(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）半導体基板上に第１導電性相互接続層を形成するステップと、
前記第１導電性相互接続層は第１相互接続パターンを有し、
（ｂ）前記第１導電性相互接続層の上に第１誘電体層を堆積するステップと、
（ｃ）前記第１導電性相互接続層の一部を露出させるために前記第１誘電体層に少なくとも一つのレベル間開口を形成するステップと、
（ｄ）前記第１誘電体層上と前記レベル間開口内に第１バリア層を堆積するステップと、
（ｅ）前記第１バリア層上に銅製層を電気メッキするステップと、
前記銅製層はレベル間開口を充填するのに十分な厚さを有し、
（ｆ）バリア層と銅製プラグが前記レベル間開口を充填するように前記第１バリア層と前記銅製層の一部を除去するステップと、
（ｇ）前記第１誘電体層と前記銅製プラグ上にバリア層を堆積するステップと、
（ｈ）前記バリア層の上にアルミ製層を堆積するステップと、
（ｉ）バリア層とバリア層パッドとアルミ製層パッドを前記銅製プラグ上に残すように前記バリア層と前記アルミ製層の一部をエッチングで除去するステップと、
（ｊ）導電性ワイヤを前記アルミ製パッドに熱圧縮接合するステップと
を有することを特徴とする半導体集積回路の製造方法。
【請求項２】
上部の相互接続レベルの選択された領域上にバリア層を堆積するステップであり、
前記バリア層の材料は、Ｔａ，ＴａＮ，Ｔｉ，ＴｉＮからなるグループから選択された材料およびその組み合わせである
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
（ａ）半導体基板上に第１導電性相互接続層を形成するステップと、
（ｂ）前記第１導電性相互接続層上に第１誘電体層を堆積するステップと、
（ｃ）前記第１導電性相互接続層の一部を露出させるため、前記第１誘電体層に少なくとも一つのレベル間開口を形成するステップと、
（ｄ）前記第１誘電体層上及び前記レベル間開口内に第１バリア層を堆積するステップと、
（ｅ）前記第１バリア層上に銅製層を堆積するステップであって、
前記銅製層は前記レベル間開口を充填するのに十分な厚さを有し、
前期堆積は、（１）前記第１バリア層上に銅シード層を堆積するステップと、（２）前記シード層上に銅層を電解堆積するステップにより行われ、
（ｆ）化学機械研磨を用い前記ステップ（ｅ）により製造された構造の表面を平坦化し、平坦化表面に平坦化銅製プラグを残すステップと、
（ｇ）前記平坦化表面及び前記銅製プラグ上に平坦化バリア層を堆積するステップと、
（ｈ）前記平坦化バリア層上に平坦化アルミ製層を堆積するステップと、
（ｉ）前記銅製プラグ上にある前記アルミ製層上にマスクを形成し、露出された前記アルミ製層の一部を残すステップと、
（ｊ）前記平坦化バリア層及び前記平坦化アルミ製層の前記露出部をエッチング除去し、前記銅製プラグ上に平坦化バリア層パッド及び平坦化アルミ製層パッドを残すステップと
（ｋ）前記平坦化アルミ製層パッドへ導電性ワイヤを熱圧縮接合するステップとの連続工程
を有することを特徴とする半導体集積回路の製造方法。
【請求項４】
前記集積回路の半導体が、シリコンであることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記ワイヤが金を含み、熱圧縮接合により接合されることを特徴とする請求項３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路の製造方法に関し、特に金製のワイヤ相互接続物を銅製の金属化層に接合する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造技術の進展に伴い、依然として問題となっている技術はワイヤボンディングである。ワイヤボンディングを用いてＩＣチップをリードフレームに接続してＩＣパッケージを製造している。チップ技術が開発されるにつれて、より高次のチップ集積を具備する複雑なパッケージ例えばマルチチップモジュールが必要とされ、そしてこれらのモジュールを互いに接続して基板をサポートする技術が必要とされている。
