JPWO2020194432A1 - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

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Abstract

半導体装置（１０）の製造方法は、半導体基板（１２）の上に第１の絶縁膜（１４）を形成する工程と、第１の絶縁膜（１４）の上に少なくとも最上層がＡｕでできた配線（１６）を形成する工程と、配線（１６）の上面および第１の絶縁膜（１４）の上面のうち配線（１６）に覆われていない領域に、絶縁膜（１４）に注入されても絶縁性を損なわないイオンを注入する工程と、配線（１６）を覆う第２の絶縁膜（１８）を形成する工程とをこの順に備える。配線（１６）の上面に、第１の絶縁膜（１４）に注入されても絶縁性を損なわないイオンを注入するため、配線（１６）と第２の絶縁膜（１８）との密着性向上と製造工程数の増加抑制を両立できる。

Description

この発明は、Ａｕでできた配線を絶縁膜で覆った半導体装置の製造方法、および半導体装置に関する。
ＧａＡｓやＧａＮ等の化合物半導体を用いた高周波デバイスではトランジスタの配線の材料に信頼性に優れるＡｕが用いられている。またデバイスの保護を目的として配線は絶縁膜（例えばＳｉＯやＳｉＮ）で覆われている。しかしながらＡｕは化学的に安定しているため、Ａｕ上に絶縁膜を形成した場合、Ａｕと絶縁膜との密着力が弱く配線上の絶縁膜が剥がれやすい問題がある。
この問題に対して、Ａｕ上にイオン注入法によりＴｉを注入しアニールすることで配線表層にＡｕ−Ｔｉ合金層を形成し絶縁膜の密着性を向上したものがある（例えば、特許文献１参照）。
また別の対策として、Ａｕ上にイオン注入法によりＳｉを注入しアニールすることで配線表面にＳｉを含有する領域を設け、同じくＳｉを含有する絶縁膜との密着性を高める方法も示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平０６−０６１２２５号公報 特開平０７−２７３１０７号公報
しかしＡｕでできた配線にＴｉイオンまたはＳｉイオンを注入する場合、配線の下にある絶縁膜にイオンが注入されると配線下の絶縁膜の絶縁性が損なわれる。そのためイオン注入時に配線下の絶縁膜にイオンが注入されないように配線下の絶縁膜の上にレジストを形成する必要があり、製造工程数が増加するという問題がある。
この発明は上記の問題を解消するためになされたもので、その目的はＡｕでできた配線と配線上の絶縁膜との密着性向上と製造工程数の増加抑制を両立する半導体装置の製造方法および半導体装置を得ることである。
この発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の上に第１の絶縁膜を形成する工程と、第１の絶縁膜の上に少なくとも最上層がＡｕでできた配線を形成する工程と、配線の上面および第１の絶縁膜の上面のうち配線に覆われていない領域に、絶縁膜に注入されても絶縁性を損なわないイオンを注入する工程と、配線を覆う第２の絶縁膜を形成する工程とをこの順に備える。
またこの発明に係る半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の上の第２の絶縁膜と第１の絶縁膜の上の少なくとも最上層がＡｕでできた配線と、配線を覆う第２の絶縁膜とを備え、配線の上面付近および第１の絶縁膜の上面のうち配線に覆われていない領域付近に、絶縁性非破壊元素が１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３以下の濃度で存在する。
この発明の半導体装置の製造方法および半導体装置によれば、Ａｕでできた配線の上面に、配線下の絶縁膜に注入されても絶縁性を損なわないイオンを注入するため、Ａｕでできた配線と配線上の絶縁膜との密着性向上と製造工程数の増加抑制を両立できる。
実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 実施の形態３に係る半導体装置の配線上面におけるイオンの分布のピーク位置を示す図である。 実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 半導体基板と配線の間に絶縁膜がない半導体装置の断面図である。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る半導体装置１０の図である。半導体装置１０は半導体基板１２を備える。半導体基板１２はＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣまたはＳｉなどからなる。
