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JP3974470B2 - 半導体装置 - Google Patents

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JP3974470B2 JP2002212908A JP2002212908A JP3974470B2 JP 3974470 B2 JP3974470 B2 JP 3974470B2 JP 2002212908 A JP2002212908 A JP 2002212908A JP 2002212908 A JP2002212908 A JP 2002212908A JP 3974470 B2 JP3974470 B2 JP 3974470B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層配線構造を有する半導体装置に係り、特にCuを配線材料に使った多層配線における配線とビアコンタクトのデザインルールに関するもので、例えばCMOSLSI(相補性絶縁ゲート型半導体集積回路)に適用されるものである。
【0002】
【従来の技術】
多層配線構造を有するLSIにおいて、配線とビアコンタクトの低抵抗化および信頼性向上の面から、配線材料として、従来のAlに代えてCuが用いられるようになってきている。
【0003】
しかし、Cuを材料として用いた配線およびビアコンタクトが特定のパターンの場合には、その製造工程におけるストレスマイグレーションによるコンタクト不良(信頼性不良)が発生することが判明した。この点を以下に説明する。
【0004】
図13は、従来のCMOSLSIに多層配線を形成する際、Cuを材料として用いた配線およびビアコンタクトのパターンの一例を示す。
【0005】
91は下層配線であり、その幅をW、長さをL、膜厚をDで示している。92は上層配線、92aは下層配線91に上層配線92を接続するためのビアコンタクトである。この場合、Wがある値以上の幅が広い下層配線91に上層配線から単一(1個)のビアコンタクト92を落とした製品は、高温試験でのストレスマイグレーションによってコンタクト不良が発生することが判明した。
【0006】
図14は、図13中に示した配線およびビアコンタクトを有する多層配線が設けられたCMOSLSIに対してSM試験(例えば225℃、300時間)を行うことで得られた不良率の配線幅依存性の一例であり、縦軸は累積不良(Cumulative failure (A.U))、横軸は下層配線の配線幅(Metal Width (μm))を示している。
【0007】
この特性は、図13に示したように下層配線91に単一のビアコンタクト92aを接続させ、このような下層配線91の400個をビアコンタクト92aでチェーン接続した配線チェーンをサンプルとし、Lをパラメータ(10μm、20μm、30μm、50μm、100μm)とし、Wを変化させた場合の信頼性の不良率を測定した結果を示した。この結果では、Lが10μm以上の場合に、Wが2μmを越えると不良が発生し、Wが太くなると不良率は上昇している。
【0008】
図15は、図13に示した下層配線91に対するビアコンタクト92aのコンタクト不良に関する不良モデルを示している。ここで、下層配線91、上層配線92およびビアコンタクト92aは、それぞれCuが用いられている。
【0009】
上記したようなコンタクト不良が発生するメカニズムは次のように考えられる。下層配線(Cu配線)91上の層間絶縁膜(図示せず)に対して例えば反応性イオンエッチング(RIE) を用いてビアコンタクトホールを開口すると、ビアコンタクトホールの底面下に、ビアコンタクトホール形成時のエッチングや開口後の熱処理等によりダメージやストレス等が発生する。この結果、後工程でアニールによりCu配線91のCuの結晶粒を成長させる際、前記ダメージやストレス等が発生しているビアコンタクトホールの底面下(ビアコンタクトの底面)にCu配線91内のボイド(Void)が集約し、コンタクト不良を引き起こす。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来の半導体装置は、Cuを材料として用いた配線およびビアコンタクトが特定のパターンの場合(幅が広い配線に上層配線から単一のビアコンタクトを落とした場合)には、その製造工程における高熱処理に起因してコンタクト不良(信頼性不良)が発生するという問題があった。
