(57)【要約】【課題】電解メッキ工程により基板上に均一な厚さを有する半導体素子用金属配線の形成方法を提供する。【解決手段】導電性構造物を含む基板１００上に金属層、金属化合物層またはこれらの混合層からなる金属含有層１３０を形成する。続いて、金属含有層１３０上に金属シード層１４０を形成し、基板１００の周辺部に沿って金属シード層１４０上に、金属シード層１４０より電気抵抗が同一或いは小さな補助金属からなる接蝕層１５０を形成する。基板１００を電解メッキ設備に装着して、接触層１５０とカソード電極５４０とを接続し、金属シード層１４０に対して電解メッキを遂行し、金属含有層１３０上に金属配線層を形成する。【選択図】  図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性構造物を含む基板上に金属含有層を形成する段階と、
前記金属含有層上に金属シード層を形成する段階と、
前記基板の周辺部に沿って前記金属シード層上に、前記金属シード層より電気抵抗が同一或いは小さな補助金属からなる接蝕層を形成する段階と、
前記基板を電解メッキ設備に装着して、前記接触層とカソード電極とを接続する段階と、
前記金属シード層に対して電解メッキを遂行して前記金属含有層上に金属配線層を形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項２】
前記金属含有層を形成する前に、前記導電性構造物を覆う絶縁膜を形成する段階をさらに含み、
前記金属含有層は、前記絶縁膜上に形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項３】
前記絶縁膜上に前記導電性構造物を部分的に露出するコンタクトホールを形成する段階をさらに含み、
前記金属含有層は、前記絶縁膜上、前記コンタクトホールの内面上、及び前記コンタクトホールにより露出された前記導電性構造物上に連続的に形成されることを特徴とする請求項２記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項４】
前記金属含有層は、前記金属配線層を形成する物質が前記絶縁膜に拡散されることを防止する拡散防止膜を含むことを特徴とする請求項２記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項５】
前記金属含有層は、金属層、金属化合物層またはこれらの混合層からなり、
前記金属層は、タングステン、チタン、またはタンタルを含み、
前記金属化合物層は、窒化タングステン、窒化チタン、または窒化タンタルを含むことを特徴とする請求項４記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項６】
前記金属含有層及び前記金属シード層を形成する段階は、原子層蒸着工程、スパッタリング工程、サイクリック化学気象蒸着工程により遂行されることを特徴とする請求項１記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項７】
前記接触層を形成する段階は、
前記補助金属の塩及び前記補助金属より還元力の弱い可溶性還元剤の混合物からなるメッキ溶液を利用して前記基板の周辺部を前記補助金属に無電解メッキさせる段階と、
前記基板の周辺部を後洗浄処理して前記基板の周辺部に残留するメッキ溶液を除去する段階と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項８】
前記基板の周辺部を無電解メッキさせる段階は、
前記基板を回転チャックに固定する段階と、
前記メッキ溶液が貯蔵される保存槽と接続された噴射ノズルを前記基板の周辺部の上部に移動させる段階と、
前記メッキ溶液を前記噴射ノズルに噴射しつつ、前記基板を回転させる段階と、
を含むことを特徴とする請求項７記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項９】
前記基板の周辺部を無電解メッキさせる段階は、
前記メッキ溶液が貯蔵された保存槽に前記基板の周辺部を侵漬させる段階と、
前記基板の周りに沿って前記保存槽を回転させる段階と、
を含むことを特徴とする請求項７記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項１０】
前記補助金属は、銅、ニッケル、コバルト、及びパラジウムからなるグループより選択されるいずれかの１つを含み、
前記還元剤は、水素化ホウ素ナトリウム、次亜リン酸塩ナトリウム、ホルマリン、硫酸塩ヒドラジン、ギ酸塩、ジメチルアミンボラン、ジエチルアミンボラン、トリエチルアミンボラン、及びこれらの化合物からなるグループより選択されたいずれかの１つを含むことを特徴とする請求項７記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項１１】
前記金属シード層及び前記接触層は、同一の物質に形成されることを特徴とする請求項７記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項１２】
