特表 2024-535232 金属配線における拡散層

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-09-30

(54)【発明の名称】金属配線における拡散層

(51)【国際特許分類】

   C23C 18/42 20060101AFI20240920BHJP

   C23C 18/31 20060101ALI20240920BHJP

   H01L 21/3205 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

C23C18/42

C23C18/31 Z

H01L21/88 T

H01L21/88 M

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024516434

(86)(22)【出願日】2022-09-09

(85)【翻訳文提出日】2024-05-02

(86)【国際出願番号】 US2022043089

(87)【国際公開番号】W WO2023043678

(87)【国際公開日】2023-03-23

(31)【優先権主張番号】17/474,394

(32)【優先日】2021-09-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】390040660

【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ

【住所又は居所原語表記】３０５０ Ｂｏｗｅｒｓ Ａｖｅｎｕｅ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ ＣＡ ９５０５４ Ｕ．Ｓ．Ａ．

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】バーグマン， エリック ジェー．

(72)【発明者】

【氏名】クロッケ， ジョン エル．

(72)【発明者】

【氏名】ベルント， マーヴィン エル．

(72)【発明者】

【氏名】リアント， プラユディ

【テーマコード（参考）】

4K022

5F033

【Ｆターム（参考）】

4K022AA02

4K022AA31

4K022AA42

4K022BA01

4K022BA03

4K022BA18

4K022BA28

4K022DA01

4K022DB01

4K022DB04

4K022DB07

5F033HH03

5F033HH07

5F033HH13

5F033HH14

5F033JJ01

5F033KK08

5F033KK11

5F033KK19

5F033PP27

5F033PP28

5F033QQ48

5F033VV07

(57)【要約】

例示的なめっき方法が記載されている。本方法は、パターン基板をめっきチャンバ内のめっき浴と接触させることを含み得る。パターン基板は、めっき浴に曝露される接触面を有する少なくとも１つの金属配線を含む。金属配線は、第１の還元電位を特徴とする第１の金属でできている。本方法は更に、金属配線の接触面に拡散層をめっきすることを含む。拡散層は、金属配線の第１の金属の第１の還元電位よりも高い第２の還元電位を特徴とする第２の金属でできている。めっき浴はまた、第２の金属の１又は複数のイオンと、拡散層におけるピンホール欠陥の形成を低減する結晶粒微細化化合物とを含む。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

めっき方法であって、
パターン基板をめっきチャンバ内のめっき浴と接触させることであって、前記パターン基板は、前記めっき浴に曝露される接触面を有する少なくとも１つの金属配線を含み、前記金属配線は、第１の還元電位を特徴とする第１の金属でできている、パターン基板をめっきチャンバ内のめっき浴と接触させることと、
前記金属配線の前記接触面に拡散層をめっきすることであって、前記拡散層は、前記少なくとも１つの金属配線の前記第１の金属の前記第１の還元電位よりも高い第２の還元電位を特徴とする第２の金属でできている、前記金属配線の前記接触面に拡散層をめっきすることと
を含み、
前記めっき浴は、前記第２の金属の１又は複数のイオンと、前記拡散層におけるピンホール欠陥の形成を低減する結晶粒微細化化合物とを含む、めっき方法。

【請求項2】

前記少なくとも１つの金属配線の前記第１の金属は銅である、請求項１に記載のめっき方法。

【請求項3】

前記拡散層の前記第２の金属は、銀、金、白金、パラジウム、及びゲルマニウムからなる群から選択される、請求項１に記載のめっき方法。

【請求項4】

前記結晶粒微細化化合物は、グリオキシル酸又はエチレンジアミン四酢酸を含む、請求項１に記載のめっき方法。

【請求項5】

前記結晶粒微細化化合物は、前記めっき浴中の濃度が約０．０５Ｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のめっき方法。

【請求項6】

前記めっき浴は更に、イミダゾール又はスクシンイミドを含む少なくとも１つの安定剤化合物を含む、請求項１に記載のめっき方法。

【請求項7】

前記拡散層は、無電解めっきにより前記金属配線の前記接触面にめっきされる、請求項１に記載のめっき方法。

【請求項8】

前記めっき浴は、前記拡散層のめっき中の温度が約２５℃以下であることを特徴とする、請求項１に記載のめっき方法。

【請求項9】

めっき方法であって、
パターン基板をめっきチャンバ内のめっき浴に接触させることであって、前記パターン基板は、前記めっき浴に曝露される接触面を有する少なくとも１つの銅配線を含む、パターン基板をめっきチャンバ内のめっき浴に接触させることと、
前記銅配線の前記接触面に拡散層をめっきすることであって、前記拡散層は銀でできている、前記銅配線の前記接触面に拡散層をめっきすることと
を含み、
前記めっき浴は、前記拡散層のめっき中の温度が約２５℃以下であることを特徴とする、めっき方法。

【請求項10】

前記めっき浴は、銀イオンの濃度が約０．０１Ｍ以下であることを特徴とする、請求項９に記載のめっき方法。

【請求項11】

前記拡散層は、前記銅配線の前記接触面に約１ｎｍ／分以下の速度でめっきされる、請求項９に記載のめっき方法。

【請求項12】

前記拡散層は、厚さが約１０ｎｍ以下であることを特徴とし、前記拡散層にはピンホール欠陥がない、請求項９に記載のめっき方法。

【請求項13】

前記めっき浴は更に、グリオキシル酸及びエチレンジアミン四酢酸からなる群から選択される結晶粒微細化化合物を含む、請求項９に記載のめっき方法。

【請求項14】

前記めっき浴は更に、イミダゾール又はスクシンイミドを含む少なくとも１つの安定剤化合物を含む、請求項９に記載のめっき方法。

【請求項15】

集積回路デバイス構造であって、
パターン基板に形成された少なくとも１つの銅カラムと、
前記銅カラムの上面と接触している金属拡散層であって、厚さが約１０ｎｍ以下であることを特徴とし、ピンホール欠陥がない、金属拡散層と
を備える、集積回路デバイス構造。

