KR101487564B1 - 구리 상호접속부의 배리어 계면 제작 방법 및 장치 - Google Patents

구리 상호접속부의 배리어 계면 제작 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 실시형태들은 구리 상호접속부에 있어서 얇은 컨포멀 배리어층 및 구리층의 증착을 가능하게 함으로써 구리 상호접속부의 응력-유도 보이드를 감소시키고 일렉트로마이그레이션을 개선시키는 필요성을 만족시킨다. 구리 증착 이전에 배리어층을 금속-리치로 작성하고 구리 증착 이전에 배리어층이 노출되는 산소의 양을 제한함으로써, 배리어층과 구리층 간이 접착을 개선시킬 수 있다. 대안으로, 배리어층 위에 기능화층을 증착하여, 배리어층과 구리층 간에 양호한 접착을 가지고 구리 상호접속부에 있어서 구리층이 증착 가능하도록 할 수 있다. 구리 상호접속부의 일렉트로마이그레이션 (electromigration) 성능을 향상시키기 위해 집적 시스템 내에서 구리 상호접속부의 금속성 배리어층 위에 기능화층을 증착하여 구리 상호접속부에서의 구리층의 증착을 돕도록 기판의 기판 표면을 제작하는 예시적 방법이 제공된다. 상기 방법은 집적 시스템 내에서 구리 상호접속부 구조를 라이닝하도록 금속성 배리어층을 증착하는 단계를 포함하며, 금속성 배리어층을 증착한 후에, 금속성 배리어 산화물의 형성을 방지하기 위해 기판을 제어된 환경으로 이송하여 처리한다. 또한, 상기 방법은 집적 시스템 내에서 금속성 배리어층 위에 기능화층을 증착하는 단계를 포함한다. 또, 상기 방법은 금속성 배리어층 위에 기능화층을 증착한 후에 집적 시스템 내에서 구리 상호접속부 구조에서의 구리층을 증착하는 단계를 포함한다.
구리 상호접속부, 집적 시스템, 금속성 배리어층, 기능화층, 구리층

Description

구리 상호접속부의 배리어 계면 제작 방법 및 장치{METHODS AND APPARATUS FOR BARRIER INTERFACE PREPARATION OF COPPER INTERCONNECT}
배경기술
집적 회로들은 도전성 상호접속부들을 사용하여 반도체 기판 상의 개별 디바이스들과 함께 배선하거나, 또는 집적 회로에 외부적으로 통신한다. 비아들 및 트렌치들에 대한 상호접속부 금속화는 알루미늄 합금들 및 구리를 포함할 수도 있다. 디바이스 기하형상이 65 nm 노드 기술 및 서브 65 nm 기술로 계속해서 축소됨에 따라, 보이드가 없는 (void free) 구리 충진을 제공하기 위해 높은 애스펙트비 기하형상을 따르는 양호한 스텝 커버리지를 갖는 연속적인 배리어/시드층의 요구가 제기되고 있다. 65 nm 노드 또는 서브 65 nm 기술에 있어서 초박형 컨포멀 (conformal) 배리어로 나아가고자 하는 욕구가 배리어의 비아 상의 영향 및 라인 저항을 감소시키고 있다. 그러나, 배리어층에 대한 구리의 열악한 접착은 일렉트로마이그레이션 (electromigration) 및 응력-유도 보이드에 관련되는 처리 또는 열 변형 동안 배리어층과 구리 간의 박리를 야기할 수 있다.
상술한 점을 감안하여, 구리 상호접속부의 응력-유도 보이드의 위험 감소 및 양호한 일렉트로마이그레이션 성능을 갖는 구리 상호접속부에 있어서 얇은 컨포멀 배리어층 및 구리층의 증착을 가능하게 하는 공정들 및 시스템들에 대한 필요성이 존재한다.
개요
일반적으로, 실시형태들은 구리 상호접속부의 응력-유도 보이드의 위험 감소 및 양호한 일렉트로마이그레이션 성능을 갖는 구리 상호접속부에 있어서 얇은 컨포멀 배리어층 및 구리층의 증착을 가능하게 하는 필요성을 만족시킨다. 일렉트로마이그레이션 및 응력-유도 보이드는 배리어층과 구리층 간의 접착에 의해 영향을 받으며, 이 배리어층과 구리층 간의 접착은 구리 증착 이전에 배리어층을 금속-리치 (metal-rich) 로 작성하고 구리 증착 이전에 배리어층이 노출되는 산소의 양을 제한함으로써 개선될 수 있다. 대안으로, 배리어층 위에 기능화층을 증착하여 구리 상호접속부에 있어서 구리층이 증착 가능하도록 할 수 있다. 기능화층은 배리어층 및 구리와의 강한 결합을 형성하여 이 두 층들 간의 접착성을 개선시킨다. 또한, 기능화층은 단순히 배리어층 위에 구리의 증착을 가능하게 할 수 있고 구리층에 의해 대체될 수 있다. 본 발명은 솔루션, 방법, 공정, 장치 또는 시스템을 포함하는 여러가지 방식으로 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 발명의 몇몇 독창적인 실시형태들을 이하에 설명한다.
일 실시형태에 있어서, 구리 상호접속부의 일렉트로마이그레이션 성능을 향상시키기 위해 집적 시스템 내에서 상기 구리 상호접속부의 금속성 배리어층 위에 기능화층을 증착하여 상기 구리 상호접속부에서의 구리층의 증착을 돕도록 기판의 기판 표면을 제작하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 상기 집적 시스템 내에서 구리 상호접속부의 구조를 라이닝하도록 상기 금속성 배리어층을 증착하는 단계를 포함하며, 상기 금속성 배리어층을 증착한 후에, 금속성 배리어 산화물의 형성을 방지하기 위해 상기 기판을 제어된 환경으로 이송하여 처리한다. 또한, 상기 방법은 상기 집적 시스템 내에서 상기 금속성 배리어층 위에 상기 기능화층을 증착하는 단계를 포함한다. 또, 상기 방법은 상기 금속성 배리어층 위에 상기 기능화층을 증착한 후에 상기 집적 시스템 내에서 상기 구리 상호접속부의 구조에서의 상기 구리층을 증착하는 단계를 포함한다.
다른 실시형태에 있어서, 구리 상호접속부의 일렉트로마이그레이션 성능을 향상시키기 위해 상기 구리 상호접속부의 금속성 배리어층 위에 기능화층의 증착을 가능하게 하도록 제어된 환경에서 기판을 처리하는 집적 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 랩-분위기 이송 챔버에 커플링된 기판 카세트로부터 상기 기판을 상기 집적 시스템으로 이송할 수 있는 상기 랩-분위기 이송 챔버를 포함한다. 또한, 상기 시스템은 1 Torr 미만의 압력에서 진공 하에서 동작하는 진공 이송 챔버를 포함한다. 또, 상기 시스템은 상기 진공 이송 챔버에 커플링되며 1 Torr 미만의 압력에서 진공 하에서 동작하는, 상기 금속성 배리어층을 증착하는 진공 처리 모듈을 포함한다. 게다가, 상기 시스템은 불활성 가스들의 그룹으로부터 선택되는 일 불활성 가스로 충진된 제어된-분위기 이송 챔버; 및 상기 제어된-분위기 이송 챔버에 커플링되며, 상기 금속성 배리어층의 표면 상에 상기 기능화층을 증착하는데 사용되는 증착 처리 모듈을 포함한다.
본 발명의 다른 양태들 및 이점들에 대해 본 발명의 원리를 예로서 설명하는 첨부 도면들과 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도면의 간단한 설명
본 발명은 첨부 도면들과 관련하여 다음의 상세한 설명에 의해 쉽게 이해될 것이며, 도면에 있어서 유사한 참조 부호들은 유사한 구조 엘리먼트들을 나타낸다.
