JP2007511095A - 集積回路相互接続の製作システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
ウエハ上の導電性表面を処理するシステム(100)は、前記ウエハの前記正面上に実質的に平面化される導電層を形成するように構成された電気化学機械処理(ECMPR)モジュール(106)と、前記ウエハのエッジ領域から導電物質を除去するように構成された、前記ECMPRモジュール内のチェンバーと、前記ECMPRモジュールから前記ウエハを受取り、平面化された前記導電層を研摩して前記金属の相互接続構造を形成するように構成されたCMPモジュールと、前記ECMPRモジュールから前記CMPモジュールへ前記ウエハを移送するように構成されたロボット(111)とを備える。
発明の1つの側面では、ECMPRモジュールは前記ウエハの前記正面上に物質を成膜させる。ECMPRモジュールは、前記ウエハの前記正面から前記導電層の少なくとも一部を除去する。本発明の利点は、成膜された金属の制御性を改善して素子の信頼性及び生産性を改善することを含む。
発明の1つの側面では、ECMPRモジュールは前記ウエハの前記正面上に物質を成膜させる。ECMPRモジュールは、前記ウエハの前記正面から前記導電層の少なくとも一部を除去する。本発明の利点は、成膜された金属の制御性を改善して素子の信頼性及び生産性を改善することを含む。
Description
本発明は、半導体集積回路の製造に関し、特に、導電性相互接続構造を形成する方法に関する。
従来の半導体素子は、一般に、通常のシリコン基板の半導体基板、二酸化シリコン又は低誘電率材料のような複数の順次積層された誘電体層、及び、導電性材料からなる導電性パス或いは相互接続を備える。銅及び銅合金は、その優れた電気移動特性及び低い固有抵抗のために相互接続材料として最近相当な注目を浴びている。相互接続は通常、金属化プロセスによって、誘電体層にエッチングされた表面形状または凹部に銅を埋め込むことにより形成される。銅の成膜の好ましい方法は電気めっきを施すことである。集積回路では、複数のレベルの相互接続ネットワークは、基板表面に関して横方向に延伸する。これら積層された誘電体層に形成された相互接続は、1つの層から別の層に伸び得るビアあるいはコンタクトを使用して、電気的に接続されることができる。
典型的な相互接続形成プロセスにおいて、まず絶縁層間膜は、半導体基板上に形成される。次に、パターニング及びエッチングプロセスが行われて絶縁層にトレンチ及びビアのような表面形状を形成する。その後、薄いバリア及び銅シード膜が形成されてから、銅が表面形状を埋め込むように電気めっきされる。一旦めっきが終れば、化学機械研磨(CMP)ステップが行われて、基板の上面にある銅及びバリア膜の過剰部分を除去して、表面形状の中にのみ導電体を残存させる。このようにして、銅の相互接続構造が形成される。多層の相互接続を製造するにはこれらのプロセスは複数回繰り返される。
典型的な従来技術のプロセスは、図1Aと図1Bをもって簡単に説明されることができる。図1Aは、図1Bに示す典型的な2重ダマシン相互接続構造を形成するように処理される基板8を示す図である。この構造では、まず、ビア10及びトレンチ12が、基板8上の誘電体層14に形成され、次に、電気めっきプロセスを通じて銅16によって埋め込まれる。従来では、ビア及びトレンチのようなくぼみを形成するパターニング及びエッチングを行った後、誘電体層14はまず、例えばTa/TaN複合膜のようなバリア膜18でコーティングされる。バリア膜18は、よい粘着を確保するために誘電体層をコーティングし、また、誘電体層及び半導体素子への銅の拡散を防ぐためにバリアの役割をする。次に、多くの場合銅の膜であるシード膜(図示せず)が、バリア膜上に形成される。シード膜は、後続の銅の成膜中に銅膜成長用の導電体ベースを形成する。銅膜の電気めっきが施されると、銅16によってビア10はすぐに埋め込まれるが、広いトレンチ及び表面は形状に従ってコーティングされる。成膜プロセスが継続される場合、トレンチも銅で埋め込まれるが、上面上には厚いかぶり膜‘t’が形成され、大きなトレンチ上にはステップ‘s’が形成される。この過剰の銅、あるいはかぶりは、相互接続構造の形成のために上面から除去される必要がある。表面からのこのような厚い銅膜の除去は、CMPステップにおいて、高価で且つ時間もかかるという問題を呈する。図1Bに示すように、CMPの間に、上面から厚い銅膜、そしてバリア膜の除去は、トレンチ内に残留する銅に非平面的な表面20を形成しうる。このような非平面的な表面は、バリア膜と銅との間の研摩速度の差異、あるいは他の原因によって形成されうる。非平面的な表面20、或いは、いわゆる「へこみ(dishing)効果」は、後続して形成される膜の質、及びトレンチ12によって形成されるラインの抵抗に悪影響を及ぼす。
一部の従来技術のプロセスは、異なるスラリー及び研磨パッドを備えた複数のCMPステップを使用することにより、へこみ効果を最小限にし、又は除去することを試みた。例えば、1つの特定の従来技術のプロセスにおいて、第1のCMP処理ステップでは、基板上のバルク銅膜は、バリア膜上の初期の厚さまで除去される。この第1のステップは第1CMPステーションで行われる。第2ステップは第2CMPステーションで行われて、誘電体層を被覆するバリア膜の一部を露出させる。第3ステップでは、絶縁層を被覆するバリア膜の部分が除去される。この第3ステップは第3CMPステーションで行われる。
別のアプローチでは、第1CMPステップは、選択的なスラリーを利用して上面領域から銅を全部除去する。その後、非選択的なスラリーを採用する第2CMPステップが使用されて、上面からバリアを除去するとともに、表面形状からの銅の一部及び一部の誘電体を除去する。このようにして、へこみは軽減されるが、一部の銅が表面形状から失われるので、相互接続ラインの抵抗が増大する。
