JP4906417B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、半導体装置の製造方法、特に、基板に電極を形成する方法に関する。

従来から、半導体装置は、外部端子を用いて、基板に具えられた電極が電気的に接続されることによって、例えば、他の基板との３次元ＬＳＩ等の実装構造を形成する。この電極は、半導体基板を含む下地に埋め込まれて形成されており、上側表面が下地の上側表面から露出している。そして、この露出した上側表面が、例えば、配線等を介して他の基板の外部端子に接続されることによって、実装構造を形成する。また、一般的に、この電極を構成する電極材には、Ｃｕ（銅）等の導電性の金属が用いられる。

ここで、従来周知の電極の形成方法について、例えば特許文献１に開示された方法を例に挙げて説明する。

まず、半導体基板を含む下地に、ＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）等のドライエッチングによって、ホールを形成する。

次に、下地の上側表面、ホールの内側の側面、及びホールの内側の底面を覆うように、絶縁膜とバリアメタル層とを順次形成する。このバリアメタル層は、ホール内に埋め込まれる電極材の拡散を防止するとともに、埋め込まれた電極材をホール内に密着させる目的で形成される。この拡散防止及び密着性向上という効果を得るために、従来から、例えば、特許文献２に開示された、バリアメタル層を複数層重ねて形成する電極の形成方法が知られている。

次に、ホールの内部に、周知の電解メッキ技術を用いて、Ｃｕ（銅）等の電極材を埋め込む。ここで、この電極材は、ホールの内部のみでなく、ホールの外部、すなわち下地の上側表面の全面を覆うように堆積される。

次に、ホールの外側、すなわち下地の上側表面に堆積した電極材の部分、及びホールの外側、すなわち下地の上側表面に堆積したバリアメタル層の部分を除去する。そして、除去されずに残存した、ホールの内側に埋め込まれた電極材の部分が電極となる。ここで、ホールの外側に堆積した電極材の部分的な除去は、主に従来周知のＣＭＰ（化学的機械的研磨）を用いて行われる。

しかし、このＣＭＰは、研磨レートが低く、除去に長大な時間を要するため、製造のスループットが悪化する。

そこで、特許文献１に開示された方法では、従来周知のエッチング及びＣＭＰを順次行うことによって、ホールの外側に堆積した電極材の部分の除去を行っている。すなわち、まず、製造のスループットを考慮し、この除去工程の短時間化を図るために、除去レートの高いエッチングによって、ホールの外側に堆積した電極材の大部分を除去する。このとき、下地の上側表面に堆積したバリアメタル層は、エッチングのストッパとして用いられる。従って、このエッチングによる除去は、下地の上側表面に堆積したバリアメタル層の上側表面が露出する時点まで行われる。このとき、下地の上側表面に堆積したバリアメタル層の上側表面と同一面位置に、エッチングで除去されずに残存した、ホールの外側に堆積した電極材の残部が露出している。そして、しかる後、研磨レートの低いＣＭＰによって、エッチングで除去されずに残存した、ホールの外側に堆積した電極材の残部を除去する。このとき、同時に、下地の上側表面に堆積したバリアメタル層も、除去される。ここで、このＣＭＰは、従来周知の通り、スラリーという研磨液を用いて、層、膜等の表面の凹凸を研磨することによって除去する技術である。
特開２００１−３４５３２４号公報 特開平１１−３４５９３３号公報

しかしながら、ＣＭＰにおいて大量に消費されるスラリーは、非常に高価である。従って、上述した、特許文献１等による従来の電極の形成方法は、ホールの外側に堆積した電極材、及び下地の上側表面に堆積したバリアメタル層を除去する工程において、コストが掛かり過ぎるという問題があった。

この発明の目的は、高価なスラリーを消費するＣＭＰを用いることなく、従来と比して低コストで半導体装置における電極を形成する方法を提供することにある。

そこで、上述の目的の達成を図るため、この発明の第１の要旨による半導体装置の製造方法は、以下の第１工程から第６工程までの各工程を含む。

すなわち、第１工程では、下地の上側表面から、下地内へ凹型のホールを形成する。

第２工程では、ホールの内側側面及び内側底面を覆う内側絶縁膜と、ホールの外側であって、下地の上側表面を覆う外側絶縁膜との連続した一体的な膜として、絶縁膜を形成する。

第３工程では、内側絶縁膜の上側表面を覆う内側バリアメタル層と、外側絶縁膜の上側表面を覆う外側バリアメタル層との連続した一体的な層として、バリアメタル層を形成する。

第４工程では、ホールの内側であって、このホールを、外側絶縁膜の上側表面と同一面位置まで埋め込む内側電極材層と、この内側電極材層の上側及び外側バリアメタル層の上側表面を覆う外側電極材層とを含む電極材層を、電解メッキ技術を用いて形成する。

第５工程では、外側電極材層をウェットエッチングによって部分的に残存させて除去することにより外側バリアメタル層の上側表面を露出させて、内側電極材層の上側に、内側電極材層の上側表面から外側バリアメタル層の上側表面と同一となる位置までの領域内に、部分的に残存した外側電極材層、及びホールの内側に残存した内側電極材層から電極を形成する。

第６工程では、外側バリアメタル層をウェットエッチングによって除去する。
そして、この第１の要旨による半導体装置の製造方法では、バリアメタル層を、電極材層の層厚の５％の厚みで形成する。

また、この発明の第２の要旨による半導体装置の製造方法は、以下の第１工程から第７工程までの各工程を含む。

すなわち、第１工程では、下地の上側表面から、下地内へ凹型のホールを形成する。

第２工程では、ホールの内側側面及び内側底面を覆う内側絶縁膜と、ホールの外側であって、下地の上側表面を覆う外側絶縁膜との連続した一体的な膜として、絶縁膜を形成する。

第３工程では、内側絶縁膜の上側表面を覆う内側バリアメタル層と、外側絶縁膜の上側表面を覆う外側バリアメタル層との連続した一体的な層として、バリアメタル層を形成する。