【請求項16】

前記金属拡散層は、銀、金、白金、パラジウム、及びゲルマニウムからなる群から選択される金属を含む、請求項１５に記載の集積回路デバイス構造。

【請求項17】

前記銅カラムは、ナノ双晶構造を特徴とする銅を含む、請求項１５に記載の集積回路デバイス構造。

【請求項18】

前記金属拡散層は、平均表面粗さが約０．５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１５に記載の集積回路デバイス構造。

【請求項19】

前記銅カラムの上面は、前記上面の中央部と周辺部との間の高さの差が約１ｎｍ以下である平坦な形状を特徴とする、請求項１５に記載の集積回路デバイス構造。

【請求項20】

前記パターン基板はシリコンを含む、請求項１５に記載の集積回路デバイス構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
［０００１］本出願は、２０２１年９月１４日出願の米国特許出願第１７／４７４，３９４号の利益を主張するものであり、その開示内容を全て、参照により本明細書に援用する。

【0002】

［０００２］本技術は、半導体処理における無電解めっき工程に関する。より具体的には、本技術は、半導体構造及び半導体パッケージングにおける銅含有配線の表面上の金属拡散層の無電解めっきを行うシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0003】

［０００３］集積回路は、基板表面に複雑にパターニングされた材料層を形成するプロセスによって実現される。基板上の形成、エッチング、及び他の処理の後、金属又は他の導電性材料が、構成要素間の電気的接続を提供するために、しばしば堆積又は形成される。このメタライゼーションは、多くの製造工程の後に行われ得るため、メタライゼーション中に問題が発生すると、高価な廃棄基板又はウエハが生じる可能性がある。

【0004】

［０００４］無電解めっきは、ウエハのターゲット側を液体めっき浴に接触させるめっきチャンバで実施され得る。めっき浴中の金属イオンは、めっき浴中の金属イオンよりも低い還元電位を有する金属を含む露出した金属表面に沈着し、下層の金属表面にめっき金属層を形成する。多くの場合、めっき浴中の金属イオンは、露出した金属表面の核形成部位の周囲に堆積し、その部位間に、めっき金属をほとんど含まない、又は全く含まない中間領域が残る。このようなめっき金属量のばらつきは、めっき工程を困難にし、中でもピンホール欠陥及び過剰な表面粗さを有する堆積金属層が生じる可能性がある。

【0005】

［０００５］したがって、高品質のデバイス及び構造を製造するために使用できる改良されたシステム及び方法が必要とされている。これら及び他のニーズは、本技術によって対処される。

【発明の概要】

【0006】

［０００６］本技術の実施形態は、パターン基板をめっきチャンバ内のめっき浴と接触させることを含むめっき方法を含む。パターン基板は、めっき浴に曝露される接触面を有する少なくとも１つの金属配線を含む。金属配線は、第１の還元電位を特徴とする第１の金属でできている。本方法は更に、金属配線の接触面に拡散層をめっきすることを含む。拡散層は、金属配線の第１の金属の第１の還元電位よりも高い第２の還元電位を特徴とする第２の金属でできている。めっき浴はまた、第２の金属の１又は複数のイオンと、拡散層におけるピンホール欠陥の形成を低減する結晶粒微細化化合物とを含む。

【0007】

［０００７］更なる実施形態では、少なくとも１つの金属配線の第１の金属は銅である。更なる実施形態では、拡散層の第２の金属は、銀、金、白金、パラジウム、及びゲルマニウムからなる群から選択される。また更なる実施形態では、結晶粒微細化化合物は、グリオキシル酸又はエチレンジアミン四酢酸を含む。また更なる実施形態では、結晶粒微細化化合物は、めっき浴中の濃度が約０．０５Ｍ以下であることを特徴とする。更なる実施形態では、めっき浴は更に、イミダゾール又はスクシンイミド（コハク酸イミド）等の少なくとも１つの安定剤化合物を含む。また更なる実施形態では、拡散層は、無電解めっきにより金属配線の接触面にめっきされる。また更なる実施形態では、めっき浴は、拡散層のめっき中の温度が約２５℃以下であることを特徴とする。

【0008】

［０００８］本技術の実施形態はまた、パターン基板をめっきチャンバ内のめっき浴に接触させることを含むめっき方法を含み、パターン基板は、めっき浴に曝露される接触面を有する少なくとも１つの銅配線を含む。本方法は更に、銅配線の接触面に拡散層をめっきすることを含む。拡散層は銀でできている。めっき浴は、拡散層のめっき中の温度が約２５℃以下であることを特徴とする。

【0009】

［０００９］更なる実施形態では、めっき浴は、銀イオンの濃度が約０．０１Ｍ以下であることを特徴とする。更なる実施形態では、拡散層は、銅配線の接触面に約１ｎｍ／分以下の速度でめっきされる。また更なる実施形態では、拡散層は厚さが約１０ｎｍ以下であることを特徴とし、拡散層にはピンホール欠陥がない。また更なる実施形態では、めっき浴は更に、グリオキシル酸及びエチレンジアミン四酢酸からなる群から選択される結晶粒微細化化合物を含む。更なる実施形態では、めっき浴は、イミダゾール又はスクシンイミド等の少なくとも１つの安定剤化合物を含む。

【0010】

［００１０］本技術の実施形態は更に、集積回路デバイスを含む。本デバイスは、パターニングされた構造に形成された少なくとも１つの銅カラムを含む。デバイスはまた、銅カラムの上面と接触している金属拡散層を含む。金属拡散層は、厚さが約１０ｎｍ以下であることを特徴とし、ピンホール欠陥がない。

【0011】

［００１１］更なる実施形態では、集積回路デバイスの金属拡散層は、銀、金、白金、パラジウム、及びゲルマニウムからなる群から選択される金属を含み得る。更なる実施形態では、銅カラムは、ナノ双晶構造を特徴とする銅を含む。また更なる実施形態では、金属拡散層は、平均表面粗さが約０．５ｎｍ以下であることを特徴とする。また更なる実施形態では、銅カラムの上面は、上面の中央部と周辺部との間の高さの差が約１ｎｍ以下である平坦な形状を特徴とする。更なる実施形態では、パターン基板はシリコンを含み得る。

