JP6068326B2 - 多層配線用パッド構造の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多層配線用パッド構造および多層配線用パッド構造の製造方法に関し、特に、ＧａＡｓ系およびＩｎＰ系などの化合物半導体から成る半導体集積回路に適用される多層配線用パッド構造に関する。

ＧａＡｓ系およびＩｎＰ系などの化合物半導体から成る高周波用の半導体集積回路（高速集積回路）に使用される配線構造において、伝搬遅延を低減するためには、誘電率が低く厚膜を容易に形成できるベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）やポリイミドなどの有機材料を用いた層間絶縁膜と、抵抗率が低く厚膜を容易に形成できる金（Ａｕ）を用いた配線を組み合わせることが有効である。さらに、高速集積回路の小型化・高機能化を進めるために、配線構造の多層化が求められている。

図７に、高速集積回路で使用される従来の多層配線用パッド構造の一例を示す。同図には、３つの配線層を有する多層配線用パッド構造の断面が模式的に示されている。同図に示されるように、基板と配線との絶縁を確保するために、基板１０１上に絶縁膜１０２が堆積され、絶縁膜１０２上に第１の配線１１３が形成されている。また、第１の配線１１３上に、第１の層間絶縁膜１０３が堆積されている。第１の層間絶縁膜１０３は、第１の配線１１３が形成された領域よりも若干小さい領域が除去（または、開口）されている。さらに、第１の層間絶縁膜１０３が除去された領域（コンタクトホール）を包含するように第２の配線１２３が形成され、第２の配線１２３の上に、第２の層間絶縁膜１０４が堆積される。第２の層間絶縁膜１０４は、第２の配線１２３が形成された領域よりも若干小さい領域が除去されて開口が設けられている。そして、第２の層間絶縁膜１０４が除去された領域（コンタクトホール）を包含するように、第３の配線１３３が形成されている。

図７に示す従来の多層配線用パッド構造では、層間絶縁膜に開口を形成することによって生じる段差が、その上に形成される配線の断面形状に反映されてしまう。この段差は配線数を増やす毎に累積されるため、配線の多層化を進めるほど、パッドの周囲領域１９１がそれ以外の領域１９２よりも高くなってしまう。このようにパッドの周囲領域１９１が盛り上がった形状になると、集積回路チップをパッケージなどに実装する際に問題が生じる。すなわち、パッドに金ワイヤなどをボンディングするときに、ボンディング装置のツール先端部がパッド周辺（パッドの周囲領域１９１の盛り上がった部分）に接触してしまい、うまくボンディングを実施することができない虞がある。パッド面積を十分大きくすればこの問題は回避することができるが、それでは集積回路チップが大きくなってしまうために、パッケージ部品の小型化に支障をきたす。また、集積回路チップが大きくなってしまうと、一枚あたりのウエハから取得できるチップ数も減ってしまうので，コストの観点からも望ましくない。

上記問題を解決するためのパッド構造が、例えば特許文献１に開示されている。
図８は、特許文献１に開示された従来の多層配線用パッド構造を示す図である。同図には、３つの配線層を有する多層配線用パッド構造の模式的な断面が示されている。同図に示されるように、第１の層間絶縁膜２０３、あるいは、第２の層間絶縁膜２０４に数多くの小さいコンタクトホールが形成され、当該コンタクトホールに配線用の金属を埋め込むことによってパッドの平坦化を実現している。

図９は、図８に示したパッド構造の製造方法の一例を示したものである。図９Ａに示されるように、先ず、基板と配線との絶縁を確保するために、基板２０１上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）からなる絶縁膜２０２を堆積させた後、絶縁膜２０２上にＡｕを主成分とする第１の配線２１３を形成し、さらに第１の配線２１３の上にＢＣＢを堆積することによって第１の層間絶縁膜２０３を形成する。次に、図９Ｂに示されるように、公知のリソグラフィー技術により、複数の小さいコンタクトホール２７１を形成するためのレジストマスク２５１を形成し、よく知られた反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）法を用いて第１の層間絶縁膜２０３の一部を選択的に除去する。次に、図９Ｃに示されるように、レジストマスク２５１を除去した後に、タングステン（Ｗ）とＡｕの積層構造から成るめっき用下地薄膜２２１を堆積する。ここで、Ｗは第１の層間絶縁膜２０３との密着性を向上させるために用いている。次に、図９Ｄに示されるように、めっき用下地薄膜２２１の上に、第２の配線２２３を形成するためのレジストマスク２５２を形成し、電解めっき法を用いてＡｕを選択的に堆積する。このとき、Ａｕは等方的に堆積されるため、コンタクトホール２７１の径（図８において参照符号ｄ３で示される間隔）が十分小さければ、コンタクトホール２７１にＡｕが埋め込まれると同時に、第２の配線２２３の表面が平坦化されていく。すなわち、小さいコンタクトホールを多数設けることによって、パッド内に形成される層間絶縁膜の凹凸形状を細かくし、Ａｕめっき堆積によってその凹凸をならしていくわけである。ここで、コンタクトホールが小さくとも、平面視で見て、例えば、格子状に数多くのコンタクトホールを一様に配置しておけば、第１の配線２１３と第２の配線２２３の電気的接触抵抗を十分に小さくすることは容易である。