前記基板の周辺部を後洗浄する段階は、前記基板の周辺部に純水を供給する段階を含むことを特徴とする請求項７記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項１３】
前記基板の周辺部に対する無電解メッキ工程を遂行する前に、
前記基板の周辺部を前洗浄処理して前記金属シード層上に形成された自然酸化膜を除去する段階と、
前記基板の周辺部に形成された前記金属シード層を活性化させる段階と、
前記基板の周辺部の前記金属シード層上にメッキ核を形成する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項７記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項１４】
前記金属シード層を活性化させる段階は、前記金属シード層をプラズマ処理して前記金属シード層の表面エネルギーを活性化させる段階を含むことを特徴とする請求項１３記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項１５】
前記プラズマ処理は、窒素、水素、酸素、及びアルゴンからなる群より選択されるいずれかの１つを含むガスを利用して実施することを特徴とする請求項１４記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項１６】
前記メッキ核を形成する段階は、前記金属シード層を構成する物質よりイオン化傾向が小さい核形成物質を具備する水溶液に表面エネルギーが増加した前記金属シード層を浸漬させて、前記核形成物質が前記金属シード層の表面に析出されることを特徴とする請求項１４記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項１７】
前記核形成物質は、パラジウムを含むことを特徴とする請求項１６記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項１８】
前記前洗浄処理は、前記基板の周辺部にアルカリ性溶液を噴射することを特徴とする請求項１３記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項１９】
前記アルカリ性溶液は、リンゴ酸またはマロン酸を含むことを特徴とする請求項１８記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項２０】
前記金属配線層を形成した後、
前記金属含有層及び前記金属配線層を除去してコンタクトプラグを形成する段階と、
前記コンタクトプラグ上に保護膜を形成する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【請求項２１】
前記保護膜を形成する段階は、置換メッキにより銀箔膜を形成する段階を含むことを特徴とする請求項２０記載の半導体素子用金属配線の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属配線の形成方法に関する。より詳しくは、半導体素子用金属配線の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置において、トランジスタのような個別素子（ｄｉｓｃｒｅｔｅ  ｄｅｖｉｃｅｓ）を電気的に接続させるために、金属配線が必需的に要求される。従来は、このような半導体素子用金属配線としてアルミニウムを最も多く利用し、半導体基板の全面に形成されたアルミニウム膜を写真エッチング工程でパターニングして形成した。
【０００３】
しかし、最近の半導体素子に対する高集積化傾向は、配線の断面積が減少し、長さは増加して配線の電気抵抗が大きく増加するという問題点が生じる。これにより、金属配線の信頼性を向上させることが配線工程の重要な問題として扱われており、このような理由によって従来のアルミニウム配線に代わり、銅配線が半導体素子用金属配線として広く使われている。銅は、アルミニウムに比べて電気抵抗が少なく、電子遷移（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｇｒａｔｉｏｎ；ＥＭ）に対する抵抗が優れていて、配線の微細化と高集積化の実現に有利である。
【０００４】
銅はエッチング工程によりパターニングしにくいため、銅配線を形成するためにダマスク工程が広く利用されている。トランジスタなどの素子或いは下部配線を具備する半導体基板に層間絶縁膜を形成し、層間絶縁膜の上面に下部配線または素子の端子を現すための配線溝またはコンタクトホールを部分的に形成する。銅拡散を防止するための拡散防止膜を形成した後、配線溝とコンタクトホールとが形成された基板上に銅を蒸着する。その後、層間絶縁膜の上面に積もった銅膜と拡散防止膜を化学機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ＣＭＰ）工程或いはエッチングバッグを通じて除去し、金属配線とコンタクトプラグを形成する。
【０００５】
