JP2003503852A - 構造部材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
)」の領域に関するものである。
の他の工業技術分野においてもこの発明は適用可能である、という点である。 この発明が前提とする諸問題は半導体産業についての観点から述べられ、またそ
れらについての解決策が提案されるが、かといってそれは工業技術分野を限定す
るものと理解されるべきではない。その他の工業技術においても全く同じ問題が
見られ、提案された解決策はそれらにおいてもまた適用可能である。
る「ワイヤボンディング」で接続されるのが一般的であり、その際その部材の少
なくとも一つはアルミニウム製である。一方がアルミニウム製で、周知のように
標準雰囲気で形成される酸化アルミニウム層を備える部材の「ワイヤボンディン
グ」は、制御可能である。電気抵抗が最小限で、長時間にわたり安定しており、
電気的および機械的に信頼性の高い再生可能な接続を保証するため、例えばアル
ミニウムと金との優れた金属間化合を提供するには、部材を少なくとも80℃ま
で、好ましくはより高温に熱して、接着しなければならない。
れる金属ではない。
電部材、特にチップ上の金属製導体軌道、あるいは導線およびその接触箇所の寸
法を小さくすることが可能であるため、Terrence Thompsonの
「最新 銅IC相互接続 (Copper IC Interconnect
Uptdate)」HDI、第二巻、No.5、1999年5月号、42頁から
わかるように、導電性銅部材が接着された電気接触接合部の使用につき、特に半
導体産業では大きな需要がある。
orge G.Harmannの「マイクロエレクトロニクスにおけるワイヤボ
ンディング(Wire Bonding in Microelectroni
cs)」、マグローヒル社刊、1997年、138から140頁に説明されてい
る。
細に記されている。すなわち、アルミニウム上には硬質の、脆い酸化物層が形成
されるが、それは接着によって破られるからである。それに対し、酸化銅や酸化
ニッケルのようなより柔らかい酸化物は接着能力を減じるであろう。
の裏側」からわかるように、柔らかい金属上の硬質酸化物は接着を容易にする。
これは、接着の際脆い薄膜が破れて「塵芥区域」に流されることにより、比較的
厚い層を介する十全な超音波および熱電子接着接続の提供が可能である、という
197および198頁の実施例とも一致する。CVD布設された2.5nmの酸
化物を介しての接着能力は、純粋なコンタクトパッドのそれと比較しても、変わ
らないという。
とチップのさらなる小型化が可能となる。銅製導体軌道を用いたチップの製造プ
ロセスは制御可能である。上記のように、チップの銅接触部の「チップキャリヤ
(chip carrier)」への接着接続(ワイヤボンディング、フリップ
チップ技術)を試みて初めて問題が生じる。アルミニウム上に形成される酸化ア
ルミニウムは硬質で、酸素を遮断する薄膜層であり、ワイヤボンディング中の通
常温度でその下にある金属をさらなる酸化や汚染から守るのに対し、酸化銅は柔
らかく、酸化アルミニウムのように接着の際に突然穴が開いて、融剤のいらない
溶接やはんだ付け接続を可能にすることもなく、また特に接着温度において、酸
素拡散遮断部を形成することもない。
らなる第二の部材との機械的かつ電気的に欠点のない、少なくとも一つの接続部
を備える構造部材、ならびにそのような構造部材の製造方法を提案することであ
る。それには、この発明による構造部材は請求項1または2に記載された特徴に
おいて優れている。これらの構造部材の好ましい実施形態については請求項3か
ら12に明記される。
着によって接続される場合はその両銅部材に、標準環境でアルミニウム上に形成
される酸化アルミニウム層より優れてはいなくとも、少なくともほぼそれと同様
の、少なくとも80℃の温度で安定しており、さらにこの温度で酸素拡散バリア
