JP4282425B2 - 銅配線の形成方法および銅配線の形成された半導体ウエハ - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路が形成された半導体ウエハに銅配線を形成する技術に関する。

従来、半導体集積回路で用いられる金属配線の材料としては、比抵抗が小さいことやパターニングが容易であることから、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム系金属が用いられてきた。

しかしながら、半導体集積回路の高集積化、縮小化、高速化、高信頼性の要請が高まってきたことにともない、アルミニウム系金属よりも小さい抵抗率および高いエレクトロマイグレーション耐性を有する銅または銅合金からなる銅系金属が用いられるようになってきている。

図６（ａ）を参照すると、半導体ウエハ１上に形成された銅配線６が示されている。２は絶縁膜、３は溝形成用絶縁膜、５はバリアメタルである。

ウエハ周辺近傍領域２２では、膜はがれを防止するために、絶縁膜２と溝形成用絶縁膜３の周辺除去、および、銅配線６のＣｕ除去を行う。

ここで、周辺除去とは、配線パターンを形成するために行う露光とは別に行う周辺露光もしくはウェットエッチングにより、ウエハ周辺近傍領域２２の溝形成用絶縁膜３上に塗布したレジストを除去し、この周辺露光を行った部分の絶縁膜２と溝形成用絶縁膜３をエッチングにより除去することをいう。

図６（ａ）は、周辺除去幅がＣｕ除去幅よりも長い場合を示しており、ウエハ周辺近傍領域２２にＣｕ残り１５が存在している。

図６（ｂ）を参照すると、図６（ａ）のウエハ周辺近傍領域２２を上から見た図が示されている。２３は配線パターン形成領域を示しており、銅配線が形成されている。

図７を参照すると、図６の銅配線６を形成する工程が示されている。

まず、図７（ａ）のように、半導体ウエハ１上に、絶縁膜２と溝形成用絶縁膜３をこの順で成膜する。

次に、図７（ｂ）のように、溝形成用絶縁膜３上に所定の形状にパターニングされたフォトレジストを形成し、これを絶縁膜２と溝形成用絶縁膜３のエッチングのためのエッチングマスク４として用いる。フォトレジストの形成は全面で行われるが、ウエハ周辺近傍領域２２ではフォトレジストを除去するため周辺露光が行われる。

次に、図７（ｃ）のように、絶縁膜２と溝形成用絶縁膜３をエッチングして除去する。

次に、図７（ｄ）のように、バリアメタル５を堆積後、銅膜を堆積する。その後、例えばＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；化学機械研磨）を行い、溝形成用絶縁膜３の上に露出しているバリアメタル５と銅膜を除去する。以上により、銅配線６が形成される。さらに、ウエハ周辺近傍領域２２の銅をウェットエッチングにより除去する。除去しきれなかった銅がＣｕ残り１５となる。

半導体集積回路の高速化を進めるためには、半導体集積回路を微細化し、素子間の配線距離を減少させることが必要である。しかし、一方で、微細化による配線間隔の減少が、配線間に大きな容量を発生させ、信号の伝播速度を低下させてしまう。その結果、半導体集積回路の動作速度を遅くしてしまう。この問題を解決するため、比誘電率の低い絶縁材料の開発、ならびに、それを用いた多層配線の開発が進められている。

図８（ａ）を参照すると、図６（ａ）の銅配線に対する銅多層配線が示されている。このような銅多層配線は、例えば、特開２００１−７７１１３号公報（特許文献１）に開示されている。

図６（ａ）の銅単層配線から図８（ａ）の銅多層配線を形成する工程を簡単に説明する。

まず、図６（ａ）の状態から、絶縁膜７とプラグ形成用絶縁膜８をこの順で堆積する。

次に、層間接続プラグ１０を形成するためのエッチングマスクを形成し、さらに周辺露光を行う。この際の周辺露光の幅は、下の銅配線の層の周辺露光の幅よりも小さくとる。

次に、絶縁膜７とプラグ形成用絶縁膜８をエッチングする。周辺露光の幅は、下の銅配線の層の周辺露光の幅よりも小さくとったので、銅残り１５は、エッチング後も絶縁膜７とプラグ形成用絶縁膜８に覆われたままである。

