專利名稱：金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及其制程的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種超大型集成電路(integrated circuits；ICs)的制程技術(shù)，特別是有關(guān)于一種多層金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)與制程，能夠降低因電流通過導(dǎo)線所產(chǎn)生的焦耳熱(joule heating)，以提升集成電路長久可靠度(long term reliability)表現(xiàn)。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體工業(yè)進入了超大型集成電路(integratedcircuits；ICs)的時代后，對于電路密度的持續(xù)提升，元件尺寸不斷縮小，而傳統(tǒng)后段金屬連線結(jié)構(gòu)的信號傳遞速度已明顯跟不上前段元件的信號傳播速度，并成為整體電路系統(tǒng)的速度或效率瓶頸。
而利用金屬導(dǎo)線所形成的后段金屬連線結(jié)構(gòu)可分為兩部分一為負(fù)責(zé)電路單元內(nèi)的元件與元件間的信號傳導(dǎo)的下層導(dǎo)線金屬，另一則為負(fù)責(zé)電路單元與單元間長距離的電氣信號傳輸?shù)纳蠈訉?dǎo)線金屬。上層金屬導(dǎo)線需有較低的電阻，因此通常會將導(dǎo)線的截面積予以增大，以減少信號的延遲與損耗；而下層金屬導(dǎo)線，因通過路徑較短，電阻較小，使得截面積可以大幅縮小以增加電路的集成密度。而其金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，多采用位于同一介電層內(nèi)的浮置(floating)導(dǎo)線，經(jīng)由適當(dāng)?shù)呐渲梅较蚺c適當(dāng)?shù)慕佑|結(jié)構(gòu)形成由不同層導(dǎo)線所連接而成的后段金屬連線(Backend of the line；BEOL)。
請參照圖1A，為依據(jù)已知技術(shù)的多層金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的上視圖，為簡化圖示在此僅以一雙層金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)表示。首先請先參照圖1B，為沿圖1A內(nèi)A-A’切線內(nèi)的剖面圖，以解說此雙層金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及其制程。
請參照圖1B，首先提供一半導(dǎo)體基底10，其上具有既有的元件結(jié)構(gòu)或金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，在此為簡化圖示，故以一平整的半導(dǎo)體基底10表示。接著形成一第一介電層12，且于其內(nèi)形成多個金屬導(dǎo)線，在此以第一導(dǎo)線14表示，其布置(layout)方向為垂直于紙面的第一方向。接著，形成一第二介電層16于上述的第一介電層12上，且于第二介電層16內(nèi)形成多個位于適當(dāng)位置的接觸插栓18，其作用為提供與上層金屬導(dǎo)線的接觸插栓(contactplugs)。接著，形成一第三介電層20于第二介電層16上，且于第三介電層20內(nèi)形成有多個金屬導(dǎo)線，在此僅以第二導(dǎo)線22表示，其配置(layout)方向為平行于紙面的第二方向。上述的第二導(dǎo)線22可經(jīng)由其下方的接觸插栓18與較下方的第一介電層12中的第一導(dǎo)線14連結(jié)，以形成一雙層的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。
而利用以上技術(shù)，可更依實際電路設(shè)計，增加介電層的層數(shù)，并于介電層內(nèi)完成所需的金屬導(dǎo)線與接觸插栓結(jié)構(gòu)，以更形成一較多層的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。如上視1A內(nèi)所示，其中第一導(dǎo)線14(較下層，以虛線表示)與第二導(dǎo)線22(較上層)，皆為位于不同介電層內(nèi)的浮置(floating)導(dǎo)線，是借由改變配置(layout)方向，并配合位于兩導(dǎo)線間介電層內(nèi)適當(dāng)位置的接觸插栓(在此為接觸插栓18)以形成導(dǎo)線間的電性接觸。
然而，隨著集成電路元件尺寸的縮小化，導(dǎo)線的連結(jié)層數(shù)需大幅地提升至六、七層以上，故明顯地，除了改善金屬導(dǎo)線與介電層的材料外，亦需改善其結(jié)構(gòu)，以符合而后的技術(shù)需求。
而銅制程的應(yīng)用已成為目前連結(jié)技術(shù)的主流，而搭配低介電常數(shù)(low k)材料更為當(dāng)今連結(jié)技術(shù)應(yīng)用的必然趨勢。然而，所應(yīng)用的銅金屬，雖較已知的鋁金屬具有較低的電阻值(銅1.67μΩ-cm；鋁2.7μΩ-cm)，但于導(dǎo)線通過電流(I)時仍因銅金屬本身具有的電阻值(R)，無可避免地產(chǎn)生如焦耳定律(Joule’s law)中所教導(dǎo)的由電能轉(zhuǎn)換成熱能的現(xiàn)象，其所產(chǎn)生的熱能即稱為焦耳熱(joule heating)，所產(chǎn)生的總熱能(Q)可依公式(1)估計，亦與電流通過時間(t)有正比關(guān)系。
