(57)【要約】集積回路の製造において、金属層のボイドが、電解金属析出中に、容易に生じる可能性がある。回路の機能に悪影響を与えるこれらの欠陥を避けるために、本発明は、電解装置であって、少なくとも１つの陽極および少なくとも１つの陰極を含み、かつ少なくとも１つの基準電極が、少なくとも１つの陽極の表面または少なくとも１つの陰極の表面に配置された装置を、金属析出のために用いることを提案する。電圧計が、少なくとも１つの陽極と少なくとも１つの基準電極との間および少なくとも１つの基準電極と少なくとも１つの陰極との間に、それぞれ、設けられている。
2005536633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの陽極と少なくとも１つの陰極とを有する、電解プロセスを監視するための装置であって、少なくとも１つの基準電極が、前記少なくとも１つの陽極の表面かまたは前記少なくとも１つの陰極の表面に配置され、少なくとも１つの電圧計が、前記少なくとも１つの陽極と前記少なくとも１つの基準電極との間および前記少なくとも１つの基準電極と前記少なくとも１つの陰極との間で、電圧を検出するためにそれぞれ設けられている、装置。
【請求項２】
少なくとも１つの第１基準電極が、前記少なくとも１つの陽極の表面に配置され、少なくとも１つの第２基準電極が、前記少なくとも１つの陰極の表面に配置され、電圧計が、前記少なくとも１つの陽極と前記少なくとも１つの第１基準電極の間、前記少なくとも１つの第１基準電極と前記少なくとも１つの第２基準電極の間、および前記少なくとも１つの第２基準電極と前記少なくとも１つの陰極の間で、電圧を検出するためにそれぞれ設けられている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの基準電極が、毛細管を通して、前記少なくとも１つの陽極の表面かまたは前記少なくとも１つの陰極の表面と通じている、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
電解質流体を、前記毛細管を通して、前記少なくとも１つ基準電極に送出可能とするための手段が設けられている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの陽極と前記少なくとも１つの陰極が平行にされ、かつ水平に向けられているかまたは水平から傾けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記陰極がウエハまたはチップキャリア基板であり、前記陽極が金属板である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１つの陽極と少なくとも１つの陰極とを有する電解槽における電解プロセスを監視するための方法であって、少なくとも１つの基準電極が、前記少なくとも１つの陽極の表面かまたは前記少なくとも１つの陰極の表面に配置され、少なくとも１つの電圧計が、前記少なくとも１つの陽極と前記少なくとも１つの基準電極の間および前記少なくとも１つの基準電極と前記少なくとも１つの陰極の間で電圧を検出するために、それぞれ設けられており、
前記方法が、以下の方法ステップ、すなわち、
ａ）前記少なくとも１つの陽極と前記少なくとも１つの陰極の間に、電流フローを供給するステップと、
ｂ）前記少なくとも１つの陽極と前記少なくとも１つの基準電極の間および前記少なくとも１つの基準電極と前記少なくとも１つの陰極の間でそれぞれの電圧を同時に検出するステップと、
を含む方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つの陽極の表面に配置された少なくとも１つの第１基準電極と、前記少なくとも１つの陰極の表面に配置された少なくとも１つの第２基準電極とが設けられており、
方法ステップｂ）が、以下の部分的方法ステップ、すなわち、
ｂ１）前記少なくとも１つの陽極と前記少なくとも１つの第１基準電極の間で電圧を検出するステップと、
ｂ２）前記少なくとも１つの第１基準電極と前記少なくとも１つの第２基準電極の間で電圧を検出するステップと、
ｂ３）前記少なくとも１つの第２基準電極と前記少なくとも１つの陰極の間で電圧を検出するステップと、
を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの基準電極が、毛細管を介して、前記少なくとも１つの陽極の表面か、または前記少なくとも１つの陰極の表面と接触させられる、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
