JP3719994B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に係わり、特に大気に晒されることによる酸化が危惧されるCu等の導電性元素よりなる、LSI配線の配線パッド構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の微細化および高速化に伴い、多層配線はAl多層配線からCu多層配線に移ってきている。図7に、この種のCu多層配線を用いた従来の配線パッド構造の断面図を示す。
【0003】
従来の配線パッド構造は、絶縁膜70の表面に埋込み形成されたCuパッド71上に、バリアメタル膜72を介してAlキャップ膜73が設けられた構造になっている。Alキャップ膜73は、Cuパッド71の酸化を防止するためのものである。図において、74,75は絶縁膜を示している。Alキャップ膜73は例えばAlを主成分とし、Cuを少量(例えば0.5wt%)含んだ膜である。
【0004】
しかしながら、従来の配線パッド構造には、以下のような問題がある。すなわち、図8に示すように、プロービング工程時には、プローブ77がAlキャップ膜73に多い場合には10回近く接触し、Alキャップ膜73がデラミネーションにより破壊されてCuパッド71が大気に露出したり、ひどい場合にはCuパッド71が破壊される。
【0005】
このような大気露出、破壊が生じると、露出したCuパッド71が酸化されたり、露出したCuパッド71中のCuとAlキャップ膜73中のAlとの反応により化合物が生成される。
【0006】
その結果、ワイヤーボンディング耐性が劣化したり、パッド部の抵抗が大幅に上昇するなどの問題が起こる。さらに、配線層深部に酸化が進行すると、上記問題のみならず、エレクトロマイグレーション(EM)耐性やストレスマイグレーション(SM)耐性等の配線特性に致命的な劣化が生じるなどの問題も起こる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来の配線パッド構造は、プロービング工程時にプローブ接触によりAlキャップ膜が破壊され、Cuパッドの露出や破壊が発生する恐れがある。これらはワイヤーボンディング耐性の劣化、パッド部の抵抗上昇を引き起こしたり、さらにはEM耐性やSM耐性等の配線特性に致命的な劣化を引き起こす。
【0008】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、配線パッド上に設けられた導電性保護膜が、プロービング工程において破壊されることによる信頼性の低下を防止できる半導体装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。すなわち、上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、配線パッドと、前記配線パッド上に設けられ、前記配線パッドに達する複数のコンタクトホールを有する絶縁膜と、前記配線パッド上に前記絶縁膜を介して設けられ、前記複数のコンタクトホールを介して前記配線パッドに電気的に接続する、前記配線パッドに対しての導電性保護層とを備えていることを特徴とする。
【0010】
このような構成によれば、導電性保護膜がプローブ接触により破壊されても、導電性保護膜の下に存在する絶縁膜によって配線パッドの大気露出や破壊を防止でき、信頼性の低下を防止できるようになる。
【0011】
また、本発明に係る他の半導体装置は、開口部を有する絶縁膜と、前記開口部内に設けられた複数の絶縁柱と、前記開口部内に該開口部の途中の深さまで埋め込まれた配線パッドと、前記開口部内を埋め込むように、前記配線パッド上に設けられた該配線パッドに対しての導電性保護層とを備えていることを特徴とする。
【0012】
このような構成によれば、配線パッド/導電性保護層の積層体中に、複数の絶縁柱が分散されたパッド構造となり、プローブ接触時の配線パッド構造のダメージを複数の絶縁柱で緩和することができる。また、配線パッドと導電性保護層との界面が絶縁柱の上面より下になるパッド構造になることから、信頼性の低下を防止できるようになる。
【0013】
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記載および添付図面によって明らかになるであろう。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【0015】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るCu多層配線用の配線パッド構造を示す平面図である。図2は、図1の矢視A−A’断面図である。
【0016】
これを製造工程に従って説明すると、まず、図示しないSi基板上に層間絶縁膜1を堆積する。上記Si基板の表面には能動素子等が集積形成され、その上にCu多層配線が形成され、このCu多層配線層上に層間絶縁膜1が堆積されている。
