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JP3854532B2 - Electrode forming method of semiconductor element and semiconductor element electrode - Google Patents
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Electrode forming method of semiconductor element and semiconductor element electrode Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の電極形成方法およびその方法によって形成される半導体素子電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の電極は、半導体基板と外部配線との接続部であり、半導体結晶の表面にオーミック接続するために積層されるオーミックメタル層と、オーミックメタル層の外方に積層されオーミックメタル層に含まれる元素の拡散移動を抑止するバリアメタル層と、バリアメタル層の外方に積層されワイヤボンディングが行われるボンディングメタル層とを備える。
【０００３】
ボンディングメタル層の材料には、一般的に金（Ａｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）が用いられる。またバリアメタル層の材料には、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）、モリブデン（Ｍｏ）などが用いられているけれども、ボンディングメタル層の材料にＡｕが用いられるときには、バリアメタル層の材料としてＭｏが選択される。
【０００４】
この理由は以下による。ボンディングメタル層の材料にＡｕが用いられるとき、ＴｉはＡｕと熱反応を起こしやすいのでバリアメタル層の材料として不適であり、ＴｉＮおよびＴｉＷはＡｕに対して密着性が悪いので、これらをバリアメタル層の材料として用いると、バリアメタル層とボンディングメタル層との間で剥離を生じるという問題がある。一方Ｍｏは、Ａｕ系材料と熱反応を起こすことが無く、またＡｕ系材料に対して優れた密着性を有するので、ボンディングメタル層の材料にＡｕが用いられるときには、バリアメタル層の材料としてＭｏが好適に用いられる。
【０００５】
このようにボンディングメタル層の材料にＡｕを用い、バリアメタル層の材料にＭｏを用いる半導体素子電極は、従来以下のような工程のフローで形成されている。
【０００６】
（ａ１）前処理工程；電極が形成されるべく準備された半導体結晶をエッチングする。エッチングにはフッ化水素を含むフッ酸系エッチング液または硫酸を含む硫酸系エッチング液が用いられる。エッチング後純水によって半導体結晶を洗浄し充分に乾燥する。この前処理工程では、たとえば半導体結晶がシリコンウェハなどでは、ウェハの表面に形成されているＳｉＯ2膜がエッチングにより除去されるので、ウェハとスパッタリングされるオーミックメタルとの密着性を良好にすることができる。
【０００７】
（ａ２）オーミックメタル層形成工程；半導体結晶表面にオーミックメタル層が、スパッタ法によって形成される。オーミックメタル層は、Ｐｏｓｉｔｉｖｅ（Ｐ）側では、ＡｕＺｎまたはＡｕＢｅなどが、Ｎｅｇａｔｉｖｅ（Ｎ）側では、ＡｕＳｉまたはＡｕＧｅなどが、厚み：２０００〜４０００Å程度になるように積層される。このオーミックメタル層は、蒸着法によって形成されても良い。
【０００８】
（ａ３）バリアメタル層形成工程；半導体素子電極形成工程に含まれる熱処理工程において、オーミックメタル層に含まれる元素とボンディングメタル層に含まれる元素とが反応しないように、オーミックメタル層に含まれることのあるたとえばＧａ，Ｚｎ，Ｂｅ，ＳｉおよびＧｅなどがボンディングメタル層の表面まで拡散移動することを抑止するために、オーミックメタル層の外方にバリアメタル層が形成される。バリアメタル層は、Ｍｏがアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガス雰囲気中でスパッタ法によって、厚み：約３０００Åに積層される。
【０００９】
（ａ４）ボンディングメタル層形成工程；バリアメタル層の外方にＡｕが、蒸着法またはスパッタ法によって形成される。
【００１０】
（ａ５）電極パターン形成工程；ボンディングメタル層の形成された半導体デバイス基板表面に、半導体デバイス基板上の回路構成に必要とされる電極パターンをフォトリソグラフィ法によって形成する。
【００１１】
（ａ６）エッチング工程；電極パターンの形成された半導体デバイス基板をエッチングして、不要部のオーミックメタル層、バリアメタル層およびワイヤボンディング層を除去した後、剥離液によってレジスト膜を除去する。
【００１２】
（ａ７）熱処理工程；オーミックメタル層と半導体結晶表面との間にオーミック接続を形成するために、４００〜４５０℃の温度で熱処理を行う。
【００１３】
図７は、従来の半導体素子電極１の構成を示す断面図である。図７には、前述の工程フローに従って形成された従来の半導体素子電極１の構成が示され、半導体結晶２の表面に、オーミックメタル層３、バリアメタル層４およびボンディングメタル層５が、この順番に積層されて電極形成されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の工程フローに示すスパッタ法によって形成されるＭｏのバリアメタル層４は、オーミックメタル層３に含まれる元素の拡散移動を抑止する性能が、他のＴｉ，ＴｉＮまたはＴｉＷなどのバリアメタル層に比べて弱く、また薄肉材の横断面に作用する面内力である膜応力が大きいという性質がある。
【００１５】
したがって、Ｍｏをバリアメタル層として用いる場合、他のＴｉ，ＴｉＮまたはＴｉＷなどからなるバリアメタル層と同等の性能を得るためには、前記他の材料よりも層厚を厚くしなければならない。たとえばＴｉ，ＴｉＮおよびＴｉＷなどからなる厚み：１０００〜２０００Åのバリアメタル層と同等の性能を、Ｍｏのバリアメタル層で得るためには、厚み：３０００〜４０００Åを要する。
【００１６】
しかしながら、Ｍｏからなるバリアメタル層の厚みを厚くすると、一層膜応力が増大するので、バリアメタル層にクラックや剥がれが発生する。図８は、バリアメタル層４に発生するクラック６および剥がれ７の概略を示す平面図である。特に形成された半導体素子電極のパターンが小さい程クラック６や剥がれ７が発生しやすいという問題がある。
【００１７】
本発明の目的は、ボンディングメタル層に対する密着性に優れ、膜応力が小さくて層厚を厚くすることができ、元素の拡散抑止性能に優れるＭｏバリアメタル層を備える半導体素子の電極形成方法および半導体電極素子を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体結晶の表面にオーミック接続するために積層されるオーミックメタル層と、オーミックメタル層の外方に積層されオーミックメタル層に含まれる元素の拡散移動を抑止するバリアメタル層と、バリアメタル層の外方に積層されワイヤボンディングが行われるボンディングメタル層とを備える半導体素子の電極形成方法であって、
前記バリアメタル層は、
モリブデン（Ｍｏ）を含み、アルゴン（Ａｒ）ガスと酸素（Ｏ2）ガスとを含む混合ガス雰囲気中でスパッタ法によって形成されることを特徴とする半導体素子の電極形成方法である。
【００１９】
本発明に従えば、半導体素子電極に備わるＭｏ含有バリアメタル層を、ＡｒガスとＯ2ガスとを含む混合ガス雰囲気中でスパッタ法によって形成する。このようにして形成されるＭｏ含有バリアメタル層は、金（Ａｕ）系材料からなるボンディングメタル層に対する密着性に優れ、かつオーミックメタル層に含まれる元素の拡散抑止性能に優れるとともに、クラックや剥がれを生じにくい性質を有するので、電気的な接続性能に優れる半導体素子電極を高い歩留で製造することが可能になる。
【００２０】
また本発明は、前記混合ガスは、Ａｒガスに対するＯ2ガスの混合比（Ｏ2／Ａｒ）が、０．１以上であることを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、前記混合ガスは、Ａｒガスに対するＯ2ガスの混合比（Ｏ2／Ａｒ）が、０．４以上であることを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、混合ガスは、Ａｒガスに対するＯ2ガスの混合比（Ｏ2／Ａｒ）が、０．１以上、より好ましくは０．４以上に設定される。このように混合比（Ｏ2／Ａｒ）を適正な値に設定することにより、オーミックメタル層に含まれる元素の拡散抑止性能に優れたバリアメタル層を形成することができる。ここで混合比とは、混合ガスを構成する各成分ガスの分圧比の意味に用いる。
【００２３】
また本発明は、前記混合ガスは、さらに窒素（Ｎ2）ガスを含むことを特徴とする。
【００２４】
また本発明は、前記混合ガスは、Ａｒガスに対するＯ2ガスおよびＮ2ガスの混合比［（Ｏ2＋Ｎ2）／Ａｒ］が、０．１以上であることを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、前記混合ガスは、Ａｒガスに対するＯ2ガスおよびＮ2ガスの混合比［（Ｏ2＋Ｎ2）／Ａｒ］が、０．４以上であることを特徴とする。
