(57)【要約】電解液から半導体基板（１０８）の表面上に導電性材料を析出させる際の厚さの均一性を制御可能な装置（１００）を提供する。この装置は、導電性材料の析出の際に電解液に接触させることができるアノード（１１２）と、析出の際に基板を支持して動かすようになったキャリア（１０６）を含むカソード組立体（１０２）と、中に電解液を流すことができる導電性要素（１１５）とを有する。マスク（１１４）は、導電性要素を覆うように横たわり、電解液を流す（１２３）ことができる開口（１１７）を有する。開口は、導電性要素の活性領域を定め、それにより表面上への導電性材料の析出速度を変えることができる。電源装置は、アノードとカソード組立体との間にポテンシャルを与えて、析出を生じさせることができる。析出工程も開示され、半導体基板表面上の導電性材料の均等な電気エッチングをさらに行うことができる。
2004518817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェーハ表面上に導電性材料を電着するシステムであって、
アノードと、
上側面及び下側面を有するマスクと、
を備え、前記マスクは、前記上側面と前記下側面との間に延びる複数の開口を有し、前記アノードと前記ウェーハ表面との間に支持され、
前記マスクの複数の開口が複数の活性領域を定めるように前記マスクの前記上側面の下に配置され、第１電力入力装置に接続された導電性メッシュと、
前記マスクの開口と、前記導電性メッシュの活性領域を通して流れ、前記ウェーハ表面に接触する電解液と、
を有するシステム。
【請求項２】
前記導電性メッシュが前記マスクの下側面に取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記導電性メッシュが前記マスクの中にあり、前記マスクの上側面と下側面との間に配置されたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記導電性メッシュは、第１領域と第２領域とを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１領域は、前記第１電力入力装置に接続されることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記第２領域は、第２電力入力装置に接続されることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
装置の中でカソード組立体と共に使用でき、電解液から半導体基板表面上に導電性材料を析出させることができるアノード組立体であって、
前記導電性材料を析出させる際に電解液に接触させることができるアノードと、
中に電解液を流すことができる導電性要素と、
前記導電性要素を覆うように横たわり、中に電解液を流すことができる開口を有し、前記開口が前記導電性要素の活性領域を定め、それにより前記表面上への前記導電性材料の析出速度を変化させることができるマスクと、
からなるアノード組立体。
【請求項８】
前記導電性要素が導電性メッシュであることを特徴とする請求項７に記載のアノード組立体。
【請求項９】
前記導電性要素が複数の電気的隔離部分を有することを特徴とする請求項７に記載のアノード組立体。
【請求項１０】
前記導電性要素が、前記電気的隔離部分を分離する少なくとも１つの隔離部材を有することを特徴とする請求項９に記載のアノード組立体。
【請求項１１】
前記導電性要素が、前記電気的隔離部分を分離する少なくとも１つのギャップを有することを特徴とする請求項９に記載のアノード組立体。
【請求項１２】
前記電気的隔離部分を、別個の制御電源装置に接続できることを特徴とする請求項９に記載のアノード組立体。
【請求項１３】
前記導電性要素が、互いに前記マスクを定める上側マスク部分と下側マスク部分との間に挟み込まれたことを特徴とする請求項７に記載のアノード組立体。
【請求項１４】
前記導電性要素が、前記マスクの下側表面の下に配置されることを特徴とする請求項７に記載のアノード組立体。
【請求項１５】
前記電気的隔離部分の一方が、前記電気的隔離部分の他方の周囲を取り囲むことを特徴とする請求項９に記載のアノード組立体。
【請求項１６】
前記電気的隔離部分が不規則な形状にされることを特徴とする請求項１５に記載のアノード組立体。
【請求項１７】
前記電気的隔離部分の一方がリング形状にされることを特徴とする請求項１５に記載のアノード組立体。
【請求項１８】
前記電気的隔離部分の他方がディスク形状にされることを特徴とする請求項１７に記載のアノード組立体。
【請求項１９】
前記電気的隔離部分が隣接するストリップを定めることを特徴とする請求項９に記載のアノード組立体。
【請求項２０】
電解液から半導体基板表面上に導電性材料を析出させる際の厚さの均一性を制御可能な装置であって、
前記導電性材料を析出させる際に電解液に接触させることができるアノードと、
前記析出の際に前記基板を支持して動かすようになったキャリアを含むカソード組立体と、
中に電解液を流すことができる導電性要素と、
前記導電性要素を覆うように横たわり、中に電解液を流すことができる開口を有し、前記開口が前記導電性要素の活性領域を定め、それにより前記表面上への前記導電性材料の析出速度を変化させることができるマスクと、
前記アノードと前記カソード組立体との間にポテンシャルを与え、それにより前記析出を生じさせることが可能な電源装置と、
からなる装置。
【請求項２１】
前記導電性要素が導電性メッシュであることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記導電性要素が複数の電気的隔離部分を有することを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記導電性要素が、前記電気的隔離部分を分離する少なくとも１つの隔離部材を有することを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記導電性要素が、前記電気的隔離部分を分離する少なくとも１つのギャップを有することを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記電気的隔離部分を、別個の制御電源装置に接続できることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
