KR101274363B1

KR101274363B1 - 얇은 시드층 상의 도금을 위한 펄스 시퀀스

Info

Publication number: KR101274363B1
Application number: KR1020117031103A
Authority: KR
Inventors: 토마스 포너스워미; 브라이언 페닝턴; 크리포드 베리; 브라이언 버칼루; 스티븐 티. 메이어
Original assignee: 노벨러스 시스템즈, 인코포레이티드
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2013-06-13
Also published as: CN102449742A; US20100300888A1; WO2010138465A2; CN102449742B; US8500983B2; WO2010138465A3; TW201107540A; KR20120018204A; TWI472650B

Abstract

도금 프로토콜을 이용하여, 전도성 시드층을 포함하는 반도체 웨이퍼에서의 금속 도금을 제어한다. 최초에 프로토콜은 웨이퍼가 도금 용액 내로 액침됨에 따라 캐소드 보호를 이용한다. 소정의 실시예에서, 웨이퍼의 전류 밀도는 액침 중 일정하다. 구체적 예에서, 정전위 제어를 이용하여 약 1.5 내지 20mA/cm² 범위의 전류 밀도를 생성한다. 액침 단계에 이어, 고전류 펄스 단계가 나타난다. 웨이퍼 특징부 내부의 바텀-업 충전 중, 일정 전류 또는 마이크로펄스를 갖는 전류가 사용될 수 있다. 이러한 프로토콜은 초기 도금 스테이지 중 핵생성을 개선시키면서 부식으로부터 시드를 보호할 수 있다.

Description

얇은 시드층 상의 도금을 위한 펄스 시퀀스 {PULSE SEQUENCE FOR PLATING ON THIN SEED LAYERS}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 35 U.S.C.§119(e) 하에서, 2009년 5월 27일자 미국특허가출원 제61/181,479호에 기초하여 우선권을 주장하며, 그 내용 전체는 본 발명에 포함된다.

본 발명은 전기도금 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 집적 회로 제작을 위한 반도체 웨이퍼 상에 전기 전도성 물질을 증착하기 위한 전기도금 방법에 관한 것이다.

구리 인터커넥트를 형성하기 위한 현재의 다마신 프로세스에서는 물리적 기상 증착(PVD)을 이용하여 확산 장벽층을 형성하고, 이어서 전도성 시드층을 형성한다. 장벽층은 내화 금속 또는 금속 나이트라이드로 제조되는 경우가 많고, 가끔 이중층(bilayer, 가령, Ta/TaN)으로 제공되며, 시드층은 구리 또는 구리 합금으로 제조된다. 이러한 PVD 층이 식각된 유전층 상에 형성된 후, 특징부(가령, 유전층 상에 제공되는 트렌치 및 비아) 내에 보이드(voids)를 형성하지 않으면서 웨이퍼 표면 간에 균일하게, 시드층 상에 구리가 도금된다. 기술 진보와 함께 특징부가 점점 작아짐에 따라, 이러한 고종횡비 특징부에서의 PVD 시드 두께가 감소하여 핀치-오프(pinch-off) 문제점을 방지하게 된다. 얇은 구리 시드층의 경우 특징부 내에 (측벽을 따라) 가장자리 커버리지(marginal coverage)가 나타나게 되며, 따라서, 차후 전기도금 중 보이드없는 충전을 얻는데 장애가 된다.

도금 프로토콜을 이용하여, 전도성 시드층을 포함하는 반도체 웨이퍼에서의 구리 도금을 제어한다. 최초에 프로토콜은 웨이퍼가 도금 용액 내로 액침됨에 따라 캐소드 보호를 이용한다. 소정의 실시예에서, 웨이퍼의 전류 밀도는 액침 중 실질적으로 일정하다. 구체적 예에서, 웨이퍼 전위는 약 100 ms 또는 그 미만의 시간동안 약 1.5 내지 20mA/cm² 범위의 전류 밀도를 생성하도록 제어된다. 액침 단계에 이어, 약 20 내지 1000 ms 범위의 주기동안 적어도 약 20mA/cm²의 전류 밀도를 갖는 고전류 펄스 단계가 수행된다. 이 프로세스는 초기 도금 스테이지 중 핵생성을 개선시키면서 부식으로부터 시드를 보호할 수 있다.

고전류 펄스 이후에 수행될 수 있는 웨이퍼 특징부의 바텀-업 구리 충전 중, 하나 이상의 전류 "마이크로펄스"가 웨이퍼에 인가된다. 구체적 예에서, 기준 전류 밀도는 약 1 내지 20 mA/cm²이고, 마이크로펄스는 기준 전류 밀도의 약 10 내지 40 mA/cm² 보다 큰 크기를 갖는다. 이 프로세스는 전계충전 중 저전류 및 고전류 프로세스의 이점을 조합함으로써 특징부들의 어레이에서 균일한 충전 속도를 달성한다.

일 실시예에서, 반도체 웨이퍼 상에 구리 인터커넥트의 도금을 제어하는 프로세스는, 구리 염 및 억제제를 함유한 도금 배스에 웨이퍼의 도금 표면을 액침하는 단계를 포함한다. 도금 표면이 실질적으로 완전히 액침된 동안, 약 1.5 내지 20 mA/cm² 범위의 캐소드 전류가 웨이퍼에 인가된다. 그 후, 액침 단계 완료 후 약 1000ms 내에, 약 20 내지 1000ms의 지속시간 및 적어도 약 20mA/cm²의 크기를 갖는 캐소드 전류 펄스가 웨이퍼에 인가된다. 전류 펄스 완료 후 약 1000ms 내에, 1 내지 20mA/cm²의 기준 전류 밀도에서 바텀-업 구리 충전(bottom up copper fill)이 수행된다.

추가적 실시예에서, 바텀-업 구리 충전은 약 1 내지 20mA/cm² 의 기준 전류 밀도를 갖는 마이크로펄스 파형으로 수행된다. 상기 마이크로펄스 파형은 상기 기준 전류 밀도보다 약 10 내지 40 mA/cm² 큰 크기를 갖는 마이크로펄스를 포함하고, 상기 마이크로펄스 파형은 약 50 내지 500ms의 주기를 갖는다.

일 실시예에서, 반도체 웨이퍼 상에서 구리 인터커넥트의 도금을 제어하는 프로세스는 구리 염 및 억제제를 함유한 도금 배스에 웨이퍼의 도금 표면을 액침하는 단계를 포함한다. 도금 표면이 완전히 액침된 동안, 약 1.5 내지 20 mA/cm² 범위의 캐소드 전류가 웨이퍼에 인가된다. 액침 완료 후 약 1000ms 내에, 약 20 내지 1000ms의 지속시간동안 적어도 약 20mA/cm²의 크기를 갖는 캐소드 전류 펄스가 웨이퍼에 인가된다. 전류 펄스 완료 후 약 1000ms 내에, 약 1 내지 20mA/cm²의 기준 전류 밀도에서 바텀-업 구리 충전이 수행된다. 기준 전류 밀도는 기준 전류 밀도보다 약 10 내지 40mA/cm² 높은 크기와, 약 1 내지 495 ms의 지속시간을 갖는 복수의 마이크로펄스를 포함한다. 마이크로펄스들 간의 시간 구간은 약 50 내지 500ms이다. 각각의 마이크로펄스의 크기, 각각의 마이크로펄스의 지속 시간, 및 임의의 2개의 마이크로펄스 간의 시간 구간은 확률론적이다.

일 실시예에서, 전기도금 장치는, 하나 이상의 전기도금 챔버와, 반도체 웨이퍼를 전달할 수 있는 하나 이상의 로봇을 포함한다. 장치는 한 세트의 명령을 수행하기 위한 컨트롤러를 구비한 전력 공급원을 또한 포함한다. 상기 한 세트의 명령은, 액침 중 웨이퍼에 고정 캐소드 전위를 인가하는 명령과, 도금 배스에 웨이퍼가 완전히 액침되었음이 표시됨에 따라 고정 캐소드 전위를 제거하는 명령과, 고정 캐소드 전위 제거 후 약 1000ms 내에 고전류 펄스를 인가하는 명령과, 바텀-업 충전에 적합한 전류로 전환하는 명령을 포함한다. 상기 고전류 펄스는 약 20 내지 1000ms의 지속시간동안 적어도 약 20 mA/cm²의 크기를 갖는다.

도 1A-1F는 여러 실시예에 따른 펄스 도금 프로세스 중 인가되는 전류를 도시하는 전류 대 시간의 그래프다.
도 2는 60 서브-40nm 특징부(트렌치)에서 표준 및 멀티웨이브 프로세스의 특징부 충전 결과를 도시하는 그래프다.
도 3은 표준 및 멀티웨이브 프로세스를 이용하여 서브-40nm 트렌치를 포함하는 어레이의 여러 위치에서 특징부 충전 속도를 나타내는 그래프다.
도 4는 여기서 개시되는 방법과 함께 이용하기 적합한 전기도금 시스템의 예의 도면이다.
도 5는 여기서 개시되는 방법과 함께 이용하기 적합한 전기도금 장치의 단면도다.

가장자리 시드층 커버리지를 갖는 특징부 내에 보이드없는 충전을 얻기 위해, 바텀 업 충전(bottom up fill)에 영향을 미치지 않으면서 시드층 부식을 방지할 수 있는, 적절한 프로세스 조건이 선택되어야한다. 산성 도금 배스에서 구리 시드층 부식은 다음과 같은 2가지 메커니즘 중 적어도 하나로부터 나타난다: (i) 산화제(가령, 용해된 산소)에 의한 구리 시드층 산화, 및 (ii) 가변 시드층 거칠기의 존재. 구리 시드 마이크로거칠기의 가변성은 특징부 내에서, 특히 측벽을 따라, 종종 나타난다. 이러한 가변성은 도금 용액에 웨이퍼를 담근 후 전위차 형성을 이끌게 된다. 거친 조직을 갖는 영역은 매끄러운 표면에 비해 표면적/부피 비가 크고, 동역학적으로 덜 안정하며, 따라서 부식을 일으키기 쉽다고 간주된다. 이는 오스왈트(Ostwald) 부식이라고 불린다. 특징부 내 이러한 가변성의 존재로 인해, 특징부 내의 가장자리 시드 커버리지 문제가 악화될 수 있고, 보이드 형성을 야기할 수 있다. 도금 중 충분히 높은 전압을 이용함으로써, 시드가 2가지 형태의 부식 중 어느 하나로 진행되는 것을 방지할 수 있다.

구리 시드층은 도금 배스 내에 수소 이온과 접촉할 때 신속한 용해가 진행될 수 있는 옥사이드층을 갖는다고 또한 알려져 있다. 고급 기술 노드(가령, 22 nm 노드 또는 그 미만의 노드)에서, 특징부 내 시드 두께는 일부 실시예에서 30 내지 40 옹스트롬만큼 작을 수 있고(특히 측벽을 따라), 완전히 옥사이드로 변환될 수 있다. 이는 충전 단계 중 해로운 것으로 입증될 수 있다.

