TW490710B - Semiconductor device - Google Patents

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TW490710B
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Sachiyo Ito
Masahiko Hasunuma
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Toshiba Corp
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Description

A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、發明說明（i) 【發明之背景】 【發明之領域】 本發明係關於—餘H丄 .# , 種具有LSI之多層結構的半導體裝置， 尤其係關於一種且士 m “有用以獲得接線之高可靠度化之多層結 構的+導體裝置。 【先前技藝之說明】 ，⑽接線之最大問題所在的電遷移（electro migrati〇n)(以下 ^ )不良曰因爲下述機制而發生。用以形成接線 ^ 1屬原子會自陰㈠向陽極（+)側移動，此時，在接線之 陰極側會P迎著金屬原子密度之減少，而累積拉伸應力。該 拉伸應力若超過臨界應力時，將會發生空隙，乃至斷線。 右存在於接線周圍之絕緣層可以因爲受到來自接線之應 力而又形的活，接線之應力會被緩和下來，而難以導致 EM不良。然而，在習知半導體裝置中，作爲層間絕緣層 使用的等離子二氧化矽層或是等離子氮化矽餐的楊氏（彈 性）模數（Y〇ung’s m〇dulus)都大於5〇 Gpa以上。這些層即使 受到應力’亦幾乎不會變形。因此，習用半導體裝置之耐 EM性較低。 又’在習知半導體裝置中，雖亦有模氏模數較低之絕緣 層緊靠接線而被形成，然其裂痕耐性、吸水性、透水性等 都會有問題。 【發明所要解決之問題】 如以上所説明，在習知半導體裝置中，由於緊靠接線而 形成之絕緣層的揚氏模數較高，受到應力時，絕緣層幾乎 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------------訂---------^ i^w— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 490710 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（2 ) 不變形，因而耐EM性較低。又，雖有考慮藉由一緊臨接線 形成-揚氏模㈣低之絕緣層的構造，來獲得耐em性較高 之半導體裝置，但會裂痕耐性、吸水性、透水性等問題。 【發明之概述】 本發明爲一用以解決上述課題者，其目的在於提供一種 可以保持裂痕耐性，同時使EM耐性提高的半導體裝置。 【解決課題之手段】 本發明之申請專利範圍第i項之發明係一種半導體裝置 ，其具備一接線、第一絕緣層、與一第二絕緣層，第一絕 緣層緊臨孩接線之至少一面而形成，第二絕緣層緊臨該第 緣層上而形成，且楊氏模數比該第一絕緣層還高，其 特徵在於： 右設足成該接線、該第一絕緣層、以及該第二絕緣層之 、、泉膨脹係數分別爲泛M、“ s、a h，揚氏模數分別爲Em、Es 、Eh ’厚度分別爲dM、ds、dh，依構成該接線之材料而定之 係數爲 、k2，且定義山=ds+ dh、E尸（dsEs+dhEO/d〗、π 尸(ds π s +dh a ，作用於該接線之應力的溫度梯度爲s，則該接 線、孩第一絕緣層、該第二絕緣層滿足下式條件 s = k dj <5χ1〇· (式3) 以下顯示本發明之最佳形態。 (1) 第一絕緣層以揚氏模數在15 GPa以下之材料形成，該 第二絕緣層以揚氏模數在15 GPa以上之材料形成。 (2) 第一絕緣層爲一由異質材料組成之層積層，若將由該 _ _5_ 參紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐 --------------------^---------^ i^w— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 、發明說明 B7 妄、泉側數起第i個絕緣 線膨脹係數設為α 又'又為ds丨杨氏杈數設為Esi，:Σα s d 則 、i 'ds Id_ 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 分::之―層層至少具有一層以含有有機材料之氧化矽為主成 (4)有機材料為以甲基為主成分。 ^接線之材料為㈣其合金時，係數、之值 值為1〇·3。 1〜 ⑹接線之材料為銅或銅合金時，係數ki之值為12，係 之值為1〇·3。 2 (7)第一與第二絕緣層作成環繞接線。 (作用） 已知為f遷移（以了，稱之為EM)可靠度的參數之一的電 流密度係數η，係與MTF (故障前平均時間 Failure)或是活化能同樣，為一代表_可靠度的指標。n值 愈大，ΕΜ的可靠度愈高。在習知半導體裝置中，接著接線 而形成之絕緣層僅有一層時，若絕緣層被视為不會因受到 來自接線之應力而變形的話，由一電阻因為^^而開始上升 的時間（孕育時間（incubation time))所求得的η值理想的定為 2，比2大的值不取。 另一方面，作用於接線上之應力的溫度梯度s之值若愈 — C請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁} 訂---------線· - 6 - 490710 aM -k2aj 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 A7 B7 五、發明說明（4 ) 小的# ’推測_因絕緣層變形所致應力緩和效果就愈大， 且孩應力缓和效果不只熱應力，對於一因EM而產生於接線 中t應力亦顯示出同樣的效果。 當接線爲絕緣層所環繞時，作用於接線上之應力的溫度 梯度通常以下式表示 s = d^/dT = EM· (αΜ-^ι) 惟’該式係當絕緣層不因受到來自接線之應力而變形下 的式子。作爲層間絕緣層使用之TEOS-二氧化矽層或是氮 化夕層等，由於其楊氏模數大於5〇，且線膨脹係數在 銘的十分之-以下，絕緣層因受到一來自接線之應力的變 形量小到可以忽視。 然而，若在接線周圍使用一其揚氏模數小於15Gpa的絕 緣層的話，絕緣層將會因受到來自接線之應力而變形，且 假成接線〈應力因該變形而被缓和，則在所謂絕緣層有變 形I條件下，所導出之接線應力的溫度梯度，應爲下式⑴ 所示。 ί) 又，Ε!爲一構成層間絕緣層之材料的揚氏模數，知爲接 線之厚度，dl爲層間絕緣層之厚度，kl、k2爲依接"料 定之係數。 在式⑴中當以S表示接線應力梯度時，推測I値愈小 的話，因絕緣層之變形所獲得之應力缓和效果即|大\ 應力緩和效果不只熱應力，對於—因腺而產生於:以 ____ -7_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公^" ------------------^訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 490710 A7 五、發明說明（5 ) 應力而言’亦具同樣之效果。 進一步，當絕緣層爲層疊構造時，依複合原則，絕緣層 之有效揚氏模數以及有效線膨脹係數可用下面三個式子表 示。
dI ^ds+dH