【００２６】
本発明に従えば、混合ガスは、さらにＮ2ガスを含み、Ａｒガスに対するＯ2ガスおよびＮ2ガスの混合比［（Ｏ2＋Ｎ2）／Ａｒ］が、０．１以上、より好ましくは０．４以上に設定される。このように混合比［（Ｏ2＋Ｎ2）／Ａｒ］を適正な値に設定することにより、オーミックメタル層に含まれる元素の拡散抑止性能に優れたバリアメタル層を形成することができる。特にＮ2ガスをも含有する雰囲気中でＭｏ含有バリアメタル層を形成することによって、膜応力が低減されるので、層厚みを厚く形成し、前述の拡散抑制性能を一層向上することが可能になる。また、雰囲気ガスに用いられるＯ2ガスおよびＮ2ガスの供給源として空気を利用することができるので、Ａｒガスと空気との混合という簡単な操作によって雰囲気ガスを生成することができるとともに、雰囲気ガスのコストを低減することができる。
【００２８】
また本発明は、前記混合ガスの圧力は、０．１５Ｐａ以下であることを特徴とする。
【００２９】
本発明に従えば、混合ガスの圧力は、０．１５Ｐａ以下に設定される。このように混合ガス圧力を適正な値に設定することにより、オーミックメタル層に含まれる元素の拡散抑止性能に優れたバリアメタル層を形成することができる。
【００３０】
また本発明は、半導体結晶の表面にオーミック接続するために積層されるオーミックメタル層と、オーミックメタル層の外方に積層されオーミックメタル層に含まれる元素の拡散移動を抑止するバリアメタル層と、バリアメタル層の外方に積層されワイヤボンディングが行われるボンディングメタル層とを備える半導体素子電極であって、
前記バリアメタル層は、
モリブデン（Ｍｏ）を含み、アルゴン（Ａｒ）ガスと酸素（Ｏ2）ガスとを含む混合ガス雰囲気中でスパッタ法によって、厚みが２０００Å〜２５００Åに形成されることを特徴とする半導体素子電極である。
【００３１】
本発明に従えば、半導体素子電極に備わるバリアメタル層は、Ｍｏを含み、ＡｒガスとＯ2ガスとを含む混合ガス雰囲気中でスパッタ法によって、厚みが２０００Å〜２５００Åに形成される。このようにＡｒガスとＯ2ガスとを含む混合ガス雰囲気中で適正範囲の層厚みに形成されるＭｏ含有バリアメタル層は、拡散抑止性能に優れ、かつクラックや剥がれを発生しにくいので、電気的な接続性能に優れる半導体素子電極を製造歩留良く得ることができる。
【００３２】
また本発明は、半導体結晶の表面にオーミック接続するために積層されるオーミックメタル層と、オーミックメタル層の外方に積層されオーミックメタル層に含まれる元素の拡散移動を抑止するバリアメタル層と、バリアメタル層の外方に積層されワイヤボンディングが行われるボンディングメタル層とを備える半導体素子電極であって、
前記バリアメタル層は、
モリブデン（Ｍｏ）を含み、アルゴン（Ａｒ）ガス、酸素（Ｏ2）ガスおよび窒素（Ｎ2）ガスを含む混合ガス雰囲気中でスパッタ法によって、厚みが４０００Å〜６０００Åに形成されることを特徴とする半導体素子電極である。
【００３３】
本発明に従えば、半導体素子電極に備わるバリアメタル層は、Ｍｏを含み、ＡｒガスとＯ2ガスとＮ2ガスとを含む混合ガス雰囲気中でスパッタ法によって、厚みが４０００Å〜６０００Åに形成される。このようにＡｒガスとＯ2ガスとＮ2ガスとを含む混合ガス雰囲気中で適正範囲の層厚みに形成されるＭｏ含有バリアメタル層は、拡散抑止性能に優れ、かつクラックや剥がれを発生しにくいので、電気的な接続性能に優れる半導体素子電極を製造歩留良く得ることができる。特に雰囲気ガス中にＮ2を含有させることによって、形成されるバリアメタル層の膜応力が低減され、クラックや剥がれを生じることなくその層厚みを厚くすることができるので、オーミックメタル層に含まれる元素の拡散抑止性能を一層向上することが可能になる。
【００３４】
また本発明は、半導体結晶の表面に前記オーミックメタル層と、前記バリアメタル層と、前記ボンディングメタル層とを形成し、さらにパターンニングされた状態での平面図上に投影された形状における辺の最大長さが、１５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００３５】
本発明に従えば、（Ａｒ＋Ｏ2＋Ｎ2）雰囲気ガス中においてスパッタ法で形成されるＭｏ含有バリアメタル層は、その膜応力が小さいので、クラックや剥がれを生じさせることなく、最大辺が１５０μｍ以下の小さな寸法の電極を形成することが可能になる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態である半導体素子電極１０の構成を簡略化して示す断面図である。半導体素子電極１０は、半導体結晶１１の表面１２にオーミック接続するために積層されるオーミックメタル層１３と、オーミックメタル層１３の外方に積層されオーミックメタル層１３に含まれる元素の拡散移動を抑止するバリアメタル層１４と、バリアメタル層１４の外方に積層されワイヤボンディングが行われるボンディングメタル層１５とを備える。
【００３７】
半導体結晶１１は、たとえばシリコンウェハである。オーミックメタル層１３は、形成される電極がＰ側であれば、たとえばＡｕＺｎ、ＡｕＢｅなどであり、形成される電極がＮ側であれば、ＡｕＳｉ、ＡｕＧｅなどである。このオーミックメタル層１３は、層厚みが２０００〜４０００Åになるように形成される。
【００３８】
バリアメタル層１４は、Ｍｏを含有する層であり、層厚みが２０００〜２５００Åまたは４５００〜６０００Åの範囲内になるようにスパッタ法によって形成される。このバリアメタル層１４は、半導体素子電極１０形成工程に含まれる熱処理工程において、前述のようにオーミックメタル層１３に含まれるたとえばＧａ，Ｚｎ，Ｂｅ，Ｓｉ，Ｇｅなどの元素が拡散移動してボンディングメタル層１５と反応を起こすことを防止する。ボンディングメタル層１５は、Ａｕ系材料からなる。
【００３９】
半導体素子電極１０は、半導体結晶１１の表面１２に以下の工程フローに従って形成される。
【００４０】
（ｂ１）前処理工程；電極が形成されるべく準備された半導体結晶１１をエッチングする。エッチングにはフッ化水素を含むフッ酸系エッチング液または硫酸を含む硫酸系エッチング液が用いられる。エッチング後純水によって半導体結晶１１を洗浄し充分に乾燥する。この前処理工程によって半導体結晶１１とオーミックメタル層１３との密着性を良好にすることができる。
【００４１】
（ｂ２）オーミックメタル層形成工程；半導体結晶１１の表面１２にオーミックメタル層１３が、スパッタ法または蒸着法によって前述の厚み：２０００〜４０００Åになるように形成される。
【００４２】
（ｂ３）バリアメタル層形成工程；バリアメタル層１４は、Ｍｏが、Ａｒガスと酸素ガスとの混合ガス（Ａｒ＋Ｏ2）またはＡｒガスと空気（Ｏ2＋Ｎ2）との混合ガス（Ａｒ＋Ｏ2＋Ｎ2）雰囲気中でスパッタ法によって形成される。
【００４３】
このバリアメタル層１４をスパッタ法によって形成するとき、雰囲気を構成する混合ガスの条件は、次のように設定される。混合ガスの圧力は、０．７Ｐａ以下、より好ましくは０．１５Ｐａ以下に設定される。混合ガスの混合比（Ｏ2／Ａｒ）または［（Ｏ2＋Ｎ2）／Ａｒ］は、いずれも０．１以上、より好ましくは０．４以上に設定される。
【００４４】
前述のような条件下において、混合ガスに（Ａｒ＋Ｏ2）を用いるとき、バリアメタル層１４は、層厚み：２０００〜２５００Åになるように形成され、混合ガスに（Ａｒ＋Ｏ2＋Ｎ2）を用いるとき、バリアメタル層１４は、層厚み：４５００〜６０００Åになるように形成される。
【００４５】
以下に混合ガスの設定条件範囲限定理由およびバリアメタル層１４の層厚み範囲限定理由について説明する。
【００４６】
混合ガス圧力：混合ガス圧力が、０．７Ｐａを超えると、ガス圧力が高いのでスパッタリングによってバリアメタル層１４を形成するとき、スパッタリング雰囲気であるプラズマ中を移動する粒子の平均自由行程が短くなる。したがって、オーミックメタル層１３の表面に到達するＭｏ粒子が少なくなり、緻密なバリアメタル層１４が形成されなくなるので、バリア性が低くなる。スパッタリングにおけるガス圧力は、前述のように平均自由行程の観点においては、低い方が好ましいけれども、低過ぎると、Ｍｏ粒子の絶対数が減少して積層速度が低下し積層効率が悪化するばかりでなくプラズマが発生しなくなるので、スパッタリングによるバリアメタル層１４の形成が不能になる。
【００４７】
また混合ガス圧力が０．７Ｐａを超えると、スパッタリング用チャンバ内に電界が形成されたとき、高いエネルギを有する高速粒子が過剰に存在することになるので、ターゲットであるＭｏだけでなくスパッタリング用チャンバ内壁などを構成する元素まで励起されてバリアメタル層１４にコンタミネーションを生じ、オーミックメタル層１３に含まれる元素の拡散を抑止する性能（以後、便宜上バリア性と呼ぶ）が低下する。
【００４８】
このように、コンタミネーションが少なく緻密でバリア性に優れるバリアメタル層１４を高い積層効率で形成するためには、高過ぎずかつ低過ぎない適正な混合ガス圧力に設定されなければならない。したがって、混合ガス圧力は、０．７Ｐａ以下、より好ましくは０．１５Ｐａ以下とした。
【００４９】
混合ガスの混合比：混合比が０．１未満では、Ｏ2ガスまたはＯ2ガスとＮ2ガスとを混合ガス中に含むことによるＭｏ含有バリアメタル層１４のバリア性向上効果が発現されない。また混合比が０．１未満では、Ｏ2ガスとＮ2ガスとを混合ガス中に含むことによるＭｏ含有バリアメタル層１４の膜応力の低減効果が発現されない。Ｍｏ含有バリアメタル層１４のバリア性向上効果や膜応力の低減効果は、混合比０．１以上で発現され、混合比０．４以上でより顕著に発現される。したがって、混合ガスの混合比を０．１以上、より好ましくは０．４以上とした。
