(57)【要約】【課題】閉じ込め区域の平坦化のための装置および方法【解決手段】半導体ウエハの閉じ込め区域平坦化を実施するための近接ヘッド、およびその関連の使用方法が提供される。近接ヘッドは、電解質溶液を維持するように画定されたチャンバを含む。カソードが、電解質溶液に曝されるようにチャンバ内に配置される。陽イオン交換膜が、チャンバの下部開口部の上に配置される。陽イオン交換膜の上面は、チャンバ内に維持される電解質溶液に直接曝される。陽イオン交換膜の下面に接近した位置で流体を吐出するために、流体供給路が画定される。陽イオン交換膜の下面に接近した位置で吸引力を提供することによって、流体供給路から吐出される流体を陽イオン交換膜の下面沿いに流れさせるように、真空路が画定される。【選択図】図２Ａ
2009532578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドであって、
電解質溶液を維持するように画定されたチャンバと、
前記電解質溶液に曝されるように前記チャンバ内に配置されたカソードと、
前記チャンバ内に維持される前記電解質溶液に上面を直接曝されるように前記チャンバの下部開口部の上に配置された陽イオン交換膜と、
前記陽イオン交換膜の下面に接近した位置で流体を吐出するように画定された流体供給路と、
前記陽イオン交換膜の下面に接近した位置で吸引力を提供することによって、前記流体供給路から吐出される流体を前記陽イオン交換膜の下面沿いに流れさせるように画定された真空路と
を備える近接ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドであって、
前記チャンバは、環状であり、前記流体路は、前記チャンバの中心内に画定され、
前記真空路は、環状であり、前記チャンバを取り囲むように画定された近接ヘッド。
【請求項３】
請求項１に記載の閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドであって、
前記陽イオン交換膜は、バルク流体の閉じ込めを提供しつつ、陽イオンを前記膜を通って流れさせ、陰イオンを前記膜を通って流れないように阻むように画定された近接ヘッド。
【請求項４】
請求項１に記載の閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドであって、
前記陽イオン交換膜は、陽イオンが通り抜けさせることができる網目を形成する、官能基を含むポリマーマトリックスとして画定された近接ヘッド。
【請求項５】
請求項１に記載の閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドであって、
前記陽イオン交換膜は、前記陽イオン交換膜の下面の下に臨界境界層が形成されるように、前記陽イオン交換膜の下面沿いに流される流体のｐＨに局所的に影響を及ぼすことができ、前記臨界境界層は、前記臨界境界層に曝されるように配置されたときに陽イオンをアノード材料から遊離させることができる、近接ヘッド。
【請求項６】
請求項１に記載の閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドであって、
前記陽イオン交換膜は、前記陽イオン交換膜の下面沿いの前記流体の流量に応答して、そして前記電解質溶液によって前記陽イオン交換膜の上面に印加される圧力に応答して、可制御式にたわむことができるように画定された近接ヘッド。
【請求項７】
半導体ウエハの閉じ込め区域平坦化のための方法であって、
近接ヘッドを、その陽イオン交換膜が前記半導体ウエハの上面と向き合うように前記半導体ウエハの上面の上に近接して配置し、
前記陽イオン交換膜の上面とカソードとの間に電解質溶液を配置し、
前記陽イオン交換膜の底面と前記半導体ウエハの上面との間に脱イオン水を流し、
前記半導体ウエハの上面から遊離される陽イオンが影響されて、前記脱イオン水、前記陽イオン交換膜、そして前記電解質溶液を通って前記カソードへと移動するように、前記半導体ウエハの上面と前記カソードとの間にバイアス電圧を印加する
方法。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体ウエハの閉じ込め区域平坦化のための方法であって、さらに、
前記脱イオン水の流量を、前記陽イオン交換膜が前記半導体ウエハの上面に接触することなくベルヌーイ効果の影響下において前記半導体ウエハの上面に向けてたわむように制御する
方法。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体ウエハの閉じ込め区域平坦化のための方法であって、
前記陽イオン交換膜のたわみは、前記陽イオン交換膜の底面に近接している前記脱イオン水のｐＨ変更領域を、前記ウエハの上面に接触させ、前記脱イオン水の前記ｐＨ変更領域は、前記半導体ウエハの上面から陽イオンを遊離させる
方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の半導体ウエハの閉じ込め区域平坦化のための方法であって、さらに、
前記半導体ウエハの上面上に存在する金属化トポグラフィが実質的に均一なトップダウン方式で除去されるように、前記近接ヘッドの下において前記半導体ウエハをスキャンする
方法。
【請求項１１】
閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドであって
電解質溶液を維持するように画定されたチャンバと、
前記電解質溶液に曝されるように前記チャンバ内に配置されたカソードと、
前記チャンバの下部開口部の上に、前記チャンバ内に維持される前記電解質溶液に直接曝されるように配置された陽イオン交換膜と、
前記陽イオン交換膜の下面に接近した位置で流体を吐出するように画定された流体供給路と、
前記陽イオン交換膜の下面に接近した位置で吸引力を提供することによって、前記流体供給路から吐出される流体を前記陽イオン交換膜の下面沿いに流れさせるように画定された真空路と、
前記陽イオン交換膜を通る電流の流れを測定するために接続された電流測定機器と
を備える近接ヘッド。
【請求項１２】
