(57)【要約】本発明のプロセスは半導体ウエハー表面に銅配線を形成する。該プロセス中、最初に、狭い（３２２）及びラージ（３２６）フィーチャーを該ウエハーの上部表面に提供し、そして、電着工程を使用することにより１次銅層（３３４Ａ）を堆積する。該１次銅層は該フィーチャーを完全にふさぎ、そして、狭いフィーチャー上に平坦な表面及びラージフィーチャー上に平坦でない表面を形成する。電気化学メカニカル堆積工程を使用することにより、２次銅層（３３４Ｂ）を該１次銅層上に堆積し、狭い及びラージフィーチャー上に平坦な銅層を形成する。このプロセス工程後、電解研磨工程を使用して平坦な銅層の厚みを薄くする。
2006519503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の工程：
第１導電層を電着して、第１フィーチャー及び第２フィーチャーを完全に充填する工程；及び、
該第１導電層上に第２導電層を電気化学的機械的に堆積して、平坦な導電層を形成する工程、
を含み、上部表面を有する半導体ウエハー（ここに配置した該第１フィーチャー及び該第２フィーチャーを備え、該第１フィーチャーは第１幅を有し及び該第２フィーチャーは最大幅を有する）上で導電性構造物を形成するプロセス。
【請求項２】
電着工程が第１添加剤組成物を有する第１電解質溶液を含み、及び、電気化学的機械的堆積工程が第２添加剤組成物を含有する第２電解質溶液を含む請求項１のプロセス。
【請求項３】
該平坦導電層を化学的機械研磨する工程をさらに含有する請求項１または２のプロセス。
【請求項４】
該平坦導電層を電解研磨する工程をさらに含有する請求項１または２のプロセス。
【請求項５】
電解研磨工程が実質的に全ての該平坦導電層を除去する請求項４のプロセス。
【請求項６】
該平坦導電層を化学的機械研磨する工程をさらに含有する請求項４または５のプロセス。
【請求項７】
化学的機械研磨工程が該半導体ウエハーの該上部表面から該第２導電層を除去する請求項６のプロセス。
【請求項８】
該化学的機械研磨工程が該半導体ウエハーの該上部表面から該第１導電層を除去する請求項７のプロセス。
【請求項９】
該化学的機械研磨工程が該第２フィーチャーから該第１フィーチャーを電気的に絶縁する請求項８のプロセス。
【請求項１０】
第１導電層を電着する工程が、該第２フィーチャーに該第１導電層を、該第２フィーチャーの深さより大きいまたは同等である厚みに堆積する、いずれかの前記請求項のプロセス。
【請求項１１】
第１導電層を電着する工程が、該第２フィーチャーに該第１導電層を、該第２フィーチャーの深さより大きいまたは同等である厚みに堆積する、請求項２〜１０のいずれかのプロセス。
【請求項１２】
該第１導電層をアニールする工程をさらに含有する、いずれかの前記請求項のプロセス。
【請求項１３】
該第２導電層をアニールする工程をさらに含有する、いずれかの前記請求項のプロセス。
【請求項１４】
いずれかの前記請求項のプロセスを含有して製造される集積回路。
【請求項１５】
該第１導電層及び該第２導電層が銅である、いずれかの前記請求項のプロセス。
【請求項１６】
第１フィーチャー及び第２フィーチャーを第１導電層で完全に充填するように構成された電着モジュール；及び、
第１導電層上に第２導電層を堆積し、平坦導電層を形成するように構成された電気化学メカニカル堆積モジュール、
を含み、上部表面を有する半導体ウエハー（ここに配置した該第１フィーチャー及び該第２フィーチャーを備え、該第１フィーチャーは第１幅を有し及び該第２フィーチャーは最大幅を有する）上に導電性構造物を形成するシステム。
【請求項１７】
該電着モジュールが第１添加剤組成物を有する第１電解質溶液を含み、及び、該電気化学メカニカル堆積モジュールが第２添加剤組成物を有する第２電解質溶液を含む請求項１６のシステム。
【請求項１８】
該第２フィーチャーから該第１フィーチャーを電気的に絶縁するために上部表面から該平坦導電層を除去するように構成された化学的機械研磨（ＣＭＰ）モジュールをさらに含む請求項１６または１７のシステム。
【請求項１９】
該電着モジュールが、該第２フィーチャーに、該第２フィーチャーの深さより大きいまたは同等である厚みを有する第１導電層を堆積する、請求項１６〜１８のいずれかのシステム。
【請求項２０】
導電層をアニールするためのアニーリングモジュールをさらに含む請求項１６〜１９のいずれかのシステム。
【請求項２１】
該導電層が銅を含有する請求項１６〜２０のいずれかのシステム。
【請求項２２】
平坦導電層の厚みを減少するように構成された電解研磨モジュールをさらに含む請求項１６〜２１のいずれかのシステム。
【請求項２３】
該電解研磨モジュールが実質的に全ての平坦導電層を除去する請求項２２のシステム。
【請求項２４】
該第２フィーチャーから該第１フィーチャーを電気的に絶縁するために上部表面から該平坦導電層を除去するように構成された化学的機械研磨（ＣＭＰ）モジュールをさらに含む請求項２２のシステム。
【請求項２５】
第１フィーチャー及び第２フィーチャーを第１導電層で完全に充填するように、かつ、平坦導電層を形成するために第１導電層上に第２導電層を堆積するように構成された堆積モジュール、
を含み、上部表面を有する半導体ウエハー（ここに配置した該第１フィーチャー及び該第２フィーチャーを備え、該第１フィーチャーは第１幅を有し及び該第２フィーチャーは最大幅を有する）上に導電性構造物を形成するシステム。
【請求項２６】
該堆積モジュールが、該第２フィーチャーに、該第２フィーチャーの深さより大きいまたは同等である厚みを有する第１導電層を堆積する、請求項２５のシステム。
【請求項２７】
該第２フィーチャーから該第１フィーチャーを電気的に絶縁するために上部表面から該導電層を除去するように構成された化学的機械研磨（ＣＭＰ）モジュールをさらに含有する請求項２５または２６のシステム。
【請求項２８】
該平坦導電層の厚みを減少するように構成された電解研磨モジュールをさらに含む請求項２５〜２７のいずれかのシステム。
【請求項２９】
該第２フィーチャーから該第１フィーチャーを電気的に絶縁するために該平坦導電層を除去するように構成された化学的機械研磨（ＣＭＰ）モジュールをさらに含む請求項２８のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、明白に本書に参考として援用される、”Planar Metal Electrodeposition”の名称で２００２年７月２２日に出願された米国特許出願No.10/201,606(NT-254)の一部継続出願である。
【０００２】
分野
本発明は半導体集積回路の製造、そして、より詳細には導電層の平坦な堆積及び研磨の方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
従来の半導体デバイスは、一般的に、半導体基板（シリコン基板のような）及び複数の連続的に形成された二酸化シリコンのような層間絶縁層及び導電材料から作製される導電路または配線（interconnects）を含有する。銅及び銅合金は、それらの優れたエレクトロマイグレーション（electro-migration）及び低抵抗特性のために、近年、配線材料としてかなり注目を浴びている。配線は、通常、メタライゼーションプロセスにより誘電体層にエッチングして形成されたフィーチャー（features）またはキャビティ（cavities）に銅を充填することにより形成される。銅メタライゼーションの好ましい方法は電気めっきである。集積回路において、多重レベルの配線ネットワークは、基板表面に対して横方向へ広がる。連続した層に形成された配線は、ビアまたはコンタクトを使用して電気的に接続し得る。
【０００４】
