(57)【要約】  基板に金属層をめっきするための装置及び方法が提供される。陰極液容積は、めっきのために基板を受容するように位置決めされる。１つ以上の陽極セグメントがその中に位置決めされた陽極液容積は、陰極液容積からイオン的に分離される。補助電極がその中に位置決めされた補助容積は、陽極液容積から電気的に隔離されるように設けられ、陰極液容積とイオンで連通している。めっき法は、１つの陽極セグメントと補助電極と逆の電気極性にある２つの電源から電流パルスを供給することにより基板の中心とエッジ近くで一様に薄い金属シードをめっきする第１段階を含んでいる。その後、第２電流パルスを全ての陽極セグメントに印加することによって特徴部の間隙充填とバルク金属めっきが行われる。【選択図】  図１Ｃ
2008504444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理するための電気化学めっきセルであって、
液体容器であって、イオン膜が該液体容器全体に位置決めされ、該イオン膜が該液体容器において陰極液容積を陽極液容積から液体的に分離するように位置決めされている、前記液体容器と、
該陽極液容積と液体で連通して位置決めされた陽極アセンブリと、
該基板を支持するように位置決めされた陰極基板支持部材と、
補助電極電解液容積と液体で連通して位置決めされた補助電極であって、該補助電極電解液容積が該陽極液容積から電気的に分離されている、前記補助電極と、
該陰極液容積と液体で連通して位置決めされたベントコンジットであって、該ベントコンジットが該補助電解液容積とイオンで連通している前記ベントコンジットと、
を備えている前記めっきセル。
【請求項２】
該補助電極が、該基板の周囲に位置決めされた環状導電性膜を備えている、請求項１記載のめっきセル。
【請求項３】
該ベントコンジットが、更に、該めっきプロセス中、該基板の周囲に隣接した位置に該液体容器の中に形成される環状ベントノズルを備えている、請求項１記載のめっきセル。
【請求項４】
該ベントコンジットが、該イオン膜の該周囲を経て該補助電解液容積と連通している、請求項１記載のめっきセル。
【請求項５】
該陰極液容積と該ベントコンジットと液体で連通している陰極液供給コンジットと、
該陽極液容積と液体で連通している陽極液供給コンジットと、
該陽極液容積と液体で連通している陽極液ドレインコンジットと、
該補助電極電解液容積と液体で連通している補助電極電解液供給コンジットと、
該補助電極電解液容積と液体で連通している補助電極電解液ドレインコンジットと、
を更に備えている、請求項１記載のめっきセル。
【請求項６】
中央陽極セグメントと、１つ以上の他の陽極セグメントと、補助電極とを有するめっきセルにおいて基板に金属層をめっきする方法であって、
該基板の大部分を少なくとも覆う第１処理条件下で該基板の該表面上に該金属層の第１部分をめっきするステップであって、該第１処理条件が該中央陽極セグメントと該基板に第１電源を電気的に接続することを含む、前記ステップを含む前記方法。
【請求項７】
該第１処理条件が、
該補助電極と該基板に第２電源を電気的に接続すること、
を更に含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
該第１電源と第２電源が、該中央陽極セグメントと該補助電極に逆極性で接続されている、請求項７記載の方法。
【請求項９】
該基板を通過する該電流が、該補助電極を通過する該電流より大きい、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
該中央陽極セグメントを通過する該電流が、該補助電極を通過する該電流より大きい、請求項７記載の方法。
【請求項１１】
該中央陽極セグメントが、該基板の中央領域と整列している、請求項６記載の方法。
【請求項１２】
該基板の該表面上の特徴部間の間隙を少なくとも充填する第２処理条件下で該金属層の第２部分をめっきするステップであって、該第２処理条件が全ての陽極セグメントと該基板に電源を電気的に接続することを含む前記ステップ、
を更に含む、請求項６記載の方法。
【請求項１３】
該基板の該表面上にバルク層の少なくとも一部を堆積させる第３処理条件下で該金属層の第３部分をめっきするステップ、
を更に含む、請求項６記載の方法。
【請求項１４】
第１電極と第２電極を有するめっきセルにおいて基板に金属層をめっきする方法であって、
該第１電極と該基板の中央セグメントに第１電源を接続するステップと、
該第２電極と該基板に第２電源を接続するステップと、
該第１電極と該第２電極の逆の極性で該基板の該表面上に該金属層の第１部分をめっきするステップと、
を含む前記方法。
【請求項１５】
該基板を通過する該電流が、該第２電極を通過する該電流より大きい、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
該第１電極の該中央セグメントを通過する該電流が、該第２電極を通過する該電流より大きい、請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
該金属層の該厚さが約３０オングストローム〜約２５０オングストロームである、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
該基板の該表面上の特徴部間の間隙を少なくとも充填する第２処理条件下で該金属層の第２部分をめっきするステップであって、該第２処理条件が該第１電極のすべてのセグメントを電気的に接続することを含んでいる前記ステップ、
を更に含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
該基板の該表面上にバルク層の少なくとも一部を堆積させる第３条件下で該金属層の第３部分をめっきするステップであって、該金属層の該厚さが約８００オングストロームを超える前記ステップ、
を更に含む、請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
陽極と第２電極の２つ以上のセグメントを有するめっきセルにおいて基板に金属層をめっきする方法であって、
該基板に第１電流パルスを印加して、該基板の該表面上に該金属層の第１部分を堆積させるステップであって、該第１電流パルスが、該陽極と該第２電極の少なくとも１つのセグメントと逆の極性でそれぞれ電気的に連通している第１電源と第２電源によって供給される、前記ステップと、
該基板に第２電流パルスを印加して、該基板の該表面上に該金属層の第２部分を堆積させるステップであって、該第２電流パルスが該陽極の全てのセグメントに供給される電流を含んでいる前記ステップと、
を含む前記方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、一般的には、基板上の金属層の堆積に関する。特に、基板上に金属層を電気化学堆積するための方法及びシステムに関する。
【０００２】
関連技術の説明
[0002]サブミクロンマルチレベルメタライゼーションは、超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）半導体デバイスや超超大規模集積回路（ＵＬＳＩ）半導体デバイスにとって重要な技術の一つである。この技術の中心にあるマルチレベル相互接続部は、コンタクト、バイア、ライン、高アスペクト比のアパーチャに形成される他の特徴部の充填を必要とする。これらの特徴部の形成が信頼できることは、ＶＬＳＩ及びＵＬＳＩ双方の成功にとって、また、個々の基板やダイ上の回路密度と品質を高めるための継続的な努力にとって非常に重要である。
【０００３】
[0003]回路密度が増すにつれて、コンタクト、バイア、ライン、及び他の特徴部並びにそれらの間の誘電材料の幅を減少させることができる。誘電材料の厚さは変わらないままであるので、たいていの半導体特徴部に対するアスペクト比（即ち、高さ割る幅）はかなり高くしなければならないという結果となる。従来の多くの堆積プロセスは、アスペクト比が６：１を超え、特に１０：１を超えたとき、半導体構造を一貫して充填しない。そのようにして、６：１以上のアスペクト比を有するボイドのないナノメートルサイズ構造の形成に関する多くの努力が継続している。
【０００４】
[0004]始めは他の業界で用いられた電気化学めっき（ＥＣＰ）のような電気化学堆積（ＥＣＤ）は、導電面上に銅のような堆積した材料を成長させ且つ実質的にボイドのない高アスペクト比の特徴部でさえ充填する能力があることから、小さな特徴部を充填するための堆積技術として半導体業界で適用されてきた。典型的には、金属拡散バリヤ層が特徴部の表面の上に堆積し、続いて、導電金属シード層が堆積する。その後、導電金属が導電金属シード層の上に電気化学的にめっきされて、構造/特徴部を充填する。最後に、特徴部の表面が、化学機械的研磨（ＣＭＰ）等によって平坦化されて、導電性相互接続特徴部を画成する。
【０００５】
[0005]銅は、アルミニウムに比べて抵抗率が低く、エレクトロマイグレーション耐性もかなり高く、また、熱導電性が良好であることから、半導体デバイス製造に望ましい金属になってきた。銅の電気化学めっきシステムは、進歩した相互接続構造の半導体製造に開発されたものである。典型的には、銅ＥＣＰは、電子源として負に荷電した基板と接触した正に荷電した銅イオンを含むめっき槽/電解液を用いて、荷電した基板上に銅をめっきする。
