JP3576143B2 - 半導体装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に係り、特に、ボンディング接合等の信頼性を高める半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体装置の高集積化、高速化に伴い、各配線層の低抵抗化と高信頼性の観点から、配線材料には、アルミニウム（Ａｌ）等に替わり、銅（以下、Ｃｕと記す）が用いられるようになってきている。Ｃｕを配線材料とする技術は、半導体装置の高速化、配線構造の多層化において、微細加工技術の進展に伴い、重要度を増してきている。
【０００３】
半導体装置を実装する工程では、ボンディング工程を行い、金属製ワイヤ、または導電性のバンプ等の導電性部材を介して、半導体装置の各配線層と導電性の外部材（例：パッケージのボンディングパッド）とを電気的に接続し、導通させる。ボンディング工程を行う場合、半導体装置のパッド電極層と金属ワイヤ、または導電性のバンプとを直接接合するようにして、半導体装置の各配線層と導電性の外部材とを電気的に導通させる。具体的には、パッド電極層に、直接、金属製のワイヤ（例：金（Ａｕ））をボンディング接合するか、または、パッド電極層上に導電性のバンプを形成して、フリップチップ接続する等して行われる。
【０００４】
パッド電極層は、最上層の配線の一部として形成されるので、半導体装置の配線層と同じ材料を用いることになる。したがって、パッド電極層の材料には、他の配線層と同様に、Ａｌ等に代わってＣｕを使用することが、工程数を削減する上でも都合がよい。
【０００５】
パッド電極層となるＣｕ配線層の最上層を大気中にさらして、加熱処理を行うと、Ｃｕ配線層では表面から内部に容易に酸化が進行する。したがって、Ｃｕを材料に用いた場合、従来の装置を用いて大気中で加熱処理を行いながらボンディング工程を行うことはできない。この場合、窒素気流中、または水素気流中等、非酸化性の雰囲気中、または還元性の雰囲気中で、パッド電極層の表面の酸化を抑制しながら、ボンディング工程を行うことも可能であるが、装置の大幅な改造が必要となる。また、ボンディング後の工程でも、加熱処理等を行う過程で酸化が進行して、一旦ボンディング接合された部分が、接合不良になるという問題もある。
【０００６】
これらの問題に対し、特開平９−９２６４９号公報では、銅配線構造上、または開口部内の銅電極パッド構造（＝銅のパッド電極層）上に、耐酸化性、耐腐食性の保護層を形成する方法が開示されている。
【０００７】
ここでは、配線やパッド電極を構成する銅膜（以下、Ｃｕ膜とする）、およびその周囲の絶縁膜上に、Ｃｕ膜の膜厚に対して、約２％以下の厚さを有する薄い膜厚のアルミニウム膜（以下、Ａｌ膜とする）を形成し、その後、熱処理を行い、Ｃｕ配線層の表面に、銅―アルミニウムの合金層（以下、Ｃｕ−Ａｌの合金層）を形成する方法が開示されている。このように、Ｃｕ配線層上に、Ａｌを成分とする金属の合金膜を形成し、Ｃｕ配線層の酸化および腐食を抑制して、配線構造、またはパッド電極構造の信頼性を高める方法が開示されている。
【０００８】
また、特開平９−９２６４９号公報では、続いて、絶縁膜上に残った（未反応の）Ａｌ膜を、希フッ酸、またはリン酸によってウエットエッチング処理で除去し、その後、水素と酸素、または水素と水蒸気の混合気体中でＣｕ配線層を熱処理する方法が開示されている。ここでは、再度、Ｃｕ配線層を熱処理して、Ｃｕ−Ａｌの合金層の表面に、さらに、Ａｌと酸素を含有する薄膜、またはＡｌとＣｕと酸素を含有する薄い酸化膜を形成し、Ｃｕ配線またはＣｕ電極パッド構造の信頼性をさらに高めることできる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、パッド電極層（例：Ｃｕ）の抵抗値の上昇を抑えるためには、Ｃｕ合金膜の膜厚を可能な限り薄くする必要がある。これに応じて、パッド電極層上に形成する金属膜（例：Ａｌ）の膜厚は、可能な限り薄くすることが考えられる。
【００１０】
したがって、特開平９−９２６４９号公報では、Ｃｕ電極パッド構造（＝Ｃｕパッド電極層）の抵抗値の上昇を抑えるために、Ｃｕ−Ａｌの合金層の厚さを可能な限り薄くする必要があり、これに応じて、電極パッド構造を構成するＣｕ膜上には、可能な限り薄い膜厚で、Ａｌ膜を形成することが考えられる。
【００１１】
しかしながら、パッド電極層上に形成する金属膜（例：Ａｌ）の膜厚が薄くなり過ぎると、以下のような問題が生じることになる。
【００１２】
例えば、パッド電極層上に合金膜を形成する過程で、熱処理によって、パッド電極層（＝最上層の配線層）の周囲の部分、すなわち、パッシベーション膜等の絶縁膜上で、金属膜が球状に凝集してしまい、金属膜の膜厚（＝球の直径に相当）が増大することになる。
【００１３】
この場合、パッド電極層周囲の絶縁膜上に残った不要な金属膜は、ウエットエッチング処理やＣＭＰ法（＝化学的機械的研磨法）等によって除去されるが、処理時間が長くなる等の問題があり、実用的なプロセスマージンが得られない。
【００１４】
また、Ｃｕ配線構造の電極パッドを形成した後、金属製のワイヤ（例：金（Ａｕ））、または導電性のバンプ等、導電性部材を介して、導電性の外部材（例：パッケージのボンディングパッド）と接続すべく実装工程等を行う前に、通常、シリコンウェーハに検査工程を施す。ここでは、大気中で、プローバの針を各半導体チップのパッド電極層に接触させて検査を行い、良品チップのみを選択するように判定し、検査終了後、良品チップのみに実装工程を施す。
【００１５】
この場合、プローバの針は先端が鋭いために、接触時には、パッド電極層にある程度の深さの傷が生じる。したがって、パッド電極層が、Ｃｕ配線層上に保護層が形成された構造の場合、プローバの針が、その保護層を突き破り、下層に位置するＣｕ配線層が露出するので、後の実装工程において酸化が進行してしまう。したがって、パッド電極層上の金属酸化層は、プローバの針によって容易に削られ、パッド電極層の耐酸化性が劣化するという問題がある。
【００１６】
また、実装工程を行う前に、パッド電極層を保護すべく、熱処理を施して、プローバ針の痕上に、再度、酸化性の保護層を形成する場合がある。しかしながら、下層に位置するＣｕ配線層には、保護層としての金属酸化層を形成する上で必要な金属が含まれていないため、金属酸化層を再度形成することが不可能となる。実装工程、特に、ボンディング工程等では、このようなパッド電極に、金属製ワイヤ、または導電性のバンプを接合すると、接合強度や導通性において不良状態が発生する。
【００１７】
このように、パッド電極層を形成する場合には、単に、配線抵抗値の抑制、耐酸化性や耐腐食性を考慮するだけでなく、それ以降の工程、すなわち、不要な金属膜の処理工程、ウェーハ検査工程、およびボンディング工程等への影響を考慮する必要がある。
【００１８】
したがって、特開平９−９２６４９号公報に開示された方法でも、Ｃｕ電極パッド構造（＝Ｃｕパッド電極層）を形成する上で、配線抵抗値の抑制、ウェーハ検査工程、およびボンディング工程等への影響を考慮する必要がある。例えば、Ｃｕ配線層上に材料（＝Ａｌ）を形成して、表層部のみに保護層を形成するのではなく、パッド電極層の抵抗値は上昇するが、敢えて、パッド電極層の内部にまでＣｕ−Ａｌの合金層を形成して、パッド電極層全体の耐酸化性、耐腐食性を確保する必要がある。
【００１９】
しかしながら、特開平９−９２６４９号公報に開示された方法では、Ｃｕ電極パッド構造を形成するにあたり、抵抗値の上昇を抑えるために、できるだけ薄くＡｌ膜を形成することに着目するのみで、それらの点を考慮してはいない。
【００２０】
本発明は、以上のような事情に鑑みなされたもので、高性能で信頼性が高く、より簡便に製造することができる、Ｃｕを配線材料とする半導体装置、および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高性能かつ信頼性の高い、Ｃｕを配線材料とする半導体装置、および半導体装置の製造方法を提供する。
【００２２】
上記の課題を解決するため、本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された銅配線層と、前記銅配線層に導通し、かつ、銅と銅よりも酸化傾向の大きい金属とを含む合金層が底面に達して形成されているパッド電極層と、前記パッド電極層に達する開口部を有する絶縁性保護膜とを具備することを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、低抵抗の銅（Ｃｕ）配線層を用い、高速性、および高信頼性を有する半導体装置を提供することができる。
【００２４】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜内に銅配線層を形成する工程と、前記銅配線層上に絶縁性保護膜を形成する工程と、前記絶縁性保護膜に、前記銅配線層に達する開口部を形成する工程と、前記開口部内の銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する工程と、熱処理を行って、前記銅配線層中に前記金属または前記合金を拡散させ、銅と銅よりも酸化傾向の大きい金属とを含む合金を前記銅配線層の底面に達して生成してパッド電極層を形成し、かつ、前記パッド電極層の表層部には、前記金属を主成分とする酸化層を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２５】
また、別の本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜内に銅配線層を形成する工程と、前記銅配線層上に絶縁性保護膜を形成する工程と、前記絶縁性保護膜に、前記銅配線層に達する開口部を形成する工程と、加熱を行いながら、前記銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成し、これにより、前記銅配線層中に、前記金属または前記合金を拡散させて、銅と銅よりも酸化傾向の大きい金属とを含む合金を前記銅配線層の底面に達して形成してパッド電極層を形成し、かつ、前記パッド電極層の表層部には、前記金属を主成分とする酸化層を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２６】
本発明によれば、低抵抗の銅（Ｃｕ）配線層を用い、なおかつ、高信頼性を有する半導体装置を製造することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施態様として、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、スズ（Ｓｎ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）のうち、少なくともいずれか一つを含む。
【００２８】
また、実施態様としては、前記パッド電極層において、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の濃度は、上表面付近の領域でより高く、その下方向でより低くなっている。
【００２９】
また、実施態様として、前記パッド電極層の上表面付近の領域において、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の濃度は、２原子％以上である。
【００３０】
また、実施態様として、前記パッド電極層は、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を主成分とする酸化層を表層として有し、導電性部材が、前記酸化層の一部を貫通して、前記パッド電極層と電気的に接続する。
【００３１】
また、実施態様として、前記パッド電極層は、その表層部に第一の酸化層を有し、かつ、その下方向に、銅と銅よりも酸化傾向の大きい金属とを含む第一の合金層、第二の酸化層、および前記第一の合金層よりも、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の濃度が低い第二の合金層の順に、積層状に構成される。
【００３２】
また、実施態様として、前記パッド電極層は、絶縁性部材が突入された構造である。
【００３３】
また、実施態様として、前記導電性部材は、導電性のワイヤまたは導電性のバンプであり、かつ、前記パッド電極層とボンディング接合されている。
【００３４】
また、実施態様として、前記パッド電極層の表面から２ｎｍの深さまでの銅の濃度が平均として１０原子％以下である。
【００３５】
本発明の実施形態の製造方法によれば、低抵抗の銅（Ｃｕ）配線層を用いて、なおかつ、絶縁性保護膜の開口内に存在し、その銅（Ｃｕ）配線層に電気的に接続するパッド電極層とのボンディング接合等において、高信頼性を有する半導体装置を製造することができる。
【００３６】
実施態様としての製造方法は、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程の前に、前記銅配線層上に存在する酸化層を除去する工程をさらに有する。
【００３７】
また、実施態様としての製造方法において、前記銅配線層上に存在する酸化層は、水素雰囲気中で熱処理を行って除去される。
【００３８】
また、実施態様として、前記金属または前記合金を拡散させる熱処理は、酸素を含む雰囲気を用いて行い、前記酸素の分圧は１×１０−５Ｐａ以下である。
【００３９】
また、実施態様として、前記金属または前記合金を拡散させる熱処理は、３００℃から４５０℃の温度で行う。
【００４０】
また、実施態様として、前記金属または前記合金を拡散させる熱処理は、レーザーアニール、またはラピッドサーマルアニール法を用いて行う。
【００４１】
また、実施態様として、前記金属の膜または前記合金の膜を形成しかつ前記金属または前記合金を拡散させる加熱は、３００℃から４５０℃の温度で行う。
【００４２】
また、実施態様としての製造方法において、前記開口部内の銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程は、同時に、前記絶縁性保護膜上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成するものであり、前記熱処理の後に、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する工程をさらに有する。
【００４３】
また、実施態様としての製造方法において、加熱を行いながら、前記銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程は、同時に、前記絶縁性保護膜上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成するものであり、前記パッド電極層の形成および前記金属を主成分とする酸化層の形成の後に、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する工程をさらに有する。
【００４４】
これらの実施態様によれば、低抵抗の銅（Ｃｕ）配線層を用いて、なおかつ、絶縁性保護膜の開口内に存在し、その銅（Ｃｕ）配線層に電気的に接続するパッド電極層とのボンディング接合等において、高信頼性を有する半導体装置を製造することができる。
【００４５】
また、実施態様として、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する工程は、前記開口部内のパッド電極層上にマスクを形成して除去する。
【００４６】
また、実施態様としての製造方法は、前記開口部内の銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程が、同時に、前記絶縁性保護膜上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成するものであり、前記形成されたパッド電極層に、導電性の外部材と電気的に接続可能な導電性部材を接合して、この導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する工程と、前記パッド電極層と前記導電性部材を接合した状態で、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する工程とをさらに有する。
【００４７】
また、実施態様としての製造方法は、加熱を行いながら、前記銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程が、同時に、前記絶縁性保護膜上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成するものであり、前記形成されたパッド電極層に、導電性の外部材と電気的に接続可能な導電性部材を接合して、この導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する工程と、前記パッド電極層と前記導電性部材を接合した状態で、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する工程とをさらに有する。
【００４８】
また、実施態様として、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、スズ（Ｓｎ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）のうち、少なくともいずれか一つを含む。
【００４９】
また、実施態様として、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金膜は、前記開口部内の銅配線層上を含む絶縁性保護膜上に、１０ｎｍ以上の膜厚で形成される。
【００５０】
また、実施態様として、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する前記工程は、ウエットエッチング処理、またはＣＭＰ法を用いて行う。
【００５１】
また、実施態様として、前記ウエットエッチング処理は、酸を用いて行われる。
【００５２】
また、実施態様として、前記酸は、リン酸、フッ酸、および塩酸より選択される。
【００５３】
また、実施態様として、前記ウエットエッチング処理は、リン酸またはフッ酸に続いて、その後、塩酸を用いて行われる。
【００５４】
また、実施態様としての製造方法は、前記ウエットエッチング処理後、熱処理を行って、前記パッド電極層の表層部に、前記金属を主成分とする酸化層を形成する工程をさらに有する。
【００５５】
また、実施態様として、前記ウエットエッチング後の熱処理は、酸素を含む雰囲気を用いて行い、前記酸素の分圧は１×１０−５Ｐａ以下である。
【００５６】
また、実施態様として、前記ウエットエッチング後の熱処理は、３００℃から４５０℃の温度で行う。
【００５７】
また、実施態様として、前記ウエットエッチング後の熱処理は、レーザーアニール、またはラピッドサーマルアニール法を用いて行う。
【００５８】
また、実施態様としての製造方法は、前記形成されたパッド電極層に、導電性の外部材と電気的に接続可能な導電性部材を接合して、前記導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する工程をさらに有する。
【００５９】
また、実施態様として、前記導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する前記工程は、前記導電性部材が、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を主成分とする前記酸化層の一部において貫通して、前記パッド電極層と電気的に接続する。
【００６０】
また、実施態様として、前記導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する前記工程は、前記導電性部材が、導電性ワイヤまたは導電性のバンプであり、かつ前記パッド電極層とボンディング接合により接続する。
【００６１】
また、実施態様としての製造方法は、前記パッド電極層を形成し、かつ、前記パッド電極層の表層部には、前記金属を主成分とする酸化層を形成する前記工程の後に、前記パッド電極層の表面を塩酸、酢酸、炭酸より選ばれた少なくとも１つの酸を用いて処理する工程をさらに有する。
【００６２】
以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００６３】
（実施の形態１）
以下に、第１の実施形態について、図１（ａ）ないし図１（ｅ）、図２、図３、図４（ａ）ないし図４（ｅ）を参照して説明する。
【００６４】
本実施の形態では、Ｃｕを配線層の材料とし、かつＣｕよりも酸化傾向の強い（＝酸化され易い）金属として、アルミニウム（Ａｌ）を用いる。
【００６５】
なお、図１（ａ）ないし図１（ｅ）は、一例として、最上層に位置し、なおかつ、パッド電極層を有する配線層における配線が延びる方向の断面図を表す。
【００６６】
まず、シリコン（Ｓｉ）基板１００上に、熱酸化シリコン膜（＝ＳｉＯ２膜）１０１を１００ｎｍ程度の膜厚で形成し、その後、ＣＶＤ法を用いて、酸化シリコン膜１０２を１μｍ程度の膜厚で形成する。
【００６７】
次に、リソグラフィー技術を用いて、いわゆるＰＥＰ工程を行い、酸化シリコン膜１０２上にフォトレジスト膜のパターンを形成する。その後、このパターンをマスクにして、ドライエッチングを行い、酸化シリコン膜１０２に、幅１．３μｍ、深さ７００ｎｍの配線パターン溝を形成する。
【００６８】
次に、スパッタリング法によって、配線パターン用の溝内にＴａＮ膜（窒化タンタル膜）１０３を２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。その後、スパッタリング法によってＣｕ膜を２００ｎｍ程度の膜厚で形成し、硫酸銅を用いたメッキ法により、配線パターン用の溝内をＣｕで埋め込む。その後、化学的機械的研磨法（＝ＣＭＰ法）による処理を施して、Ｃｕ配線層１０４（＝下層配線層）を埋め込み形成する。
【００６９】
次に、Ｃｕ配線層１０４上の全面に、ＣＶＤ法を用いて、ＳｉＮ膜（窒化シリコン膜）１０５を１００ｎｍ程度、酸化シリコン膜１０６を２μｍ程度の膜厚で順次形成する。
【００７０】
次に、リソグラフィー技術を用いて、いわゆるＰＥＰ工程を行い、酸化シリコン膜１０６上に、フォトレジスト膜のパターンを形成する。その後、レジスト膜のパターンをマスクにして、酸化シリコン膜１０６、ＳｉＮ膜１０５を順次エッチングして、深さが１．２μｍ、および幅が１．０μｍの配線パターン用の溝、およびＣｕ配線層１０４（＝下層配線層）に達するヴィアホールを形成する。
【００７１】
次に、スパッタリング法により、配線パターン用の溝内にＴａＮ膜（窒化タンタル膜）１０７を２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。その後、スパッタリング法によってＣｕ膜を２００ｎｍ程度の膜厚で形成し、硫酸銅を用いたメッキ法により配線パターン用の溝内をＣｕで埋め込む。その後、ＣＭＰ法による処理を施し、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線層）を埋め込み形成して、デュアルダマシン配線構造を形成する。
【００７２】
次に、ＣＶＤ法を用い、絶縁性保護膜として、ＳｉＮ膜（窒化シリコン膜）１０９を２００ｎｍの膜厚で形成する。その後、リソグラフィー技術を用いて、いわゆるＰＥＰ工程を行い、ＳｉＮ膜１０９上にフォトレジスト膜のパターンを形成する。その後、レジスト膜のパターンをマスクにして、ＳｉＮ膜１０９をエッチングし、Ｃｕ配線層１０８の一部が露出するように開口部１１０を形成する（以上を図１（ａ）に図示する）。
【００７３】
次に、公知の無加熱スパッタリング法を用い、アルミニウム（Ａｌ）と０．５ｗｔ％のＣｕを成分とする、アルミニウム銅合金膜（以下、ＡｌＣｕ膜１１１とする）をＣｕ配線層１０８（＝上層配線層）とＳｉＮ膜１０９を覆うように、２０ｎｍ程度の膜厚で形成する（以上を図１（ｂ）に図示する）。
【００７４】
次に、一旦、スパッタリング装置からシリコンウェーハごと搬出し、その後、真空オーブン等、所定の反応容器内に搬入して、熱処理を行う。
【００７５】
ここでは、温度を４００℃程度に設定し、微量の酸素を含む雰囲気中で、３時間程度の熱処理を行う。この熱処理により、（Ｃｕ配線層１０８上の）ＡｌＣｕ膜１１１は、Ｃｕ配線層１０８の成分と反応して、ＣｕＡｌ層１１２、すなわち、パッド電極層が形成される。また、このとき、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部には、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３が形成される。
【００７６】
ここでは、熱処理を行う過程で、ＡｌＣｕ膜１１１のアルミニウムおよび銅の合金成分が、Ｃｕ配線層１０８の内部に拡散して、Ｃｕ配線層１０８の一部が合金化される。また、このとき、ＡｌＣｕ膜１１１には、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線層）の成分との反応層（＝合金層）が形成される。ＣｕＡｌ層１１２は、Ｃｕ配線層１０８の底面に達するまで合金化された部分、およびＡｌＣｕ膜１１１の反応層（＝合金層）からなり、パッド電極層を構成する。（以上を図１（ｃ）に図示する）。
【００７７】
なお、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３は、耐酸化性等を有する保護層として、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に作用する。
【００７８】
本実施の形態では、開口部１１０内において、Ｃｕ配線層１０８のＣｕ成分の酸化を抑制するために、雰囲気中の酸素の分圧が１×１０−５（Ｐａ）以下となるように供給量を調整し、比較的長時間かけて、Ｃｕ配線層１０８とＡｌＣｕ膜１１１を反応させて、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）を形成し、かつ、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部にのみ、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３を形成する。
【００７９】
ここでは、酸素の分圧が、この範囲（＝１×１０−５（Ｐａ）以下）にあれば、雰囲気の種類は特に限定されず、高真空中で行うか、または、窒素雰囲気やフォーミングガス（＝窒素と水素の混合ガス）雰囲気等を用いて、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３を形成することができる。
【００８０】
