JP2006506523A - メッキと平坦化の一体化プロセスおよびそのための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上での金属層の電気メッキとこの層のＣＭＰ平坦化の両方を実施するための方法および装置を提供すること。
【解決手段】この装置は、研磨パッド（２０）を支持するテーブル（１０）を含み、これらテーブルおよびパッドは、このパッド上に電気メッキ溶液を分配するためのチャネルを形成する複数の穴部（２１０、２２０）を有する。電気メッキ・アノード（２０１、２０２、２０３）は、チャネル内に配置され、かつ電気メッキ溶液に接触するように配置されている。キャリア（１２）は、パッド（２０）の上面に実質的に平行に基板（１）を保持し、パッドに対して基板に可変の機械的力を加え、したがって基板とパッドとの間隔は、電気エッチング中よりも電気メッキ中に狭めることができる。

Description

本発明は、半導体の処理に関し、より詳細には、半導体ウェハ上に銅層をメッキし平坦化するためのプロセスおよび装置に関する。

半導体デバイスの製作では、金属層の付着および選択的除去が重要なプロセスである。典型的な半導体ウェハは、その表面に付着されまたはメッキされたいくつかの金属層を有し、連続層のそれぞれは、さらなる層を付加する前に研磨されまたはエッチングされる。特に、ウェハ表面への銅の電気メッキは広く実施されているプロセスである。銅のメッキ（一般に、ウェハ上に銅のブランケット層を生成する）の後は、典型的な場合は化学機械研磨（ＣＭＰ）を行って、メッキ層の望ましくない部分を除去する。ダマシン構造を製作する場合、ＣＭＰプロセスは、ダマシン配線を電気的に分離する役割も果たす。

図１は、ウェハ上に銅をメッキするための典型的な装置の概略図である。ウェハ１は、封止コンタクト３３によってカソード３２に接するよう保持されており、このカソードおよびウェハを、メッキ溶液の浴３０内で回転させる。メッキ溶液の流れ３５は、この装置を通しポンプ送出されて浴を絶えず新鮮にし、この流れはメッキ・アノード３１の周りに送り出されてアノードの穴部を通過するものである。

図２は、典型的なＣｕメッキ・プロセス後のウェハのフィーチャを示す。内部にトレンチ３を有する半導体ウェハ１は、まず障壁／ライナ層２で被覆され、それによってウェハへのメッキ金属層の接着が促進されるように、また半導体材料の内部にＣｕが拡散しないようになされている。次いでシード層４を、層２上に付着する。電気メッキしたＣｕ層５がトレンチを埋め、かつウェハ表面を被覆する。図に示すように、メッキ層は、トレンチが確実に埋まるように十分厚くなければならない。いくつかのプロセス条件下では、図３に示すように、トレンチ付近の厚さが最大になる。次いで「オーバーバーデン（ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ）」と呼ばれる過剰な厚さ５ａを、ＣＭＰによって除去する。しばしば、銅金属がトレンチ３の内側にのみ残るようにウェハ表面上のメッキ層全体を除去するが、これは、ウェハの当初の表面１ｆが露出するまでＣＭＰ装置内でウェハを研磨することによって行うことができる。

金属層のメッキと平坦化は、従来、個別のツールで行われる。上述のように、典型的なウェハの処理はいくつかの異なるメッキ・ステップを必要とし、各メッキ・ステップの後には平坦化ステップを行う。したがって典型的なウェハは、メッキ用ツールと平坦化ツールとの両方で多数回処理される。この状況では、製造プロセスの処理能力が制限され易く、それに応じて全製造コストが増加する。

「付着および大域平坦化のための単一ステップ・ダマシン・プロセスの方法（Methodof single step damascene process for deposition and global planarization）」という名称の米国特許第６００４８８０号は、ＣＭＰ装置をメッキと研磨の同時実施に適合させることを示している。しかしメッキと研磨とでは、同時プロセスでは得られない異なるプロセス条件をしばしば必要とする（例えばウェハ表面に対する機械的力が異なるなど）。さらに、研磨剤を含有する研磨スラリを電解メッキ溶液と組み合わせる場合は、研磨剤の粒子がメッキ金属層内に閉じ込められる可能性がある。

