(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置を形成するためのプロセスであって：
基板（１０）上にシード膜（３４）を形成して、その後、前記シード膜（３４）の一部を空気に露出させることにより、酸化部分と残留非酸化部分とを形成する段階；
前記シード膜（３４）の酸化部分を還元する段階であって、前記基板（１０）を復元槽（５０）内の溶液（５９）に入れて、前記基板（１０）を前記復元槽（５０）のカソードの少なくとも一部とし、アノード（５４）と前記復元槽（５０）の前記カソードとの間で電流を流して、前記シード膜（３４）を還元することにより、前記シード膜（３４）内の銅をあまり除去せずに、前記酸化部分を銅に戻す段階；および
前記シード膜（３４）上に電気メッキ法により銅からなる導電膜（７６）を形成する段階；
によって構成されることを特徴とするプロセス。
【請求項２】
半導体装置を形成するためのプロセスであって：
基板（１０）上に銅からなるシード膜（３４）を形成して、前記シード膜（３４）の一部を酸化する段階；
前記基板を槽（５０）内の溶液（５９）に入れて、前記基板（１０）は、前記槽（５０）のカソードの少なくとも一部とする段階；
アノード（５４）と前記槽（５０）の前記カソードとの間で電流を流して、前記シード膜（３４）の前記一部を還元する段階；および
前記シード膜（３４）上に電気メッキ法により銅からなる導電膜（７６）を形成する段階；
によって構成されることを特徴とするプロセス。
【請求項３】
半導体装置を形成するためのプロセスであって：
基板（１０）上に銅からなるシード膜（３４）を形成して、前記シード膜（３４）の一部を酸化する段階；
前記基板（１０）を槽（５０）内の溶液（５９）に入れる段階であって：
前記基板（１０）は、前記槽（５０）のカソードの少なくとも一部であり；
前記溶液（５９）は、陽イオンおよび陰イオンにイオン化できる電解質を含み；
前記陽イオンは、ナトリウム，カリウム，アルミニウムおよびアンモニウム・イオンからなるグループから選択され；および
前記陰イオンは、弗化物，炭酸塩，重炭酸塩，硫酸塩，亜燐酸塩，燐酸塩，硼酸塩およびクエン酸塩からなるグループから選択される、段階；
アノード（５４）と前記槽（５０）の前記カソードとの間で電流を流して、前記シード膜（３４）の前記一部を還元する段階；および
前記シード膜（３４）上に電気メッキ法により銅からなる導電膜（７６）を形成する段階；
によって構成されることを特徴とするプロセス。
【請求項４】
半導体装置を形成するためのプロセスであって：
半導体装置基板（１０）上にパターン化された絶縁層（１１）を形成する段階であって、前記パターン化された絶縁層（１１）は開口部を含む、段階；
前記開口部内にシード膜（３４）を形成する段階であって、前記シード膜（３４）は銅を含む、段階；
前記シード膜（３４）を酸化雰囲気に露出する段階；
前記半導体装置基板（１０）を溶液（５９）が貯えられた槽（５０）に入れる段階であって、前記半導体装置基板（１０）は前記槽（５０）のカソードの少なくとも一部を形成する、段階；
アノード（５４）と前記槽（５０）の前記カソードとの間で電流を流して、前記シード膜（３４）の酸化した部分を還元する段階；および
電流を流した後で、前記シード膜（３４）上に電気メッキ法により銅からなる導電膜（７６）を形成する段階；
によって構成されることを特徴とするプロセス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に、半導体装置を形成するためのプロセスに関し、さらに詳しくは、相互接続を有する半導体装置を形成するためのプロセスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置は、小型化が進んでいる。開口部のアスペクト比は、従来の装置に比べて大きくなっている。図１は、半導体装置基板１０，フィールド絶縁領域(field isolation regions)１２および被ドーピング領域(doped regions)１４を示す。基板１０および被ドーピング領域１４の上にあるのは、ゲート絶縁層(gate dielectric layer)１６およびゲート電極１８である。被ドーピング領域１４の一つに対してコンタクトを形成する際、レベル間絶縁（ＩＬＤ：interlevel dielectric）層が形成され、このＩＬＤ層１１を貫通する二重インレイ開口部(dual inlaid opening)が形成される。二重インレイ開口部は、ビア部分(via portion)および相互接続トレンチ部分(interconnect trench portion)を含む。（壁に沿った）ビア部分の長さは、少なくともその幅と同じ大きさである。
