JPH10284498A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】フリップチップのバンプ電極部やＬＳＩ配線部
においてＣｕ膜とバリアメタルとの密着性に優れた半導
体装置を提供する。 【解決手段】ターゲットとしてチタンを用い、反応性ガ
スとして窒素ガスを用い、不活性ガスとしてアルゴンガ
スを用いた反応性スパッタリングにて、アルミ配線３を
有する基板１上に、チタンに対する窒素の組成比を
「１．５」以下としたＴｉＮ膜５を成膜する。ＴｉＮ膜
５の上に、Ｃｕ膜６を成膜する。不要領域のＴｉＮ膜５
およびＣｕ膜６を除去する。すると、ＴｉＮ膜５におけ
るチタンに対する窒素の組成比を「１．５」以下とする
半導体装置を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置に係
り、詳しくは、異なる材料からなる導電性材料を電気的
に接続するための技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、バンプ電極を用いたフリップチッ
プ実装技術として、Ｃｕ膜のバリアメタルとしてＴｉＮ
が検討されている（例えば、星野ら、信学技報、ＳＭＤ
９５−２０６（１９９５）３３頁）。しかし、ＴｉＮは
Ｃｕに対し濡れ性が悪いため、Ｃｕ／ＴｉＮ間で剥がれ
が生じるという報告がされている（古谷ら；秋季第５５
回応用物理学会発表（予稿集２１Ｐ−ＺＤ−５，ｐ．７
２５（１９９４））等参照）。

【０００３】その問題を解決するため、本願出願人は、
特開平８−１２４９２５号公報にてＣｕ／ＴｉＮ間に密
着層であるＴｉ膜を挿入し、Ｃｕ／ＴｉＮ間の剥がれを
防止することを提案している。

【０００４】この技術を図１３を用いて説明すると、シ
リコン基板３０の上面にＳｉＯ₂ 膜３１を介してアルミ
配線３２が延設され、その上はパッシベーション膜３３
にて覆われている。パッシベーション膜３３の一部には
開口部３３ａが形成され、開口部３３ａを含むパッシベ
ーション膜３３の上には、所定のパターンのバリアメタ
ルとしてのＴｉＮ膜３４と密着層としてのＴｉ膜３５と
バンプ成長用Ｃｕ膜３６とを介してＣｕバンプ電極３７
が配置されている。このように密着層としてのＴｉ膜３
５の存在により剥がれを防止して密着性の向上が図られ
る。

【０００５】しかしながら、製造の際に、ＴｉＮ膜３４
とＴｉ膜３５とバンプ成長用Ｃｕ膜３６を順に堆積した
後においてこの積層体の不要部分を除去すべくウェット
エッチングにてＣｕ膜を除去した後、Ｔｉ膜とＴｉＮ膜
を同時にエッチングする手法を用いた場合には、ＴｉＮ
膜３４とＴｉ膜３５のエッチングレートを比較すると、
Ｔｉに対するＴｉＮのエッチングレートが遅いためにＴ
ｉＮ膜３４を基準にしてエッチングを行うとＴｉ膜３５
がＴｉＮ膜３４よりも過大にエッチングされてしまいＴ
ｉ膜の径が細くなる。このような状態はバンプ電極の強
度という観点からするとあまり好ましいものではなく、
この点については未だ改良の余地がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明の目
的は、新規な構成にてフリップチップのバンプ電極部や
ＬＳＩ配線部においてＣｕ膜とＴｉＮ膜との密着性に優
れた半導体装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、ＴｉＮ膜におけるチタンに対する窒素の組成比
を「１．５」以下とすることにより、Ｃｕ膜とＴｉＮ膜
との間の密着性を向上させることができる。このよう
に、バリアメタルであるＴｉＮ膜とＣｕ膜の付着力を、
密着層としてのＴｉ膜を用いずに向上させることができ
る。

【０００８】つまり、ＴｉＮ膜におけるチタンに対する
窒素の組成比を「１．５」以下とすることにより、Ｃｕ
／ＴｉＮ間の剥がれを防止し、引張り強度をＴｉ／Ｔｉ
Ｎ構造と同等の高い値を得ることができる。

【０００９】請求項２に記載の発明によれば、ターゲッ
トとしてチタンを用い、反応性ガスとして窒素ガスを用
い、不活性ガスとしてアルゴンガスを用いた反応性スパ
ッタリングにて、配線を有する基板上に、チタンに対す
る窒素の組成比を「１．５」以下としたＴｉＮ膜を成膜
する。そして、ＴｉＮ膜の上に、電極材料または配線材
料であるＣｕ膜を成膜する。さらに、不要領域の前記Ｔ
ｉＮ膜およびＣｕ膜を除去する。