その後、図９Ｅに示されるように、レジストマスク２５２を除去し、よく知られたミリング法などを用いて第２の配線２２３が形成されていないめっき用下地薄膜２２１の一部を除去すれば、２層配線構造が実現される。次に、図９Ｆに示されるように、さらにＢＣＢを堆積することによって第２の層間絶縁膜２０４を形成する。このとき、第２の配線２２３の厚さが大きければ、第２の層間絶縁膜２０４は、第２の配線２２３の領域で盛り上がった形状となり、自ずとパッドの周囲領域２９１がパッドの周囲領域２９１以外の領域２９２に比べて低くなる。この結果は、ボンディング装置のツール先端部がパッド周囲（パッドの周囲領域２９１）に接触しにくくなることを意味しており、ボンディングに対して有利に働くことになる。その後、図９Ｇに示すように、第２の層間絶縁膜２０４に対して複数の小さいコンタクトホールを形成し、ＷとＡｕの積層構造から成るめっき用下地薄膜２３１を堆積する。そして、電解めっき法を用いて第３の配線２３３を形成し、ミリング法などを用いて、第３の配線２３３が形成されていないめっき用下地薄膜２３１の一部を除去することにより、ボンディングに対して理想的な断面形状が実現される。

特開２００９−１８８２２８号公報

図７に示した従来の多層配線用パッド構造では、金属配線が直接積層されているため機械的強度が最も優れている。しかしながら、前述したように、パッド周囲が盛り上がった形状をしているため、パッドに金ワイヤなどを圧着するときに、ボンディング装置のツール先端部がパッド周囲に接触してしまう虞がある。最悪の場合、ボンディング不良が発生し、チップの実装ができない事態となる。

一方、図８に示した従来の他の多層配線用パッド構造を用いれば、図９に示したようにパッド周囲が盛り上がった形状とはならないため、ボンディング装置のツール先端部がパッド周囲に接触する危険性はない。そのため、多層配線構造を用いた面積の小さいパッドを形成する場合であっても、ボンディング不良を回避することが可能となる。しかしながら、図８に示したパッド構造では、層間絶縁膜に有機材料を用いた場合に機械的強度が減少してしまうという弱点は否めない。機械的強度が足りないと、ボンディングの際に、最上層の金属配線やその直下の層間絶縁膜などが変形してしまう虞がある。最上層の金属配線等が変形してしまうと、場合によっては、最上層の金属配線が破れ、直下の層間絶縁膜が外気に露出してしまう。このことは、以下に示すような半導体集積回路の耐湿性の低下という問題を引き起こす。

例えば、化合物半導体から成る集積回路チップを実装する際に、低コスト化のため、プラスティックパッケージを用いる場合がある。プラスティックパッケージを用いた場合、パッケージ本体のみによって半導体装置の耐湿性を確保することが困難であるので、集積回路チップ自体を保護膜で覆い、耐湿性機能を持たせる必要がある。ただし、パッドに関してはボンディングなどにより電気配線を繋げる必要があるため、パッドの中心部分は耐湿性を確保するための保護膜（耐湿性保護膜）で被覆されず、被覆されるのはパッド周囲のみである。そのため、当然、パッド自体にも耐湿性が強く求められる。通常は、耐湿性保護膜で被覆できないパッドの表面はＡｕで構成されているため、外気によってパッド表面が酸化・劣化することはなく、かつ、耐湿性に対しても優れた特性を示す。しかしながら、図８に示した従来のパッド構造では、上述したように、ボンディングの際に層間絶縁膜が外気に露出してしまうことが有り得るので、十分な耐湿性が確保されているとは云い難い。特に、層間絶縁膜に有機材料を用いた場合、緻密な構造とはなっていないので、気密性が一気に劣化する虞がある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ボンディング不良が発生せず、かつ、耐湿性の高い多層配線用パッド構造およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明に係る多層配線用パッド構造の製造方法は、半導体基板上に形成された下層配線上に層間絶縁膜を堆積する層間絶縁膜形成工程と、前記層間絶縁膜中に当該層間絶縁膜を挟む上下の配線を電気的に接続するためのコンタクトホールを一つ形成するコンタクトホール形成工程と、前記コンタクトホールの側壁を含む前記層間絶縁膜の表面、および前記コンタクトホール形成工程によって露出した前記下層配線の表面に、めっき用下地金属薄膜を堆積する下地金属薄膜形成工程と、前記コンタクトホールの内部に開口パターンを有する第１のレジストマスクを形成することによって、前記コンタクトホールの内部に、金属を選択的にめっき堆積することにより単数または複数の支柱を形成する支柱形成工程と、前記第１のレジストマスクを除去した後に、第２のレジストマスクを形成することによって、前記層間絶縁膜、前記下層配線、および前記支柱の上に、上層配線を選択的にめっき堆積する上層配線形成工程と、前記第２のレジストマスクを除去した後に、前記上層配線が形成されていない部分の前記めっき用下地金属薄膜を除去する下地金属薄膜除去工程とを有することを特徴とする。