さらに、ＡｌＣｕ膜１１１を成膜する前に処理を施さなければ、熱処理中に、Ｃｕ配線層１０８の表面に形成された自然酸化膜の酸素成分とＡｌＣｕ膜１１１とが反応し、ＡｌＣｕ膜１１１とＣｕ配線層１０８との界面には、相互の反応前に、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３（＝界面酸化層）が形成される。以上のような構造の詳細断面図を図２に示す。
【００８１】
この構造では、図２に示すように、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３（＝界面酸化層）がＣｕ配線層１０８へのＡｌの拡散を抑制する。したがって、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）においては、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３（＝界面酸化層）を境に、これより下の領域には低濃度のＡｌを含むＣｕＡｌ層（＝Ａｌ低濃度）、また（前述の界面酸化層より）上の領域には高濃度のＡｌを含むＣｕＡｌ層（＝Ａｌ高濃度）が形成される。その結果、Ｃｕ配線層１０８に拡散されるＡｌ濃度は低い値に保たれ、引いては、Ｃｕ配線層１０８の抵抗値の上昇を抑制することが可能となる。
【００８２】
なお、本実施の形態では、熱処理の温度は、３００℃ないし４５０℃の範囲にあるように設定すればよい。
【００８３】
ここでは、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）において、Ａｌ成分は酸化するが、Ｃｕ成分は酸化しないように、雰囲気中の酸素の量を可能な限り微かな量に留めている。したがって、水素で酸化状態を還元すべく、水素と酸素を含む混合気体を使用せずとも、前述のごとく、雰囲気の種類を特に限定せずに、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）を形成することができる。
【００８４】
また、この工程は、公知の加熱スパッタリング法を用いて行うこともできる。これを以下に説明する。
【００８５】
例えば、シリコン基板１００の温度が４００℃程度に達するように加熱し、その状態で、スパッタリング法によって、ＡｌＣｕ膜１１１をＣｕ配線層１０８（＝上層配線）とＳｉＮ膜１０９を覆うように、２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。
【００８６】
この場合、無加熱スパッタリング法でＡｌＣｕ膜１１１を成膜後に熱処理を行なう場合と同様の温度で加熱することにより、Ｃｕ配線層１０８上に成膜される過程で、ＡｌＣｕ膜１１１は、Ｃｕ配線層１０８の成分と反応して、ＣｕＡｌ層１１２、すなわち、パッド電極層が形成される。また、このとき、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部には、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３が形成される。
【００８７】
ここでは、加熱を行いながら成膜される過程で、ＡｌＣｕ膜１１１のアルミニウムと銅の合金成分が、Ｃｕ配線層１０８の内部に拡散して、Ｃｕ配線層１０８の一部が合金化される。また、このとき、ＡｌＣｕ膜１１１には、Ｃｕ配線層１０８の成分との反応層（＝合金層）が形成される。ＣｕＡｌ層１１２は、Ｃｕ配線層１０８の底面に達するまで合金化された部分、およびＡｌＣｕ膜１１１の反応層（＝合金層）からなり、パッド電極層を構成する。
【００８８】
前述のごとく、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３は、耐酸化性を有する保護層として、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に作用する。
【００８９】
この場合、無加熱スパッタリング法と比べ、ＡｌＣｕ膜１１１を成膜する過程で、Ｃｕ配線層１０８の一部の合金化が行え、熱処理工程数を削減できるという効果がある。
【００９０】
また、以上のごとく、加熱スパッタリング法を用いた場合、Ｃｕ配線層１０８に前処理を行わずに、ＡｌＣｕ膜１１１を成膜すれば、加熱中に、Ｃｕ配線層１０８の表面に形成されている自然酸化膜の酸素成分が、ＡｌＣｕ膜１１１と反応し、Ｃｕ配線層１０８とＡｌＣｕ膜１１１との界面には、アルミニウムを主成分とする酸化層（＝界面酸化層）が形成される（図２を参照する）。この点は、無加熱スパッタリング法を用いた場合と同様である。
【００９１】
また、本実施の形態においては、シリコン基板１００等を加熱する方法として、レーザーアニール、ＲＴＡ法（＝ラピッドサーマルアニール法）等の手段を用いることができる。この場合、加熱処理に要する時間を著しく短縮することができる。
【００９２】
また、前述のＡｌとＣｕの合金膜の代わりに、Ａｌ単体の膜を用いることも可能である。
【００９３】
次に、スピンエッチング装置内に、シリコンウェーハを搬入する。
【００９４】
ここでは、シリコン基板１００の表面に希フッ酸（ＨＦ）を供給して、ウエットエッチング処理を行い、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上にあるＡｌＣｕ膜１１１を溶解させ、除去する。このとき、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）は、耐酸性を有しており、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）のみ、選択的に残存させることができる（以上を図１（ｄ）に図示する）。ここで、ウエットエッチング処理は、所定濃度に調製したエッチング溶液（例：１重量パーセント濃度）を用い、１分程度行うものとする。
【００９５】
このウエットエッチング処理を行うと、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）上以外の領域からＡｌＣｕ膜１１１を除去し、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）同士間の絶縁性を確保できる。しかしながら、このとき、同時に、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）上に形成されたアルミニウムを主成分とする酸化層１１３をも徐々に溶解してしまう。このため、ウエットエッチング処理の条件は、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）上以外の領域にあるＡｌＣｕ膜１１１を完全に除去することを前提に、他の部材への影響をも考慮して最適化する必要がある。
【００９６】
例えば、オーバーエッチング等によって削られ、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３が薄くなり、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の酸化防止効果が低下する場合には、ウエットエッチング処理の後、熱処理を行って酸化層を再度形成するか、または所定の方法で補強する。この場合、熱処理は、使用する雰囲気や温度等、前述したものと同様の処理条件で行えばよい。
【００９７】
また、レーザーアニール、ＲＴＡ法（＝ラピッドサーマルアニール法）等の手段を用いて、加熱処理に要する時間を著しく短縮することも可能である。
【００９８】
なお、シリコン基板１００の表面には、希フッ酸（ＨＦ）の他に、希塩酸（ＨＣｌ）やリン酸を用いることも可能である。すなわち、シリコン基板１００の表面に、希フッ酸（ＨＦ）、希塩酸（ＨＣｌ）、またはリン酸を単独で、または、各々によるウエットエッチング処理を組合せて行うこともできる。例えば、希フッ酸（ＨＦ）またはリン酸を供給し、その後、希塩酸（ＨＣｌ）を供給して、ＳｉＮ膜１０９上にあるＡｌＣｕ膜１１１を溶解させ、除去することも可能である。
【００９９】
この場合、希フッ酸（ＨＦ）やリン酸は、ＡｌＣｕ膜１１１を溶解させる一方で、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部のアルミニウムを主成分とする酸化層１１３をも徐々に溶解する。これに対して、希塩酸（ＨＣｌ）であれば、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３の溶解速度が、より小さく抑えられる。したがって、ウエットエッチング処理に希塩酸（ＨＣｌ）を用いた場合、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部において、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３をオーバーエッチングせずに、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上のＡｌＣｕ膜１１１を除去することが可能となる。この場合、ウエットエッチングの処理マージンを大きくすることができる。
【０１００】
次に、検査装置内にシリコンウェーハを搬入し、これに、半導体チップごとの良否判定を行うべく、検査工程を施す。
【０１０１】
ここでは、オートプローバーとプロービングカードを用い、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に接触させるようにして、大気中で各半導体チップの良否判定を行う。このとき、プローバ針の先端が鋭いために、接触時には、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３を破り、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に、ある程度の深さの痕が残る。このとき、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に形成されたアルミニウムを主成分とする酸化層１１３（＝金属酸化層）が削られ、このまま放置すると、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の耐酸化性が劣化するという問題がある。
【０１０２】
そこで、次に、シリコンウェーハごと真空オーブン内に搬入し、再度、酸素分圧が１×１０−５Ｐａ以下の雰囲気を供給し、温度４００℃で、熱処理を１５分間程行う。この熱処理によって、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）上に生じたプローバ針の痕にも、再度、アルミニウムを主成分とする酸化層を形成することができる。
【０１０３】
なお、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）中に含まれるＡｌが、必要とされる量よりも少ないと、Ａｌ成分が不足し、ここで、再度、アルミニウムを主成分とする酸化層を形成して、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）を保護することができなくなる。
【０１０４】
次に、大気中において、Ｃｕ配線層１０８と導電性を有する外部材（例：パッケージのボンディングパッド）とを電気的に接続すべく、公知のボンディング工程をＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に施す。ここでは、一例として、公知のワイヤボンディング工程を行う。すなわち、公知のボンディングツールを用い、導電性部材として、金属製のワイヤ１１４（＝例：金（Ａｕ））を、加熱および加圧して、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に直接接合させ、Ｃｕ配線層１０８と導電性の外部材（例：パッケージのボンディングパッド）とをパッド電極層を介して導通させる（以上を図１（ｅ）に図示する）。
【０１０５】
このボンディング工程が行われる過程では、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）のアルミニウムを主成分とする酸化層１１３（＝図２の表面酸化層）が一部破れてＣｕＡｌ層１１２が露出し、その露出したＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）とワイヤ１１４との接合部には、合金組成物１１５が生成され、機械的かつ電気的な接続状態が形成される。
【０１０６】
このとき、本実施の形態では、前述のごとく、プローバ針によって生じた痕の表面には、再度、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３が形成されている。したがって、大気中でボンディング工程が行われる間、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）が酸化されることはないので、良好なボンディング特性を示すことになる。
【０１０７】
なお、ボンディング工程は、金属製のワイヤ１１４を用いずに、導電性のバンプ等をＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）と直接接合させ、Ｃｕ配線層１０８と導電性の外部材（例：パッケージのボンディングパッド）とをパッド電極層を介して導通させることも可能である。
【０１０８】
また、金属製ワイヤ、および導電性のバンプは、金（Ａｕ）を含め、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、スズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、銀（Ａｇ）等の金属の単体、または、これらの金属を含む合金によって構成されるものである。
【０１０９】
以上の要領でボンディング工程を行った後に、温度２００℃の条件の下で、高温保管試験を２０００時間程行った。その結果、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の接合抵抗は上昇せず、良好な接合状態が保持されていることが分かった。
【０１１０】
本実施の形態の場合、前述のごとく、表面に自然酸化膜が形成された状態で、Ｃｕ配線層１０８上にＡｌＣｕ膜１１１を２０ｎｍ程度の膜厚で形成し、４００℃程度の熱処理を長時間（例：３時間）行う。これによって、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部には、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３が十分な厚さを有して形成され、したがって、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の酸化を抑制し、その後、ボンディング工程が良好な状態で行われたものと考えられる。
【０１１１】
一方、ＡｌＣｕ膜１１１の膜厚が１０ｎｍ未満の場合には、同様に、温度４００℃で３時間程の熱処理を行うと、ＡｌＣｕ膜１１１がＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上で球状に凝集する。このような場合、希フッ酸（ＨＦ）によるウエットエッチングの処理時間を、より長めに設定しなければ、ＳｉＮ膜１０９上にあるＡｌＣｕ膜１１１を完全に除去することができない。この場合、生産工程全体の効率に影響し、さらに、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）上にあるアルミニウムを主成分とする酸化層１１３をも溶解して、耐酸化性の劣化を招く恐れがあるので、プロセスマージンを十分確保することが不可能となる。
【０１１２】
また、本実施の形態のごとく、Ｃｕ配線層１０８の厚さが１．２μｍ程度である場合、ＡｌＣｕ膜１１１の膜厚が１０ｎｍ未満の厚さでは、両者が反応する過程で、Ａｌ成分の大部分がＣｕ配線層１０８内部に拡散する。したがって、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部には、十分な厚さにはアルミニウムを主成分とする酸化層１１３が形成されない。さらには、前述のごとく、長時間の希フッ酸（ＨＦ）処理を行う場合、表層部のアルミニウムを主成分とする酸化層１１３は、厚さが十分ではないので容易に除去され、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の耐酸化性が失われる。
【０１１３】
このような状態で、大気中でワイヤボンディング工程を行うと、プローバ針によって痕が形成された部分だけではなく、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部でも部分的に酸化が進行する。したがって、前述のごとく、ワイヤボンディングによる接合を行うことは不可能となる。
【０１１４】
図３に示す表に、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度（単位：原子％）を変化させ、希フッ酸（ＨＦ）処理後における、ボンディングの特性を調べたものを示す。
【０１１５】
なお、本実施の形態において、表層部とは、表面から深さ５０ｎｍ程度までに至る層である。
【０１１６】
図３では、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度ごとに、ボンディング特性の良否を→×、△、○で表す。×は、パッド電極層の内部に至るまで酸化が生じて、ボンディング接合が不可能であったことを表すもの。△は、そのような酸化は生じないが、ボンディングの接合強度（＝剥離強度）が不十分であったことを表すもの。また、○は、十分なボンディングの接合強度が得られたことを表すものである。
【０１１７】
図３に示すように、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度が、１．５原子％以上の場合、ボンディング接合が可能であり、また、同比率にして２原子％以上の場合、ボンディングの接合強度が十分得られることが分かる。
【０１１８】
一方、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度が、１原子％以下の場合、ボンディング接合が不可能であることが分かる。この場合、Ａｌ成分の大部分がＣｕ配線層１０８の内部に拡散し、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部には、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３を十分な厚さで形成する程には、Ａｌ成分の量が存在しなくなるからである。それゆえ、希フッ酸（ＨＦ）処理を行う過程では、表層部よりアルミニウムを主成分とする酸化層１１３が容易に除去され、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の耐酸化性が失われる。
【０１１９】
この結果から、特に、ボンディング接合に関して、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度が２原子％以上であることが望ましいと判明した。
【０１２０】
アルミニウム（Ａｌ）と銅（Ｃｕ）の合金は、電気抵抗が、ＡｌまたはＣｕの単体よりも大きい。この場合、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度を高めるべく、ＡｌＣｕ膜１１１の膜厚を必要以上に厚くすると、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に変化した後も、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）と導電性部材（例：ワイヤ１１４）との接合部で抵抗値が自ずと上昇するので好ましくない。また、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）周囲のＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上にある（未反応の）ＡｌＣｕ膜１１１を除去する場合等、処理時間が長くなり、同様に好ましくない。
【０１２１】
したがって、本実施の形態のごとく、Ｃｕ配線層１０８の厚さが１．２μｍ程度であれば、ＡｌＣｕ膜１１１の膜厚は、１０ｎｍ以上、かつ１００ｎｍ以下程度とするとよい。すなわち、ＡｌＣｕ膜１１１の膜厚は、Ｃｕ配線層１０８の厚さに対する比率にして、１０％程度を上限とすれば、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の抵抗値の上昇、および処理時間等を抑制することができる。
【０１２２】
なお、本実施の形態では、Ｃｕ配線層１０８の表面に形成される自然酸化膜を除去して、その後、ＡｌＣｕ膜１１１をＣｕ配線層１０８上に形成することも可能である。
【０１２３】
この場合、まず、水素雰囲気中にさらして、Ｃｕ配線層１０８の表面を加熱処理して、その表面に形成された自然酸化膜を除去する。ここでは、例えば、水素分圧を０．２Ｐａ、また、温度を３５０℃に設定して、３分間程熱処理を行う。その後、公知の無加熱スパッタリング法を用いて、Ｃｕ配線層１０８上にＡｌＣｕ膜１１１を形成し、次いで、前述のごとく加熱処理を行い、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、およびアルミニウムを主成分とする酸化層１１３を形成する。
【０１２４】
このように、あらかじめ、自然酸化膜を除去しておくと、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に界面酸化層（図２を参照する）が形成されることはない。したがって、無加熱スパッタリング法を用いて、Ｃｕ配線層１０８上にＡｌＣｕ膜１１１を形成した後、熱処理を行う過程で、Ｃｕ配線層１０８中へのＡｌ成分の拡散は迅速に行われ、無加熱スパッタリング後の加熱処理時間を短縮することが可能となる。
【０１２５】
この場合、例えば、温度を４００℃に設定して、３０分間程度の熱処理を行えば、特に、ボンディング特性も良好となり、本実施の形態で前述したものと同等の効果を得ることができた。また、このとき、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度についても、同様の結果を得られた。
【０１２６】
また、公知の加熱スパッタリング法を用いて、Ｃｕ配線層１０８上にＡｌＣｕ膜１１１を形成する場合にも適用できる。この場合、同様に、水素雰囲気中にさらして、Ｃｕ配線層１０８の表面を加熱処理し、あらかじめ、その表面に形成された自然酸化膜を除去する。その後、シリコン基板１００を４００℃程度の高温状態に保ち、その間に、Ｃｕ配線層１０８上にＡｌＣｕ膜１１１を形成する。また、前述のごとく、ＡｌＣｕ膜１１１には、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、およびアルミニウムを主成分とする酸化層１１３を形成する。このように、シリコン基板１００を高温状態に保ち、かつＣｕ配線層１０８上にＡｌＣｕ膜１１１を形成、および処理する過程で、Ｃｕ配線層１０８の内部にまでＡｌ成分が達するように拡散を促進させることができる。
【０１２７】
以上のようにして、本実施の形態のごとく、パッド電極層が合金化された層で構成されれば、長期間の使用に対して、十分な耐酸化性、および強度を有し、従来よりも、Ｃｕ配線層、引いては、半導体装置の信頼性を高めることが可能となる。
【０１２８】
なお、シリコンウェーハの検査工程の後に行なうプローバ痕を修復するための熱処理に代えて次のような方法も採り得る。この方法による半導体装置の製造プロセスを、最上層に位置しかつパッド電極層を有する配線層における、配線が延びる方向の断面図として、図４（ａ）ないし図４（ｅ）に示す。図４（ａ）ないし図４（ｄ）は、それぞれ、図１（ａ）ないし図１（ｄ）に相当する図であり、同一の構成には同一番号を付してある。図４（ｅ）は、図４（ｄ）の一部上面図である。
【０１２９】
すなわち、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）の開口部１１０内において、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に柱状化された絶縁膜（例：酸化シリコン膜１０６）を突入させた構造とし、この絶縁膜により、プローバの針が、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の深い位置にまで達しないように、機械的に阻止させるものである。
【０１３０】
この場合、形成された絶縁柱により深い位置への侵入を阻止されつつ、プローバの針がＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に接触させられ、前述のごとく検査工程が行われる。すなわち、プローバの針は、一定の深さに達すると、形成された絶縁膜によって進入を機械的に阻止され、針の痕が深い位置にまで到達しないようになる。なお、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に突入させる柱状化された絶縁膜は、適宜、その数と配置を設定することができる。
【０１３１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、Ｃｕを配線層の材料とし、かつＣｕよりも酸化傾向の強い（＝酸化され易い）金属として、タンタル（Ｔａ）を用いる。具体的には、本実施の形態では、（実施の形態１）で用いた、ＡｌＣｕ膜（または、Ａｌ膜）１１１の代わりに、タンタル（Ｔａ）膜を用いるものとする。
【０１３２】
また、本実施の形態では、（実施の形態１）で述べた、Ｃｕ配線層１０８上のＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）に開口部を形成する工程まで（図１（ａ）を参照する）は、同一の条件の下、同様の手順で行うことができるので説明を省略する。したがって、同一の構造を用いる部分には、（実施の形態１）の図１（ａ）ないし図１（ｅ）と同一の符号を付与するものとする。
【０１３３】
以下に、本実施の形態について、図５（ａ）ないし図５（ｃ）を参照して説明する。
【０１３４】
なお、図５（ａ）ないし図５（ｃ）は、一例として、最上層に位置し、なおかつ、パッド電極層を有する配線層における配線の延びる方向の断面図を表す。
【０１３５】
まず、（実施の形態１）のように、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）をエッチングし、Ｃｕ配線層１０８の一部が露出するように、開口部を形成する。
【０１３６】
次に、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線層）とＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）を覆うように、公知の加熱スパッタリング法を用い、タンタル（Ｔａ）膜２１１を２０ｎｍ程度の膜厚で形成する（以上を図５（ａ）に図示する）。