前記導電性要素が、互いに前記マスクを定める上側マスク部分と下側マスク部分との間に挟み込まれたことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２７】
前記導電性要素が、前記マスクの下側表面の下に配置されることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２８】
前記電気的隔離部分の一方が、前記電気的隔離部分の他方の周囲を取り囲むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２９】
前記電気的隔離部分が不規則な形状にされることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記電気的隔離部分の一方がリング形状にされることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記電気的隔離部分の他方がディスク形状にされることを特徴とする請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記電気的隔離部分が隣接するストリップを定めることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項３３】
前記電気的隔離部分の少なくとも一方に電圧を供給して、前記表面領域上への前記導電性材料の析出速度を変えることができる少なくとも１つの制御電源装置をさらに備えたことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項３４】
前記速度が増加されることを特徴とする請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記速度が減少されることを特徴とする請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
前記電源装置が、前記電気的隔離部分の少なくとも一方に電圧をさらに供給して、前記表面領域上への前記導電性材料の析出速度を変えることができることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項３７】
前記速度が増加されることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記速度が減少されることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項３９】
前記電気的隔離部分の他方にさらに電圧を供給できる少なくとも１つの付加的な電源装置をさらに備えたことを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項４０】
前記導電性要素に電圧を供給して、前記導電性材料の析出速度を変えることができる少なくとも１つの制御電源装置をさらに備えたことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項４１】
前記速度が増加されることを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項４２】
前記速度が減少されることを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項４３】
前記電源装置が、前記導電性要素に電圧を供給して、前記導電性材料の析出速度を変えることができることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項４４】
前記速度が増加されることを特徴とする請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記速度が減少されることを特徴とする請求項４３に記載の装置。
【請求項４６】
電解液から半導体基板表面上に導電性材料を析出させる際の厚さの均一性を制御可能な工程であって、
アノードを前記電解液に接触させ、
導電性要素と、前記導電性要素を覆うように横たわり、前記導電性要素の活性領域を定めるマスクの開口とを通して、前記電解液を前記表面に供給し、
前記アノードと前記表面との間にポテンシャルを与え、それにより前記析出を生じさせ、
前記導電性要素に電圧を供給して、導電性材料の析出速度を変化させること、からなるプロセス。
【請求項４７】
前記導電性要素が導電性メッシュであることを特徴とする請求項４６に記載の工程。
【請求項４８】
前記導電性要素が前記マスクの下側面の下に配置されたことを特徴とする請求項４６に記載の工程。
【請求項４９】
前記析出が行われる際に前記導電性材料を研磨することをさらに含む、請求項４６に記載の工程。
【請求項５０】
電解液から半導体基板表面上に導電性材料を析出させる際の厚さの均一性を制御可能な工程であって、
アノードを前記電解液に接触させ、
導電性要素の複数の電気的隔離部分と、前記導電性要素を覆うように横たわり、前記導電性要素の活性領域を定めるマスクの開口とを通して、前記電解液を前記表面に供給し、
前記アノードと前記表面との間にポテンシャルを与え、それにより前記析出を生じさせ、
前記電気的隔離部分の少なくとも一方に電圧を供給して、前記表面領域上への前記導電性材料の析出速度を変化させること、
からなる工程。
【請求項５１】
前記導電性要素が導電性メッシュであることを特徴とする請求項５０に記載の工程。
【請求項５２】
前記導電性要素が、前記電気的隔離部分を分離する少なくとも１つの隔離部材を有することを特徴とする請求項５０に記載の工程。
【請求項５３】
前記導電性要素が、前記電気的隔離部分を分離する少なくとも１つのギャップを有することを特徴とする請求項５０に記載の工程。
【請求項５４】
前記速度が増加されることを特徴とする請求項５０に記載の工程。
【請求項５５】
前記速度が減少されることを特徴とする請求項５０に記載の工程。
【請求項５６】
