(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線と、前記配線に接続され、他の配線とは電気的に独立している第一のスルービアとを有し、
該配線は、上面が絶縁膜で覆われ、銅または銅合金からなる最上層と、前記最上層の側面及び底面を覆い、高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層とを有する多層膜からなり、
該第一のスルービアは、該多層膜と同一の層構成で埋め込まれており、該絶縁膜に開設された開口の底面に表出した該最上層に密着しており、前記最上層のカソード側のみに配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記開口は、幅が前記配線の幅を超えており、前記第一のスルービアは、該配線の幅方向に膨出していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
配線と、前記配線に接続され、他の配線とは電気的に独立している第一のスルービアとを有し、
該配線は、上面が絶縁膜で覆われ、銅または銅合金からなる最上層と、前記最上層の側面及び底面を覆い、高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層とを有する多層膜からなり、
該第一のスルービアは、該多層膜と同一の層構成で埋め込まれており、該絶縁膜に開設された開口の底面に表出した該最上層との接面を有しており、前記接面は、該配線の幅方向に少なくとも２個並んで配置されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路に用いられる配線の信頼性向上、とくにエレクトロマイグレーション耐性の向上に有効な半導体装置に関する。
【０００２】
近年のＬＳＩの高集積化・微細化にともない、とりわけロジック用ＬＳＩにおいては多層配線の性能がＬＳＩ自体の性能を支配する大きな要因として急速に重要性を増している。現在の配線はアルミニウム合金膜を主体とした多層膜配線が主流となっており、実用になっているＬＳＩでは５〜６層にもおよぶ配線が積層されている。また、配線遅延を少なくして性能を向上させるために、これらの配線中には１０5 Ａ／cm2 にもおよぶ高密度の電流が流れている。一方、このような高電流密度の条件下では、配線中の金属原子が移動してボイドやヒロックを生じさせるいわゆるエレクトロマイグレーション現象（ＥＭ現象）が起きやすいことが知られている。このＥＭ現象は配線が断線したり、隣接配線間のショートの要因になるため、ＬＳＩの信頼性低下につながるものである。
【０００３】
【従来の技術】
集積回路の高性能化と高信頼化を達成するため、従来のアルミニウム合金を用いた配線に代わって銅配線を用いる試みがなされ、実用化されつつある。これは銅の比抵抗がアルミニウム合金のそれに較べ低いので、配線遅延を低減することができるためである。また、銅配線はダマシンプロセスによって作製する方法が有望視され、盛んに研究・開発されている。
【０００４】
さらに銅の融点はアルミニウム合金の融点よりも高いことなどのために、エレクトロマイグレーション耐性はアルミニウム合金の１０倍程度高いと推測されている。
【０００５】
一方、エレクトロマイグレーションに起因する配線故障が発生するまでの時間を従来よりも長くする方法としては各種の手段が検討され、開示されている。例えば特開平１０−２５６３６４では、配線の最上層にＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金の膜を設けることにより、この膜を持たなかった従来構造にはなかったアルミニウムの供給源とすることで、配線が断線に至るまでの時間を長くしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者はダマシンプロセスによって作製された銅配線を用いて、ＥＭ現象によって配線が劣化する様子をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いてその場観察を行った。その結果を図９に模式的に示す。
【０００７】
ここで用いた銅配線は幅０．２μｍ、高さ０．４５μｍ、長さ７０μｍの単一層配線である。この配線の両側面と底面には、バリアメタルとして厚さ２５ｎｍのタンタル窒化物（ＴａＮ）がつけてある。配線の上面には、絶縁膜としておよび銅の拡散を防止するために、厚さ５０ｎｍのシリコン窒化物（ＳｉＮ）が積層されている。
【０００８】
この配線に４．５ｍＡの電流を流したところ、約１時間後にカソード端に近いところでＳｉＮと銅（Ｃｕ）との界面からボイドが発生することが観察された。この４．５ｍＡという電流は、Ｃｕ金属中での電流密度は５×１０6 Ａ／ｃｍ2 に相当する。これは、実用の際の電流の５０倍程度の過酷な条件である。
【０００９】
その後ボイドは下方へ拡がったりＣｕ金属中の結晶粒界に沿って拡大するのではなく、ＳｉＮとＣｕの界面に沿って急速に拡がってゆくのが観察された。それとともに配線抵抗は上昇してゆき、最終的には断線に至った。
【００１０】