電解質流体が、前記毛細管を通して、前記少なくとも１つの基準電極に送出される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの陽極と前記少なくとも１つの陰極が平行にされ、かつ水平に向けられているかまたは水平から傾けられている、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記陰極がウエハかまたはチップキャリア基板であり、前記陽極が金属板であり、前記金属が、電解により前記ウエハに析出される、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気分解、特に、電解により金属を基板上に析出する電気分解を監視するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウエハ上の集積回路、特にシリコンから作製されたウエハ上の集積回路は、一般に、フォトリソグラフィプロセスと共に、エッチングおよび析出プロセスを用いて製造される。現在まで、金属導電パターンは、通例、ウエハに電気導体結線を設けるためのスパッタプロセスを用いて生成されてきた。ここ数年は、ウエハに集積回路を製造するために、ガルバーニプロセスが、ますます用いられるようになってきた。いわゆる「バックエンド」部における、すなわち、ウエハに生成された半導体構造に配線するための銅の電解析出は別にして、いわゆるパッケージングプロセスにおいて、すなわち、チップキャリアに金属を析出するときおよび再配線において、銅、ニッケル、金およびスズの金属析出は、ますます重要になっている。これら全てに必要なこととして、電解金属析出プロセスが、めっきベースとも呼ばれる薄い開始金属層、いわゆるシード層で開始されることが共通にある。この目的のために、開始層は、適切な機械的接点を用いて、電気的に接触するようにされ、かつ析出される金属を溶液中に含む電気めっき浴の中に置かれる。金属が、ウエハの開始層に析出するように、たとえば、電気ネットワークによってエネルギを与えられる整流器の外部電流源および対向電極を用いて、電流が、開始層および対向電極を通って流れるようにする。析出される金属の量、およびその結果としての被膜厚は、ファラデーの法則によって制御される。
【０００３】
ウエハにおける被膜厚の分布に、適切なシールドまたはセグメント陽極（対向電極）を用いて、積極的に影響を与えてもよい。可溶陽極を用い、それによって、電解質流体における金属イオン濃度を一定に保つか、または代替として、不溶性（不活性）陽極を用いるが、この場合には、追加的な対応をして、金属イオン含有量を一定に保たなければならない。
【０００４】
めっき浴に金属イオンを補給する方法が、特許文献１に記載されている。電流が印加されたときに、陰極と陽極との間で伝えられる電気量を制御するために、めっき浴に追加的に配置され、かつ陽極と同じ金属で作製された基準電極を用いて、陰極（対向電極）の電位を測定する測定装置が、特許文献１で提案されている。導通される電気量を制御して、対向電極の測定電位が、基準電極に対して負にならないようにする。これによって、金属イオンが対向電極に析出するのが防がれる。好適で例示的な一実施形態において、対向電極および可溶電極（陽極）は、ＤＣ電源に接続されている。基準電極に対する対向電極の電位を測定するために、電圧計が用いられる。電流フローとともに変化する、対向電極および可溶電極における電位が、図に示されている。
【０００５】
電解銅析出の場合において、銅析出浴には、通常の浴組成物に加えて、たとえば鉄（ＩＩＩ）化合物が含まれること、およびこれらの化合物によって銅片が溶解されて銅イオンを形成し、そのプロセスにおいて鉄（ＩＩ）化合物を生じることが特許文献２に言及されている。形成された鉄（ＩＩ）化合物は、不溶性陽極において、鉄（ＩＩＩ）化合物に再酸化される。
【０００６】
周知の全ての電気めっき浴には、析出される金属イオンに加えて、金属析出に影響を与えるための補助剤が含まれる。一般に、これらの助剤は、一面においては析出層の構造に影響を与えるための有機化合物であり、他面においては浴を安定させ、かつ欲の導電性を増加させる目的で追加される塩、酸、または塩基である。その結果として、析出に必要とされる電圧が低減され、かくして、発生されるジュール熱は最小限となる。これによって、プロセスの安全性が向上される。ある特定のプロセスは、これらの助剤を加えることによってのみ可能となる。
【０００７】
一般に、導電パターンは、現在、ダマシンプロセスにより生成される。特許文献２に挙げられているように、この目的のために、最初に、誘電体層が、半導体基板に付加される。所望の導電パターンを受け入れるために必要なビアおよびトレンチが、通常、ドライエッチングプロセスを用いて、誘電体層にエッチングされる。拡散バリア（たいていの場合、窒化タンタル、タンタル）および導電層（たいていの場合、スパッタされた銅）が付加された後、凹部、すなわちビアおよびトレンチが、「トレンチ埋め込みプロセス」を用いて、電解により埋め込まれる。銅は全表面に析出されるので、続いて、余分なものは、望ましくない位置から、つまりビアおよびトレンチの外側の領域から除去しなければならない。これは、いわゆるＣＭＰプロセス（Chemical Mechanical Polishing（化学的機械的研磨））を用いて達成される。多層回路は、このプロセスを繰り返すことによって、すなわち、たとえば二酸化シリコンから作製された誘電体の付加、エッチングによる凹部の形成および銅の析出を繰り返すことによって、作製することができる。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，２３４，５７２Ａ号明細書