【０１３７】
ここでは、まず、水素雰囲気中にさらし、Ｃｕ配線層１０８の表面に加熱処理を行って、その表面の自然酸化膜を除去する。この場合、例えば、水素分圧を０．２Ｐａ、また、温度を３５０℃に設定し、３分間程度の加熱処理を行う。その後、シリコン基板１００を温度３５０℃程度（３００℃から４５０℃）に加熱した状態で、スパッタリング法を用い、タンタル（Ｔａ）膜２１１を形成する。タンタル（Ｔａ）膜２１１を形成する過程では、加熱処理が施されており、Ｃｕ配線層１０８上に成膜されると、タンタル（Ｔａ）膜２１１は、Ｃｕ配線層１０８の成分と反応して、ＣｕＴａ層２１２、すなわち、パッド電極層が形成される。また、このとき、ＣｕＴａ層２１２（＝パッド電極層）の表層部には、タンタル（Ｔａ）を主成分とする酸化層２１３が形成される。
【０１３８】
ここでは、加熱する過程で、タンタル（Ｔａ）膜２１１の成分が、Ｃｕ配線層１０８の内部に拡散して、Ｃｕ配線層１０８の一部が合金化される。また、このとき、タンタル（Ｔａ）膜２１１には、Ｃｕ配線層１０８の成分との反応層（＝合金層）が形成される。ＣｕＴａ層２１２は、Ｃｕ配線層１０８の底面に達するまで合金化された部分、およびタンタル（Ｔａ）膜２１１の反応層（＝合金層）からなり、パッド電極層を構成する。（以上を図５（ｂ）に図示する）。
【０１３９】
なお、タンタル（Ｔａ）を主成分とする酸化層２１３は、耐酸化性膜等を有する保護層として、ＣｕＴａ層２１２（＝パッド電極層）に作用する。
【０１４０】
この工程では、公知の無加熱スパッタリング法を用いてもよい。すなわち、まず、水素雰囲気中にさらして、Ｃｕ配線層１０８の表面を加熱処理し、その表面に形成された自然酸化膜を除去する。ここでは、例えば、水素分圧を０．２Ｐａ、また、温度を３５０℃に設定し、３分間程度の加熱処理を行う。その後、無加熱スパッタリング法を用いて、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線層）とＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）を覆うように、タンタル（Ｔａ）膜２１１を２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。その後、温度を３５０℃程度に設定し、微量の酸素（酸素分圧が１×１０−５Ｐａ以下）を成分とする雰囲気中で、所定時間の熱処理を行う。
【０１４１】
このように、あらかじめ、自然酸化膜を除去しておくと、ＣｕＴａ層２１２に界面酸化層（図２を参照する）が形成されることはない。したがって、無加熱スパッタリング法を用いて、Ｃｕ配線層１０８上にタンタル（Ｔａ）膜２１１を形成した後、熱処理を行う過程で、Ｃｕ配線層１０８中へのタンタル（Ｔａ）成分の拡散は迅速に行われ、無加熱スパッタリング後の加熱処理時間を短縮することが可能となる。
【０１４２】
次に、ＳｉＮ膜１０９上にあるタンタル（Ｔａ）膜２１１を除去する。本実施の形態では、一例として、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法を用い、タンタル（Ｔａ）膜２１１を除去する。このとき、ＣｕＴａ層２１２は、ＳｉＮ膜１０９に形成された開口部内にあり、ＣＭＰ工程において除去されることなく、選択的に残存させることができる（以上を図５（ｃ）に図示する）。
【０１４３】
次に、検査装置内にシリコンウェーハごと搬入し、これに、（実施の形態１）と同様にして、半導体チップごとの良否判定を行うべく検査工程を施す。
【０１４４】
ここでは、オートプローバーとプロービングカードを用い、ＣｕＴａ層２１２（＝パッド電極層）に接触させるようにして、大気中で、各半導体チップの良否判定を行う。
【０１４５】
次に、（実施の形態１）と同様にして、シリコンウェーハごと真空オーブン内に搬入し、再度、酸素分圧が１×１０−５Ｐａ以下の雰囲気を供給し、温度３５０℃で、熱処理を１５分間程行う。この熱処理によって、ＣｕＴａ層２１２（＝パッド電極層）上に生じたプローバ針の痕にも、再度、タンタル（Ｔａ）を主成分とする酸化層が形成される。
【０１４６】
なお、タンタル（Ｔａ）膜２１１の膜厚が必要な膜厚よりも薄いと、自ずとタンタル（Ｔａ）成分が不足し、ここで、再度、タンタル（Ｔａ）を主成分とする酸化層を形成して、ＣｕＴａ層２１２（＝パッド電極層）を保護することができなくなる。
【０１４７】
次に、（実施の形態１）と同様にして、導電性部材として、金属製のワイヤ、または導電性のバンプ等を用い、公知のボンディング工程を施す。
【０１４８】
ここでは、大気中において、Ｃｕ配線層１０８と導電性の外部材（例：パッケージのボンディングパッド）とを電気的に接続すべく、公知のボンディング工程をＣｕＴａ層２１２に施す。一例として、公知のボンディングツールを用い、導電性部材として、金属製のワイヤ（＝例：金（Ａｕ））を、加熱および加圧して、ＣｕＴａ層２１２に直接接合させる。このボンディング工程が行われる過程では、ＣｕＴａ層２１２表層部のタンタル（Ｔａ）を主成分とする酸化層２１３が一部破れ、ＣｕＴａ層２１２が露出し、その露出した部分とワイヤとの接合部には合金組成物が生成され、機械的かつ電気的な接続状態が形成される。
【０１４９】
なお、導電性ワイヤ、および導電性のバンプは、金（Ａｕ）を含め、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、スズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、銀（Ａｇ）等の金属の単体、または、これらの金属を含む合金によって構成されるものである。
【０１５０】
以上の要領で、ボンディング工程を行った後に、温度２００℃の条件の下、高温保管試験を２０００時間程行った。その結果、ＣｕＴａ層２１２（＝パッド電極層）の接合抵抗は上昇せず、（実施の形態１）と同様に、良好な接合状態が保たれていることが分かった。（実施の形態１）と同様に、ＣｕＴａ層２１２の表層部のタンタル（Ｔａ）濃度について調べたところ、特に、ボンディング接合に関して、ＣｕＴａ層２１２の表層部に含まれるタンタル（Ｔａ）濃度が２原子％以上であることが望ましいことが判明した。
【０１５１】
なお、本実施の形態において、表層部とは、表面から深さ５０ｎｍ程度までに至る層である。
【０１５２】
また、（実施の形態１）と同様の理由で、Ｃｕ配線層１０８の厚さが、１．２μｍ程度であれば、タンタル（Ｔａ）膜２１１の膜厚は、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下とするとよい。すなわち、タンタル（Ｔａ）膜２１１の膜厚は、Ｃｕ配線層１０８の厚さに対する比率にして、１０％程度を上限とすれば、ＣｕＴａ層２１２（＝パッド電極層）の抵抗値の上昇、およびＣＭＰ法による処理時間等を抑制することができる。
【０１５３】
以上に加え、本実施の形態では、（実施の形態１）と同様に、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線層）表面の自然酸化膜を除去せずに、パッド電極層を形成することも可能である。この場合、（実施の形態１）に示す手順で処理して、パッド電極層を形成すればよい。その結果、ＣｕＴａ層２１２に含まれるタンタル（Ｔａ）濃度は低い値に保たれ、引いては、ＣｕＴａ層２１２の抵抗値の上昇を抑制することが可能となる。
【０１５４】
本実施の形態のごとく、パッド電極層が合金化された層で構成されれば、長期間の使用に対して、十分な耐酸化性、および強度を有し、従来よりも、Ｃｕ配線層、引いては、半導体装置の信頼性を高めることが可能となる。
【０１５５】
（実施の形態３）
本実施の形態では、Ｃｕを配線層の材料とし、かつＣｕよりも酸化傾向の強い（＝酸化され易い）金属として、チタン（Ｔｉ）を用いる。具体的には、本実施の形態では、（実施の形態１）で用いた、ＡｌＣｕ膜（または、Ａｌ膜）１１１の代わりに、チタン（Ｔｉ）膜を用いるものとする。
【０１５６】
また、本実施の形態では、（実施の形態１）で述べた、Ｃｕ配線層１０８上のＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）に開口部を形成する工程まで（図１（ａ）を参照する）は、同一の条件の下、同様の手順で行うことができるので説明を省略する。したがって、同一の構造を用いる部分には、（実施の形態１）の図１（ａ）ないし図１（ｅ）と同一の符号を付与するものとする。
【０１５７】
以下に、本実施の形態について、図６（ａ）ないし図６（ｃ）を参照して説明する。
【０１５８】
なお、図６（ａ）ないし図６（ｃ）は、一例として、最上層に位置し、なおかつ、パッド電極層を有する配線層における配線の延びる方向の断面図を表す。
【０１５９】
まず、（実施の形態１）のように、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）をエッチングし、Ｃｕ配線層１０８の一部が露出するように開口部を形成する。
【０１６０】
次に、水素雰囲気中にさらして、Ｃｕ配線層１０８の表面に加熱処理を行い、その表面に形成された自然酸化膜を除去する。ここでは、例えば、水素分圧を０．２Ｐａ、温度を３５０℃に設定し、３分間程度の加熱処理を行う。その後、公知の無加熱スパッタリング法を用いて、Ｃｕ配線層１０８とＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）を覆うように、チタン（Ｔｉ）膜３１１を２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。（以上を図６（ａ）に図示する）。
【０１６１】
次に、一旦、スパッタリング装置からシリコンウェーハごと搬出し、その後、真空中（具体的には、酸素分圧が１×１０−５Ｐａ以下の雰囲気）で、温度を４００℃に設定し、３０分間程度の熱処理を行った。
【０１６２】
この熱処理により、（Ｃｕ配線層１０８上の）チタン（Ｔｉ）膜３１１は、Ｃｕ配線層１０８の成分と反応して、ＣｕＴｉ層３１２、すなわち、パッド電極層が形成される。また、このとき、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）の表層部には、チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層３１３が形成される。
【０１６３】
ここでは、熱処理を行う過程で、チタン（Ｔｉ）膜３１１の成分が、Ｃｕ配線層１０８の内部に拡散して、Ｃｕ配線層１０８の一部が合金化される。また、このとき、チタン（Ｔｉ）膜３１１には、Ｃｕ配線層１０８の成分との反応層（＝合金層）が形成される。ＣｕＴｉ層３１２は、Ｃｕ配線層１０８の底面に至るまで合金化された部分、およびチタン（Ｔｉ）膜３１１の反応層（＝合金層）からなり、パッド電極層を構成する。（以上を図６（ｂ）に図示する）。
【０１６４】
また、この工程は、公知の加熱スパッタリング法を用いて行うこともできる。この場合、例えば、まず、水素雰囲気中にさらして、Ｃｕ配線層１０８表面を加熱処理し、その表面に形成された自然酸化膜を除去する。ここでは、例えば、水素分圧を０．２Ｐａ、温度を３５０℃に設定して、３分間程度の加熱処理を行う。
【０１６５】
このように、あらかじめ、自然酸化膜を除去しておくと、ＣｕＴｉ層３１２に界面酸化層（図２を参照する）が形成されることはない。したがって、加熱スパッタリング法を用いて、Ｃｕ配線層１０８上にチタン（Ｔｉ）膜３１１を形成する過程で、Ｃｕ配線層１０８中の内部にまで達するようにチタン（Ｔｉ）成分が拡散される。
【０１６６】
すなわち、シリコン基板１００の温度が４００℃程度に達するように加熱し、その状態で、スパッタリング法によって、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線層）とＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）を覆うように、チタン（Ｔｉ）膜３１１を２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。この場合、Ｃｕ配線層１０８上に形成されたチタン（Ｔｉ）膜３１１は、Ｃｕ配線層１０８の成分と反応して、ＣｕＴｉ層３１２、すなわち、パッド電極層を形成し、なおかつ、ＣｕＴｉ層３１２の表層部には、チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層３１３が形成される。
【０１６７】
なお、チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層３１３は、耐酸化性等を有する保護層として、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）に作用する。
【０１６８】
次に、アッシャー装置内に、シリコンウェーハごと搬入する。ここでは、シリコンウェーハの表面に酸素ラジカル（Ｏ＊）を供給して、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）の周囲、すなわち、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上にあるチタン（Ｔｉ）膜３１１を酸化させ、酸化チタン（Ｔｉ）層３１４を形成する（以上を図６（ｃ）に図示する）。このようにして、各ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）の間を確実に電気的に絶縁する。
【０１６９】
次に、検査装置内にシリコンウェーハを搬入し、これに、（実施の形態１）と同様にして、半導体チップごとの良否判定を行うべく検査工程を施す。
【０１７０】
次に、（実施の形態１）と同様にして、シリコンウェーハごと真空オーブン内に搬入し、再度、酸素分圧が１×１０−５Ｐａ以下の雰囲気を供給し、温度４００℃で、熱処理を１５分間程行う。この熱処理によって、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）上に生じたプローバ針の痕にも、再度、チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層が形成される。
【０１７１】
なお、チタン（Ｔｉ）膜３１１の膜厚が必要とされる膜厚よりも薄いと、自ずとチタン（Ｔｉ）成分が不足し、ここで、再度、チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層を形成して、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）を保護することができなくなる。
【０１７２】
次に、（実施の形態１）と同様にして、導電性部材として、金属製のワイヤ、または導電性のバンプ等を用い、公知のボンディング工程を施す。
【０１７３】
ここでは、大気中において、Ｃｕ配線層１０８と外部の導電性部材（例：パッケージのボンディングパッド）とを電気的に接続すべく、公知のボンディング工程をＣｕＴｉ層３１２に施す。一例として、公知のボンディングツールを用い、導電性部材として、金属製のワイヤ（＝例：金（Ａｕ））を、加熱および加圧して、ＣｕＴｉ層３１２に直接接合させる。
【０１７４】
このボンディング工程が行われる過程では、ＣｕＴｉ層３１２表層部のチタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層３１３が一部破れ、ＣｕＴｉ層３１２が露出し、その露出した部分とワイヤとの接合部には合金組成物が生成され、機械的かつ電気的な接続状態が形成される。
【０１７５】
なお、導電性ワイヤ、および導電性のバンプは、金（Ａｕ）を含め、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、スズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、銀（Ａｇ）等の金属の単体、または、これらの金属を含む合金によって構成されるものである。
【０１７６】
ここで、ワイヤボンディングの接合強度（＝剥離強度）を測定すると、通常よりも、少し低下する傾向が見られた。これは、酸化チタン（Ｔｉ）層３１４を形成する過程で、ＣｕＴｉ層３１２の表層部にも酸素ラジカル（Ｏ＊）が供給されることが原因となっている。すなわち、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上にあるチタン（Ｔｉ）膜３１１を酸化する過程で、チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層３１３にも酸素ラジカル（Ｏ＊）が作用して、必要以上にその厚さが増し、通常の条件でボンディングを行っても、ワイヤとＣｕＴｉ層３１２との十分な接合強度（＝剥離強度）が得られなくなっているからである。
【０１７７】
そこで、本実施の形態では、一例として、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）にワイヤボンディング接合がなされた状態で、温度を２００℃程度に設定したオーブン中に２時間程放置し、熱処理を行った。その結果、ボンディングの接合強度（＝剥離強度）が増し、十分な接合状態が得られるようになった。
【０１７８】
これは、必要以上に厚さが増したチタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層３１３に、熱処理を行うことによって、チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層３１３の成分が拡散接合するように作用して、ボンディングの接合面積が増加したことによる。
【０１７９】
なお、酸化層の厚さに合わせ、ボンディング条件を調節することによって、十分なボンディングの接合強度（＝剥離強度）を得ることも可能である。
【０１８０】
以上の手順で、ボンディング工程を行った後に、温度２００℃の条件の下、高温保管試験を２０００時間程行った。その結果、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）の接合抵抗は上昇せず、（実施の形態１）と同様に、良好な接合状態が保たれていることが分かった。
【０１８１】
（実施の形態１）と同様に、ＣｕＴｉ膜３１２の表層部のチタン（Ｔｉ）濃度について調べたところ、特に、ボンディング接合に関し、ＣｕＴｉ層３１２の表層部に含まれるチタン（Ｔｉ）濃度が２原子％以上であることが望ましいと判明した。
【０１８２】
なお、本実施の形態において、表層部とは、表面から深さ５０ｎｍ程度までに至る層である。
【０１８３】
また、（実施の形態１）と同様の理由で、Ｃｕ配線層１０８の厚さが、１．２μｍ程度であれば、チタン（Ｔｉ）膜３１１の膜厚は、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ程度を限度とするとよい。すなわち、チタン（Ｔｉ）膜３１１の膜厚は、Ｃｕ配線層１０８の厚さに対する比率にして、１０％程度を上限とすれば、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）の抵抗値の上昇、および処理時間等を抑制することができる。
【０１８４】
以上に加え、本実施の形態では、（実施の形態１）と同様に、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線層）表面の自然酸化膜を除去せずに、パッド電極層を形成することも可能である。この場合、（実施の形態１）に示す手順で処理して、パッド電極層を形成すればよい。その結果、ＣｕＴｉ層３１２に含まれるチタン（Ｔｉ）濃度は低い値に保たれ、引いては、ＣｕＴｉ層３１２の抵抗値の上昇を抑制することが可能となる。
【０１８５】
本実施の形態のごとく、パッド電極層が合金化された層で構成されれば、長期間の使用に対して、十分な耐酸化性、および強度を有し、従来よりも、Ｃｕ配線層、引いては、半導体装置の信頼性を高めることが可能となる。
【０１８６】
（実施の形態４）
本実施の形態では、（実施の形態１）と同様に、Ｃｕを配線層の材料とし、かつＣｕよりも酸化傾向の強い（＝酸化され易い）金属として、アルミニウム（Ａｌ）を用いる。また、本実施の形態では、（実施の形態１）と同様に、ＡｌＣｕ膜（または、Ａｌ膜）１１１を用い、熱処理工程を行う過程では、加熱手段としてレーザービームを用いる。
【０１８７】
本実施の形態では、（実施の形態１）で述べた、Ｃｕ配線層１０８上のＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）に開口部を形成する工程（図１（ａ）を参照する）までは、同一の条件の下、同様の手順で行うことができるので説明を省略する。また、同一の構造を用いる部分には、（実施の形態１）の図１（ａ）ないし図１（ｅ）と同一の符号を付与するものとする。
【０１８８】
以下に、本実施の形態について、図７（ａ）ないし図７（ｃ）を参照して説明する。
【０１８９】
なお、図７（ａ）ないし図７（ｃ）は、一例として、最上層に位置し、なおかつ、パッド電極層を有する配線層における配線の延びる方向の断面図を表す。
【０１９０】
公知の無加熱スパッタリング法を用い、アルミニウム（Ａｌ）を主成分としてＣｕを０．５ｗｔ％含む、ＡｌＣｕ膜１１１を、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線）とＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）を覆うように、２０ｎｍ程度の膜厚で形成する（以上を図７（ａ）に図示する）。
【０１９１】
次に、一旦、スパッタリング装置からシリコンウェーハごと搬出し、その後、レーザービーム４１１をＣｕ配線層１０８上のＡｌＣｕ膜１１１の部分にのみ照射する。また、このとき、レーザービーム４１１のエネルギーは、１Ｊ／ｃｍ２程度とする。
【０１９２】
この熱処理により、（Ｃｕ配線層１０８上の）ＡｌＣｕ膜１１１は、Ｃｕ配線層１０８の成分と反応して、ＣｕＡｌ層４１２、すなわち、パッド電極層が形成される。また、このとき、ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）の表層部には、アルミニウムを主成分とする酸化層４１３が形成される。
【０１９３】
ここでは、熱処理を行う過程で、ＡｌＣｕ膜１１１のアルミニウムおよび銅の合金成分が、Ｃｕ配線層１０８の内部に拡散して、Ｃｕ配線層１０８の一部が合金化される。また、このとき、ＡｌＣｕ膜１１１には、Ｃｕ配線層１０８の成分との反応層（＝合金層）が形成される。ＣｕＡｌ層４１２は、Ｃｕ配線層１０８の底面に達するまで合金化された部分、およびＡｌＣｕ膜１１１の反応層（＝合金層）からなり、パッド電極層を構成する。
【０１９４】
このように、レーザービーム４１１を照射することにより、熱とエネルギーが集中的に与えられ、Ｃｕ配線層１０８上のＡｌＣｕ膜１１１は、Ｃｕ配線層１０８と反応して、ＣｕＡｌ層４１２、すなわち、パッド電極層を形成する。また、このとき、ＣｕＡｌ層４１２の表層部には、アルミニウムを主成分とする酸化層４１３が形成される（以上を図７（ｂ）に図示する）。
【０１９５】
また、加熱手段にレーザービームを用いることで、Ｃｕ配線層１０８とＡｌＣｕ膜１１１の各成分の拡散、および反応が大幅に促進され、ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）、およびアルミニウムを主成分とする酸化層４１３を形成する過程で、加熱処理に要する時間を著しく短縮することができる。このとき、レーザービームが照射されていない、Ｃｕ配線層１０８上以外の部分では、ＡｌＣｕ膜１１１の状態にある。
【０１９６】
また、Ｃｕ配線層１０８の表面に自然酸化膜が形成されていても、レーザービーム４１１を照射することによって、ＡｌＣｕ膜１１１は急速に加熱され、成分の拡散、およびＣｕ配線層１０８との反応が十分に促進される。これより、自然酸化膜を除去するか否かによって、パッド電極層を形成する上での効果に差異は認められない。したがって、本実施の形態では、自然酸化膜の処理、すなわち、除去するか否かは、特に限定されないものとする。
【０１９７】
なお、アルミニウムを主成分とする酸化層４１３は、耐酸化性等を有する保護層として、ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）に作用する。
【０１９８】
次に、シリコンウェーハごとキャリアに移送し、エッチング槽内のリン酸中に浸して、ウエットエッチング処理を行い、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上にあるＡｌＣｕ膜１１１を溶解させて除去する。このとき、ＣｕＡｌ層４１２は耐酸性を有しており、このＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）のみ、選択的に、残存させることができる（以上を図７（ｃ）に図示する）。
【０１９９】
なお、このウエットエッチング処理は、４分間程度行うものとする。
【０２００】
リン酸の他に、希塩酸（ＨＣｌ）や希フッ酸（ＨＦ）を用いることも可能である。すなわち、シリコン基板１００の表面に、希フッ酸（ＨＦ）、希塩酸（ＨＣｌ）、またはリン酸を単独で、または、各々によるウエットエッチング処理を組合せて行うこともできる。例えば、希フッ酸（ＨＦ）またはリン酸を供給し、その後、希塩酸（ＨＣｌ）を供給して、ＳｉＮ膜１０９上にあるＡｌＣｕ膜１１１を溶解させ、除去することも可能である。
【０２０１】
以上のように形成された、各ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）に、大気中において、公知のワイヤボンディング工程を施した。ここでは、（実施の形態１）で述べた手順、および条件で、金属製のワイヤ（＝例：金（Ａｕ））を、加熱および加圧して、ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）に直接接合させ、Ｃｕ配線層１０８と導電性の外部材（例：パッケージのボンディングパッド）を導通させた。その結果、（実施の形態１）と同様に、良好なボンディング特性を示した。
【０２０２】
また、温度２００℃の条件の下、高温保管試験を２０００時間程行った。その結果、ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）での接合抵抗は上昇せず、良好な接合状態が保たれていることが分かった。この結果から、特に、ボンディング接合に関して、ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度が２原子％以上であることが望ましいことが判明した。
【０２０３】
