(57)【要約】【課題】  半導体素子の表面に金属電極を形成する場合、バリア膜を形成することで、半導体素子の表面にめっき法を用いて厚い金属電極を形成することができる。しかし、バリア膜は導電性があるため、金属電極間に存在するバリア膜は絶縁する必要がある。【解決方法】  層間絶縁膜１２が形成された半導体素子１４の表面に導電性のあるバリア膜１０を形成する。バリア膜１０の表面に金属電極５を形成した後に、半導体素子１４を熱酸化する。金属電極４が形成されていない領域のバリア膜１０ｃは酸化され絶縁性を示す。これにより金属電極同士は絶縁される。また金属電極５が形成されている領域のバリア膜１０ａ，１０ｂは金属電極５がマスクの役割を果し、酸化されず導電性を保つ。これにより金属電極５と半導体素子１４との導通は確保される。  その後、金属電極５表面の酸化膜２２を除去することで、金属電極５の導通も確保される。【選択図】  図８
2009016474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の表面が複数個のコンタクトホールを有する層間絶縁膜で被覆されており、コンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面にバリア膜を介して電気的に導通する金属電極が形成されており、隣接する金属電極同士の間が絶縁されている半導体装置を製造する方法であり、
半導体素子の表面を、複数のコンタクトホールを有する層間絶縁膜で被覆する工程と、
層間絶縁膜の表面とコンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面に、導電性であり、金属電極を構成する金属が半導体素子を構成する材料中に拡散することを抑制する能力を持ち、酸化すると絶縁性に変化する材料で、バリア膜を形成する工程と、
各々のコンタクトホールに対応する位置に、隣接する金属電極同士の間が離反している金属電極を形成する工程と、
バリア膜と金属電極群で被覆されている半導体素子の表面を熱酸化する工程と、
熱酸化した金属電極群の表面から熱酸化膜を除去する工程と、
を備えている半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体素子がシリコン基板に形成されており、
バリア膜を形成する工程では、タンタル及び／または窒化タンタルの膜を形成し、
金属電極群を形成する工程では、銅をめっきすることで金属電極群を形成し、
熱酸化膜を除去する工程では、熱酸化した半導体素子の表面を酸に晒すことを特徴とする請求項１の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
銅の電極群を形成する前に、バリア膜の表面に、銅の下地膜を形成する工程と、
銅の電極群を形成する前に、下地膜の表面に、コンタクトホールに対応する位置に貫通孔が形成されているめっき範囲規制層を形成する工程と、
銅の電極群を形成した後で熱酸化する前に、めっき範囲規制層と、隣接する電極同士の間に露出する下地膜を除去する工程と、
が付加されていることを特徴とする請求項２の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
半導体素子の表面を酸に晒した後に、銅の電極群の表面をニッケル膜で被覆する工程が付加されていることを特徴とする請求項２又は３の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
銅の電極群の表面をニッケル膜で被覆した後に、隣接する電極同士の間に露出するタンタル及び／または窒化タンタルの酸化膜を除去する工程が付加されていることを特徴する請求項４の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
半導体素子と、
半導体素子の表面を被覆しているとともに、複数のコンタクトホールが形成されている層間絶縁膜と、
層間絶縁膜の表面とコンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面を被覆しているとともに、導電性であり、金属電極を構成する金属が半導体素子を構成する材料中に拡散することを抑制する能力を持ち、酸化すると絶縁性に変化する材料で形成されているバリア膜と、
各々のコンタクトホールに対応する位置に形成されており、各々のコンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面に酸化していないバリア膜を介して電気的に導通しているとともに、隣接する金属電極同士の間が離反している金属電極を備えており、
隣接する金属電極同士の間に位置するバリア膜が酸化していることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
シリコン基板に形成されている半導体素子と、
半導体素子の表面を被覆しているとともに、複数のコンタクトホールが形成されている層間絶縁膜と、
層間絶縁膜の表面とコンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面を被覆しているタンタル及び／または窒化タンタルの膜と、