Ej ={dsEs +dhEh)/dI =(ds^s ^dhah)/dI 至於當絕緣層爲層疊構造時之s値，則可藉由將上面三個 式子導入式子（1)而導出。 其中，當作爲前述EM可靠度提高之條件的電流密度係 數η爲2時，依各種實驗所得之經驗法則判斷，$應會大於 等於5 X 10 4。因此，爲使ΕΜ之可靠度提高，有必要使上述 式（1)所示之s値小於5 X 1〇_4以下。 又，當緊靠接線而形成之絕緣層僅有一層時，即使考慮 絕緣層會因受到來自接線之應力而變形，η値亦最好比2還 大。不過’在該場合下，會有裂痕會發生之問題。 因此，除了要選擇一滿足s<5xl(r4條件的材料、厚度之_ 外，爲了能成爲一個可以解決裂痕耐性、吸水性、透水性 等問題的構造，即不只要緊靠接線形成一由楊氏模數較低 的材料所組成的絕緣層，還要緊接著該楊氏模數較低的絕 緣層，形成一由楊氏模數較高的材料所組成的絕緣層。 依上所述，一可以解決充分之EM可靠度以及裂痕耐性 、吸水性、透水性等問題的半導體裝置應爲一具有接線、 以及楊氏模數不同之第一與第二絕緣層的層疊構造，且各 -8 - 本紙張尺度過用T國國豕標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線1 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 490710 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 __________Β7 五、發明說明（6 ) 層具有一滿足S<5X 10_4條件的材料、厚度者。 因此，如本發明所述，於接線之至少一面上，形成第一 絕緣層，並緊接該第一絕緣層上，形成一揚氏模數比該第 一絕緣層還高的第二絕緣層，且各層設定爲一 s<5xl〇_4條 件的材料、厚度，藉此，不只解決裂痕耐性、吸水性以及 透水性等問題，其£%可靠度亦比習知半導體裝置還提高。 【圖式之簡單説明】 圖1係有關本發明之第一實施例所揭半導體裝置之截面 圖。 圖2係有關本發明之第二實施例所揭半導體裝置之截面 圖。 圖3係有關本發明之第三實施例所揭半導體裝置之截面 圖4係有關本發明之第四實施例所揭半導體裝置之截面 圖。 圖5係有關本發明之第五實施例所揭半導體裝置之截面 圖。 圖6係有關本發明之第六實施例所揭半導體裝置之截面 圖。 [圖式元件符號之説明】 1 TEOS-二氧化石夕層 2 襯裡材 3 接線 4 第一絕緣層 本紙張尺度 +關家鮮(21() χ 297.@ ----- -------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明說明（7 ) 4a〜4d、42、61〜65層間絕緣層 5 第二絕緣層 21 反射防止層 J1 為氧化一氧化硬層 32 等離子氮化石夕層 41 第一接線 43 第二接線 51 第三接線 · 【發明之詳細説明】 以，參照圖式説明本發明之實施例。 (第一實施例） 圖1爲本發明之第—實施例所揭 在本實施例中，係就-在接線上表面接截面圖 數在15GPa以下之絕緣層的情形作—説明/ —其揚氏 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 回斤7Γ在TEOS- 一氧化石夕膜1Λ，形成有一深4 凹槽。在該凹槽内，隔著襯裡材2形成有—接. 接線3與TE0S_二氧化矽膜i上形成有—第—絕緣層* : 在孩第-絕緣層4上，並層疊而形成有—第：絕緣b。. 一絕緣層4由楊氏模數在15GPa^下之材料構成，第二絕」 層5由楊氏模數在15 GPa以上之材料所構成。 又，在本實施例中，第一絕緣層4爲_含有有機物之 化矽層，第一絕緣層5爲一摻雜有磷之二氧化矽層、TEo 二氧化矽層、或一等離子氮化矽層，襯裡材2爲鈮，接錦 爲鋁。 -10 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐: ^U/10 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（8 ) 接線3、第一絕緣層4以及第二办 ,, 、尤緣層5义厚度分別定義 為吣、ds、dh，楊氏模數分別定義 數分別佘* i 我為Em、Es、Eh，線膨脹係 数刀另J疋我為α μ、a ^、a h。這歧会机此、丄、、斗 一 、 ‘參數纟又疋成滿足如下所 不式（2)之條件。又，^為作用於接緩 一 E E ( \ 无果3〈應力的溫度梯度。 • •(2) ϋ 式（2)中，走義成 七k^k2為一依接線材料而定之係數，％ ，為-用以在使用不同接線材料時，為了仍能用1 冋樣含義地定出條件而被導人之係數，其可以藉由對每 種接線材料進行實驗而導出。 本半導體裝置之製造方法說明如下。 首先，作出一丁E0S_二氧化梦層！來作為㈣絕,緣層，並 2孩丁跡二氧化珍層i上，加工出—深彻謹之凹槽。其 久’、覆蓋該凹槽表面而作成一觀裡材2，再以回流賤鐘法 使接線材料成層。之後’以CMP法’將形成於該凹槽以外 之接線材料除去而平坦化之’而形成接線 線3與赚二氧化她之表面上，形成_；：厚 氏棱數在15弧以下的第一絕緣層。該作為第一絕緣層斗之 含有有機物的氧切層為一以旋轉披覆法形成之s〇g(旋轉 塗上破璃）層。該SOG層中所含有之有機成分以甲基之形式 =在。最好，曱基含有率在20wt%以下。甲基由於分子構 造小，與其它有機分子相比，在低溫下即可進行聚合。其 次，在該第一絕緣層4上，形成一楊氏模數在15 GPa以上的 -11 - K紙張尺度適用中1¾㈣標準（CNS)A4規格⑽x 297 ) -------------· I------訂---------線 (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) '^2αΐ ~~~ αλ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 490710 A7 B7 _ 五、發明說明（9 ) 的第二絕緣層5。 使用於本半導體裝置中之材料的揚氏模數分別爲：含有 有機物之氧化矽層爲6 GPa、添加磷之二氧化矽層爲36 GPa 、TEOS-二氧化矽層爲57 GPa、等離子氮化矽層爲98 GPa。 又，這些楊氏模數爲一使用壓入式硬度計測量之値。 第二絕緣層5之厚度作成若爲添加磷之二氧化矽層的話 爲1000 nm以下，若爲TEOS-二氧化石夕層的話爲300 nm，若 爲等離子氮化珍層的話爲100 nm。 以下説明如此作成一由接線3、第一絕緣層4以及第二絕 緣層5所成之層疊構造，以及限定第二絕緣層5之厚度的理 由0 已知爲電遷移（以下，稱之爲EM)可靠度參數之一的電流 •密度係數η係和MTF(故障前平均時間）或活化能一樣，爲 一用以表示ΕΜ可靠度之指標，η値愈大，ΕΜ之可靠度即愈 高。然而在習知半導體裝置中，緊接接線而形成之絕緣層 只有一層時，若絕緣層被視爲不會因受到來自接線之應力 而變形的話，由一電阻開始因ΕΜ而上升的時間（孕育時間 (incubation time))所求得的η値理想的爲2，比2大的値不取 。因此，藉由取一 η値大於2之値，比起絕緣層僅爲一層且 不會因應力而產生變形之情況，ΕΜ之可靠度將提高。 另一方面，作用於接線上之應力的溫度梯度s之値若愈 小的話，推測一因絕緣層變形所致應力緩和效果就愈大， 且該應力緩和效果不只熱應力，一因ΕΜ而產生於接線中之 應力亦顯示出同樣的效果。其中，當作爲前述ΕΜ可靠度提 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------------------------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（10) 门、‘件的η爲2時，依各種實驗所得之經驗法則判斷，s 應曰大於等於5 X1(r4。因此，爲使em之可靠度提高，有必 要使上述式⑴所示之s値小於5 X 1〇·4以下。 又，* 靠接線而形成之絕緣層僅有一層時，即使考慮 π緣層會m f到來自接線之應力而變形，η値亦最好比2還 大。不過，在孩場合下，會有裂痕會發生之問題。 因此，除了要選擇一滿足s < 5 X 1〇_4條件的材料、厚度之 爲了把成爲個可以解決裂痕耐性、吸水性、透水性 等問題的構造，即不只要緊靠接線形成一由揚氏模數較低 的材料所組成的絕緣層，還要緊接著該楊氏模數較低的絕 、彖b形成由揚氏模數較鬲的材料所組成的絕緣層。 依上所述，一具有充分之謹可靠度，且可解決裂痕耐 性、吸水性、透水性等問題的半導體裝置應爲一具有接線 、以及楊氏模數不同之第一與第二絕緣層的層疊構造，且 各層具有一滿足s<5xl(r4條件的材料、厚度者。 在本κ施例中，將接線3、第一絕緣層4之材料及厚度代 入上述式（2)中，若變更第二絕緣層5之材料的話，第二絕 緣層厚度定爲若爲添加磷之二氧化矽層的話爲⑺⑻ 以下，右爲TE0S-二氧化矽層的話爲300 nm，若爲等離子 氮化矽層的話爲100 nm。 其次，變更第二絕緣層5之厚度與材料而進行各種實驗 下I絕緣層4與5的厚度、s値、MTF、電流密度係數n、以 及裂痕耐性顯示於下面表1中。 