JP2013128145A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】銅配線間の短絡を防止することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】第3層間膜17およびこの第3層間膜17上に突出するCu配線24は、被覆層31によって被覆されている。そして、Cu配線24と被覆層31との間には、Cuの拡散を防止するバリア性を有する金属材料からなる表面バリア膜29が介在されている。これにより、Cu配線24から被覆層31へのCuの拡散を防止することができる。そのため、第3層間膜17上に形成された複数のCu配線24間における短絡を防止することができる。
【選択図】図2
【解決手段】第3層間膜17およびこの第3層間膜17上に突出するCu配線24は、被覆層31によって被覆されている。そして、Cu配線24と被覆層31との間には、Cuの拡散を防止するバリア性を有する金属材料からなる表面バリア膜29が介在されている。これにより、Cu配線24から被覆層31へのCuの拡散を防止することができる。そのため、第3層間膜17上に形成された複数のCu配線24間における短絡を防止することができる。
【選択図】図2
Description
本発明は、半導体装置に関する。
ICチップなどの半導体装置では、たとえば、その最表面がSiO2(酸化シリコン)またはSiN(窒化シリコン)からなるパッシベーション膜により覆われており、このパッシベーション膜からボンディングパッドが露出して設けられている。すなわち、パッシベーション膜下には、機能素子などと電気的に接続された配線が配設されており、パッシベーション膜に形成された開口から、最上層の配線の一部がボンディングパッドとして露出している。ボンディングパッドは、半導体装置と配線基板などの外部装置との電気接続のための外部接続端子であり、このボンディングパッドには、金細線などのボンディングワイヤが接続される。
ところで、最近では、半導体装置の高集積化および微細化に伴い、ボンディングパッドの電気抵抗を低減するため、ボンディングパッドの材料として、従来から用いられてきたAl(アルミニウム)に代えて、より導電性の高いCu(銅)を適用することが検討されている(たとえば、特許文献1および2参照)。
しかし、Cuは、Alに比べて拡散性が高い。このため、ボンディングパッド(最上層の配線)の材料としてCuを用いると、パッシベーション膜中にCuが拡散し、最上層の配線間の短絡を生じるおそれがある。
そこで、本発明の目的は、銅配線間の短絡を防止することができる、半導体装置を提供することである。
そこで、本発明の目的は、銅配線間の短絡を防止することができる、半導体装置を提供することである。
前記の目的を達成するための請求項1記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたAl配線層と、前記Al配線層上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に突出して形成され、ビアホールを介して前記Al配線層と接続され、前記Al配線層よりも厚い外部接続用の銅配線と、前記絶縁膜および前記銅配線を被覆し、前記銅配線を部分的に露出させる開口が形成された被覆層と、前記銅配線の上面および側面を覆い、銅の拡散を防止するバリア性を有する金属材料からなるバリア膜とを含む、半導体装置である。
この構成によれば、絶縁膜およびこの絶縁膜上に突出する銅配線は、被覆層によって被覆されている。そして、銅配線と被覆層との間には、銅の拡散を防止するバリア性を有する金属材料からなるバリア膜が介在されている。これにより、銅配線から被覆層への銅の拡散を防止することができる。そのため、絶縁膜上に複数の銅配線が形成される場合に、それらの銅配線間の短絡を防止することができる。
請求項2に記載のように、前記被覆層は、銅(銅イオン)を捕獲する性質を有する材料からなることが好ましい。
この場合、銅配線から拡散しようとする銅を被覆層で捕獲することができ、被覆層中における銅の拡散を防止することができる。
なお、絶縁膜と被覆層との間に線膨張率差がある場合、熱膨張/収縮により絶縁膜と被覆層との間に剥離が生じ、それらの間に銅の拡散経路(リークパス)が形成されるおそれがある。
この場合、銅配線から拡散しようとする銅を被覆層で捕獲することができ、被覆層中における銅の拡散を防止することができる。
なお、絶縁膜と被覆層との間に線膨張率差がある場合、熱膨張/収縮により絶縁膜と被覆層との間に剥離が生じ、それらの間に銅の拡散経路(リークパス)が形成されるおそれがある。
そのため、絶縁膜と被覆層との間に線膨張率差がある場合には、請求項3に記載のように、前記半導体装置は、前記絶縁膜の表面に被着され、前記被覆層と同一材料からなる被着膜をさらに含むことが好ましい。絶縁膜の表面に被覆層と同一材料からなる被着膜を被着させることにより、絶縁膜と被覆層との密着性を向上させることができる。そのため、絶縁膜と被覆層との間に銅の拡散経路が形成されるのを防止することができ、銅配線からの銅の拡散を一層防止することができる。