このような従来技術のプロセスによれば、複数のCMPステーションで複数の消耗セットを使用して行われた複数のCMPステップは、生産時間及びコストを増大させる。このため、めっきした基板の表面から過剰の導電体を除去するより低コストの代替方法が必要とされている。
本発明は、ウエハ処理システム内で導電性表面を有するウエハを処理する装置、システム及び方法を提供する。
本発明によれば、ウエハの正面を処理する方法が開示される。この方法は、実質的に平面化される導電層を形成するようにウエハの導電性表面を電気化学機械処理(ECMPR)モジュールで電気化学機械的に処理するステップと、前記ウエハのエッジ領域から余分の導電物質を除去するステップと、前記ウエハ上に金属相互接続構造を形成するように前記導電層を化学機械研磨(CMP)モジュールで化学機械的に研摩するステップとを含む。
本発明の一側面によれば、電気化学機械処理ステップは、導電性表面上に導電物質を成膜させるステップを含む。
本発明の別の側面によれば、電気化学機械処理ステップは、前記導電層を除去するステップを含む。
本発明の別の側面によれば、化学機械研摩ステップは、前記導電性表面の少なくとも一部を除去するテップを含む。
本発明の利点は、成膜された金属の制御性を改善して素子の信頼性及び生産性を改善することを含む。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。なお、全図を通し、同様の参照符号は、同様の構成部分を示している。
電気化学機械処理(ECMPR)は、相互接続の適用のために導電層を処理する新しいアプローチである。ECMPRは、パターン化されたワークピースの表面上に平面的な導電物質の薄膜を提供し、あるいは、過剰の導電物質を有しないワークピース表面さえをも提供する能力を有する。「ECMPR」という用語は、電気化学機械成膜(ECMD)処理、及び電気化学機械研磨(ECMP)とも呼ばれる電気化学機械エッチング(ECME)処理の両方を含むように使用されている。注目すべきことは、一般に、ECMD及びECMEプロセスの両方ともがECMPRと呼ばれていることである。それは、ECMD及びECMEプロセスの両方ともが、電気化学プロセス(電気化学成膜及び電気化学エッチング)及び機械的なアクションを伴うからである。
図1Cは、典型的なECMPRシステム50を示し、ECMPRシステム50は、マスク、パッドあるいはスイーパー(sweeper)のようなワークピース表面作用デバイス(WSID)52、ワークピース55を保持するキャリアヘッド54、及び電極56を備える。他の従来のECMPRシステムは、逆の幾何配置を有するものもある。即ち、WSIDはワークピース上にあり、ワークピース表面は上に向く。さらに、ベルト形状のWSIDを有するシステムもある。
ECMDまたはECMEのプロセスにおいて、WSID52はワークピースの表面の近傍に、即ち、無接触処理となるように保持され得る。しかし、時には、ワークピースの表面とWSIDとの間に相対運動が確立されながら、WSIDは、ワークピースの表面を機械的にスイープ、即ち、接触処理を行う。
接触処理中には、電極56とワークピースの表面との間に電位が確立されたまま、WSID52の表面は、ワークピース55の表面をスイープする。WSID52のチャネル58は、処理溶液60がワークピース55の表面に流れ込むことを可能にする。
ECMDプロセスが行われる場合、ワークピース55の表面は、電極56とも流体接触する成膜溶液によって湿潤され、電位はワークピース55の表面と電極との間に印加されてワークピースの表面を陰極にさせる。ECMPR装置の他の設計では、処理溶液はWSIDを通して供給されるのでなく、WSIDの上に供給されうる。
ECMEプロセスが行われる場合、ワークピースの表面は、電極とも流体接触する成膜溶液あるいは特別の電気エッチング溶液によって湿潤されうる。その後、電位は、ワークピースの表面と電極との間に印加されてワークピース表面を陽極にさせる。よって、電気エッチングはワークピースの表面で起る。非常に薄い平面膜は、同じ成膜装置及び成膜溶液の中で、まずECMD技術を適用して平面的な膜を成長させ、そして印加電圧を逆にして平面的な膜に対してECME技術を使用することにより得られることができる。ECMEステップは成膜装置内でも行われることができるが、代替的に、ECMDステップに使用された成膜溶液と異なる電気エッチング溶液は、ECMEステップの間に装置内に供給されうる。別の代替のアプローチでは、ECMEプロセスは、ECMDステップが行われた装置とは隔離された別の装置内で行われうる。即ち、ウエハはECMD装置からECME装置に移動される必要がある。
ECME技術は、接触処理か、或いは無接触処理の使用によって、一群のプロセスに分けられうる。例えば、ECMEが非接触アプローチを使用して行われる場合、電気化学機械エッチングプロセスのうち機械の部分が除外され、その結果、物質の除去は単に電気化学的に行われる。このプロセスは電気化学エッチング(ECE)と呼ばれる。ECEの電解質は典型的に、レベリング能力を有するように選ばれる。そのような電解質は、滑らかな表面を産出するために高い電流密度のプロセスに使用される。したがって、ECEは、電気化学研磨またはECPとも呼ばれる。さらに、エッチングが、電極と基板表面との間に電圧を印加せずに接触モードで行われる場合、このプロセスは化学機械エッチング(CME)となる。同様に、エッチングが、電圧を印加せずに非接触モードで行われる場合、このプロセスは、単に化学エッチング、CEとなる。前に示したように、ECMEは、電気エッチング溶液、あるいは成膜溶液の何れかの中で行われ得る。電気エッチング溶液は、また、電解研摩溶液とも呼ばれ、電気エッチングされた物質に滑らかな表面を産出するために特別に配合される。物質の化学エッチングレートは電気エッチング溶液の中においては小さい。しかし、一旦電気化学プロセスが開始されたら、即ち、電圧が印加されたら、レートは高くなる。成膜溶液は物質の成膜のために配合される。しかしながら、前に説明されたように、それらの成膜溶液は、同じ装置内で電気エッチングが電気成膜の直後に行われる場合の電気エッチングにも使用されることができる。明らかに、これは1つの低コストの代替案である。その一例は、本発明の譲受人によって共有される2000年9月28日に出願した「パターニングされた基板の上面上の金属コーティングの最少化/除去方法及びそれにより得られた膜構造」を標題とするシリアル番号09/671,800のアメリカ合衆国出願に記述されている。
