(57)【要約】  有機誘電体材料（１１０）中に埋め込まれた第２構造（９１）への金属相互接続（１８１）を提供する方法であって、有機誘電体材料（１１０）中に埋め込まれた、例えば金属ピラー（９１）のような第２構造を有する第１構造を得る工程と、少なくとも第１構造のいくつかの位置で、有機誘電体材料（１１０）の上に硬い層（１３０）を提供する工程であって、硬い層（１３０）は有機誘電体材料（１１０）の剛性より高い剛性を有する工程とを含む方法。この方法は、第１構造（９１）と有機誘電体材料（１１０）との間の界面でクラックの無い相互接続構造を提供する。
2012530362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機誘電体材料（１１０）中に埋め込まれた第２構造（９１）への金属相互接続（１８１、１９０）を提供する方法であって、
有機誘電体材料（１１０）中に埋め込まれた第２構造（９１）を有する第１構造を得る工程と、
少なくとも第１構造のいくつかの位置で、有機誘電体材料（１１０）の上に硬い層（１３０）を提供する工程であって、硬い層（１３０）は有機誘電体材料（１１０）の剛性より高い剛性を有する工程と、を含む方法。
【請求項２】
少なくとも第１構造のいくつかの位置で、有機誘電体材料の上に硬い層を形成する工程は、第２構造の端部の隣に硬い層（１３０）を提供する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
有機誘電体材料（１１０）の上に硬い層（１３０）を提供する工程は、有機誘電体材料（１１０）と第２構造（９１）に接続する金属相互接続層（１８１）との間に硬い層（１３０）を提供する工程を含む請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
有機誘電体材料（１１０）の上に硬い層を提供する工程は、第２構造（９１）に接続する金属相互接続層（１９０）の部分の間に硬い層（１３０）を提供する工程を含む請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
硬い層（１３０）を提供する工程は、無機材料を含む誘電体層を提供する工程を含む請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
硬い層（１３０）を提供する工程は、有機誘電体材料（１１０）の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有する層を提供する工程を含む請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
構造は熱膨張係数を有する基板を含み、硬い層（１３０）を提供する工程は、基板（８０）の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する層を提供する工程を含む請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
硬い層（１３０）を提供する工程は、有機誘電体材料（１１０）のヤング率より低いヤング率を有する層を提供する工程を含む請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
硬い層（１３０）の適用前に、第２構造（９１）の上端部を露出させる工程を含む請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
第２構造（９１）の上端部を露出させる工程は、ＣＭＰまたはフライカッティングにより、有機誘電体層に窪みを作る工程を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
有機誘電体材料（１１０）中に埋め込まれた第２構造（９１）と、
第２構造（９１）に接続する金属相互接続（１８１、１９０）と、
少なくとも第１構造のいくつかの位置の、有機誘電体材料（１１０）の上の硬い層であって、有機誘電体材料（１１０）の剛性より高い剛性を有する硬い層（１３０）と、を含む第１構造。
【請求項１２】
硬い層（１３０）は、第２構造（９１）の端部の隣に存在する請求項１１に記載の第１構造。
【請求項１３】
硬い層（１３０）は、有機誘電体材料（１１０）と第２構造（９１）に接続する金属相互接続層（１８１）との間に存在する請求項１１または１２に記載の第１構造。
【請求項１４】
硬い層（１３０）は、第２構造（９１）に接続する金属相互接続層（１９０）の部分の間に存在する請求項１１または１２に記載の第１構造。
【請求項１５】
硬い層（１３０）は、誘電体層である請求項１１〜１４のいずれかに記載の第１構造。
【請求項１６】
硬い層（１３０）は、無機材料である請求項１１〜１５のいずれかに記載の第１構造。
【請求項１７】
硬い層（１３０）は、多層構造または複合材料の層である請求項１１〜１６のいずれかに記載の第１構造。
【請求項１８】
硬い層（１３０）は、有機誘電体材料（１１０）の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する請求項１１〜１７のいずれかに記載の第１構造。
【請求項１９】
硬い層（１３０）は、有機誘電体材料（１１０）のヤング率より高いヤング率を有する請求項１１〜１８のいずれかに記載の第１構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体プロセスの分野に関し、特に半導体デバイスと半導体デバイスの製造方法に関する。特に本発明は埋め込み構造と有機誘電体との間の界面でのクラックの低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
