【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特にボンディングパッド部における信頼性の向上を図った半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の微細化、高速化の要求に対して、従来のAl配線に代わるCu配線の導入が進められている。Cu配線により、素子の微細化により高抵抗化する配線抵抗を低減し、信号伝達時の遅延時間を短縮、処理速度の向上を図ることができる。しかしながら、Cu配線はAl配線と異なり、深さ方向に酸化が進行する、ダイレクトなボンディングが難しいという問題がある。
【0003】
このような問題を解決するために、一般にボンディングパッドとして最上層にAl合金層を形成する手法が採られている。図6にそのボンディングパッド部の構造を示す。図に示すように、素子領域の形成された半導体基板1上にライナーバリアメタル層33を介して形成されたCu配線32上に、バリアメタル層35を介してAl合金からなるパッドメタル層36が形成されており、それぞれ層間絶縁膜34、34’中にパターニングされている。最上層にはパッシベーション膜38が形成され、パッドメタル層に達するボンディングパッド開口部39が設けられている。
【0004】
そして、このようなボンディングパッド部は、以下のように従来のAl多層配線形成プロセスを用いて形成される。先ず、半導体基板に素子領域を形成した後、層間絶縁膜34を形成し、所定パターンの溝を形成した後、ライナーバリアメタル32を形成、Cu配線32をダマシン技術により形成する。次いでCu酸化防止のためのSiN層37、層間絶縁膜34’を順次全面に形成し、Cu配線32上の所定の位置にコンタクトホールを形成、スパッタリングによりコンタクトホールを含む全面にバリアメタル層35、パッドメタル層36を形成し、これをコンタクトホール内部に残すようにパターニングし、さらにパッシベーション膜38を形成、所定位置にパッドメタル層36に達するボンディングパッド開口部39を形成する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなボンディングパッド部の構造では、ボンディングパッド開口部直下にCu配線が形成されているため、図7に示すようにボンディングパッドに直径数十μm程度のプローブ40を接触(プロービング)させて動作テストを行うD/Sテスト(Die Sort:良/不良の判別)工程において、下地のCu配線32が露出、酸化し、ボンディング強度が低下する、という問題が発生していた。そこで、図8に示すような、Cu配線42とパッドメタル層46を、ヴィア50を介して接続する手法により、ボンディングパッド開口部直下にはCu配線42が形成されず、プロービングによるCuの露出はなくなるが、ヴィア50開口後のフォトレジストアッシング時や、SiN膜47エッチング時に層間絶縁膜表面がダメージを受け、この上に形成されるバリアメタル層45、パッドメタル層46との密着強度が劣化することから、ボンディング強度は低下してしまう。さらに、パッドメタル層46はヴィア50を含む領域上にスパッタリングにより形成されるため、ヴィア50部分のステップカバレッジ劣化によるエレクトロマイグレーション不良が懸念される。
【0006】
そこで、本発明は、従来の半導体装置における欠点を取り除き、ボンディング強度の低下を抑え、信頼性、歩留りの高い半導体装置を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成された第1の絶縁層と、この第1の絶縁層中に、上面が実質的に同一平面となるよう埋め込まれた所定パターンのCu配線層と、前記第1の絶縁層及び前記Cu配線層の上面上に形成され、前記Cu配線層と電気的に接続された所定パターンのパッドメタル層と、これら各層を被覆する第2の絶縁層を備え、この第2の絶縁層表面より前記パッドメタル層に達する開口部を有することを特徴とするものである。
【0008】
また、本発明の半導体装置においては、前記パッドメタル層の前記開口部直下には、前記Cu配線層が形成されていないことを特徴としている。
【0009】
そして、本発明の半導体装置においては、前記第2の絶縁層は、SiN層を介して形成されることを特徴としている。
【0010】
さらに、本発明の半導体装置においては、前記Cu配線層上には、前記パッドメタル層を介して前記第2の絶縁層が形成されていることを特徴としている。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
【0012】
(実施形態1)