この際、前記層間絶縁膜の上部に前記銅膜を形成するために化学気象蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）、物理気象蒸着（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＰＶＤ）、無電解メッキ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ  ｐｌａｔｉｎｇ；ＥＬＰ）、及び電解メッキ（ｅｌｅｃｔｒｏ  ｐｌａｔｉｎｇ；ＥＰ）技術などが知らされているが、価格競争力と配線形成の特性が優秀な電解メッキ技術が最も広く利用されている。前記電解メッキ技術は単純な電気化学的な作用を利用することによりＰＶＤ水準の不純物含量を有する銅膜を得ることができ、結晶性面においては粒界が小さく、細かい格子面（１１１面）への成長が容易であるため、電子遷移（ＥＭ）に対する抵抗性の優れた銅配線を形成することができる。
【０００６】
従来の電解メッキ工程によると、前記拡散防止膜及び銅シード膜が形成された半導体基板をクラムシェル（ｃｌａｍ  ｓｈｅｌｌ）に固定し、前記クラムシェルとメッキ液を提供するアノードチャンバーとを結合して前記基板の表面へメッキ液を供給する。メッキ工程が進行される間、前記基板はカソード端子と接触して陰極に帯電され、前記メッキ液に溶解された銅イオンが前記基板の表面から析出されて銅膜が形成される。
【０００７】
しかし、前記カソード端子と前記基板の銅シード膜が接触する接触部で、前記銅シード膜がエッチングされて銅の蒸着均一度が低下する問題点が発生する。
【０００８】
図１は、従来の銅配線を形成するための電解メッキ設備を概略的に示す構成図である。
【０００９】
図１を参照すると、銅配線を形成するための電解メッキ設備は、銅イオンを利用して基板の表面に電気メッキを実行する電気メッキセル（ｅｌｅｃｔｒｏ  ｐｌａｔｉｎｇ  ｃｅｌｌ）９０と、電気メッキによる銅膜が形成された基板Ｗを洗浄するための図示しないリンスセル（ｒｉｎｓｅ  ｃｅｌｌ）と、を含む。電気メッキセル９０は、電解メッキが遂行される対称基板が位置するクラムシェル（ｃｌａｍ  ｓｈｅｌｌ）１０と基板Ｗの表面へメッキ核を供給するアノードチャンバー（ａｎｏｄｅ  ｃｈａｍｂｅｒ）２０とに区分される。
【００１０】
クラムシェル１０は、電気メッキにより形成される銅膜のサイズを決定するリップシール（Ｌｉｐ  ｓｅａｌ）１２及びリップシール１２と一体に形成されて基板Ｗにメッキ用電流を提供するカソード端子１４を含む。アノードチャンバー２０は、リップシール１２と対応して配置される壁体２１、底面に配置された銅アノード電極（ａｎｏｄｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）２２、底部の中央を貫通するメッキ液導入管（ｐｌａｔｉｎｇ  ｉｎｌｅｔ）２３、上部に配置されたアノード膜（ａｎｏｄｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）２４、及び拡散膜（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）２５を含む。
【００１１】
基板Ｗをカソード端子１４と接触するようにクラムシェル１０に固定して、クラムシェル１０とアノードチャンバー２０とを結合する。カソード端子１４及びアノード電極２２に電源を供給すると、基板Ｗは陰極を帯電されて前記メッキ液は両極に帯電される。従って、前記メッキ液の導入管２３を通じて供給されるメッキ液Ｓの銅イオンは電気分解作用により基板Ｗの表面から析出されて基板Ｗの表面に銅膜を形成する。クラムシェル１０に供給されたメッキ液Ｓは、排出通路３２を通じて排出される。
【００１２】
電解メッキ工程において銅の均一蒸着のためには、基板Ｗとシード層との間の接触抵抗が一定に維持されて基板Ｗにおいての電流の密度が均一に形成されることが要求される。しかし、金属系列の物質からなるカソード端子１４と接触するシード層は、バイポーラー効果により部分的にエッチングされてメッキ工程が進行される間、カソード端子１４と基板Ｗとの電気的接触が遮断される。これによって、基板Ｗ表面においての電流の密度が不均一に形成されて銅の析出量が不均一になり、これは銅膜の品質を低下させる原因として作用する。
【００１３】
図２は図１に開始された電解メッキ設備に具備されるカソード端子を図示する斜視図であり、図３は前記カソード端子と基板の接触状態を示す断面図である。
【００１４】
図２及び図３を参照すると、カソード端子１４は、基板Ｗの側部と接触してリング（ｒｉｎｇ）形状を有するボディ１４ａ及びボディ１４ａの下部から前記リングの中心部に向かって突出した多数のコンタクトノド１４ｂを含む。コンタクトノド１４ｂは、金属系列の物質からなる導電体で構成され、下部のリップシール１２と一体に形成される。基板Ｗは、コンタクトノド１４ｂ上に配置され、下面はコンタクトノド１４ｂと接触し、側部はボディ１４aと接触する。
【００１５】