【0017】
次に、層間絶縁膜1の表面にCuパッド2を埋込み形成し、その後層間絶縁膜1およびCuパッド2上にd(dual phase plasma)−TEOS膜3を形成する。d−TEOS膜3の膜厚は例えば400nmである。
【0018】
次に、Cuパッド2の周縁部上のd−TEOS膜3に4μmピッチで2μm径のコンタクトホール4をRIE(Reactive Ion Etching)プロセスにより開口する。ここでは、16個のコンタクトホール4を開口した。また、エッチングガスを制御し、コンタクトホール4の側壁に80度のテーパー加工を施した。
【0019】
次に、表面の清浄処理を行い、その後コンタクトホール4の内面を覆うようにバリアメタル膜5をスパッタリングにより堆積し、続いてコンタクトホール4を埋め込むようにAlキャップ膜6(導電性保護層)を全面に堆積する。Alキャップ膜6は、純Al膜でも良いし、あるいはCuを少量(例えば0.5wt%)を含むAl膜(Al合金膜)でも良い。
【0020】
バリアメタル膜5、Alキャップ膜6のカバレッジや密着性は、コンタクトホール4がテーパー加工されていることにより、良好なものとなる。また、バリアメタル膜5、Alキャップ膜6の埋込み特性の観点からは、コンタクトホール4のアスペクト比は0.5以下であることが好ましい。
【0021】
バリアメタル膜5は、TaN/Ta積層膜またはTa/TiN積層膜等が望ましいが、CuとAlとの反応を抑制するものであれば構わない。また、Alキャップ膜6を代表とする導電性保護層のコンタクトホール4内への埋め込み性を向上させるために、バリアメタル膜5上にライナー膜(図示せず)を設けても構わない。Alキャップ膜6のライナー膜としては、例えばNb膜、Ta膜、NbN膜、TaN膜等が好ましい。何故なら、これらはバリアメタルの性質も有するからである。
【0022】
また、Alキャップ膜6の成膜温度は200℃以上の高温が好ましい。その理由は、Alキャップ膜6の流動性が高まり、コンタクトホール4をAlキャップ膜6で容易に埋め込めるからである。
【0023】
Alキャップ膜6の成膜法には種々のものが考えられるが、特にステップカバレッジの良好な成膜方法が望ましく、例えばロングスロースパッタ、バイアススパッタ、イオン加速スパッタ、またはこれらの方式を組み合わせたスパッタ、高温リフロースパッタ、CVDなどが特に望ましい。
【0024】
このようにして、Cuパッド2がその周縁部において複数のコンタクトホール4を介してAlキャップ膜6と電気的に接続した構造が得られる。コンタクトホール4以外の領域のAlキャップ膜6とCuパッド2との間にはd−TEOS膜3が存在する。
【0025】
コンタクトホール4を配置する箇所は、本実施形態のようにCuパッド2の周縁部などが好ましい。その理由は、このような配置であれば、プロービング工程やボンディング工程などにおけるコンタクト部への機械的作用を軽減でき、コンタクトホール4上のAlキャップ膜6の機械的破壊(デラミネーション)を回避でき、Cuパッド2の露出を効果的に抑制できるからである。
【0026】
次に、Alキャップ膜6およびバリアメタル膜5をフォトリソグラフィおよびRIEを用いて所定の形状に加工し、その後パッシベーション膜7を全面に堆積し、パッシベーション膜7をエッチングし、パッド開口部8を開口する。
【0027】
パッド開口部8は、図2に示すように、コンタクトホール4上のAlキャップ膜6の少なくとも一部が、好ましくは全部がパッシベーション膜7で覆われるように開口することが望ましい。
【0028】
これにより、プロービング工程時のプローブ接触によるコンタクトホール4上のAlキャップ膜6の破壊を防止でき、コンタクトホール4下のCuパッド2が大気に露出することを防止できるようになる。
【0029】
また、上記RIE加工後のAlキャップ膜6中に流れる電流の密度は、許容電流密度(一定の期間、例えば10年間にEMによる故障が発生しない電流密度)以下になっている。言い換えれば、上記電流の密度が許容電流密度以下になるように、コンタクトホール径およびコンタクトホール数が決められている。
【0030】
このようにして得られた配線パッド構造に対し、信頼性評価としてプロービングを複数回試験し、Alキャップ膜6上にボンディングワイヤ9を形成し、その後175℃のオーブンで放置試験を1000時間行い、デバイス動作試験を行った。上記プロービングはウェハレベルのものである。また、コンタクトホール4上のAlキャップ膜6は、パッシベーション膜7で全く覆わなかった。
【0031】
その結果、図7に示したような従来の配線パッド構造の場合には、2回のプロービング試験での試料の収率が80%、3回のプロービング試験での収率が50%、6回のプロービング試験での収率0%であったのに対し、本実施形態の場合には、10回のプロービング試験においても収率100%であった。
【0032】