図1に第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す。素子領域の形成された半導体基板1上に、所定パターンのCu配線2、2’がライナーバリアメタル層3を介してTEOS層間膜(第1の絶縁層)4に埋め込み形成されており、Cu配線2を含む上層の一部に所定パターンのバリアメタル層5、Al合金からなるパッドメタル層6が形成されている。最上層にはSiN層7を介してパッシベーション膜8(第2の絶縁層)が形成されており、パッドメタル層6の所定領域に達するボンディングパッド開口部9が設けられている。
【0013】
このような半導体装置は以下のように形成される。先ず、図2(a)に示すように、TEOS層間膜4に所定パターンの溝を形成し、ライナーバリアメタル層3をスパッタリングした後、メッキにより溝内部にCu配線2、2’を形成する。(b)に示すように、溝部分以外のCu、ライナーバリアメタルをCMP法により除去し、さらにTEOS層間膜を削り、全面を平坦化し、Cu配線2、2’、ライナーバリアメタル層3及びTEOS層間膜4を形成する。この上に(c)に示すように、バリアメタルち5、パッドメタル6を順次スパッタリングし、(d)に示すように、リソグラフィー技術によりフォトレジスト10を所定パターンに加工する。
【0014】
そして図3(a)に示すように、RIE技術により所定パターンのバリアメタル層5/パッドメタル層6を形成し、(b)に示すように、露出したCu配線2’の酸化防止のためのSiN層7、パッシベーション膜8をCVDにより順次堆積した後、(c)に示すように、フォトレジスト10’をパターニングする。このとき、Cu配線2、2’上には開口部が形成されることなく、レジストパターンが形成されている。そしてRIE技術により、パッシベーション膜8、SiN層7にパッドメタル層6に達するボンディングパッド開口部9を形成し、フォトレジスト10’を除去して図1に示すような半導体装置を形成する。
【0015】
このようにして形成された半導体装置においては、ヴィアを形成する必要がないため、エレクトロマイグレーション不良は抑えられ、また、Cu配線2、2’上にはボンディングパッド開口部9が形成されていないため、プロービングによる影響を受けることもなく、高い信頼性、歩留りを得ることができる。
【0016】
(実施形態2)
図4に第2の実施形態に係る半導体装置の構造を示す。所定パターンの実施形態1より幅広のCu配線12がライナーバリアメタル層13を介してTEOS層間膜14に埋め込み形成されており、これらの上層に所定パターンのバリアメタル層15、Al合金からなるパッドメタル層16が形成されている。最上層にはSiN層17を介してパッシベーション膜18が形成されており、パッドメタル層16のCu配線12上を含む領域に達するボンディングパッド開口部19が設けられている。このような半導体装置は、パターンが異なるが、実施形態1と同様に形成される。
【0017】
本実施形態に係る半導体装置においては、ボンディングパッド開口部19を広く取ることにより、露出したパッドメタル層16に、ボンディング領域16aとプロービング領域16bをそれぞれ設けることができる。すなわち、露出したパッドメタル層16のCu配線12上の領域をボンディング領域16aとし、Cu配線12上以外の領域をプロービング領域16bとすることにより、プロービング領域16bにおいてプロービングを行ったとしても、ボンディングはボンディング領域16aにおいてを行うため、Cu酸化によるボンディング強度劣化を生じることはない。このとき、ボンディング領域16aとプロービング領域16bは同一パッドメタル層に形成される必要があるが、必ずしも開口部は連続していなくても良く、パッシベーション膜18で分離されていても良い。
【0018】
(実施形態3)
図5に第3の実施形態に係る半導体装置の構造を示す。所定パターンのCu配線22、22’がライナーバリアメタル層23を介してTEOS層間膜24に埋め込み形成されており、Cu配線22、22’を全て被覆するように所定パターンのバリアメタル層25、25’、Al合金からなるパッドメタル層26、26’が形成されている。最上層にはSiN層を介することなくパッシベーション膜28が形成されており、パッドメタル層26の所定領域に達するボンディングパッド開口部29が設けられている。本実施形態においては実施形態1、2と異なり、ボンディングパッド開口部29の形成されないCu配線22’上にもバリアメタル層25’、パッドメタル層26’が形成されている。このような半導体装置は、パターン、SiN層は形成されない点で異なるが、実施形態1と同様に形成される。
【0019】
本実施形態に係る半導体装置においては、Cu配線22’が、バリアメタル層25、パッドメタル層26のパターニングの際に露出しないので、酸化防止のためのSiN層を形成する必要がない。また、パターニングの際オーバーエッチングされ、実質的なCu配線厚の目減りにより配線抵抗が増大する懸念もなくなる。従って、SiN層形成工程を削減することができるとともに、信頼性、特性安定性を向上することができる。
【0020】
本実施形態においては、Cu配線上にはボンディングパッド開口部を形成していないが、実施形態2と同様にボンディング領域、プロービング領域を形成してもよい。
