JPH0282532A - 半導体装置のパッド構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、半導体装置の配線層とボンディングワイヤ
とを接続する半導体装置のパッド構造に関するものであ
り、特に、リンを含むガラス膜からなる層間絶縁膜上に
堆積されたアルミニウム配線層と、ボンディングワイヤ
とを接続する半導体装置のパッド構造に関するものであ
る。

［従来の技術］ 第４図は、半導体装置のパッド部分に関連した構造の断
面図を示している。シリコン基板１上には、フィールド
酸化膜２が形成されており、このフィールド酸化膜２に
囲まれた領域にトランジスタ４が形成されている。トラ
ンジスタ４は、シリコン基板１中に不純物を拡散するこ
とによって形成されているソース領域５およびドレイン
領域６と、ゲート絶縁膜３を介して形成されたゲート電
極７とを備えている。

フィールド酸化膜２およびトランジスタ４の上には、層
間絶縁膜８が堆積される。層間絶縁膜８としては、リン
を含むガラス膜（ＰＳＧ膜：ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃ
ａｔｅ　　ｇｌａｓｓ）やリンおよびホウ素を含むガラ
スｆｉ（ＢＰＳＧ膜：ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉ
ｃａｔｅ　　ｇｌａＳＳ）などが用いられる。リンやホ
ウ素を含むガラス膜からなる層間絶縁膜８は、高温雰囲
気にさらされると、膜表面の流動性が増すので、デバイ
ス面の平坦化に有効である。

層間絶縁膜８の上にアルミニウム配線層９が堆積される
。たとえば、アルミニウム配線層９は、トランジスタ４
のソース領域５に接触し、その−端はパッド領域にまで
延びている。

通常、配線層９として使用されるアルミニウム中には、
シリコンや銅などが添加される。Ａ１１−ＳＬあるいは
Ａｌ１−Ｃｕ−８ｉなど他の原子を添加したアルミニウ
ム配線は、Ａ痣スパイクの発生やエレクトロマイグレー
ションを抑制する。

アルミニウム配線層９の上には、さらにパッシベーショ
ン膜１０が堆積される。このパッシベーション膜１０と
しテハ、５ｉ０２１１ｉｉ’Ｆ’ＳｉＯ２／Ｓｉ、Ｎ、
膜などが使用される。パッシベーション膜１０のパッド
領域部分は開孔され、アルミニウム配線層９の表面を露
出させる。アルミニウム配線層９のこの露出部分と、ボ
ンディングワイヤ１１のパッド部１２とが接続される。

ボンディングワイヤ１１としては、たとえば、金線（Ａ
ｕ線）や銅線（Ｃｕ線）などが用いられる。

［発明が解決しようとする課題］ 今、半導体装置のパッド部分の構造に注目してみる。Ｐ
ＳＧ膜やＢＰＳＧ膜からなる層間絶縁膜８の上にアルミ
ニウム配線層９が位置し、このアルミニウム配線層９の
上にたとえばＡｕからなるボンディングワイヤ１１のパ
ッド１２が位置している。層間絶縁膜８内に含まれてい
るリンやホウ素は、デバイス動作中に、アルミニウム配
線層９中に拡散する。この拡散したリンやホウ素は、ボ
ンディングワイヤ１１のパッド部１２とアルミニウム配
線層９との界面に析出し、そのためその界面部分の電気
抵抗を高めてしまう。

そこで、この発明は、ボンディングワイヤのパッドとア
ルミニウム配線層との間の界面に、リンやホウ素が析出
するのを防止することのできる半導体装置のパッド構造
を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明は、リンを含むガラス膜からなる層間絶縁膜上
に堆積されたアルミニウム配線層と、ボンディングワイ
ヤとを接続している半導体装置のパッド構造であって、
アルミニウム配線層と層間絶縁膜との間に、層間絶縁膜
中のリンの通過を遮断するバリヤ層を設けたことを特徴
とする。

好ましい実施例では、バリヤ層は、層間絶縁膜上に形成
されるシリコン酸化膜と、シリコン酸化膜上に形成され
るチタン膜と、チタン膜上に形成される窒化チタン膜と
、を含む。

