JP2002353221A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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copper
wiring
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Junko Terashita
純子 寺下
Kiyoshi Higashihara
清 東原
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 銅配線を用いた半導体装置のワイヤーボンデ
ィング性向上を図り、信頼性の高い製品を提供するこ
と。 【解決手段】 本発明は、シリコン基板１上に形成され
る層間絶縁膜２と、層間絶縁膜２に形成される溝に第１
のバリアメタル３を介して埋め込まれる銅配線４と、銅
配線４の上方に形成される絶縁保護膜６の開口において
銅配線４と導通するアルミニウムパッド７と、アルミニ
ウムパッド７と銅配線４との導通領域より広く、隣接す
る銅配線と短絡しない大きさで、アルミニウムパッド７
と銅配線４との間に形成される第２のバリアメタル８と
を備える半導体装置である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、銅配線を用いた半
導体装置およびその製造方法であり、その銅配線と導通
するワイヤーボンディング用のアルミニウムパッドを備
えているものに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＬＳＩの微細化に伴い、配線に起
因するＬＳＩの遅延時間がデバイスによる遅延時間に比
べて相対的に大きくなってきている。また、配線幅の微
細化に伴って顕著になる配線抵抗の増大は、電源線の電
圧降下やクロック信号の遅延ばらつきを招き、誤動作の
原因となっている。
【０００３】また、配線に流れる電流密度も増加し、エ
レクトロマイグレーションによる断線等で信頼性への影
響も深刻となってきている。このことから、サブクォー
ターミクロン世代以降のデバイスにおいては、従来用い
られてきたアルミニウム系の配線に代わる材料が求めら
れている。
【０００４】上記のような要求において、銅は低抵抗
で、かつエレクトロマイグレーション耐性を有するた
め、サブクォーターミクロン世代以降の配線材料として
有望視されている。
【０００５】銅配線を実現する方法として代表的なもの
は、基板上の層間絶縁膜に溝を掘り、化学的研磨法（Ｃ
ＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）を用いて配線
を形成する溝配線法（ダマシン法：Damascene proces
s）が用いられている。
【０００６】溝配線法により銅配線を形成した後は、絶
縁保護膜を被着した後、コンタクト部分を開口する。図
４は、コンタクト部分を開口した状態を説明する模式断
面図である。この図に示す例では、シリコン基板１上の
層間絶縁膜２に溝を形成し、溝内のバリアメタル３を介
して銅配線４を埋め込んでいる。また、この層間絶縁膜
２および銅配線４上に絶縁保護膜６を形成し、銅配線４
上のコンタクト部分に開口を設けている。
【０００７】ここで、層間絶縁膜２としては例えばＳｉ
Ｏ2、バリアメタル３としては例えばＴａＮ、絶縁保護
膜６としては例えばＳｉＮを用いている。この溝配線法
では、溝形成後にＣＶＤ（化学気相成長法）、メッキ等
により銅を堆積した後、層間絶縁膜２をストッパーとし
てＣＭＰにより研磨し、配線領域（溝）以外の銅を除去
する。
【０００８】このため、配線として残った銅表面に凹凸
が発生し、露出部分にバリアメタルを形成することが困
難となる。したがって、絶縁保護膜６を形成してコンタ
クト部分を開口すると銅がむき出しとなる。銅は容易に
酸化するため、絶縁保護膜６を開口して銅表面が大気に
さらされると酸化銅が形成されてしまい、この状態でワ
イヤーボンディングを行うと酸化銅と金等のボンディン
グワイヤーとの密着性が悪く、接触不良を起こす原因と
なる。
【０００９】そこで、この問題を解決するために、例え
ば特開平１１−１３５５０６号公報では、図５に示すよ
うな半導体装置に開示されている。すなわち、この構造
では、絶縁保護膜６の開口後の銅配線４上にバリアメタ
ル３０およびアルミニウムパッド７を積層している。な
お、このバリアメタル３０は、銅配線４の銅がアルミニ
ウムパッド７へ拡散するのを防ぐために設けられてい
る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構造では、最上層の銅表面と絶縁保護膜との間に段