「電気化学機械平坦化用装置（Apparatus forelectrochemical mechanical planarization）」という名称の米国特許第５９１１６１９号は、電極がウェハに接触し、したがって平坦化処理能力を改善するためにＣＭＰと電気化学的機械加工技法とを組み合わせることができる研磨装置について述べている。この装置は平坦化にのみ使用され（すなわちウェハからの材料の除去）、ウェハを電気メッキするには別の装置が必要である。
米国特許第６００４８８０号 米国特許第５９１１６１９号

電気メッキ・ツールと平坦化ツールの特徴を一体化し、したがって各プロセスごとに最適化した条件で、ＣＭＰ（特に銅層に対する）と共に電気メッキおよび電気エッチング・プロセスを交互に実施することができる、ウェハ処理ツールが依然として求められている。

本発明は、金属層の電気メッキと基板上の層の平坦化とを両方実施するためのプロセスおよび装置を提供することによって、上述の要求に答える。

本発明の第１の態様によれば、装置は、研磨パッドを備えたテーブルを含み、このテーブルおよびパッドは、パッド上に電気メッキ溶液を分配するためのチャネルを形成する穴部を内部に有している。複数の電気メッキ・アノードがチャネル内に配置され、電気メッキ溶液に接触している。この装置は、パッドの上面に実質的に平行に基板を保持するための、かつパッドに対して基板に可変の機械的力を加えるためのキャリアも含み、このキャリアはテーブルに対して回転しかつメッキ・カソードを含んでいる。この装置はさらに、ＣＭＰプロセス中にパッド上に研磨スラリを分配するためのスラリ・ディスペンサを含む。

キャリアは、電気メッキ・プロセス中に第１の量の力を加え、電気エッチング・プロセス中に第２の量の力を加える。メッキ・プロセス中は、基板とパッドとの所定の間隔が維持されるように、その力を変えることができることが好ましい。デュアル・ダマシン構造に関する初期メッキ・プロセスでは、この間隔は５μｍから１００μｍの間であるべきである。

これらのチャネルは、内部にアノードをそれぞれ有する複数の同心アレイ状に配置することが好ましく、したがってこれらのアノードは、それぞれがカソードに対して個別の電気接続を有する同心アレイ状に配置される。

導電性のラインまたはビアを形成する場合、第１の量の力が第２の量の力よりも大きく、したがって基板とパッドの上面との距離が、電気メッキ・プロセス中よりも電気エッチング・プロセス中のほうが大きいことは、注目すべきである。

テーブルおよびパッドは、ＣＭＰプロセス中に研磨スラリを分配するためのチャネルを形成する穴部の、追加のアレイを有することができる。

本発明の別の態様によれば、基板キャリアと研磨パッドが表面に配置されたテーブルとを有する一体化メッキ／平坦化ツールにおいて、基板上で金属層の電気メッキとその金属層の平坦化との両方を実施するための方法が提供される。この方法では、基板をキャリアに装着し、電気メッキ溶液をパッド上に分配する。次いで電気メッキ溶液を使用して金属を基板上に電気メッキするが、このとき、パッドに対して基板に第１の量の機械的力を加え、それによって基板とパッドとの第１の間隔が維持されるようにする。次いで電気エッチング溶液をパッド上に分配し、基板上の金属を電気エッチングするが、このとき、基板とパッドのとの間に第２の間隔が維持されるように、パッドに対して基板上に第２の量の機械的力を加える。電気メッキおよび電気エッチングは、一連のものとして複数回繰り返すことができる。この方法はさらに、研磨パッドとこの研磨パッド上に分配される非研磨性スラリとを使用する化学機械研磨（ＣＭＰ）によって金属を研磨するステップを含むことができる。