すなわちボイドが発生すると、ボイドの領域では配線断面に占めるＣｕ金属の割合が局所的に小さくなる。そのため、電流はこの部分に集中することになる。ボイドの大きさが断面方向または配線幅方向に拡大し続けると、電流の集中はより一層加速され、最終的にはジュール発熱が生じてＣｕが溶断するに至る。これが断線に至る過程であると考えられる。
【００１１】
このことから、Ｃｕ配線のエレクトロマイグレーション耐性は結晶粒界や融点といったＣｕ固有の性質よりも、絶縁膜であるＳｉＮとＣｕの界面における原子の拡散のし易さが影響していることが明らかになった。そしてこの界面での劣化が最終的には配線の断線に繋がるため、絶縁膜とＣｕとの界面でのボイドの発生や拡大を防ぐことが必要である。
【００１２】
絶縁膜とＣｕとの界面でのボイドの発生や拡大を防ぐ手段として、例えばＣｕ配線の側面と底面だけではなく、上面もバリアメタルで覆う方法が考えられる。このような方法は特開平６−２７５６１２の集積回路の製造方法、特開平９−５５４２７、特開平７−２６３５８９などで開示されている。
【００１３】
しかし、これらの方法にはつぎのような欠点がある。
【００１４】
まず第一に、作製工程が複雑で多いという欠点が挙げられる。通常のダマシン工程では、基板上に形成された開口中にバリア材料と銅やアルミニウムなどの導電性材料を堆積した後、ＣＭＰ等によって開口部以外の導電性材料を除去する。
【００１５】
しかし、例えば特開平６−２７５６１２では開口部の銅の表面が周囲よりも低い段差となるように制御よく除去する必要がある。そしてこの後にバリア材料を堆積し、さらにもう一度ＣＭＰをかける必要があるとされている。そのために通常よりも工程が増え、その結果製造コストが高くつくのは明らかである。
【００１６】
第二に、特開平６−２７５６１２に開示されているように、導電性材料である銅の上面を開口部の周りよりも低くしてバリア材料を載せるため、結果として配線断面積に占める銅の割合が低くなる。このため通常のダマシン工程で作製した構造よりも配線抵抗が上昇する。この結果、集積回路の性能が劣化することになる。
【００１７】
本発明は以上の点を鑑み、主としてダマシンプロセスによって作製される銅配線のエレクトロマイグレーション耐性を高めることができる簡便な手法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明者が課題を解決するために鋭意検討を行った結果、上記の課題は、配線と、前記配線に接続され、他の配線とは電気的に独立している第一のスルービアとを有し、該配線は、上面が絶縁膜で覆われ、銅または銅合金からなる最上層と、前記最上層の側面及び底面を覆い、高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層とを有する多層膜からなり、該第一のスルービアは、該多層膜と同一の層構成で埋め込まれており、該絶縁膜に開設された開口の底面に表出した該最上層に密着しており、前記最上層のカソード側のみに配置されていることを特徴とする半導体装置とすることによって解決される。
【００１９】
すなわち本発明の半導体装置においては、他の配線とは電気的に独立している第一のスルービアを、多層膜からなる配線の上に構成するようにしている。こうすることによって、エレクトロマイグレーションによって絶縁膜と最上層との界面でボイドが発生して界面に沿って拡がっても、高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層であるバリアメタルと最上層との界面では密着性が良いためにボイドの拡大が阻止され、ボイドの成長はそこで停止する。
【００２０】
また、上記の課題は、開口は、幅が配線の幅を超えており、第一のスルースルービアは、配線の幅方向に膨出している半導体装置とすることによって解決される。
【００２１】
すなわち本発明の半導体装置においては、開口の幅が配線の幅を超えており、かつ第一のスルービアは配線の幅方向に膨出している半導体装置とするように構成している。こうすることによって、第一のスルービアに接する部分の配線の断面はバリアメタルである高融点金属または高融点金属窒化物で完全に包囲されることになり、エレクトロマイグレーションによって絶縁膜と最上層との界面でボイドが発生して界面に沿って拡がっても、高融点金属または高融点金属窒化物からなるバリアメタルと最上層との界面では密着性が良いためにボイドの拡大が阻止され、かつ配線の幅を超える直径の第一のスルービアであるために、ボイドの成長はそこで停止する。そのため、配線の抵抗の上昇は抑えられ、エレクトロマイグレーション耐性は高まる。
【００２４】
本発明により、シングルダマシン法で配線を作製する場合の例を図１に示す。
【００２５】
まず、配線の上部に第一のスルービアを形成する。この第一のスルービアの底部にはＴａＮやＴｉＮといった高融点の密着層であるバリアメタルを使用し、これと接する最上層の断面の上部はバリアメタルによって覆われることになる。そのため、その場観察で観測したように、エレクトロマイグレーションによって絶縁膜と最上層との界面でボイドが発生して界面に沿って拡がっても、バリアメタルと最上層との界面では密着性が良いためにボイドの拡大が阻止され、成長はそこで停止する。そのため抵抗の上昇は抑えられ、エレクトロマイグレーション耐性は高まる。本発明により、デュアルダマシン法で配線を作製する場合の例を図２に示す。第一のスルービアは第二のスルービアと同時に作製される。そのため、第二のスルービアと同時に作製すればよく、工程の数はとくに増加することはない。