高集積および高密度の半導体デバイス等にとって、多層相互接続の形成は有利である。
【０００３】
多くの応用（例えば、埋め込み、インテグレイテッドパッシブ等）では、金属（例えば銅）ピラーのような埋め込み構造、シリコンダイ、または他の完全に埋め込まれた硬い構造（stiff structure）が、層間絶縁層として機能するポリマ（例えばＢＣＢ；ベンゾシクロブテン）中に埋め込まれる。例えば金属ピラーのような埋め込み構造が、インテグレイテッドパッシブ（integrated passives）やダイエンベッディング（die embedding）（ＵＴＣＳ；超薄チップスタッキングのようなアプローチ）のような応用で相互接続として使用される。一般的な銅ピラーは、数マイクロメータから２０マイクロメータまたはそれ以上の範囲の高さを有する円形形状を有する。厚い埋め込み構造（１５μｍより高い）を用いた場合、埋め込みポリマと埋め込み構造との間の界面に、非常に高い応力が発生することがわかる。これは、（サンプルのＪＥＤＥＣ試験のような）標準信頼性試験を行った場合に信頼性の問題となる。
【０００４】
ポリマ（例えばＢＣＢ）と金属（例えばＣｕ）との間の界面１１に現れる典型的なクラック１０は、図１に示すＦＩＢ（focused ion beam：収束イオンビーム）断面図に示される。そのようなクラック１０は、熱サイクル中に現れて成長する。図１の写真では、クラック１０は約１μｍに延びた。クラック１０はいつも金属ピラーの上面の端部で発生し、これは、図３で提案されたＦＥＭ（finite element method：有限要素法）シミュレーションの結果と一致する。
【０００５】
そのようなクラック１０は、更なるクラックの進行の優先的なサイトとして知られるため、製品作製プロセスにおいて許容できない。発明者は、熱サイクル中に埋め込み構造の上面の端部でクラック１０が始まることを熱機械的シミュレーションから学んだ。
【０００６】
ＵＳ２００７／０１９４４１２では、樹脂層と半導体基板との間の熱膨張係数の違いを小さくするために、第１層がフィラーを含む２層樹脂層の使用が提案されている。この解決法は、このように、ポリマエンジニアリング、即ち粒子を有する充填ポリマに基づく。完全に材料を交換するため、この方法はいくつかの半導体の方法フローでは困難なことが立証される。複合材料では、フォトリソグラフィを行うことがいつも可能とは思わない。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の具体例の目的は、界面を含むデバイスの熱サイクル中および熱サイクル後においても、クラックの無い、埋め込み構造と有機材料との間の界面を提供することである。
【０００８】
本発明の具体例の目的は、埋め込み構造と有機材料との間で、そのようなクラックの無い界面を得る方法を提供することである。
【０００９】
上記目的は、本発明にかかる方法およびデバイスにより達成される。
【００１０】
第１の形態では、本発明は、例えばポリマまたはシリコーンのような有機誘電体材料中に埋め込まれた埋め込み構造への金属相互接続を提供する方法を提供する。本発明の具体例にかかる方法は、有機誘電体材料中に埋め込まれた第２構造を有する第１構造を得る工程と、少なくとも第１構造のいくつかの位置で、有機誘電体材料の上に硬い層を提供する工程であって、硬い層は有機誘電体材料の剛性より高い剛性を有する工程とを含む。
【００１１】
本発明の具体例にかかる方法では、少なくとも第１構造のいくつかの位置で、有機誘電体材料の上に硬い層を形成する工程は、例えば金属ピラー、シリコンダイのような第２構造の、例えば露出した上面の端部のような、端部の隣に硬い層を提供する工程を含んでも良い。本発明の具体例では、有機誘電体材料の上に硬い層を提供する工程は、有機誘電体材料と第２構造に接続する金属相互接続層との間に硬い層を提供する工程を含んでも良い。代わりの具体例では、有機誘電体材料の上に硬い層を提供する工程は、第２構造に接続する金属相互接続層の部分の間に硬い層を提供する工程を含んでも良い。
【００１２】
本発明の具体例では、硬い層を提供する工程は、無機材料を含む誘電体層を提供する工程を含んでも良い。誘電体層は、無機材料からなっても良い。代わりに、誘電体層は、例えば無機粒子のような無機材料を、有機マトリックス中に含んでも良い。
【００１３】
本発明の具体例では、硬い層は、例えばＳｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２またはＴａＮのようなＣＶＤ材料、ポリマ、金属、有機マトリックス中の無機粒子の層のような単層でも良い。代わりの具体例では、硬い層は、例えば上記材料の複数の層からなる多層構造でも良い。多層構造の場合、その層の少なくとも１つは、無機層または無機材料を含む層でも良い。
【００１４】
本発明の具体例では、硬い層を提供する工程は、有機誘電体材料の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有する誘電体層を提供する工程を含んでも良い。熱膨張係数はできるだけ低くても良い。例えば、有機埋め込み材料が高いポリマのキュア温度が必要とされるポリマの場合に、熱膨張係数は特に重要になるであろう。
【００１５】