各々のコンタクトホールに対応する位置に形成されており、各々のコンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面に酸化していないタンタル及び／または窒化タンタルの膜を介して電気的に導通しているとともに、隣接する電極同士の間が離反している銅の電極を備えており、
隣接する電極同士の間に位置するタンタル及び／または窒化タンタル膜が酸化していることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
シリコン基板に形成されている半導体素子と、
半導体素子の表面を被覆しているとともに、複数のコンタクトホールが形成されている層間絶縁膜と、
層間絶縁膜の表面とコンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面を被覆しているタンタル及び／または窒化タンタルの膜と、
各々のコンタクトホールに対応する位置に形成されており、各々のコンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面に酸化していないタンタル及び／または窒化タンタルの膜を介して電気的に導通しており、隣接する電極同士の間が離反しているとともに、表面がニッケルで被覆されている銅の電極を備えており、
隣接する電極同士の間でタンタル及び／または窒化タンタルの膜が除去されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンタクトホールを有する層間絶縁膜で被覆されている半導体素子の表面に金属電極を形成して半導体装置を製造する技術に関する。特に、下記の両条件を満たすことができる技術に関する。
（１）コンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面と金属電極の間に、導電性であるとともに、電極を構成する金属が半導体素子を構成する材料中に拡散することを抑制する能力を持っているバリア膜を形成する。
（２）層間絶縁膜に複数個のコンタクトホールが形成されており、隣接するコンタクトホールに対応して隣接する金属電極同士の間に存在するバリア膜が、隣接する金属電極同士を導通させない。
【背景技術】
【０００２】
層間絶縁膜に形成されているコンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面に電気的に導通する金属電極を形成する場合、種々の条件を満たす必要がある。
（１）電極を構成する金属が半導体素子を構成する材料中に拡散すると、時間とともに半導体装置の特性が変化してしまう。特に、半導体素子がシリコンで形成されており、金属電極をめっき法で形成すると、めっき法で成膜可能な金属はシリコン中に拡散しやすいことから、この問題が重要となる。従来の技術では、半導体素子がシリコン基板に形成されている場合には、シリコン基板の表面に金属をめっきして金属電極を形成する方法は採用されていない。
（２）一つの半導体素子に複数個の金属電極を形成することがある。例えば半導体素子がＩＧＢＴであれば、エミッタ電極とゲート電極とコレクタ電極が必要とされる。電極同士の間は絶縁されている必要がある。
（３）前記（１）の課題に対処するために、コンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面と金属電極の間に、導電性であるとともに、電極を構成する金属が半導体素子を構成する材料中に拡散することを抑制する能力を持っているバリア膜を形成することが有効である。
（４）隣接する金属電極間に導電性のバリア膜が形成されていると、そのバリア膜によって隣接する金属電極間が導通してしまう。隣接する金属電極間に導電性のバリア膜が残存しないようにしなければならない。
（５）電極を構成する金属が半導体素子を構成する材料中に拡散することを抑制する能力を持つ材料は、一般に酸やアルカリに対する耐性が強く、エッチングして除去することが難しい。すなわちパターニングしづらい。コンタクトホールの底面を覆う範囲にはバリア膜が存在し、隣接する金属電極間にはバリア膜が存在しないようにパターニングすることが難しい。これもまた、半導体素子の表面に金属をめっきして金属電極を形成する方法の実用化を妨げている。
（６）金属電極の厚みも重要であり、薄すぎると電極表面にワイヤボンディングする際に半導体素子に大きな熱応力が作用して半導体素子が損傷したり、半導体素子に発生する熱を電極を介して放熱する能力が不足することがある。厚い金属膜を成膜するためにはめっき法が適している。しかしながら、現状ではバリア膜をパターニングする好適な方法が存在しないで、厚い金属膜を安価に製造できるめっき法の採用が困難である。
【０００３】
現状では、アルミニウムを用いて半導体素子の表面に金属電極を形成することが多い。アルミニウムはめっき法やＣＶＤ法（化学気相成長法）によって成膜することが困難であり、通常はＰＶＤ法（物理気相成長法）によって成膜する。しかしながら、ＰＶＤ法によって厚膜を形成すると製造コストが大幅にアップしてしまうことから、金属電極の厚膜化が困難である。
