(57)【要約】電解液により基板に金属膜を形成するための金属膜形成装置が提供される。前記金属膜形成装置は、金属塩電解液を含む浸漬セルと、少なくとも１つの電源に接続された少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの前記電極に対向させて基板の導電性側を露出させるように少なくとも１つの基板を保持する、電気的に導電性の基板ホルダと、振幅及び周波数により基板ホルダを振動させる振動アクチュエータと、金属膜形成装置に備えられた動作周波数及び強度を有する少なくとも１つの超音波装置と、前記超音波装置に接続された少なくとも１つの超音波発生装置と、金属塩電解液を注入するための少なくとも１つの入口と、金属塩電解液を排出するための少なくとも１つの出口とを備える。
2014517155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液により基板に金属膜を形成するための金属膜形成装置であって、
金属塩電解液を含む浸漬セルと、
少なくとも１つの電源に接続された少なくとも１つの電極と、
少なくとも１つの前記電極に対向させて基板の導電性側を露出させるように、少なくとも１つの前記基板を保持する、電気的に導電性の基板ホルダと、
振幅及び周波数により、軸に沿って前記基板ホルダを振動させる振動アクチュエータと、
動作周波数及び強度を有する少なくとも１つの超音波装置と、
前記超音波装置に接続された少なくとも１つの超音波発生装置と、
金属塩電解液を注入するための少なくとも１つの入口と、
金属塩電解液を排出するための少なくとも１つの出口と
を備えた、金属膜形成装置。
【請求項２】
前記振幅が０．２５ｍｍ〜２５ｍｍであり、かつ前記周波数が０．０１〜０．５Ｈｚであり、
前記動作周波数が５ｋＨｚ〜５ＭＨｚであり、かつ前記強度が０．１〜３Ｗ／ｃｍ２である、請求項１に記載の金属膜形成装置。
【請求項３】
前記基板ホルダを、前記基板の表面に垂直で、かつ該基板の中心を通る軸周りに回転させる回転アクチュエータを備え、
前記回転アクチュエータは、１０〜３００ｒｐｍの速度で前記基板ホルダを回転させる、請求項１に記載の金属膜形成装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの超音波装置が、前記金属膜形成装置の壁部の位置に配置されている、請求項１に記載の金属膜形成装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの超音波装置が、前記金属膜形成装置の前記電極の裏側の位置に配置されている、請求項１に記載の金属膜形成装置。
【請求項６】
電解液により基板に金属膜を形成する金属膜形成方法であって、
金属塩電解液を浸漬セルに注入し、
基板の表面上の導電性層に電気的に接触する基板ホルダに前記基板を移動させ、
第１バイアス電圧を前記基板に印加し、
電極に電流を印加し、
前記基板に超音波を印加して前記基板ホルダを振動させ、
前記超音波の印加を停止させて前記基板ホルダの振動を停止させ、
第２バイアス電圧を前記半導体基板に印加し、
前記基板を前記金属塩電解液から取り出す
工程を備えた、金属膜形成方法。
【請求項７】
前記第１バイアス電圧が０．１Ｖ〜１０Ｖであり、
前記電流が０．１Ａ〜１００Ａであり、
前記超音波が動作周波数５ｋＨｚ〜５ＭＨｚ、かつ強度０．１〜３Ｗ／ｃｍ２であり、
前記基板が振幅０．２５ｍｍ〜２５ｍｍ及び周波数０．０１〜０．５Ｈｚで振動し、
第２バイアス電圧が０．１Ｖ〜５Ｖである、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【請求項８】
前記基板を回転させ、かつ前記基板を前記電解液に接触させる工程を備え、
前記基板を、１０〜３００ｒｐｍの速度で回転させる、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【請求項９】
前記金属塩電解液が、以下の金属、すなわちＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｏ、Ｐｄ及びＺｎの少なくとも１つのカチオンを含む、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【請求項１０】
前記基板上の深いキャビティの大きさが、幅０．５〜５０μｍ、深さ５〜５００μｍである、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【請求項１１】
前記基板ホルダが、λを前記超音波の波長、ｔを全工程時間、ｎ及びＮを整数として、一定速度ｎ（Ｎλ／ｔ）で振動する、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【請求項１２】
前記電流が、ＤＣモードで印加される、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【請求項１３】
前記電流が、パルス周期５ｍｓ〜２ｓのパルスリバースモードで印加される、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【請求項１４】
電解液の撹拌が前記深いキャビティ近傍で提供される、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【請求項１５】