第１構造が熱膨張係数を有する基板を含む場合、本発明に具体例にかかる方法は、基板（８０）の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する誘電体層を、硬い層として提供する工程を含んでも良い。本発明の特別な具体例では、熱膨張係数の違いが、互いに１０％より大きく違わない。
【００１６】
本発明の具体例にかかる方法では、有機誘電体材料のヤング率より大きなヤング率を有する誘電体層を提供する工程を含む。硬い層のヤング率は、可能な限り高くても良い。
【００１７】
本発明の具体例にかかる方法は、硬い層の適用後に、埋め込み構造の上端部を露出するための、有機誘電体材料に窪み（リセス）を作る工程を含んでも良い。埋め込み構造の上端部のそのような露出工程は、例えばＣＭＰまたはフライカッティングにより、有機誘電体層に窪みを作る工程を含んでも良い。
【００１８】
第２の形態では、本発明は、有機誘電体材料中に埋め込まれた、例えば金属ピラーまたはシリコンダイのような第２構造と、
第２構造への金属相互接続と、
少なくとも第１構造のいくつかの位置における、有機誘電体材料の上の硬い層であって、有機誘電体材料の剛性より高い剛性を有する硬い層と、を含む第１構造を提供する。
【００１９】
本発明の具体例にかかる第１構造では、硬い層は、第２構造の端部の隣に存在しても良い。本発明の具体例では、硬い層は、有機誘電体材料と、第２構造に接続する金属相互接続層との間に存在しても良い。代わりの具体例では、硬い層は、第２構造に接続する金属相互接続層の部分の間に存在しても良い。
【００２０】
本発明の具体例では、硬い層は誘電体層でも良い。そのような誘電体層は、絶縁目的に使用しても良い。
【００２１】
本発明の具体例の第１構造では、硬い層は有機材料を含んでもよい。硬い層は、例えば有機マトリックス中の無機粒子のような、複合材料からなっても良い。代わりに、硬い層は、無機材料からなっても良い。
【００２２】
本発明の具体例では、硬い層は、例えばＳｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２またはＴａＮのようなＣＶＤ材料、ポリマ、金属、有機マトリックス中の無機粒子の層のような単層でも良い。本発明の具体例では、硬い層は、例えば上記材料の複数の層からなる多層構造でも良い。多層構造の場合、その層の少なくとも１つは、無機層または無機材料を含む層でも良い。
【００２３】
硬い層は、有機誘電体材料の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有しても良い。
【００２４】
本発明の具体例にかかる第１構造では、第１構造は熱膨張係数を有する基板を含み、硬い層の熱膨張係数はこれに近く、例えば基板の熱膨張係数から１０％よりは大きく違わなくても良い。
【００２５】
硬い層は、有機誘電材料のヤング率より高いヤング率を有しても良い。
【００２６】
本発明の具体例にかかる第１構造では、硬い層は、他の材料特性を考慮して、所望の硬さを与えるような膜厚を有しても良い。特別な具体例では、硬い層は２μｍと１０μｍとの間の膜厚を有する。膜厚は、外部力の影響下でのその変形中に、硬い層の上でのクラックやバックリング（buckling）のような欠陥を硬い層が避けるものでも良い。
【００２７】
標準材料と標準プロセス工程を用いることができることは、本発明の具体例の長所である。
【００２８】
本発明の特別で好適な形態は、添付の独立請求項及び従属請求項に示される。従属請求項の特徴は、必要に応じて、独立請求項の特徴、および他の独立請求項の特徴と組み合わせても良く、単に請求項に明示的に記載された通りでなくても良い。
【００２９】
本発明と従来技術を超えて達成される長所をまとめる目的で、本発明の所定の目的や長所が上で記載された。もちろん、それらの目的または長所の全てが、本発明の特別な具体例で達成される必要は無いことが理解される。このように、例えば、当業者は、ここで教示される一の長所や長所のグループを達成するが、ここで教示または示唆される他の目的や長所を達成する必要なしに、本発明が具体化または実施されることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】（ａ）は１２５℃から−５５℃までの熱サイクル後の、ＢＣＢ−Ｃｕ界面でのクラックを示すＦＩＢ断面を示す。（ｂ）は（ａ）の拡大した細部を示す。
【図２】ポリマに囲まれた銅ピラーを備えた構造を考慮した、ＦＥＭシミュレーションに使用される構造を示す。
【図３】ＢＣＢで囲まれたＣｕピラー（直径１７．５μｍ）で−５５℃での主応力のシミュレーション結果を示す。
【図４】シリコーンで囲まれたＣｕピラー（直径１７．５μｍ）で−５５℃での主応力のシミュレーション結果を示す。
【図５】Ｃｕピラーと周囲のポリマとの間に発生する応力へのＣｕピラーの直径の影響を示すシミュレーション結果を示す。
【図６】「硬い層」を有するポリマ中に埋め込まれたＣｕ相互接続のシミュレーションのために使用される構造を示す。
【図７】従来技術の相互接続構造を示す。
【図８】埋め込み構造と周囲の有機誘電体材料との間にクラックの無い界面を作製するための、本発明の具体例にかかる第１フローの方法工程を示す。
【図９】埋め込み構造と周囲の有機誘電体材料との間にクラックの無い界面を作製するための、本発明の具体例にかかる第１フローの方法工程を示す。
【図１０】埋め込み構造と周囲の有機誘電体材料との間にクラックの無い界面を作製するための、本発明の具体例にかかる第１フローの方法工程を示す。