厚い金属膜を安価に形成するためには、めっき法が適している。しかしながら前述したように、めっき法で成膜できる金属は半導体素子を構成するシリコン等に拡散しやすいことからバリア膜を必要とし、そのバリア膜をエッチングしてパターニングすることが困難であるために、隣接する金属電極同士の間を絶縁することが難しいという問題を持っている。
【０００４】
バリア膜を除去する方法がないではない。例えばデュアルダマシン法が知られている。デュアルダマシン法では、最終的に、図１１（Ｂ）に示す断面構造を持つ多層配線を製造する。多層配線は、絶縁性の下層３６と絶縁性の上層３４が積層されて実現されている。下層３６の表面に配線３８が形成されている。上層３４の表面には溝４１が形成されており、その溝４１の端部に貫通孔４０が形成されている。貫通孔４０は下層３６の配線３８に対応する位置に形成されている。貫通孔４０の底面を構成する下層３６の表面と貫通孔４０の壁面と溝４１の壁面はバリア膜３２で覆われ、その内部に金属が充填されている。
溝４１に充填されている金属３１は、上層３４の表面に形成されている配線を実現する。貫通孔４０に充填されている金属３０は、下層３６の配線３８と上層３４の配線３１を導通させる。
図１１（Ａ）は製造段階を示している。最初に配線３８が形成されている下層３６の表面に絶縁性材料で上層３４を形成する。次に、上層３４に溝４１と貫通孔４０を設ける。貫通孔４０は、下層３６の配線３８の位置に形成するので、貫通孔４０の底面に配線３８の表面が露出する。次に、溝４１と貫通孔４０が形成されている上層３４の全表面にバリア膜３２を形成する。この結果、上層３４の全表面と、溝４１の側壁と、貫通孔４０の側壁と、貫通孔４０の底面を構成する下層３６の表面（すなわち配線３８の表面）にバリア膜３２が形成される。次に、バリア膜３２の全表面に金属膜３０をめっき法で形成する。次に、表面から機械的に研磨し、金属膜３０の上面近傍と、上層３４の上表面に形成されているバリア膜３２を除去する。以上によって、図１１（Ｂ）に示す断面構造が製造される。
上記の手法は多層配線を製造するものであり、貫通孔４０を充填する金属と、それに接する配線３８を構成する金属が同種のものであって、両者間の拡散を妨げる必要はない。バリア膜３２は金属が層間絶縁膜に拡散するのを防止する。
【０００５】
上記の手法を半導体素子の表面に応用したと仮定すれば、下記が可能となる。
（１）半導体素子（下層３６が相当する）の表面に、複数個の金属電極（貫通孔４０を充填する金属膜３０が相当する）を形成する。
（２）層間絶縁膜（上層３４が相当する）に形成されているコンタクトホール（貫通孔４０が相当する）の底面を構成する半導体素子の表面と金属電極の間にバリア膜３２を介在させることができる。
（３）溝４１の底面を越えて研磨すれば、隣接する金属電極同士の間に位置するバリア膜３２を除去することができる。隣接する金属電極間の絶縁を確保することができる。
（４）金属電極は、安価に実施できるめっき法で形成することができる。
【０００６】
しかしながら上記の技術を仮想したとしても、必要な厚みの金属電極を形成できないことがある。上記の方法では、上層３４の厚み以上に厚い金属電極を形成することができない。しかしながら実際には、上層３４の厚みを厚くすることが困難であるという事情が存在する。通常の手法では、５μm以上の厚みを持つ上層３４を形成することが難しい。デュアルダマシン法を半導体素子の表面に応用したと仮定しても、５μm以上の厚みの金属電極が必要とされる場合には、その必要に応えることができない。
【０００７】
特許文献１には、バリア膜をプラズマエッチングによって除去する技術が記載されている。特許文献１に開示されているプラズマエッチング法を採用すれば、バリア膜が不要な部分でバリア膜をエッチングして除去することができる。しかしながらプラズマエッチング法を採用すると、金属電極までもがエッチングされてしまい、所望の厚さの金属電極を形成するのが難しいという問題が生じる。また、エッチングされた金属がエッチング装置内に飛散し、エッチング装置を高頻度でメンテナンスしなければならない問題が生じる。さらに、エッチングされた金属が層間絶縁膜の表面に再付着し、隣接する金属電極同士がショートしてしまう問題も生じる。更には、金属電極にコロージョン（汚染）が発生する問題も生じる。例えば、金属電極の材料に銅を用いた場合、ハロゲンを用いてプラズマエッチングすると、ハロゲンが銅と反応し、金属電極がコロージョンされる。
金属電極の表面にマスクを形成しておいてプラズマエッチングすれば、上記の問題に対処できると予想されるが、金属電極が厚く形成されている場合、厚い金属電極の段差を被覆するマスクを形成することが困難である。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２４５５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の諸事情から、下記の要請に応えられる技術が望まれている。
（１）半導体素子の表面に複数個の金属電極を形成する。