第４工程では、内側バリアメタル層の上側表面を覆う内側低抵抗メタル層と、外側バリアメタル層の上側表面を覆う外側低抵抗メタル層との連続した一体的な層として、バリアメタル層よりも低抵抗である低抵抗メタル層を形成する。

第５工程では、ホールの内側であって、このホールを、外側絶縁膜の上側表面と同一面位置まで埋め込む内側電極材層と、この内側電極材層の上側及び外側低抵抗メタル層の上側表面を覆う外側電極材層とを含む電極材層を、電解メッキ技術を用いて形成する。

第６工程では、前記外側電極材層をウェットエッチングによって部分的に残存させて除去することにより外側低抵抗メタル層の上側表面を露出させて、内側電極材層の上側に、内側電極材層の上側表面から外側低抵抗メタル層の上側表面と同一となる位置までの領域内に、部分的に残存した外側電極材層、及びホールの内側に残存した内側電極材層から電極を形成する。

第７工程では、外側バリアメタル層及び外側低抵抗メタル層をウェットエッチングによって除去する。
そして、この第２の要旨による半導体装置の製造方法では、低抵抗メタル層及びバリアメタル層の層厚の和を、電極材層の層厚の５％の厚みで形成する。

第１の要旨に係る半導体装置の製造方法によれば、第５工程において、ウェットエッチングを用いて、半導体装置の本来の電極として寄与しない、電極材層の不所望部分、すなわち外側電極材層のみを、選択的に除去する。従って、例えば特許文献１に開示の電極の形成方法のように、エッチングの後に、外側電極材層が残存することはない。そして、続く第６工程において、同じくウェットエッチングを用いて、バリアメタル層の不所望部分、すなわち外側バリアメタル層のみを選択的に除去する。この第６工程の時点において、不所望な外側電極材層は、残存せずに除去されている。そのため、バリアメタル層のみを除去することが可能な薬剤を用いたウェットエッチングによって、ＣＭＰを行うことなく、バリアメタル層を除去することができる。

このように、第１の要旨に係る半導体装置の製造方法によれば、異なる工程において、外側電極材層及び外側バリアメタル層をそれぞれ個別に除去する。従って、上述の特許文献１に開示の電極の形成方法のように、外側電極材層及び外側バリアメタル層を同時に除去する工程が存在しない。そのため、ＣＭＰを用いて外側電極材層及び外側バリアメタル層を除去する必要がない。従って、ＣＭＰにおいて用いられる、高価な研磨液であるスラリーを消費することがないため、従来と比して、低コストで半導体装置における電極を形成することができる。

また、第２の要旨に係る半導体装置の製造方法によれば、第４工程において、バリアメタル層の上側表面に、低抵抗メタル層を形成する。この低抵抗メタル層は、バリアメタル層と比して導電性に優れている。従って、第２の要旨による半導体装置の製造方法では、バリアメタル層を、第１の要旨と比して薄く形成しても、この薄層化した部分を低抵抗メタル層で補うことができる。そして、この低抵抗メタル層は、バリアメタル層と比して導電性に優れているため、第１の要旨、または、特許文献２に開示のような、バリアメタル層を複数層重ねて形成する場合と比して、抵抗値の低い電極を形成することができる。

以下、図を参照して、この発明に係る半導体装置の製造方法について説明する。なお、各図は、この発明が理解できる程度に、各構成要素の形状、大きさ、及び配置関係等を概略的に示してあるに過ぎない。従って、この発明の構成は、何ら図示の構成例にのみ限定されるものではない。

〈第１の実施の形態〉
第１の実施の形態では、ＣＭＰを用いることなく、電極を形成する半導体装置の製造方法について説明する。この製造方法は、第１工程から第６工程までを含んでいる。以下、第１工程から順に各工程につき説明する。

図１（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第１の実施の形態を説明する工程図であって、それぞれ、各製造段階で得られた構造体の断面の切り口を示す端面図である。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、図１（Ｂ）に続く工程図であって、それぞれ、各製造段階で得られた構造体の断面の切り口を示す端面図である。図３（Ａ）及び（Ｂ）は、図２（Ｂ）に続く工程図であって、それぞれ、各製造段階で得られた構造体の断面の切り口を示す端面図である。

まず、第１工程では、下地１１の上側表面から、下地内へ凹型のホール１３を形成して図１（Ａ）に示すような構造体を得る。

ここで、下地１１は、従来周知の半導体基板であり、例えば、Ｓｉ基板、ＳＯＩ基板、その他の半導体基板の中から設計に応じて好適なものを用いればよい。また、この下地１１は、上側表面に層間絶縁膜等の絶縁膜が設けられた半導体基板であってもよい。この構成例では、下地１１として、上側表面に層間絶縁膜１５が設けられた半導体基板１７を用いている。

そして、この層間絶縁膜１５及び半導体基板１７に、公知のホトリソ技術及びＲＩＥ等のドライエッチング技術を用いて、上側表面から下地１１の厚み方向に凹型のホール１３を形成する。

次に、第２工程では、第１工程で得られた構造体の上側全面を覆うように、好ましくは均一な膜厚で絶縁膜１９を形成して図１（Ｂ）に示すような構造体を得る。

この絶縁膜１９は、例えば酸化膜、窒化膜、または、酸化膜と窒化膜とを重ねて構成した膜等の従来周知の絶縁膜である。そして、例えば酸化膜は、熱酸化またはＣＶＤ等の公知の技術を用いて形成される。また、窒化膜は、例えばＣＶＤ等の公知の技術を用いて形成される。そして、例えば、この絶縁膜１９として、酸化膜と窒化膜とを重ねて構成するとき、ホール１３を３０μｍの直径で形成した場合、好ましくは、酸化膜を５００〜１５００ｎｍ、また、窒化膜を５０〜１５０ｎｍの膜厚で等厚に形成するのがよい。この場合には、例えば、酸化膜及び窒化膜を重ねた絶縁膜１９が最大の膜厚、すなわち１６５０ｎｍの膜厚で形成されたとしても、ホール１３の直径が、膜厚に対して約１８．９倍に設定されているため、絶縁膜１９は、ホール１３を埋め込むことなく形成される。

