JPH04507326A - 電気化学的な平面化 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ・な 米国政府は、ローレンスリバーモア国立研究所の運営のための米国エネルギ省と カリフォルニア大学との間に締結された約定Ｗ−７４０５−ＥＳＣ−４８により 本発明に関する権利を保有する。

主班生！員 本発明は、一般に、集積回路のための平面化した相互接続体に関し、そしてさら に特定すると、完全に平面化した相互接続体の形成に関する。

タッカ−マン氏に発行された米国特許第４，６７４，１７６号および第４．６８ １．７９５号明細書には、多層相互接続体のためのｆｉｌｌ金属層平面化方法が 記載されている。多平面集積回路構造体を製造する場合に、各々の金属層を平面 化することにより、特に穴が配置された連続した層の間の不整な、しかも不連続 な状態がなくなる。

この金属層は、平面化しようとする特徴の空間周期に関する制御された短時間に わたって加熱することにより平面化される。平面化した相互接続体を構成するた めの完全な平面化方法は、誘電体層上に薄膜金属層を形成し、そして該金属層を 短時間加熱して該金属層上に平坦な表面を形成することを含む、その後、金属層 上に付加的な誘電体層を付着させ、そして前記の工程を所要数の層を形成するた めに必要な回数反復して実施することができる。

しかしながら、完全に平面状の多層相互接続体を得るためには、誘電体層を平面 化することが依然として必要である。

したがって、誘電体層を平面化することが不必要である平面化方法を開発するこ とが望ましい、これは誘電体層と同一面をなす平面化した金属相互接続体を加工 することにより達成することができる。また、その後の加工時間が迅速でありか つ多層相互接続体をバッチプロセスで同時に加工することができる方法を開発す ることが望ましい。

米国特許第４．６７４．１７５号および第４，６８１，７９５号明細書に開示さ れたパルスレーザを使用する平面化方法の不利点は、付加的な装置および加工工 程が必要であることである。ある状況の下では、付加的な平面化装置を使用しま たは付加的な加工工程を行なわないで、そして／または種々の誘電体層およびそ の他の材料に悪影響をおよぼすことがある付随した加熱操作を行なわないで、平 面化した構造体を形成することが有利であるかもしれない、したがって、金属層 のための別個の平面化工程を行なう必要をなくし、そして特にレーザ加熱を行な う必要をなくした平面化した回路構遺体を形成する方法を開発することが望まし い。

１里■！ｈ したがって、本発明の一つの目的は、誘電体層の平面化をなんら必要としない平 面化した薄膜金属相互接続体を形成する改良された方法を提供することにある。

また、本発明の一つの目的は、非常に迅速に行なわれ、そして多重ウェーハを同 時に加工するために変更することもできる改良された平面化方法を提供すること にある。

本発明の別の一つの目的は、改良された平面化した薄膜金属相互接続体を提供す ることにある。

本発明のさらに一つの目的は、周囲の誘電体層と同一面をなす改良された平面化 した薄膜金属相互接続体を提供することにある。

本発明の別の一つの目的は、金属層を平面化するためにパルスレーザまたはその 他の加熱工程をなんら必要としない平面化した薄膜金属相互接続体を形成する改 良された方法を提供することにある。

本発明は、平面化した金属層が周囲の誘電体層に対して、好ましくは、電解研磨 により、エツチングされる平面化した薄膜金属相互接続体を加工する方法である 。また、本発明は、結果としてエツチングされた平面化した相互接続体をも含む 。誘電体層が先づパターン化し、すなわち、エツチングされて、下側の金属層ま での金属相互接続体の溝または穴または溝および穴の組合せのいずれかを形成し 、その後接着層（もしも必要であれば）および金属層により金属化され、すなわ ち、被覆される。この金属層は、エツチングされた誘電体層の表面輪郭にある程 度従う、その後、この金属層は平面化されて、溝を充填し、そして誘電体層にわ たって延びる実質的に平坦な表面を有する金属層を形成する。また、別の態様と して、金属層は、等方静のまたは自己平面化方法を使用することにより、エツチ ングされた誘電体層上に金属層を充填しようとする誘電体層の最も広い形状の部 分の幅の約半分よりも大きくまたは等しい深さに形成することにより単一の工程 で形成し、そして平面化することができる。その後、この平坦な金属層は、電解 研磨またはイオンによる平削りまたはその他のエツチング技術により、誘電体層 のレベルまでエツチングされて、溝または経路を満たしかつ誘電体層の表面と同 一面をなす平坦面を有する金属相互接続体が残る。この電解研磨は、平面化され た金属層が形成された複数個のウェーハが電圧源と電気的に接続され、そして電 解研磨溶液内に配置されるバッチプロセスにより迅速に実施することができよう 、電解研磨は、エツチングのほかに、金属層をさらに平面化することができる。

