JP2007208181A - 金属配線の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属配線同士が短絡することがない、信頼性の高い複数層の金属配線の形成方法を提供すること。
【解決手段】第一層目の金属配線７の側壁が露出するように最初に使用したレジストマスク６を再度露光、現像してパターニングしてレジストマスク６ａを形成し、第一層目の金属配線７の外側に空間１２を形成する。この後、第二層目の金属配線８を第一層目の金属配線７の表面と側壁に形成する。金属配線間にレジストマスク６ａが形成されているので、金属配線間に第二層目の金属配線の形成時に発生する析出物が形成されないので金属配線同士の短絡が防止され、高信頼性の金属配線が形成できる。
【選択図】 図６

Description

この発明は、シリコン基板等の半導体基板上にメッキ法により金属配線を形成する方法に関する。

近年、半導体基板に形成したデバイスにおける抵抗値は、より低いものが要求されているが、デバイス全体の抵抗値における金属配線の抵抗値の割合は８割近くにもなっており、半道体基板に形成するデバイスの工夫だけではデバイス全体の抵抗値を劇的に下げることは困難になってきている。そのために金属配線に用いられる材料の見直しなどが行なわれている。

その中の一つとして、従来の金属配線を形成した後に、低抵抗値の金属を電解メッキ法により厚膜で形成し、下層の金属配線と接続させることで、金属配線の低抵抗化を行なう方法がある。

低抵抗化を行なうためには、形成する金属配線の比抵抗が低い金属でなるべく厚い配線を形成する必要がある。

そのために、一般的には銅を電解メッキ法により形成することが広く行なわれている。

また、一般的な半導体装置の組み立てでは、半導体装置の電極パッドと、パッケージ側のリードフレームの間を金ワイヤーにて接続することが多いため、金属配線の最表面は、金ワイヤーとの接続が容易で信頼性の高い金（Ａｕ）にする必要がある。そのため所望の金属配線を銅の電解メッキにより形成した後に引き続き金を形成する。

図１０〜図１７は、従来の金属配線の形成方法を示す工程図であり、工程順に示した要部工程断面図である。

半導体基板１（シリコンウェハ）の表面に、図示されていないデバイスが形成され。その最表面に、パッシベーション膜３が形成され、図示しないデバイス電極（例えば、ゲートパッドやエミッタ電極パッド）と接続する金属配線２、例えばアルミニウム（Ａｌ）−シリコン（Ｓｉ）−銅（Ｃｕ）が露出する状態で形成されている（図１０）。

つぎに、金属配線２上にメッキにより形成される第一層目の金属配線７である銅の拡散を防止するために、バリア層４、例えば、チタン（Ｔｉ）を約１５０ｎｍ程度スパッタ法により成膜する。その後に、銅の電解メッキを行なうためのシード層５、例えば、銅を約６００ｎｍ程度スパッタ法により成膜する（図１１）。

つぎに、第一層目の金属配線７を銅による配線で行なうためのレジストマスク６の形成をフォトリソグラフィ工程により行なう（図１２）。

このときのレジストマスク６の膜厚は電解メッキによる銅配線の膜厚の約２割程度厚めにする。これは、電解メッキ時における銅のメッキ厚のばらつきを考慮したもので、ばらつきの大きさに応じて銅メッキ膜厚よりも厚く設定する。銅メッキ膜厚がこのレジストマスク６の膜厚を超えると、レジストマスク６を壁にして垂直に成長してきた銅が、レジストマスク６の膜厚を超えたところから水平方向へも成長してしまい、隣接する配線とショートすることを避けるためである。

つぎに、シード層５上に低抵抗な第一層目の金属配線７、例えば銅を約５μｍ程度の膜厚で成膜する（図１３）。

つぎに、第一層目の金属配線７である銅の腐食を防止するために第二層目の金属配線８を形成する。第二層目の金属配線８は第一層目の金属配線７の銅側に形成するニッケル９とこのニッケル９上に形成する金１０で構成される。この第二層目の金属配線８を無電解メッキ法、もしくは電界メッキ法にて形成する。