Q＝I2×R×t(1)而因電流通過導(dǎo)線所產(chǎn)生的熱能，由于結(jié)構(gòu)因素，只能儲存于導(dǎo)線與其鄰近的介電層中，并利用熱傳導(dǎo)方式(heatconduction)，借由元件內(nèi)材質(zhì)間的熱傳導(dǎo)，將所產(chǎn)生的熱能往半導(dǎo)體基底方向傳導(dǎo)并最后經(jīng)由半導(dǎo)體基底將熱能散去，倘若不能順利地將導(dǎo)線所產(chǎn)生的焦耳熱散去，將會影響整體集成電路的可靠度表現(xiàn)。
目前，搭配低介電常數(shù)材料(low k dielectric)的銅制程，雖可借由銅導(dǎo)線周圍較低介電常數(shù)的材料以降低鄰近寄生電容的產(chǎn)生，然而隨著所使用的介電材料其介電常數(shù)的降低，材料本身的熱傳導(dǎo)系數(shù)(thermal conductivity coefficient)亦跟著降低，材料散熱效果不如以往使用材質(zhì)，故集成電路于長時間操作下，將因?qū)Ь€所產(chǎn)生的焦耳熱無法散去而導(dǎo)致導(dǎo)線的操作溫度有增加的趨勢，較嚴(yán)重者，更會影響集成電路的可靠度(reliability)表現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的就是提供一種金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)與制程，具有位于不同介電層內(nèi)的導(dǎo)線片段，具有較佳的焦耳熱(joule heating)散熱效果，可使導(dǎo)線工作溫度維持一定，具有提升整體集成電路的長久可靠度(long term reliability)的功效。
為達上述目的，本發(fā)明提供了一種金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，包括下列結(jié)構(gòu)至少兩上層導(dǎo)線片段，沿第一方向延伸，且位于介電層中的同一層內(nèi)；以及至少一下層導(dǎo)線片段，沿第一方向延伸，且位于上層導(dǎo)線片段下方的介電層中，并經(jīng)由至少兩接觸插栓與上層導(dǎo)線片段形成電性接觸。
本發(fā)明所述的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，該上層導(dǎo)線片段更與至少一主導(dǎo)線經(jīng)由一接觸插栓形成電性接觸，而該主導(dǎo)線沿一第二方向延伸。
本發(fā)明所述的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，該第二方向與該上層導(dǎo)線片段所延伸的該第一方向互為垂直。
本發(fā)明另提供一種金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，所述金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)包括一半導(dǎo)體基底；多層介電層，層疊于該半導(dǎo)體基底上；至少兩上層導(dǎo)線片段，沿第一方向延伸，且位于該介電層中的同一層內(nèi)；以及至少一下層導(dǎo)線片段，沿第一方向延伸，且位于該上層導(dǎo)線片段下方的介電層中，并經(jīng)由至少兩接觸插栓與該上層導(dǎo)線片段形成電性接觸。
本發(fā)明所述的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，更包括至少一主導(dǎo)線，沿第二方向延伸，位于該上層導(dǎo)線片段下方的介電層中，并利用一接觸插栓與該上層導(dǎo)線片段形成電性接觸。
本發(fā)明所述的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，該第二方向與該上層導(dǎo)線片段所延伸的該第一方向互為垂直。
本發(fā)明所述的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，該下層導(dǎo)線片段于其所在的該介電層中為電性獨立。
本發(fā)明所述的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，更包括多個下層導(dǎo)線片段，沿第一方向延伸，分別位于該上層導(dǎo)線片段下方的不同層的介電層中，并利用多個接觸插栓與該上層導(dǎo)線片段形成電性接觸。
本發(fā)明所述的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，該下層導(dǎo)線片段于其所位置的不同層的該介電層中為電性獨立。
為達上述目的，本發(fā)明亦提供了一種金屬導(dǎo)線制程，包括下列步驟(a)提供一半導(dǎo)體基底；(b)形成一下層介電層半導(dǎo)體基底上，且于下層介電層形成至少一下層導(dǎo)線片段，且下層導(dǎo)線片段沿第一方向延伸；(c)形成至少一中間層介電層于下層介電層上，且于該中間層介電層內(nèi)形成至少兩接觸插栓(plugs)與下層介電層中的下層導(dǎo)線片段形成電性接觸；以及(d)形成一上層介電層于中間層介電層上，且于上層介電層內(nèi)形成至少兩上層主導(dǎo)線片段與位于中間層介電層內(nèi)的接觸插栓形成電性接觸，且該等上層導(dǎo)線片段亦沿第一方向延伸。