以上説明したことにより、本発明によれば、金属配線が金属支柱を介して積層されていることから機械的強度が確保され、ボンディングによるパッドの変形を抑えることができる。仮にパッドが変形したとしても、有機材料から成る層間絶縁膜が露出することはないので、耐湿性が劣化しない。また、本発明によれば、パッド周囲が盛り上がった形状とならないので、金ワイヤなどを圧着する際に、ボンディング装置のツール先端部がパッド周囲に接触してしまうというおそれはない。そのため、多層配線構造を用いた面積の小さいパッドを用いても、ボンディング不良を回避することが可能となる。すなわち、本発明によれば、ボンディング不良が発生せず、かつ、耐湿性の高い多層配線用パッド構造を提供することができる。

さらに、本発明に係るパッド構造を集積回路チップに適用することで、集積回路チップの小型化が可能となり、かつ、プラスティックパッケージも使用することができる。すなわち、本発明によれば、パッケージ部品の低コスト化に有利となる。

図１は、実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の断面を模式的に示す図である。 図２は、実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の平面を模式的に示す図である。 図３Ａは，実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の製造方法を説明するための図である。 図３Ｂは，実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の製造方法を説明するための図である。 図３Ｃは，実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の製造方法を説明するための図である。 図３Ｄは，実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の製造方法を説明するための図である。 図３Ｅは，実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の製造方法を説明するための図である。 図３Ｆは，実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の製造方法を説明するための図である。 図３Ｇは，実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の製造方法を説明するための図である。 図３Ｈは，実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の製造方法を説明するための図である。 図３Ｉは，実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の製造方法を説明するための図である。 図３Ｊは，実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の製造方法を説明するための図である。 図３Ｋは，実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の製造方法を説明するための図である。 図４は、実施の形態２に係る多層配線用パッド構造の断面を模式的に示す図である。 図５は、実施の形態３に係る多層配線用パッド構造の断面を模式的に示す図である。 図６は、実施の形態３に係る多層配線用パッド構造の平面を模式的に示す図である。 図７は、従来の多層配線用パッド構造の断面を模式的に示す図である。 図８は、特許文献１に開示された従来の多層配線用パッド構造の断面を模式的に示す図である。 図９Ａは、図８に示す従来の多層配線用パッド構造の製造方法の一例を示す図である。 図９Ｂは、図８に示す従来の多層配線用パッド構造の製造方法の一例を示す図である。 図９Ｃは、図８に示す従来の多層配線用パッド構造の製造方法の一例を示す図である。 図９Ｄは、図８に示す従来の多層配線用パッド構造の製造方法の一例を示す図である。 図９Ｅは、図８に示す従来の多層配線用パッド構造の製造方法の一例を示す図である。 図９Ｆは、図８に示す従来の多層配線用パッド構造の製造方法の一例を示す図である。 図９Ｇは、図８に示す従来の多層配線用パッド構造の製造方法の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

≪実施の形態１≫
図１に、本発明の実施の形態１に係る多層配線用パッド構造を示す。同図には、一例として、３つの配線層を有する多層配線用パッド構造の模式的な断面が示されている。
同図に示される多層配線用パッド構造１００は、例えば、高周波用の半導体集積回路が形成される集積回路チップ（半導体チップ）の外部電極として用いられる。上記集積回路チップは、例えば半導体パッケージに封止され、一つの半導体装置を実現する。上記半導体パッケージとしては、プラスティックパッケージを例示することができる。以下、多層配線用パッド構造１００の具体的な構成について説明する。

図１に示されるように、多層配線用パッド構造１００において、半導体基板１と配線との絶縁を確保するために半導体基板１上に例えばＳｉＯ₂から成る絶縁膜２が堆積され、絶縁膜２上に第１の配線１３が形成されている。第１の配線１３は、例えばＡｕを主成分とする金属材料で形成される。半導体基板１は、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成される基板である。

また、多層配線用パッド構造１００において、第１の配線１３上に例えば有機絶縁材料を堆積することによって、第１の層間絶縁膜３が形成されている。上記有機絶縁材料は、例えばＢＣＢである。さらに、第１の層間絶縁膜３を貫通するコンタクトホール７１が形成されている。コンタクトホール７１は、例えば、公知のリソグラフィー技術により、第１の配線１３が形成された領域よりも若干小さい領域に開口パターンを有するレジストマスクを形成した後に、よく知られたＲＩＥ法を用いて第１の層間絶縁膜３の一部を選択的に除去することにより形成される。