【0012】

［００１２］本技術の実施形態は、金属配線の接触面に拡散層を形成することを可能にする。拡散層は、配線の対向部分を単一の金属間配線に接合する結合工程中に、接触面全体にわたる銅の拡散を増加させる。実施形態では、拡散層は、配線の対向部分の一方又は両方の接触面に無電解めっきされる金属の薄層である。拡散層中の金属は、拡散層を用いない結合工程で必要とされるよりも低い温度、接触圧力、短い時間で、接触面全体にわたる配線中の金属の拡散を促進する。これら及び他の実施形態を、それらの多くの利点及び特徴とともに、以下の説明及び添付の図面と併せてより詳細に説明する。

【0013】

［００１３］明細書の残りの部分及び図面を参照することによって、開示された実施形態の性質及び利点を更に理解することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本技術の幾つかの実施形態に係るめっきシステムを示す概略斜視図である。

【図2】本技術の幾つかの実施形態に係るめっきシステムを示す部分断面図である。

【図3】本技術の実施形態に係る、配線の接触面に拡散層をめっきする方法における例示的な工程を示す図である。

【図4A-4B】本技術の実施形態に係る、配線の接触面に拡散層のめっきが施されたパターン基板を示す概略断面図である。

【図5A-5B】本技術の実施形態に係る、金属間配線結合によって接合されるパターン基板を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

［００１９］図の幾つかは概略図として含まれている。図は説明のためのものであり、縮尺が明記されていない限り縮尺通りとみなすべきではないことを理解されたい。更に、概略図としての図は理解を助けるために提供されており、現実的な表現と比較して、全ての態様又は情報を含まない場合があり、説明のために誇張された材料を含む場合がある。

【0016】

［００２０］図において、同様の構成要素及び／又は特徴には、同じ参照ラベルが付いている場合がある。更に、同じ種類の様々な構成要素は、参照ラベルの後に類似の構成要素及び／又は特徴を区別する文字を付けることで区別され得る。本明細書で第１の参照ラベルのみを使用した場合、その説明は、接尾辞の文字に関係なく、同じ第１の数値参照ラベルを有する類似の構成要素及び／又は特徴のいずれか１つに適用可能である。

【0017】

［００２１］金属配線には、集積回路デバイスの半導体基板との間で電力及び信号を伝達する導電性の線、ピラー、及びカラムが含まれる。これらのデバイスの特徴の寸法が縮小し続けるにつれて、はんだバンプで配線を形成する従来のプロセスは、配線端の直接結合に取って代わられつつある。多くの場合、これは２５０℃を超える温度で銅製の配線接触面を直接結合することを含む。多くの種類の集積回路デバイスでは、このような銅間結合の温度は熱収支を超える可能性があり、配線形成中のデバイス損傷又は性能低下のリスクが高まる。

【0018】

［００２２］熱収支を削減する１つのアプローチは、配線接触面の一方又は両方に拡散層を形成して、接触面全体にわたる配線金属の拡散速度を高めることである。配線金属が銅である場合、拡散層は、銀、金、白金、パラジウム、及び／又はゲルマニウム等のより高い還元電位を有する別の金属でできていてよい。拡散層は、接触面全体にわたる銅の拡散に対する活性化バリアを低下させ、拡散層を用いない従来の銅間配線結合よりも、より低い温度、圧力、及び短い時間で銅間結合を形成することを容易にする。

【0019】

［００２３］接触面に形成される拡散層は、通常、接触面全体にわたる配線金属の迅速な移動を可能にする薄い層である。また、この層は平滑であり、対向する接触面間の接触表面積を減少させるピット、ヒロック、ピンホール等の空間欠陥がない。層はまた、隣接する配線間の不要な導電経路を避けるために、配線の表面上に局在化されている。

【0020】

［００２４］残念ながら、拡散層を形成する従来の方法は、多くの時間のかかるパターニング、堆積、及び除去工程を伴う。このような従来の工程には、配線の接触面への拡散層のスパッタリング、物理気相堆積、原子層堆積が含まれる。通常、これらの工程には、配線の接触面を拡散層の堆積金属に曝露するマスク層をパターン基板に形成し、パターニングすることが含まれる。その後、堆積したままの金属をエッチングして接触面以外の領域から金属及びマスキング材料を除去し、研磨して接触面に形成された金属を平滑化及び薄膜化する。

【0021】

［００２５］本技術は、複数のパターニング、堆積、及び除去の工程を、拡散層の無電解めっきに置き換える。無電解めっきプロセスの実施形態は、拡散層を形成する金属のイオンを含むめっき浴にパターン基板を接触させることを含む。金属イオンは、金属配線の露出した接触面で自然に還元して堆積金属となる。接触面に隣接する基板の表面では還元しないため、無電解堆積の前にマスク層を形成する必要がない。

【0022】

［００２６］本技術は、堆積後のエッチング及び研磨を必要とせずに、薄く平滑な拡散層の形成を促進するめっき浴の化合物及び条件も含む。実施形態では、めっき浴は、配線の接触面全体にわたるめっき金属の移動を促進する結晶粒微細化化合物を含む。これにより、接触面にめっきされる金属の核形成部位間の領域にピンホール欠陥が形成されることが防止される。また、接触面上のめっき金属の高さを均一化し、平滑な拡散層上面を形成する。更なる実施形態では、堆積速度を低下させ、接触面上により均一に堆積金属が分布するように、拡散層のめっき中のめっき浴の温度を約２５℃以下に設定する。堆積速度が低いにもかかわらず、薄い拡散層は約５分以下で接触面にめっきされ得る。