【００１０】よって、Ｃｕ膜とＴｉＮ膜との密着性が高
く、剥離や強度劣化を起こしにくくなる。ここで、請求
項３に記載のように、前記反応性スパッタリングにおい
て、窒素ガスの供給量とアルゴンガスの供給量の比を調
整することによりチタンに対する窒素の組成比を「１．
５」以下にすることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明をフリップチップ
のバンプ電極構造に具体化した一実施例を図面に従って
説明する。

【００１２】図１は半導体装置におけるフリップチップ
８のバンプ電極部の断面構造を示している。本フリップ
チップ８においてはシリコン基板１（ウェハ）にＣｕよ
りなるバンプ電極７が設けられている。

【００１３】シリコン基板１（ウェハ）には機能素子と
してのトランジスタ（図示略）が形成されている。この
トランジスタと外部の基板１０とのコンタクトをとるた
めにバンプ電極７が用いられる。つまり、バンプ電極７
を基板１０のパターン１０ａに半田付けで接合すること
によりトランジスタが電気的に接続される。

【００１４】以下にバンプ電極部の詳細を説明してい
く。シリコン基板１の上面にはＳｉＯ₂ 膜２を介してア
ルミ配線３が延設され、その上（表面）はパッシベーシ
ョン膜４にて覆われている。パッシベーション膜４はＳ
ｉＮ膜よりなる。このパッシベーション膜４の一部に開
口部４ａが形成され、開口部４ａにてアルミ配線３の一
部が露出している。開口部４ａ内を含むパッシベーショ
ン膜４の上には、所定のパターンのＴｉＮ膜５とバンプ
成長用Ｃｕ膜６とからなる薄膜の積層体が形成されてい
る。電極材料であるバンプ成長用Ｃｕ膜６はバンプ下地
金属である。

【００１５】ここで、ＴｉＮ膜５はアルミ配線３と導電
接触しており、このＴｉＮ膜５はアルミ配線３での銅と
アルミに対するバリア効果を有し、かつ、Ｔｉ（チタ
ン）に対するＮ（窒素）の組成比が「１．５」以下とな
っており、ＴｉＮ膜５とバンプ成長用Ｃｕ膜６との密着
性が高いものとなっている。即ち、ＴｉＮ膜５において
はＴｉに対するＮの組成比が大きいほどバリア性は向上
するが密着性が低下してしまうので、密着性を考慮して
Ｔｉに対するＮの組成比を「１．５」以下としている。

【００１６】さらに、バンプ成長用Ｃｕ膜６はバンプ電
極用金属であるＣｕとなじみがよい。バンプ成長用Ｃｕ
膜６の上には、Ｃｕよりなるバンプ電極７が電解めっき
法にて形成されている。

【００１７】次に、半導体装置の製造方法を図１〜図４
を用いて説明する。図２には、バンプ電極を作り込む前
のシリコン基板１（ウェハ）の状態を示す。シリコン基
板１の表面にＳｉＯ₂ 膜２を介してアルミ配線３を形成
するとともに、パッシベーション膜（ＳｉＮ膜）４を形
成し、パッシベーション膜４に開口部４ａを形成する。

【００１８】そして、図３に示すように、反応性スパッ
タリングにより、開口部４ａ内を含むパッシベーション
膜４の上に、バリアメタルとしてのＴｉＮ膜５とバンプ
成長用Ｃｕ膜（バンプ下地金属）６を形成する。

【００１９】より詳しくは、図５に示すように、第１チ
ャンバ１１と第２チャンバ１２とが連通部１３にて連通
しており、第１チャンバ１１内にはＴｉターゲット１４
が配置されるとともに第２チャンバ１２内にはＣｕター
ゲット１５が配置されている。そして、図２の基板１を
第１チャンバ１１内にセットする。さらに、図６に示す
ように、チャンバ圧力を５ｍＴｏｒｒにし、ＤＣ電源１
６にてＤＣパワーを３ｋＷ印加し、アルゴンガスおよび
窒素ガスをＡｒ／Ｎ₂ ＝１７ｓｃｃｍ／２８ｓｃｃｍに
て供給しつつ、成膜温度２００℃でデポレート１．２６
ｎｍ／ｓにてＴｉＮ膜（バリアメタル）５を基板１上に
形成する。引き続き、図７に示すように、基板１を第１
チャンバ１１から連通部１３を経て第２チャンバ１２に
移し、ＤＣ電源１７に電圧を印加し、アルゴンガスをＡ
ｒ＝４０ｓｃｃｍにて供給しつつ、成膜温度２００℃で
デポレート４ｎｍ／ｓにて基板１上にバンプ成長用Ｃｕ
膜（バンプ下地金属）６を形成する。