このエツチングは、電解研磨により数分間で実施することができる。

皿皿東１単産聚更 添付図面において、 第１Ａ図ないし第１Ｄ図は、平面化した層のエツチングを含む相互接続体のため の平面化した金属層を形成する方法を例示した図、 第２図は溝または穴はまたは溝および穴の組合せが形成された平面化したエツチ ングされた相互接続構造体を破断して示した斜視図、 第３図は、平面化した金属層を有するウェーへのエツチングを行なうための電解 研磨装置を例示した図、第４Ａ図ないし第４Ｃ図は相互接続体のための平面化し た金属層を形成する別の方法を例示した図、 第５図は流動めっき装置の略図、 第６図は燐酸内で銅を研磨するための電流対電圧を示したグラフである。

い　の−」性プＬ説」１ 集積回路のための平面化した薄膜金属相互接続体を加工する方法およびその結果 得られた構造体を第１Ａ図ないし第１Ｄ図に示しである。回路構造体の代表的に は５ｉ（ｈで構成された誘電体層１２を金属相互接続体を形成しようとする位置 においてエツチングし、またはその他の方法を適用することにより、溝、すなわ ち、穴１０が形成される。その後、溝”１０を含むエツチングされた、すなわち 、パターン化された誘電体層１２は、慣用の方法、例えば、接着層１５　（もし も必要であれば）をスパッターし、次に金属層１４をスパッターすることにより 被覆される。その際、金属層１４はエツチングされた誘電体層の表面の輪郭にほ ぼ従って溝を充填する。金属層１４ば、代表的には約１ミクロンないし５ミクロ ンの厚さであり、そして金、銅、銀またはアルミニウムで製造される。

接着層１５は、代表的には、チタンまたはクロムである。その後、金１１１１４ は、例えば、パルスレーザパルスにより平面化され、それにより溝を完全に充填 し、そして誘電体層にわたって延びるほぼ平坦な金属層１６を形成する。この平 面化工程は、参考のためにこの明細書に包含した米国特許第４．．６７４．１７ ６号および第４．６８１，７９５号にさらに記載されているように、レーザまた はその他のパルスエネルギ源を使用して、平面化しようとする部分の空間周期に 関する時間の間、金属層の制御された加熱および融解により行なわれる。

金属相互接続体が誘電体の表面と面一になるように誘電体層の上方の金属を除去 するために、平面化した金属層１６は誘電体層に達するまでエツチングされて、 エツチングされた薄膜金属相互接続体１８が形成される。本発明の好ましい一実 施例においては、エツチングは電解研磨により行なわれる。エツチングしようと する金属層は電気回路において陽極になる。この金属層は電解浴内に配置され、 電流を電解浴に流して金属層を陽極溶解させる。また、エツチング工程はイオン による平削りまたはその他の方法により行なうことができる。しかしながら、イ オン平削り工程は多大な時間を要し、しばしば、１個のウェーハについて一時間 よりも長い時間を要する。また、一般的には、イオン平削りにより一時に１個の みのウェーハを処理することができる。

平面化した金属層を形成する別の方法を第４Ａ図ないし第４Ｃ図に例示しである 。この方法は、第１Ａ図の誘電体のパターン化工程と第１０図のエツチング工程 との間で行なうことができ、そして第１Ｂ図および第１Ｃ図の別個の金属被覆お よび平面化工程を行なう必要をなくしている。誘電体層６２に所望の形状の部分 、例えば、溝６０がパターン化された後、パターン化された誘電体層上に、金属 層６４が（誘電体層の表面から測定された）深さｔまで等方性または実質的に等 方性またはその他の自己平面化付着方法、例えば、電気めっき、無電解めっき、 またはある場合には、バイアススパッターにより付着せしめられる。なお、深さ しは金属を充填しようとする誘電体層の最も広い形状の部分の幅Ｗの少なくとも 半分に等しい。この付着方法は、等方性または自己平面化方法であるので、最も 広い形状の部分の幅は、金属が誘電体層の表面に加えられる速度の二倍の速度で 減少し、したがって、溝の当初の幅のほぼ半分に金属が付着したときに、溝が閉 ざされる。

第４Ａ図ないし第４Ｃ図は、金属層６４が実質的に平坦な面が得られるために十 分な厚さに形成されるときの当初の段階、中間段階および最終段階における付着 過程を示す。その後、平面化した金属層６４は、前述したように、好ましくは、 電解研磨によりエツチングされる。この電解研磨は、迅速にエツチングすると共 に、金属層６４の表面をさらに平滑化する傾向を生ずる。