【０００３】
ＴＡＢボンディングとバンプボンディングはこれらのパッケージを相互接続する技術として十分開発しつくされているが、ワイヤボンディングは依然としてコスト競争力がある技術でありワイヤボンディングのアプリケーションは現在のＩＣマニュファクチャにおいて生き残るものである。
【０００４】
ＩＣ相互接続技術の開発にともない銅はＩＣ相互接続の有力な候補として早くから認識されていた。銅は高電導性で安価で銅の冶金的特徴は十分に開発しつくされている。しかし銅を相互接続材料として用いる昔の経験は十分なものではない  銅は電気的に非常に活性な材料であり、これにより半導体中にマイグレイション（移動）の問題を引き起こす。ワイヤボンディングされたパッケージにおいては銅の金属化を用いることができない。その理由は銅は金製のワイヤボンドと合金を造りやすく、そしてＣｕ−Ａｕ合金は頑強なものではないからである。銅ではこのような問題があるためにアルミおよび、より性能の劣化した導体がＩＣ金属化の材料となっている。アルミの金属化がその地位をかためるつれて他のオプションは取り残されてしまっている。
【０００５】
ＩＣ技術はアルミの導電率がＩＣ設計の限界的要素となるような点まで現在進んでいる。これによりＩＣの相互接続の設計者は金属化材料を再び選択するような事態に陥っている（アルミでは限界にきている）。将来そこで有望な材料として再び脚光を浴びたものが銅である。しかし銅および銅合金を現在のＩＣプロセスに組み込むには古くて新しい問題を引き起こす。これらの問題のひとつは金製のワイヤを銅製の金属化層にワイヤ接合することである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は金製のワイヤを銅製の金属化層にボンディングする方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、銅の上にバリア層を形成し、このバリア層の上にアルミ製パッドを形成する。金製のワイヤをその後このアルミ製のパッドの上に熱圧縮接合をする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１において、シリコン基板１１は大きなシリコン製ウエハーの一部切りかけ断面図である。このシリコン基板１１はフィールド酸化物と称する第一酸化物層１２と金属製相互接続レベル１３と堆積酸化物であるレベル間誘電体層１４あるいは他の適宜の誘電体材料製のレベル間誘電体層１４により覆われている。
【０００９】
誘電率εの低い有機材料たとえば  ｘｅｒｏｇｅｌ、ａｅｒｏｇｅｌ等はスピオン技術を用いて塗布するのに適した材料である。これらの要素はシリコン製ＩＣ技術の標準的なものであり、本発明の重要な部分を構成するものではない。これらの構造体を用いて本発明のスタート点を説明するが当業者は通常の集積回路は３個あるいは４個の金属レベルを有することは理解するであろう。金属製相互接続レベル１３は他のレベルが通常存在しない場合でも次の金属レベルあるいは最後の金属レベルとして見ることもできる。
【００１０】
図２において光リソグラフマスク１６をレベル間誘電体層１４の上に形成し、パターン化してレベル間誘電体の一部を露出する。その一部等はレベル間相互接続が行われる部分である。本明細書において光リソグラフあるいは光マスク等を例に説明しているが、他のリソグラフプロセス例えばＸ線リソグラフ、電子ビームリソグラフ等も用いることができる。フォトレジストをエッチングマスクとして用いてウィンドウ１８をレベル間誘電体層を貫通して形成し、金属製ランナー１５へのレベル間相互接続を形成する。
【００１１】