電気化学機械的成膜及びエッチング方法、即ち、ECMPRの記述は、すべてが本発明の譲受人によって共有される様々な特許及び係属中の出願に見出すことができる。「電気化学機械成膜の方法及び装置」を標題とする番号6,126,992のアメリカ合衆国特許、2001年12月18日に出願した「外部影響を用いてワークピースの凸面及び凹面上に成膜された添加材の間に差異を作り出すめっき方法及び装置」を標題とする番号09/740,701のアメリカ合衆国出願、及び、2001年9月20日に出願した「ワークピースの所定の部分上の成膜を制御するめっき方法及び装置」を標題とするシリアル番号09/961,193のアメリカ合衆国出願は、種々のECMPRアプローチについて記述する特許及び出願である。電気化学機械プロセスは、パターン化されたワークピースの表面上の、凹部を含む表面の全面に金属を平面的に蒸着することができる。さらに、必要ならば、表面形状のサイズに関係なく表面形状上に過量の金属を選択的に持たせる新しい構造を生成する能力をも有する。本発明のプロセスを行うように適応され得るシステムの一つは、2001年1月5日に出願した番号60/259,676の優先権仮出願及び2001年1月16日に出願した番号60/261,263の優先権仮出願に基づいて、2001年2月27日に出願した「半導体ウエハを処理する統合システム」を標題とする出願番号09/795,687のアメリカ合衆国特許出願に議論されている。一部の処理システム及び方法は、本発明の譲受人によって共有される2002年10月3日に出願した「半導体相互接続構造の製作」を標題とするシリアル番号10/264,726のアメリカ合衆国出願にも開示されている。
以下で説明されるように、本発明は半導体集積回路の相互接続を製造する方法及びシステムを提供する。本発明の方法は、1ミクロンよりも広い幅を有するトレンチ及び他の表面形状を備える相互接続を形成するのに特に有用である。図1Aに示したように、標準のめっき技術はそのような広い表面形状上にステップ‘s’を引起し、またCMPのような標準の物質除去アプローチは、図1Bに示したように、へこみ(dishing)20をもたらす。一実施の形態では、本発明は、銅の相互接続を形成するために、電気化学機械成膜(ECMD)プロセス及び化学機械研磨(CMP)プロセスのような、平面成膜プロセスを採用する。この実施の形態において、例えば、最初に平面の銅膜は、ECMD処理ステップによって形成され、その後、2つの別個のCMP処理ステップを行うことにより除去されて最終の相互接続構造を生成する。別の実施の形態では、最初のECMD処理ステップを用いて第1の実施の形態の中で形成された膜よりも薄い平面膜を形成する。その後、バリアと共に、この薄い平面膜は、単独のCMPステップを使用することにより除去されて最終の相互接続構造を形成する。
上記の実施の形態と関連して、本発明は、さらに従来のめっきあるいは平面めっき処理(平面めっき処理が望ましい)によって形成される導電膜を除去するために電気化学エッチングプロセスの統合化を提供する。エッジ銅の除去、ウエハ背面洗浄、及びアニーリングがシステムに統合化されることも達成されうる。
通常、CMPプロセスは、半導体ウエハあるいは他のそのような基板を、化学的反応の摩耗性スラリーで湿潤される移動中の研摩面に押し付けることを伴う。スラリーは通常塩基性または酸性であり、一般的にアルミナ、セリア(Ceria)、シリカ(Silica)、あるいは他の硬いセラミック粒子を含む。研摩面は、典型的に、CMPの技術分野でよく知られている高分子材料で作られるパッドである。パッドはそれ自身さらに研磨性パッドでありうる。CMPプロセス中に、処理されるウエハを備えたウエハキャリアはCMPパッド上に置かれ、それに押し付けられる。研磨性パッドでありうるパッドは、線形のベルトとして横に移動され、あるいは回転されうる。このプロセスは、パッドとウエハ表面との間に流れるCMPスラリー溶液中にウエハをパッドあるいは線形のベルトに対して移動させることにより行われる。スラリーは当技術分野の任意のCMPスラリーであってもよく、パッド上に流され、又は、パッドが多孔性の場合、パッドを通して流されうる。
図2は、本発明の第1のシステム100を示す図である。第1のシステム100は、処理セクション101、ロード−アンロードセクション102、及び処理セクション101とロード−アンロードセクション102との間に配置されるバッファセクション103を備える。ウエハはロード−アンロードセクション102にロードされる。ロード−アンロードセクション102に配置される第1のロボット105は、バッファーセクション103を介してウエハを処理セクション101に搬送し、又は処理セクション101から取り出す。1つの実施の形態では、処理セクション101はプロセスステーション106、第1CMPステーション107、第2CMPステーション108、2次洗浄ステーション109、及びアニールステーション110を備えうる。第2のロボット111はウエハを処理セクション中に搬送し、又はそこから取り出すために使用される。この例において、処理ステーションはECMDのような平面電着(電気めっき)プロセスを行うために使用されうる。この例において、各ステーションは、第1のシステム100の統合された一部として示されているが、互いに離れて位置する個々のステーションであってもよい。更に、システムのスループットを高めるために、より多くのECMD、CMP、アニール、あるいは、2次洗浄ステーションがシステムに含まれうる。注目すべきなのは、この実施の形態において、チェンバーは、好ましくは、(ECMDチェンバーのような)下部処理チェンバー、及び上部リンス−ドライチェンバーを有する、垂直に積重ねられたチェンバーであることである。そのような垂直なチェンバー設計及びオペレーションの一例は、本発明の譲受人によって共有される1999年12月17日に出願した「垂直に構成された複数のプロセス用のチェンバー」を標題とする、アメリカ合衆国特許6,623に開示されている。従って、この実施の形態では、プロセスチェンバー106は、底部ECMDプロセスチェンバー及び上部洗浄−ドライチェンバーを有する。上部チェンバーにおいてはエッジ銅の除去及び後続の洗浄をも行うことができる。
