(57)【要約】      （修正有）【課題】ウェーハ全体に均一な電流分布を与え、均一なメッキ厚を与える電気メッキヘッド及びその操作方法を提供する。【解決手段】  ウェーハ３０７の上方に電気メッキメッド１００を配置する。ヘッドはメインチャンバ１０５、陽極チャンバ１０５Ａ、１０５Ｂおよび陽極チャンバに配置された陽極１１５Ａ、１１５Ｂ、流体入口１１１、流体出口１１２および流体出口に配置された多孔性抵抗材料１１９を備える。メインチャンバは陽極チャンバから、陽イオンを透過する膜１０９Ａ、１０９Ｂによって分離されている。【選択図】図１
2006009154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気メッキヘッドであって、
流体入口及び流体出口を有し、前記流体入口から前記流体出口への電気メッキ溶液の流れを収容するように構成されたチャンバと、
前記チャンバ内に配置され、電源に電気的に接続されるように構成された陽極と、
前記流体出口に配置された多孔性抵抗材料と、
を備え、
電気メッキ溶液の前記流れは、前記多孔性抵抗材料を通過することが要求される、電気メッキヘッド。
【請求項２】
請求項１記載の電気メッキヘッドであって、
前記チャンバは、メインチャンバと陽極チャンバとを含み、前記メインチャンバは、前記陽極チャンバから膜によって分離され、前記メインチャンバは、前記流体入口及び前記流体出口と流体的に直接連絡し、前記陽極チャンバは、前記陽極を収容するように構成される、電気メッキヘッド。
【請求項３】
請求項２記載の電気メッキヘッドであって、
前記膜は、前記陽極から放出される陽イオンによる前記膜の通過を可能にするように画定される、電気メッキヘッド。
【請求項４】
請求項３記載の電気メッキヘッドであって、更に、
第二の陽極チャンバと、
前記第二の陽極チャンバ内に配置された第二の電極と、を備え、前記第二の陽極チャンバは、第二の膜によって前記メインチャンバから分離され、前記第二の膜は前記第二の陽極から放出される陽イオンによる前記第二の膜の通過を可能にするように画定され、前記第二の陽極は、電源に電気的に接続されるように構成される、電気メッキヘッド。
【請求項５】
請求項１記載の電気メッキヘッドであって、
前記流体出口は、長寸法及び短寸法を有するように画定され、前記長寸法は半導体ウェーハの直径以上であり、前記短寸法は前記半導体ウェーハの直径未満であり、前記多孔性抵抗材料は、前記流体出口を完全に覆うように画定される、電気メッキヘッド。
【請求項６】
請求項１記載の電気メッキヘッドであって、更に、
前記多孔性抵抗材料に近接し、前記チャンバの反対側に配置された陰極を備え、前記陰極の位置により、電気メッキ溶液のメニスカスが前記多孔性抵抗材料と前記陰極との間に形成され、前記陰極は、前記電気メッキ溶液を介して前記陽極と前記陰極との間に電流の流れを発生させるために電気的に接続される、電気メッキヘッド。
【請求項７】
請求項６記載の電気メッキヘッドであって、
前記陰極は、電気メッキ溶液の前記メニスカスと接触した半導体ウェーハ表面積として画定される、電気メッキヘッド。
【請求項８】
請求項１記載の電気メッキヘッドであって、
前記多孔性抵抗材料は、前記陽極と前記陰極との間で確立される電流を均一に分布させることが可能であり、前記陰極は、前記多孔性抵抗材料を介して前記チャンバを退出した前記電気メッキ溶液と電気的に連絡する、電気メッキヘッド。
【請求項９】
請求項１記載の電気メッキヘッドであって、
前記多孔性抵抗材料は、セラミック材料である、電気メッキヘッド。
【請求項１０】
半導体ウェーハを電気メッキする装置であって、
ウェーハを保持するように構成されたウェーハ支持部と、
前記ウェーハ支持部に保持される前記ウェーハの上面の上方に配置されるように構成され、前記ウェーハの上面と実質的に平行であり且つ近接するように画定された処理領域を有し、前記処理領域は前記ウェーハの直径以上の長寸法と前記ウェーハの前記直径未満である短寸法とによって画定され更に多孔性抵抗材料の外面積として画定される、電気メッキヘッドと、
前記ウェーハ支持部の第一の半外周に近接した第一の位置に配置され、前記ウェーハ支持部に保持される前記ウェーハと電気的に接触するように移動可能に構成された第一の電極と、
前記ウェーハ支持部の前記第一の半外周を除いた前記ウェーハ支持部の第二の半外周に近接した第二の位置に配置され、前記ウェーハ支持部に保持される前記ウェーハと電気的に接触するように移動可能に構成された第二の電極と、
を備え、
前記電気メッキヘッド及び前記ウェーハ支持部は、前記ウェーハが前記ウェーハ支持部に保持されている時に前記電気メッキヘッドが前記ウェーハの前記上面の全体を横断できるように、前記第一の電極と前記第二の電極との間で延びる方向に沿って互いに対して移動するように構成される、半導体ウェーハを電気メッキする装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置であって、
前記電気メッキヘッドは、
流体入口及び流体出口を有するチャンバを備え、前記チャンバは、前記流体入口から前記流体出口への電気メッキ溶液の流れを収容するように構成され、前記多孔性抵抗材料は、電気メッキ溶液の前記流れが前記多孔性抵抗材料を通過する必要が生じるように前記流体出口に配置され、更に、
前記チャンバ内に配置された陽極を備え、前記陽極は、電源に電気的に接続されるように構成されている、装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置であって、
前記チャンバは、メインチャンバと陽極チャンバとを含み、前記メインチャンバは、前記陽極チャンバから膜によって分離され、前記メインチャンバは、前記流体入口及び前記流体出口と流体的に直接連絡し、前記陽極チャンバは、前記陽極を収容するように構成される、装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置であって、
前記膜は、前記陽極から放出される陽イオンによる前記膜の通過を可能にするように画定される、装置。
【請求項１４】
請求項１０記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置であって、
前記ウェーハの前記上面に対する前記電気メッキヘッドの前記処理領域の前記近接性は、前記処理領域と、前記処理領域の真下にある前記ウェーハの前記上面の部分との間で、電気メッキ溶液のメニスカスを形成可能にする上で十分に接近したものである、装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置であって、
前記電気メッキヘッドの前記処理領域と前記メニスカスとの間の接触により、前記メニスカスを介して、前記ウェーハに電気的に接触するように移動した前記第一の電極又は前記第二の電極のいずれかへ電流を流すことが可能となる、装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置であって、
前記多孔性抵抗材料は、前記電流を均一に分布させることが可能である、装置。
【請求項１７】
請求項１０記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置であって、
前記多孔性抵抗材料は、セラミック材料である、装置。
【請求項１８】
請求項１０記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置であって、
前記電気メッキヘッドは、固定位置に留まるように構成され、前記ウェーハ支持部は、前記電気メッキヘッドと相対的に移動するように構成される、装置。
【請求項１９】
請求項１０記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置であって、
前記ウェーハ支持部は、固定位置に留まるように構成され、前記電気メッキヘッドは、前記ウェーハ支持部と相対的に移動するように構成される、装置。
【請求項２０】
電気メッキヘッドを操作する方法であって、
ウェーハの上面の上方で近接させて電気メッキヘッドを配置するステップと、
前記電気メッキヘッド内で陽極から電気メッキ溶液へ陽イオンを移動させるステップと、
前記電気メッキ溶液を多孔性抵抗材料を介して流れ出させて前記電気メッキヘッドを退出させ、前記ウェーハの前記上面に配置するステップと、
前記陽極と前記ウェーハの前記上面との間で、前記電気メッキ溶液を介して電流を確立するステップと、
を備え、
前記電流は、前記陽極と前記ウェーハの前記上面との間に存在する前記多孔性抵抗材料により均一に分布され、前記電流により、前記陽イオンは、前記ウェーハの前記上面に誘引される、電気メッキヘッドを操作する方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の電気メッキヘッドを操作する方法であって、
前記電気メッキヘッド内で前記陽極から前記電気メッキ溶液へ陽イオンを移動させるステップは、アナライトを閉じ込めるために使用されている膜上に前記電気メッキ溶液を流れさせるステップを含み、前記膜は陽イオンを透過可能である、方法。
【請求項２２】
請求項２０記載の電気メッキヘッドを操作する方法であって、更に、
前記ウェーハの前記表面上に配置された前記電気メッキ溶液を閉じ込めることによって、前記多孔性抵抗材料と、前記多孔性抵抗材料の真下にある前記ウェーハの前記上面との間の領域内に電気メッキ溶液のメニスカスを形成するステップを備える、方法。
【請求項２３】
請求項２２記載の電気メッキヘッドを操作する方法であって、更に、
新たな電気メッキ溶液が前記多孔性抵抗材料を通って流れ出して前記ウェーハの前記上面に配置される際に、前記メニスカスから電気メッキ溶液を除去することによって、前記メニスカスを介した電気メッキ溶液の流れを確立するステップを備える、方法。
【請求項２４】
請求項２２記載の電気メッキヘッドを操作する方法であって、更に、
ウェーハを固定位置に維持するステップと、
前記ウェーハの前記上面の全体が電気メッキ溶液の前記メニスカスに晒されるように、前記電気メッキヘッドを前記ウェーハの前記上面の上で移動させるステップと、を備える方法。
【請求項２５】
請求項２２記載の電気メッキヘッドを操作する方法であって、更に、
前記電気メッキヘッドを固定位置に維持するステップと、
前記ウェーハの前記上面の全体が電気メッキ溶液の前記メニスカスに晒されるように、前記ウェーハを前記電気メッキヘッドの下で移動させるステップと、を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
集積回路、メモリセル、及びその他といった半導体デバイスの製造においては、一連の製造工程を実行して、半導体ウェーハ上に特徴形状を画定する。半導体ウェーハは、シリコン基板上に画定された多層構造の形態で集積回路デバイスを含んでいる。基板レベルでは、拡散領域を備えたトランジスタデバイスが形成される。その上のレベルでは、相互接続金属線がパターン形成され、トランジスタデバイスと電気的に接続され、所望の集積回路デバイスを画定する。更に、パターン化導電層は、誘電材料によって他の導電層から絶縁される。
【０００２】
半導体ウェーハ上で特徴形状を画定する一連の製造工程は、半導体ウェーハの表面に材料を追加する電気メッキプロセスを含むことができる。従来、電気メッキは、完全ウェーハ電気メッキプロセッサにおいて、ウェーハ全体を電解液に浸漬させた状態で実行される。従来の電気メッキプロセス中、ウェーハは、正に帯電した陽極板に対して負の電位に維持され、陽極板は実質的にウェーハと等しいサイズとなる。陽極板も、電解液中に浸漬され、ウェーハに近接した平行な位置に維持される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
メッキプロセス中、ウェーハは、陰極の役割を果たす。したがって、ウェーハは、多数の電極と電気的に接続させる必要がある。多数の電極は、ウェーハ全体で均一な電流分布を達成するために、ウェーハの周囲に均一に分布させる必要があり、実質的に整合した接触抵抗を有する必要がある。完全ウェーハ電気メッキプロセッサにおいて、ウェーハ全体での不均一な電流分布は、ウェーハ全体で不均一なメッキ厚を発生させる可能性がある。
【０００４】
従来の完全ウェーハ電気メッキプロセッサはウェーハの表面に材料を堆積させることが可能だが、半導体ウェーハ製造中の材料の堆積に応用可能な電気メッキ技術における改良の研究及び開発を継続する必要性は、常に存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、電気メッキヘッドが開示される。電気メッキヘッドは、流体入口及び流体出口を有するチャンバを含む。チャンバは、流体入口から流体出口への電気メッキ溶液の流れを収容するように構成される。電気メッキヘッドは、更に、チャンバ内に配置された陽極を含む。陽極は、電源に電気的に接続されるように構成される。電気メッキヘッドは、更に、流体出口に配置された多孔性抵抗材料を含み、電気メッキ溶液の流れは、多孔性抵抗材料を通過する必要が生じる。
【０００６】
