(57)【要約】【課題】ＵＢＭエッチング時に異種金属接触腐食によるＣｕ配線層の側壁エッチング量を抑え、ボンディング時にボンディング位置の目印を有する半導体装置を提供する。【解決手段】多層配線構造を有する半導体装置において、第１の配線層と、第１の配線層上に形成される層間絶縁膜と、層間絶縁膜の第１の配線層の形成位置内に、層間絶縁膜を貫通して形成される配線用溝と、配線用溝の周囲の層間絶縁膜上の一部と、に形成され、Ｃｕの層間絶縁膜への拡散を防止するバリアメタル膜と、バリアメタル膜上に形成され、上面に配線用溝に対応する部分が周囲よりも窪んだ凹部を有するＣｕを含む材料からなる第２の配線層と、第２の配線層上の全面に形成され、Ｃｕよりもイオン化傾向の大きい材料からなる第１の金属層、および凹部内に形成され、Ｃｕよりもイオン化傾向の小さい材料からなる第２の金属層を有するトップメタル層と、を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層配線構造を有する半導体装置において、
所定の形状にパターニングされた第１の配線層と、
前記第１の配線層上に形成される層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の前記第１の配線層の形成位置内に、前記層間絶縁膜を貫通して形成される配線用溝、および前記配線用溝の周囲の前記層間絶縁膜上の一部に形成され、Ｃｕの前記層間絶縁膜への拡散を防止するバリアメタル膜と、
前記バリアメタル膜上に形成され、前記配線用溝に対応する部分が周囲よりも窪んだ凹部を上面に有するＣｕを含む材料からなる第２の配線層と、
前記第２の配線層上の全面に形成されたＣｕよりもイオン化傾向の大きい材料からなる第１の金属層、および前記凹部内に形成されたＣｕよりもイオン化傾向の小さい材料からなる第２の金属層を有するトップメタル層と、
を備え、
前記第２の金属層上にワイヤがボンディングされることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第２の金属層の面積は、前記凹部底面の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
多層配線構造を有する半導体装置の製造方法において、
所定の形状にパターニングされた第１の配線層上に層間絶縁膜を形成する第１の工程と、
前記層間絶縁膜の前記第１の配線層の形成位置内に、前記層間絶縁膜を貫通して形成される配線用溝を形成する第２の工程と、
前記配線用溝内を含む前記層間絶縁膜上にＣｕの前記層間絶縁膜への拡散を防止するバリアメタル膜を形成する第３の工程と、
前記バリアメタル膜上の前記配線用溝内と前記配線用溝の周囲の前記層間絶縁膜上の一部とに、Ｃｕを含む材料からなる第２の配線層を形成する第４の工程と、
前記第２の配線層上に、Ｃｕよりもイオン化傾向の大きい材料からなる第１の金属層を形成する第５の工程と、
Ｃｕよりもイオン化傾向の小さい材料からなる第２の金属層を、前記第１の金属層の面積よりも小さい面積で前記第１の金属層上に形成する第６の工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第４の工程で、前記第２の配線層は、前記配線用溝上に形成された領域の上面が、前記層間絶縁膜上に形成された領域の上面よりも低い凹部を有するように形成され、
前記第５の工程で、前記第１の金属層は、前記第２の配線層の上面の全面に形成され、
前記第６の工程で、前記第２の金属層は、前記凹部内の前記第１の金属層上に、前記凹部底面の面積よりも小さくなるように形成されることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
多層配線構造を有する半導体装置の製造方法において、
所定の形状にパターニングされた第１の配線層上に層間絶縁膜を形成する第１の工程と、
前記層間絶縁膜の前記第１の配線層の形成位置内に、前記層間絶縁膜を貫通して形成される配線用溝を形成する第２の工程と、
前記配線用溝内を含む前記層間絶縁膜上にＣｕの前記層間絶縁膜への拡散を防止するバリアメタル膜を形成する第３の工程と、
前記バリアメタル膜上の前記配線用溝内と前記配線用溝の周囲の前記層間絶縁膜上の一部とに、Ｃｕを含む材料からなるとともに、前記配線用溝上に形成された領域の上面が、前記層間絶縁膜上に形成された領域の上面よりも低い凹部を有する第２の配線層を形成する第４の工程と、