ウエハは、処理セクション101内のプロセスステーション106に移送されてECMDのようなプロセスを開始させることができる。ステーション106〜110は、200あるいは300ミリメートルのウエハの何れかを処理するために適応されることができる。アニールステーションは、CMPプロセスの前に、あるいはそのプロセスの後に、あるいはCMPプロセスの前及び後にウエハをアニールするために使用される。ウエハをプロセスステーションでリンス、乾燥した後に、ウエハの正面及び背面から可能な汚染物質を除去するために、ウエハの正面及び背面をさらに2次洗浄チェンバーにて洗浄しうる。
図3A〜図3Cは、図2に示したシステム及び本発明の3つのステッププロセスを使用して銅の相互接続を形成する本発明のプロセスを説明する概略的な断面図である。この例において、典型的な2重ダマシン相互接続構造は、まずECMDを使用して薄い平面膜を成長させるステップ、次に、2ステップCMPプロセスを使用してこの平面膜を除去するステップを含む3ステップの成膜研磨プロセスによって形成される。図2に示したように、この実施の形態では、ECMDプロセスはプロセスステーション106で行われる。ここでは、銅が成膜、及び/又は除去される例示的な物質として使用されるが、他の導体、例えばNi、Pd、Pt、Au、Pb、Sn、Ag、及びそれらの合金を成膜し、或いは除去する場合にも、本発明は利用され得る。図3Aは、本発明の、ECMDプロセスを採用する成膜ステップで形成された平面銅膜122を有する半導体基板120を示す図である。図2の中で示された処理ステーション106内で、平面膜122は、絶縁層128上にパターニング及びエッチングされたビア124及びトレンチ126に電気めっきされる。絶縁層128は、半導体ウエハ130上に形成され、上面129を有する。バリア膜132はむしろ、ビア124、トレンチ126及び絶縁層128の上面129を共形状的にコーティングする。銅シード膜(図示せず)はバリア膜132上に成長させられ、銅が電気めっきされる基礎を形成する。絶縁体128の上面129を被覆する平坦な銅膜122の部分の厚さは、基板130上で充填されようとする最大の表面形状、即ち、最大の幅を有する表面形状(この例ではトレンチ126である)の深さと関係している。‘W’と示されるトレンチ126の幅が基板上で最大であれば、上面129を被覆する平坦な銅の部分の厚さ‘t’は0.75Dに等しく、又はそれ以下でありうる。ここでは、‘D’はトレンチの深さである。しかしながら、全体ウエハ表面上により大きな、即ちより広い表面形状が存在する場合、厚さtは該より大きな表面形状の深さの関数となり、即ち、これより大きな表面形状の深さの約3/4倍の深さ以下、又は約3/4倍の深さに等しいとなることが認識される。注目すべきことは、従来技術のプロセス(図1Aを参照)において、銅かぶりの厚さは、Dよりも大きいこと、即ち、t>Dであることである。このような薄くて平坦な銅膜は、基板の表面からかぶりや過剰の銅を除去するという長い高価な従来の処理ステップの使用を有利に無くすECMDプロセスのような平面成膜技術によって生成されることができる。その後、プロセスステーション106は、ウエハをリンス、乾燥して第1CMPステーション107へ送る。
図3Bに示すように、成膜ステップに続く研摩ステップにおいて、第1CMP処理ステップは第1CMPステーション107で行われて、絶縁層128の上面129上のバリア膜を被覆する過剰の平坦な銅膜を平面的に研磨する。第1CMP処理ステップは、非研削性スラリー及び固定の摩耗性パッド134を使用して好ましく行われることができる。固定の摩耗性パッド134は、銅膜122をバリア膜まで選択的に除去する。その後、第1プロセスステーション106は基板をリンス、乾燥して第2CMPステーション108へ移送する。
図3Cに示すように、第2で且つ最終の研磨ステップは第2CMPステーションで行われ、絶縁層128の上面129を被覆するバリア膜132は、例えば非研磨性パッド134を使用する、スラリーをベースにしたCMP処理によって除去される。異なる研磨パッド及びスラリーを使用する銅膜及びバリア膜の除去は、本発明の譲受人によって共有される2002年3月13日に出願した「銅及びバリア膜の統合的な化学機械研磨の方法及び装置」を標題とする番号60/365,001の同時係属のアメリカ合衆国仮特許出願に開示されている。第2CMPステップの後、アニールステップにおいて、ウエハは、図2で示されたアニールステーション110でアニールされる。アニール温度は約150〜450°Cの範囲にありうる。アニールステップの後、ウエハはロード−アンロードセクション102に移動されてカセットの中に積重ねられる。バリアCMPの後及びアニーリングの前に、2次洗浄ステーション109は、ウエハをさらに洗浄してウエハの前面及び背面上に汚染物が残留しないことを確保するのに使用されうる。2次洗浄チェンバーは、好ましくは、どんな銅の残留物をも除去して銅の濃度を約1011原子/cm2以下にするように、硫酸溶液かフッ酸溶液のような酸性溶液でウエハの背面及びベベル(bevel)を洗浄する能力を有する。