【００２０】このようにＴｉＮ膜５及びバンプ成長用Ｃ
ｕ膜６を形成した後に、４０５℃で１０分間のアニール
を行う。引き続き、図４に示すように、電解めっきによ
るバンプ電極７の成長を行う。この成長工程において
は、まずフォトレジスト膜１８を全面にコーティング
し、フォトプロセスによってめっき用の窓を明け、フォ
トレジスト膜１８をマスクとし、かつバンプ成長用Ｃｕ
膜６をめっき電極としてバンプ電極７となるＣｕ膜を電
解めっき法によって例えば３〜５０μｍの厚みに成長さ
せる。

【００２１】そして、図１に示すように、フォトレジス
ト膜１８を取り除き、バンプ成長用Ｃｕ膜６およびＴｉ
Ｎ膜５における不要領域を除去する。つまり、バンプ電
極７をマスクとしてバンプ成長用Ｃｕ膜６およびＴｉＮ
膜５をエッチングする。

【００２２】その後、トランジスタ特性を回復するため
に、窒素をパージガスとし、水素ガスをフォーミングガ
スとした混合ガス中にて３５０〜４５０℃、５〜６０分
の熱処理を行う。この窒素と水素の混合ガスでの熱処理
は、チップをパッケージなどに組付けるアッセンブリー
はんだ組付工程においてもなされる場合がある。

【００２３】この窒素と水素の混合ガスでの熱処理にお
いて、バリアメタルであるＴｉＮ膜５は、チタンに対す
る窒素の組成比が「１．５」以下となっており、Ｔｉが
水素脆化することはない。

【００２４】ＴｉＮ膜５でのチタンに対する窒素の組成
比を「１．５」以下とすることによる密着性向上効果を
確認するために各種の実験を行った。その結果を、以下
に説明する。

【００２５】図８には、バリアメタルとしてのＴｉＮ膜
５におけるチタンに対する窒素の組成比と、引張り強度
との関係、即ち、引張り強度の測定結果を示す。ここ
で、引張り強度の測定方法としては、図９に示すよう
に、１パンプ引張り試験機を用いている。つまり、図１
０に示すＩＣチップ１を図９のプレート２０の上に固定
し、半田２１にてバンプ電極７と専用治具２２とを接着
し、専用治具２２を図中Ｆ方向に引張り破壊が起こった
時の値を調べた。またこの時、その剥離面を観察した。

【００２６】なお、ＴｉＮ膜５におけるチタンに対する
窒素の組成比の表記方法として、Ｔｉが「１」のときの
Ｎの組成をｘとして、組成比をＴｉＮ_x にて表すものと
する。

【００２７】また、ＴｉＮ_x のｘの絶対値（ＴｉＮ膜５
におけるチタンに対する窒素の組成比）は、ＡＥＳ（オ
ージェ電子分光法）による測定結果から、図１１に示す
ようにＲＢＳ（ラザフォード後方散乱法）による組成比
に変換して求めている。つまり、組成比が既知の３つの
標準サンプルをＲＢＳにて分析するとともに、同じサン
プルをＡＥＳにて分析しＴｉピークに対するＴｉＮピー
ク比を求めて特性線Ｌ１を算出し、この特性線Ｌ１を用
いてＡＥＳにて得られた値をＲＢＳにて得られた値に変
換した。このようにして、ＲＢＳにて直接、ｘ値を求め
るのではなく、ＡＥＳにてＴｉピークに対するＴｉＮピ
ーク比を求めてＲＢＳによる値に変換している。

【００２８】ＴｉＮ_x におけるｘ値を変えた時における
引張り強度を示す図８において、サンプルＡはｘ値が
「１．５２」であり、サンプルＢはｘ値が「１．７２」
であり、いずれもｘ値が１．５よりも大きい。また、図
８において、サンプルＣはｘ値が「１．４１」であり、
ｘ値が１．５よりも小さい。さらに、サンプルＤは図１
３に示すように、Ｔｉ膜３５を挟んでＴｉＮ膜３４とＣ
ｕ膜３６を配置したものであり、特開平８−１２４９２
５号公報にて示されているものである。尚、サンプルＤ
でのＴｉ膜の膜厚は２〜１００ｎｍである。

【００２９】そして、サンプルＡは、２５０〜３７０ｇ
／バンプの引張り強度のバラツキを有し、平均値が３０
０ｇ／バンプである。サンプルＢは、２０〜３００ｇ／
バンプの引張り強度のバラツキを有し、平均値で１３０
ｇ／バンプであった。また、ｘ値が１．５よりも小さな
サンプルＣにおいては、３５０〜４５０ｇ／バンプの引
張り強度のバラツキを有し、平均値で４００ｇ／バンプ
であった。さらに、サンプルＤにおいては、３５０〜４
５０ｇ／バンプの引張り強度のバラツキを有し、平均値
で４００ｇ／バンプであった。