また、請求項4に記載のように、前記半導体装置は、前記銅配線の前記被覆層の前記開口に臨む部分上に形成され、銅の拡散を防止するバリア性を有する金属材料からなるパッドバリア膜と、前記パッドバリア膜上に形成され、前記銅配線との電気接続のために用いられるボンディングワイヤと同一材料からなるワイヤ接着膜とをさらに含むことが好ましい。
この場合、被覆層に形成された開口を介して、その開口内に配置されるワイヤ接着膜にボンディングワイヤを接続することにより、ボンディングワイヤと銅配線 との電気的な接続を達成することができる。そして、ワイヤ接着膜がボンディングワイヤと同一材料からなるので、ワイヤ接着膜とボンディングワイヤとの良好な密着性を発揮することができる。また、銅配線の開口に臨む部分上にパッドバリア膜が形成されているので、その銅配線の開口に臨む部分からの銅の拡散を防止することができる。さらには、銅配線の開口に臨む部分の腐食を防止することもできる。
請求項5記載の発明は、前記バリア膜は、前記ビアホールの内面を被覆している、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置である。
請求項6記載の発明は、前記バリア膜は、前記被覆層の前記開口の直下の位置から離れた位置に形成されている、請求項4に記載の半導体装置である。
請求項7記載の発明は、前記ビアホールは複数形成されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置である。
請求項6記載の発明は、前記バリア膜は、前記被覆層の前記開口の直下の位置から離れた位置に形成されている、請求項4に記載の半導体装置である。
請求項7記載の発明は、前記ビアホールは複数形成されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置である。
請求項8記載の発明は、前記被着膜は、前記銅配線の下方に形成されている、請求項3に記載の半導体装置である。
請求項9記載の発明は、前記被着膜は、前記銅配線の前記被覆層の前記開口に臨む部分の直下の位置から離れた位置に形成されている、請求項8に記載の半導体装置である。
請求項10記載の発明は、前記バリア膜は、前記銅配線と前記絶縁膜との間に形成された底面バリア膜と、前記銅配線と前記被覆層との間に形成された表面バリア膜とを含み、前記底面バリア膜および前記表面バリア膜は互いに異なる材料からなる、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体装置である。
請求項9記載の発明は、前記被着膜は、前記銅配線の前記被覆層の前記開口に臨む部分の直下の位置から離れた位置に形成されている、請求項8に記載の半導体装置である。
請求項10記載の発明は、前記バリア膜は、前記銅配線と前記絶縁膜との間に形成された底面バリア膜と、前記銅配線と前記被覆層との間に形成された表面バリア膜とを含み、前記底面バリア膜および前記表面バリア膜は互いに異なる材料からなる、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体装置である。
請求項11記載の発明は、前記底面バリア膜がTiNからなり、前記表面バリア膜がNiからなる、請求項10に記載の半導体装置である。
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示す平面図である。また、図2は、図1に示す半導体装置を切断面線A−Aで切断したときの断面図である。なお、図2以降の各図では、図面の煩雑化を回避するために、導電性を有する材料からなる部分以外の各部についてはハッチングを省略している。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示す平面図である。また、図2は、図1に示す半導体装置を切断面線A−Aで切断したときの断面図である。なお、図2以降の各図では、図面の煩雑化を回避するために、導電性を有する材料からなる部分以外の各部についてはハッチングを省略している。
図2に示すように、半導体装置1は、多層配線構造を有している。すなわち、半導体装置1の基体をなす半導体基板11上には、第1配線層12、第1層間膜13、第2配線層14、第2層間膜15、第3配線層16、第3層間膜17および第4配線層18が、半導体基板11側からこの順に積層されている。
半導体基板11は、たとえば、Si(シリコン)基板であり、その表層部にトランジスタなどの機能素子が形成されている。
半導体基板11は、たとえば、Si(シリコン)基板であり、その表層部にトランジスタなどの機能素子が形成されている。
第1配線層12、第2配線層14および第3配線層16には、それぞれAlからなるAl配線21,22,23がパターン形成されている。
第4配線層18には、CuからなるCu配線24がパターン形成されている
第1層間膜13および第2層間膜15は、たとえば、SiO2からなる。第3層間膜17は、たとえば、SiNからなる。
第4配線層18には、CuからなるCu配線24がパターン形成されている
第1層間膜13および第2層間膜15は、たとえば、SiO2からなる。第3層間膜17は、たとえば、SiNからなる。