【００２６】
図１および図２に示すような第一のスルービアは、ボイドがさまざまな場所に生じる可能性があるために、一つの配線の長手方向に沿ってできるだけ多くの数を設置すれば、ボイドの拡大と発生の両方を抑制するのに有効である。
【００２７】
また、ボイドは通常、配線のカソード端に生じやすい。そのため、配線のレイアウト上、任意の場所に多くの第一のスルービアを配置できないような場合には、カソード側またはカソードになる確率の高い側に重点的に配置するのがよい。
【００２８】
第一のスルービアの形状については、図１に示すように、ボイドの拡大を完全に阻止するために、接続する配線の幅方向を覆うくらいの大きさが必要である。もしも第一のスルービアが円柱状または円錐状であれば、第一のスルービアの底面の直径が配線幅以上であればよい。これによって第一のスルービアに接する部分の配線の断面は高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層であるバリアメタルによって完全に囲まれることになり、ボイドの拡大を阻止できる。
【００２９】
しかし、配線の幅が広いか、またはプロセスの都合上、第一のスルービアの幅をあまり大きくすることができない場合には、図２に示すように複数の小径の第一のスルービアを接近させて配置してもよい。この場合にはボイドが配線幅まで拡がることを仮定すると、これらの第一のスルービアと配線との接面が、配線の長さ方向からみて配線幅いっぱいに拡がっていることが望ましい。
【００３０】
また、配線の長手方向では配線幅のおよそ２倍以内に接近していることが望ましい。このようにすることで最悪の場合に配線幅まで拡がったボイドが拡大してきても、その拡大を効果的に阻止できる。
【００３１】
以上の説明では最上層の材料をとくに指定しなかったが、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀または銀合金のいずれであっても有効である。
【００３２】
本発明の半導体装置のように、第一のスルービアを配線上に配置するだけで信頼性を高めることができるという利点があると同時に、従来の配線作製のプロセスを全く変更する必要がないということがコストの面からも極めて有効である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３４】
図３は本発明による一実施例のシングルダマシン法によって作製した銅配線の構造を示す断面図であり、図６は従来型の配線構造を示す断面図である。図中、１および６は配線を、１ａおよび６ａは最上層としての銅（Ｃｕ）膜を、１ｂおよび６ｂは高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層としての厚さ４０ｎｍのＴａＮを、２は絶縁膜を、５１および５２は第二のスルービアを、５３は第一のスルービアをそれぞれ示している。
【００３５】
なお、図中に示す構成要素は、従来例を示す図６と対応するものには同一符号が付してある。
【００３６】
〔実施例１〕
図３は、実施例１を説明する断面図である。この図に示す銅配線をシングルダマシン法によって作製した。１ａおよび６ａで示す最上層としてのＣｕ膜はめっき法で成膜し、１ｂおよび６ｂで示すバリアメタルである高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層としてはＴａＮをスパッタリング法で形成した。
【００３７】
形成された最上層１ａの幅は０．３μｍ、高さは０．４μｍである。この最上層１ａには両端に配線同士を接続する第二のスルービア５１および５２が接続され、上層の配線６と繋がっている。ここで、第二のスルービア５１と５２の距離は１００μｍである。また、第二のスルービア５１と５２は円柱形で、高さは０．４μｍ、直径は０．３μｍである。そして第二のスルービア５２から５μｍ離れたところに、第一のスルービア５３を配置した。この第一のスルービア５３の形状は第二のスルービア５１または５２と同じである。ここではシングルダマシン法を用いており、この第一のスルービア５３は上層の配線または下層の配線とは繋がっていない。
【００３８】
なお、第二のスルービア５１、５２および第一のスルービア５３は、配線１および６と同じくＴａＮをバリアメタルとしたＣｕ導体層の埋め込みで形成されるものである。また、引き出し配線６も配線１と同じプロセスで形成されるもので、その配線幅は５μｍである。
【００３９】
この配線１の信頼性を調べ、従来型の配線と比較するために寿命試験を行った。用いた従来型の配線構造は図６に示すものであり、ここでは配線幅０．３μｍのものを用いた。これは図３と較べると第一のスルービア５３がないもので、他の構造は図３と全て同じである。
【００４０】