差があることから、絶縁保護膜開口部の側面にはバリア
メタルが付きにくく、開口部端部でのバリア性が悪くな
る。このため、開口端部より銅がアルミニウムパッドへ
拡散してしまい、ボンディング性を悪化させるという問
題が生じる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題を解決するために成されたものである。すなわち、本
発明は、基板上に形成される層間絶縁膜と、層間絶縁膜
に形成される溝に第１バリアメタルを介して埋め込まれ
る銅配線と、銅配線の上方に形成される絶縁保護膜の開
口において銅配線と導通するアルミニウムパッドと、ア
ルミニウムパッドと銅配線との導通領域より広く、隣接
する銅配線と短絡しない大きさで、アルミニウムパッド
と銅配線との間に形成される第２バリアメタルとを備え
る半導体装置である。
【００１２】また、本発明は、基板上に層間絶縁膜を形
成し、その層間絶縁膜に溝を形成する工程と、溝の内面
に第１バリアメタルを形成し、その第１バリアメタルを
介して溝に銅配線を埋め込む工程と、銅配線と導通する
アルミニウムパッドとの導通領域より広く、隣接する銅
配線と短絡しない大きさで、銅配線上に第２バリアメタ
ルを形成する工程と、第２バリアメタルの内側領域を開
口して絶縁保護膜を形成し、その開口の第２バリアメタ
ルを介してアルミニウムパッドを形成する工程とを備え
る半導体装置の製造方法でもある。
【００１３】このような本発明では、銅配線とアルミニ
ウムパッドとの間にある第２バリアメタルが、銅配線と
アルミニウムパッドとの導通領域より広く、隣接する銅
配線と短絡しない大きさで形成されていることから、銅
の拡散を第２バリアメタルで有効に阻止することがで
き、アルミニウムパッドへの銅拡散を防止してボンディ
ング性を向上できるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る半導体装
置を説明する概略断面図である。すなわち、本実施形態
の半導体装置は、例えばシリコン基板１上に形成される
層間絶縁膜２と、層間絶縁膜２に形成される溝に第１の
バリアメタル３を介して埋め込まれる銅配線４と、この
銅配線４と導通するアルミニウムパッド７とを備えるも
ので、特に、アルミニウムパッド７と銅配線４との導通
領域より広く、しかも隣接する銅配線（図示せず）と短
絡しない大きさで、アルミニウムパッド７と銅配線４と
の間に形成される第２のバリアメタル８を備える点に特
徴がある。
【００１５】このように、バリアメタル８が形成されて
いることにより、銅配線４の銅が上方のアルミニウムパ
ッド７側へ拡散するのを有効に防止でき、アルミニウム
パッド７へのワイヤーボンディングを確実に行うことが
できるようになる。
【００１６】また、本実施形態の半導体装置では、絶縁
保護膜６の開口より銅配線４の幅を狭くしているととも
に、バリアメタル８の幅を銅配線４の幅よりも長く（例
えば、両端で各々１０〜２０μｍ程度長く）設けてい
る。これにより、銅配線４からアルミニウムパッド７へ
の銅の拡散を確実に防止できるようになる。
【００１７】次に、この半導体装置の製造方法を図２〜
図３の模式断面図に基づき説明する。先ず、図２（ａ）
に示すように、シリコン基板１上に層間絶縁膜２を積層
し、ダマシン法によって溝を形成した状態で、溝内面に
バリアメタル３を介して銅配線４を埋め込む。なお、実
際にはシリコン基板１上にＭＯＳトランジスタ、バイポ
ーラトランジスタ等のデバイスが作り込まれているが、
図面では省略してある。
【００１８】シリコン基板１上の層間絶縁膜２として
は、例えばＣＶＤ法により形成するＳｉＯ2を用いる。
また、このＳｉＯ2に対してフォトリソグラフィ工程お
よびドライエッチング工程を用いて銅配線４を埋め込む
ための溝を形成する。
【００１９】溝を形成した後は、銅の拡散防止と密着性
向上のために例えばＴａＮから成るバリアメタル３を溝
内面を含む全面に形成し、その上に銅を例えばメッキ法
によって全面被着する。そして、ＣＭＰ法により配線領
域（溝）以外のＴａＮおよび銅を除去する。これによ
り、溝内にバリアメタル３を介して銅配線４が埋め込ま
れる。
【００２０】次いで、図２（ｂ）に示すように、銅配線
４および層間絶縁膜２上にバリアメタル８を形成し、所
定の大きさにパターニングする。このパターニングで
は、銅配線４と、その上方に形成するアルミニウムパッ
ド７（図１参照）との導通領域より大きく、隣接する銅
配線と短絡しない程度の大きさのバリアメタル８を形成
する。
【００２１】バリアメタル８を形成するには、先ず全面