本發(fā)明所述的金屬導(dǎo)線制程，于步驟(c)更包括形成多個中間層介電層于下層介電層上，且于中間層介電層內(nèi)各形成至少兩接觸插栓(plugs)以連接較下層的中間層介電層中的接觸插栓并與下層導(dǎo)線片段形成電性接觸。
本發(fā)明所述的金屬導(dǎo)線制程，于步驟(c)更包括于中間層介電層內(nèi)形成至少兩個位于中間層介電層同一層內(nèi)的中層導(dǎo)線片段與至少兩接觸插栓(plugs)形成電性接觸，且中層導(dǎo)線片段沿第一方向延伸。
本發(fā)明所述的金屬導(dǎo)線制程，該步驟(c)與步驟(d)是利用單鑲嵌制程或利用雙鑲嵌制程完成。
本發(fā)明所述的金屬導(dǎo)線制程，該下層介電層、該中間層介電層及該上層介電層的材質(zhì)為低介電常數(shù)材料。
本發(fā)明所述的金屬導(dǎo)線制程，該低介電常數(shù)材料為黑鉆石薄膜。
本發(fā)明能夠降低因電流通過導(dǎo)線所產(chǎn)生的焦耳熱，以提升集成電路長久可靠度表現(xiàn)。


圖1A為依據(jù)已知技術(shù)的多層金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的上視圖；圖1B為沿圖1A內(nèi)A-A’切線的剖面圖；
圖2A為依據(jù)本發(fā)明的一較佳實施例中金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的上視圖；圖2B為沿圖2A內(nèi)A-A’切線的剖面圖；圖2C為依據(jù)本發(fā)明的另一結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2D為依據(jù)本發(fā)明的另一結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2E為依據(jù)本發(fā)明的另一結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖3A為依據(jù)已知技術(shù)中的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，于不同電流密度下，導(dǎo)線的焦耳熱(Joule heating)影響評估；圖3B為依據(jù)已知技術(shù)中的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，利用軟件模擬(simulation)于不同電流密度下，導(dǎo)線的焦耳熱(Joule heating)影響評估；圖4A為依據(jù)本發(fā)明由導(dǎo)線片段形成的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，利用軟件模擬(simulation)于不同電流密度下，導(dǎo)線的焦耳熱(Joule heating)影響評估；圖4B為依據(jù)本發(fā)明的由導(dǎo)線片段形成的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，利用電腦軟件模擬(simulation)于不同電流密度下，導(dǎo)線的焦耳熱(Jouleheating)影響評估；圖5A為依據(jù)本發(fā)明由導(dǎo)線片段形成的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，利用電腦軟件模擬(simulation)，于固定的電流密度下，改變導(dǎo)線周圍的介電層材料對于導(dǎo)線的焦耳熱(Joule heating)影響評估；圖5B為依據(jù)由導(dǎo)線片段形成的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，利用電腦軟件模擬(simulation)，于固定的電流密度下，改變導(dǎo)線周圍的介電層材料對于導(dǎo)線的焦耳熱(Joule heating)影響評估。
具體實施例方式
為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下
請參照圖2A，為依據(jù)本發(fā)明的一較佳實施例中金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的上視圖，為簡化圖示在此僅以一雙層金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)表示。首先請先參照圖2B，為沿圖2A內(nèi)A-A’切線的剖面圖，以解說此雙層金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及其制程。
于圖2B中，首先提供一半導(dǎo)體基底100，其上已存有既有元件結(jié)構(gòu)或金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，在此為簡化圖示，故以一平整的半導(dǎo)體基底100表示。接著形成一介電層120于半導(dǎo)體基底100上，且于此介電層120內(nèi)形成兩金屬導(dǎo)線及一導(dǎo)線片段，在此以第一導(dǎo)線140(金屬導(dǎo)線)以及第一導(dǎo)線片段160(導(dǎo)線片段)表示，其中第一導(dǎo)線140所配置(layout)方向依垂直于圖面的第一方向延伸，而第一導(dǎo)線片段160，其配置(layout)方向依平行于圖面的第二方向延伸，其于介電層120內(nèi)為電性獨立，并不與介電層120中其他結(jié)構(gòu)(例如第一導(dǎo)線140)形成直接電性接觸。