펄스 도금 프로세스의 범주

본 개시 내용에서, 반도체 공정 작업 표면을 설명하는데 다양한 용어가 사용될 수 있다(예를 들어, "기판"과 "웨이퍼"가 혼용하여 사용될 수 있다). 전기화학적 반응을 통해 전도성 표면 상에 금속을 증착 또는 도금하는 프로세스는 일반적으로 전기도금 또는 전계충전으로 불린다. 벌크 전계충전은 트렌치 및 비아를 포함한, 특징부의 충전을 위해 비교적 다량의 구리를 전기도금하는 것을 의미한다.

여기서 설명되는 도금 프로세스는 앞서 언급한 형태의 부식으로부터 시드층을 캐소드적으로 보호하고 시드층 상에서의 핵생성을 개선시킨다. 이는 특징부 내에 보이드없는 충전을 얻는데 도움이 된다. 일부 애플리케이션에서, 유전층에 구리 인터커넥트를 형성하는 프로세스 시퀀스는 다음의 작동 순서를 포함한다: 1) 식각 저항 포토레지스트를 이용하여 웨이퍼 면 상의 유전체에 트렌치 패턴을 형성하고, 2) 트렌치 패턴을 식각하며, 3) 포토레지스트를 제거하고, 4) 식각 저항 포토레지스트를 이용하여 웨이퍼 면 상의 유전체에 비아 패턴을 형성하며, 5) 비아를 식각하고, 6) 포토레지스트를 제거하며, 7) 확산 장벽층 및 전도성 시드층을 물리적 기상 증착하고, 8) 멀티웨이브 프로세스를 이용하여 특징부를 충전하며, 9) 바텀 업 충전 완료 후 특징부의 벌크를 충전(즉, 벌크-충전(고전류))하고, 10) 어닐링하며, 11) (가령, 연마에 의해) 웨이퍼 면으로부터 넘치는 구리를 제거하여, 인터커넥트 회로 내에 충정된 구리를 남긴다. 이 작동 순서는 비-제한적인 사항으로서, 여러 가지 대안의 실시예들 중 하나에 지나지 않는다.

유전체는 다마신 구조로 구리 라인을 덮는 금속 피복층을 형성한다. 유전층은 화학 기상 증착(CVD)와 같은 다양한 프로세스에 의해 형성될 수 있고, (가령, 약 3.5보다 작은, 일부 실시예에서는 약 3보다 작은) 비교적 낮은 유전 상수를 가질 수 있다. 일부 설계에서, 유전체는 탄소 도핑된 옥사이드이고, 다공질일 수도 있고 조밀할 수도 있다. 트렌치 및 비아는 45 나노미터 노드 및 그 미만(가령, 32nm 노드, 22nm 노드, 16nm 노드)와 같은 응용 기술 노드가 필요로하는 만큼 매우 작은 경우가 많다. 소정의 실시예에서, 구리 선폭은 약 27 나노미터 또는 그 미만이고, 더욱 구체적인 실시예에서, 선 폭은 약 20 나노미터 또는 그 미만이다. 일부 경우에, 웨이퍼 상의 비아(또는 트렌치)의 최대 종횡비는 적어도 약 4:1이다(측정되는 특징부 깊이 : 깊이 중간점에서의 특징부 폭). 추가적 실시예에서, 이 최대 종횡비는 약 6:1 및 약 10:1이다.

여기서 설명되는 바와 같이, 응용 기술 노드에서, 전도성 시드층은 시드층이 PVD에 의해 증착될 때 비아 마우스에서 핀치-오프를 방지하기 위해 비교적 얇아야 한다. 여기서 제시되는 소정의 실시예에서, 주어진 웨이퍼 내의 특징부 중 적어도 하나 상에서 구리 시드층의 두께는 특징부 측벽 상에서 기껏해야 약 200 옹스트롬이다. 일부 경우에 구리 시드층은 측벽에서 평균적으로 약 10 내지 100 옹스트롬 두께를 갖고, 더욱 구체적인 경우에, 약 15 내지 50 옹스트롬 두께를 갖는다. PVD 시드 커버리지가 PVD 프로세스의 섀도우 현상(shadowing)으로 인해 고 종횡비 특징부의 측벽 상에서 비대칭을 나타내는 경우가 자주 있다. 이러한 비대칭성은 하나의 측벽에서 불량한 구리 성장이 나타나는 국부 영역을 유도하여, 궁극적으로 보이드를 야기한다.

소정의 실시예에서, 여기서 설명되는 방법은 메모리 어레이 또는 게이트 어레이와 같은 조밀 특징부의 영역을 갖는 웨이퍼에 적용된다. 조밀 특징부는 전체 집적 회로에 걸칠 수도 있고, 또는, 집적 회로의 소정 부분만으로 제한될 수도 있다. 아래 설명되는 바와 같이 조밀 특징부 영역은 억제제와 같은 첨가제를 도금함에 있어 농도차를 야기하여, 조밀 특징부 영역 내 중앙 특징부와 에지 특징부 사이에 불균일한 충전 특성을 나타낼 수 있다. 여기서 사용되는 바와 같이, 조밀 특징부 영역은 약 1㎛ 또는 그 미만의 CD(cirtical dimension)와 0.1㎛ 또는 그 미만의 간격을 갖는 적어도 약 20개의 특징부를 가질 것이다. 일례로서, 32nm(및 그 이하) 기술 노드에서의 조밀 메모리 어레이는 0.05㎛ 또는 그 미만의 CD와 0.05㎛ 또는 그 미만의 간격을 갖는 적어도 약 100개의 특징부를 갖는다. 일부 실시예에서, 웨이퍼는 약 40nm 또는 그 미만의 폭을 갖는 적어도 일부 특징부들을 갖는다.

소정의 실시예에서, 상술한 작동 순서의 작동 8)에서 제시된 것과 같은 멀티웨이브 프로세스는 다음의 전기 제어식 서브작동을 포함한다: 1) 온건한 캐소드 보호를 제공하는 조건 하에서 웨이퍼를 전해질에 담그고, 2) 짧은 시간 구간동안 고전류 펄스 프로세스를 적용하며, 3) 일정한 또는 펄스형 전류 DC(직류 전류) 프로세스로 금속의 도금을 완성시킨다. 다른 실시예에서, 멀티웨이브 프로세스는 2) 짧은 시간 구간동안 고전류 펄스 프로세스를 적용하는 작동을 포함하지 않는다.

따라서, 여기서 설명되는 실시예는 얇은 전도성 시드층을 갖는 웨이퍼에 금속을 도금하기 위한 3-단계 스테이지(또는 일부 경우에 더 많은 수의 스테이지, 또는 일부 경우에 더 적은 수의 스테이지)를 제공한다. 일부 실시예에서, 이 프로세스의 첫번째 2개의 스테이지는 구리 전계충전 작동의 초기부로 작용한다. 이 스테이지들은 전해질에 액침 중 구리 시드층을 보호할 수 있고, 그 후 구리가 충분히 도금되어 어떤 추가적 보호도 필요치 않을 때까지 소정 주기동안 액침이 이루어진다. 명시된 바와 같이, 시드층은 도금 툴로의 이송 중 산화될 수 있는 구리와 같은 금속으로 제조되는 것이 일반적이다. 큐프릭 옥사이드(산화제2구리)와 같은 금속 산화물은, 금속 산화물이 캐소드적으로 보호되지 않을 경우, (산성 용액이 수 있는) 전기도금 배스에서 용해될 수 있다. 멀티웨이브 프로세스 중 인가되는 전류의 예가 도 1A에 도시되며, 여기서 추가적으로 설명된다.

소정의 실시예에서, 멀티웨이브 프로세스 작동 3)(도금 완료)은 2개의 단계, 즉, 제 1 성장 단계 및 제 2 성장 단계로 수행된다. 제 2 성장 단계는 고전류에서 수행되며, 저종횡비 특징부의 급속 충전을 위해, 및/또는 과도 성장에 사용될 수 있다. 이러한 멀티웨이브 프로세스 중 인가되는 전류의 예가 도 1B에 도시되며, 여기서 추가적으로 설명된다.

추가적인 실시예에서, 제 1 성장 단계는 마이크로펄스를 포함하는 마이크로펄스 파형을 갖는다. 이러한 멀티웨이브 프로세스 중 인가되는 전류의 예가 도 1C에 도시되며, 여기서 추가적으로 설명된다. 마이크로펄스 파형의 확대도가 도 1E에 도시된다.

또 다른 실시예에서, 제 1 성장 단계는 순방향 및 역방향 마이크로펄스를 포함하는 마이크로펄스 파형을 갖는다. 즉, 일 마이크로펄스는 기준선 전류 위이고, 다른 마이크로펄스는 기준선 전류 아래다. 이러한 멀티웨이브 프로세스 중 인가되는 전류의 예가 도 1D에 도시된다. 마이크로펄스 파형의 확대도가 도 1F에 도시된다.

여기서 설명되는 프로세스들은 부식으로부터 시드를 보호함으로써 전계 충전 프로세스를 개선시켜서, 도금의 초기 스테이지 중 다마신 특징부의 핵생성 및 성장을 개선시키고, 억제제를 재분포시킨다.

제 1 스테이지

제 1 스테이지는 반도체 웨이퍼 도금 표면이 도금 배스에 담겨 있는 동안 수행되며, 전체 도금 표면이 잠길 때 또느 그 직후에 종료될 수 있다. 이는 도 1A-1D에 (102)로 도시된다. 일부 실시예에서, 이 스테이지는 액침 완료 후(즉, 웨이퍼 도금 표면이 도금 배스 내에 완전히 잠긴 후) 약 50 ms 내에 종료되며, 더욱 구체적 실시예에서, 액침 완료 후 약 20 ms 내에 종료된다. 일부 경우에, 제 1 스테이지는 탐침 완료 후 즉시, 즉, 10 ms 내에(또는 심지어 5 ms 내에) 종료된다. 따라서, 제 1 스테이지는 웨이퍼 도금 표면의 액침과 동시에 이루어진다.

일반적으로, 제 1 스테이지의 총 지속 시간은 약 100 ms 또는 그 미만이고, 일부 실시예에서는 약 50 ms 또는 그 미만이다. 물론, 프로세스 완료에 요구되는 총 시간 길이는 웨이퍼의 특성(크기 및 형상 포함)에 의해, 그리고 도금 툴의 특성에 의해 어느 정도 결정될 것이며, 가령, 도금 툴의 특성은 웨이퍼의 경사 액침을 요구할 수 있다.

