(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（２０）の内部に埋め込まれた導電材料（２７）に対する入力−出力構造であって、
前記基板の内部に埋め込まれた導電材料（２７）と、該導電材料の上面を露出する構造体（２１）の側壁及び前記導電材料の上面を覆う、バリア層（２２）と、
前記バリア層（２２）の側壁およびバリア層の底部をそれぞれ覆う、シード側壁およびシード底部を有する金属のシード層（２３）と、
前記金属のシード層のシード側壁およびシード底部を覆う第１の金属層であって、前記第１の金属層（２４）は陥凹部を有する、第１の金属層と、
前記第１の金属層（２４）を覆う貴金属の第２の金属層（２６）と、
前記第２の金属層に接合されるワイヤ又ははんだボールと、
を含み、
前記第１の金属層は前記シード層と前記第２の金属層との間で拡散バリア層として機能し、前記第２の金属層は入出力パッドとして機能する入力−出力構造。
【請求項２】
前記貴金属は金であることを含む、請求項１に記載の入力−出力構造。
【請求項３】
前記貴金属は、金、白金、およびパラジウムから構成されるグループから選択されることを含む、請求項１に記載の入力−出力構造。
【請求項４】
前記シード層は銅を含む、請求項１に記載の入力−出力構造。
【請求項５】
前記第１の金属層はニッケルを含む、請求項１に記載の入力−出力構造。
【請求項６】
前記貴金属は金、前記第１の金属層はニッケル、前記シード層は銅を含む、請求項１に記載の入力−出力構造。
【請求項７】
前記導電材料は銅を含む、請求項６に記載の入力−出力構造。
【請求項８】
前記バリア層は、タンタルおよび窒化タンタルを含み前記基板に接触する、請求項１に記載の入力−出力構造。
【請求項９】
前記ワイヤは金を含み、かつ前記貴金属は金である、請求項１に記載の入力−出力構造。
【請求項１０】
基板（２０）の内部に埋め込まれた導電材料（２７）に対する、請求項１に記載の入力−出力構造を形成する方法であって、
前記導電材料の上面を露出する構造体を形成する工程と、
前記基板の上表面、前記構造体の側壁及び前記導電材料の上面にバリア層（２２）を形成する工程と、
前記バリア層（２２）の表面を覆う金属のシード層（２３）を形成する工程と、
前記バリア層の底部及び側壁に前記シード層を残すように前記基板の上表面の前記バリア層上のシード層を選択的に除去する工程と、
前記シード層に陥凹部を有する第１の金属層（２４）を電気メッキする工程と、
第２の金属層（２６）が前記第１の金属層（２４）を覆うように、前記第２の金属層を電気メッキする工程と、
前記第２の金属層にワイヤまたははんだボールを接合する工程と、
を含む方法。
【請求項１１】
前記電気メッキする工程は、基板の上表面の前記バリア層に電流を流して行う、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記電気メッキする工程の後に、前記基板の上表面の前記バリア層を選択的に除去する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
シード層を形成する工程は、物理的気相堆積法あるいは化学的気相堆積法を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記シード層を選択的に除去する工程は、化学機械的研磨（CMP）を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
はんだボールを形成する工程は、メッキを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
はんだボールを形成する工程は、蒸着を含む、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体プロセスに関する、さらに具体的には集積回路（IC）チップの実装（packaging)において使用する、入力／出力（I/O）サイトに対する共通のボール制限金属（ball-limiting metallurgy）を形成するプロセスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス形成において、金属配線は、多くの場合多層構造において、特に形成プロセスの後段階（back end of the line：BEOL）で、絶縁層の中に埋め込まれる。金属配線を含む最終層（技術的には時々、終端ビアもしくはTV層と呼ばれる）は、しばしば遠後工程または遠BEOL（far back end of the line）と呼ばれるプロセスにおいて金属配線と接して金属パッドを有する。パッドと配線はともにチップから他のシステム構成部品への相互接続を提供する。ICチップの大半は、相互接続を形成するためにアルミニウム（Al）を用いるが、ごく最近では銅（Cu）を用いる。