本紙張&適財國國家標準（CNS)A4H(21G x 297公餐）------- -----------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 490710 A7 _B7 五、發明說明（11 ) 表1 第一絕緣層 第二絕緣層 ds(nm) dh(mn) s MTF η 裂痕耐性 有機SOG 添加F之Si〇2 400 0 1.3 x 10-4 ◎ >2 X 有機SOG 添加F之Si02 400 10 1.5 x 10'4 ◎ >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 400 100 2.5 x l〇-4 ◎ >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 400 200 3.2 x 10-4 ◎ >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 400 300 3.7 x 10_4 〇 >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 400 400 4.0 X 10-4 〇 >2 〇 有機SOG 添加F之Si〇2 400 1000 4.9 X ΙΟ-4 〇 >2 〇 有機SOG 添加F之Si〇2 400 1300 5.1 X ΙΟ-4 Δ 2 〇. 有機SOG TEOS 400 10 1.6 x ΙΟ'4 ◎ >2 〇 有機SOG TEOS 400 100 3.2 x 10-4 ◎ >2 〇 有機SOG TEOS 400 200 4.3 X ΙΟ-4 〇 >2 〇 有機SOG TEOS 400 300 4.9 X 10-4 〇 >2 〇 有機SOG TEOS 400 400 5.4 x ισ4 △ 2 〇 有機SOG SiN 400 10 1·8 X 10_4 ◎ >2 〇 有機SOG SiN 400 50 3.2 X 10"4 ◎ >2 〇. 有機SOG SiN 400 100 4.5 X 10'4 〇 >2 〇 有機SOG SiN 400 200 6.0 X ΙΟ-4 Δ 2 〇 有機SOG SiN 400 400 7.6 x 10'4 Δ 2 〇 TEOS SiN 600 600 9.6 x 10'4 習知 品 2 〇一 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (EM可靠度：◎比習知品顯著提高，〇比習知品提高； △與習知品相同） 在表1中，爲了與本發明作比較，特形成一 600 nm之 TEOS-二氧化碎層以及600 nm之等離子氮化碎層之層疊層 ’以取代本發明之第一與第二絕緣層4和5，來作爲一第一 絕緣層與第二絕緣層都係不會因受到來自接線之應力而變 形之層下的習知構造例。 _-14-__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^υ/10 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（12) 接線材料爲鋁，且使用Em=8〇 GPa、 〇腿、 =? zl -6 Μ • x 10 。測量之結果，接線爲鋁時，k尸i、k2= 1〇 x w3 。各絕緣層之線膨脹係數係使用晶圓之彎度量測裝置，藉 ㈣量彎度之溫度變化而求得。含有有機物之氧切膜: 泉膨脹係數（α M)爲1 〇-3，添加瑪之二氧化矽層、TEOS-二氧 層、或是等離子氮化矽層之線膨脹係數卜。都爲7x 又，接線3 I厚度dM，較準確而言是襯裡材2與鋁接 線3之厚度合計400 mn。 _在作爲比較例之習知構造之加速條件下的EM平均 壽命帅)爲75小時，且在表i中設有一就該酬作比較 〈攔’在-與本發明相同之加速條件下，mtf未達％小時 者表π成與習知品同程度，叫時以上未達酬、時者，表 示f比習知品還好，120小時以上者表示成比習知品顯著 提南。 又，電流密度係數n在習知楊氏模數相當大之絕緣層中 ’於ΕΜ中緊靠接線之絕緣層不會產生變形，在這樣之料 下η = 2，不會變成比2還大。另—方面，如本實施例之接 線構造般，在絕緣層會在受到來自接線之應力而產生變形 的條件下，η爲一比2還大的値。當僅於接線上作成第—絕 緣層4時，如表！所示，謂雖比習知品顯著提高，且η値 雖比2還大，會爲產生裂痕1由於第_絕緣層*上作成— 10 nm厚的第二絕緣層5，將可以防止裂痕之發生。第二絕 緣層5之厚度若不變化，在s値比5χι〇.4還大之構造下，雖 然不會引起裂痕之發生，但MTmn値都與習知品相同。 ____-15- 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） --------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 490710 A7 _B7_ 五、發明說明（13 ) 在s値爲5 X 1〇-4以下之接線構造，MTF比習知品提高20%以 t 上，且η爲一比2還大之値。又，當s値在3.2 X 1(Γ4以下時， η同樣有一比2還大的値，且MTF比習知品提高60%以上。 像這樣，第二絕緣層5之厚度若爲添加磷之二氧化矽層 且爲1300 nm，若爲TEOS-二氧化矽層且爲300 nm以下，若 爲等離子氮化矽層且爲200 nm以下，則可以解決裂痕耐性 、吸水性、透水性等問題，且MTF提高。 其次，説明第一絕緣層4爲15 GPa以下，第二絕緣層5爲 15 GPa以上之理由。 在一與圖1所示構造相同之構造中，使第一絕緣層4之楊 氏模數作各種變化，而進行實驗時之s値、MTF、電流密度 係數η、以及裂痕耐性等表示於表2中。 -----------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 490710 A7 _B7 五、發明說明（14) 表2 第一絕緣層 第二絕 緣層 ds(nm) dh(nm) s MTF η 裂痕 耐性 有機 SOG(5GPa) SiN 400 0 9.8 x 10·5 ◎ >2 X 有機 SOG(5GPa) SiN 400 10 1.4 x 10'4 ◎ >2 〇 有機 SOG(5GPa) SiN 400 50 2.8 x 10'4 ◎ >2 〇 有機 SOG(8GPa) SiN 400 0 1.5 x 10-4 ◎ >2 X 有機 SOG(8GPa) SiN 400 10 1.9 x 10-4 ◎ >2 〇 有機 SOG(8GPa) SiN 400 50 3.2 x 10'4 ◎ >2 〇 有機 SOG(lOGPa) SiN 400 0 1.9 x 10'4 ◎ >2 X 有機 SOG(lOGPa) SiN 400 10 2.3 x 10-4 ◎ >2 〇 有機 SOG(lOGPa) SiN 400 50 3.5 x 10'4 ◎ >2 〇 添加 F 之 Si02(l5GPa) SiN 400 0 2.7 x 10-4 ◎ >2 X 添加F之Si〇2(l5GPa) SiN 400 10 3.1 x 10-4 ◎ >2 〇 添加 F 之 Si02(l5GPa) SiN 400 100 4.1 x 10~4 〇 >2 〇 添加 F 之 Si02(28GPa) SiN 400 0 4.7 x 10"4 〇 >2 X 添加 F 之 Si02(28GPa) SiN 400 10 5.0 x ΙΟ-4 △ 2 〇 添加 F 之 Si02(28GPa) SiN 400 50 5.7 x 10-4 Δ 2 〇 添加 F 之 Si02(28GPa) SiN 400 0 5.7 x 10"4 △. 2 〇 添加 F 之 Si02(28GPa) SiN 400 10 5.9 x 10'4 Δ 2 〇 添加 F 之 Si02(28GPa) SiN 400 50 6.5 x 10'4 Δ 2 〇_ TEOS(57GPa) SiN 400 0 8.0 x 10"4 習知 品 2 〇 TEOS(57GPa) SiN 400 10 8.1 x 10"4 習知 品 2 〇 TEOS(57GPa) SiN 400 50 8.4 x 10"4 習知 品 2 〇 (ΕΜ可靠度：◎比習知品顯著提高，〇比習知品提高； △與習知品相同） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