【0021】
これら実施形態において、パッドメタル層にAl合金を用いているが、AlCu、AlSiCuといった合金や、Al単体も用いることができる。また、バリアメタル層には、Ta/TaN、Ti/TiN、Ta/TaN/Ti/TiN等の積層膜を用いることができる。そして、ライナーバリアメタルには、TaN/Ta等同様の積層膜を用いることができる。
【0022】
【発明の効果】
本発明によれば、ボンディング強度の低下を抑え、信頼性、歩留りの高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す図。
【図2】本発明の半導体装置の製造工程を示す図。
【図3】本発明の半導体装置の製造工程を示す図。
【図4】本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の構造を示す図。
【図5】本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の構造を示す図。
【図6】従来の半導体装置の構造を示す図。
【図7】従来の半導体装置の問題を示す図。
【図8】従来の半導体装置の構造を示す図。
【符号の説明】
1 素子領域の形成された半導体基板
2、2’、12、22、22’、32、42 Cu配線
3、13、23、33、43 ライナーバリアメタル層
4、14、24、34、34’、44、44’ TEOS層間膜
5、15、25、25’、35、45 バリアメタル層
6、16、26、26’、36、46 パッドメタル層
16a ボンディング領域
16b プロービング領域
7、17、37、47 SiN層
8、18、28、38、48 パッシベーション膜
9、19、29、39、49 ボンディングパッド開口部
10、10’フォトレジスト
40 プローブ
50 ヴィア[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device with improved reliability in a bonding pad portion.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in response to demands for miniaturization and high speed of semiconductor devices, introduction of Cu wiring instead of conventional Al wiring has been promoted. By using the Cu wiring, it is possible to reduce the wiring resistance which is increased by miniaturization of the element, shorten the delay time during signal transmission, and improve the processing speed. However, unlike the Al wiring, the Cu wiring has a problem that oxidation proceeds in the depth direction and direct bonding is difficult.
[0003]
In order to solve such a problem, a method of forming an Al alloy layer as an uppermost layer as a bonding pad is generally adopted. FIG. 6 shows the structure of the bonding pad portion. As shown in the figure, a pad metal layer 36 made of an Al alloy is formed on a Cu wiring 32 formed on a semiconductor substrate 1 on which an element region is formed via a liner barrier metal layer 33 via a barrier metal layer 35. And are patterned in the interlayer insulating films 34 and 34 ', respectively. A passivation film 38 is formed on the uppermost layer, and a bonding pad opening 39 reaching the pad metal layer is provided.