請求項１１に記載の閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドであって、
前記陽イオン交換膜は、前記陽イオン交換膜の下面の下に臨界境界層が形成されるように、前記陽イオン交換膜の下面沿いに流される流体のｐＨに影響を及ぼすことができ、前記臨界境界層は、前記臨界境界層に曝されるように配置されたときに陽イオンをアノード材料から遊離させる
近接ヘッド。
【請求項１３】
請求項１２に記載の閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドであって、さらに、
前記カソードと前記アノード材料との間に接続されたバイアス電圧源であって、前記バイアス電圧源は、前記アノード材料から遊離される陽イオンが影響されて、前記陽イオン交換膜、そして前記電解質溶液を通って前記カソードへと横断するように制御されるように画定されたバイアス電圧源を備える近接ヘッド。
【請求項１４】
請求項１３に記載の閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドであって、
前記陽イオン交換膜を通る前記陽イオンの横断は、前記電流測定機器によって測定される電流として表わされる近接ヘッド。
【請求項１５】
請求項１１に記載の閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドであって、
前記流体供給路から吐出される流体が半導体ウエハの上面と前記陽イオン交換膜の下面との間を流されるように、前記半導体ウエハの上面の上に近接して配置されるように画定された近接ヘッド。
【請求項１６】
請求項１５に記載の閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドであって、
前記陽イオン交換膜は、前記半導体ウエハの上面に向かう方向に可制御式にたわむことができるように画定された近接ヘッド。
【請求項１７】
閉じ込め区域平坦化プロセスにおいて平坦化の終点を検出するための方法であって、
近接ヘッドを、その陽イオン交換膜が半導体ウエハの上面と向き合うように前記半導体ウエハの上面の上に近接して配置し、
前記陽イオン交換膜の上面とカソードとの間に電解質溶液を配設し、
前記陽イオン交換膜の下面と前記半導体ウエハの上面との間に脱イオン水を流し、
前記半導体ウエハの上面から遊離される陽イオンが影響されて、前記脱イオン水、前記陽イオン交換膜、そして前記電解質溶液を通って前記カソードへと移動するように、前記半導体ウエハの上面と前記カソードとの間にバイアス電圧を印加し、
平坦化プロセスの終点を検出するために、前記陽イオン交換膜を通る電流の流れを監視する
方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の閉じ込め区域平坦化プロセスにおいて平坦化の終点を検出するための方法であって、
前記平坦化プロセスの終点は、監視されている前記陽イオン交換膜を通る電流の流れの横ばい状態に対応づけられた
方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の閉じ込め区域平坦化プロセスにおいて平坦化の終点を検出するための方法であって、
前記陽イオン交換膜を通る電流の流れは、前記半導体ウエハの上面と前記カソードとの間の電流を測定することによって監視される
方法。
【請求項２０】
請求項１７に記載の閉じ込め区域平坦化プロセスにおいて平坦化の終点を検出するための方法であって、さらに、
前記半導体ウエハの上面上に存在する金属化トポグラフィが実質的に均一なトップダウン方式で除去されるように、前記近接ヘッドの下において前記半導体ウエハをスキャンする
方法。
【請求項２１】
閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドであって、
電解質溶液を維持するように画定されたチャンバと、
前記電解質溶液に曝されるように前記チャンバ内に配置されたカソードと、
前記チャンバ内に維持される前記電解質溶液に上面を直接曝されるように前記チャンバの下部開口部の上に配置された陽イオン交換膜と、
そこから吐出される流体が前記陽イオン交換膜の下面沿いに流されるように、陽イオン交換膜の下面に接近した位置で流体を吐出するように画定された流体供給路と
を備える近接ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
集積回路およびメモリセルなどの半導体デバイスの製作では、半導体ウエハ上に特徴を定めるために、一連の製造動作が実施される。半導体ウエハは、シリコン基板上に定められた多重レベル構造の形態をとる集積回路デバイスを含む。基板レベルでは、拡散領域をともなうトランジスタデバイスが形成される。後続のレベルでは、所望の集積回路デバイスを定めるために、相互接続金属配線がパターン形成され、トランジスタデバイスと電気的に接続される。また、パターン形成された導電層は、誘電体材料によってその他の導電層から絶縁される。
【背景技術】
【０００２】
導電性相互接続の製造では、ウエハ上に金属層が成長される。成長した金属は、トレンチ領域などの広いウエハ上領域よりも、サブミクロン特徴などの小さい特徴間のウエハ上領域を、より速く満たす。小さい特徴は、ウエハの比較的広い区域に跨ると考えられるので、ウエハのこれらの広い区域は、表面形状の高さのばらつきであるトポグラフィがおそらく増大するものと理解される。トポグラフィ増大領域は、トポグラフィ減少領域の平坦化とともに平坦化される必要がある。ウエハのトポグラフィ増大区域およびトポグラフィ減少区域の同時的平坦化は、困難な挑戦である。例えば、ウエハ上のトポグラフィ増大区域を十分に平坦化するには、長いオーバーポリシング期間が必要であろう。しかしながら、この長いオーバーポリシング期間にわたってウエハのトポグラフィ減少領域が曝されると、例えば成長した金属の下位のバリア層が不必要に曝されかつ／または損傷されるなどのように、材料がトポグラフィ減少領域から過剰に除去されるであろう。
【発明の開示】
【０００３】