半導体基板１２上に絶縁膜１４が形成されている。絶縁膜１４はポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）膜などからなる。ここでＣＶＤ膜とはＣＶＤ法で形成されたＳｉＯ、ＳｉＮなどの絶縁膜である。
絶縁膜１４上に配線１６が形成されている。配線１６はＴｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｔｉ／ＰｔまたはＴｉＷなどの下地の上にＡｕで形成されたものである。ここでＴｉ／ＰｔとはＴｉの上にＰｔが形成された構造のことであり、ＴｉＷとはＴｉとＷの合金のことである。配線１６は下地の上にＡｕで形成されたものであるため、配線１６の少なくとも最上層はＡｕでできている。また配線１６の側面のうち下地より上はＡｕでできているため、配線１６の側面の少なくとも上部はＡｕでできている。なお下地はＡｕに比べて薄いため、図では省略した。
配線１６の上面にイオンが注入されたイオン注入層１６ａが形成されている。イオン種は、絶縁膜１４に注入されても絶縁性を損なわない元素であり、ここでは絶縁性非破壊元素と呼ぶ。絶縁性非破壊元素は具体的にはＡｒまたはＮなどである。また絶縁膜１４の上面のうち配線１６に覆われていない領域にもイオン注入層１４ａが形成されている。イオン注入層１６ａおよびイオン注入層１４ａの絶縁性非破壊元素の濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３以下である。
配線１６を覆うように絶縁膜１８が形成されている。絶縁膜１８はＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＯまたはＴａＯ等である。
以下に実施の形態１に係る半導体装置１０の製造方法を説明する。まず図２（ａ）のように半導体基板１２の上に絶縁膜１４を形成する。
次に絶縁膜１４の上に下地を形成し、下地の上に図２（ｂ）のように、Ａｕでできた配線１６を蒸着、スパッタリングまたはメッキ等の方法で形成する。
次に図２（ｃ）のようにイオン注入法により半導体基板１２に対して垂直な方向からイオンを注入する。注入条件は例えば加速エネルギーが５〜５０ｋｅＶ、ドーズ量が１×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上である。イオン注入により配線１６の上面および絶縁膜１４の上面にそれぞれイオン注入層１６ａとイオン注入層１４ａが形成される。配線１６の上面に形成されたイオン注入層１６ａは、イオンが注入されることで化学的に不安定な状態となる。
次に図２（ｄ）のように配線１６を覆うように絶縁膜１８をＣＶＤ法またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等で形成する。
以上のとおり実施の形態１によれば配線１６の上面のイオン注入層１６ａが化学的に不安定であるため、配線１６と絶縁膜１８との密着力が向上し、さらにイオン種は絶縁膜１４に注入されても絶縁性を損なわないものであるため、イオン注入前に絶縁膜１４の上に保護用のレジストを形成する必要がない。
実施の形態２．
図３は実施の形態２に係る半導体装置３０の図である。半導体装置３０は実施の形態１に係る半導体装置１０と同様だが、配線３６の側面にもイオン注入層３６ａが形成されている点が異なる。
図４は実施の形態２に係る半導体装置３０の製造方法を示す図である。この製造方法では図４（ａ）から（ｄ）を順に実施する。実施の形態２に係る半導体装置３０の製造方法は実施の形態１と同様だが、イオン注入に斜めイオン注入法を用いる点が異なる（図４（ｃ））。斜めイオン注入では半導体基板１２に対して垂直な方向から傾けてイオンを注入する。これにより配線３６の側面にもイオン注入層３６ａが形成される。斜めイオン注入法としては鉛直方向を軸としてウエハを回転しながら注入する方法と、ウエハの回転角を変えながら分割注入する方法のどちらを用いてもよい。
以上のとおり実施の形態２によれば配線３６の側面にもイオン注入層３６ａが形成されるため、配線３６と絶縁膜１８との密着性がさらに向上する。
実施の形態３．
図５は実施の形態３に係る半導体装置５０の図である。半導体装置５０は実施の形態１に係る半導体装置１０と同様だが、配線５６および絶縁膜５４に注入されたイオンの鉛直方向における分布が異なる。
図６は実施の形態３に係る半導体装置５０の製造方法を示す図である。この製造方法では図６（ａ）から（ｄ）を順に実施する。実施の形態１ではイオン注入を絶縁膜５８形成前に実施するが、実施の形態３では絶縁膜５８を形成したあとイオン注入を実施する（図６（ｃ）と（ｄ））。イオン注入は配線５６と絶縁膜５４だけでなく絶縁膜５８にもなされる。