典型的な工程において、最初に絶縁層が半導体基板上に形成される。パターン形成及びエッチングプロセスを実施し、絶縁層にトレンチ（trenches）及びビアのようなフィーチャーまたはキャビティを形成する。そして、バリア／グルー層（barrier/glue layer）及びシード層（seed layer）をパターン形成された表面上に堆積し、そして、銅のような導体を電気めっきして全てのフィーチャーを埋める。しかし、めっきプロセスはまた、銅でフィーチャーを埋めることに加えて、基板の上部表面上に過剰の銅を堆積させる。この過剰の銅は、「過剰充填（overburden）」と呼ばれ、続く加工工程中に除去する必要がある。標準的なめっきプロセスでは、電着（Electrochemical Deposition（ECD））工程がコンフォーマル様式（conformal manner）でウエハー上でラージフィーチャーを被覆するために、この過剰充填された銅は大きなトポグラフィー（topography）を有する。例えば、０．５ミクロンの深さのフィーチャーを有するウエハーは、標準的なＥＣＤプロセスによって０．８ミクロン厚の銅で被覆され得、全てのフィーチャーの完全に欠陥のない充填を確実にする（約５ミクロンより幅広いものを含む）。そして、結果として生じる銅表面は、ラージフィーチャー上に約０．５ミクロンのステップを有するトポグラフィーを有し得る。従来、銅めっき後、このトポグラフィック表面を最初に全体的に平坦化するために、そして、過剰充填された銅層の厚みをバリア層の表面のレベルに下げるためにＣＭＰ工程が使用され、このバリア層はまた後に除去されキャビティにおいてのみ導体を残す。ＣＭＰはコストがかかり及び時間を要する工程である。ＣＭＰプロセスで使用される高圧はまた、ｌｏｗ−ｋ誘電体に損傷を与え、これは二酸化シリコンより機械的に弱い。ゆえに、集積プロセスにおけるＣＭＰ工程を最小にすることは、全てのＩＣ製造における目標である。ウエハー上のトポグラフィーもまたＣＭＰプロセスにおける問題の原因である。特に、１００ミクロン幅のトレンチまたは結合パッドのようなラージフィーチャー上の上記例の０．５ミクロンステップのようなラージステップは、ＣＭＰ後にディッシング欠陥の原因となる。それゆえに、コスト及び有効なフィーチャーの両方に関して、ウエハー上の表面トポグラフィーを減少したより薄い銅堆積をなし得るプロセスを有することが非常に魅力的である。
【０００５】
銅電着プロセス中において、特に処方された（formulated）めっき液または電解液が使用される。これらの電解液は、一般的に、水、酸（硫酸のような）、銅のイオン種、塩化物イオン及び堆積される物質の特性及びめっき挙動に影響を及ぼす特定の添加剤を含有する。一般的な電気めっき浴は、促進剤、抑制剤及びレベラー（levelers）のような３種類の商業的に入手可能な添加剤の少なくとも２種を含有する。これらの添加剤はときどき異なる名称で呼ばれることがあることに留意すべきである。例えば、文献中で、促進剤は光沢材として及び抑制剤はキャリヤーとして呼ばれ得る。関与するメカニズムの詳細は完全には理解されておらずまたは賛同されていないが、電解液中でのこれらの添加剤の機能及び塩化物イオンの役割は当該分野で広く知られている（例、Z.W. Sun and G. Dixit, “Optimized bath control for void-free copper deposition”, Solid State Technology, November 2001, page.97を参照）。
【０００６】
電着プロセスは、基板上の全てのフィーチャー（小さい及び大きい）を埋める必要がある。図１Ａは、高アスペクト比ビア１０、中間アスペクト比トレンチ１１、及び、小さいアスペクト比パッド１２を備え、バリア／シード層１３で覆われた（これは図面を簡略化するために一つの層として示す）、典型的なウエハー表面の横断面図を概略的に示す。ビア、トレンチ、及びパッドは、多くの場合、キャビティとして知られる。当該分野で周知のように、アスペクト比は、フィーチャーの深さｄの、それらのより小さい横寸法または幅ｗに対する比である。我々の例において、より深いフィーチャーもまたパッケージング応用のような特定の応用に使用し得るが、深さｄは０．１ミクロン〜２．０ミクロンの範囲であり得る。ビア１０の幅はサブミクロンサイズであり得、そして、それらのアスペクト比（ｄ／ｗ）は１−１０の範囲であり得る。トレンチ１１はアスペクト比０．１−１を有し得、そして、パッド１２は０．１より小さいアスペクト比を有し得る。例えば０．５ミクロンのフィーチャーの深さでは、ビアは０．１ミクロンの幅であり得、トレンチ１１は２ミクロンの幅であり得、そして、パッドは２０ミクロンの幅であり得る。
【０００７】
図１Ｂは、先行技術の方法によって銅堆積が行われた後の図１Ａの基板を示す。実線１５は、２種の添加剤（促進剤及び抑制剤種）を含有する添加剤パッケージを使用する一般的なＥＣＤプロセスの結果として生じる銅膜の一般的なトポグラフィーを示す。これらの添加剤が、銅による高アスペクト比ビア１０のボトムアップ充填を助長することは周知である。しかし、ボトムアップ充填のメカニズムは、フィーチャーのアスペクト比が小さくなればなるほど及び堆積がコンフォーマル（conformal）になればなるほど、効果的ではなくなる。その結果を、中間サイズのフィーチャーまたはトレンチ１１上のスモールステップＤ１、及び、ラージフィーチャーまたはパッド１２上の大きなステップＤ２として図１Ｂに示す。種々のサイズのフィーチャー上のこれらのステップの規模は、大きくてフィーチャーの深さｄと同程度ということに留意すべきである。ビア１０が密集したアレイ上に見られる過剰充填Ｏは、この例の２成分の添加剤パッケージを含有する電解液により堆積された銅膜で一般的に観察される。図１Ｂにみられるように、銅膜の表面のトポグラフィーは大きく、そして、この存在は、前述したようにＣＭＰ工程における難題である。
【０００８】
図１Ｂの実線１５により記載される銅トポグラフィーを改良する先行技術の方法によって、幾つかの発展がなされている。過剰充填Ｏを減少及び除去するために、第３の添加剤、レベラー、を電解質配合液に添加する。添加剤の濃度を留意深く制御することにより、ビア１０が密集したアレイ上の銅のプロフィールを平坦にでき得、これは図１Ｂに点線１６として示す。米国特許第6,346,479 B1号には、非−コンフォーマル電気めっきプロセスにおいて銅を堆積させて、フィーチャーの一部を埋める方法が記載されている。そして、第２の電気めっきプロセスを実施し、残りのまだ埋められていない開口部分またはフィーチャーに銅をコンフォーマルに堆積する。このようなアプローチは、点線の１６及び１７のそれぞれで記載した我々の例のトレンチ１１のような中間サイズのフィーチャー上とできるだけ同様に、我々の例のビア１０のような小さいフィーチャーが密集したアレイ上に平坦なプロフィールをもたらし得る。しかし、米国特許第6,346,479 B1号に開示されるように、第２の電気めっきプロセスは基板上に銅をコンフォーマルに堆積するが、図１Ｂの我々の例に示したパッド１２のような大きなフィーチャー上のラージステップＤ２を除去し得ない。米国特許第6,350,364 B1号にはトレンチに銅を電気めっきする方法が記載されており、これは、最初の銅堆積工程は、光沢剤対レベラー濃度の第１の比を有し、そして、第２の銅堆積工程は、光沢剤対レベラー濃度の第１の比よりも小さい光沢剤対レベラー濃度の第２の比を有する。このように、図Ｂ１のステップＤ１を減少でき得ることが報告されている。当該分野で周知なように、銅電気めっき添加剤は図１Ｂのパッド１２のような非常に小さいアスペクト比を有する非常に大きなフィーチャーにおいては操作可能でない。ゆえに、ステップＤ２は、このようなアプローチによって、大きく減少または除去されるとは予想されない。仮に、ウエハー上の最大のフィーチャーの幅の半分に近い値の厚みを有する非常に厚い銅層がめっきされた場合、Ｄ２のみ減少及び除去される（米国特許第5,256,565号、1993年10月26日を参照）。しかし、これは多数の配線設計を約１０ミクロンを十分に超えるフィーチャーサイズに含むという事実を考慮すると実際的ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の検討で示したように、パターン形成されたウエハー表面上で比較的平坦な銅トポグラフィーを得ることを目的とする先行技術の幾つかは、大きなまたは中間のアスペクト比のフィーチャーを有するウエハーのクラスに対して応用し得る。しかし、多数のＩＣ配線設計は、与えられたウエハー表面上の広く多様なアスペクト比を有するフィーチャーを含有する。特に、マルチレベルの配線構造において、高電流配線（high-current-carrying-lines）の幅は、より高い配線レベルでこれらのアスペクト比が減少する一方で、増加する。それゆえ、広範囲のアスペクト比を有するフィーチャー上の銅の表面トポグラフィーを減少または除去する能力を有するアプローチが必要とされている。