이 액침 스테이지 중, 웨이퍼 시드층은 부식으로부터 캐소드적으로 보호된다(예를 들어, 웨이퍼가 개-회로 전위에서 유지될 경우 일어날 수 있는, 산화물로의 전환 및 산화물의 용해로부터 보호된다). 일반적으로, 웨이퍼 시드는 Cu(0)/Cu++ 전기화학적 커플에 대한 캐소드 전위로 유지된다. 소정의 실시예에서, 웨이퍼 시드는 구리 기준 전극의 약 50 및 200mV의 캐소드 전위로 유지된다. 다른 실시예에서, 웨이퍼 시드는 구리 기준 전극의 약 500mV 캐소드의 전위에서 유지된다. 그러나, 여러 실시예에서, 액침 수행에 요구되는 짧은 시간으로 인해 제 1 스테이지 중 도금이 나타나는 경우가 거의 없다. 이는 도금 표면 상의 전류 밀도를 제어함으로써 달성될 수 있다.

일부 경우에, 전류 밀도는 전체 액침 프로세스 중 실질적으로 균일하게 유지된다. 이러한 경우에, 정전류(galvanostatic) 제어가 적절하지 않을 수 있으나, 전위 제어 기술이면 일반적으로 충분하다. 대안의 실시예에서, 전류 밀도는 액침 프로세스 중 변할 수 있으나, 일반적으로, 웨이퍼 특징부를 손상시킬 수 있는 레벨(가령, 약 25mA/cm² 이상의 레벨)에 도달하지 않으면서 캐소드 보호를 제공하는 윈도 내에서 유지될 것이다. 소정의 실시예에서, 액침 중 웨이퍼 간의 전류 밀도는 약 1.5 내지 2 mA/cm²이고, 구체적 실시예에서, 약 5 내지 18 mA/cm²이다. 구체적 실시예에서, 제 1 스테이지 중 전류 밀도는 약 15 mA/cm²의 공칭 값을 갖는다.

다양한 실시예에서, 예를 들어, 에어 버블의 트래핑을 방지하기 위해, 도금 용액 내로의 웨이퍼 투입이 소정 각도로 이루어진다. 소정의 실시예에서, 웨이퍼는 도금 배스의 표면에 대해 약 1도 내지 10도의 각도로 액침된다(즉, 웨이퍼와 도금 배스 표면이 약 1 내지 10도의 각도를 이룬다). 구체적 실시예에서, 입사 각도는 약 3도다. 도금 배스 내로의 액침 속도는 일반적으로 수직 방향(즉, 도금 배스 표면의 법선 방향)으로 약 50 내지 500mm/초인 것이 일반적이다(구체적 실시예에서 약 200mm/초)(200mm 길이 로드(rod)는 예를 들어 수직 방향으로 200mm/초 속도로 1초 내에 도금 배스에 액침될 것이다). 도금 배스 내로 0도가 아닌 각도로 입사함으로써, 표면 상에서, 그리고 웨이퍼의 특징부 내에서 트래핑되는 에어를 최소화시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 웨이퍼는 약 1 rpm 내지 300 rpm의 속도로 도금 용액 내로 입사 중 회전하며, 구체적 실시예에서, 웨이퍼는 도금 용액 내로의 입사 중 약 12 rpm의 속도로 회전한다.

그러나, 웨이퍼가 소정 각도로 의도적으로 액침되지 않더라도, 전체 표면은 동일 순간에 도금 배스 내로 잠기지 않을 것이다. 용액과 첫번째로 접촉하는 웨이퍼 표면 부분이 항상 존재할 것이고, 그 후 시간에 따라, 표면을 완전히 액침시키는데 시간이 걸릴 것이며, 용액과 접촉하는 표면의 비율이 점진적으로 증가할 것이다. 이는, 고정된 전류가 웨이퍼에 인가될 경우, 배스와 접촉하는 웨이퍼 부분이 매우 높은 전류 밀도를 경험하게 되어, 특히 제 1 입사 지점에서, 결함을 일으킬 수 있음을 의미한다. 추가적으로, 매우 높은 전류 밀도에 따른 구리 고갈로 인해 표면 거칠기가 높아질 수 있다.

제 1 스테이지 중 전류 밀도를 제어하기 위해, 상술한 바와 같이 정전위(potentiostatic) 제어가 이용될 수 있다. 웨이퍼 전위를 실질적으로 일정하게 유지하고 액침 중 구리/구리 이온의 전기화학적 커플을 약간 캐소드적으로 유지함으로써, 도금 용액과 접촉하는 시드층의 비율이 증가하는 경우에도 일정 전류 밀도가 유지될 수 있다. 대안의 실시예에서, 전류 제어 액침 단계가 수행된다. 이러한 실시예에서, 전류 컨트롤러는 웨이퍼에 대한 총 전류를 점진적으로 증가시켜서 도금 배스와 접촉하는 웨이퍼 표면의 비율과 (적어도 개략적으로) 일치시킨다.

정전위 입사 단계는, 편평 표면이 제한된 영역에 걸쳐 도금 배스와 먼저 접촉하고, 이어서, 전체 전방 표면이 배스와 접촉할 때까지 점점 더 많은 영역과 점진적으로 접촉함에 따라, 액침 단계 중 실질적으로 일정한 전위(가령, 일부 실시예에서, 구리 기준 전극 대비 0.5V)로 웨이퍼 표면을 유지한다. 액침 단계 중 웨이퍼를 통과하는 전류는 도금 배스와 접촉하는 표면적의 비율에 비례하여 점진적으로 증가한다. 그러나, 전류 밀도는 실질적으로 일정하게 유지된다. 다양한 실시예에서, 제 1 스테이지 중 웨이퍼에 인가되는 총 전류는 액침 중 단조롭게 증가한다.

웨이퍼가 제 1 스테이지(102)에서 용액과 접촉하자마자 전류 흐름이 시작된다(도 1A-1D의 (104) 참조). 이는 액침 이전에 웨이퍼를 캐소드 전위로 유지시킴으로써 달성될 수 있다. 언급한 바와 같이, 웨이퍼 도금 표면의 총 액침 시간(따라서 제 1 스테이지의 총 시간)은 웨이퍼의 성질과 애플리케이션에 따라 좌우된다. 소정의 경우에, 총 액침 시간은 약 5 내지 60 ms이고, 더욱 구체적인 경우에 약 10 내지 40 ms다. 언급한 바와 같이, 제 1 스테이지 전기 조건은 일반적으로, 반드시 그런 것은 아니지만, 물리적 액침 시간과 일치한다.

도금 시스템은 웨이퍼가 도금 배스에 완전히 액침된 시기를 결정할 수 있다. 이러한 현상이 발생한 시기를 결정하기 위해 다양한 기술을 이용할 수 있다. 일 기술에서, 전력 공급원은 임계 전류(106)를 얻을 때 타이머를 개시하고, 일부 실시예에서, 타이머가 만료되자마자 고전류 펄스 단계로 전이가 시작된다. 예를 들어, 약 1Amp의 임계 전류가 일부 실시예에서 사용된다. 이러한 임계 전류에 도달할 때, 타이머가 개시되고, 도금 프로세스는 한 세트의 시간 구간이 경과한 후 다른 전류 또는 스테이지로 변경된다. 설정 시간이 종료되면, 프로세스는 제 2 스테이지로 전환된다. 타이머/임계 전류 프로세스는, 웨이퍼의 완전한 액침에 걸리는 시간이 어느 정도 정확하게 결정될 수 있음을 보장하는 것으로 판명되었다.

소정의 다른 실시예는 정전위 입사에 관련된 전류가 플래투(plateau) 또는 정상-상태에 도달하였는 지가 결정될 때 제 2 스테이지로의 전환을 포함한다. 추가적인 실시예는 셀 저항을 측정하는 AC 임피던스 기법을 이용한다. 웨이퍼 간에 작은 AC 전류가 전달되고, 결과적인 전압 특성을 측정하여 임피던스를 결정한다. 임피던스의 저항 성분이 임계값에 도달할 때, 전력 공급원이 타이머를 개시할 수 있다. 또 다른 실시예는 위치 검출 기법을 이용한다. 위치 검출은 예를 들어, 기계적으로 또는 광학적으로 수행될 수 있다. 웨이퍼 액침 파라미터(가령, 수직 방향으로의 이동 속도)에 기초하여, 웨이퍼가 도금 배스 내에 완전히 액침되는 시간을 결정할 수 있다.

다음의 특허 및 특허출원은 여기서 설명되는 소정의 실시예를 수행하는데 유용한 웨이퍼 액침 프로세스, 특히, 전위 제어식 웨이퍼 액침 프로세스 및 장치의 설명을 위해 참고용으로 본 발명에 포함된다: 미국특허공보 제6,562,204호, 제6,946,065호, 및 2005년 9월 16일자 미국특허출원 제11/228,712호(발명의 명칭: "PROCESS FOR ELECTROPLATING METALS INTO MICROSCOPIC RECESSED FEATURES").

제 2 스테이지

작동 순서의 제 2 스테이지는 가령, 약 50 내지 150mA/cm² 또는 더 구체적 실시예에서 약 50 내지 100 mA/cm² 범위의 전류 밀도를 갖는 고전류 펄스 단계다. 다른 실시예에서, 고전류 펄스는 약 20 내지 150 mA/cm², 또는 더 구체적 실시예에서 약 20 내지 100 mA/cm² 의 전류 밀도를 갖는다. 일 실시예에서, 고전류 펄스는 적어도 약 20 mA/cm² 의 전류 밀도를 갖고, 다른 실시예에서 고전류 펄스는 약 20 내지 40 mA/cm² 의 전류 밀도를 갖는다. 일반적으로, 모든 이러한 실시예의 경우에, 고전류 펄스의 전류 밀도는 도금 표면의 액침 중 웨이퍼에 인가되는 캐소드 전류의 전류 밀도보다 높다. 300mm 웨이퍼의 경우에, 이러한 값(20 내지 150 mA/cm²)은 약 14 내지 110 암페아의 총 전류로 변환된다. 고전류 펄스는 일반적으로 약 20 내지 1000 ms, 또는 더 구체적 실시예에서 약 100 내지 600 ms의 지속시간을 갖는다. 구체적 실시예에서, 전류 밀도는 약 40 mA/cm² 이고 지속시간은 약 300ms다. 이러한 제 2 스테이지는 도 1A-1D의 (108)에 해당한다.

도금 순서의 이러한 고전류 단계의 위치는 웨이퍼가 완전히 액침된 직후 발생하며, 언급한 바와 같이, 짧은 지속시간동안 지속된다. 긴 시간 구간동안 고전류 단계를 이용하면, 바텀-업 충전이 느려지고 보이드가 형성될 수 있다. 일부 경우에, 단일 고전류 펄스가 이용된다. 대안의 실시예에서는 다중 펄스가 잇달아 인가된다. 이러한 각각의 펄스 사이에서, 웨이퍼로의 전력이 오프될 수 있다. 그러나, 일부 경우에는, 전류가, 가령, 약 0 내지 20 mA/cm² 의 전류 밀도에 대응하는, 낮은 캐소드적 값으로 유지된다.