【0011】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、Cuを材料として用いた多層配線の配線とビアコンタクトのデザインルールに所定の制限をつけることにより、多層配線の信頼性を向上させることが可能になる半導体装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、半導体基板上にCuを主成分とする多層配線が形成された半導体装置であって、前記多層配線中の下層配線に上層配線を接続するビアコンタクトは、前記下層配線の配線幅をW、配線長をL、膜厚をD、前記ビアコンタクトの径をZで表わすと、前記Lが20μm以下の範囲で、前記Dが0.25μm、前記Zが0.2μm以上で、前記Wが2μm以下の場合は1個設けられ、前記Wが2μmから20μmの範囲で、前記Lが10μmから100μmの範囲で、前記Dが0.25μm、前記Zが0.2μmの場合は、前記下層配線内のボイドがビアコンタクトホール形成時のエッチングや開口後の熱処理によりダメージやストレスが発生しているビアコンタクト底面部に集約するボイド実効拡散領域内に複数個設けられていることを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0014】
本発明者らの研究によれば、半導体基板上にCuを材料として用いた(主成分とする)配線およびビアコンタクトを有する多層配線が形成された半導体装置において、多層配線中の下層配線に上層配線を接続するためのビアコンタクトのコンタクト不良は、以下に述べるように配線およびビアコンタクトのパターンに依存することが判明した。
【0015】
(1)コンタクト不良は、下層配線の配線幅または配線膜厚に依存する。
【0016】
(2)コンタクト不良は、下層配線の端部に幅広の別の同一層配線が連なる場合には、当該同一層配線の配線幅または配線膜厚に依存する。
【0017】
(3)コンタクト不良は、ビアコンタクトの径に依存する。
【0018】
(4)コンタクト不良は、下層配線およびビアコンタクトを形成するプロセスの熱工程に依存する。
【0019】
そこで、本発明では、コンタクト不良を抑制するために次のようなデザインルールを採用する。
【0020】
(1)下層配線の配線幅または配線膜厚に応じて、下層配線に対するビアコンタクトの個数を変更する。
【0021】
(2)下層配線に複数のビアコンタクトをコンタクトさせる場合には、複数のビアコンタクトを所定領域内でコンタクト間距離が所定値以下となるように配置する。
【0022】
(3)下層配線の端部に、下層配線と同一層の配線が連なる場合には、当該同一層の配線の配線幅または配線膜厚に応じて、下層配線に対するビアコンタクトの個数を変更する。
【0023】
(4)下層配線の幅に応じてビアコンタクトの径を設定する。
【0024】
<第1の実施形態>
図1は、第1の実施形態における多層配線構造を有するCMOSLSIを概略的に示す断面図である。本例のCMOSLSIは、例えばSOI(シリコンオンインシュレータ)タイプであり、Cuを配線材料に使った例えば11層配線構造を有する。
【0025】
図中、11は半導体基板(本例ではPwellおよびNwell)、12は素子間分離領域(本例ではSTI)、13はMOSトランジスタのゲート酸化膜、14はMOSトランジスタのゲート電極、15はMOSトランジスタのソース/ドレイン領域、16は第1層間膜(絶縁膜)、17はコンタクト(プラグ)、18は第2層間膜(絶縁膜)、19は第1層メタル配線、20は第3層間膜(絶縁膜)、21はビアコンタクト、22は第2層メタル配線である。
【0026】
なお、第3層間膜20より上層の層間膜(絶縁膜)を23、第2層メタル配線22より上層のメタル配線を24、このメタル配線24に上層のメタル配線24を接続するビアコンタクトを25で示している。
【0027】
図2乃至図5は、図1のCMOSLSIの製造工程の一部を示す。
【0028】
まず、図2に示すように、半導体基板11に素子間分離領域12、MOSトランジスタのゲート酸化膜13、ゲート電極14およびソース/ドレイン領域15を形成する。その後、第1層間膜16として、リンあるいはボロンを含んだCVD酸化膜(SiO2 )を形成し、CMPを用いてCVD酸化膜を平坦化した後、コンタクト(プラグ)17を埋め込む。その後、第2層間膜18を形成し、溝18aの加工を行う。
【0029】
次に、図3に示すように、溝18a内にバリアメタル19aを介してCuを埋め込んだ後、CMPを用いて平坦化を行い、第1層メタル配線19を形成する。この場合、第1層メタル配線19の一部が前記コンタクト17の上部に接続されるように、前記第2層間膜18に対して溝18aの加工を行っておく。
【0030】
次に、図4に示すように、第3層間膜20を形成し、例えば反応性イオンエッチング(RIE) を用いてビアコンタクトホール20aと溝20bの加工を行う。
【0031】
次に、図5に示すように、ビアコンタクトホール20aおよび溝20b内にバリアメタル22aを介してCuを埋め込んだ後、CMPを用いて平坦化を行い、ビアコンタクト21および第2層メタル配線22を形成する。この場合、第2層メタル配線22の一部が前記ビアコンタクト21の上部に連なるように、前記第3層間膜20に対してビアコンタクトホール20aおよび溝20bの加工を行っておく。その後、上層配線を繰り返し形成するために、図5に示した工程を繰り返す。
【0032】
図6乃至図9は、図1のCMOSLSIの多層配線中の任意の下層配線31に上層配線32を接続するためのビアコンタクトのパターンの数例を示す。
【0033】