【特許文献２】独国特許発明第１９９  １５  １４６  Ｃ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
導電パターン、特に銅で作製された導電パターンが形成された後、金属欠陥（ボイド）が析出構造に容易に形成され、これらの欠陥が、ことによると回路全体の機能的故障につながることを、調整を目的として研磨した部分において見い出すことができる。
【００１０】
したがって、本発明が直面している問題は、周知の装置および方法の欠点を回避すること、特に、このような欠陥が形成されるのを確実に防ぐことを可能とする手段を見つけることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この問題を克服するために、本発明は、請求項１に記載の装置および請求項７に記載の方法を提供する。本発明の好適な実施形態は、従属項に示されている。
【００１２】
本発明による装置は、半導体基板（ウエハ）の集積回路およびチップキャリアにおける回路構造の製造中に、電気分解、特に、電解金属析出プロセスを監視する役割を果たす。
【００１３】
本発明をより詳細に説明するために、以下において、用語「ウエハ」は、任意のワークピースを示すために用いる。同様に、用語「析出電解液」または「析出電解質流体」は、電気分解を実行するために使用される電解質流体を指し示すために用いる。代替として、この流体はまた、電気分解が、電解エッチングプロセスである場合には、エッチング流体であることもできる。可能な電気分解として、電解析出方法および電解金属エッチング方法の両方がある。原則的には、本発明はまた、本明細書で言及するプロセスとは別の電気分解用に用いることもできる。次の説明において、用語「電解析出プロセス」は、他の全ての電気分解も同様に指し示すために用いられる。
【００１４】
問題を克服することにおいて、本発明により、装置および方法が提供される。この装置には、電解質流体と接触している少なくとも１つの陽極および少なくとも１つの陰極が含まれ、両者の間で、電流フローが発生される。少なくとも１つの基準電極が、少なくとも１つの陽極の表面（の近く）にか、または少なくとも１つの陰極の表面（の近く）に配置されている。少なくとも１つの陽極と少なくとも１つの基準電極との間および少なくとも１つの基準電極と少なくとも１つの陰極との間におけるそれぞれの電圧を判定するための電圧計が、本発明に従って、さらに設けられている。この配列により、様々な電極における電解部分プロセスを同時に記録することが可能となり、まさにこの設備により、また、経時変形するプロセスの測定が可能となる。それによって、電極が、測定中に、電解質流体に浸漬されているだけかどうか、または電圧が陰極と陽極との間に印加されるのは、２つの電極が電解質流体に接触しているときのみかどうかは、問題ではなくなる。
【００１５】
本発明による装置の好適な適用において、陰極はウエハまたはチップキャリア基板であり、陽極は金属板である。この場合において、金属は、電気分解中に、ウエハまたはチップキャリア基板に析出されるのが好ましい。
【００１６】
本発明によるデバイスには、特に、少なくとも１つの陽極の表面（の近く）に配置された少なくとも１つの第１の基準電極、および少なくとも１つの陰極の表面（の近く）に配置された少なくとも１つの第２の基準電極が含まれる。少なくとも１つの陽極と少なくとも１つの第１の基準電極との間、少なくとも１つの第１の基準電極と少なくとも１つの第２の基準電極との間、および少なくとも１つの第２の基準電極と少なくとも１つの陰極との間の電圧を測定するための電圧計が、さらに設けられている。この監視装置は、陽極と第１の基準電極との間、第１の基準電極と第２の基準電極との間、および第２の基準電極と陰極との間の電圧を測定する役割を果たす。
【００１７】
総合的なテストにより、析出された金属層における欠陥（たとえばボイド）は、使用される金属析出浴が、ある一定の条件の下で、開始層から金属を除去し得るという事実のせいであることが示された。
【００１８】
開始金属層を設けられたウエハが、金属析出溶液に浸漬されたときに、外部電圧は、最初、開始層に少しも印加されない。したがって、開始層と電解質溶液が接触するとすぐに、これらの間の位相境界において、平衡電位が実現される。開始層への析出用金属、特に銅のために適用される通常の条件下において、金属溶解に対する開始層の電位は正であり、開始層は、析出溶液へゆっくりと溶解する。
【００１９】
ウエハで用いられる金属開始層は、コストおよびプロセスに関連する理由で、一般に非常に薄い。たとえば、ダマシンプロセス用に作製された典型的な構造部（たとえば、幅が０．１〜０．２μｍで、深さが約１μｍのトレンチ、ビア）において、開始層の厚さは、通常、約５〜２５ｎｍである。これとは異なり、ウエハ表面上の開始層の厚さは、約１００ｎｍである。使用される電解質溶液におけるエッチレートが、かなり高いので、このようなタイプの層は、電解質溶液に浸漬中に、少なくとも構造部内において、急速に除去される可能性がある。約１８０ｇ／ｌの硫酸、および４０ｇ／ｌの、硫酸銅形態の銅を含む典型的な銅電解液において、エッチレートは、通常の電解条件下で、約１０ｎｍ／分である。これらの条件下で、金属析出の前に残る被膜厚は、ある一定の環境下では、信頼できる金属被膜を保証するには、十分でない可能性がある。エッチレートは、とりわけ、使用される電解質溶液のタイプ、析出プロセス用に選択された条件および開始層のタイプに依存する。
