欠陥のない薄い及び平坦なフィルム加工
本発明のプロセスは半導体ウエハー表面に銅配線を形成する。該プロセス中、最初に、狭い(322)及びラージ(326)フィーチャーを該ウエハーの上部表面に提供し、そして、電着工程を使用することにより1次銅層(334A)を堆積する。該1次銅層は該フィーチャーを完全にふさぎ、そして、狭いフィーチャー上に平坦な表面及びラージフィーチャー上に平坦でない表面を形成する。電気化学メカニカル堆積工程を使用することにより、2次銅層(334B)を該1次銅層上に堆積し、狭い及びラージフィーチャー上に平坦な銅層を形成する。このプロセス工程後、電解研磨工程を使用して平坦な銅層の厚みを薄くする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願
本願は、明白に本書に参考として援用される、”Planar Metal Electrodeposition”の名称で2002年7月22日に出願された米国特許出願No.10/201,606(NT-254)の一部継続出願である。
【0002】
分野
本発明は半導体集積回路の製造、そして、より詳細には導電層の平坦な堆積及び研磨の方法に関する。
【背景技術】
【0003】
背景
従来の半導体デバイスは、一般的に、半導体基板(シリコン基板のような)及び複数の連続的に形成された二酸化シリコンのような層間絶縁層及び導電材料から作製される導電路または配線(interconnects)を含有する。銅及び銅合金は、それらの優れたエレクトロマイグレーション(electro-migration)及び低抵抗特性のために、近年、配線材料としてかなり注目を浴びている。配線は、通常、メタライゼーションプロセスにより誘電体層にエッチングして形成されたフィーチャー(features)またはキャビティ(cavities)に銅を充填することにより形成される。銅メタライゼーションの好ましい方法は電気めっきである。集積回路において、多重レベルの配線ネットワークは、基板表面に対して横方向へ広がる。連続した層に形成された配線は、ビアまたはコンタクトを使用して電気的に接続し得る。
【0004】
典型的な工程において、最初に絶縁層が半導体基板上に形成される。パターン形成及びエッチングプロセスを実施し、絶縁層にトレンチ(trenches)及びビアのようなフィーチャーまたはキャビティを形成する。そして、バリア/グルー層(barrier/glue layer)及びシード層(seed layer)をパターン形成された表面上に堆積し、そして、銅のような導体を電気めっきして全てのフィーチャーを埋める。しかし、めっきプロセスはまた、銅でフィーチャーを埋めることに加えて、基板の上部表面上に過剰の銅を堆積させる。この過剰の銅は、「過剰充填(overburden)」と呼ばれ、続く加工工程中に除去する必要がある。標準的なめっきプロセスでは、電着(Electrochemical Deposition(ECD))工程がコンフォーマル様式(conformal manner)でウエハー上でラージフィーチャーを被覆するために、この過剰充填された銅は大きなトポグラフィー(topography)を有する。例えば、0.5ミクロンの深さのフィーチャーを有するウエハーは、標準的なECDプロセスによって0.8ミクロン厚の銅で被覆され得、全てのフィーチャーの完全に欠陥のない充填を確実にする(約5ミクロンより幅広いものを含む)。そして、結果として生じる銅表面は、ラージフィーチャー上に約0.5ミクロンのステップを有するトポグラフィーを有し得る。従来、銅めっき後、このトポグラフィック表面を最初に全体的に平坦化するために、そして、過剰充填された銅層の厚みをバリア層の表面のレベルに下げるためにCMP工程が使用され、このバリア層はまた後に除去されキャビティにおいてのみ導体を残す。CMPはコストがかかり及び時間を要する工程である。CMPプロセスで使用される高圧はまた、low−k誘電体に損傷を与え、これは二酸化シリコンより機械的に弱い。ゆえに、集積プロセスにおけるCMP工程を最小にすることは、全てのIC製造における目標である。ウエハー上のトポグラフィーもまたCMPプロセスにおける問題の原因である。特に、100ミクロン幅のトレンチまたは結合パッドのようなラージフィーチャー上の上記例の0.5ミクロンステップのようなラージステップは、CMP後にディッシング欠陥の原因となる。それゆえに、コスト及び有効なフィーチャーの両方に関して、ウエハー上の表面トポグラフィーを減少したより薄い銅堆積をなし得るプロセスを有することが非常に魅力的である。
【0005】
銅電着プロセス中において、特に処方された(formulated)めっき液または電解液が使用される。これらの電解液は、一般的に、水、酸(硫酸のような)、銅のイオン種、塩化物イオン及び堆積される物質の特性及びめっき挙動に影響を及ぼす特定の添加剤を含有する。一般的な電気めっき浴は、促進剤、抑制剤及びレベラー(levelers)のような3種類の商業的に入手可能な添加剤の少なくとも2種を含有する。これらの添加剤はときどき異なる名称で呼ばれることがあることに留意すべきである。例えば、文献中で、促進剤は光沢材として及び抑制剤はキャリヤーとして呼ばれ得る。関与するメカニズムの詳細は完全には理解されておらずまたは賛同されていないが、電解液中でのこれらの添加剤の機能及び塩化物イオンの役割は当該分野で広く知られている(例、Z.W. Sun and G. Dixit, “Optimized bath control for void-free copper deposition”, Solid State Technology, November 2001, page.97を参照)。
【0006】
電着プロセスは、基板上の全てのフィーチャー(小さい及び大きい)を埋める必要がある。図1Aは、高アスペクト比ビア10、中間アスペクト比トレンチ11、及び、小さいアスペクト比パッド12を備え、バリア/シード層13で覆われた(これは図面を簡略化するために一つの層として示す)、典型的なウエハー表面の横断面図を概略的に示す。ビア、トレンチ、及びパッドは、多くの場合、キャビティとして知られる。当該分野で周知のように、アスペクト比は、フィーチャーの深さdの、それらのより小さい横寸法または幅wに対する比である。我々の例において、より深いフィーチャーもまたパッケージング応用のような特定の応用に使用し得るが、深さdは0.1ミクロン〜2.0ミクロンの範囲であり得る。ビア10の幅はサブミクロンサイズであり得、そして、それらのアスペクト比(d/w)は1−10の範囲であり得る。トレンチ11はアスペクト比0.1−1を有し得、そして、パッド12は0.1より小さいアスペクト比を有し得る。例えば0.5ミクロンのフィーチャーの深さでは、ビアは0.1ミクロンの幅であり得、トレンチ11は2ミクロンの幅であり得、そして、パッドは20ミクロンの幅であり得る。
【0007】
図1Bは、先行技術の方法によって銅堆積が行われた後の図1Aの基板を示す。実線15は、2種の添加剤(促進剤及び抑制剤種)を含有する添加剤パッケージを使用する一般的なECDプロセスの結果として生じる銅膜の一般的なトポグラフィーを示す。これらの添加剤が、銅による高アスペクト比ビア10のボトムアップ充填を助長することは周知である。しかし、ボトムアップ充填のメカニズムは、フィーチャーのアスペクト比が小さくなればなるほど及び堆積がコンフォーマル(conformal)になればなるほど、効果的ではなくなる。その結果を、中間サイズのフィーチャーまたはトレンチ11上のスモールステップD1、及び、ラージフィーチャーまたはパッド12上の大きなステップD2として図1Bに示す。種々のサイズのフィーチャー上のこれらのステップの規模は、大きくてフィーチャーの深さdと同程度ということに留意すべきである。ビア10が密集したアレイ上に見られる過剰充填Oは、この例の2成分の添加剤パッケージを含有する電解液により堆積された銅膜で一般的に観察される。図1Bにみられるように、銅膜の表面のトポグラフィーは大きく、そして、この存在は、前述したようにCMP工程における難題である。
【0008】
図1Bの実線15により記載される銅トポグラフィーを改良する先行技術の方法によって、幾つかの発展がなされている。過剰充填Oを減少及び除去するために、第3の添加剤、レベラー、を電解質配合液に添加する。添加剤の濃度を留意深く制御することにより、ビア10が密集したアレイ上の銅のプロフィールを平坦にでき得、これは図1Bに点線16として示す。米国特許第6,346,479 B1号には、非−コンフォーマル電気めっきプロセスにおいて銅を堆積させて、フィーチャーの一部を埋める方法が記載されている。そして、第2の電気めっきプロセスを実施し、残りのまだ埋められていない開口部分またはフィーチャーに銅をコンフォーマルに堆積する。このようなアプローチは、点線の16及び17のそれぞれで記載した我々の例のトレンチ11のような中間サイズのフィーチャー上とできるだけ同様に、我々の例のビア10のような小さいフィーチャーが密集したアレイ上に平坦なプロフィールをもたらし得る。しかし、米国特許第6,346,479 B1号に開示されるように、第2の電気めっきプロセスは基板上に銅をコンフォーマルに堆積するが、図1Bの我々の例に示したパッド12のような大きなフィーチャー上のラージステップD2を除去し得ない。米国特許第6,350,364 B1号にはトレンチに銅を電気めっきする方法が記載されており、これは、最初の銅堆積工程は、光沢剤対レベラー濃度の第1の比を有し、そして、第2の銅堆積工程は、光沢剤対レベラー濃度の第1の比よりも小さい光沢剤対レベラー濃度の第2の比を有する。このように、図B1のステップD1を減少でき得ることが報告されている。当該分野で周知なように、銅電気めっき添加剤は図1Bのパッド12のような非常に小さいアスペクト比を有する非常に大きなフィーチャーにおいては操作可能でない。ゆえに、ステップD2は、このようなアプローチによって、大きく減少または除去されるとは予想されない。仮に、ウエハー上の最大のフィーチャーの幅の半分に近い値の厚みを有する非常に厚い銅層がめっきされた場合、D2のみ減少及び除去される(米国特許第5,256,565号、1993年10月26日を参照)。しかし、これは多数の配線設計を約10ミクロンを十分に超えるフィーチャーサイズに含むという事実を考慮すると実際的ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
上記の検討で示したように、パターン形成されたウエハー表面上で比較的平坦な銅トポグラフィーを得ることを目的とする先行技術の幾つかは、大きなまたは中間のアスペクト比のフィーチャーを有するウエハーのクラスに対して応用し得る。しかし、多数のIC配線設計は、与えられたウエハー表面上の広く多様なアスペクト比を有するフィーチャーを含有する。特に、マルチレベルの配線構造において、高電流配線(high-current-carrying-lines)の幅は、より高い配線レベルでこれらのアスペクト比が減少する一方で、増加する。それゆえ、広範囲のアスペクト比を有するフィーチャー上の銅の表面トポグラフィーを減少または除去する能力を有するアプローチが必要とされている。
【0010】
全てのフィーチャーサイズの銅表面トポグラフィーを減少または完全に除去し得る技術は電気化学メカニカル加工(Electrochemical Mechanical Processing(ECMPR))である。この技術は、図IBの例に示すステップD1、D2及び過剰充填Oを除去し、そして、ワークピース表面上の平坦な導電材料の薄層を提供し、あるいは、全くまたはほとんど過剰ではない導電材料を有するワークピース表面を提供しさえする能力を有する。このように、CMP工程は最小化または排除さえし得る。用語「電気化学メカニカル加工(ECMPR)」は、電気化学メカニカルエッチング(Electrochemical Mechanical Etching(ECME))と共に電気化学メカニカル堆積(Electrochemical Mechanical Deposition(ECMD))の両方を含むために使用され、これはまた電気化学的機械研磨(Electrochemical Mechanical Polishing(ECMP))と呼ばれる。一般的に、ECMD及びECMEの両方のプロセスは、両方ともワークピース表面上で電気化学プロセス及びメカニカル作用を含むために、電気化学メカニカル加工(ECMPR)として呼ばれることを留意すべきである。ECMPRの結果生じる典型的な平坦な銅表面プロフィールは、図1Bの平坦な点線18として示す。
【0011】
様々なECMPRアプローチ及び装置の記載が、以下の特許、公開された出願及び係属中の出願に見られ得、全ては共通に本発明の譲受人に所有される:表題「Method and Apparatus for Electrochemical Mechanical Deposition」である米国特許第6,126,992号、2001年12月18日に提出され、そして特許出願番号第20020020628号を有する2002年2月21日の米国出願として公表された表題「Plating Method and Apparatus that Creates a Differential Between Additive Disposed on a Top Surface and a Cavity Surface of a Workpiece Using an External Influence」である米国出願番号第09/740,701号、表題「Plating Method and Apparatus for Controlling Deposition on Predetermined Portions of a Workpiece」であるシリアル番号第09/961,193号を有する2001年9月20日に提出された米国出願、表題「Mask Plate Design」である2001年9月20日に出願されたシリアル番号第09/960,236号を有する米国出願、及び、表題「Low Force Electrochemical Mechanical Processing Method and Apparatus」である2002年5月23日に出願された米国出願番号第10/155,828号。これらの方法は、平坦様式でワークピース上のキャビティ部分中及び上に金属を堆積し得る。
【課題を解決するための手段】
【0012】
要約
本発明は、ECD及びECMPR技術を使用してワークピースの表面上に導電材料(銅のような)のほぼ平坦または平坦な層を形成するプロセスに関する。該プロセスは、好ましくは少なくとも2つの分離しためっき溶液ケミストリーを使用して、その表面上にフィーチャーまたはキャビティを有する半導体基板上にほぼ平坦なまたは平坦な銅層を形成する。
【0013】
一つの側面において、本発明は、上部表面に形成された第1及び第2キャビティを備えた上部表面を有する半導体ウエハー上に導電構造を形成するプロセスを提供する。該ウエハーの第1のキャビティは第2のキャビティより狭い幅を有する。
【0014】
該プロセスは、電着プロセスを使用することにより第1導電層を堆積する工程を含む。該堆積プロセスは第1添加剤組成物を含有する第1電解質溶液を使用する。第1キャビティ上で平坦な表面を及び第2キャビティ上で非平坦表面を形成する間、導電層はキャビティを完全に埋める。
【0015】
さらに、該プロセスは、第1及び第2キャビティ上に平坦な導電層を形成ために、第1導電層上に第2導電層を堆積する工程を含む。平坦な導電層は第1及び第2導電層を含み、そして、第2添加剤組成物を有する第2電解質溶液を使用する電気化学メカニカル堆積プロセスを使用して第2導電層を堆積する。
【0016】
本発明の上記及び他の特徴ならびに利点は、本発明の制限のない典型的な実施形態により図面を参照にして、以下の詳細な説明にさらに記載し、ここで、類似のリファレンス番号は、幾つかの図面を通して、本願の同様の部分を示す。
【0017】
詳細な記載