接著，形成一介電層180于上述的第一介電層120上，且于介電層180內(nèi)形成多個位于適當(dāng)位置的接觸插栓200，其中部分接觸插栓200作為與第一導(dǎo)線140電性接觸的接觸插栓(contactplugs)，其余的接觸插栓200則作為第一導(dǎo)線片段160與較上層的導(dǎo)線片段電性接觸的接觸插栓。
接著，更形成一介電層220于介電層180上，且于介電層220形成兩個導(dǎo)線片段，在此僅以第二導(dǎo)線片段240表示，其配置(layout)方向依平行于圖面的第二方向延伸，與位于介電層120內(nèi)的第一導(dǎo)線片段160相同。其中，第二導(dǎo)線片段240除了經(jīng)由介電層180內(nèi)適當(dāng)位置的接觸插栓200與第一介電層內(nèi)的第一導(dǎo)線140形成電性接觸外，亦經(jīng)由接觸插栓200與先前形成于介電層120內(nèi)的第一導(dǎo)線片段160形成電性接觸。
其中，位于上層介電層內(nèi)(在此為介電層220)內(nèi)的第二導(dǎo)線片段240可視為一上層導(dǎo)線片段，而位于下層介電層(在此為介電層120)內(nèi)的第一導(dǎo)線片段160則可視為一下層導(dǎo)線片段，透過位于中間層介電層(在此為介電層180)內(nèi)適當(dāng)位置的接觸插栓(此為接觸插栓200)與上層導(dǎo)線片段形成電性接觸，此外上述的上層導(dǎo)線片段更與第一導(dǎo)線140(可視為主導(dǎo)線)亦經(jīng)由連接的中間層介電層內(nèi)適當(dāng)位置的接觸插栓形成電性接觸，而形成一具有多個導(dǎo)線片段的雙層金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。
此時，其上視結(jié)構(gòu)請參照圖2A所示，沿A-A’線段內(nèi)，具有位于介電層120內(nèi)(未顯示于圖中)的第一導(dǎo)線140及下層導(dǎo)線片段(在此為第一導(dǎo)線片段160，以虛線表示)以及位于介電層220內(nèi)的上層導(dǎo)線片段(在此為第二金屬片段240)，以及位于中間層間介電層內(nèi)作為電性接觸的接觸插栓(在此為接觸插栓200，以虛線表示)。
然其上述內(nèi)容并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾，更可依實際所需，適當(dāng)?shù)卦黾游挥谏蠈咏殡妼?、下層介電層?nèi)的導(dǎo)線片段數(shù)量以及接觸插栓數(shù)量，而形成如圖2C的雙層金屬導(dǎo)線剖面結(jié)構(gòu)。
此外，亦可依照實際電路設(shè)計，增加中間層介電層(如介電層180)的層數(shù)，并于此中間層介電層內(nèi)形成配置(layout)方向與前述的上下層導(dǎo)線片段相同的中層導(dǎo)線片段(在此為第三導(dǎo)線片段240’)以及接觸插栓200以連接下層導(dǎo)線片段(在此為第一導(dǎo)線片段160)以及上層導(dǎo)線片段(在此為第二導(dǎo)線片段240)，以形成如圖2D的具有位于不同的介電層內(nèi)導(dǎo)線片段的剖面結(jié)構(gòu)，而上述各導(dǎo)線片段間，利用適當(dāng)?shù)慕佑|插栓連接而成一如階梯般的結(jié)構(gòu)，此外亦可于所增加的中間層介電層內(nèi)只形成適當(dāng)?shù)慕佑|插栓200，以形成與下層導(dǎo)線片段(在此為第一導(dǎo)線片段160)的電性接觸，其結(jié)構(gòu)如圖2E所示。
于圖2D與圖2E中僅討論此片段導(dǎo)線的連結(jié)結(jié)構(gòu)，故于圖示中略去主導(dǎo)線及其連接的接觸插栓結(jié)構(gòu)。且上述內(nèi)容并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾，更可依實際所需，適當(dāng)?shù)馗淖兿聦訉?dǎo)線片段所在的介電層及相關(guān)接觸插栓的位置，而不局限于上述圖示中所揭露的連結(jié)結(jié)構(gòu)。
而上述形成金屬導(dǎo)線、導(dǎo)線片段與接觸插栓的制程，可為已知此技藝者，利用傳統(tǒng)的金屬制程(先形成金屬導(dǎo)線，再形成鄰近的介電層)搭配接觸窗(contact via)制程或利用單鑲嵌(damascene)制程(先形成圖案化的介電層或接觸窗，再填入金屬材料)或雙鑲嵌(dual damanscene)制程(先形成圖案化的介電層及接觸窗，再填入金屬材料)等方式完成，故其詳細的制程內(nèi)容并不在此贅述。
而上述金屬導(dǎo)線、導(dǎo)線片段(主導(dǎo)線片段)及副導(dǎo)線片段其材質(zhì)可為銅、鋁或鎢等材質(zhì)，而上述接觸插栓其材質(zhì)可為銅、鎢或鈦等材質(zhì)。而上述介電層材質(zhì)可為如黑鉆石薄膜(應(yīng)用材料公司出品)的低介電常數(shù)材料(low k dielectric)。
