降低應力遷移的多重金屬內連線布局的製作方法
2023-06-10 15:59:11
專利名稱：降低應力遷移的多重金屬內連線布局的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種多重金屬內連線(Multilevel Interconnects)的布局設計，特別涉及一種可降低多重金屬內連線的熱應力遷移(Stress Migration)的布局。
背景技術：
隨著半導體技術的進步，集成電路元件的尺寸也持續微縮化，當集成電路的集成度(Integration)增加時，晶片的表面無法提供足夠的面積來製作所需的內連線。因此，為了配合元件縮小後所增加的內連線，目前超大規模集成電路(Very LargeScale Integration；VLSI)的結構大都採用多重金屬內連線的設計。
在多重金屬內連線結構中，每一層的內連線層通常包括有數條金屬導線，而金屬導線間則填有介電材料來隔離金屬導線。另外，相鄰的兩內連線層之間也利用介電材料層予以隔開。由於金屬內連線與介電材料的熱膨脹係數差異相當大，因此當多重金屬內連線所處的環境的溫度產生較大的變化時，金屬內連線與介電材料所受到的熱應力差異也非常大，而使多重金屬內連線結構內產生了所謂的應力遷移。
由於材料層的尺寸大小同樣會影響材料層因熱變化所引發的膨脹與收縮，因此熱應力遷移也常見於大面積的金屬層100與相鄰內連線層的小面積的金屬突出部(Metal Tab)102的接合上，如圖1所示。請一併參照圖2，圖2繪示沿圖1的I-I剖面線所獲得的剖面圖，並且在圖1中僅繪示出金屬層、金屬突出部以及介層窗之間的對應關係。金屬突出部102具有介層窗104，用來電性連接另一內連線層的金屬層108，其中介層窗104與金屬層108位於介電層110中，如圖2所示。當圖2的金屬連線結構暴露在溫度急遽變化的環境下而產生膨脹時，金屬層100膨脹的程度遠大於金屬突出部102膨脹的程度，而將金屬突出部102往外推移；而當圖2的金屬連線結構因熱變化而產生收縮時，金屬層100收縮的程度遠大於金屬突出部102收縮的程度，而將金屬突出部102向金屬層100的方向拉扯。這樣一來，極易減低金屬突出部102上的介層窗104與金屬層108的接合力，情況嚴重的話，甚至會導致介層窗104與金屬層108分離，從而造成內連線結構的電路斷路。
此外，金屬層100的溫度上升時，金屬層100內部的微小孔洞(未繪示)會擴散並聚集在介層窗104與金屬突出部102的接合處，當微小孔洞聚集的數量增加到一定程度時，會使介層窗104與金屬突出部102的接合處裂開，甚至導致介層窗104與金屬突出部102完全分開，而形成電路斷路，嚴重影響內連線結構的電性可靠度。
發明內容
鑑於上述的背景技術中，由於大面積的金屬層與小面積的金屬突出部間的面積差異過大，而使兩者之間存在相當大的熱應力差異，進而產生應力拉扯，造成金屬層與介層窗分離而產生斷路。此外，受到熱應力的影響，金屬層所產生的微小孔洞極易聚集在金屬層與介層窗的介面並產生裂縫，而使金屬層與介層窗分開，進而造成多重金屬內連線的電路形成斷路。
因此，本實用新型的一目的就是提供一種降低熱應力遷移的多重金屬內連線布局，其在金屬層上設置例如介電溝槽，來作為微小孔洞擴散阻障或孔洞槽。這樣一來，可有效避免微小孔洞因熱應力的驅使而聚集在介層窗與金屬層間進而導致裂縫的產生，甚至造成電路斷路。因此，可提升產品可靠度。
本實用新型的另一目的就是提供一種多重金屬內連線布局，其利用面積漸縮方式連接大面積金屬層與小面積金屬突出部。由於材料面積大小會影響熱應力的大小，因此可減小大面積金屬層與小面積金屬突出部之間的熱應力差異，進而有效降低熱應力遷移。
根據以上所述的目的，本實用新型提供了一種降低應力遷移的多重金屬內連線布局，至少包括一金屬層；一金屬突出部，其中此金屬突出部與上述金屬層的一邊緣接合；以及一阻障區位於上述金屬層上，並且此阻障區鄰近上述金屬層的與金屬突出部接合的邊緣。其中，阻障區為一介電溝槽，其內填充有介電材料。
