ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО
SEMICONDUCTOR DEVICE

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка испрашивает приоритет согласно заявке на патент Японии № 2007-096327, содержание которой включено в настоящую заявку во всей полноте посредством ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к полупроводниковому устройству, конкретно, к полупроводниковому устройству, снабженному многослойной структурой межсоединений, в которой множество слоев межсоединений уложено через межслойные изоляционные пленки.
Описание предшествующего уровня техники
Кристалл интегральной схемы (ИС) снабжают контактными площадками (внешними выводами), которые служат для подачи заданных напряжений (напряжения электропитания, напряжения земли и тому подобного) и различных электрических сигналов на множество полупроводниковых элементов, образованных в кристалле ИС, или для вывода различных электрических сигналов за пределы ИС.
Фиг.4 является видом в сечении, показывающим эскиз области традиционного полупроводникового устройства, в которой образована контактная площадка. На поверхности полупроводниковой подложки 100 образованы элементы 101 устройства, состоящие из множества полупроводниковых элементов, таких как транзисторы и конденсаторы. На поверхности полупроводниковой подложки 100 через изоляционную пленку 103, выполненную из пленки оксида кремния или тому подобного, образован первый слой 102 межсоединений, который электрически соединен с элементами 101 устройства посредством разводки (не показана).
На изоляционной пленке 103 образована первая межслойная изоляционная пленка 105, имеющая сквозные отверстия 104, с покрытием первого слоя 102 межсоединений. В каждом из сквозных отверстий 104 образован проводящий слой 106, выполненный из вольфрама или тому подобного. На первой межслойной изоляционной пленке 105 образован второй слой 107 межсоединений, электрически соединенный с первым слоем 102 межсоединений посредством проводящего слоя 106. Аналогично, на первой межслойной изоляционной пленке 105 образована вторая межслойная изоляционная пленка 108, на этой второй межслойной изоляционной пленке 108 образованы третий слой 109 межсоединений и третья межслойная изоляционная пленка 110, а на третьей межслойной изоляционной пленке 110 образован четвертый слой 111 межсоединений. Четвертый слой 111 межсоединений служит контактной площадкой. Четвертый слой 111 межсоединений расположен в области, перекрывающей элементы 101 устройства, с целью уменьшения размера кристалла. На третьей межслойной изоляционной пленке 110 образована защитная пленка 113, имеющая отверстие на четвертом слое 111 межсоединений.
Во время испытаний с использованием зонда или монтажа проводных соединений измерительный зонд или выводной провод касается четвертого слоя 111 межсоединений, обнаженного в отверстии 111. Во время испытаний с использованием зонда давлением измерительного зонда, выполненного из вольфрама, никелевого сплава или тому подобного, вызывается большое механическое напряжение, которое сходится в области ниже четвертого слоя 111 межсоединений. Кроме того, во время монтажа проводных соединений большое механическое напряжение сходится в области ниже четвертого слоя 111 межсоединений под воздействием ультразвуковой энергии или выводного провода. В результате, в некоторых случаях в третьей межслойной изоляционной пленке 110 под четвертым слоем 111 межсоединений появляются трещины 114.
Кроме того, в некоторых случаях трещины 114 достигают межслойной изоляционной пленки (второй межслойной изоляционной пленки 108 или первой межслойной изоляционной пленки 105) или слоя межсоединений (третьего слоя 109 межсоединений, второго слоя 107 межсоединений или первого слоя 102 межсоединений), которые находятся ниже третьей межслойной изоляционной пленки 110. В этих случаях трещины 114 вызывают ухудшение сопротивления миграции металла или короткое замыкание между проводами, так как коррозионный материал, такой как вода, просачивается внутрь через трещины 114.