【図１１】埋め込み構造と周囲の有機誘電体材料との間にクラックの無い界面を作製するための、本発明の具体例にかかる第１フローの方法工程を示す。
【図１２】埋め込み構造と周囲の有機誘電体材料との間にクラックの無い界面を作製するための、本発明の具体例にかかる第１フローの方法工程を示す。
【図１３】埋め込み構造と周囲の有機誘電体材料との間にクラックの無い界面を作製するための、本発明の具体例にかかる第１フローの方法工程を示す。
【図１４】埋め込み構造と周囲の有機誘電体材料との間にクラックの無い界面を作製するための、本発明の具体例にかかる第１フローの方法工程を示す。
【図１５】埋め込み構造と周囲の有機誘電体材料との間にクラックの無い界面を作製するための、本発明の具体例にかかる第１フローの方法工程を示す。
【図１６】埋め込み構造と周囲の有機誘電体材料との間にクラックの無い界面を作製するための、本発明の具体例にかかる第１フローの方法工程を示す。
【図１７】埋め込み構造と周囲の有機誘電体材料との間にクラックの無い界面を作製するための、本発明の具体例にかかる第１フローの方法工程を示す。
【図１８】埋め込み構造と周囲の有機誘電体材料との間にクラックの無い界面を作製するための、本発明の具体例にかかる第１フローの方法工程を示す。
【図１９】埋め込み構造と周囲の有機誘電体材料との間にクラックの無い界面を作製するための、本発明の具体例にかかる第２フローの方法工程を示す。
【図２０】埋め込み構造と周囲の有機誘電体材料との間にクラックの無い界面を作製するための、本発明の具体例にかかる第２フローの方法工程を示す。
【図２１】埋め込み構造と周囲の有機誘電体材料との間にクラックの無い界面を作製するための、本発明の具体例にかかる第２フローの方法工程を示す。
【図２２】硬い層が多層構造からなる、本発明の具体例にかかる構造を示す。
【００３１】
図面は模式的であり、限定的ではない。図面において、図示目的で、いくつかの要素の大きさは拡大され、縮尺どおりには記載されていない。
【００３２】
図面を参照する請求項中の参照符号は、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【００３３】
異なる図面において、同一の参照符号は、同一または類似の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の具体例にかかる問題と解決をよりよく評価するために、従来技術のデバイス発生クラックがシミュレーションされた。そのようなクラックは、デバイスが動作することを妨げないが、例えばデバイスの上面まで伝播して、湿気がデバイスに入ってデバイスを劣化させる。更に、空気や真空がクラック中に存在するため、キャパシタンスの減少が観察されるかもしれない。そのようなキャパシタンスの減少は全く制御できない。クラックを有するデバイスの性能は低い。間接的に、クラックは他の故障モードを加速させる。
【００３５】
シミュレーション条件
シミュレーションは、基板２２上に、有機誘電体２１により囲まれた、第２構造とも呼ばれる金属ピラーを考慮して、第１構造で行われる。図２は、シミュレーションに使用される標準の第１構造を示す。シミュレーションは、本シミュレーションで応力無しの状態であるＢＣＢのキュア温度（２５０℃）から始まり、続いて、この構造は（実際のサンプルで行われる熱サイクルと同様の）−５５℃まで冷却され、その後に温度は１２５℃まで（模擬的な実際のサイクル条件まで）加熱される熱機械的シミュレーションである。
【００３６】
以下の表１は、このシミュレーションで考慮された異なる材料に使用される機械的特性を示す。
【００３７】
【表１】
2012530362.tif 000003
【００３８】
シミュレーション結果
第１シミュレーションは、金属ピラー２０として、有機誘電体２１としてＢＣＢで囲まれた、直径が１７．５μｍのＣｕピラー考慮した。熱サイクル（２５０℃から−５５℃）のシミュレーションで得られた結果は、２５０℃（ＢＣＢキュア温度）から−５５℃に変化した場合、ＢＣＢ−銅界面において、高い引っ張り応力を示した。主応力が図３に示される。
【００３９】
第１のシミュレーションで得られた結果は、熱サイクル後の実際のサンプルで得られた観察と一致する。最大応力が、Ｃｕピラー２０の上部表面の端部で検察され、この場所は、図１で示されたＦＩＢ断面で、クラック伝播の原因と思えあれるものが見られる。ＢＣＢの引っ張り応力が８０ＭＰａと９０ＭＰａとの間において、１１９ＭＰａの応力が計算された。
【００４０】
ＢＣＢがシリコーン（例えばＷＬ−５１５０）で置き換えられた、同様のシミュレーションが行われて、同様の結論が得られた。Ｃｕピラー２０の上面の端部での応力は非常に高く、シリコーンの亀裂につながった。結果を図４に示す。２６２ＭＰａの応力が計算されて、これはＢＣＢで得られる値よりも高い。これは、ＢＣＢについての５０×１０−６／℃に対して、シリコーンの２３６×１０−６／℃の、非常に大きなＣＴＥ（熱膨張係数）値により説明できる。
【００４１】
第２構造とも呼ばれる埋め込み構造のジオメトリの応力に対する影響
例えば金属ピラー２０のような埋め込み構造のジオメトリの、応力分布および最大応力値への影響をより良く理解するために、異なる直径のＣｕピラー２０を用いてシミュレーションが行われた。研究した直径の範囲（１７．５μｍから１０μｍまでの直径の範囲）内では、ピラー直径の減少は、応力の小さな低減につながるが、例えばポリマのような有機誘電体の、例えば銅のような金属の端部での破壊を避けるには十分ではない。シミュレーション結果は、図５に示される。