【０００３】
相互接続の形成にAlでなくてCuを用いる利点のいくつかには、より高い導電率（低抵抗を有する）、より低い容量負荷、より低い消費電力、より少ないクロストーク、より少ない金属層およびより少ない製造段階の可能性がある。しかしながら、Cu使用の不利な点としては、Cuの薄膜堆積が難しいこと、下層に配置されるシリコンによるCuの汚染の可能性とそれによる性能低下、配線間でのCuのマイグレーションとそれによる電気的短絡リスクの増加、および基板およびCuパッドと配線の間で熱膨張の不一致が挙げられる。Cuの相互接続を十分活用するために、Cu相互接続の形成方法としては、銅を使用することによるこれらの不利な点を克服しなければならない。
【０００４】
用途に応じて、相互接続の別レベルのような各種の技術が、チップと他の構成部品間の接続を提供するために使用される。共通の接続は、ワイヤ・ボンド（ワイヤ接続）とはんだバンプを含む。
【０００５】
ワイヤ・ボンディングは、技術的によく知られかつ大半のICチップで使われているが、相互接続サイトの密度が制限されかつ、特にチップ機能テストの間、接合（bond)のサイトでチップへの機械的損傷の可能性がある。ワイヤ・ボンドの一般的な例を図２に示す。この従来技術例において、基板１２０は、埋め込み金属配線１１５を有する。金属配線は、アルミニウムあるいは銅であり得る。金属パッド１１４は、多くの場合アルミニウム（Al）から構成され、金属配線１１５を覆って形成され、絶縁膜１１０で支持される。一般に、アルミニウム・パッドは、アルミニウムの反応性によりに直ちに表面を覆って形成される酸化膜１１２を有する。ワイヤ１１８は、多くの場合、金（Au）であり、サーモソニック・ボンディングのような既知の技術を用いてパッドに接合される。金とアルミニウム間のワイヤ・ボンドの形成における問題点の一つには、金がアルミニウムにより合金を生成し、それにより接合の信頼性が低下することがある。
【０００６】
特にこれらCuメタライゼーションを使用する現状の集積回路に伴う別の問題点としては、用いられる低誘電率（low-k）の絶縁膜が、軟らかくかつ圧力による損傷を受けやすいことである。回路テストは、最上層の臨界導電ポイントに対してテスト・プローブのセットを押し当てることで実行される。表面の酸化膜は、テスト・プローブとパッド金属の間で良好なコンタクトを取るために（多くの場合、スクラビングといわれる技術によって）突き破られなければならない。それゆえ、軟らかい低誘電率の絶縁膜の場合において、チップは、潜在的に機械的損傷を受けやすい。従ってテスト・プローブに対して低接触抵抗を提供するために、スクラビングを必要としないＩ／Ｏパッドを形成することが望ましい。
【０００７】
はんだバンプ技術（技術的には、フリップ・チップ技術として知られる）は、潜在的に高密度および高性能であるが、リワークおよびテストに対してワイヤ・ボンディングに比べてより難易度が高くなる。はんだバンプ技術の例としては、Ｃ４（controlled-collapse chip connection）技術があり、はんだバンプがチップおよび相互接続基板の両方の上に準備され、チップと基板のはんだバンプの位置合わせを行い、次に接合するために、はんだをリフローすることによって接合が行われる。はんだバンプは、図１に示すようにボール制限金属（ball-limiting metallurgy：BLM）の上にはんだを堆積することによって形成される。金属構造体（feature)１５は、アルミニウムもしくは銅であり、基板１６の中に形成される。はんだが金属構造体１５への拡散するのを防ぐために金属の多層膜１０が金属構造体を被覆するキャップとして形成され、次に、はんだが初めはキャップを超えて酸化膜表面に広がりうる多層キャップ１０の最上部に形成される。ボール制限金属１０は、クロムを含む層１１、銅を含む層１２、および金を含む層１３のような金属の多層膜を用いて形成される。はんだボール１８は、パッドおよび基板１６の表面の一部を覆うマスクを介して蒸着のようなプロセスを用いて、はんだ（一般的なはんだは、９５パーセントの鉛と５パーセントの錫で構成される）を初めに堆積することによって形成される。フリップ・チップを相互接続基板に接着するために使われるはんだは、かなり高融点であるために、フリップ・チップを有するモジュールを引き続く実装で組み立てる時、別の低融点はんだをフリップ・チップはんだ接続の再溶融を起こさずに、流すことができる。次にはんだを加熱することにより、ボールに向けてリフローし、はんだボール１８が形成され、表面張力のためＢＬＭのサイズで制限される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述の議論において、性能を落とさずに銅メライゼーション技術を活用し、プロセス段階を減らし、および入出力（Ｉ／Ｏ）サイトの準備において自由度を増すことができるＩ／Ｏサイトを提供する必要がある。