前記第２の配線層の上面の全面に、Ｃｕよりもイオン化傾向の大きい材料からなる第１の金属層を形成する第５の工程と、
前記第２の配線層の形成位置以外に形成された前記バリアメタル膜をウエットエッチングによって除去する第６の工程と、
前記凹部内の前記第１の金属層上に、Ｃｕよりもイオン化傾向の小さい材料からなる第２の金属層を形成する第７の工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置では、Ｃｕの拡散を防止し、ボンディングワイヤとの密着性を確保するために、層間絶縁膜の所定の位置に下層のＡｌ配線層と接続するための配線用溝を形成し、この配線用溝を含む層間絶縁膜上の所定のマージンを考慮した範囲に、最上層のＣｕ配線層が形成される。そして、この最上層のＣｕ配線層上にＮｉ／Ｐｄ／Ａｕを含むトップメタル層を形成した構造を有している（たとえば、特許文献１参照）。このような配線構造の従来例による形成方法について説明する。まず、層間絶縁膜の所定の位置に下層のＡｌ配線層が露出するように配線用溝を形成し、配線用溝内を含む層間絶縁膜上にバリアメタル層とシード層とを含むＵＢＭ（Under  Bump  Metal）層を形成する。また、Ｃｕ配線層を形成する位置以外にレジストを塗布してマスクを形成する。このとき、層間絶縁膜に形成された配線用溝と、その配線用溝の周縁部付近の層間絶縁膜上の領域以外の領域にマスクを形成する。その後、めっき法によって、マスクが形成されていない位置にＣｕ配線層を形成する。ついで、Ｃｕ配線層上に、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕからなるトップメタル層を連続成膜した後、マスクを除去し、ＵＢＭ層をエッチングすることによって、上記構造の半導体装置が得られる。
【０００３】
しかし、従来の技術におけるＵＢＭエッチング時では、卑な金属であるＣｕ配線層に対し、貴な金属であるＡｕ層が存在するために、電位差が生じ、異種金属接触腐食が起こってしまうという問題点があった。つまり、ＵＢＭエッチング時におけるＣｕ配線層の側壁エッチング量が増大してしまっていた。このエッチング量は、接触する金属の電位差が大きいほど大きくなる。そのため、Ｃｕ配線層の層間絶縁膜に形成された配線用溝の周縁部からの張り出し量を大きく確保する必要があり、配線ライン幅が拡大してしまっていた。
【０００４】
また、Ｃｕ配線層上の全面にトップメタル層が形成されているために、ボンディング位置の目印がなく、ボンディング装置によるボンディング処理がしにくいという問題点もあった。そのため、Ｃｕ配線層の層間絶縁膜の配線用溝に対応する領域と、配線用溝の周りの層間絶縁膜上に形成される領域との間に形成される段差部上に、ボンディングされてしまうこともあり、この場合には、ワイヤのトップメタル層との密着性が悪化してしまっていた。
【０００５】
さらに、Ｃｕ配線層上の全面にトップメタル層が形成されているために、マウント時には、ハレーションが発生し、マウント装置の画像認識手段によって、Ａｕ膜の反射によってマウント位置の画像認識を行うことができず、マウント位置の検出不具合が発生してしまうという問題点もあった。
【０００６】
【特許文献１】特開平４−６５８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ＵＢＭエッチング時に異種金属接触腐食によるＣｕ配線層の側壁エッチング量を抑え、また、ボンディング時にボンディング位置の目印となり、さらに、マウント時にマウント位置の検出不具合が発生しにくい半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、多層配線構造を有する半導体装置において、所定の形状にパターニングされた第１の配線層と、前記第１の配線層上に形成される層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の前記第１の配線層の形成位置内に、前記層間絶縁膜を貫通して形成される配線用溝、および前記配線用溝の周囲の前記層間絶縁膜上の一部に形成され、Ｃｕの前記層間絶縁膜への拡散を防止するバリアメタル膜と、前記バリアメタル膜上に形成され、前記配線用溝に対応する部分が周囲よりも窪んだ凹部を上面に有するＣｕを含む材料からなる第２の配線層と、前記第２の配線層上の全面に形成されたＣｕよりもイオン化傾向の大きい材料からなる第１の金属層、および前記凹部内に形成されたＣｕよりもイオン化傾向の小さい材料からなる第２の金属層を有するトップメタル層と、を備え、前記第２の金属層上にワイヤがボンディングされることを特徴とする半導体装置が提供される。