第1層間膜13には、第1配線層12のAl配線21と第2配線層14のAl配線22との間において、複数のビアホール25が貫通して形成されている。各ビアホール25は、金属材料(たとえば、Al)で埋め尽くされている。これにより、第1配線層12のAl配線21と第2配線層14のAl配線22とは、ビアホール25を介して電気的に接続されている。
第2層間膜15には、第2配線層14のAl配線22と第3配線層16のAl配線23との間において、複数のビアホール26が貫通して形成されている。各ビアホール26は、金属材料(たとえば、Al)で埋め尽くされている。これにより、第2配線層14のAl配線22と第3配線層16のAl配線23とは、ビアホール26を介して電気的に接続されている。
第3層間膜17には、第3配線層16のAl配線23と第4配線層18のCu配線24との間において、複数のビアホール27が貫通して形成されている。また、第3層間膜17とCu配線24との間には、たとえば、Cu配線24から第3層間膜17へのCuの拡散を防止するための底面バリア膜28が介在されている。この底面バリア膜28は、たとえば、TiN(窒化チタン)からなり、Al配線23の各ビアホール27に臨む領域、各ビアホール27の側面、および第3層間膜17の表面(上面)におけるCu配線24と対向する領域を被覆している。そして、各ビアホール27は、底面バリア膜28を介して、Cuで埋め尽くされている。これにより、第3配線層16のAl配線23と第4配線層18のCu配線24とは、ビアホール27および底面バリア膜28を介して電気的に接続されている。
各Cu配線24の表面(上面および側面)および底面バリア膜28の側面には、Cuの拡散を防止するための表面バリア膜29が被着されている。すなわち、表面バリア膜29は、たとえば、Cuの拡散を防止するバリア性を有する金属材料(たとえば、Ni(ニッケル)など)からなり、各Cu配線24の上面から側面へと回り込み、その側面および底面バリア膜28の側面を被覆して、第3層間膜17の表面に達している。
この半導体装置1の最表面は、Cu(Cuイオン)を捕獲する性質を有するPBO(ポリ−p−フェニレンベンゾビスオキサゾール)からなる被覆層31によって覆われている。この被覆層31には、Cu配線24上の表面バリア膜29を部分的に露出させる複数の開口32が層厚方向に貫通して形成されている。また、表面バリア膜29の開口32に臨む部分上には、この半導体装置1(Cu配線24)と外部の配線基板などとの電気接続のためのボンディングワイヤ34と同一材料(たとえば、Au(金))からなるワイヤ接着膜33が形成されている。そして、図2に示すように、Cu配線24および表面バリア膜29の開口32に臨む部分ならびに表面バリア膜29上のワイヤ接着膜33は、そのボンディングワイヤ34が接続されるボンディングパッドをなしている。
以上のように、この半導体装置1では、第3層間膜17およびこの第3層間膜17上に突出するCu配線24は、被覆層31によって被覆されている。そして、Cu配線24と被覆層31との間には、Cuの拡散を防止するバリア性を有する金属材料からなる表面バリア膜29が介在されている。これにより、Cu配線24から被覆層31へのCuの拡散を防止することができる。そのため、第3層間膜17上に形成された複数のCu配線24間における短絡を防止することができる。
また、被覆層31は、Cu(Cuイオン)を捕獲する性質を有するPBOからなる。そのため、Cu配線24から拡散しようとするCuを被覆層31で捕獲することができ、被覆層31中におけるCuの拡散を防止することができる。
さらに、被覆層31には、Cu配線24上において、開口32が層厚方向に貫通して形成されている。そして、Cu配線24を覆う表面バリア膜29は、開口32から部分的に露出しており、この半導体装置1では、その表面バリア膜29の開口32から露出する部分がパッドバリア膜をなしている。これにより、Cu配線24の開口32に臨む部分からのCuの拡散を防止することができる。
さらに、被覆層31には、Cu配線24上において、開口32が層厚方向に貫通して形成されている。そして、Cu配線24を覆う表面バリア膜29は、開口32から部分的に露出しており、この半導体装置1では、その表面バリア膜29の開口32から露出する部分がパッドバリア膜をなしている。これにより、Cu配線24の開口32に臨む部分からのCuの拡散を防止することができる。
また、表面バリア膜29の開口32に臨む部分上には、ボンディングワイヤ34と同一材料からなるワイヤ接着膜33が形成されている。そのため、ワイヤ接着膜33とボンディングワイヤ34との良好な密着性を発揮することができる。さらには、そのワイヤ接着膜33およびその下方の表面バリア膜29により、Cu配線24の開口32に臨む部分の腐食を防止することもできる。
図3は、半導体装置1の製造工程を工程順に示す断面図である。
半導体装置1の製造工程では、まず、公知の多層配線技術により、図3(a)に示すように、半導体基板11上に、第1配線層12、第1層間膜13、第2配線層14、第2層間膜15、第3配線層16および第3層間膜17が形成される。