第二層目の金属配線８のニッケル９を形成することで、第一層目の金属配線７の銅と第ニ層目の金属配線８の金１０を強固に固着できる（図１４）。

つぎに、レジストマスク６を酸素プラズマもしくは専用の剥離液等にて除去する（図１５）。

つぎに、シード層５をエッチング液にてウェットエッチングもしくはドライエッチングにて除去する（図１６）。

つぎに、バリア層４をエッチング液にてウェットエッチングもしくはドライエッチングにて除去する（図１７）。

このようにして形成された銅と金の積層金属配線は、その製造方法から、最表面には金があるものの、側壁に対しては銅が露出したままであり。銅は比較的腐食性が高い金属であることから、半導体装置に求められる高温多湿下での信頼性が低下する。また、銅が露出しているとマイグレーションなどの不良が発生しやすい。

そこで、銅の電解メッキ後に、マスクとなっていたレジストや、電解メッキのために形成していたシード層などを除去した後に、銅配線部にしかメッキが形成されない無電解メッキ法により金を銅配線の上部や側壁の全体に形成させ、銅を露出しない構造にするなどの対策がとられている。その方法をつぎに説明する。

図１８〜図２５は、別の従来の金属配線の形成方法を示す工程図であり、工程順に示した要部工程断面図である。

半導体基板１（シリコンウェハ）の表面に、図示されていないデバイスが形成され。その最表面に、パッシベーション膜３が形成され、デバイスの電極の部と接続する金属配線２、例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕが露出する状態で形成されている（図１８）。
つぎに、金属配線２上にメッキにより形成される第一層目の金属配線７である銅の拡散を防止するために、バリア層４、例えば、Ｔｉを約１５０ｎｍ程度スパッタ法により成膜する。その後に、銅の電解メッキを行なうためのシード層５、例えば、銅を約６００ｎｍ程度スパッタ法により成膜する（図１９）。

つぎに、第一層目の金属配線７を銅による配線で行なうためのレジストマスク６の形成をフォトリソグラフィ工程により行なう（図２０）。

つぎに、シート層５上に低抵抗な第一層目の金属配線７、例えばＣｕ、を約５μｍ程度成膜する（図２１）。

つぎに、レジストマスク６を酸素プラズマもしくは専用の剥離液等にて除去する（図２２）。

つぎに、シード層５をエッチング液にてウェットエッチングもしくはドライエッチングにて除去する（図２３）。

つぎに、バリア層４をエッチング液にてウェットエッチングもしくはドライエッチングにて除去する（図２４）。

つぎに、第一層目の金属電極７である銅の腐食を防止するために第二層目の金属配線８を形成する。第二層目の金属配線８は第一層目の金属配線７の銅側に形成するニッケル９とこのニッケル９上に形成する金１０で構成される。この第二層目の金属配線８を無電解メッキ法にて形成する（図２５）。

また、特許文献１および特許文献２には、電子部品の電極を半田接合パッドに強固に接続するための方法が記載され、電解銅めっき層の側面に電解ニッケルめっき層と電解金めっき層を形成するために２回の新規のレジストマスクを使用することが記載されている。

また、特許文献３には、ベアチップの保護膜上に電極端子に接続する配線パターンの形成方法が記載されている。これは図１８〜図２５の方法と類似の方法である。
特開２００４−１４０１９０号公報 特開２００４−１６５５７８号公報 特開２０００−１５０５１８号公報

図１８〜図２５に示す従来の金属配線の形成方法では、最後に行なう金の無電解メッキ時に、配線部以外のメッキの不要な個所（ここでは隣接する配線の間の隙間）へも金が析出することが少なくなく、図２６に示すように、この析出物１１で第二層目の金属配線８同士がショートしてしまうことがあるという問題があった。

尚、この不要な個所への金の析出は、下地膜の種類、メッキ液の状態、配線の間隔、アスペクト比などに依存する。

この発明の目的は、前記の課題を解決して、金属配線同士が短絡することがない、信頼性の高い複数層の金属配線の形成方法を提供することにある。

前記の目的を達成するために、半導体基板上に複数の金属配線を積層して形成した金属配線の形成方法において、レジストマスクを用いて前記半導体基板上に第一層目の金属配線を形成する工程と、該レジストマスクの開口部を広げて、前記第一層目の金属配線の側壁を露出させる工程と、前記開口部が広げられた前記レジストマスクを用いて前記第一層目の金属配線の表面および側壁に第ニ層目の金属配線を形成する工程を有する形成方法とする。

また、前記第一層目の金属配線の材質が銅であるとよい。

また、前記半導体基板と前記第一層目の金属配線の間の前記半導体基板表面に選択的に金属膜が形成され、該金属膜上にバリア層が形成され、該バリア層上にシード層が形成され、該シード層上に前記第一層目の金属配線の少なくとも一部が形成されるとよい。

