(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体ウェーハの堆積および平坦化に関し、特に、局所堆積を使用して薄膜をより効果的に堆積させると共に、局所平坦化を可能にする装置および手法を提供する。【解決手段】陽極として帯電可能な近接ヘッド１０２を、ウェーハ１０４の表面に極めて近接して配置する。メッキ流体を、前記ウェーハと前記近接ヘッドとの間に提供し、局所金属メッキを形成する。近接ヘッドが方向１２０でウェーハ全体を進む際に、シード層１０６上に堆積層１０８が形成される。堆積層は、近接ヘッドとシード層との間に定められたメニスカス１１６に含有される電解質１１０によって促進される電気化学反応を介して形成される。【選択図】図１Ｂ
2010216015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極として荷電可能なウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
陽極として帯電させることが可能な近接ヘッドであり、前記近接ヘッドは複数の投入部と、複数の排出部とを有し、前記近接ヘッドが前記ウェーハの前記表面近くに配置されるとき、前記複数の投入部のそれぞれは前記ウェーハの前記表面に流体を送給可能であり、かつ前記複数の排出部のそれぞれは前記ウェーハの前記表面から前記流体を除去可能であり、前記ウェーハおよび前記近接ヘッドが帯電されるとき、前記ウェーハの前記表面での前記流体の前記送給および前記除去により、局所金属メッキが可能となる近接ヘッド、を備える電気メッキ装置。
【請求項２】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記ウェーハは、負バイアス電源への接触を介して、前記陰極として帯電される、電気メッキ装置。
【請求項３】
請求項２記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記接触は、前記ウェーハのエッジ除外領域との間で形成される、電気メッキ装置。
【請求項４】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記近接ヘッドは、正バイアス電源との接触を介して、前記陽極として帯電される、電気メッキ装置。
【請求項５】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記近接ヘッド上の前記複数の投入部のそれぞれは、円形導管、環状リング、および個別導管のいずれかとして構成される、電気メッキ装置。
【請求項６】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記流体は、一種類以上の流体によって定められ、前記流体は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）と、電解液と、金属メッキを可能にするメッキ化学物質と、非研磨剤反応化学物質とを含むグループから選択される、電気メッキ装置。
【請求項７】
請求項６記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記メッキ化学物質は、銅材料と、ニッケル材料と、タリウム材料と、タンタル材料と、チタン材料と、タングステン材料と、コバルト材料と、合金材料と、複合金属材料とのいずれかを含む金属を堆積させる水溶液によって定められる、電気メッキ装置。
【請求項８】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記近接ヘッド上の前記複数の排出部のそれぞれは、円形導管、環状リング、および個別導管のいずれかとして構成される、電気メッキ装置。
【請求項９】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記局所金属メッキは、前記近接ヘッドの下の領域内に前記流体の体積を制限し、前記領域は、前記ウェーハ表面全体より小さい、電気メッキ装置。
【請求項１０】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
渦電流センサは、前記局所金属メッキをモニタ可能である、電気メッキ装置。
【請求項１１】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
研磨パッドは、前記近接ヘッド下の厚さのばらつきの水平化を支援する、電気メッキ装置。
【請求項１２】
請求項１１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記複数の投入部によって供給される前記非研磨剤反応化学物質は、前記研磨パッドに添加される、電気メッキ装置。
【請求項１３】
ウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記ウェーハの前記表面上に配置するように構成された第一の近接ヘッドであり、前記ウェーハの前記表面上に金属層を堆積させるための陽極として帯電された第一の流体が、前記近接ヘッドと前記ウェーハの前記表面との間において生成可能である第一の近接ヘッドと、
前記ウェーハの前記表面上に配置するように構成された第二の近接ヘッドであり、前記ウェーハの前記表面上における非消耗化学反応を可能にするための陰極として帯電された第二の流体が、前記近接ヘッドと前記ウェーハの前記表面との間において生成可能であり、電気接続は、前記ウェーハの前記表面上に前記金属層を堆積させるときに、前記第一の流体と前記第二の流体との間で構成される第二の近接ヘッドと、備える電気メッキ装置。
【請求項１４】
請求項１３記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第一の流体は、正バイアス電源との電気的接触によって前記陽極として帯電された前記第一の流体の電解特性により、前記基板との電気的結合を提供する、電気メッキ装置。
【請求項１５】
請求項１３記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第二の流体は、負バイアス電源との電気的接触によって前記陰極として帯電された前記第二の流体の電解特性により、前記基板との電気的結合を提供する、電気メッキ装置。