도 1a 내지 도 1d 는 상호접속 처리의 다양한 단계에서의 듀얼 다마신 상호접속부 구조의 단면도들을 도시한다.
도 2a 내지 도 2c 는 상호접속 처리의 다양한 단계에서의 금속 라인 구조의 단면도들을 도시한다.
도 3a 는 상호접속 처리의 예시적 공정 흐름을 도시한다.
도 3b 는 도 3a 의 공정 흐름을 사용하여 기판을 처리하는데 사용되는 예시적 집적 시스템을 도시한다.
도 4 의 (a) 내지 (d) 는 기능화층을 통합하기 위한 상호접속 처리의 다양한 단계에서의 금속 라인 구조의 단면도들을 도시한다.
도 5a 내지 도 5e 는 기능화층을 통합하기 위한 상호접속 처리의 다양한 단계에서의 상호접속 구조의 단면도들을 도시한다.
도 6a 는 기능화층을 통합하는 상호접속 처리의 예시적 공정 흐름을 도시한다.
도 6b 는 도 6a 의 공정 흐름을 사용하여 기판을 처리하는데 사용되는 예시적 집적 시스템을 도시한다.
예시적 실시형태들의 상세한 설명
계면 접착을 향상시키고 금속 상호접속부의 저항을 감소시키기 위해 환원에 의해 계면 금속 산화물을 제거하거나 또는 접착촉진층을 추가하는 개선된 금속 집 적 기술들에 대한 몇몇의 예시적 실시형태들이 제공된다. 본 발명은 공정, 방법, 장치 또는 시스템을 포함하는 여러가지 방식으로 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 발명의 몇몇 독창적인 실시형태들을 이하에 설명한다. 당업자에게는 본 발명이 본 명세서에 설명되는 특정 상세내용의 일부 또는 전부 없이 실시될 수도 있다는 것이 자명할 것이다.
도 1a 는 듀얼 다마신 공정 시퀀스를 사용하여 패터닝된 후의 상호접속부 구조(들)의 예시적 단면도를 도시한다. 상호접속부 구조(들)는 기판 (50) 상에 존재하고 유전체층 (100) 을 가지며, 유전체층 (100) 은 그 내부에 금속 라인 (101) 을 형성하기 위해 미리 제조되었다. 금속 라인은 통상 유전체층 (100) 에 트렌치를 에칭한 후 트렌치를 구리와 같은 도전성 금속으로 충진함으로써 제조된다.
트렌치 내부에, 구리 재료 (122) 가 유전체층 (100) 으로 확산하는 것을 방지하기 위해 사용되는 배리어층 (120) 이 존재한다. 배리어층 (120) 은 물리적 기상 증착 (PVD) 탄탈 질화물 (TaN), PVD 탄탈 (Ta), 원자층 증착 (ALD) TaN, 또는 이러한 막들의 조합으로 이루어질 수 있다. 또한, 다른 배리어층 재료들을 사용할 수 있다. 평탄화된 구리 재료 (122) 위에 배리어층 (102) 을 증착하여, 배리어층 (102) 에 유전체 재료들 (104, 106) 을 중첩함으로써 비아홀들 (114) 을 에칭할 때에 구리 재료 (122) 를 조기 산화로부터 보호한다. 또한, 배리어층 (102) 은 선택적 에치 정지로서 기능하도록 구성된다. 예시적 배리어층 (102) 재료들로는 실리콘 질화물 (SiN) 또는 실리콘 탄화물 (SiC) 을 포함한다.
배리어층 (102) 위에 비아 유전체층 (104) 이 증착된다. 비아 유전체층 (104) 은 유기-실리케이트 유리 (OSG, 카본-도핑된 실리콘 산화물) 또는 다른 종류의 유전체 재료들, 바람직하게는 저 유전율을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예시적인 실리콘 이산화물들로는, PECVD 미도핑된 TEOS 실리콘 이산화물, PECVD 불화 실리카 유리 (FSG), HDP FSG, OSG, 다공성 OSG 등을 포함할 수 있다. 미국 캘리포니아주 산타클라라 소재의 Applied Materials의 Black Diamond (I) 및 Black Diamond (II), 미국 산호세 소재의 Novellus Systems 의 Coral, 미국 애리조나주 피닉스 소재의 ASM America Inc. 의 Aurora 를 포함한 시판되는 유전체 재료들을 사용할 수 있다. 비아 유전체층 (104) 위에 트렌치 유전체층 (106) 이 존재한다. 트렌치 유전체층 (106) 은 카본-도핑된 산화물 (C-산화물) 과 같은 로우 K 의 유전체 재료일 수도 있다. 로우 K 의 유전체 재료의 유전율은 약 3.0 이하일 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 비아 유전체층 및 트렌치 유전체층 둘다는 동일한 재료로 이루어지며, 동시에 증착되어 연속막을 형성한다. 트렌치 유전체층 (106) 을 증착한 후에, 구조(들)를 지지하는 기판 (50) 에 패터닝 및 에칭 공정들이 수행되어 공지된 기법에 의해 비아홀들 (114) 및 트렌치들 (116) 을 형성한다.
도 1b 는 비아홀들 (114) 및 트렌치들 (116) 의 형성 이후에, 비아홀들 (114) 및 트렌치들 (116) 을 라이닝하고 비아홀들 (114) 및 트렌치들 (116) 을 충진하도록 배리어층 (130) 및 구리층 (132) 을 증착한다. 배리어층 (130) 은 탄탈 질화물 (TaN), 탄탈 (Ta), 루테늄 (Ru) 또는 이들 재료들의 하이브리드 조합으 로 이루어질 수 있다. 이들은 흔히 고려되는 재료들이지만, 다른 배리어층 재료들을 또한 사용할 수 있다. 배리어층 재료들은 특히 티탄 (Ti), 텅스텐 (W), 지르코늄 (Zr), 하프늄 (Hf), 몰리브덴 (Mo), 니오브 (Nb), 바나듐 (V), 루테늄 (Ru) 및 크롬 (Cr) 을 포함하는 다른 내화성 금속 화합물일 수도 있지만, 이것에 한정되지 않는다.
그후, 도 1c 에 도시된 바와 같이, 구리막 (132) 을 증착하여 비아홀들 (114) 및 트렌치들 (116) 을 충진한다. 일 실시형태에 있어서, 구리막 (132) 은 그 하부에 얇은 구리 시드층 (131) 을 포함한다. 일 실시형태에 있어서, 얇은 구리 시드층의 두께는 약 5 Å 내지 약 300 Å 이다.
Ta, TaN 또는 Ru 과 같은 배리어층은 장기간 동안 공기에 노출될 경우, TaxOy (탄탈 산화물), TaOxNy (탄탈 산질화물), 또는 RuO2 (루테늄 산화물) 을 형성할 수 있다. 기판 상의 금속층의 무전해 증착은 기판의 조성 및 표면 특성에 매우 의존적이다. Ta, TaN 또는 Ru 표면 상의 구리의 무전해 도금은, 리소그래피 정의된 패턴(들) 내에서의 Cu 라인들의 선택적 증착, 및 전해도금 이전에 시드층 형성 둘다에 대해 관련된다. 하나의 관심사는 산소 (O2) 존재 하에서 형성된 원자적으로 얇은 자연 금속 산화물층에 의한 무전해 증착 공정의 억제이다.