이러한 입력 순서의 가치있는 특징은, 제 1 스테이지와 제 2 스테이지 사이의(그리고, 일부 경우에, 제 2 스테이지와 제 3 스테이지 사이의) 오프 시간이 충분히 짧아서, 웨이퍼-전해질 계면이 캐소드 보호와 절충을 이루고 시드층을 부식시키는 상태로 전기적으로 붕괴될 기회를 가지지 못한다는 점이다. 전력 공급이 스테이지 사이에서 일 상태로부터 다른 상태로 전환되기 때문에, 짧은 구간동안 전력 공급이 오프될 수 있고, 이 구간동안 도금 셀이 개-회로 조건에 놓인다. 액침 프로세스 중, 전기적 경계층(가끔 "더블층"이라고도 함)이 웨이퍼 표면 인근에 존재하여 커패시터처럼 기능한다. 외부 전력 공급이 오프되면, 이러한 더블층은 짧은 시간주기(구리 인터커넥트를 생성하는데 사용하기 위한 전형적인 도금 배스의 경우 대략 20ms) 내에 방전될 것이다. 전해질 더블층의 붕괴와 관련된 시간 상수 수준(약 20ms) 또는 그보다 짧은 수준의 (제 1 스테이지와 제 2 스테이지 사이의) 오프 시간을 가짐으로써, 웨이퍼가 개-회로 전압에 있지 않고 따라서 화학적 부식 반응의 발생을 방지할 수 있음을 보장할 수 있다. 일부 실시예에서, 스테이지간 시간은 약 1000ms보다 짧다. 소정의 실시예에서, 스테이지간 시간은 약 20ms 또는 10ms 보다 크기 않고, 더욱 구체적 실시예에서, 이 시간은 약 1ms보다 크지 않으며, 심지어 약 400㎲에 달한다.

고전류 펄스는 다음 중 한가지를 달성할 수 있다: 1) 핵생성 개선, 2) 산화구리 환원 및 시드 용해 방지, 및 3) 대형 어레이 간에 충전을 개선시키도록 첨가제(가령, 억제제) 흡착 거동 변경. 높은 과전위를 이용함으로써, 전계증착 중 액티브 사이트의 수를 증가시킬 수 있고 따라서 핵생성 밀도를 높일 수 있다. 수식 1이 표시하는 바와 같이, 인가된 과전위는 임계 핵생성 반경에 반비례한다. 따라서, 과전위 증가는 입자 크기를 줄이고 핵생성 밀도를 높인다. 이는 반응 시작에 있어 가장자리였던 영역에서의 구리 커버리지를 개선시킬 수 있다.

[수식 1]

여기서, η는 과전위, S는 핵 표면 상의 일 원자의 면적, E는 핵의 에지 에너지, Z는 원자수, e는 전자의 전하, r_c _는 임계 핵 반경이다.

산화 구리, 특히 산화제2구리는 다수 전하 캐리어(majority charge carrier)로 정공을 갖는 p-형 반도체이기 때문에 전기화학적으로 환원되기 어려울 수 있다. 이론에 의해 구속되고자 하는 것은 아니지만, 금속 구리 상에 이러한 산화물의 존재는 쇼트키 다이오드를 형성한다고 판단된다. 일반적으로, 캐소드 분극 중 산화물 내로 주입되는 전자는 반도체 내의 정공과 결합되어 전도성을 잃게 한다. 그러나, 충분히 높은 전압을 인가할 경우, 다이오드 특성이 파괴되어 전도 대역 내로 전자를 주입하게 하여 산화물을 감소시키게 된다. 이는 시드층 부식 감소 및 핵생성 특성 개선을 돕는다.

도 2는 60 서브-40nm 특징부(트렌치)들에서 표준 및 멀티웨이브 프로세스를 비교한 충전 결과를 도시한다. 이러한 특징부들은 측벽을 따라 가장자리 커버리지를 갖는다고 간주되며, 표준 도금 프로세스를 이용할 때, 이는 다량의 측벽 보이드를 야기하게 된다. 대략 20mA/cm² 의 액침 전류 밀도와 대략 40mA/cm² 의 펄스 전류 밀도에 이어 대략 6.5mA/cm² 의 전류 밀도(성장 단계, 아래 설명됨)를 갖는 멀티웨이브 프로세스는 막대 그래프로 도시되는 바와 같이 실질적인 보이드 감소를 도출하였다. 이 도면에서, "보이드의 %"(y-축)는 보이드를 갖는다고 관측된 총 60 서브-40nm 트렌치의 퍼센트를 나타낸다.

반도체 구조(가령, 메모리 구조)에서 종종 나타나는 고밀도 대형 어레이 사이(및 집적 회로의 다른 컴팩트 영역)에서의 충전은 어레이 내 트렌치의 위치에 따라 가변적인 것으로 판명되었다. 이러한 변화는 어레이 사이에서 억제제 농도 기울기에 기인할 수 있다고 판단된다. 억제제는 구리 표면에 흡착된 후 전류를 억제하는 성향을 갖는 폴리머다. 유효 억제제 농도는 어레이의 상승 에지(상류)에서 높은 성향이 있으며, 이는 이 위치가 낮은 표면적/부피 비를 갖고 충전 속도가 감소하기 때문이다. 이와 달리, 어레이의 하강 에지(하류)는 높은 표면적/부피 비를 갖는 경향이 있고, 따라서, 낮은 억제제 농도를 갖는 경향이 있다. 조밀한 특징부 영역은 대류 물질 수송 방향으로 농도차를 효과적으로 일으킨다. 어레이의 소정 영역에서 낮은 충전 속도는 중심 또는 시임(seam) 보이드 형성을 야기할 가능성이 있다.

도 3은 표준 및 멀티웨이브 프로세스를 이용하여 서브-40nm 트렌치로 구성되는 어레이의 여러 위치(즉, 상류 및 하류 위치)에서 충전 속도 비교를 도시한다. 표준 프로세스의 경우에, 상류 위치와 하류 위치 간의 충전 속도 차이가 크다는 점이, 대략 16.5 쿨롱의 전하가 통과한 후 관측된다. 하류 위치의 특징부는 완전히 충전된 것으로 나타났으며, 상류 위치의 경우 대략 75%의 충전 속도 감소가 관측되었다. 멀티웨이브 프로세스의 경우에, 대략 16.5 쿨롱의 통과 후 하류 위치에서 완전한 특징부 충전이 관측되었으며, 상류 위치에서는 대략 30%의 충전 속도 감소가 관측되었다. 따라서, 어레이 충전 속도 사이에서의 주목할만한 개선사항이 멀티웨이브 프로세스를 이용할 때 관측되었다. 이 경우에, 멀티웨이브 프로세스는 대략 20mA/cm²의 액침 전류 밀도와 대략 40mA/cm²의 펄스 전류 밀도에 이어 성장 단계에 대해 대략 6.5mA/cm²를 이용하였다. 이론에 의해 구속되고자 하는 것은 아니지만, 이 결과들은 고전류 펄스가 억제제의 탈착(desorption)을 일으킬 수 있고, 따라서, 기존의 억제제 농도차를 제거하거나 감소시켜서 어레이 간에 더욱 균일한 충전을 도출할 수 있다는 점을 보여준다.

제 3 스테이지

이 스테이지는 특징부 내부의 바텀-업 충전이 발생되기 시작하는 성장 단계다. 제 3 스테이지는 도 1A의 (120), 도 1B의 (130, 132), 도 1C의 (140, 142), 도 1D의 (150, 152)에 해당한다.

도 1A에 도시되는 소정의 실시예에서, 약 1 내지 20 mA/cm² 범위의 전류 밀도가 사용된다. 제 2 스테이지와 제 3 스테이지 사이의 오프 시간은 제 1 스테이지와 제 2 스테이지 사이의 전환 중 전술한 요건에 순응할 수 있다. 즉, 고전류 펄스를 완료시키는 약 1000ms보다 짧은 시간 내에 바텀-업 구리 충전이 수행되고, 더욱 구체적인 실시예에서, 고전류 펄스를 완료시키는 약 20ms, 10ms, 1ms, 또는 400㎲ 내에 바텀-업 구리 충전이 수행된다.

더욱이, 소정의 실시예에서, 제 3 스테이지는 특징부의 바텀-업 충전이 완료될 때까지(즉, 웨이퍼의 특징부가 구리로 실질적으로 충전될 때까지) 수행되며, 이 시기에 도금 시스템은 제 4 스테이지, 벌트 전계충전에 들어간다. 예를 들어, 고종횡비 특징부(고종횡비는 적어도 약 3:1 이상)를 갖는 웨이퍼의 경우, 제 3 스테이지는 고종횡비 특징부 모두를 충전하기 위해 충분히 긴 지속시간동안 수행될 수 있다. 벌크 전계충전은 도금의 완료 및 과도 증착을 위해 일반적으로 준비된다. 통상적으로, 바텀-업 충전 경우보다 높은 전류에서 수행되지만, 그렇지 않을 경우 유사한 조건에서 수행된다. 소정의 구현예에서, 벌크 전계충전은 도금 완료시까지 약 40 내지 60 mA/cm²의 전류 밀도에서 수행된다.

다른 실시예에서, 도 1B에 도시되는 바와 같이, 성장 단계는 2가지 기준 전류 밀도를 이용하여 2개의 성장 단계(130, 132)로 나누어진다. 제 1 성장 단계(130)에서는 약 1 내지 20mA/cm² 의 기준 전류 밀도가 사용된다. 제 1 성장 단계의 지속 시간은 일반적으로 약 1 내지 10초이고, 일부 실시예에서 약 1 내지 5초다. 제 2 성장 단계(132)에서는 약 10 내지 60mA/cm² 의 기준 전류 밀도가 사용되고, 일부 실시예에서, 약 30 내지 60mA/cm² 가 사용된다. 제 2 성장 단계의 지속시간은 약 15 내지 60초인 것이 일반적이다. 제 2 성장 단계(132)에서 웨이퍼 특징부는 비교적 높은 전류 밀도로 인해 비교적 고속으로 충전된다. 제 2 성장 단계는 큰 특징부들을 충전하는데 사용된다. 일부 실시예에서는 특징부가 제 1 성장 단계(130)에서 충전될 수 있기 때문에 제 2 성장 단계가 불필요하다.