イオン注入条件を、配線５６に注入するイオンの鉛直方向における分布のピークが配線５６の上面と絶縁膜５８の界面付近にあるように設定する。図７は図５における配線５６の右上付近を拡大した図で、イオンの分布のピーク位置を示している。注入条件は絶縁膜５８の厚さ等により変わるが、一例として絶縁膜が厚さ１００ｎｍのＳｉＮ、イオン種がＡｒの場合、加速エネルギーが１５０ｋｅＶ、ドーズ量が１×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上である。
以上のとおり実施の形態３によれば配線５６に注入されるイオンの鉛直方向における分布のピークが配線５６の上面と絶縁膜５８の界面付近にあるため、配線５６と絶縁膜５８との密着性がさらに向上する。一方実施の形態１のように配線１６の上から直接イオン注入すると鉛直方向の分布のピークは配線１６の上面より内部に存在することになる。そのため実施の形態１に比べて実施の形態３に係る半導体装置５０のほうが配線５６と絶縁膜５８との密着性が高くなる。
なおイオン注入に実施の形態２と同様の斜めイオン注入法を用いてもかまわない。その場合は配線５６と絶縁膜５８の密着性がさらに向上する。
実施の形態４．
図８は実施の形態４に係る半導体装置７０の図である。半導体装置７０は実施の形態２に係る半導体装置３０と同様だが、絶縁膜７４の上面にイオン注入層がない点と、イオン注入されたイオン種の限定が異なる。イオン種は、絶縁膜１４に注入されても絶縁性を損なわないＡｒ、Ｎなどに加え、Ｂ、Ｓｉ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｔａ、ＡｌまたはＣｏなど、イオン注入されると絶縁膜の電気伝導度が高くなるものを用いてもよい。これらのイオン種は後述するようにＡｕでできた配線に注入され、Ａｕに対して不純物として働くため、これらのイオンの元となる元素をここでは不純物元素と呼ぶ。イオン注入層７６ａ中の不純物元素の濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３以下である。
以下に実施の形態４に係る半導体装置７０の製造方法を説明する。図９（ａ）のように配線７６を形成するまでの工程は実施の形態２と同様である。
図９（ａ）のあと、図９（ｂ）のように絶縁膜７４の上面のうち配線７６に覆われていない領域にレジスト８２を形成する。
次に図９（ｃ）のように９０℃以上の熱処理を加えてレジスト８２を熱変形させ、配線７６の側面のうちレジスト８２と接触する領域の少なくとも一部を露出させる。
次に図１０（ａ）のように斜めイオン注入法により配線７６の上面、配線７６の側面の少なくとも一部、およびレジスト８２の上面にイオンを注入する。イオン注入により配線７６の上面および配線７６の側面の少なくとも上部にイオン注入層７６ａが形成され、レジスト８２の上面にイオン注入層８２ａが形成される。配線１６の上面に形成されたイオン注入層７６ａは、不純物であるイオンが注入されることで化学的に不安定な状態となる。またイオン種がＢ、Ｓｉ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｔａ、ＡｌまたはＣｏなどの場合、イオン注入後にアニールすればイオン注入層７６ａがＡｕとの合金となる。
次に図１０（ｂ）のようにレジスト８２を除去する。
次に図１０（ｃ）のように配線７６を覆うように絶縁膜７８を形成する。
以上のとおり実施の形態４によればイオン注入の際、絶縁膜７４の上にレジスト８２があり、絶縁膜７４の上には直接イオンが注入されないため、絶縁膜７４がダメージを受けない。またイオン種が絶縁膜７４に打ち込まれた場合にその絶縁性を損なうものであっても絶縁膜７４の絶縁性が損なわれない。
またイオン種がＢ、Ｓｉ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｔａ、ＡｌまたはＣｏなどの場合、イオン注入後にアニールすればイオン注入層７６ａがＡｕとの合金となるため、配線７６と絶縁膜７８の密着性がさらに向上する。
なお全ての実施の形態で半導体基板と配線の間に絶縁膜があるとしたが、なくてもよい。その場合、例えば図１１のように配線１１６が半導体基板１１２の上に形成される。
１０，３０，５０，７０，１１０ 半導体装置
１２，１１２ 半導体基板
１４，５４，７４ 絶縁膜
１４ａ，１４ａ，５４ａ，８２ａ，１１２ａ イオン注入層
１６，３６，５６，７６，１１６ 配線
１６ａ，３６ａ，５６ａ，７６ａ，１１６ａ イオン注入層
１８，１８，５８，７８，１１８ 絶縁膜
８２ レジスト

Claims (12)

  1. 半導体基板の上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
    前記第１の絶縁膜の上に少なくとも最上層がＡｕでできた配線を形成する工程と、