【０００６】
[0006]すべてのＥＣＰ電解液は、無機化合物と有機化合物の双方を低濃度で有する。典型的な無機化合物には、硫酸銅（ＣｕＳＯ４）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、微量の塩素（Ｃｌ）イオンとが含まれる。典型的な有機化合物には、促進剤、抑制剤、レベラーが含まれる。促進剤は、光沢剤、又は抗抑制剤としばしば呼ばれる。抑制剤は、界面活性剤又は湿潤剤であってもよく、しばしばキャリヤと呼ばれる。レベラーは、結晶微細化剤又は過剰めっき阻止剤とも呼ばれる。
【０００７】
[0007]ほとんどのＥＣＰプロセスは、一般的には、２つのプロセスを必要とし、まず、シード層が基板上の特徴部の表面の上に形成され（このプロセスは別のシステムで行うことができる）、その後、特徴部の表面が電解質溶液にさらされるが、基板表面（陰極として機能する）と電解質溶液内に位置する陽極の間に電気バイアスが同時に印加される。
【０００８】
[0008]従来のめっきの実施は、拡散バリヤ層（例えば、タンタル又は窒化タンタル）に、物理気相堆積（ＰＶＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、又は原子層堆積（ＡＬＤ）によって銅シード層を堆積することを含んでいる。しかしながら、特徴部の大きさが小さくなるにつれて、銅集合体の不連続な島が、特徴部の底に近い特徴部の側壁でしばしば得られるので、ＰＶＤ技術によるシードステップカバレージが充分であることは難しい。高アスペクト比の特徴部の深さ全体に連続側壁層を堆積させるためにＰＶＤの代わりにＣＶＤ又はＡＬＤの堆積プロセスを用いる場合、厚い銅層が領域上に形成される。領域上の厚い銅層は、特徴部の側壁が完全に覆われる前に特徴部ののどを生じてしまう。領域の堆積の厚さがのどを閉じることを防止するために薄くされる場合、ＡＬＤやＣＶＤの技術は、シード層内の不連続性を生じさせる傾向がある。シード層における、これらの不連続性は、シード層の上にめっきした層において欠陥めっきを生じることがわかった。更に、銅は大気中で容易に酸化する傾向があり、酸化銅はめっき液に容易に溶解する。特徴部における銅の完全な溶解を防止するために、銅シード層は、通常、比較的厚くし（８００オングストローム程度）、めっきプロセスが特徴部を充填することを阻止することができる。それ故、銅シード層なしで適切なバリヤ層上に銅を直接電気めっきすることを可能にする銅めっきプロセスをもつことが望ましい。
【０００９】
[0009]適切なバリヤ金属層上の直接銅めっきすることによる他の難題は、バリヤ金属層の抵抗が大きい（抵抗率が小さい）ことであり、高エッジめっき、即ち、基板のエッジでの銅めっきはより厚く、基板の中心では銅めっきがないことを生じることが知られる。また、銅は核形成の局部的な部位でめっきする傾向があり、銅核のクラスタ、銅クラスタ/結晶をもたらすので、堆積が基板の表面全体で一様でなくなる。
【００１０】
[0010]更に、集積回路デバイスの１００ナノメートル未満特徴部のメタライゼーションは、一般的には、シード層が堆積した後、電気化学めっきプロセスで行われる。しかしながら、特徴部のアパーチャのサイズが小さいことと特徴部本体のアスペクト比が高いことが、特徴部のアパーチャを閉じることなく、また、特徴部において次に続くめっきを防止することなく、特徴部の主な本体の連続ボトムアップフィルを得ることを非常に難しくするので、特徴部において充填されないボイド又はポケットを生じる。
【００１１】
[0011]それ故、１００未満集積回路デバイスをメタライゼーションし、高エッジめっき作用を最小限にする装置及び方法が求められ、また、適切なバリヤ金属上に直接薄い銅シード層をめっきして、基板表面全体に銅を一様に堆積すると共にバルク銅層のめっき前に特徴部を充填することができる銅めっきプロセスが求められている。
【発明の概要】
【００１２】
[0012]本発明の実施形態は、集積回路デバイス上の１００ナノメートル未満の特徴部をメタライゼーションするように形成された電気化学めっきセルを提供する。めっきセルは、陽極液区画と陰極液区画を有する流体ベースンと、陽極液区画と陰極液区画の間に位置するイオン膜と、陽極液区画内に位置する陽極と、流体ベースンにおいて処理する基板を電気的に接触させ支持するように位置する陰極電極とを含んでいる。
【００１３】
[0013]一実施形態においては、陽極液区画は第１電解液区画と第２電解液区画に分けられて、陽極は第１区画に位置し、補助電極は第２区画に位置する。第１区画も第２区画も共にそこを通る陽極液体流動を有するが、第１区画と第２区画は相互に電気的に隔離されている。
【００１４】
[0014]他の実施形態においては、めっきセルは、陽極液区画と陰極液区画を有する流体ベースンと、陽極液区画と陰極液区画の間に位置するイオン膜と、陽極液区画内に位置する２つ以上の陽極セグメントと、補助電極と、２つ以上の陽極セグメントと補助電極に接続される２つ以上の電源と、流体ベースンにおいて処理するために基板を電気的に接触させ支持するように位置する基板接触要素/接触点とを含んでいる。
【００１５】
[0015]本発明の実施形態は、更に、バリヤ層上に直接又は間接に銅薄層をめっきする電気化学堆積法及び方法に適合された装置を提供する。一実施形態においては、本発明は、陽極と補助電極の２つ以上のセグメントを有するめっき装置において基板に金属層をめっきする方法を提供する。その方法は、第１処理条件下で基板の表面上に金属層の第１部分をめっきして基板の大部分を少なくとも覆うことを含み、第１処理条件は、第１電源を陽極と基板の中心セグメントに電気的に接続させることを含んでいる。
【００１６】
[0016]他の実施形態においては、本発明は、更に、第１電極と第２電極を有するめっきセルにおいて基板に金属層をめっきする方法を提供する。その方法は、第１電源を第１電極と基板の中心セグメントに接続するステップと、第２電源を第２電極と基板に接続するステップと、第１電極と第２電極の逆極性で、基板の表面上に金属層の第１部分をめっきするステップを含んでいる。
【００１７】
[0017]なお他の実施形態においては、本発明は、陽極と第２電極の２つ以上のセグメントを有するめっきセルにおいて基板に金属層をめっきする方法を提供する。その方法は、第１電流パルスを基板に印加して、基板の表面上に金属層の第１部分を堆積させるステップを含み、第１電流パルスは、陽極と第２電極の１つのセグメントと逆極性でそれぞれ電気的に連通している、第１電源と第２電源によって供給される。その方法は、更に、第２電流パルスを基板に印加して、基板の表面上に金属層の第２部分を堆積させるステップを含み、第２の電流パルスは、陽極の全てのセグメントに供給される電流を含んでいる。
【００１８】
[0018]更に他の実施形態においては、本発明は、めっきセルにおいて基板に金属層をめっきする方法であって、基板がめっきセルの内部に位置決めされる前にめっきセルの接触点で金属コーティングをめっきするステップと、基板の表面に金属層をめっきするステップとを含む、前記方法を提供する。
【００１９】
[0019]本発明の上記特徴部を詳細に理解され得るように、上で簡単にまとめた本発明のより具体的な説明が、実施形態によって参照することができ、その一部が添付の図面で示されている。しかしながら、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態だけを示し、それ故、その範囲を制限するものとみなされるべきでなく、本発明は、他の等しく有効な実施形態を許容することができる。
【詳細な説明】
【００２０】
[0037]本発明の実施形態は、導電性バリヤ金属が上にある基板上に、金属シード薄層及び/又はバルク金属層を電気化学堆積するのに適合させた方法及び装置を提供する。本発明のめっきセルは、１００ナノメートル未満集積回路のためのメタライゼーションプロセスを支持するように形成される。めっきセルは、一般的には、分割した流体ベースンを含んでいる。即ち、めっきセル液体ベースンにおける液体容積は、陰極容積と陽極容積に分けられる。めっきセルの陽極容積は、少なくとも１つの陽極電極と少なくとも１つの対電極又は補助電極を含むが、対電極は陽極電極から電気的に隔離されるように位置決めされ形成されている。
【００２１】
[0038]バルク金属層に適した金属材料は、銅、ニッケルのような基板表面上にめっきすることができるあらゆる金属材料でもよい。例えば、本発明は、直接又は間接銅めっきプロセス中、バリヤ材料又は銅シード層の表面上に銅材料をめっきして、半導体相互接続部形成中、サブミクロン特徴部を充填するステップを提供する。一実施形態においては、本発明は、基板の表面全体に一様なめっきを得るために、導電金属材料の電気化学堆積中、少なくとも３つ以上の段階/ステップ(本明細書に詳述されるように）を含むことができる。めっきの３つ以上の段階は、同一の電気化学堆積装置又は異なるめっきツールにおいて行うことができる。特に、本発明は、抵抗率が低い（従って、非常に抵抗性）材料がその上にある基板表面上に１つ以上の金属層を一様にめっきすることを可能にする。更に、本発明は、高基板表面抵抗の問題を解決して、基板のエッジでの接触抵抗と電流分配を改善するために提供される。