또한, 구리막은 탄탈 산화물, 탄탈 산질화물 또는 루테늄 산화물과 같은 배리어 산화물 층에 접착되지 않을 뿐만 아니라, Ta, Ru 또는 Ta-리치 TaN 막과 같은 순수 배리어 금속 또는 배리어층-리치 막에 접착된다. Ta 및/또는 TaN 배리어 층들은 단지 예시로서 사용된다. 이러한 설명 및 개념은 얇은 Ru 층으로 피복된 Ta 또는 TaN 과 같은 다른 종류의 배리어 금속들에 적용된다. 상술한 바와 같이, 열악한 접착성은 일렉트로마이그레이션 성능에 악영향을 줄 수 있다. 게다가, 배리어층 상의 탄탈 산화물 또는 탄탈 산질화물의 형성은 배리어층의 저항을 증가시킬 수 있다. 이러한 문제로 인해, 배리어층과 구리 간의 양호한 접착을 보장하고 배리어층의 낮은 저항을 보장하기 위한 배리어/구리 계면을 제작하는 집적 시스템을 사용하는 것이 바람직하다.
도 1b 는 배리어층 (130) 이 ALD 또는 PVD 중 어느 하나에 의해 증착된 단일 층임을 도시한다. 대안으로, 도 1d 에 도시된 바와 같이, 배리어층 (130) 을, ALD 공정에 의해 TaN 과 같은 제 1 배리어층 (131I) 을 증착하고 후속하여 Ta 와 같은 PVD 제 2 배리어층 (131II) 을 증착함으로써 형성할 수 있다.
듀얼 다마신 상호접속부 구조들에 추가하여, 콘택트들 위의 금속 라인들 (또는 M1 라인들) 에 구리 상호접속부를 또한 적용할 수 있다. 도 2a 는 유전체 에치에 의해 패터닝하고 포토레지스트를 제거한 후 금속 라인 구조의 예시적 단면도를 도시한다. 금속 라인 구조(들)는 기판 (200) 상에 존재하고 실리콘층 (110) 을 가지며, 실리콘층은 거기에 게이트 산화물 (121), 스페이서들 (107) 및 콘택트 (125) 를 갖는 게이트 구조 (105) 를 형성하기 위해 미리 제조되었다. 콘택트 (125) 는 통상 산화물 (103) 에 콘택트 홀을 에칭한 후 콘택트 홀을 텅스텐과 같은 도전성 재료로 충진함으로써 제조된다. 대체 재료들로는 구리, 알루미 늄 또는 다른 도전성 재료들을 포함할 수도 있다. 배리어층 (102) 은 선택적 트렌치 에치 정지로서 기능하도록 구성된다. 배리어층 (102) 은 실리콘 질화물 (SiN) 또는 실리콘 탄화물 (SiC) 과 같은 재료들로 이루어질 수 있다.
배리어층 (102) 위에 금속 라인 유전체층 (106) 을 증착한다. 금속 라인 유전체층 (106) 을 증착하는데 사용 가능한 유전체 재료들은 상술한 바와 같다. 유전체층 (106) 의 증착 이후에, 기판을 패터닝하고 에칭하여 금속 트렌치 (116) 를 생성하였다. 도 2b 는 금속 트렌치 (116) 의 형성 이후 금속 트렌치 (116) 를 라이닝하도록 금속성 배리어층 (130) 을 증착한 것을 도시한다. 도 2c 는 배리어층 (130) 을 증착한 후에 배리어층 (130) 위에 구리층 (132) 을 증착한 것을 도시한다. 듀얼 다마신 상호접속부 구조들과 유사하게, 배리어층 (130) 은 탄탈 질화물 (TaN), 탄탈 (Ta), Ru 또는 이들 재료들의 조합으로 이루어질 수 있다. 그후, 구리막 (132) 을 증착하여 금속 트렌치 (116) 를 충진한다.
듀얼 다마신 구조들에 대해 상술한 바와 같이, Ta, TaN 또는 Ru 과 같은 배리어층은 장기간 동안 공기에 노출될 경우, TaxOy (탄탈 산화물), TaOxNy (탄탈 산질화물), 또는 RuO2 (루테늄 산화물) 을 형성할 수 있다. 기판 상의 금속층의 무전해 증착은 기판의 조성 및 표면 특성에 매우 의존적이다. Ta, TaN 또는 Ru 표면 상의 구리의 무전해 도금은, 리소그래피 정의된 패턴(들) 내에서의 Cu 라인들의 선택적 증착, 및 전해도금 이전에 시드층 형성 둘다에 대해 관련된다. 상술한 바와 같이, 관심사는 산소 (O2) 존재 하에서 형성된 원자적으로 얇은 자연 금속 산화물층에 의한 무전해 증착 공정의 억제이다. 또한, 구리막은 탄탈 산화물, 탄탈 산질화물 또는 루테늄 산화물과 같은 배리어 산화물층에 접착되지 않을 뿐만 아니라, Ta, Ru 또는 Ta-리치 TaN 막과 같은 순수 배리어 금속 또는 배리어층-리치 막에 접착된다. 상술한 바와 같이, 열악한 접착성은 일렉트로마이그레이션 성능에 악영향을 줄 수 있다. 배리어층 표면 상의 탄탈 산화물 또는 탄탈 산질화물의 형성은 또한 배리어층의 저항을 증가시킬 수 있다. 이러한 문제로 인해, 배리어층과 구리 간의 양호한 접착을 보장하고 배리어층의 낮은 저항을 보장하기 위한 배리어/구리 계면을 제작하는 집적 시스템을 사용하는 것이 바람직하다.
도 3a 는 트렌치들 (116) (도 2a) 과 같은 트렌치들을 형성한 후에 무전해 구리 증착을 위해 배리어 (또는 라이너) 층 표면을 제작하는 공정 흐름 (300) 의 일 실시형태를 도시한다. 도 2a 내지 도 2c 에 도시된 바와 같이, 콘택트 플러그들 위에 금속 트렌치 상호접속부를 형성하는 것이 단순히 예시로서 사용된다. 본 발명의 개념은 또한, 도 1a 내지 도 1d 에 도시된 것들과 같이, 금속 트렌치들에 걸친 듀얼 다마신 상호접속부 구조들, 또는 다른 적용 가능한 상호접속부 구조들을 형성하는데 사용될 수 있다. 그러나, ALD 또는 PVD 증착 반응기와 같은 비집적 증착 시스템에서 배리어 (또는 라이너) 층이 개별적으로 제작될 수도 있다는 것에 유의해야 한다. 이 경우, 얇은 구리 시드층을 증착하기 위한 표면 제작은 금속 플러그 사전세정 및 배리어 증착 공정 단계들을 포함하지 않을 것이다. 단계 301 에서, 콘택트 플러그의 상부 표면 (124a) 을 세정하여 자연 금속 산화 물을 제거한다. Ar 스퍼터링 공정, NF3, CF4 또는 이들의 조합과 같은 불소-함유 가스를 사용한 플라즈마 공정, 습식 화학 에치 공정, 또는 환원 공정, 예컨대, 수소-함유 플라즈마를 사용한 환원 공정에 의해 금속 산화물을 제거할 수 있다. 1-단계 또는 2-단계 습식 화학 공정 시퀀스의 습식 화학 제거 공정에 의해 금속 산화물을 제거할 수 있다. 습식 화학 제거 공정은, 미국 델라웨어주 윌밍턴 소재의 DuPont 에 의해 제공된 ESC 5800 과 같은 반수성 (semi-aqueous) 용매 또는 일본의 Kanto Chemical Co., Inc. 에 의해 제공된 DeerClean 과 같은 유기산, 에틸렌 디아민, 디에틸렌 트리아민, 또는 미국 코네티컷주 웨스트헤이븐 소재의 Enthone, Inc. 에 의해 제공된 Cap Clean 61 및 ELD 세정과 같은 독점적 화학물질과 같은 아민류를 착화하는, 테트라메틸암모늄 클로라이드 (TMAH) 와 같은 유기 염기를 사용할 수 있다. 또한, 금속 산화물들, 특히 구리 산화물은 시트르산과 같은 약한 유기산을 사용하여 제거될 수 있고, 또는 다른 유기 또는 무기산들을 사용할 수 있다. 추가적으로, 황산-과산화수소 혼합물과 같은 매우 희석된 (즉, 0.1% 미만의) 과산화수소-함유 산들을 또한 사용할 수 있다.
