JP4355836B2 - Ｃｕ膜とＣｕバンプの接続方法、Ｃｕ膜とＣｕバンプの接続装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
微細化と高速化がすすむＬＳIの多層配線において、アルミニューム（Al）にかわり銅（Ｃｕ）配線が開発された。ＣｕはＡｌより低抵抗であるために微細化配線にしたときの信号遅延を防止する効果がある。原理的には高速配線が作製できるのであるが、実際には製造上の困難があるために高速配線が歩留まり良くはできない。歩留まりを下げる原因を突き止めると、それは接続孔のＣｕと配線のＣｕのコンタクト抵抗が大きくなるためであることが分析の結果判明した。原因はＣｕの酸化物が工程のなかで形成されるためで、これがコンタクト抵抗を大きくさせていることも判明した。これを取り除けば良好なコンタクトが形成できることが分かったので、アルゴンをイオン化させて衝突させる方法でＣｕの酸化物を取り除く工程を導入した。これにより歩留まりの改善が図られた。しかし、微細化がさらに進み、接続孔（コンタクト孔）が従来の直径０．２μｍからさらに小さくなり０．１５μｍ以下になると、再びコンタクト抵抗が上昇してコンタクト抵抗の良品歩留まりが低下して製造上の障害となった。Ａｒのイオン衝撃は効果があるが、コンタクト孔の直径が小さくなったために、効果が小さくなったためであることが分かっており、これに変わる技術が必要であった。本技術は０．１５μｍ以下の孔でも有効にＣｕの酸化物を除去する製造技術を提供する。
【０００２】
金属と金属を接続する装置が真空室を有していれば、上記のイオン化が可能である。しかし、真空を有する装置は高価となる弊害がある。従って、チップをバンプを用いて回路のボードに接続したり、配線が形成されたチップとトランジスタが形成されたチップを接続する後工程では高価な工程が使用できないために、接続歩留まりの課題があった。金属と金属を高い歩留まりで接続する技術はシリコンウエハの上の配線工程においても、出来上がった配線と他の配線を接続する工程でも、非常に重要な技術である。
【０００３】
【従来の技術】
従来技術としてＡｒのイオン衝撃が使われている。これはＡｒを減圧下で満たして高周波でプラズマ化して基板にバイアスを印加し適度にＡｒイオンを加速して衝突させる。加速されたイオンはコンタクト孔に入射して底部のＣｕ酸化物をスパッタリングしてこれを除去する。有効にイオンが底部に入射するように、イオンを垂直に入射させるように加速する。また、除去が有効に起こるように結果を評価しながら時間を調節する。この処理を前処理と呼び、図１に示す構造の処理室で行う。この技術は有効であったが、コンタクトの孔が０．１５μｍ以下になると、イオンが十分に進入できないために、効果が弱くなるという欠点を持っていた。今後はさらに小さくなり、０．１３μｍ，０．１０μｍになるとその効果は期待できない。また、完全にＣｕ酸化物を除去するために数分にわたる処理を行うと、電荷が表面に不均一に残存してそれが基板に形成されたトランジスタのゲートに強いバイアスを与えてトランジスタを破壊するというモードの障害が現れて、調整の範囲を逸脱することも分かってきたので、プラズマを用いる処理は今後つかえないことが判明した。
【０００４】