図6乃至図9において、下層配線31の大きさは、幅W、長さL、膜厚D、体積S(=WLD)で示される。
【0034】
図6に示すように、Wが所定値X以下の狭い下層配線(またはSが所定値以下の下層配線)31に対しては、上層配線32を接続するビアコンタクトとして、単一(1個)のビアコンタクト32aが設けられている。
【0035】
ここで、配線幅Wの所定値Xは膜厚Dに依存し、Dが厚いほどXを小さく(細く)する必要があり、ビアコンタクト32aの径Zが大きくなるほどXを大きく(太く)してよい。L=20μm、D=0.25μmの場合に、図11を参照して後述する測定結果から、X=2μm以下であることが判明している。
【0036】
これに対して、図7に示すように、Wが所定値Xを越える広い下層配線(またはSが所定値を越える下層配線)31に対しては、上層配線32を接続するビアコンタクトとして、複数個(本例では2個)のビアコンタクト32aが所定の領域内で相互間隔が所定間隔a以下離れた位置に設けられている。
【0037】
ここで、前記所定の領域とは、ビアコンタクトホール形成時のエッチングや開口後の熱処理等によりダメージやストレス等が発生しているビアコンタクト底面部にコンタクト不良を引き起こすようにCu配線内のボイド(Void)が集約するボイド実効拡散領域であり、複数個のビアコンタクトのうちで前記ボイドが最も集約したビアコンタクト(リダンダンシビアコンタクト)の底面中心から半径Rのほぼ円形領域である。
【0038】
図10は、Cu配線内のボイド実効拡散領域を説明するために示した。ここで、ビアコンタクト32aの底面中心からの領域半径Rは、拡散係数Dと拡散時間Tで定義できる。拡散係数Dは、Cuプロセスに依存し、本例ではR=25μmの場合を示している。
【0039】
上記したように、複数個(本例では2個)のビアコンタクト32aが設けられていると、下層配線31の熱処理により、下層配線31内のボイドは、一方のビアコンタクトの底面下と他方のビアコンタクトの底面下とで不均一となるように偏在して集約している。これにより、ボイドが最も集約したビアコンタクトはリダンダンシビアコンタクトとして作用し、残りのビアコンタクトのコンタクト特性の劣化が抑制され、信頼性の低下が抑制されることが判明している。
【0040】
一方、図8に示すように、Wが所定値X(例えば2μm)以下の狭い下層配線(またはSが所定値以下の下層配線)31の長さ方向の端部に別の同一層配線31aが連なっており、この同一層配線31aの配線幅Wが所定値X以下、または上記同一層配線31aのSが所定値以下である場合には、下層配線31に接続するビアコンタクトとして、単一(1個)のビアコンタクト32aが設けられている。
【0041】
これに対して、図9に示すように、Wが所定値X(例えば2μm)以下の狭い下層配線(またはSが所定値以下の下層配線)31の長さ方向の端部に別の同一層配線31aが連なっており、この同一層配線31aの配線幅Wが所定値Xを越える、または上記同一層配線31aのSが所定値を越える場合には、下層配線31に接続するビアコンタクトとして、所定の領域内で所定間隔以上離れた位置に複数個(本例では2個)のビアコンタクト32aが設けられている。
【0042】
図8および図9の構造において、下層配線31に対するビアコンタクト32aのコンタクト位置から、下層配線31に連なる同一層配線31aまでの距離Tが短い場合には、Cu配線の熱処理時に、同一層配線31a内のボイドがビアコンタクト32aのコンタクト位置に早く集約される。
【0043】
これに対して、下層配線31に対するビアコンタクト32aのコンタクト位置から、下層配線31に連なる同一層配線31aまでの距離Tが長い場合には、Cu配線の熱処理時に、同一層配線31a内のボイドはビアコンタクト32aのコンタクト位置に遅く集約される。
【0044】
また、下層配線に対するビアコンタクトのコンタクト位置から、下層配線に連なる同一層配線までの距離Tが一定である場合は、配線の熱処理時の温度が高いほど、配線内のボイドはビアコンタクトのコンタクト位置に早く集約される。
【0045】
図11は、図6または図8に示したように下層配線に1個のビアコンタクトを接続した多層配線が設けられたCMOSLSIに対してSM試験(例えば225℃、300時間)を行うことで得られた不良率のビアコンタクト径(Via Diameter)依存性の一例を示している。図中、縦軸は縦軸は累積不良(Cumulative failure (A.U))、横軸はVia diameter (μm)を示している。
【0046】
この特性は、L=20μm、D=0.25μm、W≦2μmの下層配線31に1個のビアコンタクトをコンタクトさせ、このような下層配線31の400個をビアコンタクトでチェーン接続した配線チェーンをサンプルとし、ビアコンタクト径Zを変化させた場合の不良率の測定結果を示した。
【0047】
この結果から、ビアコンタクト径Zを0.3〜0.2μm以上にすれば、コンタクト不良が発生しないことが分かる。
【0048】