同じシステムの別のプロセスシーケンスにおいて、アニーリングステップはECMDステップの後及びCMPステップの前に適用されうる。ECMDステップ、及び後続のリンス、乾燥の後に、ウエハはさらに2次洗浄ステーションで洗浄されて、ウエハの背面及びベベルに銅がないことを確保することができる。先に記述したように、銅の濃度は1011原子/cm2以下である必要がある。このプロセスのCMPステップの前のアニーリングは、銅の厚さをより大きくするので銅の粒径がより大きくなり、より安定化することを確保する。代替的に、別のプロセスシーケンスにおいては、アニーリングステップが2回行われうる。第1アニーリングステップは第1CMPステップの前に行われ、第2アニーリングは第2CMPステップの後に行われる。前の実施の形態と同様に、2次洗浄ステップは、ECMDステップに続くリンス及び乾燥ステップの後に行われ、また任意のアニーリングステップの前にも行われてアニーリングがウエハの背面及びベベルからウエハ上のデバイスへの銅の拡散を引起さないことを確保する。
さらに、別のプロセスシーケンスでは、非平面の銅膜を得るために、ECMDプロセスは非接触モードで行われうる。洗浄及びアニールステーションでのアニーリングステップの後に、平面の銅膜が得られるように、成膜プロセスは接触モードのECMDプロセスで継続しうる。その後、ウエハは、CMPステップにさらされうる。このCMPステップの後には、以前に説明されたように、付加的なアニーリングステップを行っても、行われなくてもよい。
平面の銅膜が十分に薄いならば、即ち、約2000Å以下の場合、上記のプロセスは、CMPステーション107、108のうちのいずれか1つにおいて単独のCMPステップによって行われうる。単独のCMPステップは、非選択的スラリーを使用して薄い銅膜及び銅膜下のバリア膜を除去する。当然のことながら、この実施の形態で使用されるCMPステーションは、単独の処理ステップを行うように再構成されている。図4A及び図4Bは、図2で示されたシステムを使用して銅の相互接続を形成する本発明のプロセスを説明する概略的な断面図である。この実施の形態では、2重ダマシン構造は、本発明の原理に従って形成される。
図4Aは、本発明の第1ステップで形成された薄い平面的な銅膜222を有する半導体基板220を示す図である。図2に示された処理ステーション101において、平面膜は、絶縁層228上にパターン化され、エッチングされたビア224及びトレンチ226に電気めっきされる。この実施の形態では、絶縁体228の上面229を被覆する平坦な銅膜222の部分の厚さは、約2000Å以下、好ましくは約1000Å以下である。ECMDプロセスによって生成されたこのような薄い平面銅膜は、かぶりを除去する長い、且つ高価な従来のステップの使用を有利に省く。ECMDプロセスの後、ウエハは同じプロセスステーションでリンス、乾燥され、そして例えば第1CMPステーション107(図2を参照)へ送られる。
図4Bに示すように、本発明の最終ステップにおいて、CMPプロセスを単独研磨ステップにて行って、過剰の平坦な銅膜及びバリア膜を研摩する。以前に言及されたように、第1CMPステーション107は、単独ステップのプロセスを行うように再構成される。パッド234は、スラリーの助けを借りて絶縁体228の上面229まで銅膜222及びバリア膜232を除去する。最終的に、金属の相互接続が形成されて、これにより、完全な2重ダマシン構造を形成する。このステップでは非選択性のスラリーは、小さな厚さの絶縁体又は誘電体層を除去するために使用されてもよく、それによって、へこみ効果を最小限にする。本発明はECMDプロセスを使用して説明されているが、薄層を生成できる任意の平面成膜プロセスにも適用可能であることが注目されるべきである。前の実施の形態と同様に、単独のCMPステップに続いて、ウエハはアニールステーションでアニールされ得る。アニールの前に、2次洗浄ステーション109でウエハをもう1回洗浄することが望ましい。アニーリングステップの後、ウエハはロード−アンロードセクションへ移送され、カセットの中に積重ねられる。
同じシステムの別のプロセスシーケンスにおいて、アニーリングステップはCMPステップの前に、及びECMD処理ステップの後に適用されうる。さらに、ECMDステップの後、ウエハは処理ステーションでリンス、乾燥された後に、2次洗浄ステーションで洗浄されることができる。代替的に、別の実施の形態では、アニーリングステップは、CMPステップの前に一回、及びCMPステップの後に一回で2回行われうる。前述の実施の形態と同様に、このアプローチでは、2次洗浄ステップは各アニールステップの前に行われうる。
さらに、別のプロセスシーケンスでは、非平面の銅膜を得るために、ECMDプロセスは無接触モードで行われうる。アニールステーションでのアニールステップの後、成膜プロセスは平面の銅膜を得るように接触ECMDプロセスで継続しうる。ウエハは各成膜プロセスの後に2次洗浄ステーションで洗浄されうる。その後、平面膜は単独ステップのCMPプロセスを使用して研摩される。
すべての上記の実施の形態の中で、ウエハのフロントエッジ、ベベル、及びバックエッジから銅を除去するエッジ銅除去ステップは、ECMD又はめっきステップの後に実行されうることに注意すべきである。このプロセスは、2次洗浄ステーション内でも行われうるが、好ましくはECMDステーションのリンス−乾燥セクション内で行われる。プロセスで2つ異なる銅の成膜ステップが使用された場合、フロントエッジ上の銅は第2の成膜ステップの後のみに除去される。それは、フロントエッジ上の銅が第2の成膜ステップのために接点となる必要があるためである。しかしながら、デバイスが形成される領域へのバックエッジ及びベベルからの銅の拡散を回避するために、バックエッジ及びベベルは、第1めっきステップの後、及び任意のアニーリングステップの前に洗浄される必要がある。
上記の実施の形態で説明され、且つ図3A及び図4Aに示されたように、最初の平面銅構造122及び222は、ECMDプロセスを使用して形成される。同様な構造は、厚い平面銅膜を形成するECMDステップの後に、電気化学機械的エッチング(ECME)あるいは通常の電解研摩ステップを利用しても製造されうる。一旦銅膜が電解研摩プロセスによって薄くされれば、上記で説明された1ステップあるいは2ステップのCMPプロセスは超過銅膜を除去するために行われることができる。