次にレベル間のウィンドウ１８を誘電体層の上とウィンドウ１８内に適宜のウインドウプラグ材料を堆積することにより充填する。例えばＴｉＮ層２１，Ｗ層２２のような二重の層を用いることができる（図４）。その後ウエハーを化学機械研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）で処理して図５に示す構造体を生成する。ＴｉＮ／Ｗ層のＣＭＰ技術は米国特許出願第０９／１５１，０７７（出願日；０９／１０／９８）に記載されている。このウィンドウ１８は金属製プラグ２３で現在充填されておりこの構造体は次の金属化層を堆積する準備ができている。前述したように図５のＣＭＰステップにより不要な金属を除去すると従来のマスクとエッチングプロセスを用いて生成されるよりもより平坦な構造体が得られる。とくにこのシーケンスを複数回繰り返すことにより複数の金属レベルを形成する場合にはそうである。しかし、本発明ではレベル間相互接続を形成する適宜のプロセスを用いることができる。
【００１２】
図６においてエッチング停止層２５をレベル間誘電体層とレベル間ウィンドウの上にブランケット堆積をして形成する。この適宜のエッチング停止層２５は窒化シリコン製で通常の酸化物エッチングプロセス、例えばＲＩＥエッチング方法に対し耐性を有し形成するさいにレベル間プラグを保護する。このエッチング停止層２５の厚さは通常５００〜１５００Åである。
【００１３】
図７において誘電体層３１をこの構造体の上に堆積し図８に示すようにリソグラフマスク３２でマスクする。リソグラフマスク３２をパターン化して金属製プラグ２３の上に開口３３を形成する。図９に示すように露出した酸化物をエッチングで除去し、好ましくはＲＩＥを用いて除去し、開口３３内の窒化シリコン製のエッチストップ層を除去して図１０の構造体を形成する。
【００１４】
図１１を参照するとバリア層４１は構造体の表面とウィンドウ内にブランケット堆積をする。この層は銅製の相互接続層を規定する第１ステップで、ここに示した順においてはＩＣ内の最後のあるいは上部の金属製の層でそこにワイヤボンディングが行われる層である。他の銅製の金属化レベルもこの構造体の中に示されているが本発明は相互接続がワイヤボンディングを用いて行われる最後の金属製レベルに関連している。このバリア層４１の好ましい材料は、Ｔａ，ＴａＮ，Ｔｉ，ＴｉＮであるが他の材料も用いることができる。バリア層４１はＣＶＤまたはＰＶＤにより堆積することができる。１００〜１０００Å厚さの層が最適である。
【００１５】
図１２を参照すると銅シード層４２がその後ＰＶＤによりブランケット堆積される。この銅シード層４２の厚さはブランケット電解堆積により表面上のシード層を提供するのに十分な厚さで例えば１０００〜２０００Åである。この銅シード層４２により銅製層４３は標準技術により電解堆積が可能となる。銅製層４３の厚さは図１３に示すように開口３３を完全に充填する程度であり好ましくは開口３３の深さの１．２〜１．６倍が好ましい。次にこの表面を前述の方法によりＣＭＰを用いて平坦化して図１４に示すような構造体を得、そして銅製プラグ４４がバリア層４５により側面と底部で包囲されている。
【００１６】
銅製プラグ４４の上部をカプセル化するために第２バリア層５１が図１５の構造体の上にブランケット堆積される。この第２バリア層５１はバリア層４１と同様な構成を有し、これにより銅製の金属化層の全ての側がシールされてＩＣ内の銅のマイグレーションを阻止する。
【００１７】
ワイヤボンド接続がその後この銅製の金属化層に行われる（図１６〜２０）。図１６において薄い第２バリア層５１が厚いアルミ製層５２でカバーされる。このアルミ製層５２はＣＶＤまたはＰＶＤにより堆積されその厚さは０．２〜１．０μｍの範囲である。
【００１８】
図１７に示すようにアルミ製ボンディングパッドを形成するために第２バリア層５１，アルミ製層５２をエッチングするためにリソグラフマスク５３をその後形成し、そしてこれらの層の不要な部分を従来の技術でもってエッチングして除去してバリア層５５による銅製のプラグから分離されたボンディングパッド５６を生成する。通常このレベルの上に多くのボンディングパッド５６が形成されある。図１９におて従来の不動態層５８をその後形成してＩＣのキャップを形成する。