拡散防止膜Ｌ１及びシード膜Ｌ２上に蒸着される銅膜Ｌ３は、リップシール１２の直径によりサイズが決まり、カソード端子１４と接触する基板の接触部ＣＡ（ｃｏｎｔａｃｔ  ａｒｅａ）には銅膜Ｌ３が生成されない。従って、カソード端子１４は、シード膜Ｌ２と接触を維持する。この際、接触部ＣＡに形成されたシード膜Ｌ２が部分的にエッチングされてカソード端子１４との電気的接続が遮断される。これにより、基板Ｗ表面においての電流分布が不均一に形成される。
【００１６】
図４及び図５はシード膜Ｌ２がエッチングされない場合とエッチングされた場合に基板Ｗ表面においての電流の密度を示す図面である。
【００１７】
図４及び図５に示すように、シード膜Ｌ２が破壊されない場合には基板Ｗの前面に沿って均一に電流が分布されるが、カソード端子１４の下部に位置するシード膜Ｌ２が部分的に破壊される場合には電流密度Ｄは接触部ＣＡ付近に集中される傾向がある。
【００１８】
従って、基板Ｗに形成される銅膜Ｌ３も基板Ｗの中心部よりはリップシール１２付近で相対的により厚く形成され、膜の均一性が著しく低下される問題点が生じる。
【００１９】
このような基板Ｗ周辺部においてのシード膜Ｌ２の破壊は、素子の集積度が増加するにつれてさらに増加される傾向がある。これによって、シード膜Ｌ２の厚さは現在の１２００Åから４００〜２００Åに薄くなりつつあり、このような厚さの減少は上述したようなシード膜のエッチングによる電流密度の不均一をさらに促すことになる。
【００２０】
従って、カソード電極との接触部に位置するシード膜エッチングを防止して銅膜の均一性が向上できる電解メッキ工程技術が要求されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は、電解メッキ工程により基板上に均一な厚さを有する半導体素子用金属配線を形成する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
前記課題を達成するための本発明の一態様の半導体素子の製造方法によると、導電性構造物を含む基板上に金属層、金属化合物層またはこれらの混合層からなる金属含有層を形成する。続いて、前記金属含有層上に金属シード（ｍｅｔａｌ  ｓｅｅｄ）層を形成し、前記基板の周辺部に沿って前記金属シード層上に、前記金属シード層より電気抵抗が同一或いは小さな補助金属からなる接蝕層を形成する。前記基板を電解メッキ設備に装着して、前記接触層とカソード電極とを接続し、前記金属シード層に対して電解メッキを遂行し、前記金属含有層上に金属配線層を形成する。
【００２３】
一態様として、前記金属含有層を形成する前に、前記導電性構造物を覆う絶縁膜を形成する段階をさらに含み、前記金属含有層は前記絶縁膜上に形成されることができる。前記絶縁膜上に前記導電性構造物を部分的に露出するコンタクトホールを形成する段階をさらに含み、前記金属含有層は前記絶縁膜上、前記コンタクトホールの内面上、及び前記コンタクトホールにより露出された導電性構造物上に連続的に形成されることができる。前記金属含有層は前記金属配線層を形成する物質が前記絶縁膜に拡散されることを防止する拡散防止膜を含む。前記金属層は、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、またはタンタル（Ｔａ）を含み、前記金属化合物層は窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、または窒化タンタル（ＴａＮ）を含むことができる。前記金属含有層及び前記金属シード層を形成する段階は原子層蒸着工程、スパッタリング工程、サイクリック化学気象蒸着工程により遂行されることができる。
【００２４】
一態様として、前記接触部を形成する段階は、前記補助金属の塩及び前記補助金属より還元力の弱い可溶性還元剤の混合物からなるメッキ溶液に前記基板の周辺部を露出させて前記基板の周辺部を前記補助金属に無電解メッキさせる段階、及び前記基板の周辺部を後洗浄処理（ｐｏｓｔ-ｃｌｅａｎｉｎｇ）して前記基板の周辺部に残留するメッキ溶液を除去する段階を含む。この際、前記基板の周辺部を無電解メッキさせる段階は、前記基板を回転チャックに固定する段階、前記メッキ溶液が貯蔵される保存槽と接続された噴射ノズルを前記基板の周辺部の上部に移動させる段階、及び前記メッキ溶液を前記噴射ノズルに噴射しつつ、前記基板を回転させる段階と、を含む。他の態様として、前記基板の周辺部を無電解メッキさせる段階は、前記メッキ溶液が貯蔵された保存槽に前記基板の周辺部を侵漬させる段階及び前記基板の周りに沿って前記保存槽を回転させる段階を含むことができる。
【００２５】
一態様として、前記補助金属は、銅、ニッケル、コバルト、及びパラジウムからなるグループより選択されたいずれかの１つを含み、前記還元剤は、水素化ホウ素ナトリウム、次亜リン酸塩ナトリウム、ホルマリン、硫酸塩ヒドラジン、ギ酸塩、ジメチルアミンボラン（ＤＭＡＢ）、ジエチルアミンボラン（ＤＥＡＢ）、トリエチルアミンボラン（ＴＥＡＢ）、及びこれらの化合物からなるグループより選択されたいずれかの１つを含む。前記金属シード層及び前記接触層は、同一の物質に形成されることができる。前記基板の周辺部を後洗浄する段階は、前記基板の周辺部に純水（ｐｕｒｅ  ｗａｔｅｒ）を供給して遂行する。