電解液の撹拌が前記深いキャビティ内部で提供される、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【請求項１６】
前記深いキャビティの内側と外側との間における反応物と副生成物の物質交換速度が促進される、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【請求項１７】
前記深いキャビティに析出する不純物レベルが低減される、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【請求項１８】
厚さ０．１〜１０マイクロメートルの界面拡散層が前記基板の表面近傍に再形成される、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【請求項１９】
金属析出速度が限界電流密度の増加により促進される、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【請求項２０】
基板が受け取る超音波強度が一連の工程において均一である、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【請求項２１】
均一な膜厚を有する金属膜が形成される、請求項６に記載の金属膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して電解質溶液により基板に金属膜を形成する装置及び方法に関する。特に、本発明は、電解質溶液中における従来の膜成長速度に比べて大幅に速い速度で極めて均一な金属膜形成が可能である、金属膜形成装置に少なくとも１つの超音波装置を備えることに関する。
【背景技術】
【０００２】
超大規模集積回路（ＵＬＳＩ，ｕｌｔｒａ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）のファブリケーション工程において導電性配線を形成するために、一般的には銅等の導電性薄膜層を有する基板上に電解液環境において金属膜の形成が行われる。このような工程は、例えばビアやトレンチ、又は両者を組み合わせた構造のキャビティを、電気化学的方法により基板表面を覆う被覆膜で充填するために使用される。均一な最終析出膜を得ることは重要である。なぜなら、過剰な導電性金属材料を除去するための一般に平坦化処理と呼ばれる次工程（例えばＣＭＰ，ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）は、製造ラインの最終段階においてデバイス毎に同一の電気的性能を達成するために、高度の均一性を要するためである。
【０００３】
現在、電解質溶液による金属膜形成は  基板積層体の３Ｄ実装について垂直方向の接続を行うための、スルーシリコンビア（ＴＳＶ，ｔｈｒｏｕｇｈ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｖｉａ）の充填においても使用されている。ＴＳＶ工程において、ビア開口部の径は数マイクロメートル又はそれより大きく、ビアの深さは、数百マイクロメートルである。ＴＳＶの寸法は、典型的なデュアルダマシン工程におけるＴＳＶの寸法に比べて桁違いに大きい。ＴＳＶ技術において、基板自身の厚さに近い、このような高アスペクト比及び深さを有するキャビティに金属膜を形成することは難しい要請である。典型的なデュアルダマシン工程において使用することが想定された金属膜形成システムの析出速度は、通常毎分数千オングストロームであり、ＴＳＶファブリケーションにおいて効果的に使用するには遅すぎる。
【０００４】
深いキャビティにおいてボイドを形成することなくボトムアップ型のギャップ充填を行うために、複数の有機性添加剤が電解質溶液に添加され、局所的な析出速度が制御される。これらの有機組成物は、析出中に分解して副生成物を生じることが多く、これらの副生成物は想定された金属膜形成工程を変化させ得る。仮に、これらの副生成物が不純物として析出膜内に取り込まれた場合、ボイド形成の核として働き、デバイスの信頼性を損なう。従って、析出工程では、キャビティ内及び近傍に新しい化学物質を供給し分解副生成物を除去する高い物質交換速度が必要とされる。
【０００５】
また、アスペクト比が高い場合、キャビティ内部に渦が形成され、その下から定常的な電解液の流れがキャビティ開口部の上に通り抜ける。その渦とその主流との間には対流がほとんど起こらず、バルクの電解質溶液とキャビティの底との間における新しい化学物質及び分解副生成物の輸送は主に拡散による。ＴＳＶ等の深いキャビティでは、拡散経路がより長いため、キャビティ内の物質交換がさらに制限される。さらに、ＴＳＶ内部の長い経路に沿って起こる拡散工程は遅いため、経済的な製造に必要な高い析出速度の妨げとなる。
【０００６】
物質移動が制限される場合の電気化学的方法による最大析出速度は、所定の電解液濃度における拡散二重層の厚さに反比例する限界電流密度に関わる。拡散二重層が薄いほど限界電流密度は高くなるため、析出速度も速くなり得る。拡散二重層の厚さを低減させるために、液体の撹拌を促進する種々の方法が開示されている。
【０００７】
米国特許第７４４５６９７号明細書及び国際公開第２００５／０４２８０４号パンフレットに開示されている１つの方法は、対象の静止基板表面近傍において、「シェアプレート」と称される一連のパドルを振動させることである。報告によれば、このようなパドルを８００個繰り返して備えることにより、拡散二重層は１０マイクロメータまで薄くすることができる。拡散二重層の厚さを薄くすることにより析出速度は向上するが、基板を回転させないため、析出膜の均一性を制御することは困難である。
