本發(fā)明涉及一種具有例如電極所使用的金屬層的半導(dǎo)體裝置和該半導(dǎo)體裝置的制造方法。

背景技術(shù)：

在專利文獻(xiàn)1公開了在絕緣膜的側(cè)壁通過濕法處理而形成阻擋層、晶種層以及配線層的技術(shù)。

專利文獻(xiàn)1：日本特開2006-16684號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有時(shí)在由GaAs形成的半導(dǎo)體襯底與由Cu、Ag、或者Au形成的金屬層之間設(shè)置阻擋層。阻擋層是為了防止金屬層的材料向半導(dǎo)體襯底擴(kuò)散而設(shè)置的。作為阻擋層的材料，想到TiW、W、Ta、TaN、Ti、TiN、Co、Pd、或者Ru。在將這些材料之中除了Pd以外的材料作為阻擋層的情況下，由于阻擋層與GaAs的反應(yīng)性低，因此阻擋層與半導(dǎo)體襯底的密接性不充分。

另外，在將Pd作為阻擋層的情況下，由于阻擋層與GaAs的反應(yīng)性高，因此阻擋層與半導(dǎo)體襯底容易形成合金。由于形成該合金，從而阻擋層不再作為阻擋層起作用，存在金屬層的材料向半導(dǎo)體襯底擴(kuò)散的問題。

本發(fā)明就是為了解決上述課題而提出的，其目的在于提供一種能夠防止金屬層的材料向半導(dǎo)體襯底擴(kuò)散、且半導(dǎo)體襯底與其上層之間的密接性高的半導(dǎo)體裝置和該半導(dǎo)體裝置的制造方法。

本發(fā)明涉及的半導(dǎo)體裝置的特征在于，具有：半導(dǎo)體襯底，其由GaAs形成；密接層，其在該半導(dǎo)體襯底之上由Pd或者包含Pd的合金而形成；阻擋層，其在該密接層之上由Co或者包含Co的合金而形成；以及金屬層，其在該阻擋層之上由Cu、Ag、或者Au而形成。

本發(fā)明涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，具有下述工序：在由GaAs形成的半導(dǎo)體襯底之上利用Pd或者包含Pd的合金而形成密接層的工序；在該密接層之上由Co或者包含Co的合金而形成阻擋層的工序；以及熱處理工序，使該半導(dǎo)體襯底、該密接層以及該阻擋層升溫至25℃～250℃，在該密接層形成Pd-Ga-As，在該密接層與該阻擋層之間形成包含Co和Pd的合金層。

本發(fā)明涉及的其他半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，具有下述工序：在由GaAs形成的半導(dǎo)體襯底之上利用Pd或者包含Pd的合金而形成密接層的工序；對(duì)該半導(dǎo)體襯底實(shí)施無電解鍍敷，在該密接層之上由Co-P或者Co-W-P而形成阻擋層的工序；以及在該阻擋層之上由Cu、Ag、或者Au而形成金屬層的工序。

發(fā)明的效果

根據(jù)本發(fā)明，在金屬層與由GaAs形成的半導(dǎo)體襯底之間，設(shè)置由Pd或者包含Pd的合金形成且與半導(dǎo)體襯底接觸的密接層、由Co或者包含Co的合金形成的阻擋層，因此能夠防止金屬層的材料向半導(dǎo)體襯底擴(kuò)散，且增強(qiáng)半導(dǎo)體襯底與其上層之間的密接性。