一実施形態において、半導体ウエハの閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドが開示される。近接ヘッドは、電解質溶液を維持するように画定されたチャンバを含む。カソードが、電解質溶液に曝されるようにチャンバ内に配置される。陽イオン交換膜が、チャンバ内に維持される電解質溶液に上面を直接曝されるようにチャンバの下部開口部の上に配置される。近接ヘッドは、また、陽イオン交換膜の下面に接近した位置で流体を吐出するように画定された流体供給路も含む。また、陽イオン交換膜の下面に接近した位置で吸引力を提供することによって、流体供給路から吐出される流体を陽イオン交換膜の下面沿いに流れさせるように、真空路が画定される。
【０００４】
別の実施形態では、半導体ウエハの閉じ込め区域平坦化のための方法が開示される。方法は、近接ヘッドを、その陽イオン交換膜が半導体ウエハの上面と向き合うように半導体ウエハの上面の上に近接して配するための動作を含む。方法は、また、陽イオン交換膜の上面とカソードとの間に電解質溶液を配するための動作を含む。方法は、さらに、陽イオン交換膜の底面と半導体ウエハの上面との間に脱イオン水を流すことを含む。次いで、半導体ウエハの上面から遊離される陽イオンが影響されて、脱イオン水、陽イオン交換膜、そして電解質溶液を通ってカソードへと移動するように、半導体ウエハの上面とカソードとの間にバイアス電圧が印加される。
【０００５】
別の実施形態では、半導体ウエハの閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドが開示される。近接ヘッドは、電解質溶液を維持するように画定されたチャンバを含む。カソードが、電解質溶液に曝されるようにチャンバ内に配置される。陽イオン交換膜が、チャンバの下部開口部の上に、チャンバ内に維持される電解質溶液に直接曝されるように配置される。近接ヘッドは、また、陽イオン交換膜の下面に接近した位置で流体を吐出するように画定された流体供給路も含む。また、陽イオン交換膜の下面に接近した位置で吸引力を提供することによって、流体供給路から吐出される流体を陽イオン交換膜の下面沿いに流れさせるように、真空路が画定される。また、陽イオン交換膜を通る電流の流れを測定するために、電流測定機器が接続される。測定電流は、平坦化の終点検出を可能にする。
【０００６】
別の実施形態では、閉じ込め区域平坦化プロセスにおいて平坦化の終点を検出するための方法が開示される。方法は、近接ヘッドを、その陽イオン交換膜が半導体ウエハの上面と向き合うように半導体ウエハの上面の上に近接して配するための動作を含む。方法は、また、陽イオン交換膜の上面とカソードとの間に電解質溶液を配するための動作を含む。方法は、さらに、陽イオン交換膜の下面と半導体ウエハの上面との間に脱イオン水を流すことを含む。次いで、半導体ウエハの上面から遊離される陽イオンが影響されて、脱イオン水、陽イオン交換膜、そして電解質溶液を通ってカソードへと移動するように、半導体ウエハの上面とカソードとの間にバイアス電圧が印加される。方法は、さらに、平坦化プロセスの終点を検出するために、陽イオン交換膜を通る電流の流れを監視するための動作を含む。平坦化プロセスの終点は、監視される電流の流れの横ばい状態が観測されたときに生じる。
【０００７】
別の実施形態では、半導体ウエハの閉じ込め区域平坦化のための近接ヘッドが開示される。近接ヘッドは、電解質溶液を維持するように画定されたチャンバを含む。カソードが、電解質溶液に曝されるようにチャンバ内に配置される。陽イオン交換膜が、チャンバ内に維持される電解質溶液に上面を直接曝されるようにチャンバの下部開口部の上に配置される。近接ヘッドは、また、陽イオン交換膜の下面に接近した位置で流体を吐出するように画定された流体供給路も含む。流体供給路から吐出される流体は、陽イオン交換膜の下面沿いに流される。
【０００８】
本発明の例を示した添付の図面と合わせた以下の詳細な説明から、本発明のその他の特徴および利点が明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下の説明では、本発明の完全な理解を可能にするために、多くの詳細が特定されている。しかしながら、当業者ならば明らかなように、本発明は、これらの一部または全部の詳細を特定しなくても実施可能である。また、本発明が不必要に不明瞭になるのを避けるため、周知のプロセス動作の詳細な説明は省略される。
【００１０】
半導体ウエハ（「ウエハ」）上に銅製の相互接続を製造する際は、電気めっきプロセスを使用して、シード／バリア層上に銅層を成長させてよい。電気めっき溶液中の成分は、サブミクロン特徴上で適切に隙間を充填することを可能にする。しかしながら、これらのサブミクロン特徴は、バルク区域や大きめのトレンチ領域、すなわち１ミクロンを超える領域よりも速くめっきされる傾向がある。サブミクロン領域は、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）などの大きなメモリアレイで見られるのが通常であり、ウエハの広い区域に跨ることができる。これは、やはり平坦化を必要とする大きめのトレンチ領域に加えて、ウエハの広い区域に、平坦化を必要とする追加のトポグラフィを生じさせる。
【００１１】
図１は、上に銅層を成長されたシリコン基板を示した概略図である。銅層１０３は、ウエハ１０１の上に配置されたシード／バリア層（明瞭化のため不図示）上に、電気めっきプロセスを使用して成長される。前述のように、電気めっき溶液中の成分は、領域１０５内のサブミクロントレンチなどのサブミクロン特徴上で上手く隙間を充填するものの、これらの特徴は、バルク区域およびトレンチ領域１０７，１０９よりも速くめっきされる傾向がある。その結果、サブミクロントレンチ領域１０５の上には、領域１１１によって示されるように、基板のトポグラフィの高い領域、すなわち「段」が形成される。これらの段は、「スーパーフィル」領域とも称される。スーパーフィル領域１１１は、平坦領域１０８やトレンチ領域１０７，１０９よりも分厚い銅膜によって画定される。スーパーフィル領域１１１は、平坦領域１０８およびトレンチ領域１０７，１０９の上のトポグラフィとともに平坦化される必要がある。
【００１２】