【０００９】
また、本発明の一態様によれば、多層配線構造を有する半導体装置の製造方法において、所定の形状にパターニングされた第１の配線層上に層間絶縁膜を形成する第１の工程と、前記層間絶縁膜の前記第１の配線層の形成位置内に、前記層間絶縁膜を貫通して形成される配線用溝を形成する第２の工程と、前記配線用溝内を含む前記層間絶縁膜上にＣｕの前記層間絶縁膜への拡散を防止するバリアメタル膜を形成する第３の工程と、前記バリアメタル膜上の前記配線用溝内と前記配線用溝の周囲の前記層間絶縁膜上の一部とに、Ｃｕを含む材料からなる第２の配線層を形成する第４の工程と、前記第２の配線層上に、Ｃｕよりもイオン化傾向の大きい材料からなる第１の金属層を形成する第５の工程と、Ｃｕよりもイオン化傾向の小さい材料からなる第２の金属層を、前記第１の金属層の面積よりも小さい面積で前記第１の金属層上に形成する第６の工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１０】
さらに、本発明の一態様によれば、多層配線構造を有する半導体装置の製造方法において、所定の形状にパターニングされた第１の配線層上に層間絶縁膜を形成する第１の工程と、前記層間絶縁膜の前記第１の配線層の形成位置内に、前記層間絶縁膜を貫通して形成される配線用溝を形成する第２の工程と、前記配線用溝内を含む前記層間絶縁膜上にＣｕの前記層間絶縁膜への拡散を防止するバリアメタル膜を形成する第３の工程と、前記バリアメタル膜上の前記配線用溝内と前記配線用溝の周囲の前記層間絶縁膜上の一部とに、Ｃｕを含む材料からなるとともに、前記配線用溝上に形成された領域の上面が、前記層間絶縁膜上に形成された領域の上面よりも低い凹部を有する第２の配線層を形成する第４の工程と、前記第２の配線層の上面の全面に、Ｃｕよりもイオン化傾向の大きい材料からなる第１の金属層を形成する第５の工程と、前記第２の配線層の形成位置以外に形成された前記バリアメタル膜をウエットエッチングによって除去する第６の工程と、前記凹部内の前記第１の金属層上に、Ｃｕよりもイオン化傾向の小さい材料からなる第２の金属層を形成する第７の工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＵＢＭエッチング時に異種金属接触腐食によるＣｕ配線層の側壁エッチング量を抑え、また、ボンディング時にボンディング位置の目印となり、さらに、マウント時にマウント位置の検出不具合が発生することを抑制する半導体装置およびその製造方法を提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態にかかる半導体装置およびその製造方法を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる半導体装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。さらに、以下で示す膜厚は一例であり、これに限定されるものではない。
【００１３】
図１は、この実施の形態による半導体装置の上層配線の配線構造の一例を模式的に示す断面図であり、図２は、図１の上面図である。この半導体装置は、半導体基板上に電界効果型トランジスタなどの電子部品が形成され、さらに層間絶縁膜を介して下層配線層が所定の数形成された図示しない半導体基材上に、所定の形状にパターニングされたＡｌ配線層１１と、レジスト加工時の反射防止膜の機能を有するＴｉＮ膜１２と、層間絶縁膜１５とが、順に形成されている。なお、ＴｉＮ膜１２は、設けなくてもよい。
【００１４】
Ａｌ配線層１１が形成された層間絶縁膜１５の所定の位置には配線用溝（開口）１６が設けられており、この配線用溝１６内と配線用溝１６の周縁部の層間絶縁膜１５上に、Ｃｕの層間絶縁膜１５への拡散を防止するＴａＮ膜やＴａ膜などのバリアメタル層２１とＣｕ膜からなるシード層２２とが形成されている。以下では、これらのバリアメタル層２１とシード層２２とを合わせてＵＢＭ層２３ともいう。また、このＵＢＭ層２３上には、Ｃｕ配線層２４が形成され、その上面には、トップメタル層２８が形成される。
【００１５】