【００２６】
一態様として、前記メッキ溶液に前記基板の周辺部を露出させる前に、前記基板の周辺部を前洗浄（ｐｒｅ-ｃｌｅａｎｉｎｇ）処理して前記金属シード層上に形成された自然酸化膜を除去する段階、前記基板の周辺部に形成された前記金属シード層を活性化させる段階、及び前記基板の周辺部の前記金属シード層上にメッキ核を形成する段階をさらに含むことができる。この際、前記金属シード層を活性化させる段階は、前記金属シード層をプラズマ処理して前記金属シード層の表面エネルギーを活性化させる段階を含み、前記プラズマ処理は、窒素、水素、酸素、及びアルゴンからなる群より選択されるいずれかの１つを含むガスを利用して実施される。前記メッキ核を形成する段階は、前記金属シード層を構成する物質とイオン化傾向の差が大きい接着物質の水溶液に表面エネルギーが増加した前記金属シード層を浸漬させて、前記接着物質が前記金属シード層の表面に置換反応により析出される段階を含む。前記接着物質はパラジウム（Ｐａ）を含み、前記前洗浄処理は、前記基板の周辺部にリンゴ酸またはマロン酸のようなアルカリ性溶液を噴射して遂行できる。
【００２７】
一態様として、前記金属配線層を形成した後、前記金属含有層及び前記金属配線層を除去してコンタクトプラグを形成する段階、及び前記コンタクトプラグ上に保護膜を形成する段階をさらに含むことができる。前記保護膜を形成する段階は、置換メッキにより銀箔膜を形成する段階を含むことができる。
【発明の効果】
【００２８】
前述のような本発明によると、電解メッキにより前記基板の接触部ＣＡに前記金属シード膜と電気抵抗が同じであるかまたは小さい物質で形成された接触層を形成して前記接触部ＣＡにおける金属シード膜の厚さを増加させる。これによって、基板の表面における電流の密度を一定に形成して電解メッキにより形成される銅膜の厚さが不均一に形成されることが防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。
【００３０】
本発明は、多様な変更を加わることができるため、特定実施例を図面に例示して本文に詳細に説明しようとする。しかし、これは本発明を特定な開示形態に対して限定しようとすることではなく、本発明の思想及び技術範囲内に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むことと理解されるべきである。各図面を説明しながら類似の参照符号を類似の構成要素に使用した。
【００３１】
第１、第２などの用語は多用な構成要素を説明するに使われることができるが、前記構成要素は前記用語によって限定されてはならない。前記用語は１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使用される。例えば、本発明の権利範囲内で、第１構成要素は第２構成要素に命名されることができ、類似に、第２構成要素も第１構成要素に命名されることができる。
【００３２】
本出願において使用された用語は、ただ、特定の実施例を説明するために使用されたもので、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上において明白に異なる意味を持たない限り、複数の表現を含む。本出願で、「含む」または「有する」などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品、またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとすることであって、１つまたはそれ以上の別の特徴あるいは数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないことと理解されるべきである。
【００３３】
別に定義されない限り、技術的或いは科学的な用語を含め、ここで使用される全ての用語を本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者により一般的に理解されることと同一の意味を有している。一般的に使用される辞典において定義されているものと同じ用語は関連技術の文脈上で有する意味と一致する意味を有することと解釈されるべきであり、本出願において明白に定義しない限り、理想的であるか或いは過度に形式的な意味として解釈されない。
【００３４】
（一実施例）
図６乃至図１１は、本発明の一実施例による半導体素子用金属配線の形成方法の工程段階を示す断面図である。
図６を参照すると、図示しない導電性構造物を含む基板１００上に前記導電性構造物を覆う層間絶縁膜１２０を形成し、層間絶縁膜１２０上に、金属層、金属化合物層またはこれらの混合層で構成される金属含有層１３０を形成する。
【００３５】
一実施例で、前記導電性構造物は、半導体メモリ素子の電極構造物または下部配線を含み、層間絶縁膜１２０は除去され、前記導電性構造物の上部表面を部分的に露出する開口１２２が形成される。開口１２２は、トランジスタの電極上部を露出するコンタクトホールまたは下部配線を部分的に露出するビアホールを含む。