次に、第3層間膜17上の全域に、底面バリア膜28の材料からなる薄膜が形成される。さらに、その薄膜上に、Cuからなるシード膜が形成される。その後、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、その薄膜およびシード膜の積層体が底面バリア膜28に対応する形状にパターニングされる。そして、無電解めっき法により、そのパターニングされたシード膜上にCuが堆積される。これにより、図3(b)に示すように、Cu配線24が形成される。
半導体装置1の製造工程では、まず、公知の多層配線技術により、図3(a)に示すように、半導体基板11上に、第1配線層12、第1層間膜13、第2配線層14、第2層間膜15、第3配線層16および第3層間膜17が形成される。
次に、第3層間膜17上の全域に、底面バリア膜28の材料からなる薄膜が形成される。さらに、その薄膜上に、Cuからなるシード膜が形成される。その後、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、その薄膜およびシード膜の積層体が底面バリア膜28に対応する形状にパターニングされる。そして、無電解めっき法により、そのパターニングされたシード膜上にCuが堆積される。これにより、図3(b)に示すように、Cu配線24が形成される。
次いで、無電解めっき法により、図3(c)に示すように、Cu配線24の表面および底面バリア膜28の側面をシードとして、それらの各面を被覆する表面バリア膜29が形成される。
その後、図3(d)に示すように、第3層間膜17上に、PBOが第3層間膜17およびCu配線24を覆い尽くすように塗布されることにより、被覆層31が形成される。
その後、図3(d)に示すように、第3層間膜17上に、PBOが第3層間膜17およびCu配線24を覆い尽くすように塗布されることにより、被覆層31が形成される。
つづいて、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、図3(e)に示すように、被覆層31に、開口32が形成される。そして、無電解めっき法により、表面バリア膜29の開口32から露出する部分をシードとして、その露出する部分を被覆するワイヤ接着膜33が形成されることにより、図2に示す構造の半導体装置1が得られる。
図4は、本発明の他の実施形態に係る半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。この図4において、図2に示す各部に相当する部分には、図2の場合と同一の参照符号を付して示している。また、以下では、図2に示す構造との相違点のみを取り上げて説明し、同一の参照符号を付した各部についての詳細な説明を省略する。
この図4に示す半導体装置2では、第3層間膜17の表面に、被覆層31と同一材料であるPBOからなる被着膜41が被着されている。
この図4に示す半導体装置2では、第3層間膜17の表面に、被覆層31と同一材料であるPBOからなる被着膜41が被着されている。
第3層間膜17と被覆層31との間に線膨張率差があると、熱膨張/収縮により第3層間膜17と被覆層31との間に剥離が生じ、それらの間にCuの拡散経路(リークパス)が形成されるおそれがある。この半導体装置2では、第3層間膜17の表面に被覆層31と同一材料からなる被着膜41が被着されているので、第3層間膜17と被覆層31との密着性が向上する。そのため、第3層間膜17と被覆層31との間にCuの拡散経路が形成されるのを防止することができ、Cu配線24からのCuの拡散を一層防止することができる。
図5は、半導体装置2の製造工程を工程順に示す断面図である。
半導体装置2の製造工程では、まず、公知の多層配線技術により、図5(a)に示すように、半導体基板11上に、第1配線層12、第1層間膜13、第2配線層14、第2層間膜15および第3配線層16が形成される。次に、第3配線層16上に、第3層間膜17の材料が堆積されることにより、層間膜材料堆積層51が形成される。さらに、その層間膜材料堆積層51の表面にPBOが塗布されることにより、層間膜材料堆積層51上にPBO塗布層52が形成される。
半導体装置2の製造工程では、まず、公知の多層配線技術により、図5(a)に示すように、半導体基板11上に、第1配線層12、第1層間膜13、第2配線層14、第2層間膜15および第3配線層16が形成される。次に、第3配線層16上に、第3層間膜17の材料が堆積されることにより、層間膜材料堆積層51が形成される。さらに、その層間膜材料堆積層51の表面にPBOが塗布されることにより、層間膜材料堆積層51上にPBO塗布層52が形成される。
その後、公知のフォトリソグラフィ技術により、PBO塗布層52上に、ビアホール27に対応する開口を有するレジストパターンが形成される。そして、このレジストパターンをマスクとして、PBO塗布層52および層間膜材料堆積層51が順にエッチングされることにより、図5(b)に示すように、ビアホール27を有する第3層間膜17およびこの表面に被着された被着膜41が形成される。このように、PBO塗布層52および層間膜材料堆積層51のエッチングに同一のレジストパターンを使用することにより、工程の簡素化を達成することができる。