（２）層間絶縁膜に形成されているコンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面（コンタクトホールの底面に露出する半導体素子の表面）と金属電極の間に、導電性のバリア膜を介在させることによって、半導体素子と金属電極の間の導電性を確保しながら、金属電極を構成する金属が半導体素子を構成する材料中に拡散するのを防止する。
（３）隣接する金属電極同士の間には導電性のバリア膜が存在せず、隣接する金属電極同士がショートすることがない。
（４）厚い金属膜を安価に成膜できるめっき法で金属膜を形成することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記の要請に応えるために創作された。本発明では、隣接する金属電極間に存在するバリア膜を酸化させることによって、隣接する金属電極間に存在するバリア膜を絶縁体に変化させる手法を採用する。本発明では、バリア膜をエッチングしないことから上述の多くの問題が一挙に解決される。
【００１１】
本発明は、半導体装置を製造する方法に具象化することができる。本発明の方法では、下記特徴を有する半導体装置、すなわち、半導体素子の表面が複数個のコンタクトホールを有する層間絶縁膜で被覆されており、コンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面（コンタクトホールの底面に露出する半導体素子の表面といってもよい）にバリア膜を介して電気的に導通する金属電極が形成されており、隣接する金属電極同士の間が絶縁されている半導体装置を製造する。  本発明の製造方法は、半導体素子の表面を複数のコンタクトホールを有する層間絶縁膜で被覆する工程と、層間絶縁膜の表面とコンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面にバリア膜を形成する工程と、各々のコンタクトホールに対応する位置に金属電極を形成する工程と、バリア膜と金属電極群で被覆されている半導体素子の表面を熱酸化する工程と、熱酸化した金属電極群の表面から熱酸化膜を除去する工程を備えている。
バリア膜は、導電性であり、金属電極を構成する金属が半導体素子を構成する材料中に拡散することを抑制する能力を持ち、酸化すると絶縁性に変化する材料で形成する。金属電極群は、隣接する金属電極同士の間が離反している関係で成形する。
【００１２】
本発明の製造方法では、隣接する金属電極同士がショートすることを防止するために、バリア膜をエッチングして除去する方法をとらない。代わりに、酸化すると絶縁性に変化する材料でバリア膜を形成し、バリア膜と金属電極群で被覆されている半導体素子の表面を熱酸化する。
この場合、金属電極群で被覆されている範囲ではバリア膜が酸化されないために、導電性を維持する。導電性のバリア膜で、半導体素子の表面と金属電極間の導通を確保することができる。その一方において、隣接する金属電極同士の間に位置するバリア膜は酸化されて絶縁性に変化する。
本発明の製造方法では、バリア膜をエッチングして除去する方法をとらないために、エッチングしづらい材料を用いることができる。金属電極を構成する金属が半導体素子を構成する材料中に拡散することを抑制する能力が高い材料はエッチングしづらいために今まで利用されてこなかった。めっき法で成膜可能な金属は半導体素子を構成する材料中に拡散しやすい特性を備えているところ、本発明ではバリア膜をエッチングしないことから、それ以上に拡散抑制能力が高い材料を選択してバリア膜を形成することができる。本発明の方法によると、半導体素子の表面にバリア膜を形成しておいてからめっき法で金属電極を形成することが可能となる。
なお本発明は、めっき法で金属電極が形成可能となったというものであって、めっき法に限定されるものでない。例えばＣＶＤ法等によって金属電極を形成する場合でも、バリア膜をエッチングして除去する方法をとらないことによるメリットを享受することができる。
バリア膜をエッチングして除去しないために、金属電極までもがエッチングされたり、エッチング装置内で金属が飛散して汚染されたり、エッチングされた金属が層間絶縁膜の表面に再付着して隣接する金属電極同士をショートさせたり、金属電極がプラズマガスと反応してコロージョンされることもない。
【００１３】
本発明の製造方法は、半導体素子がシリコン基板に形成されている場合に、特に有効である。この場合、バリア膜を形成する工程では、タンタル及び／または窒化タンタルの膜を形成し、金属電極群を形成する工程では、銅をめっきすることで金属電極群を形成し、熱酸化膜を除去する工程では、熱酸化した半導体素子の表面を酸に晒すことが好ましい。
【００１４】
タンタル及び／または窒化タンタルの膜はエッチングしづらいのに対し、銅がシリコン中に拡散することを効果的に抑制する。タンタル及び／または窒化タンタルの膜でバリア膜を形成すると、銅で金属電極を構成することができる。本方法では、タンタル及び／または窒化タンタルの膜をエッチングしないことから、エッチングしづらいタンタル及び／または窒化タンタルの膜を利用することができ、銅がシリコン中に拡散することを効果的に抑制する。