단계 303 에서, 배리어층을 증착한다. 수축 금속 라인 및 비아 임계 치수로 인해, 테크놀러지 노드 (technology node) 에 따라, 원자층 증착 (ALD) 에 의해 배리어층을 증착할 수도 있다. 배리어층 (130) 의 두께는 약 20 Å 내지 약 200 Å 이다. 상술한 바와 같이, 배리어층이 산소에 노출되는 것을 방지하는 것은, 구리와 배리어층 간의 양호한 접착을 가지고 배리어층 상에 무전해 구리를 증착하는 것을 보장하는데 있어서 중요하다. 일단 배리어층을 증착하면, 산소에 대한 노출을 제한하기 위해 제어된-분위기 환경으로 기판을 이송하거나 처리해야 한다. 일 실시형태에 있어서, 후속 구리 시드 증착 단계에 대해 촉매 표면을 제공하기 위해 단계 305 에서 배리어층을 수소-플라즈마 처리하여 배리어층 상에 Ta, TaN 또는 Ru 와 같은 금속-리치 표면을 제조한다. 플라즈마를 환원하는 것은, 수소 또는 암모니아와 같은 가스를 포함할 수 있다. 플라즈마를 환원하는 것은 Ar 또는 He 와 같은 불활성 가스를 포함할 수 있다. 단계 305 는 선택적인 단계이며, 배리어층 증착 이후에 증착된 배리어층이 탄탈 또는 루테늄층인 것과 같이 배리어 표면이 금속-리치인 경우에는, 표면 환원 단계가 요구되지 않는다. 한편, 증착된 배리어층이 TaN 과 같은 배리어 질화물층인 경우, 또는 배리어층이 산소에 노출된 경우, 수소-플라즈마 처리 (또는 환원) 가 필요할 것이다. 이 단계가 필요한지의 여부는 배리어 표면이 얼마나 금속-리치인지에 종속한다.
그후, 단계 307 에서 배리어 표면 상에 컨포멀 구리 시드를 증착하고, 후속하여 단계 308 에서 두꺼운 구리 갭 충진 (또는 벌크 충진) 공정을 수행한다. 일 실시형태에 있어서, 컨포멀 구리 시드층을 무전해 공정에 의해 증착할 수 있다. 두꺼운 구리 벌크 충진 공정은 무전해 증착 (ELD) 공정 또는 전기화학 도금 (ECP) 공정일 수 있다. 무전해 구리 증착 및 ECP 는 주지된 습식 공정이다. 제어된 처리 및 전달 환경을 갖는 시스템에 일체화되는 습식 공정에 대해, 반응기는 드라이-인/드라이-아웃 공정 능력을 가능하게 하기 위해 린스/건조기와 일체화될 필요가 있다. 또한, 시스템은 산소에 대한 기판의 최소 노출을 보장하기 위 해 불활성 가스로 충진될 필요가 있다. 무전해 증착 공정은 퍼들-도금 (puddle-plating) 과 같은 다수의 방식으로 실시될 수 있고, 여기서 반응물들을 제거하고 폐기한 후, 또는 재이용한 후, 유체가 기판 상으로 공급되어 정적 모드에서 반응할 수 있도록 한다. 최근, 드라이-인/드라이-아웃 무전해 구리 공정이 개발되고 있다. 이러한 공정은 제한된 영역 상에서 기판 표면과 접촉할 때 무전해 공정 액체를 제한하는 근사 공정 헤드를 사용한다. 근사 공정 헤드 아래가 아닌 기판 표면은 건조된다. 게다가, 공정에 사용된 모든 유체들은 탈기되고, 즉 시판되는 탈기 시스템들에 의해 용존 산소가 제거된다.
단계 307 및 단계 308 에서의 구리 증착 이후에, 단계 309 에서 기판에 대해 선택적 기판 세정을 수행할 수 있다. 미국 펜실베이니아주 앨런타운 소재의 Air Products and Chemical, Inc. 에 의해 제공된 CP72B 를 함유한 용액과 같은 화학 용액에 의한 브러시 스크럽 세정을 이용함으로써 후-구리-증착 세정을 달성할 수 있다. 또한, Lam 의 C3TM 또는 AMCTM (Advanced Mechanical Clean) 세정 기술과 같은 다른 기판 표면 세정 공정들을 사용할 수 있다.
도 3b 는 배리어 표면 제작 이후에 중요 단계들에서 기판 표면의 산소에 대한 최소 노출을 가능하게 하는 집적 시스템 (350) 의 개략도의 일 실시형태를 도시한다. 또한, 그것이 집적 시스템이기 때문에, 기판을 일 공정 스테이션으로부터 즉시 다음 공정 스테이션으로 이송하여, 청결한 배리어 표면이 낮은 레벨의 산소에 노출되는 기간을 제한한다. 집적 시스템 (350) 은 도 3a 의 흐름 (300) 의 전체 공정 시퀀스에 걸쳐서 기판(들)을 처리하는데 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 구리 및 선택적 후-코발트-합금 증착 공정들의 무전해 증착을 위한 표면 제작은 건식 공정과 습식 공정의 혼합을 포함한다. 습식 공정은 통상 대기 근처에서 동작하는 반면, 건식 플라즈마 공정은 1 Torr 미만에서 동작한다. 또한, 배리어층을 증착한 후에, 기판은 산소에 가능한한 적게 노출되어야 하며, 이는 제어된 환경으로 이송되어 처리됨으로써 달성될 수 있다. 따라서, 집적 시스템은 건식 공정과 습식 공정의 혼합을 다룰 수 있어야 한다. 제어된 처리 및 전달 환경을 갖는 시스템에 일체화되는 습식 공정에 대해, 반응기는 드라이-인/드라이-아웃 공정 능력을 가능하게 하기 위해 린스/건조기와 일체화될 필요가 있다. 게다가, 시스템은 산소에 대한 기판의 최소 노출을 보장하기 위해 불활성 가스로 충진될 필요가 있다. 집적 시스템 (350) 은 3 개의 기판 이송 모듈들 (360, 370, 380) 을 갖는다. 이송 모듈들 (360, 370, 380) 은 기판 (355) 을 일 공정 영역으로부터 다른 공정 영역으로 이동시키는 로봇들을 장비하고 있다. 공정 영역은 기판 카세트, 반응기 또는 로드록일 수 있다. 기판 이송 모듈 (360) 은 랩 분위기 하에서 동작한다. 모듈 (360) 은 기판 로더들 (또는 기판 카세트들) (361) 과 인터페이스하여 기판 (355) 을 집적 시스템으로 가져가거나 또는 기판을 카세트들 (361) 중 하나로 리턴시킨다.
공정 흐름 (300) 에서 상술한 바와 같이, 기판 (355) 을 집적 시스템 (350) 으로 가져가서 배리어층 및 구리층을 증착한다. 공정 흐름 (300) 의 단계 301 에서 설명한 바와 같이, 콘택트 (125) 의 상부 텅스텐 표면 (124a) 을 에칭하여 자 연 텅스텐 산화물을 제거한다. 일단 텅스텐 산화물을 제거하면, 도 2a 의 노출된 텅스텐 표면 (124a) 은 산소에 대한 노출로부터 보호될 필요가 있다. 제거 공정이 Ar 스퍼터링 공정일 경우, 반응기 (371) 는 진공 이송 모듈 (370) 에 커플링된다. 습식 화학 에칭 공정이 선택될 경우, 산소에 대한 텅스텐 표면의 노출을 제한하기 위해, 반응기는 랩-분위기 이송 모듈 (360) 이 아닌 제어된-분위기 이송 모듈 (380) 에 커플링되어야 한다.