現行の平坦化技術は、スーパーフィルトポグラフィを効率的に扱うのに適していない。すなわち、平坦化技術は、パターン密度および回路レイアウトに対して敏感である。より具体的に言うと、化学的機械的平坦化（ＣＭＰ）プロセスは、入ってくるウエハの特質にしたがって調整しなければならないことが多い。したがって、ウエハロット内またはウエハロット間のばらつきに適応するために、ＣＭＰプロセスに対して変更が加えられる（例えばステップ時間、オーバーポリシング時間、または終点アルゴリズムを変更するなど）。また、このような変更は、混合製品製造ラインのウエハで見られるパターン密度および回路レイアウトの相違に適応するためにも、ＣＭＰプロセスに対して加えられる。
【００１３】
スーパーフィル領域を有するトポグラフィ上で単一のＣＭＰプロセスを実施しようとする際に、スーパーフィル領域１１１から残りの銅を完全に除去するためにオーバーポリシングが実施されると、トレンチ領域１０７，１０９には過剰なディッシングおよびエロージョンが生じる可能性がある。また、ＣＭＰプロセスは、スーパーフィル領域１１１内の過剰な銅の除去を求められるのみならず、この除去を、ウエハの外形をたどるかたちで実施することも求められる。ウエハの外形は、ウエハのシリコン基板に内在する波形に由来する。波形は、ウエハ平坦度の評価項目の一つであり、ウエハ裏面を基準面として厚み方向に測定した高さのウエハ全面における最大値と最小値の差であるＴＴＶを用いて、およそ０．２ミクロンから０．５ミクロンのＴＴＶがあるのが通常である。現行のＣＭＰプロセスでは、その他のトレンチ領域および平坦領域のトポグラフィを効果的に平坦化しながらスーパーフィル領域のトポグラフィおよびウエハの外形の両方に適切に対処することは不可能である。さらに、消耗品ならびにＣＭＰプロセス排液（通常はＣｕおよび固形廃棄物を含有する酸またはアルカリの化学物質）処理の費用も高くつく。
【００１４】
本発明は、廃棄流中の化学排液を最小に抑えた電解平坦化を使用してウエハの閉じ込め区域平坦化（ＣＡＰ）を実施するための装置および方法を提供する。より具体的に言うと、平坦化されるウエハの表面との間に閉ループのカソード半電池の関係性を確立するために、近接ヘッドが使用される。図２Ａは、平坦化されるウエハ２２３の上に近接して配置された、本発明の一実施形態にしたがった近接ヘッド２００の鉛直断面を示した図である。近接ヘッド２００構造は、電解質チャンバ構造２１５と、周辺構造２１７とを含む。電解質チャンバ構造２１５は、その中に電解質溶液２１１を保持するように画定される。各種の実施形態において、電解質溶液２１１は、静止しているまたは循環していることが可能である。電解質チャンバ構造２１５の相対する内壁同士の間に、なおかつ近接ヘッド２００の中心の近くに、脱イオン水供給路２２７が形成される。真空路２２５は、電解質チャンバ構造２１５の外壁と周辺構造２１７との間に形成される。電解質チャンバ構造２１５および周辺構造２１７は、十分な機械的強度を有しなおかつ境を接する材料に対して十分な化学的適合性を有する基本的にあらゆる材料で形成することができる。
【００１５】
図２Ｂは、本発明の一実施形態にしたがった、図２Ａの近接ヘッド２００の水平断面を示した図である。電解質チャンバ構造２１５は、環状のものとして示され、その環状の電解質チャンバ構造２１５の中心内に、脱イオン水供給路２２７が画定される。周辺構造２１７は、電解質チャンバ構造２１５を、それから相隔たれた関係性で取り囲むように画定される。したがって、周辺構造２１７もまた、環状である。図に示されるように、真空路２２５は、電解質チャンバ構造２１５と周辺構造２１７との間に画定される。真空路２２５は、電解質チャンバ構造２１５の周囲を取り囲む。
【００１６】
図２Ａに関して、電解質チャンバ２１５の底部は、一方向の陽イオン交換膜２２１によって画定される。膜２２１は、電解質溶液２１１を電解質チャンバ２１５内に含有する働きをする。一実施形態において、膜２２１は、約０．０５０インチの厚さを有するように画定される。動作中、脱イオン水２０９は、矢印２０１によって示されるように、脱イオン水供給路２２７を通して供給される。供給された脱イオン水２０９は、近接ヘッド２００とウエハ２２３との間を膜２２１沿いに流れ、矢印２０５によって示されるように、真空路２２５を通って上昇する。一実施形態において、膜２２１は、約０．２５インチから約２インチに及ぶ範囲の幅を有するように画定される。膜２２１の幅は、脱イオン水が供給路２２７から真空路２２５に達するまでに流れる直線距離に相当する。脱イオン水２０９は、実質的にその全部の量を真空路２２５を通して戻されること、そうして、近接ヘッド２００とウエハ２２３との間に脱イオン水２０９のメニスカスを形成するのである。脱イオン水のメニスカスの外周は、メニスカス境界２１９によって画定される。
【００１７】
カソード２１３は、電解質チャンバ２１５内に配置される。カソード２１３は、バイアス電圧源２０７に電気的に接続される。脱イオン水２０９に曝されているウエハ２２３の表面は、アノードを表しており、バイアス電圧源２０８に電気的に接続される。ウエハ（アノード）は、カソード２１３に対して正のバイアス電圧に維持される。このため、ウエハ２２３からカソード２１３に向けて、正に帯電したイオンが引き寄せられる。一実施形態において、ウエハ２２３とカソード２１３との間のバイアス電圧は、約１０Ｖから約２５Ｖに及ぶ範囲に維持される。
【００１８】
図２Ｃは、本発明の一実施形態にしたがった近接ヘッド２００の外観を示した図である。近接ヘッド２００は、長手寸法（ＬＤ）および短手寸法（ＳＤ）によって画定された長方形の形を有する。このため、近接ヘッド２００とウエハ２２３との間の脱イオン水２０９のメニスカスは、実質的に長方形の形を有するように画定される。一実施形態において、近接ヘッド２００の長手寸法（ＬＤ）は、ウエハ２２３の直径を超え、短手寸法（ＳＤ）は、ウエハ２２３の直径未満である。したがって、近接ヘッド２００が、ウエハ２２３の上面の上を、同表面に近接した状態で短手寸法（ＳＤ）の方向に完全に横断したときは、ウエハの上面全体が、近接ヘッド２００の下で脱イオン水のメニスカスに曝されたことになる。
【００１９】