【請求項１６】
請求項１３記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第二の近接ヘッドの下方において、非消耗化学反応は、相殺反応を生成することで、前記金属層の溶解を防止する、電気メッキ装置。
【請求項１７】
請求項１６記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記非消耗化学反応は、酸化プロセスの減少によって生成される相殺反応である、電気メッキ装置。
【請求項１８】
請求項１３記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第一の近接ヘッドおよび前記第二の近接ヘッドの前記複数の投入部のそれぞれは、円形導管、環状リング、および個別導管のいずれかとして構成される、電気メッキ装置。
【請求項１９】
請求項１３記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第一の近接ヘッドおよび前記第二の近接ヘッドの前記複数の排出部のそれぞれは、円形導管、環状リング、および個別導管のいずれかとして構成される、電気メッキ装置。
【請求項２０】
請求項１３記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第一の近接ヘッドの下の前記流体は、一種類以上の流体によって定められ、前記流体は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）と、電解液と、金属メッキを可能にするメッキ化学物質とを含むグループから選択される、電気メッキ装置。
【請求項２１】
請求項２０記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記メッキ化学物質は、銅材料と、ニッケル材料と、タリウム材料と、タンタル材料と、チタン材料と、タングステン材料と、コバルト材料と、合金材料と、複合金属材料とのいずれかを含む金属を堆積させる水溶液によって定められる、電気メッキ装置。
【請求項２２】
請求項１３記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第二の近接ヘッドの下の前記流体は、一種類以上の流体によって定められ、前記流体は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）と、電解液と、水とを含むグループから選択される、電気メッキ装置。
【請求項２３】
請求項１３記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記局所金属メッキは、前記第一の近接ヘッドの下の領域内に前記流体の体積を制限し、前記領域は、前記ウェーハ表面全体より小さい、電気メッキ装置。
【請求項２４】
請求項１３記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
渦電流センサは、前記第一の近接ヘッドの下の前記局所金属メッキをモニタ可能である、電気メッキ装置。
【請求項２５】
ウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記ウェーハの前記表面上に配置するように構成された第一の近接ヘッドであり、前記ウェーハの前記表面上に金属層を堆積させるための陽極として帯電された第一の流体が、前記近接ヘッドと前記ウェーハの前記表面との間において生成可能な第一の近接ヘッドと、
前記ウェーハの前記表面上で、物理的に接触して配置するように構成された第二の近接ヘッドであり、前記第二の近接ヘッドは、前記金属層の少なくとも一部の除去を可能にするためにパッドを介して物理的に接触し、前記ウェーハの前記表面上での非消耗化学反応を可能にするための陰極として帯電された第二の流体が、前記近接ヘッドと前記ウェーハの前記表面との間に生成可能であり、電気接続は、前記ウェーハの前記表面上に前記金属層を堆積させるときに、前記第一の流体と前記第二の流体との間で構成される第二の近接ヘッドと、を備える電気メッキ装置。
【請求項２６】
請求項２５記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第一の流体は、正バイアス電源との電気的接触によって前記陽極として帯電された前記第一の流体の電解特性により、前記基板との電気的結合を提供する、電気メッキ装置。
【請求項２７】
請求項２５記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第二の流体は、負バイアス電源との電気的接触によって前記陰極として帯電された前記第二の流体の電解特性により、前記基板との電気的結合を提供する、電気メッキ装置。
【請求項２８】
請求項２５記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第二の近接ヘッドの下方において、前記非消耗化学反応は、相殺反応を生成することで、前記金属層の溶解を防止する、電気メッキ装置。
【請求項２９】
請求項２８記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記非消耗化学反応は、酸化プロセスの減少によって生成される相殺反応である、電気メッキ装置。
【請求項３０】
請求項２５記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第一の近接ヘッドおよび前記第二の近接ヘッドの前記複数の投入部のそれぞれは、円形導管、環状リング、および個別導管のいずれかとして構成される、電気メッキ装置。
【請求項３１】
請求項２５記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第一の近接ヘッドおよび前記第二の近接ヘッドの前記複数の排出部のそれぞれは、円形導管、環状リング、および個別導管のいずれかとして構成される、電気メッキ装置。
【請求項３２】
請求項２５記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第一の近接ヘッドの下の前記流体は、一種類以上の流体によって定められ、前記流体は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）と、電解液と、金属メッキを可能にするメッキ化学物質とを含むグループから選択される、電気メッキ装置。
