JP4642229B2 - 半導体作業部材の上に銅を電解により沈着させる装置および方法 - Google Patents
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Description
マイクロ電子装置を製作する際、1種またはそれ以上の金属メッキ層を被覆する工程はしばしば全製作工程中の重要な工程であることが多い。金属メッキ層は読出し/書込みヘッドのような別々のマイクロ電子部品の製造に使用することができるが、もっと多くは半導体の作業部材のような作業部材上につくられる相互連結部材に使用される。例えばこのような構造物は集積回路の装置を連結するのに使用される。
【0002】
ここで使用されるいくつかの言葉を基本的に理解することは、本発明の主題を理解する上で読者の助けになるであろう。この目的のために本明細書に使用されるいくつかの言葉の基本的な言葉を下記に説明する。
【0003】
単一メッキ準位という言葉は基質に対して外側にある作業部材の複合体準位として定義される。複合体準位は一つまたはそれ以上の金属構造物から成っている。
【0004】
基質は1種またはそれ以上のメッキ準位が上部に沈着した材料の基本層である。基質は例えば半導体のウエハ、セラミックスのブロック等であることができる。
【0005】
作業部材は少なくとも一つの基質を含む対象物として定義され、さらにいくつかの材料の層または構造機素、例えば一つまたはそれ以上のメッキ準位を基質の上に含んでいることができる。
【0006】
集積回路は半導体材料の内部および半導体の表面の上に載せられた誘電材料の内部につくられた装置が互いに連結された集合体である。半導体の内部につくることができる装置はMOSトランジスター、二極トランジスター、ダイオードおよび拡散抵抗素子を含んでいる。誘電体の内部につくることができる装置は薄膜抵抗体および蓄電器である。典型的には直径8インチの単一の珪素ウエハの上に100個以上の集積回路のダイス型(ICチップ)がつくられる。各ダイス型に使用される装置は誘電体内部につくられた伝導性の経路によって相互に連結されている。典型的には隣接した準位が誘電体の層で分離された二つまたはそれ以上の準位の伝導性の経路が相互連結部材として使用される。現在使用されている技術では伝導体および誘電体としてそれぞれアルミニウム合金および酸化珪素が典型的に使用されている。
【0007】
単一のダイス型の装置間において電気信号の伝播の遅延により集積回路の挙動が制限される。特にこれらの遅延によって集積回路が電気信号を処理する速度が制限される。伝播の遅延が大きいと集積回路が電気信号を処理できる速度が減少し伝播の遅延が小さいとこの速度が増加する。従って集積回路の製造業者は伝播の遅延を減少させる方法を探索している。
【0008】
それぞれの相互連結経路に対し、信号の伝播の遅延は遅延時間τによって規定することができる。E.H.Stevens,Intervonnect Technology,QMC,Inc.,1993年6月号参照のこと。遅延時間τは集積回路上のトランジスター間の信号の伝達に関係しているから、τに対する近似式は下記で与えられる。
【0009】
τ=RC[1+(VSAT/RISAT)]
この式においてRおよびCはそれぞれ連結経路に対する等価抵抗およびキャパシタンスであり、ISATおよびVSATはそれぞれ信号を連結経路に与えるトランジスターに対し電流の飽和が起こる際の飽和(最大)電流および電源に対するドレーン(drain to source)電位である。経路の抵抗は伝導性材料の抵抗率ρに比例する。経路のキャパシタンスは誘電材料の比誘電率Keに比例する。τの値が小さいと、VSAT/RISATの比か小さくなるのに十分な大きな電流密度の電流が連結線に流れる必要がある。従って高性能の集積回路を製作するには高い電流密度の電流を流し得るρが低い伝導体とKeが低い誘電体を使用しなければならない。
【0010】
この上記の基準に合わせるためには、最も好適な連結構造物として酸化珪素の誘電体の内部でアルミニウム合金の線の代わりにKeが低い銅の連結線がよく用いられる。「Copper Goes Mainstream:Low−k to Follow」、Semiconductor International,1997年11月号、67〜70頁参照。銅フィルムの抵抗値は1.7〜2.0μΩcmの範囲にあり、アルミニウム合金フィルムの抵抗値は3.0〜3.5μΩcmの範囲にある。
【0011】