本明細書において、近接ヘッド２００は、環状の電解質チャンバ構造２１５およびそれに対応する環状の真空路２２５を有するものとして説明されているが、近接ヘッド２００のその他の実施形態は、電解質チャンバ２１５および真空路２２５について、その他の幾何学形状を含みうる。しかしながら、近接ヘッド２００の具体的な幾何学形状によらず、脱イオン水は、近接ヘッド２００とウエハ２２３との間に確立されたメニスカス内を膜２２１沿いに流れるように制御されるべきである。一実施形態において、脱イオン水２０９は、約１００ｍＬ／分から約２０００ｍＬ／分に及ぶ範囲の速度で膜２２１とウエハ２２３との間を流れる。
【００２０】
図２Ｄは、ウエハ２２３の閉じ込め区域平坦化を可能にする、本発明の一実施形態にしたがった近接ヘッド２００電解研磨機能を示した図である。膜２２１は、陽イオンを通り抜けさせることができる網目を形成する、官能基を含むポリマーマトリックスとして画定される。一実施形態において、膜２２１は、スルホン酸官能基を含むテフロン（登録商標）をベースにして画定される。一般に、膜２２１は、水を通さない。しかしながら、水分子は、陽イオンに「引きずられて」官能基網を通り抜ける可能性がある。膜２２１は、陰イオンを官能基網を通り抜けないように阻む一方で、陽イオンは官能基網を通り抜けさせる。このため、膜２２１は、一方向性の陽イオン交換膜である。
【００２１】
適切なバイアス電圧の影響下において、陽イオンは、膜２２１を通って容易に移動する。したがって、膜２２１は、例えば銅などの金属をウエハ２２３から除去するための電解平坦化プロセスにおける使用に適している。具体的に言うと、ウエハ２２３とカソード２１３との間に印加されたバイアス電圧の影響下において、例えばＣｕ++陽イオンなどの金属陽イオンは、ウエハ２２３すなわちアノードからカソード２１３へと移動させられる。図２Ｄに示されるように、膜２２１は、脱イオン水２０９によってウエハ２２３から隔てられている。このため、脱イオン水２０９は、ウエハ２２３から膜２２１へと例えばＣｕ++陽イオンなどの金属陽イオンを運ぶための媒体を提供する。膜２２１に達すると、金属陽イオンは、官能基網を通り抜けて電解質溶液２１１に達することができる。電解質溶液２１１に達すると、金属陽イオンは、カソード２１３へと移動して、カソード２１３にめっきされる。
【００２２】
膜２２１内の例えばスルホン酸官能基などの官能基は、陽イオン交換経路網を提供するのに加えて、膜２２１近傍の脱イオン水２０９のｐＨを変える働きもする。膜２２１によってｐＨに影響を受ける領域の脱イオン水２０９は、図２Ｄにおいて破線で示されるように、臨界境界層２３３を表している。臨界境界層２３３内の脱イオン水２０９のｐＨは、ウエハ２２３の上面上の金属化トポグラフィ２２９が臨界境界層２３３に曝されたときに、その金属化トポグラフィ２２９のエッチングを可能にするために、膜２２１の官能基による影響を十分に受ける。膜２２１によって臨界境界層２３３内の脱イオン水２０９に及ぼされるｐＨへの影響は、膜２２１からの距離とともに下がる。したがって、エッチング反応は、より膜２２１に近い臨界境界層２３３の部分内において、より高速に生じる。
【００２３】
カソード２１３と、アノード、すなわちウエハ２２３の表面上の金属化トポグラフィとの間に印加されるバイアス電圧の影響下において、臨界境界層２３３内におけるエッチング反応において遊離されるＣｕ++などの金属陽イオンは、２〜３個の水分子と配位結合し、膜２２１を通り抜けるように方向付けられて、カソード２１３にめっきされる。このため、膜２２１の下位の臨界境界層に対してウエハ２２３の金属化トポグラフィ２２９を曝すことは、金属化トポグラフィ２２９の平坦化を可能にする。ウエハ２２３が、近接ヘッド２００およびその膜２２１の下を横断するにあたって、ウエハ２２３の表面上の、より高いトポグラフィ的特徴は、より膜２２１に近く、したがって、ウエハ２２３の表面上の、より低いトポグラフィ的特徴と比べて高速でエッチングされる。このため、ウエハ２２３の表面上の、より高いトポグラフィ的特徴に対する、より高速なエッチングは、ウエハ２２３の金属化トポグラフィ２２９を、実質的にトップダウン方式で平坦化することを可能にする。
【００２４】
臨界境界層２３３に金属化トポグラフィ２２９を曝すことを可能にするには、膜２２１をウエハ２２３に十分に近接させる必要がある。しかしながら、もしウエハ２２３に接近しすぎると、膜は、ウエハ２２３に引き寄せられて、ウエハ２２３に付着するであろう。膜２２１とウエハ２２３との間の直接的接触は、望ましくない。なぜならば、膜２２１の例えばスルホン酸基などの官能基が、ウエハ２２３から金属を速くエッチングしすぎることによって、接触領域で水の脱水を引き起こし、基板に膜を吸い付かせ、その結果、ウエハ２２３を損傷させるからである。また、膜２２１とウエハ２２３との間の物理的接触は、膜２２１および／またはウエハ２２３を物理的に損傷させる恐れがある。膜２２１がウエハ２２３に付着しないことを保証するためには、膜２２１とウエハ２２３との間に最小距離（Ｄ最小）が維持されなければならない。
【００２５】
膜２２１とウエハ２２３との間に最小距離（Ｄ最小）を維持する必要性とあわせて、ウエハ２２３の表面を臨界境界層２３３に曝す必要もある。ウエハ２２３を平坦化するために必要とされる臨界境界層２３３の厚さは、ミクロンのおよそ十分の１または百分の１であってよい。近接ヘッド２００とウエハ２２３との間の物理的分離をミクロンの何分の１かに制御することは、単純に、実用的でない。また、膜２２１がウエハ２２３に接近するにつれてエッチング速度は増大するので、膜２２１とウエハ２２３との間の分離距離の均一性を制御することも必要である。このため、膜２２１とウエハ２２３との間の分離距離は、ウエハ２２３全体の外形のばらつきに適応可能にすること、好ましくは自己制限式にすることが必要である。
【００２６】
近接ヘッド２００とウエハ２２３との間の物理的分離の制御に関連した制限にかかわらず、膜２２１の機械的特性によって、ウエハ２２３を臨界境界層２３３に実質的に均一に曝すことが可能である。より具体的に言うと、ウエハ２２３に向けた膜２２１の制御式たわみが、膜２２１をウエハ２２３に接触させることなくウエハ２２３を臨界境界層２３３に曝すことを可能にするように、近接ヘッド２００を、ウエハ２２３に十分に近接して配置することが可能である。電解質溶液２１１の圧力（Ｐ）は、膜２２１沿いに流れる脱イオン水２０９によって生じるベルヌーイ効果とあわさって、膜をウエハ２２３に向けて距離（ｄ）にわたってたわませることができる。