焦耳熱評估1請參考圖3A，為依據(jù)已知技術(shù)，使用浮置(floating)導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的多層金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，觀察于不同電流密度下，導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱(Joule heating)對于導(dǎo)線操作溫度的影響。
其中，采用特定較大線寬的單一(isolated)寬銅導(dǎo)線為測試對象，導(dǎo)線層數(shù)共有6層(Mx～Mx-5)，通入不同的直流電流密度一預(yù)定時間，觀察因電流通過導(dǎo)線所產(chǎn)生的焦耳熱，對于此導(dǎo)線層的實際操作溫度與環(huán)境溫度間的溫度上升量(℃ )。此時，鄰近導(dǎo)線周圍的介電層材質(zhì)為介電常數(shù)約為2.9～3.1的低介電常數(shù)材料。
如圖3A中的測試結(jié)果可得出一趨勢，位于最上層的導(dǎo)線層，其于不同電流密度的電流通入后，所產(chǎn)生的焦耳熱導(dǎo)致導(dǎo)線的實際操作溫度與設(shè)計溫度的溫度上升量皆具有一最大值。而其余的導(dǎo)線層，亦依照其相對位置，位于較上層的導(dǎo)線層，于相同的電流密度下，其實際操作溫度與設(shè)計溫度間的溫度上升量皆較位于較下層的導(dǎo)線層來得高，且當(dāng)電流密度超過特定值，此溫度上升量值皆超過10℃，已與半導(dǎo)體業(yè)界對于導(dǎo)線設(shè)計方面，對于焦耳熱影響導(dǎo)線操作溫度的溫度上升量容忍范圍10～15℃接近，而當(dāng)電流密度更高值，則已超過業(yè)界的容忍范圍，其溫度上升原因，為采用低介電材料作為銅導(dǎo)線旁的介電層材料，因其材料本身的熱傳導(dǎo)系數(shù)不高，散熱性不佳，進而導(dǎo)致因焦耳熱所形成的導(dǎo)線操作溫度上升的結(jié)果。
請繼續(xù)參考圖3B，為依據(jù)已知技術(shù)，使用浮置(floating)導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的多層金屬導(dǎo)線，利用軟件模擬(simulation)于不同電流密度下，導(dǎo)線的焦耳熱(Joule heating)影響評估。利用電腦軟件ANSYS模擬(simulation)于不同電流密度下，導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱(Joule heating)對于導(dǎo)線操作溫度的影響。
其中，采用具有線寬及間距均為最小設(shè)計規(guī)范的多條窄銅導(dǎo)線的導(dǎo)線層為測試對象，導(dǎo)線層數(shù)共有6層(Mx～Mx-5，由上至下排列)，通入不同的直流電流密度，觀察因電流通過的焦耳熱導(dǎo)致的導(dǎo)線層實際溫度與環(huán)境溫度間的溫度上升量(℃)，此時鄰近于導(dǎo)線周圍的介電層材質(zhì)為介電常數(shù)約為2.9～3.1的低介電常數(shù)材料。
如圖3B中的測試結(jié)果可得出一趨勢，位于最上層的導(dǎo)線(Mx)，其于通入不同電流密度的電流，因電流通過所產(chǎn)生的焦耳熱，導(dǎo)致導(dǎo)線的實際操作溫度與設(shè)計溫度的溫度上升量具有一最大值。而其余的導(dǎo)線層，亦依照其相對位置，位于較上層的導(dǎo)線層，于相同的電流密度下，因焦耳熱導(dǎo)致的溫度上升量較位于較下層的導(dǎo)線來得高，且當(dāng)電流密度超過特定值，各導(dǎo)線層溫度上升量皆超過10℃，已與半導(dǎo)體業(yè)界對于導(dǎo)線設(shè)計方面，對于焦耳熱影響導(dǎo)線操作溫度的溫度上升量容忍范圍10～15℃接近，而當(dāng)電流密度更高，則已超過業(yè)界的容忍范圍，其溫度上升原因，為采用低介電材料作為鄰近銅導(dǎo)線的介電層材料，因其材料本身的熱傳導(dǎo)系數(shù)不高，散熱性不佳，無法散去導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱，進而形成導(dǎo)線的操作溫度上升。
如圖3A與圖3B中的測試結(jié)果，無論是單一的寬銅導(dǎo)線或多條窄線寬與間距的密(dense)銅導(dǎo)線，當(dāng)搭配低介電常數(shù)材料的使用而形成一多層的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，位于較上層的導(dǎo)線，于相同的電流密度下，皆因焦耳熱無法散去，進而導(dǎo)致導(dǎo)線溫度上升，且超過業(yè)界的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對于集成電路的長久可靠度(long termreliability)而言，會有不良的影響。
焦耳熱評估2請參考圖4A，為依據(jù)本發(fā)明由導(dǎo)線片段形成的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，利用電腦軟件ANSYS模擬(simulation)，并觀察于不同電流密度下，導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱(Joule heating)對于導(dǎo)線操作溫度的影響。
