(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極材料または配線材料であるＣｕ膜と、当該Ｃｕ膜のバリアメタルであるＴｉＮ膜とによってＣｕ／ＴｉＮ積層体構造が形成される半導体装置において、
前記ＴｉＮ膜は、チタンに対する窒素の組成比が「１．５」以下となるように成膜されてなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
ターゲットとしてチタンを用い、反応性ガスとして窒素ガスを用い、不活性ガスとしてアルゴンガスを用いた反応性スパッタリングにて、配線を有する基板上に、窒素ガスの供給量とアルゴンガスの供給量の比を調整することにより、チタンに対する窒素の組成比が「１．５」以下であるＴｉＮ膜を成膜する工程と、
前記ＴｉＮ膜の上に、電極材料または配線材料であるＣｕ膜を成膜する工程と、
前記ＴｉＮ膜およびＣｕ膜からなるＣｕ／ＴｉＮ積層体構造の不要領域を除去する工程と、
を備えた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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置に係り、詳しくは、異なる材料からなる導電性材料を電気的に接続するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、バンプ電極を用いたフリップチップ実装技術として、Ｃｕ膜のバリアメタルとしてＴｉＮが検討されている（例えば、星野ら、信学技報、ＳＭＤ９５−２０６（１９９５）３３頁）。しかし、ＴｉＮはＣｕに対し濡れ性が悪いため、Ｃｕ／ＴｉＮ間で剥がれが生じるという報告がされている（古谷ら；秋季第５５回応用物理学会発表（予稿集２１Ｐ−ＺＤ−５，ｐ．７２５（１９９４））等参照）。
【０００３】
その問題を解決するため、本願出願人は、特開平８−１２４９２５号公報にてＣｕ／ＴｉＮ間に密着層であるＴｉ膜を挿入し、Ｃｕ／ＴｉＮ間の剥がれを防止することを提案している。
【０００４】
この技術を図１３を用いて説明すると、シリコン基板３０の上面にＳｉＯ2 膜３１を介してアルミ配線３２が延設され、その上はパッシベーション膜３３にて覆われている。パッシベーション膜３３の一部には開口部３３ａが形成され、開口部３３ａを含むパッシベーション膜３３の上には、所定のパターンのバリアメタルとしてのＴｉＮ膜３４と密着層としてのＴｉ膜３５とバンプ成長用Ｃｕ膜３６とを介してＣｕバンプ電極３７が配置されている。このように密着層としてのＴｉ膜３５の存在により剥がれを防止して密着性の向上が図られる。
【０００５】
しかしながら、製造の際に、ＴｉＮ膜３４とＴｉ膜３５とバンプ成長用Ｃｕ膜３６を順に堆積した後においてこの積層体の不要部分を除去すべくウェットエッチングにてＣｕ膜を除去した後、Ｔｉ膜とＴｉＮ膜を同時にエッチングする手法を用いた場合には、ＴｉＮ膜３４とＴｉ膜３５のエッチングレートを比較すると、Ｔｉに対するＴｉＮのエッチングレートが遅いためにＴｉＮ膜３４を基準にしてエッチングを行うとＴｉ膜３５がＴｉＮ膜３４よりも過大にエッチングされてしまいＴｉ膜の径が細くなる。このような状態はバンプ電極の強度という観点からするとあまり好ましいものではなく、この点については未だ改良の余地がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明の目的は、新規な構成にてフリップチップのバンプ電極部やＬＳＩ配線部においてＣｕ膜とＴｉＮ膜との密着性に優れた半導体装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、ＴｉＮ膜におけるチタンに対する窒素の組成比を「１．５」以下とすることにより、Ｃｕ膜とＴｉＮ膜との間の密着性を向上させることができる。このように、バリアメタルであるＴｉＮ膜とＣｕ膜の付着力を、密着層としてのＴｉ膜を用いずに向上させることができる。
【０００８】