【００２７】
近接ヘッド２００は、膜２２１とウエハ２２３との間の脱イオン水２０９のメニスカスを、実質的に一定の厚さに維持することができる。一実施形態において、近接ヘッド２００とウエハ２２３との間の物理的分離は、約０．５ｍｍから約２ｍｍに及ぶ範囲に制御される。先述のように、脱イオン水２０９は、近接ヘッド２００の中心に近い供給路２２７から送り込まれ、膜２２１沿いに近接ヘッド２００の外周近くの真空路２２５へと流される。膜２２１沿いの脱イオン水２０９の流れによって生じるベルヌーイ効果は、膜２２１をウエハ２２３に向けてたわませる。脱イオン水２０９の流れによって生じる膜２２１のたわみの量は、脱イオン水の流量に依存する。このため、脱イオン水２０９の流量は、膜２２１のたわみ距離（ｄ）を制御するために使用することができる。電解質溶液２１１の圧力（Ｐ）もまた、膜２２１のたわみ距離（ｄ）に影響を及ぼすことができる。
【００２８】
以上にしたがうと、近接ヘッド２００とウエハ２２３との間の物理的分離は、臨界境界層２３３の厚さに対して粗制御することができる。次いで、電解質溶液２１１の圧力（Ｐ）および脱イオン水２０９の流量を、膜２２１とウエハ２２３との間の分離距離が微制御されるように膜２１１のたわみ距離（ｄ）を微制御するように調整することができる。一実施形態において、電解質溶液２１１の圧力（Ｐ）は、約０ｐｓｉｇから約１０ｐｓｉｇに及ぶ範囲に維持される。
【００２９】
ウエハ２２３に内在する外形、すなわち波形は、臨界境界層２３３の厚さを超えることが考えられる。しかしながら、膜２２１のたわみ能力は、膜２２１とウエハ２２３との間に均一な分離距離が維持されるように膜２２１をウエハ２２３の外形に適合させることを可能にする。言い換えると、膜２２１のたわみ性を、電解質溶液２１１の圧力（Ｐ）および脱イオン水２０９の流量によって可能になる制御とあわせれば、近接ヘッド２００およびウエハ２２３の互いに対する移動とともに膜２２１にウエハ２２３の外形をかたどらせることができる。
【００３０】
図３Ａ〜３Ｃは、本発明の一実施形態にしたがった、閉じ込め区域平坦化プロセス中、近接ヘッド２００下におけるウエハ２２３の横断を示した一連の図である。このため、図３Ａ〜３Ｃの実施形態は、近接ヘッド２００を静止しているものとして、そしてウエハ２２３を近接ヘッド２００下で方向３０１に横断するものとして示している。しかしながら、本発明は、静止した近接ヘッド２００および移動するウエハ２２３を有するものに限定されない。別の実施形態では、ウエハ２２３が静止して、近接ヘッド２００が移動することが可能である。さらに別の実施形態では、ウエハ２２３および近接ヘッド２００の両方が、互いに対して移動することが可能である。
【００３１】
図３Ａ〜３Ｃについては、膜２２１の下において臨界境界層２３３によって占有されているレベル内にあるトポグラフィ的特徴３０３に注意を払うべきである。図３Ａは、トポグラフィ的特徴３０３が臨界境界層２３３を通って横断する直前の配置にある近接ヘッド２００を表している。図３Ｂは、トポグラフィ的特徴３０３が膜２２１の下において臨界境界層２３３内にあるような配置にある近接ヘッド２００を表している。図３Ｃは、トポグラフィ的特徴３０３が平坦化されるように臨界境界層２３３を通って横断した直後の配置にある近接ヘッド２００を表している。
【００３２】
ウエハ２２３表面上の金属化トポグラフィ２２９と、電解質２１１内のカソード２１３との間に画定された閉ループのカソード半電池は、例えばＣｕ++などの金属陽イオンがバイアス電圧２３１／２０７の影響下においてトポグラフィ的特徴３０３から膜２２１を通ってカソード２１３に移るにつれて、それらの金属イオンをめっきする働きをする。ウエハ２２３と膜２２１との間の距離は、脱イオン水２０９の流量および電解質溶液２１１の圧力（Ｐ）によって制御される。近接ヘッド２００に対するウエハ２２３の相対速度は、所望の量の平坦化を提供するように設定される。より具体的に言うと、臨界境界層にトポグラフィ的特徴３０３が曝される期間は、エッチング速度とあわさって、どれくらいの量のトポグラフィ的特徴３０３が近接ヘッド２００下における、すなわち臨界境界層２３３を通る横断中に除去されるかを決定する。エッチング速度は、臨界境界層２３３内の脱イオン水のｐＨと、印加されたバイアス電圧２３１／２０７との関数である。臨界境界層２３３内の脱イオン水のｐＨは、膜２２１の組成、すなわち膜２２１内の官能基によって設定される。
【００３３】
近接ヘッド２００下におけるウエハ２２３の横断中、ウエハ２２３の上面上の金属化トポグラフィ２２９は、１つまたは複数の電極に電気的に接続されている。一実施形態では、ウエハ２２３の上面上の金属化トポグラフィ２２９に接触させるものとして、２つの電極が使用される。これら２つの電極は、それぞれ、移動によってウエハ２２３に対して電気的に接続および切断をなすように画定される。ウエハ２２３に対する接続および切断を目的としたこれら２つの電極の移動は、数々の方式で実施可能である。例えば、一実施形態では、２つの電極を、ウエハ２２３と平行な平面内で直線的に移動させることができる。別の実施形態では、十分に細長い形状を有しなおかつウエハ２２３と同一平面内に配置されるように向きを定められた２つの電極を、回転式に移動させてウエハ２２３に接触させることができる。
【００３４】
また、２つの電極の形状が数々の方式で画定可能である。例えば、一実施形態では、２つの電極は、実質的に長方形であることが可能である。別の実施形態では、２つの電極は、それぞれ、ウエハ２２３の外周の湾曲をなぞるように画定されたウエハ接触縁を有することができる。さらに別の実施形態では、２つの電極は、Ｃ字型であることが可能である。本実施形態の２つの電極は、独立に制御可能である。
【００３５】
