(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された銅を主成分とする金属配線の上に金又はアルミニウムのワイヤをボンディングする工程を含む半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に銅を主成分とする金属配線を形成する工程と、
全面に絶縁膜を形成する工程と、
金属配線上の絶縁膜を、ワイヤをボンディングする部分のみ除去して金属配線の一部を露出する工程と、
露出した金属配線の一部の表面層に２．５〜５μΩｃｍの範囲の見かけの抵抗率の銅シリサイド層又は銅とホウ素との化合物層を形成する工程と、
銅シリサイド層又は銅とホウ素との化合物層の表面にワイヤをボンディングする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２】
銅を主成分とする金属配線の表面に形成される銅シリサイド層又は銅とホウ素との化合物層が、１０〜１００ｎｍの厚さを有する請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
銅とホウ素との化合物層が、金属配線を構成する銅と、ジボランとを反応させることにより形成される請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
半導体基板上に銅を主成分とする金属配線を備え、金属配線の一部の表面層に２．５〜５μΩｃｍの範囲の見かけの抵抗率のワイヤのボンディング用の銅シリサイド層又は銅とホウ素との化合物層を備えていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は、銅を主成分とする金属配線上に、ボンディング用のアルミニウムパッドを形成することなく、直接ワイヤをボンディングしうる半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
銅からなる金属配線は、低抵抗であり、かつ高いマイグレーション耐性を有する。そのため、半導体装置を構成する集積回路の金属配線による信号遅延を低減することができ、特に高密度で電流を流す動作の場合、高い信頼性を保証することができる。このような観点から、銅は、アルミニウムに代わる金属配線層用の材料として、半導体装置に使用され始めている。
【０００３】
現在、銅からなる金属配線は、主にマイクロプロセッサのような高速論理回路を有する半導体装置に用いられている。この半導体装置のパッケージングには、半導体装置（半導体チップ）上にバンプを形成するフリップチップ技術が用いられている。汎用の半導体装置では、金又はアルミニウムからなるワイヤを用いてボンディングが行われる。しかし、このボンディングは最低２００℃程度の加熱を伴い、銅はこの温度では容易に内部まで酸化されるので、安定にボンディングを行うことが難しい。
このため、銅からなる金属配線の上に、拡散バリア性の金属層を介するか、介さずにアルミニウムのパッドを設ける方法が提案されている（特開平８−７８４１０号公報、特開平１１−１３５５０６号公報）。
【０００４】
上記方法の一例を図３（ａ）〜（ｅ）を用いて以下で説明する。
シリコンの基板１に拡散層１０を形成した後、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等の絶縁膜を層間絶縁膜２として形成する。次に、コンタクトホールを層間絶縁膜２に開口し、後に形成する銅配線５と層間絶縁膜２との密着性を向上させるためのＴｉＮからなる密着層４をＣＶＤ法により形成する。この密着層４は、銅配線５から層間絶縁膜２への銅の拡散防止膜としての役割も兼ね備えている。この密着層４の上に銅膜をＤＣスパッタリング法で形成することで、銅膜５′でコンタクトホールを埋め込む（図３（ａ）参照）。
【０００５】
次に、銅膜５′上に、反射防止膜１１を形成する（図３（ｂ）参照）。
次に、銅膜５′をフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程に付すことで、所望のパターンを有する銅配線５を形成する。次いで、銅配線５の表面にＳｉＯ２、ＳｉＮ等の絶縁膜からなる表面保護膜１２を形成する。更に、所定領域の表面保護膜１２及び反射防止膜１１を選択的に除去して銅配線５を露出させることにより、パッド領域７ａを開口する（図３（ｃ）参照）。
【０００６】
パッド領域７ａを開口後、この開口部にＴｉＮのような拡散防止膜３を２０〜１００ｎｍ形成し、更にＡｌＳｉＣｕのような耐酸化性金属膜１３を２μｍの厚さで形成する。次いで、パッド領域７ａの近傍のみに拡散防止膜３及び耐酸化性金属膜１３を残存させる（図３（ｄ）参照）。
銅配線５のパッド領域７ａを耐酸化性金属膜１３で覆う構造を採用することで、ボンデングが行われる面（ボンディング面）を２００℃以上に加熱して行う超音波圧着法でも、又は４００℃以上に加熱して行う熱圧着法でも、ボンディングの際の銅配線５の酸化を防止することが可能となる。なお、図３（ｅ）は、ワイヤ８がパッド領域７ａにおいてワイヤボンディングされた状態を示している。
【０００７】