テーブルは、このテーブルに接続されかつ個別の同心アレイ状に配置された複数のメッキ・アノードを有することができ、電気メッキ・ステップでは、基板上にメッキされる金属の厚さが制御されるよう、選択されたアレイを電源に接続することができる。電気エッチングは、電気メッキ溶液を使用して実施することができ、その場合、電流は、カソードとアノードとの間を電気メッキ中は順方向に、また電気エッチング中は逆方向に流れる。

本発明によれば、単一のチャンバ内で、金属付着（電気メッキ）ステップと金属除去（電気エッチング）ステップとをそれぞれ個別のプロセス条件で交互に行い、その後ＣＰＭを行うことが可能な装置であって、この装置からウェハを取り出す必要のない装置が提供される。本発明を例示するために、銅のメッキおよび除去について述べる。本発明は、ウェハ上に付着された材料のタイプに関して制限するものではないことが理解されよう。

本発明の実施形態は、ＣＭＰ装置の変更例として理解することができる。従来のＣＭＰ装置を図４に概略的に示す。ウェハ１は、ウェハ・キャリア１２の表面に上下逆に保持され、研磨パッド２０およびその表面に研磨スラリ２１を有するテーブル１０に対して回転する。研磨速度は、ウェハ１が研磨パッド２０に対して押圧される力によって一部は決定される。したがってウェハ・キャリア１２は、研磨パッド上に可変の力が提供されるように調節可能である。

図５は、本発明の実施形態の断面図である。テーブル１０および研磨パッド２０は、その内部に形成された穴部２１０、２２０を有し、これらの穴部は、パッド２０の表面にメッキ溶液を分配するためのチャネルを形成する。メッキ・アノード２０１、２０２、２０３は、導電性材料のスリーブであることが好ましく、これらのアノード電極は、テーブル１０の下に位置付けられたリザーバ２００内のメッキ溶液に浸漬されており、したがってメッキ溶液は、スリーブを通して送り出される。あるいは、スリーブを絶縁材料で作製してもよく、その場合アノードは、このスリーブに挿入されたワイヤからなる。メッキ・プロセス中、メッキ溶液は、リザーバ２００から穴部２２０を通して送出され、したがってパッド２０の表面に分配される。

アノードは、好ましくは同心状のアレイに配置され、スイッチング・デバイス２６０に接続されて、これがさらにメッキ用電源２５０に接続される。したがってメッキ電流は、（例えば）電流がアノード２０３のみを通過し、次いでアノード２０２を通過し、次いでアノード２０１を通過するように切り換えることができる。メッキ回路は、キャリア１２（メッキ・カソード）上のウェハ１をメッキ溶液に接触させたときに完成する。メッキ溶液はパッド２０上に連続して（典型的な場合、１００〜４００ｍｌ／分の速度で）分配され、それと同時にウェハはこのパッドに対して回転し、したがってウェハへのメッキ溶液の供給は常に新たになされることに留意されたい。テーブル１０は、滑り接触などを利用してウェハ・キャリア１２への電気接続を実現させた状態で、回転するように作製してもよい。

図６は、穴部２１０および２２０に挿入されたアノード２０１を通して送出されるメッキ溶液３０１を示す、図５の装置の詳細図である。パッド２０の表面全域にわたるメッキ溶液の流れは、特徴的な境界層の厚さＢＬを有する。ウェハ１は、ウェハの前面１ｆがパッド２０の表面から距離Ｌだけ離れるように、ウェハ・キャリア１２によって保持される。メッキ・プロセスで導電性のラインまたはビアを形成する必要がある場合、このウェハを２タイプの領域に、すなわち凹部領域３（内部の金属付着が望ましい）とフィールド領域６（その表面での金属付着は望ましくない）とに分けることができる。そのような導電性ラインを形成するメッキ・プロセス中、ウェハとパッドとの間隔が境界層の厚さよりも非常に小さくなるように、ウェハ・キャリアは、ウェハ１に下向きの力がかかるよう調節される。
Ｌ＜＜ＢＬ ラインまたはビアをメッキする場合 （１）