【０００８】
広く開示されている他の液体撹拌方法は、超音波撹拌、すなわち米国特許第６３９８９３７号明細書及び米国特許第５９６５０４３号明細書の方法である。この方法は、プリント回路基板（ＰＣＢ）及び基板実装工程を含む種々の電気化学的金属膜形成用途において一般に使用されている。超音波撹拌下における銅膜形成は、そのＴＳＶ用途における重要性により、特に注目されている（「ＳＯＩ技術における３Ｄ集積用ブラインドビアの銅めっきに対する超音波撹拌の影響」、Ｃｈｅｎ，Ｑ．等、Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｖｏｌ．８７（３）、ｐ５２７−５３１、２０１０）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
また、超音波撹拌によれば、反応表面近傍における音波流の形成及び局所的なキャビテーション気泡の破裂により拡散二重層の厚さはさらに低減されるが、反応表面近傍の液体に対して均一な処理は施されない。音波流の伝播特性及びその反射波との組合せによって、反応表面上の異なる位置に異なるエネルギーが与えられることになる。局所的な析出速度は、超音波周波数の関数のみならず、その点に与えられるエネルギー量にも直接的に関係する。この定常波現象により、反応表面に渡って様々な析出速度の領域が生じる。キャビテーションが起こるエネルギー閾値を超えると、大なり小なりランダムに気泡の破裂が起こり、全工程の制御が極めて困難になる。
【００１０】
物質輸送を促進するために電気化学工程に超音波を印加する方法については、多く研究されている。限界電流及び超音波源の作動パラメータとの相関関係については、Ｂ．Ｇ．Ｐｏｌｌｅｔ等による“超音波ホーン近傍の輸送限界電流：相当する流量測定”（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、Ｖｏｌ．１５４（１０）、ｐ．Ｅ１３１−Ｅ１３８、２００７）と題された論文において確立されている。反応表面が受け取る超音波強度（又はエネルギー量）は、超音波源と反応表面との間のギャップに影響される、すなわち、限界電流密度はこのギャップにより変化する。このことにより、これまでに開示された超音波補助（ＵＡ）による析出法（米国特許出願公開第２００８／０２７１９９５号明細書及び米国特許出願公開第２００７／０１７００６６号明細書）を用いて均一な析出膜を形成する上でさらに大きな問題が生じる。基板の金属膜形成工程を行う際には、基板の回転面と超音波発生面とは、完全には平行とはなり得ないが、これは回転軸の垂直方向の配列及び平面固定における機械公差、並びに基板自身の歪みによるところが大きい。従って、このような金属膜形成工程において、析出膜の基板内均一性を制御することは困難である。
【００１１】
迅速な金属膜形成及び高い物質交換速度が必要とされるＴＳＶ充填のような工程に適用される方法として、ＵＡ金属膜形成は期待される方法である。高速ｒｐｍで基板を回転させる方法や、基板表面でパドルを振動させる方法等の他の方法に比べ、ＵＡ金属膜形成においては拡散二重層の厚さが極めて小さな値にまで低減されるため、より高い析出速度が保証される。また、音波流及び気泡の破裂による局所的な撹拌により、深いビア内において拡散以外の物質輸送も生じ、結果として深いビア内における物質交換速度が上昇する。
【００１２】
しかしながら、この方法においては、この方法を上述の工程に適用する場合に、析出の均一性を制御する方法を見出す必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、電解質溶液中における従来の膜成長速度に比べて大幅に速い速度で極めて均一な金属膜形成が可能である、金属膜形成装置に少なくとも１つの超音波装置を備えることに関する。本発明において、半導体基板は、金属膜形成装置内で基板の個々の回転における計画された増減分、半導体基板の位置が変化するように、動的に制御される。この方法により、確実に、基板の個々の位置は工程時間間隔に渡って全超音波エネルギーに相当する量の超音波エネルギーを受け取り、速い速度で均一な厚さの析出膜が累積的に成長する。
【００１４】
高速の析出速度が達成されるのは、基板表面近傍のキャビテーション及び気泡の破裂による音波流によって、基板表面近傍の電解質拡散二重層が壊れ、交互に薄い界面層が形成されることによる。超音波装置により発生した音波流の流速は速いため、ビア及びトレンチ内部における、新しい化学物質と副生成物の対流が促進され、物質交換速度が上昇する。また、これにより、分解副生成物の析出膜内への取り込みも効果的に防止され、ギャップ充填が促進される。
【００１５】
本発明の一実施形態によれば、電気化学的析出工程において基板を周期的に移動させる。これにより、一定の累積時間において、基板表面上が受け取る超音波強度は確実に等しくなるため、析出膜の均一化が促進される。