【００１９】
キャッピング層はＳｉ３Ｎ４（ＳＩＮＣＡＰＳ）あるいはポリイミドのようなポリマー材料製である。このキャップ層は光で規定可能なポリイミド製である。不動態層５８を光で規定可能な場合にはその後パターン化してあるいはマスクしてエッチングしてウィンドウ５９を形成し、ボンディングパッド５６の表面を露出させる。（図１９）標準のフォトレジストとエッチング技術を用いて窒化シリコンをパターン化する。不動態層５８が光で規定可能なポリマー製の場合にはフォトレジストを省き、層そのものを露出と現像によりパターン化できる。
【００２０】
図２０においてワイヤ６１をボンディングパッド５６に熱圧縮（ｔｈｅｒｍｏｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ：ＴＣ）ボンディングにより接合する。このワイヤ６１は金あるいは硬度を上げるために少量の添加物を含有する金合金、例えばＡｕ−Ｂｅである。ワイヤの直径は０．５〜２ミル（  ０．０１２７ｍｍ〜０．５０８ｍｍ  ）で好ましくは１〜１．２ミル（  ０．０２５４ｍｍ〜０．０３０４８ｍｍ  ）である。アルミ製ボンディングパッドの表面積は１０００〜４００００μｍ２  で好ましくは５０００〜２５０００μｍ２  である。このＴＣボンディングの操作は標準的なものである。力は１５〜６０ｇ  好ましくは４０〜６０ｇである。かけられる超音波周波数は４０〜２００ｋＨｚ好ましくは６０〜１２０ｋＨｚで、パワーは２０〜２００ｍＷ好ましくは５０〜１００ｍＷである。これらのパラメーターはＫ＆Ｓ  Ｗｉｒｅ  ｂｏｎｄｅｒを含む様々なボンディングツールに適したものである。
【００２１】
上記に記載した最後の数ステップの別のアプローチを図２１〜２４に示す。図１４の構造体から始まってキャップ層７２がアルミボンディングパッド層の前に形成される。図２１においてウィンドウ７１はキャップ層７２内に示されている。ウィンドウ７１はバリア層４４を露出させる。バリア層７３とアルミ製層７４はキャップ層７２の上にブランケット堆積され（図２２）、さらにウィンド内にもブランケット堆積されて銅製の金属化層に接触する。その後アルミ製層７４をマスク７６でマスクして（図２２）、アルミ製層７４とその後バリア層７３をエッチングして、図２３に示すようにアルミ製ボンディングパッド７７を形成する。図２４においてこのマスクを除去して金製ＴＣワイヤボンド７８を形成して相互接続を完了させる。
【００２２】
上記した本発明の一実施例においては最後の金属パターンは銅であり、バリア層は銅を隔離して異なる金属材料の領域内にマイグレーションがおこるのを阻止している。しかし下に形成されたレベルが銅製の金属化層を含む場合には図に示した最後のレベルは金属化レベル間にバリア層を有する必要はない。有効なバリア層が最後の銅製ボンディング領域とアルミ製ワイヤボンディングパッドとの間に存在する場合にはそれは依然として重要である。
【００２３】
本明細書に記載したプロセスはシリコン製のＣＭＯＳ集積回路用に開発されたものであるが、例えばＩＩＩ−Ｖの光集積回路等の他の種類の半導体集積回路にも等しく適用できるものである。これらの集積回路はＧａＡｓ又はＩｎＰの基板を有し、基板と活性デバイスを形成するＩＩＩ−Ｖの三層および／又は四層の複数のレベル等を含む。しかし相互接続はある種のアプリケーションにおいてはシリコンＩＣ技術を用いる相互接続に類似すものである。これらの回路はまた銅の金属化があきらかに有利なような超高速で通常動作する。
【００２４】