銅の有利な性質にも拘わらず、銅は期待されるほど広くは連結材料として使用されていなかった。これは少なくとも部分的には銅のメッキを沈着させることが困難であり、さらに障壁層の材料を存在させる必要があることによるものである。障壁層の必要は、銅が珪素の結合部に拡散してゆき、基質の中につくられた半導体装置の電気的特性を変化させることに由来する。銅の層に沈着させてこのような拡散を防ぐ前に、例えば窒化チタン、窒化タンタル等からつくられた障壁層を珪素の接合部および任意の介在する層の上部に配置しなければならない。
【0012】
半導体の作業部材に銅のメッキを被覆するいくつかの方法が最近開発された。このような一つの方法は化学蒸着法(CVD)であり、この方法では気相の銅組成物を熱分解および/または反応させることにより障壁層の表面に薄い銅のフィルムを生成させる。CVD法の結果位相幾何学的な種々の形状の上に銅を均一に(conformal)被覆することができるが、全メッキ層に対して適用する場合この方法は費用がかかる。
【0013】
他の公知の方法である物理蒸着法(PVD)は、CVD法に比べ障壁層の上に比較的良好な接着性をもった銅の層を容易に沈着させることができる。しかしPVD法の欠点の一つは、微小構造物、例えば半導体の作業部材の表面にあるヴァイアス(vias)およびトレンチ(trench)を充填するのに使用した場合、不均一な(non−conformal)段階的な被覆を生じることである。例えばこのような不均一な被覆の結果、底部において、特に半導体装置のトレンチの側壁の所で銅の沈着が少なくなる。
【0014】
PVDの場合銅の層がトレンチの中に不適切に沈着してメッキ層の面の中に連結線をつくっている様子を図1に例示する。図示のように、適切な量の銅がトレンチ下方の部分の内部に沈着する前に、トレンチの上部は効果的に「狭まって潰れている(pinched off)」。その結果開いた空隙が生じ、設計されたように電気信号を運ぶメッキ線の能力が著しく損なわれる。
【0015】
銅を電着するこの方法は銅のメッキ層を沈着させる費用的に最も効果的な方法であることが見出されている。経済的に実行可能であることの他に、この沈着方法では連結構造物として機械的にも電気的にも適した実質的に均一な銅のフィルムが得られる。しかしこの方法は一般に電気伝導層に銅を被覆する場合だけに適している。この場合一般に下地になる電気伝導性の種子層を作業部材に被覆した後、電着工程を行なう。障壁層の材料に銅を電着させる方法はこれまで工業的に実行可能なものがなかった。
【0016】
本発明では(1)適切な接着性をもった均一な銅の層を障壁層に対して被覆し、(2)適切な沈着速度でこれを行なうことができ、(3)工業的に実行可能である銅の金属メッキ処理法が必要であるということが認識されている。
【0017】
(本発明の概要)
本発明では半導体の作業部材のような作業部材の銅メッキを行なう新規方法を使用する。本発明に従えば、アルカリ性の銅電解質浴を使用して種子層の上に銅を電気メッキするか、銅を直接障壁層材料の上に電気メッキするか、或いはPVDのような沈着法を使用して障壁層の上に沈着させた極端に薄い銅の種子層の強化を行なう。得られた銅層は作業部材のバイヤス、トレンチおよび他の微小構造を充填する均一な優れた銅の被膜を与える。種子層の強化に使用する場合には、得られた銅の種子層は電気化学的沈着法を用い微小構造を良好な均一性をもった銅の層で充填することができる均一な優れた銅被膜を与える。さらにこの方法で電気メッキされた銅の層はシートの抵抗が小さく、低温において容易に焼鈍される。
【0018】
上記のように本発明方法は作業部材のメッキ層をつくるのに使用される広い範囲の工程に適用することができる。作業部材は例えば処理して集積回路または他のマイクロ電子機素をつくるための半導体作業部材であることができる。種子層を強化する方法も本発明への適用性を限定することなく記載されていいる。
【0019】
表面の上に障壁層を沈着させた作業部材にメッキした連結構造物を被覆する方法も記載されている。この方法は障壁層の上に極端に薄い金属の種子層をつくる工程を含んでいる。極端に薄い種子層は約500Å以下の厚さを有し、以後の金属沈着工程のための種子層として使用できる任意の金属からつくることができる。このような金属には例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金等が含まれる。次いで別の沈着工程において他の別の金属をその上に沈着させ、主要金属の沈着に使用するのに適した強化された種子層をつくることにより極端に薄い種子層を強化する。強化された種子層は、作業部材の内部に配置された実質的にすべての凹んだ特徴をもつ側壁のすべての点において、作業部材の外側の表面上の種子層の公称の厚さの約10%以上の厚さをもっている。