上記のプロセスは、図5の中で示された典型的な第2のシステム200内で行われうる。第2のシステム200はさらに処理セクション201、ロード−アンロードセクション202、及びセクション201、200の間に位置するバッファーセクション203を備え得る。ウエハはロード−アンロードセクション202にロードされ、セクション202に位置する第1ロボット205はバッファーセクション203を介してウエハを処理セクションへ運び、あるいは処理セクションから取り出す。一実施の形態では、処理セクション201はプロセスステーション206、第1CMPステーション207、電解研摩または電気エッチングステーション208、2次洗浄ステーション209、及びアニーリングステーション210を備えうる。第2のロボット211はウエハを処理セクションに運び、或いは処理セクションから取り出すのに使用される。この例において、プロセスステーションはECMDのような平面電着プロセスを行うために使用されうる。この例において、各ステーションは、第2システム200の統合された一部として示されているが、別々に位置する個々のステーションであってもよい。更に、より多くのECMD、CMP、電解研摩、アニーリング、及び洗浄ステーションがスループットを増大させるためにシステムに備えられ得る。注意されるべきなのは、この実施の形態では、チェンバーは、好ましくは、前述のアメリカ合衆国特許6,352,623に開示されているように(ECMDチェンバーのような)下部プロセスチェンバー及び上部リンス−ドライチェンバーを有する垂直に積重ねられたチェンバーであることである。従って、この実施の形態では、プロセスチェンバー206は、底部ECMDプロセスチェンバー及び上部リンス−ドライチェンバーを有する。上部チェンバー内では、エッジ銅除去及び後続の洗浄も行われることができる。
図6A、図6Bを使用して、システム200を使用するプロセスを示す。図6Aに示すように、基板300は、ウエハ310上に配置された絶縁層308あるいは誘電体層に形成されるビア304及びトレンチ306を有する。絶縁層308は上面312を有する。バリア膜314は、ビア304、トレンチ306及び絶縁層308の上面312を共形状的にコーティングする。銅シード膜(図示せず)もバリア膜上に形成されうる。このプロセスの第1ステップは表面上に平面銅膜302を形成することである。平面銅膜302はECMDプロセスを使用して、プロセスステーション206内で形成される。この平面膜は、図1Aで示された先行技術と異なり、数ミクロンの幅、数十ミクロンの幅さえをも有する表面形状を含むすべてのサイズのあらゆる表面形状上にほぼ平坦な銅の表面を形成する。ECMDの後、ウエハは2次洗浄チェンバー209で洗浄されうる。このプロセスの次のステップは、電気化学エッチングステーション208内で電気化学エッチングを採用することにより、平面の銅膜の厚さを薄くする。しかしながら、電解研摩ステップの前に、ウエハはアニールステーション210でアニールされうる。膜302の初期の厚い性質は、アニールされる物質に非常に大きな粒径を保証する。電解研摩の後、残留する平面膜の厚さに応じて、CMPステップは採用されてウエハ表面より残りの導電膜を除去する。この例においてシステム200は1つのCMPステーションしか有しないが、システム200は、上述のように2ステップCMPアプローチを行うように2つのCMPステーションを備えうる。
図6Aに示すように、電気エッチングステージでは、銅膜302の厚いトップ部分は平面的な表面318まで平面的に除去される。残留する膜の厚さは、約2000Å以下、好ましくは1000Å以下である。残留する膜の厚さは、絶縁層の上面上のバリア膜を被覆する平面銅の部分の厚さであることが理解されるであろう。平面的な表面318を形成した後に、プロセスは、CMPチェンバー207で単独ステップのCMPプロセスで継続しうる。図6Bに示すように、単独ステップのCMPプロセスを使用して、表面312上のバリア膜部分は、絶縁層308のトップ部分320及びトレンチ306内の銅302のトップ部分322と共に、平面的な表面324まで平面的に除去される。
同じシステムのより好ましいプロセスシーケンスでは、アニーリングステップは、CMPステップの前に、及びECMDステップの後に適用されうる。ECMDステップの後に、リンス及び乾燥に続き、ウエハは2次洗浄ステーションで洗浄されうる。代替的に、別のプロセスシーケンスでは、CMPステップの後に、基板はアニールステーション210でアニールされうる。さらに、このアプローチでは、2次洗浄ステップは、CMPプロセスに続くリンス乾燥ステップの後に行われうる。
当然のことながら、上記説明されたアプローチは多くの長所を持つ。第一に、スタートの銅膜は、比較的厚い平面的な膜であり、その結果、一旦アニールされると、大きな粒状構造を生成する。膜が平面的なため、低コストの電解研摩アプローチを利用することにより、図6Aに示したように、膜の厚さを薄くするのが実現可能である。物質除去の間には平面化が必要でないため、電解研摩は膜302を平面的な表面318まで一様に薄くすることができる。
研磨パッド及びスラリーのような高価な消耗品を有するCMPと比較して、電解研摩は非常に低コストのプロセスである。したがって、銅の大部分が電解研摩によって除去され、残留した薄い銅膜のみがCMPステップによって研摩されることは、重要な経済的便益を有する。注目されるべきなのは、電解研摩が表面から過剰の銅かぶりを全部除去するまで続けられることである。しかしながら、これはより困難であり、且つ、プロセスウィンドウはより狭い。例えば、数百Åのオーバーエッチングは、特徴(ビア、トレンチ)の中へのへこみを引き起こすだろう。表面上に約2000Å以下の銅を残せば、少量の消耗品を使用しながら非常によいへこみ及び浸食結果を生み出せるCMPステップを行うことができる。したがって、このようなアプローチは経済的で、且つ高いスループットを有する。