【００５０】
混合ガスに（Ａｒ＋Ｏ2）を用いるときの層厚み：層厚みが、２０００Å未満では、バリア性が不充分であり、２５００Åを超えると、膜応力が増大し、クラックや剥がれが発生する。したがって、層厚みを２０００Å〜２５００Åとした。
【００５１】
混合ガスに（Ａｒ＋Ｏ2＋Ｎ2）を用いるときの層厚み：さらなるバリア性向上のためには、層厚みが４５００Å以上を必要とし、６０００Åを超えると膜応力が増大し、クラックや剥がれが発生するので、４５００〜６０００Åとした。
【００５２】
（ｂ４）ボンディングメタル層形成工程；バリアメタル層１４の外方にＡｕ系材料が、蒸着法またはスパッタ法によって形成される。
【００５３】
（ｂ５）電極パターン形成工程；ボンディングメタル層１５の形成された半導体デバイス基板（ここでは、半導体結晶１１にオーミックメタル層１３、バリアメタル層１４およびボンディングメタル層１５を順次積層したものを半導体デバイス基板と呼ぶ）表面に、半導体デバイス基板上の回路構成に必要とされる電極パターンをフォトリソグラフィ法によって形成する。
【００５４】
（ｂ６）エッチング工程；電極パターンの形成された半導体デバイス基板をエッチングして、不要部のオーミックメタル層、バリアメタル層およびワイヤボンディング層を除去した後、剥離液によってレジスト膜を除去する。
【００５５】
（ｂ７）熱処理工程；オーミックメタル層と半導体結晶表面との間にオーミック接続を形成するために、４００〜４５０℃の温度で熱処理を行う。
【００５６】
このようにして形成される半導体素子電極１０は、半導体素子電極１０に備わるＭｏ含有バリアメタル層１４が、ボンディングメタル層１５に対する密着性に優れ、かつバリア性に優れるとともに、クラックや剥がれを生じにくい性質を有するので、電気的な接続性能に優れ製造歩留が高い。
【００５７】
（実施例）
以下に本発明の実施例を説明する。前述の（ｂ１）〜（ｂ７）の工程フローに従って作製した半導体素子電極と、雰囲気ガスにＡｒガスのみを用いてバリアメタル層を形成したこと以外は前述の（ｂ１）〜（ｂ７）の工程フローに示すのと同一の条件で半導体素子電極とを作製し、バリア性能と耐クラックおよび耐剥がれ性とを比較した。
【００５８】
バリア性能は、バリア破壊発生率によって評価した。バリア破壊とは、バリアメタル層１４のバリア性能が劣ることに起因し、半導体結晶１１および／またはオーミックメタル層１３からＧａやＺｎなどの元素が、ボンディングメタル層１５まで拡散移動し、その結果ワイヤのボンディング不良が発生したり、素子抵抗が高くなることによって駆動電圧が増加するなどの電気的特性が不良になることをいう。バリア破壊発生率は、ボンディング不良や電気的特性の不良が発生した半導体電極数の特性試験に供した半導体電極の全数に対する比を、百分率で表したものをいう。このバリア破壊発生率（％）が小さい程バリア性が良好であると評価した。
【００５９】
耐クラックおよび耐剥がれ性は、同一条件で作製された半導体素子電極全数に対するクラックや剥がれの発生した半導体素子電極数の百分率（以後、これを便宜上クラックまたは剥がれ発生率と呼ぶ）を評価指標とし、クラックまたは剥がれ発生率が小さい程、耐クラックおよび耐剥がれ性が良好であると評価した。
【００６０】
（実施例１）
実施例１では、混合ガスの圧力を０．１３〜１．１Ｐａまで変動させてＭｏ含有バリアメタル層を形成し、混合ガスの圧力が、バリア破壊発生率に及ぼす影響について試験した。混合ガス圧力以外のバリアメタル層形成に用いた条件を表１に示す。
【００６１】
【表１】

Figure 0003854532
【００６２】
図２は、混合ガスのガス圧力とバリア破壊発生率との関係を示す図である。図２中で、ライン１６が、雰囲気ガスに（Ａｒ＋Ｏ2）を用いた場合の結果を示し、ライン１７が、雰囲気ガスに（Ａｒ＋空気）を用いた場合の結果を示し、ライン１８が、雰囲気ガスにＡｒのみを用いた場合の結果を示す。
【００６３】
雰囲気ガスに（Ａｒ＋Ｏ2）または（Ａｒ＋空気）を用いた場合、混合ガスの圧力が０．７Ｐａ付近においてバリア破壊発生率は急激に低下した。混合ガスの圧力が、０．４Ｐａ以下では、バリア破壊発生率はほぼ１０％未満となり、特に０．１５Ｐａ以下では、バリア破壊発生率はほぼ零（０）％近くまで減少し、高い歩留でバリア性の良好な半導体素子電極を得ることができた。
【００６４】
一方、雰囲気ガスにＡｒのみを用いてバリアメタル層を形成した半導体素子電極では、ガス圧力を変動させた範囲のすべてにおいて、バリア破壊発生率が２０％以上であり、歩留が良くなかった。
【００６５】
（実施例２）
実施例２では、混合ガスの混合比を０．０２〜１まで変動させてＭｏ含有バリアメタル層を形成し、混合ガスの圧力が、バリア破壊発生率に及ぼす影響について試験した。混合ガスの混合比以外のバリアメタル層形成に用いた条件を表２に示す。
【００６６】
【表２】
Figure 0003854532
【００６７】
図３は、混合ガスの混合比とバリア破壊発生率との関係を示す図である。図３中で、ライン１９が、雰囲気ガスに（Ａｒ＋Ｏ2）を用いた場合の結果を示し、ライン２０が、雰囲気ガスに（Ａｒ＋空気）を用いた場合の結果を示す。
【００６８】
雰囲気ガスに（Ａｒ＋Ｏ2）または（Ａｒ＋空気）を用いた場合、混合ガスの圧力が、０．１以上でバリア破壊発生率はほぼ１０％未満となり、特に０．４以上ではバリア破壊発生率は０％になり、高い歩留でバリア性の良好な半導体素子電極を得ることができた。
【００６９】
（実施例３）
実施例３では、層の厚み（以後、膜厚と表記することもある）を変動させてＭｏ含有バリアメタル層を形成し、層の厚みが、バリア破壊発生率に及ぼす影響について試験した。層の厚み以外のＭｏ含有バリアメタル層形成に用いた条件を表３に示す。
【００７０】
【表３】
Figure 0003854532
【００７１】
図４は、Ｍｏ含有バリアメタル層の膜厚とバリア破壊発生率との関係を示す図である。図４中で、ライン２１が、雰囲気ガスに（Ａｒ＋Ｏ2）を用いた場合の結果を示し、ライン２２が、雰囲気ガスに（Ａｒ＋空気）を用いた場合の結果を示し、ライン２３が、雰囲気ガスにＡｒのみを用いた場合の結果を示す。
【００７２】
雰囲気ガスに（Ａｒ＋Ｏ2）または（Ａｒ＋空気）を用いた場合、膜厚が２０００Å以上で、バリア破壊発生率は２０％以下にまで減少し、高い歩留でバリア性の良好な半導体素子電極を得ることができた。特に、雰囲気ガスに（Ａｒ＋空気）を用いた場合、膜厚が４５００Å以上で、バリア破壊発生率を０％にすることができた。
【００７３】
一方、雰囲気ガスにＡｒのみを用いてバリアメタル層を形成した半導体素子電極では、約６０００Å以上の膜厚に形成しなければバリア破壊発生率を２０％以下に減少させることができなかった。
【００７４】
（実施例４）
実施例４では、層の厚みを変動させてＭｏ含有バリアメタル層を形成し、層の厚みが、クラックまたは剥がれ発生率に及ぼす影響について試験した。層の厚み以外のＭｏ含有バリアメタル層形成に用いた条件を表４に示す。
【００７５】
【表４】
Figure 0003854532
【００７６】
図５は、Ｍｏ含有バリアメタル層の膜厚とクラックまたは剥がれ発生率との関係を示す図である。図５中で、ライン２４が、雰囲気ガスに（Ａｒ＋Ｏ2）を用いた場合の結果を示し、ライン２５が、雰囲気ガスに（Ａｒ＋空気）を用いた場合の結果を示し、ライン２６が、雰囲気ガスにＡｒのみを用いた場合の結果を示す。
【００７７】
雰囲気ガスに（Ａｒ＋Ｏ2）を用いた場合、膜厚が２５００Åを超えると、クラックまたは剥がれ発生率は、急激に増大し、歩留が悪化する。したがって、前述の膜厚とバリア破壊発生率との関係とも合わせ、バリア性と耐クラックおよび耐剥がれ性とが、ともに良好な製品を高い歩留で得ることができる膜厚の好適範囲として、２０００〜２５００Åが選択された。
【００７８】
雰囲気ガスに（Ａｒ＋空気）を用いた場合、膜厚が６０００Åを超えると、クラックまたは剥がれが、数％発生するようになる。したがって、前述の膜厚とバリア破壊発生率との関係とも合わせ、バリア性と耐クラックおよび耐剥がれ性とが、ともに良好な製品を１００％の歩留で得ることができる膜厚の好適範囲として、４５００〜６０００Åが選択された。
【００７９】
一方、雰囲気ガスにＡｒのみを用いてバリアメタル層を形成した半導体素子電極では、膜厚が２５００Åを超えると、クラックまたは剥がれ発生率が急激に増大する。したがって、前述の膜厚とバリア破壊発生率との関係とも合わせ、バリア性と耐クラックおよび耐剥がれ性とが、ともに良好な製品を高い歩留で得ることができる膜厚の好適範囲が存在しなかった。
【００８０】
（実施例５）
実施例５では、電極の最大辺長さ（以後、電極サイズと表記することがある）を変動させてＭｏ含有バリアメタル層を形成し、電極サイズが、クラックまたは剥がれ発生率に及ぼす影響について試験した。電極サイズ以外のＭｏ含有バリアメタル層形成に用いた条件を表５に示す。
【００８１】
【表５】
Figure 0003854532
【００８２】
図６は、電極サイズとクラックまたは剥がれ発生率との関係を示す図である。図６中で、ライン２７が、雰囲気ガスに（Ａｒ＋Ｏ2）を用いた場合の結果を示し、ライン２８が、雰囲気ガスに（Ａｒ＋空気）を用いた場合の結果を示し、ライン２９が、雰囲気ガスにＡｒのみを用いた場合の結果を示す。