［作用］ アルミニウム配線層と層間絶縁膜との間に形成されたバ
リヤ層は、層間絶縁膜中のリンのアルミニウム配線層へ
の拡散を阻止する。したがって、ボンディングワイヤの
パッド部分とアルミニウム配線層との間に、リンが析出
するということはない。層間絶縁膜中にホウ素が含まれ
ている場合であっても、このホウ素はバリヤ層を通過す
ることはできず、ボンディングワイヤのパッド部分とア
ルミニウム配線層との間にホウ素が析出するということ
は生じない。

バリヤ層が、シリコン酸化膜と、チタン膜と、窒化チタ
ン膜とを含むものであれば、リンやホウ素に対する遮蔽
性は一層向上する。特に、シリコン酸化膜は、リンやホ
ウ素に対する遮蔽性の点で優れている。チタン膜おび窒
化チタン膜は、アルミニウム配線層とシリコン基板との
界面領域における低抵抗化に対して有利に作用する。ア
ルミニウム配線層中にシリコンが含Ｈされている場合、
この含有シリコンは、シリコン基板との接触領域上で析
出し、コンタクト抵抗を増大させてしまう。

チタン膜および窒化チタン膜は、アルミニウム配線層中
に含まれているシリコンの通過を遮断し、シリコン析出
という問題を生じさせない。また、チタン膜は、シリコ
ン基板との接触部分でチタンシリサイドを形成し、電気
抵抗を低下させる。

［実施例］ 第１図は、この発明の一実施例を示す図解的断面図であ
る。図示するパッド領域では、シリコン基板ｌ上にフィ
ールド酸化膜２が形成され、その上にＰＳＧ膜あるいは
ＢＰＳＧ膜からなる層間絶縁膜８が形成されている。層
間絶縁膜８上には、たとえばＣＶＤ法（化学熱管法）に
よってシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）１３が形成される。

シリコンを含有するアルミニウム配線層９は、シリコン
酸化膜１３上に堆積されている。アルミニウム配線層９
の上にはパッシベーション膜１０が堆積されている。パ
ッシベーション膜１０の所定領域は開孔され、この開孔
領域でボンディングワイヤ１１のパッド部１２とアルミ
ニウム配線層９との接続が行なわれる。

層間絶縁膜８中にはリンやホウ素が含まれているが、こ
れらのリンやホウ素は、シリコン酸化膜１３を通過する
ことができない。つまり、シリコン酸化膜１３は、層間
絶縁膜８中のリンまたはホウ素の通過を遮断するバリヤ
層として機能する。

したがって、層間絶縁膜８中のリンやホウ素が、アルミ
ニウム配線層９とボンディングワイヤ１１のパッド部１
２との界面部分に析出するということは生じない。

第２図は、この発明の他の実施例を示す図解的断面図で
ある。この実施例では、層間絶縁膜８［１１のリンまた
はホウ素の通過を遮断するバリヤ層が、３つの層を含ん
でいる。具体的には、パッド領域において、ＰＳＧ膜ま
たはＢＰＳＧ膜からなる層間絶縁膜８の上に、前述した
第１実施例と同様、シリコン酸化膜１３が形成される。

また、配線層１４は、シリコンを含有しているアルミニ
ウム層１４ａと、窒化チタン膜（ＴｉＮ）１４ｂと、チ
タン膜（Ｔｉ）１４ｃとからなる３層構造を有している
。パッド領域に注目してみると、層間絶縁膜８上にシリ
コン酸化膜１３が位置し、その上にチタン膜１４ｃが位
置し、その上に窒化チタン膜１４ｂが位置し、その上に
アルミニウム層１４ａが位置している。ボンディングワ
イヤ１１のパッド部１２は、アルミニウム層１４ａに接
触している。

第２図に示した実施例では、３つの層、すなわち、シリ
コン酸化膜１３、チタン膜１４ｃおよび窒化チタン膜１
４ｂが、層間絶縁膜８中に含まれているリンまたはホウ
素の通過を遮断するバリヤ層として機能する。したがっ
て、リンまたはホウ素の通過は確実に遮断される。