一実施形態では、半導体ウェーハを電気メッキする装置が開示される。この装置は、ウェーハを保持するように構成されたウェーハ支持部を含む。この装置は、更に、ウェーハ支持部によって保持されるウェーハの上面の上方に配置される電気メッキヘッドを含む。電気メッキヘッドは、ウェーハの上面と実質的に平行となり、これに近接するように画定された処理領域を有するように構成される。処理領域は、ウェーハの直径以上である長寸法と、ウェーハの直径未満である短寸法とによって画定される。処理領域は、更に、多孔性抵抗材料の外面積として画定される。装置は、更に、ウェーハ支持部の第一の半外周に近接した第一の位置に配置される第一の電極を含む。第一の電極は、ウェーハ支持部に保持されるウェーハと電気的に接触するように移動可能に構成される。追加として、装置は、ウェーハ支持部の第一の半外周を除いたウェーハ支持部の第二の半外周に近接した第二の位置に配置される第二の電極を含む。第二の電極は、ウェーハ支持部に保持されるウェーハと電気的に接触するように移動可能に構成される。電気メッキヘッド及びウェーハ支持部は、ウェーハがウェーハ支持部に保持されている時に、電気メッキヘッドがウェーハの上面の全体を横断できるように、第一の電極と第二の電極との間に延びる方向に沿って、互いに対して移動するように構成される。
【０００７】
一実施形態では、電気メッキヘッドを操作する方法が開示される。方法は、ウェーハ上面の上方で近接させて電気メッキヘッドを配置するステップを含む。この方法は、更に、電気メッキヘッド内で陽極から電気メッキ溶液へ陽イオンを移動させるステップを含む。この方法の別のステップにおいて、電気メッキ溶液は、多孔性抵抗材料を介して流れ出して電気メッキヘッドを退出し、ウェーハの上面に配置される。この方法は、更に、陽極とウェーハ上面との間で、電気メッキ溶液を介して電流を確立するステップを含む。電流は、陽極とウェーハ上面との間に存在する多孔性抵抗材料により均一に分布される。更に、この電流により、陽イオンは、ウェーハ上面に誘引される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の他の態様及び利点は、本発明を例示する添付図面と併せて、以下の詳細な説明から更に明らかとなろう。
【０００９】
本発明は、その更なる利点と共に、添付図面と併せて以下の詳細な説明を参照することで最も良く理解され得よう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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又は全部がなくとも、本発明を実施し得ることは、当業者には自明であろう。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。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態による、ウェーハ３０７の上方に配置された電気メッキヘッド１００を示す図である。電気メッキヘッド１００は、囲壁１０１内に形成されたメインチャンバ１０５を含む。囲壁１０１は、一体式の形で、或いは適切に締め付けて密閉した構成要素の組み合わせとして画定することが可能であると理解されたい。メインチャンバ１０５は、流体入口１１１及び流体出口１１２を含む。流体供給部１１３は、流体入口１１１に取り付けられ、電気メッキ溶液をメインチャンバ１０５に供給する。したがって、動作中、メインチャンバ１０５は、矢印３０１によって示すような、流体入口１１１から流体出口１１２への電気メッキ溶液の流れを収容するように構成される。
【００１２】
電気メッキヘッド１００は、更に、陽極チャンバ１０５Ａ及び１０５Ｂ内にそれぞれ配置された第一の陽極１１５Ａ及び第二の陽極１１５Ｂを含む。陽極１１５Ａ／１１５Ｂのそれぞれは、正極性１１７によって示したように、電源に電気的に接続された構成となる。それぞれの陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂ内での各陽極１１５Ａ／１１５Ｂの形状及び向きは、多数の異なる形で画定することができる。陽極１１５Ａ／１１５Ｂ及び関連する陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂは電気メッキヘッド１００内において様々な形で構成できるが、メインチャンバ１０５内の電気メッキ溶液全体で実質的に均一な陽イオンの分布を提供する形で、陽極１１５Ａ／１１５Ｂ及び関連する陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂを構築するのが望ましい。
【００１３】
一実施形態において、陽極１１５Ａ／１１５Ｂは、そのそれぞれの陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂと共に、垂直配向で配置される。陽極１１５Ａ／１１５Ｂの垂直配向により、それぞれの陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂ内に存在する電気メッキ溶液の自然循環が可能となる。自然循環は、電気メッキプロセス中に陽極１１５Ａ／１１５Ｂから放出された粒子材料に作用する重力によって誘導できる。更に、陽極１１５Ａ／１１５Ｂの垂直配向は、ウェーハ３０７に対する陽極１１５Ａ／１１５Ｂの垂直な配向に対応すると理解されたい。
【００１４】
電気メッキプロセス中、溶解イオンの溶解限度によって陽極表面に塩の沈着が生じる時には、アノード分極が発生する可能性がある。沈着した塩により、陽極は、周囲の電気メッキ溶液から絶縁される。アノード分極効果は、一般に、電気メッキプロセス中の臨界電流束の超過に関連する。沈着した塩が陽極を絶縁し始めると、減少する非絶縁陽極面積が、増加した電流束の提供を担うようになる。非絶縁陽極面積で電流束が増加すると、沈着の縦続により、陽極での反応の停止が生じる。
【００１５】
陽極チャンバ内での陽極の垂直配向は、上記のように、自然対流による陽極チャンバ内での質量移動を提供し、したがって、陽極チャンバ内での電気メッキ溶液の循環が生じる。陽極チャンバ内での電気メッキ溶液の循環は、陽極の表面での沈着塩の付着を防止する。本発明によって提供されるような、それぞれのアノードチャンバ内での各陽極の垂直配向は、電気メッキヘッドの設計の複雑性と、電気メッキプロセスの複雑性と、陽極での沈着塩の堆積を低減するために電気メッキ溶液を機械的に循環させる必要があることに関連する費用の増加とを回避すると理解されたい。更に、陽極での塩の堆積の低減のため、各陽極の垂直配向は、最大許容電流束の増加を可能にする。
【００１６】
図１の実施形態では、二つの陽極１１５Ａ／１１５Ｂ及び関連する陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂを含むものとして電気メッキヘッド１００を図示しているが、別の実施形態において、電気メッキヘッド１００は、一つ以上の陽極及び関連する陽極チャンバを含むことが可能であると理解されたい。更に多くの陽極の使用は、陰極、即ち、ウェーハ３０７への電流束を増加させる働きをする。
【００１７】
図１に関して、陽極チャンバ１０５Ａ及び１０５Ｂのそれぞれは、電気メッキ溶液が充填されるように構成される。しかしながら、陽極チャンバ１０５Ａ及び１０５Ｂのそれぞれの内部の電気メッキ溶液は、それぞれ膜１０９Ａ及び１０９Ｂによって、メインチャンバから分離される。説明の目的から、陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂ内部の電気メッキ溶液をアナライトと呼ぶ。更に、メインチャンバ１０５内の電気メッキ溶液をカタライトと呼ぶ。様々な実施形態において、陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂ内に存在するアナライトは、メインチャンバ１０５内に存在するカタライトの化学的性質と等しいか又は異なる化学的性質を有するように画定することができる。陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂにはアナライトが充填されるため、陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂには本質的に空気が存在しない。したがって、陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂ内のアナライトは圧縮不能となり、これにより、アナライトが移動して、メインチャンバ１０５内に存在するカタライトと混合する可能性が低減される。更に、陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂの圧縮不能性により、膜１０９Ａ／１０９Ｂの歪みを発生させずに、メインチャンバ１０５内の圧力を増加させることが可能となる。
【００１８】
動作中、各膜１０９Ａ／１０９Ｂは、矢印３０３によって示したように、それぞれ陽極チャンバ１０５Ａ及び１０５Ｂからメインチャンバ１０５へ陽イオンが移動するのを可能にするように画定される。更に、膜１０９Ａ／１０９Ｂは、陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂからメインチャンバ１０５へ、電気メッキプロセスにとって有害となり得る物質、例えば、粒子及びガスが通過するのを防止するように構成される。一実施形態において、膜１０９Ａ／１０９Ｂは、フルオロカーボン材料によって画定される。更に、一実施形態において、膜１０９Ａ／１０９Ｂは、約０．２マイクロメートル乃至約０．０５マイクロメートルの範囲内の微細孔サイズ、即ち、平均微細孔直径を有するように画定される。膜１０９Ａ／１０９Ｂの微細孔サイズは、陽極反応によって生成された粒子材料を陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂからメインチャンバ１０５へ通過させることなく、陽イオンを陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂからメインチャンバ１０５へ通過させるのに十分である。したがって、本発明で提供されるように、カタライトからアナライトを分離する膜１０９Ａ／１０９Ｂを使用することで、電気メッキプロセス中の陽極からウェーハへの不要な異質粒子の輸送に関連する問題が回避される。
【００１９】
一実施形態では、陰極、即ち、ウェーハでの電気メッキプロセスの性能を強化するために、重要な有機添加剤がカタライト内に含まれる。陽極及び陰極が同じ電気メッキ溶液と直接的に相互作用する従来の電気メッキシステムにおいて、こうした重要な有機添加剤は、陽極によって消費されやすく、したがって、こうした添加剤を補充しなければ、陰極での電気メッキプロセスに利用可能な添加剤が減少する。陽極による重要な有機添加剤の消費は、銅（Ｃｕ）金属が存在する状態では特に問題となる。しかしながら、本発明の膜１０９Ａ／１０９Ｂは、メインチャンバ１０５のカタライト中に存在するこうした重要な有機添加剤がアナライトと混合するのを防止し、或いは、陽極チャンバ１０５Ａ／１０５Ｂ内の銅電極に触れるのを防止する役割を果たす。したがって、膜１０９Ａ／１０９Ｂにより、重要な有機添加剤は、陽極１１５Ａ／１１５Ｂには触れなくなる。更に、カタライトの化学的性質とアナライトの化学的性質とを別個に制御できるため、カタライト中の重要な有機添加剤の濃度を、より厳密に制御できる。
【００２０】
更に図１に関して、電気メッキヘッド１００は、更に、流体出口１１２に配置された多孔性抵抗材料１１９を含む。メインチャンバ１０５内のカタライトは、処理領域２０１において電気メッキヘッド１００を退出するために、矢印３０１によって示したように、多孔性抵抗材料１１９を通過する必要がある。処理領域２０１は、多孔性抵抗材料１１９の下面によって画定される。動作中、電気メッキヘッド１００の処理領域２０１は、処理対象のウェーハ３０７の上面の上方で、これに近接して平行に位置決めされる。処理領域２０１において電気メッキヘッド１００を退出する陽イオン充填電気メッキ溶液、即ち、カタライトは、処理領域２０１とウェーハ３０７の上面との間でメニスカス３０５を形成する。したがって、メニスカス３０５は、本質的には、電気メッキヘッド１００の処理領域２０１と、処理領域２０１及びウェーハ３０７間の距離とによって画定された電気メッキ反応チャンバを意味する。一実施形態においては、メニスカス閉じ込め面３１１を組み込むことによって、処理領域２０１の真下の領域内にメニスカスを維持するのを支援できる。本質的には、メニスカス閉じ込め面３１１は、処理領域２０１の周囲において、ウェーハ３０７に向かって処理領域２０１の下方へ延びる一つ以上の面を表す。しかしながら、メニスカス閉じ込め面３１１は、電気メッキヘッド１００の動作の成功には必要ないと理解されたい。
【００２１】