【００２０】
この問題は、浸漬と析出プロセス開始との間の時間を短縮することによって克服することはできない。なぜなら、金属析出を開始する前に、たとえば、被膜すべきウエハを流体で完全にウェットするために、浸漬の後、ある一定の最低処理時間を守らなければならないからである。したがって、開始層に電解により金属を析出するプロセスのために利用できる時間窓は、ほんの狭いものである。特別な問題は、複数の影響する可能性のある変数のために、プロセス用時間窓の大きさを決定することができず、金属被膜の結果が、偶然にのみゆだねられていることである。
【００２１】
薄い開始金属層は、析出プロセスの変動および腐食に特に敏感である。この層の厚さにおけるほんのわずかな減少でさえも、たとえばナノ構造におけるプロセスの無難な開始を危険にさらすに十分である可能性がある。
【００２２】
したがって、浸漬およびウェッティング手順を正確に制御することは、非常に重要である。技術的には、このような制御は、容易に可能となるわけではない。なぜなら、浸漬前における、電解質流体とウエハとの間の電気的接触不足と、浸漬の後に得られる、電解液に依存する平衡電位の欠如のためである。電解液の組成次第で、開始層は、多かれ少なかれ、予測できない程に腐食する可能性がある。
【００２３】
金属の除去に特に影響するパラメータは、合計されて陽極と陰極との間に印加される総電圧（クランプ電圧）を生じる部分電圧であることが分かった。
【００２４】
電解金属析出中に、電流が、陽極と陰極との間に流れる。言及した部分電圧の合計から構成される電圧は、この電流フローを発生するために必要とされる。総電圧は、特に、陽極および陰極電荷移動過電圧、分極過電圧、結晶化過電圧、また濃度過電圧、ならびに電解液抵抗による電圧降下および給電線における電圧降下の合計の結果である。
【００２５】
一般に、測定可能なクランプ電圧が、個別電圧間でどのように配分されるかは知られていない。特に、配分における変動は、記録できない。なぜなら、たとえば、整流器における電流源のクランプ電圧のみが知られているからである。析出中に、言及した抵抗の１つもしくは列挙した過電圧の１つが変化する場合、またはそれらが、処理される様々なウエハ間で変動する場合には、よくても、クランプ電圧の、結果として測定可能な変化を解明することはできないであろう。最悪の場合には、この変化は気づかれもせず、金属は、もしかしたら、それについて知られもしないで、除去されるであろう。
【００２６】
半導体技術において、プロセスの無事および方法の再現性は、最も重要なので、部分電圧を記録する手段を見い出さなければならない。プロセスの制御および修正を可能とするために、プロセス中の変動を解明し、識別しなければならない。
【００２７】
電解液の電気抵抗による電圧降下における変動を、少なくとも検出するために、陽極または陰極の表面に直接に配置される基準電極を用いる。この目的のために、基準電極が表面のごく近くに持ってこられることになるので、電位は、それぞれ１つの表面において、直接に測定することができる。基準電極は、たとえば、それぞれ１つの表面のごく近くに持ってくることができるので、それらの間隔は、１ｍｍより小さく、たとえば、０．２ｍｍである。特に、基準電極はまた、表面のまさに前面ではないが、たとえば、表面の横で、表面にごく近く、陽極または陰極表面の水平面に配置してもよい。それにより、基準電極は、表面と接触させる必要がない。別の可能性は、導電電解液を含む小さな容器を、それぞれの表面かまたはそれに隣接して置くことであり、容器内の基準電極により、表面における電位の検出が可能となる。
【００２８】
本発明の好適な一実施形態においては、２つの基準電極が設けられている。すなわち、２つの基準電極のうち第１のものは、陽極の表面に配列され、第２の基準電極は、陰極の表面に配列されている。２つの基準電極は、電極のそれぞれ１つにすぐ隣接して配置されているので、電解液の電気抵抗による電圧降下の影響は、２つの基準電極間の電圧の形態で、別個に検出することができる。基準電極のそれぞれ１つと、その表面に電極が配置されている陽極または陰極との間で測定される他の電圧降下には、陽極または陰極表面に隣接して発生する電圧降下および特に、電荷移動過電圧、分極過電圧および濃度過電圧が含まれる。
【００２９】
このように、電解槽の異なる領域における様々な電圧降下を検出することができ、その結果として、前述の要因（電解質溶液のタイプ、開始層の特性およびその他など）の影響を別個に検出することができ、それに応じて解析することができる。言及した、影響を与える変数による変動を、このように識別し、このような変化の場合に、適切な対応ができるようにしてもよい。
【００３０】
本発明における利点の１つは、実質的な構造的拡張が少しも必要ではないので、本発明の手段で、既存の電気めっきプラントを容易に改良できることである。
【００３１】