在表示於表2中之實驗係於形成鋁接線3後，以有機SOG -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（15) 層、添加磷之二氧化矽層、TE〇s_二氧化矽層並進行各種 變更，而形成一用以形成於鋁接線3上面之第一絕緣層4。 又在有機SOG層中’在450C下，分別以30分鐘、45分鐘 、60分鐘進行成膜後之熱處理時間；另，在形成一添加磷 之二氧化矽層時，分別使所被添加之磷的濃度變化成4Ri% 、6RI%、8RI%，並使楊氏模數變化。各絕緣層之揚氏模 數依添加磷之二氧化矽層之磷濃度愈少之順序下，分別爲 36 GPa、28 GPa、15 GPa。含有有機物之氧化碎層的揚氏模 數依熱處理時間愈長之順序，分別爲1〇 GPa、8 GPa、5 GPa 。藉由上述，即實現了 一具有5 〇1^至57 GPa範圍之揚氏模 數的第一絕緣層4。 又，在該第一絕緣層4上，分別作成一 10 nm* 5〇 nm厚之 等離子氮化矽層，作爲第二絕緣層5。又，爲與本發明相 比較，並顯示一以鋁作爲接線3，且以一 TE〇S-二氧化矽層 取代第一絕緣層4，以1〇 nm或50 nm之等離子氮化石夕層取代 第二絕緣層5之情形。 當形成於接線上方部位之第一絕緣層4的揚氏模數在3斤 GPa以上時，即使單層，亦即沒有第二絕緣層5被形成時， 亦不會產生裂痕，但是EM耐性則未見比習知品還提高。當 揚氏模數在28 GPa時，在單層下即見到EM耐性之提高，但 在單層下有裂痕之發生。在15 GPa以下時，在單層下雖然 有裂痕產生，但任何一層都因層疊有一 1〇 nm厚之等離子氮 化石夕層’而可以防止裂痕之發生。又，在揚氏模數爲15 GPa以下之絕緣層中，等離子氮化矽層之厚度不管是i〇nm 或是50 nm，都顯示出一比習知品還高的EM耐性。 -18 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------1^^ 裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 A7 (16 、發明說明 戈a，上述，可以了解到第一絕緣層4之楊氏模數有必要 :h以下。又，若考量到裂痕耐性、吸水性、透 二:’由於需要-揚氏模數比第-絕緣層4還高的第二絕 与5第一纟巴緣層5之揚氏模數即必須在15 Gpa以上。 —^又，該揚氏模數在15GPa以下的第一絕緣層4，在使用 有上述層以外之有機物的氧化矽層爲主成分的層， :、 3有以I驗亞胺爲代表之有機層、無機添加物之氧 匕矽層時，亦可獲得一樣的效果。 (弟二實施例） 回圖2爲一有關本發明之第二實施例之半導體裝置之截面 圖、在本貝施例中，將就一在接線上面以及侧面都緊靠者 形成揚氏模數在15 GPa以下之絕緣層的場合作説明。在以 下施例中，共通之構造標以相同符號，而省略其詳細 灰明。 如圖2所示，在TE0心二氧化矽層i上形成有一接線〕。 在=TE0S-二氧化矽層}之整面上，形成一第一絕緣層*， f緊靠該接線3之上面及側面。在該第一絕緣層4上，形成一 第二絕緣層5。又，在接線3與TE〇S-二氧化矽層i之間， 形成有襯裡材2，而且，在接線3與第一絕緣層4之間形成 有一反射防止層21。第一絕緣層4由揚氏模數在15 Gpa以下 之材料所組成，第二絕緣層5由揚氏模數在丨5 Gpa&上之材 料所組成。在以下之實施例中亦一樣。 在本實施例中，第一絕緣層4爲一含有有機物之氧化矽 層’第一絕緣層5爲一添加磷之二氧化碎層、te〇S-二氧化 梦層、或等離子氮化矽層，襯裡材2爲Ti/TiN，接線3爲銘 ：------------裳--------訂---------線· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -19-
490710 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（17) 又’接線3、第一絕緣層4以及第二絕緣層5之各參數作 成滿足第一實施例中所示之式⑺條件。其中，第一絕緣層 4之厚度ds爲自一與TE〇S-二氧化矽層之界面至一與第二絕 緣層5之界面之間的厚度。 以下説明本半導體裝置之製造方法。 在TEOS _氧化石夕層1上’形成一由20 nm之歛層與10 nm 之氮化敲層之疊層構造所組成之襯裡材2 &。接著，作成一 400 nm之接線材料層、以及一由511111之鈦層和60mn之氮化 鈇層之®層構造所成之反射防止層21。之後，以法， 進行圖案製作，而形成接線3。 其次，作一第一絕緣層4作爲鈍化層。此時，第一絕緣 層4之厚度（在圖2中爲ds)爲600 nm。再於第一絕緣層4上， 形成第二絕緣層5。 第二絕緣層5之厚度若爲添加磷之二氧化矽層爲15〇〇 下’ ^爲TE〇S-二氧化秒層爲400 nm以下，若爲等離子氣 化矽層爲100 nm。 又，在以下之實施例中，之所以作成一接線3、第一與 第二絕緣層4、5之疊層構造的理由，以及第一絕緣層*爲 15 GPa以下而第二絕緣層5爲15 GPa以上之理由，與第—〒 施例相同，而省略。 ' 就一如上所述般製成之半導體裝置而言，在—與第—舍 施例相同之條件下，對第二絕緣層5之厚度與材料進^ I 種變更而進行實驗下的絕緣層4和5之厚度、s値、 電流密度係數η、以及裂痕耐性等顯示於下之表3中 -20 - ’ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 490710 A7 ____B7__ 五、發明說明（18 ) 爲與本發明作一比較，並就一在鋁接線上方部位層疊有一 TEOS-二氧化石夕層（600 nm)與等離子氮化矽層（600 nm)之習 知構造，進行相同之實驗。 表3 第·一絕緣層 第二絕緣層 ds(nm) dh(nm) s MTF n 裂痕 耐性 有機SOG 添加F之Si02 600 0 1.3 x 1(T4 ◎ >2 X 有機SOG 添加F之Si02 600 10 1.4 x ισ4 ◎ >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 600 100 2.2 x 10-4 ◎ >2 〇. 有機SOG 添加F之Si02 600 400 3.5 X ΙΟ-4 ◎ >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 600 500 3.8 x 10'4 〇 >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 600 1000 4.5 X 10'4 〇 >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 600 1500 4.9 x 10-4 〇 >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 600 2000 5.1 X 10'4 Δ 2 〇 有機SOG TEOS 600 10 1.5 x ΙΟ-4 ◎ >2 〇 有機SOG TEOS 600 100 2.7 x 10'4 ◎ >2 〇 有機SOG TEOS 600 200 3.6 x 10·4 〇 >2 〇 有機SOG TEOS 600 400 4.8 x ΙΟ'4 〇 >2 〇 有機SOG TEOS 600 500 5.1 x ΙΟ'4 Δ 2 〇 有機SOG SiN 600 10 1.6 x ΙΟ'4 ◎ >2 〇- 有機SOG SiN 600 50 2.7 x 10'4 ◎ >2 〇 有機SOG SiN 600 100 3.7 x 10~4 〇 >2 〇 有機SOG SiN 600 200 5.1 X 10'4 2 〇 有機SOG SiN 600 400 6.7 X 10-4 Δ 2 〇 TEOS SiN 600 600 9.6 X 10-4 習知品 2 〇 (EM可靠度：◎比習知品顯著提高，〇比習知品提高； △與習知品相同） 接線之厚度dM在合計襯裡材2、接線3、以及反射防止 層21之厚度之下，爲495 nm。至於MTF，係在以一取代第 _-21 -__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 一~ -----------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 490710 A7 B7 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 五、發明說明（19) 一與第二絕緣層4和5，而形成一 TEOS-二氧化矽層/氮化石夕 層層疊構造之習知構造爲基準下，與第一實施例相同地進 行判斷。 如表3所示，在接線3上僅作成一第一絕緣層4而不形成 第二絕緣層5時，雖然MTF比習知顯著提高，η値亦不比2 大，但卻發生裂痕。藉由在第一絕緣層4上形成一第二絕 緣層10 nm，則可以防止裂痕之發生。 若使第二絕緣層5之厚度變化，在一 s値比5 X 1〇4還大的 構造中，雖然不會產生裂痕，但MTF、η値都與習知品差 不多。在其s値爲5 X 10-4以下的接線構造中，MTF則比習知 品提高20%以上，且n爲一比2還大之値。進一步，當$値 在2 Χ 10-4以下時，η同樣爲一比2大之値，且MTF比習知 品提高60%以上。 像這樣，根據本實施例，在一於接線之上面與側面都緊 接形成有一揚氏模數在15 GPa&下之絕緣層的構造中，與 第一實施例一樣，不僅解決裂痕耐性、吸水性、透水性問 題亦可使EM可靠度提高。又，藉由在接線3之側面形成 第一絕緣層4，其EM可靠度將比第一實施例還提高。 (第三實施例） 圖3 (a)爲一有關本發明之第三實施例之半導體裝置之截 面圖。在本實施例中，係就一在接線之全面都爲楊氏模數 15 GPa以下之絕緣層所圍繞之情形作説明。 如圖3 (a)所tf，熱氧化之二氧化矽層31上，形成有第— 絕緣層4。薇第一絕緣層4爲一由層間絕緣層如與仆所成之 本紙張尺度_巾國"^鮮（CNS)A4 !-----------裝--------訂---------線 C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 22-
