（有機絶縁体の弾性率の低さは、剪断力の拡大にあまり影響を及ぼさない。）サイズの違いおよび拡大する剪断力は、間隔が広がっていく以上に増していく。この間隔とは、例えば、金属パッドと基板とに接続している最も近いビア（または、そのように接続されない場合は、金属パッドの中央）から、金属パッドから分離したビアまでの間隔以上に延長された金属配線の長さのことである。剪断力はまた、中央から外へと増しているパッドの寸法以上に拡大して、大きなパッドの周囲近傍にビアが接続すると、影響を与えることになる。絶縁体が、下層（つまり基板）と類似した、金属よりも高い弾性率を有しているならば、剪断力は、酸化物および窒化物を用いた場合と同様に、パッドの寸法および金属配線の長さ以上に分解され、金属は、下層材料の寸法変形に合わせて変形する。しかし、絶縁体の弾性率が基板（特に、金属パッドが基板と複数のビアとに密着している下層または金属）の弾性率よりも低い場合、絶縁体は、金属と下層材料との間で拡大した寸法の違いによって弾力的に変形し、剪断力は、金属および下層に接続している比較的固定したビア（つまりデバイス接続部）に集中する。
【００１４】
これらの力は、特定の温度にて十分に大きくなる。また、これらの力は、ビア（つまり接続材料）を非弾性的に変形するために与えられた間隔のために十分に大きくなる。あるいは、材料の降伏点に達する程十分に大きくなることさえもある。後者の場合、接続部のビアは、単一の大きな熱偏倚運動によって損傷する。前者の場合、非弾性変形は、主として予想不可能な多数のより小さな熱偏倚運動以上の破損に起因して、疲労現象に匹敵する効果を引き起こす。（この効果が数百の原子の直径と同様に、切断面の寸法の小さな導体において発生するメカニズムは、疲労現象と関連のある物質（ａｒｔｉｆａｃｔｓ）と、効果の知られた物質とが認められていないので、解明されていないのだが。）このような破損部２８の典型例については、図１Ｂに示している。なお、図１Ｂでは、剪断力破損の斜めの破損線特性を、金属線１４を接着したビア１６において見ることができる。
【００１５】
図１Ｂから、このようなダメージの回避を、実際問題としてビア（つまり接続構造）１６の変形によって回避できないということが分かる。ビア（つまり接続部）の横寸法は、集積密度に応じた特有のサイズに制限されている。また、ビアの高さが増すと、ビア内の異なる場所に剪断力が集中しがちになるだけのことである。あるいは、ビアが金属線および下層２０にそれぞれ接続している角（例えば、２５および／または２６）で、引帳応力を拡大させる傾向にあるだけのことである。逆に言えば、ビアの高さを減らし、かつ、その剛性を強めることによって、線（ｔｒａｃｅ）１４に力が集中し、ビア近傍の線１４が破損する。ビアのように接続の強さを増すための製造技術が知られているが、剪断力は、どんな場合でも拡大し、配線内のいくつかの場所で破損の原因となる。
【００１６】
次に、本発明の第１の実施形態を示す平面図である図２Ａを参照すると、パッド１２およびビア１６に対応する位置は、図１Ａと同じであることが分かる。しかし、本発明の場合は、延長された金属配線２４は、１つまたはそれ以上の凹みまたは曲がりを有している。線２４の全長は、線１４に比例してやや長くなる。他方、曲がり（ｂｅｎｄｓ）２６間の部分は減少し、各部分の軸に沿って長さ以上に拡大した剪断力は、減少する。さらには、金属線がそれらの狭い幅以上に横に弾性的に曲がるので、部分の各軸が異なる方向を向いていることによって、拡大する剪断応力を軽減できる。諸効果が組み合わさると、剪断力の移動を回避し、かつ、ビア（つまりデバイス接続部）１６に力を集中させることを回避する。
【００１７】
図２Ａの実施形態において凹み（つまり曲がり）２６を獲得するために、図１Ａの実施の形態とは異なる場所にパッド１２を接続することを、記載する。このような変形を、デバイス設計に通常適応できる。他方、図２Ｂに示した本発明の第２の実施の形態における接続地点は、図１Ａと同様である。また、図２Ａと同様に、パッド１２およびビア１６に対応する場所は、図１Ａと同じである。
【００１８】
図２Ｂの実施形態の場合、配線２４は、曲がりくねった（つまり、蛇のような）形状に構成されている。この形状では、凹み（つまり曲がり）の数が増え、図２Ａの実施の形態に相当する各部分の長さが短くなる一方で、線の長さが著しくではないがさらに長くなっている。（図２Ａおよび図２Ｂの配線が金属からなっているので、線の長さによって増加する抵抗は最も少なく、臨界状態であれば、その抵抗は、増大する断面積（ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ａｒｅａ）によって一般的には適度に減少するか、あるいは取り除かれる。これに関して、配線樹脂を妥協することなしに、線を厚くすることができる。上述したダマスク導体は、マイグレーション（ｍｅｔａｌ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）に対する強度、接着、および、抵抗を増加させることに適している。）図２Ａの実施の形態と同様に、剪断力が減少するのは、線部分の軸方向に変形し、それらの狭い幅を超えて弾性的に変形された線能力（ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｃｅｓ）が減少し、かつ、回避されたビア（つまりデバイス接続部）１６に力を集中させることによって取り除かれた線部分の長さが減少したためである。なお、工程を変更しても、金属化を行う必要はない。