【００２２】
[0039]基板の表面は、第ＶＩＩＩ族金属又は貴金属バリヤ層のようなめっきに適したシード材料又は導電材料として使用し得る材料のいずれかでよい。基板表面材料としては、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）、及び、それらの合金が挙げられるが、それらに限定されない。例えば、ルテニウム（Ｒｕ）は、抵抗率が低い金属であり、めっきよりもむしろ他の堆積法により堆積した銅シード層を必要とせず、直接銅めっきのためのバリヤ層として、基板上の特徴部を被覆するために用いることができる。
【００２３】
[0040]図１Ａ-図１Ｃは、金属相互接続製造順序の異なる段階での基板を示す横断面図である。図１Ａにおいて、金属コンタクト１０４と誘電体層１０２が、例えば、シリコン、ゲルマニウム、又はガリウムヒ素の半導体材料を含む基板１００の表面上に形成される。誘電体層１０２は、カリフォルニア州サンタクララにあるアプライドマテリアルズ社から入手できる、例えば、ＢＬＡＣＫＤＩＡＭＯＮＤＴＭ低-ｋ誘電材料のＳｉＯｘＣｙのような二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、又は炭素ドープした酸化シリコンのような絶縁材料を含むことができる。金属コンタクト１０４は、例えば、特に銅を含むことができる。アパーチャ１２０は、従来のリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて誘電体層１０２内に画成することができる。
【００２４】
[0041]図１Ｂにおいて、任意に、バリヤ層１０６は誘電体層１０２の上部に形成されてもよい。バリヤ層１０６は、銅バリヤ材料、例えば、特に、チタン、窒化チタン、窒化シリコンチタン、タンタル、窒化タンタル、窒化シリコンタンタル、タングステン、窒化タングステンとして用いられる１つ以上の耐火金属含有層を含むことができる。バリヤ層１０６は、原子層成長（ＡＬＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、又は物理気相成長（ＰＶＤ）のような、適した堆積プロセスを用いて形成することができる。例えば、窒化チタンは、例えば、四塩化チタンとアンモニアを用いて、ＣＶＤ法又はＡＬＤ法により堆積させることができる。一実施形態においては、窒化タンタル及び/又はタンタルは、２００３年７月３日に公告された共同譲渡された米国特許公告第２００３/０１２１６０８号に記載されているＡＬＤ法によりバリヤ層として堆積させる。任意のバリヤ層の厚さは、約５オングストローム〜約１５０オングストロームであり、好ましくは１００オングストローム未満である。
【００２５】
[0042]本発明の一実施形態は、電気抵抗が小さいことから、めっきを開始/核形成するのに非常に抵抗する、第ＶＩＩＩ族金属材料、例えば、特に、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、及びプラチナ（Ｐｔ）の基礎にある層に一様な銅層のめっきを提供する。一実施例として、約１００オングストロームのルテニウム薄層は、約１０００オングストロームの銅シード層より１００倍抵抗力があり、基礎にある層を形成するのに用いられる堆積法から独立して、その上に銅がめっきすることに消極的である。
【００２６】
[0043]第ＶＩＩＩ族金属材料は、ほとんどの第ＶＩＩＩ族金属材料が低電気抵抗率と高熱安定性を与え、腐食や酸化に耐性があることから、アスペクト比が３：１より大きい銅の相互接続特徴部、例えば、バイア、トレンチ、ラインのためのバリヤ層又は基礎にある層として用いることができる。例えば、ルテニウムの抵抗率は〜約７μΩ-ｃｍであり、その融点は約２３００℃である。更に、ルテニウムの熱導電性と電気導電性は、タンタル（Ｔａ）の２倍であるので、ルテニウムは銅に対して良好なバリヤ層である。ルテニウムは、また、９００℃未満の温度では銅と合金を形成せず、銅に対して良好な接着性を示す。従って、第ＶＩＩＩ族金属又は貴金属材料は、従来のバリヤ層と銅の間で接着剤層の役割を果たすために、Ｔａ（タンタル）及び/又はＴａＮ（窒化タンタル）のような従来のバリヤ層上に堆積してさせることができる。更に、ルテニウム（Ｒｕ）の低抵抗率は、銅ＰＶＤ又はＣＶＤシード層を必要とせずに、銅相互接続中にルテニウム被覆特徴部を充填することを試みる場合に有利であり得る。特に、ルテニウムは、４５ｎｍ未満の銅相互接続に対して、金属間誘電材料（ＩＭＤ）間のシードのない良好な拡散バリヤ材料である。
【００２７】
[0044]図１Ｂを参照すると、ルテニウム（Ｒｕ）のような第ＶＩＩＩ族金属層１０８は、基板上、例えば、バリヤ層１０６上に形成される。第ＶＩＩＩ族金属層１０８の厚さは、製造すべきデバイス構造にしばしば左右される。典型的には、ルテニウム（Ｒｕ）のような第ＶＩＩＩ族金属層１０８の厚さは、約１０００オングストローム未満、好ましくは約５オングストローム〜約２００オングストロームである。一実施形態においては、第ＶＩＩＩ族金属層１０８は、約１００オングストローム未満、例えば、約５０オングストローム未満の厚さを有するルテニウム層である。
【００２８】
[0045]その後、図１Ｃを参照すると、アパーチャ１２０は、相互接続を完了するために、銅のような金属材料１１０で充填することができる。一実施形態においては、ルテニウム層のような貴金属層又は遷移金属層は、電気化学めっき技術、又は他の銅めっき技術によって銅が直接堆積するシード層として機能する。アパーチャ１２０の幅は、例えば、約９００オングストローム以下でよい。誘電体層１０２の厚さは制限されず、約１０００オングストロームから約１００００オングストロームまでの範囲でよい。
【００２９】
[0046]ＥＣＰ銅めっきのための電気化学めっき液は、一般的には、銅供給源、酸供給源、塩素イオン供給源、及び少なくとも１つのめっき液添加剤、即ち、レベラー、抑制剤、促進剤、消泡剤等を含んでいる。例えば、めっき液は、約３０〜約６０ｇ/ｌの銅、約１０〜約５０ｇ/ｌの間の酸、約２０〜約１００ｐｐｍの塩素イオン、約５〜約３０ｐｐｍの添加促進剤、約１００〜約１０００ｐｐｍの添加抑制剤、約１〜約６ｍｌ/ｌの添加レベラを含有することができる。めっき電流は、サブミクロントレンチ及び/又はバイア構造に銅を充填するために約２ｍＡ/ｃｍ２〜約１０ｍＡ/ｃｍ２の範囲であってもよい。銅めっき化学及びプロセスの例は、“バリヤ金属上に直接銅めっきするための多段電着法”と称する２００３年７月８日出願の共同譲渡された米国特許出願第１０/６１６,０９７号、“サブミクロン特徴部において銅を最初に一致した電気化学堆積を施すための方法及び化学”と称する２００３年１０月１０日出願の米国特許出願第６０/５１０,１９０号に見出すことができる。電気化学めっき（ＥＣＰ）システムと例示的めっきセルの一実施例は、以下の図４−図７に記載される。
【００３０】
[0047]銅めっきに対して非常に抵抗性のバリヤ薄層として、ルテニウム（Ｒｕ）のような第ＶＩＩＩ族バリヤ材料による問題は、基板の表面全体に、特に小さな特徴部がその上にある基板上に一様なめっきが生じるはずがないことである。更に、めっきを開始するための最初の過電圧は、通常よりも高くなければならず、例えば、約３０ｍＶ以上の追加電圧が、銅上よりもルテニウム上に銅をめっきするのに必要である。更に、基板のエッジ近くに位置する基板接触点をもつ基板の接触は不充分であり、それらの位置がかすんだゾーン又は不充分なめっきになる。
【００３１】
[0048]図２Ａは、ルテニウムバリヤ層を有する基板の表面全体上の最初の銅成長と均一性を示す図である。はじめに、最初のめっき時間ｔ１、ｔ２、ｔ３のめっきは主に基板のエッジ上であり、一様でない銅堆積が生じる。銅が基板上に堆積し始めたときでさえ、めっきした銅核又はクラスタは分けられ、それらが最終的に相互に重なるのに時間がかかる。図２Ｂは、基板２１０の表面上の金属層のめっきを示す図である。基板２１０が、用いられるめっき装置と接触している基板２１０のエッジ上のめっきは一様でない。めっきした金属材料の空乏を示すかすんだゾーン２２０は、しばしば大きさがミリメートルである。
【００３２】
[0049]従って、本発明の一実施形態は、金属材料のめっき中、基板の表面上の不均一性の問題を解決するために提供され、めっき装置において少なくとも２つの電極の使用を必要とする金属めっきプロセスの複数の段階を含んでいる。一電極は主陽極として機能し、めっき中、基板の中心で整列している。もう１つの電極は補助電極又は対電極であり、基板のエッジ近くにあり、めっき中、追加陽極又は陰極として機能し得る。本発明は、更に、めっき中、一様な電流密度を生じるのに援助するための追加電極、電極セグメント、又は陽極セグメントの使用を含んでいる。更に、基板上に金属シード薄層をめっきする前に、本発明は、基板上での一様な金属めっきと一様な電流分配を改善するために、めっきすべき金属材料の薄いコーティングによるめっき装置の基板接触点/位置をコーティング又は前処理することを意図している。