【０００３】
導電層１３は、ＩＬＤ層１１の上および二重インレイ開口部内に形成される。導電層１３は、導電層を順次被着させることによって形成される。タンタルまたはタンタル含有材料などのバリア膜１３２と、銅シード膜１３４とは、ＩＬＤ層１１の上および二重インレイ開口部内に形成される。これらの膜は、ＩＭＰＰＶＤ(ionized metal plasma physical vapor deposition)を利用して形成される。図２は、形成直後の二重インレイ開口部内の膜の拡大図を含む。バリア膜１３２は、実質的に共形的(conformally)に被着されるが、銅シード膜は非共形的である。平坦な露出面上では、銅シード膜１３４は、約１００〜２００ナノメートルの厚さを有する。約１０パーセントの段差(step coverage)では、開口部の底付近の銅シード膜１３４の厚さは１０ナノメートルしかないことがある。
【０００４】
銅シード膜の形成後、基板１０はＩＭＰＰＶＤシステムから取り出され、空気などの酸化雰囲気に露出される。被着した銅シード膜１３４は、図３に示すように、部分的に酸化した銅シード膜３４になる。酸化したシード膜３４は、残留非酸化銅部分３４２と、酸化銅部分３４４とを含む。一般に、酸化部分３４４は亜酸化銅（Ｃｕ2Ｏ）の形態であるが、酸化第二銅（ＣｕＯ）もさらにあるいは代わりに形成されることがある。酸化部分３４４は、厚さが実質的に均等であり、酸化露出の長さおよび条件に応じて、一般に約５〜１０ナノメートルである。長い露出，高い温度および腐食性の高い雰囲気のそれぞれは、銅のより多くの部分を酸化銅部分３４４に変える。図３からわかるように、残留銅部分３４２の厚さは、底付近では極めて薄く、場所によっては不連続になる。
【０００５】
銅シード層は、メッキの前に活性化しなければならない。銅は（酸化していない）銅上にメッキできるが、酸化銅の存在下では、付着性の被着物を形成しない。基板１０は、メッキ溶液を有するメッキ装置に入れられる。基板は、メッキが開始する前に、滞留(dwell)させられる。滞留とは、メッキ溶液に外部電位を印加せずに、基板がメッキ槽に接触することを意味する。メッキ槽は、一般に、硫酸銅，硫酸および塩化物イオンを含有する。槽は酸性が高く、一般に１以下のｐＨを有する。この溶液は、銅シード膜３４から酸化部分３４４を除去する。この処理段階中に、酸化部分３４４を除去するだけでなく、残留銅部分３４２の部分はＣｕ2+イオンに変換され、除去される。ここで、不連続なシード膜３４が残る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
メッキは、図１に示すように、メッキ銅膜１３６を形成するために実施される。しかし、銅シード膜の一部は開口部の底付近で除去されているので、メッキ中に空洞部(void)１３８が形成される。この空洞化により、信頼性の問題が生じ、電気的オープンを生じさせ、また抵抗性の高いコンタクトが形成されることがある。光沢剤(brightener)およびレベラー(leveler)など、他の化学薬品も一般にメッキ槽内に存在する。しかし、これらの存在は、図１に示すような空洞部形成１３８を著しく変えるとは考えられない。
【０００７】
【実施例】
本発明は、添付の図面において一例として示すものであって、制限するものではない。なお、図面を通じて、同様な参照番号は同様な要素を表すものとする。
【０００８】
当業者であれば、図面における要素は単純および明確となるように図示されており、必ずしも縮尺通りではないことが理解されよう。例えば、図面における一部の要素の寸法は、本発明の実施例の理解を図るために他の要素に対して誇張されていることがある。
【０００９】
導電層内に空洞部を形成する可能性を低減する、半導体装置を形成するためのプロセスが開発された。シード膜は基板上に形成され、ここでシード膜の一部は酸化される。シード膜のこの部分は還元され、復元シード膜(recovered seed film)を形成する。導電層はシード膜上に形成される。本プロセスは、高アスペクト比の開口部を有する半導体装置で用いるのに特に適している。本発明は特許請求の範囲において定められ、また本明細書に記載される実施例を読むことによって理解を深めることができよう。
【００１０】
図４は、半導体装置基板１０の一部の断面図を含む。本明細書で用いられる半導体装置基板とは、単結晶シリコン半導体ウェハ，絶縁上の半導体(semiconductor-on-insulator)ウェハまたは半導体装置を形成するために用いられる任意の他の基板を含む。また、装置は、フィールド絶縁領域１２，被ドーピング領域１４，ゲート絶縁層１６，ゲート電極１８およびＩＬＤ層１１を含む。二重インレイ開口部は、ＩＬＤ層１１内に形成される。図示していないが、ＩＬＤ層１１は一般に複数の膜を含み、これらの膜は二重インレイ開口部の形成を助ける。二重インレイ開口部は、相互接続部分と、ビア部分とを含む。ビア部分では、その壁の高さは、開口部の底における幅よりも少なくとも２倍大きい。