任意の基準電極を用いて、言及した変動を測定することができる。安定した基準電極が特に含む金属は、この金属のほとんど溶けない塩および電解液と平衡している。このようなタイプの基準電極は、たとえば、第２種または第３種電極であるが、それは、これらの電極が、ある不変の基準電位を提供するからである。第２種基準電極は、電位決定イオンの濃度が、イオンが電位決定イオンと同じであるほとんど溶けない化合物の存在によって決定される基準電極である。第３種基準電極は、これとは異なり、電位決定イオンの活性が、２つの固相の存在によって決定される基準電極である。第２種基準電極は、特に、カロメル電極、銀／塩化銀電極、硫酸水銀電極および酸化第二水銀電極である。第３種基準電極は、亜鉛およびシュウ酸カルシウムから作られた析出物が存在する状態で、カルシウムイオン溶液と平衡している亜鉛ロッドであってもよい。
【００３２】
１つの基準電極が、陽極に隣接して取り付けられ、別の基準電極が、ウエハに隣接して取り付けられる。プロセスは、電気分解中に、陽極と第１の基準電極との間、第１の基準電極と第２の基準電極との間および第２の基準電極と陰極との間の電圧を測定することによって制御される。
【００３３】
第１の基準電極と第２の基準電極との間で測定される電圧は、電解液抵抗の変動の結果であり、これらの変動は、電解液の不安定な組成または処理タンク内における不規則な流体フローを示している。
【００３４】
第１の基準電極と陽極との間で測定される電圧の変動は、不安定な陽極プロセスをさらに示している。これは、可溶陽極を用いている状態では、陽極の消費、陽極フィルムにおける変化または変化する陽極形状のせいである可能性がある。不活性（不溶）陽極に関しては、測定電圧におけるこのような変化はまた、この陽極の障害（活性陽極層が、たとえば、剥離する可能性がある）、またはたとえば、ＤＥ１００１５１４６Ｃ１号明細書に説明されている方法を実行する場合には、Ｆｅ（ＩＩ）およびＦｅ（ＩＩＩ）化合物など酸化還元種の、陽極への供給不足を示している可能性がある。
【００３５】
第２の基準電極と陰極との間で測定される電圧の変動は、開始層の厚さが変わったことなど、不安定な陰極プロセスを示している。これは、たとえば、この層が、金属析出溶液によって腐食されているか、またはこの層が、十分な厚さが全くなかったからである。
【００３６】
プロセスを制御するために、特に、開始層の腐食を防ぐために、開始層と、最も近くの基準電極、たとえば第２の基準電極との間の電圧差を、浸漬の前に、電力整流器によって印加することができる。開始層の電位を適切に選択することによって、浸漬中およびもしかしたらウェッティング段階においても同様に、開始層の腐食を防ぐことが可能となる。有用な測定結果を得るために、基準電極のそれぞれ１つは、関連する電極のできる限り近くに持ってこなければならない。しかしながら、析出された金属が、できる限り均一に配分されるように、ワークピース（たとえば陰極）および対向電極（たとえば陽極）を、それによって、シールドされていない状態から防がなければならない。
【００３７】
安定した基準電極が特に含む金属は、この金属のほとんど溶けない塩および電解液と平衡しているので、電気分解の電解液が、基準電極の電解質によって汚染される恐れがある。このような汚染は、絶対に防ぐ必要がある。この問題も同様に克服するために、基準電極は、少なくとも１つの毛細管を通して、陽極のまたは陰極の表面と接触する。基準電極間、ならびに基準電極のそれぞれ１つと陽極および陰極との間における電圧の測定は、それぞれ、高抵抗測定であるという点で、非常にわずかな電流のみが、測定装置を通って流れる。結果として、毛細管は、非常に細くすることができ、基準電極の電解質を介した、電気分解における電解液の汚染は、最小限にされる。
【００３８】
この問題に関連する別の改良が達成されるのは、電気分解の電解質流体が、毛細管を通して、基準電極のそれぞれ１つに供給されるという点においてである。このようにして、基準電極の電解質は、拡散によって析出電解液に入るのを妨げられる。
【００３９】
電解により金属、特に銅を、半導体基板に析出するために、たとえば、白金から作製された通例の電気めっき装置を用いることができるが、この場合、陽極および半導体基板は、平行にされ、かつ水平に向けられるかまたは水平から傾けられる。陽極および半導体基板は、また、垂直に向けることができる。２つの電極は、目的に適合するように構成されたタンク、たとえば円筒状タンクに位置し、このタンクが、電解質流体および電極を収容する。通常、陽極は、円筒状タンクの底部に配置され、半導体基板は、タンクの上部に配置される。定義された流体フローを発生するために、電解質流体は、ある一定の仕方で、タンクの中を通して流れることができる。基準電極は、言及した毛細管を介して、円筒状タンクと通じている別個の容器に収容してもよい。毛細管は、電極のそれぞれ１つとすぐ隣接して位置するような仕方で、タンクの壁に配置される。
【００４０】
本発明の別の利点として、本発明による装置、および方法によって、ある一定の電圧（電位）を同時に測定する可能性とともに、様々な電極において行われるように説明した様々な部分プロセスを制御することが可能となる。この設備によって、電流移動における問題の発見が可能となる。
【００４１】