動作中、電圧電位は、負極性３０９によって示したように、陽極１１５Ａ／１１５Ｂとウェーハ３０７との間で維持される。したがって、陽極１１５Ａ／１１５Ｂとウェーハ３０７との間では、電気メッキ溶液（カタライト及びアナライト）を介して、電流が確立される。陽極で生成された金属イオン（陽イオン）は、電流により、膜１０９Ａ／１０９Ｂを介して拡散し、カタライトによって多孔性抵抗材料１１９を通ってウェーハ３０７へ運ばれ、ウェーハ３０７においてメッキが発生する。多孔性抵抗材料１１９は、陽極１１５Ａ／１１５Ｂとウェーハ３０７との間で確立された電流を均一に分布させる役割を果たす。より均一にウェーハ３０７表面に渡って分布した電流の確立により、より均一な材料の堆積が生じる。したがって、多孔性抵抗材料１１９は、ウェーハ表面に渡る、より均一な材料の堆積を提供する役割を果たす。
【００２２】
様々な実施形態において、多孔性抵抗材料１１９は、多孔質セラミック、多孔質ガラス、又は多孔質ポリマ材料として画定される。一実施形態において、多孔性抵抗材料１１９は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）として画定される。一実施形態において、多孔性抵抗材料１１９は、約３０マイクロメートル乃至約２００マイクロメートルの範囲内の微細孔サイズ、即ち、平均微細孔直径を有するように画定される。本発明の多孔性抵抗材料１１９は、電気メッキ溶液の十分なスループットと、電流分布均一性をもたらすのに必要な実効抵抗率を提供する十分な微細孔／固体比とを提供できる任意の材料によって画定することが可能であると理解されたい。
【００２３】
図２は、本発明の一実施形態による、図１の電気メッキヘッド１００の等角図を示す図である。以前に説明したように、陽極１１５Ａ、或いは視点に応じて１１５Ｂは、囲壁１０１を貫通し、正極性１１７によって示したような電気的接続が可能となるように図示されている。例えば、ゴム又はプラスチックＯリング、金属圧縮密閉、ガスケット等の様々な密閉メカニズムを使用して、関連する陽極チャンバ内からのアナライトの漏出なく、陽極１１５Ａ／１１５Ｂによる囲壁の貫通を可能にできると理解されたい。更に、陽極１１５Ａ／１１５Ｂは、周囲の設備及び構造と相互作用する必要に応じて、本質的に任意の位置で、囲壁１０１を貫通する構成にできると理解されたい。更に、電気メッキヘッド１００は、周囲の設備及び構造と相互作用する必要に応じて、様々な位置での流体供給部１１３の接続を可能にする構成にできる。
【００２４】
上記のように、処理領域２０１は、電気メッキヘッド１００の流体出口１１２に配置された多孔性抵抗材料１１９の下面によって画定される。図２に関して、電気メッキヘッド１００の処理領域２０１は、長寸法ＬＤ及び短寸法ＳＤによって画定される。長寸法ＬＤは、処理対象のウェーハの直径以上に設定される。反対に、短寸法ＳＤは、処理対象のウェーハの直径未満に設定される。一実施形態において、短寸法ＳＤは、処理対象のウェーハの直径より大幅に小さい。動作中、電気メッキヘッド１００の処理領域２０１は、ウェーハの上面の上方で、これに近接して平行に位置決めされる。更に動作中、電気メッキヘッド１００及びウェーハは、互いに対して移動するように制御され、電気メッキヘッド１００の処理領域２０１がウェーハ上面を横断する。処理領域２０１がウェーハ上面を横断する際に、電気メッキヘッド１００は、ウェーハに対する配向性を維持し、長寸法ＬＤは処理領域２０１とウェーハとの間の移動方向に対して実質的に垂直となる。したがって、処理領域２０１及び関連するメニスカス３０５は、電気メッキ工程中、ウェーハの上面の全体を横断できる。
【００２５】
図３Ａは、本発明の一実施形態による、電気メッキプロセスに用いられている電気メッキヘッド１００を示す図である。電気メッキヘッドの各構成要素は、図１及び２に関して以前に説明したものと同じである。電気メッキプロセス中、電気メッキヘッド１００は、方向４０１でウェーハ３０７上方を移動し、処理領域２０１はウェーハ３０７の上面に対して実質的に平行となり、これに近接した状態を維持する。したがって、電気メッキヘッド１００がウェーハ３０７上を横断する際、メニスカス３０５もウェーハ上を横断する。図２に関して以前に説明したように、電気メッキヘッド１００は、電気メッキ工程中にメニスカスがウェーハ上面の全体を横断できるように構成される。
【００２６】
電気メッキプロセス中、ウェーハ３０７は、ウェーハ支持部４０３によって保持される。第一の電極４０５Ａ及び第二の電極４０５Ｂのそれぞれは、ウェーハ支持部１０３の外周に近接して位置する。追加として、第二の電極４０５Ｂは、ウェーハ支持部４０５に関して第一の電極４０５Ａから実質的に反対側の位置に配置される。一実施形態において、第一の電極４０５Ａは、ウェーハ支持部４０３の外周に近い第一の位置に配置され、第一の位置は、ウェーハ支持部４０３の第一の半外周に沿って存在するようになる。更に、同じ実施形態において、第二の電極は、ウェーハ支持部４０３の外周に近い第二の位置に配置され、第二の位置は、ウェーハ支持部４０３の第一の半外周を除いた、ウェーハ支持部４０３の第二の半外周に沿って存在するようになる。
【００２７】
第一の電極４０５Ａ及び第二の電極４０５Ｂのそれぞれは、矢印４０７Ａ及び４０７Ｂによってそれぞれ示したように、ウェーハ３０７との電気的な接続及び断絶のために移動するように構成されている。ウェーハ３０７との接続及び断絶のための電極４０５Ａ及び４０５Ｂの移動は、本質的に無数の方法で実施できると理解されたい。例えば、一実施形態において、電極４０５Ａ及び４０５Ｂは、ウェーハと整合した平面において直線的に移動させることができる。別の実施形態においては、十分に細長い形状を有し、ウェーハ３０７と同平面の配置で配向させた電極４０５Ａ及び４０５Ｂを、回転させる形で移動させて、ウェーハに接触させることができる。更に、電極４０５Ａ及び４０５Ｂの形状は、多数の異なる形で画定することができると理解されたい。例えば、一実施形態において、電極４０５Ａ及び４０５Ｂは、実質的に長方形の形状にできる。別の実施形態において、電極４０５Ａ及び４０５Ｂは、ウェーハ外周の曲率に従って画定することが可能なウェーハ接触エッジを除き、長方形の形状にできる。更に別の実施形態において、電極４０５Ａ及び４０５Ｂは、Ｃ字形にできる。本発明は、ウェーハ３０７との電気的な接続及び断絶のために独立して操作可能な、少なくとも二つの電極を必要とすると理解されたい。
【００２８】
更に図３に関して、電気メッキヘッド１００及びメニスカス３０５が上を通過する際に、電気メッキ溶液のメニスカス３０５への露出から第一及び第二の電極４０５Ａ及び４０５Ｂをそれぞれ保護するために、流体シールド４０９Ａ及び４０９Ｂが提供される。一実施形態において、第一及び第二の電極４０５Ａ／４０５Ｂのそれぞれは、電気メッキヘッド１００と電気メッキ溶液のメニスカス３０５とが上を通過する際に、ウェーハ３０７から離れる方向へ移動させ、それぞれの流体シールド４０９Ａ／４０９Ｂの下に格納するように制御可能である。
【００２９】
電気メッキプロセス中、陽極１１５Ａ／１１５Ｂと、第一及び第二の電極４０５Ａ／４０５Ｂの少なくとも一方とは、電源に電気的に接続され、その間に電圧電位が存在するようになる。図３Ａに関して、第一の電極４０５Ａは、ウェーハ３０７の上面に渡って負極性３０９が確立されるように、ウェーハ３０７との電気的な接続のために移動させる。したがって、電流は、電気メッキ溶液（アナライト、カタライト、及びメニスカスによって画定される）を介して、陽極１１５Ａ／１１５Ｂと第一の電極４０５Ａとの間で流れる。電流によって、メニスカス３０５に晒されるウェーハ３０７の上面の部分では、電気メッキ反応が発生可能となる。したがって、メニスカス３０５に晒されるウェーハ３０７の上面の部分は、電気メッキプロセスにおいて陰極としての役割を果たす。
【００３０】
第一の電極４０５Ａは、電気メッキヘッド１００が第一の電極４０５Ａに向かって第二の電極４０５Ｂから離れる方向へ移動する際に、ウェーハ３０７との接続を維持する。一実施形態では、電気メッキヘッド１００及びメニスカス３０５が第二の電極４０５Ｂから十分な距離だけ離れ、第二の電極４０５Ｂが電気メッキ溶液に露出されない状態が確保されるまで、第二の電極４０５Ｂは、格納位置に維持される。
【００３１】
更に、第一の電極４０５Ａ及び第二の電極４０５Ｂとウェーハ３０７との接続は、メニスカス３０５と接触するウェーハ３０７の上面の部分に存在する電流分布を最適化するために管理される。一実施形態では、電気メッキヘッド１００がウェーハ３０７上を横断する際に、メニスカス３０５とウェーハ３０７との間の界面において実質的に均一な電流分布を維持するのが望ましい。接続した電極から十分に離れた距離に電気メッキヘッド１００を維持することで、メニスカス３０５とウェーハ３０７との間の界面での電流分布を、より均一に分布させることが可能であると理解されたい。したがって、一実施形態において、第一の電極４０５Ａの接続から第二の電極４０５Ｂの接続への移行は、電気メッキヘッド１００の処理領域２０１がウェーハ３０７の上面の中心線に実質的に近づいた時に発生し、中心線は電気メッキヘッド１００の横断方向に対して垂直に配向される。
【００３２】
第一の電極４０５Ａの接続から第二の電極４０５Ｂの接続への移行中、第一の電極４０５Ａのウェーハ３０７との接続は、第二の電極４０５Ｂが接続されるまで維持される。第二の電極４０５Ｂがウェーハ３０７に接続された後、第一の電極４０５Ａは、ウェーハ３０７から断絶される。少なくとも一つの電極がウェーハ３０７に接続された状態を維持することは、電気メッキプロセスによって生成される材料の堆積における間隙又は偏りの可能性を最小化する役割を果たす。
【００３３】
図３Ｂは、本発明の一実施形態による、図３Ａに示した電気メッキプロセスの続きを示す図である。図３Ｂは、第一の電極４０５Ａの接続から第二の電極４０５Ｂの接続への移行後の第一及び第二の電極４０５Ａ／４０５Ｂを示している。更に、図３Ｂは、第一の電極４０５Ａに向かってウェーハ３０７上を引き続き横断する電気メッキヘッド１００を示している。第二の電極４０５Ｂは、ウェーハ３０７に接続された状態で図示されている。第一の電極４０５Ａは、ウェーハ３０７から断絶され、接近するメニスカス３０５から保護するために流体シールド４０９Ａの下に格納された状態で図示されている。電極の移行に続いて、電流は、電気メッキ溶液（アナライト、カタライト、及びメニスカスによって画定される）を介して、陽極１１５Ａ／１１５Ｂと第二の電極４０５Ｂとの間で流れる。
【００３４】
図４Ａは、本発明の別の実施形態による、電気メッキプロセスに用いられている電気メッキヘッド１００を示す図である。図４ａに示した仕組みは、支持構造５０１に固定された固定位置に維持された電気メッキヘッド１００の下で、ウェーハ支持部４０３と、電極４０５Ａ／４０５Ｂと、流体シールド４０９Ａ／４０９Ｂとを直線方向５０３で共に移動させる構成であることを除いて、図３Ａのものに等しい。図４Ａの装置の動作中、電気メッキヘッド１００の処理領域２０１は、図３Ａに関して以前に説明したものと同様の形で配向されると理解されたい。更に、電極４０５Ａ／４０５Ｂは、図３Ａ及び３Ｂに関して以前に説明したように、処理領域２０１及びメニスカス３０５の位置に基づいて、ウェーハ３０７との電気的な接続及び断絶のために制御される。図４Ａの装置は、ウェーハ３０７上方の設備の移動を必要としないため、図４Ａの装置は、ウェーハ３０７の上面における不要な異質粒子の堆積を容易に防止できると理解されたい。
【００３５】
図４Ｂは、本発明の一実施形態による、図４Ａに示した電気メッキプロセスの続きを示す図である。図４Ｂは、第一の電極４０５Ａの接続から第二の電極４０５Ｂの接続への移行後の第一及び第二の電極４０５Ａ／４０５Ｂを示している。更に、図４Ｂは、メニスカス３０５が第一の電極４０５Ａに向かって引き続き移動するように、電気メッキヘッド１００の下を引き続き通過するウェーハ３０７を示している。第二の電極４０５Ｂは、ウェーハ３０７に接続された状態で図示されている。第一の電極４０５Ａは、ウェーハ３０７から断絶され、接近するメニスカス３０５から保護するために流体シールド４０９Ａの下に格納された状態で図示されている。
【００３６】
図５は、本発明の一実施形態による、電気メッキヘッド１００がウェーハ３０７上を横断する際に電気メッキヘッド１００に追随するように構成されたウェーハ表面調整デバイスの配列を示す図である。説明の目的から、各ウェーハ表面調整デバイスは、ウェーハ３０７の上面で流体を供給するか、或いは流体を除去するように構成されたベントとして表現される。各ベントは、十分な速度で流体を供給及び除去するために、適切なサイズとした流量範囲を有するように構成される。図示した各ベントは、例えば、ホース、ポンプ、測定、リザーバ、その他といった、流体の供給及び除去を制御可能な様々な設備に接続できると理解されたい。
【００３７】
図５に関して、第一のベント５０５は、真空を提供し、メニスカス３０５が上を通過した後のウェーハ３０７表面から流体を除去する。第二のベント５０７は、ウェーハ３０７の表面に濯ぎ流体（リンス流体）を供給する。一実施形態において、濯ぎ流体は脱イオン水である。しかしながら、別の実施形態において、ウェーハ処理用途での使用に適した任意の濯ぎ流体を使用できる。第一のベント５０５と同様に、第三のベント５０９は、真空を提供し、ウェーハ３０７の表面から流体を除去する。第四のベント５１１は、ウェーハ３０７の表面にイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）／窒素混合物を供給するために使用できる。本発明は、図５に関して説明したベントの一部、或いは本明細書において明示的に説明されていない他のウェーハ表面調整デバイスを使用して実施可能であると理解されたい。