平坦な層を生ずるための付着を行なうために、もしも支持体（誘電体〕６２が電 気めっきに対して不適当であれば、電気めっきを行なうために種層６６を付着さ せることが必要であるかもしれない、また、誘電体の層からすべての金属が完全 に除去される直前に電解研磨を中止し、その後残存した金属をイオンによる平削 りにより除去することが好ましい、また、種層のかわりに、電気めっきおよび電 解研磨が施されない導電性材料からなる下層と、電気めっきおよび電解研磨が施 される別の導電性材料からなる上層とからなる二つの種層を使用することができ る０例えば、銅の層を形成するために、４００ＡＣｒおよび２０００ＡＣｒの二 つの種層を使用することができよう、その後、Ｃｕの層がＣｕの種層に付着し、 そして誘電体上のすべてのＣｕを電解研磨により除去することができる。もしも この操作により溝から若干のＣｕが除去された場合には、溝の外側にはＣｕをめ っきしないで、溝にＣｕをめっきすることができる。その理由は、Ｃｕが露出し たＣｒに付着しないからである。その後、Ｃｒは、例えば、イオンによる平削り により除去することができる。

代表的な特徴は、幅が約１０ミクロンであろう。この方法は、銅、金、銀、ニッ ケル、亜鉛、クロムおよびその他の金属で平面化した層を形成するために使用す ることができる。

多層相互接続体を形成するために、第１０図の構造体の上に付加的な誘電体の層 が形成され、そしてこの方法が反復して行なわれる。

以上、本発明を誘電体層内に形成された溝内の金属相互接続体の平面化およびエ ツチングについて説明したが、本発明はまた誘電体層を通して下側の金属層まで 延び、または溝と液溝から下側の金属層まで延びる穴との組合せまで延びる穴を 通して相互接続体を形成するために適用可能である。各々の場合に、誘電体層が 先づ適用な溝または穴、または溝および穴の組合せによりパターン化され、その 後パターン化された誘電体層が金属被覆され、平面化され、そしてエツチングさ れて相互接続体が形成される。

種々の型式の相互接続構造体を第２図に例示しである。溝３３が誘電体層３４に 形成される。その後、溝３３を含む誘電体層３４が金属で被覆された後、平面化 され、そして誘電体層３４の表面３６までエツチングされて、それにより誘電体 層３４の表面３６と面一である溝３３内の金属相互接続体３２が形成される。誘 電体層３４上に付加的な誘電体層３８が形成され、その後人４０．４２が誘電体 層３８を貫通して下側の金属相互接続体３２まで形成される。その後人４０．４ ２を含む誘電体層３８が金属被覆される、この金属被覆は、平面化され、そして 誘電体層３８の表面４４までエツチングされ、それにより穴４ｏ、４２の内部に 、表面４４と同一面をなす中実の金属のプラグ４１．４３が形成される。誘電体 層３日上に、溝４９を含む別の誘電体層４６が形成され、そして金属層が付着さ れ、平面化され、エツチングされて、それにより溝４９内に、表面５ｏと同一面 をなしがっ穴４０，４２内のプラグ４１．４３と接続する相互接続体４８が形成 される。

誘電体層３８．４６は、誘電体層３４上に単一層として形成してもよく、その場 合には、溝４９によりパターン化された単一層は、溝４９から穴４０．４２を含 む単一の誘電体層（上層４６に相当する）を部分的に貫通して下側の金属相互接 続体３２まで延びている。その後、溝および穴の組合せが単一の操作で金属被覆 され、そして金属相互接続体が平面化され、その後上面５８までエツチングされ る。

ウェーハ上の平面化された金属層のエツチングをバッチプロセスで実施する電解 研磨装置２０を第３図に例示しである。複数個のウェーハ２２が電解研磨溶液（ 電解液）２６で満たされたタンク２４内に配置され、そして直流が印加された電 圧源２８の正の端子（陽極）と接続され、−力覚解法、例えば、炭素との化学的 な相互作用を阻止する電極３０が負の端子と接続されている。！解法は、例えば 、酸であ漬。電圧源２８は、特定の金属のために所要の電流密度を発生する。金 、銀、銅およびアルミニウムのすべてを電解研磨することができる。電解研磨は エツチング工程を行なうのみならず、またある場合には、もしも当初の平面化が 不完全であれば、金属層をさらに平面化することができる。オペレータは、誘電 体層の主（溝が形成されていない）＊ｉ域から金属が除去されると直ちに、電解 研磨操作を止め、それにより主領域に接着層（もし施されていれば）のみが残る 。この接着層は、湿式の化学的なエツチングまたはイオンによる平削りにより除 去することができる。残存している金属相互接続体は溝内にあり、そして誘電体 層と同一面に形成されている。