【0020】
本発明方法の特定の具体化例に従えば、銅を含む金属メッキ用のの連結構造物をつくる。このためには錯化剤を有するアルカリ性の浴を使用する電気化学的な銅沈着法を半導体の作業部材に対して行なうことにより極端に薄い層を強化する。銅の錯化剤はEDTA、EDおよび多価カルボン酸、例えばクエン酸またはその塩から成る群から選ばれる少なくとも1種の錯化剤であることができる。
【0021】
本発明においては、ブランケット・メッキ(blanket plating)、凹んだ微小構造の充填メッキ法、および種子層の強化用のメッキ法に適した種々のメッキ浴組成物も記載されている。種子層の強化を行なうために銅を電気メッキするための好適な溶液は硫酸銅、硼酸および錯化剤を含んでいる。錯化剤はED、EDTAおよび多価カルボン酸、例えばクエン酸から成る群から選ばれることが好ましい。この溶液はまたブランケット・メッキおよび凹んだ微小構造の充填メッキにも適している。
【0022】
得られた銅フィルムの抵抗率を改善するメッキ溶液も記載されている。このメッキ溶液は硫酸銅、硫酸アンモニウムおよびエチレングリコールを含んでいる。この溶液はまたブランケット・メッキおよび凹んだ微小構造の充填メッキにも適している。
【0023】
(本発明の詳細な説明)
本発明では半導体の作業部材のような作業部材の銅メッキを行なう新規方法を使用する。本発明に従えば、アルカリ性の銅電解質浴を使用して種子層の上に銅を電気メッキするか、銅を直接障壁層材料の上に電気メッキするか、或いはPVDのような沈着法を使用して障壁層の上に沈着させた極端に薄い銅の種子層の強化を行なう。さらにメッキ層を被覆する方法が記載されている。本発明方法は実質的な数の種々の異なった金属組成物に関連して使用できるが、本明細書に記載された特定の具体化例は銅を含むメッキ層の被覆に関連するものである。このためにはPVDのような沈着法を用い障壁層の上に予め沈着させた極端に薄い銅の種子層を強化するためにアルカリ性の銅の電解質浴を使用する。強化された銅の種子層は、後ででき化学的な沈着法を使用し良好な均一性をもった銅の層でトレンチおよびバイヤスを充填し得る優れた均一な銅被膜を与える。
【0024】
トレンチ5のような微小構造、即ち銅のメッキで充填すべき微小構造の断面図が図2Aに示されており、これは本発明における種子層を強化する態様を説明するのに用いられる。図示のように例えば窒化チタンまたは窒化タンタルの薄い障壁層10が半導体の装置の表面の上に、或いは図2Aに示されているように二酸化珪素のような誘電体8の上に沈着されている。障壁層10は銅が基質の中につくられた半導体の装置へ移動するのを防ぐ作用をする。使用する特定の障壁材料に依存し、種々の公知の方法、例えばCVDまたはPVDの中の任意のものを使用して障壁層を沈着させることができる。好ましくは障壁層の厚さは約100〜300Åである。
【0025】
障壁層を沈着させた後、極端に薄い銅の種子層15を障壁層10の上に沈着させる。得られた構造物を図2Bに示す。好ましくはCVDまたはPVDのような蒸着法を使用して銅の種子層15をつくる。適切な接着性と銅の被覆率を得るためには、通常比較的厚い(1000Å)銅の種子層が必要である。しかし種子層を被覆するためにPVD蒸着法を用いる場合、このような厚い種子層は幾何学的形状が小さいトレンチを塞いでしまうという問題を生じる。
【0026】
種子層の被覆に関する伝統的な考えとは異なり、例示された具体化例の銅の種子層15は極端に薄く、厚さは約50〜約500Å、好ましくは約100〜約250Å、最も好ましくは約200Åである。この極端に薄い銅の種子層はCVDまたはPVD、或いは両方の組合せで沈着させることができる。しかしPVDは、比較的良好な接着性をもって障壁層の上に銅を容易に沈着させ得るから、好適な被覆法である。従来法に使用されるような比較的厚い種子層ではなく、銅の極端に薄い種子層を沈着させることにより、トレンチが狭まって潰れることを避けることができる。
【0027】