【００３６】
金属含有層１３０は、層間絶縁膜１２０の上部面、開口１２２の内側壁及び導電性構造物の上面に沿って連続に形成される。一実施例で、金属含有層１３０は、開口１２２を埋め立てる金属物質が層間絶縁膜１２０に拡散することを防止する拡散防止膜（ａｎｔｉ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）、及び開口１２２を埋め立てる金属膜と前記導電性構造物との間の電気抵抗を低下させる接着層（ｇｌｕｅ  ｌａｙｅｒ）とを具備する障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ  ｌａｙｅｒ）を含む。例えば、前記接着層は、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、またはタンタル（Ｔａ）を含み、前記拡散防止膜は、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、または窒化タンタル（ＴａＮ）を含むことができる。
【００３７】
図７を参照すると、金属含有層１３０上に金属シード膜１４０を形成する。一実施例で、金属シード膜１４０は、開口１２２を具備する層間絶縁膜１２０の枠に沿って金属含有層１３０の表面に沿って形成される。後続の電解メッキ工程は、基板１００に供給される電流の強さに比例するので、基板１００全面を通じて均一な金属膜を形成するためには電流の強さが均一に分布されるべきである。金属シード膜１４０は、電解メッキ設備のクラムシェル（ｃｌａｍ  ｓｈｅｌｌ）１０に配置されたカソード電極からカソード電流の供給を受けて基板１００の全面を通じて均一に分布し、メッキ液から蒸着金属を析出するメッキ核として機能する。一方、金属が析出した後には、形成された金属膜とともに金属配線膜として機能するので、金属膜との接触抵抗が小さいことが要求される。よって、金属シード膜１４０はメッキされる金属と同一であるか、あるいは低い電気抵抗を有する。本実施例で、金属シード膜１４０は銅を含む。
【００３８】
一実施例で、金属含有層１３０及び金属シード膜１４０を形成する段階は、原子層蒸着工程、スパッタリング工程、サイクリック化学気相蒸着工程などによって行うことができる。
【００３９】
図８を参照すると、基板１００の周辺部に沿って金属シード膜１４０上に金属シード膜１４０より電気抵抗が同一であるかあるいは小さい補助金属からなる接触層１５０を形成する。
【００４０】
一実施例で、基板１００の周辺部は、電解メッキ設備のカソード端子と接触する接触部（図３のＣＡ）を含む。即ち、基板１００が電解メッキ設備に装着される場合、基板１００にカソード電流を印加するためのカソード端子と物理的に接触する接触部を含み、前記カソード端子と物理的に接触する。金属シード膜１３０の表面から約１０００Å〜１５００Åの厚さを有するように形成され、メッキ工程が完了する期間、接触層１５０がエッチングによって除去されても下部に位置する金属シード膜１３０が損傷することを防止でき、これによって金属シード膜１３０を通じて基板１００全体に均一に電流分布を形成することができる。
【００４１】
一実施例で、接触層１５０は、基板１００についてのメッキ工程を行う前に別途の設備で無電解メッキ工程を通じて形成することができる。例えば、金属含有層１３０及び金属シード膜１４０の形成された基板１００を無電解メッキ工程の図示しない工程チャンバーに固定し、基板１００の周辺部を前記補助金属の塩を含むメッキ溶液に露出させることで金属シード膜１４０の表面に接触層１５０を形成することができる。
【００４２】
具体的には、金属含有層１３０及び金属シード膜１４０の形成された基板１００を無電解メッキ設備の図示しない回転チャックに固定させる。基板１００の周辺部を前洗浄（ｐｒｅ−ｃｌｅａｎｉｎｇ）処理して金属シード膜１４０上に形成された自然酸化膜を除去する。その後、基板１００の周辺部に形成された金属シード層１４０を活性化し、基板１００周辺部の金属シード層１４０上にメッキ核（ｐｌａｔｉｎｇ  ｎｕｃｌｅａｒ）を形成する。一実施例で、金属シード層１４０を活性化する段階は、金属シード層１４０をプラズマ処理して金属シード層１４０の表面エネルギーを活性化する段階を含むことができる。ここで、前記プラズマ処理は、窒素、水素、及びアルゴンからなる群より選択される一種を含むガスを用いて行うことができる。メッキ核を形成する段階は、金属シード層１４０を構成する物質よりイオン化傾向の小さい核形成物質としての接着物質の水溶液に表面エネルギーが増加した金属シード層１４０を浸漬して、前記接着物質を金属シード層１４０の表面に析出させる工程を含む。例えば、前記接着物質はパラジウム（Ｐａ）を含むことができ、前記前洗浄処理は前記基板の周辺部にリンゴ酸及びマロン酸のようなアルカリ性溶液を噴射して行うことができる。
【００４３】
前記前洗浄処理、金属シード膜の活性化段階、及び前記メッキ核の形成工程は、選択的であり、個別的な工程条件によって省略することができることは自明である。特に、金属シード膜１４０と接触層１５０とが同一の物質で形成される場合には、必ずしも行う必要がないことは自明である。