本発明のプロセスは、ECMDのようなECMPR技術を使用してワークピースの表面上に導電材料(銅のような)のほぼ平坦なまたは平坦な層を形成するプロセスに関する。本発明のプロセスは、好ましくは少なくとも2つの分離しためっき溶液ケミストリーを使用して、その表面上にフィーチャーまたはキャビティを有する半導体基板上にほぼ平坦なまたは平坦な銅層を形成する。本発明の特有の特色は、広く様々な形及び寸法のフィーチャーまたはキャビティを伴う基板にそれを適用し得るという事実である。例えば、該基板は、10ミクロンより大きい幅のトレンチ及び20ミクロンより大きいサイズのパッドまたはチャネルのような非常に低アスペクト比のフィーチャーと同様に、高アスペクト比で小さいサイズのフィーチャー(サブミクロンサイズのビアまたはトレンチのような)を有し得る。この典型的なウエハー上に500ミクロンより大きいフィーチャーでさえあり得る。本発明の第1段階において、小さいフィーチャーの欠陥のない充填に関して最適化しためっきプロセスを行う。この段階中、めっきは該ウエハー表面上でメカニカルスイーピング(sweeping)を伴わないノンタッチモードで行う。該ノンタッチプロセスは、最良のギャップ充填性能に関して最適化した第1添加剤ケミストリーを含む第1めっき溶液を使用する。このケミストリーは、促進剤及び抑制剤及び必要に応じてレベラーを含有し得る。この段階において、小さい及び中間サイズのフィーチャーは銅で完全に埋められるが、より大きいサイズのフィーチャーは部分的にまたは完全にコンフォーマルに銅層で被覆される。本発明の第1段階の結果生じる典型的な銅層の断面例は、断面30として図2に示す。全ての小さいフィーチャーが銅で埋められていることに注目すべきである。中間のサイズのフィーチャー上の小さいステップ及び大きいフィーチャー上の大きいステップがある。本発明の第1段階は、最も大きいフィーチャー上の銅レベルが絶縁層の上部表面のレベルと実質的に同じになるまで続き得る。この場合、より小さいステップは減少し得るが、大きいフィーチャー上のステップは実質的に同じままである。
【0018】
本発明の第2工程は、第2の添加剤ケミストリーを有する第2めっき溶液を伴う、一般的に少なくともECMDプロセスを含む、ECMPRタッチプロセスを使用し、これはこの平坦な堆積または平坦化工程に関して特に最適化される。この第2ケミストリーは、例えば、第1段階で使用し得る3種の添加剤のうち1種のみまたは2種を含有し得る。タッチ工程の持続時間によって、かなり平坦な(断面31を参照)または完全に平坦な(断面32を参照)銅断面が得られ得る。該タッチ工程の持続時間が増加するにつれて、表面はより平坦になる。いかなる場合でも、図1Bの先行技術の大きなトポグラフィーと比較した時の、図2の断面31及び32の減少した、より平坦なトポグラフィーは、CMPプロセスの効果を増大し、そして、ディッシング及び腐食のようなCMPに関係する欠陥を減少する。
【0019】
図3は、本発明を実施するために使用し得る典型的なECMPRシステム100を示す。該ECMPRシステムは、マスク、パッドまたはスイーパー(sweeper)のようなワークピースの表面に影響を及ぼすデバイス(workpiece-surface-influencing-device(WSID))102、ウエハーのようなワークピース106を保持するキャリヤーヘッド104、及び電極108を含む。該ウエハーは、ECMDプロセスを使用して銅でめっきされるシリコンウエハーであり得る。ウエハー106の前方表面110とWSID102の上部表面112の間の物理的な接触及び関連した動きがある時、WSID 102はECMDの少なくとも一部の間に使用する。ECMD中、電極108とウエハー表面の間で電位が発生している間、WSID102の上部表面112はウエハー106の表面110をスイープする。あるいは、幾つかの場合、WSID 102の表面112がウエハーの表面110をスイープした後すぐに電位が発生する。言い換えると、電位の発生及びWSID 102による基板表面のスイーピングは、上に記載した先行出願で詳細に記載されるように同時または連続的である必要はない。WSID 102のチャネル114は、銅めっき電解液のような工程溶液116がウエハー106の表面をに流れることを許容する。
【0020】
図4Aは、ウエハー106の前方表面110を示し、第1電気めっき溶液120を使用して電気めっきされる。表面110は、小さいフィーチャー112、中間サイズのフィーチャー124及び大きいフィーチャー126を含み得る。小さいサイズのフィーチャーはミクロンより小さい幅を有し得、一方、中間サイズのフィーチャーは1〜5ミクロンの幅の範囲を有し得る。大きなフィーチャーは10ミクロンより大きい幅を有し得る。フィーチャー122、124、126は、半導体ウエハー106上に形成される絶縁層128内に形成される。Ta、TaNまたはこれらの複合物Ta/TaNのようなバリア層130は、フィーチャーの内部及び絶縁層128の上部表面132を被覆する。上部表面132はまた、「フィールド領域」と呼ばれる。薄い銅層のようなシード層(図示せず)はバリア層上で被覆する。工程の間、ウエハー106はWSID(ノータッチめっき)から離して配置し、そして、ウエハーが回転及び横方向に移動する間、ウエハー106の前方表面1106をぬれさせるために、第1電気めっき溶液はWSIDを通して流れる。ウエハーと電極(即ち、アノード(図2参照))間でいったん電位が印加されると、第1銅層134aが形成される。第1銅層134aは、ボトムアップの様式で小さい及び中間サイズのフィーチャーを埋めるが、大きいフィーチャーは、その大きい幅のために、コンフォーマルに被覆される。
【0021】
プロセスの第1段階において、WSIDは型を作るめっき(shaping plate)として作用する。WSIDのチャネルが、プロセス溶液をウエハーの表面に流れることを可能にするだけでなく、めっき電流密度、そして、結果として生じる堆積した銅層の厚みのプロフィールを形作ることが重要である。開口部の分布、形及びサイズは、WSID上に低い、中間の及び高い堆積速度の領域を導き得る。該プロセス中、これらの領域上でウエハーを移動することにより、堆積する層の望ましい厚みのプロフィール(例えば、均一な厚みのプロフィール)を得る。厚みプロフィール制御の典型的なプロセスは、2001年1月17日に出願された米国特許出願第09/760,757号、表題「Method and Apparatus for Electrodeposition of Uniform Film on Substrate」(本発明の譲受人により共通に所有されている)で開示されている。望むのであれば、他の手段が均一堆積を生み出すことを提供するならば、このめっき工程はWSIDなしで行い得る。
【0022】
この具体例において、第1電気めっき溶液120は少なくとも2種の添加剤を含有し得、ボイド、継ぎ目及び他の欠陥が全くない小さいフィーチャーのボトムアップ充填を促進する。例えば、Enthone−OMI(登録商標)、West Haven、CTから入手できるCubath(登録商標)ViaFormTMAccelarator 0.8−2ml/l、及び、同社から販売されているCubath(登録商標)ViaFormTMSuppresspr 6−12ml/lを含有する高酸(high−acid)めっき電解液を、硫酸、硫酸銅、水及び塩化物イオンを含有するベーシックめっき浴ケミストリーに使用し得る。低酸(low−acid)バージョンのめっきケミストリーは、非常に異なる濃度の促進剤及び抑制剤(Enthone低酸ケミストリーの場合、促進剤濃度約4−8ml/l、及び、抑制剤濃度2−4ml/lのような)を必要とし得る。プロセス中、促進剤は、すばやく充填される小さいフィーチャーの銅のボトムアップ成長を可能にする。小さいフィーチャーの開口部の上部に吸着する抑制剤分子は、そこでの銅の成長速度を落とし、そして、これらのパッセージ(passage)の時期尚早の終結及びボイドの形成の両方を回避する。促進剤及び抑制剤種に加えて、本出願において先に議論した過剰充填現象を軽減または排除するための配合液にレベラーも添加し得る。レベラーは、めっき表面の高電流密度領域に優先的に吸着し、そして、この電流密度、そして結果として生じる突出の減少を助長する。0.5−2ml/lのレベラー濃度は、上述した典型的な高酸ケミストリー中の促進剤及び抑制剤種に加えて、この目的のために使用し得る。商品名Cubath(登録商標)ViaFormTMレベラーで販売されている典型的なレベラーはEnthone−OMI(登録商標)から入手できる。
【0023】
図4Bに示すように、第1のめっき溶液を用いるノータッチめっきがいったん完了すると、第2めっき溶液136を使用するECMDタッチめっき段階が、非コンフォーマル様式(non-conformal fashion)で第1銅層を被覆する第2層134bを形成する(キャビティにより多くの材料を堆積し、WSIDがスイープする表面領域ではより少なく堆積する)。このタッチめっきプロセス中、第2めっき溶液136が第1銅層134a上に送達されるとき、WSIDはフィールド領域上ならびに小さい及び中間サイズのフィーチャー上に位置する第1層134aの部分に接触し、そして、機械的にスイープする。第2めっき溶液のケミストリーと組み合わせると、WSIDのスイーピイング作用は、フィールド領域上及び既に充填されている小さいフィーチャー上で銅層の成長を遅くし、及び、大きいフィーチャー内で銅層の成長を促進し、そして、全体の銅堆積を平坦化する。ある時点で達成された平坦化の程度がCMPプロセス(これは堆積プロセスに続く)のような過剰充填除去プロセスを簡素化するに十分であれば、該プロセスのタッチめっき段階は全ての平坦化が達成される前に終結し得ることに留意すべきである。この実施形態において、第2のめっき溶液の添加剤ケミストリーはタッチめっき工程に関して最適化する。例えば、第2めっき溶液132はいかなるレベラーも含有しない。さらに、第2の電解液の促進剤対抑制剤の比は、第1電解液における比より高くなり得る。上述した典型的な高酸電解液を考慮すると、第2電解液の促進剤濃度は2−10ml/lの幅にあり得、一方、抑制剤濃度は2−8ml/lであり得る。全ての小さいフィーチャーが第1めっき工程によりウエハー上で既に充填され、ゆえに、これらの新しい添加剤濃度によりこのようなフィーチャー中にボイドが形成する原因となる危険性がないために、これは行われ得、仮に第1段階のプロセス中に使用すると、小さいフィーチャーの最適ではない充填が生じる。第2電解液は促進剤であるただ一種の添加剤を含有しさえする。ECMDプロセスにおける平坦化のために抑制剤のみまたは促進剤のみを含有する単独添加剤浴を使用し得るが、抑制剤のみを含有する浴と比較して促進剤のみを含有する浴における平坦化はより効果的であることを本発明者は観察した。図5Aは、ECMD装置及びEnthone Via−Form high acid VMS溶液を含有する硫酸銅電解液及び8ml/lのCubath(登録商標)ViaFormTMLevelerを使用して銅で被覆したウエハー上の5ミクロンの幅のトレンチの集束イオンビーム(FIB)イメージを示す。このプロセス中、200mmの直径の基板と銅アノードの間を4A−minの電荷が通過し、及び、WSIDが50rpmで回転しているウエハーに接触した。図5Aのイメージから分かるように、部分的な平坦化を示す基板の上部表面上よりフィーチャー内に比較的多くの銅が堆積される。図5Bは同様のウエハーの同じ部分から得たFIB断面を示すが、今回は、Enthone Via−Form high acid VMS溶液及び2.2ml/lのCubath(登録商標)ViaFormTMAcceleratorを含有する他の硫酸銅電解液中で同様に加工した。より良い平坦化効果を示す図5Aの場合よりこの場合のほうがフィーチャー内の銅堆積速度がより高いことが明らかである。図5Bにおいて、5ミクロンのトレンチにおける銅膜は完全に平坦である。この例は、溶液ケミストリーが本発明のタッチめっき段階における基板の最良の平坦化のために最適化され得ることを示す。
【0024】
本発明は、段階2のケミストリーの最適化とは別のプロセスの第1段階におけるケミストリーの最適化を可能にする。これは、上記の特許及び特許出願に記載したようなECMPRの第1及び第2工程の両方で同じケミストリーを使用できるが、さらに下記に記載するような各々独立した2つの段階においてケミストリーを最適化する能力を有することは魅力的及び有益であるために、重要である。
【0025】
主題の工程の第1段階で使用する添加剤の濃度及びタイプは、添加剤の特性、小さいフィーチャーの特性、バリア/シード層の性質などによって変わり得る。例えば、イオウを含む幾つかの促進剤種は弱いシード層と反応する。仮に、特定のウエハーについてのビアの側壁上でシード層が非常に薄い場合、この特定のウエハーを被覆するために使用するプロセスの第1段階の電解液の促進剤対抑制剤比を低下する必要があり得る。他のタイプのシード層を有する他のウエハーに関しては、最良のギャップ充填性能を得るために添加剤の相対的な濃度をさらに調整する必要があり得る。仮に小さいフィーチャーの密なアレイ上の過剰充填が問題をもたらす場合、促進剤及び抑制剤に加えて配合液にレベラーを含有する必要があり得る。
【0026】
電解質ケミストリー(これは第1段階における最良のギャップ充填のために調整する)は、平坦化を行う際、該プロセスの第2段階に対して最良なものではないかもしれない。例えば、レベラーはウエハー表面上の高電流密度領域に誘引されることが知られている。しかし、ECMDプロセスは基板表面上のキャビティにおける成長を、WSIDによりスイープされたウエハーの上部表面と比較してこのようなキャビティにおける堆積電流密度を増加することにより、促進することが知られている。ゆえに、該プロセスの第2段階で使用される電解液中のレベラーは平坦化効果をより低下し得る。これは該プロセスの第1段階(ノータッチ工程)中でプロセス電解液中の添加剤(レベラーのような)の存在がどれほど好ましいのかの例であり、これに対して、第2段階(タッチめっき工程)においては、その存在は必要でないか望ましくない。同様に、促進剤対抑制剤の比がより高いことは、前述したように該プロセスの第1段階より第2段階において望ましいかもしれない。図5Bの実験は、ただ一つの促進剤種を含有する電解液は該プロセスの第2段階において首尾よく使用し得ること(このような配合液は第1段階において首尾よく使用し得ないとしても)を示した。第2プロセス工程におけるただ一種の添加剤の使用は、総添加剤消費を減少し、添加剤測定及び制御システムを簡素化し、費用を削減し、そして、スループットを増加させて平坦化効果を改良し得る。堆積された膜の総不純物含量もまた、このアプローチによる減少し得る。
【0027】
本発明の原理に従うと、該プロセスの第1及び第2段階は同じプロセスモジュールまたは複数のプロセスモジュールにおいて実施され得る。仮に、同じプロセスモジュールアプローチを両方の段階で実施するために使用すると、第1及び第2段階は連続的に実施し、そして、第1段階のための第1溶液及び第2段階のための第2溶液を使用する。上に十分記載されるように、第1溶液ケミストリーはウエハー上のフィーチャーのボトムアップ充填を高める添加剤を含有する。そして、第2溶液ケミストリーは、第1段階で使用し得る3種の添加剤のうち一種のみまたは二種を含有し、そして、平坦な銅層を得るために特に最適化される。仮に、複数のプロセスモジュールがあるなら、第1段階は第1溶液ケミストリーを伴うプロセスモジュールの第1または第1群において行い得、そして、第2段階は、第2溶液ケミストリーを使用するプロセスモジュールの第2または第2群と共に行い得る。二段階堆積に続いて、ウエハーはクリーンにされ、そして、平坦なまたはほぼ平坦な銅の過剰充填はCMPまたは他の(例えば電解研磨)除去法を使用して除去される。銅の過剰充填は、アニ−リング工程前または後に除去され得る。
【0028】