추가적 실시예에서, 성장 단계는 마이크로펄스 파형을 포함한다. 이는 특징부의 어레이에 걸쳐 더욱 균일한 충전 속도를 생성하도록 이용될 수 있다. 어레이의 상승, 중심, 및 하강 영역은 서로 다른 충전 속도를 갖는 것이 일반적이다. 전류, 도금 배스 유량, 및 억제제 농도를 정밀하게 제어함으로써, 다양한 어레이 영역에 걸쳐 균일한 충전을 제공할 수 있다는 것이 발견되었다. 그러나, 마이크로펄스 파형은 더욱 직접적인 방식으로 다양한 어레이 영역에서 균일한 충전을 달성할 수 있다. 마이크로펄스 파형의 한가지 잠재적 이점은, 전계충전 중 저전류 및 고전류 프로세스의 이점을 조합함으로써 특징부의 어레이에서 균일한 충전 속도를 달성한다는 점이다.

충전 중 특징부와 관련된 억제제의 최적 농도가 존재할 수 있다. 특징부 내 과량의 억제제는 특징부의 측벽 성장을 감속시켜서, 바텀-업 충전을 파괴하고 보이드를 형성하게 한다. 특징부 내 억제제의 부족은 핵생성 부진 및 충전재 성장을 야기할 수 있다.

전계충전 프로세스의 공통적인 문제점은, 어레이의 중심의 특징부에서보다 하류 또는 상류 어레이 영역의 특징부에서 보이드가 더 많이 형성된다는 것이다. 예를 들어, 어레이에 도금 배스의 유동이 없을 때, 도금 배스 내 억제제는 주로 확산을 통해 도금 배스에서 이동한다. 다른 한편, 웨이퍼의 회전에 의해 야기되는 어레이 내 도금 배스의 유동은 대류를 일으키고 억제제의 다른 물질 수송을 이끈다. 회전 웨이퍼의 면을 따른 도금 배스 유동은 반경방향, 및/또는 방위각 방향(azimuthal)일 수도 있다. 어레이의 상승 에지를 따라, 이러한 회전이 억제제의 고농도를 야기하고, 어레이의 하강 에지를 따라, 회전이 억제제의 저농도를 야기한다. 이러한 국부화된 억제제 농도차는 특징부 충전에 결함/보이드를 야기한다.

어레이의 중심과 에지 간의 이러한 차이는 어레이의 중심과 에지 간의 초기 억제제 온도의 차이에 기인한다고 설명되었다(Akolkar, 외, "Pattern Density Effect on the Bottom-Up Fill during Damascene Copper Electrodeposition", Electrochemical and solid-State Letters, 10 (6) D55-D59 (2007) 참조). 반도체 소자 특징부가 점점 작아짐에 따라, 웨이퍼 상에서 특징부 내로의 물질 이동 및 억제제 확산이 이전 기술 세대에 비해 훨신 중요한 역할을 한다. 발명자들은 물질 이동 형태를 포함시키도록 위 초기의 억제제 농도 모델을 확장하였다. 이론에 구속되고자 하는 것은 아니지만, 억제제의 초기 물질 이동은 어레이의 상승 에지 내로의 억제제 확산 정도를 강하게 변화시키고, 초기 물질 이동의 변화는 개선된 특징부들의 보이드 밀도를 변화시킨다고 판단된다.

현재, 상승 에지 어레이 내로의 억제제 확산을 극복할 수 있도록 개선된 특징부를 충전하기 위해 전류 밀도를 증가시킬 필요가 있다. 이 기법의 문제점은, 특징부 측벽에서의 성장 및/또는 핵생성 증가로 인해 어레이의 중심에서 특징부를 충전하기에 고전류 밀도가 최적이지 않다는 것이다. 적절한 측벽 핵생성(측벽 보이드)과 과성장 가능성(중심 보이드) 간에 복잡한 절충사항이 존재하기 때문에 "고전류" 설정을 식별하는 것이 어려운 경우가 적지 않다. 저전류 밀도의 경우 그 역도 사실인 점을 주목하는 것이 중요하다. 저전류 밀도는 어레이의 중심에서 특징부의 빠른 충전을 촉진시키고, 어레이의 상승 에지에서의 특징부는 상당히 느린 충전 속도를 가진다. 따라서 "저전류"는 어레이의 에지의 특징부에서 측벽 핵생성이 부진하고 그 최종 결과는 측벽 보이드 형성이 될 것이다. "저"와 "고" 사이의 어딘가에서 최적 전류 밀도를 찾아내는 문제는, 개선된 특징부의 다음번 보이드없는 충전과 최적 충전 균일도를 달성하기 위한 어려운 문제를 제시한다.

5:1 종횡비, 0.1㎛ 폭의 특징부를 갖는 어레이를 구비한 테스트 웨이퍼를 이용하여 수행되는 실험에서, 특징부 내에 바텀-업 충전을 위해 여러가지 전류가 사용되었다(제 3 스테이지). 4개의 실험에서, 2.25, 4.5, 6.75, 및 9 암페아의 네가지 전류가 사용되었다. 각각의 경우에, 웨이퍼에 100 옹스트롬의 구리를 도금하기에 충분한 전하가 통과하였다(웨이퍼 상에서 균일한 증착 속도를 가정함). 고전류(가령, 9 암페아)는 어레이의 상승 에지 영역에서 특징부 내 억제제 확산 효과를 감소시켰다. 그러나, 고전류와 관련된 어레이의 중심에서 특징부 충전 속도는 크게 감소하였다. 저전류(가령, 2.25 암페아)는 어레이의 중심에서 특징부의 훨씬 높은 충전 속도로 나타났으며, 어레이의 상승 에지의 특징부에서 낮은 충전 속도를 보였다.

다양한 실시예에 따르면, 마이크로펄스 파형은 어레이의 특징부 간에 더욱 균일한 억제제 농도를 도출하도록 억제제 농도의 차이를 변경시키는 기능(즉, 어레이의 특징부 간에 억제제 농도차의 정규화)을 한다. 각각의 마이크로펄스는 대류 영향 하에 앞서 흡착이 이루어진 특징부로부터 (억제제 분자의 탈분극으로 인해) 억제제 분자를 탈착할 수 있다. 탈착된 억제제 분자를 이용하여, 확산을 통해 무작위적으로 어레이 영역 간에 분자가 재분포될 수 있고, 따라서, 웨이퍼의 도금 표면에서 억제제의 농도 프로파일을 변화시킬 수 있다.

도 1C는 마이크로펄스 파형의 일 실시예를 도시한다. 도 1C에서, 성장 단계는 2개의 성장 단계(140, 142)로 나누어진다. 제 1 성장 단계(140)는 마이크로펄스를 포함한다. 다양한 실시예에서, 마이크로펄스 파형은 약 1 내지 20 mA/cm², 또는 일부 실시예에서, 약 3 내지 10 mA/cm² 의 기준 전류 밀도를 갖는다. 더욱이, 이러한 실시예에 따르면, 마이크로펄스는 기준 전류 밀도보다 약 10 내지 40 mA/cm² 큰 크기를 갖는다. 다른 실시예에서, 마이크로펄스는 기준 전류 밀도보다 약 10 내지 25mA/cm² 높은 크기를 갖고, 일부 경우에, 약 10 내지 60 mA/cm² 높은 크기를 갖는다. 일부 실시예에서, 마이크로펄스 파형의 지속시간은 약 0.1 내지 20초이고, 다른 실시예에서 약 3 내지 20초다. 마이크로펄스 파형은 일부 실시예에서 약 50 내지 500ms의 주기를 가질 수 있다. 마이크로펄스 파형의 듀티 사이클(즉, 펄스 지속시간을 펄스 주기로 나눈 값)은 약 1% 내지 99% 사이에, 특히, 25% 내지 75% 범위에 놓일 수 있다. 따라서, 마이크로펄스의 지속 시간은 약 0.5ms 내지 495 ms일 수 있다. 다른 실시예에서, 마이크로펄스 파형은 약 100 내지 2000ms, 또는, 약 100 내지 200ms의 주기를 갖는다. 추가적 실시예에서, 마이크로펄스 파형은 기준 전류 밀도보다 작은 크기를 갖는 마이크로펄스를 포함한다. 도 1C의 제 1 성장 단계(140)의 확대도가 도 1E에 도시된다. 도 1C 및 1E의 실시예가 다중 마이크로펄스를 도시하지만, 일부 실시예에서는 제 1 성장 단계에 단 하나의 마이크로펄스가 사용된다. 따라서, 실시예는 하나의 마이크로펄스 또는 복수의 마이크로펄스를 포함한다.

일부 실시예에서, 제 3 스테이지는 제 2 성장 단계를 또한 포함한다. 제 2 성장 단계(142)에서, 웨이퍼 특징부는 고전류 밀도로 인해 고속으로 충전된다. 따라서 제 2 성장 단계는 큰 특징부를 충전하는데 사용된다.

마이크로펄스를 포함하는 일부 실시예에서, 전류가 웨이퍼에 거의 일정하게 인가된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 기준 전류 밀도와 마이크로펄스 사이에서 웨이퍼에 어떤 전류도 인가되지 않는 지속 시간은 약 1ms 또는 그 미만이다. 다른 실시예에서, 마이크로펄스와 기준 전류 밀도 사이에서 웨이퍼에 어떤 전류도 인가되지 않는 지속 시간은 약 1ms 또는 그 미만이다. 서로 다른 전류 사이의 이러한 약간의 구간은 전류 공급에 사용되는 전력 공급원의 제한사항에 기인할 수 있고, 이는 아래에서 추가적으로 설명된다.

도 1D는 마이크로펄스 파형의 다른 실시예를 도시한다. 도 1D에서, 성장 단계는 2개의 성장 단계(150, 152)로 나누어진다. 제 1 성장 단계(150)는 마이크로펄스를 포함한다. 일부 실시예에서, 마이크로펄스 파형은 약 1 내지 20mA/cm², 또는, 다른 실시예에서 3 내지 10 mA/cm²의 기준 전류 밀도를 갖는다. 이러한 마이크로펄스 파형에서, 순방향 마이크로펄스는 기준 전류 밀도보다 약 10 내지 40mA/cm² 높은 크기를 갖고, 이어서, 역방향 마이크로펄스는 기준 전류 밀도보다 약 1 내지 40mA/cm²낮은 크기를 갖는다. 따라서, 역방향 전류 마이크로펄스의 크기가 충분히 클 경우, 역방향 전류 마이크로펄스는 애노드적일 것이다. 또는, 일부 사레에서, 역방향 전류 마이크로펄스의 크기가 펄스 시점에서 전류가 애노드적이기에 충분하지 않을 경우, 역방향 전류 마이크로펄스의 지속 시간이 충분히 길면, 전류가 애노드적이 될 것이다. 다른 실시예에서, 순방향 마이크로펄스는 기준 전류 밀도보다 약 15 내지 40 mA/cm² 큰 크기를 갖고, 일부 경우에 약 10 내지 60mA/cm² 큰 크기를 갖는다. 추가적 실시예에서, 역방향 마이크로펄스는 약 1 내지 15 mA/cm²의 크기를 갖는다.