前記析出が行われる際に前記導電性材料を研磨することをさらに含む、請求項５０に記載の工程。
【請求項５７】
半導体基板表面から導電性材料を電気エッチングする際の厚さの均一性を制御可能な装置であって、
前記導電性材料の電気エッチングの際に電解液に接触させることができるアノードと、
前記電気エッチングの際に前記基板を支持して動かすようになったキャリアを含むカソード組立体と、
中に電解液を流すことができる導電性要素と、
前記導電性要素を覆うように横たわり、中に電解液を流すことができる開口を有し、前記開口が前記導電性要素の活性領域を定め、それにより前記表面からの前記導電性材料の電気エッチングの速度を変えることができるマスクと、
前記アノードと前記カソード組立体との間にポテンシャルを与え、それにより前記電気エッチングを行わせることが可能な電源装置と、
からなる装置。
【請求項５８】
前記導電性要素が導電性メッシュであることを特徴とする請求項５７に記載の装置。
【請求項５９】
前記導電性要素が、複数の電気的隔離部分を有することを特徴とする請求項５７に記載の装置。
【請求項６０】
前記導電性要素が、前記電気的隔離部分を分離する少なくとも１つの隔離部材を有することを特徴とする請求項５９に記載の装置。
【請求項６１】
前記導電性要素が、前記電気的隔離部分を分離する少なくとも１つのギャップを有することを特徴とする請求項５９に記載の装置。
【請求項６２】
導電性要素の活性領域における析出電流と、電解液から半導体基板表面上に析出された導電性材料の厚さとの間の関係性を確立するための工程であって、
アノードを電解液に接触させ、
前記導電性要素と、前記導電性要素を覆うように横たわり、前記導電性要素の活性領域を定めるマスクの開口とを通して、前記電解液を前記表面に供給し、
前記アノードと前記表面との間にポテンシャルを与え、それにより前記表面上に前記導電性材料を析出させ、
前記導電性要素に電圧を供給し、
各開口における析出電流を測定し、
導電性材料の厚さの測定値を得て、
求めた前記析出電流を前記導電性材料の厚さ測定値と比較すること、
からなる工程。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本出願は、２０００年１２月２１日に出願された米国特許仮出願第６０／２５６，９２４号と、２００１年５月１５日に出願された米国特許出願第０９／８５５，０５９号に基づく優先権を主張するものであり、これらの特許出願の開示内容は、引用によりここに明白に組み入れられる。
【０００２】
（技術分野）
本発明は一般に、電着処理技術に関し、より具体的には、平坦な析出層を生み出す電着処理及び装置に関する。
【０００３】
（背景技術）
従来の半導体デバイスは、一般に、普通はケイ素基板である半導体基板と、順次に形成された二酸化ケイ素中間層のような複数の誘電性中間層と、導電性材料からなる導電性パス又は配線とを含む。配線は、普通は、誘電性中間層にエッチングされた溝の中に導電性材料を充填することによって形成される。集積回路においては、多重の配線網が基板表面に対して横方向に延びる。異なる層に形成された配線は、ビア又はコンタクトを用いて電気的に接続することができる。こうした特徴、すなわちビア開口、溝、パッド又はコンタクトを充填する導電性材料の充填処理は、こうした特徴を備えた基板を覆うように導電性材料を析出させることによって行うことができる。次いで、基板上の過剰の導電性材料を、化学機械研磨（ＣＭＰ）のような平坦化及び研磨技術を用いて除去することができる。
【０００４】
銅（Ｃｕ）及び銅合金は、それらの優れたエレクトロマイグレーションと低い抵抗特性から、配線材料として現在非常に関心がもたれている。好ましいＣｕ析出方法は電着である。製造の際に、予めバリア層及びシード層で被覆された基板上に、銅が電気めっきされるか又は電着される。典型的なバリア材料は、通常は、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、これらの合金及びこれらの窒化物を含む。銅についての典型的なシード層材料は、普通は、上述のバリア層上にＣＶＤ又はＰＶＤ蒸着された銅の薄層である。
【０００５】
多くの異なるＣｕめっきシステム設計が存在する。例えば、Ａｎｄｒｉｃａｃｏｓ他の１９９６年５月１４日付の米国特許第５，５１６，４１２号は、平らな物品上にフィルムを電着するように構成された垂直方向パドルめっきセルを開示する。Ｋｏｏｎの１９９９年１１月１６日付の米国特許第５，９８５，１２３号は、基板寸法の変化に関連する不均等な析出問題を解決することを目的とした、さらに別の垂直方向電気めっき装置を開示する。
【０００６】
Ｃｕ電着処理の際に、特別に調製されためっき溶液又は電解液を使用する。これらの溶液又は電解液は、Ｃｕのイオン種と、析出した材料のテクスチャー、形態、及びめっき挙動を制御するための添加剤とを含む。添加剤は、析出層を滑らかにし、及び若干光沢をもつようにするのに必要とされる。
【０００７】
図１から図２までは、従来の電着方法及び装置を例示的に示す。図１Ａは、上に絶縁層１２が形成された基板１０を示す。従来のエッチング技術を用いて、絶縁層１２上に及び基板１０の露出域上に、小ビア１４の列と幅広溝１６のような特徴を形成する。典型的には、ビア１４の幅はサブミクロンである。その一方で、この例に示された溝１６は幅広であり、小さいアスペクト比を有する。溝１６の幅は、深さの５から５０倍か又はそれより大きくすることができる。
【０００８】
図１Ｂ−１Ｃは、特徴を銅材料で充填する従来の方法を示す。図１Ｂは、バリア／グルー又は接着層１８とシード層２０が、基板１０及び絶縁体１２の上に順次に析出されることを示す。図１Ｃに示すように、シード層２０を析出させた後に、該シード層上に適切なめっき浴又は浴組成物から導電性材料層２２（例えば銅層）が部分的に電着される。この段階の間に、銅シード層２０及び／又はバリア層１８に電気接触部が形成され、該電気接触部に、アノード（図示せず）に対するカソード（負）電圧を印加することができる。その後に、上述のように、めっき溶液を用いて、基板表面を覆うように銅材料層２２を電着する。塩化物イオン、サプレッサ／抑制剤、及び促進剤のような添加剤の量を調節することによって、小さい特徴におけるボトムアップ銅フィルム成長を得ることができる。