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 490710 五、發明說明（2Q) 層邊構k，且在層間絕緣層4a上形成有凹槽。該凹槽之底 面與侧面形成有一襯裡材2而為其所覆蓋。進一步，隔著 該襯裡材2 ’在凹槽内填入而形成一接線3。又，在第—絕 、·彖層4上，、形成有第二絕緣層5。進—步，在該第二絕緣層 5上，形成有—等離子氮化矽層32。第一絕緣層*由—揚氏 模數在15 GPa以下之材料所組成，第二絕緣層5由_揚氏模 數在15 GPa以上之材料所構成。 在本實施例中，第一絕緣層4為一含有有機物之氧化矽 層，第一絕緣層5為添加磷之二氧化矽層，或是TE〇s_二氧 化石夕層’襯裡材2為鈮，接線3為鋁。 又’接線3、第一絕緣層4與第二絕緣層5之各項參數滿 足第一實施例所示之式（2)。，其中，第一絕緣層4之厚度七 為一自一與熱氧化二氧化矽層31之界面至一與第二絕緣層 5之界面間的厚度。 以下說明本半導體裝置之製造方法。 首先，在圖示未示之基體上，作成一熱氧化二氧化矽膜 3 1，並形成一 800 nm之層間絕緣層4a，並進行一供成為接_ 線之凹槽的加工。凹槽之深度為4〇〇 nm。由鈮組成之襯裡 材2作成15 nm，接著以回流濺鍍法在凹槽内形成一接線材 料層。之後’以CMP法，將凹槽以外之接線材料加以除去 而平坦化’進而形成接線3，並於其上面形成一 4〇〇 nm之 層間絕緣層4b。於一由層間絕緣層4a與4b所組成之第一絕 緣層4上方，形成一第二絕緣層5，再於其上形成一 6〇〇 nm 之等離子氮化矽層32。 -23- 本紙張尺度適W國國家標準（CNS)A4規格咖χ 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂— 490710 Α7Β7 五、發明說明（21) 第二絕緣層5之厚度若爲添加磷之二氧化矽層則爲3000 nm以下，若爲TEOS·二氧化政層則爲800 nm以下。 對一如上所述般製造之半導體裝置，在一和第二實施例 一樣之條件下，對第二絕緣層5之厚度與材料進行各種變 更而進行實驗時之絕緣層4與5之厚度、s値、MTF、電流 密度係數η、以及裂痕耐性顯示於下表4中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 表4 第一絕緣層 第二絕緣層 ds(nm) dh(nm) s MTF η 裂痕耐性 有機SOG 添加F之Si02 1200 0 1.3 x ΙΟ-4 ◎ >2 X 有機SOG 添加F之Si02 1200 10 1.4 X 10'4 ◎ >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 1200 400 2.8 X 10'4 ◎ >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 1200 800 3.5 X 10'4 ◎ >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 1200 1000 3.8 x 10'4 〇 >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 1200 2000 4.5 X 10'4 〇 >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 1200 3000 4.9 x ΙΟ-4 〇 >2 〇. 有機SOG 添加F之Si02 1200 4000 5.1 X 10'4 Δ 2 〇 有機SOG TEOS 1200 10 1.4 X 10'4 ◎ >2 〇 有機SOG TEOS 1200 100 2.1 X 1(T4 ◎ >2 〇 有機SOG TEOS 1200 300 3.2 x 10"4 ◎ >2 〇一 有機SOG TEOS 1200 400 3.6 x 10_4 〇 >2 〇 有機SOG TEOS 1200 800 4.8 X 10'4 〇 >2 〇 有機SOG TEOS 1200 1000 5.1 X 10'4 Δ 2 〇 TEOS SiN 1600 600 8.8 X 10-4 習知 品 2 〇 (ΕΜ可靠度：◎比習知品顯著提高，〇比習知品提高； △與習知品相同） 又，爲與本發明作一比較，並就一以TEOS-二氧化矽層/ 氮化矽層作爲層間絕緣層之具有鋁接線的習知構造，進行 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂----- 華. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 _______-Zb - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐 490710 五、發明說明（22) 相同炙EM實驗。在圖3(b)中顯示該比較例之斷面圖。如圖 3 (b)所不，與本實施例不同之地方在於取代第一絕緣層4 與第二絕緣層5，而僅以TE〇s_二氧化矽層來形成層間層。 TEOS-二氧化矽層之厚度爲16〇〇 nm。 在本實施例中，第一絕緣層4之膜厚ds自一與形成該接 線3下方之熱氧化二氧化矽層31間之界面，至一與接線3上 方之第二絕緣層5間之界面爲止之厚度合計爲1200 nm。第 二絕緣層5僅爲一緊靠第一絕緣層4之上面之添加磷的二氧 化矽層或TEOS-二氧化矽層，最上層之等離子氮化矽層32 由於沒有直接接觸第一絕緣層4，所及之影響非常小，因 而不含在第二絕緣層5内。 在MTF方面，以圖3 (b)所示之TE〇孓二氧化矽/氮化矽層 積層作爲層間絕緣層用之接線爲基準，與上述實施例一樣 地進行判斷。當在接線3上僅有一第一絕緣層4時，如表4 所示，MTF比習知品顯著提高，n値比2還大，但有裂痕發 生。藉由在第一絕緣層4上，作成一 1〇 nm之第二絕緣層5_ ，即可防止裂痕之發生。 若使第一絕緣層5之厚度變化，在一 s値比5 X 1 〇-4還大的 構造中，雖然不會產生裂痕，但MTF、η値都與習知品声 不多。在其s値爲5x 1(Τ4以下的接線構造中，Mtf則比習知 品提高20%以上，且η爲一比2還大之値。進一步，當§値 在3.2Χ10·4以下時，η同樣爲一比2大之値，且Mtf比習知 品提南60%以上。 像這樣，根據本實施例，當作成接線之全面都有一揚氏 -25- ----------^----------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（23) 模數在15 GPa以下之絕緣層圍繞時，與第一、第二實施例 一樣，不僅解決裂痕耐性、吸水性、透水性問題，亦可使 EM可靠度提高。又，藉由將第一絕緣層4形成於接線3之侧 面之更下方，其EM可靠度將比第一、第二實施例還提高。 (第四實施例） 圖4 (a)係關於本發明之第四實施例之半導體裝置之截面 圖。在本實施例中，在多層接線之各接線間，使用一具有 15 GPa以下楊氏模數之絕緣層，且在層間使用一具有比 GPa還大之楊氏模數的絕緣層之場合作説明。 如圖4 (a)所示，在TE〇s_二氧化矽層1上形成有一第一絕 緣層4。在第一絕緣層4内，隔著襯裡材2，填入而形成第 一接線41。在該第一接線41與第一絕緣層4上，形成有一 第二絕緣層5。在該第二絕緣層5上，形成一層間絕緣層42 ，並於該層間絕緣層42上，形成一凹槽；接著，在該凹槽 t某一邵位，穿過第二絕緣層5，連通第一接線41形成有 一通道孔。該通道孔以及凹槽上填入形成第二接線43。該— 第二接線43除了上表面外形成有襯裡材2，在第二接線43 與第一絕緣層5上’形成有一 TEOS-二氧化矽層1。進一步 ，於該TEOS-二氧化矽層上，形成有一等離子氮化矽層32 又，接線41、第一絕緣層4、及第二絕緣層5之各參數作 成滿足第一實施例中所示式子（2)。 