(57)【要約】【課題】スループット良く、銅を異方的にエッチングすることを可能とするとともに、銅を用いたバンプ電極を短時間で形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】内部配線１５３上に絶縁膜１５６を形成する工程と、絶縁膜１５６に内部配線１５３に通じる開口１５７を形成する工程と、開口１５７が形成された絶縁膜１５６上に、銅膜１０１を形成する工程と、銅膜１０１上に、バンプ電極形成パターンに対応したマスク材１０２を形成する工程と、マスク材１０２をマスクに用いて、銅膜１０１を異方的にエッチングし、バンプ電極を形成する工程と、とを具備する。【選択図】図１Ｇ
2012054308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部配線上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、前記内部配線に通じる開口を形成する工程と、
前記開口が形成された絶縁膜上に、銅膜を形成する工程と、
前記銅膜上に、バンプ電極形成パターンに対応したマスク材を形成する工程と、
前記マスク材をマスクに用いて、前記銅膜を異方的にエッチングし、バンプ電極を形成する工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記銅膜を異方的にエッチングし、バンプ電極を形成する工程が、
前記マスク材をマスクに用いて、有機酸ガス雰囲気中で酸素イオンを前記銅膜に照射し、前記銅膜を異方性エッチングする工程であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記銅膜を異方的にエッチングし、バンプ電極を形成する工程が、
前記マスク材をマスクに用いて、前記銅膜を異方性酸化して酸化銅を形成し、前記酸化銅をエッチングする工程であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記酸化銅をエッチングする工程に、有機酸を含む水溶液、又は弗化水素酸を含む水溶液によるウェットエッチングを用い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】
前記有機酸を含む水溶液が、
カルボキシル基を含むクエン酸
カルボキシル基を含むアスコルビン酸
カルボキシル基を含むマロン酸
カルボキシル基を含むリンゴ酸
の少なくともいずれか１つを含む水溶液から選ばれることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記酸化銅をエッチングする工程に、有機酸ガスによるドライエッチングが用いら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７】
前記有機酸ガスが、カルボキシル基を有するカルボン酸を含むガスであることを特徴とする請求項２又は請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記カルボン酸が、
Ｒ３−ＣＯＯＨ    …式１
（Ｒ３は水素、又は直鎖もしくは分枝鎖状のＣ１〜Ｃ２０のアルキル基もしくはアルケニル基）
上記式１で記述されるカルボン酸から選ばれることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、半導体装置、中でも半導体集積回路装置の動作の高速化が進展している。動作の高速化は、配線材料や電極材料の低抵抗化などにより実現される。このため、配線材料や電極材料は、従来のアルミニウムに代わり、より低抵抗な銅が用いられるようになってきている。
【０００３】
しかし、銅の加工には、既存のドライエッチング技術の転用が難しい。これは、エッチングの際に形成される銅の化合物は総じて蒸気圧が低く、蒸発し難いことに由来する。Ａｒスパッタ法、ＣｌガスＲＩＥ法などが試されたが、チャンバ内壁への銅の付着などの問題により実用化に至っていない。
【０００４】
このため、特許文献１に記載されるように、銅を用いたバンプ電極は、めっきシード層上に開口を有するマスク材を形成し、開口内のみに銅を選択的にめっき成長させることで形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３５９３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、選択的なめっき成長では、成長速度が遅く、銅を用いたバンプ電極を備えた半導体集積回路装置の製造に時間がかかってしまう。
【０００７】
この発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、銅を用いたバンプ電極を短時間で形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、内部配線上に、絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に、前記内部配線に通じる開口を形成する工程と、前記開口が形成された絶縁膜上に、銅膜を形成する工程と、前記銅膜上に、バンプ電極形成パターンに対応したマスク材を形成する工程と、前記マスク材をマスクに用いて、前記銅膜を異方的にエッチングし、バンプ電極を形成する工程と、を具備する。