トップメタル層２８は、半導体装置の配線構造上にワイヤボンディングするために設けられる層であり、ワイヤとの密着性のよい性質を有する導電性材料によって構成される。また、トップメタル層２８は、下層のＣｕ配線層２４からのＣｕの拡散を防止するための導電性材料からなる層などによって構成される。この図１の例では、Ｃｕ配線層２４の上面に、Ｃｕよりもイオン化傾向が大きく、Ｃｕの拡散を防止する金属材料膜であるＮｉ膜２５と、Ｎｉの拡散を防止する金属材料膜であるＰｄ膜２６と、ボンディング時にワイヤとの密着性が高いＡｕ膜２７と、が、順に積層されている。また、Ｎｉ膜２５のみ、Ｃｕ配線層２４上の全面に形成されている。
【００１６】
Ｃｕ配線層２４およびＮｉ膜２５の上面は、下部の層間絶縁膜１５に形成された配線用溝１６に対応する領域が周囲よりも窪んだ凹部３１を有する段差構造を有している。そして、段差構造の凹部３１内のＮｉ膜２５上に収まるように、トップメタル層２８の残りの膜であるＰｄ膜２６とＡｕ膜２７の積層膜が形成されている。そして、凹部３１内のＡｕ膜２７上にワイヤがボンディングされる。
【００１７】
このような構造を有することによって、半導体装置の上面から見た場合に、トップメタル層２８のＮｉ膜２５とＡｕ膜２７との間に視覚上の違いを生じさせ、ボンディング位置の目印が形成される。その結果、ボンディング時に、ボンディング位置を明確に認識することが可能となり、段差部３２にボンディングされてしまうことを抑制している。また、マウント時においても、ボンディング位置であるＡｕ膜２７の面積が、Ｎｉ膜２５の面積よりも小さくなるので、Ａｕ膜２７のマウント装置による画像認識を可能とする。その結果、ハレーションの発生が防止され、マウント装置によるマウント位置の検出を可能としている。
【００１８】
つぎに、このような配線構造を有する半導体装置の製造方法について説明する。図３〜図４は、この実施の形態による半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。なお、ここでも、Ａｌ配線層１１よりも下層の半導体装置の構造については、図示を省略している。
【００１９】
まず、図示しない半導体基材上に所定のパターン形状のＡｌ配線層１１とＴｉＮ膜１２とを形成し、ＴｉＮ膜１２上にさらに層間絶縁膜１５を形成する。下層にＡｌ配線層１１が形成された層間絶縁膜１５の所定の位置に層間絶縁膜１５を貫通するように配線用溝１６を形成する（図３（ａ））。ついで、配線用溝１６内を含む層間絶縁膜１５上にバリアメタル層２１とシード層２２を続けて成膜し、ＵＢＭ層２３を形成する（図３（ｂ））。
【００２０】
その後、シード層２２上の全面にレジスト膜を塗布した後、配線用溝１６とその周囲の領域を含む所定の領域のみ露出するように、露光、現像によってレジスト膜のパターニングを行い、マスク４１を形成する（図３（ｃ））。上述したように、これによって、配線用溝１６とその周囲の領域のみマスクされない状態となる。
【００２１】
ついで、この状態でめっき法によってＣｕ配線層２４を形成する（図３（ｄ））。このとき、マスクされずシード層２２が露出した領域にのみＣｕ配線層２４が形成される。このとき形成されるＣｕ配線層２４は、下地の形状の影響を受けて、段差構造を有する。具体的には、配線用溝１６に対応する領域のＣｕ配線層２４の上面は、層間絶縁膜１５上に形成されたＣｕ配線層２４の上面よりも下位に位置しており、凹部３１が形成されている。
【００２２】
続けて、Ｃｕよりもイオン化傾向の大きな元素からなる膜であるＮｉ膜２５をＣｕ配線層２４上の全面に、めっき法などによって形成する（図３（ｅ））。このＣｕ配線層２４上に形成する膜は、Ｃｕよりもイオン化傾向の大きな元素からなる導電性の膜であればよいが、Ｃｕよりもイオン化傾向の小さな元素からなる膜、たとえばＡｕなど、は望ましくない。
【００２３】
ついで、有機溶剤などを用いてマスク４１を除去し（図４（ａ））、さらにウエットエッチングによってＣｕ配線層２４が形成されていない領域でのシード層２２およびバリアメタル層２１からなるＵＢＭ層２３を除去する（図４（ｂ））。このＵＢＭ層２３のエッチング時において、Ｃｕ配線層２４とＮｉ膜２５とが形成された状態にあるが、Ｃｕの方がＮｉよりもイオン化傾向が小さいので、Ｃｕがエッチングされることがない。つまり、異種金属接触腐食によって、Ｃｕ配線層２４の側壁部のエッチング量が増大することがない。逆に、Ｃｕよりもイオン化傾向の小さい元素からなる膜、たとえばＡｕ膜を、Ｃｕ配線層２４の上面に形成して、ウエットエッチングを行った場合には、異種金属接触腐食によって、イオン化傾向の小さいＣｕ配線層２４の側壁部のエッチング量が増大してしまう。このように、この実施の形態では、Ｃｕよりもイオン化傾向の大きい元素からなる膜のみをＣｕ配線層２４上に形成するようにしたので、ＵＢＭ層２３のエッチング時に、Ｃｕ配線層２４の側壁部のエッチングが抑制される。