以下説明該半導體裝置之製造方法。 -----------裝--------訂--------- ^91 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 竹 U7l〇 五、發明說明（24) 層4上形成一凹槽，並在該凹槽内，隔著襯裡材2，而以嵌 入法製程填入而形成第一接線41。其次，在該第一接線41 與第一絕緣層4上，層積而形成第二絕緣層5與層間絕緣層 42 °接著’以rie法等，選擇性除去層間絕緣層42和第二絕 緣層5 ’而設置出一通達第一接線41之通道孔後，包含該 通道孔所被設置之區域，選擇性地除去層間絕緣層42，而 形成凹槽。其次，包含通道孔在内形成一覆蓋凹槽表面之 襯裡材2，再於該凹槽内，以雙嵌入法，填入而形成第二 接線43。 在本實施例中，第一與第二接線41、43都以鋁形成，第 一絕緣層4使用一含有有機物之氧化矽層（3〇〇nm)，第二絕 緣層5使用一添加磷之二氧化矽層、TE〇s_二氧化矽層、及 寺離子氮化石夕層等其中之-。又，形成在在第二接線43之 上方部位作爲鈍化層之TE0S_二氧化矽層及等離子氮化 矽層32之厚度各爲600 nm。第二絕緣層5之厚度作成在爲 一添加磷之二氧化矽層時爲8〇〇 nm，在爲_te〇s_二氧2 石夕層時爲200 nm’在爲-等離子氮化石夕層時爲％⑽以下~ 對-如上所述般製造之半導體裝置，對第二絕緣&、 厚度與材料進行各種變更而進行實驗時之絕緣層4旬曰之二 度”値、謂、電流密度係數n、以及裂痕耐性 ：
表表5中。 < F -27· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） U-------------------^------— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 490710 A7 _B7 五、發明說明（25 ) 表5 第一絕緣層 第二絕緣層 ds(nm) dh(nm) s MTF η 裂痕耐性 有機SOG 添加F之Si02 300 0 1.3 X 10'4 ◎ >2 X 有機SOG 添加F之Si02 300 10 1.5 x 10-4 ◎ >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 300 100 2.8 x 10-4 ◎ >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 300 200 3.5 X 10-4 ◎ >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 300 300 4.0 x ΙΟ-4 〇 >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 300 400 4·3 x 1(T4 〇 >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 300 800 5.0 x 10-4 〇 >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 300 1300 5.1 X 10-4 Δ 2 〇. 有機SOG TEOS 300 10 1.7 x ισ4 ◎ >2 〇 有機SOG TEOS 300 50 2.7 X 10"4 ◎ >2 〇 有機SOG TEOS 300 100 3.6 X 10"4 〇 >2 〇 有機SOG TEOS 300 200 4.8 X 10-4 〇 >2 〇 有機SOG TEOS 300 300 5.4 X ΙΟ-4 Δ 2 〇 有機SOG SiN 300 10 1.9 x 10'4 ◎ >2 〇 有機SOG SiN 300 30 2.9 X 10-4 ◎ >2 〇 有機SOG SiN 300 50 3·7 X 10·4 〇 >2 〇 有機SOG SiN 300 100 5.1 X 10'4 Δ 2 〇 有機SOG SiN 300 200 6.7 x 10-4 Δ 2 〇 TEOS SiN 1600 600 8.8 x 10-4 習知 品 2 〇— -----------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (EM可靠度：◎比習知品顯著提高，〇比習知品提高； △與習知品相同） 又，爲與本發明作一比較，並就一以TEOS-二氧化矽層 1作爲所有層間絕緣層之具有鋁接線的習知構造，'進行相 同之EM實驗。在圖4 (b)中顯示該比較例之斷面圖。如圖 4 (b)所示，與本實施例不同之地方在於取代一由第一絕緣 層4、第二絕緣層5、以及層間絕緣層4 2所組成之層，而 -28- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 490710 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（26 ) 僅以TEOS-二氧化矽層來形成層間層。 接線厚度dM爲第一接線41之厚度（300 nm)，具有15 GPa下 之揚氏模數的第一絕緣層4之厚度ds爲一在第一接線41之 接線間之含有有機物之氧化矽層的厚度（3〇〇 nm)。第二絕 緣層5之厚度dh爲一位於第一與第二接線41、43之層間的添 加磷之二氧化矽層、TE0S_二氧化矽層、或是等離子氮化 石夕層任一者。 在MTF方面，以圖4⑻所示之TEOS·二氧化矽/氮化矽層 積層作爲層間絕緣層用之接線爲基準進行判斷。 當在接線41上僅有一含有有機物之氧化矽層時，如表$ 所示，MTF比習知品顯著提高，n値比2還大，但有裂痕發 生。藉由在第一絕緣層4上，作成一1〇 nm之第二絕緣層5 ，即可防止裂痕之發生。若使第二絕緣層5之厚度變化， 在一 s値比5Χ1(Γ4還大的構造中，雖然不會產生裂痕，但 MTF、η値都與習知品差不多。在其s値爲5 χ 1〇4以下的接 線構造中，MTF則比習知品提高20%以上，且n爲一比2還 大之値。進一步，當s値在3·2Χ10-4以下時，n同樣爲一比/ 大之値，且MTF比習知品提高60%以上。 (第五實施例） 圖5⑷係關於本發明之第五實施例之半導體裝置之截面 圖。在本實施例中，就一在多層接線之接線間、層間都使 用一具有15 GPa以下揚氏模數之絕緣層之場合作説明。 如圖5⑷所示，在熱氧化二氧切層31上形成有—㈣ 絕緣層4a。在該層間絕緣層私内，形成有—預定深度之凹 _—____-29- 、 又 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------丨丨•裝------^ —訂---------線, (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 490710 A7 B7 五、發明說明（27 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 槽。在該凹槽内，隔著襯裡材2埋填形成有第一接線41。 在該第一接線41與層間絕緣層牡上，形成層間絕緣層仆， 且在該層間絕緣層4b上，形成一預定深度之凹槽，與一通 達第一接線41之通道孔。在該凹槽與通道孔中，隔著襯裡 材2，埋填形成第二接線43。 在第二接線43與層間絕緣層4b上形成有層間絕緣層乜， 在該層間絕緣層4c上，形成有一預定深度之凹槽、以及一 通達第二接線43之通道孔。該凹槽與通道孔中，形成有第 二接線51。又，在泫第二接線41與層間絕緣層4〇上，隔著 層間纟巴緣層4d，形成有一第二絕緣層5作爲純化層。又， 包含層間絕緣層4a〜4d在内稱爲第一絕緣層4。第一至第 三接線41、43、及44之厚度總共400 nm。 又，接線3、第一絕緣層4、及第二絕緣層5之各參數作 成滿足第一實施例中所示式子（2)。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 以下説明該半導體裝置之製造方法。又，與第四實施例 共通I邵分的詳細説明予以省略。在本實施例中，於第一 接線41中使用鋁嵌入接線，通道與第二、三接線43、”則 以雙嵌入法作成。 以層間絕緣層4a〜4d構成之第一絕緣層4都是使用第一 實施例所載含有有機物之氧化矽層。第—絕緣層4之總厚 度爲2800 nm，第二絕緣層5爲等離子氮化矽層，其厚度在 800 nm以下。 