(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の配線と、
前記第１の配線と異なる層で、かつ前記第１の配線の延在方向と直角方向に延在する第２の配線と、
前記第１の配線の端部近傍と前記第２の配線の端部近傍とが交差する領域である接続領域と、
前記第１の配線の延在方向に対して平行に設けられ、前記第１の配線を該第１の配線の端部から所定距離だけ複数の第３の配線に分割する複数の第１のスリットと、
前記第２の配線の延在方向に対して平行に設けられ、前記第２の配線を該第２の配線の端部から所定距離だけ複数の第４の配線に分割する複数の第２のスリットと、
前記接続領域に形成され、前記複数の第３の配線と前記複数の第４の配線とをそれぞれ接続するために、該接続領域におけるそれぞれの電流経路距離が実質的に同じになるように配置される複数のビアホールとを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第３および第４の配線はそれぞれ、少なくとも１以上の前記ビアホールが形成され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】
前記端部からの所定距離はそれぞれ、１００μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１および第２の配線の幅は５μｍ以上であり、前記第３および第４の配線の幅は２μｍ以下であることを特徴とする請求項１、２および３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１および第２のスリットの幅はそれぞれ、後に上層キャップ膜を成膜可能な最小幅であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記複数のビアホールは、前記接続領域の対角線に沿って配置され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７】
第１の配線と、
前記第１の配線と異なる層で、かつ前記第１の配線の延在方向と直角方向に延在する第２の配線と、
前記第１の配線と前記第２の配線の端部近傍とが交差する領域である接続領域と、
前記第１の配線の延在方向に対して平行に設けられ、前記第１の配線を前記接続領域含んで該延在方向へ第１の所定距離だけ複数の第３の配線に分割する複数の第１のスリットと、
前記第２の配線の延在方向に対して平行に設けられ、前記第２の配線を該第２の配線の端部から第２の所定距離だけ複数の第４の配線に分割する複数の第２のスリットと、
前記接続領域に形成され、前記複数の第３の配線と前記複数の第４の配線とをそれぞれ接続するために、該接続領域におけるそれぞれの電流経路距離が実質的に同じになるように配置される複数のビアホールとを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
第１の配線と、
前記第１の配線と異なる層で、かつ前記第１の配線の延在方向と直角方向に延在する複数の第２の配線と、
前記第１の配線と前記複数の第２の配線の端部近傍とが交差する領域である接続領域と、
前記第１の配線の延在方向に対して平行に設けられ、前記第１の配線を前記接続領域含んで該延在方向へ所定距離だけ複数の第３の配線に分割する複数のスリットと、
前記接続領域に形成され、前記複数の第２の配線と前記複数の第３の配線とをそれぞれ接続するために、該接続領域におけるそれぞれの電流経路距離が実質的に同じになるように配置される複数のビアホールとを有す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、半導体装置に係わり、特に、異なる層に形成される配線あるいは導体間をビアホールを用いて接続する配線構造における信頼性の向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体装置におけるメタル配線は、使用する回路毎に応じて、アルミニウム合金、あるいはチタン（Ｔｉ）やチタンナイトライド（ＴｉＮ）等の高融点金属からなる膜厚３００〜１０００ｎｍ程度の金属薄膜をホトリソグラフィ／エッチング技術によりパターニングして形成している。このときの配線幅は、当該配線を流れる電流量によって定められる。配線の単位断面積あたりの電流量は、エレクトロマイグレーション故障を防止するために配線材料毎に決められている。これを許容電流密度という。例えば、配線に多くの電流を流したいときは、より幅広の配線を用いることになる。通常、幅広の配線は幅狭の配線に比べてエレクトロマイグレーション耐性が強いため、所定幅以上の配線においては単位断面積当りの電流量を増やしても信頼性を確保することができる。そこで最近では、幅広の配線の許容電流密度を大きくする場合が増えてきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近の多層配線化の流れの中で、配線の信頼性の保証はビアホール（via hole）を通じて電気的に接続される２層以上の配線で行う必要がある。その場合、配線幅が広い程エレクトロマイグレーション寿命が短くなることから、従来用いられていた幅広の配線の許容電流密度を大きくさせることが困難なばかりでなく、逆に、許容電流密度をより小さくせざるを得なくなっている。この結果、配線幅をさらに広くすることになり、デバイスの微細化あるいは高集積化に逆行してしまうという不都合が生じていた。