次に、バリアメタル９と層間接続プラグ１０をこの順で堆積し、プラグ形成用絶縁膜８を超えた部分をＣＭＰにより除去する。

以降は、図７と同様の工程により、上の銅配線１４の層を形成する。

銅配線の形成された半導体ウエハ上に電極を形成するために、ボンディングパッドまたはフリップチップが設けられる。

図８（ｂ）〜（ｄ）を参照すると、図８（ａ）の銅多層配線にボンディングパッドを形成する工程が示されている。

まず、図８（ｂ）のように、上の銅配線１４の層の上に、絶縁膜１７とパッド形成用絶縁膜１８をこの順で堆積し、所定の形状にパターニングされたフォトレジストのエッチングマスク１９を形成する。さらに周辺露光を行う。この際の周辺露光の幅は、下の銅配線６の層の周辺露光の幅と同じである。

次に、図８（ｃ）のように、絶縁膜１７とパッド形成用絶縁膜１８をエッチングにより除去する。さらに、ウエハ周辺近傍領域２２において周辺除去を行う。周辺除去幅は下側の層と同じ幅にとられているので、Ｃｕ残り１６が露出する。

次に、図８（ｄ）のように、バリアメタル２０を形成した後、パッドアルミ２１を形成する。

図８（ｅ）を参照すると、図８（ｄ）を上から見た図が示されている。Ｃｕ残り１６が表面に露出している。
特開２００１−７７１１３号公報

図８で示した工程のように、Ｃｕ残り１６を残したままパッドアルミ２１を形成すると、次のような問題が生じる。

すなわち、パッドアルミ２１を形成するために、アルミ系金属膜を形成したあと、パッド形状になるように、チャンバ装置内でドライエッチング、その後、ウェットエッチング装置内でウェットエッチングを行う。この工程において、銅の露出があると、チャンバ装置やウェットエッチング装置が銅に汚染されるおそれがある。

さらに、ウェットエッチング工程では、溶解した銅が、半導体ウエハ１の裏面からウエハ内を拡散し、ウエハ表面に形成されている半導体集積回路に悪影響を与えるおそれがある。

以上の問題は、ボンディングパッドのかわりにフリップチップを形成する場合にも同様にあてはまる。

本発明は、銅汚染のおそれが少ない、ボンディングパッドまたはフリップチップが形成された銅多層配線の形成方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分を超えないように、絶縁膜１７とパッド形成用絶縁膜１８の周辺除去を行い、ボンディングパッドまたはフリップチップを形成する（図１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）参照）。

こうすると、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部の外側に、パッド形成用絶縁膜１８が残り（図１（ｃ）参照）、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部をボンディングパッドまたはフリップチップで覆うことが可能になる（図１（ｄ）参照）ので、Ｃｕ残り１６の露出を防止できる。

また、半導体ウエハ１内の場所によっては、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分がすべて絶縁膜１７とパッド形成用絶縁膜１８で覆われることになる（図３（ｂ）参照）。この場合も、Ｃｕ残り１６の露出を防止できる。

結局、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分を超えないように、絶縁膜１７とパッド形成用絶縁膜１８の周辺除去を行うようにしさえすれば、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分が、ボンディングパッドまたはフリップチップ、あるいは、絶縁膜１７とパッド形成用絶縁膜１８で覆われるので、Ｃｕ残り１６の露出を防止できる。

以上説明したように、本発明によれば、銅が表面に露出しないので、チャンバ装置やエッチング装置などへの銅汚染を防止できる。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ）〜（ｅ）を参照すると、ボンディングパッドを形成する、本発明の銅多層配線の形成方法の工程が示されている。図１（ａ）〜（ｅ）は、背景技術で説明した図８（ａ）〜（ｅ）にそれぞれ対応している。

図１（ａ）は、図８（ａ）と同じ銅多層配線構造である。

まず、図１（ｂ）のように、上の銅配線１４の層に絶縁膜１７とパッド形成用絶縁膜１８をこの順で成膜する。その後、所定の形状にパターニングされたフォトレジストのエッチングマスク１９を形成する。図８（ｂ）から変更する点は、絶縁膜１７とパッド形成用絶縁膜１８に対する周辺除去の幅（エッチングマスク１９に対する周辺露光の幅）である。図８（ｂ）では、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分を超えて、周辺除去が行われているが、図１（ｂ）では、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分を超えないように周辺除去が行われる。その結果、エッチングマスク１９が、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分よりも外周側に残ることになる。

次に、図１（ｃ）のように、絶縁膜１７とパッド形成用絶縁膜１８のエッチングを行う。

次に、図１（ｄ）のように、バリアメタル２０とパッドアルミ２１を形成する。図８（ｄ）とは違って、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分にもボンディングパッドが形成されており、Ｃｕ残り１６の露出が防止されている。