つまり、ＴｉＮ膜におけるチタンに対する窒素の組成比を「１．５」以下とすることにより、Ｃｕ／ＴｉＮ間の剥がれを防止し、引張り強度をＣｕ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造と同等の高い値を得ることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、ターゲットとしてチタンを用い、反応性ガスとして窒素ガスを用い、不活性ガスとしてアルゴンガスを用いた反応性スパッタリングにて、配線を有する基板上に、窒素ガスの供給量とアルゴンガスの供給量の比を調整することにより、チタンに対する窒素の組成比が「１．５」以下であるＴｉＮ膜を成膜する。そして、ＴｉＮ膜の上に、電極材料または配線材料であるＣｕ膜を成膜する。さらに、前記ＴｉＮ膜およびＣｕ膜からなるＣｕ／ＴｉＮ積層体構造の不要領域を除去する。
【００１０】
よって、Ｃｕ膜とＴｉＮ膜との密着性が高く、剥離や強度劣化を起こしにくくなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明をフリップチップのバンプ電極構造に具体化した一実施例を図面に従って説明する。
【００１２】
図１は半導体装置におけるフリップチップ８のバンプ電極部の断面構造を示している。本フリップチップ８においてはシリコン基板１（ウェハ）にＣｕよりなるバンプ電極７が設けられている。
【００１３】
シリコン基板１（ウェハ）には機能素子としてのトランジスタ（図示略）が形成されている。このトランジスタと外部の基板１０とのコンタクトをとるためにバンプ電極７が用いられる。つまり、バンプ電極７を基板１０のパターン１０ａに半田付けで接合することによりトランジスタが電気的に接続される。
【００１４】
以下にバンプ電極部の詳細を説明していく。
シリコン基板１の上面にはＳｉＯ2 膜２を介してアルミ配線３が延設され、その上（表面）はパッシベーション膜４にて覆われている。パッシベーション膜４はＳｉＮ膜よりなる。このパッシベーション膜４の一部に開口部４ａが形成され、開口部４ａにてアルミ配線３の一部が露出している。開口部４ａ内を含むパッシベーション膜４の上には、所定のパターンのＴｉＮ膜５とバンプ成長用Ｃｕ膜６とからなる薄膜の積層体が形成されている。電極材料であるバンプ成長用Ｃｕ膜６はバンプ下地金属である。
【００１５】
ここで、ＴｉＮ膜５はアルミ配線３と導電接触しており、このＴｉＮ膜５はアルミ配線３での銅とアルミに対するバリア効果を有し、かつ、Ｔｉ（チタン）に対するＮ（窒素）の組成比が「１．５」以下となっており、ＴｉＮ膜５とバンプ成長用Ｃｕ膜６との密着性が高いものとなっている。即ち、ＴｉＮ膜５においてはＴｉに対するＮの組成比が大きいほどバリア性は向上するが密着性が低下してしまうので、密着性を考慮してＴｉに対するＮの組成比を「１．５」以下としている。
【００１６】
さらに、バンプ成長用Ｃｕ膜６はバンプ電極用金属であるＣｕとなじみがよい。バンプ成長用Ｃｕ膜６の上には、Ｃｕよりなるバンプ電極７が電解めっき法にて形成されている。
【００１７】
次に、半導体装置の製造方法を図１〜図４を用いて説明する。
図２には、バンプ電極を作り込む前のシリコン基板１（ウェハ）の状態を示す。シリコン基板１の表面にＳｉＯ2 膜２を介してアルミ配線３を形成するとともに、パッシベーション膜（ＳｉＮ膜）４を形成し、パッシベーション膜４に開口部４ａを形成する。
【００１８】
そして、図３に示すように、反応性スパッタリングにより、開口部４ａ内を含むパッシベーション膜４の上に、バリアメタルとしてのＴｉＮ膜５とバンプ成長用Ｃｕ膜（バンプ下地金属）６を形成する。
【００１９】
より詳しくは、図５に示すように、第１チャンバ１１と第２チャンバ１２とが連通部１３にて連通しており、第１チャンバ１１内にはＴｉターゲット１４が配置されるとともに第２チャンバ１２内にはＣｕターゲット１５が配置されている。そして、図２の基板１を第１チャンバ１１内にセットする。さらに、図６に示すように、チャンバ圧力を５ｍＴｏｒｒにし、ＤＣ電源１６にてＤＣパワーを３ｋＷ印加し、アルゴンガスおよび窒素ガスをＡｒ／Ｎ2 ＝１７ｓｃｃｍ／２８ｓｃｃｍにて供給しつつ、成膜温度２００℃でデポレート１．２６ｎｍ／ｓにてＴｉＮ膜（バリアメタル）５を基板１上に形成する。引き続き、図７に示すように、基板１を第１チャンバ１１から連通部１３を経て第２チャンバ１２に移し、ＤＣ電源１７に電圧を印加し、アルゴンガスをＡｒ＝４０ｓｃｃｍにて供給しつつ、成膜温度２００℃でデポレート４ｎｍ／ｓにて基板１上にバンプ成長用Ｃｕ膜（バンプ下地金属）６を形成する。
【００２０】
このようにＴｉＮ膜５及びバンプ成長用Ｃｕ膜６を形成した後に、４０５℃で１０分間のアニールを行う。