附圖說明

圖1是實(shí)施方式1涉及的半導(dǎo)體裝置的剖視圖。

圖2是表示XPS深度分析的結(jié)果的圖。

圖3A是熱處理前的樣品的剖視圖。圖3B是熱處理后的樣品的剖視圖。

圖4是實(shí)施方式2涉及的半導(dǎo)體裝置的剖視圖。

圖5A是熱處理前的樣品的剖視圖。圖5B是熱處理后的樣品的剖視圖。

圖6A是表示熱處理前的樣品的XPS深度分析的結(jié)果的圖。圖6B是表示熱處理后的樣品的XPS深度分析的結(jié)果的圖。

圖7是表示實(shí)施方式3涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的流程圖。

圖8是表示XPS解析的結(jié)果的曲線圖。

圖9是表示XPS解析的結(jié)果的曲線圖。

圖10是表示4個(gè)樣品(Pd-P、Ni-P、Co-P、Co-W-P)的特性的表。

圖11是通過Co-W-P無電解鍍敷而形成了阻擋層的半導(dǎo)體裝置的剖視圖。

圖12A是熱處理前的樣品的剖視圖。圖12B是熱處理后的樣品的剖視圖。

圖13A是表示熱處理前的樣品的XPS深度分析的結(jié)果的圖。圖13B是表示熱處理后的樣品的XPS深度分析的結(jié)果的圖。

具體實(shí)施方式

參照附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體裝置和半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行說明。對(duì)相同或?qū)?yīng)的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)注相同的標(biāo)號(hào)，有時(shí)省略重復(fù)說明。

實(shí)施方式1.

圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1涉及的半導(dǎo)體裝置10的剖視圖。半導(dǎo)體裝置10具有由GaAs形成的半導(dǎo)體襯底12。在半導(dǎo)體襯底12之上形成有密接層14。密接層14由Pd或者包含Pd的合金(下面，將Pd或者包含Pd的合金稱為Pd材料)形成。包含Pd的合金為例如Pd-P(Pd-P表示Pd和P的合金，下面同樣使用連字符(-)表示合金)。

在密接層14之上形成有阻擋層16。阻擋層16由Co或者包含Co的合金(下面，將Co或者包含Co的合金稱為Co材料)形成。密接層14和阻擋層16以下述方式形成。首先，作為預(yù)處理，將半導(dǎo)體襯底12浸漬于例如5％的稀鹽酸5分鐘。然后，通過例如蒸鍍法或者濺射法而在真空氣氛內(nèi)連續(xù)地形成密接層14和阻擋層16。通過連續(xù)地形成密接層14和阻擋層16，從而與將它們通過不同工序而形成的情況相比，能夠防止密接層14的表面的氧化及污染。

在阻擋層16之上形成有金屬層18。金屬層18由Cu、Ag、或者Au形成。金屬層18例如作為半導(dǎo)體裝置10的電極起作用。

圖2是表示針對(duì)在由GaAs形成的半導(dǎo)體襯底之上蒸鍍了Pd層的樣品進(jìn)行的XPS深度分析的結(jié)果的圖。對(duì)As-depo狀態(tài)(剛剛成膜之后的狀態(tài))的樣品實(shí)施了XPS深度分析。從圖2可知，Pd層成為Pd-Ga-As的合金層。被認(rèn)為是由于形成Pd-Ga-As，從而Pd層對(duì)半導(dǎo)體襯底具有高密接性。

對(duì)于實(shí)施方式1的半導(dǎo)體裝置10來說，由于在半導(dǎo)體襯底12之上由Pd材料形成了密接層14，因此在密接層14形成Pd-Ga-As。因而，能夠得到半導(dǎo)體襯底與其上層(密接層14)之間的充分的密接性。

并且，由于Pd與Co處于構(gòu)成無限固溶體的關(guān)系，因此在由Pd材料形成的密接層14與由Co材料形成的阻擋層16之間形成Pd-Co。因而，密接層14與阻擋層16的密接性也良好。例如，如果采用W、Ta、Ti、或者Ru作為阻擋層，則由于它們與Pd均不處于構(gòu)成無限固溶體的關(guān)系，因此密接層與阻擋層不會(huì)充分地密接。因此，阻擋層16優(yōu)選由Co材料形成。

由Co材料形成的阻擋層16與由GaAs形成的半導(dǎo)體襯底12反應(yīng)性低，因此不會(huì)合金化。因而，通過阻擋層16能夠防止金屬層18的材料向半導(dǎo)體襯底12擴(kuò)散。

圖3A是在由GaAs形成的半導(dǎo)體襯底與由Cu形成的金屬層之間設(shè)置了Pd層的樣品的剖視圖。圖3B是將該樣品以270℃進(jìn)行了3小時(shí)熱處理之后的樣品的剖視圖。從圖3B可知，Pd層與半導(dǎo)體襯底完全反應(yīng)，金屬層幾乎消失。即，Pd層失去了對(duì)金屬層的阻擋性。這樣，如果在半導(dǎo)體襯底與金屬層之間僅設(shè)置Pd層，則金屬層的材料(Cu)會(huì)向半導(dǎo)體襯底擴(kuò)散。為了防止該情況，需要如本發(fā)明的實(shí)施方式1那樣由Co材料形成的阻擋層16。