これを改善する技術として水素還元という方法が試みられている。水素をマイクロ波を使いプラズマ化すると活性な水素ラジカルが生成される。これを処理室に導きＣｕの表面を還元してＣｕの金属表面を露出させる考えである。Ｃｕに化合してる酸素は原理的には還元されるが、この方法では薄いＣｕ酸化物しか除去できないことも分かってきた。Ｃｕ酸化物はコンタクトの孔の大きさにより異なる厚さで形成される。また、コンタクト孔の形成後空気中で放置される時間に応じて酸化量が異なるのに加えて、この厚さはレジストアッシング工程にさらされる時間や、アッシング工程中にＣｕ表面を酸素から保護するプラズマ窒化膜の厚さや性質に依存することも分かってきた。一つのチップ内ではさまざまな大きさのコンタクト孔があり、上に述べた工程依存と合わせてＣｕの厚さは不均一に分布することになり、電荷をもたない水素ラジカルによるＣｕ酸化物の除去の工程も一定の条件では完全な技術でないことが判明した。厚さに依存しないで、微細なコンタクト孔の底のＣｕ酸化物を除去する技術が要求されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
課題の説明をＣｕ配線の場合で説明すると典型的でわかりやすい。接続前のＣｕ表面にはＣｕの酸化物が形成されており、これがコンタクト特性を劣化させることは分かっている。酸化物をイオンの衝撃取り除く技術での問題点を整理してあげると
１） 直径が０．１５μｍ以下のコンタクト孔の底にイオンが十分に入らないこと
２） イオンの電荷が不均一に分布してそれがトランジスタを破壊すること
であった。イオンの代わりにラジカルを用いる技術がある。
【０００６】
水素ラジカルを用いる技術の課題は
１） 酸化物の酸素だけを化学反応で除くメカニズムなので厚いＣｕ酸化物を除去できないこと
であった。
【０００７】
直径が小さい深いコンタクト孔によく侵入してＣｕの酸化物を高速で除去し、Ｃｕの金属表面で反応がストップして、時間に依存しないで全てのコンタクト孔の底面のＣｕ酸化物を除去することが必要である。金属の酸化物を除去する目的で有機の酸が用いられることが既に知られている。鉛を過熱してバンプ（球形の粒）を形成するときに、表面についてる鉛酸化物を有機酸に浸したり、あるいは雰囲気暴露して除去して安定にバンプを作る技術がある。シュウ酸や蟻酸がこのような目的に使用される。このことから、このような有機酸はＣｕの酸化物除去に有効であることは容易に類推された。イオンを使わないために電荷に関係する現象もなく金属酸化物を除去できることも予想できる。しかし、コンタクトの孔のような０．１５μｍ以下の孔の中にこのような酸を接触させることは表面張力の関係で不可能である。即ち、液体は孔の中に進入できないのと、もし一度入るとその液体を抜くことは難しくなる。液体で使うのでなく希薄気体になるように他の不活性ガスで希釈しても小さなコンタクト孔に入ったものは出口を失うために液化してしまい抜けなくなる。このような困難は容易に類推されるので、液体の有機酸を使うことはコンタクト孔のＣｕ酸化物エッチには考えられなかった。また、蟻酸などはＡｌと激しく反応して白熱光を発して蟻酸を還元するなどＡｌを多用する半導体製造装置で使うことは想定できなかった。以上の事情と性質を承知した上で、蟻酸でコンタクト孔の底のＣｕ酸化物を除去する技術を発明した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、反応室内に、全面に形成されたＣｕ膜と表面に形成されたＣｕバンプとがそれぞれ露出されたＳｉウエハとＳｉチップとを配置し、蟻酸中にキャリアーガスを導入し、バブリングして蟻酸ガスを発生させ、前記反応室内を排気しながら前記蟻酸ガスを前記反応室内に導入し、前記Ｓｉウエハと前記Ｓｉチップを加熱しながら、前記Ｃｕ膜と前記Ｃｕバンプを前記蟻酸ガスに接触させ、前記Ｃｕ膜と前記Ｃｕバンプの清浄面を露出させ、前記反応室内で前記Ｓｉウエハと前記Ｓｉチップとを押圧して前記Ｃｕ膜と前記Ｃｕバンプとを接触させ、前記Ｃｕ膜と前記Ｃｕバンプとを接続させるＣｕ膜とＣｕバンプの接続方法である。