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、電解液により基板に金属膜を形成するための金属膜形成装置が提供される。前記装置は、金属塩電解液を含む浸漬セルと、少なくとも１つの電源に接続された少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの前記電極に対向させて基板の導電性側を露出させるように、少なくとも１つの基板を保持する、電気的に導電性の基板ホルダと、振幅及び周波数により前記基板ホルダを振動させる振動アクチュエータと、金属膜形成装置の一定の位置に配置された、動作周波数及び強度を有する少なくとも１つの超音波装置と、前記超音波装置に接続された少なくとも１つの超音波発生装置と、金属塩電解液を注入するための少なくとも１つの入口と、金属塩電解液を排出するための少なくとも１つの出口とを備える。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、電解液により基板に金属膜を形成する金属膜形成方法が提供される。前記方法は、金属塩電解液を浸漬セルに注入し、前記基板の表面上の導電性層に電気的に接触する基板ホルダに少なくとも１つの基板を移動させ、第１バイアス電圧を前記基板に印加し、基板を電解液に挿入して接触させ、電極に電流を流し、前記基板に超音波を印加して前記基板ホルダを振動させ、前記超音波の印加を停止させて前記基板ホルダの振動を停止させ、第２バイアス電圧を前記半導体基板に印加し、前記基板を前記金属塩電解液から取り出す工程を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１（ａ）〜（ｃ）は、電解質溶液により基板に金属膜を形成するための１つの例示的な金属膜形成装置を示す。
【図２】図２（ａ）及び（ｂ）は、電解質溶液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置、及びその装置内の溶液整流プレートを示す。
【図３】図３は、電解質溶液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、電解質溶液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置、及びその装置内のアノードシステムを示す。
【図５】図５は、電解質溶液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。
【図６】図６は、電解質溶液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、電解質溶液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。
【図８】図８は、電解質溶液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。
【図９】図９は、電解質溶液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。
【図１０】図１０は、電解質溶液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。
【図１１】図１１は、金属膜形成工程において基板の変位量を制御する方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態によれば、超音波装置が使用される。本発明において使用され得る超音波装置の例は、米国特許第６３９１１６６号明細書及び国際出願公開第２００９／０５５９９２号パンフレットに記載されている。
【００２０】
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態による、電解液により基板に金属膜を形成するための１つの例示的な金属膜形成装置を示す。この装置は超音波装置１００２を含む。電解液による金属膜形成装置は、通常少なくとも１種の金属塩電解液を含む浸漬セル１０１６と、個別の電源１０５０に接続された少なくとも１つの電極１０００と、前記電極１０００に対向させて基板１００４の導電性側を露出させるように基板１００４を保持する、電気的に導電性の基板ホルダ１００６とを備える。金属塩電解液は、チャンバの底部からチャンバの上部へと流れる。少なくとも１つの入口及び１つの出口が、電解液の循環のためにセルに配置されている。基板ホルダ１００６は振動アクチュエータ１０１０に接続され、基板ホルダ１００６は、振動アクチュエータ１０１０により、振幅０．２５〜２５ｍｍ及び周波数０．０１〜０．５Ｈｚで振動する。基板ホルダ１００６は基板１００４を保持し、工程中、金属膜形成装置の底面に対して垂直方向に沿って周期的に上下動する。個別の電源１０５０は、少なくとも１つの電極１０００に接続され、予めプログラムされた波形の電圧制御モード又は電流制御モードで作動し、これら２つのモードは所望の回数で切り換わる。印加される電流はＤＣモード又は、パルス周期５ｍｓ〜２ｓのパルスリバースモードで作動可能である。超音波装置１００２は金属膜形成装置の壁部に固定配置され、周波数１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚ及び強度０．１〜３Ｗ／ｃｍ２の超音波を発生させる。超音波装置を備えた電解質溶液による金属膜形成装置の例は、米国特許第６３９１１６６号明細書及び国際公開第２００９／０５５９９２号パンフレットに記載されている。
【００２１】