なお、本実施の形態において、表層部とは、表面から深さ５０ｎｍ程度までに至る層である。
【０２０４】
また、（実施の形態１）と同様の理由で、Ｃｕ配線層１０８の厚さが、１．２μｍ程度であれば、ＡｌＣｕ膜１１１の膜厚は、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下程度とすればよい。すなわち、ＡｌＣｕ膜１１１の膜厚は、Ｃｕ配線層１０８の厚さに対する比率にして、１０％程度を上限とすれば、ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）の抵抗値の上昇、および処理時間等を抑制することができる。
【０２０５】
以上のようにして、本実施の形態のごとく、パッド電極層が合金化された層で構成されれば、長期間の使用に対して、十分な耐酸化性、および強度を有し、従来よりも、Ｃｕ配線層、引いては、半導体装置の信頼性を高めることが可能となる。
【０２０６】
（実施の形態５）
本実施の形態では、（実施の形態１）と同様に、Ｃｕを配線層の材料とし、かつＣｕよりも酸化傾向の強い（＝酸化され易い）金属として、アルミニウム（Ａｌ）を用いる。また、本実施の形態では、一例として、（実施の形態１）と同様に、ＣｕＡｌ層１１２の表層部に、耐酸化性膜（＝アルミニウムを主成分とする酸化層１１３）を形成する。また、その後、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）上にマスクパターンを形成し、耐酸化性膜（＝アルミニウムを主成分とする酸化層１１３）を保護して、ウエットエッチング処理を行い、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上等、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）以外の領域上にあるＡｌＣｕ膜１１１を除去する。
【０２０７】
以下、本実施の形態について、具体的に、図８（ａ）、図８（ｂ）を参照して説明する。
【０２０８】
なお、図８（ａ）、図８（ｂ）は、最上層に位置し、なおかつ、パッド電極層を有する配線層における配線の延びる方向の断面図を表す。
【０２０９】
本実施の形態では、（実施の形態１）と同様に、ＡｌＣｕ膜（または、Ａｌ膜）１１１を用いる。本実施の形態では、（実施の形態１）で述べた、Ｃｕ配線層（＝パッド電極層）上のＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）に開口部を形成する工程（図１（ａ）に図示する）までは、同一の条件の下、同様の手順で行うことができるので説明を省略する。また、同一の構造を用いる部分には、（実施の形態１）の図１（ａ）ないし図１（ｅ）と同一の符号を付与するものとする。
【０２１０】
（実施の形態１）と同様にして、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３を形成した後に、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）上に、レジストパターン１１６を形成する（以上を図８（ａ）に図示する）。
【０２１１】
ここでは、例えば、フォトレジストを塗布後、リソグラフィー技術を用いて、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）を保護するように、レジストパターン１１６を形成することができる。
【０２１２】
次に、レジストパターン１１６をマスクにして、ウエットエッチング処理を行い、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上のＡｌＣｕ膜１１１を除去する。その後、レジストパターン１１６を、公知の方法でアッシング処理し、除去する（以上を図８（ｂ）に図示する）。ここで、ウエットエッチング処理は、希フッ酸（ＨＦ）、リン酸、または希塩酸（ＨＣｌ）を用い、（実施の形態１）に述べた要領で行うことができる。
【０２１３】
次に、（実施の形態１）と同様の手順および条件で、検査工程、ボンディング工程を順次行う。
【０２１４】
実施の形態１および４に述べた方法では、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上にある、不要なＡｌＣｕ膜１１１を除去する上で、エッチング溶液の濃度、またはエッチングに要する時間は、十分な程度に設定する必要がある。したがって、不要なＡｌＣｕ膜１１１を除去すべくウエットエッチング処理を行えば、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、およびアルミニウムを主成分とする酸化層１１３にもエッチングが作用することになる。
【０２１５】
本実施の形態では、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３は、ウエットエッチング処理を行う過程でレジストパターン１１６によって保護される。したがって、ＡｌＣｕ膜１１１を除去する過程では、エッチングによるＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３への影響を考慮する必要はほとんどない。
【０２１６】
したがって、ウエットエッチング処理を行い、不要なＡｌＣｕ膜１１１を除去する過程で、いわゆる、プロセス上の自由度が増すことになる。
【０２１７】
なお、本実施の形態では、（実施の形態２）で用いたタンタル（Ｔａ）、または（実施の形態３）で用いたチタン（Ｔｉ）を、Ａｌの代わりに用いた場合にも同様の効果を得ることが可能となる。
【０２１８】
また、本実施の形態のごとく、パッド電極層が合金化された層で構成されれば、長期間の使用に対して、十分な耐酸化性、および強度を有し、従来よりも、Ｃｕ配線層、引いては、半導体装置の信頼性を高めることが可能となる。
【０２１９】
（実施の形態６）
本実施の形態では、（実施の形態１）と同様に、Ｃｕを配線層の材料とし、かつＣｕよりも酸化傾向の強い（＝酸化され易い）金属として、アルミニウム（Ａｌ）を用いる。また、本実施の形態では、検査工程、およびボンディング工程等を行った後に、ＳｉＮ膜１０９上にある、不要なＡｌＣｕ膜１１１をウエットエッチングで除去する。
【０２２０】
以下、本実施の形態について、具体的に、図９（ａ）、図９（ｂ）を参照して説明する。
【０２２１】
なお、図９（ａ）、図９（ｂ）は、最上層に位置して、なおかつ、パッド電極層を有する配線層における配線の延びる方向の断面図を表す。
【０２２２】
本実施の形態では、一例として、（実施の形態１）と同様に、ＡｌＣｕ膜（または、Ａｌ膜）１１１を用いる。また、本実施の形態では、（実施の形態１）で述べた、Ｃｕ配線層１０８上のＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）に開口部を形成する工程（図１（ａ）を参照する）までは、同一の条件の下、同様の手順で行うことができるので説明を省略する。また、同一の構造を用いる部分には、（実施の形態１）の図１（ａ）ないし図１（ｅ）と同一の符号を付与するものとする。
【０２２３】
本実施の形態では、（実施の形態１）と同様にして、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、およびアルミニウムを主成分とする酸化層１１３を形成して、その後、エッチング処理によってＡｌＣｕ膜（または、Ａｌ膜）１１１を除去せずに、ボンディング工程を行い、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に、導電性ワイヤ（例：金（Ａｕ））、または導電性のバンプをボンディング接合する。ここでは、（実施の形態１）と同様に、加熱および加圧して、直接、金属製のワイヤ１１４をＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）にボンディング接合する。
【０２２４】
ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）と金属製のワイヤ１１４（または導電性のバンプ）のボンディング接合を行うと、表層部のアルミニウムを主成分とする酸化層１１３が一部破れ、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）が露出し、その接合部分には、相互の材料が反応する過程で合金組成物１１５が形成されることになる。この合金組成物１１５によって、ボンディング接合の機械的、および電気的な接続が確立する。また、ボンディングの接合部分以外の領域には、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３が存在するため、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）は保護されることになる（以上を図９（ａ）に図示する）。
【０２２５】
次に、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）にワイヤ、またはバンプが接続された状態で、ウエットエッチング処理を行い、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上のＡｌＣｕ膜１１１を除去する（以上を図９（ｂ）に図示する）。ここで、ウエットエッチング処理は、希フッ酸（ＨＦ）、リン酸、または希塩酸（ＨＣｌ）を用い、（実施の形態１）に述べた手順、および条件で行うことができる。
【０２２６】
ＳｉＮ膜１０９上にある、不要なＡｌＣｕ膜１１１を除去するには、エッチング溶液の濃度、またはエッチングに要する処理時間を、十分な程度に設定する。したがって、ボンディング接合の前に、不要なＡｌＣｕ膜１１１を除去すべくウエットエッチング処理を行えば、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、およびアルミニウムを主成分とする酸化層１１３にも、エッチングが作用することになる。
【０２２７】
したがって、本実施の形態のごとく、ボンディングによる接合を行った後に、不要なＡｌＣｕ膜１１１を除去すれば、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３へのウエットエッチングによる影響を抑制することができる。
【０２２８】
本実施の形態の場合、マスクパターンを形成する工程を必要とせずに、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３を保護して、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上の不要なＡｌＣｕ膜１１１を除去することができる。このとき、エッチングレートの差等の影響を考慮せずに、ウエットエッチング処理を行え、ＡｌＣｕ膜１１１を除去する過程で、いわゆる、プロセス上の自由度が増すことになる。
【０２２９】
また、本実施の形態のごとく、パッド電極層が合金化された層で構成されれば、長期間の使用に対して、十分な耐酸化性、および強度を有し、従来よりも、Ｃｕ配線層、引いては、半導体装置の信頼性を高めることが可能となる。
【０２３０】
なお、本実施の形態では、（実施の形態２）で用いたタンタル（Ｔａ）、または（実施の形態３）で用いたチタン（Ｔｉ）を、Ａｌの代わりに用いた場合にも同様の効果を得ることが可能となる。
【０２３１】
以上、実施の形態１ないし６では、Ｃｕよりも酸化傾向の強い（＝酸化され易い）金属として、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）が用いられたが、その他にも、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、スズ（Ｓｎ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）等を用いて同様の効果を得ることができる。
【０２３２】
各実施の形態で、これらの金属材料を用いる場合には、まず、単体の膜、または合金の膜を、Ｃｕ配線層１０８およびＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上に形成する。その後、各実施の形態で述べた手順および条件で処理し、Ｃｕ配線層１０８と反応させ、表層部に酸化層を有するＣｕとの合金層（＝パッド電極層）を形成する。その後、ウエットエッチング処理、ＣＭＰ法等を用いて、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上の不要な膜を除去し、この合金層をボンディング接合用のパッド電極層として用いればよい。
【０２３３】
ここで、表面酸化層を含めたパッド電極層のごく表面（０から４ｎｍ程度の深さ）における銅濃度とボンディング強度の関係について述べる。図１０は、表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後にボンディングを行なった場合のシアテスト結果と、表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後にさらに表面に酸処理（例えば炭酸処理）を行なってからボンディングを行なった場合のシアテスト結果とを比較して示す図である。両者の場合は、後述するように、表面酸化層を含めたパッド電極層のごく表面（０から４ｎｍ程度の深さ、特に０から２ｎｍ程度の深さ）における銅濃度に違いがある。
【０２３４】
図１０に示すように、表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後にさらに表面に酸処理を行なってからボンディングを行なった場合のシアテスト結果には、有意な改善が見られた。
【０２３５】
図１１（ａ）は、表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後においてその表面を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて分析した結果例である。また、図１１（ｂ）は、表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後にさらに表面に酸処理を行なって、その表面を二次イオン質量分析法により分析した結果例である。両者を比較すると、４ｎｍ程度より深い部分での元素分布はほぼ等しいと言えるが、２ｎｍ程度までの範囲では両者の違いが顕著であり、特に０から０．５ｎｍ程度の深さまでの範囲では、酸処理を行なった場合の方が銅濃度として低くなっている。したがって、この範囲（０から０．５ｎｍ程度の深さ）での銅濃度をある程度の低さに押さえるとボンディング強度に改善をもたらすのではないかと考えられた。
【０２３６】
そこで、さらにこれを確かめるために、プロセス条件を変えて、深さ４ｎｍ程度までの銅濃度が２０原子％程度と故意に高い水準にした、表面酸化層を含めたパッド電極層を比較例として形成し（図１１（ｃ）にその二次イオン質量分析法の結果例を示す。）、そのボンディング強度を調べたところ、ボンディング接合させること自体ができないことが分かった。
【０２３７】
これらの結果から、表面酸化層を含めたパッド電極層のごく表面（０から４ｎｍ程度の深さ）における銅濃度が２０原子％程度未満であれば、ボンディングが可能になり、特に０から０．５ｎｍ程度の深さで低くするにつれてボンディング強度が増すことが分かった。現実的には、２ｎｍの深さまでの銅の濃度を平均として１０原子％以下にすることを基準とすることができる。
【０２３８】
銅濃度によるボンディング強度変化の原因を考察するに、ボンディング時にはＡｌのようなＣｕよりも酸化傾向の大きい金属を主成分とする表面酸化層を突き破って清浄なＣｕとワイヤの例えばＡｕとが接合することが重要であるところ、ごく表面のＣｕ濃度が高いとそのＣｕは酸化物の形で存在するためボンディング時にＡｕワイヤ表面にＣｕ酸化物が付着するためと考えられる。Ａｕワイヤ表面にＣｕ酸化物が付着すると清浄なＣｕとの接合が阻害されるからである。
【０２３９】
なお、表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後にさらに行なう銅濃度低減のための表面酸処理は、炭酸処理の他、塩酸、酢酸などを用いることによってもよい。ちなみに、これらの酸処理により銅濃度が低減するのは、これらの酸が銅の酸化物を優先的に溶解するからである。
【０２４０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、銅配線層の抵抗値、および耐酸化性を考慮し、なおかつ、銅配線層形成後の工程、すなわち、不要な金属膜の処理工程、ウェーハ検査工程、およびボンディング工程等への影響を抑制することができる。
【０２４１】
したがって、銅配線層の特長である低抵抗値を維持し、なおかつ、銅配線層は、例えば、パッド電極層の部分を介して、金属製のワイヤ、または導電性のバンプ等、導電性の外部材と導通する導電性部材と、安定かつ良好な状態で接合されることができ、その後も、その接合状態を保つことが可能となる。
【０２４２】
以上より、本発明によって、高性能かつ高信頼性を有する半導体装置を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に関する半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図２】第１の実施形態の半導体装置を示す詳細断面図。
【図３】第１の実施形態における、ＣｕＡｌ合金層の表層部のＡｌ濃度とボンディング特性との関係を示す表。
【図４】第１の実施形態の変形例に関する半導体装置の製造工程を示す断面図および一部上面図。
【図５】本発明の第２の実施形態に関する半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図６】本発明の第３の実施形態に関する半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図７】本発明の第４の実施形態に関する半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図８】本発明の第５の実施形態に関する半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図９】本発明の第６の実施形態に関する半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図１０】表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後にボンディングを行なった場合のシアテスト結果と、表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後にさらに表面に酸処理を行なってからボンディングを行なった場合のシアテスト結果とを比較して示す図。
【図１１】表面酸化層を含めたパッド電極層の表層を二次イオン質量分析法で分析した結果を示す図。
【符号の説明】
１００・・・シリコン基板
１０１・・・熱酸化シリコン膜（＝ＳｉＯ２膜）
１０２、１０６・・・酸化シリコン膜
１０３、１０７・・・ＴａＮ膜（窒化タンタル膜）
１０４・・・Ｃｕ配線層（＝下層配線層）
１０５、１０９・・・ＳｉＮ膜（窒化シリコン膜）
１０８・・・Ｃｕ配線層（＝上層配線層）
１１０・・・開口部
１１１・・・アルミニウム銅合金膜（ＡｌＣｕ膜）
１１２、４１２・・・ＣｕＡｌ層
１１３、４１３・・・アルミニウムを主成分とする酸化層
１１４・・・ワイヤ
１１５・・・合金組成物
１１６・・・レジストパターン
２１１・・・タンタル（Ｔａ）膜
２１２・・・ＣｕＴａ層
２１３・・・タンタル（Ｔａ）を主成分とする酸化層
３１１・・・チタン（Ｔｉ）膜
３１２・・・ＣｕＴｉ層
３１３・・・チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層
３１４・・・酸化チタン層
４１１・・・レーザービーム
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に係り、特に、ボンディング接合等の信頼性を高める半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体装置の高集積化、高速化に伴い、各配線層の低抵抗化と高信頼性の観点から、配線材料には、アルミニウム（Ａｌ）等に替わり、銅（以下、Ｃｕと記す）が用いられるようになってきている。Ｃｕを配線材料とする技術は、半導体装置の高速化、配線構造の多層化において、微細加工技術の進展に伴い、重要度を増してきている。
【０００３】
半導体装置を実装する工程では、ボンディング工程を行い、金属製ワイヤ、または導電性のバンプ等の導電性部材を介して、半導体装置の各配線層と導電性の外部材（例：パッケージのボンディングパッド）とを電気的に接続し、導通させる。ボンディング工程を行う場合、半導体装置のパッド電極層と金属ワイヤ、または導電性のバンプとを直接接合するようにして、半導体装置の各配線層と導電性の外部材とを電気的に導通させる。具体的には、パッド電極層に、直接、金属製のワイヤ（例：金（Ａｕ））をボンディング接合するか、または、パッド電極層上に導電性のバンプを形成して、フリップチップ接続する等して行われる。
【０００４】
パッド電極層は、最上層の配線の一部として形成されるので、半導体装置の配線層と同じ材料を用いることになる。したがって、パッド電極層の材料には、他の配線層と同様に、Ａｌ等に代わってＣｕを使用することが、工程数を削減する上でも都合がよい。
【０００５】
パッド電極層となるＣｕ配線層の最上層を大気中にさらして、加熱処理を行うと、Ｃｕ配線層では表面から内部に容易に酸化が進行する。したがって、Ｃｕを材料に用いた場合、従来の装置を用いて大気中で加熱処理を行いながらボンディング工程を行うことはできない。この場合、窒素気流中、または水素気流中等、非酸化性の雰囲気中、または還元性の雰囲気中で、パッド電極層の表面の酸化を抑制しながら、ボンディング工程を行うことも可能であるが、装置の大幅な改造が必要となる。また、ボンディング後の工程でも、加熱処理等を行う過程で酸化が進行して、一旦ボンディング接合された部分が、接合不良になるという問題もある。
【０００６】
これらの問題に対し、特開平９−９２６４９号公報では、銅配線構造上、または開口部内の銅電極パッド構造（＝銅のパッド電極層）上に、耐酸化性、耐腐食性の保護層を形成する方法が開示されている。
【０００７】
ここでは、配線やパッド電極を構成する銅膜（以下、Ｃｕ膜とする）、およびその周囲の絶縁膜上に、Ｃｕ膜の膜厚に対して、約２％以下の厚さを有する薄い膜厚のアルミニウム膜（以下、Ａｌ膜とする）を形成し、その後、熱処理を行い、Ｃｕ配線層の表面に、銅―アルミニウムの合金層（以下、Ｃｕ−Ａｌの合金層）を形成する方法が開示されている。このように、Ｃｕ配線層上に、Ａｌを成分とする金属の合金膜を形成し、Ｃｕ配線層の酸化および腐食を抑制して、配線構造、またはパッド電極構造の信頼性を高める方法が開示されている。
【０００８】
また、特開平９−９２６４９号公報では、続いて、絶縁膜上に残った（未反応の）Ａｌ膜を、希フッ酸、またはリン酸によってウエットエッチング処理で除去し、その後、水素と酸素、または水素と水蒸気の混合気体中でＣｕ配線層を熱処理する方法が開示されている。ここでは、再度、Ｃｕ配線層を熱処理して、Ｃｕ−Ａｌの合金層の表面に、さらに、Ａｌと酸素を含有する薄膜、またはＡｌとＣｕと酸素を含有する薄い酸化膜を形成し、Ｃｕ配線またはＣｕ電極パッド構造の信頼性をさらに高めることできる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、パッド電極層（例：Ｃｕ）の抵抗値の上昇を抑えるためには、Ｃｕ合金膜の膜厚を可能な限り薄くする必要がある。これに応じて、パッド電極層上に形成する金属膜（例：Ａｌ）の膜厚は、可能な限り薄くすることが考えられる。
【００１０】
したがって、特開平９−９２６４９号公報では、Ｃｕ電極パッド構造（＝Ｃｕパッド電極層）の抵抗値の上昇を抑えるために、Ｃｕ−Ａｌの合金層の厚さを可能な限り薄くする必要があり、これに応じて、電極パッド構造を構成するＣｕ膜上には、可能な限り薄い膜厚で、Ａｌ膜を形成することが考えられる。
【００１１】
しかしながら、パッド電極層上に形成する金属膜（例：Ａｌ）の膜厚が薄くなり過ぎると、以下のような問題が生じることになる。
【００１２】
例えば、パッド電極層上に合金膜を形成する過程で、熱処理によって、パッド電極層（＝最上層の配線層）の周囲の部分、すなわち、パッシベーション膜等の絶縁膜上で、金属膜が球状に凝集してしまい、金属膜の膜厚（＝球の直径に相当）が増大することになる。
【００１３】
この場合、パッド電極層周囲の絶縁膜上に残った不要な金属膜は、ウエットエッチング処理やＣＭＰ法（＝化学的機械的研磨法）等によって除去されるが、処理時間が長くなる等の問題があり、実用的なプロセスマージンが得られない。
【００１４】
また、Ｃｕ配線構造の電極パッドを形成した後、金属製のワイヤ（例：金（Ａｕ））、または導電性のバンプ等、導電性部材を介して、導電性の外部材（例：パッケージのボンディングパッド）と接続すべく実装工程等を行う前に、通常、シリコンウェーハに検査工程を施す。ここでは、大気中で、プローバの針を各半導体チップのパッド電極層に接触させて検査を行い、良品チップのみを選択するように判定し、検査終了後、良品チップのみに実装工程を施す。
【００１５】
この場合、プローバの針は先端が鋭いために、接触時には、パッド電極層にある程度の深さの傷が生じる。したがって、パッド電極層が、Ｃｕ配線層上に保護層が形成された構造の場合、プローバの針が、その保護層を突き破り、下層に位置するＣｕ配線層が露出するので、後の実装工程において酸化が進行してしまう。したがって、パッド電極層上の金属酸化層は、プローバの針によって容易に削られ、パッド電極層の耐酸化性が劣化するという問題がある。
【００１６】
また、実装工程を行う前に、パッド電極層を保護すべく、熱処理を施して、プローバ針の痕上に、再度、酸化性の保護層を形成する場合がある。しかしながら、下層に位置するＣｕ配線層には、保護層としての金属酸化層を形成する上で必要な金属が含まれていないため、金属酸化層を再度形成することが不可能となる。実装工程、特に、ボンディング工程等では、このようなパッド電極に、金属製ワイヤ、または導電性のバンプを接合すると、接合強度や導通性において不良状態が発生する。
【００１７】
このように、パッド電極層を形成する場合には、単に、配線抵抗値の抑制、耐酸化性や耐腐食性を考慮するだけでなく、それ以降の工程、すなわち、不要な金属膜の処理工程、ウェーハ検査工程、およびボンディング工程等への影響を考慮する必要がある。
【００１８】