引き続き、図４に示すように、電解めっきによるバンプ電極７の成長を行う。
この成長工程においては、まずフォトレジスト膜１８を全面にコーティングし、フォトプロセスによってめっき用の窓を明け、フォトレジスト膜１８をマスクとし、かつバンプ成長用Ｃｕ膜６をめっき電極としてバンプ電極７となるＣｕ膜を電解めっき法によって例えば３〜５０μｍの厚みに成長させる。
【００２１】
そして、図１に示すように、フォトレジスト膜１８を取り除き、バンプ成長用Ｃｕ膜６およびＴｉＮ膜５における不要領域を除去する。つまり、バンプ電極７をマスクとしてバンプ成長用Ｃｕ膜６およびＴｉＮ膜５をエッチングする。
【００２２】
その後、トランジスタ特性を回復するために、窒素をパージガスとし、水素ガスをフォーミングガスとした混合ガス中にて３５０〜４５０℃、５〜６０分の熱処理を行う。この窒素と水素の混合ガスでの熱処理は、チップをパッケージなどに組付けるアッセンブリーはんだ組付工程においてもなされる場合がある。
【００２３】
この窒素と水素の混合ガスでの熱処理において、バリアメタルであるＴｉＮ膜５は、チタンに対する窒素の組成比が「１．５」以下となっており、Ｔｉが水素脆化することはない。
【００２４】
ＴｉＮ膜５でのチタンに対する窒素の組成比を「１．５」以下とすることによる密着性向上効果を確認するために各種の実験を行った。その結果を、以下に説明する。
【００２５】
図８には、バリアメタルとしてのＴｉＮ膜５におけるチタンに対する窒素の組成比と、引張り強度との関係、即ち、引張り強度の測定結果を示す。
ここで、引張り強度の測定方法としては、図９に示すように、１パンプ引張り試験機を用いている。つまり、図１０に示すＩＣチップ１を図９のプレート２０の上に固定し、半田２１にてバンプ電極７と専用治具２２とを接着し、専用治具２２を図中Ｆ方向に引張り破壊が起こった時の値を調べた。またこの時、その剥離面を観察した。
【００２６】
なお、ＴｉＮ膜５におけるチタンに対する窒素の組成比の表記方法として、Ｔｉが「１」のときのＮの組成をｘとして、組成比をＴｉＮx にて表すものとする。
【００２７】
また、ＴｉＮx のｘの絶対値（ＴｉＮ膜５におけるチタンに対する窒素の組成比）は、ＡＥＳ（オージェ電子分光法）による測定結果から、図１１に示すようにＲＢＳ（ラザフォード後方散乱法）による組成比に変換して求めている。つまり、組成比が既知の３つの標準サンプルをＲＢＳにて分析するとともに、同じサンプルをＡＥＳにて分析しＴｉピークに対するＴｉＮピーク比を求めて特性線Ｌ１を算出し、この特性線Ｌ１を用いてＡＥＳにて得られた値をＲＢＳにて得られた値に変換した。このようにして、ＲＢＳにて直接、ｘ値を求めるのではなく、ＡＥＳにてＴｉピークに対するＴｉＮピーク比を求めてＲＢＳによる値に変換している。
【００２８】
ＴｉＮx におけるｘ値を変えた時における引張り強度を示す図８において、サンプルＡはｘ値が「１．５２」であり、サンプルＢはｘ値が「１．７２」であり、いずれもｘ値が１．５よりも大きい。また、図８において、サンプルＣはｘ値が「１．４１」であり、ｘ値が１．５よりも小さい。さらに、サンプルＤは図１３に示すように、Ｔｉ膜３５を挟んでＴｉＮ膜３４とＣｕ膜３６を配置したものであり、特開平８−１２４９２５号公報にて示されているものである。尚、サンプルＤでのＴｉ膜の膜厚は２〜１００ｎｍである。
【００２９】
そして、サンプルＡは、２５０〜３７０ｇ／バンプの引張り強度のバラツキを有し、平均値が３００ｇ／バンプである。サンプルＢは、２０〜３００ｇ／バンプの引張り強度のバラツキを有し、平均値で１３０ｇ／バンプであった。また、ｘ値が１．５よりも小さなサンプルＣにおいては、３５０〜４５０ｇ／バンプの引張り強度のバラツキを有し、平均値で４００ｇ／バンプであった。さらに、サンプルＤにおいては、３５０〜４５０ｇ／バンプの引張り強度のバラツキを有し、平均値で４００ｇ／バンプであった。
【００３０】
これらのことから、ｘ値を１．５以下にすることにより、Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造体と同等の引張り強度とすることができることが分かる。
また、剥離面の観察結果において、サンプルＣ，Ｄにおいては半田内破壊であり、サンプルＡにおいてはＣｕ／ＴｉＮ間剥がれおよび半田内破壊であり、サンプルＢにおいてはＣｕ／ＴｉＮ間剥がれおよびＳｉＯ2内破壊であった。