図２（ａ）は、本発明の一実施形態による、電解液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。この装置は超音波装置１００２を含む。電解液による金属膜形成装置は、通常少なくとも１種の金属塩電解液を含む浸漬セル１０１６と、個別の電源１０５０に接続された少なくとも１つの電極１０００と、前記電極１０００に対向させて基板１００４の導電性側を露出させるように基板１００４を保持する、電気的に導電性の基板ホルダ１００６とを備える。金属塩電解液は、チャンバの底部からチャンバの上部へと流れる。少なくとも１つの入口及び１つの出口が、電解液の循環のためにセルに配置されている。基板ホルダ１００６は振動アクチュエータ１０１０に接続され、基板ホルダ１００６は、振動アクチュエータ１０１０により、振幅０．２５〜２５ｍｍ及び周波数０．０１〜０．５Ｈｚで振動する。基板ホルダ１００６は基板１００４を保持し、工程中、金属膜形成装置の底面に対して垂直なｚ方向に沿って周期的に上下動する。金属膜形成装置のアノード１０００と基板１００４との間に遮蔽プレート１０２０が存在し、基板１００４表面全体への均一な電場分布を与えている。図２（ｂ）は、遮蔽プレート１０２０の例示的な設計を示す。個別の電源１０５０は、少なくとも１つの電極１０００に接続され、予めプログラムされた波形の電圧制御モード又は電流制御モードで作動し、これら２つのモードは所望の回数で切り換わる。印加される電流はＤＣモード又は、パルス周期５ｍｓ〜２ｓのパルスリバースモードで作動可能である。超音波装置１００２は金属膜形成装置の壁部に固定配置され、周波数１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚ及び強度０．１〜３Ｗ／ｃｍ２の超音波を発生させる。
【００２２】
図３は、本発明の一実施形態による、電解液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。この装置は２つの超音波装置１００２，１００３を含む。電解液による金属膜形成装置は、通常少なくとも１種の金属塩電解液を含む浸漬セル１０１６と、個別の電源１０５０に接続された少なくとも１つの電極１０００と、前記電極１０００に対向させて基板１００４の導電性側を露出させるように基板１００４を保持する、電気的に導電性の基板ホルダ１００６とを備える。金属塩電解液は、チャンバの底部からチャンバの上部へと流れる。少なくとも１つの入口及び１つの出口が、電解液の循環のためにセルに配置されている。基板ホルダ１００６は振動アクチュエータ１０１０に接続され、基板ホルダ１００６は、振動アクチュエータ１０１０により、振幅０．２５〜２５ｍｍ及び周波数０．０１〜０．５Ｈｚで振動する。基板ホルダ１００６は基板１００４を保持し、工程中、金属膜形成装置の底面に対して垂直方向に沿って周期的に上下動する。金属膜形成装置のアノード１０００と基板１００４との間に遮蔽プレート１０２０が存在し、基板１００４表面全体への均一な電場分布を与えている。個別の電源１０５０は、少なくとも１つの電極１０００に接続され、予めプログラムされた波形の電圧制御モード又は電流制御モードで作動し、これら２つのモードは所望の回数で切り換わる。印加される電流はＤＣモード又は、パルス周期５ｍｓ〜２ｓのパルスリバースモードで作動可能である。超音波装置１００２，１００３は金属膜形成装置の壁部及び遮蔽プレート１０２０の異なる側に固定され、周波数１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚ及び強度０．１〜３Ｗ／ｃｍ２の超音波を発生させる。
【００２３】
図４（ａ）は、本発明の一実施形態による、電解液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。この装置は超音波装置１００２を含む。電解液による金属膜形成装置は、通常少なくとも１種の金属塩電解液を含む浸漬セル１０１６と、特に個別の電源１０５０，１０５２，１０５４，１０５６に接続された複数の電極１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄと、前記電極１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄに対向させて基板１００４の導電性側を露出させるように基板１００４を保持する、電気的に導電性の基板ホルダ１００６とを備える。図４（ｂ）は、複数の電極１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄの例示的な設計を示す。金属塩電解液は、チャンバの底部からチャンバの上部へと流れる。少なくとも１つの入口及び１つの出口が、電解液の循環のためにセルに配置されている。基板ホルダ１００６は振動アクチュエータ１０１０に接続され、基板ホルダ１００６は、振動アクチュエータ１０１０により、振幅０．２５〜２５ｍｍ及び周波数０．０１〜０．５Ｈｚで振動する。基板ホルダ１００６は基板１００４を保持し、工程中、金属膜形成装置の底面に対して垂直方向に沿って周期的に上下動する。個別の電源１００５，１０５２，１０５４，１０５６は、複数の電極１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄに接続され、予めプログラムされた波形の電圧制御モード又は電流制御モードで作動し、これら２つのモードは所望の回数で切り換わる。印加される電流はＤＣモード又は、パルス周期５ｍｓ〜２ｓのパルスリバースモードで作動可能である。超音波装置１００２は金属膜形成装置の壁部に固定配置され、周波数１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚ及び強度０．１〜３Ｗ／ｃｍ２の超音波を発生させる。