本発明を、以下の図に関連して、より詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
図１に、半導体基板上の誘電体層３における構造部４に隣接およびその内部の開始層２における被膜厚の分布を示す。この場合には、構造部４は、幅が０．２μｍ、深さが約１μｍである。基板の表面において、開始層２の厚さは、約１００ｎｍである。しかし、開始層２は、構造部４の底部では、ずっと薄い。そこでは、その厚さは、わずか５〜２５ｎｍである。この下部領域においてだが、金属析出電解液における開始層２の浸漬および続くウェッティングの間に、構造部４の底部では、金属が何もなくなるかまたは金属の非常に薄い層だけが残されることになるほどまで、開始層２が除去されてしまう恐れがある。結果として、続く電解金属めっきプロセスの間、この場所では金属が全く析出されない可能性がある。
【００４３】
図２は、電解液を含むスペースにおける、陽極５と陰極１との間の電位差の概略的図解である。電流源６によって送出される電流は、陽極５と陰極１との間を流れる。電流源６は、たとえば、電力整流器であってもよい。電流源６によって送出される電圧Ｕは、電圧計７を用いて測定する。電圧Ｕはまた、クランプ電圧とも呼ばれる。
【００４４】
陽極５に隣接して、第１の基準電極８が配置されている。同様に、第２の基準電極９が、陰極１に隣接して配置されている。
【００４５】
電解液を含むスペースにおける、陽極５と陰極１との間の電位差には、数１０のラベルが付けてある。簡略化のために、電位差１０は、単に３つの部分１１、１２および１３に分けられているが、部分１１および１３は、拡散および結晶化過電圧によって発生され、部分１２は、電解液の電気抵抗によって発生される電圧降下から生じる。
【００４６】
言及した電圧降下は、第１の電圧計１４を用いて陽極５と第１の基準電極８との間の電圧を測定することによって、第２の電圧計１５を用いて第１の基準電極８と第２の基準電極９との間の電圧を測定することによって、および第３の電圧計１６を用いて第２の基準電極９と陰極１との間の電圧を測定することによって、簡単な仕方で判定することができる。電圧計１４、１５および１６によって測定された部分電圧１１、１２、１３の合計が、クランプ電圧Ｕを生じる。
【００４７】
電圧降下１１は電圧計１４によって、電圧降下１２は電圧計１５によって、電圧降下１３は電圧計１６によって、測定される。
【００４８】
図３は、電解により金属を半導体基板１に析出するための装置の概略的図解である。この装置には、タンク２０、ならびにタンク２０の底部の陽極５およびタンク２０の上部に、陰極として用いられる半導体基板１が備えられている。タンク２０は、レベル２１まで電解質流体２２で満たされている。流体２２は、たとえば、底部からタンク２０に入り、陽極５を通って流れることができる。この目的のために、陽極５は、穿孔されているのが好ましい。
【００４９】
タンク２０の壁に、第１の毛細管２３が、陽極５に隣接して埋め込まれ、第２の毛細管２４が、半導体基板１に隣接して埋め込まれている。電解質流体は、毛細管２３、２４を通り、タンクの側面に取り付けられた基準電極容器２５および２６へ、少量のフローで流入することができる。これによって、容器２５、２６に入っている可能性があり、析出流体２２とは別の配合を有する電解質流体が、タンク２０に入るのが防がれる。容器２５、２６には、電気線を通して電圧計（図示せず）に接続されている第１の基準電極８および第２の基準電極９が収容されている。
【００５０】
図４は、析出槽の概略的図解である。陽極５は、隔壁（本明細書では図示せず）で囲まれた、たとえばショットまたはペレットの形状の析出される金属を保持する不活性陽極バスケットによって、形成されている。陽極５は、タンク２０の外側に位置している。陽極５は、タンク２０内に結合されている管２９を通し、シールド２８を介して結合されている。シールド２８は、事実上の陽極として働く。第１の基準電極８は、陽極５に隣接して配置されている。第２の基準電極９も、同様に、陰極１に隣接して配置されている。陰極１と第２の基準電極９との間の電圧、第２の基準電極９と第１の基準電極８との間の電圧および第１の基準電極８と陽極５との間の電圧は、それぞれ、電圧計１６、１５、１４を用いて測定される。タンク２０は、電解質流体２２で完全に満たされている。
【実施例】
【００５１】
実際の動作で行われたテストにより、陰極１に析出される金属量が十分でないことが示された。同時に、印加された電圧は２０Ｖであったが、通常の析出槽（わずか２〜３Ｖで１０Ａ）と比較して、約１００ｍＡの非常の低い電流のみが、陰極１と陽極５との間で測定された。したがって、その理由は、たとえば、次のようだった可能性がある。すなわち、
１．  陰極１と電解質流体２２との間の不十分な電気的接触、
２．  管２９の破断、
３．  陽極５と電解質流体２２との間の不十分な接触または
４．  管２９を通した不十分な電解液フロー。
【００５２】
ここでは２つの基準電極８、９および電圧計１４、１５、１６を含む、本発明による測定装置の設計において、次の結果を、本発明によって同時に取得することができ、欠陥の発見が可能となった。
【００５３】