【００１０】
全てのフィーチャーサイズの銅表面トポグラフィーを減少または完全に除去し得る技術は電気化学メカニカル加工（Electrochemical Mechanical Processing（ＥＣＭＰＲ））である。この技術は、図ＩＢの例に示すステップＤ１、Ｄ２及び過剰充填Ｏを除去し、そして、ワークピース表面上の平坦な導電材料の薄層を提供し、あるいは、全くまたはほとんど過剰ではない導電材料を有するワークピース表面を提供しさえする能力を有する。このように、ＣＭＰ工程は最小化または排除さえし得る。用語「電気化学メカニカル加工（ＥＣＭＰＲ）」は、電気化学メカニカルエッチング（Electrochemical Mechanical Etching（ＥＣＭＥ））と共に電気化学メカニカル堆積（Electrochemical Mechanical Deposition（ＥＣＭＤ））の両方を含むために使用され、これはまた電気化学的機械研磨（Electrochemical Mechanical Polishing（ＥＣＭＰ））と呼ばれる。一般的に、ＥＣＭＤ及びＥＣＭＥの両方のプロセスは、両方ともワークピース表面上で電気化学プロセス及びメカニカル作用を含むために、電気化学メカニカル加工（ＥＣＭＰＲ）として呼ばれることを留意すべきである。ＥＣＭＰＲの結果生じる典型的な平坦な銅表面プロフィールは、図１Ｂの平坦な点線１８として示す。
【００１１】
様々なＥＣＭＰＲアプローチ及び装置の記載が、以下の特許、公開された出願及び係属中の出願に見られ得、全ては共通に本発明の譲受人に所有される：表題「Method and Apparatus for Electrochemical Mechanical Deposition」である米国特許第6,126,992号、2001年12月18日に提出され、そして特許出願番号第20020020628号を有する2002年2月21日の米国出願として公表された表題「Plating Method and Apparatus that Creates a Differential Between Additive Disposed on a Top Surface and a Cavity Surface of a Workpiece Using an External Influence」である米国出願番号第09/740,701号、表題「Plating Method and Apparatus for Controlling Deposition on Predetermined Portions of a Workpiece」であるシリアル番号第09/961,193号を有する2001年9月20日に提出された米国出願、表題「Mask Plate Design」である2001年9月20日に出願されたシリアル番号第09/960,236号を有する米国出願、及び、表題「Low Force Electrochemical Mechanical Processing Method and Apparatus」である2002年5月23日に出願された米国出願番号第10/155,828号。これらの方法は、平坦様式でワークピース上のキャビティ部分中及び上に金属を堆積し得る。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
要約
本発明は、ＥＣＤ及びＥＣＭＰＲ技術を使用してワークピースの表面上に導電材料（銅のような）のほぼ平坦または平坦な層を形成するプロセスに関する。該プロセスは、好ましくは少なくとも２つの分離しためっき溶液ケミストリーを使用して、その表面上にフィーチャーまたはキャビティを有する半導体基板上にほぼ平坦なまたは平坦な銅層を形成する。
【００１３】
一つの側面において、本発明は、上部表面に形成された第１及び第２キャビティを備えた上部表面を有する半導体ウエハー上に導電構造を形成するプロセスを提供する。該ウエハーの第１のキャビティは第２のキャビティより狭い幅を有する。
【００１４】
該プロセスは、電着プロセスを使用することにより第１導電層を堆積する工程を含む。該堆積プロセスは第１添加剤組成物を含有する第１電解質溶液を使用する。第１キャビティ上で平坦な表面を及び第２キャビティ上で非平坦表面を形成する間、導電層はキャビティを完全に埋める。
【００１５】
さらに、該プロセスは、第１及び第２キャビティ上に平坦な導電層を形成ために、第１導電層上に第２導電層を堆積する工程を含む。平坦な導電層は第１及び第２導電層を含み、そして、第２添加剤組成物を有する第２電解質溶液を使用する電気化学メカニカル堆積プロセスを使用して第２導電層を堆積する。
【００１６】
本発明の上記及び他の特徴ならびに利点は、本発明の制限のない典型的な実施形態により図面を参照にして、以下の詳細な説明にさらに記載し、ここで、類似のリファレンス番号は、幾つかの図面を通して、本願の同様の部分を示す。
【００１７】
詳細な記載
本発明のプロセスは、ＥＣＭＤのようなＥＣＭＰＲ技術を使用してワークピースの表面上に導電材料（銅のような）のほぼ平坦なまたは平坦な層を形成するプロセスに関する。本発明のプロセスは、好ましくは少なくとも２つの分離しためっき溶液ケミストリーを使用して、その表面上にフィーチャーまたはキャビティを有する半導体基板上にほぼ平坦なまたは平坦な銅層を形成する。本発明の特有の特色は、広く様々な形及び寸法のフィーチャーまたはキャビティを伴う基板にそれを適用し得るという事実である。例えば、該基板は、１０ミクロンより大きい幅のトレンチ及び２０ミクロンより大きいサイズのパッドまたはチャネルのような非常に低アスペクト比のフィーチャーと同様に、高アスペクト比で小さいサイズのフィーチャー（サブミクロンサイズのビアまたはトレンチのような）を有し得る。この典型的なウエハー上に５００ミクロンより大きいフィーチャーでさえあり得る。本発明の第１段階において、小さいフィーチャーの欠陥のない充填に関して最適化しためっきプロセスを行う。この段階中、めっきは該ウエハー表面上でメカニカルスイーピング（ｓｗｅｅｐｉｎｇ）を伴わないノンタッチモードで行う。該ノンタッチプロセスは、最良のギャップ充填性能に関して最適化した第１添加剤ケミストリーを含む第１めっき溶液を使用する。このケミストリーは、促進剤及び抑制剤及び必要に応じてレベラーを含有し得る。この段階において、小さい及び中間サイズのフィーチャーは銅で完全に埋められるが、より大きいサイズのフィーチャーは部分的にまたは完全にコンフォーマルに銅層で被覆される。本発明の第１段階の結果生じる典型的な銅層の断面例は、断面３０として図２に示す。全ての小さいフィーチャーが銅で埋められていることに注目すべきである。中間のサイズのフィーチャー上の小さいステップ及び大きいフィーチャー上の大きいステップがある。本発明の第１段階は、最も大きいフィーチャー上の銅レベルが絶縁層の上部表面のレベルと実質的に同じになるまで続き得る。この場合、より小さいステップは減少し得るが、大きいフィーチャー上のステップは実質的に同じままである。
【００１８】
本発明の第２工程は、第２の添加剤ケミストリーを有する第２めっき溶液を伴う、一般的に少なくともＥＣＭＤプロセスを含む、ＥＣＭＰＲタッチプロセスを使用し、これはこの平坦な堆積または平坦化工程に関して特に最適化される。この第２ケミストリーは、例えば、第１段階で使用し得る３種の添加剤のうち１種のみまたは２種を含有し得る。タッチ工程の持続時間によって、かなり平坦な（断面３１を参照）または完全に平坦な（断面３２を参照）銅断面が得られ得る。該タッチ工程の持続時間が増加するにつれて、表面はより平坦になる。いかなる場合でも、図１Ｂの先行技術の大きなトポグラフィーと比較した時の、図２の断面３１及び３２の減少した、より平坦なトポグラフィーは、ＣＭＰプロセスの効果を増大し、そして、ディッシング及び腐食のようなＣＭＰに関係する欠陥を減少する。