Для устранения ухудшения надежности из-за трещин 114 предложены следующие технологии. Одну из таких технологий реализуют с помощью структуры, в которой третий слой 115 межсоединений и четвертый слой 111 межсоединений, имеющие приблизительно одинаковый размер, расположены так, что они перекрывают друг друга, а проводящие слои 116, которые электрически соединяют четвертый слой 111 межсоединений с третьим слоем 115 межсоединений, расположены только под защитной пленкой 113 в форме прямоугольных колец, как показано на Фиг.5 и Фиг.6. Даже если трещины 114 появились, с помощью структуры, снабженной третьим слоем 115 межсоединений и проводящим слоем 116 в форме прямоугольных колец, распространение трещин 114 вниз будет блокировано третьим слоем 115 межсоединений. Фиг.5 является видом в сечении Y-Y, показанном на Фиг.6. Для простоты на Фиг.6 показаны только четвертый слой 111 межсоединений, проводящий слой 116 и защитная пленка 113.
Также предложена структура, в которой множество прямоугольных колец проводящих слоев 117, которые электрически соединяют четвертый слой 111 межсоединений с третьим слоем 115 межсоединений, расположено приблизительно по всей площади, которую покрывает четвертый слой 111 межсоединений, как показано на Фиг.7 и Фиг.8. С помощью такой структуры, снабженной множеством проводящих слоев 117, имеющих форму прямоугольных колец, распространение трещин 114 вниз блокировано третьим слоем 115 межсоединений, тогда как распространение трещин 114 вбок, то есть распространение в направлениях, параллельных поверхности полупроводниковой подложки 100, вызываемое в третьей межслойной изоляционной пленке 110, подавляется имеющими форму прямоугольных колец проводящими слоями 117. Фиг.7 является видом в сечении Z-Z, показанном на Фиг.8. Для простоты на Фиг.8 показаны только четвертый слой 111 межсоединений и проводящие слои 117.
Вышеупомянутая технология описана, например, в публикации заявки на патент Японии № Н06-196525.
Испытания с использованием зонда в случае описанных выше традиционных структур показали, что механическое напряжение, прикладываемое к контактной площадке, недостаточно ослаблялось третьим слоем 115 межсоединений.
В последние годы для уменьшения размера кристалла контактные площадки стали образовывать поверх области, где образованы элементы устройства. Следовательно, механическое напряжение достигает элементов устройства, если третий слой 115 межсоединений не может достаточно ослабить механическое напряжение, прикладываемое к контактной площадке. Размеры полупроводниковых элементов, составляющих элементы устройства, и соединяющих проводов уменьшаются с каждым годом. При этом они подвержены повреждениям, и их электрические характеристики (например, пороговое напряжение транзистора) склонны изменяться в том случае, когда их достигает механическое напряжение.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение направлено на решение вышеупомянутых проблем и имеет следующие признаки. Настоящее изобретение предлагает полупроводниковое устройство, имеющее полупроводниковую подложку, слой межсоединений, расположенный на поверхности полупроводниковой подложки, межслойную изоляционную пленку, расположенную с покрытием слоя межсоединений, проводящий слой, который образован в отверстии в межслойной изоляционной пленке и электрически соединен со слоем межсоединений, и самый верхний слой межсоединений, расположенный на межслойной изоляционной пленке и электрически соединенный со слоем межсоединений посредством проводящего слоя, причем межслойная изоляционная пленка состоит из множества имеющих форму шестиугольного столбика межслойных изоляционных пленок, расположенных в виде сот, а проводящий слой расположен с окружением имеющих форму шестиугольного столбика межслойных изоляционных пленок.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 является видом в сечении, показывающим полупроводниковое устройство согласно одному варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг.2 является видом сверху, показывающим полупроводниковое устройство согласно этому варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг.3 является таблицей, показывающей частоты возникновения трещин в полупроводниковом устройстве согласно этому варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг.4 является видом в сечении, показывающим традиционное полупроводниковое устройство.
Фиг.5 является видом в сечении, показывающим традиционное полупроводниковое устройство.
Фиг.6 является видом сверху, показывающим традиционное полупроводниковое устройство.
Фиг.7 является видом в сечении, показывающим традиционное полупроводниковое устройство.