[0004]
Then, such a bonding pad portion is formed using a conventional Al multilayer wiring forming process as described below. First, after forming an element region on a semiconductor substrate, an interlayer insulating film 34 is formed, a groove having a predetermined pattern is formed, a liner barrier metal 32 is formed, and a Cu wiring 32 is formed by a damascene technique. Next, a SiN layer 37 for preventing Cu oxidation and an interlayer insulating film 34 'are sequentially formed on the entire surface, a contact hole is formed at a predetermined position on the Cu wiring 32, and a barrier metal layer 35 is formed on the entire surface including the contact hole by sputtering. A pad metal layer 36 is formed, patterned so as to remain inside the contact hole, a passivation film 38 is formed, and a bonding pad opening 39 reaching the pad metal layer 36 is formed at a predetermined position.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a structure of the bonding pad portion, since the Cu wiring is formed immediately below the opening of the bonding pad, as shown in FIG. 7, a probe 40 having a diameter of about several tens μm is brought into contact (probing) with the bonding pad. In a D / S test (Die Sort: determination of good / bad) in which an operation test is performed, the underlying Cu wiring 32 is exposed and oxidized, and the bonding strength is reduced. Therefore, as shown in FIG. 8, the Cu wiring 42 is not formed immediately below the opening of the bonding pad by the technique of connecting the Cu wiring 42 and the pad metal layer 46 via the via 50, and the exposure of Cu by probing is not performed. However, the surface of the interlayer insulating film is damaged at the time of photoresist ashing after the opening of the via 50 or at the time of etching the SiN film 47, and the adhesion strength with the barrier metal layer 45 and the pad metal layer 46 formed thereon is deteriorated. Therefore, the bonding strength is reduced. Further, since the pad metal layer 46 is formed on the region including the via 50 by sputtering, there is a concern that electromigration failure due to step coverage deterioration of the via 50 portion may occur.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having high reliability and a high yield, which eliminates the drawbacks of the conventional semiconductor device, suppresses a decrease in bonding strength, and provides a high reliability.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor device according to the present invention includes a first insulating layer formed on a semiconductor substrate, and a Cu wiring layer having a predetermined pattern embedded in the first insulating layer so that the upper surface is substantially flush with the first insulating layer. A pad metal layer having a predetermined pattern formed on the upper surface of the first insulating layer and the Cu wiring layer and electrically connected to the Cu wiring layer; and a second insulating layer covering these layers. And an opening reaching the pad metal layer from the surface of the second insulating layer.
[0008]
Further, in the semiconductor device according to the present invention, the Cu wiring layer is not formed immediately below the opening of the pad metal layer.
[0009]
The semiconductor device according to the present invention is characterized in that the second insulating layer is formed via a SiN layer.
[0010]
Further, in the semiconductor device according to the present invention, the second insulating layer is formed on the Cu wiring layer via the pad metal layer.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0012]
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows the structure of the semiconductor device according to the first embodiment. On a semiconductor substrate 1 on which an element region is formed, Cu wirings 2 and 2 ′ of a predetermined pattern are buried and formed in a TEOS interlayer film (first insulating layer) 4 via a liner barrier metal layer 3, A barrier metal layer 5 having a predetermined pattern and a pad metal layer 6 made of an Al alloy are formed in a part of the upper layer including the metal layer 2. In the uppermost layer, a passivation film 8 (second insulating layer) is formed via a SiN layer 7, and a bonding pad opening 9 reaching a predetermined region of the pad metal layer 6 is provided.
[0013]
Such a semiconductor device is formed as follows. First, as shown in FIG. 2A, a groove having a predetermined pattern is formed in the TEOS interlayer film 4, the liner barrier metal layer 3 is sputtered, and then Cu wirings 2, 2 'are formed in the groove by plating. As shown in (b), the Cu and the liner barrier metal other than the groove portions are removed by the CMP method, the TEOS interlayer film is further polished, the entire surface is flattened, and the Cu wirings 2 and 2 ′, the liner barrier metal layer 3 and the TEOS An interlayer film 4 is formed. As shown in (c), a barrier metal 5 and a pad metal 6 are sequentially sputtered thereon, and as shown in (d), the photoresist 10 is processed into a predetermined pattern by a lithography technique.
[0014]
Then, as shown in FIG. 3A, a barrier metal layer 5 / pad metal layer 6 having a predetermined pattern is formed by RIE technique, and as shown in FIG. 3B, for preventing oxidation of the exposed Cu wiring 2 '. After the SiN layer 7 and the passivation film 8 are sequentially deposited by CVD, the photoresist 10 'is patterned as shown in FIG. At this time, a resist pattern is formed on the Cu wirings 2 and 2 'without forming an opening. Then, a bonding pad opening 9 reaching the pad metal layer 6 is formed in the passivation film 8 and the SiN layer 7 by RIE technology, and the photoresist 10 'is removed to form a semiconductor device as shown in FIG.
[0015]
In the semiconductor device formed in this manner, since it is not necessary to form a via, electromigration failure is suppressed, and the bonding pad opening 9 is not formed on the Cu wirings 2 and 2 ′. High reliability and yield can be obtained without being affected by probing.