本發(fā)明的實(shí)施方式1涉及的半導(dǎo)體裝置10能夠?qū)崿F(xiàn)各種各樣的變形。例如，金屬層18也可以為在下層具有Au、在上層具有Cu的2層構(gòu)造。該Au能夠通過蒸鍍、濺射、或者無電解置換Au鍍敷而形成。在無電解置換Au鍍敷中例如使用包含亞硫酸Au和亞硫酸Na的鍍敷液。與Au相比，阻擋層16的Co的離子化傾向較高，因此在無電解Au鍍敷液中置換Au而形成Au。

通過利用無電解鍍敷而形成Au，從而能夠構(gòu)建低成本的工藝。另外，能夠抑制Co材料的表面的腐蝕及氧化。通過利用無電解鍍敷而形成Au，從而能夠針對(duì)如貫通電極構(gòu)造(通路孔)那樣的凹凸形狀，均勻地形成Au。此外，通過濺射法及蒸鍍法不能針對(duì)凹凸形狀而均勻地形成Au。

而且，上層的Cu對(duì)下層的Au具有高密接性。在通過電鍍而形成Cu的情況下，電阻由于Au的存在而下降。因而，鍍敷生長穩(wěn)定，能夠抑制鍍敷表面的粗糙、以及晶片(半導(dǎo)體襯底)面內(nèi)的膜厚波動(dòng)。這樣，如果將金屬層設(shè)為Au和Cu的2層構(gòu)造，則與僅由Cu形成金屬層的情況相比，能夠使半導(dǎo)體襯底12之上的構(gòu)造(電極)整體的電阻值下降。

此外，金屬層18也可以用作配線，而不用作電極。這些變形也能夠應(yīng)用于下面的實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體裝置和半導(dǎo)體裝置的制造方法。以與實(shí)施方式1之間的不同點(diǎn)為中心，對(duì)下面的實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體裝置和半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行說明。

實(shí)施方式2.

圖4是本發(fā)明的實(shí)施方式2涉及的半導(dǎo)體裝置50的剖視圖。密接層52整體由Pd-Ga-As形成。在密接層52與阻擋層16之間形成有包含Co和Pd的合金層54。

對(duì)半導(dǎo)體裝置50的制造方法進(jìn)行說明。首先，在由GaAs形成的半導(dǎo)體襯底12之上利用Pd或者包含Pd的合金(Pd材料)而形成密接層。然后，在密接層之上由Co或者包含Co的合金(Co材料)而形成阻擋層16。

然后，使半導(dǎo)體襯底、密接層、以及阻擋層升溫至25℃～250℃。由此，形成密接層52(Pd-Ga-As)，在密接層52與阻擋層16之間形成包含Co和Pd的合金層54。將該工序稱為熱處理工序。熱處理工序優(yōu)選在氮?dú)鈿夥罩袑?shí)施1小時(shí)左右。

對(duì)熱處理工序進(jìn)行說明。由于Pd材料與半導(dǎo)體襯底(GaAs)在大于或等于20℃時(shí)開始反應(yīng)，因此通過熱處理工序會(huì)促進(jìn)Pd材料與半導(dǎo)體襯底12的反應(yīng)。如果Pd材料的厚度為5nm左右，則即使熱處理的溫度為25℃左右，密接層也會(huì)全部成為Pa-Ga-As。另外，由于Co與Pd處于構(gòu)成無限固溶體的關(guān)系，因此利用比較低的熱量，在它們的界面形成合金層54。