ここで、この絶縁膜１９は、ホール１３の内側側面及び内側底面を覆う内側絶縁膜１９ａと、ホール１３の外側であって、下地１１の上側表面を覆う外側絶縁膜１９ｂとの連続した一体的な膜として、形成される。

次に、第３工程では、絶縁膜１９の上側表面を覆うように、好ましくは均一な層厚でバリアメタル層２１を形成して図２（Ａ）に示すような構造体を得る。

バリアメタル層２１は、例えば、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）等の導電性の金属を材料として、従来周知のＰＶＤ、ＣＶＤ、その他の方法を用いて形成する。このバリアメタル層２１は、続く第４工程においてホール１３内に埋め込まれる電極材が、拡散するのを防止するとともに、埋め込まれた電極材をホール１３内に密着させる目的で形成される。そして、この拡散防止及び密着性向上という目的を達成するために、バリアメタル層２１は、例えば、ホール１３を３０μｍの直径で形成した場合、好ましくは、５００〜１５００ｎｍの層厚で等厚に形成するのが好ましい。なお、この５００〜１５００ｎｍの値は、埋め込まれた電極材の拡散防止及び密着性向上という効果を達成し得る範囲内の値であるが、このような効果が得られるならば、この値の近傍の値であってもよく、何らこの数値に限定されるものではない。

ここで、続く第４工程において、バリアメタル層２１上には、ホール１３の内側であって、このホール１３を、外側絶縁膜１９ｂの上側表面と同一面位置まで埋め込む内側電極材層と、この内側電極材層の上側及び外側バリアメタル層２１ｂの上側表面を覆う外側電極材層とを含む電極材層が形成される。そして、第５工程において、この電極材層から外側電極材層を除去することによって、残存した内側電極材層から電極が形成される。このとき、外側電極材層は、外側電極材層の層厚、すなわち内側電極材層の上側部分における外側電極材層の層厚に、電極材層全体の層厚の５％を加えた厚みを、電極材層から除去する。なお、この外側電極材層については、後述する第５工程において、詳細に説明する。このとき、電極は、上側表面が、外側絶縁膜１９ｂの上側表面から、箇所によっては凹型に窪んで形成される場合がある。そこで、この実施の形態では、このような電極の窪みを防止するために、バリアメタル層２１が、好ましくは、電極材層の形成予定層厚の５％の厚みと等しくなるように、層厚を設定し、好ましくは等厚に形成するのが良い。このように、バリアメタル層２１を、電極材層の形成予定層厚の５％の厚みと等しくなるように設定することで、このバリアメタル層２１の層厚により、電極が窪むのを防止することができる。

また、このバリアメタル層２１は、内側絶縁膜１９ａの上側表面を覆う内側バリアメタル層２１ａと、外側絶縁膜１９ｂの上側表面を覆う外側バリアメタル層２１ｂとの連続した一体的な層として、好ましくは均一な層厚で、形成される。なお、ここで形成される外側バリアメタル層２１ｂは、このバリアメタル層２１の形成工程において不所望に形成される部分である。

次に、第４工程では、第３工程で得られた構造体の上側に電極材層２３を形成して図２（Ｂ）に示すような構造体を得る。

電極材層２３は、ホール１３の内側であって、このホール１３を、外側絶縁膜１９ｂの上側表面と同一面位置まで埋め込む内側電極材層２３ａと、この内側電極材層２３ａの上側及び外側バリアメタル層２１ｂの上側表面を覆う外側電極材層２３ｂを含んでいる。

また、電極材層２３は、例えば、Ｃｕ（銅）、Ｗ（タングステン）、その他の導電性の金属の中から、設計に応じた好適なものを材料とすればよい。ここでは、Ｃｕを材料として電極材層２３を形成する場合を例に挙げて説明する。

Ｃｕを材料とする場合は、従来周知の技術である電解メッキを用いて、電極材層２３を形成するのが好ましい。そこで、電解メッキを行うに当たり、まず、電極材層２３を内側バリアメタル層２１ａ、及び外側バリアメタル層２１ｂの上側表面に形成する。電極材層２３と同じ金属、すなわち、この場合にはＣｕを材料として、シードメタル層を形成する（図示せず）。シードメタル層は、電極材層２３を形成するための電解メッキにおいて、陰極の役割を担い、このシードメタル層の表面にＣｕが堆積することで電極材層２３が形成される。そして、シードメタル層を陰極として機能させるために、例えば、ホール１３を３０μｍの直径で形成した場合、好ましくは、１００〜１０００ｎｍの層厚で形成するのが好ましい。なお、この１００〜１０００ｎｍの値は、シードメタル層が陰極として機能し得る範囲内の値であるが、このような効果が得られるならば、この値の近傍の値であってもよく、何らこの数値に限定されるものではない。また、シードメタル層は、公知のＣＶＤ等の技術を用いて形成するのが好ましい。

そして、シードメタル層を形成した後、電解メッキを用いて、シードメタル層の表面にＣｕを堆積させる。ここで、シードメタル層は、内側バリアメタル層２１ａと、外側バリアメタル層２１ｂの上側表面とに形成されている。電極の形成予定箇所であるホール１３内、すなわち内側バリアメタル層２１ａの上側表面のみでなく、外側バリアメタル層２１ｂの上側表面にもシードメタル層を形成するのは、陰極であるこのシードメタル層の表面積を大きくすることによって、電解メッキ中において電流を流れやすくするためである。そのため、電極材層２３となるＣｕは、ホール１３の内側、及び外側バリアメタル層２１ｂに堆積される。そして、ホール１３の内側のシードメタル層に、外側絶縁膜１９ｂと同一面位置まで堆積したＣｕは、内側電極材層２３ａとなる。また、この内側電極材層２３ａの上側に過剰に堆積したＣｕ、及び外側バリアメタル層２１ｂの上側表面のシードメタル層に堆積したＣｕは、外側電極材層２３ｂとなる。この外側電極材層２３ｂは、半導体装置の構成要素として必要でない部分であるので、ダミー電極材層とも称する。そして、続く第５工程で、この外側電極材層２３ｂを除去する必要がある。また、内側電極材層２３ａは、続く第５工程で、半導体装置を構成する電極となるので、前駆電極層とも称する。