本プロセスの第2段階の後、銅の過剰充填の厚みを減少するために、必要に応じて第3及び第4工程さえ使用し得ることを留意すべきである。プロセスの第2段階の後、銅除去プロセスは、電気化学エッチングまたは研磨段階あるいはECME(電気化学メカニカルエッチングまたは研磨)段階のいずれかを行うプロセスの第3工程として実施し得る。除去プロセスはまた、第3及び第4段階として両方の工程を連続的に使用して(例えば、タッチECMEに続くノータッチ電解エッチング(no-touch electroetching)工程、または、ノータッチ電解エッチングに続くタッチECME)実施し得る。薄く平坦な堆積は、第1及び第2段階でECMD技術を使用して平坦な層を最初に堆積すること、そして、印加された電圧を逆方向にすることにより同じ電解液中または電解エッチング溶液中でこの平坦な膜を電解エッチングまたは電解研磨することにより得られ得る。この方法では、堆積層の厚みもまた平坦化様式において減少され得る。実際、エッチングは、フィールド領域上の全ての金属が除去されるまで継続し得る。印加された電圧の極性を逆方向にして、そして、電極と比較してよりワークピース表面をより陽極する一方、これらの技術は第2段階に連続して及び電解エッチング溶液として第2溶液を使用して実施され得る。あるいは、電解エッチング溶液を含有する第3溶液がプロセスの第3段階及び第4段階で第2溶液と置換し得、例えば、ノータッチ電解エッチング(第3段階)はタッチECME(第4段階)へと続く。この点で、タッチECMEプロセス段階のような第4段階は第4溶液を使用して実施し得る。
【0029】
図6は、多数のモジュールA、B、C及びDを使用するシステム150の典型例である。この典型的な形態において、モジュールA及びBはECDまたはECNDモジュールであり得、第1プロセス溶液を用いるプロセスの第1段階を実施する。該プロセスの第2段階はモジュールCにおいて実施され得、これはまたECMDモジュールであり得、第2プロセス溶液を使用する。モジュールDはECMEモジュールであり得、上記の第3段階(第2プロセス溶液または第3プロセス溶液を使用するノータッチ電解エッチングまたはECMEのような)を実施し、または、第4電解エッチング工程(タッチECMEのような、これは第3段階で使用するプロセス溶液または電解エッチング溶液のような第4プロセス溶液を使用する)を実施する。あるいは、モジュールA、B、C及びDは、前で説明した二つの異なる溶液を使用するプロセスの第1及び第2段階を行うECDまたはECMDモジュールであり得る。各々の異なるモジュールの数は、第1及び第2段階プロセスのスループットに依存する。ロボットは種々のモジュール間でウエハーを移動させるために使用する。図7は、二段階プロセスに適用したシングルプロセスモジュールアプローチを使用する好ましいシステム200を例示する。
【0030】
図7に示すように、システム200は第1プロセスモジュール(PM1)202及び第1プロセス溶液モジュール(PSM1)204を含有する。PM1は、プロセス溶液及び電極(アノード)208を保持するためのプロセス容器206を含む。該プロセス容器は、2リッターより少ない、好ましくは1リッターより少ない容積を有し得る。該プロセス容器の上部開口部210はWSID 212で閉じられる。WSID 212の上部に、本発明のプロセスにより加工されるウエハー214がウエハーキャリア217により保持される。PSM1は、プロセス溶液供給ユニット216、第1バルブ218、第2バルブ220及びドレイン222を備える。該供給ユニット216は、第1バルブ218を経て、新しいプロセス溶液をプロセス容器に供給する。プロセス容器206からの使用した溶液は、第2バルブ220を経て供給ユニットまたはドレイン222に引き戻す。
【0031】
図7を参照すると、プロセス供給ユニット216は、プロセスの第1段階のための第1溶液を貯蔵する第1タンク224、プロセスの第2段階のための第2溶液を貯蔵する第2タンク226を備える。第1溶液、第2溶液、第1段階及び第2段階の説明は、上の記載で与えられる。使用された溶液がユニット216に収容される時、これらの添加剤及びめっき溶液ケミストリーはチェックされ、そして、補充され、このため、タンク224、226は適切なケミストリーを含むプロセス溶液を常に保持している。供給ユニット216はまた、DI水を貯蔵するためのリンスタンク228を含有する。DI水は各プロセス段階の開始前にプロセス容器206を洗浄するために使用する。DI水は、タンクからよりむしろDIラインから直接到達し得る。タンク224、226及び228は、供給ライン224’、226’及び228’を通してバルブ218に接続する。バルブ218は、ライン230を通してプロセス容器206に接続する。さらに、使用された溶液(第1、第2及びリンス溶液)は、ライン232を通してバルブ220に導かれる。バルブ220から、第1溶液はライン234を介して第1タンクに捕集され、第2溶液はライン236を介して第2タンクに捕集される。バルブ220からのリンス溶液はドレイン222に送られる。
【0032】
典型的なプロセスシーケンスにおいて、プロセスの第1段階では、PSM1の第1溶液タンク224からの第1プロセス溶液が、バルブ218を介して、PM1のプロセス溶液容器206に注がれ、そして、リターンライン236を通して循環して戻る。ウエハー214が加工された後、DI供給のためにバルブ218を回転させ、そして、リンスタンク228からのDI水をバルブ218を介してプロセス容器206に送り、第1溶液の残渣からプロセス容器をクリーンにする。クリーニング中、バルブ218は周期的に閉じ得、そして、バルブ220を開放して、使用したリンス溶液をドレイン222に送る。リンス後、プロセスの第2段階を第1段階と同様に実施するが、第2タンク226からの新しい第2溶液を使用し、補充及び貯蔵目的のために、使用した第2溶液を第2溶液タンク226に戻す。プロセスの第2段階後、本願のプロセスに従って加工される次のウエハーのために、プロセス容器をもう一度リンスする。種々の溶液をプロセスモジュールに供給する多数の方法があることを留意すべきである。ここで与える例は多数の可能性の一つに過ぎない。例で使用する2つの溶液がそれぞれに相溶性の場合、あいだのリンス工程は省略し得、少量の該溶液の混合が可能となり得る。
【0033】
図8A−8Cは、本発明の第2の実施形態を示す。第2の実施形態において、第1段階では、最大フィーチャー内の銅レベルが、少なくとも、絶縁層の上部表面のレベルに到達するまで、全てのフィーチャーは銅で充填される。この段階中、ウエハー表面上をメカニカルスイーピングしないノータッチ(電着またはECD)モードでめっきを行う。この段階は、電着システム及びプロセスを使用して実施され得る。しかし、ノータッチプロセスを利用するECMPRシステムもまた使用し得る。該プロセスは、最良のギャップ充填性能及び最良の質の銅のために最適化される第1添加剤ケミストリーを有する第1めっき溶液を使用する。このケミストリーは、促進剤、抑制剤及び必要に応じてレベラーを含有し得る。このアプローチと共に、大きいフィーチャーと同様に小さいフィーチャーの欠陥のない充填のために最適化されるめっき工程を行い、小さい、中間の及び大きいフィーチャーを少なくとも絶縁層の上部表面のレベルまで良質の銅を完全に充填する。本発明の第1段階から生じる典型的な銅層断面の例を図8Aに示す。全てのフィーチャーがいったん銅で充填されると、中間サイズのフィーチャー上の小さいステップ及び大きいフィーチャー上に大きいステップができることに留意すべきである。そして、これらのステップは次の平坦化工程における平坦な犠牲層の堆積により除去される。
【0034】
プロセスの第2段階は平坦化工程であり、第2添加剤ケミストリーを有する第2めっき溶液を用いる、一般的にはECMDプロセスを含む、ECMPRタッチプロセスを使用し、これは特にこの平坦な堆積または平坦化工程のために最適化される。この実施形態の第2段階は、第1段階が実施される同じプロセスモジュールまたは異なるプロセスモジュールのいずれかにおいて実施され得る。仮に同じECMPRシステムで実施するならば、第1めっき溶液は第2溶液で置換され得る。さらに、該プロセスの第2段階は第2溶液を使用する異なるECMPRシステムにおいて実施し得る。タッチプロセスと共に、堆積させた銅は、第1段階で形成された銅層上のステップを埋め、そして、平坦な層を形成する。第1段階で堆積した銅が既にフィーチャーを埋めているため、第2段階で堆積される銅は表面で平坦な銅層を形成するため(即ちウエハー表面を平坦にする)である。この平坦化段階で使用される第2ケミストリーは第1段階で使用し得る3種の添加剤の一種のみまたは二種を含有し得る。第2ケミストリーから生じる銅の質は3つの成分を使用する第1ケミストリーからの銅の質ほど良質でないかもしれない。第2工程で堆積される銅が犠牲であり、及び、後に除去するため、これは許容され得る。
【0035】
本プロセスの第1と第2段階の間で必要に応じたアニーリング工程があり得ることに留意すべきである。言い換えると、第1工程は全てのフィーチャーを良質な銅で充填するため、図8Aに描いた結果として生じる膜をアニールし得、平坦な層を得るための第2工程に続く前にこの膜のざらざらした構造を成長及び固定化させる。
【0036】
第2工程の結果及び持続時間に依存して、実質的に平坦である銅断面が得られ得る。前記実施形態に記載したように、タッチ工程の持続時間が増加するにつれて、表面はより平坦になる。
【0037】
プロセスの第2段階により提供されるより平坦なトポグラフィーは、例えば、電解研磨または電解エッチング工程を使用する次の第3段階または材料除去段階の効果を増加する。電解研磨または電解エッチングは、基板と電極の間で極性を逆方向にすることにより同じECMPRシステムにおいて実施され得る。従来の平坦化工程で使用される第2溶液は逆転極性条件下でエッチング溶液として使用され得る。しかし、第2溶液はまた、電解研磨プロセスを行うために、特別に配合されたエッチング溶液と置換され得る。あるいは、電解研磨プロセスは、別々のエッチング溶液を使用する別々の電解研磨モジュールにおいて実施され得る。この代替の電解研磨システムは、電気化学メカニカルエッチングまたは研磨モジュールあるいは電解研磨プロセス中にウエハー表面上でメカニカル作用を誘導しない電気化学研磨モジュールであり得る。この出願全体を通して、電気化学エッチングまたは電気化学研磨は、電気化学手段により材料を除去する同じプロセスについて述べていることに留意すべきである。同様の電気化学メカニカルエッチング(ECME)及び電気化学的機械研磨(ECMP)はプロセスの同じ群について述べている。
【0038】
めっきされた基板に適用する際、電解研磨プロセスは第2ケミストリーを使用する平坦化工程において堆積した銅層を完全に除去し得、一方、第1ケミストリーを使用するECD工程において堆積した銅層を部分的に除去している。第1ケミストリーで堆積した銅の部分的に除去された部分は、フィーチャーの外側の銅部分である。該実施形態において、プロセスの第2段階に続く工程が電解研磨プロセスであるが、CMPプロセスもまた平坦な層を除去するために使用し得、そして、本発明の範囲内である。本明細書で使用したように、フィーチャーにはキャビティ、ビア、トレンチ及びパッドを含む。
【0039】
さらに図8Aを参照にすると、ウエハー306の前方表面310は、第1電気めっき溶液320を使用して電気めっきされる。該表面310は小さいフィーチャー322、中間サイズのフィーチャー324及び大きいフィーチャー326を含有する。以前の実施形態のように、小さいサイズのフィーチャー322はミクロンより狭い幅を有し得、一方、中間サイズのフィーチャーは1〜5ミクロンの幅の範囲を有し得る。大きいフィーチャーは10ミクロンより広い幅を有し得る。フィーチャー322、324、326は、半導体ウエハー306上に形成される絶縁層328内に形成される。バリア層330は、該フィーチャーの内部及び上部表面332または絶縁層328のフィールド領域を被覆するために使用し得る。しかし、幾つかの技術においては、バリア層は使用されず、そして、このような技術もまた本発明の範囲内であると理解される。従来、薄い銅層のようなシード層(図示しない)は、バリア層上を被覆し得る。プロセス中、仮に該プロセスがECMPRモジュールにおいて実施されるならば、ウエハー306はWSID(ノータッチめっき)から離して配置し、そして、ウエハーが横方向移動及び回転する間、ウエハー306の前方表面310をぬらすために、第1電気めっき溶液はWSIDを通して流す。あるいは、仮に該プロセスがECDチャンバーにおいて実施されるならば、第1電気めっき溶液は前方表面310に対して直接流れる。ウエハーと電極(即ちアノード)の間にいったん電位が印加されると(図2に示される)、第1銅層334aまたは一次銅が形成される。図8Aを参照すると、以前の実施形態とは異なり、一次銅334aが、小さい、中間のサイズ及び大きいフィーチャーを充填する(即ち、大きなフィーチャーでさえ、少なくとも絶縁層の上部表面のレベルまで銅で充填される)。以前の実施形態において、それがボトムアップ様式で小さい及び中間サイズのフィーチャーを満たすが、第1銅層は大きいフィーチャーをコンフォーマルに被覆し、それを必ずしも完全に充填する必要はない。
【0040】
この実施形態において、第1電気めっき溶液320は、ボイド、継ぎ目及び他の欠陥を全く伴うことなく全てのサイズのフィーチャーの充填を高めるために、少なくとも二種の添加剤を含有し得る。溶液320のケミストリーは小さいまたは中間サイズのフィーチャー上で平坦な膜を形成する。平坦な膜の厚み「t」が大きいフィーチャーの幅「d」よりおおよそ大きい場合、めっきプロセスの第1段階は停止する。t≧d状態は、大きいフィーチャー内の銅層の厚みもまたおおよその「d」より大きく、そして、大きいフィーチャーは銅で完全に満たされることを示す。一次銅は、アニーリング及び他の堆積後手順後、良好なストレスマイグレーション及びエレクトロマイグレーション特性を提供する良質な銅である。例えば、1.5ml/lのCubath(登録商標)ViaFormTMAccelerator、8ml/lのCubath(登録商標)ViaFormTMSuppressor及び2ml/lのCubath(登録商標)ViaFormTMLeveler(全てEnthone−OMI(登録商標)、West Haven、CTから入手できる)を含有する高酸めっき電解液は、硫酸、硫酸銅、水及び塩化物イオンを含有する第1溶液ケミストリーにおいて使用し得る。プロセス中、促進剤は速やかに充填される小さいフィーチャーにおける銅のボトムアップ成長を可能にする。小さいフィーチャーの開口部の上部に吸着する抑制剤分子はここでの銅成長を遅くし、そして、これらの経路の時期尚早の閉鎖及びボイドの形成を回避する。レベラーは過剰充填現象を軽減または除去し、そして、めっき表面の高電流密度領域上に優先的に吸着し、そして、この電流密度の減少を助長し、そして、結果として生じる突出及び隆起を最小化する。レベラーのない2成分のケミストリーもまた、ほぼ均一な厚みの銅が、過剰の隆起や過剰充填を伴わず、小さい及び中間サイズのフィーチャー上で得られる限り、このプロセスのために使用し得る。
【0041】
図8Bに図示するように、第1めっき溶液を用いるめっきがいったん完了すると、第2めっき溶液336を使用するECMDタッチめっき段階は、中間サイズの及び大きいフィーチャー上のステップまたはキャビティ内により多くの材料を堆積し、かつ、WSID 102がスイープした表面領域上にはより少なく堆積する、平坦様式で一次銅334aを被覆する第2層334bまたは犠牲銅を形成する。タッチめっきプロセスを使用するこの平坦化段階中、第2めっき溶液336が一次銅334a上にもたらされると、WSIDはフィールド領域上ならびに小さい及び中間サイズのフィーチャー上に位置する第1層334a部分に接触し、機械的にスイープする。第2めっき溶液336のケミストリーと合わせると、WSID 102のスイーピング作用は、フィールド領域上及びすでに充填されている小さいフィーチャー上の銅層334bの成長を遅らせ、そして、大きいフィーチャーにおける銅層の堆積を促進し、そして、全体の銅堆積を平坦にする。犠牲銅は次の材料除去プロセスにおいて平坦な銅表面を生成する。材料除去工程(単数又は複数)中、犠牲銅は完全に除去される。
【0042】