陰極１と第２の基準電極９との間で、経時的に安定した約０．５Ｖの電圧が、電圧計１６を用いて測定された。電圧計１５によって測定された２つの基準電極８、９間の電圧は、１Ｖで経時的に安定していた。それに反して、第１の基準電極８と陽極５との間の電圧は、約１８．５Ｖであり、全電圧に合わせて変化した。
【００５４】
これらの結果により、前述の理由１、２および４を捨てることが可能になった。問題は、陽極５と電解質流体２２との間の変わり目において確立される電気接触を改善することによって除去することができた。陽極バスケットの回りに配置された隔壁が、もはや電解質流体でウェットされていないことが分かった。
【００５５】
さらなる実施例において、電解銅浴２２を用いて、半導体ウエハ１に銅層を析出した。ウエハ１には、約１００ｎｍ厚の銅シード層が設けられた。銅シード層は、銅シード層を露出しているビアおよびトレンチを有するフォトレジスト層で被膜された。銅浴２２には、硫酸銅、硫酸および少量の塩化ナトリウムが、通常、物理的機械的特性を最適化するために使用される一般的な添加成分と同様に含まれていた。浴２２は、図４に示したタンクの設計を有する析出タンク２０において動作された。陽極５は、不溶性で、チタンの伸張された金属シートから作製され、貴金属（たとえば白金）で活性化された。浴２２において標準銅イオン濃度を維持するために、銅片が、タンク２０と流体接続している別個の容器（本明細書では図示せず）に溶解された。銅の溶解を促進するために、浴２２はまた、Ｆｅ（ＩＩ）およびＦｅ（ＩＩＩ）化合物を含んでいた。この目的に適した浴が、たとえば、ＤＥ１９９１５１４６Ｃ１号明細書で説明されている。
【００５６】
ウエハ１を銅浴２２と接触させ、その後のある一定の遊び時間の後で、ウエハ１に金属被膜するために、電流のスイッチを入れた。電流のスイッチが入れられる前に、銅シード層は、銅めっき浴２２によって、または特に、この浴２２におけるＦｅ（ＩＩＩ）イオン化合物によって、エッチングされるおそれがあった。この理由で、最初の銅析出の前に、銅シード層が、少なくとも部分的に溶解する場合には、電気めっきは、問題であった。
【００５７】
電気めっきは、ウエハ１と陽極５との間に流れる電解電流によってもたらされた。ウエハ１の無難なウェッティングが行われたかどうか、および十分な厚さの銅シード層が、ウエハ１の表面にまだ存在しているかどうかを確認するために、ウエハ１と基準電極９との間の電圧を経時的に測定することによって、銅析出の無難な開始を容易に判定することができた。電圧が予想した値の範囲にないと判定された場合には、不十分な電気めっきが予想された。
【００５８】
さらに、ウエハ１と基準電極９との間の電圧が測定された。全電気めっきプロセスの間中、この測定を実施し、ウエハ１の定義された電位制御が達成された。これによって、また、ウエハ１の浸漬およびウェッティングの方法ステップを始めとする全銅めっきプロセス中における、プロセスの無事が保証された。適切な電圧がウエハ１に印加された場合には、シード層のエッチングを防げることがわかった。これらの条件の下で、ウエハ１のウェッティング期間を最適化、すなわち、延長することができた。
【００５９】
同時にまた、処理が、陽極５における評価できない条件によって影響されることが分かった。高すぎるめっきレートは、レートを決定しているめっき浴２２における材料の転移につながること（Ｆｅ（ＩＩ）からＦｅ（ＩＩＩ）への反応）が判明した。これは、水の電気分解、したがって、陽極５における酸素ガス気泡の発生につながる可能性があった。同時に、陽極電位は、シフトすることが測定された。好ましくない条件の下では、このシフトは、陽極５と基準電極８との間の電圧を測定することによって検出された。したがって、通常の範囲外にある電圧を確認することによって、処理パラメータは、不十分な処理を防ぐために、適切に調整することができた。
【００６０】
それゆえに、不十分な陽極および陰極処理によって引き起こされる処理不足は、言及した電圧、およびクランプ電圧が通常の範囲から逸脱した場合には、検出することができた。これらの電圧を、ウエハ１と陽極５との間のクランプ電圧と同様に、同時に測定することによってのみ、不足の原因を発見することができた。
【００６１】
本明細書で説明した実施例および実施形態は、単に例証を目的としたものであること、ならびにこれらに照らし合わせた様々な修正ならびに変更が、本出願に説明した特徴の組み合わせと同様に、当業者に連想されるであろうし、またこれらが、説明した本発明の趣旨および範囲の範囲内および添付した特許請求の範囲の範囲内に含まれるべきことが、理解される。本明細書に挙げた出版物、特許および特許出願の全ては、参照により、本明細書に援用されている。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】半導体基板の誘電体における構造部（トレンチ、ビア）の概略的断面である。
【図２】基準電極が、それぞれ、陽極および陰極に隣接して設けられた、陽極および陰極配列における電位差の概略的表現である。
【図３】析出槽の概略的断面図である。
【図４】析出中における電流変動の問題解析用析出槽の概略図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  半導体基板（陰極）