【００３１】
ｘ値を１．５以下にするための具体的な手法として、図１２に示すように、ＴｉＮ膜の成膜の際に、反応性スパッタリングのＮ2 ／（Ａｒ＋Ｎ2 ）を調整することによりＴｉＮx におけるｘ値を変えることができることを確認している。即ち、反応性スパッタリングの雰囲気によりｘ値を変えることが可能となり、雰囲気中の窒素の比を小さくするほどｘ値を小さくすることができる（Ａｒに対するＮ2 の分圧を制御して膜の組成を制御する）。
【００３２】
このように本実施の形態は、下記の特徴を有する。
（イ）製造工程として、ターゲットとしてチタンを用い、反応性ガスとして窒素ガスを用い、不活性ガスとしてアルゴンガスを用いた反応性スパッタリングにて、アルミ配線２を有する基板１上に、チタンに対する窒素の組成比を「１．５」以下としたＴｉＮ膜５を成膜する。そして、ＴｉＮ膜５の上に、電極材料であるＣｕ膜６を成膜し、さらに、不要領域のＴｉＮ膜５およびＣｕ膜６を除去した。
【００３３】
このようにしてＣｕ膜６とバリアメタルとしてのＴｉＮ膜５との積層体構造において、ＴｉＮ膜５におけるチタンに対する窒素の組成比を「１．５」以下とすることにより、バリアメタルであるＴｉＮ膜５とＣｕ膜６との間の密着力を、特開平８−１２４９２５号公報にて開示されているような密着層としてのＴｉ膜を用いずに向上させることができる。
【００３４】
つまり、ＴｉＮ膜５におけるチタンに対する窒素の組成比を「１．５」以下とすることにより、Ｃｕ／ＴｉＮ間の剥がれを防止し、引張り強度をＣｕ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造と同等の高い値を得ることができる。
（ロ）図１２に示すように、反応性スパッタリングにおいて、窒素ガスの供給量とアルゴンガスの供給量の比を調整することによりチタンに対する窒素の組成比を「１．５」以下にすることができる。
【００３５】
なお、Ｃｕ膜（６，７）は電極材料（フリップチップのバンプ電極部）であったが、配線材料であってもよい。つまり、Ｃｕ膜（６，７）はＬＳＩ配線部としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における半導体装置の断面図。
【図２】実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図３】同じく半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図４】同じく半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図５】同じく半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図６】同じく半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図７】同じく半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図８】ＴｉＮ膜におけるチタンに対する窒素の組成比と、引張り強度との関係を示す図。
【図９】強度測定法を説明するための断面図。
【図１０】強度測定法を説明するための斜視図。
【図１１】組成比決定のための説明図。
【図１２】供給ガスの混合率と組成比との関係を説明するための説明図。
【図１３】従来技術を説明するための半導体装置の断面図。
【符号の説明】
１…基板、３…アルミ配線、５…ＴｉＮ膜、６…バンプ成長用Ｃｕ膜、７…バンプ電極、１４…Ｔｉターゲット
【図１】
0003700322.tif 000002
【図２】
0003700322.tif 000003
【図３】
0003700322.tif 000004
【図４】
0003700322.tif 000005
【図５】
0003700322.tif 000006
【図６】
0003700322.tif 000007
【図７】
0003700322.tif 000008
【図８】
0003700322.tif 000009
【図９】
0003700322.tif 000010
【図１０】
0003700322.tif 000011
【図１１】
0003700322.tif 000012
【図１２】
0003700322.tif 000013
【図１３】
0003700322.tif 000014