藉由金屬層上的阻障區，可阻隔金屬層因熱所產生的微小孔洞，並可使這些微小孔洞聚集在此阻障區旁。這樣一來，可有效防止這些微小孔洞聚集在金屬層與介層窗的介面，而避免在金屬層與介層窗之間產生裂縫，進而達到改善多重金屬內連線的電性可靠度的目的。
根據以上所述的目的，本實用新型提供了一種降低應力遷移的多重金屬內連線布局，至少包括一金屬層；以及一金屬突出部與上述金屬層的一邊緣接合，其中此金屬突出部的面積小於金屬層的面積，並且此金屬突出部的面積從與上述金屬層接合的邊緣逐漸遞減。
由於金屬突出部的面積從與上述金屬層接合的邊緣逐漸遞減，因此可減緩金屬層與金屬突出部之間的熱應力差異，這樣一來，可避免金屬層與介層窗因熱應力拉扯而分離造成電路斷路，可確保多重金屬內連線的電性可靠度。
根據以上所述的目的，本實用新型提供了一種降低應力遷移的多重金屬內連線布局，至少包括一金屬層；以及一金屬突出部與上述金屬層的一邊緣接合，其中此金屬突出部的面積遠小於上述金屬層的面積，並且此金屬突出部至少包括數個介層窗。這些介層窗可用來電性連接上述金屬層與另一金屬層。
藉由在金屬突出部上增加多個介層窗，可大幅提高金屬突出部抗應力遷移的能力。因此，可避免因應力拉扯而導致金屬層與介層窗分離，從而可達到提升多重金屬內連線的電性可靠度以及產品合格率的目的。
圖1繪示現有內連線層布局的部分布局的俯視示意圖；圖2繪示沿圖1的I-I剖面線所獲得的剖面圖，在圖1中僅繪示出金屬層、金屬突出部以及介層窗之間的對應關係；圖3繪示本實用新型的第一較佳實施例的內連線層布局俯視示意圖；圖4a繪示沿圖3的II-II剖面線所獲得的第一種剖面圖，在圖3中僅繪示出金屬層、金屬突出部、介層窗以及阻障區之間的對應關係；圖4b繪示沿圖3的II-II剖面線所獲得的第二種剖面圖；圖4c繪示本實用新型第一較佳實施例的具有多重阻障區的內連線層布局的剖面圖；圖4d繪示本實用新型第一較佳實施例的具有多重阻障區的內連線層布局的剖面圖；圖5繪示本實用新型的第二較佳實施例的內連線層布局的俯視示意圖；圖6繪示沿圖5的III-III剖面線所獲得的剖面圖，在圖5中僅繪示出金屬層、金屬突出部以及介層窗之間的對應關係；圖7繪示本實用新型的第三較佳實施例的內連線層布局的俯視示意圖；以及圖8繪示沿圖7的IV-IV剖面線所獲得的剖面圖，在圖7中僅繪示出金屬層、金屬突出部以及介層窗之間的對應關係。
具體實施方式
本實用新型揭露一種降低應力遷移的多重金屬內連線布局，可在大面積的金屬層上設置微小孔洞的擴散阻障，以避免微小孔洞聚集在介層窗與金屬層的接合面上。或者可用漸縮方式形成小面積金屬突出部，以緩和大面積金屬層與金屬突出部的面積差異。另外，還可在小面積金屬突出部上增加介層窗的數量，用來將應力的衝擊分散。因此，可增加多重金屬內連線的可靠度，進而達到提升產品合格率的目的。為了使本實用新型的敘述更加詳盡與完備，可參照下列描述並配合圖3至圖8的圖示。
請參照圖3，圖3繪示本實用新型的第一較佳實施例的內連線層布局的俯視示意圖。此內連線布局的製作方式，請一併參照圖4a，首先提供內連線層208，而此內連線層208至少包括金屬突出部202以及金屬層200，並且金屬突出部202與金屬層200的一邊連接。其中，金屬層200的面積遠比金屬突出部202的面積大。接著，形成介電層212覆蓋在內連線層208的金屬層200與金屬突出部202上。再在金屬突出部202上的介電層212中形成介層窗204與金屬層210，並在金屬層200上的介電層212中形成貫穿介電層212的阻障區206，如圖4a所示。其中，介層窗204可使此內連線層208與其相臨的內連線層的金屬層210電性連接。上述阻障區206的位置較佳是鄰近於金屬層200與金屬突出部202相接合的一邊，並且阻障區206的範圍較佳是能包括金屬突出部202的範圍。阻障區206的材料可與介電層212的材料相同，也可與介電層212的材料不同，僅需在阻障區206與介電層212間形成介面就可以。阻障區206的形狀可例如為長條形、十字形、方形、L形、框形或Z形等等，並不限於圖3所示的阻障區206的長條形。