銅は、下記の各種特徴を備えている。（１）めっき法で厚膜に成膜することができる。（２）厚膜で形成しても、シリコン基板との間に大きな応力が発達せず、シリコン基板を薄板化してもシリコン基板を損傷させない。（３）熱伝導率が高く、厚膜しやすいこともあって高い放熱能力が得やすい。
タンタル及び／または窒化タンタルの酸化物は酸に不溶であるのに対し、銅の酸化物は酸に可溶である。熱酸化した半導体素子の表面を酸に晒すことによって、銅電極の表面を被覆している酸化物を除去し、導電性の銅を露出させることができる。
本方法によると、金属電極に要求される様々特性を満足することができる金属電極を製造することができる。
【００１５】
銅の電極群を形成する場合、銅の電極群を形成する前にバリア膜の表面に銅の下地膜を形成する工程と、銅の電極群を形成する前に下地膜の表面にめっき範囲規制層を形成する工程と、銅の電極群を形成した後で熱酸化する前に、めっき範囲規制層と、隣接する電極同士の間に露出する下地膜を除去する工程が付加されていることが好ましい。めっき範囲規制層には、コンタクトホールに対応する位置に貫通孔を形成しておく。
【００１６】
バリア膜の表面に銅の下地膜を形成しておけば、電解めっき法で厚い銅膜を簡単に得ることができる。フォトレジスト等でめっき範囲規制層を形成しておけば、後で厚い銅膜をエッチングしてパターニングする必要もない。下地膜やめっき範囲規制層は、簡単にエッチングできる材料で形成できることから、その後にバリア膜を熱酸化することに不都合をもたらさない。
【００１７】
半導体素子の表面を酸に晒した後に、銅の電極群の表面をニッケル膜で被覆する工程を実施してもよい。
ニッケル膜は銅電極の酸化を防止する皮膜となり、電極にワイヤボンディング等する際にはんだとのぬれ性を改善する。ニッケルのみで厚い電極を形成すると、金属電極が半導体素子に大きな応力を作用させ、半導体素子を損傷することがある。銅電極の表面にニッケル膜を被覆する場合には、薄いニッケル膜を用いることができ、半導体素子に大きな応力を作用させることがない。
【００１８】
銅の電極群の表面をニッケル膜で被覆した後に、隣接する電極同士の間に露出するタンタル及び／または窒化タンタルの酸化膜を除去する工程を実施してもよい。
上記したように、タンタル及び／または窒化タンタルの酸化膜はエッチングして除去することができる。このとき、銅の表面までエッチングされてしまうので、種々の問題が発生する。それに対して、ニッケルは、タンタル及び／または窒化タンタルの酸化膜用のエッチングに対して耐性が高く、銅を保護するマスクとして機能する。タンタル及び／または窒化タンタルの酸化膜を除去する必要があれば、除去することもできる。
【００１９】
本発明は、新規な半導体装置を実現した。本発明で実現した半導体装置は、半導体素子と、半導体素子の表面を被覆しているとともに複数のコンタクトホールが形成されている層間絶縁膜と、層間絶縁膜の表面とコンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面を被覆しているバリア膜と、各々のコンタクトホールに対応する位置に形成されて金属電極を備えている。隣接する金属電極同士の間に位置するバリア膜が酸化している。バリア膜は、導電性であり、金属電極を構成する金属が半導体素子を構成する材料中に拡散することを抑制する能力を持ち、酸化すると絶縁性に変化する材料で形成されている。各々の金属電極は、各々のコンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面に酸化していないバリア膜を介して電気的に導通しているとともに、隣接する金属電極同士の間が離反している。隣接する金属電極同士は離反しており、隣接する金属電極同士の間に位置するバリア膜が酸化して絶縁性に変化しているので、隣接する金属電極同士がショートすることがない。また各々の金属電極は、バリア膜を介して半導体素子の表面に接しているので、金属電極を構成する金属が半導体素子を構成する材料中に拡散することもない。
【００２０】
本発明で実現した半導体装置の一つは、シリコン基板に形成されている半導体素子と、半導体素子の表面を被覆しているとともに複数のコンタクトホールが形成されている層間絶縁膜と、層間絶縁膜の表面とコンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面を被覆しているタンタル及び／または窒化タンタルの膜と、各々のコンタクトホールに対応する位置に形成されている銅の電極を備えている。隣接する電極同士の間に位置するタンタル及び／または窒化タンタル膜は酸化している。各々の金属電極は、各々のコンタクトホールの底面を構成する半導体素子の表面に酸化していないタンタル及び／または窒化タンタルの膜を介して電気的に導通しているとともに、隣接する金属電極同士の間が離反している。
隣接する金属電極同士は離反しており、隣接する金属電極同士の間に位置するタンタル及び／または窒化タンタルの膜は酸化して絶縁性に変化しているので、隣接する金属電極同士がショートすることがない。また各々の金属電極は、酸化していないタンタル及び／または窒化タンタルの膜を介して半導体素子の表面に接しているので、導通が確保されており、しかも銅が半導体素子を構成するシリコン中に拡散することもない。
