JP6115684B2 - 半導体装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば電極に用いられるメタル層を有する半導体装置とその半導体装置の製造方法に関する。
特許文献1には、絶縁膜の側壁にウェット処理によりバリア層、シード層、及び配線層を形成する技術が開示されている。
日本特開2006−16684号公報
GaAsで形成された半導体基板と、Cu、Ag、又はAuで形成されたメタル層の間にバリア層を設けることがある。バリア層は、メタル層の材料が半導体基板へ拡散することを防止するために設けられる。バリア層の材料としては、TiW、W、Ta、TaN、Ti、TiN、Co、Pd、又はRuが考えられる。これらの材料のうちPd以外の材料をバリア層とした場合、バリア層とGaAsの反応性が低いので、バリア層と半導体基板の密着性が不十分であった。
また、Pdをバリア層とした場合、バリア層とGaAsの反応性が高いので、バリア層と半導体基板は合金を形成しやすい。この合金が形成されたことでバリア層がバリア層として機能しなくなり、メタル層の材料が半導体基板へ拡散する問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、メタル層の材料が半導体基板へ拡散することを防止し、かつ半導体基板とその上の層との密着性が高い半導体装置とその半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本願の発明に係る半導体装置は、GaAsで形成された半導体基板と、該半導体基板の上にPd又はPdを含む合金で形成された密着層と、該密着層の上にCo又はCoを含む合金で形成されたバリア層と、該バリア層の上にCu、Ag、又はAuで形成されたメタル層と、を備え、該密着層と該半導体基板の界面にはPd−Ga−As層が形成されたことを特徴とする。
本願の発明に係る半導体装置の製造方法は、GaAsで形成された半導体基板の上にPd又はPdを含む合金で密着層を形成する工程と、該密着層の上にCo又はCoを含む合金でバリア層を形成する工程と、該半導体基板、該密着層、及び該バリア層を25℃〜250℃にまで昇温し、該密着層にPd−Ga−Asを形成し、該密着層と該バリア層の間にCoとPdを含む合金層を形成する熱処理工程と、を備えたことを特徴とする。
本願の発明に係る他の半導体装置の製造方法は、GaAsで形成された半導体基板の上にPd又はPdを含む合金で密着層を形成する工程と、該半導体基板に無電解めっきを施し、該密着層の上にCo−P又はCo−W−Pでバリア層を形成する工程と、該バリア層の上にCu、Ag、又はAuでメタル層を形成する工程と、を備え、該密着層と該半導体基板の界面にはPd−Ga−As層が形成されたことを特徴とする。


本発明によれば、GaAsで形成された半導体基板とメタル層の間に、Pd又はPdを含む合金で形成され半導体基板と接する密着層と、Co又はCoを含む合金で形成されたバリア層を設けるので、メタル層の材料が半導体基板へ拡散することを防止し、かつ半導体基板とその上の層との密着性を高めることができる。
実施の形態1に係る半導体装置の断面図である。 XPSデプス分析の結果を示す図である。 図3Aは熱処理前のサンプルの断面図である。図3Bは熱処理後のサンプルの断面図である。 実施の形態2に係る半導体装置の断面図である。 図5Aは熱処理前のサンプルの断面図である。図5Bは熱処理後のサンプルの断面図である。 図6Aは熱処理前のサンプルのXPSデプス分析の結果を示す図である。図6Bは熱処理後のサンプルのXPSデプス分析の結果を示す図である。 実施の形態3に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 XPS解析の結果を示すグラフである。 XPS解析の結果を示すグラフである。 4つのサンプル(Pd−P、Ni−P、Co−P、Co−W−P)の特性を示す表である。 バリア層をCo−W−P無電解めっきで形成した半導体装置の断面図である。 図12Aは熱処理前のサンプルの断面図である。図12Bは熱処理後のサンプルの断面図である。 図13Aは熱処理前のサンプルのXPSデプス分析の結果を示す図である。図13Bは熱処理後のサンプルのXPSデプス分析の結果を示す図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置10の断面図である。半導体装置10は、GaAsで形成された半導体基板12を備えている。半導体基板12の上には密着層14が形成されている。密着層14はPd又はPdを含む合金(以後、Pd又はPdを含む合金を、Pd材料という)で形成されている。Pdを含む合金とは、例えばPd−P(Pd−PはPdとPの合金を示す、以後同様にハイフンを用いて合金を表す)である。