また、前記金属膜の材質がアルミニウム、アルミシリコンもしくはアルミシリコン銅のいずれかであり、前記バリア層の材質がチッ化チタンであり、前記シード層の材質が銅であるとよい。

また、前記第ニ層目の金属配線の材質がニッケルおよび金が積層した金属膜であり、前記銅上に前記ニッケル側が配置され、前記金が露出面であるとよい。

また、前記第一層目の金属配線および前記第ニ層目の金属配線がメッキ法を用いて形成されるとよい。
（作用）
この発明では、第一層目の金属配線である銅配線を電解メッキ法により形成するために形成したレジストマスクを、銅配線のメッキ後に、再度露光、現像することにより、銅配線の側壁を露出し、銅配線間にレジストを残したレジストマスクを形成し、このレジストマスクを用いて銅配線の表面と側壁に第二層目の金属配線である金を無電解メッキ法により形成することで、配線間への金の析出を防止する。

この発明によれば、半導体基板上へレジストマスクを用いて形成された金属配線に対して、このレジストマスクを再度露光、現像することで、金属配線の側壁が露出し配線間にレジストが残ったレジストマスクを形成し、この再度形成したレジストマスクを用いることにより、第一層目の金属配線の表面や側壁に第二層目の金属配線を無電解メッキ法により形成することができて、異常な析出も防止できて、隣接する第二層目の金属配線同士の短絡を防止することができる。

発明の実施の形態を以下の実施例で説明する。

図１から図９は、この発明の第１実施例で金属配線の形成方法を示す工程図であり、工程順に示した要部工程断面図である。尚、図１０から図２５と同一の部位には同一の符号を付した。

半導体基板１（シリコンウェハ）の表面に、図示されていないデバイスが形成され。その最表面に、パッシベーション膜３が形成され、図示しないデバイス電極（例えば、ゲートパッドやエミッタ電極パッド）などと接続する金属配線２、例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕが露出する状態で形成されている。この金属配線２は半導体基板１と接するように形成される個所と絶縁膜上に形成される個所がある。図では絶縁膜が省略されている（図１）。

つぎに、金属配線２上にメッキにより形成される第一層目の金属配線７である銅の拡散を防止するために、バリア層４、例えば、チタンを約１５０ｎｍ程度スパッタ法により成膜する。その後に、銅の電解メッキを行なうためのシード層５、例えば、銅を約６００ｎｍ程度スパッタ法により成膜する（図２）。

つぎに、第一層目の金属配線７を銅配線で行なうために、レジストマスク６の形成をフォトリソグラフィ工程により行なう。このレジストマスク６はポジ型であり、シード層５表面に５００ｒｐｍ〜１０００ｒｐｍの回転数で９００ｃｐ程度の粘度のレジスト液を回転塗布した後、１１０℃程度でレジスト液をプレベークし、２０μｍ程度の厚さのレジスト膜とする。その後、露光、現像してレジストマスク６とする。このレジストマスク６を用いてレジストマスク６ａを形成するため、レジストマスク６の形成に当たってはポストベークは行わない（図３）。

前記したように、このときのレジストマスク６の膜厚は電解メッキによる銅配線の膜厚の約２割程度厚めにする。これは、電解メッキ時である銅のメッキ厚のばらつきを考慮したもので、ばらつきの大きさに応じて銅メッキ膜厚よりも厚く設定する。銅メッキ膜厚がこのレジストマスク６の膜厚を超えると、レジストマスク６を壁にして垂直に成長してきた銅が、レジストマスク６の膜厚を超えたところから水平方向へも成長してしまい、隣接する配線とショートすることを避けるためである。

つぎに、シート層５上に低抵抗な第一層目の金属配線７、例えば、銅を約５μｍ程度成膜する（図４）。

つぎに、第一層目の金属配線７の側壁が露出するように最初に使用したレジストマスク６を再度露光、現像してパターニングしてレジストマスク６ａを形成し、第一層目の金属配線７の外側に空間１２を形成する。このレジストマスク６ａの形成に当たってはポストベークしても構わない。（図５）。

つぎに、第一層目の金属電極７である銅の腐食を防止するために第二層目の金属配線８を形成する。第二層目の金属配線８は第一層目の金属配線７の銅側に形成するニッケル９とこのニッケル９上に形成する金１０で構成される。この第二層目の金属配線８を無電解メッキ法もしくは電界メッキ法にて形成する。