【００４２】
更に、クラックの影響は、例えばピラーのような、より高い埋め込み構造で悪くなった。これは、例えばピラーのような埋め込み構造の高さに沿って応力が大きくなることで説明される。
【００４３】
本発明の具体例にかかる解決法
本発明の具体例では、上述の問題が、有機誘電体材料の上部の、第１構造の少なくともいくつかの位置に硬い層を加えることにより解決される。本発明の特別な具体例では、これは、有機誘電体と、埋め込み構造に接続する金属相互接続層の下方の、第２構造とも呼ばれる埋め込み構造との間の界面の上のレベルにおいて、有機誘電体材料と金属相互接続層との間に硬い層を加えることを含む。本発明の他の具体例では、これは、金属相互接続層の部分の間に硬い層を加えることを含んでも良い。
【００４４】
有機誘電体／埋め込み構造は、例えばＢＣＢ−Ｃｕ構造であるが、本発明はこれに限定されない。他の例は、例えばシリコーン、Ｒｏｈｍ  ａｎｄ  Ｈａｓｓ（８０２３−１０）等のようなポリマに埋め込まれたダイを含む。
【００４５】
硬い層の所望の特性は以下のとおりである。
熱膨張係数（ＣＴＥ）は可能な限り低く、少なくとも金属ピラーを埋め込むのに使用される、例えばポリマのような有機誘電体より低く、および／または
ヤング率は可能な限り高く、少なくとも金属ピラーを埋め込むのに使用される、例えばポリマのような有機誘電体より高い。このように、硬い層に要求される剛性は、下の有機誘電体材料の剛性に依存する。
【００４６】
このように硬い層は、Ｅ＊ＣＴＥ値及び硬い層のジオメトリに依存する剛性、即ち与えられた力による変形に対する抵抗を有する。硬い層の剛性は、下の有機誘電体層の剛性より高くなるべきである。
【００４７】
本発明の具体例では、硬い層の剛性は、基板の剛性に近い。例えば硬い層の剛性は、基板の剛性から１０％より小さく偏位する。硬い層が、下の有機誘電体に対して硬いことが、本発明の具体例の長所である。硬い層が、例えば金属のような埋め込み構造の材料に対して温度不整合（temperature mismatch）を有することが、本発明の具体例の長所であり、この不整合は、有機誘電体と、埋め込み構造の例えば金属のような材料との間の温度不整合より小さい。
【００４８】
硬い層は、無機材料を含んでも良い。本発明の特別の具体例では、硬い層は、完全に無機材料からなる。本発明の代わりの具体例では、硬い層は無機粒子を含む有機材料のような複合材料から形成されても良い。本発明の具体例では、硬い層は有機材料を含んでも良い。硬い層は、有機材料からなっても良い。有機材料は、殆どの場合、無機材料より柔らかい。その場合、無機材料の硬い層は、殆どの場合同じ直径を有する有機の硬い層より硬いため、殆どの場合好ましい。
【００４９】
本発明の具体例では、硬い層は単層でも良い。単層は、単一材料からなる層でもよい。代わりの具体例では、単層は複合材料の層でも良い。本発明の代わりの具体例では、硬い層は、例えばポリマ層および／または誘電体ＣＶＤ層および／または有機材料含有層および／または無機材料含有層の組み合わせのような、複数の好ましい層や材料を含んでも良い。本発明の具体例では、材料は、誘電体層の間に選択的に挟まれても良い。
【００５０】
１つの材料のみ、または１つの層のみが、硬い層に使用された場合、下の層／デバイス中の短絡を避けるために、非導電性または絶縁性であるべきである。一般に、例えば、硬い層が、ウエハまたはデバイスに接触して複数の材料または層を含む場合、硬い層は、下の層／デバイス中の短絡を避けるために、少なくとも非導電性または絶縁性の層を有するべきである。導電性の上部層または中間層が使用されても良い。更に、底部またはスタック中の層が、接着、応力解放等の特定の理由のために用いられても良い。
【００５１】
硬い層１３０のような多層構造を有する第１構造の例が、図２２に示され、これは、基板８０、シード層８１の一部、有機誘電体材料１１０に埋め込まれた金属ピラー９１、例えば埋め込み材料１１０と同じ有機材料からなる層のような第１絶縁層１１１と、硬い層１３０に要求される硬い特徴を与える第２層を含む多層である硬い層１３０、および金属相互接続１８１を示す。
【００５２】
有機誘電体／金属構造の上の硬い層として導電性材料（例えば金属）が使用された場合、硬い層の上に形成される相互接続上に設けられたデバイスの電気的機能が短絡するため、硬い層のための誘電体の選択は、応用に関連する。硬い層が１つの材料のみからなる場合、下の層／デバイスの短絡を避けるために、材料は非導電性または絶縁性であるべきである。硬い層が例えば多層構造のような異なる材料を含む場合、デバイスウエハと接続する少なくとも下層は、下の層／デバイスの短絡を避けるために、非導電性または絶縁性であるべきである。導電性の上部層および／または中間層が用いられても良い。
【００５３】