密着層14の上にはバリア層16が形成されている。バリア層16はCo又はCoを含む合金(以後、Co又はCoを含む合金を、Co材料という)で形成されている。密着層14とバリア層16は次のように形成する。まず、前処理として、半導体基板12を例えば5%の希塩酸に5分浸漬する。その後、例えば蒸着法又はスパッタリング法により真空雰囲気内で密着層14とバリア層16を連続して形成する。密着層14とバリア層16を連続して形成することで、これらを別工程で形成した場合と比べて、密着層14の表面の酸化及び汚染を防止できる。
バリア層16の上にはメタル層18が形成されている。メタル層18はCu、Ag、又はAuで形成されている。メタル層18は、例えば半導体装置10の電極として機能する。
図2は、GaAsで形成された半導体基板上にPd層を蒸着したサンプルについてのXPSデプス分析の結果を示す図である。XPSデプス分析は、As−depo状態(成膜直後の状態)のサンプルに対して実施した。図2から、Pd層はPd−Ga−Asの合金層となっていることが分かる。Pd−Ga−Asが形成されることにより、Pd層は半導体基板に対して高い密着性を有していると考えられる。
実施の形態1の半導体装置10では、半導体基板12の上にPd材料で密着層14を形成したので、密着層14にはPd−Ga−Asが形成される。よって、半導体基板とその上の層(密着層14)との十分な密着性を得ることができる。
さらに、PdとCoは全率固溶体を構成する関係にあるため、Pd材料で形成された密着層14と、Co材料で形成されたバリア層16の間にPd−Coが形成される。よって、密着層14とバリア層16の密着性も良好である。例えばバリア層としてW、Ta、Ti、又はRuを採用すると、これらはいずれもPdと全率固溶体を構成する関係にないので、密着層とバリア層が十分に密着しない。そのため、バリア層16はCo材料で形成することが好ましい。
Co材料で形成されたバリア層16と、GaAsで形成された半導体基板12は反応性が低いため合金化しない。よって、バリア層16によりメタル層18の材料が半導体基板12へ拡散することを防止できる。
図3Aは、GaAsで形成された半導体基板と、Cuで形成されたメタル層の間に、Pd層を設けたサンプルの断面図である。図3Bは、このサンプルを270℃で3時間熱処理した後のサンプルの断面図である。図3Bから、Pd層は半導体基板と完全に反応し、メタル層がほとんど消失していることが分かる。つまり、Pd層はメタル層に対するバリア性を失っている。このように、半導体基板とメタル層の間にPd層だけを設けるとメタル層の材料(Cu)が半導体基板へ拡散する。これを防止するためには、本発明の実施の形態1のようにCo材料で形成されたバリア層16が必要である。
本発明の実施の形態1に係る半導体装置10は様々な変形が可能である。例えば、メタル層18は、下層にAuを有し、上層にCuを有する2層構造としてもよい。このAuは、蒸着、スパッタリング、又は無電解置換Auめっきで形成できる。無電解置換Auめっきでは、例えば、亜硫酸Auと亜硫酸Naが含まれるめっき液を用いる。バリア層16のCoはAuよりイオン化傾向が高いので、無電解Auめっき液中でAuが置換してAuを形成することができる。
Auを無電解めっきで形成することで低コストなプロセスの構築が可能となる。また、Co材料の表面の腐食及び酸化を抑制できる。Auを無電解めっきで形成することで、貫通電極構造(ビア)のような凹凸形状に対してAuを均一に形成することができる。なお、スパッタリング法及び蒸着法では凹凸形状に対して均一にAuを形成できない。
しかも、上層のCuは下層のAuに対して高い密着性を有する。Cuを電気めっきで形成する場合、Auの存在により電気抵抗が下がる。よって、めっき成長が安定し、めっき表面の荒れ、及びウェハ(半導体基板)面内の膜厚ばらつきを抑制できる。このように、メタル層をAuとCuの2層構造とすると、メタル層をCuだけで形成した場合と比較して、半導体基板12の上の構造(電極)全体の電気抵抗値を下げることができる。
なお、メタル層18は、電極としてではなく配線として用いてもよい。これらの変形は、以下の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法にも応用できる。以下の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法については、実施の形態1との相違点を中心に説明する。
実施の形態2.