次に、第５工程では、外側電極材層２３ｂを、従来周知の技術であるウェットエッチングによって除去して図３（Ａ）に示すような構造体を得る。

この第５工程において行うウェットエッチングでは、外側電極材層２３ｂのみを選択的に除去する。そのために、電極材層２３、及び電極材層２３の下層であるバリアメタル層２１の材料に応じたエッチャント、すなわち薬剤を用いて、ウェットエッチングを行う。例えば、電極材層２３の材料としてＣｕ、また、バリアメタル層２１の材料としてＴｉを用いた場合、好ましくは、選択性のある硫酸系または硝酸系の薬液、例えば、過硫酸ナトリウム溶液等を用いてウェットエッチングを行うのが良い。これら、硫酸または硝酸系の薬液では、バリアメタル層２１が除去されないため、外側電極材層２３ｂのみを選択的に除去することができる。

ここで、上述の電解メッキによって電極材層２３を形成した場合、電極材層２３の層厚、すなわち内側電極材層２３ａの層厚、及び内側電極材層２３ａの上側に形成された外側電極材層２３ｂの層厚の和は、下地１１全面において±５％程度のばらつきが生じることが経験により知られている。従って、外側電極材層２３ｂが残存することなく電極材の除去を行うために、内側電極材層２３ａの上側部分の外側電極材層２３ｂの層厚に、電極材層２３の層厚の５％を加えた厚みだけ、電極材層２３を除去するのが好ましい。この実施の形態では、除去する電極材層２３の厚みと材質、及びウェットエッチングの除去レートに基づいて、予めウェットエッチングを行う処理時間を算出しておく。そして、この算出した処理時間だけ、ウェットエッチングを行うことによって、電極材層２３から外側電極材層２３ｂを除去する。

そして、ホール１３の内側に残存した内側電極材層２３ａが、この発明で形成しようとしている電極２５となる。ここで、この実施の形態では、第３工程において、バリアメタル層２１の層厚を、電極材層２３の層厚の５％に等しい層厚となるように設定している。そのため、電極２５は、過剰に除去されることなく、電極２５の上側表面が外側絶縁膜１９ｂの上側表面と同一面位置、または同一面位置以上のレベルの位置となるように形成される。従って、電極２５の上側表面は、外側絶縁膜１９ｂの上側表面よりも窪んで形成されることはない。

また、この第５工程では、外側電極材層２３ｂは、完全に除去されなくても良い。外側電極材層２３ｂは、外側バリアメタル層２１ｂの上側表面が露出するまで除去される。このとき、外側電極材層２３ｂは、内側電極材層２３ａの上側に、内側電極材層２３ａの上側表面から外側バリアメタル層２１ｂの上側表面と同一となる位置までの領域内であれば、部分的に残存してもかまわない。この場合には、部分的に残存した外側電極材層２３ｂと、ホール１３の内側に残存した内側電極材層２３ａとが、電極２５となる。そして、電極２５は、残存した外側電極材層２３ｂの層厚だけ、上側表面が、外側絶縁膜１９ｂの上側表面よりも高い位置となるように形成される。

また、外側電極材層２３ｂが完全に除去された場合には、電極２５は、上側表面が、外側絶縁膜１９ｂの上側表面と同一面位置となるように形成される。

次に、第６工程では、外側バリアメタル層２１ｂをウェットエッチングによって除去して、図３（Ｂ）に示すような構造体を得る。

この第６工程において行うウェットエッチングでは、外側バリアメタル層２１ｂのみを選択的に除去する。そのために、外側バリアメタル層２１ｂの材料に応じたエッチャント、すなわち薬剤を用いて、ウェットエッチングを行う。例えば、バリアメタル層の材料としてＴｉ、電極２５の材料としてＣｕ、そして、絶縁膜１９として酸化膜及び窒化膜を重ねて形成した膜をそれぞれ用いた場合、好ましくは、水酸化カリウムと過酸化水素水との混合液等の薬剤を用いてウェットエッチングを行うのが良い。これら、水酸化カリウムと過酸化水素水との混合液等の薬剤では、絶縁膜１９及び内側電極材層２３ａすなわち電極２５が除去されないため、外側バリアメタル層２１ｂのみを選択的に除去することができる。そして、この工程では、内側バリアメタル層２１ａが残存するように、外側バリアメタル層２１ｂのみを除去する。この実施の形態では、外側バリアメタル層２１ｂの層厚と材質、及びウェットエッチングの除去レートに基づいて、予めウェットエッチングを行う処理時間を算出しておく。そして、この算出した処理時間だけ、ウェットエッチングを行うことによって、外側バリアメタル層２１ｂを残らず除去する。

この第１の実施の形態による半導体装置の製造方法によれば、第５工程において、ウェットエッチングを用いて、電極材層２３の不所望部分、すなわち外側電極材層２３ｂのみを、選択的に残らず除去する。従って、例えば特許文献１に開示の電極の形成方法のように、エッチングの後に、外側電極材層２３ｂが残存することはない。そして、続く第６工程において、同じくウェットエッチングを用いて、バリアメタル層２１の不所望部分、すなわち外側バリアメタル層２１ｂのみを選択的に残らず除去する。この第６工程の時点において、不所望な外側電極材層２３ｂは、残存せずに除去されている。そのため、バリアメタル層２１のみを除去することが可能な薬剤を用いたウェットエッチングによって、ＣＭＰを行うことなく、外側バリアメタル層２１ｂを除去することができる。