【請求項３３】
請求項３２記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記メッキ化学物質は、銅材料と、ニッケル材料と、タリウム材料と、タンタル材料と、チタン材料と、タングステン材料と、コバルト材料と、合金材料と、複合金属材料とのいずれかを含む金属を堆積させる水溶液によって定められる、電気メッキ装置。
【請求項３４】
請求項２５記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第二の近接ヘッドの下の前記流体は、一種類以上の流体によって定められ、前記流体は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）と、電解液と、水と、非研磨剤反応化学物質とを含むグループから選択される、電気メッキ装置。
【請求項３５】
請求項２５記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記局所金属メッキは、前記第一の近接ヘッドの下の領域内に前記流体の体積を制限し、前記領域は、前記ウェーハ表面全体より小さい、電気メッキ装置。
【請求項３６】
請求項２５記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、さらに、
前記第一の近接ヘッドの下の前記局所金属メッキのモニタリングを可能にするために渦電流センサを備える、電気メッキ装置。
【請求項３７】
請求項２５記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記パッドは、前記第二の近接ヘッド下の前記金属層の厚さのばらつきを水平化する研磨パッドを備える、電気メッキ装置。
【請求項３８】
請求項３７記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第二の近接ヘッドの前記複数の投入部によって供給される非研磨剤反応化学物質は、前記研磨パッドに添加される、電気メッキ装置。
【請求項３９】
請求項２５記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、さらに、
前記第二の近接ヘッド下における前記金属層の厚さのばらつきの前記水平化を制御するためにスキャタロメータシステムを備える、電気メッキ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェーハの堆積および平坦化に関し、特に、局所堆積を使用して薄膜をより効果的に堆積させると共に、局所平坦化を可能にする装置および手法に関する。
【０００２】
電気メッキは、十分に確立された堆積技術である。半導体製造技術において、電気メッキは、通常、単一ウェーハプロセッサにおいて、ウェーハを電解質に浸漬した状態で行われる。電気メッキ中、ウェーハは、通常、陽極の役割を果たす正帯電プレート（同じく電解質に浸漬）に対して負の電位または接地電位で、ウェーハホルダに保持される。例えば、銅層を形成するには、電解質は、通常、約０．３Ｍないし約０．８５ＭのＣｕＳＯ4であり、ｐＨは約０ないし約２（Ｈ2ＳＯ4により調整）で、堆積品質を向上させる微量レベル（ｐｐｍ単位の濃度）の独自の有機添加物およびＣｌ-を含む。メッキプロセス中には、均一なメッキを促進するために、通常、ウェーハを回転させる。メッキプロセス中に十分な膜厚が達成された後、ウェーハをメッキチャンバから別のチャンバへ移動させて、脱イオン（ＤＩ）水中でリンスし、残存電解質をウェーハ表面から除去する。次に、裏面およびはす縁から不要な銅を除去するために、ウェーハには追加のウェット処理が施され、その後、更にＤＩ水でのリンスにより、ウェット処理の残留化学物質を除去する。その後、ウェーハを乾燥させ、アニールすると、化学機械平坦化（ＣＭＰ）工程の準備が整う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００２−５０３７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ウェーハの真空処理とは異なり、現在のウェーハ処理中の各「ウェット」処理工程の後には、ＤＩ水リンスのオーバヘッドステップが行われる。電解質の希釈の問題およびハードウェア設計の複雑性増加のため、ＤＩ水リンスは、通常、メッキチャンバ内では行われない。現在、ウェーハメッキツールのウェット処理ステーションの約５０パーセントは、メッキ専用であり、ウェーハのスループットに大きな悪影響を与え、処理コストを増加させている。加えて、障壁層に対する直接的な銅メッキを可能にするために、表面活性化とメッキとの間の時間を最小化することが重要となる。表面活性化後にリンスを行い、ウェーハをメッキモジュールへ輸送するための追加的な時間は、表面活性化ステップの有効性を大幅に限定する。必要となるのは、ウェット処理ステップ間のＤＩ水リンスを削除する方法である。
【０００５】
メッキプロセス中、ウェーハは、陰極の役割を果たし、ウェーハには電源を電気的に接続する必要がある。通常は、ウェーハホルダ上の多数の個別の接点により、ウェーハホルダをウェーハの縁部に電気的に接続する。ウェーハを電気メッキするのに利用される電流は、こうした接点を介して提供される。メッキ電流は、均一な堆積を提供するためにウェーハの周囲で均一に分布させる必要がある。均一な堆積には、抵抗シード層を介して、ウェーハとの一貫した接触抵抗を維持することが重要である。したがって、均一な堆積を提供するためには、接点が清浄であることが好適となる。場合によっては、接点の洗浄には、メッキ工程の生産性を更に限定する追加的なプロセスが必要となる。
【０００６】
銅電気メッキのもう一つの課題は、バイポーラ効果であり、接触抵抗が非常に高いときに観察される。この効果は、接点の真下にある銅シード層のエッチングを誘発し、これにより、電気メッキ中にウェーハと電源との間の電気的接触の役割を果たす。従来技術のアプローチでは、接点を電解質に対して密閉し、これにより接点のメッキを防止し、バイポーラ降下を除去することで、この問題を解決しようと試みてきた。残念なことに、密閉は完全ではなく、接点が汚染され、ウェーハに沿った接点の電流分布は、不均一なメッキを発生させる。結果として、接触抵抗は、メッキプロセス中に他の何らかの方法の能動的モニタリングによって制御する必要がある。