図4は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置50の断面図である。密着層52は全体がPd−Ga−Asで形成されている。密着層52とバリア層16の間にCoとPdを含む合金層54が形成されている。
半導体装置50の製造方法について説明する。まず、GaAsで形成された半導体基板12の上にPd又はPdを含む合金(Pd材料)で密着層を形成する。次いで、密着層の上にCo又はCoを含む合金(Co材料)でバリア層16を形成する。
次いで、半導体基板、密着層、及びバリア層を25℃〜250℃にまで昇温する。これにより、密着層52(Pd−Ga−As)を形成し、密着層52とバリア層16の間にCoとPdを含む合金層54を形成する。この工程は熱処理工程と称する。熱処理工程は、窒素雰囲気中で1時間程度実施することが好ましい。
熱処理工程について説明する。Pd材料と半導体基板(GaAs)は20℃以上で反応を開始するので、熱処理工程によりPd材料と半導体基板12の反応が促進する。Pd材料の厚さが5nm程度であれば、熱処理の温度が25℃程度でも密着層はすべてPa−Ga−Asになる。また、CoとPdは全率固溶体を構成する関係にあるため、比較的低い熱により、これらの界面に合金層54が形成される。
このように、熱処理工程を設けることで、Pd−Ga−Asで形成された密着層52、及びCo−Pdで形成された合金層54を形成することができる。よって、層間の密着性を高めることができる。
図5Aは、GaAsで形成された半導体基板上に5nmのPd膜を介してCo−Pを形成した直後のサンプルの断面図である。図5Bは、このサンプルに250℃で1時間の熱処理を施した後のサンプルの断面図である。図5Bから、熱処理前後でCo−Pの層厚はほとんど変化しないことが分かる。図6Aは、GaAs/Pd/Co−P/Auの組成を有するAs−depo状態のサンプルについてのXPSデプス分析の結果を示す図である。スラッシュ(/)の左側の層の上に/の右側の層が形成される。従って、このサンプルは、GaAsの上にPd層があり、Pd層の上にCo−Pがあり、Co−Pの上にAuがある。Pd層の層厚は数nmである。図6Bは、図6Aで分析したサンプルに対し250℃で1時間熱処理を施した後のXPSデプス分析の結果を示す図である。熱処理後にもGaAs/Pd/Co−P/Auの組成が維持されることが分かる。よって、図5の断面図及び、図6のXPSデプス分析の結果から、Co材料は、GaAsで形成された半導体基板に拡散しにくいことが分かる。また、別の実験により、Co−Pは375℃以下で半導体基板(GaAs)と反応しないことが分かった。従って、Co材料で形成されたバリア層16がGaAsと反応してCu(メタル層)に対するバリア性を損ねることはないので、メタル層18の材料が半導体基板12へ拡散することを防止できる。
ところで、上記の熱処理工程はメタル層18の形成後に行うことが好ましい。バリア層16のCoと、メタル層18のCu、Ag、又はAuは全率固溶体を構成する関係にあるため、熱処理工程によってこれらの界面に合金層を形成することができる。当該合金層を形成するためには、例えば250℃で1時間の熱処理を実施するのが好ましい。当該合金層を形成することで層間の密着性が高まり、半導体装置の特性を向上させたり、半導体装置を小さくしたりすることができる。
密着層52は全体がPd−Ga−Asで形成されず、一部がPd−Ga−Asで形成されていてもよい。
実施の形態3.