【００３８】
図６は、本発明の一実施形態による、電気メッキヘッドを操作する方法のフローチャートを示す図である。この方法は、ウェーハの上面の上方で近接させて電気メッキヘッドを配置するステップ６０１を含む。次に、電気メッキヘッド内で陽極から電気メッキ溶液へ陽イオンを移動させるステップ６０３が提供される。一実施形態において、ステップ６０３は、アナライトを閉じ込めるために使用された膜全体に電気メッキ溶液を流れさせることで実行され、膜は、アナライトから電気メッキ溶液へ陽イオンを透過させることが可能である。ステップ６０５では、陽イオン充填電気メッキ溶液は、多孔性抵抗材料を介して流れし、電気メッキヘッドを退出する。電気メッキヘッドを退出すると、陽イオン充填電気メッキ溶液は、ウェーハの上面に配置される。
【００３９】
この方法は、更に、ウェーハの上面に配置された電気メッキ溶液を閉じ込め、電気メッキ溶液のメニスカスを形成するステップ６０７を含む。電気メッキ溶液のメニスカスは、多孔性抵抗材料と、多孔性抵抗材料の真下にあるウェーハの上面との間の領域内に維持される。一実施形態において、電気メッキ溶液は、メニスカスを介した電気メッキ溶液の流れを確立するために、メニスカスから除去される。
【００４０】
ステップ６０９では、電気メッキ溶液を介して、陽極とウェーハ上面との間で電流が確立される。多孔性抵抗材料は、電気メッキ溶液のメニスカスと接触するウェーハの上面に渡って電流を均一に分布させる。この電流により、電気メッキ溶液のメニスカス中の陽イオンは、ウェーハの上面に誘引されメッキされる。この方法は、更に、電気メッキヘッド及びウェーハを制御して、互いに対して移動させるステップ６１１を含む。一実施形態では、ウェーハを固定位置に維持し、ウェーハの上面の全体が電気メッキ溶液のメニスカスに晒されるように、電気メッキヘッドをウェーハ上で移動させる。別の実施形態では、電気メッキヘッドを固定位置に維持し、ウェーハの上面の全体が電気メッキ溶液のメニスカスに晒されるように、ウェーハを電気メッキヘッドの下で移動させる。
【００４１】
本発明とは対照的に、従来の電気メッキシステムは、電気メッキ溶液の系統的な補充、又はスパイキングを必要とする。電気メッキ溶液の系統的な補充は、電気メッキ溶液がプロセス管理限界内であるかを判定するために、高度なリアルタイムの化学定量能力を必要とする。更に、従来の電気メッキシステムは、プロセスコストを抑えるために、電気メッキ溶液の再利用を必要とする。
【００４２】
従来の電気メッキシステムとは対照的に、本発明の電気メッキヘッド及び関連するメニスカスは、電気メッキ溶液、即ち、分離したアナライト及びカタライトの化学的性質を管理する少量の使い捨てアプローチの実施を可能にする、閉じ込められた電気メッキ反応領域を提供する。例えば、本発明により、直径２００ミリメートルのウェーハをメッキするのに必要な電気メッキ溶液、即ち、カタライトは、５０ミリリットル未満となる。そのため、本発明では、電気メッキ溶液の管理について、費用効率に優れた使い捨て方法の実施が可能となる。したがって、本発明の電気メッキシステムを使用して実行される電気メッキプロセス中、厳密なプロセス制御を維持するために、費用の高い化学測定、スパイキング、再循環、及び再利用能力は必要ない。
【００４３】
フルウェーハ同時メッキを提供する構成の従来の電気メッキシステムは、事前にウェーハに付与された抵抗の小さい中間膜を有していなければ、ウェーハ表面上において非常に抵抗の大きい障壁膜をメッキできない。例えば、非常に抵抗の大きい障壁膜上でのＣｕメッキの場合、従来のシステムでは、ＰＶＤ  Ｃｕシード層をフルウェーハメッキプロセスの前に付与する必要がある。このシード層がない場合、ウェーハ全体での抵抗の下落により、フルウェーハメッキ中にバイポーラ効果が誘発される。バイポーラ効果は、ウェーハに接触する電極に隣接する領域内でのメッキ分離及びエッチングを発生させる。本発明に関して説明したような多孔性抵抗材料の使用により、ウェーハ上面の抵抗率による影響は、特にウェーハのエッジにおいて、分離及び最小化可能となり、これにより、その後のメッキプロセスの均一性が改善される。
【００４４】
更に、従来のフルウェーハメッキシステムでは、ウェーハの外周に均一に分布させた電極が必要であり、均一に分布させた電極のそれぞれの抵抗を整合させている。従来のフルウェーハ電気メッキシステムでは、ある電極において別の電極に対して非対称な接触抵抗が存在すると、ウェーハ全体で不均一な電流分布が生じ、そのため、ウェーハ全体で不均一な材料の堆積が発生する。本発明に関して説明したような多孔性抵抗材料の使用によって、電極の数と電極の接触抵抗とに関係なく、メッキ中のウェーハ表面積全体で、電流束を均一に分布させることが可能となる。
【００４５】
以上、本発明について、いくつかの実施形態の観点から説明してきたが、当業者は上の明細書を読み且つ図面を検討することで、その様々な変形例、追加例、置換例、及び均等物を実現し得ることは理解されよう。したがって、本発明は、本発明の本来の趣旨及び範囲に含まれるこうした全ての変形例、追加例、置換例、及び均等物を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態による、ウェーハの上方に配置された電気メッキヘッドを示す図。
【図２】本発明の一実施形態による、図１の電気メッキヘッドの等角図を示す図。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による、電気メッキプロセスに用いられている電気メッキヘッドを示す図。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による、図３Ａに示した電気メッキプロセスの続きを示す図。
【図４Ａ】本発明の別の実施形態による、電気メッキプロセスに用いられている電気メッキヘッドを示す図。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による、図４Ａに示した電気メッキプロセスの続きを示す図。
【図５】本発明の一実施形態による、電気メッキヘッドがウェーハ上を横断する際に電気メッキヘッドに追随するように構成されたウェーハ表面調整デバイスの配列を示す図。
【図６】本発明の一実施形態による、電気メッキヘッドを操作する方法のフローチャートを示す図。
【図１】
2006009154.tif 000003
【図２】
2006009154.tif 000004
【図３Ａ】
2006009154.tif 000005
【図３Ｂ】
2006009154.tif 000006
【図４Ａ】
2006009154.tif 000007
【図４Ｂ】
2006009154.tif 000008
【図５】
2006009154.tif 000009
【図６】
2006009154.tif 000010
【外国語明細書】
1. TITLE OF THE INVENTION
Electroplating Head and Method for Operating the Same
2. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Background of the Invention
[0001]In the fabrication of semiconductor devices such as integrated circuits, memory cells, and the like, a series of manufacturing operations are performed to define features on semiconductor wafers. The semiconductor wafers include integrated circuit devices in the form of multi-level structures defined on a silicon substrate. At a substrate level, transistor devices with diffusion regions are formed. In subsequent levels, interconnect metallization lines are patterned and electrically connected to the transistor devices to define a desired integrated circuit device. Also, patterned conductive layers are insulated from other conductive layers by dielectric materials.
[0002]The series of manufacturing operations for defining features on the semiconductor wafers can include an electroplating process for adding material to the surface of the semiconductor wafer. Conventionally, electroplating is performed in a complete wafer electroplating processor with the entire wafer submerged in an electrolyte. During the conventional electroplating process, the wafer is maintained at a negative potential with respect to a positively charged anode plate, wherein the anode plate is substantially equal in size to the wafer. The anode plate is also submerged in the electrolyte and maintained in a position proximate to and parallel with the wafer.
[0003]During the plating process the wafer acts as a cathode. Thus, the wafer is required to be electrically connected to a number of electrodes. The number of electrodes are required to be uniformly distributed around a perimeter of the wafer and have substantially matched contact resistances in order to achieve a uniform current distribution across the wafer. In the complete wafer electroplating processor, a non-uniform current distribution across the wafer can result in a non-uniform plating thickness across the wafer.
[0004]While the conventional complete wafer electroplating processor is capable of depositing material on the surface of the wafer, there is an ever present need to continue researching and developing improvements in electroplating technology applicable to material deposition during semiconductor wafer fabrication.
Summary of the Invention
[0005]In one embodiment, an electroplating head is disclosed. The electroplating head includes a chamber having a fluid entrance and a fluid exit. The chamber is configured to contain a flow of electroplating solution from the fluid entrance to the fluid exit. The electroplating head also includes an anode disposed within the chamber. The anode is configured to be electrically connected to a power supply. The electroplating head further includes a porous resistive material disposed at the fluid exit such that the flow of electroplating solution is required to traverse through the porous resistive material.