【０００９】
図１Ｃに示すように、銅材料２２は、ビア１４を完全に充填し、使用する添加剤は大きい特徴においては効力がないことから、幅広溝１６においてはほぼコンフォーマルである。このとき、溝１６の底面におけるＣｕの厚さｔ１は、絶縁層１２を覆うＣｕの厚さｔ２とほぼ同じである。期待されるように溝１６にＣｕ材料を完全に充填するには、さらなるめっきが要求される。図１Ｄは、さらにＣｕめっきした後に得られた構造体を示す。この場合には、絶縁層１２を覆うＣｕの厚さｔ３は、比較的大きく、絶縁層１２上のＣｕ層の上部から溝１６の中のＣｕ層２２の上部までの段差高さが存在する。ＩＣ用途においては、Ｃｕ層２２にＣＭＰ又は他の材料除去処理を行い、絶縁層１２上のＣｕ層２２とバリア層１８を除去して、特徴１４及び１６内にのみＣｕ層が残るようにすることが必要とされる。これらの除去処理には非常にコストがかかることが知られている。
【００１０】
図１Ｅに示すようなほぼ平坦なＣｕ析出を達成する方法及び装置は、処理効率とコストの観点において非常に有益である。この例における絶縁層１２を覆うＣｕの厚さｔ５は、図１Ｄに示すような従来のケースより小さく、段差高さｓ２も段差高さｓ１より非常に小さい。ＣＭＰ又は他の方法による図１Ｅの薄いＣｕ層の除去は簡単であり、重要なコスト節約を与える。
【００１１】
本発明の出願人に譲渡された「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」と題する米国特許第６，１７６，９９２号、Ｂ１においては、導電性材料が析出する際にフィールド領域をパッドで研磨することによって、該フィールド領域上への析出を最小限にしながら、基板表面上のキャビティの中への導電性材料の析出を達成し、それにより平坦な銅析出物を生産するという電気化学機械蒸着（ＥＣＭＤ）技術が開示される。この用途におけるめっき電解液は、多孔質パッドを通して、又はパッドの凸凹を通して、パッドと基板表面との間の小ギャップに供給される。
【００１２】
本発明の出願人に譲渡された２０００年２月２３日付の「Ｐａｄ  Ｄｅｓｉｇｎｓ  ａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  ａ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ」と題する出願係属中の米国特許出願第０９／５１１，２７８号は、その中を通して電解液がウェーハ表面に流れるパッドの中の種々の形状及び形態の孔を説明している。
【００１３】
２０００年１２月１８日付けの「Ｐｌａｔｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｔｈａｔ  Ｃｒｅａｔｅｓ  ａ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｂｅｔｗｅｅｎ  Ａｄｄｉｔｉｖｅ  Ｄｉｓｐｏｓｅｄ  ｏｎ  ａ  Ｓｕｒｆａｃｅ  ａｎｄ  ａ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  ｏｆ  ａ  Ｗｏｒｋ  Ｐｉｅｃｅ  Ｕｓｉｎｇ  ａｎ  Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ」と題する米国特許出願第０９／７４０，７０１号に記載された別の発明は、基板とアノードとの間に配置されたマスクを基板表面に接触するように断続的に動かし、この工程中にアノードと基板との間に電力を印加することによって、導電性材料を基板上に「マスク−パルスめっき」する方法及び装置を与える。２０００年１２月１４日付けの「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｍａｋｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｔａｃｔ  ｔｏ  Ｗａｆｅｒ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｏｒ  Ｆｕｌｌ−Ｆａｃｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ  ｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｏｌｉｓｈｉｎｇ」と題する米国特許出願第０９／７３５，５４６号に記載されたさらに別の発明は、電気接触部の如何なる縁領域をも除くことなく、ウェーハの前側表面全体の完全な即ち全面の電気めっき又は電解研磨を与える。この方法は、アノード領域を有するアノードと、アノード領域の外に配置された電気接触部を使用するものである。処理中に、ウェーハがアノードと電気接触部に対して動かされ、ウェーハの前面全体を覆う全面析出が達成される。２００１年１月１７日付けの「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｕｎｉｆｏｒｍ  Ｆｉｌｍ  ｗｉｔｈ  Ｍｉｎｉｍａｉ  Ｅｄｇｅ  Ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ  ｏｎ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」と題する米国特許出願第０９／７６０，７５７号に記載された、縁を除かない別の工程も、ウェーハ前面とアノードとの間に配置されたマスク又は形削りプレートを有するシステムによる全面析出を達成するものである。マスクは、電解液を流すことができる凸凹を有する。このシステムにおいては、マスクは、ウェーハ表面より大きい面積を有する。マスクは、その中を通して電気接触部をウェーハの前面に接触させることができる凹縁をもつように構成される。このシステムにおいては、ウェーハが回転する際に、ウェーハの全表面が、形削り板を通して流れる電解液に接触して、析出が達成される。
【００１４】