【００２４】
図５は、本発明の一実施形態による、電解液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。この装置は２つの超音波装置１００２，１００３を含む。電解液による金属膜形成装置は、通常、膜１０３２によりアノードセルとカソードセルとに区画され、少なくとも１種の金属塩のアノード液とカソード液を含む浸漬セル１０１６と、個別の電源１０５０に接続された少なくとも１つの電極１０００と、前記電極１０００に対向させて基板１００４の導電性側を露出させるように基板１００４を保持する、電気的に導電性の基板ホルダ１００６とを備える。金属塩電解液は、チャンバの底部からチャンバの上部へと流れる。１つの入口及び１つの出口が、アノード液循環機構１０２４によるアノード液の循環のためにアノードセルに配置されており、別の入口及び別の出口が、カソード液循環機構１０２６によるカソード液の循環のためにカソードセルに配置されている。基板ホルダ１００６は振動アクチュエータ１０１０に接続され、基板ホルダ１００６は、振動アクチュエータ１０１０により、振幅０．２５〜２５ｍｍ及び周波数０．０１〜０．５Ｈｚで振動する。基板ホルダ１００６は基板１００４を保持し、工程中、金属膜形成装置の底面に対して垂直方向に沿って周期的に上下動する。金属膜形成装置のアノード１０００と基板１００４との間に遮蔽プレート１０２０が存在し、基板１００４表面全体への均一な電場分布を与えている。個別の電源１０５０は、少なくとも１つの電極１０００に接続され、予めプログラムされた波形の電圧制御モード又は電流制御モードで作動し、これら２つのモードは所望の回数で切り換わる。印加される電流はＤＣモード又は、パルス周期５ｍｓ〜２ｓのパルスリバースモードで作動可能である。超音波装置１００２，１００３は金属膜形成装置の壁部及び遮蔽プレート１０２０の異なる側に固定され、周波数１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚ及び強度０．１〜３Ｗ／ｃｍ２の超音波を発生させる。
【００２５】
図６は、本発明の一実施形態による、電解液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。この装置は超音波装置１００２を含む。電解液による金属膜形成装置は、通常少なくとも１種の金属塩電解液を含む浸漬セル１０１６と、特に個別の電源１０５０，１０５２，１０５４，１０５６に接続された複数の電極１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄと、前記電極１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄに対向させて基板１００４の導電性側を露出させるように基板１００４を保持する、電気的に導電性の基板ホルダ１００６とを備える。図４（ｂ）は、複数の電極１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄの例示的な設計を示す。金属塩電解液は、チャンバの底部からチャンバの上部へと流れる。少なくとも１つの入口及び１つの出口が、電解液の循環のためにセルに配置されている。基板ホルダ１００６及び複数の電極システムは共に振動アクチュエータ１０１０に接続され、基板ホルダ１００６及び複数の電極システムは、振動アクチュエータ１０１０により、振幅０．２５〜２５ｍｍ及び周波数０．０１〜０．５Ｈｚで振動する。基板ホルダ１００６は基板１００４を保持し、工程中、金属膜形成装置の底面に対して垂直方向に沿って周期的に上下動する。個別の電源１００５，１０５２，１０５４，１０５６は、複数の電極１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄに接続され、予めプログラムされた波形の電圧制御モード又は電流制御モードで作動し、これら２つのモードは所望の回数で切り換わる。印加される電流はＤＣモード又は、パルス周期５ｍｓ〜２ｓのパルスリバースモードで作動可能である。超音波装置１００２は金属膜形成装置の壁部に固定配置され、周波数１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚ及び強度０．１〜３Ｗ／ｃｍ２の超音波を発生させる。
【００２６】
図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態による、電解液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。この装置は、装置の壁部に超音波装置１００２を含む。基板ホルダ１００６は基板１００４を保持し、工程中、金属膜形成装置の壁部面に対して垂直方向に沿って周期的に移動する。
【００２７】