第2めっき溶液336は、それが幾らか少量(0.5ml/lのような)含有され得、そして、それが促進剤のみを含有するケミストリーのような1成分ケミストリーまたは促進剤及び抑制剤を含有するような2成分のケミストリーを使用し得るとしても、好ましくはいかなるレベラーも含有しない。仮に第2溶液が1成分溶液ならば、促進剤濃度は1−10ml/lの範囲にあり得る。仮に第2溶液が2成分溶液であるならば、第2溶液中の促進剤濃度は1−10ml/lの範囲にあり得、一方、抑制剤濃度は1−10ml/lの範囲にあり得る。言い換えると、プロセスウィンドウは非常に広くなり得る。第1めっき工程により全ての小さいフィーチャーが既にウエハー上で満たされており、そのために、これらの新しい添加剤濃度によりこのようなフィーチャーにボイドが形成される危険性がないために、これが行われ得、これは、仮に第1段階中に使用したならば、小さいフィーチャーにおいて最適でない充填が生じる。仮にその時点で達成された平坦化の程度が電解研磨またはCMPプロセスのような厚み減少プロセス(これらは堆積プロセスの第2段階に続く)を簡素化することに関して十分であるならば、全ての平坦化が達成される前に、該プロセスのタッチめっき段階は終結し得ることに留意すべきである。
【0043】
2つの異なるケミストリーの使用が本明細書に記載されているが、本発明はまたプロセスの第1及び第2段階のために同じケミストリーを使用することも用いられ得ることに留意すべきである。しかし、この場合、第1段階において良質な銅及び第2段階において良好な平坦化を提供するために、ケミストリーを選択する必要がある。2種の添加剤(促進剤及び抑制剤)を有する電解液または3種の添加剤(促進剤、抑制剤及びレベラー)を伴う電解液(ここで、レベラー濃度は低い)は、この目的のために使用し得る。例えば、商業的な入手できる低酸ViAFormケミストリーはEnthoneにより供給され、標準的なECD添加剤濃度は促進剤約6ml/l、抑制剤約2ml/l及びレベラー約2ml/lである。仮に一つの3成分ケミストリーを本発明において使用するならば、第2工程の平坦化性能に悪影響を及ぼさないために、レベラー濃度は1ml/l以下に、例えば0.5ml/lに削減し得る。
【0044】
あるいは、大きいフィーチャーを完全に充填する一方で小さいフィーチャー上に平坦なプロフィールを得るために本発明で使用する第1工程において2成分ケミストリーを使用し得る。このような工程の例は、2003年1月30日に出願された表題「Method of Electroplating Copper Layers with Flat Topography」である米国仮出願番号第60/444,355号に見られ得、これは本発明の譲受人に譲渡されている。この代わりのアプローチにおいて、第1段階中、10ミクロンより狭い幅または好ましくは5ミクロンより狭い幅を有するフィーチャーを埋めた後に、より幅広いフィーチャー(>10ミクロン)を図8Aに示す「d」より大きい厚みになるよう銅で充填することはインターバルを伴って連続し、インターバル中、既に充填されたより狭いフィーチャー上の銅堆積の成長速度を制御している。既に充填されたより狭いフィーチャー上の銅堆積の局部的な成長速度を制御することは、めっきインターバル中の制御プロセスを適用することにより達成し得る。選択された制御プロセスの適用は、既に充填された小さい及び中間サイズのフィーチャーを被覆している銅上の平坦化されていないトポグラフィー(即ち隆起)の形成を抑制している。この実施形態において、大きい幅のフィーチャーが完全に満たされる(即ち銅の厚みが>dとなる)まで、選択された制御プロセスは、インターバル中、逆電位パルスシーケンス(またはパルス波形)を適用し得る。パルス波形の使用は銅層の表面上の促進剤濃度を都合よく低下し、これは狭い幅のフィーチャー上に形成する。この工程後、第2段階または平坦化工程は上記の方法のように実施し得る。この場合、第2段階は、同じプロセス溶液を使用する同じプロセスチャンバーにおいて実施し得る。
【0045】
図8Cに示すように、本プロセスの第2段階後、前の工程を使用してウエハー上で形成される銅層の厚みを減少するために、必要に応じて第3及び第4工程までも使用し得る。前の実施形態に関して、プロセスの第2段階後、電気化学エッチングまたは研磨段階あるいはECME(電気化学メカニカルエッチングまたは研磨)段階のいずれかを行うプロセスの第3段階として銅除去プロセスが実施され得る。薄く平坦な堆積は、上記の2段階プロセスを使用して平坦な層を最初に堆積し、そして、電解エッチングまたは研磨溶液中でこの平坦な膜を電解エッチングまたは電解研磨することにより得られ得る。このように、銅層の厚みは平坦化方法において減少し、そして、フィールド領域332及びフィーチャー上の平坦化された1次銅340を除去しながら、犠牲銅は完全に除去される。実際、フィールド領域上のバリア層330を暴露する一方で、フィーチャーの第1銅と隣接しながら、フィールド領域332上の全ての1次銅が除去されるまで、電解エッチングまたは電解研磨は継続し得る。プロセスの第3及び/または第4段階において、リン酸溶液のような電解エッチングまたは電解研磨溶液を含む第3溶液は銅の厚みを減少するために使用し得る。例えば、ノータッチ電解エッチング(第3段階)はタッチECME(第4段階)へと続き得る。この点において、タッチECMEプロセス段階のような第4段階はまた、第4溶液を使用して実施し得る。
【0046】
第4のECMEまたは電気化学的機械研磨(ECMP)工程を実施することにより、銅残渣除去のためのプロセスウィンドウが開かれ得る。言い換えると、銅のバルクを電解研磨により除去した後、電気化学メカニカル研磨工程のために、銅表面に保護層を形成する新しい溶液を使用し得る。アノード電圧印加下では、この保護層は銅表面で極性を増加し、ゆえに、電解エッチングまたは研磨を減少する。パッドが銅表面に接触し及び保護層をスイープする部分において、極性は減少し、そして、エッチング/研磨は促進される。パッドは銅層の最も上の表面に接触するため、銅層の上部は除去され、ECMEまたはECMP工程においてパッドによりスイープされない銅表面は保護層により保護され、これらの部分の過剰エッチングを回避し、そしてディッシング(dishing)を減少する。これらの技術はまた、印加した電圧の極性を逆にし、そして、ワークピース表面を電極と比較してさらにアノードにしながら、第2段階に続いて及び電解エッチング溶液として第2溶液を使用して実施され得る。
【0047】
上部表面からの銅を除去した後、バリア層もまた、CMP、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching(RIE))及び電気化学メカニカル研磨プロセスの少なくとも一つにより除去し、各々電気的に絶縁した銅構造の形成を完全にする。
【0048】
図9は、プロセスの様々な段階を実施するためのECD、ECMD、ECMEまたは電解研磨、CMP及びアニールモジュールのような多数のモジュールを使用するシステム350を例示する。プロセスの第1段階は、第1供給タンク354から供給された第1プロセス溶液を使用して、ECDモジュール352において実施し得る。プロセスの第2段階は第2供給タンク358から供給される第2溶液を使用してECMDモジュール356において実施し得る。第3段階、電解研磨段階は、第3供給タンク362から供給される第3プロセス溶液(これは電解エッチングまたは電解研磨溶液であり得る)を使用する電解研磨チャンバー360において実施し得る。しかし、代替的に、第3段階は、ECMEまたはECMPチャンバーにおいて実施し得る。ECMEモジュールを使用する場合、電解研磨はノータッチECMEまたはタッチECMEプロセスを使用して実施し得る。第3段階はまたCMPモジュール364においても実施し得る。種々のモジュール間でウエハーを移動するためにロボットを使用する。アニールモジュール366は、ECMEプロセスの前または後に、めっきされた銅をアニールするために必要に応じて使用し得る。アニールはまた、ECD工程の後またはECD及びECMD工程の後に実施し得る。
【0049】
本発明のプロセスシーケンスは、図9に示す一つの好ましい実施形態とは異なる分離したシステムに位置するモジュールにおいても実行し得る。プロセスフロー(リンス及び乾燥、エッジ銅除去など)中に行われ得る他のプロセスは、本分野において周知であり、そして、簡潔のために本明細書には記載していない。
【0050】
もちろん、前述の事項は本発明の好ましい実施形態に関し、そして、改良は本発明の目的及び範囲と離れてなされ得ると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【0051】
【図1A】図1Aは、その上に導体の適用を必要とする典型的なウエハーの横断面図を示す。
【図1B】図1Bは、従来の方法を使用してその上に適用した導体を有する図1Aの典型的なウエハーの横断面図を示す。
【図2】図2は、本発明に従う方法を使用してその上に適用した導体を有する図1Aの典型的なウエハーの横断面図を示す。
【図3】図3は、本発明を実施するために使用され得る典型的なECMPRシステムの一部を示し;
【図4A】図4A−4Cは、本発明に従うプロセスの異なる段階での典型的なウエハーの断面を示し;
【図4B】図4A−4Cは、本発明に従うプロセスの異なる段階での典型的なウエハーの断面を示し;
【図4C】図4A−4Cは、本発明に従うプロセスの異なる段階での典型的なウエハーの断面を示し;
【図5A】図5A及び図5Bは、本発明に従う様々な方法で加工したウエハーの集束イオンビームイメージを示し;
【図5B】図5A及び図5Bは、本発明に従う様々な方法で加工したウエハーの集束イオンビームイメージを示し;
【図6】図6は、本発明に従うプロセスを実行するために使用され得るモジュールのシステムを示し;
【図7】図7は、本発明に従うシングルプロセスモジュールと共に使用するためのプロセス供給システムを示し;
【図8A】図8Aは、該プロセスの第2の実施形態に従い加工されたウエハー表面の横断面図を示し、ここで導体層は該ウエハー上のフィーチャーを充填し、そして該ウエハー表面上の平坦でない層を形成する);
【図8B】図8Bは、図8Aに示したウエハー表面を示し、ここで平坦な導体層は該ウエハー表面上に形成される);
【図8C】図8Cは、図8Bに示したウエハー表面を示し、ここで平坦な導電層は電解研磨される;そして、
【図9】図9は、本発明のプロセスの第2の実施形態を行う典型的なシステムを示す。
【技術分野】
【0001】
関連出願
本願は、明白に本書に参考として援用される、”Planar Metal Electrodeposition”の名称で2002年7月22日に出願された米国特許出願No.10/201,606(NT-254)の一部継続出願である。
【0002】
分野
本発明は半導体集積回路の製造、そして、より詳細には導電層の平坦な堆積及び研磨の方法に関する。
【背景技術】
【0003】
背景
従来の半導体デバイスは、一般的に、半導体基板(シリコン基板のような)及び複数の連続的に形成された二酸化シリコンのような層間絶縁層及び導電材料から作製される導電路または配線(interconnects)を含有する。銅及び銅合金は、それらの優れたエレクトロマイグレーション(electro-migration)及び低抵抗特性のために、近年、配線材料としてかなり注目を浴びている。配線は、通常、メタライゼーションプロセスにより誘電体層にエッチングして形成されたフィーチャー(features)またはキャビティ(cavities)に銅を充填することにより形成される。銅メタライゼーションの好ましい方法は電気めっきである。集積回路において、多重レベルの配線ネットワークは、基板表面に対して横方向へ広がる。連続した層に形成された配線は、ビアまたはコンタクトを使用して電気的に接続し得る。
【0004】
典型的な工程において、最初に絶縁層が半導体基板上に形成される。パターン形成及びエッチングプロセスを実施し、絶縁層にトレンチ(trenches)及びビアのようなフィーチャーまたはキャビティを形成する。そして、バリア/グルー層(barrier/glue layer)及びシード層(seed layer)をパターン形成された表面上に堆積し、そして、銅のような導体を電気めっきして全てのフィーチャーを埋める。しかし、めっきプロセスはまた、銅でフィーチャーを埋めることに加えて、基板の上部表面上に過剰の銅を堆積させる。この過剰の銅は、「過剰充填(overburden)」と呼ばれ、続く加工工程中に除去する必要がある。標準的なめっきプロセスでは、電着(Electrochemical Deposition(ECD))工程がコンフォーマル様式(conformal manner)でウエハー上でラージフィーチャーを被覆するために、この過剰充填された銅は大きなトポグラフィー(topography)を有する。例えば、0.5ミクロンの深さのフィーチャーを有するウエハーは、標準的なECDプロセスによって0.8ミクロン厚の銅で被覆され得、全てのフィーチャーの完全に欠陥のない充填を確実にする(約5ミクロンより幅広いものを含む)。そして、結果として生じる銅表面は、ラージフィーチャー上に約0.5ミクロンのステップを有するトポグラフィーを有し得る。従来、銅めっき後、このトポグラフィック表面を最初に全体的に平坦化するために、そして、過剰充填された銅層の厚みをバリア層の表面のレベルに下げるためにCMP工程が使用され、このバリア層はまた後に除去されキャビティにおいてのみ導体を残す。CMPはコストがかかり及び時間を要する工程である。CMPプロセスで使用される高圧はまた、low−k誘電体に損傷を与え、これは二酸化シリコンより機械的に弱い。ゆえに、集積プロセスにおけるCMP工程を最小にすることは、全てのIC製造における目標である。ウエハー上のトポグラフィーもまたCMPプロセスにおける問題の原因である。特に、100ミクロン幅のトレンチまたは結合パッドのようなラージフィーチャー上の上記例の0.5ミクロンステップのようなラージステップは、CMP後にディッシング欠陥の原因となる。それゆえに、コスト及び有効なフィーチャーの両方に関して、ウエハー上の表面トポグラフィーを減少したより薄い銅堆積をなし得るプロセスを有することが非常に魅力的である。
【0005】
銅電着プロセス中において、特に処方された(formulated)めっき液または電解液が使用される。これらの電解液は、一般的に、水、酸(硫酸のような)、銅のイオン種、塩化物イオン及び堆積される物質の特性及びめっき挙動に影響を及ぼす特定の添加剤を含有する。一般的な電気めっき浴は、促進剤、抑制剤及びレベラー(levelers)のような3種類の商業的に入手可能な添加剤の少なくとも2種を含有する。これらの添加剤はときどき異なる名称で呼ばれることがあることに留意すべきである。例えば、文献中で、促進剤は光沢材として及び抑制剤はキャリヤーとして呼ばれ得る。関与するメカニズムの詳細は完全には理解されておらずまたは賛同されていないが、電解液中でのこれらの添加剤の機能及び塩化物イオンの役割は当該分野で広く知られている(例、Z.W. Sun and G. Dixit, “Optimized bath control for void-free copper deposition”, Solid State Technology, November 2001, page.97を参照)。
【0006】
電着プロセスは、基板上の全てのフィーチャー(小さい及び大きい)を埋める必要がある。図1Aは、高アスペクト比ビア10、中間アスペクト比トレンチ11、及び、小さいアスペクト比パッド12を備え、バリア/シード層13で覆われた(これは図面を簡略化するために一つの層として示す)、典型的なウエハー表面の横断面図を概略的に示す。ビア、トレンチ、及びパッドは、多くの場合、キャビティとして知られる。当該分野で周知のように、アスペクト比は、フィーチャーの深さdの、それらのより小さい横寸法または幅wに対する比である。我々の例において、より深いフィーチャーもまたパッケージング応用のような特定の応用に使用し得るが、深さdは0.1ミクロン〜2.0ミクロンの範囲であり得る。ビア10の幅はサブミクロンサイズであり得、そして、それらのアスペクト比(d/w)は1−10の範囲であり得る。トレンチ11はアスペクト比0.1−1を有し得、そして、パッド12は0.1より小さいアスペクト比を有し得る。例えば0.5ミクロンのフィーチャーの深さでは、ビアは0.1ミクロンの幅であり得、トレンチ11は2ミクロンの幅であり得、そして、パッドは20ミクロンの幅であり得る。