図２Ａは、従来技術の電着システム３０の概略図を示す。このシステムにおいては、ウェーハ３２は、該ウェーハ３２の周縁を覆うリング・クランプ３６の助けによりウェーハホルダ３４に保持される。電気接触部３８もリングとして形成され、カソードめっきのために電源装置の（−）端に接続される。ウェーハホルダ３４が、めっき電解液４２で満たされためっきセル４０の中に下ろされる。電解液４２と接触するアノード４４は、ウェーハ表面の向かいに配置され、電源装置の（＋）端に接続される。アノード４４は、析出させる材料すなわち銅か、又は、プラチナ、プラチナ被覆されたチタン又はグラファイトのような適当な不活性アノード材料から作ることができる。めっき工程は、電力の印加によって開始される。このめっきシステムにおいては、電気接触部３８は、電解液からシールされ、めっき電流をウェーハ３２の周辺部を通して運ぶ。
【００１５】
図１Ａから図１Ｅまでは、ウェーハ表面上の特徴が、どのようにして銅で充填されるのかを示す。この充填工程を、効果的でかつウェーハ全体にわたって均等なものにするためには、ウェーハ表面全体にわたって均一な厚さの銅が析出することが重要である。また、銅の厚さが不均等だとＣＭＰ工程の間に問題が生じるので、めっき工程の結果として得られる厚さの均一性、すなわち図１Ｄにおける厚さｔ３の均等性、及び図１Ｅにおける厚さｔ５の均等性は、非常に良好なものとなる（典型的には変動が１０％より少なく、好ましくは変動が５％より小さくなる）ことが必要とされる。
【００１６】
図２Ｂに示すように、析出層の均等性を改善するために、図２Ａに示すような従来技術の電気めっきシステムにシールド４６を設けることができる。こうしたシステムにおいては、ウェーハ３２か又はシールド４６を回転させることができる。こうしたシールドは、例えば、ブロードベントの米国特許第６，０２７，６３１号、Ｒｅｉｄ他の米国特許第６，０７４，５４４号、及びＷｏｏ他の米国特許第６，１０３，０８５号に記載されている。さらに、こうしたシステムにおいては、電着材料に電気シーフを用いることができる。こうしたシーフは、例えば、Ａｎｇの米国特許第５，６２０，５８１号及び第５，７４４，０１９号、Ｕｚｏｈの米国特許第６，０７１，３８８号、及びＨａｎｓｏｎ他の米国特許第６，００４，４４０及び第６，１３９，７０３号に記載されている。
【００１７】
上記のことを考慮すると、均一な導電性フィルムを析出させ、析出工程中に基板の種々の部分における析出速度を変化させることができる代替的な電着工程及びシステムに対する必要性がある。
【００１８】
（発明の開示）
本発明の１つの態様においては、導電性材料をウェーハ表面上に電着させるシステムが提供される。このシステムは、アノードと、上側面及び下側面を有するマスクと、マスクか又は形削りプレートの上側面の下に位置する導電性メッシュと、電解液とを含む。マスクは、上側面と下側面との間に延びる複数の開口を有し、マスクは、アノードとウェーハ表面との間に支持される。導電性メッシュは、マスクの上側面の下に配置され、マスクの複数の開口が該導電性メッシュ上で複数の活性領域を定めるようにされる。導電性メッシュは、第１電力入力装置に接続される。電解液は、マスクの開口とメッシュの活性領域を通して流れて、ウェーハの表面に接触する。
【００１９】
本発明の別の特徴は、電解液から半導体基板表面上に導電性材料を析出させる際の厚さの均一性を制御できる装置を提供することである。この装置は、析出の際に電解液に接触させることができるアノードと、析出の際に基板を支持して動かすようになったキャリアを含むカソード組立体と、中に電解液を流すことができる導電性要素と、導電性要素を覆うように横たわるマスクとを含む。マスクは、その中に電解液を流すことができる開口を有し、該開口は、導電性要素の活性領域を定め、それにより表面上への導電性材料の析出速度を変えることができる。電源装置は、アノードとカソード組立体との間にポテンシャルを与えて、析出を生じさせることができる。
【００２０】
導電性要素は、導電性メッシュであることが好ましく、複数の電気的隔離部分を含む。少なくとも１つの隔離部材又はギャップは、電気的隔離部分を分離することができる。電気的隔離部分は、別個の制御電源装置に接続することができる。
【００２１】
１つの構成においては、導電性要素は、互いにマスクを定めるマスクの上側部分と下側部分との間に挟み込むことができる。導電性要素は、マスクの下側面の下に配置することができる。電気的隔離部分の一方は、電気的隔離部分の他方を周方向に取り囲むことができる。
【００２２】
電気的隔離部分は、不規則な形状にすることができる。或いは、電気的隔離部分の一方をリング形状にし、これらの部分の他方をディスク形状にすることもできる。電気的隔離部分は、付加的に、隣接するストリップを定めることができる。
【００２３】
少なくとも１つの制御電源装置を用いて、電気的隔離部分の少なくとも一方に電圧を供給して、基板表面領域上への導電性材料の析出速度を変化させることができる。１つの構成においては、速度を増加又は減少させることができる。アノードを電解液に接触させること、導電性要素と、導電性要素を覆うように横たわるマスクとを通して、基板表面に電解液を供給すること、アノードと基板表面との間にポテンシャルを与えること、導電性材料の析出速度を変化させるために導電性要素に電圧を供給すること、を含む工程における導電性材料の析出の際に、上述したような装置を用いて厚さの均一性を制御することができる。
【００２４】
アノードとカソード組立体の極性を反転させることによる、ウェーハ表面上への導電性材料の均等な電気エッチングも、本発明の範囲内に含まれる。導電性メッシュ上の活性領域における析出電流と、半導体基板表面上に析出した導電性材料の厚さとの間の関係性を確立する工程も考慮されている。
【００２５】
本発明のこれらの及び他の特徴、態様、及び利点は、図面と以下の詳細な説明とを参照することによって、良く理解されるようになるであろう。
【００２６】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明は、半導体の表面上に析出する導電性材料層の均等性を制御する方法及びシステムを提供するものである。本発明は、ＥＣＭＤ、マスクパルスめっき法、及びフルフェイスめっき法、並びに、コンフォーマル・フィルムを析出させるめっきシステムに用いることができる。本発明の析出工程は、半導体ウェーハ表面上の溝、ビア、コンタクトホール等のような複数のキャビティにおける導電性材料の析出を有利に達成するものである。