【００４４】
その後、前記メッキ溶液の保存された図示しない保存槽と連結された噴射ノズルを基板１００周辺部の上部に移動させる。基板１００を回転し、かつ、噴射ノズルを通じて前記メッキ溶液を噴射する。これによって、基板１００周辺部（図３のＣＡ）から前記補助金属が析出し、接触層１５０が金属シード膜１４０の表面に沿って帯様態に形成される。
【００４５】
ここで、接触層１５０は、金属シード膜１４０の電気抵抗と同一であるかあるいは小さい電気抵抗を有する。これによって、金属シード膜１４０と接触層１５０との接触抵抗を一定の誤差範囲内に減少させることができ、基板１００全体に形成されるカソード電流の密度を一定に維持することができる。即ち、基板１００の表面に印加されるカソード電流は、カソード端子から接触層１５０と金属シード層１４０を経由して印加されるが、基板１００表面における電流密度は、金属シード層１４０を経由して印加される場合と比較して実質的に同一である。
【００４６】
一実施例で、前記メッキ溶液は、前記補助金属の塩および前記補助金属より還元力の弱い可溶性還元剤の混合物で構成され、金属シード膜１４０の表面で自己触媒型酸化還元反応によって前記補助金属が析出する。ここで、前記補助金属は、銅、ニッケル、コバルト、及びパラジウムからなる群より選択される一種を含み、前記還元剤は、水素化ホウ素ソーダ、次亜リン酸ソーダ、ホルマリン、ホルマリンアルデヒド、硫酸ヒドラジン、ギ酸塩、ジメチルアミンボラン（ＤＡＭＢ）、ジエチルアミンボラン（ＤＥＡＢ）、トリエチルアミンボラン（ＴＥＡＢ）、及びこれらの化合物からなる群から選択された一種を含むことができる。本実施例の場合、半導体素子用金属配線として機能するので、導電性の優秀な銅で金属シード膜１４０及び接触層１５０を形成することができる。
【００４７】
例えば、メッキ溶液が銅の塩として分子量２４９．６９であって、５分子の結晶水を有する硫酸銅（ＣｕＳＯ4・５Ｈ2Ｏ）溶液を用い、還元剤としてアルカリ性溶液であるホルマリンを用いることができる。ホルマリンは、４０％のホルムアルデヒド水溶液であって強い還元力を有する。硫酸銅水溶液とホルマリンとの混合物からなる前記メッキ溶液は、金属シード膜１４０の表面で下記のような還元反応によって銅を析出して金属シード膜１４０の厚さを増加させることができる。
Ｃｕ2+＋２ＨＣＨＯ＋４ＯＨ−  →  Ｃｕ＋２ＨＣＯＯ−＋２Ｈ+＋２Ｈ2Ｏ
【００４８】
本実施例では、銅を用いる自己触媒型化学還元メッキ工程を開示しているが、非触媒型化学還元メッキ工程や置換メッキ工程のように外部から電源の供給を受けず金属をメッキする方法であれば多様に適用することができることは自明である。また、金属シード膜１４０の種類によって接触層１５０の種類も変わり、接触層１５０の補助金属及び工程条件によって無電解メッキ工程の種類も変わることは自明である。
【００４９】
接触層１５０を形成するための無電解メッキ工程が完了すると、基板１００の周辺部の後洗浄処理（ｐｏｓｔ−ｃｌｅａｎｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）を行い、基板１００の周辺部に残留するメッキ溶液を除去する。一実施例で、基板１００の周辺部に純水（ｐｕｒｅ  ｗａｔｅｒ）を供給して前記後洗浄処理を行うことができる。ここで、熱処理工程を付加することで無電解メッキ工程によって蒸着された接触層１５０を金属シード膜１４０上に安定化させることができる。
【００５０】
他の実施例で、基板１００の周辺部に対する無電解メッキ工程は前記メッキ溶液の保存された保存槽に基板１００の周辺部を浸漬させ、基板１００の周りに沿って前記保存槽を回転させることで行うことができる。
【００５１】
図９を参照すると、金属シード膜１４０及び接触層１５０とを含む基板１００を電解メッキ設備のクラムシェル５００に装着して接触層１５０とカソード端子５４０とを連結する。
【００５２】
一実施例で、前記電解メッキ設備は、銅イオンのような金属イオンを用いて金属シード膜１４０の表面に電気メッキを行う電気メッキセル（ｅｌｃｔｒｏ  ｐｌａｔｉｎｇ  ｃｅｌｌ）９００と電気メッキによって銅膜の形成された基板１００を洗浄するための図示しないリンスセル（ｒｉｎｓｅ  ｃｅｌｌ）とを含む。電気メッキセル９００は、電解メッキを行う対象の基板１００が位置するクラムシェル５００と基板１００の表面に電解メッキ用メッキ液を供給するアノードチャンバー（ａｎｏｄｅ  ｃｈａｍｂｅｒ）６００とに区分する。
【００５３】
クラムシェル５００は、電気メッキによって形成される金属膜のサイズを決定するリップシール（Ｌｉｐ  ｓｅａｌ）５２０およびリップシール５２０と一体に形成されて基板１００にメッキ用電流を提供するカソード端子５４０を含む。アノードチャンバー６００は、リップシール５２０と対応するように配置される壁体６１０、底面に配置された銅アドード電極（ａｎｏｄｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）６２０、底部の中央を貫通するメッキ液導入管（ｐｌａｔｉｎｇ  ｉｎｌｅｔ）６３０、上部に配置されたアノードメンブレイン（ａｎｏｄｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）６４０、及び拡散板（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）６５０を含む。