次いで、図3(b)および図3(c)を参照して説明した手法と同様の手法により、図5(c)に示すように、Cu配線24および表面バリア膜29が形成される。
その後、図5(d)に示すように、第3層間膜17上に、PBOが第3層間膜17およびCu配線24を覆い尽くすように塗布されることにより、被覆層31が形成される。
つづいて、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、図5(e)に示すように、被覆層31に、開口32が形成される。そして、無電解めっき法により、表面バリア膜29の開口32から露出する部分をシードとして、その露出する部分を被覆するワイヤ接着膜33が形成されることにより、図4に示す構造の半導体装置2が得られる。
その後、図5(d)に示すように、第3層間膜17上に、PBOが第3層間膜17およびCu配線24を覆い尽くすように塗布されることにより、被覆層31が形成される。
つづいて、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、図5(e)に示すように、被覆層31に、開口32が形成される。そして、無電解めっき法により、表面バリア膜29の開口32から露出する部分をシードとして、その露出する部分を被覆するワイヤ接着膜33が形成されることにより、図4に示す構造の半導体装置2が得られる。
以上、本発明の2つの実施形態を説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、被覆層31の材料としてPBOを例示したが、BCB(ベンゾシクロブテン)など、PBO以外の材料を用いて被覆層31が形成されてもよい。ただし、被覆層31中におけるCuの拡散を防止するため、被覆層31の材料は、銅を捕獲する性質を有する材料であることが好ましい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
1 半導体装置
2 半導体装置
17 第3層間膜(絶縁膜)
24 Cu配線(銅配線)
29 表面バリア膜(バリア膜、パッドバリア膜)
31 被覆層
32 開口
33 ワイヤ接着膜
34 ボンディングワイヤ
41 被着膜
2 半導体装置
17 第3層間膜(絶縁膜)
24 Cu配線(銅配線)
29 表面バリア膜(バリア膜、パッドバリア膜)
31 被覆層
32 開口
33 ワイヤ接着膜
34 ボンディングワイヤ
41 被着膜
Claims (11)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたAl配線層と、
前記Al配線層上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に突出して形成され、ビアホールを介して前記Al配線層と接続され、前記Al配線層よりも厚い外部接続用の銅配線と、
前記絶縁膜および前記銅配線を被覆し、前記銅配線を部分的に露出させる開口が形成された被覆層と、
前記銅配線の上面および側面を覆い、銅の拡散を防止するバリア性を有する金属材料からなるバリア膜とを含む、半導体装置。 - 前記被覆層は、銅を捕獲する性質を有する材料からなる、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記絶縁膜の表面に被着され、前記被覆層と同一材料からなる被着膜をさらに含む、請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記銅配線の前記被覆層の前記開口に臨む部分上に形成され、銅の拡散を防止するバリア性を有する金属材料からなるパッドバリア膜と、
前記パッドバリア膜上に形成され、前記銅配線との電気接続のために用いられるボンディングワイヤと同一材料からなるワイヤ接着膜とをさらに含む、請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体装置。 - 前記バリア膜は、前記ビアホールの内面を被覆している、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記バリア膜は、前記被覆層の前記開口の直下の位置から離れた位置に形成されている、請求項4に記載の半導体装置。
- 前記ビアホールは複数形成されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記被着膜は、前記銅配線の下方に形成されている、請求項3に記載の半導体装置。
- 前記被着膜は、前記銅配線の前記被覆層の前記開口に臨む部分の直下の位置から離れた位置に形成されている、請求項8に記載の半導体装置。
- 前記バリア膜は、前記銅配線と前記絶縁膜との間に形成された底面バリア膜と、前記銅配線と前記被覆層との間に形成された表面バリア膜とを含み、
前記底面バリア膜および前記表面バリア膜は互いに異なる材料からなる、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記底面バリア膜がTiNからなり、前記表面バリア膜がNiからなる、請求項10に記載の半導体装置。
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