일부 실시예에서, 마이크로펄스 파형은 약 50 내지 500ms의 주기를 갖고, 순방향 마이크로펄스는 약 70% 또는 그 미만의 듀티 사이클을 가지며, 역방향 마이크로펄스는 약 70% 또는 그 미만의 듀티 사이클을 갖는다. 따라서, 순방향 마이크로펄스의 지속 시간은 약 350ms 또는 그 미만일 수 있고, 역방향 마이크로펄스의 지속 시간은 약 350ms 또는 그 미만일 수 있다. 다른 실시예에서, 마이크로펄스 파형은 약 50 내지 500ms의 주기를 갖고, 순방향 마이크로펄스는 약 50% 또는 그 미만의 듀티 사이클을 가지며, 역방향 마이크로펄스도 약 50% 또는 그 미만의 듀티 사이클을 갖는다. 따라서, 순방향 마이크로펄스의 지속 시간은 약 250ms 또는 그 미만일 수 있고, 역방향 마이크로펄스의 지속 시간은 약 250ms 또는 그 미만일 수 있다. 추가적인 실시예에서, 마이크로펄스 파형은 약 100 내지 2000ms 또는 약 100 내지 200ms의 주기를 갖는다. 일부 실시예에서, 마이크로펄스 파형은 약 0.1 내지 30초, 또는 다른 실시예에서 약 1 내지 30초의 지속 시간을 갖는다. 도 1A의 제 1 성장 단계(150)의 확대도가 도 1F에 도시된다. 도 1A 및 1F의 실시예가 복수의 순방향 및 역방향 마이크로펄스를 도시하지만, 일부 실시예에서는 하나의 순방향 마이크로펄스 및 하나의 역방향 마이크로펄스가 제 1 성장 단계에 사용된다. 따라서, 실시예들은 순방향 마이크로펄스 및 역방향 마이크로펄스를 하나씩 포함할 수도 있고, 복수개씩 포함할 수도 있다.

추가적인 실시예에서, 마이크로펄스 파형은 순방향 마이크로펄스로 시작되는 것이 아니라 역방향 마이크로펄스로 시작된다. 또 다른 실시예에서, 2개 이상의 순방향 마이크로펄스에 이어 2개 이상의 역방향 마이크로펄스가 이어지며, 그 후 이 순서가 반복된다(즉, 2개의 순방향, 2개의 역방향, 2개의 순방향, 등등). 이러한 파형은 순방향 및 역방향 마이크로펄스의 여러가지 구조를 임의의 개수로 취할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 일부 실시예에서, 제 3 스테이지는 제 2 성장 단계를 또한 포함한다. 제 2 성장 단계(152)에서, 웨이퍼 특징부는 고전류 밀도로 인해 고속으로 충전된다. 따라서 제 2 성장 단계는 큰 특징부를 충전하는데 사용된다.

더욱이, 복수의 마이크로펄스를 이용하는 일부 실시예에서, 마이크로펄스의 크기 및/또는 주기가 변한다. 예를 들어, 마이크로펄스의 크기가 차례로 증가할 수 있다. 순방향 마이크로펄스 및 역방향 마이크로펄스 중 하나 또는 둘 모두의 크기가 변할 수 있다. 복수의 마이크로펄스를 이용하는 다른 실시예에서, 마이크로펄스간 시간 구간이 변할 수 있다. 예를 들어, 제 1 성장 단계가 우선적으로 시작될 때 마이크로펄스의 시간 구간이 짧을 수 있고, 제 1 성장 단계가 진행됨에 따라 마이크로펄스간 시간 구간이 넓혀질 수 있다. 복수의 마이크로펄스를 이용하는 추가적 실시예에서, 각각의 마이크로펄스의 지속 시간이 변할 수 있다. 예를 들어, 마이크로펄스의 지속 시간이 제 1 성장 단계 시작시 길 수 있고, 제 1 성장 단계 진행에 따라 짧아질 수 있다. 이러한 변수(즉, 마이크로펄스 크기, 구간 지속시간, 마이크로펄스 지속시간)이 홀로 또는 조합하여 변할 수 있다.

대안의 실시예에서, 마이크로펄스의 크기, 구간, 지속시간, 및 방향(즉, 순방향 또는 역방향)이 확률론적으로 변할 수 있다. 적어도 부분적으로 웨이퍼 상의 반경 방향 위치에 따라 서로 다른 농도로 웨이퍼의 면 간에 억제제가 분포하기 때문에, 이러한 확률론적 마이크로펄스 프로세스는 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 더 우수한 바텀-업 충전을 도출할 수 있다. 구체적 실시예에서, 예를 들어, 제 2 스테이지 바텀-업 충전이 약 1 내지 20 mA/cm²의 기준 전류 밀도로 수행된다. 복수의 마이크로펄스가 인가됨에 있어, 크기는 약 10 내지 40mA/cm²이고, 지속시간은 약 1 내지 495 ms이며, 마이크로펄스간 시간 구간은 약 50 내지 500ms다. 각각의 마이크로펄스의 크기, 지속시간, 그리고 임의의 2개의 마이크로펄스 간의 시간 구간은 확률론적이다.

기판에 인가되는 전류 밀도의 제어와 함께 억제제, 가속제, 및 레벨러(leveler)를 함유한 전기도금 배스를 이용한 전기도금 프로세스는, 여기서 설명되는 방법 및 장치에 관련되고, 미국특허공보 제6,793,796호에 설명되어 있으며, 그 내용은 본 발명에 참고자료로 포함된다.

장치

여기서 설명되는 실시예에 대한 범주를 제공하기 위해 일반적인 구리 전기도금 하드웨어 및 프로세스를 여기서 설명한다. 도 4는 여기서 설명되는 실시예와 함께 이용하기에 적합한 실시예로 전기도금 시스템(200)을 도시한다. 시스템은 3개의 전기도금 모듈(211, 217, 219)을 포함한다. 시스템(200)은 3개의 포스트 전계충전 모듈(PEM: Post Electrofilling Modules)(215, 221)을 또한 포함한다. 각각의 PEM은 에지 베벨 제거(edge bevel removal), 후면 식각(backside etching), 산세정, 스피닝, 및 모듈(211, 217, 219) 중 하나에 의해 전기도금이 완료된 후 웨이퍼의 건조를 각각 실행하기 위해 이용될 수 있다. 시스템(200)은 화학적 희석 모듈(225) 및 주 전기도금 배스(223)을 또한 포함한다. 이는 전기도금 모듈에서 전기도금 배스로 사용되는 화학적 용액을 보유하는 탱크다. 시스템(200)은 도금 배스에 대한 화학적 첨가제를 저장 및 운반하는 주입 시스템(dosing system)을 또한 포함한다. 화학적 희석 모듈(225)은 포스트 전계충전 모듈에 식각제로 사용될 화학물을 저장 및 혼합한다. 여과 및 펌핑 유닛(229)은 중앙 배스(223)용 도금 용액을 여과하여 전기도금 모듈에게로 펌핑한다. 마지막으로, 전자 유닛(231)이 시스템(200) 운영에 요구되는 전자식 및 인터페이스 제어부를 제공한다. 전자 유닛(231)은 시스템에 대한 전력 공급을 또한 제공할 수 있다.

작동시, 로봇 암(203)을 포함하는 대기 로봇이 웨이퍼 카세트 또는 FOUP(Front Opening Unified Pods)(가령, 카세트(201A) 또는 카세트(201B))로부터 웨이퍼를 선택한다. 로봇 암(203)은 진공 부착 또는 일부 다른 부착 메커니즘을 이용하여 웨이퍼에 부착될 수 있다. 웨이퍼는 먼저 전기도금 모듈 중 하나에 전달될 수 있다. 웨이퍼가 전계충전 모듈로의 정밀 전달을 위한 전달 챔버 로봇 암(209) 상에서 적절히 정렬됨을 보장하기 위해, 로봇 암(203)은 웨이퍼를 정렬기(207)로 수송한다. 소정의 실시예에서, 정렬기(207)는 로봇 암(203)이 웨이퍼를 밀어낼 때 반작용하게 되는 정렬 핀을 포함한다. 웨이퍼가 정렬 핀에 대해 적절히 정렬될 때, 로봇 암(209)은 정렬 핀에 대해 기설정 위치로 이동한다. 다른 실시예에서, 정렬기(207)는 로봇 암(209)이 새 위치로부터 웨이퍼를 들어올리도록 웨이퍼 중심을 결정한다. 그 후 정렬기(207)는 웨이퍼를 전계충전 모듈(211)과 같은 전계충전 모듈로 운반하여, 여기서 설명되는 실시예에 따라 구리의 도금이 이루어진다.

전기도금 작동이 완료된 후, 로봇 암(209)은 전계충전 모듈(211)로부터 웨이퍼를 제거하고 모듈(215)과 같은 PEM 중 하나로 웨이퍼를 수송한다. PEM은 웨이퍼를 세정(cleaning)하고, 세척(rinsing)하며, 건조시킨다. 그 후 로봇 암(203)은 웨이퍼를 PEM(221) 중 하나로 이동시킨다. 거기서, 웨이퍼 상의 소정의 위치로부터 불필요한 구리를, 화학적 희석 모듈(225)에 의해 제공되는 식각제 용액에 의해 식각해버린다. PEM(221) 역시 웨이퍼를 세정, 세척(rinsing), 및 건조시킨다.

포스트 전계충전 모듈(221)에서의 공정이 완료된 후, 로봇 암(209)은 모듈로부터 웨이퍼를 불러들여서 카세트(201A 또는 201B)로 복귀시킨다. 포스트 전계충전 어닐링이 시스템(200) 또는 다른 툴에서 완료될 수 있다. 일 실시예에서, 포스트 전계충전 어닐링이 어닐링 스테이션(205) 중 하나에서 완료된다. 다른 실시예에서, 노와 같은 전용 어닐링 시스템이 사용될 수 있다. 그 후, 추가적인 공정을 위해 화학-기계적 연마 시스템과 같은 다른 시스템에 카세트가 제공될 수 있다.

적절한 반도체 공정 툴은 미국, 캘리포니아 San Jose에 소재한 Novellus Systems 사에서 제작한 Sabre System, 미국, 캘리포니아, Santa Clara에 소재한 Applied Materials 사에서 제작한 Slim 셀 시스템, 또는, 미국, 매사츄세츠, Kalispell에 소재한 Semitool 사에서 제작한 Raider 툴을 포함한다.