[0016]
(Embodiment 2)
FIG. 4 shows the structure of the semiconductor device according to the second embodiment. A Cu wiring 12 wider than that of the first embodiment having a predetermined pattern is embedded in the TEOS interlayer film 14 via a liner barrier metal layer 13, and a barrier metal layer 15 of a predetermined pattern and a pad metal made of an Al alloy are formed thereon. A layer 16 has been formed. A passivation film 18 is formed on the uppermost layer via a SiN layer 17, and a bonding pad opening 19 is provided to reach a region of the pad metal layer 16 including the area above the Cu wiring 12. Such a semiconductor device has a different pattern, but is formed in the same manner as in the first embodiment.
[0017]
In the semiconductor device according to the present embodiment, by making the bonding pad opening 19 wide, the exposed pad metal layer 16 can be provided with the bonding region 16a and the probing region 16b. That is, by setting the exposed region of the pad metal layer 16 on the Cu wiring 12 as the bonding region 16a and the region other than on the Cu wiring 12 as the probing region 16b, even if the probing is performed in the probing region 16b, the bonding can be performed. Since the bonding is performed in the bonding region 16a, the bonding strength does not deteriorate due to Cu oxidation. At this time, the bonding region 16a and the probing region 16b need to be formed in the same pad metal layer, but the openings are not necessarily continuous and may be separated by the passivation film 18.
[0018]
(Embodiment 3)
FIG. 5 shows the structure of the semiconductor device according to the third embodiment. Predetermined patterns of Cu wirings 22 and 22 ′ are buried in the TEOS interlayer film 24 via a liner barrier metal layer 23, and have a predetermined pattern of barrier metal layers 25 and 25 so as to cover all the Cu wirings 22 and 22 ′. ', Pad metal layers 26 and 26' made of an Al alloy are formed. A passivation film 28 is formed on the uppermost layer without interposing the SiN layer, and a bonding pad opening 29 reaching a predetermined region of the pad metal layer 26 is provided. In the present embodiment, unlike Embodiments 1 and 2, a barrier metal layer 25 'and a pad metal layer 26' are also formed on the Cu wiring 22 'where the bonding pad opening 29 is not formed. Such a semiconductor device is formed in the same manner as the first embodiment, except that the pattern and the SiN layer are not formed.
[0019]
In the semiconductor device according to the present embodiment, since the Cu wiring 22 'is not exposed during the patterning of the barrier metal layer 25 and the pad metal layer 26, there is no need to form a SiN layer for preventing oxidation. Further, there is no concern that the wiring resistance is increased due to over-etching during the patterning and substantial decrease in the thickness of the Cu wiring. Therefore, the number of steps for forming the SiN layer can be reduced, and the reliability and the characteristic stability can be improved.
[0020]
In this embodiment, the bonding pad opening is not formed on the Cu wiring, but a bonding region and a probing region may be formed as in the second embodiment.
[0021]
In these embodiments, an Al alloy is used for the pad metal layer, but an alloy such as AlCu or AlSiCu, or Al alone can also be used. In addition, a laminated film of Ta / TaN, Ti / TiN, Ta / TaN / Ti / TiN, or the like can be used for the barrier metal layer. Then, a similar laminated film such as TaN / Ta can be used for the liner barrier metal.
[0022]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having high reliability and high yield while suppressing a decrease in bonding strength.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 3 is a view showing a manufacturing process of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a structure of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view showing a structure of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 illustrates a structure of a conventional semiconductor device.
FIG. 7 illustrates a problem of a conventional semiconductor device.
FIG. 8 illustrates a structure of a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor substrate 2, 2 ', 12, 22, 22', 32, 42 on which element regions are formed Cu wirings 3, 13, 23, 33, 43 Liner barrier metal layers 4, 14, 24, 34, 34 ', 44, 44 'TEOS interlayer film 5, 15, 25, 25', 35, 45 Barrier metal layer 6, 16, 26, 26 ', 36, 46 Pad metal layer 16a Bonding region 16b Probing region 7, 17, 37, 47 SiN layers 8, 18, 28, 38, 48 Passivation films 9, 19, 29, 39, 49 Bonding pad openings 10, 10 'photoresist 40 Probe 50 Via