【００８３】
雰囲気ガスに（Ａｒ＋空気）を用いた場合、電極サイズに関らずクラックまたは剥がれ発生率は０％であった。すなわち、クラックおよび／または剥がれを生じることなく健全な１５０μｍ以下の小さな寸法の半導体素子電極を、１００％の歩留で得ることができた。
【００８４】
一方、雰囲気ガスに（Ａｒ＋Ｏ2）およびＡｒのみを用いた場合、電極サイズが２５０μｍ未満になると、クラックまたは剥がれ発生率は急激に増大し、歩留が悪化した。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体素子電極に備わるＭｏ含有バリアメタル層を、ＡｒガスとＯ2ガスとを含む混合ガス雰囲気中でスパッタ法によって形成する。このようにして形成されるＭｏ含有バリアメタル層は、金（Ａｕ）系材料からなるボンディングメタル層に対する密着性に優れ、かつオーミックメタル層に含まれる元素の拡散抑止性能に優れるとともに、クラックや剥がれを生じにくい性質を有するので、電気的な接続性能に優れる半導体素子電極を高い歩留で製造することが可能になる。
【００８６】
また本発明によれば、混合ガスは、Ａｒガスに対するＯ2ガスの混合比（Ｏ2／Ａｒ）が、０．１以上、より好ましくは０．４以上に設定される。このように混合比（Ｏ2／Ａｒ）を適正な値に設定することにより、オーミックメタル層に含まれる元素の拡散抑止性能に優れたバリアメタル層を形成することができる。
【００８７】
また本発明によれば、混合ガスは、さらにＮ2ガスを含み、Ａｒガスに対するＯ2ガスおよびＮ2ガスの混合比［（Ｏ2＋Ｎ2）／Ａｒ］が、０．１以上、より好ましくは０．４以上に設定される。このように混合比［（Ｏ2＋Ｎ2）／Ａｒ］を適正な値に設定することにより、オーミックメタル層に含まれる元素の拡散抑止性能に優れたバリアメタル層を形成することができる。特にＮ2ガスをも含有する雰囲気中でＭｏ含有バリアメタル層を形成することによって、膜応力が低減されるので、層厚みを厚く形成し、前述の拡散抑制性能を一層向上することが可能になる。また、雰囲気ガスに用いられるＯ2ガスおよびＮ2ガスの供給源として空気を利用することができるので、Ａｒガスと空気との混合という簡単な操作によって雰囲気ガスを生成することができるとともに、雰囲気ガスのコストを低減することができる。
【００８８】
また本発明によれば、混合ガスの圧力は、０．１５Ｐａ以下に設定される。このように混合ガス圧力を適正な値に設定することにより、オーミックメタル層に含まれる元素の拡散抑止性能に優れたバリアメタル層を形成することができる。
【００８９】
また本発明によれば、半導体素子電極に備わるバリアメタル層は、Ｍｏを含み、ＡｒガスとＯ2ガスとを含む混合ガス雰囲気中でスパッタ法によって、厚みが２０００Å〜２５００Åに形成される。このようにＡｒガスとＯ2ガスとを含む混合ガス雰囲気中で適正範囲の層厚みに形成されるＭｏ含有バリアメタル層は、拡散抑止性能に優れ、かつクラックや剥がれを発生しにくいので、電気的な接続性能に優れる半導体素子電極を製造歩留良く得ることができる。
【００９０】
また本発明によれば、半導体素子電極に備わるバリアメタル層は、Ｍｏを含み、ＡｒガスとＯ2ガスとＮ2ガスとを含む混合ガス雰囲気中でスパッタ法によって、厚みが４０００Å〜６０００Åに形成される。このようにＡｒガスとＯ2ガスとＮ2ガスとを含む混合ガス雰囲気中で適正範囲の層厚みに形成されるＭｏ含有バリアメタル層は、拡散抑止性能に優れ、かつクラックや剥がれを発生しにくいので、電気的な接続性能に優れる半導体素子電極を製造歩留良く得ることができる。特に雰囲気ガス中にＮ2を含有させることによって、形成されるバリアメタル層の膜応力が低減され、クラックや剥がれを生じることなくその層厚みを厚くすることができるので、オーミックメタル層に含まれる元素の拡散抑止性能を一層向上することが可能になる。
【００９１】
また本発明によれば、（Ａｒ＋Ｏ2＋Ｎ2）雰囲気ガス中においてスパッタ法で形成されるＭｏ含有バリアメタル層は、その膜応力が小さいので、クラックや剥がれを生じさせることなく、最大辺が１５０μｍ以下の小さな寸法の電極を形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である半導体素子電極１０の構成を簡略化して示す断面図である。
【図２】混合ガスのガス圧力とバリア破壊発生率との関係を示す図である。
【図３】混合ガスの混合比とバリア破壊発生率との関係を示す図である。
【図４】Ｍｏ含有バリアメタル層の膜厚とバリア破壊発生率との関係を示す図である。
【図５】Ｍｏ含有バリアメタル層の膜厚とクラックまたは剥がれ発生率との関係を示す図である。
【図６】電極サイズとクラックまたは剥がれ発生率との関係を示す図である。
【図７】従来の半導体素子電極１の構成を示す断面図である。
【図８】バリアメタル層４に発生するクラック６および剥がれ７の概略を示す平面図である。
【符号の説明】
１０ 半導体素子電極
１１ 半導体結晶
１３ オーミックメタル層
１４ バリアメタル層
１５ ボンディングメタル層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming an electrode of a semiconductor element and a semiconductor element electrode formed by the method.
[0002]
[Prior art]
The electrode of the semiconductor element is a connection portion between the semiconductor substrate and the external wiring, and is included in the ohmic metal layer that is laminated to the ohmic connection to the surface of the semiconductor crystal and the ohmic metal layer that is laminated outside the ohmic metal layer. A barrier metal layer that suppresses the diffusion movement of the element, and a bonding metal layer that is laminated outside the barrier metal layer and performs wire bonding.
[0003]
Generally, gold (Au) or aluminum (Al) is used as a material for the bonding metal layer. Moreover, although titanium (Ti), titanium nitride (TiN), titanium tungsten (TiW), molybdenum (Mo), etc. are used as the material of the barrier metal layer, when Au is used as the material of the bonding metal layer, Mo is selected as the material for the barrier metal layer.
[0004]
The reason is as follows. When Au is used as the material for the bonding metal layer, Ti is not suitable as a material for the barrier metal layer because it easily causes thermal reaction with Au, and TiN and TiW have poor adhesion to Au. When used as a layer material, there is a problem that peeling occurs between the barrier metal layer and the bonding metal layer. On the other hand, Mo does not cause a thermal reaction with the Au-based material and has excellent adhesion to the Au-based material. Therefore, when Au is used as the material for the bonding metal layer, Mo is used as the material for the barrier metal layer. Are preferably used.
[0005]
Thus, a semiconductor element electrode using Au as the material of the bonding metal layer and Mo as the material of the barrier metal layer is conventionally formed by the following process flow.