【００５４】
基板１００をクラムシェル５００に固定し、接触層１５０とカソード端子５４０とを互いに接触させ、クラムシェル５００とアノードチャンバー６００とを結合して接触層１５０を具備する基板１００を電解メッキ設備に装着する。これによって、カソード端子５４０は、金属シード膜１４０上に形成された接触層１５０と物理的に接触して、後述するような電解メッキ工程が行う期間、金属シード膜１４０の損傷を防止する。
【００５５】
メッキ液導入管６３０を通じて電解メッキ用メッキ液Ｓを供給し、カソード端子５４０及びアノード電極６２０に電源を供給すると、基板１００は負極に帯電され、電解メッキ用メッキ液は正極に帯電される。よって、電解メッキ用メッキ液Ｓの金属イオンは電気分解作用によって基板１００の表面から析出され、金属含有層１３０の表面に図１０に示したような金属配線層１６０を形成する。クラムシェル５００に供給された電解メッキ用メッキ液Ｓは、排出通路７２０を通じて排出される。
【００５６】
図１１を参照すると、接触層１５０及び金属配線層１６０を除去して開口１２２の内部にのみ金属配線層１６０を残留させる。これによって、開口１２２の内部にコンタクトプラグ１６０ａを形成する。接触層１５０は、湿式エッチングによって除去することができ、金属配線層１６０は、化学機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ＣＭＰ）工程のような平坦化工程によって除去することができる。望ましくは、コンタクトプラグ１６０ａ上に保護膜１７０を形成してコンタクトプラグ１６０ａが空気中の酸素と反応して酸化することを防止することができる。例えば、保護膜１７０は、置換メッキ方式の無電解メッキ工程を用いて形成された銀薄膜を含む。一実施例で、金属配線層１６０は、伝導性の優秀な銅膜で形成され銅コンタクトプラグが形成される。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
前述したように、本発明の望ましい実施例によると、基板１００の周辺部で電解メッキ設備のカソード端子５４０と接触する金属シード膜１４０の厚さを向上させることで、電解メッキ工程中に金属シード膜１４０がエッチングされることを防止することができる。これによって、基板１００の表面に形成される金属配線層１６０の均一度を向上させることができる。
【００５８】
以上、本発明の実施例によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離脱することなく、本発明を修正または変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】従来例による銅配線を形成するための電解メッキ設備を概略的に示す説明図である。
【図２】従来例による電解メッキ設備に具備されるカソード端子１４を示す斜視図である。
【図３】従来例によるカソード端子１４と基板Ｗの接触状態を示す断面図である。
【図４】従来例によるシード膜Ｌ２がエッチングされていない場合の基板表面における電流密度を示す図である。
【図５】従来例によるシード膜Ｌ２がエッチングされた場合の基板表面における電流密度を示す図である。
【図６】本発明の一実施例による半導体素子用金属配線の形成方法の工程段階を示す断面図である。
【図７】本発明の一実施例による半導体素子用金属配線の形成方法の工程段階を示す断面図である。
【図８】本発明の一実施例による半導体素子用金属配線の形成方法の工程段階を示す断面図である。
【図９】本発明の一実施例による半導体素子用金属配線の形成方法の工程段階を示す断面図である。
【図１０】本発明の一実施例による半導体素子用金属配線の形成方法の工程段階を示す断面図である。
【図１１】本発明の一実施例による半導体素子用金属配線の形成方法の工程段階を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１００：基板、１２０：層間絶縁膜、１２２：開口、１３０：金属含有層、１４０：金属シード膜、１５０：接触層、１６０：金属配線層、１７０：保護膜、５００：クラムシェル、５２０：リップシール、５４０：カソード端子、６００：チャンバー、６１０：壁体、６２０：アノード電極、６３０：導入管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図４】
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【図５】
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