請求項２記載の発明は、反応室と、前記反応室内に配置された上部ヒータと下部ヒータと、前記反応室に接続された蟻酸ガス供給器と、前記反応室にコールドトラップを介して接続された排気ポンプとを有し、前記上部ヒータに全面にＣｕ膜が形成されたＳｉウエハを貼付し、前記下部ヒータに表面にＣｕバンプが形成されたＳｉチップを載置し、前記Ｓｉウエハと前記Ｓｉチップとを押圧して前記Ｃｕ膜と前記Ｃｕバンプとを押圧可能に構成され、前記蟻酸ガス供給器は、容器と、前記容器内に配置された蟻酸とを有し、前記容器内の前記蟻酸にキャリアーガスを吹き込み、前記蟻酸ガスを発生させ、前記キャリアーガスと共に前記蟻酸ガスを前記反応室内に導入するように構成されたＣｕ膜とＣｕバンプの接続装置である。
【０００９】
以上の課題を工程技術と装置技術の面からしらべた。Ｃｕ金属表面が出た時点でＣｕ酸化物の除去反応が停止しないと、さまざまな厚みの酸化膜が分布して存在する実際のＳｉウエハ工程には使用できない。そこでこの停止機能が備わっているかを基本的な工程特性としてしらべた。表面が酸化されたＣｕの上に酸化膜パタンを形成して、それに蟻酸の蒸気を窒素をキャリアーガスとして運び、エッチングの深さの変化を調べた。Ｃｕ酸化層の厚みは約０．１μｍであったが1分程度でそれが消失した。さらに時間を増やしてもそれ以上のエッチングは進まないことから、蟻酸はＣｕの酸化膜を除去した時点で反応が停止することが判明した。この現象を化学的見地から考察した。
【００１０】
蟻酸の化学構造を図２に示す。ＯＨは電子の偏りをもっており分極している。二つの蟻酸分子が接近しているときに、プラスに分極している金属が間にあると水素を放出して金属を抱きかかえるような構造に変化できる確率がある。ＣｕにＯが化合しているときはＣｕはプラスに分極していると考えられ、水素を放出した蟻酸2分子に抱かれた構造ができるモデルを想像している。そのような構造があれば、Ｃｕの酸化物だけが選択的にエッチングされる現象が説明できる。蟻酸は貯蔵中にゆっくりと自己反応を起こしＣＯを発生してガラス製の容器を破裂させることが知られているので、水素を放出して分解をすることは考えられる。故意に触媒作用のあるようなＮｉに接触させると爆発的に分解することも知られている。Ａｌと激しく反応することが知られている。従って、ＡｌやＮｉの容器に貯蔵はできないことが分かっているが、今回のＣｕ酸化物のエッチング速度の実験で金属Ｃｕが侵されないことが判明したので、Ｃｕで覆われた容器やパイプが扱うための部品材料として使えることが判明した。
【００１１】
蟻酸はＣｕの酸化物を速やかにエッチングしてＣｕの金属表面で反応がとまることが確認できたので、７，８）の課題は解決した。ウエハ表面に均一に供給する製造装置の開発課題がある。ステンレスの容器に蟻酸を貯蔵できるが、中身が見えないのと金属の酸化物が汚染として容器内に発生することも考えられるので、有機物でできた容器が望ましい。ここではテフロン(テフロンは登録商標)でできた容器を用いた。蟻酸の導入には金属で部品ができた通常のマスフローコントローラは長時間使用で損傷するので、窒素をキャリアーとするバブリングという方法で導入量を制御する方法を用いた。この一般的方法で蟻酸は容器の外に少量づつ放出させることが可能であることが確認できた。この方法により蟻酸を金属と接触させづに真空の反応室に導くことができた。反応室は減圧にできるようにステンレスで形成されている。ステンレスは蟻酸に侵食されないことは目視で確認できたが、それは酸化物で一様に覆われているからであると理解した。長時間の使用ではそのような状況を安定に維持するのは望めないので、内壁をテフロン(テフロンは登録商標)材料でカバーして用いる。真空反応室に導入された蟻酸はよく拡散してウエハ基板表面に供給されて、基板の上に形成されたＣｕ配線の表面にあるＣｕ酸化物を除去する。蟻酸は１０３℃で揮発する物質であるので、十分に減圧にして１００℃以上に加熱すれば無くなるので、基板表面から完全に除くことができる。反応室に残留した蟻酸は窒素ガスでパージして排出する。以上のようにして１−６）の製造課題を解決できた。