また、図４は、特開平１１−１３５５０６号に記載された、配線材料に銅を用いた場合のボンディングされた二層配線を有する半導体装置の一例の概略断面図である。この半導体装置は、次のように製造される。まず、ダマシン法により形成した銅配線５ｂ上を絶縁膜６で被覆し、ボンディングパッド部を開口する。この後、アルミニウム系膜９で絶縁膜６を被覆し、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程によりボンディングパッド部にアルミニウム系膜９を残す。次いで、金、アルミニウム等のワイヤ８をボンディングパッド部にボンディングすることにより製造される。図中、２ａ〜２ｄは層間絶縁膜、３ａ〜３ｃは拡散防止膜、４ａと４ｂは銅拡散防止膜、５ａは銅配線を示す。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図３（ａ）〜（ｅ）に示された方法では、全面に拡散防止層及び耐酸化性層を形成した後、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程によりボンディングパッド部に拡散防止層及び耐酸化性層を残存させている。そのため工程数が多く、製造コストが増加するという問題があった。
また、ボンディングパッド用のアルミニウムパッドを銅配線層上に形成する図４の方法は、アルミニウム又はアルミニウムと拡散バリア性金属を堆積する工程、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程又は、化学機械研磨工程が増える。そのため、アルミニウム配線に比べて工程数が増加し、製造コストが増加するという問題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かくして本発明によれば、半導体基板上に形成された銅を主成分とする金属配線の上に金又はアルミニウムのワイヤをボンディングする工程を含む半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に銅を主成分とする金属配線を形成する工程と、
全面に絶縁膜を形成する工程と、
金属配線上の絶縁膜を、ワイヤをボンディングする部分のみ除去して金属配線の一部を露出する工程と、
露出した金属配線の一部の表面層に２．５〜５μΩｃｍの範囲の見かけの抵抗率の銅シリサイド層又は銅とホウ素との化合物層を形成する工程と、
銅シリサイド層又は銅とホウ素との化合物層の表面にワイヤをボンディングする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】
更に本発明によれば、半導体基板上に銅を主成分とする金属配線を備え、金属配線の一部の表面層に２．５〜５μΩｃｍの範囲の見かけの抵抗率のワイヤのボンディング用の銅シリサイド層又は銅とホウ素との化合物層を備えていることを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明を図１（ａ）〜（ｅ）及び図２を用いて説明する。なお、これら図は、単なる一例であって、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１（ａ）〜（ｅ）は、半導体装置の製造方法の一例を製造工程順に示した概略工程断面図である。なお、ここでは２層配線に適用した例を示している。なお、本発明の方法は、１層配線でも、３層以上の多層配線でも適用することができる。
【００１２】
まず、基板１上に層間絶縁膜２ａと拡散防止膜３ａを、例えばＣＶＤ法、スピン塗布法により形成する。ここで、基板は、特に限定されず公知の基板を使用することができる。例えば、シリコン基板、ゲルマニウム基板等の元素基板、ＧａＡｓのような化合物基板が挙げられる。更に、基板上には、トランジスタ、負荷等の素子が予め形成されていてもよい。なお、図１（ａ）〜（ｅ）では基板上に存在する素子が省略されている。
【００１３】
また、層間絶縁膜としては、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜、ＰＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜、Ｆ含有ＳｉＯ２膜や、これら以外にも各種低誘電率膜が使用できる。拡散防止膜としては、層間絶縁膜とエッチングの選択比がとれ、銅の拡散を防止できる絶縁膜を使用することができる。そのような絶縁膜としては、ＳｉＮｘ、ＳｉＣ等が挙げられる。
【００１４】
次に、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程により、コンタクトホールと一層目の配線溝が形成される。配線溝形成後に、銅拡散防止膜及び銅配線形成用の銅膜をこの順に、被着する。次いで、ＣＭＰ法により不要な部分の銅拡散防止膜及び銅膜を除去することにより、銅拡散防止膜４ａと銅配線５ａからなる一層目の配線を形成することができる（図１（ａ）参照）。
【００１５】
銅拡散防止膜には、Ｔａ膜、Ｗ膜、Ｃｒ膜、ＴａＮ膜、ＴｉＮ膜、ＴｉＷ膜、ＴｉＷＮ膜、ＷＮ膜、ＮｂＮ膜等が挙げられ、スパッタ法、ＣＶＤ法等により形成することができる。一方、銅膜の形成方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、電解メッキ法等が挙げられる。更に、銅膜以外にも、銅銀合金、銅ジルコニウム合金等の銅を主成分として含む膜も使用することができる。
【００１６】
更に、一層目の銅配線と同様の手順で二層目の銅配線を形成する（図１（ｂ）及び（ｃ）参照）。図中、２ｂ〜２ｄは層間絶縁膜、３ｂと３ｃは拡散防止膜、４ｂは銅拡散防止膜、５ｂは２層目の銅配線を示す。なお、以下の工程で露出するボンディングパッド部の銅配線の厚さは、その表面のシリサイド化及びホウ素化を考慮して、０．５〜２μｍであることが好ましい。