このように、第１の実施の形態による半導体装置の製造方法によれば、異なる工程、すなわち第５工程と第６工程とにおいて、外側電極材層２３ｂ及び外側バリアメタル層２１ｂをそれぞれ個別に除去する。従って、上述の特許文献１に開示の電極の形成方法のように、外側電極材層２３ｂ及び外側バリアメタル層２１ｂを同時に除去する工程が存在しない。そのため、ＣＭＰを用いて外側電極材層２３ｂ及び外側バリアメタル層２１ｂを除去する必要がない。従って、ＣＭＰにおいて用いられる、高価な研磨液であるスラリーを消費することがないため、従来と比して、低コストで半導体装置における電極２５を形成することができる。

また、第１の実施の形態による半導体装置の製造方法によれば、第３工程において、バリアメタル層２１の層厚を、電極材層２３の層厚のばらつきを考慮して、設定することによって、外側電極材層２３ｂを過剰に除去した場合でも、形成される電極２５の上側表面を、確実に外側絶縁膜１９ｂと同一面位置、または同一面位置以上のレベルの位置とすることができる。そのため、この第１の実施の形態による半導体装置の製造方法は、平坦性が良く、接続信頼性の高い電極２５を形成することができる。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、バリアメタル層上に低抵抗メタル層を形成し、かつＣＭＰを用いることなく、電極を形成する半導体装置の製造方法について説明する。この製造方法は、第１工程から第７工程までを含んでいる。以下、第１工程から順に各工程につき説明する。

ここで、この第２の実施の形態による半導体装置の製造方法が第１の実施の形態による半導体装置の製造方法と構成上相違するのは、バリアメタル層の上側表面に低抵抗メタル層を形成する点である。その他の構成要素及び作用効果は、同様であるので、共通する構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

また、この第２の実施の形態における第１工程及び第２工程は、第１の実施の形態における第１工程及び第２工程と同様である。従って、これら第１工程及び第２工程については、共通である図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照し、その説明を省略する。そして、図４（Ａ）及び（Ｂ）は、図１（Ｂ）に続く工程図であって、それぞれ、各製造段階で得られた構造体の断面の切り口を示す端面図である。図５（Ａ）及び（Ｂ）は、図４（Ｂ）に続く工程図であって、それぞれ、各製造段階で得られた構造体の断面の切り口を示す端面図である。図６は、図５（Ｂ）に続く工程図であって、製造段階で得られた構造体の断面の切り口を示す端面図である。

まず、上述の第１の実施の形態における第１工程及び第２工程と同様の、第１工程及び第２工程を行う（図１（Ａ）及び（Ｂ）参照）。

次に、第３工程では、絶縁膜１９の上側表面を覆うように、好ましくは均一な層厚でバリアメタル層２１を形成して図４（Ａ）に示すような構造体を得る。

バリアメタル層２１は、第１の実施の形態と同様に、例えば、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）等の導電性の金属を材料として、従来周知のＰＶＤ、ＣＶＤ、その他の方法を用いて形成する。ここで、上述の第１の実施の形態とは異なり、この第２の実施の形態では、続く第４工程において、バリアメタル層２１の上側表面に、低抵抗メタル層を形成する。この低抵抗メタル層は、バリアメタル層２１と比して、導電性の優れた金属で形成される。従って、この第２の実施の形態では、第１の実施の形態と比して、バリアメタル層２１を薄く形成することができる。そして、バリアメタル層２１を薄層化した部分は、低抵抗メタル層によって補われる。そのため、この実施の形態では、電極材の拡散が防止され、電極材がホール１３内に密着しているとともに、第１の実施形態と比して、寄生抵抗の抑制された電極を形成することができる。

ここで、バリアメタル層２１は、例えば、ホール１３を３０μｍの直径で形成した場合、好ましくは、最大でも、５００ｎｍの層厚で等厚に形成するのが好ましい。なお、この５００ｎｍの値は、抵抗値の低減という効果を達成し得る範囲内の値であるが、このような効果が得られるならば、この値の近傍の値であってもよく、何らこの数値に限定されるものではない。

次に、第４工程では、バリアメタル層２１の上側表面を覆うように、低抵抗メタル層２７を、好ましくは均一な層厚で形成して図４（Ｂ）に示すような構造体を得る。

低抵抗メタル層２７は、バリアメタル層２１よりも優れた導電性を有する金属、例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）等を材料として、従来周知のＰＶＤ、ＣＶＤ、その他の方法を用いて形成する。ここで、この低抵抗メタル層２７は、後の工程において、電極の上側表面、すなわち下地１１からの露出面が、外側絶縁膜１９ｂと同一面位置、または同一面位置以上のレベルの位置となるように形成される層厚で、設けられる。第１の実施の形態において既に説明したように、電極２５を形成するためのウェットエッチングでは、層厚のばらつきを考慮して、電極材層２３の不所望部分である外側電極材層２３ｂの層厚、すなわち内側電極材層２３ａの上側部分における外側電極材層２３ｂの層厚に、電極材層２３の層厚の５％を加えた厚みを、電極材層２３から除去する。このため、電極２５は、上側表面が、外側絶縁膜１９ｂの上側表面から、箇所によっては凹型に窪んで形成される場合がある。このように、電極２５が凹型に窪んで形成されることを防止するために、この実施の形態では、低抵抗メタル層２７及びバリアメタル層２１の層厚の和が、好ましくは、電極材層２３の形成予定層厚の５％の厚みと等しくなるように、低抵抗メタル層２７の層厚を設定し、好ましくは等厚に形成するのが良い。このように、低抵抗メタル層２７及びバリアメタル層２１の層厚の和を、電極材層２３の形成予定層厚の５％の厚みと等しくなるように設定することで、これら低抵抗メタル層２７及びバリアメタル層２１の層厚により、電極が窪むのを防止することができる。