【0007】
図1Bは、先行技術の方法によって銅堆積が行われた後の図1Aの基板を示す。実線15は、2種の添加剤(促進剤及び抑制剤種)を含有する添加剤パッケージを使用する一般的なECDプロセスの結果として生じる銅膜の一般的なトポグラフィーを示す。これらの添加剤が、銅による高アスペクト比ビア10のボトムアップ充填を助長することは周知である。しかし、ボトムアップ充填のメカニズムは、フィーチャーのアスペクト比が小さくなればなるほど及び堆積がコンフォーマル(conformal)になればなるほど、効果的ではなくなる。その結果を、中間サイズのフィーチャーまたはトレンチ11上のスモールステップD1、及び、ラージフィーチャーまたはパッド12上の大きなステップD2として図1Bに示す。種々のサイズのフィーチャー上のこれらのステップの規模は、大きくてフィーチャーの深さdと同程度ということに留意すべきである。ビア10が密集したアレイ上に見られる過剰充填Oは、この例の2成分の添加剤パッケージを含有する電解液により堆積された銅膜で一般的に観察される。図1Bにみられるように、銅膜の表面のトポグラフィーは大きく、そして、この存在は、前述したようにCMP工程における難題である。
【0008】
図1Bの実線15により記載される銅トポグラフィーを改良する先行技術の方法によって、幾つかの発展がなされている。過剰充填Oを減少及び除去するために、第3の添加剤、レベラー、を電解質配合液に添加する。添加剤の濃度を留意深く制御することにより、ビア10が密集したアレイ上の銅のプロフィールを平坦にでき得、これは図1Bに点線16として示す。米国特許第6,346,479 B1号には、非−コンフォーマル電気めっきプロセスにおいて銅を堆積させて、フィーチャーの一部を埋める方法が記載されている。そして、第2の電気めっきプロセスを実施し、残りのまだ埋められていない開口部分またはフィーチャーに銅をコンフォーマルに堆積する。このようなアプローチは、点線の16及び17のそれぞれで記載した我々の例のトレンチ11のような中間サイズのフィーチャー上とできるだけ同様に、我々の例のビア10のような小さいフィーチャーが密集したアレイ上に平坦なプロフィールをもたらし得る。しかし、米国特許第6,346,479 B1号に開示されるように、第2の電気めっきプロセスは基板上に銅をコンフォーマルに堆積するが、図1Bの我々の例に示したパッド12のような大きなフィーチャー上のラージステップD2を除去し得ない。米国特許第6,350,364 B1号にはトレンチに銅を電気めっきする方法が記載されており、これは、最初の銅堆積工程は、光沢剤対レベラー濃度の第1の比を有し、そして、第2の銅堆積工程は、光沢剤対レベラー濃度の第1の比よりも小さい光沢剤対レベラー濃度の第2の比を有する。このように、図B1のステップD1を減少でき得ることが報告されている。当該分野で周知なように、銅電気めっき添加剤は図1Bのパッド12のような非常に小さいアスペクト比を有する非常に大きなフィーチャーにおいては操作可能でない。ゆえに、ステップD2は、このようなアプローチによって、大きく減少または除去されるとは予想されない。仮に、ウエハー上の最大のフィーチャーの幅の半分に近い値の厚みを有する非常に厚い銅層がめっきされた場合、D2のみ減少及び除去される(米国特許第5,256,565号、1993年10月26日を参照)。しかし、これは多数の配線設計を約10ミクロンを十分に超えるフィーチャーサイズに含むという事実を考慮すると実際的ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
上記の検討で示したように、パターン形成されたウエハー表面上で比較的平坦な銅トポグラフィーを得ることを目的とする先行技術の幾つかは、大きなまたは中間のアスペクト比のフィーチャーを有するウエハーのクラスに対して応用し得る。しかし、多数のIC配線設計は、与えられたウエハー表面上の広く多様なアスペクト比を有するフィーチャーを含有する。特に、マルチレベルの配線構造において、高電流配線(high-current-carrying-lines)の幅は、より高い配線レベルでこれらのアスペクト比が減少する一方で、増加する。それゆえ、広範囲のアスペクト比を有するフィーチャー上の銅の表面トポグラフィーを減少または除去する能力を有するアプローチが必要とされている。
【0010】
全てのフィーチャーサイズの銅表面トポグラフィーを減少または完全に除去し得る技術は電気化学メカニカル加工(Electrochemical Mechanical Processing(ECMPR))である。この技術は、図IBの例に示すステップD1、D2及び過剰充填Oを除去し、そして、ワークピース表面上の平坦な導電材料の薄層を提供し、あるいは、全くまたはほとんど過剰ではない導電材料を有するワークピース表面を提供しさえする能力を有する。このように、CMP工程は最小化または排除さえし得る。用語「電気化学メカニカル加工(ECMPR)」は、電気化学メカニカルエッチング(Electrochemical Mechanical Etching(ECME))と共に電気化学メカニカル堆積(Electrochemical Mechanical Deposition(ECMD))の両方を含むために使用され、これはまた電気化学的機械研磨(Electrochemical Mechanical Polishing(ECMP))と呼ばれる。一般的に、ECMD及びECMEの両方のプロセスは、両方ともワークピース表面上で電気化学プロセス及びメカニカル作用を含むために、電気化学メカニカル加工(ECMPR)として呼ばれることを留意すべきである。ECMPRの結果生じる典型的な平坦な銅表面プロフィールは、図1Bの平坦な点線18として示す。
【0011】
様々なECMPRアプローチ及び装置の記載が、以下の特許、公開された出願及び係属中の出願に見られ得、全ては共通に本発明の譲受人に所有される:表題「Method and Apparatus for Electrochemical Mechanical Deposition」である米国特許第6,126,992号、2001年12月18日に提出され、そして特許出願番号第20020020628号を有する2002年2月21日の米国出願として公表された表題「Plating Method and Apparatus that Creates a Differential Between Additive Disposed on a Top Surface and a Cavity Surface of a Workpiece Using an External Influence」である米国出願番号第09/740,701号、表題「Plating Method and Apparatus for Controlling Deposition on Predetermined Portions of a Workpiece」であるシリアル番号第09/961,193号を有する2001年9月20日に提出された米国出願、表題「Mask Plate Design」である2001年9月20日に出願されたシリアル番号第09/960,236号を有する米国出願、及び、表題「Low Force Electrochemical Mechanical Processing Method and Apparatus」である2002年5月23日に出願された米国出願番号第10/155,828号。これらの方法は、平坦様式でワークピース上のキャビティ部分中及び上に金属を堆積し得る。
【課題を解決するための手段】
【0012】
要約
本発明は、ECD及びECMPR技術を使用してワークピースの表面上に導電材料(銅のような)のほぼ平坦または平坦な層を形成するプロセスに関する。該プロセスは、好ましくは少なくとも2つの分離しためっき溶液ケミストリーを使用して、その表面上にフィーチャーまたはキャビティを有する半導体基板上にほぼ平坦なまたは平坦な銅層を形成する。
【0013】
一つの側面において、本発明は、上部表面に形成された第1及び第2キャビティを備えた上部表面を有する半導体ウエハー上に導電構造を形成するプロセスを提供する。該ウエハーの第1のキャビティは第2のキャビティより狭い幅を有する。
【0014】
該プロセスは、電着プロセスを使用することにより第1導電層を堆積する工程を含む。該堆積プロセスは第1添加剤組成物を含有する第1電解質溶液を使用する。第1キャビティ上で平坦な表面を及び第2キャビティ上で非平坦表面を形成する間、導電層はキャビティを完全に埋める。
【0015】
さらに、該プロセスは、第1及び第2キャビティ上に平坦な導電層を形成ために、第1導電層上に第2導電層を堆積する工程を含む。平坦な導電層は第1及び第2導電層を含み、そして、第2添加剤組成物を有する第2電解質溶液を使用する電気化学メカニカル堆積プロセスを使用して第2導電層を堆積する。
【0016】
本発明の上記及び他の特徴ならびに利点は、本発明の制限のない典型的な実施形態により図面を参照にして、以下の詳細な説明にさらに記載し、ここで、類似のリファレンス番号は、幾つかの図面を通して、本願の同様の部分を示す。
【0017】
詳細な記載
本発明のプロセスは、ECMDのようなECMPR技術を使用してワークピースの表面上に導電材料(銅のような)のほぼ平坦なまたは平坦な層を形成するプロセスに関する。本発明のプロセスは、好ましくは少なくとも2つの分離しためっき溶液ケミストリーを使用して、その表面上にフィーチャーまたはキャビティを有する半導体基板上にほぼ平坦なまたは平坦な銅層を形成する。本発明の特有の特色は、広く様々な形及び寸法のフィーチャーまたはキャビティを伴う基板にそれを適用し得るという事実である。例えば、該基板は、10ミクロンより大きい幅のトレンチ及び20ミクロンより大きいサイズのパッドまたはチャネルのような非常に低アスペクト比のフィーチャーと同様に、高アスペクト比で小さいサイズのフィーチャー(サブミクロンサイズのビアまたはトレンチのような)を有し得る。この典型的なウエハー上に500ミクロンより大きいフィーチャーでさえあり得る。本発明の第1段階において、小さいフィーチャーの欠陥のない充填に関して最適化しためっきプロセスを行う。この段階中、めっきは該ウエハー表面上でメカニカルスイーピング(sweeping)を伴わないノンタッチモードで行う。該ノンタッチプロセスは、最良のギャップ充填性能に関して最適化した第1添加剤ケミストリーを含む第1めっき溶液を使用する。このケミストリーは、促進剤及び抑制剤及び必要に応じてレベラーを含有し得る。この段階において、小さい及び中間サイズのフィーチャーは銅で完全に埋められるが、より大きいサイズのフィーチャーは部分的にまたは完全にコンフォーマルに銅層で被覆される。本発明の第1段階の結果生じる典型的な銅層の断面例は、断面30として図2に示す。全ての小さいフィーチャーが銅で埋められていることに注目すべきである。中間のサイズのフィーチャー上の小さいステップ及び大きいフィーチャー上の大きいステップがある。本発明の第1段階は、最も大きいフィーチャー上の銅レベルが絶縁層の上部表面のレベルと実質的に同じになるまで続き得る。この場合、より小さいステップは減少し得るが、大きいフィーチャー上のステップは実質的に同じままである。
【0018】
本発明の第2工程は、第2の添加剤ケミストリーを有する第2めっき溶液を伴う、一般的に少なくともECMDプロセスを含む、ECMPRタッチプロセスを使用し、これはこの平坦な堆積または平坦化工程に関して特に最適化される。この第2ケミストリーは、例えば、第1段階で使用し得る3種の添加剤のうち1種のみまたは2種を含有し得る。タッチ工程の持続時間によって、かなり平坦な(断面31を参照)または完全に平坦な(断面32を参照)銅断面が得られ得る。該タッチ工程の持続時間が増加するにつれて、表面はより平坦になる。いかなる場合でも、図1Bの先行技術の大きなトポグラフィーと比較した時の、図2の断面31及び32の減少した、より平坦なトポグラフィーは、CMPプロセスの効果を増大し、そして、ディッシング及び腐食のようなCMPに関係する欠陥を減少する。
【0019】
図3は、本発明を実施するために使用し得る典型的なECMPRシステム100を示す。該ECMPRシステムは、マスク、パッドまたはスイーパー(sweeper)のようなワークピースの表面に影響を及ぼすデバイス(workpiece-surface-influencing-device(WSID))102、ウエハーのようなワークピース106を保持するキャリヤーヘッド104、及び電極108を含む。該ウエハーは、ECMDプロセスを使用して銅でめっきされるシリコンウエハーであり得る。ウエハー106の前方表面110とWSID102の上部表面112の間の物理的な接触及び関連した動きがある時、WSID 102はECMDの少なくとも一部の間に使用する。ECMD中、電極108とウエハー表面の間で電位が発生している間、WSID102の上部表面112はウエハー106の表面110をスイープする。あるいは、幾つかの場合、WSID 102の表面112がウエハーの表面110をスイープした後すぐに電位が発生する。言い換えると、電位の発生及びWSID 102による基板表面のスイーピングは、上に記載した先行出願で詳細に記載されるように同時または連続的である必要はない。WSID 102のチャネル114は、銅めっき電解液のような工程溶液116がウエハー106の表面をに流れることを許容する。
【0020】
図4Aは、ウエハー106の前方表面110を示し、第1電気めっき溶液120を使用して電気めっきされる。表面110は、小さいフィーチャー112、中間サイズのフィーチャー124及び大きいフィーチャー126を含み得る。小さいサイズのフィーチャーはミクロンより小さい幅を有し得、一方、中間サイズのフィーチャーは1〜5ミクロンの幅の範囲を有し得る。大きなフィーチャーは10ミクロンより大きい幅を有し得る。フィーチャー122、124、126は、半導体ウエハー106上に形成される絶縁層128内に形成される。Ta、TaNまたはこれらの複合物Ta/TaNのようなバリア層130は、フィーチャーの内部及び絶縁層128の上部表面132を被覆する。上部表面132はまた、「フィールド領域」と呼ばれる。薄い銅層のようなシード層(図示せず)はバリア層上で被覆する。工程の間、ウエハー106はWSID(ノータッチめっき)から離して配置し、そして、ウエハーが回転及び横方向に移動する間、ウエハー106の前方表面1106をぬれさせるために、第1電気めっき溶液はWSIDを通して流れる。ウエハーと電極(即ち、アノード(図2参照))間でいったん電位が印加されると、第1銅層134aが形成される。第1銅層134aは、ボトムアップの様式で小さい及び中間サイズのフィーチャーを埋めるが、大きいフィーチャーは、その大きい幅のために、コンフォーマルに被覆される。
【0021】
プロセスの第1段階において、WSIDは型を作るめっき(shaping plate)として作用する。WSIDのチャネルが、プロセス溶液をウエハーの表面に流れることを可能にするだけでなく、めっき電流密度、そして、結果として生じる堆積した銅層の厚みのプロフィールを形作ることが重要である。開口部の分布、形及びサイズは、WSID上に低い、中間の及び高い堆積速度の領域を導き得る。該プロセス中、これらの領域上でウエハーを移動することにより、堆積する層の望ましい厚みのプロフィール(例えば、均一な厚みのプロフィール)を得る。厚みプロフィール制御の典型的なプロセスは、2001年1月17日に出願された米国特許出願第09/760,757号、表題「Method and Apparatus for Electrodeposition of Uniform Film on Substrate」(本発明の譲受人により共通に所有されている)で開示されている。望むのであれば、他の手段が均一堆積を生み出すことを提供するならば、このめっき工程はWSIDなしで行い得る。