【００３３】
[0050]図３は、基板がないときに、めっき装置を用いて金属薄層をめっきさせる任意のステップ３１０ａを含む本発明の方法３００を示す図である。そのため、約５０オングストローム〜約５００オングストロームのような約６００オングストローム未満の金属コーティングは、めっき装置の接触ピン又は様々な接触要素/接触点上にめっきされる。金属コーティングの堆積前の基板接触点/位置/要素の他の任意の前処理は、基板接触要素から汚染物質を非めっきにするために、短時間、基板接触点を電源の陽極端子に接続するなどによって非めっきによるあらゆる汚染物質又は堆積物を除去することを含むことができる。
【００３４】
[0051]次に、段階３１０において、金属薄層は、第１処理条件下で基板の表面上にめっきされて、段階３１０で少なくとも基板の大部分を覆う。例えば、銅シード薄層は、続くめっきステップに対して相対的に一様で導電性の表面を生成するために、第ＶＩＩＩ族金属バリヤー材料又は貴金属バリヤ材料が上にある基板表面上に直接めっきされる。基板表面は、物理的気相成長（ＰＶＤ）技術によって堆積したルテニウムバリヤ層又は銅シード層を含むことができる。
【００３５】
[0052]第１処理条件は、逆向きに少なくとも２つの電源によって供給される短いＤＣ電流パルスを含むことができる。一方の電源は、主陽極と基板（陰極として機能する）に接続される。一方の電源は、１つ以上の補助電極と基板に接続されて、主陽極を通過する電流に、逆極性で１つ以上の補助電極を通過する電流を供給する。
【００３６】
[0053]主陽極は、１つの中心/内部陽極セグメント、又はいくつかの陽極セグメントであってもよく、めっき装置において陽極アセンブリの広い面積を覆っている。更に、主陽極は、処理すべき基板の中心/中央で整列してもその近くに位置してもよく、１つ以上の補助電極は基板の周辺領域/周囲近くに位置してもよく、基板の中心/中央を通過する電流を増加させることができる。第１電源に接続された主陽極は、基板表面上、好ましくは、基板の中央に、銅を電着させるために用いられる。第１電源の逆向きに作用する第２電源に接続された１つ以上の補助電極は、基板のエッジ近くの電着を減少させるために、電流シーフとして働くように用いられる。一実施形態においては、短いＤＣ電流パルスは第１処理条件下で印加されて、基板の中心/中央領域に向かって堆積を増加させる。他の実施形態においては、短いＤＣ電流パルスは、第１処理条件下で印加されて、基板の周辺に向かって堆積を減少させる。
【００３７】
[0054]第１及び第２の電源を通過する各電流は、ＤＣ電流パルス中、一定であるが、振幅と向き/極性が異なってもよい。主陽極、１つ以上の補助電極、２つ以上の電源の使用において、めっきは基板の表面全体で一様に生じることができる。
【００３８】
[0055]基板を通過するこのパルスの短いＤＣ電流密度は、用いられるバリヤの材料（又はバリヤ材料の不動態化）又は基板の表面上のあらゆる金属材料、めっきのために用いられる電解液、及び基板近くの電界の形状に左右され、例えば、約４０ｍＡ/ｃｍ２〜約５０ｍＡ/ｃｍ２であってもよい。ＤＣ電流密度に影響することがある他の要因は、中心の主陽極セグメントの直径、電解液の導電性等を含むことができる。短いＤＣ電流密度は、必要とされる厚さに達するまでの時間続けることができる。一実施形態においては、約３０オングストローム〜約２５０オングストローム、例えば、約５０オングストローム〜約１００オングストロームの銅シード薄層が、段階３１０で一様に形成される。
【００３９】
[0056]段階３２０において、第２処理条件下のめっきは、基板表面上の間隙、特徴部、例えば、アパーチャ１２０を少なくとも充填するように行われる。一実施形態においては、段階３２０の後、めっきした銅の全体の厚さは、約５０オングストロームを超え、例えば、約５０オングストローム〜約２００オングストローム以上、又は約５００オングストローム〜約１０００オングストロームである。第２処理条件は、基板の表面を覆うように整列している、１つ以上の陽極、陽極セグメント、又は全陽極セグメントに１つ以上の電源を供給することによってめっきが続くＤＣ電流パルスを含むことができる。第２処理条件下のＤＣ電流パルスの強度は、めっきした金属の抵抗率、基板上で基礎にある材料、他のめっきパラメータに左右され、限定しない。一実施形態においては、第２処理条件下のＤＣ電流パルスの強度は、第１処理条件下のＤＣ電流パルスの強度よりも小さい。更に、第２処理条件下で、補助電極の電流強度は制限しない。補助電極は、アイドルでもよく、追加の陰極として機能してもよく、追加の陽極として機能してもよい。一実施形態においては、電流は、基板を通過する電流よりも少ない電流で補助電極を通って印加することができる。
【００４０】
[0057]段階３３０において、めっきは第３処理条件下で行われて、基板表面上にバルク金属層の一部を少なくとも堆積させる。一実施形態においては、段階３３０でのバルク銅層の全体の厚さは、約５００オングストロームを超え、約８００オングストローム〜約１２００オングストロームであってもよい。第３処理条件は、望ましい全体の厚さまで銅を連続して堆積させる高い処理能力でのめっきを含むことができる。１つ以上の電源は、めっき装置の陽極アセンブリ（１つ以上又は全陽極セグメントを含む）と１つ以上の補助電極に接続され、めっきは基板の表面全体に一様に生じることができる。
【００４１】
[0058]本発明の実施形態は、更に、基板上の金属シード薄層及び/又はバルク金属層を含む金属層の電気化学堆積に適合されためっき装置を提供する。めっき装置又はめっきセルは、１つ以上の電極、例えば、主陽極電極/陽極セグメント、他の１つ以上の陽極電極、及び１つ以上の補助電極又は対電極極を含む。補助電極は、陽極電極及び/又は陽極セグメントから電気的に隔離されるように位置決めされ構成される。例示的めっきセルは、“電気化学処理セル”と称する２００３年７月２４日出願の共同譲渡された米国特許出願第１０/６２７,３３６号、“隔離された陽極液区画において対電極をもつ電気化学めっきセル”と称する２００４年６月２８日出願の共同譲渡された米国特許出願第１０/８８０,１０３号に見ることができ、これらの開示内容は本明細書に援用されている。
【００４２】
[0059]図４は、ヘッドアセンブリを含まない本発明のめっきセル４００を示す断面図である。めっきセル４００は、その中に電解液、液体、又はめっき槽を含有する溢れ堰４０９（連続の最上液体溢れ点）によって囲まれた液体ベースン４０８を含む。過剰液体又は電解液は、溢れ堰４０９を囲む外側の収集容積４１２にあふれるか又はこぼれる。図５は、処理位置において、本発明のヘッドアセンブリ４０２をもつめっきセル４００を示す他の断面図である。ヘッドアセンブリ４０２は、めっきセル４００の内部の流体ベースン４０８における電気化学めっき動作のために基板４１８を支持し電気的にバイアスをかけるように形成される。ヘッドアセンブリ４０２は、一般的には、基板と電気的に接触する、複数の金属又は金属合金電気接触要素をその上に有する接触リング４０６を含む。電気接触要素/接触点は、接触ピン、接触ロッド、接触面、接触パッド等、例えば、１つ以上の接触ピン４０３の形をとる。接触要素/接触点は、一般的には、不活性材料、例えば、貴金属、半貴金属、プラチナ等から作られる。本発明の一実施形態は、基板がないときの接触要素に金属薄層をめっき又はコーティングして、後のめっきプロセス中、基板上のめっきの接触を良好にするステップを含んでいる。接触要素又は接触ピン４０３上の金属薄層のめっきは、電源（図示せず）の陰極端子に接触ピン４０３を接続することによって行われる。接触ピン４０３上に被覆される金属薄層は、基板上に後にめっきすべき金属と同じ材料であってもよい。任意に、接触要素又は接触ピン４０３は非めっきプロセスにより前処理されて、金属薄層がその上に被覆/めっきされる前に、電源の陽極端子に接触ピン４０３を接続することによってその上のあらゆる堆積物を取り除くことができる。
【００４３】
[0060]流体ベースン４０８の内部の、１つ以上の電極、陽極アセンブリ４２２又は陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃは、めっきのための陽極として用いられるように形成される。更に、本発明の一実施形態は、陽極アセンブリ４２２又は陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃの外周に放射状に位置決めされるように構成された補助電極アセンブリ４２４を設けている。１つ以上の陽極アセンブリ４２２、陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃ、補助アセンブリ４２４は、導電性部材から作られてもよい。導電性部材は、銅のような消耗する材料、又はプラチナ又は他の貴金属等の消耗しない材料から製造されてもよい。一構造において補助電極アセンブリ４２４は、本発明の一実施形態に従って、基板の周囲に位置する環状導電性部材である。
【００４４】