그후, 도 3a 의 단계 303 에서 설명한 바와 같이, 기판에 Ta, TaN, Ru 또는 이들 재료들의 조합과 같은 금속성 배리어층을 증착한다. 도 2b 의 배리어층 (130) 은 ALD 공정 또는 PVD 공정에 의해 증착될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, ALD 공정은 1 Torr 미만에서 동작한다. ALD 반응기 (373) 는 진공 이송 모듈 (370) 에 커플링된다. 다른 실시형태에 있어서, 증착 공정은 금속 배리어를 형성하기 위한 초임계 CO2 및 유기-금속성 전구체들을 사용한 고압 공정이다. 또 다른 실시형태에 있어서, 증착 공정은 1 Torr 미만의 압력에서 동작하는 물리적 기상 증착 (PVD) 공정이다.
도 3a 의 단계 305 에서 설명한 바와 같이, 기판에 대해, 예컨대, 수소-함유 플라즈마를 사용한 선택적 환원 (수소-플라즈마 처리) 공정을 수행할 수 있다. 수소 환원 반응기 (374) 는 진공 이송 모듈 (370) 에 커플링될 수 있다. 이 단계에서, 기판은 무전해 구리가 증착될 준비가 된다. 무전해 구리-도금 반응기 (381) 에서 무전해 구리 도금을 수행하여 컨포멀 시드층을 증착할 수 있다. 시 드층 증착에 후속하여, 컨포멀 시드층을 증착하는데 사용된 동일한 무전해 구리 증착 반응기 (381) 에서 구리 벌크 충진을 수행할 수 있지만, 상이한 화학물질을 사용하여 벌크 충진을 달성한다. 대안으로, 별도 ECP 반응기 (381') 에서 구리 벌크 충진을 수행할 수 있다.
기판이 집적 시스템 (350) 을 나가기 전에, 기판에 대해 선택적으로 기판 세정 공정을 수행할 수 있고, 여기서 이전 구리 증착 공정으로부터의 잔사들을 세정할 수 있다. 예컨대, 기판 세정 공정은 브러시 세정 공정일 수 있다. 기판 세정 반응기 (383) 는 제어된-분위기 이송 모듈 (380) 과 일체화될 수 있다. 대안으로, 기판 세정 반응기 (383) 는 또한 랩-분위기 이송 모듈 (360) 과 일체화될 수 있다. 대안으로, 기판 (200) 을 표면 처리 및 구리 증착용 시스템으로 가져가기 전에 처리 챔버에서 도 2b 의 배리어층 (130) 을 증착할 수 있다. 상술한 바와 같이, 도 3a 에서 설명된 공정 흐름 (300) 및 도 3b 에서 설명된 시스템 (350) 은 또한 도 1a 내지 도 1d 에 도시된 바와 같은 듀얼 다마신 구조들, 또는 다른 적용가능한 상호접속부 구조들에 대해 배리어층 및 구리를 증착하는데 사용 가능하다. 듀얼 다마신 구조들에 대해, 흐름 (300) 의 단계 301 은 도 1a 의 표면 (122a) 으로서 도시된 금속 라인의 상부 표면을 세정함으로써 대체된다.
상술한 바와 같이, 일렉트로마이그레이션 성능은 구리와 배리어층 간의 접착 품질에 의해 영향을 받는다. 일 실시형태에 있어서, 도전성 또는 반도전성 청결한 표면들에 선택적으로 결합할 수도 있는 화학-그래프팅 화학물질들은 도전성 또는 반도전성 청결한 표면들 상에 이러한 화학물질들의 자기조립 단층 (SAM; self-assembled monolayer) 을 형성한다. 착화기이고 도전성 또는 반도전성 표면 상에 단층을 형성하는 전기-그래프팅 또는 화학-그래프팅 화학물질은, 상기 단층 위에 소정 재료층으로 증착될 기판 표면을 상기 단층과 상기 증착층 재료 간에 강한 결합을 갖도록 기능화시킨다. 따라서, 단층은 또한 기능화층이라 불릴 수 있다. 여기에 있어서, 용어 자기조립 단층 및 기능화층이란 상호교환가능하게 사용된다. 대안으로, 단층은 증착 공정 동안 증착된 재료에 의해 대체될 수 있다. 증착된 재료는 기판과 직접 강한 결합을 형성한다. 착화기는 도전성 또는 반도전성 표면과 공유 결합을 형성하는 일 말단을 가진다. 구리 상호접속부용 배리어 금속의 예로서 Ta 를 사용하여, 기능화층의 착화기는 Ta 와 강한 결합을 형성하는 일 말단 및 구리와 강한 결합을 형성하는 다른 말단을 가지며, 또는 구리와 결합될 촉매 부위로 변성될 수 있다. 화학 그래프팅에 의해 형성된 SAM 에 대해, 화학-그래프팅 분자들은 용액으로부터 물리 흡착 및 화학 흡착에 의해 고체 기판 상으로 흡착되어, 표면과 결합하고 자기조립 단층인 규칙적인 분자 기능화층을 형성한다.
도 4 의 (a) 는 배리어 표면 (410) 을 갖는 배리어층 (401) 을 도시한다. 도 4 의 (b) 는 배리어 표면 (410) 이 화학-그래프팅 착화기 (420) 의 기능화층 (402) 으로 증착된 것을 도시한다. 착화기 (420) 는 2 개의 말단, 즉 "A" 말단 및 "B" 말단을 가진다. "A" 말단은 배리어 금속을 갖는 표면 (410) 과 공유 결합을 형성한다. 착화기 (420) 는 배리어 표면과 공유 결합을 형성할 것인 "A" 말단을 구비해야 하며, 배리어 표면은 Ta, TaN, Ru 또는 다른 적용 재료들과 같은 재료들로 이루어질 수 있다. 일 실시형태에 있어서, "B" 말단은 도 4 의 (c) 에 도시된 바와 같이 구리 시드층 (403) 과 공유 결합을 형성한다. 이러한 실시형태에 있어서, 착화기 (420) 의 "B" 말단은 구리와 공유 결합을 형성할 것인 화합물을 선택해야 한다. 대안으로, 도 4 의 (d) 에 도시된 바와 같이, 구리 (403') 가 전체 착화기 (420) 를 대체하여 배리어 표면 상에 직접 증착되거나, 또는 구리와 결합될 촉매 부위로 변성될 수 있다. 도 4 의 (d) 의 착화기 (420) 는 구리가 배리어 표면에 결합되는 것을 돕는다.
일 실시형태에 있어서, 화학-그래프팅 착화기의 "A" 말단은, 루이스 염기 배리어 표면과 상호작용 (또는 그래프팅) 하여 금속과 화학-그래프팅 화학물질 (또는 착화기) 간에 결합을 형성하는 루이스 산이다. 화학-그래프팅 착화 (또는 관능) 기의 예로는, 티올류, 실란류, 알콜류, 유기 산류, 아민 및 피롤을 포함한다. 티올류의 예로는, 데칸티올 및 옥타데칸티올과 같은 알칸티올류, 테트라페닐포르핀류, 디페닐 디술피드, 방향족 티오아세테이트, 루테늄 (II) 트리스(2,2, 프라임-비피리딘) 티올, 티오페놀, 4,4 프라임-디티오디피리딘, 나프탈렌 디술피드 및 비스(2-안트라퀴닐) 디술피드를 포함한다. 실란류의 예로는, 3-머캅토프로필 트리메톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필 트리에톡시실란, 퍼플루오로옥탄옥실프로피-디메틸 실란, 알킬트리클로로실란 및 옥타데실실록산을 포함한다. 알콜류의 예로는, 옥타놀을 포함한다. 유기 산류의 예로는, 22-머캅토-1-도코산산, 알칸포스폰산 및 옥타데칸산을 포함한다. 아민의 예로는 디아미노도데칸을 포함한다. 피롤의 예로는, n-페닐피롤 및 2,5-디티에닐피롤 트리아드를 포함한다. "B" 말단은 Cu 와 선택적으로 결합하는 원소들을 함유하는 관능기들이어야 한다. 이러한 원소들은 구리 (Cu), 코발트 (Co) 및 루테늄 (Ru) 을 포함한다.