また、多層配線用パッド構造１００において、コンタクトホール７１周辺の第１の層間絶縁膜３の表面の一部、コンタクトホール７１を形成している層間絶縁膜３の側壁、およびコンタクトホール７１によって露出した第１の配線１３の上に、めっき用下地薄膜２１が形成されている。めっき用下地薄膜２１は、例えば、ＷとＡｕの合金から形成される。めっき用下地薄膜２１上には、コンタクトホール７１を包含するように第２の配線２３が形成されている。第２の配線２３は、例えばＡｕを主成分とする金属材料で構成される。ここで、めっき用下地薄膜２１に使用されているＷは、第１の層間絶縁膜３と第２の配線２３との密着性を向上させるために用いられている。

また、多層配線用パッド構造１００において、第２の配線２３上にＢＣＢを堆積することによって、第２の層間絶縁膜４が形成されている。第２の層間絶縁膜４には、当該層間絶縁膜を貫通するコンタクトホール７２が形成されている。コンタクトホール７２は、例えば、公知のリソグラフィー技術により、第２の配線２３が形成された領域よりも若干小さい領域に開口パターンを有するレジストマスクを形成した後に、よく知られたＲＩＥ法を用いて第２の層間絶縁膜４の一部を選択的に除去することにより形成される。

多層配線用パッド構造１００において、コンタクトホール７２周辺の第２の層間絶縁膜４の表面一部、コンタクトホール７２を形成している層間絶縁膜４の側壁、およびコンタクトホール７２によって露出した第２の配線２３の上には、めっき用下地薄膜３１が形成されている。めっき用下地薄膜３１は、例えば、ＷとＡｕの合金から構成される。

多層配線用パッド構造１００において、コンタクトホール７２内部のめっき用下地薄膜３１の上には、金属から成る構造体（以下、「金属支柱」とも称する。）３２が形成されている。金属支柱３２は、例えばＡｕを主成分とする金属材料で構成される。特に制限されないが、金属支柱３２は、例えば平面視矩形状とされる。

さらに、多層配線用パッド構造１００において、第３の配線３３が、めっき用下地薄膜３１と金属支柱３２の上に、コンタクトホール７２の領域を包含するように形成されている。具体的に、第３の配線３３は、パッドとなる最上位の配線パターン３３０の部分と、最上位の配線パターン３３０とその直下の第２の配線２３とを電気的に接続する貫通配線３３１の部分とから構成されている。貫通配線３３１は、コンタクトホール７２内部に金属支柱３２を配置することによって半導体基板１の平面方向に形成された隙間に金属材料が充填されることにより形成される。第３の配線３３は、例えばＡｕを主成分とする金属材料で構成される。なお、めっき用下地薄膜３１に使用されているＷは、第２の層間絶縁膜４と第３の配線３３との密着性を向上させるために用いられている。

また、多層配線用パッド構造１００において、図示はしないが、最上位の層間絶縁膜４および第３の配線３３の周辺領域９１の一部を覆うように、例えば窒化シリコンから成る保護膜が形成されている。これにより、上記保護膜で被覆された層間絶縁膜４等に対する損傷や水分の侵入を防ぐことが可能となる。

ここで、金属支柱３２を配置することによってコンタクトホール７２の内部に形成される隙間について、図１および図２を用いて詳細に説明する。
図２は、実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の平面を模式的に示す図である。なお、図１に示した多層配線構造１００の断面は、図２におけるＸ−Ｘ’線の断面に対応している。

金属支柱３２を配置することによって形成される隙間の間隔は、最上位の配線パターン３３０の厚さＸ１の２倍以下とするのが望ましい。具体的には、図１および図２に示されるように、金属支柱３２とコンタクトホール７２を形成している層間絶縁膜４の側壁との間隔ｄ１を、第２の層間絶縁膜４上に配置された最上位の配線パターン３３０の厚さＸ１の２倍以下とするのが望ましい。この状態で電解めっき法によってＡｕを等方的に堆積させた場合、金属支柱３２の側壁や、コンタクトホール７２を形成している層間絶縁膜４の側壁からも、第３の配線３３と同じ厚さのＡｕが図１の横方向（半導体基板１の平面方向）に堆積される。その結果、金属支柱３２と層間絶縁膜４の側壁との隙間がＡｕで埋め込まれて貫通配線３３１が形成され、第３の配線３３の表面（最上位の配線パターン３３０の表面）も平坦に形成される。これにより、従来のパッド構造（例えば図７のパッド構造）のように、パッド（最上位の配線パターン３３０）における周囲領域９１がそれ以外の領域９２に比べて盛り上がった形状とはならず、ボンディング不良を防ぐことが可能となる。

仮に、金属支柱３２とコンタクトホール７２を形成している層間絶縁膜４の側壁との間隔ｄ１を第２の層間絶縁膜４上に配置された最上位の配線パターン３３０の厚さの２倍よりも大きくしたとすると、金属支柱３２と層間絶縁膜４の側壁との隙間がＡｕで完全に埋め込まれないため最上位の配線パターン３３０の表面が平坦にならず、好ましくない。