【００１９】
図１Ｂの破損と類似した実験に基づいて測定された重要な破損の可能性がある集積回路設計のどの部分にも、本発明の実施に必要な設計規定のように、本発明を実施することが好ましい。つまり、ビアの破損が類似した寸法のビアと配線とを備えた回路において発生することが認められない、長さ以上の長さを有する全ての配線に本発明を適用することが、現時点では好ましい。他方、この可能性は、線の長さと、最大に見積もった熱偏倚運動と、ＣＴＥと、金属の弾性率と、下層材料と、寸法と、実験に基づいて実測されたビア（つまりデバイス接続部）材料の冶金術属性とに基づいた比較的シンプルな算法によって、容易に見積もることができる。実際問題として、これらの要因の後ろ３つは、所定の材料の組み合わせと、設計の特徴的な最小のサイズ規定とに関しては、実質的には同じである。したがって、所定のどの設計用の利害パラメータ（ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ）も、所定のどの配線の長さでもある。さらに、特定の長さ以上の全配線について本発明を利用するために、設計規定を簡略化できる。その上、最大および最小の線部分の長さに関する要望を課すこともまた、好ましい。しかし、このような必要性は、実質的に決定的ではないと考えられる。
【００２０】
上記のことを考慮して、本発明は、配線構造および集積回路設計に関する基本原理を提供する。なお、この設計には、熱偏倚運動に起因するビアのダメージを相互に伝え合うことを回避できる低弾性率の絶縁体が備えられている。実質的な改善は、製造歩留りおよび確実性を伴って実現される一方で、変更を必要としないので、本発明を製造工程に関してはコストをかけずに実施できる。したがって、本発明は、チップの機能性を上げることによって必要となるように、集積密度の上昇を支え、長さの伸びた配線を用いるよう設計する。
【００２１】
方向変更が配線の長さの範囲内で提供される限りは、本発明に基づく配線は、いかなる形状も取ることができる。また、ビア（つまりデバイス接続部）に接続するどの直線部分の長さにも限界はある。その上、部分および曲がった配線において形成される必要さえない配線は、配線のダメージを回避するために効果的である。しかし、集積回路チップの配線層に最も有効に用いられると考えられた場合の本発明の原理は、そのデバイス層、および、チップパッケージ構造のいかなるレベルにおいても使用される。
【００２２】
本発明では、単一の実施の形態について記載した。他方、本技術分野において技量を有する者は、従属請求項の特徴および範囲において変型例を用いて本発明を実施できる。
【００２３】
上記のように本発明を記載してきたが、特許権による保護を望む新規性を有する請求項については、特許請求の範囲に示す。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
本発明によって解決された課題を図示したものであり、金属パッドと配線との平面図である。
【図１Ｂ】
図１に示される構造から生じるダメージの典型例を示す断面図である。
【図２Ａ】
本発明の第１の実施形態に基づいた金属パッドと配線との典型例を示す平面図である。
【図２Ｂ】
本発明の第２の実施形態に基づいた金属パッドと配線との典型例を示す平面図である。
【図１Ａ】
2004507883.tif 000003
【図１Ｂ】
2004507883.tif 000004
【図２Ａ】
2004507883.tif 000005
【図２Ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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2004507883.tif 000008
2004507883.tif 000009
2004507883.tif 000010
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2004507883.tif 000019
2004507883.tif 000020
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004507883.tif 000021
2004507883.tif 000022
【国際調査報告】
2004507883.tif 000023
2004507883.tif 000024