도 5a 는 유전체층 (501) 에 의해 둘러싸인 상호접속부 금속 구조 (금속 1) 의 개구 (510) 를 도시한다. 도 5b 는 배리어층 (502) 이 금속 개구 (510) 를 라이닝하도록 증착된 것을 도시한다. 금속 구조의 하부는 도 2a 내지 도 2c 에 도시된 콘택트 (125) 와 유사한 콘택트이다. 배리어층은 ALD, PVD 또는 다른 적용가능 공정들에 의해 증착될 수 있다. 배리어층의 두께는 약 5 Å 내지 약 300 Å 이다. 도 5c 는 배리어층 (502) 상에 화학-그래프팅 착화 화합물의 기능화층 (503) 이 증착된 것을 도시한다. 일 실시형태에 있어서, 기능화층 (503) 의 두께는 약 5 Å 내지 약 20 Å 이다. 기능화층 (503) 을 증착한 후에, 도 5d 에 도시된 바와 같이, 기능화층 (503) 위에 구리 시드층 (504) 을 증착한다. 구리 시드층 (504) 을 증착한 후에, 도 5e 에 도시된 바와 같이, 구리 갭 충진 층 (505) 을 증착한다.
도 6a 는 무전해 구리 증착을 위해 배리어 (또는 라이너) 층 표면을 제작하는 공정 흐름의 일 실시형태를 도시한다. 단계 601 에서, 도 2a 의 콘택트 (125) 의 상부 표면 (124a) 을 세정하여 자연 금속 산화물을 제거한다. Ar 스퍼터링 공정 또는 습식 화학 에치 공정에 의해 금속 산화물을 제거할 수 있다. 단계 603 에서, ALD 또는 PVD 시스템 중 어느 하나에서 배리어층을 증착한다. 상술한 바와 같이, 배리어층이 산소에 노출되는 것을 방지하는 것은 구리와 배리어층 간의 양호한 접착을 가지고 무전해 구리가 배리어층 상에 증착되는 것을 보장하 는데 중요하다. 유사하게, 배리어 표면 상에 적절히 증착되는 기능화층에 대해, 배리어 표면은 배리어 산화물이 제거되어야 한다. 일단 배리어층이 증착되면, 기판은, 산소에 대한 노출을 제한하기 위해 제어된-분위기 환경으로 이송 또는 처리되어야 한다. 단계 605 에서 배리어층을 환원 플라즈마 (즉, 수소-함유 플라즈마) 에 의해 처리하여, 후속 기능화층 증착 단계에 대해 촉매 표면을 제공할 금속-리치 층을 제조한다. 환원 플라즈마 처리는 표면의 조성에 따라 선택적이다. 그후, 단계 606 에서 기판 표면에 화학-그래프팅 착화 화합물의 기능화층을 증착한다. 일 실시형태에 있어서, 화학-그래프팅 착화 화합물은 소정 용액과 혼합되고, 증착 공정은 습식 공정이다. 단계 606 에서의 증착 단계 이후에 선택적 세정 단계 607 이 필요할 수도 있다.
그후, 단계 608 에서 배리어 표면 상에 컨포멀 구리 시드를 증착하고, 후속하여 단계 609 에서 두꺼운 구리 벌크 충진 (또는 갭 충진) 을 수행한다. 컨포멀 구리 시드층은 무전해 공정에 의해 증착될 수 있다. 두꺼운 구리 벌크 충진 (또한 갭 충진) 층은 ECP 공정에 의해 증착될 수 있다. 대안으로, 두꺼운 벌크 충진 (또한 갭 충진) 층은 컨포멀 구리 시드에 대한 동일한 무전해 시스템에서 무전해 공정에 의해 증착될 수 있지만, 상이한 화학물질을 사용한다.
단계 608 에서 기판에 컨포멀 구리 시드를 증착하고, 단계 609 에서 무전해 또는 전기-도금 공정 중 어느 하나에 의한 두꺼운 Cu 벌크 충진 이후에, 다음 공정 단계 610 은 이전의 무전해 코발트-합금 증착으로부터의 임의의 잔류 오염물질들을 세정하는 선택적 기판-세정 단계이다.
도 6b 는 배리어 및 구리 표면 제작 이후에 중요 단계들에서 기판 표면의 산소에 대한 최소 노출을 가능하게 하는 집적 시스템 (650) 의 개략도의 일 실시형태를 도시한다. 또한, 그것이 집적 시스템이기 때문에, 기판을 일 공정 스테이션으로부터 즉시 다음 공정 스테이션으로 이송하여, 청결한 구리 표면이 낮은 레벨의 산소에 노출되는 기간을 제한한다. 집적 시스템 (650) 은 도 6a 의 흐름 (600) 의 전체 공정 시퀀스에 걸쳐서 기판(들)을 처리하는데 사용될 수 있다.
집적 시스템 (650) 은 3 개의 기판 이송 모듈들 (660, 670, 680) 을 갖는다. 이송 모듈들 (660, 670, 680) 은 기판 (655) 을 일 공정 영역으로부터 다른 공정 영역으로 이동시키는 로봇들을 장비하고 있다. 공정 영역은 기판 카세트, 반응기 또는 로드록일 수 있다. 기판 이송 모듈 (660) 은 랩 분위기 하에서 동작한다. 모듈 (660) 은 기판 로더들 (또는 기판 카세트들) (661) 과 인터페이스하여 기판 (655) 을 집적 시스템으로 가져가거나 또는 기판을 카세트들 (661) 중 하나로 리턴시킨다.
도 6a 의 공정 흐름 (600) 에서 상술한 바와 같이, 기판 (655) 을 집적 시스템 (650) 으로 가져가서 배리어층을 증착하여, 구리층 증착을 위한 배리어 표면을 제작한다. 공정 흐름 (600) 의 단계 601 에서 설명한 바와 같이, 콘택트 (125) 의 상부 콘택트 표면 (124a) 을 에칭하여 자연 금속 산화물을 제거한다. 일단 금속 산화물을 제거하면, 도 2a 의 노출된 텅스텐 표면 (124a) 은 산소에 대한 노출로부터 보호될 필요가 있다. 제거 공정이 Ar 스퍼터링 공정일 경우, Ar 스퍼터링 반응기 (671) 는 진공 이송 모듈 (670) 에 커플링된다. 습식 화학 에칭 공정이 선택될 경우, 산소에 대한 청결한 텅스텐 표면의 노출을 제한하기 위해, 반응기는 랩-분위기 이송 모듈 (660) 이 아닌 제어된-분위기 이송 모듈 (680) 에 커플링되어야 한다. 제어된 처리 및 전달 환경을 갖는 시스템에 일체화되는 습식 공정에 대해, 반응기는 드라이-인/드라이-아웃 공정 능력을 가능하게 하기 위해 린스/건조기와 일체화될 필요가 있다. 게다가, 시스템은 산소에 대한 기판의 최소 노출을 보장하기 위해 불활성 가스로 충진될 필요가 있다.