在本實用新型中，阻障區206可如同圖4a所示一樣貫穿介電層212，也可提供如同圖4b所示一樣僅從金屬層200向上延伸至介電層212的一部分而並未貫穿介電層212的阻障區214。另外，請參照圖4c，也可在介電層212中設置多個貫穿介電層212的阻障區216；或如同圖4d所示一樣多個僅從金屬層200向上延伸至介電層212的一部分而並未貫穿介電層212的阻障區218，本實用新型並不在此作限制。
請再次參照圖3，在內連線層208中，當金屬層200受熱時，熱應力會引發微小孔洞擴散，這些微小孔洞在朝金屬突出部202的介層窗204擴散時，阻障區206就如同擴散阻障一般，可大幅增加微小孔洞的擴散路徑。除此之外，由於阻障區206與金屬層200之間的介面屬高度不穩定的區域，形成自由能阻限(Free-energyTrap)而將微小孔洞阻限住，如同孔洞槽一樣。這樣一來，可阻止微小孔洞擴散並聚集在介層窗204與金屬突出部202的介面間，從而避免內連線介層窗與另一內連線層分離，進而防止內連線路形成斷路，達到提高多重金屬內連線的可靠度的目的。
請參照圖5，圖5繪示本實用新型的第二較佳實施例的內連線層布局的俯視示意圖。此內連線布局的製作方式，請一併參照圖6，首先提供內連線層310，其中此內連線層310至少包括金屬層300以及金屬突出部306，並且金屬層300的面積及寬度w3均大於金屬突出部306的面積及寬度。此外，金屬突出部306由第一部分302與第二部分304所構成，其中第一部分302的面積大於第二部分304的面積，並且第一部分302的寬度w2大於第二部分304的寬度w1。金屬突出部306中面積較大的第一部分302的一邊與金屬層300的一邊連接，而金屬突出部306的第一部分302的另一邊則連接金屬突出部306中面積較小的第二部分304。接著，形成介電層314覆蓋在內連線層310的金屬層300與金屬突出部306上。再利用例如光刻、蝕刻、沉積以及化學機械研磨的方式在金屬突出部306的第二部分304上的介電層314中形成介層窗308，並在介層窗308上的介電層314中形成另一內連線層的金屬層312，如圖6所示。其中，介層窗308可用來電性連接內連線層310及與此內連線層310相臨的內連線層的金屬層312。
應該注意的一點是，在本實用新型的第二較佳實施例中，金屬突出部306雖僅由兩個面積及寬度均具有落差的第一部分302與第二部分304構成，但是，本實用新型的金屬突出部306的設計為以面積及寬度漸縮方式，也就是使金屬突出部306的面積與寬度從與金屬層300接合邊開始漸次遞減就可以。金屬突出部306並不限於由多少層次部分所構成，金屬突出部306的面積與寬度也可呈平順遞減。
由於金屬突出部306面積與寬度從與金屬層300接合處逐漸遞減，因此可有效減緩大面積的金屬層300與小面積的金屬突出部306間的面積差異，進而減低金屬層300與金屬突出部306間的應力差距。這樣一來，可達到降低多重金屬內連線的應力遷移的目的，進而提升多重金屬內連線的可靠度，並增加產品合格率。
請參照圖7，圖7繪示本實用新型的第三較佳實施例的內連線層布局的俯視示意圖。此內連線布局的製作方式，請一併參照圖8，首先提供內連線層408，此內連線層408至少包括金屬突出部402與金屬層400，並且金屬突出部402與金屬層400的一邊連接。其中，金屬層400的面積遠比金屬突出部402的面積大。接著，形成介電層412覆蓋在內連線層408的金屬層400與金屬突出部402上。再利用例如光刻、蝕刻、沉積以及化學機械研磨的方式在金屬突出部402上的介電層412中形成介層窗404以及介層窗406，並在介層窗404以及介層窗406上的介電層412中形成另一內連線層的金屬層410，如圖8所示。其中，介層窗404以及介層窗406可用來電性連接內連線層408及與此內連線層408相臨的內連線層的金屬層410。