極端に薄い種子層15を使用すると、一般にそれ自身のもつ固有の問題が導入される。これらの問題のうち最も深刻なものの一つは、このような極端に薄い層が一般に均一に障壁層10を被覆しないことである。即ち20の所におけるように側壁上において空隙または非連続的な種子層の領域が極端に薄い種子層15の中に存在することが多く、そのため後で電気化学的に沈着される銅の層が区域20の中に適切に被覆されなくなる。さらに極端に薄い種子層は21の所におけるような尖った部分を含み、これは後で電解により沈着される金属層の均一性に悪影響を与える。このような尖った部分21は他のもっと平らな区域に比べ高い割合で銅が沈着する高電位区域を生じる。従って種子層15は種子層を被覆した後に典型的に使用される伝統的な電着法に十分適しているとは云えない。
【0028】
本発明では、後の電気化学的な種子層の強化法と組み合わせると、極端に薄い種子層を使用できることが見出された。このためには半導体の作業部材を後の処理工程にかけ、ここでさらに付加的な量の銅18を極端に薄い種子層に被覆し、種子層を強化する。銅をさらに沈着させて強化した種子層を図2Cに示す。図2Cに示されているように、図2Bの空隙または非連続的な区域20は充填され、実質的にすべての障壁層10は銅で被覆されている。
【0029】
側壁の階段部分の被覆率、即ち側壁の底部22の所での種子層の厚さ対作業部材の外側に配置された側23の所における種子層の最低の厚さの比が少なくとも10%に達するまで種子層の強化工程を継続することが好ましい。さらに好ましくは側壁の階段部分の被覆率は少なくとも約20%である。このような側壁の階段部分の被覆率は半導体の作業部材の凹んだ構造の実質的にすべての部分に存在する。しかし半導体の作業部材の内部に分布している或る種の凹んだ構造ではこれらの側壁の階段部分の被覆率に達しないこともある。例えば半導体の作業部材の周辺の縁の所にあるこのような構造はこれらの階段部分の被覆率に達しないことがある。同様に或る種の凹んだ構造の所にある欠陥または不純物が所望の被覆率に達するのを妨げることもある。作業部材の外側の所における強化された種子層の公称の厚さは500〜1600Åの範囲であることが好ましい。
【0030】
本発明方法の具体化例は銅のメッキに関連して説明されているが、全体的な沈着を行なう前に極端に薄い種子層を強化する基本的原理は電気メッキを行ない得る他の金属または合金にも適用することができる。このような金属には、鉄、ニッケル、コバルト、亜鉛、銅−亜鉛、ニッケル−鉄、コバルト−鉄等が含まれる。
【0031】
極端に薄い銅の種子層を強化するのに適した装置25の模式図を図3に示す。この装置はまたブランケット・メッキ層および/または凹んだ微小構造を完全に充填するためのメッキを被覆するのにも適している。図示のように、半導体ウエハ30のような半導体の作業部材を電気メッキ溶液の浴35の中に面を下向きにして配置する。電気メッキ槽の陰極としてウエハ30をメッキ用の電源45に接触させるために1個またはそれ以上の接点40が備えられている。陽極50は浴35の中に配置され、メッキ用の電源45に連結されている。陽極50とウエハ/陰極30の間に拡散器55を配置することが好ましい。ウエハ30は強化工程中軸60の周りに回転させることができる。陽極50にはその後側に誘電遮蔽65が備えられ、これはメッキ浴の液の流入する方向に面している。
【0032】
上記のように、本発明の或る種の態様は新規にして有用なメッキ溶液に関する。これらの溶液はブランケット・メッキ、凹んだ微小構造の完全な充填、種子層の強化等に使用することができる。種子層を強化するための好適な電解質浴溶液は銅イオンが錯化剤と錯化したアルカリ性の銅浴である。メッキ浴の種々の成分に対する好適な組成および濃度範囲には下記の通りである。
【0033】
1.硫酸銅:0.03〜0.25M(好ましくは0.04M);
2.錯化剤:錯体対金属の比が1〜4、好ましくは2;
3.硼酸:0.01〜0.5M(好ましくは0.05M);
4.pH:5〜13、好ましくは9.5。
【0034】
好適な銅イオン源は硫酸銅(CuSO4)である。硫酸銅の浴中の濃度は好ましくは0.03〜0.25Mの範囲、さらに好ましくは約0.1Mである。
【0035】
本発明に使用するのに適した錯化剤は銅イオンと安定な錯体をつくり、水酸化銅の沈澱を防ぐ。エチレンジアミン四酢酸(EDTA)、エチレンジアミン(ED)、クエン酸、およびその塩は特に適した銅の錯化剤であることが見出された。浴中の錯化剤対硫酸銅のモル比は好ましくは1〜4の範囲、さらに好ましくは約2である。このような錯化剤は単独で、互いに組み合わせて、また1種またはそれ以上の他の錯化剤と組み合わせて使用することができる。