【０００９】
本発明は、ワイヤ・ボンドとＣ４ウエハ両方の共通サイトとして使用できるボール制限金属（BLM）を形成するプロセスを提供することによって上述の必要性に対応することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属配線とＩ／Ｏパッドの間に拡散バリア層を提供し、かつ本発明によるＩ／Ｏサイトがその上に形成された基板の中に形成された構造体（feature）内部に、金属の第１の陥凹層（recesss）を提供することによって、金属配線の汚染の問題を解決する。
【００１１】
本発明は、Ｉ／Ｏサイトの上に貴金属の最上層を提供することにより、このことで酸化物層の存在を排除し、かつより少ないボンディング力しか要せず、および金ワイヤ・ボンディングの場合に、いかなる合金も形成されないので、プロービングおよび／もしくはワイヤ・ボンディングの力によって引き起こされるチップへの損傷の問題をさらに解決する。
【００１２】
本発明は、Ｉ／Ｏサイトを形成するために使用するプロセス段階数を減らすという利点を有し、さらにワイヤ・ボンドあるいはＢＬＭのいずれかに対しても共通サイトとなりうる適応性のあるサイトを提供し、それによりプロセス・コスト全体を下げることができる。本発明の１つの側面に基づくと、基板の中に形成された構造体（feature）においる入力−出力構造で、該基板は上表面を有し、該構造体は構造体側壁および構造体底部を有し、該構造体底部は電気的導電材料を覆って形成され、
a)構造体側壁および構造体底部を覆うバリア層で、当該バリア層はバリア底部およびバリア側壁を有し、
b)少なくとも前記バリア底部を覆うシード底部およびシード側壁を有する金属のシード層、
c)少なくとも前記シード底部を覆い、当該第１の金属層の上表面を前記基板の上表面より低くするために、その中に形成された陥凹部を有する第１の金属層、および
d)前記第１の金属層を覆う第２の金属層、
を前記入力−出力構造が有する。
【００１３】
本発明の別の側面に基づくと、入力−出力サイトは、基板の中に形成された構造体において形成され、該基板は上面を有し、該構造体は構造体側壁および構造体底部を有し、構造体底部は電気的導電材料を覆って形成され、
a)バリア層がバリア底部およびバリア側壁を有するように、基板、構造体側壁および構造体底部の上表面を被覆するバリア層を堆積し、
b)前記バリア層の表面を覆う金属のシード層を堆積し、
c)シード層が少なくとも前記バリア底部の上で前記シード層の一部になるようにシード層を減らすために、少なくとも上表面から前記シード層を選択的に除去し、
d)第１の金属層がその中に形成された陥凹部を有し、かつ前記第１の金属層の上表面が前記基板の上表面より低くなるように、前記シード層の前記一部を用いて、第１の金属層を電気メッキし、および
e)第２の金属層が前記第１の金属層を覆うように、前記第２の金属層を電気メッキする
段階を有する。
【００１４】
本発明の特色と考えられる新規な特徴は、特許請求の範囲に示されている。また一方、本発明自体は、その他の目的およびその利点と同様に、以下の関連する図とともに読むべき好ましい実施形態を示した詳細な説明を参照することによって、もっともよく理解できるであろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施形態についての以下の記述において、実装前の共通ボール制限金属（BLM）構造を形成するために、最終層構造の形成における段階を詳細に説明する。当然のことながら、これは一つの例を目的としたものであり、加えて本発明は、様様な基板および金属で実施することができる。図３に示したように、絶縁層２０は、その中に形成された構造体（feature）２１を金属パッドの所望の場所に有する。絶縁層２０は、少なくとも１つの絶縁材料から構成され、望ましくは窒化シリコン（ＳｉＮｘ）および二酸化シリコン(ＳｉＯ２)のような積層絶縁膜から構成される。構造体２１は、一般にはアルミニウム（Al）あるいは銅（Cu）のような金属で絶縁基板２５の中に形成された導電構造体２７を被覆して形成される。Ｃｕを用いて形成された導電構造体２７の場合、基板２５は、低誘電率（low-k）の絶縁体であることが好ましい。ライナー（裏地）材の層２２は、構造体２１の側壁および底部を含む基板２０の表面全体に堆積することができる。ライナー２２は、拡散バリアおよび接着促進材として機能する。加えて、本発明に基づき、ライナー２２は電気的に導電性である。Ｃｕがメッキされる場合、このライナー材は、タンタル（Ｔａ）と窒化タンタル（ＴａＮ）、好ましくは絶縁層２０および導電構造体２７の上表面に接したＴａＮとの組み合わせが好ましい。金属のシード層２３は、化学的気相堆積法（ＣＶＤ）、好ましくは物理的気相堆積法（ＰＶＤ）ような技術的に知られた堆積方法を用いて、ライナー／バリア層２２の表面を被覆して堆積される。シード層２３は、一般にたとえば約１０００オングストロームのオーダーで薄い。シード層は、ＴａＮ／Ｔａへ良好な付着を有するＣｕが好ましい。