[0006]
(A1) Pretreatment step: Etching a semiconductor crystal prepared to form an electrode. For the etching, a hydrofluoric acid-based etching solution containing hydrogen fluoride or a sulfuric acid-based etching solution containing sulfuric acid is used. After etching, the semiconductor crystal is washed with pure water and sufficiently dried. In this pretreatment process, for example, when a semiconductor crystal is a silicon wafer, SiO formed on the surface of the wafer is used. 2 Since the film is removed by etching, the adhesion between the wafer and the sputtered ohmic metal can be improved.
[0007]
(A2) Ohmic metal layer forming step; an ohmic metal layer is formed on the surface of the semiconductor crystal by a sputtering method. The ohmic metal layer is laminated such that AuZn or AuBe or the like is on the Positive (P) side, and AuSi or AuGe or the like is on the Negative (N) side so that the thickness is about 2000 to 4000 mm. This ohmic metal layer may be formed by a vapor deposition method.
[0008]
(A3) Barrier metal layer formation step; included in the ohmic metal layer so that the elements contained in the ohmic metal layer and the elements contained in the bonding metal layer do not react in the heat treatment step included in the semiconductor element electrode formation step. In order to prevent diffusion of, for example, Ga, Zn, Be, Si, Ge, etc., to the surface of the bonding metal layer, a barrier metal layer is formed outside the ohmic metal layer. The barrier metal layer is laminated with a thickness of about 3000 mm by sputtering in an inert gas atmosphere such as argon (Ar) gas.
[0009]
(A4) Bonding metal layer forming step; Au is formed outside the barrier metal layer by vapor deposition or sputtering.
[0010]
(A5) Electrode pattern forming step: An electrode pattern required for the circuit configuration on the semiconductor device substrate is formed on the surface of the semiconductor device substrate on which the bonding metal layer has been formed by photolithography.
[0011]
(A6) Etching step: The semiconductor device substrate on which the electrode pattern is formed is etched to remove unnecessary ohmic metal layers, barrier metal layers and wire bonding layers, and then the resist film is removed with a stripping solution.
[0012]
(A7) Heat treatment step; heat treatment is performed at a temperature of 400 to 450 ° C. in order to form an ohmic connection between the ohmic metal layer and the semiconductor crystal surface.
[0013]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional semiconductor element electrode 1. FIG. 7 shows a configuration of a conventional semiconductor element electrode 1 formed according to the above-described process flow. On the surface of the semiconductor crystal 2, an ohmic metal layer 3, a barrier metal layer 4, and a bonding metal layer 5 are arranged in this order. Are stacked to form an electrode.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The barrier metal layer 4 of Mo formed by the sputtering method shown in the above-described process flow has the ability to suppress the diffusion movement of the elements contained in the ohmic metal layer 3, and other barrier metal layers such as Ti, TiN or TiW. It has a property that it is weaker than that and a film stress that is an in-plane force acting on the cross section of the thin-walled material is large.
[0015]
Therefore, when Mo is used as the barrier metal layer, in order to obtain the same performance as other barrier metal layers made of Ti, TiN, TiW, or the like, the layer thickness must be made thicker than the other materials. For example, in order to obtain the same performance as that of a barrier metal layer having a thickness of 1000 to 2000 mm made of Ti, TiN, TiW, or the like, a thickness of 3000 to 4000 mm is required.
[0016]
However, when the thickness of the barrier metal layer made of Mo is increased, the film stress is further increased, so that the barrier metal layer is cracked or peeled off. FIG. 8 is a plan view showing an outline of the crack 6 and the peeling 7 generated in the barrier metal layer 4. In particular, there is a problem that cracks 6 and peeling 7 are more likely to occur as the pattern of the formed semiconductor element electrode is smaller.
[0017]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for forming an electrode of a semiconductor element and a semiconductor having a Mo barrier metal layer that has excellent adhesion to a bonding metal layer, can reduce the film stress, can increase the layer thickness, and has excellent element diffusion suppression performance. An electrode element is provided.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to an ohmic metal layer that is stacked for ohmic connection to the surface of a semiconductor crystal, a barrier metal layer that is stacked outside the ohmic metal layer and suppresses diffusion movement of elements contained in the ohmic metal layer, and a barrier A method for forming an electrode of a semiconductor device comprising a bonding metal layer laminated on the outside of a metal layer and wire bonding is performed,
The barrier metal layer is
Contains molybdenum (Mo), argon (Ar) gas and oxygen (O 2 The electrode forming method for a semiconductor device is characterized in that the electrode is formed by sputtering in a mixed gas atmosphere containing a gas.
[0019]
According to the present invention, the Mo-containing barrier metal layer provided on the semiconductor element electrode is made of Ar gas and O 2. 2 It is formed by a sputtering method in a mixed gas atmosphere containing a gas. The Mo-containing barrier metal layer formed in this way has excellent adhesion to a bonding metal layer made of a gold (Au) -based material, and has excellent anti-diffusion performance of elements contained in the ohmic metal layer, as well as cracking and peeling. Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor element electrode excellent in electrical connection performance with a high yield.
[0020]
In the invention, it is preferable that the mixed gas is O to Ar gas. 2 Gas mixing ratio (O 2 / Ar) is 0.1 or more.
[0021]
In the invention, it is preferable that the mixed gas is O to Ar gas. 2 Gas mixing ratio (O 2 / Ar) is 0.4 or more.
[0022]
According to the present invention, the mixed gas is O to Ar gas. 2 Gas mixing ratio (O 2 / Ar) is set to 0.1 or more, more preferably 0.4 or more. Thus, the mixing ratio (O 2 By setting / Ar) to an appropriate value, it is possible to form a barrier metal layer excellent in the ability to inhibit diffusion of elements contained in the ohmic metal layer. Here, the mixing ratio is used to mean the partial pressure ratio of each component gas constituting the mixed gas.
[0023]
In the present invention, the mixed gas may further contain nitrogen (N 2 ) It contains gas.
[0024]
In the invention, it is preferable that the mixed gas is O to Ar gas. 2 Gas and N 2 Gas mixing ratio [(O 2 + N 2 ) / Ar] is 0.1 or more.
[0025]
In the invention, it is preferable that the mixed gas is O to Ar gas. 2 Gas and N 2 Gas mixing ratio [(O 2 + N 2 ) / Ar] is 0.4 or more.
[0026]
According to the invention, the mixed gas is further N 2 Contains gas and O against Ar gas 2 Gas and N 2 Gas mixing ratio [(O 2 + N 2 ) / Ar] is set to 0.1 or more, more preferably 0.4 or more. Thus, the mixing ratio [(O 2 + N 2 ) / Ar] is set to an appropriate value, it is possible to form a barrier metal layer excellent in the ability to inhibit the diffusion of elements contained in the ohmic metal layer. Especially N 2 By forming the Mo-containing barrier metal layer in an atmosphere that also contains gas, the film stress is reduced, so that the layer thickness is increased and the above-described diffusion suppression performance can be further improved. O gas used for atmospheric gas 2 Gas and N 2 Since air can be used as a gas supply source, atmospheric gas can be generated by a simple operation of mixing Ar gas and air, and the cost of the atmospheric gas can be reduced.
[0028]
In the invention, it is preferable that the pressure of the mixed gas is 0.15 Pa or less.
[0029]
According to the present invention, the pressure of the mixed gas is , 0 . It is set to 15 Pa or less. In this way, by setting the mixed gas pressure to an appropriate value, a barrier metal layer excellent in the ability to inhibit diffusion of elements contained in the ohmic metal layer can be formed.
[0030]
The present invention also includes an ohmic metal layer that is stacked for ohmic connection to the surface of the semiconductor crystal, a barrier metal layer that is stacked outside the ohmic metal layer and suppresses diffusion movement of elements contained in the ohmic metal layer, A semiconductor element electrode comprising a bonding metal layer laminated on the outside of the barrier metal layer and wire bonding is performed,
The barrier metal layer is
Contains molybdenum (Mo), argon (Ar) gas and oxygen (O 2 The semiconductor element electrode is formed to have a thickness of 2000 to 2500 by sputtering in a mixed gas atmosphere containing gas.
[0031]
According to the present invention, the barrier metal layer provided in the semiconductor element electrode includes Mo, Ar gas, and O 2 A thickness of 2000 to 2500 mm is formed by sputtering in a mixed gas atmosphere containing a gas. Thus, Ar gas and O 2 A Mo-containing barrier metal layer formed in an appropriate range of layer thickness in a mixed gas atmosphere containing gas is excellent in diffusion deterrence performance and hardly generates cracks or peeling, so that it has excellent electrical connection performance. Electrodes can be obtained with good manufacturing yield.
[0032]
The present invention also includes an ohmic metal layer that is stacked for ohmic connection to the surface of the semiconductor crystal, a barrier metal layer that is stacked outside the ohmic metal layer and suppresses diffusion movement of elements contained in the ohmic metal layer, A semiconductor element electrode comprising a bonding metal layer laminated on the outside of the barrier metal layer and wire bonding is performed,
The barrier metal layer is
Contains molybdenum (Mo), argon (Ar) gas, oxygen (O 2 ) Gas and nitrogen (N 2 A semiconductor element electrode having a thickness of 4000 to 6000 mm by sputtering in a mixed gas atmosphere containing gas.