【００１２】
【発明の実施の形態】
【実施例１】
コンタクト抵抗の歩留まりが改善することを確認するために、コンタクト抵抗を測定するためのテストウエハを用いた。Cu配線を１０Ｋ個のＣｕコンタクトで接続して抵抗を測定して一個あたりのコンタクト抵抗に換算できる。下の配線、コンタクト、上の配線をつくる工程を示す。
【００１３】
工程番号
１． Ｓｉ基板（8インチ）
２． 熱酸化膜成長 １００ｎｍ
３． TEOS酸化膜成長 ５００ｎｍ
４． メタル洗浄
５． ＜一層目のメタル露光＞
６． エッチング（５００ｎｍ）
７． アッシング
８． バリアーメタル成長（ＴｉＮ，２０ｎｍ）
９． アニール（枚葉式ラピッドサーマル）
１０． シードＣｕ成長（スパッタＣｕ２５ｎｍ）
１１． アニール（枚葉ラピッドサーマル）
１２． めっきＣｕ成長（１．２μｍ）
１３． アニール（バッチ式200℃）
１４． 化学機械研磨CMP（酸化膜止め）
１５． シリコン窒化膜SiN成長（２０ｎｍ）
１６． 低誘電率層間膜LOW-K成長（５００ｎｍ）
１７． キャップ酸化窒化膜（ＳｉＯＮ２０ｎｍ）
１８． ＜1層目コンタクト孔露光＞
１９． 孔のエッチング（ＳｉON／LOW-K／ＳｉN）
２０． アッシング
２１． 蟻酸処理
２２． バリアメタル（ＴｉＮ、 ２０nm）
２３． シードＣｕ
２４． めっきＣｕ
２５． CMP
２６． 蟻酸処理
２７． ＳｉN
２８． ＬＯＷ−Ｋ
２９． ＳｉON
３０． ＜2層目のメタル露光＞
３１． エッチング（ＳｉON／ＬＯＷ−Ｋ／ＳｉＮ）
３２． アッシング
３３． 蟻酸処理
３４． バリアＴｉＮ
３５． シードＣｕ
３６． めっきＣｕ
３７． アニール
３８． ＣＭＰ
この工程では蟻酸によるＣｕ酸化物処理のあとは、再酸化防止のために大気に暴露せずにＴｉＮバリアーの成長に移る必要があったので、蟻酸の導入をＴｉＮ成長室に直接に行った。続けてシードＣｕをスパッタリングで成長させた。ＣｕのＣＭＰのあとに蟻酸処理をするためにＳｉＮ成長室に蟻酸導入を行った。これは、Ｃｕ表面が酸化されていると、ＳｉＮ膜とＣｕが剥離しやすいので、これの防止のために実施した。用いた蟻酸導入器の構成を図３に示す。この導入器をバリアーＴｉＮスパッタ装置とＳｉＮ成長装置に接続して用いた。ＴｉＮ装置の導入構成を図４に示す。
【００１４】
この装置を用いて蟻酸処理を行ったものと、行わないものの差をコンタクト抵抗の歩留まりで評価した。バブリングに用いた窒素の流量は２００ＳＣＣMとした。その結果を表１に示す。
【００１５】
【表１】

蟻酸処理を行わないものに較べて行ったものは歩留まり改善効果があった。また微細なコンタクトになればなるほど効果があることも確認された。
【００１６】
【実施例２】
Ｃｕ同士を接続する工程が要求されている。現在はボードやパッケージの銅配線基板に鉛を主成分とするバンプを介してチップを接続する工程が一般的である。今後は鉛バンプを介さずにＣｕ金属同士を接続する工程が増えると予想する。これが安定になると、インターポーザーに直接にＣｕバンプをぶつけて接続できるし、太いＣｕを用いた高速配線が形成されたチップを高速トランジスタが形成されたＣｕ配線チップに直接に接続することができる。Ｃｕ金属同士はきれいな金属表面ができていれば押し付けて接続できることが分かっていて、問題はきれいな金属表面を露出させて安定に接続する装置技術である。蟻酸で安定に清浄表面を形成させる装置技術を実現した。装置の構成を図５に示す。ステンレスの反応室に図3の供給器で蟻酸を導く。