[0061]陽極液容積４２０は、一般的には、そこを通って流れる陽極液と接触して位置決めされる１つ以上の陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃを含む陽極アセンブリを含有する。１つ以上の陽極セグメントは、図７Ａ-図７Ｃで更に述べられる、主陽極４２２ａと、陽極セグメント４２２ｂと、追加の陽極セグメント４２２ｃ等を含むことができる。
【００４５】
[0062]流体ベースン４０８は、内部液体容積４１０を限定し、内部液体容積４１０においてめっきするために基板４１８を受容するように形成される。内部液体容積４１０から溢れためっき液は、外部の収集容積４１２に排出され、めっき液はもとの内部液体容積４１０に再循環することができる。任意に、流体拡散部材４１４は、めっきされる基板４１８が位置決めされている下の位置と陽極アセンブリ４２２の上の位置で、内部液体容積４１０全体に位置決めされる。流体拡散部材４１４は、基板４１８全体で、陽極アセンブリ４２２と基板４１８の間の向きに、液体流動の変動を防ぐように作動させる。流体拡散部材と他のめっきセル構成要素と操作上の特性のより詳細な説明は、共同譲渡された米国特許第６,２６１,４３３号及び共同譲渡された米国特許第６,５８５,８７６号に見ることができ、その双方の開示内容は本明細書に全体で援用されている。
【００４６】
[0063]更に、薄膜４１６は、流体ベースン４０８全体に、また、用いられる場合には拡散部材４１４が位置決めされてもよい下の位置と陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃの上に位置決めされる。薄膜４１６は、一般的には、イオン膜であり、より詳しくは、陽イオン膜であり、そこを通る流体の通過を妨げるように構造されるが、銅イオンのようなイオンが基板４１８に向かって薄膜４１６を通って送られることを可能にする。そのようにして、薄膜４１６は、一般的には、めっきセル４００の陽極液容積４２０から、めっきセル４００の陰極液容積４１９を分離するように作動させる。陰極液容積４１９は、一般的には、薄膜４１６と基板４１８の間の液体容積を意味し、陽極液容積４２０は、陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃに隣接する膜４１６の下の流体容積を意味する。膜４１６と陰極液から陽極液の分離のより詳しい説明は、“電気化学処理セル”と称する２００３年７月２４日出願の共同譲渡された米国特許出願第１０/６２７,３３６号で見ることができ、この開示内容は本明細書に全体で援用されている。
【００４７】
[0064]陽極液のようなめっき電解質溶液は、陽極液供給コンジット４３１ａによって陽極液容積４２０に供給され、陽極液供給コンジット４３１ａと対向する側に位置決めされた陽極液ドレインコンジット４３１ｂによって陽極液容積４２０から排出される。陽極液は、一般的には、特に、水と、銅イオンと、硫酸銅と、ハロゲンイオンとを含んでいる。“電気化学処理セル”と称する２００２年１０月９日出願の共同譲渡された米国特許出願第１０/２６８,２８４号記載されるように、陽極液供給コンジット４３１ａと陽極液ドレインコンジット４３１ｂの位置決めによって、陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃの上面全体に陽極液の方向性の流れが生じ、この開示内容は本明細書に全体で援用されている。
【００４８】
[0065]補助供給コンジット４３２ａは、また、陽極液又は、場合によっては、陰極液のような電解質溶液を、補助電極アセンブリ４２４を取り囲んでいるが、陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃに隣接する容積内に含まれ且つ陽極液供給コンジット４３１ａと陽極液ドレインコンジット４３１ｂによって供給される陽極液容積４２０と液体的に又は電気的に連通していない補助容積４３５に供給するように形成される。補助ドレインコンジット４３２ｂは、補助電極アセンブリ４２４の近くの補助容積４３５から流体を排出するように形成される。補助容積４３５は、補助電極アセンブリ４２４に隣接する円形Ｏリング型シールのような２つのシール４３６を有するその上側の膜４１６によって液体的に結合されている。
【００４９】
[0066]図５及び図６Ａに示されるように、補助供給コンジット４３２ａによって供給される電解質溶液は、一般的には、矢印“Ａ”で示されるように、半円パターンで補助電極アセンブリ４２４の上の補助容積４３５に流れ込む。そのようにして、補助容積４３５を通って循環した電解質溶液は、めっきセル４００の対向側にある補助ドレインコンジット４３２ｂに集められる。更に、陽極液容積４２０に供給された陽極液は、一般的には、図６Ａの矢印“Ｂ”で示されるように、陽極アセンブリ４２２又は陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃ全体に直接流れ、陽極液ドレインコンジット４３１ｂによって集められる。矢印“Ａ”と“Ｂ”で示された液体流動は膜４１６の下で生じる。流れ“Ａ”はシール４３６の間に生じ、流れ“Ｂ”は、シール４３６の内向きに半径方向に、陽極アセンブリ４２２又は陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃの上部全体に生じる。
【００５０】
[0067]図５に戻って参照すると、陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃと補助電極アセンブリ４２４は、一般的には、陽極液に流体で連通しているように位置決めされるが、陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃが補助電極アセンブリ４２４から電気的に隔離されるように位置決めされ構成される。より詳しくは、電気的絶縁スペーサ４２６は、一般的には、陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃと補助電極アセンブリ４２４の間に位置決めされる。
【００５１】
[0068]陰極液のようなめっき電解質溶液は、陰極液槽（図示せず）と液体で連通している、流体供給コンジット４３３ａ、４３３ｂによって陰極液容積４１９に供給される。陰極液は、一般的には、例えば、水と、硫酸銅と、ハロゲンイオンと、複数のめっき添加物（レベラー、抑制剤、促進剤等）の１つ以上を含むいくつかの成分を含んでいる。流体コンジット４３３ａ、４３３ｂによって供給される陰極液は堰４０９を溢れ、収集容積４１２によって集められる。
【００５２】
[0069]膜４１６は、陽極液がそこを通って液体的に移動することを防止する流体バリヤを与えるが、イオン移動、より詳細には、陽イオン移動を可能にする。そのようにして、陽極液は膜４１６を透過することができないが、銅イオンや水素イオンのようなイオンは膜４１６を通って陰極液を含むベントコンジット４４０に移動することができる。従って、補助電極アセンブリ４２４の上の容積４３５とベントコンジット４４０中の陰極液を合わせることにより、電流が補助電極アセンブリ４２４を通って送られる電気的通路が生じる。
【００５３】
[0070]図６Ｂは、めっきプロセス中の陽極アセンブリ４２２と補助電極アセンブリ４２４の近くに生じる例示的フラックスラインを示す図である。陽極アセンブリ４２２のすぐ上の電気フラックスは、“Ｃ”と呼ばれる矢印で表される。陽極アセンブリ４２２の上のフラックスは、各々の陽極セグメント４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃに、同じ又は異なる電力を印加することによって制御することができる。陽極セグメント４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃは、同心でも対称的でも、望ましいフラックスによっては他のいかなる構造であってもよい、。
【００５４】
[0071]図７Ａ-図７Ｅは、本発明の実施形態に用いることができる例示的陽極構造を示す図である。陽極セグメント４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃは、また、個々に出力することができ、いかなる具体的な数にも限定されない。即ち、１〜約１０以上の数のセグメントがめっきセル内にあってもよい。本発明の一実施形態によれば、図６Ｂに示される陽極セグメント４２２ａは、めっきプロセス中、陽極セグメント４２２ｂよりも大きな電力が加えられてもよい。
【００５５】
[0072]陽極セグメントに独立して出力することに関して、図６Ｂに示された陽極セグメント４２２ｃは、本発明の代替的実施形態においては、めっきプロセス中、陽極セグメント４２２ｂよりも大きな電力が印加されてもよい。このことは、セグメント４２２ｃから生成するフラックスライン“Ｃ”の密度が陽極セグメント４２２ｂから生じるものよりも大きいことから明白であり、従って、セグメント４２２ｂにより小さな電力が加えられることを示している。
【００５６】