그후, 기판에 금속성 배리어층을 증착한다. 도 2b 의 배리어층 (130) 은 PVD 공정 또는 ALD 공정 중 어느 하나에 의해 증착될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 건식 공정이고 1 Torr 미만에서 동작하는 ALD 공정에 의해 배리어층 (130) 을 증착한다. ALD 반응기 (672) 는 진공 이송 모듈 (670) 에 커플링된다. 배리어층 표면이 기능화층 증착을 위한 금속-리치인 것을 보장하기 위해 기판에 대해 선택적 수소 환원 공정을 수행할 수 있다. 수소 환원 반응기 (674) 는 진공 이송 모듈 (670) 에 커플링될 수 있다. 이 단계에서, 기판은 화학-그래프팅 착화 화합물 기능화층이 증착될 준비가 된다. 상술한 바와 같이, 일 실시형태에 있어서, 이 공정은 습식 공정이고 제어된-분위기 이송 모듈 (680) 에 커플링된 화학-그래프팅 착화 화합물 증착 챔버 (683) 에서 증착될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 챔버 (683) 는 기능화층 증착 이후에 기판 (655) 을 세정하는 세정 모듈 (도시하지 않음) 로 일체화된다. 다른 실시형태에 있어서, 공정 흐름 (600) 에서 설명한 바와 같이, 기판 (655) 에 대해 선택적 기판 세정 단계 607 을 수행한다. 기판 세정 공정은 브러시 세정 공정일 수 있고, 그 반응기 (685) 는 제어 된-분위기 이송 모듈 (680) 과 일체화될 수 있다. 기판 표면 세정 이후에, 흐름 (600) 의 단계 608 에서 설명한 바와 같이, 기판 (655) 은 구리 시드층이 증착될 준비가 된다. 일 실시형태에 있어서, 구리 시드층 증착은 무전해 공정에 의해 수행된다. 도 6a 의 단계 608 에서 설명한 바와 같이, 무전해 구리 도금 반응기 (681) 에서 무전해 구리 도금을 수행하여 컨포멀 구리 시드층을 증착할 수 있다. 상술한 바와 같이, 도 6a 의 단계 609 에서의 갭 충진 구리층의 증착은 상이한 화학물질을 사용한 동일한 무전해 도금 반응기 (681) 에서, 또는 별도 ECP 반응기 (681') 에서 수행될 수 있다.
기판이 집적 시스템 (650) 을 나가기 전에, 기판에 대해 선택적으로 기판 세정 공정을 수행할 수 있고, 여기서 이전 구리 도금 공정으로부터의 잔사들을 세정할 수 있다. 기판 세정 공정은 브러시 세정 공정일 수 있고, 그 반응기 (663) 는 랩-분위기 이송 모듈 (660) 과 일체화될 수 있다.
제어된-분위기 이송 모듈 (680) 에 커플링된 도 6b 에서 설명한 습식 처리 시스템들은 모두 시스템 집적을 가능하게 하기 위해 드라이-인/드라이-아웃의 요건을 만족시킬 필요가 있다. 또한, 시스템들은 기판의 산소에 대한 최소 노출을 보장하기 위해 1 종 이상의 불활성 가스들로 충진된다.
도 6a 에서 설명한 공정 흐름 (600) 및 도 6b 에서 설명한 시스템 (650) 은 도 1a 내지 도 1d 에 도시된 바와 같은 듀얼 다마신 구조들에 대해 배리어층 및 구리를 증착하는데 사용 가능하다. 듀얼 다마신 구조들에 대해, 흐름 (600) 의 단계 601 은 도 1a 의 표면 (122a) 으로서 도시된 금속 라인의 상부 표면을 세정함 으로써 대체된다.
본 발명을 몇몇 실시형태들에 의해 설명하였지만, 당업자가 상술한 본 명세서를 읽고 도면들을 연구함으로써 그것의 다양한 대체물들, 부가물들, 치환물들 및 동등물들을 실현할 수 있을 것이라는 것이 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 발명의 진정한 취지 및 범위 내에 있다면 모든 이러한 대체물들, 부가물들, 치환물들 및 동등물들을 포함하도록 의도된다. 청구범위에 있어서, 구성성분들 및/또는 단계들은 청구범위에서 명백하게 서술되지 않는다면, 임의의 특정 순서의 동작을 함축하지 않는다.

Claims (31)

  1. 구리 상호접속부의 일렉트로마이그레이션 (electromigration) 성능을 향상시키기 위해 집적 시스템 내에서 상기 구리 상호접속부의 금속성 배리어층 위에 기능화층을 증착하여 상기 구리 상호접속부에서의 구리층의 증착을 돕도록 기판의 기판 표면을 제작하는 방법으로서:
    상기 집적 시스템 내에서 상기 구리 상호접속부의 구조를 라이닝하도록 상기 금속성 배리어층을 증착하는 단계로서, 상기 금속성 배리어층을 증착한 후에, 금속성 배리어 산화물의 형성을 방지하기 위해 상기 기판을 제어된 환경으로 이송하여 처리하는, 상기 금속성 배리어층을 증착하는 단계;
    상기 집적 시스템 내에서 상기 금속성 배리어층 위에 상기 기능화층을 증착하는 단계; 및
    상기 금속성 배리어층 위에 상기 기능화층을 증착한 후에 상기 집적 시스템 내에서 상기 구리 상호접속부의 구조에서의 상기 구리층을 증착하는 단계를 포함하며,
    상기 기능화층에 사용되는 재료는, 적어도 2 개의 말단을 갖는 착화기 (complexing group) 를 포함하며,
    상기 착화기의 일 말단은 상기 금속성 배리어층과 결합을 형성하고, 상기 착화기의 다른 말단은 구리와 결합을 형성하는, 기판 표면 제작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속성 배리어층을 증착하는 단계 이전에, 상기 집적 시스템 내에서 상기 구리 상호접속부에 대한 하부 금속의 노출 표면의 표면 금속 산화물을 제거하기 위해 상기 하부 금속의 상기 노출 표면을 세정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 하부 금속은 상기 구리 상호접속부에 전기적으로 접속된 하부 상호접속부의 일부인, 기판 표면 제작 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기능화층을 증착하는 단계 이전에, 상기 집적 시스템 내에서 상기 금속성 배리어층의 표면을 금속-리치 (metal-rich) 로 작성하기 위해 상기 금속성 배리어층의 표면을 환원하는 단계를 더 포함하는, 기판 표면 제작 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속성 배리어층의 재료는, 탄탈 질화물 (TaN), 탄탈 (Ta), 루테늄 (Ru), 티탄 (Ti), 텅스텐 (W), 지르코늄 (Zr), 하프늄 (Hf), 몰리브덴 (Mo), 니오브 (Nb), 바나듐 (V), 루테늄 (Ru) 및 크롬 (Cr), 그리고 이들 재료들의 하이브리드 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는, 기판 표면 제작 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    착화기는 데칸티올, 옥타데칸티올, 테트라페닐포르핀류, 디페닐 디술피드, 방향족 티오아세테이트, 루테늄 (II) 트리스(2,2, 프라임-비피리딘) 티올, 티오페놀, 4,4 프라임-디티오디피리딘, 나프탈렌 디술피드, 비스(2-안트라퀴닐) 디술피드, 3-머캅토프로필 트리메톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필 트리에톡시실란, 퍼플루오로옥탄옥실프로피-디메틸 실란, 알킬트리클로로실란, 옥타데실실록산, 옥타놀, 22-머캅토-1-도코산산, 알칸포스폰산, 옥타데칸산, 디아미노도데칸, n-페닐피롤, 및 2,5-디티에닐피롤 트리아드로 이루어진 그룹에서 선택되는, 기판 표면 제작 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속성 배리어층의 표면을 환원하는 단계는, 수소-함유 플라즈마를 사용하여 수행되는, 기판 표면 제작 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 구리 상호접속부는 비아 (via) 에 걸친 금속 라인을 포함하고, 하부 상호접속부는 금속 라인을 포함하는, 기판 표면 제작 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 구리 상호접속부는 금속 라인을 포함하고, 하부 상호접속부는 콘택트를 포함하는, 기판 표면 제작 방법.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 금속의 상기 노출 표면을 세정하는 단계는, 불소-함유 가스를 사용한 플라즈마 공정 또는 Ar 스퍼터링 공정 중 하나를 이용함으로써 달성되는, 기판 표면 제작 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 불소-함유 가스는 NF3, CF4 또는 이들의 조합인, 기판 표면 제작 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속성 배리어층을 증착하는 단계는,
    제 1 금속성 배리어층을 증착하는 단계, 및
    제 2 금속성 배리어층을 증착하는 단계를 더 포함하는, 기판 표면 제작 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 금속성 배리어층은 원자층 증착 (ALD) 공정에 의해 증착되고,
    상기 제 2 금속성 배리어층은 물리적 기상 증착 (PVD) 공정에 의해 증착되 는, 기판 표면 제작 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 금속성 배리어층은 ALD 공정에 의해 증착되고,
    상기 제 2 금속성 배리어층은 ALD 공정에 의해 증착되는, 기판 표면 제작 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 구리층을 증착하는 단계 이전에, 상기 집적 시스템 내에서 상기 기능화층의 표면을 세정하는 단계를 더 포함하는, 기판 표면 제작 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    선택적으로 얇은 구리 시드층을 무전해 공정에 의해 증착하는, 기판 표면 제작 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    갭 충진 구리층 (gap-fill copper layer) 을 전기화학 도금 (ECP) 공정에 의해 증착하는, 기판 표면 제작 방법.