[0006]In one embodiment, an apparatus for electroplating a semiconductor wafer is disclosed. The apparatus includes a wafer support configured to hold a wafer. The apparatus also includes an electroplating head configured to be disposed over an upper surface of the wafer to be held by the wafer support. The electroplating head is configured to have a processing area defined to be substantially parallel with and proximate to an upper surface of the wafer. The processing area is defined by a long dimension that is at least equal to a diameter of the wafer and a short dimension that is less than the diameter of the wafer. The processing area is further defined as an exterior surface area of a porous resistive material. The apparatus further includes a first electrode disposed at a first location proximate to a first peripheral half of the wafer support. The first electrode is movably configured to electrically contact the wafer to be held by the wafer support. Additionally, the apparatus includes a second electrode disposed at a second location proximate to a second peripheral half of the wafer support that is exclusive of the first peripheral half of the wafer support. The second electrode is movably configured to electrically contact the wafer to be held by the wafer support. The electroplating head and the wafer support are configured to move with respect to one another in a direction extending between the first electrode and the second electrode, such that the electroplating head can traverse over an entirety of the upper surface of the wafer when the wafer is held by the wafer support.
[0007]In one embodiment, a method for operating an electroplating head is disclosed. The method includes an operation for disposing an electroplating head over and proximate to an upper surface of a wafer. The method also includes an operation for transferring cations from an anode to an electroplating solution within the electroplating head. In another operation of the method, the electroplating solution is flowed through a porous resistive material to exit the electroplating head and be disposed on the upper surface of the wafer. The method further includes an operation for establishing an electric current between the anode and the upper surface of the wafer through the electroplating solution. The electric current is uniformly distributed by the porous resistive material present between the anode and the upper surface of the wafer. Also, the electric current causes the cations to be attracted to the upper surface of the wafer.
[0008]Other aspects and advantages of the invention will become more apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, illustrating by way of example the present invention. 
[0009]The invention, together with further advantages thereof, may best be understood by reference to the following description taken in conjunction with the accompanying drawings.
Detailed Description
[0010]In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present invention. It will be apparent, however, to one skilled in the art that the present invention may be practiced without some or all of these specific details. In other instances, well known process operations have not been described in detail in order not to unnecessarily obscure the present invention.
[0011]Figure 1 is an illustration showing an electroplating head 100 disposed over a wafer 307, in accordance with one embodiment of the present invention. The electroplating head 100 includes a main chamber 105 formed within surrounding walls 101. It should be appreciated that the surrounding walls 101 can be defined in either an integral manner or as a combination of appropriately fastened and sealed components. The main chamber 105 includes a fluid entrance 111 and a fluid exit 112. A fluid supply 113 is attached to the fluid entrance 111 to supply electroplating solution to the main chamber 105. Thus, during operation the main chamber 105 is configured to contain a flow of electroplating solution from the fluid entrance 111 to the fluid exit 112, as indicated by arrows 301.
[0012]The electroplating head 100 also includes a first anode 115A and a second anode 115B disposed within anode chambers 105A and 105B, respectively. Each of the anodes 115A/115B is configured to be electrically connected to a power supply as indicated by a positive polarity 117. A shape and an orientation of each anode 115A/115B within its respective anode chamber 105A/105B can be defined in a number of different ways. Though the anodes 115A/115B and associated anode chambers 105A/105B can be configured in various ways within the electroplating head 100, it is desirable to establish the anodes 115A/115B and associated anode chambers 105A/105B in a manner that will provide a substantially uniform distribution of cations throughout the electroplating solution within the main chamber 105.
[0013]In one embodiment, the anodes 115A/115B are disposed with their respective anode chambers 105A/105B in a vertical orientation. The vertical orientation of the anodes 115A/115B enables natural circulation of an electroplating solution present within the respective anode chambers 105A/105B. The natural circulation can be induced by gravity acting upon particulate materials released from the anodes 115A/115B during the electroplating process. Also, it should be appreciated that the vertical orientation of the anodes 115A/115B corresponds to a perpendicular orientation of the anodes 115A/115B with respect to the wafer 307.