したがって、特開平９−９２６４９号公報に開示された方法でも、Ｃｕ電極パッド構造（＝Ｃｕパッド電極層）を形成する上で、配線抵抗値の抑制、ウェーハ検査工程、およびボンディング工程等への影響を考慮する必要がある。例えば、Ｃｕ配線層上に材料（＝Ａｌ）を形成して、表層部のみに保護層を形成するのではなく、パッド電極層の抵抗値は上昇するが、敢えて、パッド電極層の内部にまでＣｕ−Ａｌの合金層を形成して、パッド電極層全体の耐酸化性、耐腐食性を確保する必要がある。
【００１９】
しかしながら、特開平９−９２６４９号公報に開示された方法では、Ｃｕ電極パッド構造を形成するにあたり、抵抗値の上昇を抑えるために、できるだけ薄くＡｌ膜を形成することに着目するのみで、それらの点を考慮してはいない。
【００２０】
本発明は、以上のような事情に鑑みなされたもので、高性能で信頼性が高く、より簡便に製造することができる、Ｃｕを配線材料とする半導体装置、および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高性能かつ信頼性の高い、Ｃｕを配線材料とする半導体装置、および半導体装置の製造方法を提供する。
【００２２】
上記の課題を解決するため、本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された銅配線層と、前記銅配線層に導通し、かつ、銅と銅よりも酸化傾向の大きい金属とを含む合金層が底面に達して形成されているパッド電極層と、前記パッド電極層に達する開口部を有する絶縁性保護膜とを具備することを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、低抵抗の銅（Ｃｕ）配線層を用い、高速性、および高信頼性を有する半導体装置を提供することができる。
【００２４】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜内に銅配線層を形成する工程と、前記銅配線層上に絶縁性保護膜を形成する工程と、前記絶縁性保護膜に、前記銅配線層に達する開口部を形成する工程と、前記開口部内の銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する工程と、熱処理を行って、前記銅配線層中に前記金属または前記合金を拡散させ、銅と銅よりも酸化傾向の大きい金属とを含む合金を前記銅配線層の底面に達して生成してパッド電極層を形成し、かつ、前記パッド電極層の表層部には、前記金属を主成分とする酸化層を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２５】
また、別の本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜内に銅配線層を形成する工程と、前記銅配線層上に絶縁性保護膜を形成する工程と、前記絶縁性保護膜に、前記銅配線層に達する開口部を形成する工程と、加熱を行いながら、前記銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成し、これにより、前記銅配線層中に、前記金属または前記合金を拡散させて、銅と銅よりも酸化傾向の大きい金属とを含む合金を前記銅配線層の底面に達して形成してパッド電極層を形成し、かつ、前記パッド電極層の表層部には、前記金属を主成分とする酸化層を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２６】
本発明によれば、低抵抗の銅（Ｃｕ）配線層を用い、なおかつ、高信頼性を有する半導体装置を製造することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施態様として、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、スズ（Ｓｎ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）のうち、少なくともいずれか一つを含む。
【００２８】
また、実施態様としては、前記パッド電極層において、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の濃度は、上表面付近の領域でより高く、その下方向でより低くなっている。
【００２９】
また、実施態様として、前記パッド電極層の上表面付近の領域において、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の濃度は、２原子％以上である。
【００３０】
また、実施態様として、前記パッド電極層は、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を主成分とする酸化層を表層として有し、導電性部材が、前記酸化層の一部を貫通して、前記パッド電極層と電気的に接続する。
【００３１】
また、実施態様として、前記パッド電極層は、その表層部に第一の酸化層を有し、かつ、その下方向に、銅と銅よりも酸化傾向の大きい金属とを含む第一の合金層、第二の酸化層、および前記第一の合金層よりも、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の濃度が低い第二の合金層の順に、積層状に構成される。
【００３２】
また、実施態様として、前記パッド電極層は、絶縁性部材が突入された構造である。
【００３３】
また、実施態様として、前記導電性部材は、導電性のワイヤまたは導電性のバンプであり、かつ、前記パッド電極層とボンディング接合されている。
【００３４】
また、実施態様として、前記パッド電極層の表面から２ｎｍの深さまでの銅の濃度が平均として１０原子％以下である。
【００３５】
本発明の実施形態の製造方法によれば、低抵抗の銅（Ｃｕ）配線層を用いて、なおかつ、絶縁性保護膜の開口内に存在し、その銅（Ｃｕ）配線層に電気的に接続するパッド電極層とのボンディング接合等において、高信頼性を有する半導体装置を製造することができる。
【００３６】
実施態様としての製造方法は、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程の前に、前記銅配線層上に存在する酸化層を除去する工程をさらに有する。
【００３７】
また、実施態様としての製造方法において、前記銅配線層上に存在する酸化層は、水素雰囲気中で熱処理を行って除去される。
【００３８】
また、実施態様として、前記金属または前記合金を拡散させる熱処理は、酸素を含む雰囲気を用いて行い、前記酸素の分圧は１×１０−５Ｐａ以下である。
【００３９】
また、実施態様として、前記金属または前記合金を拡散させる熱処理は、３００℃から４５０℃の温度で行う。
【００４０】
また、実施態様として、前記金属または前記合金を拡散させる熱処理は、レーザーアニール、またはラピッドサーマルアニール法を用いて行う。
【００４１】
また、実施態様として、前記金属の膜または前記合金の膜を形成しかつ前記金属または前記合金を拡散させる加熱は、３００℃から４５０℃の温度で行う。
【００４２】
また、実施態様としての製造方法において、前記開口部内の銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程は、同時に、前記絶縁性保護膜上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成するものであり、前記熱処理の後に、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する工程をさらに有する。
【００４３】
また、実施態様としての製造方法において、加熱を行いながら、前記銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程は、同時に、前記絶縁性保護膜上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成するものであり、前記パッド電極層の形成および前記金属を主成分とする酸化層の形成の後に、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する工程をさらに有する。
【００４４】
これらの実施態様によれば、低抵抗の銅（Ｃｕ）配線層を用いて、なおかつ、絶縁性保護膜の開口内に存在し、その銅（Ｃｕ）配線層に電気的に接続するパッド電極層とのボンディング接合等において、高信頼性を有する半導体装置を製造することができる。
【００４５】
また、実施態様として、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する工程は、前記開口部内のパッド電極層上にマスクを形成して除去する。
【００４６】
また、実施態様としての製造方法は、前記開口部内の銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程が、同時に、前記絶縁性保護膜上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成するものであり、前記形成されたパッド電極層に、導電性の外部材と電気的に接続可能な導電性部材を接合して、この導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する工程と、前記パッド電極層と前記導電性部材を接合した状態で、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する工程とをさらに有する。
【００４７】
また、実施態様としての製造方法は、加熱を行いながら、前記銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程が、同時に、前記絶縁性保護膜上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成するものであり、前記形成されたパッド電極層に、導電性の外部材と電気的に接続可能な導電性部材を接合して、この導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する工程と、前記パッド電極層と前記導電性部材を接合した状態で、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する工程とをさらに有する。
【００４８】
また、実施態様として、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、スズ（Ｓｎ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）のうち、少なくともいずれか一つを含む。
【００４９】
また、実施態様として、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金膜は、前記開口部内の銅配線層上を含む絶縁性保護膜上に、１０ｎｍ以上の膜厚で形成される。
【００５０】
また、実施態様として、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する前記工程は、ウエットエッチング処理、またはＣＭＰ法を用いて行う。
【００５１】
また、実施態様として、前記ウエットエッチング処理は、酸を用いて行われる。
【００５２】
また、実施態様として、前記酸は、リン酸、フッ酸、および塩酸より選択される。
【００５３】
また、実施態様として、前記ウエットエッチング処理は、リン酸またはフッ酸に続いて、その後、塩酸を用いて行われる。
【００５４】
また、実施態様としての製造方法は、前記ウエットエッチング処理後、熱処理を行って、前記パッド電極層の表層部に、前記金属を主成分とする酸化層を形成する工程をさらに有する。
【００５５】
また、実施態様として、前記ウエットエッチング後の熱処理は、酸素を含む雰囲気を用いて行い、前記酸素の分圧は１×１０−５Ｐａ以下である。
【００５６】
また、実施態様として、前記ウエットエッチング後の熱処理は、３００℃から４５０℃の温度で行う。
【００５７】
また、実施態様として、前記ウエットエッチング後の熱処理は、レーザーアニール、またはラピッドサーマルアニール法を用いて行う。
【００５８】
また、実施態様としての製造方法は、前記形成されたパッド電極層に、導電性の外部材と電気的に接続可能な導電性部材を接合して、前記導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する工程をさらに有する。
【００５９】
また、実施態様として、前記導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する前記工程は、前記導電性部材が、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を主成分とする前記酸化層の一部において貫通して、前記パッド電極層と電気的に接続する。
【００６０】
また、実施態様として、前記導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する前記工程は、前記導電性部材が、導電性ワイヤまたは導電性のバンプであり、かつ前記パッド電極層とボンディング接合により接続する。
【００６１】
また、実施態様としての製造方法は、前記パッド電極層を形成し、かつ、前記パッド電極層の表層部には、前記金属を主成分とする酸化層を形成する前記工程の後に、前記パッド電極層の表面を塩酸、酢酸、炭酸より選ばれた少なくとも１つの酸を用いて処理する工程をさらに有する。
【００６２】
以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００６３】
（実施の形態１）
以下に、第１の実施形態について、図１（ａ）ないし図１（ｅ）、図２、図３、図４（ａ）ないし図４（ｅ）を参照して説明する。
【００６４】
本実施の形態では、Ｃｕを配線層の材料とし、かつＣｕよりも酸化傾向の強い（＝酸化され易い）金属として、アルミニウム（Ａｌ）を用いる。
【００６５】
なお、図１（ａ）ないし図１（ｅ）は、一例として、最上層に位置し、なおかつ、パッド電極層を有する配線層における配線が延びる方向の断面図を表す。
【００６６】
まず、シリコン（Ｓｉ）基板１００上に、熱酸化シリコン膜（＝ＳｉＯ２膜）１０１を１００ｎｍ程度の膜厚で形成し、その後、ＣＶＤ法を用いて、酸化シリコン膜１０２を１μｍ程度の膜厚で形成する。
【００６７】
次に、リソグラフィー技術を用いて、いわゆるＰＥＰ工程を行い、酸化シリコン膜１０２上にフォトレジスト膜のパターンを形成する。その後、このパターンをマスクにして、ドライエッチングを行い、酸化シリコン膜１０２に、幅１．３μｍ、深さ７００ｎｍの配線パターン溝を形成する。
【００６８】
次に、スパッタリング法によって、配線パターン用の溝内にＴａＮ膜（窒化タンタル膜）１０３を２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。その後、スパッタリング法によってＣｕ膜を２００ｎｍ程度の膜厚で形成し、硫酸銅を用いたメッキ法により、配線パターン用の溝内をＣｕで埋め込む。その後、化学的機械的研磨法（＝ＣＭＰ法）による処理を施して、Ｃｕ配線層１０４（＝下層配線層）を埋め込み形成する。
【００６９】
次に、Ｃｕ配線層１０４上の全面に、ＣＶＤ法を用いて、ＳｉＮ膜（窒化シリコン膜）１０５を１００ｎｍ程度、酸化シリコン膜１０６を２μｍ程度の膜厚で順次形成する。
【００７０】
次に、リソグラフィー技術を用いて、いわゆるＰＥＰ工程を行い、酸化シリコン膜１０６上に、フォトレジスト膜のパターンを形成する。その後、レジスト膜のパターンをマスクにして、酸化シリコン膜１０６、ＳｉＮ膜１０５を順次エッチングして、深さが１．２μｍ、および幅が１．０μｍの配線パターン用の溝、およびＣｕ配線層１０４（＝下層配線層）に達するヴィアホールを形成する。
【００７１】
次に、スパッタリング法により、配線パターン用の溝内にＴａＮ膜（窒化タンタル膜）１０７を２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。その後、スパッタリング法によってＣｕ膜を２００ｎｍ程度の膜厚で形成し、硫酸銅を用いたメッキ法により配線パターン用の溝内をＣｕで埋め込む。その後、ＣＭＰ法による処理を施し、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線層）を埋め込み形成して、デュアルダマシン配線構造を形成する。
【００７２】
次に、ＣＶＤ法を用い、絶縁性保護膜として、ＳｉＮ膜（窒化シリコン膜）１０９を２００ｎｍの膜厚で形成する。その後、リソグラフィー技術を用いて、いわゆるＰＥＰ工程を行い、ＳｉＮ膜１０９上にフォトレジスト膜のパターンを形成する。その後、レジスト膜のパターンをマスクにして、ＳｉＮ膜１０９をエッチングし、Ｃｕ配線層１０８の一部が露出するように開口部１１０を形成する（以上を図１（ａ）に図示する）。
【００７３】
次に、公知の無加熱スパッタリング法を用い、アルミニウム（Ａｌ）と０．５ｗｔ％のＣｕを成分とする、アルミニウム銅合金膜（以下、ＡｌＣｕ膜１１１とする）をＣｕ配線層１０８（＝上層配線層）とＳｉＮ膜１０９を覆うように、２０ｎｍ程度の膜厚で形成する（以上を図１（ｂ）に図示する）。
【００７４】
次に、一旦、スパッタリング装置からシリコンウェーハごと搬出し、その後、真空オーブン等、所定の反応容器内に搬入して、熱処理を行う。
【００７５】
ここでは、温度を４００℃程度に設定し、微量の酸素を含む雰囲気中で、３時間程度の熱処理を行う。この熱処理により、（Ｃｕ配線層１０８上の）ＡｌＣｕ膜１１１は、Ｃｕ配線層１０８の成分と反応して、ＣｕＡｌ層１１２、すなわち、パッド電極層が形成される。また、このとき、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部には、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３が形成される。
【００７６】
ここでは、熱処理を行う過程で、ＡｌＣｕ膜１１１のアルミニウムおよび銅の合金成分が、Ｃｕ配線層１０８の内部に拡散して、Ｃｕ配線層１０８の一部が合金化される。また、このとき、ＡｌＣｕ膜１１１には、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線層）の成分との反応層（＝合金層）が形成される。ＣｕＡｌ層１１２は、Ｃｕ配線層１０８の底面に達するまで合金化された部分、およびＡｌＣｕ膜１１１の反応層（＝合金層）からなり、パッド電極層を構成する。（以上を図１（ｃ）に図示する）。
【００７７】
なお、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３は、耐酸化性等を有する保護層として、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に作用する。
【００７８】
本実施の形態では、開口部１１０内において、Ｃｕ配線層１０８のＣｕ成分の酸化を抑制するために、雰囲気中の酸素の分圧が１×１０−５（Ｐａ）以下となるように供給量を調整し、比較的長時間かけて、Ｃｕ配線層１０８とＡｌＣｕ膜１１１を反応させて、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）を形成し、かつ、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部にのみ、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３を形成する。
【００７９】
ここでは、酸素の分圧が、この範囲（＝１×１０−５（Ｐａ）以下）にあれば、雰囲気の種類は特に限定されず、高真空中で行うか、または、窒素雰囲気やフォーミングガス（＝窒素と水素の混合ガス）雰囲気等を用いて、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３を形成することができる。
【００８０】
さらに、ＡｌＣｕ膜１１１を成膜する前に処理を施さなければ、熱処理中に、Ｃｕ配線層１０８の表面に形成された自然酸化膜の酸素成分とＡｌＣｕ膜１１１とが反応し、ＡｌＣｕ膜１１１とＣｕ配線層１０８との界面には、相互の反応前に、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３（＝界面酸化層）が形成される。以上のような構造の詳細断面図を図２に示す。
【００８１】
この構造では、図２に示すように、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３（＝界面酸化層）がＣｕ配線層１０８へのＡｌの拡散を抑制する。したがって、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）においては、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３（＝界面酸化層）を境に、これより下の領域には低濃度のＡｌを含むＣｕＡｌ層（＝Ａｌ低濃度）、また（前述の界面酸化層より）上の領域には高濃度のＡｌを含むＣｕＡｌ層（＝Ａｌ高濃度）が形成される。その結果、Ｃｕ配線層１０８に拡散されるＡｌ濃度は低い値に保たれ、引いては、Ｃｕ配線層１０８の抵抗値の上昇を抑制することが可能となる。
【００８２】
なお、本実施の形態では、熱処理の温度は、３００℃ないし４５０℃の範囲にあるように設定すればよい。
【００８３】
ここでは、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）において、Ａｌ成分は酸化するが、Ｃｕ成分は酸化しないように、雰囲気中の酸素の量を可能な限り微かな量に留めている。したがって、水素で酸化状態を還元すべく、水素と酸素を含む混合気体を使用せずとも、前述のごとく、雰囲気の種類を特に限定せずに、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）を形成することができる。
【００８４】
また、この工程は、公知の加熱スパッタリング法を用いて行うこともできる。これを以下に説明する。
【００８５】
例えば、シリコン基板１００の温度が４００℃程度に達するように加熱し、その状態で、スパッタリング法によって、ＡｌＣｕ膜１１１をＣｕ配線層１０８（＝上層配線）とＳｉＮ膜１０９を覆うように、２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。
【００８６】
この場合、無加熱スパッタリング法でＡｌＣｕ膜１１１を成膜後に熱処理を行なう場合と同様の温度で加熱することにより、Ｃｕ配線層１０８上に成膜される過程で、ＡｌＣｕ膜１１１は、Ｃｕ配線層１０８の成分と反応して、ＣｕＡｌ層１１２、すなわち、パッド電極層が形成される。また、このとき、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部には、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３が形成される。
【００８７】
ここでは、加熱を行いながら成膜される過程で、ＡｌＣｕ膜１１１のアルミニウムと銅の合金成分が、Ｃｕ配線層１０８の内部に拡散して、Ｃｕ配線層１０８の一部が合金化される。また、このとき、ＡｌＣｕ膜１１１には、Ｃｕ配線層１０８の成分との反応層（＝合金層）が形成される。ＣｕＡｌ層１１２は、Ｃｕ配線層１０８の底面に達するまで合金化された部分、およびＡｌＣｕ膜１１１の反応層（＝合金層）からなり、パッド電極層を構成する。
【００８８】
前述のごとく、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３は、耐酸化性を有する保護層として、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に作用する。
【００８９】
この場合、無加熱スパッタリング法と比べ、ＡｌＣｕ膜１１１を成膜する過程で、Ｃｕ配線層１０８の一部の合金化が行え、熱処理工程数を削減できるという効果がある。
【００９０】
また、以上のごとく、加熱スパッタリング法を用いた場合、Ｃｕ配線層１０８に前処理を行わずに、ＡｌＣｕ膜１１１を成膜すれば、加熱中に、Ｃｕ配線層１０８の表面に形成されている自然酸化膜の酸素成分が、ＡｌＣｕ膜１１１と反応し、Ｃｕ配線層１０８とＡｌＣｕ膜１１１との界面には、アルミニウムを主成分とする酸化層（＝界面酸化層）が形成される（図２を参照する）。この点は、無加熱スパッタリング法を用いた場合と同様である。
【００９１】
また、本実施の形態においては、シリコン基板１００等を加熱する方法として、レーザーアニール、ＲＴＡ法（＝ラピッドサーマルアニール法）等の手段を用いることができる。この場合、加熱処理に要する時間を著しく短縮することができる。
【００９２】
また、前述のＡｌとＣｕの合金膜の代わりに、Ａｌ単体の膜を用いることも可能である。
【００９３】
次に、スピンエッチング装置内に、シリコンウェーハを搬入する。
【００９４】
ここでは、シリコン基板１００の表面に希フッ酸（ＨＦ）を供給して、ウエットエッチング処理を行い、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上にあるＡｌＣｕ膜１１１を溶解させ、除去する。このとき、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）は、耐酸性を有しており、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）のみ、選択的に残存させることができる（以上を図１（ｄ）に図示する）。ここで、ウエットエッチング処理は、所定濃度に調製したエッチング溶液（例：１重量パーセント濃度）を用い、１分程度行うものとする。
【００９５】
このウエットエッチング処理を行うと、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）上以外の領域からＡｌＣｕ膜１１１を除去し、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）同士間の絶縁性を確保できる。しかしながら、このとき、同時に、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）上に形成されたアルミニウムを主成分とする酸化層１１３をも徐々に溶解してしまう。このため、ウエットエッチング処理の条件は、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）上以外の領域にあるＡｌＣｕ膜１１１を完全に除去することを前提に、他の部材への影響をも考慮して最適化する必要がある。
【００９６】
例えば、オーバーエッチング等によって削られ、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３が薄くなり、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の酸化防止効果が低下する場合には、ウエットエッチング処理の後、熱処理を行って酸化層を再度形成するか、または所定の方法で補強する。この場合、熱処理は、使用する雰囲気や温度等、前述したものと同様の処理条件で行えばよい。