本実施形態において、ウエハ２２３は、近接ヘッド２００の長手寸法（ＬＤ）が、２つの電極間を伸びる仮想線に実質的に垂直であるようなかたちで、近接ヘッド２００の下を横断させられる。ウエハ２２３が近接ヘッド２００の下を移動するにつれ、近接ヘッド２００から遠い方の電極は、ウエハ２２３の上面上の金属化トポグラフィ２２９に電気的に接続するように制御される。また、ウエハ２２３が近接ヘッド２００の下を移動するにつれ、近接ヘッド２００に近い方の電極は、ウエハ２２３の上面上の金属化トポグラフィ２２９から電気的に切断されるように制御される。上述された方式によるウエハ２２３に対する２つの電極の接続は、臨界境界層２３３に曝されているウエハ２２３部分に存在する電流分布を最適化することを可能にする。また、上述された方式によるウエハ２２３に対する２つの電極の接続は、ウエハ２２３の上における脱イオン水２０９のメニスカスの横断とともに各電極をウエハ２２３から切断することを可能にする。
【００３６】
本発明は、単一の近接ヘッド２００の使用について説明されているが、その他の実施形態は、複数の近接ヘッド２００を用いてよい。例えば、近接ヘッド２００下におけるウエハ２２３の横断速度を増大させることが望ましい場合は、十分な平坦化を可能にするために、複数の近接ヘッド２００を相次ぐ方式で配置してよい。また、近接ヘッド２００の後に、すすぎ動作および乾燥動作を実施するように画定された別の近接ヘッドが続いてもよい。さらに、一実施形態において、本発明の近接ヘッド２００によって提供される閉じ込め区域平坦化は、ウエハ２２３上に例えばＣｕなどの金属の均一な（平坦化された）層を残留させるために使用されてよい。この均一な層は、いくつかの実施形態では、およそ１０００オングストロームから２０００オングストロームの厚さであってよい。上に均一な（平坦化された）金属の層を形成されたウエハ２２３は、次いで、残留する金属を必要な厚さだけ排除する別の最終エッチングプロセスを通して処理することができる。
【００３７】
本発明の近接ヘッド２００によって可能になる閉じ込め区域平坦化プロセスは、従来の化学的機械的平坦化（ＣＭＰ）プロセスでよく見られるような、ウエハ２２３に機械的圧力／応力を加えることを必要としない。また、本発明において、近接ヘッド２００の膜２２１とウエハ２２３との間の分離距離は、膜２２１とウエハ２２３との間の相対速度に依存しない。本発明において、膜２２１とウエハ２２３との間の分離距離は、むしろ、膜２２１とウエハ２２３との間における脱イオン水２０９の流量によって、そして膜２２１の後ろにおける電解質溶液２２１の圧力（Ｐ）によって制御される。このため、境界層は、一般に、ヘッドとウエハとの相対速度に無関係に形成および維持され、したがって、除去速度は、境界層の厚さ制御に無関係に、ウエハに対するヘッドの滞留時間によって制御することができる。
【００３８】
境界層は、水を除去するための真空戻り路を使用することなく膜沿いに水を強制的に流れさせることによって形成することができる（すなわち、水でいっぱいにし、溢れた分をプロセスチャンバの配水管に集めることができる）。図２Ｅは、本発明の一実施形態にしたがった、真空路を組み入れていない近接ヘッド２００Ａを示した図である。図２Ａに関して先述された近接ヘッド２００特徴は、真空戻り路２２５を除き、図２Ｅの近接ヘッド２００Ａにも含まれている。図２Ｅの実施形態では、脱イオン水２０９は、膜２２１沿いに、そしてウエハ２２３沿いに流れ、最終的にウエハ２２３の縁から収集手段へと流れ落ちる。
【００３９】
近接ヘッド２００に関して上述されたように、閉じ込め区域平坦化プロセス中、ウエハ２２３からカソード２１３への陽イオンの流れは、測定可能な電流を生成する。このため、この電流は、ウエハ２２３（アノード）からカソード２１３へと流れる。ウエハ２２３からカソード２１３へと流れる電流を測定するために、ウエハ２２３とカソード２１３との間には、電流測定機器を接続することができる。ウエハ２２３からカソード２１３へと流れる電流は、臨界境界層２３３と、ウエハ２２３の表面上の金属化トポグラフィ２２９との間の作用接触面積の関数である。作用接触面積は、臨界境界層２３３内の金属化トポグラフィ２２９の面積を表す。このため、作用接触面積は、例えばＣｕ++などの金属陽イオンを除去される金属化トポグラフィ２２９の面積を表す。
【００４０】
閉じ込め区域平坦化プロセス中、より高い部分の金属化トポグラフィ２２９が除去される、すなわち平坦化されるにつれて、作用接触面積は増大する、すなわち臨界境界層２３３内のウエハ表面積は増大する。したがって、より高い部分の金属化トポグラフィ２２９が除去されるにつれ、ウエハ２２３とカソード２１３との間の金属陽イオンの流れは増大する。増大するこの金属陽イオンの流れは、ウエハ２２３からカソード２１３へと流れる電流における測定可能な増大を表す。最終的に、ウエハが平坦化されると、作用接触面積は実質的に一定になる。作用接触面積が実質的に一定になると、ウエハ２２３からカソード２１３への金属陽イオンの流れは実質的に一定になる、すなわち、ウエハ表面の各部分が金属陽イオンの流れに等しく寄与するようになる。したがって、作用接触面積が実質的に一定になると、ウエハ２２３からカソード２１３への電流の流れは実質的に一定になる。このため、ウエハ２２３とカソード２１３との間の電流の横ばい状態は、ウエハ２２３が平坦化されたことの表れである。このため、ウエハ２２３とカソード２１３との間の電流は、平坦化プロセスの終点を検出するために監視することができる。
【００４１】
図４は、本発明の一実施形態にしたがった、ウエハ２２３とカソード２１３との間を流れる電流を閉じ込め区域平坦化プロセス中の時間の関数として表したグラフの図である。説明を容易にするため、ウエハ２２３とカソード２１３との間を流れる「electric current」は、「電流」と称される。閉じ込め区域平坦化プロセスの開始から、電流は、ウエハの平坦化とともに着実に増加する。上述のように、電流の着実な増加は、より高い部分の金属化トポグラフィ２２９の平坦化にともなって、臨界境界層２３３に曝される金属化トポグラフィ２２９が増加するゆえである。
【００４２】