図８は、本発明の一実施形態による、電解液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。この装置に含まれる超音波装置１００２は、アノード側に配置され、Ｏリング１０２２により電解液から絶縁されている。電解液による金属膜形成装置は、通常少なくとも１種の金属塩電解液を含む浸漬セル１０１６と、少なくとも１つの電極１０００と、前記電極１０００に対向させて基板１００４の導電性側を露出させるように基板１００４を保持する、電気的に導電性の基板ホルダ１００６とを備える。金属塩電解液は、チャンバの底部からチャンバの上部へと流れる。少なくとも１つの入口及び１つの出口が、電解液の循環のためにセルに配置されている。基板ホルダ１００６は振動アクチュエータ１０１０に接続され、基板ホルダ１００６は、振動アクチュエータ１０１０により、振幅０．２５〜２５ｍｍ及び周波数０．０１〜０．５Ｈｚで振動する。基板ホルダ１００６は基板１００４を保持し、工程中、金属膜形成装置のアノード面に対して垂直方向に沿って周期的に移動する。個別の電源１０５０は、少なくとも１つの電極１０００に接続され、予めプログラムされた波形の電圧制御モード又は電流制御モードで作動し、これら２つのモードは所望の回数で切り換わる。印加される電流はＤＣモード又は、パルス周期５ｍｓ〜２ｓのパルスリバースモードで作動可能である。超音波装置１００２は金属膜形成装置の壁部に固定配置され、周波数１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚ及び強度０．１〜３Ｗ／ｃｍ２の超音波を発生させる。
【００２８】
図９は、本発明の一実施形態による、電解液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。この装置に含まれる超音波装置１００２は、アノード側に配置され、Ｏリング１０２２により電解液から絶縁されている。電解液による金属膜形成装置は、通常少なくとも１種の金属塩電解液を含む浸漬セル１０１６と、少なくとも１つの電極１０００と、前記電極１０００に対向させて基板１００４の導電性側を露出させるように基板１００４を保持する、電気的に導電性の基板ホルダ１００６と、工程中に基板ホルダ１００６を回転させるための回転機構１０２６を備える。金属塩電解液は、チャンバの底部からチャンバの上部へと流れる。少なくとも１つの入口及び１つの出口が、電解液の循環のためにセルに配置されている。基板ホルダ１００６は振動アクチュエータ１０１０に接続され、基板ホルダ１００６は、振動アクチュエータ１０１０により、振幅０．２５〜２５ｍｍ及び周波数０．０１〜０．５Ｈｚで振動する。基板ホルダ１００６は基板１００４を保持し、工程中、金属膜形成装置のアノード面に対して垂直方向に沿って周期的に移動する。個別の電源１０５０は、少なくとも１つの電極１０００に接続され、予めプログラムされた波形の電圧制御モード又は電流制御モードで作動し、これら２つのモードは所望の回数で切り換わる。印加される電流はＤＣモード又は、パルス周期５ｍｓ〜２ｓのパルスリバースモードで作動可能である。超音波装置１００２は金属膜形成装置の壁部に固定配置され、周波数１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚ及び強度０．１〜３Ｗ／ｃｍ２の超音波を発生させる。
【００２９】
図１０は、本発明の一実施形態による、電解液により基板に金属膜を形成するための他の例示的な金属膜形成装置を示す。この装置は２つの超音波装置１００２，１００３を含む。電解液による金属膜形成装置は、通常少なくとも１種の金属塩電解液を含む浸漬セル１０１６と、２つの電極１０００と、前記電極１０００に対向させて２つの基板１００４の導電性側を露出させるように２つの基板１００４を同時に保持する、電気的に導電性の基板ホルダ１００６とを備える。金属塩電解液は、チャンバの底部からチャンバの上部へと流れる。少なくとも１つの入口及び１つの出口が、電解液の循環のためにセルに配置されている。基板ホルダ１００６は振動アクチュエータ１０１０に接続され、基板ホルダ１００６は、振動アクチュエータ１０１０により、振幅０．２５〜２５ｍｍ及び周波数０．０１〜０．５Ｈｚで振動する。基板ホルダ１００６は２つの基板１００４を保持し、工程中同時に、金属膜形成装置の底面に対して垂直方向に沿って周期的に上下動する。超音波装置１００２，１００３は金属膜形成装置の壁部に固定配置され、周波数１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚ及び強度０．１〜３Ｗ／ｃｍ２の超音波を、各々の基板１００４に対して個別に発生させる。
【００３０】
電気化学工程における析出速度は、析出速度が速く、電流密度が限界電流密度に極めて近い場合、半導体基板表面近傍の固液界面における化学物質の物質輸送速度により制御される。フィックの法則によれば、界面拡散層の厚さを薄くすれば物質輸送速度は上昇する。従来の電気めっき用チャンバにおいては、スピンディスクの回転速度を速めて、基板表面の界面拡散層の厚さを低下させることにより、析出速度を速めることができる。しかしながら、電気化学析出工程中に液体チャンバ内の回転速度を高めると、渦や気体が発生したり、飛沫が生じたりするため、実際には回転速度の上昇により析出速度は制限される。超音波装置は音波流により界面拡散層の厚さを低減させる。従って、超音波装置は、基板の回転速度を上昇させることなく析出速度を上昇させる。超音波エネルギーにより導入される音響境界層δａが、拡散層の厚さの概算に使用される。これは、音響周波数ｆ及び液体粘度υの関数であり、式（１）；
δａ＝（２υ／２πｆ）０．５                                        （１）
で表される。
【００３１】
表１は、弱酸性下における銅析出工程において、超音波装置を使用した場合と使用しない場合の境界層の厚さを示す。ここで、Ｃｕ２＋濃度は０．０６２５ｍｏｌ／Ｌ、酸濃度は１．２５Ｅ−０３ｍｏｌ／Ｌである。
【００３２】
【表１】