を形成する層が設けられ、かつそれらの部材が、請求項13に記載されたように
、少なくとも前記温度まで加熱して接着接続されることによって、解決する。そ
の他の好ましい実施形態はまた、その意味において、この発明による構造部材に
有効である。
150℃、好ましくは少なくとも200℃まで、特に好ましくはさらに300℃
まで安定している層が設けられ、さらに少なくとも前記の温度まで加熱して接着
が行われる。しかしながらこれは、より高い温度、例えば350℃でこの層が安
定している場合、接着もまたこの温度で行われるという意味ではない。接着は一
貫してより低い温度で、しかしながら少なくとも80℃、好ましくは少なくとも
150℃、さらに好ましくは少なくとも200℃で行われ得る。
が、標準環境でアルミニウム上に形成されるアルミニウム酸化物層より優れては
いなくとも、少なくともほぼ同じ効果を有する層が設けられる。
に銅からなり、また上述のように層が付設されるか、あるいは好ましくは主に金
またはアルミニウムからなる。
たように、好ましくは部材の少なくとも一つが導線として形成され、接着には「
ワイヤボンディング」が利用される。
。これに関する前記層の特性が、すなわち絶縁層ないし導体層として徹底的に利
用され得る。
2 b) Ta SiN、好ましくは TaxSiyNz、ただし 35 ≦ x ≦ 55 12 ≦ y ≦ 18 32 ≦ z ≦ 48、ただし x+y+z=100 特に好ましくは Ta45Si15N40 c) TiN d) AlO e) TiSiN f) TaN g) SiN、好ましくはSi3N4 h) WSiN i) ReO k) PdO l) ZrO m) YO n) ZrN o) NbN p) VN q) 場合によっては、 CuN ここで、重要な事項を指摘しておく。この発明による方法の枠内においては上記
のように、一つまたは複数の銅部材上に層が設置される。この設置は層の布設と
、場合によってはその布設された層の後処理とを含むので、その結果得られる層
は布設されてその後、後処理をうけた層である。
PEPVD法、またはプラズマ重合のような、好ましくは真空被覆方法によって
層が布設される。
して得られる、この発明によって設けられた層とが区別されねばならない。
しくは水素プラズマまたは水素−窒素プラズマ内処理によって洗浄するよう、提
案される。
nm、特に好ましくは以下の領域の厚さdを有するように、布設される。
る。設けられる層の厚さの上限は、主に接着の際の破砕能力によって決められる
。
無定形、ないしガラス状に形成するよう、さらに提案される。この条件によって
も層厚dの下限が定められ、したがって、もはや酸素密ではないであろう原子の
単一層として形成されてはならない。さらにこの層は、酸素捕獲効果を有する材
料から、例えば低化学量論的酸化物、特にx<2でSiOxから形成され得る。
性を考えると、そもそも接着能力に基づいて設けられた層を、その被覆された部
分の導電率によってまた機能層、すなわち導体層または絶縁層として使用する場
合もある。
、その後窒素プラズマ内、および/または標準雰囲気においてこの層が後処理さ
れることにより、前記層が設けられる。この手順は特に、SiO2層を好ましく
は洗浄後の銅表面に布設し、窒素プラズマ内で後処理を行うのに適している。そ
の際好ましくは、SiO2層がスパッタによって布設される。
ましい実施形態ではさらに、Siからなる層を好ましくは再びスパッタによって
布設し、好ましくは熱処理である後処理を標準雰囲気において行うよう、提案さ
れる。
、金属層を布設し、続いてそれを完全に酸化させるよう提案される。これは好ま
しくは、布設される層の厚さ、および/または酸化のための温度、および/また
は酸化中の雰囲気の適切な選択により、制御されて完全に酸化される。
る。
の説明がなされる。
nmおよび1000nmの銅層が用いられた。
着された。2,3の実験では、銅表面が水素プラズマ内で洗浄された。しかしな