基板がＳｉの場合、硬い層として使用できる材料の例は、これらに限定されるものではないが、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）およびシリコン窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）である。もし、十分に厚い層が堆積できる場合、例えばＴａＯ、ＴａＮ、ダイアモンド、Ａｌ２Ｏ３のような他の好適な材料が使用できる。硬い層の膜厚は、十分な剛性値に達する材料の特性に依存する。特別な具体例では、硬い層の膜厚は、例えば２μｍと１０μｍとの間、例えば５μｍのような、数ミクロンの範囲内でも良い。硬い層の膜厚は、内部応力の影響下で、変形中の硬い層の破壊、例えばクラックおよび／またはバックリング（buckling）を避けるのに十分に大きくなければならない。硬い層の選択は、クラックが発生する位置の正確なジオメトリに依存する。更に、硬い層がより厚くなると、使用できる材料に要求される剛性は低くなる。薄い硬い層の場合、（より厚い硬い層と比較した場合）クラックを避けるために、より高い剛性が使用される。
【００５４】
本発明の具体例では、硬い材料、即ち有機誘電体の剛性より高い剛性を有する材料が、クラックが通常始まる位置に、構造を部分的に硬くするために適用される。基板に近い特性を有する硬い材料の適用は、ピラーの高さを低減することと機械的に等価であり、それゆえに、埋め込み構造に垂直な方向に沿ったクラックの形成を低減する。
【００５５】
層の剛性の選択は、クラックが発生する位置の正確なジオメトリに依存する。更に、硬い層は厚くなるほど、使用される材料に必要とされる剛性は低くなる。薄い硬い層の場合、薄い硬い層に比較して、クラックを避けるためにより高い剛性が必要となる。
【００５６】
図１のＦＥＭシミュレーションから得られた情報に関して、これは、本発明の具体例により適用された硬い材料は、例えばＣｕピラーのような埋め込み構造の上端部と接続されなければならないことを意味する。本発明の具体例では、例えばＣｕ−ＢＣＢ構造のような、埋め込み構造と有機誘電体とを含む構造のリセスは、本発明の具体例により硬い層がその上に堆積およびパターニングされる、例えば平坦なＢＣＢ−Ｃｕ構造のような、平坦な埋め込み構造／有機誘電体表面を形成するために行われる。
【００５７】
本発明の具体例にかかる「硬い層」の使用の効果と影響についてより多くの情報を得るために、上述の硬い層を有する構造を模倣して、シミュレーションが行われた。図６は、シリコン基板のような基板２２、例えばＢＣＢ層のような有機誘電体層２１中に、例えばＣｕピラーのような金属ピラー２０が埋め込まれた埋め込み構造を含み、上部に、例えばＳｉＯ２層やＳｉ３Ｎ４層からなる硬い層６０を有する、シミュレーションされる構造の概略を提案する。埋め込み構造２０の上の硬い層６０中の孔は、金属相互接続を形成するために第２金属６１で埋め込まれる。
【００５８】
それらのシミュレーションから、Ｃｕ−ＢＣＢ層２０、２１の上に、５μｍ膜厚のＳｉ３Ｎ４層６０を加えることにより、ピーク応力値を１３０ＭＰａ（硬い層の存在無し）から８６ＭＰａ（本発明の具体例にかかる硬い層が存在）に低減できることが見出された。５μｍ膜厚のＳｉＯ２の使用は、同じピーク応力値（８６ＭＰａ）につながる。一般に、材料の剛性は、その膜厚とヤング率に関連し、ＣＴＥは、異なる温度での変形を与える。硬い層が厚くなるほど、層は硬くなり、これはより良い。
【００５９】
２つの異なるプロセスフローが、本発明の具体例にかかる、そのような硬い相互接続構造を作製するために特定された。２つのアプローチは互いに非常に近接し、一方または他方の選択は、作製されたデバイスの最終的な応用に依存する。従来技術の硬い層の無い構造が、図７に示される。これは、例えばＢＣＢのようなポリマのような有機誘電体７２中に埋め込まれた、例えばＣｕのような金属１ピラー７１のような埋め込み構造を有する基板７０を示す。有機誘電体７２は、金属１ピラー７１の上面を露出させるように、上側が開口され、金属２相互接続構造７３は、露出した金属１ピラー７１の上面に接続するために、必要に応じて適用される。そのような構造は、図１に示すように、例えば金属１ピラー７１のような埋め込み構造の上端部でクラック１０を現す。
【００６０】
本発明の具体例にかかる第１プロセスフローが、図８から図１８に示される。
【００６１】
本発明の具体例にかかる硬い層を用いて硬くされた、有機誘電体／埋め込み回路の界面の作製は、基板８０の提供（図８）から始まる。本発明の具体例では、「基板（substrate）」の用語は、使用されるまたはその上にデバイスが形成される下層の材料や材料を含む。この基板８０は、シリコン、ガリウムアーセナイド（ＧａＡｓ）、ガリウムアーセナイドフォスファイド（ＧａＡｓＰ）、インジウムフォスファイド（ＩｎＰ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、またはシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）基板のような半導体基板を含む。基板８０は、半導体基板の部分に加えて、例えばＳｉＯ２層やＳｉ３Ｎ４層のような絶縁層を含んでも良い。このように、基板の用語はまた、例えばシリコン−オン−ガラスやシリコン−オン−サファイア基板を含む。「基板」の用語は、このように、特に多くの金属ピラー９１のような、層や興味ある部分の下に横たわる層の要素を一般に規定するために使用される。
【００６２】
基板８０の上に、例えば金属ピラー９１のような埋め込み構造が提供される。金属ピラー９１は、一般には、例えば、５μｍから３０μｍの範囲の高さを有する銅の電気メッキのような、金属電気メッキにより形成される。これに対して、最初にシード層８１が、例えばスパッタにより堆積される。シード層８１は、導電性材料を含んでも良く、例えばＴｉ−ＣｕまたはＴｉ−Ｃｕ−Ｔｉスタック中のＴｉとＣｕを含み、これは交互に基板８０の完全な主表面の実質的に上に、連続してスパッタされるＴｉ層とＣｕ層からなる。