這樣，通過設(shè)置熱處理工序，能夠形成由Pd-Ga-As形成的密接層52、以及由Co-Pd形成的合金層54。因而，能夠增強(qiáng)層間的密接性。

圖5A是在由GaAs形成的半導(dǎo)體襯底之上隔著5nm的Pd膜而剛剛形成Co-P之后的樣品的剖視圖。圖5B是對(duì)該樣品以250℃實(shí)施了1小時(shí)的熱處理之后的樣品的剖視圖。從圖5B可知，在熱處理前后Co-P的層厚幾乎無變化。圖6A是表示針對(duì)具有GaAs/Pd/Co-P/Au的組成的、處于As-depo狀態(tài)的樣品進(jìn)行的XPS深度分析的結(jié)果的圖。在斜線號(hào)(/)的左側(cè)的層之上形成/的右側(cè)的層。因此，該樣品為在GaAs之上具有Pd層、在Pd層之上具有Co-P、在Co-P之上具有Au。Pd層的層厚為幾nm。圖6B是表示對(duì)圖6A中所分析的樣品以250℃實(shí)施1小時(shí)熱處理之后的XPS深度分析的結(jié)果的圖。可知在熱處理后也維持GaAs/Pd/Co-P/Au的組成。因而，從圖5的剖視圖以及圖6的XPS深度分析的結(jié)果可知，Co材料難以擴(kuò)散至由GaAs形成的半導(dǎo)體襯底。另外，通過其他實(shí)驗(yàn)得知，Co-P在小于或等于375℃時(shí)不與半導(dǎo)體襯底(GaAs)反應(yīng)。因而，不存在由Co材料形成的阻擋層16與GaAs反應(yīng)而損害針對(duì)Cu(金屬層)的阻擋性這一情況，因此能夠防止金屬層18的材料向半導(dǎo)體襯底12擴(kuò)散。

但是，上述的熱處理工序優(yōu)選在金屬層18的形成后進(jìn)行。阻擋層16的Co與金屬層18的Cu、Ag、或者Au處于構(gòu)成無限固溶體的關(guān)系，因此能夠通過熱處理工序而在它們的界面形成合金層。為了形成該合金層，優(yōu)選例如以250℃實(shí)施1小時(shí)的熱處理。通過形成該合金層，從而能夠增強(qiáng)層間的密接性，提高半導(dǎo)體裝置的特性，或使半導(dǎo)體裝置變小。

密接層52也可以局部由Pd-Ga-As形成，而非整體由Pd-Ga-As形成。

實(shí)施方式3.

圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的流程圖。該制造方法的特征之一在于通過無電解鍍敷而形成阻擋層。首先，為了去除由GaAs形成的半導(dǎo)體襯底的表面氧化物等，例如利用5％的稀鹽酸進(jìn)行5分鐘預(yù)處理(步驟100)。

然后，使處理前進(jìn)至步驟102。在步驟102中，在由GaAs形成的半導(dǎo)體襯底之上利用Pd或者包含Pd的合金而形成密接層。密接層例如是對(duì)半導(dǎo)體襯底表面進(jìn)行Pd活性化處理而形成的。Pd活性化處理為例如將半導(dǎo)體襯底在小于或等于30℃的氯化鈀溶液等包含Pd離子的液體中浸漬3分鐘的處理。

密接層的層厚優(yōu)選設(shè)為大于或等于1nm而小于或等于30nm。如果比該范圍厚則密接性不良，比該范圍薄則發(fā)生在密接層之上形成的Co-P等的形成缺陷。根據(jù)上述的工序，能夠使密接層(Pd層)形成為1nm～30nm左右。

圖8是表示在Pd活性化處理后的半導(dǎo)體襯底的XPS解析的結(jié)果的曲線圖。在圖8中示出了對(duì)由GaAs形成的半導(dǎo)體襯底(GaAs襯底)實(shí)施了Pd活性化處理的情況下的XPS解析結(jié)果、對(duì)由Si形成的半導(dǎo)體襯底(Si襯底)實(shí)施了Pd活性化處理的情況下的XPS解析結(jié)果。在GaAs襯底的XPS譜顯示出Pd3d軌道的峰，因此可知在GaAs襯底充分地附著有Pd。

另一方面，在Si襯底的XPS譜未顯示出Pd3d軌道的峰，因此可知未能在Si襯底形成Pd。圖9是表示對(duì)Si襯底實(shí)施了Pd活性化處理的情況下的Si2p軌道的XPS解析的結(jié)果的曲線圖。由于檢測出SiO₂的峰，因此可知表面已氧化。Si襯底的表面的氧化的原因被認(rèn)為是，在Pd活性化處理中發(fā)生由Pd催化劑引起的氧化還原反應(yīng)。由于該氧化的原因，Pd無法向Si襯底密接。

然后，使處理前進(jìn)至步驟104。在步驟104中利用純水沖洗在GaAs襯底剩余附著的Pd。步驟104也可以省略。然后，使處理前進(jìn)至步驟106。在步驟106中，對(duì)半導(dǎo)體襯底實(shí)施無電解鍍敷，在密接層之上由Co-P或者Co-W-P而形成阻擋層。例如，將半導(dǎo)體襯底浸漬于無電解Co鍍敷液，形成Co-P。無電解Co鍍敷液例如為對(duì)硫酸Co和次磷酸鈉添加了絡(luò)合劑等的鍍敷液。