２  開始層（シード層、めっきベース）
３  誘電体層
４  誘電体層３における構造部
５  陽極
６  電流源（電圧源）
７  クランプ電圧Ｕのための電圧計
８  第１の基準電極
９  第２の基準電極
１０  電位差
１１  陽極５における電圧降下
１２  電解液２２における電圧降下
１３  陰極１における電圧降下
１４、１５、１６  電圧計
２０  タンク
２１  流体レベル
２２  電解質流体
２３、２４  毛細管
２５、２６  基準電極容器
２７  電気線
２８  シールド（事実上の陽極）
２９  管
Ｕ  クランプ電圧
【図１】
2005536633.tif 000003
【図２】
2005536633.tif 000004
【図３】
2005536633.tif 000005
【図４】
2005536633.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成16年10月18日(2004.10.18)
【手続補正１】
【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】
少なくとも１つの陽極と少なくとも１つの陰極とを有する、電解プロセスを監視するための装置であって、少なくとも１つの第１基準電極が、前記少なくとも１つの陽極の表面に配置され、少なくとも１つの第２基準電極が、前記少なくとも１つの陰極の表面に配置され、少なくとも１つの電圧計が、前記少なくとも１つの陽極と前記少なくとも１つの第１基準電極の間、前記少なくとも１つの第１基準電極と前記少なくとも１つの第２基準電極の間、および前記少なくとも１つの第２基準電極と前記少なくとも１つの陰極の間で、電圧を測定するためにそれぞれ設けられていて、そして前記陰極がウエハまたはチップキャリア基板である、装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの基準電極が、毛細管を通して、前記少なくとも１つの陽極の表面かまたは前記少なくとも１つの陰極の表面と通じている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
電解質流体を、前記毛細管を通して、前記少なくとも１つ基準電極に送出可能とするための手段が設けられている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの陽極と前記少なくとも１つの陰極が平行にされ、かつ水平に向けられているかまたは水平から傾けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記陽極が金属板である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも１つの陽極と少なくとも１つの陰極とを有する電解槽における電解プロセスを監視するための方法であって、少なくとも１つの第１基準電極が、前記少なくとも１つの陽極の表面に配置され、少なくとも１つの第２基準電極が、前記少なくとも１つの陰極の表面に配置され、少なくとも１つの電圧計が、前記少なくとも１つの陽極と前記少なくとも１つの第１基準電極の間、前記少なくとも１つの第１基準電極と前記少なくとも１つの第２基準電極の間、および前記少なくとも１つの第２基準電極と前記少なくとも１つの陰極の間で、電圧を測定するために、それぞれ設けられており、そして前記陰極がウエハかまたはチップキャリア基板であり、
前記方法が、以下の方法ステップ、すなわち、
ａ）前記少なくとも１つの陽極と前記少なくとも１つの陰極の間に、電流フローを供給するステップと、
ｂ）それぞれの電圧を、
ｂ１）前記少なくとも１つの陽極と前記少なくとも１つの第１基準電極との間で、
ｂ２）前記少なくとも１つの第１基準電極と前記少なくとも１つの第２基準電極の間で、
ｂ３）前記少なくとも１つの第２基準電極と前記少なくとも１つの陰極の間で
同時に測定するステップと、
を含む方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの基準電極が、毛細管を介して、前記少なくとも１つの陽極の表面か、または前記少なくとも１つの陰極の表面と接触させられる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
電解質流体が、前記毛細管を通して、前記少なくとも１つの基準電極に送出される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの陽極と前記少なくとも１つの陰極が平行にされ、かつ水平に向けられているかまたは水平から傾けられている、請求項６〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記陽極が金属板であり、前記金属が、電解により前記ウエハに析出される、請求項６〜９のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2005536633.tif 000007
2005536633.tif 000008