寿命試験の温度は２５０℃で、加速電流は３．６ｍＡを流し続けて行った。このとき、電流は第二のスルービア５１からスルービア５２に向かって流した。なお、この加速電流の値は試験する配線１において電流密度３×１０6 Ａ／ｃｍ2 に相当する。図７に寿命試験中の経過時間に対する配線抵抗の変化を示す。この結果から、一般に寿命推定に使われるＢｌａｃｋの式を用いて実際の使用条件として１１０℃、１×１０6 Ａ／ｃｍ2 における寿命を推定すると、従来例では９年であったものが、本発明により１６．５年に延びることがわかった。すなわち、従来型の配線構造と比較して、本発明による配線構造ではボイドが形成しても拡大しにくいため、寿命が約１．８倍に延びていることがわかる。
【００４１】
〔実施例２〕
本実施例では、デュアルダマシン法を用いて銅配線を作製した例を示す。図４に、用いた配線構造を示す。高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層１ｂ、６ｂは実施例１と同様に厚さ４０ｎｍのＴａＮを用い、これにＣｕ最上層１ａ、６ａをめっき法で埋め込んでいる。配線の高さも同じく０．４μｍであるが、配線の幅は１ａ、６ａでそれぞれ０．９μｍ、８μｍである。
【００４２】
この配線１の両端には第二のスルービア５４、５５があり、これを介して上層の配線６と繋がっている。この第二のスルービア５４、５５はどちらも直径が０．３μｍの円柱状で、配線の長手方向と垂直な方向に０．６μｍ離れて２つ並んだ構造をしている。
【００４３】
この試験で用いた配線１の長さは１００μｍであるが、ここで第二のスルービア５５から１０μｍ離れたところに第一のスルービアを、小径化した第一のスルースルービア群５６として配置した。この第一のスルービア群５６は図４のように、０．６μｍピッチで５個配置してある。また、この第一のスルービア群５６は長さ１．５μｍ、幅１．２μｍの上層の配線６１と繋がっているが、この配線６１は他の配線とは電気的には繋がっておらず独立している。
【００４４】
なお、第一のスルービアを小径化した第一のスルービア群５６の数の効果を調べるために、図５に示すように２個だけ配線幅方向に並べた配線についても寿命試験を行った。第一のスルービア群５６のスルービアの数以外の配線構造、構成は図４と同じである。
【００４５】
本構造を用いて実施例１と同様の寿命試験を行った。試験条件は２５０℃で、電流は１２ｍＡを第二のスルービア５４からスルービア５５に向かって流し続けた。この電流は、配線１において電流密度３．３×１０6 Ａ／ｃｍ2 に相当する。また、実施例１と同じく、第一のスルービア群５６のない従来型の配線も作製して両者の比較を行った。図８に、実施例２の寿命試験中の経過時間に対する配線抵抗の変化を示す。
【００４６】
この結果を、実施例１と同じようにＢｌａｃｋの式を用いて実使用条件における寿命を推定すると、平均寿命が８１年から９７年に延びたことに相当している。すなわち、配線の抵抗が上昇し始めるまでの時間は従来のものより約２０％延びることがわかった。なお、第一のスルービア群５６のスルービアの数を２個にしたものの平均寿命は約８％の延びに相当する。
【００４７】
実施例１と較べると寿命の延び方が少ないが、第一のスルービア群の配置を変更することでさらに延びることは容易に考察できる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、配線の上部に繋がった第一のスルービアを設けることで、エレクトロマイグレーションによって生じるボイドの拡大を阻止することができる。このことにより、配線の断線や抵抗値の上昇に至るまでの時間を延ばすことができ、半導体装置の信頼性向上に大きく寄与する。
【００４９】
また、本発明は、集積回路作製プロセスを一切変更する必要がない上に、回路の動作と関係のないところのレイアウトを変更することで達成できるので、信頼性の向上にあわせ、コストダウンに寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の効果を示す断面図（その１）。
【図２】  本発明の効果を示す断面図（その２）。
【図３】  実施例１を説明する断面図。
【図４】  実施例２を説明する断面図（その１）。
【図５】  実施例２を説明する断面図（その２）。
【図６】  従来型の配線構造を示す断面図。
【図７】  実施例１の、寿命試験中の配線抵抗の変化を示す図。
【図８】  実施例２の、寿命試験中の配線抵抗の変化を示す図。
【図９】  ＴＥＭでのその場観察を示す模式断面図。
【符号の説明】
１、６および６１  配線
１ａおよび６ａ  銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀または銀合金からなる最上層
１ｂおよび６ｂ  高融点金属または高融点金属窒化物からなる最下層
２  絶縁膜
２ａ  ＳｉＯ2 膜
２ｂ  ＳｉＮ膜
３  シリコン基板
４  ボイド
５  スルービア
５１、５２、５４、５５  配線同士を接続する第二のスルービア
５３  第一のスルービア
５６  第一のスルービア群
【図１】
0004258914.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004258914.tif 000008
【図８】
0004258914.tif 000009
【図９】
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