【００１１】
次に、バリア膜１３２は、ＩＬＤ膜１１の上および二重インレイ開口部内に形成される。バリア膜１３２は、タンタル，チタン，モリブデン，コバルト，これらの材料の窒化物などのうち、任意の一つまたはそれ以上を含む。一つの具体的な実施例では、バリア膜１３２は、約２０〜５０ナノメートルの範囲の厚さを有するタンタル膜である。次に、銅シード膜は、ＩＭＰＰＶＤ（あるいはＨＣＭ(hollow cathode magnatron)またはコリメートＰＶＤ(collimated PVD)）によって形成され、その後空気に露出され、図３に示す膜と同様な残留非酸化部分および酸化部分を有する酸化シード膜３４を形成する。シード膜３４は、ＩＬＤ膜１１の平坦で露出した最上面で、一般に５０〜３００ナノメートルの範囲の厚さである。実質的に共形的であるバリア層１３２とは異なり、シード膜３４は開口部内では極めて非共形的である。二重インレイ開口部内では、シード膜１３４は、非ドーピング領域１４付近の開口部の底付近では、約５〜３０ナノメートルの範囲の薄い厚さを有することがある。超小型装置では、この厚さは約１０ナノメートル未満である。酸化部分は一般にＣｕ2Ｏであるが、ＣｕＯも含むことがある。酸化部分は、一般に、約４〜１０ナノメートルの範囲の厚さを有する。残留非酸化銅部分は、二重インレイ開口部の底付近で不連続となることがある。プロセスにおけるこの時点までの処理は従来通りである。
【００１２】
次に、基板１０は、シード膜３４内の銅をあまり除去せずに、酸化部分を銅に戻すために、復元槽(recovery bath)に入れられる。簡単にいうと、シード膜３４は、空気露出以前の状態に近い状態に戻される（図２に示すように、酸化シード膜３４を被着シード膜１３４に近い状態に変える）。
【００１３】
図５は、復元槽システム５０の断面図を含む。システム５０は、出口５０２を有するチャンバ５１を含む。さらに、システムは、電解溶液を受けるための入口５１２を有するカップ５２と、カップ５２内のディフューザ(diffuser)５３とを含む。アノード５４は、カップ５２とディフューザ５３との間にある。さらに、システム５０は、ターン・テーブル５５１およびクランプ・フィンガ(clamp fingers)５５２を有するヘッド５５を含む。クランプ・フィンガ５５２は、システム５０用のカソード・コンタクトであり、一般に白金チタン(platinized titanium)からなる。あるいは、フィンガ５５２に白金ニオブ（platinized niobium)化合物を利用してもよい。
【００１４】
システム５０の動作時に、電解溶液５９は濾過ループ内を流れ、入口５１２を介してカップ５２に入り、アノード５４によって流れる。アノード５４は、実質的に不活性材料を含む。本明細書では、実質的に不活性(substantially inert)とは、アノードの材料が溶液中にイオンとして有意に溶解しないことを意味する。従って、電解溶液は、溶液中に約１ｐｐｍ以下のアノード材料しかイオンとして含まない。この具体的な実施例では、アノード５４は、白金，ニオブ，白金またはニオブ含有材料，その組み合わせなどを含む。電解溶液５９は、ディフューザ５３を介して流れて、基板１０に達する。最終的に、電解溶液５９は、カップ５２の両側を流れて、カップ５２およびチャンバ５１の壁の間を流れ落ち、出口５０２に至る。この具体的な実施例では、復元槽システムはメッキしないが、更なる材料を基板上にメッキせずに銅酸化物を銅に還元するために利用される。このシステムは、メッキ前の「滞留」中に除去されるであろう銅を復元する。
【００１５】
電解溶液５９内で用いられる材料は、シード膜を腐食してはならない。電解溶液５９は、電解質材料の陽イオン(cations)および陰イオン(anions)を含む。一般に、陽イオンは、ナトリウム，カリウム，アルミニウム，アンモニウムなどを含む。陰イオンは、弗化物，炭酸塩，重炭酸塩，硫酸塩，亜燐酸塩，燐酸塩，硼酸塩，クエン酸塩などを含む。選択される実際の材料は、性能，汚染問題，安全性などに基づいて選ぶことができる。例えば、金属汚染が問題となる場合、硫酸アンモニウムまたは第４アンモニウム塩（例えば、硫酸テトラメチルアンモニウム，硝酸テトラエチルアンモニウムなど）を利用できる。一つの具体的な実施例では、重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ3）が用いられる（ナトリウム陽イオンおよび重炭酸陰イオン）。