Фиг.8 является видом сверху, показывающим традиционное полупроводниковое устройство.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже описан один вариант воплощения настоящего изобретения со ссылкой на фигуры. Фиг.1 является видом в сечении, показывающим эскиз полупроводникового устройства согласно этому варианту воплощения настоящего изобретения. Фиг.2 является видом сверху этого полупроводникового устройства. Фиг.1 соответствует виду в сечении X-X, показанном на Фиг.2. Фиг.1 и Фиг.2 показывают только ту область, где образована контактная площадка, а другие области (области, где образованы внутренняя схема и другие контактные площадки) на полупроводниковой подложке для простоты опущены.
Элементы 2 устройства, состоящие из множества полупроводниковых элементов, таких как транзисторы и конденсаторы, образованы на поверхности полупроводниковой подложки 1, которая выполнена из кремния или тому подобного. Элементы 2 устройства составляют, например, логическую схему или схему возбуждения. Первый слой 3 межсоединений, который электрически соединен с элементами 2 устройства или другими полупроводниковыми элементами, образован на поверхности полупроводниковой подложки 1 через изоляционную пленку 4, которая выполнена из пленки оксида кремния или тому подобного. Первый слой 3 межсоединений выполнен, например, из алюминия. Второй слой 8 межсоединений, третий слой 11 межсоединений и четвертый слой 15 межсоединений, которые будут описаны ниже, выполнены подобным же образом.
На изоляционной пленке 4 образована первая межслойная изоляционная пленка 6, имеющая сквозные отверстия 5а, с покрытием первого слоя 3 межсоединений. В каждом из сквозных отверстий 5а образован первый проводящий слой 7, выполненный из вольфрама, алюминия или тому подобного. Между первой межслойной изоляционной пленкой 6 и первым проводящим слоем 7 образован барьерный металлический слой (например, из сплава вольфрама и титана (TiW) или из нитрида титана (TiN)), хотя он и не показан на фигуре. Аналогичным образом барьерный металлический слой образован между второй межслойной изоляционной пленкой 9 и вторым проводящим слоем 10 и между третьей межслойной изоляционной пленкой 13 и третьим проводящим слоем 14.
Второй слой 8 межсоединений, электрически соединенный с первым слоем 3 межсоединений посредством первого проводящего слоя 7, образован на первой межслойной изоляционной пленке 6. Вторая межслойная изоляционная пленка 9, имеющая сквозные отверстия 5b, образована на первой межслойной изоляционной пленке 6 c покрытием второго слоя 8 межсоединений, а второй проводящий слой 10 образован в каждом из сквозных отверстий 5b.
Третий слой 11 межсоединений, электрически соединенный со вторым слоем 8 межсоединений посредством второго проводящего слоя 10, образован на второй межслойной изоляционной пленке 9. Предпочтительно, когда третий слой 11 межсоединений расположен так, чтобы перекрывать четвертый слой 15 межсоединений, и является большим по площади, чем отверстие (контактное отверстие 16, которое будет описано) в защитной пленке 17. При вышеописанной структуре третий слой 11 межсоединений служит останавливающим слоем межсоединений для сдерживания распространения вниз трещин за счет ослабления (релаксации) нагрузки, прикладываемой к четвертому слою 15 межсоединений, а также служит электрическим межсоединением между вторым слоем 8 межсоединений и четвертым слоем 15 межсоединений. Третья межслойная изоляционная пленка 13, имеющая сквозные отверстия 12, образована на второй межслойной изоляционной пленке 9 с покрытием третьего слоя 11 межсоединений. Третий проводящий слой 14 образован в каждом из сквозных отверстий 12.
Четвертый слой 15 межсоединений, который электрически соединен с третьим слоем 11 межсоединений посредством третьего проводящего слоя 14, образован на третьей межслойной изоляционной пленке 13. Четвертый слой 15 межсоединений составляет самый верхний слой межсоединений в настоящем варианте воплощения и служит контактной площадкой. Следовательно, при испытаниях с использованием зонда измерительный зонд касается четвертого слоя 15 межсоединений, а при монтаже проводных соединений металлический выводной провод соединяется с четвертым слоем 15 межсоединений. Четвертый слой 15 межсоединений перекрывается с элементами 2 устройства и соединенными с ними проводами разводки, если смотреть из положения, находящегося вертикально над полупроводниковой подложкой 1, так что площадь разводки и размер полупроводникового устройства уменьшены. Защитная пленка 17, имеющая контактное отверстие 16 на четвертом слое 15 межсоединений, образована на третьей межслойной изоляционной пленке 13.