【0036】
電解質浴はpHが少なくとも9.0に保たれていることが好ましい。所望の9.0またはそれ以上の値にpHを調節または保持するためには、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、または水酸化ナトリウムが使用される。クエン酸またはED浴に対する好適なpHは約9.5であり、EDTA浴に対する好適なpHは約12.5である。上記のように、錯化剤は高pH値において銅が沈澱するのを防ぐ助けをする。
【0037】
アルカリ性の銅浴にさらに他の成分を加えることができる。例えばクエン酸またはEDを錯化剤として使用した場合、硼酸(H3BO3)はpHを9.5に保持するる助けとなり、錯化剤としてEDTAを含む電解質浴に加えた場合、光沢の高い銅の沈着物を与える。硼酸を加える場合、浴中の濃度は0.01〜0.5Mの範囲であることが好ましい。
【0038】
一般に浴の温度は20〜35℃の範囲であることができ、25℃が好適である。銅を電解により沈着させて銅の種子層を強化するための電流密度は1〜5ミリアンペア/cm2であることができ、銅の種子層を強化するメッキ時間は約1〜約5分間で十分である。メッキの波形は例えば周期が2ミリ秒で使用率が50%の前向きの周期パルスであることができる。
【0039】
アミンを含まない酸の錯化剤、例えばクエン酸のような多価カルボン酸またはその塩はEDTAまたはEDを使用するよりも好適である。EDTAおよびEDはアミン基を含んでいる。これらのアミン基はウエハを洗滌して乾燥した後もしばしば半導体作業部材の表面に残留する。その後の処理、特に写真平板処理のような処理は、これらのアミン基が存在することによって生じる反応のために妨害を受ける。例えばアミン基はフォトレジスト材料の露光および/または硬化に伴う化学反応を妨害する。従って電着工程の後で写真平板法を行なうような処理ではアミンを含まない錯化剤が特に適している。
【0040】
クエン酸のような多価カルボン酸を使用するさらに他の利点は、銅をメッキする電位の大きさがEDTAを含む浴中で銅をメッキする電位の大きさよりも大きいことによって生じる。このことは図4Aおよび4Bに例示されており、ここで図4Aはクエン酸に対する電流−電位曲線であり、図4BはEDTA浴に対する電流−電位曲線を示す。電気メッキは対応する電流が急激に増加する電圧の所で起こる。このメッキ電圧は電着電位とも呼ばれ、錯化剤としてクエン酸を用いる浴に対しては図4Aに示されるように−1.25ボルトであり、錯化剤としてEDTAを用いる浴では図4Bに示されるように約−1.0ボルトである。電流のピーク(クエン酸を含む浴では70、70’、EDTAを含む浴では72、72’)は限界電流であり、これはメッキ溶液中の銅イオンの質量輸送および濃度によって主として決定される。図示のように、電流および特定のメッキ電圧の大きさは基質材料に僅かに依存している。異なった基質に対する結果は図4Aおよび4Bに図示されており、ここで70および72は銅の基質材料に対する曲線であり、70’および72’は酸化銅を被覆した銅から成る銅基質材料に対する曲線である。同じ電解質の中で酸化物で被覆された銅では余分のピークが生じていることが認められる。これらのピークはアルカリ性で電気化学的に銅が沈着する前に酸化銅が電気化学的に還元されて銅になることに関連している。
【0041】
アルカリ性の浴中で高いメッキ電位で電着された銅の層は、酸性の浴中で低いメッキ電位で電着された銅の層に比べ、下地の障壁層に対する接着性が良いと考えられている。銅が障壁層に接着するためには、銅イオンは障壁層の表面において薄い酸化された或いは汚染された層を透過するのに十分なエネルギーをもって障壁層の表面に衝突しなければならない。従って大きな大きさをもったメッキ電位で電着した銅の層は、小さな大きさのメッキ電位を用いてメッキされた層に比べ、メッキ工程中露出した障壁層に対し良く接着する。この因子は、PVDの銅と電気化学的に沈着させられた銅との間の銅間の化学結合と組み合わされ、優れた電気的性質並びに障壁接着性をもった強化された種子層を与える。このような特性はブランケット・メッキ、完全な充填メッキ、パターン・メッキ等にも望ましいことである。
【0042】
本発明においては沈着した銅フィルムの抵抗率はメッキ浴溶液の抵抗率と直接関連していることが見出された。従って溶液の抵抗率を下げるのを助ける添加剤は沈着したフィルムの抵抗率をそれに応じて低下させる。