【００２４】
その後、Ｃｕ配線層２４およびＮｉ膜２５が形成された層間絶縁膜１５上の全面にレジスト膜を塗布し、凹部３１内のＮｉ膜２５上の領域が露出するように、露光、現像によってレジスト膜のパターニングを行い、マスク４２を形成する（図４（ｃ））。ここでは、凹部３１の周縁部から所定の距離だけ内部に入った領域までマスクを行い、凹部３１の中央部を含む領域のみマスクがされない状態となる。
【００２５】
ついで、Ｎｉ膜２５上にＰｄ膜２６をたとえばめっき法によって形成し（図４（ｄ））、続けてＡｕ膜２７をたとえばめっき法によって形成し（図４（ｅ））、最後に、マスク４２を除去することによって、図１に示される配線構造を有する半導体装置が得られる。
【００２６】
この実施の形態によれば、Ｃｕ配線層２４を形成した後にトップメタル層２８を形成する場合に、Ｃｕよりもイオン化傾向の大きな元素からなる膜をＣｕ配線層２４上に形成した後、ＵＢＭ層２３をエッチングするようにした。これによって、ＵＢＭ層２３のエッチング時に、Ｃｕ配線層２４の側壁部が異種金属接触腐食によってエッチングされてしまうことを防ぐことができ、Ｃｕ配線層２４の層間絶縁膜１５上に形成する部分の幅を必要最小限に抑え、配線ライン幅の拡大を抑制することができるという効果を有する。
【００２７】
また、Ｃｕ配線層２４上の全面にトップメタル層２８を構成するＮｉ膜２５を形成し、Ｎｉ膜２５上の凹部３１内に、トップメタル層２８を構成するＰｄ膜２６／Ａｕ膜２７を形成するようにしたので、Ｐｄ膜２６／Ａｕ膜２７をＮｉ膜２５から容易に識別することができ、ボンディング位置の目印とすることができる。この結果、ボンディング装置によるボンディング処理を容易に行うことができ、段差部３２上にボンディングしてしまうことを防ぎ、ワイヤのトップメタル層２８との密着性を確保することができるという効果を有する。さらに、マウント時のハレーションの発生を抑制し、マウント装置によるマウント位置の検出不具合の発生を防止することができるという効果を有する。
【００２８】
なお、上述した説明では、トップメタル層２８として、Ｎｉ膜２５／Ｐｄ膜２６／Ａｕ膜２７の積層膜としたが、これに限定されるものではない。また、３層構造である必要もない。ただし、トップメタル層２８を形成する場合には、Ｃｕよりもイオン化傾向の大きな元素からなる膜を、ＵＢＭ層２３のエッチング前にＣｕ配線層２４の上面に形成し、Ｃｕよりもイオン化傾向の小さな元素からなる膜を、ＵＢＭ層２３のエッチング後に、先に形成したトップメタル層２８を構成する膜上に形成することによって、上述した実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この実施の形態による半導体装置の上層配線の配線構造の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の上面図である。
【図３】この実施の形態による半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その１）。
【図４】この実施の形態による半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その２）。
【符号の説明】
【００３０】
１１…Ａｌ配線層、１２…ＴｉＮ膜、１５…層間絶縁膜、１６…配線用溝、２１…バリアメタル層、２２…シード層、２３…ＵＢＭ膜層、２４…Ｃｕ配線層、２５…Ｎｉ膜、２６…Ｐｄ膜、２７…Ａｕ膜、２８…トップメタル層、３１…凹部、３２…段差部、４１，４２…マスク。
【図１】
2010161170.tif 000003
【図２】
2010161170.tif 000004
【図３】
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【図４】
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