[0033]
According to the present invention, the barrier metal layer provided in the semiconductor element electrode includes Mo, Ar gas, and O 2 Gas and N 2 A thickness of 4000 to 6000 mm is formed by sputtering in a mixed gas atmosphere containing a gas. Thus, Ar gas and O 2 Gas and N 2 A Mo-containing barrier metal layer formed in an appropriate range of layer thickness in a mixed gas atmosphere containing gas is excellent in diffusion deterrence performance and hardly generates cracks or peeling, so that it has excellent electrical connection performance. Electrodes can be obtained with good manufacturing yield. Especially in the atmosphere gas N 2 Since the film stress of the barrier metal layer to be formed can be reduced and the thickness of the layer can be increased without causing cracks or peeling, it is possible to further prevent the diffusion of elements contained in the ohmic metal layer. It becomes possible to improve.
[0034]
Further, according to the present invention, the ohmic metal layer, the barrier metal layer, and the bonding metal layer are formed on the surface of the semiconductor crystal, and the side of the side in the shape projected on the plan view in a patterned state is formed. The maximum length is 150 μm or less.
[0035]
According to the present invention, (Ar + O 2 + N 2 ) Since the Mo-containing barrier metal layer formed by sputtering in an atmospheric gas has a small film stress, it is possible to form a small size electrode with a maximum side of 150 μm or less without causing cracks or peeling. become.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a simplified configuration of a semiconductor element electrode 10 according to an embodiment of the present invention. The semiconductor element electrode 10 suppresses the diffusion movement of the elements contained in the ohmic metal layer 13 and the ohmic metal layer 13 laminated outside the ohmic metal layer 13 to be ohmic-connected to the surface 12 of the semiconductor crystal 11. And a bonding metal layer 15 laminated on the outside of the barrier metal layer 14 and subjected to wire bonding.
[0037]
The semiconductor crystal 11 is a silicon wafer, for example. The ohmic metal layer 13 is, for example, AuZn, AuBe or the like if the electrode to be formed is on the P side, and AuSi or AuGe if the electrode to be formed is on the N side. The ohmic metal layer 13 is formed to have a layer thickness of 2000 to 4000 mm.
[0038]
The barrier metal layer 14 is a layer containing Mo, and is formed by a sputtering method so that the layer thickness is in the range of 2000-2500 mm or 4500-6000 mm. The barrier metal layer 14 is bonded by bonding of elements such as Ga, Zn, Be, Si, and Ge contained in the ohmic metal layer 13 as described above in the heat treatment step included in the semiconductor element electrode 10 forming step. The reaction with the metal layer 15 is prevented. The bonding metal layer 15 is made of an Au-based material.
[0039]
The semiconductor element electrode 10 is formed on the surface 12 of the semiconductor crystal 11 according to the following process flow.
[0040]
(B1) Pretreatment step: The semiconductor crystal 11 prepared to form an electrode is etched. For the etching, a hydrofluoric acid-based etching solution containing hydrogen fluoride or a sulfuric acid-based etching solution containing sulfuric acid is used. After etching, the semiconductor crystal 11 is washed with pure water and sufficiently dried. By this pretreatment step, the adhesion between the semiconductor crystal 11 and the ohmic metal layer 13 can be improved.
[0041]
(B2) Ohmic metal layer forming step: The ohmic metal layer 13 is formed on the surface 12 of the semiconductor crystal 11 by the sputtering method or the vapor deposition method so as to have the aforementioned thickness: 2000 to 4000 mm.
[0042]
(B3) Barrier metal layer forming step; in the barrier metal layer 14, Mo is a mixed gas of Ar gas and oxygen gas (Ar + O 2 ) Or Ar gas and air (O 2 + N 2 ) And mixed gas (Ar + O) 2 + N 2 ) It is formed by sputtering in an atmosphere.
[0043]
When this barrier metal layer 14 is formed by sputtering, the conditions of the mixed gas constituting the atmosphere are set as follows. The pressure of the mixed gas is set to 0.7 Pa or less, more preferably 0.15 Pa or less. Mixing ratio of mixed gas (O 2 / Ar) or [(O 2 + N 2 ) / Ar] is set to 0.1 or more, more preferably 0.4 or more.
[0044]
Under the conditions as described above, (Ar + O 2 ), The barrier metal layer 14 is formed to have a layer thickness of 2000 to 2500 mm, and the mixed gas contains (Ar + O). 2 + N 2 ), The barrier metal layer 14 is formed to have a layer thickness of 4500 to 6000 mm.
[0045]
The reason for limiting the set condition range of the mixed gas and the reason for limiting the layer thickness range of the barrier metal layer 14 will be described below.
[0046]
Mixed gas pressure: When the mixed gas pressure exceeds 0.7 Pa, since the gas pressure is high, when the barrier metal layer 14 is formed by sputtering, the mean free path of particles moving in plasma which is a sputtering atmosphere is shortened. Therefore, the number of Mo particles reaching the surface of the ohmic metal layer 13 is reduced, and the dense barrier metal layer 14 is not formed, so that the barrier property is lowered. As described above, the gas pressure in sputtering is preferably low in terms of the mean free path, but if it is too low, not only the absolute number of Mo particles decreases, but the lamination speed decreases and the lamination efficiency deteriorates. Since plasma is no longer generated, it becomes impossible to form the barrier metal layer 14 by sputtering.
[0047]
If the pressure of the mixed gas exceeds 0.7 Pa, when an electric field is formed in the sputtering chamber, high-speed particles having high energy exist excessively, so that not only the target Mo but also the sputtering chamber. The elements constituting the inner wall and the like are excited to cause contamination in the barrier metal layer 14 and the performance of suppressing the diffusion of the elements contained in the ohmic metal layer 13 (hereinafter referred to as barrier property for convenience) is lowered.
[0048]
Thus, in order to form the dense barrier metal layer 14 with less contamination and excellent barrier properties with high stacking efficiency, it is necessary to set an appropriate mixed gas pressure that is neither too high nor too low. Therefore, the mixed gas pressure is set to 0.7 Pa or less, more preferably 0.15 Pa or less.
[0049]
Mixing ratio of mixed gas: When the mixing ratio is less than 0.1, O 2 Gas or O 2 Gas and N 2 The effect of improving the barrier property of the Mo-containing barrier metal layer 14 due to the inclusion of gas in the mixed gas is not exhibited. When the mixing ratio is less than 0.1, O 2 Gas and N 2 The effect of reducing the film stress of the Mo-containing barrier metal layer 14 due to the inclusion of the gas in the mixed gas is not exhibited. The effect of improving the barrier property and the effect of reducing the film stress of the Mo-containing barrier metal layer 14 are expressed when the mixing ratio is 0.1 or more, and more prominently when the mixing ratio is 0.4 or more. Therefore, the mixing ratio of the mixed gas is set to 0.1 or more, more preferably 0.4 or more.
[0050]
(Ar + O 2 When the layer thickness is less than 2000 mm, the barrier property is insufficient, and when it exceeds 2500 mm, the film stress increases and cracks and peeling occur. Therefore, the layer thickness was set to 2000 mm to 2500 mm.
[0051]
(Ar + O 2 + N 2 Layer thickness when using): To further improve the barrier properties, the layer thickness needs to be 4500 mm or more, and when it exceeds 6000 mm, the film stress increases and cracks and peeling occur, so the thickness is set to 4500 to 6000 mm.
[0052]
(B4) Bonding metal layer forming step; Au-based material is formed outside the barrier metal layer 14 by vapor deposition or sputtering.
[0053]
(B5) Electrode pattern forming step; semiconductor device substrate on which the bonding metal layer 15 is formed (here, a semiconductor device substrate in which the ohmic metal layer 13, the barrier metal layer 14, and the bonding metal layer 15 are sequentially stacked on the semiconductor crystal 11) An electrode pattern required for the circuit configuration on the semiconductor device substrate is formed on the surface by photolithography.
[0054]
(B6) Etching step: The semiconductor device substrate on which the electrode pattern is formed is etched to remove unnecessary ohmic metal layers, barrier metal layers and wire bonding layers, and then the resist film is removed with a stripping solution.
[0055]
(B7) Heat treatment step; heat treatment is performed at a temperature of 400 to 450 ° C. in order to form an ohmic connection between the ohmic metal layer and the semiconductor crystal surface.
[0056]
In the semiconductor element electrode 10 formed in this manner, the Mo-containing barrier metal layer 14 provided in the semiconductor element electrode 10 has excellent adhesion to the bonding metal layer 15 and excellent barrier properties, and is less likely to crack or peel off. Because of its properties, it has excellent electrical connection performance and a high production yield.
[0057]
(Example)
Examples of the present invention will be described below. The process flow of (b1) to (b7) described above, except that the semiconductor element electrode manufactured according to the process flow of (b1) to (b7) described above and the barrier metal layer is formed using only Ar gas as the atmospheric gas. A semiconductor element electrode was fabricated under the same conditions as shown in Fig. 5, and the barrier performance was compared with crack resistance and peeling resistance.