なお、金属支柱３２とコンタクトホール７２を形成している層間絶縁膜４の側壁との間隔ｄ１の下限値は、金属支柱３２を堆積するために形成するレジストマスクの合わせ余裕によって決まる。詳細は後述するが、金属支柱３２を電解めっき法で堆積する前に、コンタクトホール７２の内部に開口パターンを有するレジストマスクを形成する必要がある。このとき、当然、上記レジストマスクの開口パターンがコンタクトホール７２の内部に確実に納まっていなければならない。例えば、通常、化合物半導体から成る半導体集積回路で使用される配線や層間絶縁膜の厚さは数μｍであるため、コンタクトホール７２を形成している層間絶縁膜４の側壁と金属支柱３２との間隔を１μｍ以上にしておけば、一般的に使用されている縮小投影型露光装置を用いて、問題なくレジストパターンを所望の位置に合わせることが可能である。

次に、実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の製造方法について説明する。
図３Ａ乃至３Ｋは，実施の形態１に係る多層配線用パッド構造の製造方法を説明するための図である。

先ず、図３Ａに示すように、半導体基板１と配線との絶縁を確保するために半導体基板上１に、例えばＳｉＯ₂からなる絶縁膜２を堆積させ、その絶縁膜２上に、例えばＡｕを主成分とする第１の配線１３を形成する。次に、第１の配線１３上に、例えばＢＣＢを堆積することによって第１の層間絶縁膜３を形成する。次に、図３Ｂに示されるように、公知のリソグラフィー技術によってコンタクトホール７１を形成するためのレジストマスク５１を第１の層間絶縁膜３上に形成し、例えばよく知られたＲＩＥ法を用いて第１の層間絶縁膜３の一部を選択的に除去する。次に、図３Ｃに示されるように、レジストマスク５１を除去した後に、例えばＷとＡｕの合金から成るめっき用下地薄膜２１を堆積する。次に、図３Ｄに示されるように、めっき用下地薄膜２１の上に、第２の配線２３を形成するためのレジストマスク５２を形成し、電解めっき法を用いてＡｕを選択的に堆積することによって第２の配線２３を形成する。次に、図３Ｅに示されるように、レジストマスク５２を除去し、例えばミリング法などを用いて、第２の配線２３が堆積されないめっき用下地薄膜２１の一部を除去すれば、２層配線構造が実現される。

その後、図３Ｆに示されるように、ＢＣＢを堆積し、第２の配線２３上に、第２の層間絶縁膜４を形成する（層間絶縁膜形成工程）。次に、図３Ｆに示されるように、コンタクトホール７１と同様に、コンタクトホール７２を形成するためのレジストマスク５３を形成し、例えばＲＩＥ法を用いて第２の層間絶縁膜４の一部を選択的に除去する（コンタクトホール形成工程）。次に、図３Ｇに示されるように、レジストマスク５３を除去した後に、ＷとＡｕの合金から成るめっき用下地薄膜３１を、コンタクトホール７２の側壁を含めた第２の層間絶縁膜４の表面、および、上記コンタクトホール形成工程によって露出した第２の配線２３の表面に堆積する。

その後、公知のリソグラフィー技術によって、コンタクトホール７２の内部に開口パターンを有するレジストマスク５４を形成する。このとき、レジストマスク５４の開口端とコンタクトホール７２を形成している層間絶縁膜４の側壁との間隔が、上層配線の厚さ（第３の配線３３の最上位の配線３３０パターンの厚さＸ１）の２倍以下となるようにレジストマスク５４を設計しておく。例えば、最上位の配線パターン３３０の厚さが３μｍであれば、レジストマスク５４の開口端とコンタクトホール７２を形成している層間絶縁膜４の側壁との間隔を６μｍ以下としておけばよい。また、層間絶縁膜４の厚さが数μｍであれば、上記間隔を１μｍ以上としておけば、一般的に使用されている縮小投影型露光装置を用いて、レジストマスク５４の開口パターンを前記コンタクトホール７２の内部に確実に納めることが可能である。このようにレジストマスク５４を形成した後に、図３Ｈに示されるように、電解めっき法を用いてＡｕを選択的に堆積することにより、金属支柱３２を形成する（支柱形成工程）。

その後、図３Ｉに示すように、レジストマスク５４を除去する。ここで、金属支柱３２の高さは、第２の層間絶縁膜４の厚さ（例えば図３Ｉにおける半導体基板１の平面と垂直方向の高さ）と同程度にしておくとよい。次に、図３Ｊに示されるように、第３の配線３３を形成するためのレジストマスク５５を形成し、めっき用下地薄膜３１ならびに金属支柱３２の上にＡｕを選択的にめっき堆積し、第３の配線３３を形成する（上位配線形成工程）。このとき、Ａｕは等方的に堆積されるため、コンタクトホール７２を形成している層間絶縁膜４の側壁と金属支柱３２との間隔が十分小さければ、両者の隙間にＡｕが埋め込まれると同時に、第３の配線３３の表面が平坦化される。その後、図３Ｋに示されるように、レジストマスク５５を除去し、例えばよく知られたミリング法などを用いて、第３の配線３３が堆積されていないめっき用下地薄膜３１の一部を除去する（下地金属薄膜除去工程）。これにより、３層配線構造が実現される。