【0022】
この具体例において、第1電気めっき溶液120は少なくとも2種の添加剤を含有し得、ボイド、継ぎ目及び他の欠陥が全くない小さいフィーチャーのボトムアップ充填を促進する。例えば、Enthone−OMI(登録商標)、West Haven、CTから入手できるCubath(登録商標)ViaFormTMAccelarator 0.8−2ml/l、及び、同社から販売されているCubath(登録商標)ViaFormTMSuppresspr 6−12ml/lを含有する高酸(high−acid)めっき電解液を、硫酸、硫酸銅、水及び塩化物イオンを含有するベーシックめっき浴ケミストリーに使用し得る。低酸(low−acid)バージョンのめっきケミストリーは、非常に異なる濃度の促進剤及び抑制剤(Enthone低酸ケミストリーの場合、促進剤濃度約4−8ml/l、及び、抑制剤濃度2−4ml/lのような)を必要とし得る。プロセス中、促進剤は、すばやく充填される小さいフィーチャーの銅のボトムアップ成長を可能にする。小さいフィーチャーの開口部の上部に吸着する抑制剤分子は、そこでの銅の成長速度を落とし、そして、これらのパッセージ(passage)の時期尚早の終結及びボイドの形成の両方を回避する。促進剤及び抑制剤種に加えて、本出願において先に議論した過剰充填現象を軽減または排除するための配合液にレベラーも添加し得る。レベラーは、めっき表面の高電流密度領域に優先的に吸着し、そして、この電流密度、そして結果として生じる突出の減少を助長する。0.5−2ml/lのレベラー濃度は、上述した典型的な高酸ケミストリー中の促進剤及び抑制剤種に加えて、この目的のために使用し得る。商品名Cubath(登録商標)ViaFormTMレベラーで販売されている典型的なレベラーはEnthone−OMI(登録商標)から入手できる。
【0023】
図4Bに示すように、第1のめっき溶液を用いるノータッチめっきがいったん完了すると、第2めっき溶液136を使用するECMDタッチめっき段階が、非コンフォーマル様式(non-conformal fashion)で第1銅層を被覆する第2層134bを形成する(キャビティにより多くの材料を堆積し、WSIDがスイープする表面領域ではより少なく堆積する)。このタッチめっきプロセス中、第2めっき溶液136が第1銅層134a上に送達されるとき、WSIDはフィールド領域上ならびに小さい及び中間サイズのフィーチャー上に位置する第1層134aの部分に接触し、そして、機械的にスイープする。第2めっき溶液のケミストリーと組み合わせると、WSIDのスイーピイング作用は、フィールド領域上及び既に充填されている小さいフィーチャー上で銅層の成長を遅くし、及び、大きいフィーチャー内で銅層の成長を促進し、そして、全体の銅堆積を平坦化する。ある時点で達成された平坦化の程度がCMPプロセス(これは堆積プロセスに続く)のような過剰充填除去プロセスを簡素化するに十分であれば、該プロセスのタッチめっき段階は全ての平坦化が達成される前に終結し得ることに留意すべきである。この実施形態において、第2のめっき溶液の添加剤ケミストリーはタッチめっき工程に関して最適化する。例えば、第2めっき溶液132はいかなるレベラーも含有しない。さらに、第2の電解液の促進剤対抑制剤の比は、第1電解液における比より高くなり得る。上述した典型的な高酸電解液を考慮すると、第2電解液の促進剤濃度は2−10ml/lの幅にあり得、一方、抑制剤濃度は2−8ml/lであり得る。全ての小さいフィーチャーが第1めっき工程によりウエハー上で既に充填され、ゆえに、これらの新しい添加剤濃度によりこのようなフィーチャー中にボイドが形成する原因となる危険性がないために、これは行われ得、仮に第1段階のプロセス中に使用すると、小さいフィーチャーの最適ではない充填が生じる。第2電解液は促進剤であるただ一種の添加剤を含有しさえする。ECMDプロセスにおける平坦化のために抑制剤のみまたは促進剤のみを含有する単独添加剤浴を使用し得るが、抑制剤のみを含有する浴と比較して促進剤のみを含有する浴における平坦化はより効果的であることを本発明者は観察した。図5Aは、ECMD装置及びEnthone Via−Form high acid VMS溶液を含有する硫酸銅電解液及び8ml/lのCubath(登録商標)ViaFormTMLevelerを使用して銅で被覆したウエハー上の5ミクロンの幅のトレンチの集束イオンビーム(FIB)イメージを示す。このプロセス中、200mmの直径の基板と銅アノードの間を4A−minの電荷が通過し、及び、WSIDが50rpmで回転しているウエハーに接触した。図5Aのイメージから分かるように、部分的な平坦化を示す基板の上部表面上よりフィーチャー内に比較的多くの銅が堆積される。図5Bは同様のウエハーの同じ部分から得たFIB断面を示すが、今回は、Enthone Via−Form high acid VMS溶液及び2.2ml/lのCubath(登録商標)ViaFormTMAcceleratorを含有する他の硫酸銅電解液中で同様に加工した。より良い平坦化効果を示す図5Aの場合よりこの場合のほうがフィーチャー内の銅堆積速度がより高いことが明らかである。図5Bにおいて、5ミクロンのトレンチにおける銅膜は完全に平坦である。この例は、溶液ケミストリーが本発明のタッチめっき段階における基板の最良の平坦化のために最適化され得ることを示す。
【0024】
本発明は、段階2のケミストリーの最適化とは別のプロセスの第1段階におけるケミストリーの最適化を可能にする。これは、上記の特許及び特許出願に記載したようなECMPRの第1及び第2工程の両方で同じケミストリーを使用できるが、さらに下記に記載するような各々独立した2つの段階においてケミストリーを最適化する能力を有することは魅力的及び有益であるために、重要である。
【0025】
主題の工程の第1段階で使用する添加剤の濃度及びタイプは、添加剤の特性、小さいフィーチャーの特性、バリア/シード層の性質などによって変わり得る。例えば、イオウを含む幾つかの促進剤種は弱いシード層と反応する。仮に、特定のウエハーについてのビアの側壁上でシード層が非常に薄い場合、この特定のウエハーを被覆するために使用するプロセスの第1段階の電解液の促進剤対抑制剤比を低下する必要があり得る。他のタイプのシード層を有する他のウエハーに関しては、最良のギャップ充填性能を得るために添加剤の相対的な濃度をさらに調整する必要があり得る。仮に小さいフィーチャーの密なアレイ上の過剰充填が問題をもたらす場合、促進剤及び抑制剤に加えて配合液にレベラーを含有する必要があり得る。
【0026】
電解質ケミストリー(これは第1段階における最良のギャップ充填のために調整する)は、平坦化を行う際、該プロセスの第2段階に対して最良なものではないかもしれない。例えば、レベラーはウエハー表面上の高電流密度領域に誘引されることが知られている。しかし、ECMDプロセスは基板表面上のキャビティにおける成長を、WSIDによりスイープされたウエハーの上部表面と比較してこのようなキャビティにおける堆積電流密度を増加することにより、促進することが知られている。ゆえに、該プロセスの第2段階で使用される電解液中のレベラーは平坦化効果をより低下し得る。これは該プロセスの第1段階(ノータッチ工程)中でプロセス電解液中の添加剤(レベラーのような)の存在がどれほど好ましいのかの例であり、これに対して、第2段階(タッチめっき工程)においては、その存在は必要でないか望ましくない。同様に、促進剤対抑制剤の比がより高いことは、前述したように該プロセスの第1段階より第2段階において望ましいかもしれない。図5Bの実験は、ただ一つの促進剤種を含有する電解液は該プロセスの第2段階において首尾よく使用し得ること(このような配合液は第1段階において首尾よく使用し得ないとしても)を示した。第2プロセス工程におけるただ一種の添加剤の使用は、総添加剤消費を減少し、添加剤測定及び制御システムを簡素化し、費用を削減し、そして、スループットを増加させて平坦化効果を改良し得る。堆積された膜の総不純物含量もまた、このアプローチによる減少し得る。
【0027】
本発明の原理に従うと、該プロセスの第1及び第2段階は同じプロセスモジュールまたは複数のプロセスモジュールにおいて実施され得る。仮に、同じプロセスモジュールアプローチを両方の段階で実施するために使用すると、第1及び第2段階は連続的に実施し、そして、第1段階のための第1溶液及び第2段階のための第2溶液を使用する。上に十分記載されるように、第1溶液ケミストリーはウエハー上のフィーチャーのボトムアップ充填を高める添加剤を含有する。そして、第2溶液ケミストリーは、第1段階で使用し得る3種の添加剤のうち一種のみまたは二種を含有し、そして、平坦な銅層を得るために特に最適化される。仮に、複数のプロセスモジュールがあるなら、第1段階は第1溶液ケミストリーを伴うプロセスモジュールの第1または第1群において行い得、そして、第2段階は、第2溶液ケミストリーを使用するプロセスモジュールの第2または第2群と共に行い得る。二段階堆積に続いて、ウエハーはクリーンにされ、そして、平坦なまたはほぼ平坦な銅の過剰充填はCMPまたは他の(例えば電解研磨)除去法を使用して除去される。銅の過剰充填は、アニ−リング工程前または後に除去され得る。
【0028】
本プロセスの第2段階の後、銅の過剰充填の厚みを減少するために、必要に応じて第3及び第4工程さえ使用し得ることを留意すべきである。プロセスの第2段階の後、銅除去プロセスは、電気化学エッチングまたは研磨段階あるいはECME(電気化学メカニカルエッチングまたは研磨)段階のいずれかを行うプロセスの第3工程として実施し得る。除去プロセスはまた、第3及び第4段階として両方の工程を連続的に使用して(例えば、タッチECMEに続くノータッチ電解エッチング(no-touch electroetching)工程、または、ノータッチ電解エッチングに続くタッチECME)実施し得る。薄く平坦な堆積は、第1及び第2段階でECMD技術を使用して平坦な層を最初に堆積すること、そして、印加された電圧を逆方向にすることにより同じ電解液中または電解エッチング溶液中でこの平坦な膜を電解エッチングまたは電解研磨することにより得られ得る。この方法では、堆積層の厚みもまた平坦化様式において減少され得る。実際、エッチングは、フィールド領域上の全ての金属が除去されるまで継続し得る。印加された電圧の極性を逆方向にして、そして、電極と比較してよりワークピース表面をより陽極する一方、これらの技術は第2段階に連続して及び電解エッチング溶液として第2溶液を使用して実施され得る。あるいは、電解エッチング溶液を含有する第3溶液がプロセスの第3段階及び第4段階で第2溶液と置換し得、例えば、ノータッチ電解エッチング(第3段階)はタッチECME(第4段階)へと続く。この点で、タッチECMEプロセス段階のような第4段階は第4溶液を使用して実施し得る。
【0029】
図6は、多数のモジュールA、B、C及びDを使用するシステム150の典型例である。この典型的な形態において、モジュールA及びBはECDまたはECNDモジュールであり得、第1プロセス溶液を用いるプロセスの第1段階を実施する。該プロセスの第2段階はモジュールCにおいて実施され得、これはまたECMDモジュールであり得、第2プロセス溶液を使用する。モジュールDはECMEモジュールであり得、上記の第3段階(第2プロセス溶液または第3プロセス溶液を使用するノータッチ電解エッチングまたはECMEのような)を実施し、または、第4電解エッチング工程(タッチECMEのような、これは第3段階で使用するプロセス溶液または電解エッチング溶液のような第4プロセス溶液を使用する)を実施する。あるいは、モジュールA、B、C及びDは、前で説明した二つの異なる溶液を使用するプロセスの第1及び第2段階を行うECDまたはECMDモジュールであり得る。各々の異なるモジュールの数は、第1及び第2段階プロセスのスループットに依存する。ロボットは種々のモジュール間でウエハーを移動させるために使用する。図7は、二段階プロセスに適用したシングルプロセスモジュールアプローチを使用する好ましいシステム200を例示する。
【0030】
図7に示すように、システム200は第1プロセスモジュール(PM1)202及び第1プロセス溶液モジュール(PSM1)204を含有する。PM1は、プロセス溶液及び電極(アノード)208を保持するためのプロセス容器206を含む。該プロセス容器は、2リッターより少ない、好ましくは1リッターより少ない容積を有し得る。該プロセス容器の上部開口部210はWSID 212で閉じられる。WSID 212の上部に、本発明のプロセスにより加工されるウエハー214がウエハーキャリア217により保持される。PSM1は、プロセス溶液供給ユニット216、第1バルブ218、第2バルブ220及びドレイン222を備える。該供給ユニット216は、第1バルブ218を経て、新しいプロセス溶液をプロセス容器に供給する。プロセス容器206からの使用した溶液は、第2バルブ220を経て供給ユニットまたはドレイン222に引き戻す。
【0031】
図7を参照すると、プロセス供給ユニット216は、プロセスの第1段階のための第1溶液を貯蔵する第1タンク224、プロセスの第2段階のための第2溶液を貯蔵する第2タンク226を備える。第1溶液、第2溶液、第1段階及び第2段階の説明は、上の記載で与えられる。使用された溶液がユニット216に収容される時、これらの添加剤及びめっき溶液ケミストリーはチェックされ、そして、補充され、このため、タンク224、226は適切なケミストリーを含むプロセス溶液を常に保持している。供給ユニット216はまた、DI水を貯蔵するためのリンスタンク228を含有する。DI水は各プロセス段階の開始前にプロセス容器206を洗浄するために使用する。DI水は、タンクからよりむしろDIラインから直接到達し得る。タンク224、226及び228は、供給ライン224’、226’及び228’を通してバルブ218に接続する。バルブ218は、ライン230を通してプロセス容器206に接続する。さらに、使用された溶液(第1、第2及びリンス溶液)は、ライン232を通してバルブ220に導かれる。バルブ220から、第1溶液はライン234を介して第1タンクに捕集され、第2溶液はライン236を介して第2タンクに捕集される。バルブ220からのリンス溶液はドレイン222に送られる。
【0032】
典型的なプロセスシーケンスにおいて、プロセスの第1段階では、PSM1の第1溶液タンク224からの第1プロセス溶液が、バルブ218を介して、PM1のプロセス溶液容器206に注がれ、そして、リターンライン236を通して循環して戻る。ウエハー214が加工された後、DI供給のためにバルブ218を回転させ、そして、リンスタンク228からのDI水をバルブ218を介してプロセス容器206に送り、第1溶液の残渣からプロセス容器をクリーンにする。クリーニング中、バルブ218は周期的に閉じ得、そして、バルブ220を開放して、使用したリンス溶液をドレイン222に送る。リンス後、プロセスの第2段階を第1段階と同様に実施するが、第2タンク226からの新しい第2溶液を使用し、補充及び貯蔵目的のために、使用した第2溶液を第2溶液タンク226に戻す。プロセスの第2段階後、本願のプロセスに従って加工される次のウエハーのために、プロセス容器をもう一度リンスする。種々の溶液をプロセスモジュールに供給する多数の方法があることを留意すべきである。ここで与える例は多数の可能性の一つに過ぎない。例で使用する2つの溶液がそれぞれに相溶性の場合、あいだのリンス工程は省略し得、少量の該溶液の混合が可能となり得る。
【0033】