図7は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。この製造方法の特徴の1つはバリア層を無電解めっきで形成することである。まず、GaAsで形成された半導体基板の表面酸化物等を除去するため、例えば5%の希塩酸で5分間前処理を行う(ステップ100)。
次いで、ステップ102に処理を進める。ステップ102では、GaAsで形成された半導体基板の上にPd又はPdを含む合金で密着層を形成する。密着層は、例えば、半導体基板表面に対してPd活性化処理を行って形成する。Pd活性化処理は、例えば、30℃以下の塩化パラジウム溶液などのPdイオンを含む液に半導体基板を3分浸漬する処理である。
密着層の層厚は1nm以上30nm以下とすることが好ましい。この範囲より厚いと密着性不良となり、薄いと密着層の上に形成するCo−P等の形成不良となる。上記の工程によれば、密着層(Pd層)を1nm〜30nm程度形成することができる。
図8は、Pd活性化処理後における半導体基板のXPS解析の結果を示すグラフである。図8には、GaAsで形成された半導体基板(GaAs基板)にPd活性化処理を施した場合のXPS解析結果と、Siで形成された半導体基板(Si基板)にPd活性化処理を施した場合のXPS解析結果が示されている。GaAs基板のXPSスペクトルには、Pd3d軌道のピ−クが表れているので、GaAs基板に十分にPdが付着していることが分かる。
他方、Si基板のXPSスペクトルにはPd3d軌道のピークが表れていないので、Si基板にPdを形成することはできないことが分かる。図9は、Si基板にPd活性化処理を施した場合のSi2p軌道のXPS解析の結果を示すグラフである。SiOのピ−クが検出されているので表面が酸化していることが分かる。Si基板の表面の酸化は、Pd活性化処理中にPd触媒による酸化還元反応が起きることが原因と考えられる。この酸化が原因でSi基板へはPdが密着しない。
次いで、ステップ104に処理を進める。ステップ104ではGaAs基板に余剰付着したPdを純水で洗い流す。ステップ104は省略してもよい。次いで、ステップ106に処理を進める。ステップ106では、半導体基板に無電解めっきを施し、密着層の上にCo−P又はCo−W−Pでバリア層を形成する。例えば、半導体基板を無電解Coめっき液に浸漬し、Co−Pを形成する。無電解Coめっき液は,例えば硫酸Coとフォスフィン酸ナトリウムに錯化剤などを加えためっき液である。
次いで、ステップ108へ処理を進める。ステップ108では、純水で半導体基板を洗い流す。ステップ108は省略してもよい。次いで、ステップ110へ処理を進める。ステップ110では、バリア層の上にCu、Ag、又はAuで形成されたメタル層を形成する。
本発明の実施の形態3に係る半導体装置の製造方法によれば、バリア層を無電解めっきで形成するので、バッチ処理でバリア層を形成できる。また、無電解めっきにより半導体基板だけにバリア層を形成できるので、チャンバー内壁全体に成膜してしまうスパッタリング法又は蒸着法と比べて成膜効率がよい。よって、プロセスコストを低下させることができる。
また、無電解めっきでバリア層を形成するので、貫通電極構造(ビア)のような凹凸形状に対してバリア層を均一に形成することができる。そのため、メタル層の材料が半導体基板へ拡散することを確実に防止できる。なお、スパッタリング法及び蒸着法では凹凸形状に対して均一にバリア層を形成できない。
図10は、4つのサンプル(Pd−P、Ni−P、Co−P、Co−W−P)の特性を示す表である。Pd−P、Ni−P、Co−P、Co−W−Pは、Pd活性化処理で5nm程度のPdが形成されたGaAs基板に対して無電解めっきで形成する。
図10の一番右側の欄には、各サンプルに対し250℃で1時間の熱処理を施した後の膜ストレスが示されている。熱処理後の膜ストレスは、Co−Pが最低となることが分かる。また、Co−W−Pの膜ストレスも小さい値となっている。Co−P及びCo−W−Pの膜ストレスが小さい理由は、CoはPd又はNiに比べてGaAs基板との反応性が低いためと考えられる。なお、Pd−Pは、20℃以上という低温でGaAs基板と反応するので、As−depo状態でも当該反応が進み、高い膜ストレスとなっている。このように、膜ストレスを低減するためにはCo材料でバリア層を形成するのが好ましい。