以上、実施の形態１に係る多層配線用パッド構造によれば、配線３３が有機材料からなる層間絶縁膜ではなく金属支柱３２を介して積層されていることから、機械的強度が確保され、ボンディングによるパッドの変形を抑えることができる。仮にパッドが変形したとしても、有機材料から成る層間絶縁膜４が露出することはないので、耐湿性が劣化しない。また、本多層配線用パッド構造によれば、パッドの周囲領域９１が盛り上がった形状とならないので、金ワイヤなどを圧着する際に、ボンディング装置のツール先端部がパッドの周囲領域９１に接触してしまうという虞はない。そのため、パッドの面積を小さく形成しても、ボンディング不良を回避することが可能となる。すなわち、実施の形態１に係る多層配線用パッド構造によれば、ボンディング不良を回避し、かつ、耐湿性の向上を図ることができる。

≪実施の形態２≫
図４に、本発明の実施の形態２に係る多層配線用パッド構造を示す。同図には、一例として、３つの配線層を有する多層配線用パッド構造の模式的な断面が示されている。
前述したように、実施の形態１に係る多層配線用パッド構造１００では、第１の配線１３と第２の配線２３とがコンタクトホール７１において積層され、金属支柱３２が最上層の配線３３直下の配線２３上にのみ形成されている。これに対し、実施の形態２に係る多層配線用パッド構造２００は、最上位の層間絶縁膜４のコンタクトホール７２のみならず、層間絶縁膜４以外の層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールにおいても金属支柱が形成される点で、実施の形態１に係る多層配線用パッド構造１００と相違する。その他の構成は実施の形態１に係る多層配線用パッド構造１００と同様である。以下の説明においては、実施の形態１に係る多層配線用パッド構造１００と共通する構成要素については同一の符号を用いて表し、その詳細な説明は省略する。

具体的に、図４に示す多層配線用パッド構造２００では、金属支柱が、最上位の配線３３に対する全ての下層配線上に形成されている。例えば、図４に示すように、第１の配線１３上に金属支柱２２が形成され、第２の配線２５上に金属支柱３２が形成されている。
第２の配線２５は、めっき用下地薄膜２１と金属支柱２２の上に、コンタクトホール７１の領域を包含するように形成されている。より具体的には、第２の配線２５は、最上位の配線３３と同様に、層間絶縁膜３上に形成される配線パターン２５０と、配線パターン２５０とその直下の第１の配線１３とを電気的に接続する貫通配線２５１とから構成される。
貫通配線２５１は、コンタクトホール７１内部に金属支柱２２を配置することによって形成された平面方向の隙間に充填されている。この隙間は、前述したコンタクトホール７２内部の隙間と同様に、コンタクトホール７２が形成される層間絶縁膜３の直上の配線２５の厚さＸ２の２倍以下とするのが望ましい。具体的には、コンタクトホール７１を形成する層間絶縁膜３の側壁と当該側壁に隣接する金属支柱２２との間隔である。これによれば、電解めっき法によってＡｕを等方的に堆積させることで、金属支柱２２と層間絶縁膜３の側壁との隙間がＡｕで埋め込まれて貫通配線２５１が形成されるとともに、第２の配線２５の表面（配線パターン２５０の表面）も平坦化することができる。

上記のように、第２の配線２５が金属支柱２２の上に形成されるため、第２の配線２５上に堆積される層間絶縁膜４は、パッドの中心部分に向かって盛り上がった形状（パッド中央部が盛り上がった形状）となる。このパッド中央部の盛り上がりは、図４に示されるように、第３の配線３３を形成した後も維持されることになる。この特徴は、ワイヤ（例えば金ワイヤ）をパッドにボンディングする際に、ボンディング装置のツール先端部がパッド周辺（例えばパッドの周辺領域９１）に接触しにくくなることを意味しており、ボンディングに対して有利に働くことになる。なお、パッド中央部の盛り上がりの程度は、電解めっき法などによる配線を形成する金属の堆積時間を制御することによって、金属支柱２２、３２の高さを調整することで適宜変更可能である。

上述した多層配線用パッド２００は、実施の形態１に係る多層配線用パッド構造１００の製造方法の素工程を適宜用いることで製造することができる。例えば、めっき用下地薄膜２１を形成する工程と第２の配線２５を形成する工程との間に、開口パターンを有するレジストマスクを形成し、電解めっき法により金属支柱２２を堆積する工程を加えればよい。

以上、実施の形態２に係る多層配線用パッド構造２００によれば、パッド中央部が盛り上がった形状となるので、ボンディング不良がより発生し難くなり、耐湿性の更なる向上が期待できる。