がらその際、同一の被覆で全く洗浄されなかったウェハーに比べ、この表面洗浄
で引張強度が上がることはないことがわかった。したがって、洗浄を優先する必
要性は実験によって証明できない。ただし考慮すべきは、銅表面は製造条件下に
あって様々な環境条件にさらされる点、被覆のための初期条件を常に同じにする
ためにも、この発明による層の電着前に前記洗浄段階を前接続するのが断然有利
である可能性が極めて高い点である。
直径1.0milの金の導線が接着された。
、40℃および200℃の接着温度で実験した結果が示される。上述の理由によ
り目標とされる200℃の接着温度では、SiO2、Si3N4ないしTa45Si1 5 N40およびTiNのみが接着可能であることがわかる。また、3nmの領域の
層厚はより厚い層よりも優れた接着能力を示す傾向にあることが顕著である。6
0℃より低い温度では銅の酸化はまだ全く生じないが、層の硬度のみがその厚さ
dと結びついて決定的役割を担うようである。すなわち、層が厚すぎるとワイヤ
ボンディングの際に突き破ることができないので、層は厚すぎてはならない。8
0℃より高い温度では、柔らかくべたつく銅酸化物ができ、同様の厚さのただ脆
くて、硬い層ではもはや不十分である。この層は接着温度での銅の酸化を効果的
に妨げねばならず、したがってより高温では、この発明によって設けられた層の
酸素拡散バリアとしての効果が益々重要となる。表2には、表1の1から8の層
についての析出プロセスと、主要なプロセス条件がまとめられている。
トが行われた。
度においても安定した層だけが、優れた構造特性を有することがわかる。特に、
安定した無定形(結晶の大きさが3nm以下のレントゲン無定形)であり、 かつ前記温度においても、さらには好ましくは300℃まで安定したままである
層が適している。これには、表1の材料1,4,7,8の他にもTiNが、さら
にはSiOx(低化学量論的な酸化シリコン)、(好ましくは低化学量論的な)
酸化アルミニウム、TiSiN、TaN、WSiN、ReO、PdO、ZrO、
YO、ZrN、NbN、VNが、また場合によってはCuNが含まれる。
えば低化学量論的な酸化物を使用することにより、層材料の酸素拡散バリアとし
ての効果が高められ得る。
の結果がまとめられている。
00nmおよび500nmの銅層について得られた、層厚dに依存する引張荷重
耐性が示された。硬質層の層厚が薄いと、結果として得られる接着接続は明らか
に最適であり、基本的にdおよび銅の層厚の変化には依存しないことがわかる。
180℃まで有効な拡散バリアが得られた。このSiO2層がさらに後から窒素
プラズマ内で処理されたところ、約250℃までの拡散バリア効果が得られた。
高温で加熱されることにより、約200℃まで拡散バリア効果が得られた。
おいて、場合によっては加熱されて、完全に酸化されると、銅の酸化に対する緻
密な拡散バリアが形成される。その際この層は十分な薄さで形成されるので、完
璧に酸化されて残留金属を一切残さず、銅と金属間化合する。これは金属層の厚
さが3nmから10nmの場合、さらに好ましくは4nmから6nmの場合に達
成される。
の参照記号は以下のとおりである。 1: 基板 2: 少なくとも大部分が銅からなる層 3: 接着および金属間化合の成立により、4において銅層2と接続されたさ らなる部材、特に導線 5: この発明によって設けられた硬質層の、接着工程によって破れた接着接 続領域 この発明によってまたさらに、現行のワイヤボンディング用標準装置の、例え
ばチップ製造における銅テクノロジーへの利用が保証される。この装置は、80
℃よりはるかに高温の接着温度で作動する。
た500nm厚さの銅層上にこの発明によって設けられたSiO2層を介する接
着接続の、層厚と引張強度との依存関係を示す図である。
Claims (31)
- 【請求項1】 主に銅からなる部材と、第一の部材と金属間化合により接続
される第二の金属部材とを備える、電子構造部材であって、主に銅からなる部材