도 5를 참조하면, 전기도금 장치(301)의 개략적 단면도가 도시된다. 도금 용기(303)는 레벨(305)로 도시되는 도금 용액을 지닌다. 웨이퍼(307)는 도금 용액 내로 액침되고, 회전가능 스핀들(311) 상에 장착된 "클램쉘" 고정구("clamshell" holding fixture)에 의해 보지되며, 이러한 고정구는 웨이퍼(307)와 함께 클램쉘(309)를 회전하게 한다. 여기서 설명되는 실시예와 함께 이용하기 적합한 형태를 갖는 클램쉘-타입 도금 장치의 일반적인 설명은 Patton, 등이 등록받은 미국특허공보 제6,156,167호 및 Reid, 등이 등록받은 미국특허공보 제6,800,187호에 세부적으로 설명되어 있고, 그 내용은 본 발명에 모든 용도로 포함된다. 애노드(313)가 도금 배스(303) 내에서 웨이퍼 아래에 배치되고, 막(315)(이온 선택형 막이 바람직함)에 의해 웨이퍼 영역으로부터 분리된다. 애노드 막 아래의 영역은 "애노드 챔버"라 불린다. 이온 선택형 애노드 막(315)은 도금 셀의 캐소드 영역과 애노드 영역 사이에서 이온 교환을 가능하게 하며, 애노드에서 발생된 입자가 웨이퍼 인급에 유입되어 웨이퍼를 오염시키는 것을 방지한다. 애노드 막은 도금 프로세스 중 전류 흐름을 재분배하여 도금 균일도를 개선시키는데 또한 유용하다. 적절한 애노드 막의 상세한 설명은 Reid, 등이 등록받은 미국특허공보 제6,126,798호 및 6,569,299호에서 제공되며, 그 내용는 본 발명에 모든 용도로 포함된다.

도금 용액은 펌프(317)에 의해 도금 배스(303)에 연속적으로 제공된다. 일반적으로, 도금 용액은 애노드 막(315) 및 디퓨저 판(319)을 통해 상향으로 웨이퍼(307)의 중심까지 유동하고, 그 후 반경 방향 외향으로 웨이퍼(307) 사이에서 유동한다. 도금 용액은 도금 셀(303)의 측부로부터 배스의 애노드 영역에 또한 제공될 수 있다. 도금 용액은 그후 화살표(323)로 표시되는 바와 같이, 도금 배스(303)를 넘쳐서 오버플로 탱크(321)로 들어간다. 도금 용액은 그 후 여과되고 펌프(317)로 복귀하여(화살표(325) 참조), 도금 용액의 재순환을 완료한다. 도금 셀의 소정의 구조에서, 애노드가 함유된 도금 셀의 부분을 통해 개별적인 전해질이 순환하고, 주 도금 용액과의 혼합은, 투과성이 적은 막이나 이온 선택형 막을 이용하여 방지된다.

기준 전극(331)은 별도의 챔버(333) 내 도금 용기(303)의 외부 상에 위치하고, 이러한 챔버(333)는 주 도금 용기로부터 오버플로에 의해 보충된다. 기준 전극은 전위 제어식 전기도금이 요망될 때 통상적으로 사용된다. 기준 전극은 수은/수은 설페이트, 실버 클로라이드, 포화 칼로멜, 또는 구리 금속과 같은 흔히 사용되는 다양한 타입 중 하나일 수 있다. 본 설명의 범주에서, 웨이퍼에 인가되는 전압은 구리 금속 기준 전극에 대해 표현된다.

DC 전력 공급원(335)은 웨이퍼(307)로의 전류 흐름을 제어하는데 사용될 수 있다. 전력 공급원(335)은 하나 이상의 슬립 링, 브러시, 및 접촉부(도시되지 않음)를 통해 웨이퍼(307)에 전기적으로 연결되는 음의 출력 리드(negative output lead)(339)를 갖는다. 전력 공급원(335)의 양의 출력 리드(341)는 도금 배스(303)에 위치한 애노드(313)에 전기적으로 연결된다. 전력 공급원(335) 및 기준 전극(331)은 컨트롤러(347)에 연결될 수 있고, 컨트롤러(347)는 전기도금 셀의 요소에 제공되는 전류 및 전위를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러는 정전류(제어 전류) 또는 정전위(제어 전위) 영역에서 전기도금을 행할 수 있다. 컨트롤러는 도금 셀의 다양한 요소에 인가될 필요가 있는 전류 및 전압 레벨과, 이러한 레벨들이 변경될 필요가 있는 시기를 명시하는 프로그램 명령을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도금 배스 내로 웨이퍼가 완전히 액침되었을 때 순방향 전류 펄스(구리 증착)로부터 오프 상태로, 그리고 다시 다른 순방향 전류 펄스를 위해 온으로, 또는, 전위-제어로부터 전류-제어로 전환하기 위한 프로그램 명령을 포함할 수 있다.

순방향 전류 펄스 중, 전력 공급원(335)은 웨이퍼(307)를 애노드(313)에 대해 음전위를 갖도록 바이어스시킨다. 이에 따라 전류가 애노드(313)로부터 웨이퍼(307)로 흐르며, 웨이퍼 표면(캐소드) 상에서 전기화학적 환원(가령, Cu² ⁺ + 2e^- = Cu⁰)이 일어나서, 웨이퍼 표면 상에 전기전도층(가령, 구리)을 증착시키게 된다. 역방향 전류 펄스 중, 그 역도 참이다. 웨이퍼 표면 상의 반응은 산화(가령, Cu⁰ -> Cu²⁺ + 2e^-)로서, 구리를 제거하게 된다.

전력 공급 컨트롤러는 여기서 설명되는 멀티웨이브 및 마이크로펄스 프로세스를 구션하도록 프로그래밍되거나 구성된다. 일 실시예에서, 매크로 또는 다른 세트의 명령들이 전력 공급 컨트롤러에 로딩된다. 여러 경우에, 컨트롤러는 도 1A-1D에 도시된 멀티웨이브/마이크로펄스 전류 프로파일을 구현하도록 구성된다.

일부 경우에, 명령은 컨트롤러로 하여금 다음과 같은 작업을 수행하도록 프로그래밍되거나 구성된다. 최초에, 컨트롤러는 웨이퍼가 도금 용액 내에서 구리 기준 전극의 약 50 내지 200mV 캐소드적인 전위를 갖도록 하는 전위를 웨이퍼에 인가하도록 전력 공급원에 지시한다. 도금 시스템의 내부 임피던스에 따라, 인가 전위가 상당히 커질 것이다(가령, 약 0.25 내지 2 볼트). 컨트롤러는 얼마나 많은 전류가 웨이퍼에 전달되고 있는 지를 표시하는 정보를 수신할 것이다. 일 실시예에서, 도 1A에 도시되는 바와 같이, 컨트롤러가 임계 전류 레벨을 검출하면, 컨트롤러는 제 1 스테이지의 잔여 지속시간을 규정하는 타이머를 트리거링한다. 소정의 실시예에서, 임계 전류는 전력 공급원에 의해 신뢰가능하게 검출될 수 있는 최저 전류다. 타이머에 의해 설정된 시간은 액침 속도에 따라 좌우될 것이다. 표시된 바와 같이, 제 1 스테이지에 대한 총 시간 길이는 약 50ms 또는 그 미만의 수준일 수 있다. 전력 공급 컨트롤러는 웨이퍼에 전달된 총 전류가 플래투 값으로 검출될 때 제 1 스테이지 정전위 제어를 종료하도록 프로그래밍될 수도 있다.

대안의 실시예에서, 컨트롤러 명령은 전력 공급원이 단조롭게 상승하는 전류를 웨이퍼에 공급할 것을 요구하며, 이러한 상승은 제 1 스테이지 중 임의의 순간에 도금 용액에 액침된 웨이퍼의 비율에 대응한다.

전력 공급 컨트롤러가 액침 스테이지 완료를 결정할 때, 스테이지는 고전류 펄스(제 2 스테이지)로 전환된다. 이러한 전환을 위해, 전력 공급원이 일시적으로 오프되어야 한다. 전력 공급 컨트롤러는 오프 상태를 매우 짧은 시간, 가령, 약 1 ms 또는 그 미만(가령, 500 ㎲)로 제한하도록 프로그래밍될 수 있다. 제 2 스테이지에 대한 상술한 사항은 이러한 오프 구간의 길이에 관한 추가적인 세부사항을 제공한다. 컨트롤러 명령은 펄스에 대한 지속 시간 및 전류를 명시한다. 이는 정전류 방식으로 제어될 수 있다. 다중 펄스가 이용도리 경우, 전력 공급 컨트롤러가 이러한 단계들을 또한 프로그래밍할 것이다.

명령이 제 2 스테이지 완료를 지시할 때, 전력 공급 컨트롤러는 전력 공급원으로 하여금 제 3 스테이지(바텀-업 충전)용으로 사용되는 전류로 전환할 것을 지시한다. 제 2 스테이지와 제 3 스테이지 사이를 전환함에 있어서, 컨트롤러는 오프 주기가 약 1 ms, 또는, 앞서 설명한 다른 적절한 시간 길이보다 길지 않음을 지시할 수 있다. 컨트롤러는 전력 공급원으로 하여금 바텀-업 충전(제 3 스테이지)으로부터 더 높은 전류에서 수행되는 최종 벌크 충전으로 전환할 것을 또한 지시할 수 있다. 컨트롤러는 바텀-업 충전의 차후 단계(제 3 스테이지, 제 2 성장 단계) 중 더 높은 전류로 전환할 것을 전력 공급원에 또한 지시할 수 있다(즉, 제 3 스테이지가 2가지 이상의 전류로 수행될 수 있다).

추가적인 경우에, 명령은 제 3 스테이지에 마이크로펄스를 포함하도록 컨트롤러를 프로그래밍하거나 구성할 수 있다. 이 경우에, 명령이 제 2 스테이지 완료를 지시할 경우, 전력 공급 컨트롤러는 제 3 스테이지(바텀-업 충전)용으로 이용되는 기준 전류로 전환할 것을 전력 공급원에게 지시한다. 제 2 스테이지와 제 3 스테이지 간의 전환에서, 전력 공급원은 오프 주기가 1ms 또는 그외 다른 적절한 시간 길이(상술 내용 참조)보다 길지 않음을 지시할 수 있다. 제 3 스테이지 중, 컨트롤러는 순방향 및/또는 역방향 마이크로펄스를 기준 전류 밀도에 더할 것을 전력 공급원에 지시한다. 마이크로펄스에 대한 제 3 스테이지의 위 설명은, 마이크로펄스 파형에 관한 추가적인 세부사항을 제공하며, 하나 이상의 펄스 파라미터를 무작위화할 수 있게 한다. 컨트롤러 명령은 마이크로펄스 파형의 전류, 지속시간, 및 주기를 명시한다. 다중 마이크로펄스가 이용될 경우, 전력 공급 컨트롤러는 이러한 단계들을 또한 프로그래밍할 것이다. 컨트롤러는 바텀-업 충전의 차후 단계(제 3 스테이지, 제 2 성장 단계) 중 더 높은 전류로 전환할 것을 전력 공급원에 또한 지시할 수 있다(즉, 제 3 스테이지가 2가지 이상의 기준 전류에서 수행될 수 있다).