【００２１】
銅の電極群の表面がニッケルで被覆されている場合は、隣接する電極同士の間でタンタル及び／または窒化タンタルの膜が除去されていることがある。ニッケルは、タンタル及び／または窒化タンタルの膜をエッチングする際に保護マスクとして機能することから、隣接する電極同士の間の存在していたタンタル及び／または窒化タンタルの膜を除去することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、金属電極間に存在するバリア膜を酸化することによって、バリア膜を絶縁性に変化させる。金属電極同士がショートすることを防止するためにバリア膜をエッチングして除去する必要がなく、バリア膜に用いる材料の選択範囲が広がる。エッチングの容易性を考慮しないで、金属電極を構成する金属が半導体素子を構成する材料中に拡散することを抑制する能力が高い材料を選択することができる。このために、半導体素子の表面にバリア膜を形成してからめっき法によって金属電極を形成することができる。厚い金属電極をめっき法で安価に製造することができる。またバリア膜をエッチングしないことから、エッチングに伴って発生する各種の問題の発生を回避することができる。
ＩＧＢＴ等の半導体素子の表面に、半導体素子に大きな応力を加えない材料で形成されており、しかも放熱性が高くてワイヤボンディングに際して半導体素子に大きな応力を加えないだけの厚みを有する金属電極を、めっき法によって安価に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に説明する実施例の主要な特徴を最初に整理する。
（特徴１）ＩＧＢＴの表面に、エミッタ電極とゲート電極が形成されており、両者は絶縁されている。
（特徴２）ＩＧＢＴの表面にエミッタ電極の複数個が分割されて形成されており、分割エミッタ電極同士は絶縁されている。
（特徴３）半導体素子の表面に層間絶縁膜が形成されている。その層間絶縁膜は５μｍ以上に成膜することができない。半導体素子の表面に、層間絶縁膜の膜厚よりも厚い金属電極が形成されている。
（特徴４）バリア膜の表面に薄い銅の膜をＰＶＤ法で形成する。
（特徴５）ＰＶＤ法で形成した銅のシード膜の表面に電界めっき法で銅のめっき膜を形成する。
【実施例】
【００２４】
図１に、本発明の一実施例である半導体装置２０の金属電極５の周辺の断面図を模式的に示す。半導体装置２０は、半導体素子１４を中心に構成されている。半導体素子１４はＩＧＢＴであり、表面に臨む範囲に、ｎ型不純物を高濃度に含むエミッタ領域とｐ型不純物を高濃度に含むボディコンタクト領域の両者が隣接して形成されている領域１６ａと、導電性のポリシリコンがトレンチに充填されているゲート領域の表面が半導体素子１４の表面に露出している領域１６ｂが形成されている。領域１６ａに電気的に導通している金属電極５ａを形成すると、金属電極５ａを利用して半導体素子１４のエミッタ領域とボディ領域を、半導体素子１４の外部に用意されている接地点に接続することができる。領域１６ｂに電気的に導通している金属電極５ｂを形成すると、金属電極５ｂを利用して半導体素子１４のゲート領域を、半導体素子１４の外部に用意されているゲート電位切換装置に接続することができる。半導体素子１４の底面には、図示しないコレクタ領域が形成されている。コレクタ領域に電気的に導通している金属電極（図示されていない）を形成すると、その金属電極を利用して半導体素子１４のコレクタ領域を、モータコイル等を介してプラス電位を提供する電源に接続することができる。ゲート電位切換装置によって電圧を切換えると、半導体素子１４内に形成されているゲート領域の電位が切換えられ、半導体素子１４内に形成されているエミッタ領域とコレクタ領域間の導通・非導通が切換えられ、モータコイル等の導通・非導通が切換えられる。
半導体素子１４が機能するためには、少なくとも２つの金属電極５ａ、５ｂを形成する必要があり、金属電極５ａ、５ｂの間は絶縁しておかなければならない。
【００２５】
半導体素子１４の表面は、層間絶縁膜１２で被覆されている。層間絶縁膜１２の領域１６ａに対応する位置には、コンタクトホール１３ａが形成されている。コンタクトホール１３ａの底面には、半導体素子１４の表面が露出している。この場合、コンタクトホール１３ａの底面には、エミッタ領域の表面とボディコンタクト領域の表面が露出している。すなわち、コンタクトホール１３ａの底面は、エミッタ領域とボディコンタクト領域の表面で構成されている。層間絶縁膜１２の領域１６ｂに対応する位置には、コンタクトホール１３ｂが形成されている。コンタクトホール１３ｂの底面には、半導体素子１４の表面が露出している。この場合、コンタクトホール１３ｂの底面には、ゲート領域の表面が露出している。すなわち、コンタクトホール１３ｂの底面は、ゲート領域の表面で構成されている。
【００２６】