[0058]
The barrier performance was evaluated by the barrier breakdown occurrence rate. The barrier breakdown is caused by inferior barrier performance of the barrier metal layer 14, and elements such as Ga and Zn diffuse from the semiconductor crystal 11 and / or the ohmic metal layer 13 to the bonding metal layer 15, and as a result, the wire This means that the electrical characteristics such as the occurrence of bonding failure or the increase in driving resistance due to the increase in device resistance become defective. The barrier breakdown occurrence rate is a percentage of the ratio of the number of semiconductor electrodes in which bonding failure or electrical property failure has occurred to the total number of semiconductor electrodes subjected to the characteristic test. The smaller the barrier breakdown rate (%), the better the barrier property.
[0059]
Crack resistance and peel resistance are evaluated by the percentage of the number of semiconductor element electrodes where cracks or peeling occurred with respect to the total number of semiconductor element electrodes manufactured under the same conditions (hereinafter referred to as crack or peeling occurrence rate for convenience), The smaller the occurrence rate of cracks or peeling, the better the resistance to cracking and peeling.
[0060]
Example 1
In Example 1, the Mo-containing barrier metal layer was formed by changing the pressure of the mixed gas from 0.13 to 1.1 Pa, and the influence of the pressure of the mixed gas on the barrier breakdown occurrence rate was tested. Table 1 shows the conditions used for forming the barrier metal layer other than the mixed gas pressure.
[0061]
[Table 1]
Figure 0003854532
[0062]
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the gas pressure of the mixed gas and the barrier breakdown occurrence rate. In FIG. 2, the line 16 becomes (Ar + O 2 ), The line 17 shows the result when (Ar + air) is used as the atmospheric gas, and the line 18 shows the result when only Ar is used as the atmospheric gas.
[0063]
Atmosphere gas (Ar + O 2 ) Or (Ar + air), the barrier breakdown rate rapidly decreased when the pressure of the mixed gas was around 0.7 Pa. The pressure of the mixed gas is 0. 4 Below Pa, the barrier breakdown rate is almost less than 10%, and particularly below 0.15 Pa, the barrier breakdown rate decreases to nearly zero (0)%, and the semiconductor element electrode having a high yield and good barrier properties Could get.
[0064]
On the other hand, in the semiconductor element electrode in which the barrier metal layer was formed using only Ar as the atmospheric gas, the barrier breakdown occurrence rate was 20% or more in all the ranges in which the gas pressure was varied, and the yield was not good.
[0065]
(Example 2)
In Example 2, the Mo-containing barrier metal layer was formed by changing the mixing ratio of the mixed gas from 0.02 to 1, and the influence of the pressure of the mixed gas on the barrier breakdown occurrence rate was tested. Table 2 shows the conditions used for forming the barrier metal layer other than the mixing ratio of the mixed gas.
[0066]
[Table 2]
Figure 0003854532
[0067]
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the mixture ratio of the mixed gas and the barrier breakdown occurrence rate. In FIG. 3, a line 19 is used as an atmospheric gas (Ar + O 2 ) Is used, and the line 20 shows the result when (Ar + air) is used as the atmospheric gas.
[0068]
Atmosphere gas (Ar + O 2 ) Or (Ar + air), when the pressure of the mixed gas is 0.1 or more, the barrier breakdown occurrence rate is almost less than 10%. Particularly, when 0.4 or more, the barrier breakdown occurrence rate is 0%, which is high. A semiconductor element electrode having a good barrier property in yield was obtained.
[0069]
Example 3
In Example 3, the Mo-containing barrier metal layer was formed by changing the thickness of the layer (hereinafter also referred to as the film thickness), and the influence of the layer thickness on the rate of barrier breakdown was tested. Table 3 shows the conditions used for forming the Mo-containing barrier metal layer other than the thickness of the layer.
[0070]
[Table 3]
Figure 0003854532
[0071]
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the Mo-containing barrier metal layer and the barrier breakdown rate. In FIG. 4, the line 21 is changed to an atmospheric gas (Ar + O 2 ), The line 22 shows the result when (Ar + air) is used as the atmospheric gas, and the line 23 shows the result when only Ar is used as the atmospheric gas.
[0072]
Atmosphere gas (Ar + O 2 ) Or (Ar + air), the film thickness was 2000 mm or more, the barrier breakdown occurrence rate was reduced to 20% or less, and a semiconductor element electrode having a good barrier property with a high yield could be obtained. In particular, when (Ar + air) was used as the atmospheric gas, the film thickness was 4500 mm or more, and the barrier breakdown occurrence rate could be reduced to 0%.
[0073]
On the other hand, in the semiconductor element electrode in which the barrier metal layer is formed using only Ar as the atmospheric gas, the barrier breakdown occurrence rate could not be reduced to 20% or less unless the film thickness is about 6000 mm or more.
[0074]
Example 4
In Example 4, the Mo-containing barrier metal layer was formed by changing the thickness of the layer, and the influence of the thickness of the layer on the occurrence rate of cracks or peeling was tested. Table 4 shows the conditions used for forming the Mo-containing barrier metal layer other than the thickness of the layer.
[0075]
[Table 4]
Figure 0003854532
[0076]
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the Mo-containing barrier metal layer and the incidence of cracks or peeling. In FIG. 5, a line 24 is used as an atmospheric gas (Ar + O 2 ), The line 25 shows the result when (Ar + air) is used as the atmospheric gas, and the line 26 shows the result when only Ar is used as the atmospheric gas.
[0077]
Atmosphere gas (Ar + O 2 ), When the film thickness exceeds 2500 mm, the occurrence rate of cracks or peeling increases rapidly and the yield deteriorates. Therefore, in combination with the above-described relationship between the film thickness and the rate of occurrence of barrier breakdown, a preferable range of film thickness that can provide a product with a good barrier property and resistance to cracking and peeling at a high yield is 2000. ˜2500cm was selected.
[0078]
When (Ar + air) is used as the atmospheric gas, when the film thickness exceeds 6000 mm, cracks or peeling occurs at several percent. Therefore, in combination with the above-described relationship between the film thickness and the rate of occurrence of barrier breakdown, as a suitable range of film thickness that can provide a product with good barrier properties and resistance to cracking and peeling at a yield of 100%. 4500-6000 kg were selected.
[0079]
On the other hand, in the semiconductor element electrode in which the barrier metal layer is formed using only Ar as the atmospheric gas, when the film thickness exceeds 2500 mm, the occurrence rate of cracks or peeling increases rapidly. Therefore, in conjunction with the relationship between the film thickness and the rate of occurrence of barrier breakdown, there is a suitable range of film thickness that can provide a good product with high barrier properties, crack resistance, and peel resistance. There wasn't.
[0080]
(Example 5)
In Example 5, a Mo-containing barrier metal layer was formed by varying the maximum side length of the electrode (hereinafter, sometimes referred to as electrode size), and the effect of the electrode size on the occurrence rate of cracks or peeling was tested. did. Table 5 shows the conditions used for forming the Mo-containing barrier metal layer other than the electrode size.
[0081]
[Table 5]
Figure 0003854532
[0082]
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the electrode size and the occurrence rate of cracks or peeling. In FIG. 6, the line 27 is changed to an atmospheric gas (Ar + O 2 ), The line 28 shows the result when (Ar + air) is used as the atmospheric gas, and the line 29 shows the result when only Ar is used as the atmospheric gas.
[0083]
When (Ar + air) was used as the atmospheric gas, the occurrence rate of cracks or peeling was 0% regardless of the electrode size. That is, a healthy semiconductor element electrode having a small dimension of 150 μm or less without cracking and / or peeling could be obtained at a yield of 100%.
[0084]
On the other hand, (Ar + O 2 ) And Ar alone, when the electrode size was less than 250 μm, the occurrence rate of cracks or peeling increased rapidly and the yield deteriorated.
[0085]
【The invention's effect】
According to the present invention, the Mo-containing barrier metal layer provided in the semiconductor element electrode is made of Ar gas and O 2. 2 It is formed by a sputtering method in a mixed gas atmosphere containing a gas. The Mo-containing barrier metal layer formed in this way has excellent adhesion to a bonding metal layer made of a gold (Au) -based material, and has excellent anti-diffusion performance of elements contained in the ohmic metal layer, as well as cracking and peeling. Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor element electrode excellent in electrical connection performance with a high yield.
[0086]
According to the invention, the mixed gas is O 2 with respect to Ar gas. 2 Gas mixing ratio (O 2 / Ar) is set to 0.1 or more, more preferably 0.4 or more. Thus, the mixing ratio (O 2 By setting / Ar) to an appropriate value, it is possible to form a barrier metal layer excellent in the ability to inhibit diffusion of elements contained in the ohmic metal layer.
[0087]
According to the invention, the mixed gas is further N. 2 Contains gas and O against Ar gas 2 Gas and N 2 Gas mixing ratio [(O 2 + N 2 ) / Ar] is set to 0.1 or more, more preferably 0.4 or more. Thus, the mixing ratio [(O 2 + N 2 ) / Ar] is set to an appropriate value, it is possible to form a barrier metal layer excellent in the ability to inhibit the diffusion of elements contained in the ohmic metal layer. Especially N 2 By forming the Mo-containing barrier metal layer in an atmosphere that also contains gas, the film stress is reduced, so that the layer thickness is increased and the above-described diffusion suppression performance can be further improved. O gas used for atmospheric gas 2 Gas and N 2 Since air can be used as a gas supply source, atmospheric gas can be generated by a simple operation of mixing Ar gas and air, and the cost of the atmospheric gas can be reduced.