[0073]図６Ｃは、めっきセルの液体供給側について図４及び図５のめっきセルの電極と膜構造を示す拡大断面図を示す。より詳しくは、矢印“Ｆ”は、陽極アセンブリ４２２の上面の上を流れている陽極液のための陽極液体流動路を示す。矢印“Ｆ”で示された陽極液体流動は、一般的には、陽極供給コンジット４３１ａから供給され、一般的に図６Ａの矢印“Ｂ”で示される流れの向きで陽極アセンブリ４２２の上面全体を流れるように進められる。この液体流動“Ｂ”は、一般的には、めっき動作中に陽極面上に形成することができる陽極スラッジ又は他の密度の高い液体を取り除くために陽極アセンブリ４２２に形成される溝又は延びたアパーチャに対して垂直である。
【００５７】
[0074]図６Ｃにおける矢印“Ｇ”は、補助電極アセンブリ４２４の上を流れている電解質溶液のための電解液イオン流路を示し、一般的には、図６Ａにおいて矢印“Ａ”で示された液体流動と一致する。そのようにして、電解液イオン流“Ｇ”は、一般的には、補助供給コンジット４３２ａによって補助容積４３５に供給され、補助電極アセンブリ４２４の上部の上で、膜４１６の下で、また、シール４３６間で液体の半円流を生成させる。補助電極の上を流れる電解質溶液は、陽極液又は陰極液であり得る。
【００５８】
[0075]矢印“Ｅ”は、めっきセル４００の陰極液容積４１９に供給される陰極液のための液体流動路を示す。陰極液は、流体供給コンジット４３３ａを通って上向きに、その後、一般的には、少なくとも膜４１６の上面の一部全体に水平方向に、その後、膜４１６の上にある陰極液容積４１９に直接流れ及び/又は開口、即ち、陰極液容積４１９と連通しているベントコンジット４４０に上向きに流れる。膜４１６の上面の上の陰極液の流れは、一般的には、補助電極アセンブリ４２４の上の容積４３５と重なる位置であるように形成され、膜４１６の透過を経て陰極液と補助電極アセンブリ４２４の間に電流路が設けられる。この電流路は、一般的には、図６Ｅの矢印“Ｈ”で示されるように、接触リング４０６から、その中に存在する陰極液を経てベントコンジット４４０を通って、膜４１６を通って、容積４３５に存在する陽極液を通って、補助電極アセンブリ４２４に進む。
【００５９】
[0076]図６Ｄは、めっきセル４００の液体ドレイン側について図４及び図５のめっきセル４００の電極と膜構造を示す拡大断面図である。矢印“Ｊ”は、陽極アセンブリ４２２に隣接する陽極容積４２０から除去される陽極液のための流れの向きを示す。陽極ドレインコンジット４３１ｂは、一般的には、図６Ａの矢印“Ｂ”で示されるように、陽極アセンブリ４２２に形成された溝に大体垂直な向きに、陽極容積４２０から陽極アセンブリ４２２全体に流れている陽極液を排出するように位置決めされる。
【００６０】
[0077]補助電極アセンブリ４２４の上を流れている陽極液は、図６Ａの矢印“Ａ”で示される半円流れパターンを促進する点で、補助電極アセンブリ４２４の上の補助容積４３５から取り出される。矢印“Ｍ”は、補助電極アセンブリ４２４の上の補助容積４３５から排出されている電解質溶液の流れの向きを示す。矢印“Ｌ”は、陰極液容積４１９に新鮮な陰極液を供給するために、流体供給コンジット４３３ａから補助電極４２４と補助ドレインコンジット４３２ｂの上の膜４１６の上部を通って進む陰極液のための陰極液流れの向きを示す。
【００６１】
[0078]動作中、補助電極アセンブリ４２４は、図７Ａ-７Ｅに示される陽極セグメント４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃ又はそれらの変形の１つであってもよい陽極アセンブリ４２２と組み合わせて用いられ、めっきされている基板４１８の表面全体に電気フラックスを制御する。より詳しくは、電源（図示せず）と電気的に連通している補助電極アセンブリ４２４は、高エッジめっきを防止するように、基板のエッジ近くの電気フラックスを選択的に減らすために用いられる。
【００６２】
[0079]一実施形態においては、基板４１８のエッジ又は周囲のすぐ近くの領域に追加の陰極フラックス源を供給することによって、基板のエッジ近くの電気フラックスを減少させるように、補助電極アセンブリ４２４をめっきプロセスの１つ以上の段階中に用いることができる。補助電極アセンブリ４２４は、ベントコンジット４４０を経て陰極容積４１９と電気的に連通していることによって、基板４１８のエッジ又は周囲のすぐ近くの領域に、図６Ｅで矢印“Ｈ”で示される追加のフラックスを供給する。
【００６３】
[0080]ベントコンジット４４０は、一般的には、基板４１８の周囲を囲む環状ベントであり、基板の周囲近くの基板/陰極によって生じるフラックス量を減少させるように、補助電極アセンブリ４２４から陰極液容積４１９にフラックスを導くように位置決めされる。本発明の一実施形態は、ベントコンジット４４０と補助電極アセンブリ４２４が、陰極にバイアスがかけられ、基板４１８の周囲をフラックス源で溢れさせると共に、陽極アセンブリ４２２を、ベントコンジット４４０が電気フラックスを供給している基板４１８の周囲のエッジに直接フラックスを導くことから防止するように本質的に動作させることを提供する。そのようにして、基板４１８上に生成した電気フラックスは、矢印“Ｈ”で表されるように、基板４１８の周囲近くの基板表面の電気フラックスを実質的に移動した、基板４１８の周囲近くの基板表面の電気フラックスを減少させつつ、図６Ｅに矢印“Ｃ”で示されるように、基板４１８の中心近くで増加する。
【００６４】
[0081]一実施形態においては、基板の周囲近くの電気フラックスのこの減少は、補助電極アセンブリ４２４に適用される陰極バイアスによって制御することができ、従来のめっきセルのエッジ又は周囲の高めっき特性を減少させるように作動する。より詳しくは、補助電極アセンブリ４２４は、補助電極アセンブリ４２４からベントコンジット４４０を通って陽極アセンブリ４２２に進む電気フラックスを介して、基板４１８のエッジ近くで陰極源として作動させることができ、それ故、基板４１８のエッジ近くの電気フラックスを減少させることができる。この減少した電気フラックスは、基板４１８の周囲近くの金属めっきを減少させることがわかった。
【００６５】
[0082]図７Ａ-図７Ｅは、本発明の一実施形態に用いることができる例示的陽極構成を示し、ここで、セグメントａ、ｂ、ｃは陽極セグメント４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃのように示される。それぞれの陽極配置のセグメントａ、ｂ、ｃの各々は、めっきパラメータを制御及び/又は最適化するために、個々に出力させることができることが理解される。陽極セグメント４２２の上の電気フラックスは、めっきプロセスの異なる段階中、各陽極セグメント４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃに、同じ又は異なる電力を印加することによって制御することができる。一実施形態においては、基板の中央においてめっきのために基板の内部又は中心領域で整列した内部又は中央陽極セグメント又は主陽極は、１つ以上の陽極セグメント（例えば、４２２ａ、４２２ｂ、又は４２２ａと４２２ｂ）を含むことができる。陽極セグメント４２２又は４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃは、同心でも、対称でも、円形でも、線形でも、矩形でも、又は望ましいフラックスによっては他のいかなる構造であってもよい。
【００６６】
[0083]図８は、基板の表面上に金属薄層をめっきするために、めっきセル４００において用いることができる本発明の例示的方法８００を示す図である。ステップ８１０において、２つ以上の電極と基板が、めっきセル４００のようなめっき装置内に設けられる。任意に、基板がめっき装置の内部に設けられる前に、約５０オングストローム〜約５００オングストロームの望ましい厚さに達するまでめっきすることによって接触ピン上に金属層をコーティングすることを行うことができる。
【００６７】
[0084]ステップ８２０において、第１電源は、めっきセル内に位置決めされ、基板の中心/中央にめっきするために基板の表面の中心領域で整列した陽極のような第１電極の中心セグメントに接続される。ステップ８３０において、第２電源は、基板の周辺領域又はエッジに位置決めされ整列した第２電極に接続される。第２電極は、例えば、陽極、陰極、補助電極、対電極等であり得る。
【００６８】
[0085]ステップ８４０において、めっきは第１処理条件下で、第１及び第２電極の逆極性で行われ、基板表面上に一様に金属薄層を堆積させる。例えば、本発明の一実施形態は、第１電源（図示せず）の陽極端子と電気的に連通し、同じ電源の陰極端子が、一般的には、陰極として機能する基板４１８と電気的に接触するように形成される、接触リング４０６と電気的に連通している、陽極セグメント４２２ａのような中心セグメントを有するめっきセル４００を提供する。他の実施形態においては、補助電極アセンブリ４２４は第２電源（図示せず）の陰極端子と電気的に連通している。しかしながら、２つの電源だけが本明細書で述べられるが、２つを超える独立して制御される電源が本発明の範囲から逸脱しないで用いることができることは理解される。例えば、追加の電源又は同じ第１電源は４２２ｂや４２２ｃのような追加の電極セグメントに電気的に接続するように用いることができ、電気化学めっきの異なる段階中、処理パラメータの要求に左右される。更に、陽極セグメント４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃは、また、個々に出力させることができ、いかなる具体的な数にも限定されない。即ち、めっきセル内の陽極セグメントが１〜約１０以上であってもよい。陽極セグメントを独立して出力させることに関して、陽極セグメント上に適用される電力密度は、同じでも異なってもよく、例えば、陽極セグメント４２２ａについての電力は、陽極セグメント４２２ｂよりも大きくてもよい。