    前記配線の上面および前記第１の絶縁膜の上面のうち前記配線に覆われていない領域に、前記絶縁膜に注入されても絶縁性を損なわないイオンを注入する工程と、
    前記配線を覆う第２の絶縁膜を形成する工程とをこの順に備える半導体装置の製造方法。
  2. 半導体基板の上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
    前記第１の絶縁膜の上に少なくとも最上層がＡｕでできた配線を形成する工程と、
    前記配線を覆う第２の絶縁膜を形成する工程と、
    前記配線の上面および前記第１の絶縁膜の上面のうち前記配線に覆われていない領域に、前記絶縁膜に注入されても絶縁性を損なわないイオンを注入する工程と、
    前記配線および前記第２の絶縁膜に注入された前記イオンの分布のピークがそれぞれ、前記配線の上面と前記第２の絶縁膜の界面付近にある半導体装置の製造方法。
  3. 前記イオンはＡｒまたはＮである請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記配線の側面の少なくとも上部がＡｕでできており、
    前記イオンを注入する方法として斜めイオン注入法を用い、前記配線の側面にも前記イオンを注入する請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 半導体基板の上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
    前記第１の絶縁膜の上に少なくとも最上層および側面の少なくとも上部がＡｕでできた配線を形成する工程と、
    前記第１の絶縁膜の上面のうち前記配線に覆われていない領域にレジストを形成する工程と、
    前記レジストを熱処理で変形させ、前記配線の側面のうち前記レジストと接触する領域の少なくとも一部を露出させる工程と、
    前記配線の上面、前記配線の側面の少なくとも上部および前記レジストの上面に斜めイオン注入法を用いてイオンを注入する工程と、
    前記レジストを除去する工程と、
    前記配線を覆う第２の絶縁膜を形成する工程とをこの順に備える半導体装置の製造方法。
  6. 前記イオンはＢ、Ｓｉ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｏ、ＡｒまたはＮのいずれか１つである請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 半導体基板と、
    前記半導体基板の上の第１の絶縁膜と
    前記第１の絶縁膜の上の少なくとも最上層がＡｕでできた配線と、
    前記配線を覆う第２の絶縁膜とを備え、
    前記配線の上面付近および前記第１の絶縁膜の上面のうち前記配線に覆われていない領域付近に、絶縁性非破壊元素が１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３以下の濃度で存在する半導体装置。
  8. 前記絶縁性非破壊元素が前記第２の絶縁膜の下面付近にも存在し、
    前記配線の上面および前記配線の上面と接する前記第２の絶縁膜の下面における前記絶縁性非破壊元素の分布のピークがそれぞれ、前記配線の上面と前記第２の絶縁膜の界面付近にある請求項７に記載の半導体装置。
  9. 前記絶縁性非破壊元素はＡｒまたはＮである請求項７または８に記載の半導体装置。
  10. 前記配線の側面の少なくとも上部がＡｕでできており、
    前記絶縁性非破壊元素が前記配線の側面付近にも１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３以下の濃度で存在する請求項７〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
  11. 半導体基板と、
    前記半導体基板の上の第１の絶縁膜と
    前記第１の絶縁膜の上の少なくとも最上層および側面の少なくとも上部がＡｕでできた配線と、
    前記配線を覆う第２の絶縁膜とを備え、
    前記配線の上面付近および側面付近に不純物元素が１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３以下の濃度で存在する半導体装置。
  12. 前記不純物元素はＢ、Ｓｉ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｏ、ＡｒまたはＮのいずれか１つである請求項１１に記載の半導体装置。
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