図１（ｅ）は、図１（ｄ）のウエハ上部から眺めた図である。

図２を参照すると、フリップチップを形成された、本発明の銅多層配線が示されている。フリップチップを形成する場合も全く同様であり、図１（ｄ）において、ボンディングパッドを形成するかわりに、フリップチップを形成する。

図１（ｃ）の状態から、バンプパッド２４、続いてＵＢＭ（ｕｎｄｅｒ ｂｕｍｐ ｍｅｔａｌｉｚａｔｉｏｎ）２５を形成し、バンプ２６を形成する。この場合も、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分にもフリップチップが形成されており、Ｃｕ残り１６の露出が防止されている。

以上は、図６（ａ）の銅単層配線構造を積層した図８（ａ）または図１（ａ）の銅多層配線構造に対して、ボンディングパッドまたはフリップチップを形成する場合を説明してきた。図６（ａ）の銅単層配線構造は、周辺除去幅がＣｕ除去幅よりも長くなる場合のものであるが、Ｃｕ除去幅が周辺除去幅よりも長くなる場合もありうる。

図３（ａ）と図４（ａ）を参照すると、それぞれ、Ｃｕ除去幅が周辺除去幅よりも長くなる場合、周辺除去を全く行わない場合の銅単層配線構造が示されている。図３（ａ）の場合、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分の銅はすべて除去され、Ｃｕ残りは存在していない。また、図４（ａ）の場合、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分には銅が保持されていない。

これらの場合、銅配線の層の周辺除去の幅を、ボンディングパッドまたはフリップチップの層においても維持していれば、理論的には銅は露出しない。しかしながら、例えば、Ｃｕ除去が不完全な場合には銅が露出してしまうので、ボンディングパッドまたはフリップチップを形成する層において、絶縁膜１７とパッド形成用絶縁膜１８の周辺除去を、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分を超えないように行うことにより、銅の露出を防止することは重要な意義がある。

図３（ｂ）（ｃ）を参照すると、図３（ａ）の銅単層配線構造をベースに、それぞれボンディングパッド、フリップチップを形成した銅多層配線構造が示されている。ボンディングパッドまたはフリップチップを形成する層における周辺除去幅は、銅配線の層の周辺除去幅よりも小さく設定され、相関接続プラグ１０の層の周辺除去幅と同じになるように設定されている。

なお、図３（ｂ）（ｃ）では、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分は、ボンディングパッドまたはフリップチップで覆われているのではなく、絶縁膜１７とパッド形成用絶縁膜１８で覆われている。Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分が半導体ウエハ１の縁に近くなるところでは、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分が、絶縁膜１７とパッド形成用絶縁膜１８で直接覆われ、銅の露出が防止される。この点は、図１、図４においても同様である。

図４（ｂ）（ｃ）を参照すると、図４（ａ）の銅単層配線構造をベースに、それぞれボンディングパッド、フリップチップを形成した銅多層配線構造が示されている。図４（ｂ）（ｃ）では、全ての層で周辺除去を行わないように設定されている。Ｃｕ除去の対象となった、銅の保持されていない配線パターン部は、ボンディングパッドまたはフリップチップで覆われ、銅の露出が防止されている。

図５を参照すると、パッドスルーホール露光パターンを用いた場合の、本発明の銅多層配線構造が示されている。図５では、半導体ウエハ１の全面にボンディングパッドまたはフリップチップのパターンを形成するのではなく、一部にパターンを形成する。この場合、パッドスルーホールパターンに対応する銅配線以外の銅配線は、絶縁膜１７とパッド形成用絶縁膜１８で覆われるので、銅の露出が防止される。また、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分については、絶縁膜１７とパッド形成用絶縁膜１８の周辺除去を、Ｃｕ除去の対象となった配線パターン部分を超えないように行うことにより、銅の露出を防止できる。図５では、ボンディングパッドの場合を示しているが、フリップチップの場合も同様である。また、銅単層配線構造として図３（ａ）が用いられているが、図６（ａ）、図４（ａ）の場合も同様である。