【０００４】
また、互いに直交して形成された上層配線と下層配線とをビアホールにて電気的に接続する場合には、直交する領域の内角側に形成されるビアホール付近に電流集中が起こり、その近傍でエレクトロマイグレーションによるボイドが発生し易いという不都合が生じていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、半導体装置を、第１の配線と、前記第１の配線と異なる層で、かつ前記第１の配線の延在方向と直角方向に延在する第２の配線と、前記第１の配線の端部近傍と前記第２の配線の端部近傍とが交差する領域である接続領域と、前記第１の配線の延在方向に対して平行に設けられ、前記第１の配線を該第１の配線の端部から所定距離だけ複数の第３の配線に分割する複数の第１のスリットと、前記第２の配線の延在方向に対して平行に設けられ、前記第２の配線を該第２の配線の端部から所定距離だけ複数の第４の配線に分割する複数の第２のスリットと、前記接続領域に形成され、前記複数の第３の配線と前記複数の第４の配線とをそれぞれ接続するために、該接続領域におけるそれぞれの電流経路距離が実質的に同じになるように配置される複数のビアホールとを有する構成にしたものである。
【０００６】
また、他の発明は、半導体装置を、第１の配線と、前記第１の配線と異なる層で、かつ前記第１の配線の延在方向と直角方向に延在する第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線の端部近傍とが交差する領域である接続領域と、前記第１の配線の延在方向に対して平行に設けられ、前記第１の配線を前記接続領域含んで該延在方向へ第１の所定距離だけ複数の第３の配線に分割する複数の第１のスリットと、前記第２の配線の延在方向に対して平行に設けられ、前記第２の配線を該第２の配線の端部から第２の所定距離だけ複数の第４の配線に分割する複数の第２のスリットと、前記接続領域に形成され、前記複数の第３の配線と前記複数の第４の配線とをそれぞれ接続するために、該接続領域におけるそれぞれの電流経路距離が実質的に同じになるように配置される複数のビアホールとを有する構成にしたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態
図１は、本発明の第１の実施形態を示す説明図である。
アルミニウム配線（以下、金属配線という）１１は、その端部近傍に形成された複数のビアホール１２によって金属配線１１とは異なる層に形成された図示しない導体と電気的に接続されている。ここでいう導体とは、金属配線や電極パッド等である。金属配線１１は、およそ５μｍ以上の幅Ｘａを持っており、端部から約１００〜１５０μｍの範囲に渡って複数のスリット１３によって複数本の金属配線１４に分割されている。ここでの各金属配線１４の幅Ｘｎは、およそ２μｍ以下である。
【０００８】
複数本に分割された金属配線１４と複数のスリット１３とのトータル幅は、金属配線１１の幅Ｘａと同じである。各スリット１３の幅は、後に層間膜やパッシベーション膜等の上層キャップ膜が金属配線１４間にボイドを発生させてしまうことなく成膜できる最小幅とするのが望ましい。この場合、隣り合う金属配線１４はそれぞれ同一ノードであるため、配線間ショートが生じても特に問題はない。このような配線パターンを形成後、スリット１３を十分に埋めるために、プラズマＣＶＤによって酸化膜を１０００Å程度する。その後、ＳＯＧを塗布することによってスリット１３を埋め込み、さらに、パッシベーション膜としてＳｉＮを形成する。
【０００９】
図２は、金属配線の幅が３．６μｍ／ビアホールが５個の場合におけるエレクトロマイグレーション試験結果を示すグラフであり、図３は、金属配線の幅が１．４４μｍ／ビアホールが２個の場合におけるエレクトロマイグレーション試験結果を示すグラフである。なお、図２の「５ＴＨ」、図３の「２ＴＨ」は、それぞれ、「５つのスルーホール（ビアホールと同意）」「２つのスルーホール（ビアホールと同意）」を表わしている。
図２および図３に示すエレクトロマイグレーション試験は、配線の単位面積当りに流れる電流値、また、ビアホール１個当りに流れる電流値を同一としたものである。両グラフは、縦軸方向に抵抗増加率を、横軸方向に時間の経過を表わしており、各金属配線のおける抵抗増加の様子を見ることができる。
【００１０】
両グラフによれば、図２に示す幅の広い３．６μｍの金属配線の方が図３に示す幅の狭い１．４４μｍの金属配線に比べて抵抗増加開始までの時間が短く、また、抵抗増加開始後のグラフの傾きも大きいことから急激な抵抗増が生じていることが理解できる。これは、幅の広い３．６μｍの金属配線の方がエレクトロマイグレーションの影響をより受け易く、結果として、配線寿命がより短くなってしまうのである。このようことからも、分割後の金属配線１４の幅はおよそ２μｍ以下にすることが望ましいといえる。
【００１１】
図４は、幅広配線のエレクトロマイグレーション試験後の配線状態を示す説明図であり、図５は、幅狭配線のエレクトロマイグレーション試験後の配線状態を示す説明図である。ここで、幅狭配線の幅は２μｍ以下である。