[0014]During the electroplating process, anode polarization can occur when solubility limits of dissolving ions cause precipitation of salts at the anode surface. The precipitated salts cause the anode to be insulated from the surrounding electroplating solution. The anode polarization effect is generally associated with exceeding a critical current flux during the electroplating process. As the precipitated salts proceed to insulate the anode, decreasing areas of uninsulated anode become responsible for providing an increased current flux. As the current flux increases at the uninsulated anode areas, a precipitate cascade results in a shut-down of reactions at the anode.
[0015]The vertical orientation of anodes within the anode chambers, as previously described, provides for mass transfer within anode chambers via natural convection, thus resulting in circulation of the electroplating solution within the anode chambers. The circulation of electroplating solution within the anode chambers prevents adhesion of precipitated salts to surfaces of the anode. It should be appreciated that the vertical orientation of each anode within its respective anode chamber, as provided by the present invention, avoids electroplating head design complexity, electroplating process complexity, and increased expense associated with having to mechanically circulate electroplating solution in order to reduce deposition of precipitated salts on the anode. Also, due to the reduction in salt deposition on the anode, the vertical orientation of each anode allows for an increase in a maximum allowable current flux.
[0016] While the embodiment of Figure 1 shows the electroplating head 100 as including two anodes 115A/115B and associated anode chambers 105A/105B, it should be appreciated that in other embodiments the electroplating head 100 can include one or more anodes and associated anode chambers. Use of more anodes serves to increase current flux to the cathode, i.e., the wafer 307.
[0017]With respect to Figure 1, each of the anode chambers 105A and 105B is configured to be filled with electroplating solution. However, the electroplating solution within each of the anode chambers 105A and 105B is separated from the main chamber 105 by a membrane 109A and 109B, respectively. For discussion purposes, the electroplating solution within the anode chambers 105A/105B is referred to as analyte. Also, the electroplating solution within the main chamber 105 is referred to as catalyte. In various embodiments, the analyte present within the anode chambers 105A/105B can be defined to have a chemistry that is either equivalent to or different from the chemistry of the catalyte present within the main chamber 105. Since the anode chambers 105A/105B are filled with analyte, there is essentially no air present in the anode chambers 105A/105B. Thus, the analyte within the anode chambers 105A/105B is rendered incompressible, thereby reducing a possibility that analyte will be transferred and mixed with catalyte present in the main chamber 105. Also, the incompressibility of the anode chambers 105A/105B allows a pressure within the main chamber 105 to be increased without causing distortion of the membranes 109A/109B.
[0018]During operation, each membrane 109A and 109B is defined to allow cations to pass from the anode chambers 105A and 105B, respectively, to the main chamber 105, as indicated by arrows 303. Also, the membranes 109A/109B are configured to prevent passage into the main chamber 105 of materials, e.g., particles and gases, from the anode chambers 105A/105B that could be detrimental to the electroplating process. In one embodiment, the membrane 109A/109B is defined by a fluorocarbon material. Also, in one embodiment, the membrane 109A/109B is defined to have a pore size, i.e., average pore diameter, within a range extending from about 0.2 micrometer to about 0.05 micrometer. The pore size of the membranes 109A/109B is sufficient to allow passage of cations from the anode chamber 105A/105B to the main chamber 105, without allowing passage from the anode chamber 105A/105B to the main chamber 105 of particulate materials generated by anodic reactions. Therefore, using the membranes 109A/109B to separate the analyte from the catalyte, as provided by the present invention, avoids problems associated with unwanted foreign particle transport from the anode to the wafer during the electroplating process.
[0019]In one embodiment, key organic additives are included within the catalyte to enhance the electroplating process performance at the cathode, i.e., wafer. In conventional electroplating systems where the anode and cathode interface directly with the same electroplating solution, these key organic additives are vulnerable to being consumed by the anode, thus reducing the additives available for the electroplating process at the cathode without replenishment of these additives. Consumption of the key organic additives by the anode is particularly problematic in the presence of copper (Cu) metal. The membranes 109A/109B of the present invention, however, serve to prevent these key organic additives present in the catalyte of the main chamber 105 from mixing with the analyte or being exposed to the copper electrodes in the anode chambers 105A/105B. Thus, due to the membranes 109A/109B, the key organic additives are not exposed to the anodes 115A/115B. Also, since the catalyte chemistry and the analyte chemistry can be separately controlled, a concentration of the key organic additives in the catalyte can be more closely controlled.
[0020]Further with respect to Figure 1, the electroplating head 100 also includes a porous resistive material 119 disposed at the fluid exit 112. The catalyte within the main chamber 105 is required to traverse through the porous resistive material 119 in order to exit the electroplating head 100 at a processing area 201, as indicated by arrow 301. The processing area 201 is defined by a lower surface of the porous resistive material 119. During operation, the processing area 201 of the electroplating head 100 is positioned over, proximate to, and parallel with an upper surface of the wafer 307 to be processed. Cation laden electroplating solution, i.e., catalyte, exiting the electroplating head 100 at the processing area 201 forms a meniscus 305 between the processing area 201 and the upper surface of the wafer 307. Thus, the meniscus 305 essentially represents an electroplating reaction chamber defined by the processing area 201 of the electroplating head 100 and a distance between the processing area 201 and the wafer 307. In one embodiment, meniscus confinement surfaces 311 can be incorporated to assist in maintaining the meniscus within the region directly below the processing area 201. Essentially, the meniscus confinement surfaces 311 represent one or more surfaces that extend below the processing area 201 toward the wafer 307 at a periphery of the processing area 201. It should be understood, however, that the meniscus confinement surfaces 311 are not required for successful operation of the electroplating head 100.
[0021] During operation, a voltage potential is maintained between the anodes 115A/115B and the wafer 307, as indicated by a negative polarity 309. Thus, an electric current is established between the anodes 115A/115B and the wafer 307 via the electroplating solution (catalyte and analyte). The electric current causes metal ions (cations) produced at the anode to diffuse through the membranes 109A/109B to be carried by the catalyte through the porous resistive material 119 to the wafer 307 where plating occurs. The porous resistive material 119 serves to uniformly distribute the electric current established between the anodes 115A/115B and the wafer 307. Establishment of a more uniformly distributed electric current across the wafer 307 surface results in a more uniform material deposition. Thus, the porous resistive material 119 serves to provide a more uniform material deposition across the wafer surface.
[0022]In various embodiments, the porous resistive material 119 is defined as a porous ceramic, a porous glass, or a porous polymeric material. In one embodiment, the porous resistive material 119 is defined as aluminum oxide (Al2O3). In one embodiment, the porous resistive material 119 is defined to have a pore size, i.e., average pore diameter, within a range extending from about 30 micrometer to about 200 micrometers. It should be understood that the porous resistive material 119 of the present invention can be defined by any material capable of providing sufficient throughput of electroplating solution and sufficient pore/solid ratio to provide the required effective resistivity that yields electric current distribution uniformity.
[0023]Figure 2 is an illustration showing an isometric view of the electroplating head 100 of Figure 1, in accordance with one embodiment of the present invention. As previously discussed, the anode 115A, or 115B depending on perspective, is shown penetrating through the surrounding walls 101 to allow for electrical connection as indicated by the positive polarity 117. It should be appreciated that a variety of sealing mechanisms, e.g., rubber or plastic o-rings, metal compression seals, gaskets, etc., can be used to enable penetration of the anodes 115A/115B through the surrounding walls without leakage of analyte from within the associated anode chamber. Also, it should be appreciated that the anodes 115A/115B can be configured to penetrate through the surrounding walls 101 at essentially any location as necessary to interface with surrounding equipment and structure. Furthermore, the electroplating head 100 can be configured to allow connection of the fluid supply 113 at variable locations as necessary to interface with surrounding equipment and structure.
[0024]As previously mentioned, the processing area 201 is defined by the lower surface of the porous resistive material 119 disposed at the fluid exit 112 of the electroplating head 100. With respect to Figure 2, the processing area 201 of the electroplating head 100 is defined by a long dimension LD and a short dimension SD. The long dimension LD is established to be at least equivalent to a diameter of a wafer to be processed. Conversely, the short dimension SD is established to be less than the diameter of the wafer to be processed. In one embodiment, the short dimension SD is substantially less than the diameter of the wafer to be processed. During operation, the processing area 201 of the electroplating head 100 is positioned over, proximate to, and parallel with the upper surface of the wafer. Also during operation, the electroplating head 100 and the wafer are controlled to move relative to each other such that the processing area 201 of the electroplating head 100 traverses over the upper surface of the wafer. As the processing area 201 traverses over the upper surface of the wafer, the electroplating head 100 is maintained in an orientation, with respect to the wafer, such that the long dimension LD is substantially perpendicular to a direction of movement between the processing area 201 and the wafer. Therefore, the processing area 201 and associated meniscus 305 are capable of being traversed over an entirety of the upper surface of the wafer during the electroplating operation.
[0025]Figure 3A is an illustration showing the electroplating head 100 being applied in an electroplating process, in accordance with one embodiment of the present invention. Each component of the electroplating head 100 is the same as previously described with respect to Figures 1 and 2. During the electroplating process, the electroplating head 100 is moved over the wafer 307 in a direction 401 such that the processing area 201 remains substantially parallel with and proximate to the upper surface of the wafer 307. Thus, as the electroplating head 100 is traversed over the wafer 307, the meniscus 305 is also traversed over the wafer. As previously discussed with respect to Figure 2, the electroplating head 100 is configured such that the meniscus can be traversed over an entirety of the upper surface of the wafer during the electroplating operation.
[0026]During the electroplating process, the wafer 307 is held by a wafer support 403. Each of a first electrode 405A and a second electrode 405B is located proximate to a periphery of the wafer support 403. Additionally, the second electrode 405B is located at a position that is substantially opposite from the first electrode 405A relative to the wafer support 405. In one embodiment, the first electrode 405A is disposed at a first position near the periphery of the wafer support 403, such that the first position resides along a first peripheral half of the wafer support 403. Also, in the same embodiment, the second electrode 405B is disposed at a second position near the periphery of the wafer support 403, such that the second position resides along a second peripheral half of the wafer support 403 that is exclusive of the first peripheral half of the wafer support 403.