【００６３】
シード層８１の上に、厚いレジスト層８２が適用される。レジスト層８２は、少なくとも形成されるピラー９１の高さと等しい膜厚を有し、それゆえに検討される具体例では、少なくとも５μｍである。レジスト層８２は、例えばスピンコーティングで、シード層８１の前面上に提供される。レジスト層は、例えばノボラック（Novolac）またはＳＵ−８のようなフォトレジストでも良い。
【００６４】
フォトレジスト層８２は、例えばフォトリソグラフィやフォトエングレービングによりパターニングされて、シード層８１の上にパターニングされたコーティング９０を形成する（図９）。フォトリソグラフィやフォトエングレービングの工程により、レジスト層８２の中に孔９１が形成され、パターニングされたコーティング９０が形成される。
【００６５】
続いて、例えばシード層８１をカソードに、メッキ金属をアノードに用いて電気メッキ工程が行われる。この方法で、パターニングされたコーティング９０中の孔は、少なくとも部分的に金属で埋められ、例えば金属ピラー９１のような埋め込まれる構造が形成される。例えば金属ピラー９１のような埋め込まれる構造の高さは、例えば５μｍと３０μｍとの間である。
【００６６】
電気メッキ工程の後に、パターニングされたレジスト９０が、例えばレジストストリップにより除去される（図１０）。そのようなレジストストリップは、（溶液に手段による）ウエットストリップ工程またはドライスプリット工程（プラズマエッチング）を含んでも良い。
【００６７】
一旦、パターニングされたレジスト９０が除去するや否や、シード層８１として使用される金属スタックの酸溶液系エッチングからなるシード層のエッチングが行われ、パターニングされたレジスト９０の除去により露出したシード層８１の部分を除去する。
【００６８】
それらの工程の後に、構造は、図１０に示された構造のように見える。
【００６９】
次の工程は、有機誘電体材料１１０中に、金属ピラー９１のような形成された構造を埋め込む工程を含む。有機誘電体材料１１０は、例えばＢＣＢのようなポリマまたはシリコーンでも良い。本発明の具体例では、そのような有機誘電体材料１１０は、スピンコーティングで適用されても良く、適用後にキュアを必要としても良い。代わりの具体例では、ラミネーションのような他の技術が、有機誘電体材料１１０を適用するために使用されても良い。例えばＢＣＢおよびシリコーンの場合、キュア温度は約２００℃である。そこそこの時間（〜１時間）でポリマをキュアするために、一般的な温度は１５０℃より高い。より低い温度の使用も可能であるが、通常はより長い時間を必要とする。好適な具体例では、有機誘電体材料１１０は、例えば金属ピラー９１のような埋め込まれる構造を完全に覆い、これは例えばピラー９１のような構造の高さより大きな膜厚を有することを意味する。この有機誘電体材料１１０中へのこの埋め込み後に、構造は図１１に示されたように見える。
【００７０】
この工程の後に、本発明の具体例により、構造が平坦化される。これは、ダイアモンドビットカッティング（フライカッティング）やグラインディング、研磨（ＣＭＰ）のようなリセス技術の使用を必要とする。そのような技術は、平坦な構造をもたらし、クラック発生のための位置として特定された金属ピラー９１のような埋め込み構造の上端部を露出させることを可能にする。それで、例えば金属ピラー９１のような埋め込み構造まで下がる、図１１の構造のリセス工程が行われる。このリセス工程の後に、構造は、図１２のように模式的に示される。
【００７１】
この段階において、構造は、図１３に示すような、本発明の具体例にかかる硬い層１３０の堆積の準備ができる。硬い層１３０は、形成された構造の剛性を改良する層である。それは、例えば金属ピラー９１のような埋め込み構造を囲む有機誘電体材料１１０の剛性より高い剛性を有する層である。本発明の具体例では、硬い層１３０は、例えば金属ピラー９１のような埋め込み構造を囲む有機誘電体材料１１０のヤング率より高いヤング率を有する。本発明の具体例では、硬い層１３０は、例えば金属ピラー９１のような埋め込み構造を囲む有機誘電体材料１１０の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する。本発明の特別な具体例では、硬い層１３０の熱膨張係数は、例えば１０％より小さい偏差を有するように、基板８０の熱膨張係数と近くてもよい。硬い層１３０は好適な膜厚を有する。使用される特別の材料のために所望の剛性が得られるならば、硬い層１３０の膜厚は適切である。特に、デバイスのプロセス中の熱サイクル中に、硬い層１３０の、例えばクラックおよび／またはバックリングのような破壊を避けることができれば、硬い層１３０の膜厚は適切である。適切な膜厚は、例えば２μｍと１０μｍとの間、例えば５μｍである。硬い層は、例えばＣＶＤ（化学気相堆積）のような適当な方法で形成される。硬い層１３０は、無機誘電体材料から形成されても良い。硬い層１３０に適した特定のタイプの材料はＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４である。
【００７２】
続いて硬い層１３０は、例えば金属ピラー９１のような下の埋め込み構造と金属相互接続するようにパターニングする必要がある。一般的なパターニング技術は、２つの工程を必要とする。レジストリソグラフィと、それに続く、ウエット化学エッチングまたはドライ化学エッチングに基づく材料エッチングである。
【００７３】