【0023】

［００２７］図１は、本技術の実施形態に係るめっき方法を実施可能なめっきシステム１００を示す概略斜視図である。めっきシステム１００は、電気めっき工程及び無電解めっき工程の両方を実施するように動作可能である。電気めっき工程では、めっきシステム１００は、基板と接触する電気めっき浴中のイオンが還元して基板にめっきされ得るように、基板に電流を供給する。無電解めっき工程では、めっきシステム１００は基板に電流を送らない。その代わりに、めっきは、イオンよりも低い標準電極電位（Ｅ°）を有する材料を含む基板の表面に接触したときのめっき浴中のイオンの自然な還元に依存する。めっきシステム１００は、システムヘッド１１０及びボウル１１５を含む例示的なめっきシステムを示している。めっき工程中、ウエハは、めっき工程を実施するために、システムヘッド１１０にクランプされ、反転され、ボウル１１５内に延在され得る。めっきシステム１００は、ヘッド１１０を上昇させ、かつ回転させるように構成され得る、又は傾斜工程を含む他の方法でシステム内にヘッドを配置するように構成され得るヘッドリフタ１２０を含んでいてよい。ヘッド及びボウルは、デッキプレート１２５、又は複数のめっきシステム１００を組み込んだより大きいシステムの一部であってよく、電解液及び他の材料を共有し得る他の構造に取り付けられていてよい。ロータにより、異なる工程において、ヘッドにクランプされた基板をボウル内又はボウル外で回転させることができる。ロータは、基板との導電性接触を提供し得るコンタクトリングを含んでいてよい。更に以下に記載するシール１３０がヘッドに接続されていてよい。シール１３０は、処理されるチャックされたウエハを含み得る。図１に、プラットフォーム上で直接洗浄される構成要素を含み得るめっきシステム１００を示す。実施形態では、めっきシステム１００は更に、構成要素洗浄のためのその場（ｉｎｓｉｔｕ）リンスシステム１３５を含む。更なる実施形態（図示せず）では、めっきシステムは、ヘッドがシール又は他の構成要素洗浄が実施される追加モジュールに移動され得るプラットフォームを備えるように構成され得る。

【0024】

［００２８］図２は、本技術の幾つかの実施形態に係るめっき装置２００を含むめっきチャンバを示す部分断面図である。めっき装置２００は、上述したシステム１００を含むめっきシステムに組み込むことができる。図２に示すように、めっきシステムのめっき浴２０５が、ヘッドに結合された基板２１５を有するヘッド２１０と共に示される。図示の実施形態では、基板は、ヘッド２１０に組み込まれたシール２１２に結合される。リンスフレーム２２０は、めっき浴容器２０５の上方に結合されていてよく、めっき中にヘッド２１０を容器内に受け入れるように構成され得る。リンスフレーム２２０は、めっき浴容器２０５の上面の周りを周囲方向に延在するリム２２５を含み得る。リンスチャネル２２７が、リム２２５とめっき浴容器２０５の上面との間に画定され得る。例えば、リム２２５は、傾斜形状を特徴とする内部側壁２３０を含み得る。上述したように、基板から流出したリンス液は、側壁２３０に接触することができ、めっき装置２００からリンス液を回収するために、リムの周りに延在するプレナム２３５に受容され得る。

【0025】

［００２９］実施形態では、めっき装置２００は、１又は複数の洗浄構成要素を更に含み得る。洗浄構成要素は、基板２１５又はヘッド２１０に流体を供給するため、又は基板２１５又はヘッド２１０に向かって流体を供給するために使用される１又は複数のノズルを含み得る。図２に、リンス工程中に浴及び基板を保護するために改良されたリンスアセンブリが使用され得る様々な実施形態のうちの１つを示す。追加の実施形態では、サイドクリーンノズル２５０がリンスフレーム２２０のリム２２５を貫通して延在し、基板２１５の側面とともにリンスシール２１２に向けられ得る。

【0026】

［００３０］上述したシステム及びチャンバの実施形態は、配線の接触面に拡散層を形成する本めっき方法の実施形態を実施するのに使用することができる。図３に、本技術の実施形態に係る配線の接触面に拡散層をめっきする方法３００における例示的な工程を示す。方法３００はまた、フロントエンド処理、堆積、ゲート形成、エッチング、研磨、洗浄、又は記載された工程の前に実行され得る任意の他の工程を含む、本方法の開始前の１又は複数の工程を含み得る。本方法は、更に、本技術に係る方法の幾つかの実施形態に特に関連していてよい又は関連していなくてよい多数のオプションの工程を含み得る。例えば、工程の多くは、実行されるプロセスのより広い範囲を提供するために記載されるが、本技術にとっては重要ではない、又は以下に更に説明するように、代替の方法論によって実行され得る。方法３００は、図４Ａ～図４Ｂ及び図５Ａ～図５Ｂに概略的に示す工程を説明するものであってよく、その図示は、方法３００の工程と併せて説明される。図は部分的な概略図しか示しておらず、基板は、図示したように、様々な特性及び態様を有する任意の数の追加の材料及び特徴を含み得ることを理解されたい。方法３００の実施形態は、集積回路デバイスを特定の製造工程に発展させるためのオプションの工程を含んでいてよい、又は含んでいなくてよい。

【0027】

［００３１］方法３００の実施形態は、工程３０５において、パターン基板４００を提供することを含む。図４Ａに、例えば、シングルダイ又はマルチダイ（例えば、３Ｄ－ＩＣ）集積回路パッケージの中間パッケージング領域に含まれ得る、パターン基板４００の一部を示す。パターン基板４００の一部は、基板４０５にパターニングされた配線４１０ａ～ｃを含み得る。実施形態では、配線４１０ａ～ｃは、集積回路デバイス内の他の配線部分に配線を結合させるための接触面を形成する上面４１５ａ～ｃを含み得る。更なる実施形態では、配線４１０ａ～ｃは、集積回路デバイスの中間パッケージング領域における再配線の一部であってよい。更なる実施形態（図示せず）では、配線は基板を貫通して延び、パッド層等の下層の導電層で終端し得る。これらの実施形態では、基板の代わりに下層の導電層が配線の底面を形成する。これらの配線には、垂直方向に離間した平面の金属線と層を電気的に接続するカラム状ビア及びピラーが含まれ得る。