不等式（１）が満たされる場合、領域６への銅イオンの供給は大量拡散に支配され、したがって領域３に対するよりも非常に少ない（領域６は「半乾燥」と言われる）。それに応じて領域６でのメッキ速度は、領域３の場合よりも遅い。したがって銅のラインおよびビアは、オーバーバーデンが減じられたウェハの凹部領域で選択的に形成される。

一連のメッキおよび平坦化プロセスは、一般にメッキ・ステップから始まる。特にデュアル・ダマシン・プロセスでは、ウェハの凹部が初期電気メッキ・ステップ中に埋められる。この初期電気メッキ・ステップ中にウェハに加えられる力は、ウェハとパッドとの間隔が５μｍから１００μｍの間になるように制御すべきであることがわかった。

ウェハ・キャリア１２またはテーブル１０あるいはその両方の回転によって、パッド表面のメッキ溶液は確実に連続的に補充され、したがって銅イオンの濃度は一定である。

上述のように、アノードは個別の同心状アレイに配置され、したがってメッキは、ウェハ上の個別の同心状ゾーン内で実施することができる。このため、ウェハ全域にわたるメッキ・プロフィルの制御が可能になる。この特徴は、初期シード層が非常に薄い場合（約２００Å）、Ｃｕシード層を作り上げるのに特に有用である。この場合、電流はまず外側のゾーン（アノード２０３）のみ通過し、したがって約５００Åがウェハの外縁に付着される。次いで電流は、隣の内側のゾーン（アノード２０２）へと切り換わり、その表面にさらに５００Å付着し、その他のゾーンではより少ない量が付着される。メッキは、完全なシード層が得られるまで、連続する内側のゾーンで実施される。

本発明の好ましい実施形態では、オーバーバーデンの成長を制限するために、メッキとエッチングを交互に行うプロセスを実施する。これは、メッキ・プロセスの場合と同じ溶液を使用するが非常に高いアノード逆電圧で、メッキ金属を電気エッチングすることによって行うことができる（図７参照）。エッチング・ステップ中、ウェハに対する下向きの力は、ウェハ１とパッド２０との間隔が境界層の厚さよりも非常に大きくなるように減じられる。
Ｌ＞＞ＢＬ 電気エッチングの場合 （２）

逆電圧パルス中、Ｃｕ表面には塩の被膜が形成され、この塩の被膜は可変の厚さを有し、領域３における厚さのほうが領域６での厚さよりも大きい。不等式（２）を満足する場合、メッキしたＣｕの除去速度は、塩の被膜を通るＣｕイオンの拡散によって制御される。したがって領域６でのエッチング速度は、一般に領域３でのエッチング速度よりも大きい。

メッキからエッチングに切り換わるようアノード電圧を逆にした場合、ウェハに対する下向きの力はアノード電圧の変化に応じて変えることに留意されたい。メッキ・ステップ（領域３が領域６よりも速くメッキされる）とエッチング・ステップ（領域３が領域６よりも非常に遅くエッチングされる）を繰り返すことによって、ウェハの凹部領域には、オーバーバーデンがほとんど無い状態で金属が充填される。

電気エッチングは、リザーバ２００内のメッキ溶液をエッチング溶液に素早く代え（ほんの数秒しか必要としない）、次いで電源２５０を使用して電気エッチングし、デバイス２６０とアノード２０１〜２０３を上述のように切り換えることによって行ってもよい。例えば、銅表面に塩の被膜を形成するため、銅の電気エッチングで濃リン酸を使用することができる。塩の被膜は、領域６よりも領域３で高密度になり、したがってエッチング速度は、一般に領域３よりも領域６で大きくなる。

前述の実施形態の変形例では、ベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）などの塩形成剤を、電気エッチング・プロセス中にメッキ溶液またはエッチング溶液に添加する。プロセスをメッキからエッチングに切り換えるとき、容器４４０内のＢＴＡをリザーバ２００に注入する（図８）。ＢＴＡを溶液に添加することによって、ウェハ上には、高電界伝導メカニズムを示す塩の被膜が形成され、したがってフィールド領域でのエッチング選択性が増大する（すなわち、領域６でのエッチング速度対領域３でのエッチング速度）。これには、繰り返されるメッキおよびエッチング操作の必要とされる回数を減少させる効果がある。