【００２７】
公知のように、ウェーハ表面の電着工程中に表面に印加される電流密度は、表面の周辺部の方が表面の中央部より実質的に高い。従来技術においては、この高い電流密度によって、ウェーハ中央部に比べて、ウェーハ周辺部における析出フィルムの析出速度が増加することになる。本発明においては、電着の際に、穿孔プレート又はマスクと本発明の導電性メッシュとが組み合わされたものを用いることによって、ウェーハの内部と周辺部との間のフィルムの厚さの差をなくすことができる。穿孔プレートと導電性メッシュとが組み合わされたものは、導電性材料の均等な析出を促進する。
【００２８】
さらに、別の実施形態においては、本発明は、本発明の穿孔プレートを表面に接触させる、本発明の穿孔プレートで表面を掃く及び／又は表面を研磨することによって、特徴間の上面領域上への析出を最小限にしながら、穿孔プレートと導電性メッシュとが組み合わされたものを通して、ウェーハ表面の特徴の中に導電性材料の析出を達成する。平坦なフィルムを析出可能なシステム、すなわちＥＣＭＤ、マスクパルスめっき法、及びフルフェイスめっき法においては、使用するマスク、パッド、又は形削りプレートの開口の形状、寸法、及び位置を設計することにより、厚さの均一性を或る程度にまで制御することができる。こうした手法は、与えられた工程パラメータについては効果的であるが、析出工程の均等性を動的に制御するのに十分な融通性をもつものではない。
【００２９】
本発明の装置及び工程は、改善された析出特性を呈し、その結果として、以前は達成できなかった平面度を有する層と、従来技術の工程及び装置を用いて製造された従来技術の層を上回る材料特性をもつ導電性層が得られる。
【００３０】
次に、全体を通して同じ符合が同じ部分を示す図面を参照する。図３に示されるように、本発明の電着システム１００は、カソード組立体１０２とアノード組立体１０４を備え得ることが好ましい。システム１００は、銅のような導電性材料を、シリコンウェーハのような半導体ウェーハ上に析出させるのに用いることができる。例として銅を用いたが、本発明は、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、及びこれらの合金のような他の一般的な導電体の析出に用いることもできる。電着システム１００のカソード組立体１０２は、キャリア・アーム１１０に取り付けられ、図３に示された例示的なウェーハ１０８を支持するウェーハキャリア１０６から構成することができる。キャリア・アームは、ウェーハ１０８を回転させるか、又は、横方向に又は垂直方向に動かすことができる。
【００３１】
システム１００のアノード組立体１０４は、好ましくは消耗銅アノードであるアノード１１２と、マスクと、本発明の導電性メッシュ１１５とから構成することができる。図示するようなマスクは、マスク・プレート１１４の形態である。アノード１１２は、図３に示す方法でマスクプレート１１４と導電性メッシュ１１５によって囲むことができるアノードカップ１１６のような囲いの中に配置できることが好ましい。マスクプレート１１４とメッシュ１１５との両方は穿孔プレートである。マスクプレートは、第１マスク部分１１４ａすなわち上側マスク部分と、第２マスク部分１１４ｂすなわち下側マスク部分とからなることが好ましい。メッシュ１１５は、上側部分１１４ａと下側部分１１４ｂとの間に介在させるか又は挟み込むことができる。マスク板１１４は、銅めっき電解液１１８がマスクプレート１１４とメッシュ１１５を通して流れ、ウェーハ１０８の前面１０８ａを濡らし、印加されたポテンシャルの下で、ウェーハの前面１０８ａ上に材料を析出可能にする複数の開口又は凸凹１１７を備えることができる。上側及び下側マスク部分の凸凹１１７は、通常は、電解液が上側マスク部分１１４ａと下側マスク部分１１４ｂとを通るように位置合わせすることができる。しかしながら、電解液が上側マスク部分１１４ａを通してウェーハ表面にさらに流れるようにする他のどんな場合におけるこれらの部分的な位置合わせ又は位置決めも、本発明の範囲内に含まれる。電着工程中に、ウェーハ表面１０８ａは、マスクプレート１１４の上側面１１９に対してほぼ平行に保ち、及び回転させることができる。重要なのは、ウェーハ表面とパッド表面との間の相対運動であることを理解されたい。この運動は、回転運動か又は線状並進運動を伴う回転運動とすることができる。
【００３２】
メッシュ１１５は、隔離部材１１５ｃによって互いに電気的に隔離された第１部分１１５ａと第２部分１１５ｂとを有することができる。隔離部材１１５ｃは、両方の部分を分離するギャップとすることができる。第１部分１１５ａは、第１制御電源装置Ｖ１に接続することができ、第２部分は、第２制御電源装置Ｖ２に接続することができる。制御電源がメッシュ部分上に部分的に負電圧を供給する場合には、この結果として、電着中に部分１１５ａ及び１１５ｂの上に幾らかの材料が析出する、すなわち幾らかの析出物はこれらの部分の真向かいに「奪われる」。その一方で、ウェーハ表面に対面するメッシュに正電圧が印加される場合には、正電圧をもつメッシュ部分の向かいのウェーハ部分が、より多くめっきされる。後で説明するように、印加される電力Ｖ１と、マスク凸凹部の機能性の組合せによって、メッシュ１１５の第１部分は、例えば、ウェーハ１０８の前面１０８ａの周辺部の厚さを制御することができる。これに関しては、第２部分１１５ａ上の第２電源装置Ｖ２が、前面１０８ａの中央又は中央付近の領域上の厚さを制御する。析出工程中に、電解液１１８は、液体入口１２１を通してアノードカップ１１６の中に矢印１２２の方向にポンプで送られ、次いで、矢印１２３の方向に送られ、回転するウェーハ１０８の表面１０８ａに到達し、該表面を濡らす。アノード１１２は、アノードコネクタ１２４を介して電源装置（図示せず）の正極端に電気的に接続される。ウェーハ１０８は、電源装置（図示せず）の負極端に接続される。アノード１１２は、その中に孔（図示せず）を有する。さらに、アノードは、析出工程の間に生成した粒子を濾過するために、アノードの周りにアノードバッグ又はフィルタを有することができる。マスクプレート１１４とアノードカップ１１６は、電解液の流れを制御するために、出液開口（図示せず）を有することができる。
【００３３】