【０００７】
更なる不利な物理的課題は、接点をウェーハの表面に当接させるときに発生する。接点は通常、ウェーハの除外区域（ウェーハの１ないし３ｍｍの外側領域）に設置されるが、ウェーハとの一貫した電気的接触を維持するために、ある程度の量の力を加える必要がある。こうした力を加えることで、場合によっては、多孔性低ｋ誘電体膜等、特定の材料における機械的応力により、ウェーハ上に欠陥が生じる可能性がある。
【０００８】
半導体ウェーハ上の構成の寸法が縮小を続けるにつれ、銅シード層の厚さも、現在の約１０００オングストロームから約４００オングストローム未満へ減少することが予想されている。シード層の厚さの減少は、銅電気メッキプロセス中における空隙のないギャップ充填を可能にするために、構成の最上部に妥当なサイズの開口部を確保する上で必要となる。シード層の役割は電気メッキ中にメッキ電流をウェーハ全体に分布させることであるため、薄く抵抗の大きいシード層によって、ウェーハ外周の接点近くを均一にメッキする設計のチャンバには、大きな課題が持ち込まれる。末端効果として知られるこの効果は、現在の３００ｎｍウェーハのような大型のウェーハにおいて更に顕著となる。
【０００９】
したがって、必要なものは、リンス処理を限定し、過剰な表面力を加えることなく十分な電気的接触を提供すると共に、シード層を殆どまたは全く備えていないウェーハ上で均一な電気メッキを生成する電気メッキシステムである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
大まかに言って、本発明は、メニスカスに基づくメッキプロセスを使用した局所電気メッキを提供する装置である。本発明において、メッキおよび平坦化プロセスは、ウェーハ表面全体で進行するか、あるいはサブアパチャメッキの場合、ウェーハより小さいサイズのメッキヘッドがウェーハを走査し、局所メッキを提供する。
【００１１】
本発明は、プロセス、装置、システム、デバイス、または方法を含む多数の形で実施可能であることを理解されたい。本発明のいくつかの発明実施形態について、下で説明する。
【００１２】
一実施形態では、ウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置が提供される。ウェーハの表面は、陰極として帯電可能である。陽極として帯電可能な近接ヘッドが含まれる。近接ヘッドは、複数の投入部と、複数の排出部とを有し、近接ヘッドがウェーハの表面近くに配置される時、複数の投入部のそれぞれは、ウェーハの表面に流体を送給可能であり、複数の排出部のそれぞれは、ウェーハの表面から流体を除去できる。ウェーハの表面での流体の送給および除去により、ウェーハおよび近接ヘッドが帯電されるときに局所金属メッキが可能となる。
【００１３】
本発明の別の実施形態において、陽極として帯電された第一の流体は、金属層を堆積させるために第一の近接ヘッドとウェーハの表面との間に生成される。ウェーハの表面上での非消耗化学反応を可能にするために陰極として帯電された第二の流体は、第二の近接ヘッドとウェーハの表面との間に生成可能である。電気接続は、ウェーハの表面上に金属層を堆積させるときに、第一の流体と第二の流体との間で画定される。
【００１４】
本発明の更に別の実施形態において、陽極として帯電された第一の流体は、金属層を堆積させるために第一の近接ヘッドとウェーハの表面との間に生成される。ウェーハの表面上での非消耗化学反応を可能にするために陰極として帯電された第二の流体は、第二の近接ヘッドとウェーハの表面との間に生成可能である。電気接続は、ウェーハの表面上に金属層を堆積させるときに、第一の流体と第二の流体との間で画定される。第二の近接ヘッドは、金属層の少なくとも一部の除去を可能にするために、パッドを経由して堆積層と物理的に接触した状態に置かれる。
【００１５】
本発明の利点は無数に存在し、最も顕著なものとして、実施形態により、局所メッキが可能となり、これにより、メッキの活性区域が低減され、化学交換が改善される。局所金属メッキは、シード層に分布させる必要がある総メッキ電流を低減し、これにより、抵抗シード層効果を大幅に低減し、堆積の均一性を向上させる。インサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）膜厚制御および平坦化は、処理中のウェーハ輸送数を低減し、一個の設備にいくつかの用途を集約することで、生産性の増加を生み出す。本発明の他の態様および利点は、本発明の原理を例示する添付図面と併せて、以下の詳細な説明から明白となろう。
【００１６】
本発明は、添付図面と併せて、以下の詳細な説明によって容易に理解されよう。この説明を容易にするために、同様の参照符号は、同様の構造要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】電気メッキ装置を例示する図である。
【図１Ｂ】局所金属メッキ中の状態を示された電気メッキ装置を例示する図である。
【図１Ｃ】電気メッキ装置の近接ヘッドの下面図である。
【図１Ｄ】平坦化用の研磨パッドを備えた電気メッキ装置の予想図である。
【図２Ａ】ウェーハとの機械的接触のない電気メッキ装置を例示する図である。
【図２Ｂ】電気メッキ工程のためにウェーハとの機械的接触のない電気メッキ装置によって使用される電解反応を例示する図である。
【図２Ｃ】ウェーハ表面の界面における電気メッキヘッドおよび第二のヘッドを図示した、機械的接触のない電気メッキ装置の断面図である。
【図２Ｄ】電気メッキヘッドおよび第二のヘッドをウェーハ表面上で利用した際の堆積層の進展を図示した、機械的接触のない電気メッキ装置の断面図である。
【図３】ウェーハ表面との界面にある電気メッキヘッドおよび電解ヘッドを示した、機械的接触のない電気メッキ装置の断面図であって、第二のヘッドが平坦化用の研磨パッドを備えた場合の図である。
【図４】電気メッキ装置の動作のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