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、銅を用いたバンプ電極を短時間で形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】この発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図１Ｂ】この発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図１Ｃ】この発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図１Ｄ】この発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図１Ｅ】この発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図１Ｆ】この発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図１Ｇ】この発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図１Ｈ】この発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図１Ｉ】この発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。なお、全図にわたり、共通の部分には共通の参照符号を付す。
【００１２】
図１Ａ〜図１Ｉは、この発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【００１３】
図１Ａに示す断面は、図示せぬ半導体ウエハ上に形成された第１の層間絶縁膜１５０上に第２の層間絶縁膜１５１が形成され、第２の層間絶縁膜１５１内に溝１５２が形成され、溝１５２内に銅配線１５３が形成された状態を示している。銅配線１５３は、半導体集積回路装置の内部配線である。銅配線１５３の周囲には、第１、第２の層間絶縁膜１５０、１５１への銅の拡散を抑制するバリア膜１５４と、銅配線１５３を構成する銅膜のめっきに使用されたシード層１５５とが形成され、銅配線１５３の表面は第２の層間絶縁膜１５１の表面から露出されている。
【００１４】
次に、図１Ｂに示すように、銅配線１５３及び第２の層間絶縁膜１５１上に第３の層間絶縁膜１５６を形成する。次いで、第３の層間絶縁膜１５６上に図示せぬマスク材を形成し、フォトリソグラフィ法を用いて、このマスク材に銅配線１５３に通じる開口ペターンを形成する。次いで、図示せぬマスク材をマスクに用いて、第３の層間絶縁膜１５６をエッチングし、第３の層間絶縁膜１５６に、銅配線１５３に通じる開口１５７を形成する。次いで、開口１５７が形成された第３の層間絶縁膜１５６上に、第２、第３の層間絶縁膜１５１、１５６への銅の拡散を抑制するバリア膜１５８を形成する。バリア膜１５８の一例はタンタルである。次いで、バリア膜１５８上にシード層１５９を形成する。
【００１５】
次に、図１Ｃに示すように、シード層１５９上に、銅膜１０１を形成する。銅膜１０１は、半導体集積回路装置のバンプ電極となる導電膜である。このため、最終的な膜厚は、数μｍ程度必要である。このような膜厚の銅膜１０１を得るために、実用的な成膜方法は電気めっき法を用いることが望ましい。シード層１５９は、電気めっきのための電極として機能する。また、電気めっき法以外の成膜方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法などを挙げることができる。この場合には、シード層１５９を形成する必要はない。
【００１６】
次に、図１Ｄに示すように、銅膜１０１の上面に、柔らかく抵抗の低い金属膜１６０を形成する。金属膜１６０が、最終的にバンプ電極の頂上となる。金属膜１６０の例は、スズ（Ｓｎ）である。なお、金属膜１６０は、必要に応じて設けられれば良い。
【００１７】
次に、図１Ｅに示すように、金属膜１６０上に、バンプ電極形成パターンに対応したマスク材１０２を形成する。マスク材１０２を形成する方法は、フォトリソグラフィ法が望ましい。
【００１８】
次に、図１Ｆに示すように、金属膜１６０、銅膜１０１、シード層１５９を、マスク材１０２をエッチングのマスクに用いて異方性エッチングする。銅膜１０１を異方性エッチングする方法については後述するが、有機化合物ガス雰囲気中、例えば、有機酸ガス雰囲気中で酸素イオンを銅膜１０１に照射し、第１層銅膜１０１を異方性エッチングしていく方法、及び第１層銅膜１０１に酸素イオンを照射して第１層銅膜１０１を酸化し、酸化された部分を除去する方法などがある。
【００１９】
次に、図１Ｇに示すように、バリア膜１５８を、マスク材１０２をエッチングのマスクに用いて異方性エッチングする。バリア膜１５８のエッチングには、スパッタエッチングやＣＦ４エッチングを用いることができる。
【００２０】
次に、図１Ｈに示すように、マスク材１０２を除去する。
【００２１】
次に、図１Ｉに示すように、選択析出現象を利用する無電解めっき法を用いて、銅膜１０１の側面上にコバルトタングステン（ＣｏＷ）膜１６１を形成する。銅膜１０１上には、触媒反応により析出が始まりめっき膜（ＣｏＷ膜１６１）が成膜されるが、第３の層間絶縁膜１５６上では触媒作用がないために成膜されない。ＣｏＷ膜１６１はリン酸系の還元剤を用いればＣｏＷＰ膜に、ジメチルアミンボラン（ＤＭＡＢ）を用いればＣｏＷＢ膜となる。これらの膜は、エレクトロマイグレーション抑制のために、銅膜上に選択析出させる目的で開発されたものである。コバルト自体は、銅拡散のバリア性は低いが、タングステンを高濃度に合金化することで、銅拡散のバリア膜として使うことができる。また、ＣｏＷ膜１６１は、銅膜１０１の酸化を抑制する膜としても機能する。