【００６９】
[0086]図９Ａ及び図９Ｂは、２つ以上の電源を、基板、主陽極４２２ａ（主陽極セグメント、又は１つ以上の陽極セグメント）、１つ以上の補助電極（補助電極アセンブリ４２４）、他の陽極/電極セグメントに接続する２つの例示的方法を示す図である。両電源は同調して動作している。各電源（ＰＳ）についての電流は、短いＤＣ電流パルス中、一定であるが、振幅と向き/極性で異なる。
【００７０】
[0087]一実施形態においては、補助電極４２４を通過する電流は、基板４１８を通過する電流より小さく、陽極アセンブリ４２２、又は陽極セグメント４２２ａ、４２２ｂ、又は４２２ｃを通過する電流より小さい。例えば、第２電源（ＰＳ２）を通過する総電流は、電源を接続する様々な方法によっては、図９Ａに示されるように、基板４１８（陰極として機能する）を通過するか、又は図９Ｂに示されるように、１つ以上の陽極/陽極セグメントを通過する総電流の約１０％〜約６０％である。更に、第１電源（ＰＳ１）と第２電源（ＰＳ２）間の電流比率は変動してもよく、補助電極間の距離、中心の主陽極（中央陽極セグメント）の直径、垂直の向きと水平の向きの拡散の抵抗、補助電極の表面積等に左右される。
【００７１】
[0088]図１０は、めっきプロセス中、本発明のめっきセル４００の内部の主陽極４２２ａと補助電極アセンブリ４２４の近くに生成した例示的電流路及び電気フラックスラインを示す図である。補助電極アセンブリ４２４のすぐ上の電気フラックスは“Ｄ”と呼ばれる矢印で表され、主陽極４２２ａのすぐ上のフラックスは“Ｅ”と呼ばれる矢印で表され、矢印“Ｄ”と逆の向きである。一実施形態においては、本発明は基板の表面上に金属層の第１部分を堆積させるために基板の周辺に向かって逆向きに電気フラックスを適用するステップを提供する。電気フラックスは、陽極の少なくとも１つのセグメントと補助電極アセンブリとそれぞれ電気的に連通している第１電源と第２電源によって得ることができる。
【００７２】
[0089]理論で縛られたくないが、４秒未満のような非常に短いスパンの最初のめっき段階中、中心の陽極セグメント又は主陽極４２２ａが第１電源に接続される時、銅堆積は接触ピン４０３の近くの基板４１８のエッジから開始し、基板の中央に伸長する。基板の成長している銅の先端と基板の中央の間の距離は更に短くなり、基板の中央での過剰電圧が増大し、基板の表面全体で核形成が可能になる。この最初の核形成の短いスパンは、一般的には、基板上のバリヤ金属の特性又は不動態化だけでなく、基板４１８を通過する平均電流と補助電極アセンブリ４２４を通過する電流に左右される。基板４１８を通過する電流が大きいほど、一般的には、核形成が存在し得る基板上に大面積を得ることができる。
【００７３】
[0090]しかしながら、基板４１８上の核形成ゾーン９１０と核形成領域の存在は、また、すでに基板表面上の材料の特性に非常に敏感である。例えば、第ＶＩＩＩ族金属材料は、一般的には、非常に受動的であり、核形成を開始して銅がめっきするために高い初期過剰電圧を必要とする。また、その上に第ＶＩＩＩ族金属材料による基板の表面上の核形成ゾーン９１０は、基板上に印加される極めて高い平均電流でさえ非常に狭い。
【００７４】
[0091]本発明は、最初の核形成ゾーンを劇的に広くし且つ基板のエッジから中心/中央まで電流を再分配するために、最適な高い逆電流が通過している電流シーフとして補助電極の使用を用いる。しかしながら、最初の核形成段階中に補助電極を通過している電流は最適であるべきであり、さもなければ、接触ピン４０３近くの電流を陽極にすることができず、基板のエッジ近くの銅溶解又は基板上のコンタクトと材料の表面の損傷が生じる。動作中、補助電極アセンブリ４２４は、図７Ａ-７Ｅに示される分割された陽極又はその変形の１つであってもよい陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃと組み合わせて用いられ、めっきされている基板４１８の表面全体の電気フラックスを制御する。より詳しくは、補助電極アセンブリ４２４は、また、第２電源（図示せず）と電気的に連通し、基板４１８のエッジ近くの電気フラックスを選択的に減少させるために用いられ、基板４１８のエッジ又は周囲のすぐ近くの領域に追加の陰極フラックス源を供給すると共にベント４４０を経て陰極容積４１９と電気的に連通することによって高エッジめっきを防止する。図５に示されるように、ベント４４０は、一般的には、基板４１８の周囲を囲む環状ベントであり、基板の周囲の近くの基板/陰極によって生成される電気フラックスの量を減少させるように、補助電極アセンブリ４２４から陰極液容積４１９に電気フラックスを導くように位置決めされる。そのようにして、基板４１８で生成する電気フラックスは、基板４１８の中心近くで増加する。
【００７５】
[0092]図１０に示されるように、電流は、一般的には、陽極セグメントから陽極液を経て膜４１６を通り、陰極液を通って基板表面までの電流路“Ｆ”、又は基板を通過せずに電源と電気的に連通している接触ピン４０３と接触リング４０６まで直接の電流路“Ｇ”を進む。最初の核形成段階中、基板表面上の核が部分的に重なり始めたので核形成が始まり、基板表面が完全に導電性になったとき、電流路“Ｆ”は電流路“Ｇ”よりも簡単で速く、電流は基板の中央/中心領域により簡単に流れ込む。基板の中央の電流密度はより高くなる。まもなく、金属シード薄層の一様な堆積が基板表面全体に形成され、実質的に基板の中央とエッジで同じ厚さを有する。
【００７６】
[0093]図８に戻って参照すると、ステップ８５０において、電流は第１電極のすべてのセグメントに供給され、ステップ８６０において、めっきは、特に基板表面上の間隙、特徴部、アパーチャを少なくとも充填するために第２処理条件下で行われる。ステップ８５０において、すべての陽極セグメントは、第１電源のような１つ以上の電源の陽極端子と電気的に連通している。一実施形態においては、第２電極は、更に一様な間隙充填銅めっきのための第１又は第２の電源の陽極端子と電気的に連通するように切り替えることができる。他の実施形態においては、第１電極の陽極セグメントに印加された電流よりも減少した電流が第２の電極に印加することができる。代替的実施形態においては、第２電極はアイドルであってもよい。
【００７７】
[0094]ステップ８７０において、電流が第１電極に供給され、めっきが第３処理条件下で行われて、基板表面上に、バルク金属層の一部を少なくとも堆積する。第３処理条件下、中心の陽極、或いは全ての陽極セグメントは、１つ以上の電源の陽極端子と電気的に連通している。更に、陽極セグメントと第２電極に適用された電流密度は限定していない。或いは、第２電極がアイドルであってもよい。
【００７８】
[0095]本発明の実施形態は、本明細書に記載される順序で行われる段階又はステップを必要としないことは留意されたい。また、それぞれのパラメータは、様々なめっき装置において、また、特に２００ｍｍ、３００ｍｍの基板又は平方基板のような異なる基板の大きさに対してプロセスを行うために変更することができる。
【００７９】
[0096]一実施例として、図１１Ａは、本発明の実施形態に従って、めっき中、異なる段階で２つの電源を通過する異なる電流を示す図である。任意に、２つの電源による、電流パルスが非常に低いか又は全くない（Ｉ１）基板浸液段階があってもよい。第１電源を通過する電流は、図１１Ａでライン１１１０として示され、第２電源を通過する電流は、ライン１１２０として示される。ライン１１１０は短い電流パルス（Ｉ１）、第２電流（Ｉ２）、第３電流（Ｉ３）を含み、第１電源に適用される。ライン１１２０は短い電流パルス（Ｉ１'）、第２電流（Ｉ２'）、第３電流（Ｉ３'）を含み、第２電源に適用される。電流パルス（Ｉ１）と（Ｉ１'）は、段階３１０又は薄い銅シードのためのめっきプロセスのような第１段階中に適用される。電流パルス（Ｉ２）と（Ｉ２'）は、ステージ３２０又は銅間隙充填のためのめっきプロセスのような第２段階中に適用される。電流パルス（Ｉ３）と（Ｉ３'）は、段階３３０又はバルク銅層のためのめっきプロセスのような第３段階中に適用される。本発明の一実施形態によれば、第１電源は、第１段階中、主陽極４２２ａに接続されるが、４２２ｂ、４２２ｃには接続されない。しかしながら、第２段階中は、全ての陽極セグメント４２２ａ-４２２ｃに接続される。
【００８０】
[0097]本発明の一実施形態は、銅シードのようなめっきされた薄く金属シードのより良い品質を与えるために、多段階プロセスである段階３１０、ステップ８４０、又は本明細書のあらゆるステップを含むことができる。例えば、段階３１０の短いＤＣ電流パルスは、２つ以上のより短いステップを含み、基板表面上に形成された電気めっきされた銅シードの均一性と品質を調整する。