上部のヒーターには全面にＣｕをスパッタしたＳｉウエハが貼り付けてあり、上から一定の圧力で押すことができる。下部のセラミクスヒーターにはＣｕバンプを形成した試料を複数個載せる。バンプはＴｉＮをスパッタリングで成長させたシリコンウエハにレジストで直径０．１ｍｍの孔を形成してそれに電解めっきでＣｕを成長させて、レジスト除去をして作製した。それを一定の大きさに切断してバンプチップを作製し、それを毎回１０個置いて下部の試料とした。窒素５００ＳＣＣＭでバブリングして蟻酸を排気しながら導入した。導入は試料の表面をよくなぞるように、水平に分散させた流れがヒーター同士の隙間を通過するように構造を工夫した。ヒーター温度を１００℃とし６のコールドトラップまで排気管を含めて１００℃に過熱した。この処理のあと速やかに上部ヒーターを５ｋｇの重さで押し付けて1分経過させてＣｕ金属同士を接続した。よく接続できたものと接続しなかったチップの数で歩留まりの相対評価をおこなった。このときテープをバンプチップ裏面に貼り、Ｃｕ同士が接続して剥がれないものを良品という判断基準にした。その結果を表２に示す。
【００１７】
【表２】

蟻酸ガスに接触させることにより、大きく接続歩留まりが向上した。完全でないのは、さらにバンプ試料の表面形状や高さの制御に依存してると判断した。同様の実験をＰｂバンプとＩｎバンプについても行い、処理を行わないものと比較して相対効果を確認できた。
【００１８】
【発明の効果】
金属と金属を接続させるときに、表面の酸化物を除去することが必要であるが、安価に効率よく行うことが必要である。本発明では有機酸、とりわけ蟻酸を用いてそれを行うときに、損傷を与えづに安定して行う装置構成と装置材料構成を見出した。半導体製造装が安定に稼動することにより、安定した低いコンタクト抵抗、安定した金属同士の接続が利用できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の前処理室の図
【図２】蟻酸の化学構造の図
【図３】蟻酸の導入器の図
【図４】蟻酸導入器を接続したＴｉＮ成長装置の図
【図５】金属と金属を接続する実験装置の図
【符号の説明】
１……Ｓｉ基板 ２……直流と高周波バイアス

Claims (2)

1. 反応室内に、全面に形成されたＣｕ膜と表面に形成されたＣｕバンプとがそれぞれ露出されたＳｉウエハとＳｉチップとを配置し、
   蟻酸中にキャリアーガスを導入し、バブリングして蟻酸ガスを発生させ、
   前記反応室内を排気しながら前記蟻酸ガスを前記反応室内に導入し、
   前記Ｓｉウエハと前記Ｓｉチップを加熱しながら、前記Ｃｕ膜と前記Ｃｕバンプを前記蟻酸ガスに接触させ、前記Ｃｕ膜と前記Ｃｕバンプの清浄面を露出させ、
   前記反応室内で前記Ｓｉウエハと前記Ｓｉチップとを押圧して前記Ｃｕ膜と前記Ｃｕバンプとを接触させ、前記Ｃｕ膜と前記Ｃｕバンプとを接続させるＣｕ膜とＣｕバンプの接続方法。
2. 反応室と、
   前記反応室内に配置された上部ヒータと下部ヒータと、
   前記反応室に接続された蟻酸ガス供給器と、
   前記反応室にコールドトラップを介して接続された排気ポンプとを有し、
   前記上部ヒータに全面にＣｕ膜が形成されたＳｉウエハを貼付し、前記下部ヒータに表面にＣｕバンプが形成されたＳｉチップを載置し、
   前記Ｓｉウエハと前記Ｓｉチップとを押圧して前記Ｃｕ膜と前記Ｃｕバンプとを押圧可能に構成され、
   前記蟻酸ガス供給器は、
   容器と、
   前記容器内に配置された蟻酸とを有し、
   前記容器内の前記蟻酸にキャリアーガスを吹き込み、前記蟻酸ガスを発生させ、前記キャリアーガスと共に前記蟻酸ガスを前記反応室内に導入するように構成されたＣｕ膜とＣｕバンプの接続装置。

Images