【0043】
実験の結果は硫酸アンモニウムを添加するとメッキ浴溶液の抵抗率が、従って沈着したフィルムの抵抗値が著しく下がることを示している。異なった量の硫酸アンモニウムに対して得られたシートの抵抗を図4Cで比較する。図から判るように、高温で焼鈍を行なったものまたは行なわないもののいずれに対しても、硫酸アンモニウムを含まない浴でシートの最も大きな抵抗が得られた。痕跡量の硫酸アンモニウムを浴の中に加えた浴のpHを調節するために水酸化アンモニウムを使用した場合、シートの抵抗は76から23に低下した。硫酸アンモニウムの濃度を0.1Mから0.5Mに増加させると、それに対応してシートの抵抗は連続的に減少した。
【0044】
硫酸アンモニウムは沈着した銅の層のシートの抵抗を減少する助けとなるが、得られた銅フィルムの均一性を減少させることが実験の結果示された。しかし硫酸アンモニウム含有溶液にエチレングリコールを加えると、得られた沈着物の均一性は実質的に増加する。図4Dはエチレングリコールの濃度と硫酸アンモニウムを0.2M含むメッキ溶液の伝導度との間の関係を示す。
【0045】
硫酸アンモニウムを含むメッキ浴の種々の成分濃度と好適な組成および濃度範囲は次の通りである。
【0046】
1.硫酸銅:0.03〜0.5M(好ましくは0.25M);
2.錯化剤:錯体対金属の比は1〜4、好ましくは2;
3.硫酸アンモニウム:0.01〜0.5M、好ましくは0.3M;および
4.硼酸:0.00〜0.5M、好ましくは0.2M。
上記のように、このような浴の組成はブランケット・メッキ、パターン・メッキ、完全充填メッキ、および種子層を強化するのに使用することができる。
【0047】
再び本発明の特定の種子層を強化する態様を参照すれば、図2Cの強化された種子層は後で電気化学的に銅を沈着させるのに適している。このような後で行なう銅の沈着は獅子層を強化するのに用いられる装置の内部でアルカリ性の浴中で行なうことができる。その後で沈着した銅の抵抗率を低下させる助けとなる低温焼鈍処理を行なうことができる。このような低温における焼鈍工程は好ましくは約250℃以下の温度で、さらに好ましくは約100℃以下の温度で行なわれる。低K−誘電材料を使用して銅の構造物を絶縁する場合には、焼鈍温度の上限は誘電材料の劣化温度よりも低い温度に選ばなければならない。
【0048】
上記のアルカリ性の浴組成物は全体的な電気化学的沈着工程に使用することができるが、酸性の環境下において後で銅を沈着させることができ、この場合メッキ速度はアルカリ性のメッキ浴に伴う対応する速度よりも実質的に速い。そのためには半導体の作業部材を脱イオン水で十分洗滌する装置の中に移送し、次いでメッキ浴が酸性である図3の装置と同様な装置に移す。例えば一つの適当な銅浴は170g/リットルのH2SO4、17g/リットルの銅および70ppmの塩素イオン、並びに有機性の添加剤を含んでいる。有機性の添加剤はメッキ反応に対し絶対に必要なものではない。むしろ有機添加剤は所望のフィルム特性をつくり、ウエハ表面の凹んだ構造をより良く充填するのに使用することができる。有機添加剤は平滑剤、光沢剤、湿潤剤および靭性強化剤を含んでいる。トレンチ5が電気化学的に沈着した銅の付加的な層22で実質的に充填されるのはこの沈着工程の間である。得られた充填された断面を図2Dに示す。この方法で充填した後、障壁層およびトレンチの上に沈着した銅の層を任意の適当な方法で除去し、図2Eに示されるように銅のメッキとそれに付属した障壁材料をもつトレンチ5だけを残す。
【0049】
銅の種子層を強化するためにアルカリ性の電解質浴を使用すると、種子層の強化を行なわないで銅浴を使用する場合に比べ特に有利である。PVDの銅の種子層を沈着させた後、典型的には銅の種子層を酸素を含む雰囲気に露出する。酸素は容易に銅を酸化銅に変える。種子層を酸素含有雰囲気に露出した後、酸性の銅浴を使用して銅を種子層の上にメッキすると、酸性の銅浴は生成した酸化銅を溶解し、種子層に空隙が生じ、種子層の上に沈着した銅の層の均一性が悪くなる。本発明の具体化例に従ってアルカリ性の銅浴を使用すると、金属銅に対する種子層の表面の所で酸化銅を実質的に減少させることによりこの問題を避けることができる。アルカリ性の銅浴の他の利点は、メッキされた銅が酸性の銅浴からメッキされたものに比べ障壁層に対し遥かに良好な接着性を有していることである。本発明の種子層強化態様の他の利点は下記の実施例から判るであろう。
【0050】
実施例1