【００９７】
また、レーザーアニール、ＲＴＡ法（＝ラピッドサーマルアニール法）等の手段を用いて、加熱処理に要する時間を著しく短縮することも可能である。
【００９８】
なお、シリコン基板１００の表面には、希フッ酸（ＨＦ）の他に、希塩酸（ＨＣｌ）やリン酸を用いることも可能である。すなわち、シリコン基板１００の表面に、希フッ酸（ＨＦ）、希塩酸（ＨＣｌ）、またはリン酸を単独で、または、各々によるウエットエッチング処理を組合せて行うこともできる。例えば、希フッ酸（ＨＦ）またはリン酸を供給し、その後、希塩酸（ＨＣｌ）を供給して、ＳｉＮ膜１０９上にあるＡｌＣｕ膜１１１を溶解させ、除去することも可能である。
【００９９】
この場合、希フッ酸（ＨＦ）やリン酸は、ＡｌＣｕ膜１１１を溶解させる一方で、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部のアルミニウムを主成分とする酸化層１１３をも徐々に溶解する。これに対して、希塩酸（ＨＣｌ）であれば、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３の溶解速度が、より小さく抑えられる。したがって、ウエットエッチング処理に希塩酸（ＨＣｌ）を用いた場合、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部において、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３をオーバーエッチングせずに、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上のＡｌＣｕ膜１１１を除去することが可能となる。この場合、ウエットエッチングの処理マージンを大きくすることができる。
【０１００】
次に、検査装置内にシリコンウェーハを搬入し、これに、半導体チップごとの良否判定を行うべく、検査工程を施す。
【０１０１】
ここでは、オートプローバーとプロービングカードを用い、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に接触させるようにして、大気中で各半導体チップの良否判定を行う。このとき、プローバ針の先端が鋭いために、接触時には、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３を破り、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に、ある程度の深さの痕が残る。このとき、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に形成されたアルミニウムを主成分とする酸化層１１３（＝金属酸化層）が削られ、このまま放置すると、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の耐酸化性が劣化するという問題がある。
【０１０２】
そこで、次に、シリコンウェーハごと真空オーブン内に搬入し、再度、酸素分圧が１×１０−５Ｐａ以下の雰囲気を供給し、温度４００℃で、熱処理を１５分間程行う。この熱処理によって、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）上に生じたプローバ針の痕にも、再度、アルミニウムを主成分とする酸化層を形成することができる。
【０１０３】
なお、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）中に含まれるＡｌが、必要とされる量よりも少ないと、Ａｌ成分が不足し、ここで、再度、アルミニウムを主成分とする酸化層を形成して、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）を保護することができなくなる。
【０１０４】
次に、大気中において、Ｃｕ配線層１０８と導電性を有する外部材（例：パッケージのボンディングパッド）とを電気的に接続すべく、公知のボンディング工程をＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に施す。ここでは、一例として、公知のワイヤボンディング工程を行う。すなわち、公知のボンディングツールを用い、導電性部材として、金属製のワイヤ１１４（＝例：金（Ａｕ））を、加熱および加圧して、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に直接接合させ、Ｃｕ配線層１０８と導電性の外部材（例：パッケージのボンディングパッド）とをパッド電極層を介して導通させる（以上を図１（ｅ）に図示する）。
【０１０５】
このボンディング工程が行われる過程では、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）のアルミニウムを主成分とする酸化層１１３（＝図２の表面酸化層）が一部破れてＣｕＡｌ層１１２が露出し、その露出したＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）とワイヤ１１４との接合部には、合金組成物１１５が生成され、機械的かつ電気的な接続状態が形成される。
【０１０６】
このとき、本実施の形態では、前述のごとく、プローバ針によって生じた痕の表面には、再度、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３が形成されている。したがって、大気中でボンディング工程が行われる間、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）が酸化されることはないので、良好なボンディング特性を示すことになる。
【０１０７】
なお、ボンディング工程は、金属製のワイヤ１１４を用いずに、導電性のバンプ等をＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）と直接接合させ、Ｃｕ配線層１０８と導電性の外部材（例：パッケージのボンディングパッド）とをパッド電極層を介して導通させることも可能である。
【０１０８】
また、金属製ワイヤ、および導電性のバンプは、金（Ａｕ）を含め、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、スズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、銀（Ａｇ）等の金属の単体、または、これらの金属を含む合金によって構成されるものである。
【０１０９】
以上の要領でボンディング工程を行った後に、温度２００℃の条件の下で、高温保管試験を２０００時間程行った。その結果、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の接合抵抗は上昇せず、良好な接合状態が保持されていることが分かった。
【０１１０】
本実施の形態の場合、前述のごとく、表面に自然酸化膜が形成された状態で、Ｃｕ配線層１０８上にＡｌＣｕ膜１１１を２０ｎｍ程度の膜厚で形成し、４００℃程度の熱処理を長時間（例：３時間）行う。これによって、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部には、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３が十分な厚さを有して形成され、したがって、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の酸化を抑制し、その後、ボンディング工程が良好な状態で行われたものと考えられる。
【０１１１】
一方、ＡｌＣｕ膜１１１の膜厚が１０ｎｍ未満の場合には、同様に、温度４００℃で３時間程の熱処理を行うと、ＡｌＣｕ膜１１１がＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上で球状に凝集する。このような場合、希フッ酸（ＨＦ）によるウエットエッチングの処理時間を、より長めに設定しなければ、ＳｉＮ膜１０９上にあるＡｌＣｕ膜１１１を完全に除去することができない。この場合、生産工程全体の効率に影響し、さらに、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）上にあるアルミニウムを主成分とする酸化層１１３をも溶解して、耐酸化性の劣化を招く恐れがあるので、プロセスマージンを十分確保することが不可能となる。
【０１１２】
また、本実施の形態のごとく、Ｃｕ配線層１０８の厚さが１．２μｍ程度である場合、ＡｌＣｕ膜１１１の膜厚が１０ｎｍ未満の厚さでは、両者が反応する過程で、Ａｌ成分の大部分がＣｕ配線層１０８内部に拡散する。したがって、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部には、十分な厚さにはアルミニウムを主成分とする酸化層１１３が形成されない。さらには、前述のごとく、長時間の希フッ酸（ＨＦ）処理を行う場合、表層部のアルミニウムを主成分とする酸化層１１３は、厚さが十分ではないので容易に除去され、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の耐酸化性が失われる。
【０１１３】
このような状態で、大気中でワイヤボンディング工程を行うと、プローバ針によって痕が形成された部分だけではなく、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部でも部分的に酸化が進行する。したがって、前述のごとく、ワイヤボンディングによる接合を行うことは不可能となる。
【０１１４】
図３に示す表に、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度（単位：原子％）を変化させ、希フッ酸（ＨＦ）処理後における、ボンディングの特性を調べたものを示す。
【０１１５】
なお、本実施の形態において、表層部とは、表面から深さ５０ｎｍ程度までに至る層である。
【０１１６】
図３では、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度ごとに、ボンディング特性の良否を→×、△、○で表す。×は、パッド電極層の内部に至るまで酸化が生じて、ボンディング接合が不可能であったことを表すもの。△は、そのような酸化は生じないが、ボンディングの接合強度（＝剥離強度）が不十分であったことを表すもの。また、○は、十分なボンディングの接合強度が得られたことを表すものである。
【０１１７】
図３に示すように、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度が、１．５原子％以上の場合、ボンディング接合が可能であり、また、同比率にして２原子％以上の場合、ボンディングの接合強度が十分得られることが分かる。
【０１１８】
一方、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度が、１原子％以下の場合、ボンディング接合が不可能であることが分かる。この場合、Ａｌ成分の大部分がＣｕ配線層１０８の内部に拡散し、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部には、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３を十分な厚さで形成する程には、Ａｌ成分の量が存在しなくなるからである。それゆえ、希フッ酸（ＨＦ）処理を行う過程では、表層部よりアルミニウムを主成分とする酸化層１１３が容易に除去され、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の耐酸化性が失われる。
【０１１９】
この結果から、特に、ボンディング接合に関して、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度が２原子％以上であることが望ましいと判明した。
【０１２０】
アルミニウム（Ａｌ）と銅（Ｃｕ）の合金は、電気抵抗が、ＡｌまたはＣｕの単体よりも大きい。この場合、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度を高めるべく、ＡｌＣｕ膜１１１の膜厚を必要以上に厚くすると、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に変化した後も、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）と導電性部材（例：ワイヤ１１４）との接合部で抵抗値が自ずと上昇するので好ましくない。また、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）周囲のＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上にある（未反応の）ＡｌＣｕ膜１１１を除去する場合等、処理時間が長くなり、同様に好ましくない。
【０１２１】
したがって、本実施の形態のごとく、Ｃｕ配線層１０８の厚さが１．２μｍ程度であれば、ＡｌＣｕ膜１１１の膜厚は、１０ｎｍ以上、かつ１００ｎｍ以下程度とするとよい。すなわち、ＡｌＣｕ膜１１１の膜厚は、Ｃｕ配線層１０８の厚さに対する比率にして、１０％程度を上限とすれば、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の抵抗値の上昇、および処理時間等を抑制することができる。
【０１２２】
なお、本実施の形態では、Ｃｕ配線層１０８の表面に形成される自然酸化膜を除去して、その後、ＡｌＣｕ膜１１１をＣｕ配線層１０８上に形成することも可能である。
【０１２３】
この場合、まず、水素雰囲気中にさらして、Ｃｕ配線層１０８の表面を加熱処理して、その表面に形成された自然酸化膜を除去する。ここでは、例えば、水素分圧を０．２Ｐａ、また、温度を３５０℃に設定して、３分間程熱処理を行う。その後、公知の無加熱スパッタリング法を用いて、Ｃｕ配線層１０８上にＡｌＣｕ膜１１１を形成し、次いで、前述のごとく加熱処理を行い、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、およびアルミニウムを主成分とする酸化層１１３を形成する。
【０１２４】
このように、あらかじめ、自然酸化膜を除去しておくと、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に界面酸化層（図２を参照する）が形成されることはない。したがって、無加熱スパッタリング法を用いて、Ｃｕ配線層１０８上にＡｌＣｕ膜１１１を形成した後、熱処理を行う過程で、Ｃｕ配線層１０８中へのＡｌ成分の拡散は迅速に行われ、無加熱スパッタリング後の加熱処理時間を短縮することが可能となる。
【０１２５】
この場合、例えば、温度を４００℃に設定して、３０分間程度の熱処理を行えば、特に、ボンディング特性も良好となり、本実施の形態で前述したものと同等の効果を得ることができた。また、このとき、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度についても、同様の結果を得られた。
【０１２６】
また、公知の加熱スパッタリング法を用いて、Ｃｕ配線層１０８上にＡｌＣｕ膜１１１を形成する場合にも適用できる。この場合、同様に、水素雰囲気中にさらして、Ｃｕ配線層１０８の表面を加熱処理し、あらかじめ、その表面に形成された自然酸化膜を除去する。その後、シリコン基板１００を４００℃程度の高温状態に保ち、その間に、Ｃｕ配線層１０８上にＡｌＣｕ膜１１１を形成する。また、前述のごとく、ＡｌＣｕ膜１１１には、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、およびアルミニウムを主成分とする酸化層１１３を形成する。このように、シリコン基板１００を高温状態に保ち、かつＣｕ配線層１０８上にＡｌＣｕ膜１１１を形成、および処理する過程で、Ｃｕ配線層１０８の内部にまでＡｌ成分が達するように拡散を促進させることができる。
【０１２７】
以上のようにして、本実施の形態のごとく、パッド電極層が合金化された層で構成されれば、長期間の使用に対して、十分な耐酸化性、および強度を有し、従来よりも、Ｃｕ配線層、引いては、半導体装置の信頼性を高めることが可能となる。
【０１２８】
なお、シリコンウェーハの検査工程の後に行なうプローバ痕を修復するための熱処理に代えて次のような方法も採り得る。この方法による半導体装置の製造プロセスを、最上層に位置しかつパッド電極層を有する配線層における、配線が延びる方向の断面図として、図４（ａ）ないし図４（ｅ）に示す。図４（ａ）ないし図４（ｄ）は、それぞれ、図１（ａ）ないし図１（ｄ）に相当する図であり、同一の構成には同一番号を付してある。図４（ｅ）は、図４（ｄ）の一部上面図である。
【０１２９】
すなわち、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）の開口部１１０内において、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に柱状化された絶縁膜（例：酸化シリコン膜１０６）を突入させた構造とし、この絶縁膜により、プローバの針が、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）の深い位置にまで達しないように、機械的に阻止させるものである。
【０１３０】
この場合、形成された絶縁柱により深い位置への侵入を阻止されつつ、プローバの針がＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に接触させられ、前述のごとく検査工程が行われる。すなわち、プローバの針は、一定の深さに達すると、形成された絶縁膜によって進入を機械的に阻止され、針の痕が深い位置にまで到達しないようになる。なお、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に突入させる柱状化された絶縁膜は、適宜、その数と配置を設定することができる。
【０１３１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、Ｃｕを配線層の材料とし、かつＣｕよりも酸化傾向の強い（＝酸化され易い）金属として、タンタル（Ｔａ）を用いる。具体的には、本実施の形態では、（実施の形態１）で用いた、ＡｌＣｕ膜（または、Ａｌ膜）１１１の代わりに、タンタル（Ｔａ）膜を用いるものとする。
【０１３２】
また、本実施の形態では、（実施の形態１）で述べた、Ｃｕ配線層１０８上のＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）に開口部を形成する工程まで（図１（ａ）を参照する）は、同一の条件の下、同様の手順で行うことができるので説明を省略する。したがって、同一の構造を用いる部分には、（実施の形態１）の図１（ａ）ないし図１（ｅ）と同一の符号を付与するものとする。
【０１３３】
以下に、本実施の形態について、図５（ａ）ないし図５（ｃ）を参照して説明する。
【０１３４】
なお、図５（ａ）ないし図５（ｃ）は、一例として、最上層に位置し、なおかつ、パッド電極層を有する配線層における配線の延びる方向の断面図を表す。
【０１３５】
まず、（実施の形態１）のように、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）をエッチングし、Ｃｕ配線層１０８の一部が露出するように、開口部を形成する。
【０１３６】
次に、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線層）とＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）を覆うように、公知の加熱スパッタリング法を用い、タンタル（Ｔａ）膜２１１を２０ｎｍ程度の膜厚で形成する（以上を図５（ａ）に図示する）。
【０１３７】
ここでは、まず、水素雰囲気中にさらし、Ｃｕ配線層１０８の表面に加熱処理を行って、その表面の自然酸化膜を除去する。この場合、例えば、水素分圧を０．２Ｐａ、また、温度を３５０℃に設定し、３分間程度の加熱処理を行う。その後、シリコン基板１００を温度３５０℃程度（３００℃から４５０℃）に加熱した状態で、スパッタリング法を用い、タンタル（Ｔａ）膜２１１を形成する。タンタル（Ｔａ）膜２１１を形成する過程では、加熱処理が施されており、Ｃｕ配線層１０８上に成膜されると、タンタル（Ｔａ）膜２１１は、Ｃｕ配線層１０８の成分と反応して、ＣｕＴａ層２１２、すなわち、パッド電極層が形成される。また、このとき、ＣｕＴａ層２１２（＝パッド電極層）の表層部には、タンタル（Ｔａ）を主成分とする酸化層２１３が形成される。
【０１３８】
ここでは、加熱する過程で、タンタル（Ｔａ）膜２１１の成分が、Ｃｕ配線層１０８の内部に拡散して、Ｃｕ配線層１０８の一部が合金化される。また、このとき、タンタル（Ｔａ）膜２１１には、Ｃｕ配線層１０８の成分との反応層（＝合金層）が形成される。ＣｕＴａ層２１２は、Ｃｕ配線層１０８の底面に達するまで合金化された部分、およびタンタル（Ｔａ）膜２１１の反応層（＝合金層）からなり、パッド電極層を構成する。（以上を図５（ｂ）に図示する）。
【０１３９】
なお、タンタル（Ｔａ）を主成分とする酸化層２１３は、耐酸化性膜等を有する保護層として、ＣｕＴａ層２１２（＝パッド電極層）に作用する。
【０１４０】
この工程では、公知の無加熱スパッタリング法を用いてもよい。すなわち、まず、水素雰囲気中にさらして、Ｃｕ配線層１０８の表面を加熱処理し、その表面に形成された自然酸化膜を除去する。ここでは、例えば、水素分圧を０．２Ｐａ、また、温度を３５０℃に設定し、３分間程度の加熱処理を行う。その後、無加熱スパッタリング法を用いて、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線層）とＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）を覆うように、タンタル（Ｔａ）膜２１１を２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。その後、温度を３５０℃程度に設定し、微量の酸素（酸素分圧が１×１０−５Ｐａ以下）を成分とする雰囲気中で、所定時間の熱処理を行う。
【０１４１】
このように、あらかじめ、自然酸化膜を除去しておくと、ＣｕＴａ層２１２に界面酸化層（図２を参照する）が形成されることはない。したがって、無加熱スパッタリング法を用いて、Ｃｕ配線層１０８上にタンタル（Ｔａ）膜２１１を形成した後、熱処理を行う過程で、Ｃｕ配線層１０８中へのタンタル（Ｔａ）成分の拡散は迅速に行われ、無加熱スパッタリング後の加熱処理時間を短縮することが可能となる。
【０１４２】
次に、ＳｉＮ膜１０９上にあるタンタル（Ｔａ）膜２１１を除去する。本実施の形態では、一例として、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法を用い、タンタル（Ｔａ）膜２１１を除去する。このとき、ＣｕＴａ層２１２は、ＳｉＮ膜１０９に形成された開口部内にあり、ＣＭＰ工程において除去されることなく、選択的に残存させることができる（以上を図５（ｃ）に図示する）。
【０１４３】
次に、検査装置内にシリコンウェーハごと搬入し、これに、（実施の形態１）と同様にして、半導体チップごとの良否判定を行うべく検査工程を施す。
【０１４４】
ここでは、オートプローバーとプロービングカードを用い、ＣｕＴａ層２１２（＝パッド電極層）に接触させるようにして、大気中で、各半導体チップの良否判定を行う。
【０１４５】
次に、（実施の形態１）と同様にして、シリコンウェーハごと真空オーブン内に搬入し、再度、酸素分圧が１×１０−５Ｐａ以下の雰囲気を供給し、温度３５０℃で、熱処理を１５分間程行う。この熱処理によって、ＣｕＴａ層２１２（＝パッド電極層）上に生じたプローバ針の痕にも、再度、タンタル（Ｔａ）を主成分とする酸化層が形成される。
【０１４６】
なお、タンタル（Ｔａ）膜２１１の膜厚が必要な膜厚よりも薄いと、自ずとタンタル（Ｔａ）成分が不足し、ここで、再度、タンタル（Ｔａ）を主成分とする酸化層を形成して、ＣｕＴａ層２１２（＝パッド電極層）を保護することができなくなる。
【０１４７】
次に、（実施の形態１）と同様にして、導電性部材として、金属製のワイヤ、または導電性のバンプ等を用い、公知のボンディング工程を施す。
【０１４８】
ここでは、大気中において、Ｃｕ配線層１０８と導電性の外部材（例：パッケージのボンディングパッド）とを電気的に接続すべく、公知のボンディング工程をＣｕＴａ層２１２に施す。一例として、公知のボンディングツールを用い、導電性部材として、金属製のワイヤ（＝例：金（Ａｕ））を、加熱および加圧して、ＣｕＴａ層２１２に直接接合させる。このボンディング工程が行われる過程では、ＣｕＴａ層２１２表層部のタンタル（Ｔａ）を主成分とする酸化層２１３が一部破れ、ＣｕＴａ層２１２が露出し、その露出した部分とワイヤとの接合部には合金組成物が生成され、機械的かつ電気的な接続状態が形成される。
【０１４９】
なお、導電性ワイヤ、および導電性のバンプは、金（Ａｕ）を含め、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、スズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、銀（Ａｇ）等の金属の単体、または、これらの金属を含む合金によって構成されるものである。
【０１５０】
以上の要領で、ボンディング工程を行った後に、温度２００℃の条件の下、高温保管試験を２０００時間程行った。その結果、ＣｕＴａ層２１２（＝パッド電極層）の接合抵抗は上昇せず、（実施の形態１）と同様に、良好な接合状態が保たれていることが分かった。（実施の形態１）と同様に、ＣｕＴａ層２１２の表層部のタンタル（Ｔａ）濃度について調べたところ、特に、ボンディング接合に関して、ＣｕＴａ層２１２の表層部に含まれるタンタル（Ｔａ）濃度が２原子％以上であることが望ましいことが判明した。
【０１５１】
なお、本実施の形態において、表層部とは、表面から深さ５０ｎｍ程度までに至る層である。
【０１５２】
また、（実施の形態１）と同様の理由で、Ｃｕ配線層１０８の厚さが、１．２μｍ程度であれば、タンタル（Ｔａ）膜２１１の膜厚は、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下とするとよい。すなわち、タンタル（Ｔａ）膜２１１の膜厚は、Ｃｕ配線層１０８の厚さに対する比率にして、１０％程度を上限とすれば、ＣｕＴａ層２１２（＝パッド電極層）の抵抗値の上昇、およびＣＭＰ法による処理時間等を抑制することができる。
【０１５３】