【0028】

［００３２］実施形態では、配線４１０ａ～ｃは、約１００μｍ以下、約７５μｍ以下、約５０μｍ以下、約４０μｍ以下、約３０μｍ以下、約２０μｍ以下、約１０μｍ以下、約５μｍ以下、約４μｍ以下、約３μｍ以下、約２μｍ以下、又は約１μｍ以下、又はそれ未満であるピッチを特徴とし得る。更なる実施形態では、配線４１０ａ～ｃは、約０．２５：１以上、約０．５：１以上、約０．７５：１以上、約１：１以上、約２：１以上、約３：１以上、約４：１以上、約５：１以上、約６：１以上、約７：１以上、約８：１以上、約９：１以上、約１０：１以上、又はそれを超える高さ対幅の比（すなわち、アスペクト比）を特徴とし得る。

【0029】

［００３３］実施形態では、配線４１０ａ～ｃは、他の導電性材料の中でも、銅、アルミニウム、又はタングステン等の導電性材料でできていてよい。更なる実施形態では、配線４１０ａ～ｃは、ナノ双晶配向を特徴とする銅（ＮＴＣｕ）を含み得る。また更なる実施形態では、配線４１０ａ～ｃの上面４１５ａ～ｃは、表面積の約５０％以上、表面積の約５５％以上、表面積の約６０％以上、表面積の約６５％以上、表面積の約７０％以上、表面積の約７５％以上、表面積の約８０％以上、表面積の約８５％以上、表面積の約９０％以上、又はそれを超えるＮＴＣｕを含み得る。

【0030】

［００３４］更なる実施形態では、配線４１０ａ～ｃの上面４１５ａ～ｃは、配線の形成後に研磨され得る、又は他の方法で処理され得る。研磨は、平均表面粗さを減少させ、上面４１５ａ～ｃから表面汚染物質を除去する。更なる実施形態では、上面４１５ａ～ｃの研磨は、表面の化学機械研磨（ＣＭＰ）を含み得る。また更なる実施形態では、接触面を研磨することは、電解研磨媒体中で表面のギザギザ部分を酸化させる及び溶解することによって表面を電解研磨することを含み得る。更なる実施形態では、上面４１５ａ～ｃの研磨は、ＣＭＰと電解研磨との組み合わせを含み得る。また更なる実施形態では、研磨された上面４１５ａ～ｃは、堆積したままの上面の平均表面粗さを、約１０％以上、約２０％以上、約３０％以上、約４０％以上、約５０％以上、又はそれを超えて減少させることができる。また更なる実施形態では、研磨された上面４１５ａ～ｃは、約１０ｎｍ以下、約７．５ｎｍ以下、約５ｎｍ以下、約２．５ｎｍ以下、約１ｎｍ以下、又はそれ未満の平均表面粗さを有し得る。

【0031】

［００３５］幾つかの実施形態では、研磨された上面４１５ａ～ｃは、上面の中央部と周辺部との間の高さの差が、約１ｎｍ以下、約０．５ｎｍ以下、約０．２ｎｍ以下、又はそれ未満である平坦な形状を有することを特徴とし得る。上面４１５ａ～ｃの平坦な形状は、２つの対向する接触面が配線結合工程で接合される際の接触表面積を増加させる。更なる実施形態では、研磨された上面４１５ａ～ｃは、上面の中央部と周辺部との間の高さの差が１ｎｍ以上、約２ｎｍ以上、約３ｎｍ以上、約４ｎｍ以上、約５ｎｍ以上、約７．５ｎｍ以上、約１０ｎｍ以上、又はそれを超える凹形状を有することを特徴とし得る。このような凹形状は、多くの場合、研磨面の周辺部よりも中央部の方が高さが低い凹形の窪んだ面を残すＣＭＰ工程によって形成され得る。直接配線結合工程では、凹面の配線端部の中央に間隙が残ることがある。この間隙により、配線の対向する端部間の接触面積が小さくなり、配線構造を介した導電性が低下する可能性がある。本技術の実施形態では、研磨された上面４１５ａ～ｃよりも平坦な形状を有する新たな上面を形成する拡散層を上面４１５ａ～ｃに形成することにより、研磨工程によって残った間隙を低減又は除去することができる。

【0032】

［００３６］方法３００の実施形態は更に、工程３１０において、めっき浴を提供することを含む。めっき浴の化合物及び条件は、欠陥の量を抑えて配線４１０の上面４１５ａ～ｃに薄い拡散層をめっきするように選択される。めっき浴は、配線４１０の上面４１５ａ～ｃへの拡散層のめっきを促進するめっき化合物を含む。実施形態では、めっき浴は、拡散層を構成する材料のイオンを含む水溶液であってよい。更なる実施形態では、イオンは、配線４１０の上面４１５ａ～ｃに組み込まれた金属よりも高い電極還元電位（Ｅ°）を有する金属の金属イオンであってよい。上面４１５ａ～ｃに組み込まれた金属が銅を含む更に別の実施形態では、めっき浴中の金属イオンは、他の種類のイオンの中でも、銀イオン、金イオン、白金イオン、パラジウムイオン、及びゲルマニウムイオンから選択される１又は複数のイオンを含み得る。更なる実施形態では、イオンは、約０．０１Ｍ以下、約０．００９Ｍ以下、約０．００８Ｍ以下、約０．００７Ｍ以下、約０．００６Ｍ以下、約０．００５Ｍ以下、又はそれ未満のめっき浴中の濃度を有し得る。イオン濃度は、拡散層が厚くなりすぎる前に止めることができる、上面４１５ａ～ｃ上の拡散層材料の低い堆積速度を維持するために、比較的希薄である。また、低い堆積速度により、めっき拡散層がめっき活性の高い領域（例えば、上面の核形成部位）からめっき活性の低い領域へ移動するための時間がより多く得られる。