ここで、この低抵抗メタル層２７は、優れた導電性を有する金属を材料として用いているため、形成された電極２５の寄生抵抗が著しく増大することはない。

また、この低抵抗メタル層２７は、内側バリアメタル層２１ａの上側表面を覆う内側低抵抗メタル層２７ａと、外側バリアメタル層２１ｂの上側表面を覆う外側低抵抗メタル層２７ｂとの連続した一体的な層として、好ましくは均一な層厚で形成される。なお、ここで形成される外側低抵抗メタル層２７ｂは、この低抵抗メタル層２７の形成工程において不所望に形成される部分である。

次に、第５工程では、第４工程で得られた構造体の上側に電極材層２３を形成して図５（Ａ）に示すような構造体を得る。

電極材層２３は、ホール１３の内側であって、このホール１３を、外側絶縁膜１９ｂの上側表面と同一面位置まで埋め込む内側電極材層２３ａと、この内側電極材層２３ａの上側及び外側低抵抗メタル層２７ｂの上側表面を覆う外側電極材層２３ｂを含んでいる。第１の実施の形態の第４工程において既に説明したように、この外側電極材層２３ｂは、半導体装置の構成要素として必要でない部分であるので、続く第６工程で、この外側電極材層２３ｂを除去する必要がある。

この電極材層２３は、例えば、Ｃｕ（銅）、Ｗ（タングステン）、その他の導電性の金属の中から、設計に応じた好適なものを材料として形成される。そして、電極材層２３の材料としてＣｕを用いる場合には、上述の第１の実施の形態における第４工程と同様に、周知の電解メッキ等の技術を用いて形成される。

次に、第６工程では、外側電極材層２３ｂを、従来周知の技術であるウェットエッチングによって除去して図５（Ｂ）に示すような構造体を得る。

この第６工程において行うウェットエッチングでは、外側電極材層２３ｂのみを選択的に除去する。そのために、電極材層２３、及び電極材層２３の下層である低抵抗メタル層２７の材料に応じたエッチャント、すなわち薬剤を用いて、ウェットエッチングを行う。例えば、電極材層２３の材料としてＣｕ、また、低抵抗メタル層２７の材料としてＡｌを用いた場合、好ましくは、過硫酸ナトリウム水溶液を用いてウェットエッチングを行うのが良い。この過硫酸ナトリウム水溶液では、低抵抗メタル層２７が除去されないため、外側電極材層２３ｂのみを選択的に除去することができる。

ここで、上述の電解メッキによって電極材層２３を形成した場合、電極材層２３の層厚、すなわち内側電極材層２３ａの層厚、及び内側電極材層２３ａの上側部分の外側電極材層２３ｂの層厚の和は、下地１１全面において±５％程度のばらつきが生じる。従って、外側電極材層２３ｂが残存することなく電極材２３の除去を行うために、外側電極材層２３ｂの層厚、すなわち内側電極材層２３ａの上側部分の外側電極材層２３ｂの層厚に、この電極材層２３の層厚の５％を加えた厚みだけ、電極材層２３を除去するのが好ましい。この実施の形態では、上述の第１の実施の形態と同様に、除去する電極材層２３の厚みと材質、及びウェットエッチングの除去レートに基づいて、予めウェットエッチングを行う処理時間を算出しておく。そして、この算出した処理時間だけ、ウェットエッチングを行うことによって、電極材層２３から外側電極材層２３ｂを残らず除去する。

そして、ホール１３の内側に残存した内側電極材層２３ａが、電極２５となる。ここで、この実施の形態では、第４工程において、バリアメタル層２１上に低抵抗メタル層２７を形成している。これらバリアメタル層２１及び低抵抗メタル層２７の層厚の和は、電極材層２３の層厚の５％に等しい層厚となるように設定されている。そのため、電極２５は、過剰に除去されることなく、電極２５の上側表面が外側絶縁膜１９ｂの上側表面と同一面位置、または同一面位置以上のレベルの位置となるように形成される。

また、この第６工程では、第１の実施の形態における第５工程と同様に、外側電極材層２３ｂは、完全に除去されなくても良い。外側電極材層２３ｂは、外側低抵抗メタル層２７ｂの上側表面が露出するまで除去される。このとき、外側電極材層２３ｂは、内側電極材層２３ａの上側に、内側電極材層２３ａの上側表面から外側低抵抗メタル層２７ｂの上側表面と同一となる位置までの領域内であれば、部分的に残存してもかまわない。この場合には、部分的に残存した外側電極材層２３ｂと、ホール１３の内側に残存した内側電極材層２３ａとが、電極２５となる。そして、電極２５は、残存した外側電極材層２３ｂの層厚だけ、上側表面が、外側絶縁膜１９ｂの上側表面よりも高い位置となるように形成される。

また、外側電極材層２３ｂが完全に除去された場合には、電極２５は、上側表面が、外側絶縁膜１９ｂの上側表面と同一面位置となるように形成される。

次に、第７工程では、外側低抵抗メタル層２７ｂ及び外側バリアメタル層２１ｂをウェットエッチングによって除去して、図６に示すような構造体を得る。

この第７工程において行うウェットエッチングでは、外側低抵抗メタル層２７ｂ及び外側バリアメタル層２１ｂのみを選択的に除去する。そのために、外側低抵抗メタル層２７ｂ及び外側バリアメタル層２１ｂの材料に応じたエッチャント、すなわち薬剤を用いて、ウェットエッチングを行う。例えば、外側低抵抗メタル層２７ｂの材料としてＡｌ、外側バリアメタル層２１ｂの材料としてＴｉを用いた場合、好ましくは、希フッ酸を用いてウェットエッチングを行うのが良い。これら、希フッ酸等の薬剤では、絶縁膜１９及び内側電極材層２３ａすなわち電極２５が除去されないため、外側低抵抗メタル層２７ｂ及び外側バリアメタル層２１ｂのみを選択的に除去することができる。そして、この工程では、内側低抵抗層２７ａ及び内側バリアメタル層２１ａが残存するように、外側低抵抗メタル層２７ｂ及び外側バリアメタル層２１ｂのみを除去する。ここで、この実施の形態では、上述の第１の実施の形態と同様に、外側低抵抗メタル層２７ｂ及び外側バリアメタル層２１ｂの層厚及び材質と、ウェットエッチングの除去レートとに基づいて、予めウェットエッチングを行う処理時間を算出しておく。そして、この算出した処理時間だけ、ウェットエッチングを行うことによって、外側低抵抗メタル層２７ｂ及び外側バリアメタル層２１ｂを残らず除去する。