図４に示す幅広配線４１では、黒塗部分として示すようにボイド４２が配線端部から均一に生じていることが確認できる。このボイド４２がビアホール４３へ到達することにより、エレクトロマイグレーションによる故障ということになる。図５に示す幅狭配線５１では、配線端部からできたボイド５２、配線端部およびビアホール５３から離れた箇所にできたボイド５４、くさび形で小さいボイド５５５等、それぞれの幅狭配線５１によってボイドの形成され方が異なっていることが確認できる。すなわち、幅狭配線５１では全てが同時に故障することがないため、より高い信頼性を得ることができる。
【００１２】
また、図示しないが、前述したエレクトロマイグレーション試験終了後（故障後）のアルミニウム配線の断面を観察してみると、ビアホールが形成されているカソード側配線端部からボイドが成長していることが確認できる。さらに、ビアホールによる接続部分から約５０〜１００μｍ程度アノード側に、エレクトロマイグレーションによって移動したアルミニウム原子が溜まって配線表面が盛り上がってしまっていることも確認できる。すなわち、アルミニウム配線に対するエレクトロマイグレーションの影響は、ビアホールによる接続部分から約５０〜１００μｍ程度の領域で支配的であるといえる。
【００１３】
このように本発明の第１の実施形態によれば、端部近傍にビアホールが形成される幅広配線を端部からエレクトロマイグレーションが支配的な所定距離だけスリットを設けることにより分割したので、配線のエレクトロマイグレーション寿命が長くなるとともに、同じ配線幅でより多くの電流を流すことが可能となる。この場合、スリットを設ける配線端部からの所定距離は、試験結果から約１００μｍ以上が望ましいといえる。
【００１４】
なお、スリット１３の幅を考えると、分割後の金属配線１４のトータル幅ｎ×Ｘｎは、分割前の金属配線１１の幅Ｘａより狭くなってしまう。しかし、トータル幅が狭くなったことにより制限される電流量は、本発明の効果として得られたエレクトロマイグレーション寿命の向上により流せる電流量の増加分によって十分吸収できて余りあるものである。
【００１５】
第２の実施形態
図６は、本発明の第２の実施形態を示す説明図であり、図７は、要部拡大図である。
金属配線６１とその上層にある金属配線６４は、それぞれの端部近傍が交差する領域である接続領域６８に形成した複数のビアホール６７によって電気的に接続されている。金属配線６１は、端部から約１００〜１５０μｍの範囲に渡って複数のスリット６３によって複数本の金属配線６２に分割されている。ここでの各金属配線６２の幅は、およそ２μｍ以下である。同様に、金属配線６４は、端部から約１００〜１５０μｍの範囲に渡って複数のスリット６６によって複数本の金属配線６５に分割されている。ここでの各金属配線６５の幅は、およそ２μｍ以下である。
【００１６】
ビアホール６７は、それぞれの金属配線６２、６５に少なくとも１つ以上形成され、接続領域６８におけるそれぞれの電流経路距離が実質的に同じになるように配置される。図７は、接続領域６８を拡大した図であり、それぞれの電流経路が矢印付き太線で示されている。本実施形態では、例えば、下層の最外側の配線７１と上層の最内側の配線７３、また、下層の最内側の配線７２と上層の最外側の配線７４をそれぞれ接続することにより、それぞれの電流経路距離がほぼ同じ長さになっている。したがって、各配線には均一の電流が流れるため、内角側に形成されるビアホール近傍で電流集中によるエレクトロマイグレーションの影響を受け易いという不都合が回避される。
【００１７】
一般に、ビアホール１個を流れる電流量には制限があるため、形成されるビアホールの数は、配線を流れる電流量によって適宜選択する必要がある。本実施形態では、図６に示すように、複数のビアホール６７を接続領域６８の対角線上に形成している例を説明したが、必要に応じて、対角線に沿ってさらに多くのビアホールを形成することも可能である。
【００１８】
第３の実施形態
図８は、本発明の第３の実施形態を示す説明図であり、図９は、本発明の第３の実施形態の他の例を示す説明図である。
図８において、幅広の金属配線８１とその上層にある複数の幅狭の金属配線８４は、複数のビアホール８５によって電気的に接続されている。幅広の金属配線８１は、金属配線８１と複数の金属配線８４とが交差する（複数のビアホール８５が形成される）領域である接続領域８６を中心に約３００μｍの範囲に渡って複数のスリット８３によって複数本の金属配線８２に分割されている。ここでの各金属配線８２の幅は、およそ２μｍ以下である。
【００１９】
複数のスリット８３の数、複数のビアホール８５の数やその配置は、幅狭の金属配線８４の数に応じて決められる。すなわち、分割後の各金属配線８２に対して電流が均等に流れるよう考慮される。本実施形態においては、接続領域８６における複数のビアホール８５は、電流経路に対して、下層の最外側の配線と上層の最内側の配線、また、下層の最内側の配線と上層の最外側の配線をそれぞれ接続するように配置されている。その結果、各配線における電流経路距離がほぼ同じ長さになっている。したがって、分割された各金属配線８２には均一の電流が流れるため、内角側に形成されるビアホール近傍で電流集中によるエレクトロマイグレーションの影響を受け易いという不都合が回避される。
【００２０】