種子層の強化を行なった場合および行なわなかった場合における酸性の銅メッキの比較
200ÅのPVDによる銅の種子層を用い半導体ウエハ1、2および3をそれぞれ被覆した。本発明に従いウエハ1および2はそれぞれクエン酸およびEDTA浴から強化された種子層をもっていた。浴の組成は次の通りである。
【0051】
ウエハ1に対する浴:0.1MのCuSO4+0.2Mのクエン酸+0.05MのH3BO3を脱イオン水中に含む。pH9.5、温度25℃。
【0052】
ウエハ2に対する浴:0.1MのCuSO4+0.2MのEDTA+0.05MのH3BO3を脱イオン水中に含む。pH12.5、温度25℃。
【0053】
ウエハ3に対しては種子層の強化を行なわなかった。
【0054】
この3枚のウエハに対し次に同一条件下において酸性の銅浴から1.5μの銅層をメッキした。公称の厚さ1.5μの銅の層が沈着した後、シートの抵抗の測定から推測した3枚のウエハの均一性を下記の表で比較する。
【0055】
【表1】
【0056】
上記表1の結果から判るように、本発明方法により種子層の強化を行なうと、種子層の強化を行なわなかった場合(不均一性46%)に比べ優れた均一性が得られる(不均一性6〜7%)。このことは1.5μの銅を電気メッキで沈着させた後における視察によるウエハの観測の結果と一致している。ウエハのこのような視察による検査によれば、種子層の強化を行なわなかった場合、ウエハ上においてウエハ電極の接点の所に欠陥が存在することが明らかになった。
【0057】
図5、6Aおよび6BはSEM(走査電子顕微鏡)を用いて撮った写真である。図5においてはトレンチ85のような微小構造を含む半導体ウエハの表面上に極端に薄い種子層が沈着している。図示のように、トレンチの下隅部に空隙の領域が存在している。図6Aにおいてはクエン酸を錯化剤とした浴に中で上記方法により種子層が強化された。この強化により後で電気化学的に銅をメッキして沈着させるのに非常に適した均一な銅の種子層が得られた。
【0058】
図6Bは錯化剤としてEDTAを含む浴中で強化した種子層を示す。得られた種子層はトレンチの側壁から尖った部分として突き出した大きな粒径を示している。これらの側壁の粒子の突出部が存在すると、後で電気化学的な沈着によりトレンチを充填することが困難になる。何故ならこのような突出部によって局所的にメッキ速度が高くなり、それによって後で行なう電気化学的な沈着が不均一になるからである。この効果は寸法の小さい凹んだ微小構造の場合に特に顕著である。従って小さい微小構造を充填する場合にはクエン酸のような錯化剤の方が好適である。クエン酸を含む銅浴に対するのと同等な結果が錯化剤としてEDTAを用いた場合にも得られた。
【0059】
図7は上記の方法を適用するのに適した半導体製造ライン90の一部を模式的に示している。製造ライン90は蒸着装置または装置の組95および銅の電気化学的な沈着装置または装置の組100を含んでいる。装置/装置の組95と100との間のウエハの移送は手で行なうか、或いは自動移送機構105を用いて行なうことができる。好ましくは自動移送機構105により容器の中に入れるかまたは同様な環境で作業部材を移送する。別法として移送機構105は該装置/装置の組を連結しているきれいな雰囲気の中で個別的に或いは開いた運搬具の中に入れてウエハを移送することができる。
【0060】
操作する場合、蒸着装置/装置の組95を使用して極端に薄い銅の種子層をライン90で処理される半導体作業部材の少なくとも一部に被覆する。これはPVD被覆法を用いて行なうことが好ましい。次に極端に薄い種子層を被覆した作業部材に対し例えば処理ステーション110の所で電気化学的な種子層の強化を行なう。処理ステーション110は図3に記載された方法で構成することができる。強化が完了した後、作業部材に対し完全な電気化学的沈着による充填操作を行ない、この場合銅のメッキを所望の連結されたメッキの厚さになるまで被覆する。この後の工程はステーション110で行なうことができるが、好ましくは他の処理ステーション115で行ない、ここで酸性のメッキ浴を存在させて銅のメッキを沈着させる。ステーション115へ移送する前に、作業部材をステーション112において脱イオン水で洗滌することが好ましい。ステーション110、112および115の間のウエハの移送はウエハ運搬システム120によって自動化することができる。電気化学的沈着装置の組100は例えば米国マサチューセッツ州KalispellのSemitool,Inc.製のLT210TM型またはEquinoxTM型のメッキ装置を用いて実装することができる。