【００１６】
次に、シード層２３は、すくなくともライナー２２の上表面から、好ましくは化学機械的研磨（ＣＭＰ）を用いて、少なくとも構造体２１の底部の上にシード層２３の一部を残し、かつ一般的には構造体２１の側壁にも残存するように選択的に除去され、その結果、図４に示す構造になる。図４に示す結果としてできたシード層２３は、バリア層２２の上表面と同一平面で、ぴったり重なるが、シード層２３は構造体２１の側壁から部分的に除去することができる。第１の電気メッキ層２４は、シード層２３を用いて形成され、バリア層２２に電流を印加すると、図５に示す構造になる。層２４が形成される前に、シード層２３の表面を洗浄しなければならない。これはブラシ洗浄、ウェット洗浄、あるいは技術的に知られた超音波付きのウェット洗浄のような技術的に知られた洗浄方法によって達成される。第１の電気メッキ層２４に適する材料には、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、はんだ、あるいはニッケル（Ｎｉ）が含まれる。導電構造体２７がＣｕの場合において、電気メッキ層２４に選択する材料は、好ましくはたとえばＮｉのような付加的な拡散バリアとしての役割を果たすものを選択する。メッキ工程の間、層２４は、シード層２３の上のみに凝集し、かつバリア層２２の上にはメッキされない。
【００１７】
第２の電気メッキ層２６は、第１の電気メッキ層２４を覆って形成され、共通Ｉ／Ｏサイトのためのパッドとしての機能を果たす。層２６は、好ましくはＡｕのような貴金属である。再度、電気メッキ工程の間、導電バリア層２２に電流が印加され、これは好ましくはＮｉ槽（bath）がリンスされた後でＮｉ層２４がまだぬれている間に実施される。層２６の厚みは、所望の用途によって替えることができ、図６に示す上表面２９の上まで延長できるが、同一平面でぴったり重なるあるいは上表面２９の下方でくぼませることもできる。層２４は、好ましくはＮｉであり、好ましくはＣｕのシード層２３と好ましくはＡｕの層２６の間でバリア層として機能する。本発明に基づく図６に示された構造は、たとえば、ワイヤボンドあるいはＣ４サイトに対しての共通Ｉ／Ｏサイトとしての使用に適し、その結果コスト削減および柔軟性につながる。ワイヤボンドおよびＣ４サイトに対する本発明の実施例を以下に記述する。
【００１８】
【実施例１】
(ワイヤボンド・パッド）ワイヤボンドＩ／Ｏサイトとしての用途に対する本発明の一つの実施形態は、図６の構造から始めて形成できる。バリア層２２は、図７に示すように、好ましくはＡｕのメッキ層２６で覆われていない上表面の部分から選択的に除去される。これは、技術的に知られた選択的な研磨方法あるいはＨＦ／硝酸のようなウェット・エッチングによって実施できる。
【００１９】
バリア層２２の選択的除去に続いて、スクラッチ保護層（図示せず）を任意に表面全体を覆って堆積できる。技術的に知られた一般的なスクラッチ保護層は、ポリイミドである。
【００２０】
ワイヤ３５は、好ましくはＡｕで図８に示すように、この時点でパッド層２６にボンディングすることができる。ワイヤ３５も、好ましくはＡｕで、サーモソニック・ボンディング、超音波ボンディング、蒸気圧縮式ボンディングのような技術的に知られた標準技術を用いて、パッド２６にボンディングされる。本発明に基づいて形成されるパッド層２６は、ワイヤ３５およびパッド２６は両方ともＡｕであり得るので、ボンディングを提供するために従来技術に比べ、弱い力で済む点で優位性がある。集積回路のテストの間、従来技術のアルミニウム・パッドは、アルミニウム表面に通常形成される酸化アルミニウム層をつき破るためにテスト・プロ−バがパッド表面をこすることができるように、十分大きな表面を必要とする。従来技術のアルミニウム・パッドと違って、本発明に基づいてＡｕから形成されたパッド２６は、金が貴金属のため酸化物のない表面を有する。テスト中にこする必要が無いので、本発明に基づいて形成されたワイヤボンド・パッド２６は、従来技術のパッドより小さくでき、その結果Ｉ／Ｏサイトの密度が増す。
【００２１】
【実施例２】
（メッキされたはんだを用いるＣ４サイト）図６の構造は、はんだバンプがメッキで形成されるＣ４サイトとしての用途に対して、本発明の一つの実施形態に対する開始構造としても使用できる。
【００２２】