以上に加え、本実施の形態では、（実施の形態１）と同様に、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線層）表面の自然酸化膜を除去せずに、パッド電極層を形成することも可能である。この場合、（実施の形態１）に示す手順で処理して、パッド電極層を形成すればよい。その結果、ＣｕＴａ層２１２に含まれるタンタル（Ｔａ）濃度は低い値に保たれ、引いては、ＣｕＴａ層２１２の抵抗値の上昇を抑制することが可能となる。
【０１５４】
本実施の形態のごとく、パッド電極層が合金化された層で構成されれば、長期間の使用に対して、十分な耐酸化性、および強度を有し、従来よりも、Ｃｕ配線層、引いては、半導体装置の信頼性を高めることが可能となる。
【０１５５】
（実施の形態３）
本実施の形態では、Ｃｕを配線層の材料とし、かつＣｕよりも酸化傾向の強い（＝酸化され易い）金属として、チタン（Ｔｉ）を用いる。具体的には、本実施の形態では、（実施の形態１）で用いた、ＡｌＣｕ膜（または、Ａｌ膜）１１１の代わりに、チタン（Ｔｉ）膜を用いるものとする。
【０１５６】
また、本実施の形態では、（実施の形態１）で述べた、Ｃｕ配線層１０８上のＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）に開口部を形成する工程まで（図１（ａ）を参照する）は、同一の条件の下、同様の手順で行うことができるので説明を省略する。したがって、同一の構造を用いる部分には、（実施の形態１）の図１（ａ）ないし図１（ｅ）と同一の符号を付与するものとする。
【０１５７】
以下に、本実施の形態について、図６（ａ）ないし図６（ｃ）を参照して説明する。
【０１５８】
なお、図６（ａ）ないし図６（ｃ）は、一例として、最上層に位置し、なおかつ、パッド電極層を有する配線層における配線の延びる方向の断面図を表す。
【０１５９】
まず、（実施の形態１）のように、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）をエッチングし、Ｃｕ配線層１０８の一部が露出するように開口部を形成する。
【０１６０】
次に、水素雰囲気中にさらして、Ｃｕ配線層１０８の表面に加熱処理を行い、その表面に形成された自然酸化膜を除去する。ここでは、例えば、水素分圧を０．２Ｐａ、温度を３５０℃に設定し、３分間程度の加熱処理を行う。その後、公知の無加熱スパッタリング法を用いて、Ｃｕ配線層１０８とＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）を覆うように、チタン（Ｔｉ）膜３１１を２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。（以上を図６（ａ）に図示する）。
【０１６１】
次に、一旦、スパッタリング装置からシリコンウェーハごと搬出し、その後、真空中（具体的には、酸素分圧が１×１０−５Ｐａ以下の雰囲気）で、温度を４００℃に設定し、３０分間程度の熱処理を行った。
【０１６２】
この熱処理により、（Ｃｕ配線層１０８上の）チタン（Ｔｉ）膜３１１は、Ｃｕ配線層１０８の成分と反応して、ＣｕＴｉ層３１２、すなわち、パッド電極層が形成される。また、このとき、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）の表層部には、チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層３１３が形成される。
【０１６３】
ここでは、熱処理を行う過程で、チタン（Ｔｉ）膜３１１の成分が、Ｃｕ配線層１０８の内部に拡散して、Ｃｕ配線層１０８の一部が合金化される。また、このとき、チタン（Ｔｉ）膜３１１には、Ｃｕ配線層１０８の成分との反応層（＝合金層）が形成される。ＣｕＴｉ層３１２は、Ｃｕ配線層１０８の底面に至るまで合金化された部分、およびチタン（Ｔｉ）膜３１１の反応層（＝合金層）からなり、パッド電極層を構成する。（以上を図６（ｂ）に図示する）。
【０１６４】
また、この工程は、公知の加熱スパッタリング法を用いて行うこともできる。この場合、例えば、まず、水素雰囲気中にさらして、Ｃｕ配線層１０８表面を加熱処理し、その表面に形成された自然酸化膜を除去する。ここでは、例えば、水素分圧を０．２Ｐａ、温度を３５０℃に設定して、３分間程度の加熱処理を行う。
【０１６５】
このように、あらかじめ、自然酸化膜を除去しておくと、ＣｕＴｉ層３１２に界面酸化層（図２を参照する）が形成されることはない。したがって、加熱スパッタリング法を用いて、Ｃｕ配線層１０８上にチタン（Ｔｉ）膜３１１を形成する過程で、Ｃｕ配線層１０８中の内部にまで達するようにチタン（Ｔｉ）成分が拡散される。
【０１６６】
すなわち、シリコン基板１００の温度が４００℃程度に達するように加熱し、その状態で、スパッタリング法によって、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線層）とＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）を覆うように、チタン（Ｔｉ）膜３１１を２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。この場合、Ｃｕ配線層１０８上に形成されたチタン（Ｔｉ）膜３１１は、Ｃｕ配線層１０８の成分と反応して、ＣｕＴｉ層３１２、すなわち、パッド電極層を形成し、なおかつ、ＣｕＴｉ層３１２の表層部には、チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層３１３が形成される。
【０１６７】
なお、チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層３１３は、耐酸化性等を有する保護層として、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）に作用する。
【０１６８】
次に、アッシャー装置内に、シリコンウェーハごと搬入する。ここでは、シリコンウェーハの表面に酸素ラジカル（Ｏ＊）を供給して、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）の周囲、すなわち、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上にあるチタン（Ｔｉ）膜３１１を酸化させ、酸化チタン（Ｔｉ）層３１４を形成する（以上を図６（ｃ）に図示する）。このようにして、各ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）の間を確実に電気的に絶縁する。
【０１６９】
次に、検査装置内にシリコンウェーハを搬入し、これに、（実施の形態１）と同様にして、半導体チップごとの良否判定を行うべく検査工程を施す。
【０１７０】
次に、（実施の形態１）と同様にして、シリコンウェーハごと真空オーブン内に搬入し、再度、酸素分圧が１×１０−５Ｐａ以下の雰囲気を供給し、温度４００℃で、熱処理を１５分間程行う。この熱処理によって、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）上に生じたプローバ針の痕にも、再度、チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層が形成される。
【０１７１】
なお、チタン（Ｔｉ）膜３１１の膜厚が必要とされる膜厚よりも薄いと、自ずとチタン（Ｔｉ）成分が不足し、ここで、再度、チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層を形成して、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）を保護することができなくなる。
【０１７２】
次に、（実施の形態１）と同様にして、導電性部材として、金属製のワイヤ、または導電性のバンプ等を用い、公知のボンディング工程を施す。
【０１７３】
ここでは、大気中において、Ｃｕ配線層１０８と外部の導電性部材（例：パッケージのボンディングパッド）とを電気的に接続すべく、公知のボンディング工程をＣｕＴｉ層３１２に施す。一例として、公知のボンディングツールを用い、導電性部材として、金属製のワイヤ（＝例：金（Ａｕ））を、加熱および加圧して、ＣｕＴｉ層３１２に直接接合させる。
【０１７４】
このボンディング工程が行われる過程では、ＣｕＴｉ層３１２表層部のチタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層３１３が一部破れ、ＣｕＴｉ層３１２が露出し、その露出した部分とワイヤとの接合部には合金組成物が生成され、機械的かつ電気的な接続状態が形成される。
【０１７５】
なお、導電性ワイヤ、および導電性のバンプは、金（Ａｕ）を含め、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、スズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、銀（Ａｇ）等の金属の単体、または、これらの金属を含む合金によって構成されるものである。
【０１７６】
ここで、ワイヤボンディングの接合強度（＝剥離強度）を測定すると、通常よりも、少し低下する傾向が見られた。これは、酸化チタン（Ｔｉ）層３１４を形成する過程で、ＣｕＴｉ層３１２の表層部にも酸素ラジカル（Ｏ＊）が供給されることが原因となっている。すなわち、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上にあるチタン（Ｔｉ）膜３１１を酸化する過程で、チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層３１３にも酸素ラジカル（Ｏ＊）が作用して、必要以上にその厚さが増し、通常の条件でボンディングを行っても、ワイヤとＣｕＴｉ層３１２との十分な接合強度（＝剥離強度）が得られなくなっているからである。
【０１７７】
そこで、本実施の形態では、一例として、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）にワイヤボンディング接合がなされた状態で、温度を２００℃程度に設定したオーブン中に２時間程放置し、熱処理を行った。その結果、ボンディングの接合強度（＝剥離強度）が増し、十分な接合状態が得られるようになった。
【０１７８】
これは、必要以上に厚さが増したチタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層３１３に、熱処理を行うことによって、チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層３１３の成分が拡散接合するように作用して、ボンディングの接合面積が増加したことによる。
【０１７９】
なお、酸化層の厚さに合わせ、ボンディング条件を調節することによって、十分なボンディングの接合強度（＝剥離強度）を得ることも可能である。
【０１８０】
以上の手順で、ボンディング工程を行った後に、温度２００℃の条件の下、高温保管試験を２０００時間程行った。その結果、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）の接合抵抗は上昇せず、（実施の形態１）と同様に、良好な接合状態が保たれていることが分かった。
【０１８１】
（実施の形態１）と同様に、ＣｕＴｉ膜３１２の表層部のチタン（Ｔｉ）濃度について調べたところ、特に、ボンディング接合に関し、ＣｕＴｉ層３１２の表層部に含まれるチタン（Ｔｉ）濃度が２原子％以上であることが望ましいと判明した。
【０１８２】
なお、本実施の形態において、表層部とは、表面から深さ５０ｎｍ程度までに至る層である。
【０１８３】
また、（実施の形態１）と同様の理由で、Ｃｕ配線層１０８の厚さが、１．２μｍ程度であれば、チタン（Ｔｉ）膜３１１の膜厚は、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ程度を限度とするとよい。すなわち、チタン（Ｔｉ）膜３１１の膜厚は、Ｃｕ配線層１０８の厚さに対する比率にして、１０％程度を上限とすれば、ＣｕＴｉ層３１２（＝パッド電極層）の抵抗値の上昇、および処理時間等を抑制することができる。
【０１８４】
以上に加え、本実施の形態では、（実施の形態１）と同様に、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線層）表面の自然酸化膜を除去せずに、パッド電極層を形成することも可能である。この場合、（実施の形態１）に示す手順で処理して、パッド電極層を形成すればよい。その結果、ＣｕＴｉ層３１２に含まれるチタン（Ｔｉ）濃度は低い値に保たれ、引いては、ＣｕＴｉ層３１２の抵抗値の上昇を抑制することが可能となる。
【０１８５】
本実施の形態のごとく、パッド電極層が合金化された層で構成されれば、長期間の使用に対して、十分な耐酸化性、および強度を有し、従来よりも、Ｃｕ配線層、引いては、半導体装置の信頼性を高めることが可能となる。
【０１８６】
（実施の形態４）
本実施の形態では、（実施の形態１）と同様に、Ｃｕを配線層の材料とし、かつＣｕよりも酸化傾向の強い（＝酸化され易い）金属として、アルミニウム（Ａｌ）を用いる。また、本実施の形態では、（実施の形態１）と同様に、ＡｌＣｕ膜（または、Ａｌ膜）１１１を用い、熱処理工程を行う過程では、加熱手段としてレーザービームを用いる。
【０１８７】
本実施の形態では、（実施の形態１）で述べた、Ｃｕ配線層１０８上のＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）に開口部を形成する工程（図１（ａ）を参照する）までは、同一の条件の下、同様の手順で行うことができるので説明を省略する。また、同一の構造を用いる部分には、（実施の形態１）の図１（ａ）ないし図１（ｅ）と同一の符号を付与するものとする。
【０１８８】
以下に、本実施の形態について、図７（ａ）ないし図７（ｃ）を参照して説明する。
【０１８９】
なお、図７（ａ）ないし図７（ｃ）は、一例として、最上層に位置し、なおかつ、パッド電極層を有する配線層における配線の延びる方向の断面図を表す。
【０１９０】
公知の無加熱スパッタリング法を用い、アルミニウム（Ａｌ）を主成分としてＣｕを０．５ｗｔ％含む、ＡｌＣｕ膜１１１を、Ｃｕ配線層１０８（＝上層配線）とＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）を覆うように、２０ｎｍ程度の膜厚で形成する（以上を図７（ａ）に図示する）。
【０１９１】
次に、一旦、スパッタリング装置からシリコンウェーハごと搬出し、その後、レーザービーム４１１をＣｕ配線層１０８上のＡｌＣｕ膜１１１の部分にのみ照射する。また、このとき、レーザービーム４１１のエネルギーは、１Ｊ／ｃｍ２程度とする。
【０１９２】
この熱処理により、（Ｃｕ配線層１０８上の）ＡｌＣｕ膜１１１は、Ｃｕ配線層１０８の成分と反応して、ＣｕＡｌ層４１２、すなわち、パッド電極層が形成される。また、このとき、ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）の表層部には、アルミニウムを主成分とする酸化層４１３が形成される。
【０１９３】
ここでは、熱処理を行う過程で、ＡｌＣｕ膜１１１のアルミニウムおよび銅の合金成分が、Ｃｕ配線層１０８の内部に拡散して、Ｃｕ配線層１０８の一部が合金化される。また、このとき、ＡｌＣｕ膜１１１には、Ｃｕ配線層１０８の成分との反応層（＝合金層）が形成される。ＣｕＡｌ層４１２は、Ｃｕ配線層１０８の底面に達するまで合金化された部分、およびＡｌＣｕ膜１１１の反応層（＝合金層）からなり、パッド電極層を構成する。
【０１９４】
このように、レーザービーム４１１を照射することにより、熱とエネルギーが集中的に与えられ、Ｃｕ配線層１０８上のＡｌＣｕ膜１１１は、Ｃｕ配線層１０８と反応して、ＣｕＡｌ層４１２、すなわち、パッド電極層を形成する。また、このとき、ＣｕＡｌ層４１２の表層部には、アルミニウムを主成分とする酸化層４１３が形成される（以上を図７（ｂ）に図示する）。
【０１９５】
また、加熱手段にレーザービームを用いることで、Ｃｕ配線層１０８とＡｌＣｕ膜１１１の各成分の拡散、および反応が大幅に促進され、ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）、およびアルミニウムを主成分とする酸化層４１３を形成する過程で、加熱処理に要する時間を著しく短縮することができる。このとき、レーザービームが照射されていない、Ｃｕ配線層１０８上以外の部分では、ＡｌＣｕ膜１１１の状態にある。
【０１９６】
また、Ｃｕ配線層１０８の表面に自然酸化膜が形成されていても、レーザービーム４１１を照射することによって、ＡｌＣｕ膜１１１は急速に加熱され、成分の拡散、およびＣｕ配線層１０８との反応が十分に促進される。これより、自然酸化膜を除去するか否かによって、パッド電極層を形成する上での効果に差異は認められない。したがって、本実施の形態では、自然酸化膜の処理、すなわち、除去するか否かは、特に限定されないものとする。
【０１９７】
なお、アルミニウムを主成分とする酸化層４１３は、耐酸化性等を有する保護層として、ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）に作用する。
【０１９８】
次に、シリコンウェーハごとキャリアに移送し、エッチング槽内のリン酸中に浸して、ウエットエッチング処理を行い、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上にあるＡｌＣｕ膜１１１を溶解させて除去する。このとき、ＣｕＡｌ層４１２は耐酸性を有しており、このＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）のみ、選択的に、残存させることができる（以上を図７（ｃ）に図示する）。
【０１９９】
なお、このウエットエッチング処理は、４分間程度行うものとする。
【０２００】
リン酸の他に、希塩酸（ＨＣｌ）や希フッ酸（ＨＦ）を用いることも可能である。すなわち、シリコン基板１００の表面に、希フッ酸（ＨＦ）、希塩酸（ＨＣｌ）、またはリン酸を単独で、または、各々によるウエットエッチング処理を組合せて行うこともできる。例えば、希フッ酸（ＨＦ）またはリン酸を供給し、その後、希塩酸（ＨＣｌ）を供給して、ＳｉＮ膜１０９上にあるＡｌＣｕ膜１１１を溶解させ、除去することも可能である。
【０２０１】
以上のように形成された、各ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）に、大気中において、公知のワイヤボンディング工程を施した。ここでは、（実施の形態１）で述べた手順、および条件で、金属製のワイヤ（＝例：金（Ａｕ））を、加熱および加圧して、ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）に直接接合させ、Ｃｕ配線層１０８と導電性の外部材（例：パッケージのボンディングパッド）を導通させた。その結果、（実施の形態１）と同様に、良好なボンディング特性を示した。
【０２０２】
また、温度２００℃の条件の下、高温保管試験を２０００時間程行った。その結果、ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）での接合抵抗は上昇せず、良好な接合状態が保たれていることが分かった。この結果から、特に、ボンディング接合に関して、ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）の表層部に含まれるＡｌ濃度が２原子％以上であることが望ましいことが判明した。
【０２０３】
なお、本実施の形態において、表層部とは、表面から深さ５０ｎｍ程度までに至る層である。
【０２０４】
また、（実施の形態１）と同様の理由で、Ｃｕ配線層１０８の厚さが、１．２μｍ程度であれば、ＡｌＣｕ膜１１１の膜厚は、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下程度とすればよい。すなわち、ＡｌＣｕ膜１１１の膜厚は、Ｃｕ配線層１０８の厚さに対する比率にして、１０％程度を上限とすれば、ＣｕＡｌ層４１２（＝パッド電極層）の抵抗値の上昇、および処理時間等を抑制することができる。
【０２０５】
以上のようにして、本実施の形態のごとく、パッド電極層が合金化された層で構成されれば、長期間の使用に対して、十分な耐酸化性、および強度を有し、従来よりも、Ｃｕ配線層、引いては、半導体装置の信頼性を高めることが可能となる。
【０２０６】
（実施の形態５）
本実施の形態では、（実施の形態１）と同様に、Ｃｕを配線層の材料とし、かつＣｕよりも酸化傾向の強い（＝酸化され易い）金属として、アルミニウム（Ａｌ）を用いる。また、本実施の形態では、一例として、（実施の形態１）と同様に、ＣｕＡｌ層１１２の表層部に、耐酸化性膜（＝アルミニウムを主成分とする酸化層１１３）を形成する。また、その後、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）上にマスクパターンを形成し、耐酸化性膜（＝アルミニウムを主成分とする酸化層１１３）を保護して、ウエットエッチング処理を行い、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上等、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）以外の領域上にあるＡｌＣｕ膜１１１を除去する。
【０２０７】
以下、本実施の形態について、具体的に、図８（ａ）、図８（ｂ）を参照して説明する。
【０２０８】
なお、図８（ａ）、図８（ｂ）は、最上層に位置し、なおかつ、パッド電極層を有する配線層における配線の延びる方向の断面図を表す。
【０２０９】
本実施の形態では、（実施の形態１）と同様に、ＡｌＣｕ膜（または、Ａｌ膜）１１１を用いる。本実施の形態では、（実施の形態１）で述べた、Ｃｕ配線層（＝パッド電極層）上のＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）に開口部を形成する工程（図１（ａ）に図示する）までは、同一の条件の下、同様の手順で行うことができるので説明を省略する。また、同一の構造を用いる部分には、（実施の形態１）の図１（ａ）ないし図１（ｅ）と同一の符号を付与するものとする。
【０２１０】
（実施の形態１）と同様にして、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３を形成した後に、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）上に、レジストパターン１１６を形成する（以上を図８（ａ）に図示する）。
【０２１１】
ここでは、例えば、フォトレジストを塗布後、リソグラフィー技術を用いて、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）を保護するように、レジストパターン１１６を形成することができる。
【０２１２】
次に、レジストパターン１１６をマスクにして、ウエットエッチング処理を行い、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上のＡｌＣｕ膜１１１を除去する。その後、レジストパターン１１６を、公知の方法でアッシング処理し、除去する（以上を図８（ｂ）に図示する）。ここで、ウエットエッチング処理は、希フッ酸（ＨＦ）、リン酸、または希塩酸（ＨＣｌ）を用い、（実施の形態１）に述べた要領で行うことができる。
【０２１３】
次に、（実施の形態１）と同様の手順および条件で、検査工程、ボンディング工程を順次行う。
【０２１４】
実施の形態１および４に述べた方法では、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上にある、不要なＡｌＣｕ膜１１１を除去する上で、エッチング溶液の濃度、またはエッチングに要する時間は、十分な程度に設定する必要がある。したがって、不要なＡｌＣｕ膜１１１を除去すべくウエットエッチング処理を行えば、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、およびアルミニウムを主成分とする酸化層１１３にもエッチングが作用することになる。
【０２１５】
本実施の形態では、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３は、ウエットエッチング処理を行う過程でレジストパターン１１６によって保護される。したがって、ＡｌＣｕ膜１１１を除去する過程では、エッチングによるＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３への影響を考慮する必要はほとんどない。
【０２１６】
したがって、ウエットエッチング処理を行い、不要なＡｌＣｕ膜１１１を除去する過程で、いわゆる、プロセス上の自由度が増すことになる。
【０２１７】
なお、本実施の形態では、（実施の形態２）で用いたタンタル（Ｔａ）、または（実施の形態３）で用いたチタン（Ｔｉ）を、Ａｌの代わりに用いた場合にも同様の効果を得ることが可能となる。
【０２１８】
また、本実施の形態のごとく、パッド電極層が合金化された層で構成されれば、長期間の使用に対して、十分な耐酸化性、および強度を有し、従来よりも、Ｃｕ配線層、引いては、半導体装置の信頼性を高めることが可能となる。
【０２１９】
（実施の形態６）
本実施の形態では、（実施の形態１）と同様に、Ｃｕを配線層の材料とし、かつＣｕよりも酸化傾向の強い（＝酸化され易い）金属として、アルミニウム（Ａｌ）を用いる。また、本実施の形態では、検査工程、およびボンディング工程等を行った後に、ＳｉＮ膜１０９上にある、不要なＡｌＣｕ膜１１１をウエットエッチングで除去する。
【０２２０】
以下、本実施の形態について、具体的に、図９（ａ）、図９（ｂ）を参照して説明する。
【０２２１】
なお、図９（ａ）、図９（ｂ）は、最上層に位置して、なおかつ、パッド電極層を有する配線層における配線の延びる方向の断面図を表す。
【０２２２】
本実施の形態では、一例として、（実施の形態１）と同様に、ＡｌＣｕ膜（または、Ａｌ膜）１１１を用いる。また、本実施の形態では、（実施の形態１）で述べた、Ｃｕ配線層１０８上のＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）に開口部を形成する工程（図１（ａ）を参照する）までは、同一の条件の下、同様の手順で行うことができるので説明を省略する。また、同一の構造を用いる部分には、（実施の形態１）の図１（ａ）ないし図１（ｅ）と同一の符号を付与するものとする。
【０２２３】