基板の表面を電気メッキする方法および装置についての発明を開示する。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細について述べる。しかしながら、こうした具体的な詳細の一部または全部がなくとも、本発明を実施し得ることは、当業者にとって明白であろう。また、本発明を不必要に曖昧にしないために、周知のプロセスステップについては詳細な説明を省略する。
【００１９】
図１Ａは、本発明の一実施形態による例示的な電気メッキ装置１００の図面である。シード層１０６を有するウェーハ１０４は、支持部１３０上に置かれる。負バイアス電源１２４は、電気的接触１３２を介して、陰極として機能するようにウェーハ１０４を帯電する。電気的接触１３２は、ウェーハ１０４を囲む単一のリング、個別の機械的接触、または複数の個別の接触の形態で設置してよい。好適な実施形態において、電気的接触１３２は、エッジ除外領域１３３と接触するように、ウェーハ１０４の周囲に加えられる。エッジ除外領域１３３は、通常、２００および３００ｍｍウェーハにおいて、１ないし３ｍｍである。
【００２０】
正電源１２２によって陽極として帯電された近接ヘッド１０２は、アーム１０３によってウェーハ１０４の上方につり下げられる。アーム１０３は、電気メッキ工程において利用される流体の送給および除去用の一本以上の導管を保持する導管チャネル１０５を収容できる。当然ながら、導管チャネル１０５は、ストラップでアーム１０３に固定する等、他の任意の適切な手法で近接ヘッド１０２に結合可能である。一実施形態において、アーム１０３は、方向１２０でのウェーハ１０４全体における近接ヘッド１０２の移動を促進するシステムの一部である。
【００２１】
近接ヘッド１０２の移動は、任意の数の方法でウェーハ１０４を走査するようにプログラムできる。システムは例示的なものであり、ウェーハに極めて近接した位置へのヘッド（群）の移動を可能にする他の任意の適切な種類の構成を利用してもよいことを理解されたい。例えば、ウェーハを回転させる時、近接ヘッド１０２は、ウェーハ１０４の中心で始動させ、徐々に外縁部まで直線的に移動させてよい。別の実施形態において、近接ヘッド１０２は、軌道を描いて周りながら、固定されたウェーハ上を進行することが可能であり、あるいは、別の場合には、ウェーハの全ての部分を処理可能となる形でウェーハ上方を移動できる。別の実施形態において、近接ヘッド１０２は、往復運動を使用してウェーハを走査してよく、あるいは、ウェーハの一方の縁部からウェーハの直径に沿った反対側の縁部へ直線的な形で移動してよく、あるいは、例えば、半径方向運動、円運動、螺旋運動、ジグザグ運動その他といった、その他の非線形運動を利用してもよい。運動も、ユーザの必要に応じて、任意の適切な指定された運動プロフィールにしてよい。この運動中、メッキ工程により、金属材料の均一な層がウェーハ１０４の表面に送給されることが望ましい。近接ヘッド１０２の機能とメッキ手法とに関する詳細は、下で更に詳しく説明する。
【００２２】
電気メッキ装置の局所金属メッキは、図１Ｂに図示されている。本明細書での使用において、局所金属メッキにおいては、金属材料を堆積させる近接ヘッド１０２下方の領域が定められる。図面に示したように、近接ヘッド１０２の下方の領域は、ウェーハ１０４の表面領域より小さい。したがって、局所金属メッキは、一定の時点で近接ヘッド１０２の下でのみ発生する。ウェーハ１０４の表面上で更に多くの金属メッキを達成するために、近接ヘッド１０２は、ウェーハ１０４の別の表面領域を移動する必要がある。例示的な実施形態において、近接ヘッドヘッド１０２は、図１Ａに示したようなアーム１０３に結合される。ウェーハ１０４の所望の領域が特定の金属材料によって適切にメッキされた状態を確保するために、任意の数の移動パターンを使用可能だが、一方法では、制御された環境内でウェーハ１０４を回転させる間にアーム１０３を移動させる。加えて、アーム１０３は、近接ヘッド１０２を移動させる例示的な一方法にすぎない。例えば、近接ヘッド１０２を移動させる代わりに、ウェーハ１０４を移動させることができる。
【００２３】
図１Ｂに戻ると、近接ヘッド１０２は、シード層１０６を有するウェーハ１０４上方に配置される。シード層１０６は必須の構成ではないが、しかしながら、一部の実施形態は、電気メッキ工程を行う前にシード層１０６を上部に形成することで恩恵を受ける場合がある。メッキする材料が銅である時、シード層は、通常、公知の手法を使用してスパッタリングまたは堆積させ得る銅の薄層である。その後、近接ヘッド１０２が方向１２０でウェーハ１０４全体を進む際に、シード層１０６上に堆積層１０８が形成される、堆積層１０８は、近接ヘッド１０２とシード層１０６との間に定められたメニスカス１１６に含有される電解質１１０によって促進される電気化学反応を介して形成される。代替実施形態において、堆積層１０８は、シード層ではない層の上に形成できる。こうした層の例は、障壁層または他の何らかの層材料となり得る。
【００２４】
図１Ｃは、本発明の一実施形態による、近接ヘッド１０２の一般的な下面図を例示している。近接ヘッド１０２は、複数の投入部１１２ａおよび１１２ｂと排出部１１２ｃとを有する。複数の投入部１１２ａおよび１１２ｂと複数の排出部１１２ｃとは、一本以上の個別の導管によって定められ得る。各導管は、近接ヘッド１０２本体の製造中に機械加工または成型可能である。別の実施形態において、複数の投入部１１２ａおよび１１２ｂと排出部１１２ｃとは、導管と同様に流体を輸送可能な環状リングによって定めることができる。複数の投入部１１２ａおよび１１２ｂと排出部１１２ｃとの特定の構造の選択では、当業者に理解されるように、多数の物理的形態および形状を利用できる。しかしながら、選択された形態または形状において、投入部を介して流体を機能的に送給し、排出部を介して流体を除去できることが重要である。結果として、一実施形態において、ウェーハ１０４は、近接ヘッド１０２の下方の領域を除いて、全領域で乾燥状態を維持する。
【００２５】