層間絶縁膜１２の表面と、コンタクトホール１３ａの底面を構成するエミッタ領域とボディコンタクト領域の表面と、コンタクトホール１３ｂの底面を構成するゲート領域の表面は、タンタル又は窒化タンタルを材料とするバリア膜１０で被覆されている。コンタクトホール１３ａの底面を被覆しているバリア膜１０ａは、エミッタ領域とボディコンタクト領域の表面に接触している。バリア膜１０ａは、エミッタ領域とボディコンタクト領域に低い接触抵抗で接触し、オーミック特性が得られる。コンタクトホール１３ｂの底面を被覆しているバリア膜１０ｂは、ゲート領域の表面に接触している。バリア膜１０ｂは、ゲート領域に低い接触抵抗で接触し、オーミック特性が得られる。
バリア膜１０のうち、コンタクトホール１３ａの底面を被覆しているバリア膜１０ａの表面に、薄い銅膜８ａが形成されている。コンタクトホール１３ｂの底面を被覆しているバリア膜１０ｂの表面に、薄い銅膜８ｂが形成されている。薄い銅膜８ａ，８ｂはＰＶＤ法で形成されている。ＰＶＤ法はめっき法に比べて実施するのに要するコストが高いが、薄い膜であればＰＶＤ法を短時間だけ実施すればよく、薄い銅膜８ａ，８ｂを安価に成膜することができる。薄い銅膜８ａ，８ｂは、後で実施するめっき法で厚い銅膜を形成する際の下地となる膜であり、シード膜ということができる。
シード膜８ａの表面に、めっき法で形成された厚い銅膜であるめっき膜４ａが形成されている。めっき膜４ａは、シード膜８ａとバリア膜１０ａを介して、エミッタ領域とボディコンタクト領域に導通している。シード膜８ｂの表面に、めっき法で形成された厚い銅膜であるめっき膜４ｂが形成されている。めっき膜４ｂは、シード膜８ｂとバリア膜１０ｂを介して、ボディ領域に導通している。
【００２７】
めっき法で形成されためっき膜４ａとシード膜８ａによって、金属電極５ａが形成されている。金属電極５ａは層間絶縁膜１２よりも厚く、層間絶縁膜１２上に突出している。めっき法で形成されためっき膜４ｂとシード膜４ｂによって、金属電極５ｂが形成されている。金属電極５ｂは層間絶縁膜１２よりも厚く、層間絶縁膜１２上に突出している。
金属電極５ａと金属電極５ｂの間に存在しているバリア膜１０は、太いハッチで示す部分１０ｃにおいて熱酸化されている。タンタル又は窒化タンタルは熱酸化されると絶縁性となる。金属電極５ａと金属電極５ｂの間に存在しているバリア膜１０は、金属電極５ａ又は金属電極５ｂで覆われていない範囲１０ｃにおいて絶縁性に変質しており、金属電極５ａと金属電極５ｂ間は絶縁されている。金属電極５ａ又は金属電極５ｂで覆われている範囲のバリア膜１０ａ，１０ｂは熱酸化されておらず、絶縁性を保っている。
【００２８】
次に半導体装置２０の製造方法について説明する。
最初に、図２に示すように、半導体素子１４の表面に、層間絶縁膜１２を形成する。層間絶縁膜１２には、前記した領域１６ａ，１６ｂに対応する範囲に、コンタクトホール１３ａ、１３ｂが形成されている。
次に、図３に示すように、層間絶縁膜１２の全表面に、タンタル又は窒化タンタルを材料としたバリア膜１０をＰＶＤ法にて形成する。このとき、コンタクトホール１３ａの底面を構成する半導体素子の表面（エミッタ領域とボディコンタクト領域の表面）とコンタクトホール１３ｂの底面を構成する半導体素子の表面（ゲート領域の表面）も、バリア膜１０で被覆される。
次に、バリア膜１０の表面に、銅を材料とするシード膜８をＰＶＤ法にて形成する。
【００２９】
次に、図４に示すように、シード膜８の表面にフォトレジスト１８で枠を形成する。具体的には、未感光のフォトレジスト１８の表面に、コンタクトホール１３ａ、１３ｂに対応する範囲に開孔が形成されているマスクを形成し、マスクの開孔からフォトレジスト１８を感光し、感光した範囲のフォトレジスト１８を除去する。フォトレジスト１８には、コンタクトホール１３ａ、１３ｂに対応する範囲に貫通孔１９ａ、１９ｂが形成された枠が形成される。その枠は、その後に実施する電界めっき工程で銅膜が形成される範囲を規制する。
次に、図５に示すように、シード膜８に電極を接触させ、電界めっき法で銅の膜を成膜する。銅の膜は、シード膜８から成長し、貫通孔１９ａ、１９ｂ内で厚くなっていく。貫通孔１９ａ内で厚い銅膜であるめっき膜４ａが成長し、貫通孔１９ｂ内で厚い銅膜であるめっき膜４ｂが成長する。
次に、図６に示すように、フォトレジスト１８を除去する。
次に、図７に示すように、めっき膜４ａ，４ｂで覆われていない領域のシード膜８を硫酸などを用いて除去する。シード膜８はめっき膜４ａ，４ｂに比べて十分に薄い為、シード膜８のみを除去することができる。バリア膜１０は、酸に耐性がある為、シード膜８を除去する際に、バリア膜１０が除去されることはない。この結果、めっき膜４ａ，４ｂが形成されていない領域では、バリア膜１０が露出する。
【００３０】
次に、図８に示すように、半導体装置２０を酸素雰囲気中で熱処理し、金属電極５ａ，５ｂに覆われていない領域１０ｃのバリア膜１０を完全に酸化する。これにより、酸化した領域１０ｃのバリア膜は絶縁体となり、金属電極５ａ，５ｂの間を絶縁する。金属電極５ａ，５ｂの直下に存在するバリア膜１０は酸化されない。その為、金属電極５ａ，５ｂの直下に存在するバリア膜１０ａ，１０ｂは、引き続き導電性を有し、半導体素子１４の領域１６ａ，１６ｂと金属電極５ａ，５ｂの導通を保つことができる。
【００３１】