于本實施例中，采用第三實施例中的銅導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，不同之處在于本實施例中，針對最上層的導(dǎo)線層Mx，將一下層導(dǎo)線片段利用實施例中所述的導(dǎo)線片段結(jié)構(gòu)，配置于較下層的任一金屬層(Mx-1～Mx-5)所在的介電層中，并配合適當(dāng)?shù)慕佑|插栓以連結(jié)位于導(dǎo)線層Mx內(nèi)的上層導(dǎo)線片段，通入不同的直流電流密度，觀察因電流通過Mx導(dǎo)線層所產(chǎn)生的焦耳熱，導(dǎo)致于其實際操作溫度與環(huán)境溫度間的溫度上升量(℃)，并與采用已知技術(shù)中浮置(floating)導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)相比較，此時位于導(dǎo)線層周圍的介電層材質(zhì)為介電常數(shù)介于2.9～3.1的低介電常數(shù)材料。
測試結(jié)果如圖4A中所示，可得出一趨勢，于通入不同電流密度的電流一預(yù)定時間，以采用浮置(floating)導(dǎo)線配置的散熱性為最差，因電流通過導(dǎo)線層所產(chǎn)生的焦耳熱導(dǎo)致于導(dǎo)線的實際操作溫度與設(shè)計溫度間的溫度上升量具有最高值。而其余依照下層導(dǎo)線片段所在的較下層導(dǎo)線層的介電層，當(dāng)下層導(dǎo)線片段位于越下層導(dǎo)線層所在的介電層內(nèi)，于相同的電流密度下，其溫度上升量越低，受焦耳熱影響越低，此由導(dǎo)線片段組合而成的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)有助于散去導(dǎo)線所產(chǎn)生的焦耳熱。
請繼續(xù)參考圖4B，本發(fā)明由導(dǎo)線片段形成的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，利用電腦軟件ANSYS模擬(simulation)導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱(Jouleheating)對于導(dǎo)線操作溫度的影響。
于本實施例中，針對最上層的導(dǎo)線層Mx，將三分之二面積的導(dǎo)線層利用實施例中所述的下層與中層導(dǎo)線片段，配置于較下層的任兩金屬層(Mx-1～Mx-5)所在的介電層中，并配合適當(dāng)?shù)慕佑|插栓以連結(jié)位于導(dǎo)線層Mx內(nèi)的上層導(dǎo)線片段將，于通入不同的直流電流密度，觀察因電流通過所產(chǎn)生的焦耳熱，對于實際操作溫度與環(huán)境溫度的溫度上升量(℃)，并與已知技術(shù)中采用浮置(floating)導(dǎo)線配置的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)相比較，而位于上述導(dǎo)線層周圍的介電層材質(zhì)為介電常數(shù)介于2.9～3.1的低介電常數(shù)材料。
測試結(jié)果可得出如圖4B中的趨勢，于通入不同電流密度的電流一預(yù)定時間，以采用浮置(floating)導(dǎo)線配置的散熱結(jié)果為最差，因電流通過所產(chǎn)生的焦耳熱，導(dǎo)致導(dǎo)線的實際操作溫度與環(huán)境溫度的溫度上升量為最高。而其余依照中層及下層導(dǎo)線片段所在導(dǎo)線層，當(dāng)此中層及下層導(dǎo)線片段位于越下層的導(dǎo)線層所在的介電層內(nèi)，于相同的電流密度下，其因焦耳熱產(chǎn)生的溫度上升量越低，受焦耳熱影響越低，導(dǎo)線散熱結(jié)果較佳。
如圖4A與圖4B中的測試結(jié)果，采用本發(fā)明的導(dǎo)線片段所形成的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，當(dāng)導(dǎo)線片段配置于較下層的單一導(dǎo)線層中以及當(dāng)多個副導(dǎo)線片段配置于較下層的兩不同層導(dǎo)線層中，于相同的電流密度下，其操作溫度的上升量越低，受焦耳熱影響越低，導(dǎo)線散熱結(jié)果較佳，即使提升電流密度，其操作溫度，受焦耳熱影響亦無采用浮置配置的導(dǎo)線層來的嚴(yán)重。
焦耳熱評估3請參考圖5A，為依據(jù)本發(fā)明由導(dǎo)線片段形成的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，利用電腦軟件ANSYS模擬(simulation)導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱(Jouleheating)對于導(dǎo)線操作溫度的影響。
此時，采用較大線寬的單一(isolated)寬銅導(dǎo)線為測試對象，導(dǎo)線層共有三層(Ma～Ma+2，由下至上排列)，針對最上層的導(dǎo)線層Ma+2，每隔一固定間距，便配置一副導(dǎo)線片段于較下層的導(dǎo)線層內(nèi)，當(dāng)配置有副導(dǎo)線片段于Ma導(dǎo)線層內(nèi)，副導(dǎo)線片段的配置方向便往較上層導(dǎo)線層配置，如此往返依上述方式配置，而各副導(dǎo)線片段間利用接觸插栓連接，并于兩端與Ma+2導(dǎo)線層內(nèi)的主導(dǎo)線片段連接，并于通入一固定的直流電流密度，改變鄰近于導(dǎo)線周圍的介電層材質(zhì)，觀察因于不同介電層材質(zhì)下，電流通過導(dǎo)線所產(chǎn)生的焦耳熱，對于導(dǎo)線的實際操作溫度與環(huán)境溫度間的溫度上升量(℃)，在此所使用的介電層材質(zhì)分為兩種一為熱導(dǎo)度約為1.0W/m℃的第一金屬層間介電材料(IMD1)，其介電常數(shù)約為3.6；另一為熱導(dǎo)度約為0.3W/m℃，介電常數(shù)約為3.0的較低介電常數(shù)材料，在此以第二金屬層間介電材料(IMD2)表示。