對一如上所述般製造之半導體裝置，在一和上述實施例 相同之條件下，對第二絕緣層5之厚度進行各種變更而進 ________-30- 本紙張尺度剌+國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 490710 A7 _B7__ 五、發明說明（28 ) 行實驗時之絕緣層4與5之厚度、s値、MTF、電流密度係 數η、以及裂痕耐性顯示於下示表6中。 表6 第 一絕緣層 第二絕緣層 ds(nm) dh(nm) s MTF n 裂痕耐性 有機SOG SiN 2800 0 1.3 x 10'4 ◎ >2 X 有機SOG SiN 2800 10 1.4 x 10-4 ◎ >2 〇 有機SOG SiN 2800 200 2.5 x 10'4 ◎ >2 〇 有機SOG SiN 2800 400 3.4 x 10-4 ◎ >2 〇 有機SOG SiN 2800 500 3.8 x 10-4 〇 >2 o . 有機SOG SiN 2800 800 4.8 X 10'4 〇 >2 〇 有機SOG SiN 2800 1000 5.2 X 10'4 Δ 2 〇 TEOS SiN 2800 600 8.5 x 10'4 習知品 2 〇 本實施例之半導體裝置中，將第一〜第三接線41、43、 及51之各接線視爲試驗接線，而進行了 ΕΜ試驗。 又，爲與本發明作一比較，並就一以TEOS-二氧化矽作 爲所有層間絕緣層之具有鋁接線的習知構造，亦進行相同 之ΕΜ實驗。在圖5 (b)中顯示該比較例之斷面圖。如圖5 (b) 一 所示，與本實施例不同之地方僅在於取代第一絕緣層4，_ 而以TEOS-二氧化矽層1形成層間層。TEOS-二氧化矽層1 之厚度爲2800 nm。 接線厚度dM爲第一至第三接線41、43、及51之合計厚度 (1200 nm)，具有15 GPa下之楊氏模數的第一絕緣層4之厚 度d s爲層間絕緣層4a〜4d之合計厚度（2800 nm)。第二絕緣 層5之厚度dh爲等離子氮化矽層之厚度。至於MTF，係以圖 5 (b)所示之TEOS-二氧化矽/氮化矽層積層作爲層間絕緣層 用之半導體裝置爲基準進行判斷。 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） _ I-----------^----------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 490710 經濟部智慧財產局員工消費合作社印
A7 B7 五、發明說明（29) 當僅作成第一絕緣層4時，如表6所示，Mtf比習知品顯 著提高，η値亦比2還大，但有裂痕發生。藉由在第一絕緣 層4上，作成一10nm之第二絕緣層5，可防止裂痕之發生 。若使第二絕緣層5之厚度變化，在一s値比5χι〇_4還大的 構造中，雖然不會產生裂痕，但MTF、η値都與習知品差 不夕。在其s値爲5χ 1〇-4以下的接線構造中，比習知 品提高20%以上，且n爲一比2還大之値。進一步，當$値 在3.2Χ 1(Γ4以下時，η同樣爲一比2大之値，且Μτρ比習知 品提高60%以上。 以第二層接線、第三層接線作爲試驗接線而進行實驗時 ，亦獲得相同之結果。 (第六實施例） 圖6 (a)係關於本發明之第六實施例之半導體裝置之截面 圖。在本貝施例中，就一在多層接線之接線間、層間所使 用之絕緣層材料雖然不同，但都具有15 Gpa以下之揚氏模 數之場合作説明。 如圖6 (a)所不，在熱氧化二氧化矽層31上層疊一層間絕 緣層61與62。在該層間絕緣層62上，形成一凹槽。在該凹 槽内，埋填形成有第一接線41。在該第一接線41與層間絕 緣層62上，層疊形成層間絕緣層63與64，並形成有一貫通 層間絕緣層63與64而達第一接線41的通道孔，且在層間絕 緣層64中，形成有一包含該通道孔的區域。於包含該通道 孔之凹槽内，埋填形成有第二接線43。在第二接線43與層 間絕緣層64上方’層疊形成有層間絕緣層65以及作爲鈍化 -32 狄度適用中國國家標準（CNS^Ti格（210 x 297'公髮)---- -----------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 490710 A7 五、發明說明（30) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 層之第二絕緣層5。又，在第一與第二接線之底面與側面 上’形成有襯裡材2 ;而且，在本實施例中，層間絕緣層 61至65作爲第一絕緣層4。 第一以及第二接線41、43之厚度爲300. nm。設於接線4 1 、43之側部的層間絕緣層62、64分別爲厚度300 nm之含有 有機物之氧化矽層，層間絕緣層61、63以及65分別爲400 nm 厚之聚醯亞胺層。又，第二絕緣層5爲等離子氮化矽層。 又’接線41、第一絕緣層4、及第二絕緣層5之各參數作 成滿足第一實施例中所示式子（2)。 又’本半導體裝置之第一接線41使用鋁嵌入接線，通道 與第二接線43以雙嵌入法作成。第二絕緣層5之厚度作成 在500 nm以下，其它製造方法與上述實施例相同而在此省 略説明。 對一如上所述般製造之半導體裝置，在一和上述實施例 相同之條件下，對第二絕緣層5之厚度進行各種變更而進 行實驗時之絕緣層4與5之厚度、s値、MTF、電流密度係 數η、以及裂痕耐性等顯示於下示表7中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 | -33- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公爱) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 490710 A7 _B7 五、發明說明（31 ) 表7 第一絕緣層 第二絕緣層 ds(nm) dh(nm) s MTF η 裂痕耐性 有機SOG&聚 醯亞胺 SiN 1800 0 1.2 x 10-4 ◎ >2 X 有機SOG&聚 醯亞胺 SiN 1800 10 1.3 x 10'4 ◎ >2 〇 有機SOG&聚 醯亞胺 SiN 1800 200 3.0 x 1CT4 ◎ >2 〇 有機SOG&聚 酿亞胺 SiN 1800 300 3.6 x 10'4 〇 >2 〇 有機SOG&聚 醯亞胺 SiN 1800 500 4.7 x 10'4 〇 >2 〇 有機SOG&聚 醯亞胺 SiN 1800 600 5.1 x 10-4 Δ 2 〇 有機SOG&聚 醯亞胺 SiN 1800 800 5.7 x 10"4 △ 2 〇 TEOS SiN 1800 600 8·8 X 10·4 習知 品 2 〇 (EM可靠度：◎比習知品顯著提高，〇比習知品提高； △與習知品相同） 本實施例之半導體裝置中，將第一與第二接線41、43之— 各接線視爲試驗接線，而進行了 EM試驗。 _ 又，爲與本發明作一比較，並就一以TEOS-二氧化矽作， 爲所有層間絕緣層之具有鋁接線的習知構造，亦同樣進行 EM實驗。在圖6 (b)中顯示該比較例之斷面圖。如圖6 (b)所 示，與本實施例不同之地方僅在於形成有一以TEOS-二氧 化矽層1而成之層間層，以取代第一絕緣層4。TEOS-二氧 化矽層1之厚度爲1800 nm。 接線厚度dM爲第一與第二接線41、43之合計厚度（600 nm);具有15 GPa下之楊氏模數的第一絕緣層4之合計厚度 -34- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^-----------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 490710 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7__ 五、發明說明（32) ^ ds、複合下之楊氏模數E s以及線膨脹係數q s以下式定至 ds =dsl +ds2 ^ds3 +ds4 +ds5