図示したように、メッキ化学物質は、近接ヘッド１０２下での局所金属メッキを可能にする複数の投入部１１２ｂを介して供給される。メッキ化学物質は、銅の堆積用に設計してよいが、しかしながら、特定の用途（即ち、必要な金属材料の種類）に応じて、他のメッキ化学物質に置き換えてもよい。メッキ化学物質は、金属、合金、または複合金属材料を堆積させる水溶液として定義できる。一実施形態において、堆積金属は、一部として、銅材料、ニッケル材料、タリウム材料、タンタル材料、チタン材料、タングステン材料、コバルト材料、合金材料、複合金属材料、その他を含むことができる。
【００２６】
メッキ化学物質は、好ましくは、近接ヘッド１０２下のシード層１０６上に存在する流体の薄層として画定されるメニスカス１１６に閉じ込められる。メニスカス１１６を更に閉じ込めて定めるために、複数の投入部１１２ａを介して、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）蒸気を供給する。メッキメニスカス１１６の厚さは、所望の用途に基づいて変化してよい。一例において、メニスカスの厚さは、約０．１ｍｍないし約１０ｍｍの範囲にしてよい。したがって、近接ヘッド１０２は、ウェーハ表面に近接して配置される。本明細書での使用において、「近接」は、近接ヘッド１０２下面とウェーハ１０４の表面との間の分離を意味し、分離は、流体メニスカスの形成を可能にする上で十分なものにするべきである。複数の排出部１１２ｃは、真空を提供して、複数の投入部１１２ｂおよび１１２ａによって送給されたメッキ反応の流体副産物を除去する。
【００２７】
本発明によれば、堆積メッキ材料は、複数の投入部１１２ｂによって供給される電解質１１０において発生する化学反応によって形成される。近接ヘッド１０２を陽極として帯電することで、化学反応が促進される。一例において、近接ヘッドは、正バイアス電源１２２に電気的に結合される。メッキを可能にするために、負バイアス電源１２４への電気的接触１３２を介して陰極として帯電されたシード層において、化学物質中のイオンの還元が行われる。化学反応によって、堆積層１０８として金属層が形成される。反応副産物および劣化した反応流体は、複数の排出部１１２ｃを介して除去する。
【００２８】
別の実施形態では、渦電流センサ１１４が近接ヘッド１０２に統合される。渦電流センサ１１４は、金属層の存在および厚さを判定し、特定のプロセスが完了する時期（例えば、終点）を決定するために使用される。一実施形態において、堆積層１０８の厚さは、堆積プロセス中に検知できる。このようにして、制御された形での金属材料の付与が達成できる。当然ながら、堆積層１０８の厚さを測定する他の手法も使用できる。渦電流センサの機能の更に詳細な説明については、２００２年６月２８日提出の米国特許出願第１０／１８６，４７２号「半導体処理ツールへのセンサに基づく測定の統合」を参照可能である。
【００２９】
図１Ｄは、別の実施形態による、電気メッキおよび研磨システム１０１を例示している。この実施形態において、近接ヘッド１０２は、堆積層１０８を平坦化することで支援を行う研磨パッド１５０を備えている。複数の投入部１１２ａおよび１１２ｂによって供給される非研磨剤反応化学物質を研磨パッド１５０に添加し、平坦層１０８’を促進する。研磨パッド１５０は、パッド材料内のチャネルによって化学物質の流体の通過が可能となる限り、任意の数の材料で作成できる。一例において、材料は、化学機械研磨（ＣＭＰ）機器において一般に使用される材料と類似する多孔性ポリマ材料にできる。他の材料には、例えば、ポリウレタン化合物、ミネソタ州ミネアポリスの３ＭのＭＷＲ６４またはＭＷＲ６９等の固定研磨材、その他を含めることができる。例示的な一工程において、金属材料の堆積は、研磨パッド１５０によって促進される研磨工程と殆ど同時に発生する。別の実施形態において、研磨は、金属材料を堆積させるのに使用するのと同じ近接ヘッド１０２を使用して実行できる。別の実施形態において、メッキヘッドおよび研磨ヘッドは、研磨ヘッドがメッキヘッドの後を追う形で、独立したワークにすることができる。しかしながら、研磨は、堆積が完了した後の時点で実行できる。理解できるように、堆積および研磨工程の実際の組み合わせは、所望の用途に応じて選択可能である。メッキおよび平坦化ステップを交互に行うこと、あるいは、メッキと平坦化を同時に実行することで、表面上の凹凸のばらつきが除かれ過度に堆積した材料が除去される。
【００３０】
図２Ａは、本発明の一実施形態による、例示的な非接触電気メッキ装置２００の例示である。本明細書において、非接触電気メッキ装置とは、電解接触を利用する装置である。この実施形態において、近接ヘッド１０２は、メニスカス１１６を形成できるように、アーム１０３によってウェーハ１０４と近接した関係で支持される。この例示において、シード層１０６は、メニスカス１１６に対して露出され、上述したように、ウェーハ１０４は、支持部１３０上に保持される。近接ヘッド１０２は、正電源１２２に接続することで、陽極として機能するように帯電される。追加として、第二の近接ヘッド１０２’は、アーム１０３によって支持され、近接ヘッド１２０によるメッキを可能にする促進部として機能する一方、ウェーハ１０４の表面から材料を除去しない。アーム１０３は、近接ヘッド１０２を保持するアームの延長部分にすること、あるいは別個のアームにすることが可能である。この代替実施形態において、第二の近接ヘッド１０２’は、負バイアス電源１２４によって陰極として帯電される。メニスカス１１６’は、第二の近接ヘッド１０２’とシード層１０６との間に画定される。メニスカス１１６’によって可能となる促進作用は、メニスカス１１６’自体を定める化学物質の結果である。メニスカス１１６’の例示的な化学特性については、下に記載する。
【００３１】
図２Ｂは、堆積層１０８の金属メッキのために非接触電気メッキ装置２００によって使用される例示的な電解反応の例示である。以前に説明したように、近接ヘッド１０２の下において、メニスカス１１６は、正バイアス電源１２２を介して陽極によって帯電された電解メッキ化学物質を含んでいる。
【００３２】
メニスカス１１６は、図２Ｃに図示したように、複数の投入部１１２ａを介して供給されたＩＰＡ蒸気と、複数の投入部１１２ｂを介して供給された電解質１１０メッキ化学物質とを含む。例示的な実施形態において、近接ヘッド１０２の下の複数の投入部１１２ｂは、電解液を提供し、これにより、ウェーハ１０４の表面での反応は、近接ヘッド１０２が正バイアス電源１２２で帯電されている時、Ｃｕ+2＋２ｅ-→Ｃｕとなる。これはレドックス反応であるため、ウェーハ１０４から離れる方向の反応は、消耗Ｃｕ電極が使用される場合、Ｃｕ→Ｃｕ+2＋２ｅ-となり、あるいは、非消耗電極が使用される場合、２Ｈ2Ｏ→Ｏ2＋２ｅ-となる。