金属化トポグラフィ２２９が平坦化状態に近づくにつれて、電流は、横ばいしはじめる。ウエハ２２３が実質的に平坦化されると、ウエハ表面の各部分が実質的に等しく臨界境界層２３３に曝される。このため、ウエハ２２３が実質的に平坦化されると、電流は、図４の曲線上の位置４０１によって示されるように、横ばい状態になる。位置４０１は、閉じ込め区域平坦化プロセスの終点を表す。閉じ込め区域平坦化プロセスが位置４０１に対応する時間を超えて続く場合は、電流は、実質的に横ばい状態にとどまる。しかしながら、最終的には、十分な金属がウエハ２２３から除去され、先に存在していた金属化トポグラフィ２２９の下位にある電気的に非導電性の層が曝される。電気的に非導電性の層が曝されると、電流は、図４の曲線上の位置４０３によって示されるように降下する。このため、位置４０３は、閉じ込め区域平坦化プロセスの突破点を表す。
【００４３】
一実施形態において、閉じ込め区域平坦化プロセスは、突破点に達するまで継続されてよい。しかしながら、別の実施形態では、閉じ込め区域平坦化プロセスは、平坦化の終点に達するまで継続されてよい。金属化トポグラフィ２２９は、トップダウン方式で除去されるので、平坦化の終点に達したとき、ウエハ表面上には、平坦化された金属の層が残ることが一般に予想される。閉じ込め区域平坦化プロセスの平坦化の終点に達すると、ウエハ２２３は、ウエハ表面上に存在する残りの金属を所要の厚さだけ均一に除去するために、例えば湿式洗浄エッチングプロセスまたはプラズマエッチバックプロセスなどの別の最終エッチングプロセスを施されてよい。
【００４４】
図５は、本発明の一実施形態にしたがった、半導体ウエハの閉じ込め区域平坦化のための方法のフローチャートを示した図である。図５の方法は、図２Ａ〜４に関して上述された近接ヘッド２００を使用して実施するためのものである。方法は、近接ヘッドを、陽イオン交換膜が半導体ウエハの上面と向き合うように半導体ウエハの上面の上に近接して配するための動作５０１を含む。動作５０３では、陽イオン交換膜の上面とカソードとの間に電解質溶液が配置される。動作５０５は、陽イオン交換膜の底面と半導体ウエハの上面との間に脱イオン水を流すために実施される。方法は、さらに、半導体ウエハの上面から遊離される陽イオンが影響されて、脱イオン水、陽イオン交換膜、そして電解質溶液を通ってカソードへと移動するように、半導体ウエハの上面とカソードとの間にバイアス電圧を印加するための、動作５０７を含む。
【００４５】
一実施形態において、脱イオン水の流量は、陽イオン交換膜が半導体ウエハの上面に接触することなくベルヌーイ効果の影響下において半導体ウエハの上面に向けてたわむように制御される。陽イオン交換膜のたわみは、陽イオン交換膜の底面に近接している脱イオン水のｐＨ変更領域を、すなわち上述の臨界境界層２３３を、ウエハの上面に接触させる。脱イオン水のｐＨ変更領域は、半導体ウエハの上面から陽イオンを遊離させる。
【００４６】
方法は、さらに、半導体ウエハの上面上に存在する金属化トポグラフィが実質的に均一なトップダウン方式で除去されるように、近接ヘッドの下において半導体ウエハをスキャンするための、動作５０９を含む。また、方法は、平坦化の終点を検出するためのプロセスを含むことができる。平坦化終点検出プロセスは、陽イオン交換膜を通る電流の流れを監視することを含む。平坦化の終点は、陽イオン交換膜を通る監視される電流の流れの横ばい状態に対応する。陽イオン交換膜を通る電流の流れは、半導体ウエハの上面とカソードとの間の電流を測定することによって監視される。
【００４７】
本発明は、いくつかの実施形態の観点から説明されてきたが、当業者ならば、先立つ説明を読み図面を検討して各種の代替、追加、置換、および等価の形態を認識することができる。したがって、本発明は、このようなあらゆる代替、追加、置換、および等価の形態を、本発明の真の趣旨および範囲に含まれるものとして含むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】上に銅層を成長されたシリコン基板を示した概略図である。
【図２Ａ】平坦化されるウエハの上に近接して配置された、本発明の一実施形態にしたがった近接ヘッドの鉛直断面を示した説明図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態の一つとして、図２Ａの近接ヘッドの水平断面を示した説明図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態にしたがった近接ヘッドの外観を示した説明図である。
【図２Ｄ】本発明の実施形態の一つとして、ウエハの閉じ込め区域平坦化を可能にする近接ヘッド電解研磨機能を示した説明図である。
【図２Ｅ】本発明の実施形態の一つとして、真空路を組み入れていない近接ヘッドを示した説明図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態の一つとして、閉じ込め区域平坦化プロセス中、近接ヘッド下におけるウエハの横断を示した一連の説明図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態の一つとして、閉じ込め区域平坦化プロセス中、近接ヘッド下におけるウエハの横断を示した一連の説明図である。
【図３Ｃ】本発明の実施形態の一つとして、閉じ込め区域平坦化プロセス中、近接ヘッド下におけるウエハの横断を示した一連の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態にとして、ウエハとカソードとの間を流れる電流を閉じ込め区域平坦化プロセス中の時間の関数として表したグラフである。
【図５】本発明の一実施形態として、半導体ウエハの閉じ込め区域平坦化のための方法を示すフローチャートである。
【図１】
2009532578.tif 000003
【図２Ａ】
2009532578.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2009532578.tif 000007
【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2009532578.tif 000010
【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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