の接続周辺領域には、少なくとも80℃の温度で安定しており、かつ標準環境に
おいてアルミニウム上に形成される酸化アルミニウム層より優れてはいなくとも
、少なくともこれに近似した酸素拡散バリアを、この温度で形成する硬質層があ
ることを特徴とする、構造部材。 - 【請求項2】 少なくとも一つの銅導体軌道、ならびに銅導体軌道と接触す
る少なくとも一つの接続導線を備える構造部材であって、接続導線と導体軌道と
の接続が金属間化合であることを特徴とする、構造部材。 - 【請求項3】 請求項1および2に記載の構造部材。
- 【請求項4】 前記領域の硬質層が少なくとも100℃、好ましくは少なく
とも150℃、好ましくは少なくとも200℃まで、特に好ましくは少なくとも
300℃まで安定していることを特徴とする、請求項1または3に記載の構造部
材。 - 【請求項5】 硬質層が、少なくともその機械特性および熱特性、ならびに
酸素拡散能力について、標準環境においてアルミニウム上に形成される酸化アル
ミニウム層より優れていなくとも、少なくともそれに近似した効果を有すること
を特徴とする、請求項1,3または4のいずれかに記載の構造部材。 - 【請求項6】 第二部材が少なくとも主に銅からなり、かつ好ましくは金ま
たはアルミニウムからなることを特徴とする、請求項1,3から5のいずれかに
記載の構造部材。 - 【請求項7】 一方の部材、好ましくは主に銅からなる部材がチップのコン
タクトパッドであり、第二部材が導線であることを特徴とする、請求項1,3か
ら6のいずれかに記載の構造部材。 - 【請求項8】 前記層が導電性または電気絶縁性であり、かつ好ましくはそ
の導電率によりさらに機能層として前記部材上に使用されることを特徴とする、
請求項1,3から7のいずれかに記載の構造部材。 - 【請求項9】 前記層が、好ましくは以下の材料のうちの、少なくとも一つ
からなることを特徴とする、請求項1.3から8のいずれかに記載の構造部材。 a) SiOx、ただし1.5 ≦x ≦2、好ましくはx < 2 b) TaSiN、好ましくはTaxSiyNz 35 ≦ x ≦ 55 12 ≦ y ≦ 18 32 ≦ z ≦ 48、ただしx+y+z=100 特に好ましくは Ta45Si15N40 c) TiN d) AlO e) TiSiN f) TaN g) SiN、好ましくはSi3N4 h) WSiN i) ReO k) PdO l) ZrO m) YO n) ZrN o) NbN p) VN q) 場合によってはCuN - 【請求項10】 前記領域に水素および/または窒素が結合していることを
特徴とする、請求項1,3から9のいずれかに記載の構造部材。 - 【請求項11】 前記層がレントゲン無定形、ないしガラス状であることを
特徴とする、請求項1,3から10のいずれかに記載の部材。 - 【請求項12】 前記層の厚さdが以下のとおりであることを特徴とする、
請求項1,3から11のいずれかに記載の部材。 d ≧ 1.5nm、好ましくは d ≧ 2nm、さらに好ましくは 2.0nm ≦ d ≦ 10nm、特に好ましくは 2.5nm ≦ d ≦ 3.5nm - 【請求項13】 少なくとも主に銅からなる第一の金属部材との第二の金属
部材との接着接続を少なくとも一つ備える構造部材の製造方法であって、少なく
とも80℃の温度で安定しており、標準環境でアルミニウム上に形成される酸化
アルミニウム層より優れてはいなくとも、少なくともそれに近似した酸素拡散バ
リアをその温度で形成する層が前記単数または複数の銅部材に設けられ、かつ少
なくとも前記温度まで加熱されて前記部材が接着接続されることを特徴とする、
方法。 - 【請求項14】 少なくとも100℃、好ましくは少なくとも150℃、好
ましくは少なくとも200℃まで、特に好ましくは少なくとも300℃までの温
度で安定している層が設けられることを特徴とする、請求項13に記載の方法。 - 【請求項15】 機械特性および熱特性、ならびに酸素拡散特性について、