本実施形態において、このような試験結果が得られた理由は、プローブが接触した箇所のAlキャップ膜6が破壊されても、その下にd−TEOS膜3が存在するところでは、Cuパッド2の表面が大気に露出するという不良状態にまでは至らなかったからだと考えられる。すなわち、プローブ接触に対するCuパッド2の機械的強度が高くなり、Cuパッド2の酸化や破壊の発生を防止できたからである。したがって、本実施形態によれば、Cuパッド2上に設けられたAlキャップ膜6が、プロービング工程において破壊されることによる信頼性の低下を防止できる半導体装置を実現できるようになる。
【0033】
次に、コンタクトホール4の径依存性を調べるために、0.2〜20μm径のコンタクトホール4を形成し、同様な加速試験後に各種電気的試験を行った。その結果、径が0.2μm以上0.5μm未満の場合、EM試験が保証時間未達であった。解析の結果、コンタクトホール4上部でのEM破断が観察された。
【0034】
一方、径が10μmを越えると初期収率が90%以下になることを確認した。解析の結果、コンタクトホール4内のAlキャップ膜6にプローブが接触して発生したデラミネーションにより、Cuパッド2の表面が大気に露出し、その表面が酸化することが、初期収率の低下の原因であることが判明した。
【0035】
以上の結果から、コンタクトホール4の径は0.5μm以上10μm以下が望ましいことが判明した。なお、コンタクトホール4のピッチに関しては、スペースを減らすことに何ら支障は見られず、また上記径範囲において配線パッドは良好な電気特性(ショート、断線)を示した。
【0036】
また、良好な試験結果を示した試料の断面観察などを行った結果、d−TEOS膜3の破壊および割れ、ならびにCuパッド2の異常は観察されず良好であった。以上は、パッド周辺部にコンタクトホール4を1列配置した結果であるが、2列以上配置しても同様の結果が得られた。
【0037】
図3に、本実施形態の変形例を示し、具体的には、d−TEOS膜3の膜厚が厚い場合でも、コンタクトホール4のアスペクト比を小さくできる、配線パッド構造を示している。これは、デュアルダマシン配線(DD配線)のように、d−TEOS膜3の表面の溝(DD配線では配線溝)内に、コンタクトホール4(DD配線ではプラグが埋め込まれる接続孔)が設けられた構造とすることにより、コンタクトホール4の深さを浅くし、アスペクト比を小さくしたものである。
【0038】
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態に係るCu多層配線用の配線パッド構造を示す平面図である。図5は、図4の矢視A−A’断面図である。
【0039】
これを製造工程に従って説明すると、まず、図示しないSi基板上にd−TEOS膜21を堆積する。上記Si基板の表面には能動素子等が集積形成され、その上にCu多層配線が形成され、このCu多層配線層上にd−TEOS膜21が堆積されている。
【0040】
次に、フォトリソグラフィおよびRIEを用いてd−TEOS膜21を加工して、Cuパッドが埋め込まれるパッド開口部22を形成するとともに、d−TEOS膜21からなるd−TEOSピラー21p(絶縁柱)を形成する。d−TEOSピラー21pのピッチは4μm、径は2μmである。
【0041】
次に、Si基板にバイアス印加した異方性スパッタ法により、Ta系のバリアメタル膜23およびCu薄膜(不図示)を順次形成し、その後該Cu薄膜をシードに用いて電解メッキ法によりパッド開口部22を埋め込むようにCu膜24を全面に堆積する。
【0042】
次に、パッド開口部22外部の不要なCu膜24およびバリアメタル膜23をCMPプロセスにより除去し、所定形状のCuパッド24を得る。
【0043】
次に、エッチングストッパ膜25、パッシベーション膜26を順次堆積する。ここでは、エッチングストッパ膜25としてプラズマCVDで形成した窒化シリコン膜(p−SiN膜)または炭化シリコン膜(p−SiC膜)、パッシベーション膜26としてd−TEOS膜/p−SiN膜の積層膜を使用した。
【0044】
次に、図示しないパッド開口部に対応したパターンを有するレジストをマスクにして、エッチングストッパ膜25が露出するまで、パッシベーション膜26をエッチングし、その後露出したエッチングストッパ膜25を弗素系のガスを用いたRIEプロセスにより除去する。その結果、エッチングストッパ膜25、パッシベーション膜26には、d−TEOSピラー21p、バリアメタル膜23、Cuパッド24が露出する開口部が形成されることになる。
【0045】
次に、上記RIEプロセス時に弗化したCu膜24の表層にO2 アッシャーを用いた酸化処理を施し、Cu膜24の表層の弗素を酸素に置換し、その後RIEプロセス時の堆積物をウエット処理により除去する。
【0046】
次に、スパッタ装置内で水素還元処理を行うことにより、Cu膜24の表層の清浄化を行い、その後スパッタ法により厚さ10nmのAl膜(不図示)を形成する。
【0047】