図11は、バリア層152をCo−W−P無電解めっきで形成した半導体装置150の断面図である。バリア層152に高融点金属であるWが入ることにより、メタル層18の材料(例えばCu)が半導体基板12へ拡散することを確実に防止できる。図12Aは、GaAs基板上にPd層(数nm)を介してCo−W−Pを形成したサンプルの断面図である。図12Bは、このサンプルに250℃で1時間の熱処理を施した後のサンプルの断面図である。熱処理の前後で、層厚および界面の状況に変化が見られない。図13Aは、GaAs/Pd/Co−W−P/Auの組成を有するAs−depo状態のサンプルについてのXPSデプス分析の結果を示す図である。スラッシュ(/)の左側の層の上に/の右側の層が形成される。図13Bは、図13Aで分析したサンプルに対し250℃で1時間熱処理を施した後のXPSデプス分析の結果を示す図である。熱処理後にもGaAs/Pd/Co−W−P/Auの組成が維持されることが分かる。よって、図12の断面図及び、図13のXPSデプス分析の結果から、Co−W−Pで形成されたバリア層はGaAs基板上での安定性が高いことが分かる。よって、メタル層の材料が半導体基板へ拡散することを確実に防止できる。
なお、ここまでで説明した各実施の形態の特徴は、適宜に組み合わせて用いてもよい。
10 半導体装置、 12 半導体基板、 14 密着層、 16 バリア層、 18 メタル層、 50 半導体装置、 52 密着層、 54 合金層、 150 半導体装置、 152 バリア層

Claims (11)

  1. GaAsで形成された半導体基板と、
    前記半導体基板の上にPd又はPdを含む合金で形成された密着層と、
    前記密着層の上にCo又はCoを含む合金で形成されたバリア層と、
    前記バリア層の上にCu、Ag、又はAuで形成されたメタル層と、を備え
    前記密着層と前記半導体基板の界面にはPd−Ga−As層が形成されたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記密着層は一部が前記Pd−Ga−Asで形成されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記密着層は全体が前記Pd−Ga−Asで形成されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記密着層と前記バリア層の間にCoとPdを含む合金層を備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記密着層の層厚は1nm以上30nm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. GaAsで形成された半導体基板と、
    前記半導体基板の上にPd又はPdを含む合金で形成された密着層と、
    前記密着層の上にCo又はCoを含む合金で形成されたバリア層と、
    前記バリア層の上にCu、Ag、又はAuで形成されたメタル層と、を備え、
    前記密着層と前記半導体基板の界面にはPd−Ga−As層が形成され、前記密着層はPd−Pで形成されたことを特徴とする半導体装置。
  7. 前記バリア層はCo−P又はCo−W−Pで形成されたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  8. GaAsで形成された半導体基板の上にPd又はPdを含む合金で密着層を形成する工程と、
    前記密着層の上にCo又はCoを含む合金でバリア層を形成する工程と、
    前記半導体基板、前記密着層、及び前記バリア層を25℃〜250℃にまで昇温し、前記密着層にPd−Ga−Asを形成し、前記密着層と前記バリア層の間にCoとPdを含む合金層を形成する熱処理工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 前記熱処理工程の前に、前記バリア層の上に、Cu、Ag、又はAuでメタル層を形成する工程を備えたことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
  10. GaAsで形成された半導体基板の上にPd又はPdを含む合金で密着層を形成する工程と、
    前記半導体基板に無電解めっきを施し、前記密着層の上にCo−P又はCo−W−Pでバリア層を形成する工程と、
    前記バリア層の上にCu、Ag、又はAuでメタル層を形成する工程と、を備え
    前記密着層と前記半導体基板の界面にはPd−Ga−As層が形成されたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 前記メタル層は、下層にAuを有し、上層にCuを有する2層構造であることを特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。
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