멀티웨이브 프로세스의 3개의 단계에 대해 앞서 설명한 전류, 전위, 지속시간, 및 다른 파라미터들은 전력 공급 컨트롤러 내에 프로그래밍될 수 있다. 당 업자라면 다양한 타입의 컨트롤러 및 명령이 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

구리를 도금하는데 사용되는 도금 배스(즉, 전해질)는 사용되는 장치 및 애플리케이션에 대해 적절한 것으로 선택될 수 있다. 일부 경우에, 동일한 도금 배스 조성이 제 1 스테이지로부터 전계충전 완료까지의 도금 프로세스를 통해 이용되지만, 항상 그러한 것은 아니다. 일부 실시예에서, 도금 배스로 전해질의 일정한 흐름을 이용하는 경우와 같이, 전해질 조성은 도금 진행 중 변할 수 있다. 소정의 실시예에서, 전해질 조성은 바텀-업 충전을 촉진시키는데 적절하다.

구리 전기도금은 다양한 다른 첨가제와 함께 CuSo₄와 같은 구리염의 용액을 이용하여 수행되는 것이 일반적이다. 일 실시예에서, 도금 배스는 구리염 및 억제제를 포함한다. 구체적 실시예에서, 구리염으로부터의 구리 이온 농도는 약 20 내지 60 ㅎ/L이고, 억제제 농도는 약 50 내지 500ppm이다. 상술한 바와 같이, 억제제는, 구리 표면에서 흡착되고 주어진 인가 전위에서 국부적 전류 밀도를 감소시켜서 도금을 지연시키는 폴리머다. 억제제는 일반적으로, 폴리에틸렌 글리콘(PEG), 폴리프로필렌 글리콜(PPG), 폴리에틸렌 옥사이드, 또는 이들의 파생물 또는 공중합체로부터 도출된다. 상용 억제제는 미국, 매사츄세츠, Marlborough에 소재한 Shipley 사의 Ultrafill S-2001과, 미국, 코네티컷, West Heaven에 소재한 Enthone OMI 사의 S200을 포함한다.

일부 실시예에서, 도금 배스는 가속제와 레벨러를 또한 포함한다. 더욱 구체적 실시예에서, 가속제 농도는 약 5 내지 100 ppm이고, 레벨러 농도는 약 2 내지 30 ppm이다. 가속제는 도금 반응 속도를 높이는 첨가제다. 가속제는, 구리 표면 상에 흡착되고 주어진 인가 전위에서 국부 전류 밀도를 증가시키는 분자다. 가속제는 일반적으로 부속 황 원자를 함유하며, 이러한 부속 황 원자는, 제2구리 이온(cupric ion) 환원 반응에 참가하고 구리 박막의 표면 성장과 핵생성에 강하게 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 가속제 첨가제는 메르캅토프로판설포닉산(MPS) 또는 디메르캅토프로판설포닉산(DPS)의 가장 흔한 파생물이다. 광택제라 불리는 일부 유용한 가속제는 미국특허공보 제5,252,196호에 설명되어 있고, 이 공보는 본 발명에서 참고자료로 포함된다. 가속제 제품의 예로는 Shipley 사의 Ultrafill A-2000과 Enthone OMI 사의 SC Primary가 있다.

레벨러의 효과는 다른 첨가제의 효과보다 복잡하며, 국부적 물질 이동 거동에 따라 좌우된다. 레벨러는 일반적으로, 물질 이동 속도가 가장 빠른 위치에서 전류를 억제하는 다이 및 캐타이언 계면 활성제를 포함한다. 따라서, 도금 배스 내 레벨러의 존재는 레벨러가 바람직하게 흡수되는 돌출 표면 또는 코너에서 박막 성장 속도를 감소시키는 기능을 한다. 차별적 물질 이동 효과로 인한 레벨러의 흡수 차이는 상당한 영향을 갖는다. 서로 다른 위치에서 레벨러의 차별적 물질 이동 속도는 서로 다른 기하학적 위치에 대한 확산 속도의 차이의 결과이고, 더 음전압에 놓인 표면 상의 지점에 대한 더 높은 정전 이동의 결과이다. 두번째 효과를 활용하기 위해, 대부분의 레벨러는 캐타이언적이고, 양성자를 갖는 질소-기반 기능기를 지니는 것이 일반적이다. 도데실트리메틸암모늄 브로마이드(DTAB)는 테트라알킬암모늄 클래스의 레벨러다. DTAB는 산 용액에서 캐타이언적이며, 웨이퍼 표면 상의 돌출부로 확산한다. 다른 구체적 레벨러는 가령, 미국특허공보 제5,252,196호, 4,555,135호, 및 3,956,120호에 설명되어 있고, 그 내용은 본 발명에 포함된다. 레벨러의 예로는 Shipley 사의 Liberty 또는 Ultrafill Leveler와 Enthone OMI 사의 Booster 3가 있다.

추가적 실시예에서, 도금 배스는 산과 클로라이드 이온을 또한 포함한다. 더축 구체적 실시예에서, 산의 농도는 약 5 내지 200g/L이고, 클로라이드 이온의 농도는 약 20 내지 80 mg/L다. 일부 실시예에서, 산은 황산이다. 다른 실시예에서, 산은 메탄설폰산이다. 이러한 산들은 전도도 개선을 위해 도금 배스에 첨가될 수 있다.

구체적 실시예에서, 도금 배스 조성은 황산 구리, 황산, 클로라이드 이온, 및 유기 첨가제를 포함한다. 본 실시예에서, 도금 배스는 약 0.5 내지 80 g/L의 농도 범위, 선호 범위로는 약 5 내지 60 g/L, 가장 선호되기로는 약 18 내지 55g/L의 구리 이온과, 약 0.1 내지 400 g/L 농도 범위의 황산을 포함한다. 약산 도금 용액은 일반적으로 약 5 내지 10 g/L의 황산을 함유한다. 중간 및 강산 용액은 약 50 내지 90 g/L와 150 내지 180 g/L 농도 범위의 황산을 각각 함유한다. 클로라이드 이온은 약 1 내지 100mg/L 농도 범위로 존재할 수 있다. 상술한 바와 같이, 유기 첨가제가 포함될 수 있다. 다수의 유기 첨가제, 가령, Enthone Viaform, Viaform NexT, Viaform Extreme, 또는 당 분야에 잘 알려진 다른 가속제, 억제제, 및 레벨러가 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 도금 배스는 약 40g/L 농도의 황산구리, 약 10g/L 농도의 황산, 및 약 50mg/L 농도의 클로라이드 이온을 포함한다.

결론

다양한 세부사항이 발명의 명료성을 위해 생략되었으나, 다양한 설계적 대안이 구현될 수 있다. 따라서, 본 예는 예시적인 것으로 제한적인 것이 아니며, 실시예는 여기서 주어진 세부사항에 제한되지 않고 첨부된 청구항의 범위 내에서 변형될 수 있다.

Claims

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반도체 웨이퍼 상에 구리 인터커넥트의 도금을 제어하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
(a) 구리 염 및 억제제를 함유한 도금 배스에 웨이퍼의 도금 표면을 액침하는 단계로서, 도금 표면이 완전히 액침된 동안, 캐소드 전류를 웨이퍼에 인가하는, 단계와,
(b) 단계 (a)에서 액침 완료 후 1000ms 내에, 웨이퍼에 캐소드 고전류 펄스를 인가하는 단계로서, 상기 캐소드 고전류 펄스는 단계 (a)에서 인가된 상기 캐소드 전류의 전류 밀도보다 더 큰 크기를 갖는, 단계와,
(c) 단계 (b)에서 상기 캐소드 고전류 펄스 완료 후 1000ms 내에, 상기 캐소드 고전류 펄스의 전류 밀도보다 더 낮은 전류 밀도를 사용하여 바텀-업 구리 충전(bottom up copper fill)을 수행하는 단계
를 포함하며,
여기서 바텀-업 구리 충전은 1 내지 20mA/cm² 의 기준 전류 밀도를 갖는 마이크로펄스 파형으로 수행되며, 상기 마이크로펄스 파형은 상기 기준 전류 밀도보다 10 내지 40 mA/cm² 큰 크기를 갖는 마이크로펄스를 포함하고, 상기 마이크로펄스 파형은 50 내지 500ms의 주기를 갖는,
반도체 웨이퍼 상에서의 구리 인터커넥트 도금 제어 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 마이크로펄스 파형은 0.1초 내지 20초의 지속시간을 갖는
반도체 웨이퍼 상에서의 구리 인터커넥트 도금 제어 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 마이크로펄스 파형은 기준 전류 밀도보다 낮은 크기를 갖는 마이크로펄스를 더 포함하는
반도체 웨이퍼 상에서의 구리 인터커넥트 도금 제어 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 마이크로펄스 파형은 기준 전류 밀도보다 10 내지 40mA/cm² 큰 크기를 갖는 순방향 마이크로펄스와, 기준 전류 밀도보다 1 내지 40mA/cm² 작은 크기를 갖는 역방향 마이크로펄스를 포함하며, 상기 마이크로펄스 파형은 50 내지 500ms의 주기를 갖고, 순방향 마이크로펄스는 50% 또는 그 미만의 듀티 사이클을 갖고 역방향 마이크로펄스는 50% 또는 그 미만의 듀티 사이클을 갖는
반도체 웨이퍼 상에서의 구리 인터커넥트 도금 제어 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 마이크로펄스 파형은 2개 이상의 주기와 2개 이상의 마이크로펄스를 포함하는
반도체 웨이퍼 상에서의 구리 인터커넥트 도금 제어 방법.
제 14 항에 있어서,
적어도 2개의 마이크로펄스가 서로 다른 크기를 갖는
반도체 웨이퍼 상에서의 구리 인터커넥트 도금 제어 방법.
제 14 항에 있어서,
마이크로펄스는 펄스 지속시간을 갖고, 적어도 2개의 마이크로펄스는 서로 다른 펄스 지속시간을 갖는
반도체 웨이퍼 상에서의 구리 인터커넥트 도금 제어 방법.
제 14 항에 있어서,
마이크로펄스 파형은 적어도 3개의 마이크로펄스를 포함하고, 2개의 마이크로펄스들 간의 구간은 2개의 이어지는 마이크로펄스들 간의 구간과는 다른
반도체 웨이퍼 상에서의 구리 인터커넥트 도금 제어 방법.
제 10 항에 있어서,
마이크로펄스 파형은 상기 웨이퍼의 도금 표면에 걸쳐 억제제의 농도 프로파일을 변화시키는
반도체 웨이퍼 상에서의 구리 인터커넥트 도금 제어 방법.
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