次に、熱処理により金属電極５ａ，５ｂの表面と側面に形成された銅の酸化膜２２ａ，２２ｂを除去する。本実施例ではバリア膜１０にタンタル又は窒化タンタルを用いており、酸化した領域１０ｃのバリア膜には酸化タンタルが生成される。酸化タンタルは酸・アルカリに対して耐性が強い。硫酸やギ酸等を用いて銅の酸化膜２２ａ，２２ｂを除去することで、酸化した領域１０ｃのバリア膜や半導体素子１４に影響を及ぼすことなく、銅の酸化膜２２ａ，２２ｂを除去することができる。これにより図１の半導体装置２０が製造される。
【００３２】
本実施例では、図９に示すように、銅の酸化膜２２ａ，２２ｂを除去した金属電極５ａ，５ｂの表面にニッケルを材料とした保護膜２４ａ，２４ｂを形成する工程を更に備えていることが好ましい。ニッケルの保護膜２４ａ，２４ｂを形成すると、金属電極５ａ、５ｂの酸化を防止することができる。本実施例では、酸化した領域１０ｃのバリア膜を利用することによって、容易に金属電極５ａ，５ｂの表面のみに保護膜２４ａ，２４ｂを形成することができる。本発明の半導体装置２０の表面には、導電性を有する金属電極５ａ，５ｂと、絶縁性を有するバリア膜１０ｃが露出している。この特性の違いを利用し、めっき法等で、金属電極５ａ，５ｂの表面のみにニッケルの保護膜を形成することができる。特に金属電極５ａ，５ｂが銅を材料としている本実施例では、銅よりもイオン化傾向が小さいニッケルを材料とした保護膜２４ａ，２４ｂを容易に形成することができる。
【００３３】
本実施例では、図１０に示すように、酸化した領域１０ｃのバリア膜を除去する工程を更に備えていてもよい。酸化した領域１０ｃのバリア膜は塩素又はフッ素を用いたドライエッチングにより除去される。本実施例では、ニッケルを材料とした保護膜２４ａ，２４ｂを形成しており、ニッケルは塩素又はフッ素を用いたドライエッチングに対して耐性がある。この特性を利用して酸化した領域１０ｃのバリア膜を容易に除去することができる。
【００３４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、金属電極５ａ，５ｂの形成方法は電界めっき法に限られるものではない。電界めっき法を用いれば、比較的厚い銅の膜を形成することが可能である利点がある。形成する銅の膜の厚さも特に限定されるものではなく、比較的薄い銅の膜を形成してもよい。金属電極５ａ，５ｂが、エミッタ領域やゲート領域など半導体素子１４の異なる機能を持つ領域に形成される場合はもちろん絶縁されて形成されるが、金属電極同士が絶縁されて形成される場合はそれだけに限らない。同じ機能を持つ領域に形成される金属電極同士でも絶縁されて形成される場合がある。例えば、ＩＧＢＴなどの半導体素子１４では、半導体素子１４に複数の半導体構造が形成され、それぞれの半導体構造に対応した複数のエミッタ領域やゲート領域が形成されている場合が存在する。このような半導体装置では、それぞれの半導体構造で同じ機能を持つ領域に形成された金属電極同士を絶縁して形成することで、それぞれの半導体構造を個別に動作させることができる。本発明はこのような金属電極を形成するときにも有効である。また、半導体素子１４もＩＧＢＴに限定されない。金属電極５ａ，５ｂが形成されている半導体素子１４であれば良い。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例の半導体装置２０の断面図を示す。
【図２】半導体装置２０を製造する過程を示す。
【図３】半導体装置２０を製造する過程を示す。
【図４】半導体装置２０を製造する過程を示す。
【図５】半導体装置２０を製造する過程を示す。
【図６】半導体装置２０を製造する過程を示す。
【図７】半導体装置２０を製造する過程を示す。
【図８】半導体装置２０を製造する過程を示す。
【図９】半導体装置２０を製造する過程を示す。
【図１０】半導体装置２０を製造する過程を示す。
【図１１】デュアルダマシン法により多層配線を形成する様子を示し、（Ａ）には多層配線の製造段階を示し、（Ｂ）には完成された多層配線を示す。
【符号の説明】
【００３６】
４・・・・・めっき膜
４ａ，４ｂ・・・めっき膜
５・・・・・金属電極
５ａ，５ｂ・・・金属電極
８・・・・・シード膜
８ａ，８ｂ・・・シード膜
１０・・・・バリア膜
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ・・・バリア膜
１３・・・・コンタクトホール
１３ａ，１３ｂ・・・コンタクトホール
１２・・・・層間絶縁膜
１４・・・・半導体素子
１６・・・・領域
１６ａ，１６ｂ・・・領域
１８・・・・フォトレジスト
１９・・・・貫通孔
１９ａ，１９ｂ・・・貫通孔
２０・・・・半導体装置
２２・・・・酸化膜
２２ａ，２２ｂ・・・酸化膜
２４・・・・保護膜
２４ａ，２４ｂ・・・保護膜
３０・・・・金属膜
３１・・・・配線
３２・・・・バリア膜
３４・・・・上層
３６・・・・下層
３８・・・・配線
４０・・・・貫通孔
４１・・・・溝
【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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