【0033】

［００３７］更なる実施形態では、めっき浴は、上面４１５ａ～ｃに形成された拡散層におけるピンホール欠陥の形成を低減する１又は複数の結晶粒微細化化合物を含み得る。結晶粒微細化化合物は、核形成領域等の上面４１５ａ～ｃの堆積量の多い領域から、核形成領域間の中間領域等の堆積量の少ない領域への拡散層中の還元材料の移動を促進する。実施形態では、結晶粒微細化化合物は、他の結晶粒微細化化合物の中でも、グリオキシル酸及びエチレンジアミン四酢酸を含む。更なる実施形態では、めっき浴中の結晶粒微細化化合物の濃度は、約０．１Ｍ以下、約０．０９Ｍ以下、約０．０８Ｍ以下、約０．０７Ｍ以下、約０．０６Ｍ以下、約０．０５Ｍ以下、約０．０４Ｍ以下、約０．０３Ｍ以下、約０．０２Ｍ以下、約０．０１Ｍ以下、又はそれ未満であってよい。

【0034】

［００３８］更に追加の実施形態では、めっき浴は、めっき浴中のイオンの、拡散層中の中性元素及び化合物への還元を促進する１又は複数の安定化化合物を含み得る。更なる実施形態では、安定化化合物は、他の安定化化合物の中でも、イミダゾール及びスクシンイミドを含み得る。また更なる実施形態では、めっき浴中の安定化化合物の濃度は、約０．１Ｍ以下、約０．０９Ｍ以下、約０．０８Ｍ以下、約０．０７Ｍ以下、約０．０６Ｍ以下、約０．０５Ｍ以下、約０．０４Ｍ以下、約０．０３Ｍ以下、約０．０２Ｍ以下、約０．０１Ｍ以下、又はそれ未満であってよい。

【0035】

［００３９］また更なる実施形態では、めっき浴は、配線４１０の上面４１５ａ～ｃへの拡散層のめっきを促進するために、１又は複数の追加化合物を含み得る。これらの追加化合物は、他の化合物の中でも、増粘剤、界面活性剤、促進剤、レベラー、抑制剤、ｐＨ調整剤、及び分極剤を含み得る。めっき浴中のこれらの追加化合物の独立濃度は、約０．１Ｍ以下、約０．０９Ｍ以下、約０．０８Ｍ以下、約０．０７Ｍ以下、約０．０６Ｍ以下、約０．０５Ｍ以下、約０．０４Ｍ以下、約０．０３Ｍ以下、約０．０２Ｍ以下、約０．０１Ｍ以下、又はそれ未満であってよい。実施形態では、めっき浴は、すべてのめっき化合物の添加後は比較的希薄な水溶液であることを特徴とし、７又は７付近のｐＨを特徴とし得る。更なる実施形態では、めっき浴は、約５以上、約６以上、約７以上、約８以上、又はそれを超えるｐＨを特徴とし得る。更なる実施形態では、めっき浴は、約８以下、約７以下、約６以下のｐＨを特徴とし得る。

【0036】

［００４０］また更なる実施形態では、めっき浴は、拡散層を形成するめっき工程中は、室温又は室温に近い温度又は室温未満の温度を特徴とし得る。低温は、配線４１０の上面４１５ａ～ｃに薄い拡散層を形成するための堆積速度を低下させる。堆積速度の低下により、拡散層が厚くなりすぎる前に停止しやすく、また、堆積金属がめっき活性の高い領域からめっき活性の低い領域へ移動するための時間がより多く得られる。実施形態では、めっき浴は、約３０℃以下、約２５℃以下、約２０℃以下、約１５℃以下、約１０℃以下、約５℃以下又はそれ未満の温度を特徴とし得る。

【0037】

［００４１］方法３００の実施形態はまた更に、工程３１５において、パターン基板４００をめっき浴と接触させることを含む。実施形態では、接触は、パターン基板４００がめっきシステム１００のめっき浴のボウルに配置されたときに起こり得る。更なる実施形態では、めっき浴は、パターン基板４００との接触中は、非撹拌状態であってよい。更なる実施形態では、めっき浴及びパターン基板４００の一方又は両方は、接触及び拡散層の形成中は、攪拌状態又は乱流状態であってよい。更なる実施形態では、めっき浴を撹拌することは、拡散層材料のイオンを含む反応性種の均一な補給を堆積面で開始及び維持するのに役立つ。更なる実施形態では、攪拌は、基板をめっき浴に浸漬することと比較して、めっき浴を基板表面上及び基板全体にわたって噴霧することによって達成され得る。また更なる実施形態では、めっき浴と接触している間にパターン基板を回転させることによって、撹拌及びその後の物質移動を向上させることができる。別の実施形態では、めっき浴の撹拌は、めっき浴に浸漬され、パターン基板に近接しながら往復方向に移動するパドル等の撹拌装置によって補助され得る。別の実施形態では、列挙した技術の２つ以上の組合せを使用して、めっき浴を撹拌し、堆積拡散層の物質移動及び均一性を更に向上させることができる。更なる実施形態では、めっき浴とパターン基板４００とは、拡散層のめっき工程が持続する間、連続的に接触したままであってよい。実施形態では、めっき浴及びパターン基板４００は、約１０分以下、約９分以下、約８分以下、約７分以下、約６分以下、約５分以下、約４分以下、約３分以下、約２分以下、約１分以下、又はそれ未満の間、接触したままであってよい。

【0038】

［００４２］方法３００の実施形態は、工程３２０において、配線の接触面に拡散層をめっきすることもまた含み得る。めっき工程は、拡散層のめっき中にパターン基板４００に電力が印加されない無電解めっき工程であってよい。めっき浴中の金属イオンは、めっき浴中の金属イオンと配線の上面に組み込まれた還元金属との標準電極電位差に起因して、配線の上面に自然にめっきされる。幾つかの実施形態では、めっきを活性化するため、又は拡散層のめっき速度を上げるために、めっき工程３２０の一部において電力を印加することができる。これらの実施形態では、印加される電力は、約０．５ｍＡ／ｃｍ^２以下、約０．２５ｍＡ／ｃｍ^２以下、約０．１ｍＡ／ｃｍ^２以下、又はそれ未満の平均電流密度を特徴とし得る。