次に、400℃、30分の熱処理を行い、上記Al膜とCuパッド24とを反応させ、Cuパッド24の上面にCu−Al合金層27(導電性保護層)を形成する。その後、余剰Al膜をウエットエッチングにより除去する。上記熱処理の後に断面測定を行ったところ、Cu−Al合金層27は約200nm程度形成されていたことを確認した。
【0048】
Cu−Al合金層27のAl組成比は2wt%以上、50wt%以下であることが好ましく、特に10wt%以上、50wt%以下であることが好ましい。その理由は、以下の通りである。すなわち、Al組成比が2wt%未満だと、Cuリッチとなり、Cu−Al合金層27の酸化防止機能が不十分となるからである。一方、Al組成比が50wt%を越えると、Cuパッド24へのAlの拡散が生じる恐れがあるからである。
【0049】
Cu−Al合金層27は、Cuパッド24の表面にAlイオンを注入し、その後アニールを行うことによって形成しても良い。あるいはCuパッド24の上部をエッチングにより除去し、その上にCu−Al合金層27を形成しても良い。
【0050】
このようにして得られた試料に対し、第1の実施形態と同様に信頼性評価としてプロービングを複数回試験した後、Cu−Al合金層27上にボンディングワイヤ28を形成し、その後175℃のオーブンで放置試験を1000時間行い、デバイス動作試験を行った。その結果、第1の実施形態と同様に、10回のプロービング試験後においても収率100%という良好な結果が得られた。
【0051】
このような良好な結果が得られた理由の一つは、プロービング工程時のプローブ接触によるCuパッド24のダメージが、d−TEOSピラー21pにより緩和されるからである。
【0052】
他の理由としては、Cuパッド24とCu−Al合金層27との界面が、d−TEOSピラー21pの上面より下にあることがあげられる。これにより、プローブ接触によるCu−Al合金層27の破壊がd−TEOSピラー21pにより緩和され、Cuパッド24上にCu−Al合金層27が残存する。その結果、Cu−Al合金層27は保護層としての機能を十分に果たせるようになる。
【0053】
以上は、4μmピッチ、2μm径のd−TEOSピラー21pを配設した場合の結果である。ピッチ、径が上記と異なるd−TEOSピラー21pに対し、同様の評価を行った。その結果、加速試験後の収率にd−TEOSピラー21pのピッチ、径による依存がみられた。具体的には第1の実施形態と同様の理由で、d−TEOSピラー21pのピッチと径で定まるCu−Al合金層27の幅(隣接するd−TEOSピラー21間の長さ)が0.5μm以上10μm以下の場合において100%収率が得られることを確認した。
【0054】
また、Cu−Al合金層27上に、第1の実施形態と同様に、Alキャップ膜6を形成した場合においても、図5のパッド構造と同様に、良好な結果が得られた。
【0055】
さらに、図5のCu−Al合金層27の代わりに、図6(a)に示すように、バリアメタル膜29を形成し、バリアメタル膜29上にAlキャップ膜6を形成した場合にも、図5のパッド構造と同様に、良好な結果を得ることができた。
【0056】
その理由の一つは、プロービング工程時のプローブ接触によるCuパッド24のダメージがd−TEOSピラー21pにより緩和されるからである。
【0057】
他の理由としては、Cuパッド24とAlキャップ膜6との境界部分(バリアメタル膜29)が、d−TEOSピラー21pの上面よりも下にあることがあげられる。これにより、プローブ接触によるAlキャップ膜6の破壊がd−TEOSピラー21pにより緩和され、図6(b)に示すように、Cuパッド24上にAlキャップ膜6が残存する。その結果、Alキャップ膜6は保護層としての機能を十分に果たせるようになる。
【0058】
図6に示したパッド構造の形成方法について、図5に示したパッド構造の形成方法と異なる点を中心にして簡単に説明する。
【0059】
まず、d−TEOSピラー21p、パッド開口部22を形成し、パッド開口部22内にバリアメタル膜23、Cuパッド24を形成する。Cuパッド24は、パッド開口部22を埋め込むように形成する。
【0060】
次に、HClとH2 O2 の混合水溶液等によりCuパッド24の表層を薄くエッチングし、Cuパッド24の上面を開口部22の開口面よりも低くする。ここで、Cu膜24のリセス量は、30nm以上が望ましい。リセス量は多いほど望ましいが、上限量は配線電流密度設計の許容量によって制約される。
【0061】
次に、エッチングストッパ膜25、パッシベーション膜26を形成し、エッチングストッパ膜25、パッシベーション膜26に開口部を形成し、d−TEOSピラー21p、バリアメタル膜23、Cuパッド24を露出させる。その後、酸化処理、ウエット処理を行う。この工程は、図5のパッド構造の形成方法と同様である。
【0062】
次に、スパッタ装置内で水素還元処理し、Cuパッド24の表層の洗浄化を行い、続いて真空を破ることなく、同スパッタ装置内で、バリアメタル膜29、Alキャップ膜6を順次堆積する。