Es =(dslEsl +ds2Es2 +ds3Esl ^ds4Es2 ^-ds5Esi)/ds 〇^s =(dsiasl +ds2asl +ds3asl 又’ dsl〜dsS、Esl〜Ed、a sl〜心5依序分別爲層間絶緣 層61〜65之厚度、揚氏模數、以及線膨脹係數。在本 例中所用之聚醯亞胺層之楊氏模數爲5.2 GPa，線膨服係= 爲 10·5。 由上式可知 ds=1800 nm、Es=5.5 GPa、a s=l〇·5。第二絕緣 層之厚度dh爲等離子氮化矽層之厚度。至於mtf，係以圖 6(b)所示之TEOS-二氧化矽/氮化矽層積層作爲層間絕緣層 用之接線爲基準進行判斷。 當僅在接線上作成第一絕緣層4時，如表7所示， 習知品顯著提咼，η値亦比2還大，但有裂痕發生。藉由在 第一絕緣層4上，作成一 1〇 nm之第二絕緣層5，可防止裂 痕之發生。若使第二絕緣層5之厚度變化，在一 s値比5χ 10 4還大的構造中’雖然不會產生裂痕，但MTF、η値都與 習知ρρ差不多。在其s値爲5 X 1 〇-4以下的接線構造中，mtF 則比習知品提高20%以上，且η爲一比2還大之値。進一步 ，當s値在3.2X10 4以下時，η同樣爲一比2大之値，且MTF 比習知品提南60%以上。 以第二接線作爲試驗接線而進行實驗時，亦獲得相同之 結果。 (第七實施例） -35- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ------------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 490710 Α7Β7 五、發明說明（33) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 現以一接線材料爲銅或銅合金之場合作爲第七實施例來 作説明。 在表8中，係就一將第一實施例所載構造中之鋁接線換 成銅接線下之半導體裝置，進行實驗而得之絕緣層4與5之 厚度、s値、MTF、電流密度係數η、以及裂痕耐性等作一 顯示。 表8 第一絕緣層 第二絕緣層 ds(nm) dh(nm) s MTF η 裂痕 耐性 有機SOG 添加F之Si02 400 0 1.3 X 10"4 ◎ >2 X 有機SOG 添加F之Si02 400 10 1.5 x 10-4 ◎ >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 400 100 2.8 x 10'4 ◎ >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 400 200 3.5 X 10'4 ◎ >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 400 300 4.0 x 10-4 〇 >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 400 400 4.3 x 10_4 〇 >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 400 800 5.0 x 10-4 〇 >2 〇 有機SOG 添加F之Si02 400 1300 5.1 x 10'4 Δ 2 〇 有機SOG TEOS 400 10 1.7 x 10_4 ◎ >2 〇 有機SOG TEOS 400 50 2.7 x 10"4 ◎ >2 〇- 有機SOG TEOS 400 100 3.6 x 10"4 〇 >2 〇 有機SOG TEOS 400 200 4.8 x 10-4 〇 >2 〇 有機SOG TEOS 400 300 5.4 x 10'4 △ 2 〇 有機SOG SiN 400 10 1.6 x 10~4 ◎ >2 〇 有機SOG SiN 400 50 2·9 x 1(T4 ◎ >2 〇 有機SOG SiN 400 100 4.2 x ΙΟ-4 〇 >2 〇 有機SOG SiN 400 200 5.8 x 10'4 Δ 2 〇 TEOS SiN 600 600 9.9 x 10'4 習知 品 2 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (ΕΜ可靠度：◎比習知品顯著提高，〇比習知品提高； -36- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 490710 A7 B7_____ 五、發明說明（34) △與習知品與相同） 由測1結果得知當為銅接線時，]^ = 1.2，kflO-3。襯裡 材以及接線上方部位之障壁金屬為TiN或TaN。接線厚度dM 為襯裡材與接線上面之障壁層和銅厚度之合計，且為4〇〇 nm。接線材料之揚氏模數（Em)以及線膨脹係數（α m)為銅的 物性值（EM=126 GPa，α Μ=1·7 X ΙΟ·5)。至於 MTF，係以 TEOS- 二氧化石夕/氮化矽層積層作為層間絕緣層用之接線為基準 進行判斷。 如表8所示，當僅作成第一絕緣層4時，MTF比習知品顯 著提高，η值亦比2還大，但有裂痕發生。藉由在第一絕緣 層4上，作成一 10 nm之第二絕緣層5，可防止裂痕之發 生。若使第二絕緣層5之厚度變化，在一 s值比5 X 1〇_4還大 的構造中，.雖然不會產生裂痕，但MTF、η值都與習知品 差不多。在其s值為5 X 1〇·4以下的接線構造中，MTF則比 習知品提高2〇%以上，且η為一比2還大之值。進一步，當 s值在3.2Χ10-4以下時，η同樣為一比2大之值，且Μτρ比習-知品提高60%以上。 - 在上述構造中，第二絕緣層5之厚度在為添加磷之二氧 化矽層時為1500 nm，在為TE〇孓二氧化矽層時為3〇〇 下’在為等離子氮化矽層時為1〇() nm以下。 又，在第二〜第六實施例之所有構造中，接線材料為銅 或銅合金時，亦可獲得一和鋁接線情形下相同之效果。當 為銅接線時，接線以及和其相接之絕緣層之間雖存在有障 壁層，但在計算s值時，該障壁層之厚度在其為導電層時加 -37- 本紙張&適用中國國家標準（CNS)A4規格(_21() χ 297公餐）--------- ^----------1 -----------------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 490710 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（35) 計=線厚度，而在爲絕緣物時則加計至絕緣層之厚度。 本發明並不限定於以上實施例。 又’各層之形成方法除了旋轉塗覆以外，一以⑽法、 _合、繼等製作而成之含有有機物之氧化梦層等 亦了獲传同樣之效果。又，本有右機 ^ 百百機物 < 氧化矽層之添加 物可爲Τι、氧化錐或鋁之金屬氧化物。 襯裡材除了鈮以外，用Ti、TiN、T^'TaAl等時亦可獲得 相同效果。 [發明之效果] 根據以上詳述之本發明，緊臨接線形成第一絕緣層，再 緊臨孩第一絕緣層形成一揚氏模數比第一絕緣層還低的第 二絕緣層，以此結構，並適當設定各參數，使作用於接線 上之應力的溫度梯度s < 5 X 1〇_4，藉此，將可以保持接線之 裂痕耐性，且EM可靠度顯示提高。 -38- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐i ·裝* —訂--------- 華 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

  1. 490710 8 8 8 8 ABCD 申請專利範圍 一種半導體裝置，其具備一接線、笛 κ 弟—絶緣層、與一第 二絕緣層’第一絕緣層緊臨該接線之^】 ，第二絕緣層緊臨該第一絕緣層上而 數比該第一絕緣層還高，其特徵在於· 若設定成該接線、該第一絕緣層、以 之線膨脹係數分別爲a M、a s、σ 面而形成 形成，且楊氏模 該第二絕緣層 h ’揚氏模數分別爲 EM、Es、Eh ’厚度分別爲dM、ds、dh，仿4致丄 h 依構成該接線之 材料而定之係數爲h、k2， η ^ ^ 且义義d^cU+dh、 E尸（dsE^dhEhVd〗、Λ产(ds a s+dh a h)/dl，作用於該接線之 應力的溫度梯度爲s ’則該接線、該第—絕緣層、該第 二絕緣層滿足下式條件 s = kx Em aM -Καΐ di <5x10' te薇i 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 .如申請專利範圍第i項之半導體裝置，其中該絕緣 層以楊氏模數在15 GPa以下之材料形成，該第二絕緣層 以楊氏模數在15 GPa以上之材料形成。 3 .如申請專利範圍第丨項之半導體裝置，其特徵在於該第 一絕緣層爲一由異質材料組成之層積層，若將由該接 線側數起第i個絕緣層之厚度設爲dsi，楊氏模數設爲Esi ，線膨脹係數設爲a S1 ds =es=iz<^V^ 則 .....(式 2) .:_酸 你'沒1 k 兑:: -39- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（210X斯公釐） 禮 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
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