[0027]Each of the first electrode 405A and the second electrode 405B is configured to be moved to electrically connect to and disconnect from the wafer 307 as indicated by arrows 407A and 407B, respectively. It should be appreciated that the movement of the electrodes 405A and 405B to connect with and disconnect from the wafer 307 can be conducted in an essentially limitless number of ways. For example, in one embodiment, the electrodes 405A and 405B can be moved linearly in a plane aligned with the wafer. In another embodiment, the electrodes 405A and 405B having a sufficient elongated shape and being oriented in a coplanar arrangement with the wafer 307 can be moved in a rotational manner to contact the wafer. Also, it should be appreciated that the shape of the electrodes 405A and 405B can be defined in a number of different ways. For example, in one embodiment, the electrodes 405A and 405B can be substantially rectangular in shape. In another embodiment, the electrodes 405A and 405B can be rectangular in shape with the exception of a wafer contacting edge which can be defined to follow a curvature of the wafer periphery. In yet another embodiment, the electrodes 405A and 405B can be C-shaped. It should be understood, that the present invention requires at least two electrodes that can be independently manipulated to electrically connect with and disconnect from a wafer 307.
[0028]Also with respect to Figure 3A, fluid shields 409A and 409B are provided to protect the first and second electrodes 405A and 405B, respectively, from exposure to the meniscus 305 of electroplating solution as the electroplating head 100 and meniscus 305 traverses thereabove. In one embodiment, each of the first and second electrodes 405A/405B is controllable to be moved away from the wafer 307 and retracted beneath its respective fluid shield 409A/409B, as the electroplating head 100 and meniscus 305 of electroplating solution traverses thereabove.
[0029]During the electroplating process, the anodes 115A/115B and at least one of the first and second electrodes 405A/405B are electrically connected to a power supply such that a voltage potential exist therebetween. With respect to Figure 3A, the first electrode 405A is moved to be electrically connected to the wafer 307 such that the negative polarity 309 is established across the upper surface of the wafer 307. Thus, an electric current will flow through the electroplating solution (defined by the analyte, catalyte, and meniscus) between the anodes 115A/115B and the first electrode 405A. The electric current enables the electroplating reactions to occur at portions of the upper surface of the wafer 307 that are exposed to the meniscus 305. Hence, the portions of the upper surface of the wafer 307 that are exposed to the meniscus 305 serve as the cathode in the electroplating process.
[0030]The first electrode 405A remains connected to the wafer 307 as the electroplating head 100 traverses away from the second electrode 405B toward the first electrode 405A. In one embodiment, the second electrode 405B is maintained in the retracted position until the electroplating head 100 and meniscus 305 is a sufficient distance away from the second electrode 405B to ensure that the second electrode 405B is not exposed to electroplating solution.
[0031]Also, connection of the first electrode 405A and the second electrode 405B to the wafer 307 is managed to optimize a current distribution present at the portion of the upper surface of the wafer 307 that is in contact with the meniscus 305. In one embodiment, it is desirable to maintain a substantially uniform current distribution at an interface between the meniscus 305 and the wafer 307 as the electroplating head 100 traverses over the wafer 307. It should be appreciated, that maintaining the electroplating head 100 a sufficient distance away from the connected electrode allows the current distribution at the interface between the meniscus 305 and the wafer 307 to be more uniformly distributed. Thus, in one embodiment, transition from connection of the first electrode 405A to connection of the second electrode 405B occurs when the processing area 201 of the electroplating head 100 is substantially near a centerline of the upper surface of the wafer 307, wherein the centerline is oriented to be perpendicular to a traversal direction of the electroplating head 100.
[0032]During transition from connection of the first electrode 405A to connection of the second electrode 405B, the connection of the first electrode 405A to the wafer 307 is maintained until the second electrode 405B is connected. Once the second electrode 405B is connected to the wafer 307, the first electrode 405A is disconnected from the wafer 307. Maintaining at least one electrode connected to the wafer 307 serves to minimize a potential for gaps or deviations in material deposition produced by the electroplating process.
[0033]Figure 3B is an illustration showing a continuation of the electroplating process depicted in Figure 3A, in accordance with one embodiment of the present invention. Figure 3B shows the first and second electrodes 405A/405B following transition from connection of the first electrode 405A to connection of the second electrode 405B. Also, Figure 3B shows the electroplating head 100 continuing to traverse over the wafer 307 toward the first electrode 405A. The second electrode 405B is shown connected to the wafer 307. The first electrode 405A is shown disconnected from the wafer 307 and retracted beneath the fluid shield 409A to be sheltered from the approaching meniscus 305. Following the electrode transition, the electric current flows through the electroplating solution (defined by the analyte, catalyte, and meniscus) between the anodes 115A/115B and the second electrode 405B.
[0034]Figure 4A is an illustration showing the electroplating head 100 being applied in an electroplating process, in accordance with another embodiment of the present invention. The arrangement depicted in Figure 4A is equivalent to that of Figure 3A with the exception that the wafer support 403, electrodes 405A/405B, and fluid shields 409A/409B are configured to be moved together in a linear direction 503, below the electroplating head 100 which is maintained in a fixed position secured to support structure 501. It should be understood that during operation of the apparatus of Figure 4A, the processing area 201 of the electroplating head 100 is oriented in a manner similar to that previously discussed with respect to Figure 3A. Also, the electrodes 405A/405B are controlled to electrically connect to and disconnect from the wafer 307 based on the processing area 201 and meniscus 305 location, as previously described with respect to Figures 3A and 3B. It should be appreciated that since the apparatus of Figure 4A does not require movement of equipment above the wafer 307, it is conceivable that the apparatus of Figure 4A will allow for easier prevention of unwanted foreign particle deposition on the upper surface of the wafer 307.
[0035]Figure 4B is an illustration showing a continuation of the electroplating process depicted in Figure 4A, in accordance with one embodiment of the present invention. Figure 4B shows the first and second electrodes 405A/405B following transition from connection of the first electrode 405A to connection of the second electrode 405B. Also, Figure 4B shows the wafer 307 continuing to be traversed beneath the electroplating head 100 such that the meniscus 305 continues to move toward the first electrode 405A. The second electrode 405B is shown connected to the wafer 307. The first electrode 405A is shown disconnected from the wafer 307 and retracted beneath the fluid shield 409A to be sheltered from the approaching meniscus 305.
[0036]Figure 5 is an illustration showing an arrangement of wafer surface conditioning devices configured to follow the electroplating head 100 as it traverses over the wafer 307, in accordance with one embodiment of the present invention. For discussion purposes, each wafer surface condition device is represented as a vent configured to apply or remove fluid from the upper surface of the wafer 307. Each vent is configured to have an adequately sized flow area to apply and remove fluids at a sufficient rate. It should be appreciated that each depicted vent can be connected to a variety of equipment, e.g., hoses, pumps, metrology, reservoirs, etc., capable of controlling fluid application and removal.
[0037]With respect to Figure 5, a first vent 505 provides a vacuum to remove fluids from the surface of the wafer 307 following traversal of the meniscus 305 thereover. A second vent 507 applies a rinsing fluid to the surface of the wafer 307. In one embodiment, the rinsing fluid is deionized water. However, in other embodiments, any rinsing fluid suitable for use in wafer processing applications can be used. Similar to the first vent 505, a third vent 509 provides a vacuum to remove fluids from the surface of the wafer 307. A fourth vent 511 can be used to apply an isopropyl alcohol (IPA)/nitrogen mixture to the surface of the wafer 307. It should be appreciated that the present invention can be implemented using a portion of the vents described with respect to Figure 5 or other wafer surface conditioning devices not explicitly described herein.
[0038]Figure 6 is an illustration showing a flowchart of a method for operating an electroplating head, in accordance with one embodiment of the present invention. The method includes an operation 601 for disposing the electroplating head over and proximate to an upper surface of a wafer. An operation 603 is then provided for transferring cations from an anode to an electroplating solution within the electroplating head. In one embodiment, the operation 603 is performed by flowing the electroplating solution over a membrane used to confine an analyte, wherein the membrane is capable of transmitting cations from the analyte to the electroplating solution. In an operation 605, the electroplating solution laden with cations is flowed through a porous resistive material to exit the electroplating head. Upon exiting the electroplating head, the cation laden electroplating solution is disposed on the upper surface of the wafer.
[0039]The method further includes an operation 607 for confining the electroplating solution disposed on the upper surface of the wafer to form a meniscus of electroplating solution. The meniscus of electroplating solution is maintained within a region between the porous resistive material and the upper surface of the wafer directly below the porous resistive material. In one embodiment, electroplating solution is removed from the meniscus in order to establish a flow of electroplating solution through the meniscus.
[0040]In an operation 609, an electric current is established between the anode and the upper surface of the wafer through the electroplating solution. The porous resistive material causes the electric current to be uniformly distributed across the upper surface of the wafer in contact with the meniscus of electroplating solution. The electric current causes the cations within the meniscus of electroplating solution to be attracted to and plated on the upper surface of the wafer. The method further includes an operation 611 in which the electroplating head and wafer are controlled to be moved with respect to each other. In one embodiment, the wafer is maintained in a fixed position and the electroplating head is moved over the wafer such that an entirety of the upper surface of the wafer is exposed to the meniscus of electroplating solution. In another embodiment, the electroplating head is maintained in a fixed position and the wafer is moved under the electroplating head such that an entirety of the upper surface of the wafer is exposed to the meniscus of electroplating solution.
[0041]In contrast to the present invention, conventional electroplating systems require systematic replenishment, or spiking, of the electroplating solution. The systematic replenishment of the electroplating solution requires sophisticated real-time chemical assay capability to determine whether the electroplating solution is within process control limits. Also, the convention electroplating system requires reclamation of the electroplating solution in order to control process costs. 
[0042]In contrast to the conventional electroplating system, the electroplating head and associated meniscus of the present invention provides a confined electroplating reaction region that allows for implementation of a low-volume use-and-discard approach for managing chemistry of the electroplating solution, i.e., the separate analyte and catalyte. For example, with the present invention less than 50 milliliters of electroplating solution, i.e., catalyte, is required to plate a 200 millimeter diameter wafer. Therefore, the present invention allows for implementation of a cost effective use-and-discard method for electroplating solution management. Hence, expensive chemical metrology, spiking, recirculation, and reclamation capabilities are not required to maintain tight process control during the electroplating process performed using the electroplating system of the present invention.