Признак данного варианта воплощения состоит в структуре, состоящей из сквозного отверстия 12, третьей межслойной изоляционной пленки 13 и третьего проводящего слоя 14. А именно, третья межслойная изоляционная пленка 13 согласно данному варианту воплощения структурирована путем упорядоченного расположения множества имеющих форму шестиугольного столбика межслойных изоляционных пленок 13а через равные интервалы в направлении сверху вниз, в направлении слева направо и в направлении по диагонали, как показано на Фиг.2. И при этом сквозное отверстие 12 и третий проводящий слой 14 образованы с окружением каждой из имеющих форму шестиугольного столбика межслойных изоляционных пленок 13а. Если ширина имеющей форму шестиугольного столбика межслойной изоляционной пленки 13а равна X1, а ширина третьего проводящего слоя 14 равна X2, то X1 выполнена равной, например, приблизительно двум X2. Так как имеющие форму шестиугольного столбика межслойные изоляционные пленки 3а вместе образуют сотовый рисунок расположения, то структуру, состоящую из третьей межслойной изоляционной пленки 13 и третьего проводящего слоя 14, далее называют сотовой структурой.
Сотовую структуру образуют, например, с помощью следующего производственного процесса. Сначала на второй межслойной изоляционной пленке 9 и третьем слое 11 межсоединений осаждают межслойную изоляционную пленку, такую как пленка оксида кремния, и наносят слой резиста для того, чтобы придать межслойной изоляционной пленке форму сотового рисунка расположения. Далее в этой межслойной изоляционной пленке формируют рисунок, используя слой резиста в качестве маски, с образованием имеющих форму шестиугольного столбика межслойных изоляционных пленок 13а и сквозных отверстий 12. Когда X1 должна быть выполнена составляющей приблизительно две X2, слой резиста проектируют так, чтобы X1 составляла приблизительно три X2. Далее, в сквозные отверстия 12 «заглубляют» (вводят) металлический материал, такой как вольфрам или алюминий, и этот металлический материал, осажденный вне сквозных отверстий 12, затем удаляют с помощью ХМП (химико-механического полирования) с образованием третьего проводящего слоя 14 и завершают сотовую структуру согласно этому варианту воплощения.
Третий проводящий слой 14 и четвертый слой 15 межсоединений могут быть образованы за один технологический этап одновременным введением алюминия в сквозные отверстия 12 и осаждением алюминия на третьей изоляционной пленке 13. Или же четвертый слой 15 межсоединений, выполненный из алюминия, может быть образован на отдельном технологическом этапе после образования третьего проводящего слоя 14 введением вольфрама в сквозные отверстия 12.
Далее на конкретных примерах будут описаны частоты возникновения трещин в структуре (называемой ниже первой структурой) полупроводникового устройства согласно этому варианту воплощения при испытаниях с использованием зонда. Частоты возникновения трещин (частоты повреждений) между четвертым слоем 15 межсоединений и третьим слоем 11 межсоединений (4М-3М трещин) и частоты возникновения трещин (частоты повреждений) между третьим слоем 11 межсоединений и вторым слоем 8 межсоединений (3М-2М трещин) измеряли, используя два типа зондовых плат, которые представляли собой зондовую плату А и зондовую плату В. Хотя величина просадки (сила зондирования) при обычных зондовых испытаниях, проводимых в процессе производства полупроводникового устройства, составляет примерно 30 мкм, во время данных испытаний проверку проводили три раза для каждого уровня при пяти уровнях большей величины просадки, чем при обычных зондовых испытаниях, для исследования влияния первой структуры на ослабление механического напряжения (см. результаты оценок, показанные на Фиг.3). Зонды зондовой карты А являются более гибкими при зондовых испытаниях, чем зонды зондовой карты В.