然后，使處理向步驟108前進(jìn)。在步驟108中，利用純水沖洗半導(dǎo)體襯底。步驟108也可以省略。然后，使處理向步驟110前進(jìn)。在步驟110中，在阻擋層之上形成由Cu、Ag、或者Au形成的金屬層。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式3涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法，由于通過無電解鍍敷而形成阻擋層，因此能夠通過批量處理而形成阻擋層。另外，由于通過無電解鍍敷而能夠僅在半導(dǎo)體襯底形成阻擋層，因此與會(huì)對(duì)腔室內(nèi)壁整體成膜的濺射法或者蒸鍍法相比，成膜效率好。因而，能夠降低工藝成本。

另外，由于通過無電解鍍敷而形成阻擋層，因此針對(duì)如貫通電極構(gòu)造(通路孔)那樣的凹凸形狀，能夠均勻地形成阻擋層。因此，能夠可靠地防止金屬層的材料向半導(dǎo)體襯底擴(kuò)散。此外，通過濺射法及蒸鍍法不能針對(duì)凹凸形狀均勻地形成阻擋層。

圖10是表示4個(gè)樣品(Pd-P、Ni-P、Co-P、Co-W-P)的特性的表。Pd-P、Ni-P、Co-P、Co-W-P是通過對(duì)利用Pd活性化處理形成有5nm左右的Pd的GaAs襯底進(jìn)行無電解鍍敷而形成的。

在圖10的最右側(cè)的欄中示出了以250℃對(duì)各樣品實(shí)施了1小時(shí)的熱處理之后的膜應(yīng)力?？芍P(guān)于熱處理后的膜應(yīng)力，Co-P為最低。另外，Co-W-P的膜應(yīng)力也為較小的值。Co-P及Co-W-P的膜應(yīng)力小的理由被認(rèn)為是，與Pd或者Ni相比，Co與GaAs襯底的反應(yīng)性較低。此外，Pd-P在大于或等于20℃這樣的低溫下與GaAs襯底進(jìn)行反應(yīng)，因此在As-depo狀態(tài)下該反應(yīng)也會(huì)進(jìn)行，成為高膜應(yīng)力。這樣，為了降低膜應(yīng)力而優(yōu)選由Co材料形成阻擋層。

圖11是通過Co-W-P無電解鍍敷而形成了阻擋層152的半導(dǎo)體裝置150的剖視圖。由于作為高熔點(diǎn)金屬的W進(jìn)入至阻擋層152，因此能夠可靠地防止金屬層18的材料(例如Cu)向半導(dǎo)體襯底12擴(kuò)散。圖12A是在GaAs襯底之上隔著Pd層(幾nm)而形成了Co-W-P的樣品的剖視圖。圖12B是對(duì)該樣品以250℃實(shí)施1小時(shí)的熱處理之后的樣品的剖視圖。在熱處理的前后，層厚及界面的狀況未發(fā)現(xiàn)變化。圖13A是表示針對(duì)具有GaAs/Pd/Co-W-P/Au的組成的、處于As-depo狀態(tài)的樣品進(jìn)行的XPS深度分析的結(jié)果的圖。在斜線號(hào)(/)的左側(cè)的層之上形成/的右側(cè)的層。圖13B是表示對(duì)圖13A中所分析的樣品以250℃實(shí)施了1小時(shí)熱處理之后的XPS深度分析的結(jié)果的圖?？芍跓崽幚砗笠簿S持GaAs/Pd/Co-W-P/Au的組成。因而，從圖12的剖視圖以及圖13的XPS深度分析的結(jié)果可知，由Co-W-P形成的阻擋層在GaAs襯底之上的穩(wěn)定性高。因而，能夠可靠地防止金屬層的材料向半導(dǎo)體襯底擴(kuò)散。

此外，至此所說明的各實(shí)施方式的特征也可以適當(dāng)?shù)亟M合而使用。

標(biāo)號(hào)的說明

10 半導(dǎo)體裝置，12 半導(dǎo)體襯底，14 密接層，16 阻擋層，18 金屬層，50 半導(dǎo)體裝置，52 密接層，54 合金層，150 半導(dǎo)體襯底，152 阻擋層