配線層１４中のチタン膜１４ｃおよび窒化チタン膜１４
ｂは、リンまたはホウ素の通過を遮断するバリヤ層とし
て機能するのみならず、配線層１４とシリコン基板１と
の間のコンタクト抵抗を低減化する機能をも有している
。たとえば、第２図において、配線層１４が、シリコン
を含有するアルミニウム層の１層だけから構成されてい
るとする。すると、配線層１４中のシリコンは、シリコ
ン基板１との接触領域、すなわちトランジスタ４のソー
ス領域５との接触部分で析出する。配線層１４とシリコ
ン基板１との接触領域の面積が比較的大きいときには、
このようなシリコンの析出はあまり問題にならなかった
。ところが、デバイスの微細化が進み、それに伴なって
配線層１４とシリコン基板１との接触領域の面積が小さ
くなるにしたがって、シリコン析出部分の占有面積の割
合は大きくなり、コンタクト抵抗を急激に増大させる。

第２図に図示されている配線層１４中の窒化チタン膜１
４ｂは、シリコンの通過を遮断する機能を有している。

したがって、アルミニウム層１４ａ中のシリコンは、窒
化チタン膜１４ｂを通過することができず、それゆえに
シリコン基板１上で析出するということは生じない。

一方、窒化チタン（Ｔ　ｉ　Ｎ）はシリコン（Ｓｔ）に
対してあまり反応しない。したがって、窒化チタン膜１
４ｂとシリコン基板１とを直接接触させた場合には、そ
れらの間の密着強度は弱い。このことを考慮して、窒化
チタン膜１４ｂとシリコン基板１との間には、両者に対
して良好な密着性を呈するチタン膜１４ｃが配置されて
いる。チタン膜１４ｂは、シリコン基板１と反応し、チ
タンシリサイドを作る。このチタンシリサイドはコンタ
クト抵抗の低減化に寄与する。

チタン膜１４ｃは、シリコンの通過を遮断する機能をも
有している。したがって、配線層１４を、シリコンを含
有しているアルミニウム層１４ａとチタン膜１４ｃとの
２層構造とすることが考えられる。しかしながら、チタ
ンとアルミニウムとは互いに反応し合い、その接触領域
に金属間化合物を作る。そのため、チタン膜１４ｃとア
ルミニウム層１４ａとを接触させれば、両者の間の密着
性は悪くなる。このような観点から、第２図に示した実
施例では、配線層１４として、アルミニウム層１４ａ１
窒化チタン膜１４ｂおよびチタン膜１４Ｃからなる３層
構造を採用している。窒化チタン膜１４ｂは、シリコン
の通過を遮断する機能に優れているとともに、アルミニ
ウム層１４ａおよびチタン膜１４ｃの両者に対してそれ
ぞれ良好な密着性を呈する。

こうして、第２図に示した好ましい実施例では、リンま
たはホウ素を含むカラス膜からなる層間絶縁膜８の上に
シリコン酸化膜】３が位置し、その上にチタン膜１４ｃ
が位置し、その上に窒化チタン膜１４ｂが位置し、その
上にアルミニウム層１４ａが位置している。ただ、第２
図に示した構造の場合、チタン膜１４ｃの厚みが一定の
値を越えると、チタン膜１４ｃとシリコン酸化膜１３と
の間の密着強度が弱くなることが認められた。

そこで、本願発明者は、チタン膜１４ｃの厚みを変えて
、配線層１４とシリコン酸化膜１３との間の密行強度を
調査した。テスト方法は、配線層１４の剥離テストであ
り、引張り強度の値を３段階に分けて行なった。その結
果を、第３図に示す。

第３図中、ｒＯＪはチタン膜１４ｃの厚みが２５０Ａの
ときのデータであり、「Δ」はチタン膜１４ｃの厚みが
５００人のときのデータであり、「口」はチタン膜１４
ｃの１９みが１００ＯＡのときのデータである。同じ条
件で行なったテストサンプルの数は、２０個であった。

たとえば、チタン膜１４ｃの厚みが２５０人のサンプル
を６０個用意し、それらを３つのグループに分けた。各
グループのサンプルの数は２０個である。第１グループ
のサンプルに関しては、３０ｇ／ｍｍ２の引張り強度で
剥離テストを行ない、第２グループのサンプルに対して
は４Ｑｇ／ｍｍ２の引張り強度で剥離テストを行ない、
第３グループのサンプルに対しては８０ｇ／ｍｍ２の引
張り強度で剥離テストを行なった。なお、いずれのサン
プルも、チタン膜１４ｃの膜厚を１としたとき、窒化チ
タン膜１４ｂの膜厚の比率は１．７〜４の範囲内にあっ
た。