現在製造されている多くのシリコン製集積回路はトランジスタデバイス用にポリシリコンゲートを有し、そして第１レベルの金属は通常ポリシリコンでありこれでゲートを形成し、またこれらのゲート間の相互接続を形成する。第１レベルのあとに形成される金属製の相互接続レベルは通常アルミ製であり、１ないし３のアルミ製レベルが一般的である。本発明によれば、これらのアルミ製レベルのひとつ、あるいは複数のものは銅で置換することができる。少なくとも一つの銅製のレベルはワイヤボンディングサイトを有し、そこは本発明によりアルミ製のボンディングサイトに替えることができる。第１金属化レベルあるいは第２金属化レベルは第１あるいは第２レベルとして示されものであり、必ずしもＩＣ構造の第１レベルまたは第２レベルを表ものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の方法を実行する第１ステップを表す図。
【図２】本発明の第１実施例の方法を実行する第２ステップを表す図。
【図３】本発明の第１実施例の方法を実行する第３ステップを表す図。
【図４】本発明の第１実施例の方法を実行する第４ステップを表す図。
【図５】本発明の第１実施例の方法を実行する第５ステップを表す図。
【図６】本発明の第１実施例の方法を実行する第６ステップを表す図。
【図７】本発明の第１実施例の方法を実行する第７ステップを表す図。
【図８】本発明の第１実施例の方法を実行する第８ステップを表す図。
【図９】本発明の第１実施例の方法を実行する第９ステップを表す図。
【図１０】本発明の第１実施例の方法を実行する第１０ステップを表す図。
【図１１】本発明の第１実施例の方法を実行する第１１ステップを表す図。
【図１２】本発明の第１実施例の方法を実行する第１２ステップを表す図。
【図１３】本発明の第１実施例の方法を実行する第１３ステップを表す図。
【図１４】本発明の第１実施例の方法を実行する第１４ステップを表す図。
【図１５】本発明の第１実施例の方法を実行する第１５ステップを表す図。
【図１６】本発明の第１実施例の方法を実行する第１６ステップを表す図。
【図１７】本発明の第１実施例の方法を実行する第１７ステップを表す図。
【図１８】本発明の第１実施例の方法を実行する第１８ステップを表す図。
【図１９】本発明の第１実施例の方法を実行する第１９ステップを表す図。
【図２０】本発明の第１実施例の方法を実行する第２０ステップを表す図。
【図２１】本発明の方法を実行する他の第２実施例、第１ステップを表す図。
【図２２】本発明の方法を実行する他の第２実施例、第２ステップを表す図。
【図２３】本発明の方法を実行する他の第２実施例、第３ステップを表す図。
【図２４】本発明の方法を実行する他の第２実施例、第４ステップを表す図。
【符号の説明】
１１  シリコン基板
１２  第一酸化物層
１３  金属製相互接続レベル
１４  レベル間誘電体層
１５  金属製ランナー
１６  光リソグラフマスク
１８  ウィンドウ
２１  ＴｉＮ層
２２  タングステン層
２３  金属製プラグ
２５  エッチング停止層
３１  誘電体層
３２  リソグラフマスク
３３  開口
４１，４５  バリア層
４２  銅シード層
４３  銅製層
４４  銅製プラグ
５１  第２バリア層
５２  アルミ製層
５３  リソグラフマスク
５５  バリア層
５６  ボンディングパッド
５８  不動態層
５９，７１  ウィンドウ
６１  ワイヤ
７２  キャップ層
７３  バリア層
７４  アルミ製層
７６  マスク
７７  アルミ製ボンディングパッド
７８  金製ＴＣワイヤボンド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0003575676.tif 000017
【図１７】
0003575676.tif 000018
【図１８】
0003575676.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
0003575676.tif 000022
【図２２】
0003575676.tif 000023
【図２３】
0003575676.tif 000024
【図２４】
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