図１４は、硬い層１３０の上に、どのようにレジスト層１４０を形成するかを示す。レジスト層１４０は、電気的相互接続構造を作製するのに適した膜厚を有する。レジスト層１４０は、例えばスピンコーティングにより硬い層１３０の表面全体に形成される。レジスト層１４０は、例えばノボラックのようなフォトレジストでも良い。
【００７４】
フォトレジスト層１４０は、例えばフォトリソグラフィやフォトエングレービングによりパターニングされて、硬い層１３０の上にパターニングされたコーティング１５０を形成する（図１５）。フォトリソグラフィやフォトエングレービング工程により、レジスト層１４０の中に孔が形成され、パターニングされたコーティング１５０が形成される。
【００７５】
レジストのパターニングの後、硬い層１３０の露出した部分を除去するために、材料のエッチングが行われる。これは図１６に示される。この後に、パターニングされたレジスト層１５０が除去されて、これにより図１７に示すような構造となる。
【００７６】
硬い層１３０が大きな面積に提供できることは、本発明の具体例にかかる第１のフローの長所である。
【００７７】
相互接続構造を完成させるために、第２の金属メッキが行われる。この金属プロセスは、例えばピラー９１のような埋め込み構造の作製のために上述したのと同じ工程を含む。即ち、シード層１８０の堆積、リソグラフィレジストプロセス（図示せず）、第２金属１８１の堆積のための金属電気メッキ、レジストストリップ（図示せず）、およびシード層１８１の露出部分のエッチングである。それらの工程は、図には詳しくは示されていない。この電気メッキされた第２金属１８１の典型的な膜厚は、硬い層１３０の膜厚（数ミクロン）と等しいか、これより大きい。この金属プロセスの後に、構造形成が終わり、図１８に模式的に示されたようになる。
【００７８】
本発明の具体例にかかる第２のプロセスフローは、金属の堆積までは、第１のフローと非常に似ている。このように、第１のプロセスフローのための、図１７に示された工程までで、この工程を含む工程は、第２のプロセスフローでも使用できる。相違点は、図１５に示すレジストのパターニング工程と、それに続く硬い層の材料１３０の除去工程が少し違って見えて、第２のプロセスフローの開始構造が例えば図１９のように見えることである。第２のプロセスフローでは、例えば電気メッキによる、構造全体の上への第２金属１９０の堆積が提案される。この具体例では、最初にシード層１９１が形成されても良く、金属メッキプロセスは、第２の金属１９０の堆積のために行われても良い（図２０）。この後に、第２のプロセスフローにより、第２金属層１９０に、例えばＣＭＰにより、硬い層１３０までの窪みが作られる。硬い層１３０の上のシード層１９１は、窪みの作製工程で除去され、硬い層１３０の上で停止する。これは、ダマシンプロセスに非常に似ている。これにより、例えば更なる構造の積み重ねが考えられた場合、いくつかの応用で好ましい平坦な構造の作製が可能になる。第２の金属層１９０のためのそのようなプロセスの後に、構造は図２１に模式的に示されたようになる。
【００７９】
硬い層１３０の堆積とパターニング後の、第２金属１９０を露出させるために使用される例えばグラインドのような窪み形成技術は、本発明の具体例にかかる第２プロセスの長所である。それゆえに、表面の平坦性は良好である。
【００８０】
本発明は、図面と先の説明で詳細に記載し説明されたが、そのような記載や説明は例証または例示であり、限定的ではない。先の説明は本発明の所定の具体例について詳細に述べたが、これに限定されるものではない。テキスト中の先の表示がいかに詳しくても、本発明は多くの方法で実施できる。本発明の所定の特徴や形態を説明する場合の、特定の文言の使用は、その文言が関係する本発明の長所や形態の特定の特徴を含むように、その用語が限定するようにここで再定義されることを暗示するものではない。
【００８１】
図面、説明および添付の請求項から、開示された具体例の変形が、当業者に理解され、行われる。請求項において、「含む（comprising）」の文言は他の要素や工程を排除するものではなく、不定冠詞の「ａ」または「ａｎ」は、複数を排除しない。単一の処理装置または他のユニットは、請求項で列挙される多くのアイテムの機能を満たしても良い。所定の方法が相互に異なる従属請求項で列挙されるという単なる事実は、それらの方法の組み合わせが有利に用いることができないことを意味するものではない。コンピュータプログラムは、共に提供された光記憶媒体または固体媒体のような、または他のハードウエアの一部のような好適な媒体に蓄積／分配されても良いが、インターネット経由や他のワイヤまたはワイヤレスの通信システムのような他の形態で分配されても良い。請求項の参照符号は、範囲の限定するものとして解釈すべきでない。
【図６】
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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】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【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７】
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【国際調査報告】
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