【００８１】
[0098]図１１Ｂは、多段第１段階を示す図である。第１電源を通過する電流はライン１１３０として示され、第２電源を通過する電流はライン１１４０として示される。図１１Ｂに示されるように、第１段階は、主陽極４２２ａのみを通過する小さく短い電流パルスをもつ最初の陰極電流パルスと、主陽極４２２ａと補助電極アセンブリ４２４に接続される逆極性で２つの電源をもつ短い電流パルスと、その後、主陽極４２２ａのみを通過する中間の電流パルスを含むことができる。主陽極４２２ａと補助電極アセンブリ４２４に異なる電流密度を適用するための重複する時間がある。
【００８２】
[0099]図１２は、約１００オングストロームのルテニウムバリヤ層を有する基板表面上の薄い銅シードの例示的直接めっき、ライン１２０１を示す図である。めっきは、約３５ｇ/ｌの銅イオン、約１００ｇ/ｌの硫酸、約３ｍｌ/ｌの添加促進剤、約４ｍｌ/ｌの添加抑制剤、約２ｍ/ｌの添加レベラー、他の添加剤を有する電解液を用いて行われる。基板に印加される平均電流は、約２０ｍＡ/ｃｍ２であり、中央陽極セグメント上の電流は約１９.５Ａｍｐ、補助電極上の電流は約５.３Ａｍｐである。更に、ライン１２０２は、本発明の方法を用いて、接触ピンが約１００オングストロームの銅薄層で予めめっきされている場合、厚さが約８００オングストロームの銅薄層のめっき均一性を示している。図１２の結果は、基板表面全体の銅めっきが一様であること、約３００ｍｍの基板の大きさに対して、中心とエッジ近くの堆積の厚さが同じであることを示している。
【００８３】
[00100]上記は本発明の実施形態に関するが、本発明の更に多くの実施形態をその基本的範囲から逸脱せずに講じることができ、その範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１Ａ】図１Ａは、集積回路製造順序を示す概略断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、集積回路製造順序を示す概略断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、集積回路製造順序を示す概略断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、金属めっきの初期相中の一様でない堆積を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、めっきした銅の空乏を示すかすんだゾーンをもつ接触位置近くの不充分なエッジめっきを有する基板表面を示す図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による方法を示す流れ図である。
【図４】図４は、本発明の例示的電気化学めっきシステムの一実施形態を示す概略断面図である。
【図５】図５は、本発明の例示的電極構造の一実施形態を示す概略断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、陽極液体流動パターンを示す本発明の例示的電気化学めっきシステムの一実施形態を示す水平断面である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の例示的電極と膜構造を示す概略断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の例示的めっきセルの液体分配コンジットを示す詳細な断面図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本発明の例示的めっきセルの液体戻りコンジットを示す詳細な断面図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、本発明の例示的めっきセルとめっき動作中に生じる代表的なフラックスラインを示す断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の実施形態による本発明の電気化学めっきシステムにおいて用いることができる例示的電極構造を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の実施形態による本発明の電気化学めっきシステムにおいて用いることができる例示的電極構造を示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の実施形態による本発明の電気化学めっきシステムにおいて用いることができる例示的電極構造を示す図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、本発明の実施形態による本発明の電気化学めっきシステムにおいて用いることができる例示的電極構造を示す図である。
【図７Ｅ】図７Ｅは、本発明の実施形態による本発明の電気化学めっきシステムにおいて用いることができる例示的電極構造を示す図である。
【図８】図８は、本発明の例示的電気化学めっき法を示す一実施形態の流れ図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の一実施形態による本発明の例示的電気化学めっきシステムの種々の電極への電源の例示的接続を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の一実施形態による本発明の例示的電気化学めっきシステムの種々の電極への電源の例示的接続を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態による本発明の電気化学めっきシステムの内部の例示的電流通路を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の実施形態による本発明の電気化学めっきシステムの種々の電極に接続された電源に関する例示的制御電流変動を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の実施形態による本発明の電気化学めっきシステムの種々の電極に接続された電源に関する例示的制御電流変動を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の方法及び装置を用いて金属薄層をめっきすることにより、基板の表面全体に一様な堆積が得られるという例示的結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１００…基板、１０２…誘電体層、１０４…金属コンタクト、１０６…バリヤ層、１０８…第ＶＩＩＩ族バリヤ金属層、１１０…金属材料、１２０…アパーチャ、２１０…基板、２２０…かすんだゾーン、４００…めっきセル、４０２…ヘッドアセンブリ、４０３…接触ピン、４０６…接触リング、４０８…液体ベースン、４０９…溢れ堰、４１０…内部液体容積、４１２…外部収集容積、４１４…拡散膜、４１６…膜、４１８…基板、４１９…陰極液容積、４２０…陽極液容積、４２２…陽極アセンブリ、４２２ａ-４２２ｃ…陽極セグメント、４２４…補助電極アセンブリ、４２６…スペーサ、４３１ａ…陽極液供給コンジット、４３１ｂ…陽極液ドレインコンジット、４３２…補助供給コンジット、４３３…液体供給コンジット、４３５…補助容積、４３６…シール、４４０…ベントコンジット、
９１０…核形成ゾーン。
【図１Ａ】
2008504444.tif 000003
【図１Ｂ】
2008504444.tif 000004
【図１Ｃ】
2008504444.tif 000005
【図２Ａ】
2008504444.tif 000006
【図２Ｂ】
2008504444.tif 000007
【図３】
2008504444.tif 000008
【図４】
2008504444.tif 000009
【図５】
2008504444.tif 000010
【図６Ａ】
2008504444.tif 000011
【図６Ｂ】
2008504444.tif 000012
【図６Ｃ】
2008504444.tif 000013
【図６Ｄ】
2008504444.tif 000014
【図６Ｅ】
2008504444.tif 000015
【図７Ａ】
2008504444.tif 000016
【図７Ｂ】
2008504444.tif 000017
【図７Ｃ】
2008504444.tif 000018
【図７Ｄ】
2008504444.tif 000019
【図７Ｅ】
2008504444.tif 000020
【図８】
2008504444.tif 000021
【図９Ａ】
2008504444.tif 000022
【図９Ｂ】
2008504444.tif 000023
【図１０】
2008504444.tif 000024
【図１１Ａ】
2008504444.tif 000025
【図１１Ｂ】
2008504444.tif 000026
【図１２】
2008504444.tif 000027
【国際調査報告】
2008504444.tif 000028
2008504444.tif 000029
2008504444.tif 000030
2008504444.tif 000031