【００１９】
図３は、本発明を実施するために使用し得る典型的なＥＣＭＰＲシステム１００を示す。該ＥＣＭＰＲシステムは、マスク、パッドまたはスイーパー（ｓｗｅｅｐｅｒ）のようなワークピースの表面に影響を及ぼすデバイス（workpiece-surface-influencing-device（ＷＳＩＤ））１０２、ウエハーのようなワークピース１０６を保持するキャリヤーヘッド１０４、及び電極１０８を含む。該ウエハーは、ＥＣＭＤプロセスを使用して銅でめっきされるシリコンウエハーであり得る。ウエハー１０６の前方表面１１０とＷＳＩＤ１０２の上部表面１１２の間の物理的な接触及び関連した動きがある時、ＷＳＩＤ  １０２はＥＣＭＤの少なくとも一部の間に使用する。ＥＣＭＤ中、電極１０８とウエハー表面の間で電位が発生している間、ＷＳＩＤ１０２の上部表面１１２はウエハー１０６の表面１１０をスイープする。あるいは、幾つかの場合、ＷＳＩＤ  １０２の表面１１２がウエハーの表面１１０をスイープした後すぐに電位が発生する。言い換えると、電位の発生及びＷＳＩＤ  １０２による基板表面のスイーピングは、上に記載した先行出願で詳細に記載されるように同時または連続的である必要はない。ＷＳＩＤ  １０２のチャネル１１４は、銅めっき電解液のような工程溶液１１６がウエハー１０６の表面をに流れることを許容する。
【００２０】
図４Ａは、ウエハー１０６の前方表面１１０を示し、第１電気めっき溶液１２０を使用して電気めっきされる。表面１１０は、小さいフィーチャー１１２、中間サイズのフィーチャー１２４及び大きいフィーチャー１２６を含み得る。小さいサイズのフィーチャーはミクロンより小さい幅を有し得、一方、中間サイズのフィーチャーは１〜５ミクロンの幅の範囲を有し得る。大きなフィーチャーは１０ミクロンより大きい幅を有し得る。フィーチャー１２２、１２４、１２６は、半導体ウエハー１０６上に形成される絶縁層１２８内に形成される。Ｔａ、ＴａＮまたはこれらの複合物Ｔａ／ＴａＮのようなバリア層１３０は、フィーチャーの内部及び絶縁層１２８の上部表面１３２を被覆する。上部表面１３２はまた、「フィールド領域」と呼ばれる。薄い銅層のようなシード層（図示せず）はバリア層上で被覆する。工程の間、ウエハー１０６はＷＳＩＤ（ノータッチめっき）から離して配置し、そして、ウエハーが回転及び横方向に移動する間、ウエハー１０６の前方表面１１０６をぬれさせるために、第１電気めっき溶液はＷＳＩＤを通して流れる。ウエハーと電極（即ち、アノード（図２参照））間でいったん電位が印加されると、第１銅層１３４ａが形成される。第１銅層１３４ａは、ボトムアップの様式で小さい及び中間サイズのフィーチャーを埋めるが、大きいフィーチャーは、その大きい幅のために、コンフォーマルに被覆される。
【００２１】
プロセスの第１段階において、ＷＳＩＤは型を作るめっき(shaping plate)として作用する。ＷＳＩＤのチャネルが、プロセス溶液をウエハーの表面に流れることを可能にするだけでなく、めっき電流密度、そして、結果として生じる堆積した銅層の厚みのプロフィールを形作ることが重要である。開口部の分布、形及びサイズは、ＷＳＩＤ上に低い、中間の及び高い堆積速度の領域を導き得る。該プロセス中、これらの領域上でウエハーを移動することにより、堆積する層の望ましい厚みのプロフィール（例えば、均一な厚みのプロフィール）を得る。厚みプロフィール制御の典型的なプロセスは、2001年1月17日に出願された米国特許出願第09/760,757号、表題「Method and Apparatus for Electrodeposition of Uniform Film on Substrate」（本発明の譲受人により共通に所有されている）で開示されている。望むのであれば、他の手段が均一堆積を生み出すことを提供するならば、このめっき工程はＷＳＩＤなしで行い得る。
【００２２】
この具体例において、第１電気めっき溶液１２０は少なくとも２種の添加剤を含有し得、ボイド、継ぎ目及び他の欠陥が全くない小さいフィーチャーのボトムアップ充填を促進する。例えば、Ｅｎｔｈｏｎｅ−ＯＭＩ（登録商標）、Ｗｅｓｔ  Ｈａｖｅｎ、ＣＴから入手できるＣｕｂａｔｈ（登録商標）ＶｉａＦｏｒｍＴＭＡｃｃｅｌａｒａｔｏｒ  ０．８−２ｍｌ／ｌ、及び、同社から販売されているＣｕｂａｔｈ（登録商標）ＶｉａＦｏｒｍＴＭＳｕｐｐｒｅｓｓｐｒ  ６−１２ｍｌ／ｌを含有する高酸（ｈｉｇｈ−ａｃｉｄ）めっき電解液を、硫酸、硫酸銅、水及び塩化物イオンを含有するベーシックめっき浴ケミストリーに使用し得る。低酸（ｌｏｗ−ａｃｉｄ）バージョンのめっきケミストリーは、非常に異なる濃度の促進剤及び抑制剤（Ｅｎｔｈｏｎｅ低酸ケミストリーの場合、促進剤濃度約４−８ｍｌ／ｌ、及び、抑制剤濃度２−４ｍｌ／ｌのような）を必要とし得る。プロセス中、促進剤は、すばやく充填される小さいフィーチャーの銅のボトムアップ成長を可能にする。小さいフィーチャーの開口部の上部に吸着する抑制剤分子は、そこでの銅の成長速度を落とし、そして、これらのパッセージ(passage)の時期尚早の終結及びボイドの形成の両方を回避する。促進剤及び抑制剤種に加えて、本出願において先に議論した過剰充填現象を軽減または排除するための配合液にレベラーも添加し得る。レベラーは、めっき表面の高電流密度領域に優先的に吸着し、そして、この電流密度、そして結果として生じる突出の減少を助長する。０．５−２ｍｌ／ｌのレベラー濃度は、上述した典型的な高酸ケミストリー中の促進剤及び抑制剤種に加えて、この目的のために使用し得る。商品名Ｃｕｂａｔｈ（登録商標）ＶｉａＦｏｒｍＴＭレベラーで販売されている典型的なレベラーはＥｎｔｈｏｎｅ−ＯＭＩ（登録商標）から入手できる。
【００２３】
図４Ｂに示すように、第１のめっき溶液を用いるノータッチめっきがいったん完了すると、第２めっき溶液１３６を使用するＥＣＭＤタッチめっき段階が、非コンフォーマル様式（non-conformal fashion）で第１銅層を被覆する第２層１３４ｂを形成する（キャビティにより多くの材料を堆積し、ＷＳＩＤがスイープする表面領域ではより少なく堆積する）。このタッチめっきプロセス中、第２めっき溶液１３６が第１銅層１３４ａ上に送達されるとき、ＷＳＩＤはフィールド領域上ならびに小さい及び中間サイズのフィーチャー上に位置する第１層１３４ａの部分に接触し、そして、機械的にスイープする。第２めっき溶液のケミストリーと組み合わせると、ＷＳＩＤのスイーピイング作用は、フィールド領域上及び既に充填されている小さいフィーチャー上で銅層の成長を遅くし、及び、大きいフィーチャー内で銅層の成長を促進し、そして、全体の銅堆積を平坦化する。ある時点で達成された平坦化の程度がＣＭＰプロセス（これは堆積プロセスに続く）のような過剰充填除去プロセスを簡素化するに十分であれば、該プロセスのタッチめっき段階は全ての平坦化が達成される前に終結し得ることに留意すべきである。この実施形態において、第２のめっき溶液の添加剤ケミストリーはタッチめっき工程に関して最適化する。例えば、第２めっき溶液１３２はいかなるレベラーも含有しない。さらに、第２の電解液の促進剤対抑制剤の比は、第１電解液における比より高くなり得る。上述した典型的な高酸電解液を考慮すると、第２電解液の促進剤濃度は２−１０ｍｌ／ｌの幅にあり得、一方、抑制剤濃度は２−８ｍｌ／ｌであり得る。全ての小さいフィーチャーが第１めっき工程によりウエハー上で既に充填され、ゆえに、これらの新しい添加剤濃度によりこのようなフィーチャー中にボイドが形成する原因となる危険性がないために、これは行われ得、仮に第１段階のプロセス中に使用すると、小さいフィーチャーの最適ではない充填が生じる。第２電解液は促進剤であるただ一種の添加剤を含有しさえする。ＥＣＭＤプロセスにおける平坦化のために抑制剤のみまたは促進剤のみを含有する単独添加剤浴を使用し得るが、抑制剤のみを含有する浴と比較して促進剤のみを含有する浴における平坦化はより効果的であることを本発明者は観察した。