簡単な化学的エッチングプロセスも、平面的な銅膜を2000Å以下の厚さに薄くするために使用されうる。しかしながら、多少強いエッチング溶液と銅の表面との間の化学反応を阻止するほうがより難しいため、エッチングプロセスが止められた後でさえ、銅の腐食及びエッチングは継続しうる。しかしながら、電解研摩の場合、以前に言及されたように、電解研摩溶液は電圧を印加されなければ、銅の表面を認められうるほどにエッチングしない。したがって、このプロセスは、電圧がかからないと、エッチングが直ちに止まるのでより制御可能であり、且つ、滑らかな表面をも生成する。
システム200を用いる別のプロセスは、図7A、図7Bを使用して示されている。この実施の形態において、第1ステップでは、基板400は、プロセスステーション206内で標準電着又は非コンタクトECMDプロセスを使用して、銅膜402をめっきされる。銅膜402は、従来の電気化学成膜プロセスを使用して形成された膜と同様な、従来の非平面の銅膜である。従来の電気化学的銅膜形成の一例は、背景技術において図1Aと関連させて説明されている。基板400は、ウエハ410上に配置された絶縁層408あるいは誘電体層に形成され、非平面の銅膜402を形成するためにめっきプロセスを通じて銅を埋め込まれたビア404及びトレンチ406を有する。絶縁層408は上面412を有する。バリア膜414はビア404、トレンチ406及び絶縁層408の上面412を共形状的にコーティングする。銅シード膜(図示せず)もバリア膜上に形成されうる。成膜プロセスの後に、基板は2次洗浄ステーション209で洗浄されうる。銅膜が平面的でないので、後のプロセスは銅膜を平面化する必要がある。この実施の形態では、基板は非平面の成膜プロセスの後にアニールステーション210でアニールされることができる。
図7Aに示したように、スタートの膜が非平面的なため、物質除去ステップの期間中に表面を平面化する必要がある。したがって、電気化学機械的エッチング(ECME)ステップが使用される。ECMEステージでは、銅膜402のトップ部分は除去され、平面化は平面的な表面418に達するプロセスの間に機械的なアクションの助けによって達成される。表面418下の残留する膜の厚さは、約2000Å以下、好ましくは約1000Å以下である。残留する膜の厚さは絶縁層の上面上のバリア膜を被覆する平面的な銅の部分の厚さであることが理解される。平面的な表面418を形成した後、プロセスは、CMPチェンバー207で単独ステップのCMPプロセスで継続しうる。図7Bに示したように、単独ステップCMPプロセスを使用することによって、表面412上のバリア膜部分は、絶縁層408のトップ部分420及びトレンチ406内の銅402のトップ部分422と共に、平面的な方法で平面的な表面424まで除去される。
同じシステムの一つのプロセスシーケンスにおいて、アニーリングステップはECMEステップの後に、及びCMPステップの前に適用されうる。ECMEステップ及びそれに続くリンス−乾燥の後に、ウエハは処理ステーションでリンス、乾燥された後、2次洗浄ステーションで洗浄されることができる。代替的に、別のプロセスシーケンスでは、CMPステップの後、基板はアニールステーション210でアニールされる。さらに、このアプローチでは、2次洗浄ステップは、アニーリングプロセスの前にも行われうる。
上記では特定の数のプロセスモジュールを有する典型的なシステムを図示し、説明したが、スループットの考慮によっては上記説明されたシステムはより多い数あるいはより少ない数の処理(ECMDとECME)及びCMPプロセスモジュールを含みうることが理解される。さらに、この適用では、システムは概略的に示されており、よって、システム内のプロセスモジュールは本発明のプロセス結果を変更せずに変えられうる。
以上では、様々な好ましい実施の形態及び最良のモードが詳細に説明されたが、当技術分野で通常の知識を有する者は、本発明の斬新な思想及び利点を実質的に逸脱することなく典型的な実施の形態の多様な変更が可能であることを容易に認識するだろう。
Claims (43)
- ウエハ処理システム内で導電性表面を有するウエハを処理する方法であって、
実質的に平面化される導電層を形成するように前記ウエハの導電性表面を電気化学機械的処理(ECMPR)モジュールで電気化学機械的に処理する電気化学機械処理ステップと、
前記ウエハのエッジ領域から導電物質を除去する除去ステップと、
前記ウエハ上に金属の相互接続構造を形成するように平面化された前記導電層を化学機械研磨(CMP)モジュールで化学機械的に研摩する化学機械研磨ステップと、を含むウエハ処理方法。 - 前記電気化学機械処理ステップが、前記導電性表面上に導電物質を成膜させるステップを含む請求項1に記載のウエハ処理方法。
- 前記電気化学機械処理ステップが、前記導電性表面の少なくとも一部を除去するステップを含む請求項1に記載のウエハ処理方法。
- 前記電気化学機械処理ステップが、前記ウエハの導電性表面と接触するステップを含む請求項1に記載のウエハ処理方法。
- 前記化学機械研摩ステップが、前記導電性表面の少なくとも一部を除去するステップを含む請求項1に記載のウエハ処理方法。
- 前記化学機械研摩ステップが、前記導電性表面の少なくとも一部を除去するステップを含む請求項2に記載のウエハ処理方法。
- 前記化学機械研摩ステップが、バリア物質を除去するバリア除去ステップを含む請求項1に記載のウエハ処理方法。
- 前記ウエハをアニーリングするアニーリングステップをさらに含む請求項1に記載のウエハ処理方法。
- 前記アニーリングステップが、
前記除去ステップの後に、前記ウエハを前記ECMPRモジュールからアニールモジュールに移送するステップと、
前記ウエハをアニールするステップとを含む請求項8に記載のウエハ処理方法。 - 前記アニーリングステップが、
前記ウエハを前記CMPモジュールからアニールモジュールに移送するステップと、
前記ウエハをアニールするステップとを含む請求項8に記載のウエハ処理方法。 - 前記除去ステップが、前記ウエハをリンス、洗浄、及び乾燥するステップを含む請求項1に記載のウエハ処理方法。