  18. 삭제
  19. 구리 상호접속부의 일렉트로마이그레이션 (electromigration) 성능을 향상시키기 위해 상기 구리 상호접속부의 금속성 배리어층 위에 기능화층의 증착을 가능하게 하도록 제어된 환경에서 기판을 처리하는 집적 시스템으로서:
    랩-분위기 이송 챔버에 커플링된 기판 카세트로부터 상기 기판을 상기 집적 시스템으로 이송할 수 있는, 상기 랩-분위기 이송 챔버;
    1 Torr 미만의 압력에서 진공 하에서 동작하는 진공 이송 챔버;
    상기 진공 이송 챔버에 커플링되며 1 Torr 미만의 압력에서 진공 하에서 동작하고, 상기 금속성 배리어층을 증착하는 진공 처리 모듈;
    불활성 가스들의 그룹으로부터 선택되는 일 불활성 가스로 충진된 제어된-분위기 이송 챔버;
    상기 제어된-분위기 이송 챔버에 커플링되며, 상기 금속성 배리어층의 표면 상에 상기 기능화층을 증착하는데 사용되는 증착 처리 모듈; 및
    상기 금속성 배리어층의 표면 상에 상기 기능화층을 증착한 후에 상기 구리 상호접속부에서의 얇은 구리 시드층을 증착하는데 사용되는 무전해 구리 증착 처리 모듈을 포함하며,
    상기 무전해 구리 증착 처리 모듈은 상기 제어된-분위기 이송 챔버에 커플링되고,
    상기 기능화층에 사용되는 재료는, 적어도 2 개의 말단을 갖는 착화기를 포함하며,
    상기 착화기의 일 말단은 상기 금속성 배리어층과 결합을 형성하고, 상기 착화기의 다른 말단은 구리와 결합을 형성하는, 집적 시스템.
  20. 삭제
  21. 제 19 항에 있어서,
    하부 상호접속부의 일부인 하부 금속의 금속 산화물의 노출 표면을 세정하는 진공 처리 모듈을 더 포함하며,
    상기 구리 상호접속부는 상기 하부 상호접속부에 전기적으로 접속되고,
    상기 세정하는 진공 처리 모듈은 상기 진공 이송 챔버에 커플링되며 1 Torr 미만의 압력에서 진공 하에서 동작하는, 집적 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 금속성 배리어층의 표면 상에 상기 기능화층을 증착하기 전에 상기 금속성 배리어층의 표면 상의 금속 산화물 또는 금속 질화물을 환원하여 상기 금속성 배리어층의 표면을 금속-리치로 작성하는데 사용되는 수소-함유 환원 처리 모듈을 더 포함하며,
    상기 수소-함유 환원 처리 모듈은 상기 진공 이송 챔버에 커플링되며 1 Torr 미만의 압력에서 진공 하에서 동작하는, 집적 시스템.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 무전해 구리 증착 처리 모듈은 또한 상기 얇은 구리 시드층 위에 갭 충진 구리층을 증착하는데 사용되는, 집적 시스템.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 얇은 구리 시드층 위에 갭 충진 구리층을 증착하는 무전해 구리 증착 처리 모듈을 더 포함하는, 집적 시스템.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 금속성 배리어층 위에 상기 기능화층을 증착한 후에 상기 기판의 표면을 세정하는데 사용되는 기판 세정 처리 모듈을 더 포함하며,
    상기 기판 세정 처리 모듈은 상기 제어된-분위기 이송 챔버에 커플링되는, 집적 시스템.
  26. 제 19 항에 있어서,
    상기 진공 이송 챔버 및 상기 제어된-분위기 이송 챔버에 커플링되며, 상기 진공 이송 챔버와 상기 제어된-분위기 이송 챔버 사이에서 상기 기판의 이송을 돕고, 1 Torr 미만의 압력에서 진공 하에서 동작하거나 또는 불활성 가스들의 그룹에서 선택되는 일 불활성 가스로 충진되도록 구성된 제 1 로드록; 및
    상기 진공 이송 챔버 및 상기 랩-분위기 이송 챔버에 커플링되며, 상기 진공 이송 챔버와 상기 랩-분위기 이송 챔버 사이에서 상기 기판의 이송을 돕고, 1 Torr 미만의 압력에서 진공 하에서 또는 랩 분위기에서 동작하거나 또는 불활성 가스들의 그룹에서 선택되는 일 불활성 가스로 충진되도록 구성된 제 2 로드록을 더 포함하는, 집적 시스템.
  27. 제 19 항에 있어서,
    상기 진공 이송 챔버 및 상기 진공 이송 챔버에 커플링된 적어도 하나의 상기 진공 처리 모듈은 1 Torr 미만의 압력에서 동작하여 상기 기판의 산소에 대한 노출을 제어하는, 집적 시스템.
  28. 제 19 항에 있어서,
    상기 제어된-분위기 이송 챔버 및 상기 제어된-분위기 이송 챔버에 커플링된 적어도 하나의 처리 모듈 각각은 불활성 가스들의 그룹에서 선택되는 1 종 이상의 불활성 가스들로 충진되어 상기 기판의 산소에 대한 노출을 제어하는, 집적 시스템.
  29. 제 19 항에 있어서,
    상기 기판을 상기 집적 시스템 내에서 이송하고 처리하여 상기 기판이 산소에 노출되는 기간을 제한하는, 집적 시스템.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 기판의 표면의 산소에 대한 노출을 제한하는 것은, 상기 기능화층이 상 기 금속성 배리어층의 표면 상에 증착되는 것을 가능하게 하는, 집적 시스템.
  31. 제 19 항에 있어서,
    상기 제어된-분위기 이송 챔버에 커플링된 적어도 하나의 처리 모듈은 상기 기판의 드라이-인/드라이-아웃 처리를 가능하게 하고,
    상기 기판은 건조 상태로 상기 적어도 하나의 처리 모듈에 들어가고 상기 적어도 하나의 처리 모듈에서 나오는, 집적 시스템.
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