第二層目の金属配線８のニッケル９を形成することで、第一層目の金属配線７の銅と第ニ層目の金属配線８の金１０を強固に固着できるためである（図６）。

つぎに、レジストマスク６を酸素プラズマもしくは専用の剥離液等にて除去する（図７）。

つぎに、シード層５をエッチング液にてウェットエッチングもしくはドライエッチングにて除去する（図８）。

つぎに、バリア層４をエッチング液にてウェットエッチングもしくはドライエッチングにて除去する（図９）。

このように、半導体基板１上へレジストマスク６を用いて第一層目の金属配線７を形成し、このレジストマスク６をフォトリソグラフィ工程で、再度レジストマスク６aを形成し、このレジストマスク６ａを用いることにより、第一層目の金属配線７の表面ばかりでなく側壁にも第二層目の金属配線8を無電解メッキ法により形成することができる。

隣接する第二層目の金属配線８同士の間がレジストマスク６ａ（金属配線の間に形成されるレジストマスクのこと）で分離されているので、隣接する第二層目の金属配線８同士の間に異常な析出が起こることが防止され、隣接する第二層目の金属配線８同士の短絡を防止することができる。

尚、この実施例ではデバイス電極と接続する金属配線２の表面に第一層目の金属配線７を形成し、金属配線としては三層構造（下地の金属配線２（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）、第一層目の金属配線７（銅）、第二層目の金属配線８（ニッケル、金））となっている場合について説明したが、図示しないデバイス電極に直接第一層目の金属配線７を接続し、その上に第二層目の金属配線８を形成しても構わない。この場合は第一層目の金属配線７の下には金属配線２は存在しないで金属配線としては二層構造となる。

この発明の第１実施例で金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図１に続く、この発明の第１実施例で金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図２に続く、この発明の第１実施例で金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図３に続く、この発明の第１実施例で金属配線の形成方法を示す要部工程 図４に続く、この発明の第１実施例で金属配線の形成方法を示す要部工程 図５に続く、この発明の第１実施例で金属配線の形成方法を示す要部工程 図６に続く、この発明の第１実施例で金属配線の形成方法を示す要部工程 図７に続く、この発明の第１実施例で金属配線の形成方法を示す要部工程 図８に続く、この発明の第１実施例で金属配線の形成方法を示す要部工程 従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図１０に続く、従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図１１に続く、従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図１２に続く、従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図１３に続く、従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図１４に続く、従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図１５に続く、従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図１６に続く、従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 別の従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図１８に続く、別の従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図１９に続く、別の従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図２０に続く、別の従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図２１に続く、別の従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図２２に続く、別の従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図２３に続く、別の従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 図２４に続く、別の従来の金属配線の形成方法を示す要部工程断面図 金属配線間に析出物が形成された図

符号の説明

１ 半導体基板
２ 金属配線
３ パッシべーション膜
４ バリア層
５ シード層
６、６ａ レジストマスク
７ 第一層目の金属配線
８ 第二層目の金属配線
９ ニッケル
１０ 金
１１ 析出物
１２ 空間

Claims (6)

1. 半導体基板上に複数の金属配線を積層して形成した金属配線の形成方法において、レジストマスクを用いて前記半導体基板上に第一層目の金属配線を形成する工程と、該レジストマスクの開口部を広げて、前記第一層目の金属配線の側壁を露出させる工程と、前記開口部が広げられた前記レジストマスクを用いて前記第一層目の金属配線の表面および側壁に第ニ層目の金属配線を形成する工程を有することを特徴とする金属配線の形成方法。
2. 前記第一層目の金属配線の材質が銅であることを特徴とする請求項１に記載の金属配線の形成方法。
3. 前記半導体基板と前記第一層目の金属配線の間の前記半導体基板表面に選択的に金属膜が形成され、該金属膜上にバリア層が形成され、該バリア層上にシード層が形成され、該シード層上に前記第一層目の金属配線の少なくとも一部が形成されることを特徴とする請求項２に記載の金属配線の形成方法。
4. 前記金属膜の材質がアルミニウム、アルミシリコンもしくはアルミシリコン銅のいずれかであり、前記バリア層の材質がチッ化チタンであり、前記シード層の材質が銅であることを特徴とする請求項３に記載の金属配線の形成方法。
5. 前記第ニ層目の金属配線の材質がニッケルおよび金が積層した金属膜であり、前記銅上に前記ニッケル側が配置され、前記金が露出面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属配線の形成方法。
6. 前記第一層目の金属配線および前記第２の金属配線がメッキ法を用いて形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属膜配線の形成方法。

Images