【００３０】これらのことから、ｘ値を１．５以下にす
ることにより、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｃｕ構造体と同等の引張
り強度とすることができることが分かる。また、剥離面
の観察結果において、サンプルＣ，Ｄにおいては半田内
破壊であり、サンプルＡにおいてはＣｕ／ＴｉＮ間剥が
れおよび半田内破壊であり、サンプルＢにおいてはＣｕ
／ＴｉＮ間剥がれおよびＳｉＯ₂ 内破壊であった。

【００３１】ｘ値を１．５以下にするための具体的な手
法として、図１２に示すように、ＴｉＮ膜の成膜の際
に、反応性スパッタリングのＮ₂ ／（Ａｒ＋Ｎ₂ ）を調
整することによりＴｉＮ_x におけるｘ値を変えることが
できることを確認している。即ち、反応性スパッタリン
グの雰囲気によりｘ値を変えることが可能となり、雰囲
気中の窒素の比を小さくするほどｘ値を小さくすること
ができる（Ａｒに対するＮ₂ の分圧を制御して膜の組成
を制御する）。

【００３２】このように本実施の形態は、下記の特徴を
有する。 （イ）製造工程として、ターゲットとしてチタンを用
い、反応性ガスとして窒素ガスを用い、不活性ガスとし
てアルゴンガスを用いた反応性スパッタリングにて、ア
ルミ配線２を有する基板１上に、チタンに対する窒素の
組成比を「１．５」以下としたＴｉＮ膜５を成膜する。
そして、ＴｉＮ膜５の上に、電極材料であるＣｕ膜６を
成膜し、さらに、不要領域のＴｉＮ膜５およびＣｕ膜６
を除去した。

【００３３】このようにしてＣｕ膜６とバリアメタルと
してのＴｉＮ膜５との積層体構造において、ＴｉＮ膜５
におけるチタンに対する窒素の組成比を「１．５」以下
とすることにより、バリアメタルであるＴｉＮ膜５とＣ
ｕ膜６との間の密着力を、特開平８−１２４９２５号公
報にて開示されているような密着層としてのＴｉ膜を用
いずに向上させることができる。

【００３４】つまり、ＴｉＮ膜５におけるチタンに対す
る窒素の組成比を「１．５」以下とすることにより、Ｃ
ｕ／ＴｉＮ間の剥がれを防止し、引張り強度をＴｉ／Ｔ
ｉＮ構造と同等の高い値を得ることができる。 （ロ）図１２に示すように、反応性スパッタリングにお
いて、窒素ガスの供給量とアルゴンガスの供給量の比を
調整することによりチタンに対する窒素の組成比を
「１．５」以下にすることができる。

【００３５】なお、Ｃｕ膜（６，７）は電極材料（フリ
ップチップのバンプ電極部）であったが、配線材料であ
ってもよい。つまり、Ｃｕ膜（６，７）はＬＳＩ配線部
としてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態における半導体装置の断面図。

【図２】実施の形態における半導体装置の製造工程を示
す断面図。

【図３】同じく半導体装置の製造工程を示す断面図。

【図４】同じく半導体装置の製造工程を示す断面図。

【図５】同じく半導体装置の製造工程を示す断面図。

【図６】同じく半導体装置の製造工程を示す断面図。

【図７】同じく半導体装置の製造工程を示す断面図。

【図８】ＴｉＮ膜におけるチタンに対する窒素の組成比
と、引張り強度との関係を示す図。

【図９】強度測定法を説明するための断面図。

【図１０】強度測定法を説明するための斜視図。

【図１１】組成比決定のための説明図。

【図１２】供給ガスの混合率と組成比との関係を説明す
るための説明図。

【図１３】従来技術を説明するための半導体装置の断面
図。

【符号の説明】

１…基板、３…アルミ配線、５…ＴｉＮ膜、６…バンプ
成長用Ｃｕ膜、７…バンプ電極、１４…Ｔｉターゲット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極材料または配線材料であるＣｕ膜
   と、当該Ｃｕ膜のバリアメタルとしてＴｉＮ膜を用いた
   半導体装置において、 前記ＴｉＮ膜におけるチタンに対する窒素の組成比を
   「１．５」以下としたことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 ターゲットとしてチタンを用い、反応性
   ガスとして窒素ガスを用い、不活性ガスとしてアルゴン
   ガスを用いた反応性スパッタリングにて、配線を有する
   基板上に、チタンに対する窒素の組成比を「１．５」以
   下としたＴｉＮ膜を成膜する工程と、 前記ＴｉＮ膜の上に、電極材料または配線材料であるＣ
   ｕ膜を成膜する工程と、 不要領域の前記ＴｉＮ膜およびＣｕ膜を除去する工程
   と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記反応性スパッタリングにおいて、窒
   素ガスの供給量とアルゴンガスの供給量の比を調整する
   ことによりチタンに対する窒素の組成比を「１．５」以
   下にするようにした請求項２に記載の半導体装置の製造
   方法。