測試結(jié)果可得出如圖5A中的趨勢，對于使用IMD1所形成的介電層，無論于介電層中配置的導(dǎo)線片段間間距為多少(S/10μm～Sμm，其中S為介于10～500的任意數(shù))，因電流通過所產(chǎn)生的焦耳熱對于導(dǎo)線的實際操作溫度與環(huán)境溫度的溫度上升量影響，皆較使用低介電常數(shù)介電材料(IMD2)所形成的介電層低。是由于IMD1較此處的低介電常數(shù)介電材料(IMD2)有較佳的熱傳導(dǎo)系數(shù)，故對于Ma+2導(dǎo)線層所產(chǎn)生的焦耳熱，有較佳的散熱效果，其溫度的上升量越低，受焦耳熱影響較低。
請繼續(xù)參考圖5B，使用較大線寬的單一(isolated)寬銅導(dǎo)線為測試對象，導(dǎo)線層數(shù)共有8層(Mb～Mb+7，由下至上排列)，針對最上層的導(dǎo)線層Mb+7，每隔一固定間距，便配置一導(dǎo)線片段(中層或下層導(dǎo)線片段)于較下層導(dǎo)線層所在的介電層內(nèi)，當(dāng)配置有導(dǎo)線片段于Mb導(dǎo)線層所在的介電層內(nèi)，導(dǎo)線片段的配置方向便往較上層介電層配置，如此往返依上述方式配置，而各副導(dǎo)線片段間利用接觸插栓連接，并于兩端與Mb+7導(dǎo)線層內(nèi)的上層導(dǎo)線片段連接，并于通入一較高的直流電流密度，并針對位于導(dǎo)線周圍的介電層材質(zhì)的不同，觀察因電流通過導(dǎo)線層所產(chǎn)生的焦耳熱，對于此層導(dǎo)線的實際操作溫度與環(huán)境溫度間的溫度上升量(℃)，并與已知技術(shù)中采用浮置(floating)導(dǎo)線配置的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)相比較，在此所使用的介電層材質(zhì)分為兩種一為熱導(dǎo)度約為1.0W/m℃的第一金屬層間介電材料(IMD1)，其介電常數(shù)約為3.6；另一為熱導(dǎo)度約為0.3W/m℃、介電常數(shù)約為3.0的較低介電常數(shù)材料，在此以第二金屬層間介電材料(IMD2)表示。
測試結(jié)果可得出如圖5B中的趨勢，對于使用IMD1所形成的介電層，即使是浮置(floating)導(dǎo)線配置的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，其溫度上升量遠低于使用低介電常數(shù)材料的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。
使用低介電常數(shù)材料(IMD2)所形成的介電層，當(dāng)副導(dǎo)線片段的間距小于S/2μm，可降低因電流通過所產(chǎn)生的焦耳熱，使其表現(xiàn)與使用熱導(dǎo)度較佳的IMD1作為介電層材料相當(dāng)。
此時，若使用已知技術(shù)中的浮置(floating)導(dǎo)線配置的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，無論是采用IMD1或是IMD2作為介電層材料，對于降低焦耳熱對導(dǎo)線操作溫度的影響都不大，因焦耳熱所提升的操作溫度可達200℃(對IMD1而言)以及700℃(對于IMD2而言)，如此高的溫度提升，以銅導(dǎo)線而言，即使其抗電致變遷(electromigration；EM)的能力已優(yōu)于鋁導(dǎo)線，但瞬間約700℃溫度提升，對于銅導(dǎo)線的可靠度亦產(chǎn)生影響，進而影響其長久的可靠度(long termreliability)。
以上所述僅為本發(fā)明較佳實施例，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何熟悉本項技術(shù)的人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可在此基礎(chǔ)上做進一步的改進和變化，因此本發(fā)明的保護范圍當(dāng)以本申請的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
附圖中符號的簡單說明如下10、100～半導(dǎo)體基底12～第一介電層14、140～第一導(dǎo)線16～第二介電層18、200～接觸插栓20～第三介電層22～第二導(dǎo)線120、180、220～介電層160～第一導(dǎo)線片段240～第二導(dǎo)線片段240’～第三導(dǎo)線片段
權(quán)利要求
1.一種金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，其特征在于所述金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)包括至少兩上層導(dǎo)線片段，沿第一方向延伸；以及至少一下層導(dǎo)線片段，沿第一方向延伸，且經(jīng)由至少兩接觸插栓與該上層導(dǎo)線片段形成電性接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，其特征在于該上層導(dǎo)線片段更與至少一主導(dǎo)線經(jīng)由一接觸插栓形成電性接觸，而該主導(dǎo)線沿一第二方向延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，其特征在于該第二方向與該上層導(dǎo)線片段所延伸的該第一方向互為垂直。