【００３３】
同様に、対極の役割を果たす第二の近接ヘッド１０２’は、負バイアス電源１２４によって帯電される。第二の近接ヘッド１０２’の下に形成された第二のメニスカス１１６’は、電解化学物質を含んでいる。第二のメニスカス１１６’は、複数の投入部１１２ａを介して供給されたＩＰＡ蒸気と、複数の投入部１１２ｂ’を介して供給された電解質１１０’とを含む。複数の投入部１１２ｂ’は、第二の近接ヘッド１０２’において電解液を提供し、これにより、ウェーハ１０４表面での反応は、ＭｅX［錯体］→ＭｅX+1［錯体］＋ｅ-の形となる。この場合、Ｍｅは、Ｃｕ等の金属イオンにすることが可能であり、ｘは２となる。錯化剤は、エチレンジアミンまたはアンモニア（ＮＨ3）にすることができる。ウェーハ１０４の表面から離れる方向の反応は、その逆にすることが可能であり、例えば、→ＭｅX+1［錯体］＋ｅ-→ＭｅX［錯体］となる。その他の化学反応も、同様の機能を提供する場合があり、こうした化学反応は、対極の化学反応がＣｕ→Ｃｕ+2＋２ｅ-の電位より低い電位となり、これにより、対極でのＣｕの溶解が抑制されるように選択される。加えて、第二の近接ヘッド１０２’の下の電解質１１０’は、エチレングリコール等の他の添加物により調整し、Ｃｕ溶解の抑制を支援できる。電気的接続１３６は、近接ヘッド１０２と第二の近接ヘッド１０２’との間で、シード層１０６を介して確立される。この電気的接続１３６を介して、電解質１１０と電解質１１０’とが接続され、レドックス対が完成し、近接ヘッド１０２によるメッキが可能となる。第二の近接ヘッド１０２’が陰極（即ち、負バイアス電源）とのリンクを提供し、したがって、ウェーハ１０４との物理的接触が必要なくなる点に留意することが重要である。近接ヘッド１０２および第二の近接ヘッド１０２’の組み合わせは、ウェーハ１０４との非接触接続を定め、より効率的で均一な所望の金属材料のメッキを提供する。
【００３４】
別の実施形態において、渦電流センサ１１４は、近接ヘッド１０２に統合される。渦電流センサ１１４は、金属層の存在および厚さを判定し、特定のプロセスが完了する時期を決定するために使用される。一実施形態において、堆積層１０８の厚さは、堆積プロセス中に渦電流センサ１１４によって検知できる。このようにして、制御された形での金属材料の付与が達成できる。図２Ｄは、堆積層１０８がウェーハ１０４の表面上に付与される際の進展を示しており、ここで、第二の近接ヘッド１０２’は、堆積層１０８の上に存在している。
【００３５】
図３は、本発明の一実施形態による、電気メッキおよび平坦化装置３００を例示している。近接ヘッド１０２は、上述の形で動作する。第二のヘッド１０２’は、上述のようにメッキ工程の電気的経路を提供する。追加として、この実施形態において、第二のヘッド１０２’は、研磨パッド１５０を備えている。研磨パッド１５０は、堆積層１０８の水平化を提供し、平坦層１０８’を発生させる。研磨パッドの存在は、第二のヘッド１０２’の電気的接続１３６を阻害しない。水平化プロセスを支援するために複数の投入部１１２ａおよび１１２ｂ’を介して、非研磨剤反応化学物質を送給してもよい。平坦層１０８’は、近接ヘッド１０２下の堆積プロセスと同時に、第二の近接ヘッド１０２’の下で達成できる。
【００３６】
別の実施形態において、平坦化は、第一の近接ヘッド１０２および第二の近接ヘッド１０２’から独立して動作する第三のヘッドの下で達成される。ＩＰＡによるメニスカスの形成および閉じ込めを介して送給される流体は、ヘッドに統合された研磨パッドと協調して平坦化を促進する、非研磨剤化学物質にすることができる。
【００３７】
別の実施形態において、研磨パッド１５０を備えた第二の近接ヘッド１０２’は、堆積層１０８の表面凹凸からの後方散乱パラメータを検知することで平坦化の制御を提供するスキャタロメータシステム１５６を備える。
【００３８】
図４は、本発明の一実施形態による、電気メッキおよび平坦化装置４００の動作の例示的な方法を提供するフローチャート図である。上の図１ないし３で説明したような電気メッキ装置の場合、操作者は、シード層を有するウェーハを提供する必要がある４０２。代替実施形態において、ウェーハは、事前に形成されたシード層を有していなくてもよい。ウェーハは、多数の方法でウェーハ支持部へ輸送してよい。ウェーハの輸送は、機械、真空、静電気、またはウェーハを保持する他の方法によって支援された手動または自動ロボット動作を含み得る。ウェーハを支持部上に置いた後、操作者は、堆積を希望する材料を選択する必要がある４０４。次に、近接ヘッドを、所望の堆積領域上方に配置する４０６。近接ヘッドの配置は、自動化ルーチンによって事前に定め、容易にしてもよい。電圧バイアスは、ウェーハおよびアームの移動中、あるいは、上記の複数の投入部を介して流体を提供する時を含め、堆積前の任意の時点で、堆積に関与する近接ヘッドに印加してよい４０８。バイアス電圧を近接ヘッドに印加した後、選択した流体投入部および真空排出部を、近接ヘッド下で利用し４１０、材料を堆積させる４１２。
【００３９】
堆積層のｉｎ−ｓｉｔｕ測定４１４により、所望の厚さが達成された状態を確保する４１６。近接ヘッドは、ｉｎ−ｓｉｔｕ測定システムから提供されるフィードバックを介して所望の厚さが提供されるまで現行の位置にとどまる４１４。一実施形態において、測定システムは、上記の渦電流センサシステムの一つにしてよい。当然ながら、他の厚さ測定手法を使用してもよい。所望の堆積厚が達成された後、堆積に関与する近接ヘッドは、流体の送給および除去を中断する４２０。システムは、その後、次のウェーハ用にセットアップされる４２２。一実施形態において、近接ヘッドは、ウェーハの平面から除去されるが、他の実施形態では、ヘッドがウェーハ上方にとどまった状態でウェーハ自体を輸送してもよい。ウェーハが除去された後、別のウェーハを次の堆積のために支持部上に配置してよい。
【００４０】