この実施形態において、図９に示すように、第３の層４５が導電バリア層２２に電流を印加することによって層２６の上に電気メッキされる。この場合もやはり、バリア層２２は、好ましくはＴａとＴａＮの組み合わせである。層４５を形成するために使われる材料は、好ましくは９７％の鉛（Ｐｂ）と３％の錫（Ｓｎ）からなるはんだであるが、技術的に知られたその他多くの種類で好適なはんだが使用できる。
【００２３】
次に、導電バリア層２２は、図１０に示すように、はんだ層４５を残して、好ましくは技術的に知られたウェット・エッチング技術により選択的に除去される。
【００２４】
最後に、図１１に示すように、はんだは、Ｃ４はんだバンプ４５を形成するために技術的に知られた標準技術を用いて、リフローされる。
【００２５】
【実施例３】
（蒸着はんだを用いるＣ４サイト）本発明の代替実施形態として、Ｃ４はんだバンプは、図６のバリア層２２が選択的に除去された図７の構造から開始して形成され得る。マスク５２は、図１２に示すように基板表面を覆って取付具（fixture）に保持される。マスク材料は、はんだの蒸着に使える技術的に知られたいかなる好適な材料でもよいが、好ましくはモリブデン（Ｍｏ）である。はんだの蒸着は技術的によく知られ、いかなる好適なはんだも使うことができるが、好ましくは９７％のＰｂと３％のＳｎの混合物である。
【００２６】
蒸着後、図１３に示すように、マスク５２は、パッド層２６の上にＰｂとＳｎからなる蒸着された層５５を残して、取り外される。
【００２７】
次に、図１４に示すＣ４はんだバンプ５５を形成するために、はんだがリフローされる。  要約すれば、本発明に基づいて形成された共通ＢＬＭ構造により、Ｉ／Ｏパッドを形成するために貴金属を使用することで、プロセス段階を簡素化することによってコストを削減でき、より小さいパッド・サイズによってＩ／Ｏサイトの密度を増加することもできる。
【００２８】
本発明を具体的な実施形態の観点で記述したが、当業者にとって明らかなように、前述の説明に基づいて代替、修正や変形を様様加えることはもちろん可能である。従って、本発明は、発明の範囲および精神および特許請求の範囲に基づくものとして上記代替、修正および変形の全てを包含するものと考える。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のＩ／Ｏサイトのための共通ボール制限金属（BLM）は、集積回路（IC）チップの実装（packaging）に有用であり、特にＣｕ相互接続および軟らかい低誘電率材料を含むＩＣチップの実装に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｃ４サイトに対するＢＬＭの従来技術を示す。
【図２】ワイヤボンド・サイトの従来技術を示す。
【図３】実装前の形成された最終レベルで、本発明の開始時の構造で、バケツ形体、バリア層、およびシード層を有する絶縁基板が上に配置された導電層の上層レベルを示している。
【図４】図３に示された構造の上表面から、バケツ形体の中にシード層の一部を残して、シード層を除去した直後の構造を示す。
【図５】図４の構造の上に、第１の金属層を電気メッキした直後の構造を示す。
【図６】図５の構造の上に、第２の金属層を電気メッキした直後の構造を示す。
【図７】ワイヤボンド・サイトを形成するために、図６からバリア層を選択的に除去した直後の構造を示す。
【図８】図７のワイヤボンド・サイトへワイヤをボンディングした後の構造を示す。
【図９】図６の構造の上に、はんだメッキをした段階直後の構造を示す。
【図１０】図９の構造から、バリア層を選択的に除去した直後の構造を示す。
【図１１】図１０において、メッキはんだのリフロー直後のＣ４の構造を示す。
【図１２】図７の構造の上に、マスクを用いてはんだを蒸着させる段階を示す。
【図１３】図１２に示した、はんだの蒸着直後の構造を示す。
【図１４】図１３から蒸着されたはんだのリフロー直後のＣ４の構造を示す。
【符号の説明】
１０  多層膜（ボール制限金属）
１１  クロムを含む層
１２  銅を含む層
１３  金を含む層
１５  金属構造体
１６  基板
１８  はんだボール
１１０  絶縁膜
１１２  酸化膜
１１４  金属パッド
１１５  金属配線
１１８  配線
１２０  基板
２０  絶縁層
２１  構造体
２２  ライナー（バリア層）
２３  金属シード層
２４  第１の電気メッキ層
２５  絶縁基板
２６  第２の電気メッキ層（ワイヤボンド・パッド）
２７  導電層
２９  上表面
３５  ワイヤ
４５  はんだ層
５２  マスク
５５  はんだバンプ
【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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