ウェーハ上の平面化した金属層のエツチングを実施するための好ましい電解研磨 操作９０を第７図に例示しである。ウェーハ９１は電解研磨溶液（電解液）９４ で満たされた溶液タンク９２内の（電解器ｍ溶液と反応しない）陽極導電シリン ダ９３内に配置されている。陽極導電シリンダ９３と、好ましくは電解研磨金属 が良好に接着する材料で製造された陰極電極９６との間には、参照電極９５が配 置されている。電圧源９７は特定の金属のための所要の電流密度を発生する。

７５■および１００閤の熱で酸化されたシリコンウェーハが実験的に低温におい て、プラズマで強化された化学的な蒸着（ＰＥＣＶＤ）により析出した１０ミク ロンの５ｔＯ１で被覆された。その後、これらのウェーハは、慣用の平版印刷お よびプラズマエツチング技術によりパターン化されて、６ミクロンがら２ｏミク ロンまでの範囲内で変化する幅を有する５ミクロンの深さの垂直壁部を有する溝 が形成された。Ｔｉ　（チタン）またはＣｒ（クロム）の４０ＯＡの厚さの接着 層がシリコン酸化物上にスパッター蒸着され、次いで２０００Ａの厚さの鋼のｒ 種ｊ層が蒸着された。

銅は、ガルバノスタット技術およびパルス電圧技術をそれぞれ使用して、硫酸銅 −硫酸溶液から電気めっきされた。１０１０−５Ｏ／ｃ（の平均電流密度により 、第５図に示した単一ウェーハ高速「流動」めっき装置７ｏにおいて、毎分０． １−１ミクロンのめっき速度が得られた。内管７２の頂部は、めっきされるウェ ーハ７６の前面から約０．５Ｃ１１の距離において、金属陽極スクリーン７４で 蔽われた。めっき溶液は３．５インチの直径のガラス管７２を通して強制的に上 方に送られ、ウェーハ７６を迅速に横切って流れ、そして大きい容器７８中に流 れ落ち、容器７８は電解液をポンプ８２にもどす、内管７２の頂部を横切って延 びた銅のスクリーン７４は陽極を構成し、一方ウニーハフ６は陰極を構成してい る。

陽極および陰極は電源８０と電気的に接続されている。電源８０は、好ましくは 、パルスめっきを行なうためのパルス電源である。

この溶液は３．５インチの直径を有するオリフィスを通して毎分４０±８０リン ドルの流量で流れ、そしてより大きい容積を有するシリンダ７８中に溢流した。

ガルバノスタットめっきおよびパルスめっきの両方に対して、付着の均一度は、 １００■のウェーハを横切る場合に、±３％であった。

電気めっきされた銅は、４点プローブで測定したときに、１．８マイクロΩ−１ の抵抗率を有していた。（室温における銅の体積抵抗率は１．７マイクロΩ−１ である。）その後、過剰な金属は燐酸溶液内の定電位電解研磨により毎分０．２ ５−１．０　ミクロンの割合で除去された。銅陽極板および銅陰極板（試料）を 垂直方向に相互に向き合うように配置し、そして溶液の移動が極めて僅かである 場合に最良の結果が得られた。ウェーハはチタンシリンダ内に同軸をなして装着 され、そしてウェーハの端縁の付近の流体の循環を阻止するために、チタンシリ ンダをウェーハの前方に約２１突出させた。カロメル基準電極が銅陰極板とウェ ーハ陽極との間に吊るされた。

第６図は銅電解研磨の（カロメル電極に対して）Ｏ−４ボルトの範囲内の電圧を 走査した間に得られた電流−電圧曲線を示す。

電解研磨は１．２ボルトと４ボルトとの間で行なわれるが、２ボルトよりも高い 電圧で陽極サンプルから過剰な酸基の気泡が発生すると、より高い電圧での電解 研磨が妨げられる。銅を限界研磨する場合には、約１．５ボルトが最適であると 思われる。

埋封された導体が迅速に過度にエツチングされることを阻止するために、銅が最 近に透明になり始めたときに、電解研磨を終了した。大多数の試料上に残存した 最大の銅の厚さは０．２５ミクロンであった。この残留した金属は、通常、イオ ンによる平削りまたはスパッターエツチングにより除去された。