図12は、図7または図9に示したように下層配線に2個のビアコンタクトを接続した多層配線が設けられたCMOSLSIに対してSM試験(例えば225℃、300時間)を行うことで得られた不良率の配線幅依存性の一例であり、縦軸は累積不良(Cumulative failure (A.U))、横軸は下層配線の配線幅(Metal Width (μm))を示している。
【0049】
この特性は、D=0.25μmの下層配線31に2個のビアコンタクト(それぞれのビア径は0.2μm)32aをコンタクトさせ、このような下層配線31の400個をビアコンタクトでチェーン接続した配線チェーンをサンプルとし、Lをパラメータ(10μm、20μm、30μm、50μm、100μm)とし、Wを変化させた場合の不良率の測定結果を示した。
【0050】
この結果によれば、Wが2μm以下から20μm程度までの広い範囲において、コンタクト不良が発生せず、従来例の説明で図14に示した不良率の配線幅依存性と比べて不良率が著しく改善されていることが分かる。
【0051】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を脱しない範囲で変更して実施することができる。例えば、層間膜の材料は、Si02 に限定されず、FSG(弗素シリケートガラス)、その他の材料でもよく、それらの積層でもよい。
【0052】
【発明の効果】
上述したように本発明の半導体装置によれば、Cuを材料として用いた多層配線の配線とビアコンタクトのデザインルールに所定の制限をつけることにより、多層配線の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態における多層配線構造を有するCMOSLSIを概略的に示す断面図。
【図2】図1のCMOSLSIの製造工程の一部を示す断面図。
【図3】図2の工程に続く工程を示す断面図。
【図4】図3の工程に続く工程を示す断面図。
【図5】図4の工程に続く工程を示す断面図。
【図6】図1のCMOSLSIにおける多層配線中の任意の下層配線に上層配線を接続するためのビアコンタクトのパターンの一例を示す斜視図。
【図7】図1のCMOSLSIにおける多層配線中の任意の下層配線に上層配線を接続するためのビアコンタクトのパターンの他の例を示す斜視図。
【図8】図1のCMOSLSIにおける多層配線中の任意の下層配線に上層配線を接続するためのビアコンタクトのパターンのさらに他の例を示す斜視図。
【図9】図1のCMOSLSIにおける多層配線中の任意の下層配線に上層配線を接続するためのビアコンタクトのパターンのさらに他の例を示す斜視図。
【図10】Cu配線内のボイド実効拡散領域を説明するための平面図。
【図11】図6または図8に示した下層配線に1個のビアコンタクトを接続した多層配線を有するCMOSLSIにおける不良率のビアコンタクト径依存性の一例を示す特性図。
【図12】図7または図9に示した下層配線に2個のビアコンタクトを接続した多層配線を有するCMOSLSIにおける不良率の配線幅依存性の一例を示す特性図。
【図13】従来のCMOSLSIに多層配線を形成する際、Cuを材料として用いた配線およびビアコンタクトのパターンの一例を示す斜視図。
【図14】図13に示した配線およびビアコンタクトを有する多層配線が設けられたCMOSLSIにおける不良率の配線幅依存性の一例を示す特性図。
【図15】図13に示した下層配線に対するビアコンタクトのコンタクト不良に関する不良モデルを示す断面図。
【符号の説明】
31…下層配線、
32…上層配線、
32a…ビアコンタクト。

Claims (3)

  1. 半導体基板上にCuを主成分とする多層配線が形成された半導体装置であって、
    前記多層配線中の下層配線に上層配線を接続するビアコンタクトは、前記下層配線の配線幅をW、配線長をL、膜厚をD、前記ビアコンタクトの径をZで表わすと、前記Lが20μm以下の範囲で、前記Dが0.25μm、前記Zが0.2μm以上で、前記Wが2μm以下の場合は1個設けられ、
    前記Wが2μmから20μmの範囲で、前記Lが10μmから100μmの範囲で、前記Dが0.25μm、前記Zが0.2μmの場合は、前記下層配線内のボイドがビアコンタクトホール形成時のエッチングや開口後の熱処理によりダメージやストレスが発生しているビアコンタクト底面部に集約するボイド実効拡散領域内に複数個設けられていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記複数個のビアコンタクトが設けられている下層配線は、熱処理により配線内のボイドが、前記複数個のビアコンタクトの各底面下に不均一な状態で集約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。
  3. 前記ボイド実効拡散領域は、複数個のビアコンタクトのうちで前記ボイドが最も集約したビアコンタクトの底面中心から半径Rのほぼ円形領域であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
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