本実施の形態では、（実施の形態１）と同様にして、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、およびアルミニウムを主成分とする酸化層１１３を形成して、その後、エッチング処理によってＡｌＣｕ膜（または、Ａｌ膜）１１１を除去せずに、ボンディング工程を行い、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）に、導電性ワイヤ（例：金（Ａｕ））、または導電性のバンプをボンディング接合する。ここでは、（実施の形態１）と同様に、加熱および加圧して、直接、金属製のワイヤ１１４をＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）にボンディング接合する。
【０２２４】
ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）と金属製のワイヤ１１４（または導電性のバンプ）のボンディング接合を行うと、表層部のアルミニウムを主成分とする酸化層１１３が一部破れ、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）が露出し、その接合部分には、相互の材料が反応する過程で合金組成物１１５が形成されることになる。この合金組成物１１５によって、ボンディング接合の機械的、および電気的な接続が確立する。また、ボンディングの接合部分以外の領域には、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３が存在するため、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）は保護されることになる（以上を図９（ａ）に図示する）。
【０２２５】
次に、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）にワイヤ、またはバンプが接続された状態で、ウエットエッチング処理を行い、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上のＡｌＣｕ膜１１１を除去する（以上を図９（ｂ）に図示する）。ここで、ウエットエッチング処理は、希フッ酸（ＨＦ）、リン酸、または希塩酸（ＨＣｌ）を用い、（実施の形態１）に述べた手順、および条件で行うことができる。
【０２２６】
ＳｉＮ膜１０９上にある、不要なＡｌＣｕ膜１１１を除去するには、エッチング溶液の濃度、またはエッチングに要する処理時間を、十分な程度に設定する。したがって、ボンディング接合の前に、不要なＡｌＣｕ膜１１１を除去すべくウエットエッチング処理を行えば、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、およびアルミニウムを主成分とする酸化層１１３にも、エッチングが作用することになる。
【０２２７】
したがって、本実施の形態のごとく、ボンディングによる接合を行った後に、不要なＡｌＣｕ膜１１１を除去すれば、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３へのウエットエッチングによる影響を抑制することができる。
【０２２８】
本実施の形態の場合、マスクパターンを形成する工程を必要とせずに、ＣｕＡｌ層１１２（＝パッド電極層）、アルミニウムを主成分とする酸化層１１３を保護して、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上の不要なＡｌＣｕ膜１１１を除去することができる。このとき、エッチングレートの差等の影響を考慮せずに、ウエットエッチング処理を行え、ＡｌＣｕ膜１１１を除去する過程で、いわゆる、プロセス上の自由度が増すことになる。
【０２２９】
また、本実施の形態のごとく、パッド電極層が合金化された層で構成されれば、長期間の使用に対して、十分な耐酸化性、および強度を有し、従来よりも、Ｃｕ配線層、引いては、半導体装置の信頼性を高めることが可能となる。
【０２３０】
なお、本実施の形態では、（実施の形態２）で用いたタンタル（Ｔａ）、または（実施の形態３）で用いたチタン（Ｔｉ）を、Ａｌの代わりに用いた場合にも同様の効果を得ることが可能となる。
【０２３１】
以上、実施の形態１ないし６では、Ｃｕよりも酸化傾向の強い（＝酸化され易い）金属として、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）が用いられたが、その他にも、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、スズ（Ｓｎ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）等を用いて同様の効果を得ることができる。
【０２３２】
各実施の形態で、これらの金属材料を用いる場合には、まず、単体の膜、または合金の膜を、Ｃｕ配線層１０８およびＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上に形成する。その後、各実施の形態で述べた手順および条件で処理し、Ｃｕ配線層１０８と反応させ、表層部に酸化層を有するＣｕとの合金層（＝パッド電極層）を形成する。その後、ウエットエッチング処理、ＣＭＰ法等を用いて、ＳｉＮ膜１０９（＝絶縁性保護膜）上の不要な膜を除去し、この合金層をボンディング接合用のパッド電極層として用いればよい。
【０２３３】
ここで、表面酸化層を含めたパッド電極層のごく表面（０から４ｎｍ程度の深さ）における銅濃度とボンディング強度の関係について述べる。図１０は、表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後にボンディングを行なった場合のシアテスト結果と、表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後にさらに表面に酸処理（例えば炭酸処理）を行なってからボンディングを行なった場合のシアテスト結果とを比較して示す図である。両者の場合は、後述するように、表面酸化層を含めたパッド電極層のごく表面（０から４ｎｍ程度の深さ、特に０から２ｎｍ程度の深さ）における銅濃度に違いがある。
【０２３４】
図１０に示すように、表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後にさらに表面に酸処理を行なってからボンディングを行なった場合のシアテスト結果には、有意な改善が見られた。
【０２３５】
図１１（ａ）は、表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後においてその表面を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて分析した結果例である。また、図１１（ｂ）は、表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後にさらに表面に酸処理を行なって、その表面を二次イオン質量分析法により分析した結果例である。両者を比較すると、４ｎｍ程度より深い部分での元素分布はほぼ等しいと言えるが、２ｎｍ程度までの範囲では両者の違いが顕著であり、特に０から０．５ｎｍ程度の深さまでの範囲では、酸処理を行なった場合の方が銅濃度として低くなっている。したがって、この範囲（０から０．５ｎｍ程度の深さ）での銅濃度をある程度の低さに押さえるとボンディング強度に改善をもたらすのではないかと考えられた。
【０２３６】
そこで、さらにこれを確かめるために、プロセス条件を変えて、深さ４ｎｍ程度までの銅濃度が２０原子％程度と故意に高い水準にした、表面酸化層を含めたパッド電極層を比較例として形成し（図１１（ｃ）にその二次イオン質量分析法の結果例を示す。）、そのボンディング強度を調べたところ、ボンディング接合させること自体ができないことが分かった。
【０２３７】
これらの結果から、表面酸化層を含めたパッド電極層のごく表面（０から４ｎｍ程度の深さ）における銅濃度が２０原子％程度未満であれば、ボンディングが可能になり、特に０から０．５ｎｍ程度の深さで低くするにつれてボンディング強度が増すことが分かった。現実的には、２ｎｍの深さまでの銅の濃度を平均として１０原子％以下にすることを基準とすることができる。
【０２３８】
銅濃度によるボンディング強度変化の原因を考察するに、ボンディング時にはＡｌのようなＣｕよりも酸化傾向の大きい金属を主成分とする表面酸化層を突き破って清浄なＣｕとワイヤの例えばＡｕとが接合することが重要であるところ、ごく表面のＣｕ濃度が高いとそのＣｕは酸化物の形で存在するためボンディング時にＡｕワイヤ表面にＣｕ酸化物が付着するためと考えられる。Ａｕワイヤ表面にＣｕ酸化物が付着すると清浄なＣｕとの接合が阻害されるからである。
【０２３９】
なお、表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後にさらに行なう銅濃度低減のための表面酸処理は、炭酸処理の他、塩酸、酢酸などを用いることによってもよい。ちなみに、これらの酸処理により銅濃度が低減するのは、これらの酸が銅の酸化物を優先的に溶解するからである。
【０２４０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、銅配線層の抵抗値、および耐酸化性を考慮し、なおかつ、銅配線層形成後の工程、すなわち、不要な金属膜の処理工程、ウェーハ検査工程、およびボンディング工程等への影響を抑制することができる。
【０２４１】
したがって、銅配線層の特長である低抵抗値を維持し、なおかつ、銅配線層は、例えば、パッド電極層の部分を介して、金属製のワイヤ、または導電性のバンプ等、導電性の外部材と導通する導電性部材と、安定かつ良好な状態で接合されることができ、その後も、その接合状態を保つことが可能となる。
【０２４２】
以上より、本発明によって、高性能かつ高信頼性を有する半導体装置を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に関する半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図２】第１の実施形態の半導体装置を示す詳細断面図。
【図３】第１の実施形態における、ＣｕＡｌ合金層の表層部のＡｌ濃度とボンディング特性との関係を示す表。
【図４】第１の実施形態の変形例に関する半導体装置の製造工程を示す断面図および一部上面図。
【図５】本発明の第２の実施形態に関する半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図６】本発明の第３の実施形態に関する半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図７】本発明の第４の実施形態に関する半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図８】本発明の第５の実施形態に関する半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図９】本発明の第６の実施形態に関する半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図１０】表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後にボンディングを行なった場合のシアテスト結果と、表面酸化層を含めたパッド電極層の形成後にさらに表面に酸処理を行なってからボンディングを行なった場合のシアテスト結果とを比較して示す図。
【図１１】表面酸化層を含めたパッド電極層の表層を二次イオン質量分析法で分析した結果を示す図。
【符号の説明】
１００・・・シリコン基板
１０１・・・熱酸化シリコン膜（＝ＳｉＯ２膜）
１０２、１０６・・・酸化シリコン膜
１０３、１０７・・・ＴａＮ膜（窒化タンタル膜）
１０４・・・Ｃｕ配線層（＝下層配線層）
１０５、１０９・・・ＳｉＮ膜（窒化シリコン膜）
１０８・・・Ｃｕ配線層（＝上層配線層）
１１０・・・開口部
１１１・・・アルミニウム銅合金膜（ＡｌＣｕ膜）
１１２、４１２・・・ＣｕＡｌ層
１１３、４１３・・・アルミニウムを主成分とする酸化層
１１４・・・ワイヤ
１１５・・・合金組成物
１１６・・・レジストパターン
２１１・・・タンタル（Ｔａ）膜
２１２・・・ＣｕＴａ層
２１３・・・タンタル（Ｔａ）を主成分とする酸化層
３１１・・・チタン（Ｔｉ）膜
３１２・・・ＣｕＴｉ層
３１３・・・チタン（Ｔｉ）を主成分とする酸化層
３１４・・・酸化チタン層
４１１・・・レーザービーム
Claims (37)
- 半導体基板上に形成された銅配線層と、
前記銅配線層に導通し、かつ、銅と銅よりも酸化傾向の大きい金属とを含む合金層が底面に達して形成されているパッド電極層と、
前記パッド電極層に達する開口部を有する絶縁性保護膜と
を具備することを特徴とする半導体装置。 - 前記銅よりも酸化傾向の大きい金属は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、スズ（Ｓｎ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）のうち、少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記パッド電極層において、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の濃度は、上表面付近の領域でより高く、その下方向でより低くなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
- 前記パッド電極層の上表面付近の領域において、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の濃度は、２原子％以上であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
- 前記パッド電極層は、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を主成分とする酸化層を表層として有し、
導電性部材が、前記酸化層の一部を貫通して、前記パッド電極層と電気的に接続することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体装置。 - 前記パッド電極層は、その表層部に第一の酸化層を有し、かつ、その下方向に、銅と銅よりも酸化傾向の大きい金属とを含む第一の合金層、第二の酸化層、および前記第一の合金層よりも、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の濃度が低い第二の合金層の順に、積層状に構成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記パッド電極層は、絶縁性部材が突入された構造であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記導電性部材は、導電性のワイヤまたは導電性のバンプであり、かつ、前記パッド電極層とボンディング接合されていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記パッド電極層は、その表面から２ｎｍの深さまでの銅の濃度が平均として１０原子％以下であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜内に銅配線層を形成する工程と、
前記銅配線層上に絶縁性保護膜を形成する工程と、
前記絶縁性保護膜に、前記銅配線層に達する開口部を形成する工程と、
前記開口部内の銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する工程と、
熱処理を行って、前記銅配線層中に前記金属または前記合金を拡散させ、銅と銅よりも酸化傾向の大きい金属とを含む合金を前記銅配線層の底面に達して生成してパッド電極層を形成し、かつ、前記パッド電極層の表層部には、前記金属を主成分とする酸化層を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜内に銅配線層を形成する工程と、
前記銅配線層上に絶縁性保護膜を形成する工程と、
前記絶縁性保護膜に、前記銅配線層に達する開口部を形成する工程と、
加熱を行いながら、前記銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成し、これにより、前記銅配線層中に、前記金属または前記合金を拡散させて、銅と銅よりも酸化傾向の大きい金属とを含む合金を前記銅配線層の底面に達して形成してパッド電極層を形成し、かつ、前記パッド電極層の表層部には、前記金属を主成分とする酸化層を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程の前に、前記銅配線層上に存在する酸化層を除去する工程をさらに有することを特徴とする請求項１０または１１に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記銅配線層上に存在する酸化層は、水素雰囲気中で熱処理を行って除去されることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記金属または前記合金を拡散させる熱処理は、酸素を含む雰囲気を用いて行い、前記酸素の分圧は１×１０−５Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１０、１２、１３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記金属または前記合金を拡散させる熱処理は、３００℃から４５０℃の温度で行うことを特徴とする請求項１０、１２ないし１４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記金属または前記合金を拡散させる熱処理は、レーザーアニール、またはラピッドサーマルアニール法を用いて行うことを特徴とする請求項１０、１２ないし１５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記金属の膜または前記合金の膜を形成しかつ前記金属または前記合金を拡散させる加熱は、３００℃から４５０℃の温度で行うことを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記開口部内の銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程は、同時に、前記絶縁性保護膜上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成するものであり、
前記熱処理の後に、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する工程をさらに有す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。 - 加熱を行いながら、前記銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程は、同時に、前記絶縁性保護膜上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成するものであり、
前記パッド電極層の形成および前記金属を主成分とする酸化層の形成の後に、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する工程をさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する前記工程は、前記開口部内のパッド電極層上にマスクを形成して除去することを特徴とする請求項１８または１９に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記開口部内の銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程が、同時に、前記絶縁性保護膜上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成するものであり、
前記形成されたパッド電極層に、導電性の外部材と電気的に接続可能な導電性部材を接合して、この導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する工程と、
前記パッド電極層と前記導電性部材を接合した状態で、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する工程と
をさらに有す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。 - 加熱を行いながら、前記銅配線層上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成する前記工程が、同時に、前記絶縁性保護膜上に、銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を形成するものであり、
前記形成されたパッド電極層に、導電性の外部材と電気的に接続可能な導電性部材を接合して、この導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する工程と、
前記パッド電極層と前記導電性部材を接合した状態で、前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する工程と
をさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記銅よりも酸化傾向の大きい金属は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、スズ（Ｓｎ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）のうち、少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１８ないし２２のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金膜は、前記開口部内の銅配線層上を含む絶縁性保護膜上に、１０ｎｍ以上の膜厚で形成されることを特徴とする請求項１８ないし２３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記絶縁性保護膜上に存在する、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属の膜、または前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を含む合金の膜を除去する前記工程は、ウエットエッチング処理、またはＣＭＰ法を用いて行うことを特徴とする請求項１８ないし２４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ウエットエッチング処理は、酸を用いて行われることを特徴とする請求項２５に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記酸は、リン酸、フッ酸、および塩酸より選択されることを特徴とする請求項２６に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ウエットエッチング処理は、リン酸またはフッ酸に続いて、その後、塩酸を用いて行われることを特徴とする請求項２７に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ウエットエッチング処理後、熱処理を行って、前記パッド電極層の表層部に、前記金属を主成分とする酸化層を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項２５ないし２８のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ウエットエッチング後の熱処理は、酸素を含む雰囲気を用いて行い、前記酸素の分圧は１×１０−５Ｐａ以下であることを特徴とする請求項２９に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ウエットエッチング後の熱処理は、３００℃から４５０℃の温度で行うことを特徴とする請求項２９または３０に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ウエットエッチング後の熱処理は、レーザーアニール、またはラピッドサーマルアニール法を用いて行うことを特徴とする請求項２９ないし３１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記形成されたパッド電極層に、導電性の外部材と電気的に接続可能な導電性部材を接合して、前記導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する工程をさらに有することを特徴とする請求項１０または１１に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記銅よりも酸化傾向の大きい金属は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、スズ（Ｓｎ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）のうち、少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項３３に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する前記工程は、前記導電性部材が、前記銅よりも酸化傾向の大きい金属を主成分とする前記酸化層の一部において貫通して、前記パッド電極層と電気的に接続することを特徴とする請求項３３または３４に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記導電性部材と前記銅配線層とを、前記パッド電極層を介して電気的に接続する前記工程は、前記導電性部材が、導電性ワイヤまたは導電性のバンプであり、かつ前記パッド電極層とボンディング接合により接続することを特徴とする請求項３５に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記パッド電極層を形成し、かつ、前記パッド電極層の表層部には、前記金属を主成分とする酸化層を形成する前記工程の後に、前記パッド電極層の表面を塩酸、酢酸、炭酸より選ばれた少なくとも１つの酸を用いて処理する工程をさらに有することを特徴とする請求項１０または１１に記載の半導体装置の製造方法。
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