図５Ａは、ＥＣＭＤ装置及びＥｎｔｈｏｎｅ  Ｖｉａ−Ｆｏｒｍ  ｈｉｇｈ  ａｃｉｄ  ＶＭＳ溶液を含有する硫酸銅電解液及び８ｍｌ／ｌのＣｕｂａｔｈ（登録商標）ＶｉａＦｏｒｍＴＭＬｅｖｅｌｅｒを使用して銅で被覆したウエハー上の５ミクロンの幅のトレンチの集束イオンビーム（ＦＩＢ）イメージを示す。このプロセス中、２００ｍｍの直径の基板と銅アノードの間を４Ａ−ｍｉｎの電荷が通過し、及び、ＷＳＩＤが５０ｒｐｍで回転しているウエハーに接触した。図５Ａのイメージから分かるように、部分的な平坦化を示す基板の上部表面上よりフィーチャー内に比較的多くの銅が堆積される。図５Ｂは同様のウエハーの同じ部分から得たＦＩＢ断面を示すが、今回は、Ｅｎｔｈｏｎｅ  Ｖｉａ−Ｆｏｒｍ  ｈｉｇｈ  ａｃｉｄ  ＶＭＳ溶液及び２．２ｍｌ／ｌのＣｕｂａｔｈ（登録商標）ＶｉａＦｏｒｍＴＭＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒを含有する他の硫酸銅電解液中で同様��加工した。より良い平坦化効果を示す図５Ａの場合よりこの場合のほうがフィーチャー内の銅堆積速度がより高いことが明らかである。図５Ｂにおいて、５ミクロンのトレンチにおける銅膜は完全に平坦である。この例は、溶液ケミストリーが本発明のタッチめっき段階における基板の最良の平坦化のために最適化され得ることを示す。
【００２４】
本発明は、段階２のケミストリーの最適化とは別のプロセスの第１段階におけるケミストリーの最適化を可能にする。これは、上記の特許及び特許出願に記載したようなＥＣＭＰＲの第１及び第２工程の両方で同じケミストリーを使用できるが、さらに下記に記載するような各々独立した２つの段階においてケミストリーを最適化する能力を有することは魅力的及び有益であるために、重要である。
【００２５】
主題の工程の第１段階で使用する添加剤の濃度及びタイプは、添加剤の特性、小さいフィーチャーの特性、バリア／シード層の性質などによって変わり得る。例えば、イオウを含む幾つかの促進剤種は弱いシード層と反応する。仮に、特定のウエハーについてのビアの側壁上でシード層が非常に薄い場合、この特定のウエハーを被覆するために使用するプロセスの第１段階の電解液の促進剤対抑制剤比を低下する必要があり得る。他のタイプのシード層を有する他のウエハーに関しては、最良のギャップ充填性能を得るために添加剤の相対的な濃度をさらに調整する必要があり得る。仮に小さいフィーチャーの密なアレイ上の過剰充填が問題をもたらす場合、促進剤及び抑制剤に加えて配合液にレベラーを含有する必要があり得る。
【００２６】
電解質ケミストリー（これは第１段階における最良のギャップ充填のために調整する）は、平坦化を行う際、該プロセスの第２段階に対して最良なものではないかもしれない。例えば、レベラーはウエハー表面上の高電流密度領域に誘引されることが知られている。しかし、ＥＣＭＤプロセスは基板表面上のキャビティにおける成長を、ＷＳＩＤによりスイープされたウエハーの上部表面と比較してこのようなキャビティにおける堆積電流密度を増加することにより、促進することが知られている。ゆえに、該プロセスの第２段階で使用される電解液中のレベラーは平坦化効果をより低下し得る。これは該プロセスの第１段階（ノータッチ工程）中でプロセス電解液中の添加剤（レベラーのような）の存在がどれほど好ましいのかの例であり、これに対して、第２段階（タッチめっき工程）においては、その存在は必要でないか望ましくない。同様に、促進剤対抑制剤の比がより高いことは、前述したように該プロセスの第１段階より第２段階において望ましいかもしれない。図５Ｂの実験は、ただ一つの促進剤種を含有する電解液は該プロセスの第２段階において首尾よく使用し得ること（このような配合液は第１段階において首尾よく使用し得ないとしても）を示した。第２プロセス工程におけるただ一種の添加剤の使用は、総添加剤消費を減少し、添加剤測定及び制御システムを簡素化し、費用を削減し、そして、スループットを増加させて平坦化効果を改良し得る。堆積された膜の総不純物含量もまた、このアプローチによる減少し得る。
【００２７】
本発明の原理に従うと、該プロセスの第１及び第２段階は同じプロセスモジュールまたは複数のプロセスモジュールにおいて実施され得る。仮に、同じプロセスモジュールアプローチを両方の段階で実施するために使用すると、第１及び第２段階は連続的に実施し、そして、第１段階のための第１溶液及び第２段階のための第２溶液を使用する。上に十分記載されるように、第１溶液ケミストリーはウエハー上のフィーチャーのボトムアップ充填を高める添加剤を含有する。そして、第２溶液ケミストリーは、第１段階で使用し得る３種の添加剤のうち一種のみまたは二種を含有し、そして、平坦な銅層を得るために特に最適化される。仮に、複数のプロセスモジュールがあるなら、第１段階は第１溶液ケミストリーを伴うプロセスモジュールの第１または第１群において行い得、そして、第２段階は、第２溶液ケミストリーを使用するプロセスモジュールの第２または第２群と共に行い得る。二段階堆積に続いて、ウエハーはクリーンにされ、そして、平坦なまたはほぼ平坦な銅の過剰充填はＣＭＰまたは他の（例えば電解研磨）除去法を使用して除去される。銅の過剰充填は、アニ−リング工程前または後に除去され得る。
【００２８】
本プロセスの第２段階の後、銅の過剰充填の厚みを減少するために、必要に応じて第３及び第４工程さえ使用し得ることを留意すべきである。プロセスの第２段階の後、銅除去プロセスは、電気化学エッチングまたは研磨段階あるいはＥＣＭＥ（電気化学メカニカルエッチングまたは研磨）段階のいずれかを行うプロセスの第３工程として実施し得る。除去プロセスはまた、第３及び第４段階として両方の工程を連続的に使用して（例えば、タッチＥＣＭＥに続くノータッチ電解エッチング(no-touch electroetching)工程、または、ノータッチ電解エッチングに続くタッチＥＣＭＥ）実施し得る。薄く平坦な堆積は、第１及び第２段階でＥＣＭＤ技術を使用して平坦な層を最初に堆積すること、そして、印加された電圧を逆方向にすることにより同じ電解液中または電解エッチング溶液中でこの平坦な膜を電解エッチングまたは電解研磨することにより得られ得る。この方法では、堆積層の厚みもまた平坦化様式において減少され得る。実際、エッチングは、フィールド領域上の全ての金属が除去されるまで継続し得る。印加された電圧の極性を逆方向にして、そして、電極と比較してよりワークピース表面をより陽極する一方、これらの技術は第２段階に連続して及び電解エッチング溶液として第２溶液を使用して実施され得る。あるいは、電解エッチング溶液を含有する第３溶液がプロセスの第３段階及び第４段階で第２溶液と置換し得、例えば、ノータッチ電解エッチング（第３段階）はタッチＥＣＭＥ（第４段階）へと続く。この点で、タッチＥＣＭＥプロセス段階のような第４段階は第４溶液を使用して実施し得る。
【００２９】
図６は、多数のモジュールＡ、Ｂ、Ｃ及びＤを使用するシステム１５０の典型例である。この典型的な形態において、モジュールＡ及びＢはＥＣＤまたはＥＣＮＤモジュールであり得、第１プロセス溶液を用いるプロセスの第１段階を実施する。該プロセスの第２段階はモジュールＣにおいて実施され得、これはまたＥＣＭＤモジュールであり得、第２プロセス溶液を使用する。モジュールＤはＥＣＭＥモジュールであり得、上記の第３段階（第２プロセス溶液または第３プロセス溶液を使用するノータッチ電解エッチングまたはＥＣＭＥのような）を実施し、または、第４電解エッチング工程（タッチＥＣＭＥのような、これは第３段階で使用するプロセス溶液または電解エッチング溶液のような第４プロセス溶液を使用する）を実施する。あるいは、モジュールＡ、Ｂ、Ｃ及びＤは、前で説明した二つの異なる溶液を使用するプロセスの第１及び第２段階を行うＥＣＤまたはＥＣＭＤモジュールであり得る。各々の異なるモジュールの数は、第１及び第２段階プロセスのスループットに依存する。ロボットは種々のモジュール間でウエハーを移動させるために使用する。図７は、二段階プロセスに適用したシングルプロセスモジュールアプローチを使用する好ましいシステム２００を例示する。
【００３０】