[0088]
According to the present invention, the pressure of the mixed gas is , 0 . It is set to 15 Pa or less. In this way, by setting the mixed gas pressure to an appropriate value, a barrier metal layer excellent in the ability to inhibit diffusion of elements contained in the ohmic metal layer can be formed.
[0089]
According to the invention, the barrier metal layer provided in the semiconductor element electrode contains Mo, and contains Ar gas and O gas. 2 A thickness of 2000 to 2500 mm is formed by sputtering in a mixed gas atmosphere containing a gas. Thus, Ar gas and O 2 A Mo-containing barrier metal layer formed in an appropriate range of layer thickness in a mixed gas atmosphere containing gas is excellent in diffusion deterrence performance and hardly generates cracks or peeling, so that it has excellent electrical connection performance. Electrodes can be obtained with good manufacturing yield.
[0090]
According to the invention, the barrier metal layer provided in the semiconductor element electrode contains Mo, and contains Ar gas and O gas. 2 Gas and N 2 A thickness of 4000 to 6000 mm is formed by sputtering in a mixed gas atmosphere containing a gas. Thus, Ar gas and O 2 Gas and N 2 A Mo-containing barrier metal layer formed in an appropriate range of layer thickness in a mixed gas atmosphere containing gas is excellent in diffusion deterrence performance and hardly generates cracks or peeling, so that it has excellent electrical connection performance. Electrodes can be obtained with good manufacturing yield. Especially in the atmosphere gas N 2 Since the film stress of the barrier metal layer to be formed can be reduced and the thickness of the layer can be increased without causing cracks or peeling, it is possible to further prevent the diffusion of elements contained in the ohmic metal layer. It becomes possible to improve.
[0091]
According to the present invention, (Ar + O 2 + N 2 ) Since the Mo-containing barrier metal layer formed by sputtering in an atmospheric gas has a small film stress, it is possible to form a small size electrode with a maximum side of 150 μm or less without causing cracks or peeling. become.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a simplified configuration of a semiconductor element electrode 10 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a gas pressure of a mixed gas and a barrier breakdown occurrence rate.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a mixture ratio of mixed gas and a barrier breakdown occurrence rate.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the film thickness of a Mo-containing barrier metal layer and the rate of barrier breakdown.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the film thickness of a Mo-containing barrier metal layer and the occurrence rate of cracks or peeling.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the electrode size and the occurrence rate of cracks or peeling.
7 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional semiconductor device electrode 1. FIG.
FIG. 8 is a plan view schematically showing cracks 6 and peeling 7 generated in the barrier metal layer 4;
[Explanation of symbols]
10 Semiconductor device electrodes
11 Semiconductor crystal
13 Ohmic metal layer
14 Barrier metal layer
15 Bonding metal layer

Claims (10)

半導体結晶の表面にオーミック接続するために積層されるオーミックメタル層と、オーミックメタル層の外方に積層されオーミックメタル層に含まれる元素の拡散移動を抑止するバリアメタル層と、バリアメタル層の外方に積層されワイヤボンディングが行われるボンディングメタル層とを備える半導体素子の電極形成方法であって、
前記バリアメタル層は、
モリブデン（Ｍｏ）を含み、アルゴン（Ａｒ）ガスと酸素（Ｏ2）ガスとを含む混合ガス雰囲気中でスパッタ法によって形成されることを特徴とする半導体素子の電極形成方法。An ohmic metal layer stacked for ohmic connection to the surface of the semiconductor crystal, a barrier metal layer stacked outside the ohmic metal layer to suppress diffusion movement of elements contained in the ohmic metal layer, and the outside of the barrier metal layer A method of forming an electrode of a semiconductor device comprising a bonding metal layer that is laminated on the side and wire bonding is performed,
The barrier metal layer is
A method of forming an electrode of a semiconductor element, characterized by being formed by sputtering in a mixed gas atmosphere containing molybdenum (Mo) and containing argon (Ar) gas and oxygen (O 2 ) gas. 前記混合ガスは、
Ａｒガスに対するＯ2ガスの混合比（Ｏ2／Ａｒ）が、０．１以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の電極形成方法。The mixed gas is
2. The method for forming an electrode of a semiconductor element according to claim 1, wherein a mixing ratio of O 2 gas to Ar gas (O 2 / Ar) is 0.1 or more. 前記混合ガスは、
Ａｒガスに対するＯ2ガスの混合比（Ｏ2／Ａｒ）が、０．４以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の電極形成方法。The mixed gas is
2. The method for forming an electrode of a semiconductor element according to claim 1, wherein a mixing ratio of O 2 gas to Ar gas (O 2 / Ar) is 0.4 or more. 前記混合ガスは、
さらに窒素（Ｎ2）ガスを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の電極形成方法。The mixed gas is
2. The method for forming an electrode of a semiconductor device according to claim 1, further comprising nitrogen (N2) gas. 前記混合ガスは、
Ａｒガスに対するＯ2ガスおよびＮ2ガスの混合比［（Ｏ2＋Ｎ2）／Ａｒ］が、０．１以上であることを特徴とする請求項４記載の半導体素子の電極形成方法。The mixed gas is
The method for forming an electrode of a semiconductor element according to claim 4, wherein the mixing ratio [(O 2 + N 2 ) / Ar] of O 2 gas and N 2 gas to Ar gas is 0.1 or more. 前記混合ガスは、
Ａｒガスに対するＯ2ガスおよびＮ2ガスの混合比［（Ｏ2＋Ｎ2）／Ａｒ］が、０．４以上であることを特徴とする請求項４記載の半導体素子の電極形成方法。The mixed gas is
5. The method for forming an electrode of a semiconductor device according to claim 4, wherein a mixing ratio [(O 2 + N 2 ) / Ar] of O 2 gas and N 2 gas to Ar gas is 0.4 or more. 前記混合ガスの圧力は、
０．１５Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体素子の電極形成方法。The pressure of the mixed gas is
It is 0.15 Pa or less, The electrode formation method of the semiconductor element in any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. 半導体結晶の表面にオーミック接続するために積層されるオーミックメタル層と、オーミックメタル層の外方に積層されオーミックメタル層に含まれる元素の拡散移動を抑止するバリアメタル層と、バリアメタル層の外方に積層されワイヤボンディングが行われるボンディングメタル層とを備える半導体素子電極であって、An ohmic metal layer stacked for ohmic connection to the surface of the semiconductor crystal, a barrier metal layer stacked outside the ohmic metal layer to suppress diffusion movement of elements contained in the ohmic metal layer, and the outside of the barrier metal layer A semiconductor element electrode comprising a bonding metal layer laminated on the side and subjected to wire bonding,
前記バリアメタル層は、  The barrier metal layer is
モリブデン（Ｍｏ）を含み、アルゴン（Ａｒ）ガスと酸素（Ｏ  Contains molybdenum (Mo), argon (Ar) gas and oxygen (O 22 ）ガスとを含む混合ガス雰囲気中でスパッタ法によって、厚みが２０００Å〜２５００Åに形成されることを特徴とする半導体素子電極。A semiconductor element electrode having a thickness of 2000 to 2500 mm by sputtering in a mixed gas atmosphere containing gas. 半導体結晶の表面にオーミック接続するために積層されるオーミックメタル層と、オーミックメタル層の外方に積層されオーミックメタル層に含まれる元素の拡散移動を抑止するバリアメタル層と、バリアメタル層の外方に積層されワイヤボンディングが行われるボンディングメタル層とを備える半導体素子電極であって、
前記バリアメタル層は、
モリブデン（Ｍｏ）を含み、アルゴン（Ａｒ）ガス、酸素（Ｏ2）ガスおよび窒素（Ｎ 2 ）ガスを含む混合ガス雰囲気中でスパッタ法によって、厚みが４０００Å〜６０００Åに形成されることを特徴とする半導体素子電極。An ohmic metal layer stacked for ohmic connection to the surface of the semiconductor crystal, a barrier metal layer stacked outside the ohmic metal layer to suppress diffusion movement of elements contained in the ohmic metal layer, and the outside of the barrier metal layer A semiconductor element electrode comprising a bonding metal layer laminated on the side and subjected to wire bonding,
The barrier metal layer is
Include molybdenum (Mo), characterized in that the argon (Ar) gas, oxygen gas (O 2) and nitrogen (N 2) sputtering in a mixed gas atmosphere containing gas, the thickness is formed on 4000Å~6000Å A semiconductor element electrode. 半導体結晶の表面に前記オーミックメタル層と、前記バリアメタル層と、前記ボンディングメタル層とを形成し、さらにパターンニングされた状態での平面図上に投影された形状における辺の最大長さが、１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項９記載の半導体素子電極。 Forming the ohmic metal layer, the barrier metal layer, and the bonding metal layer on the surface of the semiconductor crystal, and the maximum length of sides in the shape projected on the plan view in a patterned state, the semiconductor device electrode according to claim 9, wherein the der Rukoto below 150 [mu] m.
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