システムが上の図１Ｄおよび図３において説明したような平坦化構成要素を備える場合、堆積材料は、所望の区域での均一な堆積を支援するために水平化される。ｉｎ−ｓｉｔｕ測定手法を使用して、堆積層が平坦化された状態を確保してもよい４２４。十分な平坦性が達成された時、流体送給および除去システムを中断させることが可能であり４２０、システムは、次のウェーハ用にセットアップできる４２２。一実施形態において、近接ヘッドは、ウェーハの平面から除去されるが、他の実施形態では、ヘッドがウェーハ上方にとどまった状態でウェーハ自体を輸送してもよい。ウェーハが除去された後、別のウェーハを次の堆積および平坦化のために支持部上に配置してよい。
【００４１】
以上、本発明につきいくつかの好適な実施形態の観点から説明してきたが、上の明細書を読み且つ図面を検討することで当業者がその様々な変更、追加、置換、および等価物を認識し得ることは理解されよう。例えば、本明細書で説明した電気メッキシステムは、例えば、２００ｍｍ、３００ｍｍウェーハ、フラットパネル、その他といった、任意の形状およびサイズの基板で利用してよい。したがって、本発明は、本発明の本来の趣旨および範囲に含まれるこうした全ての変更、追加、置換、および等価物を含むものである。
【図１Ａ】
2010216015.tif 000003
【図１Ｂ】
2010216015.tif 000004
【図１Ｃ】
2010216015.tif 000005
【図１Ｄ】
2010216015.tif 000006
【図２Ａ】
2010216015.tif 000007
【図２Ｂ】
2010216015.tif 000008
【図２Ｃ】
2010216015.tif 000009
【図２Ｄ】
2010216015.tif 000010
【図３】
2010216015.tif 000011
【図４】
2010216015.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成22年4月21日(2010.4.21)
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記ウェーハの前記表面上に配置するように構成された第一の近接ヘッドであり、前記ウェーハの前記表面上に金属層を堆積させるための陽極として帯電された第一の流体が、前記近接ヘッドと前記ウェーハの前記表面との間において生成可能である第一の近接ヘッドと、
前記ウェーハの前記表面上に配置するように構成された第二の近接ヘッドであり、前記ウェーハの前記表面上における非消耗化学反応を可能にするための陰極として帯電された第二の流体が、前記近接ヘッドと前記ウェーハの前記表面との間において生成可能であり、電気接続は、前記ウェーハの前記表面上に前記金属層を堆積させるときに、前記第一の流体と前記第二の流体との間で構成される第二の近接ヘッドと、備える電気メッキ装置。
【請求項２】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第一の流体は、正バイアス電源との電気的接触によって前記陽極として帯電された前記第一の流体の電解特性により、前記基板との電気的結合を提供する、電気メッキ装置。
【請求項３】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第二の流体は、負バイアス電源との電気的接触によって前記陰極として帯電された前記第二の流体の電解特性により、前記基板との電気的結合を提供する、電気メッキ装置。
【請求項４】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第二の近接ヘッドの下方において、非消耗化学反応は、相殺反応を生成することで、前記金属層の溶解を防止する、電気メッキ装置。
【請求項５】
請求項４記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記非消耗化学反応は、酸化プロセスの減少によって生成される相殺反応である、電気メッキ装置。
【請求項６】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第一の近接ヘッドおよび前記第二の近接ヘッドの前記複数の投入部のそれぞれは、円形導管、環状リング、および個別導管のいずれかとして構成される、電気メッキ装置。
【請求項７】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第一の近接ヘッドおよび前記第二の近接ヘッドの前記複数の排出部のそれぞれは、円形導管、環状リング、および個別導管のいずれかとして構成される、電気メッキ装置。
【請求項８】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第一の近接ヘッドの下の前記流体は、一種類以上の流体によって定められ、前記流体は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）と、電解液と、金属メッキを可能にするメッキ化学物質とを含むグループから選択される、電気メッキ装置。
【請求項９】
請求項８記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記メッキ化学物質は、銅材料と、ニッケル材料と、タリウム材料と、タンタル材料と、チタン材料と、タングステン材料と、コバルト材料と、合金材料と、複合金属材料とのいずれかを含む金属を堆積させる水溶液によって定められる、電気メッキ装置。
【請求項１０】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第二の近接ヘッドの下の前記流体は、一種類以上の流体によって定められ、前記流体は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）と、電解液と、水とを含むグループから選択される、電気メッキ装置。
【請求項１１】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記局所金属メッキは、前記第一の近接ヘッドの下の領域内に前記流体の体積を制限し、前記領域は、前記ウェーハ表面全体より小さい、電気メッキ装置。
【請求項１２】
請求項１記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
渦電流センサは、前記第一の近接ヘッドの下の前記局所金属メッキをモニタ可能である、電気メッキ装置。