【0061】
本発明の基本的な概念から逸脱することなく上記システムの種々の変形を行なうことができる。上記においては一つまたはそれ以上の特定の具体化例を参照して本発明を詳細に説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の精神および範囲を逸脱することなく多くの変形を行ない得ることは当業界の専門家には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 完全にPVD法による銅によってつくられた連結線の断面図。
【図2A〜2E】 本発明の一具体化例に従って被覆された際の種々の材料の層を示す半導体作業部材の断面図。
【図3】 極端に薄い種子層を強化するのに適した装置の模式図。
【図4A】 錯化剤としてクエン酸のような多価カルボン酸を使用したメッキ溶液の電流−電位曲線を示すグラフ。
【図4B】 錯化剤としてEDTA、即ちアミン含有メッキ溶液を使用したメッキ溶液の電流−電位曲線を示すグラフ。
【図4C】 硫酸アンモニウムを含みまた含まない浴の溶液から沈着させた銅フィルムに対する焼鈍温度によるシートの抵抗の変化。
【図4D】 硫酸アンモニウムを含みまた含まない照合溶液中におけるエチレングリコールの濃度の関数としてメッキ溶液の伝導率を示すグラフ。
【図5】 極端に薄い種子層の走査電子顕微鏡写真。
【図6A】 クエン酸浴中で強化した極端に薄い種子層を示す走査電子顕微鏡写真。
【図6B】 EDTA浴中で強化した極端に薄い種子層を示す走査電子顕微鏡写真。
【図7】 本発明の種子層強化工程を実現するのに適した半導体製造ラインの一部の模式図。
Claims (8)
- 側壁によって規定される微小凹構造を有するマイクロ電子基板に金属を被覆する方法であって、ここで、側壁はその上に沈着している障壁層を含んでおり、
(a)第1の金属沈着工程により障壁層上に金属種子層を形成する工程、ここで、前記金属種子層は500Å以下の厚さを有する、
(b)第1の金属沈着工程と異なる第2の金属沈着工程により追加の金属層を金属種子層および側壁上の金属種子層で覆われていない障壁層に沈着させて金属種子層を強化して以後の電気メッキに適するようにする工程、ここで、強化された金属種子層は微小凹構造の側壁上のすべての点において、マイクロ電子基板表面上の強化された金属種子層の厚さの10%以上である厚さを有し、第2の金属沈着工程は電気化学沈着工程である、
(c)第2の金属沈着工程と異なる工程パラメーターを有する第3の金属沈着工程により強化された金属種子層上に電気メッキ層を施す工程
を含むことを特徴とする方法。 - 工程(b)における追加の金属が銅である請求項1に記載の方法。
- 工程(b)の電気化学沈着工程がアルカリ性の浴の中で行われる請求項1に記載の方法。
- アルカリ浴が金属イオンおよび金属イオンを錯化する効果をもつ薬剤を含んでいる請求項3に記載の方法。
- 金属イオンを錯化する効果をもつ薬剤が、四酢酸エチレンジアミン、エチレンジアミンおよび多価カルボン酸から選ばれる1以上の錯化剤を含む請求項4に記載の方法。
- 第3の金属沈着工程が、酸性の電解質溶液で、少なくとも微小凹構造を充填するのに必要な厚さまで行われる請求項3に記載の方法。
- 工程(a)で形成される金属種子層が50〜500Åの厚さを有する請求項1に記載の方法。
- 側壁によって規定される微小凹構造を有するマイクロ電子基板に金属を被覆する装置であって、ここで、側壁はその上に沈着している障壁層を含んでおり、
(a)第1の金属沈着工程により障壁層上に金属種子層を形成するための手段、ここで前記金属種子層は500Å以下の厚さを有する、
(b)第1の金属沈着工程と異なる第2の金属沈着工程により追加の金属を金属種子層および側壁上の金属種子層で覆われていない障壁層に沈着させて金属種子層を強化して以後の電気メッキに適するようにするための手段、ここで、強化された金属種子層は微小凹構造の側壁上のすべての点において、マイクロ電子基板表面上の強化された金属種子層の厚さの10%以上である厚さを有し、第2の金属沈着工程は電気化学沈着工程である、
(c)第2の金属沈着工程と異なる工程パラメーターを有する第3の金属沈着工程により強化された金属種子層上に電気メッキ層を施すための手段
を含む装置。
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