【００１６】
電解溶液内の材料の濃度は、約０．０５〜１．００モルの範囲である。一実施例では、濃度は約０．１モルである。電解溶液５９のｐＨは、少なくとも約５であり、より一般的には約６〜８の範囲である。上限は未知であるが、ｐＨが高すぎると、残留部分からの銅は過剰なｐＨ条件によって変色あるいは酸化する可能性がある。
【００１７】
復元槽は、約０．０５〜５．００ミリアンペア／平方センチメートルの範囲の電流密度で動作される。より高い電流密度では、シード膜３４の酸化部分の還元は速すぎて、再現可能に制御できない。より低い電流密度では、シード膜３４を腐食する危険が高くなる。復元時間は、通常１分未満であり、より一般には約５〜２０秒の範囲である。復元動作中に、基板は一般にカソードであり、アノード５４に対して負電位である。約０．１ミリアンペア／平方センチメートルの電流密度では、復元動作長さに対して然るべき良好な制御が得られる。
【００１８】
酸化シード膜３４の還元中に、図６に示すようにいくつかの還元反応が生じうる。約−０．４ボルトの電位では、Ｃｕ2Ｏは銅に還元され、約−０．６ボルトでは、ＣｕＯは銅に還元され、また、約−１．１ボルトでは、水の酸化により水素が発生する。一般に、復元プロセスは、水素発生が生じるまで続く。水素発生が生じるまでの時間は、電流密度に応じて変化する。０．１ミリアンペア／平方センチメートルの電流密度では、水素発生までの時間は約１５秒である。安全上の理由により、水素発生の量は低く抑えるべきである。上記の動作を自動化すると、亜酸化銅および酸化第二銅の段階で見られる変換と同様な検出エンドポイントを利用して、動作を監視できる。エンドポイントに達する以上の余分な時間は、基板における電流密度のばらつきおよび他のパラメータを考慮するために利用できる。
【００１９】
復元動作の終了時に、電流は遮断される。酸化部分の少なくとも５０パーセントまたは通常それ以上は、銅に還元される。図７に示すように、被着直後のシード膜に近い厚さを有する復元シード膜７４が形成されている。
【００２０】
復元動作の次に、基板は一般にスプレー洗浄が施され、できるだけ速やかに銅メッキ・システム内に挿入される。洗浄工程は、一般に脱イオン水を利用して行われる。基板は移動中濡れたままでもよいが、乾燥させてもよい。基板を乾燥させるかどうかに関係無く、洗浄から基板をメッキ槽に入れるまでの時間は、約２分未満でなければならず、一般に、１分未満でなければならない。素早い洗浄および移動は、復元シード膜７４の酸化を最小限に抑える。
【００２１】
シード膜復元および洗浄が行われた後、基板は従来のメッキ・システムに入れられ、復元シード膜７４上に電気メッキ銅膜７６が形成され、図７に示すように導電層７８を形成する。メッキを開始する前に滞留時間はないか、あるいは最小限の滞留時間しかない。一般に、基板をメッキ槽に入れてから、メッキを開始するまでの時間は、電流を開始する前にメッキ槽内で動作条件（ターンテーブル回転速度，メッキ溶液流量など）を安定させるのに十分な時間に過ぎない。この時間は、一般に１分未満であり、通常１０秒未満である。次に、電流が印加され、メッキが開始する。膜７６はほとんど銅であるが、膜７６内には不純物（例えば、マグネシウム，インジウム，クロムなど）があってもよく、半導体装置において利用される特性を改善するために含むことができる。銅膜７６のメッキは、従来通りである。
【００２２】
研磨工程は、ＩＬＤ層１１の上にある膜７６，７４，１３２の部分を除去するために利用され、図８の相互接続８３を形成する。処理は続いて、図９に示すように実質的に完成した装置を形成する。キャッピング層(capping layer)９２が形成され、この層は一般に窒化シリコンなどの窒化物材料を含む。次に、パッシベーション層(passivation layer)９４がキャッピング層９２の上に形成される。図示していないが、他の電気接続も、ゲート電極１８および他の被ドーピング領域１４に対して行われる。さらに、他のレベルの相互接続が必要な場合、上記と同様な方法で形成される。
【００２３】
復元槽およびメッキ槽は、反応炉のタイプである。銅膜７６は電気メッキされるが、電気メッキまたは他の形成プロセス（例えば、化学蒸気被着）を利用するにしても、その後導電膜を選択被着する場合には、復元シード膜７４を利用できる。
【００２４】
本発明の実施例では、電気メッキを利用して銅相互接続を形成でき、銅メッキ中の空洞部形成の可能性は低い。メッキ・システムは、一つのツール（プラットフォーム）上で復元槽およびメッキ槽を有するように修正できる。これにより、復元槽からメッキ槽へのより迅速なウェハの移動が可能になる。このツール構築は、電気メッキ膜をメッキする前に、シード膜からの酸化物の形成を最小限に抑える。