に例えばＴａＮをスパッタ法により形成し、銅配線４の
両端から外側に各々１０〜２０μｍ残してエッチングす
る。
【００２２】次に、図３（ａ）に示すように、バリアメ
タル８上に絶縁保護膜６を形成し、バリアメタル８より
わずかに内側の領域に開口を形成する。ここで、絶縁保
護膜６としては例えばＳｉＮを用い、ＣＶＤ法によって
被着する。また、フォトリソグラフィ工程およびドライ
エッチング工程によって溝絶縁保護膜６に開口を形成す
る。この際、バリアメタル８をエッチングストッパーと
して利用する。
【００２３】その後、図３（ｂ）に示すように、絶縁保
護膜６の開口部へアルミニウムパッド７を形成する。こ
の開口部へのアルミニウムパッド７の形成では、開口部
の形成時にバリアメタル８をエッチングストッパーとし
て利用したことによって平坦に露出した部分にアルミニ
ウムパッド７を積層でき、密着性を高めることが可能と
なる。
【００２４】このような工程によって、銅配線４の銅が
拡散するのをバリアメタル８で有効に阻止でき、アルミ
ニウムパッド７へのボンディングワイヤー接続を確実に
行うことができるようになる。
【００２５】なお、上記説明した実施形態では、シリコ
ン基板１を用いる例を示したが、本発明はこれに限定さ
れず、他の材料を用いた基板であっても適用可能であ
る。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような効果がある。すなわち、銅配線を用いた半導体
装置のボンディングパッドとしてアルミニウムパッドを
用いる場合、バリアメタルによって銅配線の銅がアルミ
ニウムパッドへ拡散するのを有効に防止でき、アルミニ
ウムパッドへのワイヤーボンディングを確実に行うこと
ができ、信頼性の高い半導体装置を歩留まり良く製造す
ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の半導体装置を説明する模式断面図
である。
【図２】半導体装置の製造方法を説明する模式断面図
（その１）である。
【図３】半導体装置の製造方法を説明する模式断面図
（その２）である。
【図４】従来例を説明する模式断面図（その１）であ
る。
【図５】従来例を説明する模式断面図（その２）であ
る。
【符号の説明】
１…シリコン基板、２…層間絶縁膜、３…バリアメタ
ル、４…銅配線、６…絶縁保護膜、７…アルミニウムパ
ッド、８…バリアメタル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F033 HH08 JJ00 JJ08 KK11 KK32 MM01 MM05 MM12 MM13 PP15 RR06 SS15 VV07 XX28 5F044 EE04 EE21

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に形成される層間絶縁膜と、 前記層間絶縁膜に形成される溝に第１バリアメタルを介
    して埋め込まれる銅配線と、 前記銅配線の上方に形成される絶縁保護膜の開口におい
    て前記銅配線と導通するアルミニウムパッドと、 前記アルミニウムパッドと前記銅配線との導通領域より
    広く、隣接する銅配線と短絡しない大きさで、前記アル
    ミニウムパッドと前記銅配線との間に形成される第２バ
    リアメタルとを備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記銅配線の幅は、前記絶縁保護膜の開
    口の幅より狭くなっていることを特徴とする請求項１記
    載の半導体装置。
  3. 【請求項３】 基板上に層間絶縁膜を形成し、その層間
    絶縁膜に溝を形成する工程と、 前記溝の内面に第１バリアメタルを形成し、その第１バ
    リアメタルを介して前記溝に銅配線を埋め込む工程と、 前記銅配線と導通するアルミニウムパッドとの導通領域
    より広く、隣接する銅配線と短絡しない大きさで、前記
    銅配線上に第２バリアメタルを形成する工程と、 前記第２バリアメタルの内側領域を開口して絶縁保護膜
    を形成し、その開口の第２バリアメタルを介して前記ア
    ルミニウムパッドを形成する工程とを備えることを特徴
    とする半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記銅配線の幅を、前記絶縁保護膜の開
    口の幅より狭く形成することを特徴とする請求項３記載
    の半導体装置の製造方法。
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