Аналогичные зондовые испытания были проведены для структуры (второй структуры), которая уже описана со ссылкой на Фиг.5 и Фиг.6, и для структуры (третьей структуры), которая уже описана со ссылкой на Фиг.7 и Фиг.8, в качестве примеров сравнения с результатами испытаний первой структуры.
Как видно из результатов оценок, показанных на Фиг.3, в том случае, когда использовалась зондовая карта А, частоты возникновения 4М-3М трещин (частоты повреждений) между четвертым слоем 15 межсоединений и третьим слоем 11 межсоединений составляли 94,1-100% во второй структуре и 51,5-100% в третьей структуре, тогда как частоты возникновения 4М-3М трещин в первой структуре составляли 58,8-100%. Когда использовалась зондовая карта В, частоты возникновения 4М-3М трещин составляли 96,1-100% во второй структуре и 93,1-100% в третьей структуре, тогда как частоты возникновения 4М-3М трещин составляли 84,3-100% в первой структуре. Как описано выше, очевидно, что частоты возникновения 4М-3М трещин между четвертым слоем 15 межсоединений и третьим слоем 11 межсоединений значительно уменьшены в первой и третьей структурах по сравнению со второй структурой.
При рассмотрении надежности полупроводникового устройства важно, достигает ли механическое напряжение полупроводниковых элементов. С этой точки зрения были изучены частоты возникновения 3М-2М трещин между третьим слоем 11 межсоединений и вторым слоем 8 межсоединений.
Как видно из результатов оценок, показанных на Фиг.3, в том случае, когда использовалась зондовая карта А, частоты возникновения 3М-2М трещин (частоты повреждений) между третьим слоем 11 межсоединений и вторым слоем 8 межсоединений составляли 0,00-0,47% во второй структуре и 0,00-0,58% в третьей структуре. В обеих структурах 3М-2М трещины появлялись, когда величина просадки составляла 105 мкм. С другой стороны, в первой структуре частоты возникновения 3М-2М трещин составляли 0,00% для любой величины просадки, включая 105 мкм. Эти результаты показывают, что первая структура является более эффективной по сдерживанию распространения механического напряжения вниз за третий слой 11 межсоединений по сравнению с другими структурами.
Когда использовалась зондовая карта В, частоты возникновения 3М-2М трещин составляли 0,00-3,02% во второй структуре и 0,00-1,40% в третьей структуре. В обеих структурах 3М-2М трещины появлялись, когда величина просадки составляла 95 мкм и 105 мкм. С другой стороны, в первой структуре частота возникновения 3М-2М трещин составляла 0,00% вплоть до просадки в 95 мкм и оставалась равной лишь 0,23% даже в случае, когда величина просадки составляла 105 мкм. Когда величина просадки составляла 105 мкм, частота возникновения 3М-2М трещин в первой структуре составляла 1/15 от этой частоты во второй структуре и 1/7 от этой частоты в третьей структуре. Эти результаты также показывают, что первая структура является значительно более эффективной по сдерживанию распространения механического напряжения вниз за третий слой 11 межсоединений по сравнению с другими структурами.
Из описанных выше результатов испытаний с использованием зонда очевидно, что первая структура является более эффективной по сдерживанию распространения механического напряжения вниз за второй слой 8 межсоединений и третий слой 11 межсоединений и делает более трудным достижение механическим напряжением полупроводниковых элементов по сравнению с другими структурами. Подтверждено, что даже после монтажа проводных соединений, а также после герметизации формовочной смолой, первая структура более устойчива к возникновению трещин и более эффективна по сдерживанию распространения механического напряжения вниз за второй слой 8 межсоединений и третий слой 11 межсоединений по сравнению с другими структурами.