【0063】
ここで、バリアメタル膜29は、例えばTaN/Taの積層膜である。好ましくは、TaN/Taの積層膜を複数回成膜して得られる多層膜とする。このような多層膜を用いることにより、機械的強度を向上させることが可能となる。
【0064】
また、多層膜を構成する積層膜間の密着性の低下を防止する観点からは、2層以上6層以下の積層膜からなる多層膜であることが望ましい。また、積層膜を構成する各膜の厚さは、ボンディング後のバリア性の観点から5nm以上、またボンディング後の密着性と成膜ダスト(多層膜の成膜時に発生するダスト)の観点から30nm以下が望ましい。
【0065】
その後、リソグラフィーとRIEを用いてバリアメタル膜29、Alキャップ膜6を加工し、パッシベーション膜7を形成する。
【0066】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、配線の主成分がCuであったが、Cu合金、AgまたはAg合金など他の導電材料であっても構わない。これらの導電材料を用いた場合も、上記実施形態と同様に、導電性保護層としてAlキャップ膜6や、Cu−Al合金層27を使用することが可能である。
【0067】
さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決できる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【0068】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【0069】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、配線パッド上に設けられた導電性保護膜が、プロービング工程において破壊されることによる信頼性の低下を防止できる半導体装置を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るCu多層配線用の配線パッド構造を示す平面図
【図2】図1の矢視A−A’断面図
【図3】第1の実施形態の変形例を示す断面図
【図4】本発明の第2の実施形態に係るCu多層配線用の配線パッド構造を示す平面図
【図5】図4の矢視A−A’断面図
【図6】第2の実施形態の変形例を説明するための断面図
【図7】従来のCu多層配線用の配線パッド構造を示す断面図
【図8】従来のCu多層配線用の配線パッド構造の問題点を説明するための断面図
【符号の説明】
1…層間絶縁膜
2…Cuパッド(配線パッド)
3…d−TEOS膜
4…コンタクトホール
5…バリアメタル膜
6…Alキャップ膜(導電性保護層)
7…パッシベーション膜
8…パッド開口部
9…ボンディングワイヤ
21…d−TEOS膜
21p…d−TEOSピラー(絶縁柱)
22…パッド開口部
23…バリアメタル膜
24…Cuパッド
25…エッチングストッパ膜
26…パッシベーション膜
27…Cu−Al合金層(導電性保護層)
28…ボンディングワイヤ
29…バリアメタル膜
Claims (6)
- Cuからなる配線パッドと、
前記配線パッド上に設けられ、前記配線パッドに達する複数のコンタクトホールを前記配線パッドの周縁部に有する絶縁膜と、
前記配線パッド上に前記絶縁膜を介して設けられ、Al又はAl合金からなり、前記複数のコンタクトホールを介して前記配線パッドに電気的に接続する、前記配線パッドに対しての導電性保護層と、
前記配線パッドの直上で、前記導電性保護層の前記コンタクトホールが下方に存在しない中央部分にボンディングされたボンディング部材と、
を具備してなることを特徴とする半導体装置。 - 前記コンタクトホールの径が0.5μm以上10μm以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記導電性保護層の前記コンタクトホールが下方に存在する部分の一部又は全部がパッシベーション膜で被覆されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 開口部を有する絶縁膜と、
前記開口部内に設けられた複数の絶縁柱と、
前記開口部内に該開口部の途中の深さまで埋め込まれたCuからなる配線パッドと、
Cu合金,Al又はAl合金からなり、前記開口部内を埋め込むように、前記配線パッド上に設けられた該配線パッドに対しての導電性保護層と、
を具備してなることを特徴とする半導体装置。 - 隣接する前記複数の絶縁柱間の長さが0.5μm以上10μm以下であることを特徴とする請求項4記載の半導体装置。
- 前記導電性保護層は、前記配線パッドの酸化を防止するものであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の半導体装置。
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