【0039】

［００４３］図４Ｂに示す実施形態では、非連続拡散層４２０ａ～ｃが、配線４１０ａ～ｃの上面４１５ａ～ｃに形成される。実施形態では、拡散層４２０ａ～ｃは、配線の上面４１５ａ～ｃに組み込まれた異なる金属の拡散速度を高める金属の薄い層である。更なる実施形態では、拡散層４２０ａ～ｃは、配線４１０ａ～ｃの上面４１５ａ～ｃの金属とは異なる金属を含み得る。また更なる実施形態では、拡散層は、上面の金属の標準電極電位よりも高い標準電極電位（Ｅ°）（すなわち、還元電位）を特徴とする金属を含み得る。また更なる実施形態では、上面４１５ａ～ｃの金属が銅である場合、拡散層４２０ａ～ｃは、銀、金、白金、パラジウム、及びゲルマニウムから選択される少なくとも１つの金属を含み得る。更なる実施形態では、拡散層４２０ａ～ｃは、約１０ｎｍ以下、約９ｎｍ以下、約８ｎｍ以下、約７ｎｍ以下、約６ｎｍ以下、約５ｎｍ以下、約４ｎｍ以下、約３ｎｍ以下、約２ｎｍ以下、又はそれ未満の厚さを特徴とし得る。拡散層が薄いほど、接触面全体にわたる配線金属のより迅速な移動が可能になり、対向する接触面との金属間結合が形成される。

【0040】

［００４４］実施形態では、薄い拡散層４２０ａ～ｃは、少数のピンホール欠陥を特徴とし得る。更なる実施形態では、拡散層４２０ａ～ｃの各部分は、約５個以下のピンホール欠陥、約４個以下のピンホール欠陥、約３個以下のピンホール欠陥、約２個以下のピンホール欠陥、約１個以下のピンホール欠陥を含み得る、又はピンホール欠陥を含まない場合がある。上述のように、めっき浴の組成及び条件は、ピンホール欠陥を含む空間欠陥の数が減少した薄い拡散層の形成を可能にする。これらには、堆積する拡散層金属がめっき速度の高い領域からめっき速度の低い領域へ移動するのを促進する１又は複数の結晶粒微細化化合物を含むめっき浴の実施形態が含まれる。これらにはまた、拡散層材料の堆積速度を低下させるために、めっき浴中の金属イオン濃度及びめっき浴温度を低下させる実施形態も含まれる。更なる実施形態では、拡散層材料の堆積速度は、約５ｎｍ／分以下、約４ｎｍ／分以下、約３ｎｍ／分以下、約２ｎｍ／分以下、約１ｎｍ／分以下、又はそれ未満であってよい。

【0041】

［００４５］更なる実施形態では、拡散層４２０ａ～ｃは、平滑且つ平坦であることを特徴とする配線の新たな上部接触面を形成し得る。更なる実施形態では、新たな上部接触面は、追加のエッチング及び研磨工程を必要とせずに、堆積されたままのこれらの平滑且つ平坦な特性を有し得る。実施形態では、拡散層の上部接触面は、約０．５ｎｍ以下、約０．４ｎｍ以下、約０．３ｎｍ以下、約０．２ｎｍ以下、約０．１ｎｍ以下、又はそれ未満の平均表面粗さを特徴とし得る。更なる実施形態では、拡散層の上部接触面は、上部接触面の中央部と周辺部との間の高さの差が、約２．５ｎｍ以下、約２ｎｍ以下、約１．５ｎｍ以下、約１ｎｍ以下、約０．５ｎｍ以下、又はそれ未満である平坦な形状を特徴とし得る。

【0042】

［００４６］更なる実施形態では、拡散層は、金属配線における対向する接触面間の金属間結合に多くの強化作用をもたらす。これらの強化作用には、配線における金属間結合を形成するために、接触面の接合面全体にわたる配線金属の拡散率の増加が含まれる。実施形態では、拡散層は、接触面における配線金属の金属拡散率を約１０％以上、約２５％以上、約５０％以上、約７５％以上、約１００％以上、又はそれを超えて増加させる。配線金属が銅でできており、拡散層が銀でできている実施形態では、２００℃における銅の表面拡散率は、約５×１０^－６ｃｍ^２／ｓ以上、約７．５×１０^－６ｃｍ^２／ｓ以上、約１×１０^－５ｃｍ^２／ｓ以上、約２．５×１０^－５ｃｍ^２／ｓ以上、約５×１０^－５ｃｍ^２／ｓ以上、約７．５×１０^－５ｃｍ^２／ｓ以上、約１×１０^－４ｃｍ^２／ｓ以上、又はそれを超える値であることを特徴とし得る。

【0043】

［００４７］方法３００の実施形態はまた更に、工程３２５において、拡散層を含むパターン基板を用いて金属配線を形成することを含む。図５Ａに示す実施形態では、誘電体材料内にパターニングされた第１の金属配線５１０ａ～ｃを含む第１のパターン基板５０２が、誘電体材料内にパターニングされた第２の金属配線５１２ａ～ｃを有する第２のパターン基板５０４と結合されるように配置される。図示の実施形態では、第１の金属配線５１０ａ～ｃの接触面５１５ａ～ｃは、拡散層なしで配線を行う金属を含む。一方、拡散層５２５ａ～ｃは、第２の金属配線５１２ａ～ｃの上部接触面に形成され、配線のための接触面となる。