図７に示すように、システム２００は第１プロセスモジュール（ＰＭ１）２０２及び第１プロセス溶液モジュール（ＰＳＭ１）２０４を含有する。ＰＭ１は、プロセス溶液及び電極（アノード）２０８を保持するためのプロセス容器２０６を含む。該プロセス容器は、２リッターより少ない、好ましくは１リッターより少ない容積を有し得る。該プロセス容器の上部開口部２１０はＷＳＩＤ  ２１２で閉じられる。ＷＳＩＤ  ２１２の上部に、本発明のプロセスにより加工されるウエハー２１４がウエハーキャリア２１７により保持される。ＰＳＭ１は、プロセス溶液供給ユニット２１６、第１バルブ２１８、第２バルブ２２０及びドレイン２２２を備える。該供給ユニット２１６は、第１バルブ２１８を経て、新しいプロセス溶液をプロセス容器に供給する。プロセス容器２０６からの使用した溶液は、第２バルブ２２０を経て供給ユニットまたはドレイン２２２に引き戻す。
【００３１】
図７を参照すると、プロセス供給ユニット２１６は、プロセスの第１段階のための第１溶液を貯蔵する第１タンク２２４、プロセスの第２段階のための第２溶液を貯蔵する第２タンク２２６を備える。第１溶液、第２溶液、第１段階及び第２段階の説明は、上の記載で与えられる。使用された溶液がユニット２１６に収容される時、これらの添加剤及びめっき溶液ケミストリーはチェックされ、そして、補充され、このため、タンク２２４、２２６は適切なケミストリーを含むプロセス溶液を常に保持している。供給ユニット２１６はまた、ＤＩ水を貯蔵するためのリンスタンク２２８を含有する。ＤＩ水は各プロセス段階の開始前にプロセス容器２０６を洗浄するために使用する。ＤＩ水は、タンクからよりむしろＤＩラインから直接到達し得る。タンク２２４、２２６及び２２８は、供給ライン２２４’、２２６’及び２２８’を通してバルブ２１８に接続する。バルブ２１８は、ライン２３０を通してプロセス容器２０６に接続する。さらに、使用された溶液（第１、第２及びリンス溶液）は、ライン２３２を通してバルブ２２０に導かれる。バルブ２２０から、第１溶液はライン２３４を介して第１タンクに捕集され、第２溶液はライン２３６を介して第２タンクに捕集される。バルブ２２０からのリンス溶液はドレイン２２２に送られる。
【００３２】
典型的なプロセスシーケンスにおいて、プロセスの第１段階では、ＰＳＭ１の第１溶液タンク２２４からの第１プロセス溶液が、バルブ２１８を介して、ＰＭ１のプロセス溶液容器２０６に注がれ、そして、リターンライン２３６を通して循環して戻る。ウエハー２１４が加工された後、ＤＩ供給のためにバルブ２１８を回転させ、そして、リンスタンク２２８からのＤＩ水をバルブ２１８を介してプロセス容器２０６に送り、第１溶液の残渣からプロセス容器をクリーンにする。クリーニング中、バルブ２１８は周期的に閉じ得、そして、バルブ２２０を開放して、使用したリンス溶液をドレイン２２２に送る。リンス後、プロセスの第２段階を第１段階と同様に実施するが、第２タンク２２６からの新しい第２溶液を使用し、補充及び貯蔵目的のために、使用した第２溶液を第２溶液タンク２２６に戻す。プロセスの第２段階後、本願のプロセスに従って加工される次のウエハーのために、プロセス容器をもう一度リンスする。種々の溶液をプロセスモジュールに供給する多数の方法があることを留意すべきである。ここで与える例は多数の可能性の一つに過ぎない。例で使用する２つの溶液がそれぞれに相溶性の場合、あいだのリンス工程は省略し得、少量の該溶液の混合が可能となり得る。
【００３３】
図８Ａ−８Ｃは、本発明の第２の実施形態を示す。第２の実施形態において、第１段階では、最大フィーチャー内の銅レベルが、少なくとも、絶縁層の上部表面のレベルに到達するまで、全てのフィーチャーは銅で充填される。この段階中、ウエハー表面上をメカニカルスイーピングしないノータッチ（電着またはＥＣＤ）モードでめっきを行う。この段階は、電着システム及びプロセスを使用して実施され得る。しかし、ノータッチプロセスを利用するＥＣＭＰＲシステムもまた使用し得る。該プロセスは、最良のギャップ充填性能及び最良の質の銅のために最適化される第１添加剤ケミストリーを有する第１めっき溶液を使用する。このケミストリーは、促進剤、抑制剤及び必要に応じてレベラーを含有し得る。このアプローチと共に、大きいフィーチャーと同様に小さいフィーチャーの欠陥のない充填のために最適化されるめっき工程を行い、小さい、中間の及び大きいフィーチャーを少なくとも絶縁層の上部表面のレベルまで良質の銅を完全に充填する。本発明の第１段階から生じる典型的な銅層断面の例を図８Ａに示す。全てのフィーチャーがいったん銅で充填されると、中間サイズのフィーチャー上の小さいステップ及び大きいフィーチャー上に大きいステップができることに留意すべきである。そして、これらのステップは次の平坦化工程における平坦な犠牲層の堆積により除去される。
【００３４】
プロセスの第２段階は平坦化工程であり、第２添加剤ケミストリーを有する第２めっき溶液を用いる、一般的にはＥＣＭＤプロセスを含む、ＥＣＭＰＲタッチプロセスを使用し、これは特にこの平坦な堆積または平坦化工程のために最適化される。この実施形態の第２段階は、第１段階が実施される同じプロセスモジュールまたは異なるプロセスモジュールのいずれかにおいて実施され得る。仮に同じＥＣＭＰＲシステムで実施するならば、第１めっき溶液は第２溶液で置換され得る。さらに、該プロセスの第２段階は第２溶液を使用する異なるＥＣＭＰＲシステムにおいて実施し得る。タッチプロセスと共に、堆積させた銅は、第１段階で形成された銅層上のステップを埋め、そして、平坦な層を形成する。第１段階で堆積した銅が既にフィーチャーを埋めているため、第２段階で堆積される銅は表面で平坦な銅層を形成するため（即ちウエハー表面を平坦にする）である。この平坦化段階で使用される第２ケミストリーは第１段階で使用し得る３種の添加剤の一種のみまたは二種を含有し得る。第２ケミストリーから生じる銅の質は３つの成分を使用する第１ケミストリーからの銅の質ほど良質でないかもしれない。第２工程で堆積される銅が犠牲であり、及び、後に除去するため、これは許容され得る。
【００３５】
本プロセスの第１と第２段階の間で必要に応じたアニーリング工程があり得ることに留意すべきである。言い換えると、第１工程は全てのフィーチャーを良質な銅で充填するため、図８Ａに描いた結果として生じる膜をアニールし得、平坦な層を得るための第２工程に続く前にこの膜のざらざらした構造を成長及び固定化させる。
【００３６】
第２工程の結果及び持続時間に依存して、実質的に平坦である銅断面が得られ得る。前記実施形態に記載したように、タッチ工程の持続時間が増加するにつれて、表面はより平坦になる。
【００３７】
プロセスの第２段階により提供されるより平坦なトポグラフィーは、例えば、電解研磨または電解エッチング工程を使用する次の第３段階または材料除去段階の効果を増加する。電解研磨または電解エッチングは、基板と電極の間で極性を逆方向にすることにより同じＥＣＭＰＲシステムにおいて実施され得る。従来の平坦化工程で使用される第２溶液は逆転極性条件下でエッチング溶液として使用され得る。しかし、第２溶液はまた、電解研磨プロセスを行うために、特別に配合されたエッチング溶液と置換され得る。あるいは、電解研磨プロセスは、別々のエッチング溶液を使用する別々の電解研磨モジュールにおいて実施され得る。この代替の電解研磨システムは、電気化学メカニカルエッチングまたは研磨モジュールあるいは電解研磨プロセス中にウエハー表面上でメカニカル作用を誘導しない電気化学研磨モジュールであり得る。この出願全体を通して、電気化学エッチングまたは電気化学研磨は、電気化学手段により材料を除去する同じプロセスについて述べていることに留意すべきである。同様の電気化学メカニカルエッチング（ＥＣＭＥ）及び電気化学的機械研磨（ＥＣＭＰ）はプロセスの同じ群について述べている。
【００３８】
めっきされた基板に適用する際、電解研磨プロセスは第２ケミストリーを使用する平坦化工程において堆積した銅層を完全に除去し得、一方、第１ケミストリーを使用するＥＣＤ工程において堆積した銅層を部分的に除去している。第１ケミストリーで堆積した銅の部分的に除去された部分は、フィーチャーの外側の銅部分である。該実施形態において、プロセスの第２段階に続く工程が電解研磨プロセスであるが、ＣＭＰプロセスもまた平坦な層を除去するために使用し得、そして、本発明の範囲内である。本明細書で使用したように、フィーチャーにはキャビティ、ビア、トレンチ及びパッドを含む。