Как описано выше, при структуре согласно этому варианту воплощения механическое напряжение, прикладываемое к контактной площадке (четвертому слою 15 межсоединений), ослабляется с помощью сотовой структуры (третьей межслойной изоляционной пленки 13 и третьего проводящего слоя 14) не только при зондовых испытаниях, но также при монтаже проводных соединений, при образовании контактных электродов и при герметизации. В результате этого сдерживается распространение вниз физических повреждений за сотовую структуру с улучшением надежности полупроводникового устройства.
Дополнительно, даже когда трещины появляются в некоторых из третьих межслойных изоляционных пленок 13а, эти трещины не распространяются легко в другие межслойные изоляционные пленки 13а, так как каждая из имеющих форму шестиугольного столбика межслойных изоляционных пленок 13а отделена от другой третьим проводящим слоем 14.
В вышеописанном варианте воплощении X1 составляет приблизительно две X2. Однако настоящее изобретение не ограничивается этим.
Тщательное исследование поверхности четвертого слоя 15 межсоединений показало, что четвертый слой 15 межсоединений был зазубренным в областях над третьим проводящим слоем 14 по сравнению с четвертым слоем 15 межсоединений в областях над имеющими форму шестиугольных столбиков межслойными изоляционными пленками 13а. Очевидно, что прочность соединения между соединительным проводом и четвертым слоем 15 межсоединений ослабляется, когда поверхность четвертого слоя 15 межсоединений сильно зазубрена.
Для решения вышеописанной проблемы была изучена прочность соединения для каждого из случаев, когда X2 составляет две, три, четыре, шесть, восемь и десять X1. Более конкретно, было посчитано количество неудачных соединений, которые представляли собой отсоединения соединительного провода от четвертого слоя 15 межсоединений при проведении подсоединения приблизительно 2000 соединительных проводов. В случае, когда X1 составляла две X2, были обнаружены два неудачных соединения, при которых соединительный провод отсоединился от четвертого слоя 15 межсоединений. С другой стороны, в случае, когда X1 составляла три, четыре, шесть, восемь или десять X2, неудачные соединения не были обнаружены. Следовательно, предпочтительно, чтобы X1 была больше или равна трем X2, для того, чтобы обеспечить достаточную прочность соединения между соединительным проводом и четвертым слоем 15 межсоединений.
Выполнение X1 большей или равной трем X2 особенно эффективно в том случае, когда четвертый слой 15 межсоединений, выполненный из металлического материала, такого как алюминий, образуют на отдельном технологическом этапе после образования третьего проводящего слоя 14 введением металлического материала, такого как вольфрам, в сквозные отверстия 12 и выравниванием третьего проводящего слоя 14 протравливанием, так как третий проводящий слой 14 после протравливания легче зазубривается по сравнению с поверхностью третьей межслойной изоляционной пленки 13.
Очевидно, что настоящее изобретение не ограничено вышеописанным вариантом воплощения и может быть изменено в пределах объема изобретения.
Например, настоящее изобретение может быть применено к четырем или более чем четырем слоям многослойной структуры межсоединений. Настоящее изобретение применимо к многослойной структуре межсоединений, включающей в себя два или более чем два слоя межсоединений. То есть достаточно уже того, чтобы по меньшей мере одна из межслойных изоляционных пленок, образованных между самым верхним слоем межсоединений (контактной площадкой) и самым нижним слоем межсоединений, была выполнена из описанных выше имеющих форму шестиугольного столбика межслойных изоляционных пленок и чтобы проводящий слой был образован так, что он окружает каждую из этих имеющих форму шестиугольного столбика межслойных изоляционных пленок. Хотя формы четвертого слоя 15 межсоединений и третьего слоя 11 межсоединений являются квадратными на виде сверху, показанном на Фиг.2, они могут иметь другие формы, такие как прямоугольник или треугольник. Настоящее изобретение может широко применяться в качестве технологии ослабления прикладываемого к контактной площадке механического напряжения в полупроводниковом устройстве, имеющем многослойную структуру межсоединений.
Согласно этому варианту воплощения настоящего изобретения механическое напряжение, прикладываемое к контактной площадке, ослабляется сотовой структурой, выполненной из имеющих форму шестиугольного столбика межслойных изоляционных пленок и проводящего слоя.