図９は第３の実施形態の他の例を示している。幅広の金属配線９１とその上層にある複数の幅狭の金属配線９４は、複数のビアホール９５によって電気的に接続されている。幅広の金属配線９１は、金属配線９１と複数の金属配線９４とが交差する（複数のビアホール９５が形成される）領域である接続領域９６を中心に約３００μｍの範囲に渡って複数のスリット９３によって複数本の金属配線９２に分割されている。ここでの各金属配線９２の幅は、およそ２μｍ以下である。
【００２１】
図９では、接続領域９６を図示する波線（中心線）にて２分割したと仮定して、各配線における電気的接続を行っている。具体的には、分割後の接続領域９６の一方における複数のビアホール９５は、電流経路に対して、下層の最外側の配線と上層の最内側の配線、また、下層の最内側の配線と上層の最外側の配線をそれぞれ接続するように配置されている。さらに、分割後の接続領域９６の他方においても同様である。その結果、各配線における電流経路距離がほぼ同じ長さになっている。したがって、分割された各金属配線９２には均一の電流が流れるため、図８の例と同様の効果が期待できる。
【００２２】
第４の実施形態
図１０は、本発明の第４の実施形態を示す説明図であり、平面図および断面図を示している。
金属配線１０１は、その端部近傍に形成された複数のビアホール１０５によってボンディングパット１０４と電気的に接続されている。金属配線１０１は、端部から複数のスリット１０３によって複数本の金属配線１０２に分割されている。金属配線１０１が分割される範囲は、ボンディングパット１０４との交差する領域である接続領域１０６より長くする。本実施形態では、約１００〜１５０μｍの範囲に渡って金属配線１０１が分割されている。ここでの各金属配線１０２の幅は、およそ２μｍ以下が望ましいが、他層の金属配線幅やビアホール１０５の大小によって適宜選択する。
【００２３】
通常、ボンディングパットに形成される複数のビアホールは、ワイヤボンディングの信頼性を上げるためにボンディングパットの周辺部に沿って配置している。しかしながら、このような配置では接続される金属配線の延在方向に平行に配置されたビアホール近傍での電流集中が大きいこと、また、金属配線端部から成長するボイドによる故障が課題とされていた。
【００２４】
そこで本実施形態では、接続領域１０６を図示する波線（中心線）にて２分割したと仮定して、各金属配線１０２とボンディングパット１０４との電気的接続を行っている。具体的には、分割後の接続領域１０６の一方における複数のビアホール１０５は、その底部が金属配線１０１端部近傍になるような円弧状に配置されている。また、分割後の接続領域１０６の他方における複数のビアホール１０５は、波線に対して線対象の関係になるように配置されている。その結果、各配線１０２に流れる電流量をほぼ同じにすることができるとともに、金属配線１０１端部からのボイドの成長も生じにくくなる。したがって、より信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の半導体装置によれば、ビアホールによって異なる層の導体と電気的に接続される幅広金属配線をエレクトロマイグレーションが支配的な所定距離だけスリットを設けることにより分割したので、配線のエレクトロマイグレーション寿命が長くなるとともに、同じ配線幅でより多くの電流を流すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す説明図である。
【図２】エレクトロマイグレーション試験結果を示すグラフである。
【図３】他のエレクトロマイグレーション試験結果を示すグラフである。
【図４】幅広配線のエレクトロマイグレーション試験後の配線状態を示す説明図である。
【図５】幅狭配線のエレクトロマイグレーション試験後の配線状態を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態を示す説明図である。
【図７】図６の要部拡大図である。
【図８】本発明の第３の実施形態を示す説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態の他の例を示す説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１１、６１、６４、８１、９１、１０１        金属配線（幅広）
１４、６２、６５、８２、９２、１０２        金属配線（幅狭）
１２、６７、８５、９５、１０５              ビアホール
１３、６３、６６、８３、９３、１０３        スリット
６８、８６、９６、１０６                    接続領域
１０４                                      ボンディングパット
【図１】
0004228418.tif 000002
【図２】
0004228418.tif 000003
【図３】
0004228418.tif 000004
【図４】
0004228418.tif 000005
【図５】
0004228418.tif 000006
【図６】
0004228418.tif 000007
【図７】
0004228418.tif 000008
【図８】
0004228418.tif 000009
【図９】
0004228418.tif 000010
【図１０】
0004228418.tif 000011