【００３９】
さらに図８Ａを参照にすると、ウエハー３０６の前方表面３１０は、第１電気めっき溶液３２０を使用して電気めっきされる。該表面３１０は小さいフィーチャー３２２、中間サイズのフィーチャー３２４及び大きいフィーチャー３２６を含有する。以前の実施形態のように、小さいサイズのフィーチャー３２２はミクロンより狭い幅を有し得、一方、中間サイズのフィーチャーは１〜５ミクロンの幅の範囲を有し得る。大きいフィーチャーは１０ミクロンより広い幅を有し得る。フィーチャー３２２、３２４、３２６は、半導体ウエハー３０６上に形成される絶縁層３２８内に形成される。バリア層３３０は、該フィーチャーの内部及び上部表面３３２または絶縁層３２８のフィールド領域を被覆するために使用し得る。しかし、幾つかの技術においては、バリア層は使用されず、そして、このような技術もまた本発明の範囲内であると理解される。従来、薄い銅層のようなシード層（図示しない）は、バリア層上を被覆し得る。プロセス中、仮に該プロセスがＥＣＭＰＲモジュールにおいて実施されるならば、ウエハー３０６はＷＳＩＤ（ノータッチめっき）から離して配置し、そして、ウエハーが横方向移動及び回転する間、ウエハー３０６の前方表面３１０をぬらすために、第１電気めっき溶液はＷＳＩＤを通して流す。あるいは、仮に該プロセスがＥＣＤチャンバーにおいて実施されるならば、第１電気めっき溶液は前方表面３１０に対して直接流れる。ウエハーと電極（即ちアノード）の間にいったん電位が印加されると（図２に示される）、第１銅層３３４ａまたは一次銅が形成される。図８Ａを参照すると、以前の実施形態とは異なり、一次銅３３４ａが、小さい、中間のサイズ及び大きいフィーチャーを充填する（即ち、大きなフィーチャーでさえ、少なくとも絶縁層の上部表面のレベルまで銅で充填される）。以前の実施形態において、それがボトムアップ様式で小さい及び中間サイズのフィーチャーを満たすが、第１銅層は大きいフィーチャーをコンフォーマルに被覆し、それを必ずしも完全に充填する必要はない。
【００４０】
この実施形態において、第１電気めっき溶液３２０は、ボイド、継ぎ目及び他の欠陥を全く伴うことなく全てのサイズのフィーチャーの充填を高めるために、少なくとも二種の添加剤を含有し得る。溶液３２０のケミストリーは小さいまたは中間サイズのフィーチャー上で平坦な膜を形成する。平坦な膜の厚み「ｔ」が大きいフィーチャーの幅「ｄ」よりおおよそ大きい場合、めっきプロセスの第１段階は停止する。ｔ≧ｄ状態は、大きいフィーチャー内の銅層の厚みもまたおおよその「ｄ」より大きく、そして、大きいフィーチャーは銅で完全に満たされることを示す。一次銅は、アニーリング及び他の堆積後手順後、良好なストレスマイグレーション及びエレクトロマイグレーション特性を提供する良質な銅である。例えば、１．５ｍｌ／ｌのＣｕｂａｔｈ（登録商標）ＶｉａＦｏｒｍＴＭＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ、８ｍｌ／ｌのＣｕｂａｔｈ（登録商標）ＶｉａＦｏｒｍＴＭＳｕｐｐｒｅｓｓｏｒ及び２ｍｌ／ｌのＣｕｂａｔｈ（登録商標）ＶｉａＦｏｒｍＴＭＬｅｖｅｌｅｒ（全てＥｎｔｈｏｎｅ−ＯＭＩ（登録商標）、Ｗｅｓｔ  Ｈａｖｅｎ、ＣＴから入手できる）を含有する高酸めっき電解液は、硫酸、硫酸銅、水及び塩化物イオンを含有する第１溶液ケミストリーにおいて使用し得る。プロセス中、促進剤は速やかに充填される小さいフィーチャーにおける銅のボトムアップ成長を可能にする。小さいフィーチャーの開口部の上部に吸着する抑制剤分子はここでの銅成長を遅くし、そして、これらの経路の時期尚早の閉鎖及びボイドの形成を回避する。レベラーは過剰充填現象を軽減または除去し、そして、めっき表面の高電流密度領域上に優先的に吸着し、そして、この電流密度の減少を助長し、そして、結果として生じる突出及び隆起を最小化する。レベラーのない２成分のケミストリーもまた、ほぼ均一な厚みの銅が、過剰の隆起や過剰充填を伴わず、小さい及び中間サイズのフィーチャー上で得られる限り、このプロセスのために使用し得る。
【００４１】
図８Ｂに図示するように、第１めっき溶液を用いるめっきがいったん完了すると、第２めっき溶液３３６を使用するＥＣＭＤタッチめっき段階は、中間サイズの及び大きいフィーチャー上のステップまたはキャビティ内により多くの材料を堆積し、かつ、ＷＳＩＤ  １０２がスイープした表面領域上にはより少なく堆積する、平坦様式で一次銅３３４ａを被覆する第２層３３４ｂまたは犠牲銅を形成する。タッチめっきプロセスを使用するこの平坦化段階中、第２めっき溶液３３６が一次銅３３４ａ上にもたらされると、ＷＳＩＤはフィールド領域上ならびに小さい及び中間サイズのフィーチャー上に位置する第１層３３４ａ部分に接触し、機械的にスイープする。第２めっき溶液３３６のケミストリーと合わせると、ＷＳＩＤ  １０２のスイーピング作用は、フィールド領域上及びすでに充填されている小さいフィーチャー上の銅層３３４ｂの成長を遅らせ、そして、大きいフィーチャーにおける銅層の堆積を促進し、そして、全体の銅堆積を平坦にする。犠牲銅は次の材料除去プロセスにおいて平坦な銅表面を生成する。材料除去工程（単数又は複数）中、犠牲銅は完全に除去される。
【００４２】
第２めっき溶液３３６は、それが幾らか少量（０．５ｍｌ／ｌのような）含有され得、そして、それが促進剤のみを含有するケミストリーのような１成分ケミストリーまたは促進剤及び抑制剤を含有するような２成分のケミストリーを使用し得るとしても、好ましくはいかなるレベラーも含有しない。仮に第２溶液が１成分溶液ならば、促進剤濃度は１−１０ｍｌ／ｌの範囲にあり得る。仮に第２溶液が２成分溶液であるならば、第２溶液中の促進剤濃度は１−１０ｍｌ／ｌの範囲にあり得、一方、抑制剤濃度は１−１０ｍｌ／ｌの範囲にあり得る。言い換えると、プロセスウィンドウは非常に広くなり得る。第１めっき工程により全ての小さいフィーチャーが既にウエハー上で満たされており、そのために、これらの新しい添加剤濃度によりこのようなフィーチャーにボイドが形成される危険性がないために、これが行われ得、これは、仮に第１段階中に使用したならば、小さいフィーチャーにおいて最適でない充填が生じる。仮にその時点で達成された平坦化の程度が電解研磨またはＣＭＰプロセスのような厚み減少プロセス（これらは堆積プロセスの第２段階に続く）を簡素化することに関して十分であるならば、全ての平坦化が達成される前に、該プロセスのタッチめっき段階は終結し得ることに留意すべきである。
【００４３】
２つの異なるケミストリーの使用が本明細書に記載されているが、本発明はまたプロセスの第１及び第２段階のために同じケミストリーを使用することも用いられ得ることに留意すべきである。しかし、この場合、第１段階において良質な銅及び第２段階において良好な平坦化を提供するために、ケミストリーを選択する必要がある。２種の添加剤（促進剤及び抑制剤）を有する電解液または３種の添加剤（促進剤、抑制剤及びレベラー）を伴う電解液（ここで、レベラー濃度は低い）は、この目的のために使用し得る。例えば、商業的な入手できる低酸ＶｉＡＦｏｒｍケミストリーはＥｎｔｈｏｎｅにより供給され、標準的なＥＣＤ添加剤濃度は促進剤約６ｍｌ／ｌ、抑制剤約２ｍｌ／ｌ及びレベラー約２ｍｌ／ｌである。仮に一つの３成分ケミストリーを本発明において使用するならば、第２工程の平坦化性能に悪影響を及ぼさないために、レベラー濃度は１ｍｌ／ｌ以下に、例えば０．５ｍｌ／ｌに削減し得る。
【００４４】