第２の実施の形態による半導体装置の製造方法によれば、第４工程において、バリアメタル層２１の上側表面に、低抵抗メタル層２７を形成する。そして、これら低抵抗メタル層２７及びバリアメタル層２１の層厚の和を、電極材層２３の層厚のばらつきを考慮して、設定することによって、外側電極材層２３ｂを過剰に除去した場合でも、形成される電極２５の上側表面を、確実に外側絶縁膜１９ｂと同一面位置、または同一面位置以上のレベルの位置とすることができる。そのため、この第２の実施の形態による半導体装置の製造方法は、平坦性が良く、接続信頼性の高い電極２５を形成することができる。

また、この低抵抗メタル層２７は、バリアメタル層２１と比して導電性に優れているとともに、バリアメタル層２１と同様に、電極材の拡散防止及び密着性向上の機能を有している。従って、第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、バリアメタル層２１を、第１の実施の形態と比して薄く形成しても、この薄層化した部分を低抵抗メタル層２７で補うことができる。そして、この低抵抗メタル層２７は、バリアメタル層２１と比して導電性に優れているため、第１の実施の形態、または、特許文献２に開示のような、バリアメタル層を複数層重ねて形成する場合と比して、寄生抵抗が抑制された電極２５を形成することができる。

〈第１の利用形態〉
第１の利用形態では、上述の第１の実施の形態または第２の実施の形態によって製造された半導体装置の利用形態の一例として、この半導体装置に設けられた電極２５と外部端子とを接続する方法を説明する。

図７（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第１の利用形態を説明する図であって、それぞれ各工程段階で得られた構造体の切り口を示す端面図である。図８は、図７（Ｂ）に続く工程図であって、各製造段階で得られた構造体の断面の切り口を示す端面図である。

まず、下地１１に、電極２５を作り込んで、図７（Ａ）に示すような構造体を得る。

ここで、下地１１は、既に説明したように、半導体基板、または、上側表面に層間絶縁膜等の絶縁膜が設けられた半導体基板である。この構成例では、半導体基板１７の上側表面に、層間絶縁膜である第１絶縁膜２９が設けられて構成された下地１１を用いる。また、この下地１１の半導体基板１７は、種々の半導体素子が設けられたチップ領域３１を有している。そして、チップ領域３１上には、このチップ領域３１と電極２５との接続に用いられるプラグ３３が設けられている。このプラグ３３は、Ｗ（タングステン）等の導電性の金属を材料として形成されている。

この下地１１の、チップ領域３１の外側の領域３２に、上述の第１の実施の形態または第２の実施の形態で説明した方法を用いて、電極２５を形成する。この構成例では、第１の実施の形態による方法を用いて電極２５を形成している。ここで、電極２５の形成後において、下地１１の上側表面は、外側絶縁膜１９ｂによって覆われている。また、電極２５の上側表面は、外側絶縁膜１９ｂから露出している。

次に、電極２５及びプラグ３３を接続するための配線３５を形成して、図７（Ｂ）に示すような構造体を得る。

ここで、配線３５を形成するに当たって、まず、電極２５を含む下地１１の上側表面全面に、第２絶縁膜３７を形成する。しかる後、公知のホトリソ技術及びドライエッチング技術を用いて、電極２５の上側の第２絶縁膜３７と、プラグ３３の上側の外側絶縁膜１９ｂ及び第２絶縁膜３７とを、電極２５及びプラグ３３の上側表面が露出するまで除去する。そして、この外側絶縁膜１９ｂ及び第２絶縁膜３７が除去された箇所、すなわち露出した電極２５及びプラグ３３の上側表面上に、これら電極２５とプラグ３３とを電気的に接続する配線３５を形成する。この配線３５は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）等の導電性の金属を材料として、公知のホトリソ技術、ドライエッチング技術、及びダマシンプロセス等を用いて形成される。

次に、配線３５の上側に外部端子３９を形成して、図８に示すような構造体を得る。

ここで、外部端子３９を形成するに当たって、まず、配線３５を含む下地１１の上側表面全面に、第３絶縁膜４１を形成する。しかる後、公知のホトリソ技術及びドライエッチング技術を用いて、配線３５上の外部端子３９を形成する予定箇所の第３絶縁膜４１を、配線３５の上側表面が露出するまで除去する。そして、第２絶縁膜３７が除去されることによって、配線３５の上側表面が露出した箇所に外部端子３９を形成する。この外部端子３９は、Ｃｕ（銅）等の導電性の金属を材料として、公知のホトリソ技術及びドライエッチング技術等を用いて形成される。