標準環境においてアルミニウム上に形成される酸化アルミニウムより優れてはい
なくとも、少なくともそれに近似した同様の効果を有する層が設けられることを
特徴とする、請求項13または14に記載の方法。 - 【請求項16】 前記部材の第二部材が少なくとも主に銅から、あるいは好
ましくは金またはアルミニウムからなることを特徴とする、請求項13から15
のいずれかに記載の方法。 - 【請求項17】 前記部材の少なくとも一つが導線であり、接着はワイヤボ
ンディングであることを特徴とする、請求項13から16のいずれかに記載の方
法。 - 【請求項18】 導電性層または電気絶縁層が層として設けられることを特
徴とする、請求項13から17のいずれかに記載の方法。 - 【請求項19】 前記層が、好ましくは以下の材料のうちの、少なくとも一
つからなることを特徴とする、請求項13から18のいずれかに記載の方法。 a) SiOx、ただし1.5 ≦x ≦2、好ましくはx < 2 b) TaSiN、好ましくはTaxSiyNz、ただし 35 ≦ x ≦ 55 12 ≦ y ≦ 18 32 ≦ z ≦ 48、ただしx+y+z=100 特に好ましくは Ta45Si15N40 c) TiN d) AlO e) TiSiN f) TaN g) SiN、好ましくはSi3N4 h) WSiN i) ReO k) PdO l) ZrO m) YO n) ZrN o) NbN p) VN q) 場合によってはCuN - 【請求項20】 層を設けるため、真空被覆方法で層が布設されることを特
徴とする、請求項13から19のいずれかに記載の方法。 - 【請求項21】 好ましくは水素プラズマ内での処理により、または窒素−
水素プラズマ内での処理により前記部材が洗浄され、次に前記層が設けられるこ
とを特徴とする、請求項13から20のいずれかに記載の方法。 - 【請求項22】 前記層の厚さdが少なくとも1.5nm、好ましくは少な
くとも2.0nm、さらに好ましくは以下の領域 2.0nm ≦ d ≦ 10nm、にあり、 特に好ましくは以下の領域 2.5nm ≦ d ≦ 3.5nm にあることを特徴とする、請求項13から21のいずれかに記載の方法。 - 【請求項23】 前記層がレントゲン無定形ないしガラス状であることを特
徴とする、請求項13から22のいずれかに記載の方法。 - 【請求項24】 前記層材料が酸素捕獲効果を有し、さらに好ましくは低化
学量論比で酸素を有することを特徴とする、請求項13から23のいずれかに記
載の方法。 - 【請求項25】 層が布設され、その後この層が窒素プラズマ内、および/
または標準雰囲気で後処理されることにより、前記層が設けられることを特徴と
する、請求項13から24のいずれかに記載の方法。 - 【請求項26】 SiO2からなる層が、好ましくは洗浄された銅表面上に
布設され、後処理が窒素プラズマ内で行われることを特徴とする、請求項25に
記載の方法。 - 【請求項27】 前記SiO2層がスパッタによって布設されることを特徴
とする、請求項26に記載の方法。 - 【請求項28】 Siからなる層が、好ましくはスパッタによって布設され
、後処理が標準雰囲気における熱処理によって行われることを特徴とする、請求
項25に記載の方法。 - 【請求項29】 金属層が布設され、続いてそれが完全に酸化されることを
特徴とする、請求項25に記載の方法。 - 【請求項30】 前記完全な酸化が、 ●布設される層厚 ●酸化のための温度 ●酸化中の雰囲気 の選択により制御されることを特徴とする、請求項29に記載の方法。
- 【請求項31】 前記層が以下の厚さdで、すなわち 3nm ≦ d ≦ 10nm 好ましくは 4nm ≦ d ≦ 6nm で布設され、かつ完全な酸化が標準雰囲気で行われることを特徴とする、請求項
30に記載の方法。
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