【００２５】
従来技術で用いられるように、電気メッキ前の滞留時間で見られる問題は克服される。滞留はシード膜を活性化する一方で、酸化物を還元せずに、酸化物を除去する。シード膜は、還元ではなく滞留によって活性化されると、かなり薄くなる。
【００２６】
上記のプロセスは、半導体装置の小型化の点で有利である。寸法が小さくなると、シード膜の厚さも小さくする必要がある。シード膜厚が１００ナノメートル以下に減少すると、高アスペクト比開口部の底におけるシード膜の厚さも減少する。従来技術おいて見られるような空洞部の形成の可能性は、小型化とともに増加する。上記のプロセスは、シード膜３４の酸化部分から銅を復元し、空洞部の形成を心配せずに、開口部内のメッキ材料の形成が可能になる。
【００２７】
このプロセスは、シード膜の無電解金属被着(electroless metal deposition)を利用する必要がない。無電解金属被着は、望ましくない不純物をシード膜内に取り込む可能性が高い。従って、本明細書において説明したプロセスは、より高品位なシード膜を提供する。
【００２８】
本明細書で説明したプロセスおよび装置は、珍しい材料や、既存の装置の大幅な改造を利用せずに修正できる。サイクル時間への影響は、メッキ前にある種の活性化工程を行う必要があるので、最小限であると考えられる。歩留りは、空洞部形成の可能性が減少するので向上する。
【００２９】
本明細書では、具体的な実施例を参照して発明について説明してきた。ただし、当業者であれば、特許請求の範囲に定める本発明の範囲から逸脱せずに、さまざまな修正および変更が可能であることが理解されよう。従って、明細書および図面は、制限的な意味ではなく例示的な意味でみなすものとし、一切のこのような修正は本発明の範囲内に含まれるものとする。
【００３０】
具体的な実施例について、効果，他の利点および課題の解決について説明した。ただし、効果，利点，課題の解決ならびに任意の効果，利点または課題の解決を生じさせうる、あるいは明らかにさせうる任意の要素は、任意またはすべての請求項の重要，必要または不可欠な特徴または要素とみなされるものではない。本明細書で用いられる、「構成する(comprise, comprising)」またはその他の変形体は、非排他的な包含(non-exclusive inclusion)を網羅するものとし、要素のリストを構成するプロセス，方法，物品または装置は、これらの要素のみを含むのではなく、明示的に列挙されていない他の要素、あるいはかかるプロセス，方法，物品または装置に固有の他の要素を含むことがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】導電層内の空洞部を示す、半導体装置の一部の断面図である。
【図２】シード膜の形成直後の図１の基板の図である。
【図３】シード膜が部分的に酸化された後の、図２に示すシード膜の図である。
【図４】二重インレイ開口部内に銅シード膜を形成した後の、半導体装置基板の一部の図である。
【図５】本発明の実施例により利用される復元槽の一部の断面図である。
【図６】復元槽内で生じる反応を示す、電位と時間の関係のプロットである。
【図７】復元シード膜上に銅膜をメッキした後の、図４の基板の一部の図である。
【図８】相互接続を形成するため導電層の部分を研磨した後の、図７の基板の断面図である。
【図９】実質的に完成された装置を形成した後の、図８の基板の断面図である。
【符号の説明】
１０  半導体装置基板
１１  レベル間絶縁（ＩＬＤ）層
１２  フィールド絶縁領域
１３  導電層
１３２  バリア膜
１３４  銅シード膜
１３８  空洞部
１４  被ドーピング領域
１６  ゲート絶縁層
１８  ゲート電力
３４  部分的に酸化した銅シード膜
３４２  残留非酸化銅部分
３４４  酸化銅部分
５０  復元槽システム
５０２  出口
５１  チャンバ
５１２  入口
５２  カップ
５３  ディフューザ
５４  アノード
５５  ヘッド
５５１  ターンテーブル
５５２  クランプ・フィンガ
５９  電解溶液
７４  復元シード膜
７６  銅膜
７８  導電層
８３  相互接続
９２  キャッピング層
９４  パッシベーション層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004444420.tif 000009
【図９】
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