図４に示すように、平坦電着工程を用いることもできる。この場合には、カソード組立体１０２をアノード組立体１０４に向けて下げ、ウェーハ１０８が回転している状態でウェーハ１０８の前面１０８ａをマスク１１４の上側面１１９に接触させることができる。この実施形態においては、マスク１１４を硬い誘電性材料のような剛直な材料から作ることもできるし、或いは随意的に、マスク１１４の上側面１１９が剛直な研磨材を備えても良い。この工程中に、機械的研磨又は掃引を付与することによって、制御された厚さをもつほぼ平坦な析出層が与えられる。
【００３４】
図５は、導電性メッシュ１１５と、隔離部材１１５ｃによって分離された部分１１５ａ及び１１５ｂを例示的に示す。メッシュ１１５は、中に電解液を流すことができる開口１２６を有する。メッシュ１１５は、プラチナ又はプラチナ被覆されたチタンメッシュ又は他の不活性導電性材料から作ることができる。５から５０サイクル使用した後に、システムの極性を反転させることができ、別の使用サイクルのためにメッシュを洗浄することができる。洗浄前の可能なサイクル数は、メッシュの使用法とメッシュの寸法に依存する。図５には２つの領域が示されているが、２つより多い領域を用いることも本発明の範囲内に含まれる。
【００３５】
図６Ａ−図６Ｃに示されるように、メッシュ１１５は、好適な締結手段を用いて上側マスク部分１１４ａと下側マスク部分１１４ｂとの間に配置することもできるし、マスク１１４の一体部分として形成することもできる。図６Ｂの側面図及び図６Ｃの平面図にそれぞれ示されるように、メッシュ１１５とマスク１１４が組み合わされたときに、マスク１１４を通る開口１１７は、メッシュ１１５の上に複数の活性領域１３０を定める。電着中に、メッシュ１１５に負ポテンシャルが印加されると、活性領域１３０の上に材料が析出される。正電圧が印加される場合には、メッシュ１１５の活性領域１３０がアノードになり、該活性領域の真上のウェーハ表面上にさらなる析出が生じる。開口１１７の寸法及び形状を変化させることによって、活性領域１３０の寸法及び形状が変化する。これにより、ウェーハ１０８の前面１０８ａ上の析出速度が変化し、或いはフィルム厚さが制御される。
【００３６】
図７は、マスク１１４とメッシュ１１５とが組み合わされた構造体の別の実施形態を示す。この実施形態においては、メッシュ１１５は、マスクプレート１１４の下側面１２８の下に配置される。マスク１１４の上側面１１９と下側面１２８との間に複数のメッシュを配置することも本発明の範囲内に含まれる。複数のメッシュの各々は、マスク層によって互いに隔離することができ、電着工程の間に各メッシュに異なる電力を順次に印加して、析出速度を制御することができる。
【００３７】
図８Ａ及び８Ｂは、導電性メッシュの別の実施形態を示す。この実施形態においては、メッシュ１３１は、隔離部材１３１ｃによって互いに隔離された第１部分１３１ａと第２部分１３１ｂとを備える。第１部分１３１ａは、リング形状にされ、第１制御電源装置Ｖ１によって給電される。図８Ｂに示すように、第１部分１３１ａは、ウェーハ１０８の周辺部１３２における析出厚さを制御する。ディスク形状にされた第２部分１３１ｂは、第２制御電源装置Ｖ２によってウェーハ１０８の中央部１３４における析出厚さを制御する。
【００３８】
図９Ａ−９Ｃは、隔離部材１３６ｃによって互いに隔離された第１部分１３６ａと第２部分１３６ｂからなるメッシュ１３６の別の実施形態を示す。第１部分１３６ａと第２部分１３６ｂとの両方はストリップ形状にされ、開口１４０を有し円形の又は矩形の形状にされたマスク１３８と共に用いることができる。前の実施形態と同様に、マスク１３８は、上側部分１３８ａと下側部分１３８ｂとを備えることができ、メッシュ１３６は、上側部分１３８ａと下側部分１３８ｂとの間に挟み込むことができる。図９Ｂ及び９Ｃに示されるように、第１部分１３６ａは、マスク１３８の第１端１４２と位置合わせされて、電着工程の間に回転するウェーハ１０８の周辺部１３２における析出厚さを制御する。ウェーハ１０８は、方向Ｙへも動かすことができる。同様に、第２部分１３６ｂは、マスク１３８の中央部１４４と位置合わせされて、ウェーハ１０８の中央部１３４の析出厚さを制御する。
【００３９】
もちろん、上述のシステム１００の極性を反転させることによるウェーハ表面の均等な電気エッチングも、本発明の範囲内に含まれる。
【００４０】
図１０は、前の実施形態において説明されたメッシュの部分に電圧を与える実施形態の１つを示す。この実施形態においては、例示的なメッシュ１５０は、マスクプレート１５２の上部１５２ａと下部１５２ｂとの間に挟み込むことができる。マスクプレート１５２は、メッシュ１５０上の活性領域１５６を定める複数の凸凹部１５４を備える。メッシュは、第１部分すなわち周辺部１５０ａと、第２部分すなわち中央部分１５０ｂとを備え、これらは隔離部材１５０ｃによって互いに隔離される。第１電源装置Ｖａは、図３−４に関連して上述したような導電性表面１５８ａと電着システムのアノードカップ（図示せず）のアノードとを有するウェーハ１５８に接続される。第１電源装置Ｖａも、スイッチＳ２を通してメッシュ１５０の第１部分１５０ａか又は第２部分１５０ｂに接続することができる。第２電源装置Ｖｂは、スイッチＳ１を通して、ウェーハ１５８と、メッシュ１５０の第１部分１５０ａか又は第２部分１５０ｂに接続される。
【００４１】
したがって、スイッチＳ１がノードＤをノードＡに接続する場合には、メッシュ１５０に電圧が印加されない。スイッチＳ１がノードＤをノードＢに接続する場合には、メッシュ１５０の部分１５０ａに正電圧が印加される。したがって、ウェーハ表面１５８ａ上の部分ＡＡにおけるさらなる析出が達成される。部分ＡＡの各々は、メッシュ１５０の部分１５０ａのすぐ向かいに配置される。スイッチＳ１がノードＤをノードＣに接続する場合には、ウェーハ上の部分ＢＢにさらに析出物が生じる。
【００４２】
スイッチＳ２がノードＨをノードＥに接続する場合には、ウェーハ表面１５８ａ上への通常の析出が開始される。スイッチＳ２がノードＨをノードＧに接続する場合には、メッシュ１５０の部分１５０ａがカソードになり、それにより析出物を引き寄せて、ウェーハ表面１５８ａの部分ＡＡ上の析出量を減少させる。同様に、Ｓ２がノードＨをノードＦに接続する場合には、ウェーハ表面１５８ａの部分ＢＢ上の析出が減少する。したがって、ウェーハの部分ＡＡ及びＢＢの両方における析出速度は、スイッチＳ１及びＳ２の適正な位置を選択することによって制御可能である。