銅の付着速度が毎分０．２５ないし１．０ミクロンである場合に、ガルバノスタ ットめっき状態およびパルスめっき状態の両方において、埋封した導線の最上面 に２−３ミクロンの深さの裂は目が発生した。しかしながら、その後に行なった 電解研磨にこのくぼみが０．５ミクロン以下に減少して、これらの埋封された導 体の上に付加的な回路層を積層するために十分な平面度が得られた。

ガルバノスタットめっきは、めっきされた溝の中央部にボイドが閉じ込められる 傾向を生ずる。一方、パルスめっき技術は、金属層内にボイドが形成されること を阻止するので、好ましいめっき方法である。

第３図に示すような浴内で電解研磨を行なう場合には、中央部よりも端部が強く 研磨されるような不均一な研磨が生ずることがある。一つの解決方法は、ウェー ハの面に対する流れを阻止しまたは制限する管内にウェーハを配置することであ る。別の解決方法は、ウェーハを旋回し、すなわち、回転することである。

平面化は高度に一体に構成された厚い多層金属相互接続体を形成するために望ま しい、！解研磨によりエツチングを行なうことにより、加工時間を数時間から数 分に減少させることができる。

前記の実施例の変更および変型は、添付の請求の範囲のみにより限定されるよう に意図された本発明の範囲から逸脱することな〈実施することができる。

パターン　金属被覆 ＦＩＧ、　５ 電圧　（ボルト）　ＦＩＧ、６ ＦＩＧ、７ 国際調査報告

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．金属相互接続体のための誘電体層内に溝または穴を形成し、該誘電体層上に 、溝または穴を充填し、そして周囲の誘電体層上にわたって延びる実質的に平坦 な平面を有する金属層を形成し、前記の平坦な金層層をエッチングして、誘電体 内に金属が埋封された実質的に平坦な表面を露出させることを含む平面化した薄 膜金属相互接続体を形成する方法。
2. ２．該金属が電解研磨によりエッチングされる請求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．該金属がイオンによる平削りによりエッチングされる請求の範囲第１項に記 載の方法。
4. ４．該溝または穴が誘電体層内にエッチングにより形成される請求の範囲第１項 に記載の方法。
5. ５．前記平坦な金属層が金属を充填しようとする誘電体層内に形成された量も広 い形状の部分の幅の少なくとも約半分の深さの金属層を付着さセることにより形 成される請求の範囲第１項に記載の方法。
6. ６．害金属層が電気めっきまたは無電解めっきにより付着せしめられる請求の範 囲第５項に記載の方法。
7. ７．該金属層がバイアススパッターにより付着せしめられる請求の範囲第５項に 記載の方法。
8. ８．さらに、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、亜鉛またはクロムの金属層 を形成することを含む請求の範囲第１項に記載の方法。
9. ９．該金属層がパルスめっきにより付着せしめられる請求の範囲第６項に記載の 方法。
10. １０．電解研磨によるエッチングがウェーハを直流電圧源の陽極と接続し、ウエ ーハを電解液内に配置し、ウェーハに十分な電流密度の直流電流を流すことによ り行なわれる請求の範囲第２項に記載の方法。
11. １１．さらに、複数個のウェーハに対して電解研磨により同時にエッチングを行 なうことを含む請求の範囲第２項に記載の方法。
12. １２．さらに、エッチングされた金属相互接続体上に付加的な誘電体層を形成し 、そして溝または穴を形成し、実質的に平坦な表面を有する金属層を形成し、そ して該金属層をエッチングして多層相互接続体を形成することを含む請求の範囲 第１項に記載の方法。
13. １３．該金重層が電解研磨によりエッチングされる請求の範囲第１２項に記載の 方法。
14. １４．該金属層がイオンによる平削りによりエッチングされる請求の範囲第１２ 項に記載の方法。
15. １５．自己平面化方法により、金属を充填しようとする誘電性支持体内に形成さ れた量も広い形状の部分の幅の少なくとも半分の深さまで金属層を付着させるこ とを含むパターン化された誘電性支持体上に実質的に平面化した金属を形成する 方法。
16. １６．該金属層が等方性の方法により付着せしめられる請求の範囲第１５項に記 載の方法。
17. １７．該金重層が電気めっきにより付着せしめられる請求の範囲第１６項に記載 の方法。
18. １８．該金属層が無電解めっきにより付着せしめられる請求の範囲第１６項に記 載の方法。
19. １９．該金属層がバイアススパッターにより付着せしめられる請求の範囲第１５ 項に記載の方法。
20. ２０．該金属層がパルスめっきにより付着せしめられる請求の範囲第１５項に記 載の方法。