本発明の好ましい形態では、メッキ、エッチング、およびＣＭＰの機能を単一の装置の中に結合する。一連のメッキおよびエッチングのステップは、オーバーバーデン５ａを除去する最終エッチング・ステップで終了し、その後、ＣＭＰを実施することなくウェハを取り出す。しかし、オーバーバーデンとウェハ表面のライナ／障壁層２との両方を除去することが望まれる場合は、以下に詳細に述べるように、一連のメッキおよびエッチングの後にウェハを研磨する。

メッキ溶液とＣＭＰスラリの両方をテーブル１０の下から分配する本発明の実施形態を、図９に示す。穴部５１０、５２０の追加のアレイが、テーブル１０およびパッド２０にそれぞれ設けられており（図９参照）、それによって、研磨スラリがテーブル１０の下のスラリ・リザーバ（図示せず）からパッド表面まで内部を送出されるチャネルが形成される。これらの穴部は、図９に示すように同心状のパターンに配列される。あるいは、スラリを、上方からパッド２０へと分配する。このツールをメッキ／エッチングから研磨に切り換えるため、パッド２０を脱イオン水で濯ぎ、非研磨性スラリをそのパッド上に分配する（パッドは、ＣＭＰの技術分野で標準的であるように、新しいウェハを導入する前の都合の良い時間でダイヤモンド調整ヘッドを使用することにより整えてもよい）。Ｃｕ ＣＭＰプロセスで使用されるスラリは研磨剤を含まない溶液であり、したがって残されたＣｕ表面の粗面化および化学的変化が回避されることに留意されたい。

装置は、ウェハ用のペンシルまたはブラシ・クリーナを含むことが有利であり、したがってウェハをツールから取り外す前、研磨した後に、ウェハを清浄化し乾燥することができる。

図１０は、電気メッキ、電気エッチング、およびＣＭＰが全て本発明の装置で実施される、プロセス・シーケンス内のステップを例示する。薄いシード層を備えたウェハをツール上に導入し（ステップ６０１）、次いでメッキ層のプロフィルが制御されるように個別の同心状アノード・アレイを使用してウェハをメッキすることにより、シード層を作り上げる（ステップ６０２）。電気メッキを、典型的な場合には約２０秒間実施し（ステップ６０３）、その後、約１０秒間にわたり電気エッチングする（ステップ６０４）。メッキおよびエッチングを、所望のメッキ・フィーチャが得られるまで繰り返す（メッキとエッチングは、メッキとエッチングを同時に行おうとするのと対照的に、明らかに個別のステップとして実施する）。上述のように、ウェハに対する力は、メッキ・ステップとエッチング・ステップとでは異なる（メッキ中は下向きの力が大きく、エッチング中は少ない）。一連のメッキ／エッチングの終わりに、オーバーバーデンはわずか約５００Åである。次いで研磨パッド２０を濯ぎ（ステップ６０５）、非研磨性スラリを用いて研磨を行って、オーバーバーデンおよび過剰な障壁／ライナ層を除去する（ステップ６０６）。最後に、ウェハを取り外す前に、このウェハを清浄化する（ステップ６０７）。

装置の機能を拡張しかつさらに大きなプロセスの柔軟性を提供するために、その他の特徴を装置に付加することができる。特に、上記ツールには、銅をメッキするときに銅のアニーリングが可能になるように、ヒータを備えることができる。このツールは、ウェハを取り外す前に追加のアニールを実施するために、別個のアニーリング・チャンバを有してもよい。

本発明は、マイクロ電子デバイスの製造に利用可能であり、詳細には銅層のメッキおよび平坦化を必要とするデバイス、特にデュアル・ダマシン・プロセスを使用するデバイスの製造に利用可能である。