【００４３】
図１１−１４に示されるように、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３・・・Ｓｎを通したメッシュＭ１，Ｍ２，Ｍ３・・・Ｍｎの多重度が１である場合には、必要とされる電源装置は１つだけである。また、一連の抵抗体を通る電流の測定は、システムにおける良好なマスクパターンを設計するのに有用である。このセルはコンピュータモデルの複雑なセルであり、ポテンシャル場がシステムにわたって均等ではないので、こうした測定は、このセル設計には特に必要とされることである。
【００４４】
多くのスイッチが用いられる場合には、あらゆることを１つの電源装置で行うことができる。例えば、図１１−１４に示されるような１つのマクロめっきセルＭ１に注目すると、図１３に示された１つのケースでは、スイッチＳ１が位置ＶＡに切り替えられたときに、メッシュＭ１はポテンシャルＶＡにあり、メッシュからカソードに、及びアノードからカソードに銅がめっきされる。
【００４５】
図１４に示されるようにスイッチＳ１が位置ＶＣに切り替えられたときには、メッシュＭ１はカソード電位にあり、実質的にメッシュに銅がめっきされる。ウェーハの異なる部分における厚さを制御するために、切り替えられるメッシュのデューティサイクルをこうした領域において変化させることができる。
【００４６】
スイッチＳ１が非接続位置（ＮＣ）にあり、ＶＡか又はＶＣに接続されない場合には、銅は、通常のシステムのようにめっきされる。
【００４７】
実質的に隔離されたメッシュの各メッシュ開口の１つを、各メッシュ開口の局部電流を測定するのに用いることもできる。この測定は、新しいマスクパターンを設計し及び試験して、めっき厚さ均等性に対する最適化された又は良好な制御を得る一助となる。
【００４８】
１つのセルについては、図１５を参照すると、第１段階において、Ｒ１抵抗体を横切る電圧降下が測定され、特定のセルについてのめっき電流が測定される。この動作は、後の段階においてセル毎に繰り返される。次いで、この結果をマッピングし、めっき金属厚さ測定値と比較する。
【００４９】
もちろん、上記のことは、本発明の好ましい実施形態に関するものであり、特許請求範囲の請求項に記載されるような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、これらに修正を行い得ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
溝とビアを有する絶縁層が上に重なった半導体基板の部分断面図である。
【図１Ｂ】
図１Ａのような溝とビアを導電性材料で充填するための従来の方法を示す断面図である。
【図１Ｃ】
図１Ａのような溝とビアを導電性材料で充填するための従来の方法を示す断面図である。
【図１Ｄ】
図１Ｃと同様であるが、さらに導電性材料が析出された後の構造を示す断面図である。
【図１Ｅ】
図１Ｄと同様であるが、絶縁層を覆う導電性材料の厚さが減少された構造体を示す図である。
【図２Ａ】
公知の電着システムの断面の概略図である。
【図２Ｂ】
図２Ａと同様であるが、析出の均等性を改善することを意図しているシールドを含むシステムを示す概略図である。
【図３】
本発明に係る電着システムの一実施形態の略断面図である。
【図４】
ほぼ平坦な導電性材料の析出を与えるために用いられたときの図３のシステムを示す図である。
【図５】
不規則な形状にされた電気的隔離部分をもち、図３及び図４の実施形態に用いることができる導電性メッシュの平面図である。
【図６Ａ】
半導体基板の全面の近傍におけるマスクとメッシュが組み合わされた構造体を示す拡大断面図である。
【図６Ｂ】
図６Ａに示された６Ｂ部分の拡大図である。
【図６Ｃ】
図６Ｂの線６Ｃ−６Ｃに沿って見た部分平面図である。
【図７】
マスクとメッシュが組み合わされた構造体の別の実施形態を示す。
【図８Ａ】
図５と同様であるが、電気的隔離部分が不規則な形状にされていない導電性メッシュの平面図である。
【図８Ｂ】
半導体基板の全面の近傍において上側マスク部分と下側マスク部分との間に挟み込まれた図８Ａのメッシュを示す図である。
【図９Ａ】
隣接するストリップを定める電気的隔離部分を備えた導電性メッシュの平面図である。
【図９Ｂ】
図８Ｂと同様であるが、上側マスク部分と下側マスク部分との間に挟み込まれた図９Ａのメッシュを示す図である。
【図９Ｃ】
図９Ｂの線９Ｃ−９Ｃに沿って見た平面図である。
【図１０】
上述の実施形態のいずれかに係るメッシュに電圧を印加することができるシステムの１つの概略図である。
【図１１】
多数のメッシュが多数のスイッチを通して多重化された別のシステムの概略図である。
【図１２】
図１１に示したシステムの部分拡大図である。
【図１３】
メッシュからウェーハの上に、及びアノードからウェーハの上に銅がめっきされる位置にあるスイッチを示す、図１２と同様の図である。
【図１４】
図１３と同様であるが、銅がメッシュにめっきされ、ウェーハ上のめっき量が少量になるような位置にあるスイッチを示す図である。
【図１５】
めっき電流をめっき金属厚さ測定と相互に関係付けるのに用いることができる別のシステムの概略図である。
【図１Ａ】
2004518817.tif 000003
【図１Ｂ】
2004518817.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
2004518817.tif 000006
【図２Ａ】
2004518817.tif 000007
【図２Ｂ】
2004518817.tif 000008
【図１０】
2004518817.tif 000009
【図１１】
2004518817.tif 000010
【図１２】
2004518817.tif 000011
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004518817.tif 000064
2004518817.tif 000065