【００１７】
次に、ＳｉＮｘのような絶縁保護膜６を例えばＣＶＤ法により全面に形成し、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程に付してボンディングパッド部の銅配線の表面を露出させる（図１（ｄ）参照）。
その後に、大気から隔離され、窒素雰囲気又は真空に維持された反応室で、ボンディングパッド部の銅表面を加熱する。窒素雰囲気又は真空に維持する理由は、銅の露出したウェハを大気中で加熱すると、銅が酸化されてしまうからである。そのため、本発明の方法には、ロードロック室を有する装置を使用することが好ましい。
【００１８】
続いて、反応室に例えばモノシランガス（ＳｉＨ４ガス）又はジボランガス（Ｂ２Ｈ６ガス）を導入し、これらガスに銅表面を暴露し、露出した銅表面に銅シリサイド層又は銅とホウ素との化合物層７を形成する（図１（ｅ）参照）。シリサイド化のためのガスとしては、モノシランガス以外にジシランガス（Ｓｉ２Ｈ６ガス）、ジフルオロシランガス（ＳｉＨ２Ｆ２ガス）、トリシラン（Ｓｉ３Ｈ８ガス）等が挙げられる。
ここで、基板を反応室に入れる前に、銅表面に形成される酸化膜を除去して、新鮮な金属銅面が選択的に露出した状態であることが好ましい。除去の方法としては、フッ酸、クエン酸等の酸化銅を銅に対して選択的に除去することができるエッチング液で処理する方法が挙げられる。
【００１９】
上記本発明の方法では、ボンディングパッド部の銅表面をシリサイド化又はホウ素化するだけなので、銅配線の抵抗にはほとんど影響を及ぼさない。むしろ、ボンディング時の酸化を確実に防止するため、銅表面を１０〜１００ｎｍだけシリサイド化又はホウ素化することが望ましい。
【００２０】
これに対して、例えば、特開平９−３２１０４５号公報に示されているような従来の銅配線表面をシリサイド化する技術では、銅配線の側壁又は上部全面をシリサイド化する必要があるため、シリサイド化を充分に行うと抵抗が高くなり、その結果銅配線を使用する利点が失われる。また、抵抗が許容できる程度にシリサイド化する場合、ＳｉＯ２をＣＶＤ法により減圧下で成膜する際の数秒の範囲では充分に耐えられるが、最終的に銅が露出するボンディングパット部に対するボンディングの際の加熱雰囲気及び湿度雰囲気では充分な耐酸化性を得ることができない。
【００２１】
なお、基板温度、ガス流量及び暴露時間は、装置の大きさ、ウェハの大きさ、反応室内の全圧力で最適な条件に調整される。例えば、６インチのウェハを、直径３０ｃｍ、深さ３０ｃｍの円筒型の反応室内で直径２０ｃｍの円板型ヒータ上でウェハを加熱する場合、基板温度を３００〜４００℃、ガス流量を１０〜１００ｃｃ／分、暴露時間を３０秒〜２分間とすることができる。また、反応室内の圧力は、常圧でもよく、０．１〜１０Ｔｏｒｒの減圧でもよい。常圧で行う場合は、シラン又はジボランと共に窒素のような不活性ガスを毎分１リットル以上導入することで、シラン又はジボランの分圧を制御することが好ましい。
【００２２】
銅シリサイド層又は銅とホウ素との化合物層を形成した部分の銅の見かけの抵抗率は、２．５〜５μΩｃｍの範囲になるように各種条件を調整することが好ましい。更に、本発明の方法によりシリサイド化又はホウ素化する部分はパッドの開口部のみであり、他の配線は絶縁膜６で完全に保護されている。このため本発明では、露出部分の銅の抵抗率のみが上昇するだけであり、回路の性能に悪影響を及ぼすことなく充分な耐酸化性が得られるまで銅表面のシリサイド化又はホウ素化を進めることができる。
次いで、得られた半導体装置を切り出し、パッケージへ固定した後、公知のボンディング法により、例えば金のワイヤ８でボンディングすることができる（図２参照）。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、
（１）銅配線パッド部にアルミニウムパッドを形成することなく、直接ワイヤをパッド部にボンディングすることができ、
（２）銅の耐酸化性を向上させる部分をボンディングパッド部分に限定できるため、半導体装置の回路性能に寄与する部分の配線の抵抗を上昇させることがなく、ボンディングパッド部の耐酸化性を向上させることができる。
また、本発明によれば、銅配線に対して安定にワイヤがボンディングされた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法の概略工程断面図である。
【図２】本発明の半導体装置の概略断面図である。
【図３】従来の半導体装置の製造方法の概略工程断面図である。
【図４】従来の半導体装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１  基板
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ  層間絶縁膜
３、３ａ、３ｂ、３ｃ  拡散防止膜
４  密着層
４ａ、４ｂ  銅拡散防止膜
５、５ａ、５ｂ  銅配線
５′  銅膜
６  絶縁膜
７  銅シリサイド層又は銅とホウ素との化合物層
７ａ  パッド領域
８  ワイヤ
９  アルミニウム系膜
１０  拡散層
１１  反射防止膜
１２  表面保護膜
１３  耐酸化性金属膜
【図１】
0003602024.tif 000002
【図２】
0003602024.tif 000003
【図３】
0003602024.tif 000004
【図４】
0003602024.tif 000005