4.一種金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，其特征在于所述金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)包括一半導(dǎo)體基底；多層介電層，層疊于該半導(dǎo)體基底上；至少兩上層導(dǎo)線片段，沿第一方向延伸，且位于該介電層中的同一層內(nèi)；以及至少一下層導(dǎo)線片段，沿第一方向延伸，且位于該上層導(dǎo)線片段下方的介電層中，并經(jīng)由至少兩接觸插栓與該上層導(dǎo)線片段形成電性接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，其特征在于更包括至少一主導(dǎo)線，沿第二方向延伸，位于該上層導(dǎo)線片段下方的介電層中，并利用一接觸插栓與該上層導(dǎo)線片段形成電性接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，其特征在于該第二方向與該上層導(dǎo)線片段所延伸的該第一方向互為垂直。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，其特征在于該下層導(dǎo)線片段于其所在的該介電層中為電性獨立。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，其特征在于更包括多個下層導(dǎo)線片段，沿第一方向延伸，分別位于該上層導(dǎo)線片段下方的不同層的介電層中，并利用多個接觸插栓與該上層導(dǎo)線片段形成電性接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，其特征在于該下層導(dǎo)線片段于其所位置的不同層的該介電層中為電性獨立。
10.一種金屬導(dǎo)線制程，其特征在于所述金屬導(dǎo)線制程包括下列步驟步驟一提供一半導(dǎo)體基底；步驟二形成一下層介電層于該半導(dǎo)體基底上，且于該下層介電層形成至少一下層導(dǎo)線片段，且該下層導(dǎo)線片段沿第一方向延伸；步驟三形成至少一中間層介電層于該下層介電層上，且于該中間層介電層內(nèi)形成至少兩接觸插栓與該下層介電層中的該下層導(dǎo)線片段形成電性接觸；以及步驟四形成一上層介電層于該中間層介電層上，且于該上層介電層內(nèi)形成至少兩上層導(dǎo)線片段與位于該中間層介電層內(nèi)的該接觸插栓形成電性接觸，且該上層導(dǎo)線片段亦沿第一方向延伸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的金屬導(dǎo)線制程，其特征在于于步驟三更包括形成多個中間層介電層于該下層介電層上，且于該中間層介電層內(nèi)各形成至少兩接觸插栓以連接較下層的該中間層介電層中的該接觸插栓并與該下層導(dǎo)線片段形成電性接觸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的金屬導(dǎo)線制程，其特征在于于步驟三更包括于該中間層介電層內(nèi)形成至少兩個位于該中間層介電層同一層內(nèi)的中層導(dǎo)線片段與上述的至少兩接觸插栓形成電性接觸，且該中層導(dǎo)線片段沿第一方向延伸。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的金屬導(dǎo)線制程，其特征在于該步驟三與步驟四是利用單鑲嵌制程或利用雙鑲嵌制程完成。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的金屬導(dǎo)線制程，其特征在于該下層介電層、該中間層介電層及該上層介電層的材質(zhì)為低介電常數(shù)材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的金屬導(dǎo)線制程，其特征在于該低介電常數(shù)材料為黑鉆石薄膜。
全文摘要
本發(fā)明是一種金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及其制程，所述金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，包括一半導(dǎo)體基底；多層介電層，層疊于半導(dǎo)體基底上；至少兩上層導(dǎo)線片段，沿第一方向延伸，且位于介電層中的同一層內(nèi)；以及至少一下層導(dǎo)線片段，沿第一方向延伸，且位于上層導(dǎo)線片段下方的介電層中，并經(jīng)由至少兩接觸插栓與上層導(dǎo)線片段形成電性接觸。本發(fā)明能夠降低因電流通過導(dǎo)線所產(chǎn)生的焦耳熱，以提升集成電路長久可靠度表現(xiàn)。
文檔編號H01L23/535GK1667825SQ20051000863
公開日2005年9月14日 申請日期2005年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月9日
發(fā)明者侯錦珊, 翁烔城, 楊瑞玲, 吳俊毅 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司