本発明を、特定の実施形態に関して述べてきたが、前述の事項に鑑みて、非常に数多くの変更例、修正例、および変形例が当業者に明らかにされることは明白である。したがって本発明は、本発明の範囲および精神と上述の特許請求の範囲に含まれるそのような全ての変更例、修正例、および変形例を包含するものである。

ウェハ上に金属をメッキするのに使用される、従来の電気メッキ装置を示す概略図である。 典型的なメッキ・プロセスが実施された半導体ウェハを示す図である。 典型的なメッキ・プロセスが実施された半導体ウェハを示す図である。 ウェハを平坦化するのに使用される、従来のＣＭＰ装置を示す概略図である。 本発明の実施形態による、メッキおよび平坦化の一体化ツールであって、メッキ・アノードの個別の同心アレイを備えたものを示す概略図である。 本発明による、メッキ・プロセス中に連続的に分配されるメッキ溶液を示す詳細図である。 逆パルス電気エッチングが実施される、図５の一体化ツールを示す概略図である。 電気エッチングが、ウェハ上での被膜の形成を促進させることによって実施される、図５の一体化ツールを示す概略図である。 ＣＭＰスラリおよびメッキ溶液が研磨パッド表面に分配される、本発明の実施形態によるメッキと平坦化との一体化ツールを示す概略図である。 本発明による、メッキと平坦化との一体化プロセスの簡略化フローチャートである。

Claims (9)

1. 基板上での金属層の電気メッキと平坦化の両方を実施するための装置であって、前記平坦化が電気エッチングおよび化学機械研磨（ＣＭＰ）によって実施されるものであり、
   研磨パッドを支持し、かつ前記パッド上に電気メッキ溶液を分配するチャネルを形成する複数の穴部を有するテーブルと、
   前記研磨パッドが、上面を有し、かつ前記テーブルの穴部に対応する複数の穴部を内部に有するものであり、
   前記チャネル内に記置されかつ前記電気メッキ溶液に接触するよう配置された、複数の電気メッキ・アノードと、
   前記パッドの上面とは実質的に平行に前記基板を保持し、かつ前記パッドに対して前記基板に可変の機械的力を加えるためのキャリアであって、前記テーブルに対して回転しかつメッキ・カソードを含むキャリアと、
   ＣＭＰプロセス中に前記パッド上に研磨スラリを分配するためのスラリ・ディスペンサと
   を含み、前記キャリアが、電気メッキ・プロセス中に第１の量の力を加え、電気エッチング・プロセス中に第２の量の力を加える装置。
2. 前記チャネルが複数の同心状アレイに配置される、請求項１に記載の装置。
3. アノードを前記チャネルのそれぞれに配置し、したがって前記アノードが、前記カソードへの個別の電気接続をそれぞれ有する複数の同心状アレイに配置される、請求項２に記載の装置。
4. 前記第１の量の力が前記第２の量の力よりも大きく、したがって前記基板から前記パッドの上面までの距離が、電気メッキ・プロセス中よりも電気エッチング・プロセス中に大きくなる、請求項１に記載の装置。
5. 電気メッキ・プロセス中、前記基板から前記パッドの上面までの所定の距離が維持されるよう、前記第１の量の力が可変である、請求項１に記載の装置。
6. 前記所定の距離が５μｍから１００μｍの間である、請求項５に記載の装置。
7. 前記カソードおよび前記アノードに接続された電源をさらに含み、電流が、前記カソードと前記アノードの間を電気メッキ・プロセス中は順方向に、電気エッチング・プロセス中は逆方向に流れる、請求項１に記載の装置。
8. 電気エッチング溶液が、電気エッチング・プロセス中は前記チャネル内を通って分配される、請求項１に記載の装置。
9. 前記テーブルが、穴部の追加のアレイを有し、前記パッドが、対応する穴部の追加のアレイを有して、ＣＭＰプロセス中に研磨スラリを分配するためのチャネルを形成する、請求項１に記載の装置。
   
   

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