第３図では、縦軸に不良率（％）を示し、横軸に引張り
強度（ｇ　／　ｍ　ｍ　２　）を示している。剥離テス
トの結果、剥離したサンプルを不良品として数え、その
不良品の比率が不良率として計算されている。第３図か
ら明らかなように、チタンＩｔ！＋１４Ｃの膜厚が２５
０人のときには、引張り強度を８０ｇ／ｍｍ２にしても
、不良率は０％であった。

第３図に示した結果から、チタン膜１４ｃと下地との間
に良好な密着性を維持するためには、チタン膜１４ｃの
厚みを３００人程文具下にすればよいことが認められる
。３００人としたのは、２５０Ａに対して２０％のばら
つきを加算したためである。

図示していないが、他の実施例として、配線層として、
シリコンを含有するアルミニウム層とタングステンまた
はモリブデンからなる金属層との２層構造のものを採用
してもよい。タングステン膜やモリブデン膜は、シリコ
ンに対する遮蔽性が良好であり、またホウ素やリンに対
する遮蔽性も良好である。しかも、タングステンやモリ
ブデンはアルミニウムと反応して金属間化合物を作ると
いうことがない。つまり、タングステンやモリブデンと
アルミニウムとの間の密着性は比較的良好である。さら
に、タングステン膜やモリブデン膜とシリコン基板との
接触領域にはタングステンシリサイドやモリブデンシリ
サイドが形成されるので、接触部分におけるコンタクト
抵抗の低減化を図ることができる。

以上述べたように、この発明の特徴は、ボンディングワ
イヤと配線層との接続部分であるノくラド領域において
、アルミニウム配線層と層間絶縁膜との間に、層間絶縁
膜中のリンの通過を遮断するバリヤ層を設けたことを特
徴とする。バリヤ層としては、単層であってもよ＜、段
数の層であってもよい。その典型的な例は、以下のとお
りである。

■　シリコン酸化膜（ＳｉＯｚ）の１１１層。この場合
、シリコン酸化膜は、リンまたはホウ素を含む層間絶縁
膜の上に形成されることになろう。

■　配線層中にバリヤ層を設けたもの。バリヤ層として
は、窒化チタン膜とチタン膜との２層構造であるもの、
タングステン膜の１層構造であるもの、モリブデン膜の
１層構造であるものなどが考えられる。窒化チタン膜と
チタン膜との２層構造を採用する場合には、チタン膜の
厚みは３００Å以下にするのが好ましい。

■　上記■と■とを組合わせたもの。すなわち、層間絶
縁膜の上にバリヤ層としての酸化膜を形成し、さらに配
線層中にもバリヤ層を設けたもの。

この代表的な例が、第２図に示した実施例である。

［発明の効果］ 以上述べたように、この発明では、アルミニウム配線層
と層間絶縁膜との間に、層間絶縁膜膜中のリンの通過を
遮断するバリヤ層を設けたので、リンがボンディングワ
イヤのパッド部とアルミニウム配線層との間の界面に析
出するということは生じない。したがって、ボンディン
グワイヤとアルミニウム配線層との間の電気抵抗の増大
を抑制することができ、またその両者の間の密着性も良
好に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示す図解的断面図であ
る。第２図は、この発明の他の実施例を示す図解的断面
図である。第３図は、第２図に示した実施例の構造にお
いて、チタン膜厚を変えたときにチタン膜と下地との間
の密着性がどのように変化するのかを示した図である。 第４図は、従来の半導体装置のパッド構造を示す図解的
断面図である。 図において、１はシリコン基板、８は層間絶縁膜、９は
アルミニウム配線層、１１はボンディングワイヤ、１２
はボンディングワイヤのパッド部、１３はシリコン酸化
膜、１４は配線層、１４ａはシリコンを倉荷するアルミ
ニウム層、１４ｂは窒化チタン膜、１４ｃはチタン膜を
示す。 なお、各図において、同一の番号は、同一または相当の
要素を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 リンを含むガラス膜からなる層間絶縁膜上に堆積された
   アルミニウム配線層と、ボンディングワイヤとを接続し
   ている半導体装置のパッド構造において、 前記アルミニウム配線層と前記層間絶縁膜との間に、前
   記層間絶縁膜中のリンの通過を遮断するバリヤ層を設け
   たことを特徴とする、半導体装置のパッド構造。