≪実施の形態３≫
図５に、本発明の実施の形態３に係る多層配線用パッド構造を示す。同図には、一例として、３つの配線層を有する多層配線用パッド構造の模式的な断面が示されている。
前述したように、実施の形態２に係る多層配線用パッド構造２００では、金属支柱が、最上層の配線３３に対する夫々の下層配線上に一つ形成されている。これに対し、実施の形態３に係る多層配線用パッド構造３００では、夫々の下層配線上に（夫々の層間絶縁膜のコンタクトホール内に）金属支柱が複数形成される点で、実施の形態２に係る多層配線用パッド構造２００と相違する。その他の構成は、実施の形態１に係る多層配線用パッド構造１００や実施の形態２に係る多層配線用パッド構造２００と同様である。以下の説明においては、多層配線用パッド構造１００、２００と共通する構成要素については同一の符号を用いて表し、その詳細な説明は省略する。

具体的に、多層配線用パッド構造３００は、図５に示されるように、第１の配線１３上に複数の金属支柱２２Ａが形成され、第２の配線２５上に複数の金属支柱３２Ａが形成されている。金属支柱２２Ａ、３２Ａは、例えばＡｕを主成分とする金属材料で構成される。特に制限されないが、夫々の金属支柱２２Ａ、３２Ａは、例えば平面視矩形状とされる。

第３の配線３３は、上述した多層配線用パッド構造１００と同様に、めっき用下地薄膜２１と複数の金属支柱２２Ａの上に、コンタクトホール７２の領域を包含するように形成されている。具体的に、第２の配線３３は、パッドとなる配線パターン３３０の部分と、配線パターン３３０とその直下の第２の配線２５とを電気的に接続する複数の貫通配線３３１Ａの部分とから構成されている。複数の貫通配線３３１Ａは、上述した貫通配線３３１と同様に、複数の金属支柱３２Ａを配置することによってコンタクトホール７２内部に形成された平面方向の隙間に、金属材料が充填されることにより形成される。

ここで、複数の金属支柱３２Ａを配置することによってコンタクトホール７２の内部に形成される隙間について、図５および図６を用いて詳細に説明する。
図６は、実施の形態３に係る多層配線用パッド構造３００の平面を模式的に示す図である。なお、図５で示した多層配線構造３００の断面は、図６におけるＹ−Ｙ’線の断面に対応している。

コンタクトホール７２の内部に、複数の金属支柱３２Ａを配置することによって形成される隙間の間隔は、上述した多層配線用パッド構造１００と同様に、配線３３の厚さＸ１の２倍以下とするのが望ましい。具体的には、図５および図６に示されるように、層間絶縁膜４の側壁と当該側壁に隣接する金属支柱３２Ａとの間隔ｄ１を配線パターン３３０の厚さＸ１の２倍以下とし、且つ隣接する金属支柱３２Ａ同士の間隔ｄ２を配線３３０の厚さＸ１の２倍以下とすることが望ましい。
これによれば、電解めっき法によってＡｕを等方的に堆積させることで、金属支柱３２Ａと層間絶縁膜４の側壁との隙間のみならず、金属支柱３２Ａ同士の隙間にもＡｕを埋め込んで複数の貫通配線３３１Ａを形成することができるので、最上位の配線３３の表面を平坦化することが可能となる。これは、実施の形態１で述べた、めっきＡｕの等方的な堆積機構に基づいている。

金属支柱３２Ａ同士の間隔ｄ２の下限値は、金属支柱３２Ａを堆積するために形成するレジストマスクのパターン解像度によって決まる。例えば、通常、化合物半導体から成る半導体集積回路で使用される配線や層間絶縁膜の厚さは数μｍであるため、レジストマスクを用いて加工するには、レジストマスクも同程度の厚さにする必要がある。この場合に、レジストマスクのパターン幅を１μｍ以上にしておけば、一般的に使用されている縮小投影型露光装置を用いて良好なレジストマスクを形成することが可能である。

なお、複数の金属支柱２２Ａを配置することによってコンタクトホール７１内部に形成される平面方向の隙間についても、上記と同様に、コンタクトホール７１が形成される層間絶縁膜３直上の配線２５の厚さの２倍以下とするのが望ましい。具体的には、コンタクトホール７１を形成する層間絶縁膜３の側壁と当該側壁に隣接する金属支柱２２Ａとの間隔ｄ１を第２の配線２５の厚さＸ２の２倍以下とし、コンタクトホール７１内に形成された隣接する金属支柱２２Ａ同士の間隔ｄ２を第２の配線２５の厚さＸ２の２倍以下とすることが望ましい。これによれば、金属支柱２２と層間絶縁膜３の側壁との隙間のみならず、金属支柱２２Ａ同士の隙間にＡｕを埋め込むことができ、第２の配線２５の表面を平坦化することができる。

上述した多層配線用パッド構造３００は、実施の形態１に係る多層配線用パッド構造１００の製造方法の素工程を適宜用いることで製造することができる。例えば、実施の形態２に係る多層配線用パッド構造２００の製造方法において、金属支柱２２Ａを形成する工程および金属支柱３２Ａを形成する工程で使用する夫々のレジストマスクに小さな開口パターンを複数設けておけば、複数の金属支柱２２Ａ、３２Ａを容易に形成することができる。