【００２２】
このような一実施形態によれば、下記の利点を得ることができる。
【００２３】
銅膜１０１を異方性エッチングしてバンプ電極を形成する。このため、銅膜１０１を選択的にめっき成長させる必要はなく、シード層１５９上の全面に形成することができる。このため、銅膜１０１の成長速度を、選択的なめっき成長法に比較して速くすることができる。
【００２４】
また、選択的なめっき成長には、側壁の形状を垂直にするため、厚膜レジスト層を形成する方法があるが、本例のマスク材１０２は厚膜レジスト層ほど厚くする必要はなく、レジストの使用量を削減できる利点がある。
【００２５】
また、銅膜１０１の異方性エッチングはドライエッチングで行うので、銅膜１０１の側面にアンダーカットが入らない。このため、銅膜１０１を含んで構成されるバンプ電極に良い形状を保つことができる。
【００２６】
以上、この発明を実施形態に従って説明したが、この発明は上記実施形態に限られるものではなく様々な変形が可能である。
【００２７】
例えば、銅膜１０１を異方的にエッチングする方法としては、以下の３つを挙げることができる。
【００２８】
（Ｉ）  マスク材１０２をマスクに用いて、有機酸ガス雰囲気中で酸素イオンを銅膜１０１に照射し、銅膜１０１をバリア膜１５８が露出するまで異方性ドライエッチングする方法
（II）  マスク材１０２をマスクに用いて、銅膜１０１をバリア膜１５８に達するまで異方性酸化して酸化銅を形成し、バリア膜１５８に達するまで形成された酸化銅をドライ又はウェットエッチングする方法
（III）  マスク材１０２をマスクに用いて、銅膜１０１の表面を異方性酸化する工程と、この表面に形成された酸化銅を、有機酸ガスを用いてドライエッチングする工程とを、バリア膜１５８が露出するまで繰り返す方法
上記有機酸ガスによるドライエッチングに使用される有機酸ガスの例としては、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）を有するカルボン酸を含むガスを挙げることができる。
【００２９】
カルボン酸としては、式１で記述されるカルボン酸
Ｒ３−ＣＯＯＨ    …式１
（Ｒ３は水素、又は直鎖もしくは分枝鎖状のＣ１〜Ｃ２０のアルキル基もしくはアルケニル基）を選ぶことができる。
【００３０】
また、（２）の方法では、酸化銅のエッチングに、有機酸ガスによるドライエッチングの他、有機酸を含む水溶液、又は弗化水素酸を含む水溶液によるウェットエッチングを用いることもできる。
【００３１】
有機酸を含む水溶液によるウェットエッチングに使用される水溶液の例としては、
カルボキシル基を含むクエン酸
カルボキシル基を含むアスコルビン酸
カルボキシル基を含むマロン酸
カルボキシル基を含むリンゴ酸
の少なくともいずれか１つを含む水溶液から選ぶことができる。
【００３２】
なお、（Ｉ）、（II）の方法は（III）の方法に比較して、スループット良く銅膜１０１を異方性エッチングできる、という利点がある。なぜなら、（III）の方法は、Ｃｕバリア膜１００が露出するまで、半導体ウエハを酸化装置とドライエッチング装置との間で移動させ続けなければならない。
【００３３】
これに対して、（Ｉ）の方法は、１つのチャンバ内で銅膜を異方性エッチングすることが可能である。
【００３４】
また、（II）の方法は、１つのチャンバで銅膜を異方性酸化した後、半導体ウエハを、別のチャンバに移動させて酸化銅をエッチングするだけでよい。
【００３５】
従って、（Ｉ）、（II）の方法は、（III）の方法に比較して、スループット良く銅膜１０１をＣｕバリア膜１００が露出するまで異方性エッチングすることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０１…銅膜、１０２…マスク材、１５３…銅配線、１５６…第３の層間絶縁膜、１５７…開口
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2012054308.tif 000004
【図１Ｃ】
2012054308.tif 000005
【図１Ｄ】
2012054308.tif 000006
【図１Ｅ】
2012054308.tif 000007
【図１Ｇ】
2012054308.tif 000008
【図１Ｆ】
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【図１Ｈ】
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【図１Ｉ】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年11月24日(2010.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2012054308.tif 000013
【図１Ｃ】
2012054308.tif 000014
【図１Ｄ】
2012054308.tif 000015
【図１Ｅ】
2012054308.tif 000016
【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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【図１Ｈ】
2012054308.tif 000019
【図１Ｉ】
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