図8A−8Cは、本発明の第2の実施形態を示す。第2の実施形態において、第1段階では、最大フィーチャー内の銅レベルが、少なくとも、絶縁層の上部表面のレベルに到達するまで、全てのフィーチャーは銅で充填される。この段階中、ウエハー表面上をメカニカルスイーピングしないノータッチ(電着またはECD)モードでめっきを行う。この段階は、電着システム及びプロセスを使用して実施され得る。しかし、ノータッチプロセスを利用するECMPRシステムもまた使用し得る。該プロセスは、最良のギャップ充填性能及び最良の質の銅のために最適化される第1添加剤ケミストリーを有する第1めっき溶液を使用する。このケミストリーは、促進剤、抑制剤及び必要に応じてレベラーを含有し得る。このアプローチと共に、大きいフィーチャーと同様に小さいフィーチャーの欠陥のない充填のために最適化されるめっき工程を行い、小さい、中間の及び大きいフィーチャーを少なくとも絶縁層の上部表面のレベルまで良質の銅を完全に充填する。本発明の第1段階から生じる典型的な銅層断面の例を図8Aに示す。全てのフィーチャーがいったん銅で充填されると、中間サイズのフィーチャー上の小さいステップ及び大きいフィーチャー上に大きいステップができることに留意すべきである。そして、これらのステップは次の平坦化工程における平坦な犠牲層の堆積により除去される。
【0034】
プロセスの第2段階は平坦化工程であり、第2添加剤ケミストリーを有する第2めっき溶液を用いる、一般的にはECMDプロセスを含む、ECMPRタッチプロセスを使用し、これは特にこの平坦な堆積または平坦化工程のために最適化される。この実施形態の第2段階は、第1段階が実施される同じプロセスモジュールまたは異なるプロセスモジュールのいずれかにおいて実施され得る。仮に同じECMPRシステムで実施するならば、第1めっき溶液は第2溶液で置換され得る。さらに、該プロセスの第2段階は第2溶液を使用する異なるECMPRシステムにおいて実施し得る。タッチプロセスと共に、堆積させた銅は、第1段階で形成された銅層上のステップを埋め、そして、平坦な層を形成する。第1段階で堆積した銅が既にフィーチャーを埋めているため、第2段階で堆積される銅は表面で平坦な銅層を形成するため(即ちウエハー表面を平坦にする)である。この平坦化段階で使用される第2ケミストリーは第1段階で使用し得る3種の添加剤の一種のみまたは二種を含有し得る。第2ケミストリーから生じる銅の質は3つの成分を使用する第1ケミストリーからの銅の質ほど良質でないかもしれない。第2工程で堆積される銅が犠牲であり、及び、後に除去するため、これは許容され得る。
【0035】
本プロセスの第1と第2段階の間で必要に応じたアニーリング工程があり得ることに留意すべきである。言い換えると、第1工程は全てのフィーチャーを良質な銅で充填するため、図8Aに描いた結果として生じる膜をアニールし得、平坦な層を得るための第2工程に続く前にこの膜のざらざらした構造を成長及び固定化させる。
【0036】
第2工程の結果及び持続時間に依存して、実質的に平坦である銅断面が得られ得る。前記実施形態に記載したように、タッチ工程の持続時間が増加するにつれて、表面はより平坦になる。
【0037】
プロセスの第2段階により提供されるより平坦なトポグラフィーは、例えば、電解研磨または電解エッチング工程を使用する次の第3段階または材料除去段階の効果を増加する。電解研磨または電解エッチングは、基板と電極の間で極性を逆方向にすることにより同じECMPRシステムにおいて実施され得る。従来の平坦化工程で使用される第2溶液は逆転極性条件下でエッチング溶液として使用され得る。しかし、第2溶液はまた、電解研磨プロセスを行うために、特別に配合されたエッチング溶液と置換され得る。あるいは、電解研磨プロセスは、別々のエッチング溶液を使用する別々の電解研磨モジュールにおいて実施され得る。この代替の電解研磨システムは、電気化学メカニカルエッチングまたは研磨モジュールあるいは電解研磨プロセス中にウエハー表面上でメカニカル作用を誘導しない電気化学研磨モジュールであり得る。この出願全体を通して、電気化学エッチングまたは電気化学研磨は、電気化学手段により材料を除去する同じプロセスについて述べていることに留意すべきである。同様の電気化学メカニカルエッチング(ECME)及び電気化学的機械研磨(ECMP)はプロセスの同じ群について述べている。
【0038】
めっきされた基板に適用する際、電解研磨プロセスは第2ケミストリーを使用する平坦化工程において堆積した銅層を完全に除去し得、一方、第1ケミストリーを使用するECD工程において堆積した銅層を部分的に除去している。第1ケミストリーで堆積した銅の部分的に除去された部分は、フィーチャーの外側の銅部分である。該実施形態において、プロセスの第2段階に続く工程が電解研磨プロセスであるが、CMPプロセスもまた平坦な層を除去するために使用し得、そして、本発明の範囲内である。本明細書で使用したように、フィーチャーにはキャビティ、ビア、トレンチ及びパッドを含む。
【0039】
さらに図8Aを参照にすると、ウエハー306の前方表面310は、第1電気めっき溶液320を使用して電気めっきされる。該表面310は小さいフィーチャー322、中間サイズのフィーチャー324及び大きいフィーチャー326を含有する。以前の実施形態のように、小さいサイズのフィーチャー322はミクロンより狭い幅を有し得、一方、中間サイズのフィーチャーは1〜5ミクロンの幅の範囲を有し得る。大きいフィーチャーは10ミクロンより広い幅を有し得る。フィーチャー322、324、326は、半導体ウエハー306上に形成される絶縁層328内に形成される。バリア層330は、該フィーチャーの内部及び上部表面332または絶縁層328のフィールド領域を被覆するために使用し得る。しかし、幾つかの技術においては、バリア層は使用されず、そして、このような技術もまた本発明の範囲内であると理解される。従来、薄い銅層のようなシード層(図示しない)は、バリア層上を被覆し得る。プロセス中、仮に該プロセスがECMPRモジュールにおいて実施されるならば、ウエハー306はWSID(ノータッチめっき)から離して配置し、そして、ウエハーが横方向移動及び回転する間、ウエハー306の前方表面310をぬらすために、第1電気めっき溶液はWSIDを通して流す。あるいは、仮に該プロセスがECDチャンバーにおいて実施されるならば、第1電気めっき溶液は前方表面310に対して直接流れる。ウエハーと電極(即ちアノード)の間にいったん電位が印加されると(図2に示される)、第1銅層334aまたは一次銅が形成される。図8Aを参照すると、以前の実施形態とは異なり、一次銅334aが、小さい、中間のサイズ及び大きいフィーチャーを充填する(即ち、大きなフィーチャーでさえ、少なくとも絶縁層の上部表面のレベルまで銅で充填される)。以前の実施形態において、それがボトムアップ様式で小さい及び中間サイズのフィーチャーを満たすが、第1銅層は大きいフィーチャーをコンフォーマルに被覆し、それを必ずしも完全に充填する必要はない。
【0040】
この実施形態において、第1電気めっき溶液320は、ボイド、継ぎ目及び他の欠陥を全く伴うことなく全てのサイズのフィーチャーの充填を高めるために、少なくとも二種の添加剤を含有し得る。溶液320のケミストリーは小さいまたは中間サイズのフィーチャー上で平坦な膜を形成する。平坦な膜の厚み「t」が大きいフィーチャーの幅「d」よりおおよそ大きい場合、めっきプロセスの第1段階は停止する。t≧d状態は、大きいフィーチャー内の銅層の厚みもまたおおよその「d」より大きく、そして、大きいフィーチャーは銅で完全に満たされることを示す。一次銅は、アニーリング及び他の堆積後手順後、良好なストレスマイグレーション及びエレクトロマイグレーション特性を提供する良質な銅である。例えば、1.5ml/lのCubath(登録商標)ViaFormTMAccelerator、8ml/lのCubath(登録商標)ViaFormTMSuppressor及び2ml/lのCubath(登録商標)ViaFormTMLeveler(全てEnthone−OMI(登録商標)、West Haven、CTから入手できる)を含有する高酸めっき電解液は、硫酸、硫酸銅、水及び塩化物イオンを含有する第1溶液ケミストリーにおいて使用し得る。プロセス中、促進剤は速やかに充填される小さいフィーチャーにおける銅のボトムアップ成長を可能にする。小さいフィーチャーの開口部の上部に吸着する抑制剤分子はここでの銅成長を遅くし、そして、これらの経路の時期尚早の閉鎖及びボイドの形成を回避する。レベラーは過剰充填現象を軽減または除去し、そして、めっき表面の高電流密度領域上に優先的に吸着し、そして、この電流密度の減少を助長し、そして、結果として生じる突出及び隆起を最小化する。レベラーのない2成分のケミストリーもまた、ほぼ均一な厚みの銅が、過剰の隆起や過剰充填を伴わず、小さい及び中間サイズのフィーチャー上で得られる限り、このプロセスのために使用し得る。
【0041】
図8Bに図示するように、第1めっき溶液を用いるめっきがいったん完了すると、第2めっき溶液336を使用するECMDタッチめっき段階は、中間サイズの及び大きいフィーチャー上のステップまたはキャビティ内により多くの材料を堆積し、かつ、WSID 102がスイープした表面領域上にはより少なく堆積する、平坦様式で一次銅334aを被覆する第2層334bまたは犠牲銅を形成する。タッチめっきプロセスを使用するこの平坦化段階中、第2めっき溶液336が一次銅334a上にもたらされると、WSIDはフィールド領域上ならびに小さい及び中間サイズのフィーチャー上に位置する第1層334a部分に接触し、機械的にスイープする。第2めっき溶液336のケミストリーと合わせると、WSID 102のスイーピング作用は、フィールド領域上及びすでに充填されている小さいフィーチャー上の銅層334bの成長を遅らせ、そして、大きいフィーチャーにおける銅層の堆積を促進し、そして、全体の銅堆積を平坦にする。犠牲銅は次の材料除去プロセスにおいて平坦な銅表面を生成する。材料除去工程(単数又は複数)中、犠牲銅は完全に除去される。
【0042】
第2めっき溶液336は、それが幾らか少量(0.5ml/lのような)含有され得、そして、それが促進剤のみを含有するケミストリーのような1成分ケミストリーまたは促進剤及び抑制剤を含有するような2成分のケミストリーを使用し得るとしても、好ましくはいかなるレベラーも含有しない。仮に第2溶液が1成分溶液ならば、促進剤濃度は1−10ml/lの範囲にあり得る。仮に第2溶液が2成分溶液であるならば、第2溶液中の促進剤濃度は1−10ml/lの範囲にあり得、一方、抑制剤濃度は1−10ml/lの範囲にあり得る。言い換えると、プロセスウィンドウは非常に広くなり得る。第1めっき工程により全ての小さいフィーチャーが既にウエハー上で満たされており、そのために、これらの新しい添加剤濃度によりこのようなフィーチャーにボイドが形成される危険性がないために、これが行われ得、これは、仮に第1段階中に使用したならば、小さいフィーチャーにおいて最適でない充填が生じる。仮にその時点で達成された平坦化の程度が電解研磨またはCMPプロセスのような厚み減少プロセス(これらは堆積プロセスの第2段階に続く)を簡素化することに関して十分であるならば、全ての平坦化が達成される前に、該プロセスのタッチめっき段階は終結し得ることに留意すべきである。
【0043】
2つの異なるケミストリーの使用が本明細書に記載されているが、本発明はまたプロセスの第1及び第2段階のために同じケミストリーを使用することも用いられ得ることに留意すべきである。しかし、この場合、第1段階において良質な銅及び第2段階において良好な平坦化を提供するために、ケミストリーを選択する必要がある。2種の添加剤(促進剤及び抑制剤)を有する電解液または3種の添加剤(促進剤、抑制剤及びレベラー)を伴う電解液(ここで、レベラー濃度は低い)は、この目的のために使用し得る。例えば、商業的な入手できる低酸ViAFormケミストリーはEnthoneにより供給され、標準的なECD添加剤濃度は促進剤約6ml/l、抑制剤約2ml/l及びレベラー約2ml/lである。仮に一つの3成分ケミストリーを本発明において使用するならば、第2工程の平坦化性能に悪影響を及ぼさないために、レベラー濃度は1ml/l以下に、例えば0.5ml/lに削減し得る。
【0044】
あるいは、大きいフィーチャーを完全に充填する一方で小さいフィーチャー上に平坦なプロフィールを得るために本発明で使用する第1工程において2成分ケミストリーを使用し得る。このような工程の例は、2003年1月30日に出願された表題「Method of Electroplating Copper Layers with Flat Topography」である米国仮出願番号第60/444,355号に見られ得、これは本発明の譲受人に譲渡されている。この代わりのアプローチにおいて、第1段階中、10ミクロンより狭い幅または好ましくは5ミクロンより狭い幅を有するフィーチャーを埋めた後に、より幅広いフィーチャー(>10ミクロン)を図8Aに示す「d」より大きい厚みになるよう銅で充填することはインターバルを伴って連続し、インターバル中、既に充填されたより狭いフィーチャー上の銅堆積の成長速度を制御している。既に充填されたより狭いフィーチャー上の銅堆積の局部的な成長速度を制御することは、めっきインターバル中の制御プロセスを適用することにより達成し得る。選択された制御プロセスの適用は、既に充填された小さい及び中間サイズのフィーチャーを被覆している銅上の平坦化されていないトポグラフィー(即ち隆起)の形成を抑制している。この実施形態において、大きい幅のフィーチャーが完全に満たされる(即ち銅の厚みが>dとなる)まで、選択された制御プロセスは、インターバル中、逆電位パルスシーケンス(またはパルス波形)を適用し得る。パルス波形の使用は銅層の表面上の促進剤濃度を都合よく低下し、これは狭い幅のフィーチャー上に形成する。この工程後、第2段階または平坦化工程は上記の方法のように実施し得る。この場合、第2段階は、同じプロセス溶液を使用する同じプロセスチャンバーにおいて実施し得る。
【0045】
図8Cに示すように、本プロセスの第2段階後、前の工程を使用してウエハー上で形成される銅層の厚みを減少するために、必要に応じて第3及び第4工程までも使用し得る。前の実施形態に関して、プロセスの第2段階後、電気化学エッチングまたは研磨段階あるいはECME(電気化学メカニカルエッチングまたは研磨)段階のいずれかを行うプロセスの第3段階として銅除去プロセスが実施され得る。薄く平坦な堆積は、上記の2段階プロセスを使用して平坦な層を最初に堆積し、そして、電解エッチングまたは研磨溶液中でこの平坦な膜を電解エッチングまたは電解研磨することにより得られ得る。このように、銅層の厚みは平坦化方法において減少し、そして、フィールド領域332及びフィーチャー上の平坦化された1次銅340を除去しながら、犠牲銅は完全に除去される。実際、フィールド領域上のバリア層330を暴露する一方で、フィーチャーの第1銅と隣接しながら、フィールド領域332上の全ての1次銅が除去されるまで、電解エッチングまたは電解研磨は継続し得る。プロセスの第3及び/または第4段階において、リン酸溶液のような電解エッチングまたは電解研磨溶液を含む第3溶液は銅の厚みを減少するために使用し得る。例えば、ノータッチ電解エッチング(第3段階)はタッチECME(第4段階)へと続き得る。この点において、タッチECMEプロセス段階のような第4段階はまた、第4溶液を使用して実施し得る。
【0046】
第4のECMEまたは電気化学的機械研磨(ECMP)工程を実施することにより、銅残渣除去のためのプロセスウィンドウが開かれ得る。言い換えると、銅のバルクを電解研磨により除去した後、電気化学メカニカル研磨工程のために、銅表面に保護層を形成する新しい溶液を使用し得る。アノード電圧印加下では、この保護層は銅表面で極性を増加し、ゆえに、電解エッチングまたは研磨を減少する。パッドが銅表面に接触し及び保護層をスイープする部分において、極性は減少し、そして、エッチング/研磨は促進される。パッドは銅層の最も上の表面に接触するため、銅層の上部は除去され、ECMEまたはECMP工程においてパッドによりスイープされない銅表面は保護層により保護され、これらの部分の過剰エッチングを回避し、そしてディッシング(dishing)を減少する。これらの技術はまた、印加した電圧の極性を逆にし、そして、ワークピース表面を電極と比較してさらにアノードにしながら、第2段階に続いて及び電解エッチング溶液として第2溶液を使用して実施され得る。
【0047】