あるいは、大きいフィーチャーを完全に充填する一方で小さいフィーチャー上に平坦なプロフィールを得るために本発明で使用する第１工程において２成分ケミストリーを使用し得る。このような工程の例は、2003年1月30日に出願された表題「Method of Electroplating Copper Layers with Flat Topography」である米国仮出願番号第60/444,355号に見られ得、これは本発明の譲受人に譲渡されている。この代わりのアプローチにおいて、第１段階中、１０ミクロンより狭い幅または好ましくは５ミクロンより狭い幅を有するフィーチャーを埋めた後に、より幅広いフィーチャー（＞１０ミクロン）を図８Ａに示す「ｄ」より大きい厚みになるよう銅で充填することはインターバルを伴って連続し、インターバル中、既に充填されたより狭いフィーチャー上の銅堆積の成長速度を制御している。既に充填されたより狭いフィーチャー上の銅堆積の局部的な成長速度を制御することは、めっきインターバル中の制御プロセスを適用することにより達成し得る。選択された制御プロセスの適用は、既に充填された小さい及び中間サイズのフィーチャーを被覆している銅上の平坦化されていないトポグラフィー（即ち隆起）の形成を抑制している。この実施形態において、大きい幅のフィーチャーが完全に満たされる（即ち銅の厚みが＞ｄとなる）まで、選択された制御プロセスは、インターバル中、逆電位パルスシーケンス（またはパルス波形）を適用し得る。パルス波形の使用は銅層の表面上の促進剤濃度を都合よく低下し、これは狭い幅のフィーチャー上に形成する。この工程後、第２段階または平坦化工程は上記の方法のように実施し得る。この場合、第２段階は、同じプロセス溶液を使用する同じプロセスチャンバーにおいて実施し得る。
【００４５】
図８Ｃに示すように、本プロセスの第２段階後、前の工程を使用してウエハー上で形成される銅層の厚みを減少するために、必要に応じて第３及び第４工程までも使用し得る。前の実施形態に関して、プロセスの第２段階後、電気化学エッチングまたは研磨段階あるいはＥＣＭＥ（電気化学メカニカルエッチングまたは研磨）段階のいずれかを行うプロセスの第３段階として銅除去プロセスが実施され得る。薄く平坦な堆積は、上記の２段階プロセスを使用して平坦な層を最初に堆積し、そして、電解エッチングまたは研磨溶液中でこの平坦な膜を電解エッチングまたは電解研磨することにより得られ得る。このように、銅層の厚みは平坦化方法において減少し、そして、フィールド領域３３２及びフィーチャー上の平坦化された１次銅３４０を除去しながら、犠牲銅は完全に除去される。実際、フィールド領域上のバリア層３３０を暴露する一方で、フィーチャーの第１銅と隣接しながら、フィールド領域３３２上の全ての１次銅が除去されるまで、電解エッチングまたは電解研磨は継続し得る。プロセスの第３及び／または第４段階において、リン酸溶液のような電解エッチングまたは電解研磨溶液を含む第３溶液は銅の厚みを減少するために使用し得る。例えば、ノータッチ電解エッチング（第３段階）はタッチＥＣＭＥ（第４段階）へと続き得る。この点において、タッチＥＣＭＥプロセス段階のような第４段階はまた、第４溶液を使用して実施し得る。
【００４６】
第４のＥＣＭＥまたは電気化学的機械研磨（ＥＣＭＰ）工程を実施することにより、銅残渣除去のためのプロセスウィンドウが開かれ得る。言い換えると、銅のバルクを電解研磨により除去した後、電気化学メカニカル研磨工程のために、銅表面に保護層を形成する新しい溶液を使用し得る。アノード電圧印加下では、この保護層は銅表面で極性を増加し、ゆえに、電解エッチングまたは研磨を減少する。パッドが銅表面に接触し及び保護層をスイープする部分において、極性は減少し、そして、エッチング／研磨は促進される。パッドは銅層の最も上の表面に接触するため、銅層の上部は除去され、ＥＣＭＥまたはＥＣＭＰ工程においてパッドによりスイープされない銅表面は保護層により保護され、これらの部分の過剰エッチングを回避し、そしてディッシング(dishing)を減少する。これらの技術はまた、印加した電圧の極性を逆にし、そして、ワークピース表面を電極と比較してさらにアノードにしながら、第２段階に続いて及び電解エッチング溶液として第２溶液を使用して実施され得る。
【００４７】
上部表面からの銅を除去した後、バリア層もまた、ＣＭＰ、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching（ＲＩＥ））及び電気化学メカニカル研磨プロセスの少なくとも一つにより除去し、各々電気的に絶縁した銅構造の形成を完全にする。
【００４８】
図９は、プロセスの様々な段階を実施するためのＥＣＤ、ＥＣＭＤ、ＥＣＭＥまたは電解研磨、ＣＭＰ及びアニールモジュールのような多数のモジュールを使用するシステム３５０を例示する。プロセスの第１段階は、第１供給タンク３５４から供給された第１プロセス溶液を使用して、ＥＣＤモジュール３５２において実施し得る。プロセスの第２段階は第２供給タンク３５８から供給される第２溶液を使用してＥＣＭＤモジュール３５６において実施し得る。第３段階、電解研磨段階は、第３供給タンク３６２から供給される第３プロセス溶液（これは電解エッチングまたは電解研磨溶液であり得る）を使用する電解研磨チャンバー３６０において実施し得る。しかし、代替的に、第３段階は、ＥＣＭＥまたはＥＣＭＰチャンバーにおいて実施し得る。ＥＣＭＥモジュールを使用する場合、電解研磨はノータッチＥＣＭＥまたはタッチＥＣＭＥプロセスを使用して実施し得る。第３段階はまたＣＭＰモジュール３６４においても実施し得る。種々のモジュール間でウエハーを移動するためにロボットを使用する。アニールモジュール３６６は、ＥＣＭＥプロセスの前または後に、めっきされた銅をアニールするために必要に応じて使用し得る。アニールはまた、ＥＣＤ工程の後またはＥＣＤ及びＥＣＭＤ工程の後に実施し得る。
【００４９】
本発明のプロセスシーケンスは、図９に示す一つの好ましい実施形態とは異なる分離したシステムに位置するモジュールにおいても実行し得る。プロセスフロー（リンス及び乾燥、エッジ銅除去など）中に行われ得る他のプロセスは、本分野において周知であり、そして、簡潔のために本明細書には記載していない。
【００５０】
もちろん、前述の事項は本発明の好ましい実施形態に関し、そして、改良は本発明の目的及び範囲と離れてなされ得ると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１Ａ】図１Ａは、その上に導体の適用を必要とする典型的なウエハーの横断面図を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、従来の方法を使用してその上に適用した導体を有する図１Ａの典型的なウエハーの横断面図を示す。
【図２】図２は、本発明に従う方法を使用してその上に適用した導体を有する図１Ａの典型的なウエハーの横断面図を示す。
【図３】図３は、本発明を実施するために使用され得る典型的なＥＣＭＰＲシステムの一部を示し；
【図４Ａ】図４Ａ−４Ｃは、本発明に従うプロセスの異なる段階での典型的なウエハーの断面を示し；
【図４Ｂ】図４Ａ−４Ｃは、本発明に従うプロセスの異なる段階での典型的なウエハーの断面を示し；
【図４Ｃ】図４Ａ−４Ｃは、本発明に従うプロセスの異なる段階での典型的なウエハーの断面を示し；
【図５Ａ】図５Ａ及び図５Ｂは、本発明に従う様々な方法で加工したウエハーの集束イオンビームイメージを示し；
【図５Ｂ】図５Ａ及び図５Ｂは、本発明に従う様々な方法で加工したウエハーの集束イオンビームイメージを示し；
【図６】図６は、本発明に従うプロセスを実行するために使用され得るモジュールのシステムを示し；
【図７】図７は、本発明に従うシングルプロセスモジュールと共に使用するためのプロセス供給システムを示し；
【図８Ａ】図８Ａは、該プロセスの第２の実施形態に従い加工されたウエハー表面の横断面図を示し、ここで導体層は該ウエハー上のフィーチャーを充填し、そして該ウエハー表面上の平坦でない層を形成する）；
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａに示したウエハー表面を示し、ここで平坦な導体層は該ウエハー表面上に形成される）；
【図８Ｃ】図８Ｃは、図８Ｂに示したウエハー表面を示し、ここで平坦な導電層は電解研磨される；そして、
【図９】図９は、本発明のプロセスの第２の実施形態を行う典型的なシステムを示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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