[0043]Conventional electroplating systems that are configured to provide simultaneous full-wafer plating are unable to plate very resistive barrier films on the wafer surface without a having a low-resistance intermediate film previously applied to the wafer. For example, in the case of Cu plating over a very resistive barrier film, the conventional system requires a PVD Cu seed layer to be applied prior to the full-wafer electroplating process. Without this seed layer, a resistance drop across the wafer will induce a bipolar effect during the full-wafer plating. The bipolar effect results in de-plating and etching within a region adjacent to electrodes contacting the wafer. Use of the porous resistive material, as described with respect to the present invention, allows effects due to a resistivity of the upper surface of the wafer, particularly at the wafer edges, to be decoupled and minimized, thereby improving the uniformity of the subsequent plating process.
[0044]Also, the conventional full-wafer electroplating system requires uniformly distributed electrodes about the periphery of the wafer, wherein a resistance for each of the uniformly distributed electrodes is matched. In the conventional full-wafer electroplating system, the presence of an asymmetric contact resistance from one electrode to another will cause a non-uniform current distribution across the wafer, thus resulting in a non-uniform material deposition across the wafer. Use of the porous resistive material, as described with respect to the present invention, allows the current flux to be uniformly distributed across the wafer surface area being plated, regardless of the number of electrodes and contact resistance of the electrodes.
[0045]While this invention has been described in terms of several embodiments, it will be appreciated that those skilled in the art upon reading the preceding specifications and studying the drawings will realize various alterations, additions, permutations and equivalents thereof. Therefore, it is intended that the present invention includes all such alterations, additions, permutations, and equivalents as fall within the true spirit and scope of the invention.
3. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Figure 1 is an illustration showing an electroplating head disposed over a wafer, in accordance with one embodiment of the present invention;
Figure 2 is an illustration showing an isometric view of the electroplating head of Figure 1, in accordance with one embodiment of the present invention;
Figure 3A is an illustration showing the electroplating head being applied in an electroplating process, in accordance with one embodiment of the present invention;
Figure 3B is an illustration showing a continuation of the electroplating process depicted in Figure 3A, in accordance with one embodiment of the present invention;
Figure 4A is an illustration showing the electroplating head being applied in an electroplating process, in accordance with another embodiment of the present invention;
Figure 4B is an illustration showing a continuation of the electroplating process depicted in Figure 4A, in accordance with one embodiment of the present invention;
Figure 5 is an illustration showing an arrangement of wafer surface conditioning devices configured to follow the electroplating head as it traverses over the wafer, in accordance with one embodiment of the present invention; and
Figure 6 is an illustration showing a flowchart of a method for operating an electroplating head, in accordance with one embodiment of the present invention.
1.  An electroplating head, comprising:
a chamber having a fluid entrance and a fluid exit, the chamber being configured to contain a flow of electroplating solution from the fluid entrance to the fluid exit;
an anode disposed within the chamber, wherein the anode is configured to be electrically connected to a power supply; and
a porous resistive material disposed at the fluid exit, the flow of electroplating solution being required to traverse through the porous resistive material.
2.  An electroplating head as recited in claim 1, wherein the chamber includes a main chamber and an anode chamber, the main chamber being separated from the anode chamber by a membrane, the main chamber being in direct fluid communication with the fluid entrance and the fluid exit, the anode chamber being configured to contain the anode.
3.  An electroplating head as recited in claim 2, wherein the membrane is defined to allow passage through the membrane of cations to be released from the anode.
4.  An electroplating head as recited in claim 3, further comprising:
a second anode chamber; and
a second anode disposed within the second anode chamber, the second anode chamber being separated from the main chamber by a second membrane defined to allow passage through the second membrane of cations to be released from the second anode, the second anode being configured to be electrically connected to a power supply.
5.  An electroplating head as recited in claim 1, wherein the fluid exit is defined to have a long dimension and a short dimension, the long dimension being at least equal to a diameter of a semiconductor wafer, the short dimension being less than the diameter of the semiconductor wafer, the porous resistive material being defined to completely cover the fluid exit.
6.  An electroplating head as recited in claim 1, further comprising:
a cathode disposed proximate to the porous resistive material and opposite the chamber, wherein the cathode position causes a meniscus of electroplating solution to be formed between the porous resistive material and the cathode, the cathode being electrically connected to cause an electric current flow between the anode and the cathode through the electroplating solution.
7.  An electroplating head as recited in claim 6, wherein the cathode is defined as a semiconductor wafer surface area in contact with the meniscus of electroplating solution.
8.  An electroplating head as recited in claim 1, wherein the porous resistive material is capable of uniformly distributing an electric current to be established between the anode and a cathode, the cathode being in electrical communication with the electroplating solution having exited the chamber via the porous resistive material.
9.  An electroplating head as recited in claim 1, wherein the porous resistive material is a ceramic material.
10.  An apparatus for electroplating a semiconductor wafer, comprising:
a wafer support configured to hold a wafer;
an electroplating head configured to be disposed over an upper surface of the wafer to be held by the wafer support, the electroplating head having a processing area defined to be substantially parallel with and proximate to an upper surface of the wafer, the processing area being defined by a long dimension that is at least equal to a diameter of the wafer and a short dimension that is less than the diameter of the wafer, the processing area being further defined as an exterior surface area of a porous resistive material;
a first electrode disposed at a first location proximate to a first peripheral half of the wafer support, the first electrode being movably configured to electrically contact the wafer to be held by the wafer support; and
a second electrode disposed at a second location proximate to a second peripheral half of the wafer support that is exclusive of the first peripheral half of the wafer support, the second electrode being movably configured to electrically contact the wafer to be held by the wafer support,
wherein the electroplating head and the wafer support are configured to move with respect to one another in a direction extending between the first electrode and the second electrode so that the electroplating head can traverse over an entirety of the upper surface of the wafer when the wafer is held by the wafer support.
11.  An apparatus for electroplating a semiconductor wafer as recited in claim 10, wherein the electroplating head includes,
a chamber having a fluid entrance and a fluid exit, the chamber being configured to contain a flow of electroplating solution from the fluid entrance to the fluid exit, the porous resistive material being disposed at the fluid exit such that the flow of electroplating solution is required to traverse through the porous resistive material, and
an anode disposed within the chamber, wherein the anode is configured to be electrically connected to a power supply.
12.  An apparatus for electroplating a semiconductor wafer as recited in claim 11, wherein the chamber includes a main chamber and an anode chamber, the main chamber being separated from the anode chamber by a membrane, the main chamber being in direct fluid communication with the fluid entrance and the fluid exit, the anode chamber being configured to contain the anode.
13.  An apparatus for electroplating a semiconductor wafer as recited in claim 12, wherein the membrane is defined to allow passage through the membrane of cations to be released from the anode.
14.  An apparatus for electroplating a semiconductor wafer as recited in claim 10, wherein the proximity of the processing area of the electroplating head to the upper surface of the wafer is sufficiently close to allow a meniscus of electroplating solution to be formed between the processing area and a portion of the upper surface of the wafer directly below the processing area.
15.  An apparatus for electroplating a semiconductor wafer as recited in claim 14, wherein contact between the processing area of the electroplating head and the meniscus allows an electric current to flow through the meniscus to either the first electrode or the second electrode having been moved to electrically contact the wafer.
16.  An apparatus for electroplating a semiconductor wafer as recited in claim 15, wherein the porous resistive material is capable of uniformly distributing the electric current.
17.  An apparatus for electroplating a semiconductor wafer as recited in claim 10, wherein the porous resistive material is a ceramic material.
18.  An apparatus for electroplating a semiconductor wafer as recited in claim 10, wherein the electroplating head is configured to remain in a fixed position and the wafer support is configured to move relative to the electroplating head.
19.  An apparatus for electroplating a semiconductor wafer as recited in claim 10, wherein the wafer support is configured to remain in a fixed position and the electroplating head is configured to move relative to the wafer support.
20.  A method for operating an electroplating head, comprising:
disposing an electroplating head over and proximate to an upper surface of a wafer;
transferring cations from an anode to an electroplating solution within the electroplating head;
flowing the electroplating solution through a porous resistive material to exit the electroplating head and be disposed on the upper surface of the wafer; and
establishing an electric current between the anode and the upper surface of the wafer through the electroplating solution, the electric current being uniformly distributed by the porous resistive material present between the anode and the upper surface of the wafer, the electric current causing the cations to be attracted to the upper surface of the wafer.
21.  A method for operating an electroplating head as recited in claim 20, wherein transferring cations from the anode to the electroplating solution within the electroplating head includes flowing the electroplating solution over a membrane used to confine an analyte, wherein the membrane is capable of transmitting cations.
22.  A method for operating an electroplating head as recited in claim 20, further comprising:
confining the electroplating solution disposed on the upper surface of the wafer to form a meniscus of electroplating solution within a region between the porous resistive material and the upper surface of the wafer directly below the porous resistive material.
23.  A method for operating an electroplating head as recited in claim 22, further comprising:
establishing a flow of electroplating solution through the meniscus by removing electroplating solution from the meniscus as fresh electroplating solution flows through the porous resistive material be disposed on the upper surface of the wafer.
24.  A method for operating an electroplating head as recited in claim 22, further comprising:
maintaining the wafer in a fixed position; and
moving the electroplating head over the upper surface of the wafer such that an entirety of the upper surface of the wafer is exposed to the meniscus of electroplating solution.
25.  A method for operating an electroplating head as recited in claim 22, further comprising:
maintaining the electroplating head in a fixed position; and
moving the wafer under the electroplating head such that an entirety of the upper surface of the wafer is exposed to the meniscus of electroplating solution.
1. ABSTRACT
An electroplating head including a chamber having a fluid entrance and a fluid exit is provided. The chamber is configured to contain a flow of electroplating solution from the fluid entrance to the fluid exit. The electroplating head also includes an anode disposed within the chamber. The anode is configured to be electrically connected to a power supply. The electroplating head further includes a porous resistive material disposed at the fluid exit such that the flow of electroplating solution is required to traverse through the porous resistive material.
2. REPRESENTATIVE DRAWING
Fig. 1
2006009154.tif 000011
2006009154.tif 000012
2006009154.tif 000013
2006009154.tif 000014
2006009154.tif 000015
2006009154.tif 000016
2006009154.tif 000017
2006009154.tif 000018