2014517155.tif 000003
【００３３】
金属膜形成装置に超音波装置を備えることにより、基板表面の境界層を極めて薄くすることができるため、金属膜の析出速度を高めることができる。また、超音波装置の強度又は周波数を上げることにより、析出速度を上昇させることができる。
【００３４】
金属膜形成装置に超音波装置を備える他の効果は、対流が制限される小面積において物質交換速度が上昇することである。拡散層が極めて薄くなり速度が速くなると、超音波装置により生じる音波流は小面積における定流領域に達し、渦が破壊され流れが再び生じ得る。また、超音波によりキャビテーションが発生した場所の近傍の局所的な流れの方向は等方的であるが、すなわちこれは基板表面に対して通常の流れもまた存在することを意味し、これにより今度は小面積内部の副生成物と新しい化学物質の対流が促進され、物質交換速度が上昇する。境界層の薄さ及びキャビテーションにより生じる対流の両方による効果は、小面積における、特に有機性添加剤の分子等の、電解質の混合物の新しさであり、析出速度及びボトムアップ型の充填を促進させることができる。一方、このことにより電気化学反応により生じた分解副生成物が析出膜に付着し、取り込まれることが防止され、これにより今度は析出膜のギャップ充填性及び他の物理特性が向上する。
【００３５】
しかしながら、基板表面近傍の電解液における超音波エネルギーの分布は均一ではない。電解液内に超音波が伝播する際、超音波強度により与えられる周期的な分布は、超音波の波長λに基づく周期的な分布を有し、電解液内に高エネルギー及び低エネルギーの場所を生じる。不均一なエネルギー分布は、基板表面に不均一な膜析出速度をもたらす。本発明の一実施形態において、基板ホルダ１００６を周期的に振動させる振動アクチュエータ１０１０が、基板上の超音波強度分布を累積時間において同一に維持するために使用される。振動の振幅及び周波数は正確に振動アクチュエータ１０１０により制御され得る。全工程時間ｔにおいて基板がＮ回振動する場合に、基板表面の各々の部分が、それぞれの振動において同じ全超音波強度を受け取るようにすることが重要である。１回の振動における基板の変位量Δｄは、振動の振幅により決定され、ｎ（λ／２）で表される。これにより、確実に強度は最小値から最大値へ変化する。従って、基板ホルダの振動速度νは、式（２）：
ν＝ｎ（Ｎλ／ｔ），ｎ＝１，２，３，．．．，Ｎ＝１，２，３，．．．  （２）
のように設定され得る。
【００３６】
ここで、ｎは１から始まる整数であり、またＮは回転数を示し、同様に整数である。
【００３７】
図１１に詳細に示すように、基板の位置が変化すれば、基板の同一部分に対する超音波強度はＰ１からＰ２に変化する。ギャップにより超音波の全半波長が増加した場合、強度はＰ１〜Ｐ１１の全サイクルに渡って変化する。サイクルの開始点は金属膜形成装置における基板の部分の位置に依存する。しかしながら、基板が全距離ｎ（λ／２）を移動する場合には、基板上の個々の部分は全サイクルの強度を受け取ることになる。これにより基板の個々の場所が同一の平均強度、同一の最大強度、及び同一の最小強度を含む同一量の超音波強度を確実に受け取ることになる。さらに、これにより確実に、全電気化学析出工程において基板全体に渡って均一な析出速度となる。
【００３８】
超音波装置を備えた金属膜形成装置に使用される方法は、以下の通り設定され得る。
【００３９】
工程順序
ステップ１：前記装置内に金属塩電解液を注入する。
【００４０】
ステップ２：基板を、電解液に露出される基板導電層に電気的な導電経路を有する、導電性の基板ホルダに移動させる。
【００４１】
ステップ３：基板に１０Ｖまでの小バイアス電圧を印加する。
【００４２】
ステップ４：基板を電解液に挿入して基板の前面を電解液に完全に接触させる。
【００４３】
ステップ５：電流を個々の電極に印加する；電極に接続された電源を、所望の回数、電圧モードから電流モードに切り換える。
【００４４】
ステップ６：電極に対して電流量０．１Ａ〜１００Ａの範囲で一定の電流を印加し続ける；他の実施形態においては、電流はパルス周期５ｍｓ〜２ｓで操作可能なパルスリバースモードで印加される。
【００４５】
ステップ７：超音波装置を作動させ、基板ホルダを振動させる；超音波装置の強度は０．１〜３Ｗ／ｃｍ２の範囲である；超音波装置の周波数は５ｋＨｚ〜５ＭＨｚに設定される；基板ホルダの振動振幅範囲は０．０１〜０．２５ｍｍである；基板ホルダの振動周波数範囲は０．０１〜０．２５Ｈｚである；基板ホルダの振動は一定速度ｎ（Ｎλ／ｔ）であり、ここでλは超音波の波長、ｔは全工程時間、ｎ及びＮは整数である。
【００４６】
ステップ８：超音波装置を停止し、振動を停止させる。
【００４７】
ステップ９：電源を０．１Ｖ〜０．５Ｖの小バイアス電圧モードに切り換え、これを基板に印加する。
【００４８】
ステップ１０：基板を電解液から取り出す。
【００４９】
ステップ１１：電源を停止し、基板表面の残留電解液を洗浄する。
【００５０】
本発明は、特定の実施形態、例、及び用途に基づいて記述されているが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の改良及び変更が行われ得ることは、当業者には明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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