上部表面からの銅を除去した後、バリア層もまた、CMP、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching(RIE))及び電気化学メカニカル研磨プロセスの少なくとも一つにより除去し、各々電気的に絶縁した銅構造の形成を完全にする。
【0048】
図9は、プロセスの様々な段階を実施するためのECD、ECMD、ECMEまたは電解研磨、CMP及びアニールモジュールのような多数のモジュールを使用するシステム350を例示する。プロセスの第1段階は、第1供給タンク354から供給された第1プロセス溶液を使用して、ECDモジュール352において実施し得る。プロセスの第2段階は第2供給タンク358から供給される第2溶液を使用してECMDモジュール356において実施し得る。第3段階、電解研磨段階は、第3供給タンク362から供給される第3プロセス溶液(これは電解エッチングまたは電解研磨溶液であり得る)を使用する電解研磨チャンバー360において実施し得る。しかし、代替的に、第3段階は、ECMEまたはECMPチャンバーにおいて実施し得る。ECMEモジュールを使用する場合、電解研磨はノータッチECMEまたはタッチECMEプロセスを使用して実施し得る。第3段階はまたCMPモジュール364においても実施し得る。種々のモジュール間でウエハーを移動するためにロボットを使用する。アニールモジュール366は、ECMEプロセスの前または後に、めっきされた銅をアニールするために必要に応じて使用し得る。アニールはまた、ECD工程の後またはECD及びECMD工程の後に実施し得る。
【0049】
本発明のプロセスシーケンスは、図9に示す一つの好ましい実施形態とは異なる分離したシステムに位置するモジュールにおいても実行し得る。プロセスフロー(リンス及び乾燥、エッジ銅除去など)中に行われ得る他のプロセスは、本分野において周知であり、そして、簡潔のために本明細書には記載していない。
【0050】
もちろん、前述の事項は本発明の好ましい実施形態に関し、そして、改良は本発明の目的及び範囲と離れてなされ得ると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【0051】
【図1A】図1Aは、その上に導体の適用を必要とする典型的なウエハーの横断面図を示す。
【図1B】図1Bは、従来の方法を使用してその上に適用した導体を有する図1Aの典型的なウエハーの横断面図を示す。
【図2】図2は、本発明に従う方法を使用してその上に適用した導体を有する図1Aの典型的なウエハーの横断面図を示す。
【図3】図3は、本発明を実施するために使用され得る典型的なECMPRシステムの一部を示し;
【図4A】図4A−4Cは、本発明に従うプロセスの異なる段階での典型的なウエハーの断面を示し;
【図4B】図4A−4Cは、本発明に従うプロセスの異なる段階での典型的なウエハーの断面を示し;
【図4C】図4A−4Cは、本発明に従うプロセスの異なる段階での典型的なウエハーの断面を示し;
【図5A】図5A及び図5Bは、本発明に従う様々な方法で加工したウエハーの集束イオンビームイメージを示し;
【図5B】図5A及び図5Bは、本発明に従う様々な方法で加工したウエハーの集束イオンビームイメージを示し;
【図6】図6は、本発明に従うプロセスを実行するために使用され得るモジュールのシステムを示し;
【図7】図7は、本発明に従うシングルプロセスモジュールと共に使用するためのプロセス供給システムを示し;
【図8A】図8Aは、該プロセスの第2の実施形態に従い加工されたウエハー表面の横断面図を示し、ここで導体層は該ウエハー上のフィーチャーを充填し、そして該ウエハー表面上の平坦でない層を形成する);
【図8B】図8Bは、図8Aに示したウエハー表面を示し、ここで平坦な導体層は該ウエハー表面上に形成される);
【図8C】図8Cは、図8Bに示したウエハー表面を示し、ここで平坦な導電層は電解研磨される;そして、
【図9】図9は、本発明のプロセスの第2の実施形態を行う典型的なシステムを示す。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
以下の工程:
第1導電層を電着して、第1フィーチャー及び第2フィーチャーを完全に充填する工程;及び、
該第1導電層上に第2導電層を電気化学的機械的に堆積して、平坦な導電層を形成する工程、
を含み、上部表面を有する半導体ウエハー(ここに配置した該第1フィーチャー及び該第2フィーチャーを備え、該第1フィーチャーは第1幅を有し及び該第2フィーチャーは最大幅を有する)上で導電性構造物を形成するプロセス。
【請求項2】
電着工程が第1添加剤組成物を有する第1電解質溶液を含み、及び、電気化学的機械的堆積工程が第2添加剤組成物を含有する第2電解質溶液を含む請求項1のプロセス。
【請求項3】
該平坦導電層を化学的機械研磨する工程をさらに含有する請求項1または2のプロセス。
【請求項4】
該平坦導電層を電解研磨する工程をさらに含有する請求項1または2のプロセス。
【請求項5】
電解研磨工程が実質的に全ての該平坦導電層を除去する請求項4のプロセス。
【請求項6】
該平坦導電層を化学的機械研磨する工程をさらに含有する請求項4または5のプロセス。
【請求項7】
化学的機械研磨工程が該半導体ウエハーの該上部表面から該第2導電層を除去する請求項6のプロセス。
【請求項8】
該化学的機械研磨工程が該半導体ウエハーの該上部表面から該第1導電層を除去する請求項7のプロセス。
【請求項9】
該化学的機械研磨工程が該第2フィーチャーから該第1フィーチャーを電気的に絶縁する請求項8のプロセス。
【請求項10】
第1導電層を電着する工程が、該第2フィーチャーに該第1導電層を、該第2フィーチャーの深さより大きいまたは同等である厚みに堆積する、いずれかの前記請求項のプロセス。
【請求項11】
第1導電層を電着する工程が、該第2フィーチャーに該第1導電層を、該第2フィーチャーの深さより大きいまたは同等である厚みに堆積する、請求項2〜10のいずれかのプロセス。
【請求項12】
該第1導電層をアニールする工程をさらに含有する、いずれかの前記請求項のプロセス。
【請求項13】
該第2導電層をアニールする工程をさらに含有する、いずれかの前記請求項のプロセス。
【請求項14】
いずれかの前記請求項のプロセスを含有して製造される集積回路。
【請求項15】
該第1導電層及び該第2導電層が銅である、いずれかの前記請求項のプロセス。
【請求項16】
第1フィーチャー及び第2フィーチャーを第1導電層で完全に充填するように構成された電着モジュール;及び、
第1導電層上に第2導電層を堆積し、平坦導電層を形成するように構成された電気化学メカニカル堆積モジュール、
を含み、上部表面を有する半導体ウエハー(ここに配置した該第1フィーチャー及び該第2フィーチャーを備え、該第1フィーチャーは第1幅を有し及び該第2フィーチャーは最大幅を有する)上に導電性構造物を形成するシステム。
【請求項17】
該電着モジュールが第1添加剤組成物を有する第1電解質溶液を含み、及び、該電気化学メカニカル堆積モジュールが第2添加剤組成物を有する第2電解質溶液を含む請求項16のシステム。
【請求項18】
該第2フィーチャーから該第1フィーチャーを電気的に絶縁するために上部表面から該平坦導電層を除去するように構成された化学的機械研磨(CMP)モジュールをさらに含む請求項16または17のシステム。
【請求項19】
該電着モジュールが、該第2フィーチャーに、該第2フィーチャーの深さより大きいまたは同等である厚みを有する第1導電層を堆積する、請求項16〜18のいずれかのシステム。
【請求項20】
導電層をアニールするためのアニーリングモジュールをさらに含む請求項16〜19のいずれかのシステム。
【請求項21】
該導電層が銅を含有する請求項16〜20のいずれかのシステム。
【請求項22】
平坦導電層の厚みを減少するように構成された電解研磨モジュールをさらに含む請求項16〜21のいずれかのシステム。
【請求項23】
該電解研磨モジュールが実質的に全ての平坦導電層を除去する請求項22のシステム。
【請求項24】
該第2フィーチャーから該第1フィーチャーを電気的に絶縁するために上部表面から該平坦導電層を除去するように構成された化学的機械研磨(CMP)モジュールをさらに含む請求項22のシステム。
【請求項25】
第1フィーチャー及び第2フィーチャーを第1導電層で完全に充填するように、かつ、平坦導電層を形成するために第1導電層上に第2導電層を堆積するように構成された堆積モジュール、
を含み、上部表面を有する半導体ウエハー(ここに配置した該第1フィーチャー及び該第2フィーチャーを備え、該第1フィーチャーは第1幅を有し及び該第2フィーチャーは最大幅を有する)上に導電性構造物を形成するシステム。
【請求項26】
該堆積モジュールが、該第2フィーチャーに、該第2フィーチャーの深さより大きいまたは同等である厚みを有する第1導電層を堆積する、請求項25のシステム。
【請求項27】
該第2フィーチャーから該第1フィーチャーを電気的に絶縁するために上部表面から該導電層を除去するように構成された化学的機械研磨(CMP)モジュールをさらに含有する請求項25または26のシステム。
【請求項28】
該平坦導電層の厚みを減少するように構成された電解研磨モジュールをさらに含む請求項25〜27のいずれかのシステム。
【請求項29】
該第2フィーチャーから該第1フィーチャーを電気的に絶縁するために該平坦導電層を除去するように構成された化学的機械研磨(CMP)モジュールをさらに含む請求項28のシステム。
【請求項1】
以下の工程:
第1導電層を電着して、第1フィーチャー及び第2フィーチャーを完全に充填する工程;及び、
該第1導電層上に第2導電層を電気化学的機械的に堆積して、平坦な導電層を形成する工程、
を含み、上部表面を有する半導体ウエハー(ここに配置した該第1フィーチャー及び該第2フィーチャーを備え、該第1フィーチャーは第1幅を有し及び該第2フィーチャーは最大幅を有する)上で導電性構造物を形成するプロセス。
【請求項2】
電着工程が第1添加剤組成物を有する第1電解質溶液を含み、及び、電気化学的機械的堆積工程が第2添加剤組成物を含有する第2電解質溶液を含む請求項1のプロセス。
【請求項3】
該平坦導電層を化学的機械研磨する工程をさらに含有する請求項1または2のプロセス。
【請求項4】
該平坦導電層を電解研磨する工程をさらに含有する請求項1または2のプロセス。
【請求項5】
電解研磨工程が実質的に全ての該平坦導電層を除去する請求項4のプロセス。
【請求項6】
該平坦導電層を化学的機械研磨する工程をさらに含有する請求項4または5のプロセス。
【請求項7】
化学的機械研磨工程が該半導体ウエハーの該上部表面から該第2導電層を除去する請求項6のプロセス。
【請求項8】
該化学的機械研磨工程が該半導体ウエハーの該上部表面から該第1導電層を除去する請求項7のプロセス。
【請求項9】
該化学的機械研磨工程が該第2フィーチャーから該第1フィーチャーを電気的に絶縁する請求項8のプロセス。
【請求項10】
第1導電層を電着する工程が、該第2フィーチャーに該第1導電層を、該第2フィーチャーの深さより大きいまたは同等である厚みに堆積する、いずれかの前記請求項のプロセス。
【請求項11】
第1導電層を電着する工程が、該第2フィーチャーに該第1導電層を、該第2フィーチャーの深さより大きいまたは同等である厚みに堆積する、請求項2〜10のいずれかのプロセス。
【請求項12】
該第1導電層をアニールする工程をさらに含有する、いずれかの前記請求項のプロセス。
【請求項13】
該第2導電層をアニールする工程をさらに含有する、いずれかの前記請求項のプロセス。
【請求項14】
いずれかの前記請求項のプロセスを含有して製造される集積回路。
【請求項15】
該第1導電層及び該第2導電層が銅である、いずれかの前記請求項のプロセス。
【請求項16】
第1フィーチャー及び第2フィーチャーを第1導電層で完全に充填するように構成された電着モジュール;及び、
第1導電層上に第2導電層を堆積し、平坦導電層を形成するように構成された電気化学メカニカル堆積モジュール、
を含み、上部表面を有する半導体ウエハー(ここに配置した該第1フィーチャー及び該第2フィーチャーを備え、該第1フィーチャーは第1幅を有し及び該第2フィーチャーは最大幅を有する)上に導電性構造物を形成するシステム。
【請求項17】
該電着モジュールが第1添加剤組成物を有する第1電解質溶液を含み、及び、該電気化学メカニカル堆積モジュールが第2添加剤組成物を有する第2電解質溶液を含む請求項16のシステム。
【請求項18】
該第2フィーチャーから該第1フィーチャーを電気的に絶縁するために上部表面から該平坦導電層を除去するように構成された化学的機械研磨(CMP)モジュールをさらに含む請求項16または17のシステム。
【請求項19】
該電着モジュールが、該第2フィーチャーに、該第2フィーチャーの深さより大きいまたは同等である厚みを有する第1導電層を堆積する、請求項16〜18のいずれかのシステム。
【請求項20】
導電層をアニールするためのアニーリングモジュールをさらに含む請求項16〜19のいずれかのシステム。
【請求項21】
該導電層が銅を含有する請求項16〜20のいずれかのシステム。
【請求項22】
平坦導電層の厚みを減少するように構成された電解研磨モジュールをさらに含む請求項16〜21のいずれかのシステム。
【請求項23】
該電解研磨モジュールが実質的に全ての平坦導電層を除去する請求項22のシステム。
【請求項24】
該第2フィーチャーから該第1フィーチャーを電気的に絶縁するために上部表面から該平坦導電層を除去するように構成された化学的機械研磨(CMP)モジュールをさらに含む請求項22のシステム。
【請求項25】
第1フィーチャー及び第2フィーチャーを第1導電層で完全に充填するように、かつ、平坦導電層を形成するために第1導電層上に第2導電層を堆積するように構成された堆積モジュール、
を含み、上部表面を有する半導体ウエハー(ここに配置した該第1フィーチャー及び該第2フィーチャーを備え、該第1フィーチャーは第1幅を有し及び該第2フィーチャーは最大幅を有する)上に導電性構造物を形成するシステム。
【請求項26】
該堆積モジュールが、該第2フィーチャーに、該第2フィーチャーの深さより大きいまたは同等である厚みを有する第1導電層を堆積する、請求項25のシステム。
【請求項27】
該第2フィーチャーから該第1フィーチャーを電気的に絶縁するために上部表面から該導電層を除去するように構成された化学的機械研磨(CMP)モジュールをさらに含有する請求項25または26のシステム。
【請求項28】
該平坦導電層の厚みを減少するように構成された電解研磨モジュールをさらに含む請求項25〜27のいずれかのシステム。
【請求項29】
該第2フィーチャーから該第1フィーチャーを電気的に絶縁するために該平坦導電層を除去するように構成された化学的機械研磨(CMP)モジュールをさらに含む請求項28のシステム。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9】
【公表番号】特表2006−519503(P2006−519503A)
【公表日】平成18年8月24日(2006.8.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−505890(P2006−505890)
【出願日】平成16年2月16日(2004.2.16)
【国際出願番号】PCT/GB2004/000616
【国際公開番号】WO2004/079807
【国際公開日】平成16年9月16日(2004.9.16)
【出願人】(505330310)エーエスエム ナトゥール インク. (2)
【Fターム(参考)】
【公表日】平成18年8月24日(2006.8.24)
【国際特許分類】
【出願日】平成16年2月16日(2004.2.16)
【国際出願番号】PCT/GB2004/000616
【国際公開番号】WO2004/079807
【国際公開日】平成16年9月16日(2004.9.16)
【出願人】(505330310)エーエスエム ナトゥール インク. (2)
【Fターム(参考)】
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