以上、実施の形態３に係る多層配線用パッド構造３００によれば、多層配線用パッド構造２００と同様に、ボンディング不良がより発生し難くなり、耐湿性の更なる向上が期待できる。

また、実施の形態３に係る多層配線用パッド構造３００によれば、形状の小さな金属支柱３２Ａ、２２Ａを複数形成するので、金属支柱３２Ａ、２２Ａ自体の表面も平坦化し易くなり、最上位の配線３３の平坦化に有効である。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

例えば、上記実施の形態では、配線の層数が３層の場合を例に示したが、特に３層に限るものではなく、２層や４層、それ以上の層数の場合にも適用可能である。

また、層間絶縁膜に用いられる有機絶縁材料として、ＢＣＢを例示したが、これに限られず、例えばポリイミド等の別の有機絶縁材料を用いることも可能である。例えば、層間絶縁膜に感光性ポリイミドを用いれば、ＲＩＥ法を用いずに、露光・現像工程だけでコンタクトホールを形成することができ、工程を短縮させることが可能となる。

また、上記実施の形態では、高速集積回路（高周波回路）に有利な有機材料を層間絶縁膜に用いる場合を例示したが、有機材料の代わりに、ＳｉＯ₂や窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの無機材料も層間絶縁膜に用いることができる。

また、上記実施の形態では、配線を形成する金属材料としてＡｕを用いる場合を例示したが、これに限定されるものではなく、めっき法で形成できるのであれば、別の金属材料であってもよい。例えば、Ａｕの代わりに銅（Ｃｕ）等を用いてもよい。

また、上記実施の形態では、配線１３、２３、３３等と金属支柱２２、３２に同一の金属材料（Ａｕ）を用いる場合を例示したが、めっき法で形成できる金属（例えば、ＡｕやＣｕ）であれば、両者を異なる金属材料で構成してもよい。

また、上記実施の形態では、半導体基板１０１が化合物半導体である場合を例示したが、シリコンであってもよい。

また、上記実施の形態では、金属支柱２２、２２Ａ、３２、および３２Ａが平面視矩形状である場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、平面視円形状や矩形を面取りした形状等であっても良い。また、実施の形態１、２の金属支柱３２、２２を、平面方向と垂直な方向に貫通穴を有する形状（例えばリング形状）としてもよい。この場合、その貫通穴の径は上記間隔ｄ２と同様とし、貫通配線３３１、３３１Ａと同様に、その貫通穴に金属材料を堆積させてもよい。

また、実施の形態２，３では、最上位の層間絶縁膜のみならず、下位層の全ての層間絶縁膜のコンタクトホール内に金属支柱が形成される場合を例示したが、これに限られず、下位層の層間絶縁膜のうち少なくとも一つの層間絶縁膜のコンタクトホール内に、金属支柱を形成する構成であっても良い。例えば、４層以上の配線層を有する多層配線用パッド構造の場合には、最上位の層間絶縁膜のコンタクトホール内と、その直下の層間絶縁膜のコンタクトホール内にのみ、金属支柱を形成してもよい。

１００、２００、３００…多層配線用パッド構造、１…半導体基板、２…絶縁膜、３、４…層間絶縁膜、１３…第１の配線、２３、２５…第２の配線、３３…第３の配線、３３０、２５０…配線パターン、３３１、３３１Ａ、２５１…貫通配線、２２、２２Ａ、３２、３２Ａ…金属支柱、２１、３１…めっき用下地膜、７１、７２…コンタクトホール、ｄ１、ｄ２…隙間の間隔、Ｘ１、Ｘ２…配線の厚さ、９１、９２…パッドにおける領域。

Claims (1)

1. 半導体基板上に形成された下層配線上に層間絶縁膜を堆積する層間絶縁膜形成工程と、
   前記層間絶縁膜中に、当該層間絶縁膜を挟む上下の配線を電気的に接続するためのコンタクトホールを一つ形成するコンタクトホール形成工程と、
   前記コンタクトホールの側壁を含む前記層間絶縁膜の表面、および前記コンタクトホール形成工程によって露出した前記下層配線の表面に、めっき用下地金属薄膜を堆積する下地金属薄膜形成工程と、
   前記コンタクトホールの内部に開口パターンを有する第１のレジストマスクを形成することによって、前記コンタクトホールの内部に、金属を選択的にめっき堆積することにより単数または複数の支柱を形成する支柱形成工程と、
   前記第１のレジストマスクを除去した後に、第２のレジストマスクを形成することによって、前記層間絶縁膜、前記下層配線、および前記支柱の上に、上層配線を選択的にめっき堆積する上層配線形成工程と、
   前記第２のレジストマスクを除去した後に、前記上層配線が形成されていない部分の前記めっき用下地金属薄膜を除去する下地金属薄膜除去工程と
   を有することを特徴とする多層配線用パッド構造の製造方法。

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