藉由介層窗404以及介層窗406的設置，不僅可分攤大面積的金屬層400與小面積的金屬突出部402間的熱應力差，並可增加內連線結構的結構強度。因此，可避免介層窗因熱應力的拉扯與推移而與電性連接的另一內連線層分離而形成斷路。因此，可有效降低多重金屬內連線的應力遷移及電致遷移，並減低多重金屬內連線產生斷路的可能性，從而大幅增加產品可靠度與合格率，達到提升產品品質的目的。
雖然，在本實用新型的第三較佳實施例中，金屬突出部402上的介層窗數量只設置兩個，但是，本實用新型金屬突出部的介層窗的數量可依照工藝需求再行增加，並不限於兩個，但至少需兩個以上。
值得注意的一點是，以上所述的三種實施例可依照工藝需求搭配施行，也就是本實用新型的第一實施例的設計可與第二實施例的設計結合，或與第三實施例的設計結合，而第二實施例的設計也可與第三實施例的設計結合，甚至可同時結合三個實施例的布局設計，更能有效降低多重金屬內連線的應力遷移及電致遷移，從而達到提升多重金屬內連線的可靠度的目的。
綜上所述，本實用新型的一優點就是因為藉由在金屬層上設置孔洞擴散阻障，可有效避免微小孔洞聚集在介層窗與金屬層間而導致電路斷路。因此，可達到提升產品可靠度與合格率的目的。
本實用新型的又一優點就是因為利用面積漸縮方式設置小面積金屬突出部，可緩和大面積金屬層與小面積金屬突出部之間的熱應力差異。因此，可有效降低應力遷移，達到提升產品品質的目的。
本實用新型的另一優點就是因為藉由增加小面積的金屬突出部上的介層窗數量，可利用這些介層窗分攤所有因熱應力差異所導致的應力遷移力量。因此，可有效避免電路斷路，達到提高產品電性穩定度的目的。
可以理解的是，對於本領域的普通技術人員來說，可以根據本實用新型的技術方案和技術構思作出其他各種相應的改變和變形，而所有這些改變和變形都應屬於本實用新型所附的權利要求的保護範圍。
權利要求1.一種降低應力遷移的多重金屬內連線布局，其特徵在於所述的連線布局至少包括，一金屬層；一金屬突出部，其中該金屬突出部與該金屬層的一邊緣接合；以及一阻障區位於該金屬層上。
2.根據權利要求1所述的降低應力遷移的多重金屬內連線布局，其特徵在於所述的金屬突出部上還至少包括一介層窗，並且該介層窗可用來電性連接另一金屬層。
3.根據權利要求1所述的降低應力遷移的多重金屬內連線布局，其特徵在於所述的金屬突出部上具有數個介層窗，並且這些介層窗可用來電性連接另一金屬層。
4.根據權利要求1所述的降低應力遷移的多重金屬內連線布局，其特徵在於所述的金屬層的面積大於該金屬突出部的面積，並且該金屬突出部的面積從該金屬層的該邊緣逐漸縮減。
5.根據權利要求1所述的降低應力遷移的多重金屬內連線布局，其特徵在於所述的阻障區為一介電溝槽。
6.根據權利要求1所述的降低應力遷移的多重金屬內連線布局，其特徵在於所述的阻障區鄰近該金屬層的該邊緣。
專利摘要一種降低應力遷移(Stress Migration)的多重金屬內連線(Multilevel Interconnects)布局，其可在大面積金屬層上加入擴散阻障(Diffusion Block)或孔洞槽(Vacancy Sink)，以避免微小孔洞因熱應力聚集而導致電路產生斷路。也可在大面積金屬層與小面積金屬突出部之間以漸縮方式進行連接，以減低兩者的熱應力差異。或者，增加小面積金屬突出部的介層窗的數量，以增加對熱應力遷移的抵抗能力。
文檔編號H01L23/52GK2746534SQ200420118360
公開日2005年12月14日 申請日期2004年10月13日 優先權日2004年10月13日
發明者範淑貞, 胡頂達 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司