【0044】

［００４８］実施形態では、工程３２５は、第１及び第２の金属配線の対向する接触面を整列させ、配線の結合を促進する温度及び圧力条件下でそれらを接触させることを含み得る。拡散層５２５ａ～ｃは、接触面の接合面全体にわたる配線金属の拡散率を増加させることにより、この結合を促進する。拡散率の増加により、安定した結合配線を形成するのに必要な結合温度及び圧力が低下する。実施形態では、結合工程は、ピーク結合温度が約２００℃以下、約１９０℃以下、約１８０℃以下、約１７０℃以下、約１６０℃以下、約１５０℃以下、約１４０℃以下、約１３０℃以下、約１２０℃以下、又はそれ未満であることを特徴とし得る。更なる実施形態では、結合工程は、ピーク結合圧力が約１５ＭＰａ以下、約１４ＭＰａ以下、約１３ＭＰａ以下、約１２ＭＰａ以下、約１１ＭＰａ以下、約１０ＭＰａ以下、又はそれ未満であることを特徴とし得る。また更なる実施形態では、結合工程は、結合時間が約１２０秒以下、約１００秒以下、約９０秒以下、約７５秒以下、約６０秒以下、約４５秒以下、約３０秒以下、又はそれ未満であることを特徴とし得る。

【0045】

［００４９］図５Ｂに示すように、結合したパターン基板５５０は、以前の拡散層５２５ａ～ｃの金属が配線の金属と相互混合した合金化領域５７５ａ～ｃを含む結合配線５６０ａ～ｃを含み得る。実施形態では、これらの合金化領域５７５ａ～ｃは、以前の拡散層５２５ａ～ｃよりもはっきり画定されていない境界を特徴としていてよく、拡散層よりも大きい厚さにわたって広がっていてよい。更なる実施形態では、接合された接触面は、結合工程後に識別可能な継ぎ目を残さないことがある。また更なる実施形態では、結合された接触面は、約１ＧＪ／ｍ^２以上、約２ＧＪ／ｍ^２以上、約３ＧＪ／ｍ^２以上、約４ＧＪ／ｍ^２以上、約５ＧＪ／ｍ^２以上、又はそれを超える接着エネルギーを特徴とし得る。また更なる実施形態では、合金化領域５７５ａ～ｃは、バルク配線と同等の導電特性を有し、配線の抵抗を増加させない。

【0046】

［００５０］実施形態では、結合したパターン基板５５０は、多くの種類の集積回路デバイスの一部であり得る。これらのデバイスには、回路基板を通して電子的に配線されるシングルチップ（すなわち、ダイ）パッケージ、及び単一パッケージ内に積層される、あるいは他の方法で配列されるマルチチップが含まれる。実施形態では、マルチダイパッケージは、他の機能の中でも、メモリ、ロジック、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）、及びセンサ用のダイを含んでいてよく、システムオンチップ（ＳｏＣ）及びシステムインパッケージ（ＳｉＰ）パッケージを含み得る。このようなマルチチップパッケージでは、小型化が進むチップが増えるにつれて、チップ間の電気配線密度（配線密度）が高くなる。そのため、このような配線のサイズは縮小している。これらのサイズは、一般に、隣接する半導体ダイ上の入出力パッド間の配線を行う導電性ライン又はビアのピッチとして測定され、数百μｍから１０μｍ以下に縮小している。結合したパターン基板５５０等の本技術の実施形態は、配線寸法の縮小に対応することができる。

【0047】

［００５１］本技術の実施形態は、ＩＣデバイス用の他の種類の金属含有ＩＣ構造の中でも、高密度配線ライン、ビア、及びピラーを含む様々な集積回路構造のための拡散層を含む接触面を提供する。本実施形態は、配線の接触面に拡散層を組み込むことにより、低い結合温度、圧力、及び時間で金属配線を形成する問題に対処する。拡散層は、より穏やかな結合条件で強力な金属間配線結合を形成するために、配線の接触面全体にわたる配線金属の拡散率を高める１又は複数の金属を含む。本技術のこれら及び他の実施形態は、拡散層のない従来の接触面よりも結合効果が改善された金属間接触面を提供する。

【0048】

［００５２］前述の説明では、説明の目的で、本技術の様々な実施形態の理解を提供するために、多数の詳細が記載されている。しかしながら、当業者には、特定の実施形態が、これらの詳細の一部を伴わずに、又は追加の詳細を伴って実施され得ることが明らかであろう。例えば、記載された湿潤技術から利益を得ることができる他の基板も、本技術と共に使用することができる。

【0049】

［００５３］幾つかの実施形態を開示したが、実施形態の主旨から逸脱することなく、様々な修正、代替構造、及び同等物を使用できることが当業者によって認識されるであろう。更に、本技術を不必要に曖昧にすることを避けるために、幾つかの周知のプロセス及び要素は説明していない。したがって、上記の記述は、本技術の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

【0050】

［００５４］値の範囲が提供される場合、文脈が明確に別段の指示をしていない限り、その範囲の上限と下限との間の、下限の単位の最小部分までの各介在値もまた、具体的に開示されることを理解されたい。いずれかの記載された値又は記載された範囲の記載されていない介在値と、その記載された範囲の他のいずれかの記載された値又は介在値との間のいかなるより狭い範囲も含まれる。これらのより小さい範囲の上限と下限は、独立して範囲に含まれる又は除外される場合があり、より小さい範囲に一方、又は両方の限界値が含まれる、又はどちらも含まれない各範囲も、記載された範囲におけるいずれかの具体的に除外された限界値に従って、本技術内に含まれる。記載された範囲に限界値の一方又は両方が含まれる場合、それら含まれる限界値の一方又は両方を除外する範囲も含まれる。複数の値がリストで提供される場合、それらの値のいずれかを包含する、又はそれらに基づくいかなる範囲も同様に具体的に開示される。

【0051】

［００５５］本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が明確に別段の指示をしない限り、複数形の参照を含む。したがって、例えば、「１つの材料（ａ ｍａｔｅｒｉａｌ）」への言及は、複数のそのような材料を含み、「期間（ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｔｉｍｅ）」への言及は、当業者に周知の１又は複数の期間及びその同等物への言及等を含む。

【0052】

［００５６］また、本明細書及び以下の特許請求の範囲で使用する場合、「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、記載された特徴、整数、構成要素、又は工程の存在を指定するものであるが、１又は複数の他の特徴、整数、構成要素、工程、動作、又は群の存在又は追加を排除するものではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A-4B】

【図5A-5B】

【国際調査報告】