第１の利用形態によって外部端子３９が形成された半導体装置は、この外部端子３９によって、他の半導体装置、回路基板、その他の外部部品に設けられた電極と、電気的に接続され、実装構造を構成する。ここで、この第１の利用形態、すなわちこの発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態による半導体装置の利用形態では、一例として、電極２５を配線３５を介して外部端子３９と接続する方法について説明した。しかし、この発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態による半導体装置の利用形態は、上述の構成例に限定されるものではなく、例えば、電極２５の上側に直接外部端子を形成する構造等にも適用することが可能である。また、この第１の利用形態では、例えば、下地１１の裏面側を除去することによって、電極２５の下側裏面を露出させ、この露出面を用いて、外部端子との接続を行うことも可能である。その場合には、この第１の利用形態にかかる半導体装置の製造方法は、配線を多層重ね、その上側に外部端子を形成する構造とすることができる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態を説明する工程図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第１の実施の形態を説明する工程図であり、図１（Ｂ）に続く工程図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第１の実施の形態を説明する工程図であり、図２（Ｂ）に続く工程図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第２の実施の形態を説明する工程図であり、図１（Ｂ）に続く工程図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第２の実施の形態を説明する工程図であり、図４（Ｂ）に続く工程図である。 この発明の第２の実施の形態を説明する工程図であり、図５（Ｂ）に続く工程図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第１の利用形態を説明する工程図である。 この発明の第１の利用形態を説明する工程図であり、図７（Ｂ）に続く工程図である。

符号の説明

１１：下地
１３：ホール
１５：層間絶縁膜
１７：半導体基板
１９：絶縁膜
１９ａ：内側絶縁膜
１９ｂ：外側絶縁膜
２１：バリアメタル層
２１ａ：内側バリアメタル層
２１ｂ：外側バリアメタル層
２３：電極材層
２３ａ：内側電極材層
２３ｂ：外側電極材層
２５：電極
２７：低抵抗メタル層
２７ａ：内側低抵抗メタル層
２７ｂ：外側低抵抗メタル層
２９：第１絶縁膜
３１：チップ領域
３２：チップ領域の外側の領域
３３：プラグ
３５：配線
３７：第２絶縁膜
３９：外部端子
４１：第３絶縁膜

Claims (9)

1. 下地の上側表面から、該下地内へ凹型のホールを形成する第１工程と、
   該ホールの内側側面及び内側底面を覆う内側絶縁膜と、前記ホールの外側であって、前記下地の上側表面を覆う外側絶縁膜との連続した一体的な膜として、絶縁膜を形成する第２工程と、
   前記内側絶縁膜の上側表面を覆う内側バリアメタル層と、前記外側絶縁膜の上側表面を覆う外側バリアメタル層との連続した一体的な層として、バリアメタル層を形成する第３工程と、
   前記ホールの内側であって、該ホールを、前記外側絶縁膜の上側表面と同一面位置まで埋め込む内側電極材層と、該内側電極材層の上側及び前記外側バリアメタル層の上側表面を覆う外側電極材層とを含む電極材層を、電解メッキ技術を用いて形成する第４工程と、
   前記外側電極材層をウェットエッチングによって部分的に残存させて除去することにより前記外側バリアメタル層の上側表面を露出させて、前記内側電極材層の上側に、該内側電極材層の上側表面から前記外側バリアメタル層の上側表面と同一となる位置までの領域内に、部分的に残存した前記外側電極材層、及び前記ホールの内側に残存した前記内側電極材層から電極を形成する第５工程と、
   前記外側バリアメタル層をウェットエッチングによって除去する第６工程と
   を含み、
   前記バリアメタル層を、前記電極材層の層厚の５％の厚みで形成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、前記第６工程の後に、
   前記下地のチップ領域に設けられたプラグ、及び前記チップ領域の外側領域に形成された前記電極の上側表面に、該プラグと該電極とを電気的に接続する配線を形成する工程
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記バリアメタル層を、Ｔｉ（チタン）またはＴａ（タンタル）のいずれか１つの材料を用いて形成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記電極材層を、Ｃｕ（銅）またはＷ（タングステン）のいずれか１つの材料を用いて形成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 下地の上側表面から、該下地内へ凹型のホールを形成する第１工程と、
   該ホールの内側側面及び内側底面を覆う内側絶縁膜と、前記ホールの外側であって、前記下地の上側表面を覆う外側絶縁膜との連続した一体的な膜として、絶縁膜を形成する第２工程と、
   前記内側絶縁膜の上側表面を覆う内側バリアメタル層と、前記外側絶縁膜の上側表面を覆う外側バリアメタル層との連続した一体的な層として、バリアメタル層を形成する第３工程と、
   前記内側バリアメタル層の上側表面を覆う内側低抵抗メタル層と、前記外側バリアメタル層の上側表面を覆う外側低抵抗メタル層との連続した一体的な層として、前記バリアメタル層よりも低抵抗である低抵抗メタル層を形成する第４工程と、
   前記ホールの内側であって、該ホールを、前記外側絶縁膜の上側表面と同一面位置まで埋め込む内側電極材層と、該内側電極材層の上側、及び前記外側低抵抗メタル層の上側表面を覆う外側電極材層とを含む電極材層を、電解メッキ技術を用いて形成する第５工程と、
   前記外側電極材層をウェットエッチングによって部分的に残存させて除去することにより前記外側低抵抗メタル層の上側表面を露出させて、前記内側電極材層の上側に、該内側電極材層の上側表面から前記外側低抵抗メタル層の上側表面と同一となる位置までの領域内に、部分的に残存した前記外側電極材層、及び前記ホールの内側に残存した前記内側電極材層から電極を形成する第６工程と、
   前記外側バリアメタル層及び前記外側低抵抗メタル層をウェットエッチングによって除去する第７工程と
   を含み、
   前記低抵抗メタル層及び前記バリアメタル層の層厚の和を、前記電極材層の層厚の５％の厚みで形成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、前記第７工程の後に、
   前記下地のチップ領域に設けられたプラグ、及び前記チップ領域の外側領域に形成された前記電極の上側表面に、該プラグと該電極とを電気的に接続する配線を形成する工程
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項５または６に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記バリアメタル層を、Ｔｉ（チタン）またはＴａ（タンタル）のいずれか１つの材料を用いて形成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 請求項５または６に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記電極材層を、Ｃｕ（銅）またはＷ（タングステン）のいずれか１つの材料を用いて形成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 請求項５または６に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記低抵抗メタル層を、Ａｌ（アルミニウム）またはＡｕ（金）のいずれか１つの材料を用いて形成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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