- 前記ウエハを前記ECMPRモジュールから洗浄モジュールに移送するステップと、
前記洗浄モジュール内で前記ウエハの背面を洗浄する洗浄ステップとをさらに含む請求項1に記載のウエハ処理方法。 - 前記洗浄ステップが、前記背面の金属濃度を約1011原子/cm2以下に低減させるステップを含む請求項12に記載のウエハ処理方法。
- 前記洗浄ステップが、前記ウエハのエッジ領域から導電物質を除去するステップを含む請求項12に記載のウエハ処理方法。
- 前記化学機械研摩ステップが、固定の研磨性パッド及び非研磨性スラリーで前記ウエハを研摩するステップを含む請求項1に記載のウエハ処理方法。
- 前記ウエハを前記CMPモジュールから第2のCMPモジュールへ移送するステップと、
前記第2のCMPモジュール内で前記導電層の少なくとも一部及びバリア膜を化学機械的に研磨する第2の化学機械研磨ステップとをさらに含む請求項1に記載のウエハ処理方法。 - 前記第2の化学機械研磨ステップが、非研磨性パッド及びスラリーで前記ウエハを研摩するステップを含む請求項16に記載のウエハ処理方法。
- 前記ウエハをアニールするアニーリングステップをさらに含む請求項16に記載のウエハ処理方法。
- 前記アニーリングステップが、
前記ウエハを前記CMPモジュールからアニールモジュールに移送するステップと、
前記ウエハをアニールするステップと、を含む請求項18に記載のウエハ処理方法。 - 前記アニーリングステップが、
前記ウエハを前記第2のCMPモジュールからアニールモジュールに移送するステップと、
前記ウエハをアニールするステップと、を含む請求項18に記載のウエハ処理方法。 - 請求項1に記載のウエハ処理方法に従って製造された集積回路。
- 請求項13に記載のウエハ処理方法に従って製造された集積回路。
- 請求項16に記載のウエハ処理方法に従って製造された集積回路。
- 金属の相互接続構造を形成するためにウエハの正面上の導電性表面を処理するシステムであって、
前記ウエハの前記正面上に実質的に平面化される導電層を形成するように構成された電気化学機械処理(ECMPR)モジュールと、
前記ウエハのエッジ領域から導電物質を除去するように構成された、前記ECMPRモジュール内のチェンバーと、
前記ECMPRモジュールから前記ウエハを受取り、前記ウエハの前記正面上の平面化された前記導電層を研摩して前記金属の相互接続構造を形成するように構成されたCMPモジュールと、
前記ECMPRモジュールから前記化学機械研磨(CMP)モジュールへ前記ウエハを移送するように構成されたロボットと、を備える。 - 前記ECMPRモジュールが、前記ウエハの前記正面から前記導電層の少なくとも一部を除去する請求項24に記載のシステム。
- 前記ECMPRモジュールが、前記ウエハの前記正面上に導電物質を成膜させる請求項24に記載のシステム。
- 前記CMPモジュールが、前記ウエハの前記正面上の前記導電層の少なくとも一部を除去する請求項26に記載のシステム。
- 前記CMPモジュールが、前記ウエハの前記正面から前記導電層の少なくとも一部を除去する請求項24に記載のシステム。
- 前記導電層が、バリア膜を有し、
前記CMPモジュールが、前記金属の相互接続構造を形成するために前記ウエハの前記正面から前記バリア膜を除去する請求項24に記載のシステム。 - 前記ウエハをアニールするように構成されたアニールモジュールをさらに備え、
前記ロボットが、前記ウエハを前記ECMPRモジュールから前記アニールモジュールへ移送する請求項24に記載のシステム。 - 前記ウエハをアニールするように構成されたアニールモジュールをさらに備え、
前記ロボットが、前記ウエハを前記CMPモジュールから前記アニールモジュールへ移送する請求項24に記載のシステム。 - 前記チェンバーが、前記ウエハをリンス、洗浄、及び乾燥する請求項24に記載のシステム。
- 前記ECMPRモジュールが、前記ウエハの前記正面上の前記導電層を平面化するために接触ECMPRプロセスを行う請求項24に記載のシステム。
- 前記ウエハの背面から導電物質を洗浄するように構成された洗浄モジュールをさらに備え、
前記ロボットが、前記ウエハを前記ECMPRモジュールから前記洗浄モジュールへ移送する請求項26に記載のシステム。 - 前記洗浄モジュールが、前記ウエハの背面の導電物質濃度を約1011原子/cm2以下に低減させる請求項34に記載のシステム。
- 前記洗浄モジュールが、前記ウエハのエッジ領域から前記導電物質を除去する請求項34に記載のシステム。
- 前記CMPモジュールが、固定の研磨性パッド及び非研磨性スラリーを備え、前記固定の研磨性パッド及び前記非研磨性スラリーで前記ウエハの前記正面を研摩するように構成される請求項24に記載のシステム。
- 前記ウエハの前記正面上の前記導電層及びバリア膜を研摩するように構成された第2のCMPモジュールをさらに備え、
前記ロボットが、前記ウエハを前記CMPモジュールから前記第2のCMPモジュールへ移送する請求項24に記載のシステム。 - 前記第2のCMPモジュールが、非研磨性パッド及びスラリーを備え、前記非研磨性パッド及びスラリーで前記ウエハの前記正面を研摩するように構成される請求項38に記載のシステム。
- 前記ウエハをアニールするように構成されたアニールモジュールをさらに備え、
前記ロボットが、前記ウエハを前記CMPモジュールから前記アニールモジュールへ移送する請求項38に記載のシステム。 - 前記ウエハをアニールするように構成されたアニールモジュールをさらに備え、
前記ロボットが、前記ウエハを前記第2のCMPモジュールから前記アニールモジュールへ移送する請求項38に記載のシステム。 - 前記ECMPRモジュールが、前記ウエハの前記正面から前記導電層をエッチングするように構成される請求項24に記載のシステム。
- 前記導電層が、銅を含む請求項24に記載のシステム。
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