ボンディングパッドを形成する、本発明の銅多層配線構造の形成方法の一工程を示す図である。 ボンディングパッドを形成する、本発明の銅多層配線構造の形成方法の一工程を示す図である。 ボンディングパッドを形成する、本発明の銅多層配線構造の形成方法の一工程を示す図である。 ボンディングパッドを形成する、本発明の銅多層配線構造の形成方法の一工程を示す図である。 図１（ｄ）を上から見た図である。 フリップチップが形成された、本発明の銅多層配線構造を示す図である。 銅配線の層においてＣｕ除去幅が周辺除去幅よりも長い場合の、本発明の銅多層配線構造を示す図である。 銅配線の層において周辺除去を行わない場合の、本発明の銅多層配線構造を示す図である。 パッドスルーホール露光パターンを用いた場合の、本発明の銅多層配線構造を示す図である。 Ｃｕ除去幅が周辺除去幅よりも短い場合の銅単層配線構造を示す図である。 Ｃｕ除去幅が周辺除去幅よりも短い場合の銅単層配線構造を形成する工程を示す図である。 ボンディングパッドを形成する、従来技術の銅多層配線構造の形成方法の一工程を示す図である。 ボンディングパッドを形成する、従来技術の銅多層配線構造の形成方法の一工程を示す図である。 ボンディングパッドを形成する、従来技術の銅多層配線構造の形成方法の一工程を示す図である。 ボンディングパッドを形成する、従来技術の銅多層配線構造の形成方法の一工程を示す図である。 図８（ｄ）を上から見た図である。

符号の説明

１ 半導体ウエハ
２ 絶縁膜
３ 溝形成用絶縁膜
４ エッチングマスク
５ バリアメタル
６ 銅配線
７ 絶縁膜
８ プラグ形成用絶縁膜
９ バリアメタル
１０ 層間接続プラグ
１１ 絶縁膜
１２ 溝形成用絶縁膜
１３ バリアメタル
１４ 銅配線
１５ Ｃｕ残り
１６ Ｃｕ残り
１７ 絶縁膜
１８ パッド形成用絶縁膜
１９ エッチングマスク
２０ バリアメタル
２１ パッドアルミ
２２ ウエハ周辺近傍領域
２３ 配線パターン形成領域
２４ バンプパッド
２５ ＵＢＭ
２６ バンプ

Claims (2)

1. 集積回路が形成されたウエハ上に、該集積回路の銅配線を形成する方法であって、前記ウエハの縁から該ウエハ中心に向けて、銅配線パターン部の銅を除去することにより、ウエハ外周に位置するバリアメタルおよび該バリアメタル上に形成された前記銅配線パターン部に対しては、コーナー部の断面形状をL字型とするとともに、前記バリアメタルについて前記銅配線パターン部よりも前記ウエハの縁の方向に延在させ、その他の銅配線パターン部については銅が保持されたものとする工程と、
   前記ウエハ上にボンディングパッドまたはアンダーバンプメタル用のスルーホールを形成するための絶縁膜を形成する工程と、
   前記ウエハの縁から該ウエハ中心に向けて、前記銅が除去された前記銅配線パターン部を超えないように、前記絶縁膜を除去する工程と、
   前記銅が除去された前記銅配線パターン部における前記バリアメタルの表面の断面形状がＬ字型となるコーナー部を含む領域上の前記絶縁膜と、前記銅を除去する工程において銅が保持された銅配線パターン部上の前記絶縁膜とに、前記スルーホールを形成する工程と、
   前記スルーホールに前記ボンディングパッドまたは前記アンダーバンプメタルを形成する工程と、
   を具備することを特徴とする銅配線の形成方法。
2. 集積回路と、該集積回路の銅配線が形成されたウエハであって、前記ウエハの縁から該ウエハ中心に向けて、銅配線パターン部の銅が除去されることにより、ウエハ外周に位置するバリアメタルおよび該バリアメタル上に形成された銅配線パターン部が、コーナー部の断面形状がL字型とされるとともに、前記バリアメタルについては前記銅配線パターン部よりも前記ウエハの縁の方向に延在する銅除去部と、銅が保持されたものと、を含み、銅が保持された各銅配線パターン部の上にボンディングパッドまたはフリップチップが形成されたウエハにおいて、
   前記ウエハ上にボンディングパッドまたはアンダーバンプメタル用のスルーホールを形成するために形成され、前記ウエハの縁から該ウエハ中心に向けて、前記銅が除去された前記銅配線パターン部を超えないように除去されている絶縁膜を備え、
   前記スルーホールは、前記銅が除去された前記銅配線パターン部における前記バリアメタルの表面の断面形状がＬ字型となるコーナー部を含む領域上の前記絶縁膜と、前記銅除去部の、銅が保持された銅配線パターン部上の前記絶縁膜とに、形成され、
   前記ボンディングパッドまたは前記アンダーバンプメタルは、前記スルーホールに形成されていることを特徴とするウエハ。

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