JP2003532798A - 導電層をメッキ及び平坦化するための陽極組立体 - Google Patents

導電層をメッキ及び平坦化するための陽極組立体

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JP2003532798A
JP2003532798A JP2001582614A JP2001582614A JP2003532798A JP 2003532798 A JP2003532798 A JP 2003532798A JP 2001582614 A JP2001582614 A JP 2001582614A JP 2001582614 A JP2001582614 A JP 2001582614A JP 2003532798 A JP2003532798 A JP 2003532798A
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コンスタンティン ヴォロダルスキ
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ホメイヨウン タリー
ダグラス ダブリュ ヤング
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エヌユー トゥール インコーポレイテッド
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、半導体ウェーハ（１６）のメッキ処理、平坦化処理、及びメッキ及び平坦化処理に使用される陽極組立体（９）に関する。陽極組立体は、処理が行われるチャンバ（９ｃ）内に配置されている回転軸（２７）、回転軸に連結されている陽極ハウジング（２３）、及び陽極ハウジングに取付けられている多孔性パッド支持プレート（２２）を備える。支持プレートは、パッドをウェーハに向かい合うように支持する上面を有し、陽極ハウジングと共に陽極キャビティ（２６）を形成する。消耗陽極は、メッキ物質を陽極キャビティ内にもたらし、溶液供給構造体は、溶液を陽極キャビティに供給する。シールド（３３）は、チャンバからの溶液の漏出を防止するために、回転軸（２７）とスピンドル（３０）との間に使用される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （背景技術） 多層集積回路製造は、金属及び絶縁膜溶着、これに続くフォトレジストパター
ン化及びエッチング又は別の方法の材料除去等の多数のステップを必要とする。
フォトリソグラフィ及びエッチングの後に、結果として得られるウェーハ又は基
板表面は平坦ではなく、バイア、線、又は溝等の多くの特徴部を含む。これらの
特徴部は、多くの場合、金属、誘電体、又はその両方といった特定の材料で充填
する必要がある。高性能用途では、ウェーハの地理的表面は平坦化する必要があ
り、一般に材料の溶着、及びフォトリソグラフィステップを含む、次の堆積層の
処理のために再度準備する必要がある。基板表面は、適切な集束、及び堆積層間
の位置合わせ又は位置決めを達成できるように、フォトリソグラフィステップの
前では平坦であることが最も好ましい。従って、ウェーハ上の平坦でない表面を
もたらす各々の溶着ステップの後に、表面平坦化ステップが行われる場合が多い
。
【０００２】 電気溶着は、半導体ウェーハ表面上の絶縁層に開いているバイア及び溝等の特
徴部に銅等の高導電物質の溶着を行うために、半導体製造で使用される公知の方
法である。図１ａから図１ｃは、表面の特徴部に電気溶着銅を充填した後に、ウ
ェーハを研磨して平坦な表面及び電気的に絶縁された銅（Ｃｕ）プラグ又はワイ
ヤを備える構造を得る手順の一例を示す。
【０００３】 図１ａにおける特徴部１は、絶縁層２内に開いておりＣｕを充填する必要があ
る。これを達成するために、最初にバリヤー層３をウェーハ表面全体に溶着する
。次に、導電性Ｃｕシード層４をバリヤー層３上に溶着する。Ｃｕシード層４及
び／又はバリヤー層３への電気接点を形成して電力を印加することで、Ｃｕをウ
ェーハ表面上に電気溶着させて図１ｂに示す構造を得る。図１ｂから分かるよう
に、この従来の手法では、電気溶着Ｃｕ層５は、絶縁層２の表面上に配置されて
いるバリヤー層上に金属表層６を形成する。次に、この表層及びバリヤー層３の
一部を研磨によって除去すると、平坦な表面及び電気的に絶縁されたＣｕ充填特
徴部を有する図１ｃに示す構造が生じる。図１ｃは、理想的な状態を表している
ことに留意されたい。実際には、特に大きな特徴部にわたって完全に平坦な表面
を有する金属層を得ることは困難である。「わん状変形」は、化学機械式研磨（
ＣＭＰ）ステップの後の特徴部に観察される場合が多い。図１ｃにおいて、わん
状変形は点線５ａで示されている。
【０００４】 一般に、電気溶着は、銅イオン、並びに、銅層の組織、形態、及びメッキ挙動
を制御する添加物を含有する、特別に調製された電解液内で陰極側にて行われる
。適切な電気接点は、典型的には円形ウェーハの周縁に沿ってウェーハ表面上の
シード層に形成される。消耗Ｃｕ又は不活性陽極プレートを電解液内に置く。次
に、ウェーハ表面上にＣｕの溶着は、陰極の電位を陽極に関するウェーハ表面に
印加すると、即ち負電圧を陽極プレートに関するウェーハ表面に印加すると始ま
る。
【０００５】 ＣＭＰは、広く用いられている表面平坦化方法である。ＣＭＰでは、ウェーハ
をキャリアヘッド上に取付けて、平坦でない特徴部をもつウェーハ表面を研磨パ
ッド及び適切に選択した研磨スラリに接触させる。次に、パッド及びウェーハを
互いに押圧しながら相互に移動させてスラリ内の研磨粒子による研磨を開始し、
最終的には所望の平坦な表面を得ることができる。
【０００６】 （発明の開示） 図１ｂに示すような金属溶着ステップ後の構造、及び図１ｃに示すような研磨
ステップ後の構造を実現する従来の方法は、２つの異なる機械でもって２つの異
なるプロセスを利用することになるが、一般に、第１の機械による一方のプロセ
スは、銅等の導体の溶着に用いられ、第２の機械による他方のプロセスは平坦な
表面を得るためのＣＭＰに用いられる。１９９８年１２月１日出願の同時係属中
の米国特許出願番号０９／２０１，９２９「電気化学的機械的溶着のための方法
及び装置」は、同一の機械にて同時に又は連続的に溶着ステップ及び平坦化ステ
ップの両方を実現する方法及び電気化学的機械的溶着（ＥＣＭＤ）装置に関する
。２０００年２月１１日出願の本出願人に譲渡されている米国特許仮出願番号６
０／１８２，１００「メッキ及び平坦化用改質メッキ溶液」、及び２０００年４
月６日出願の本出願人に譲渡されている米国特許出願番号０９／５４４，５５８
「メッキ及び平坦化用改質メッキ溶液及びそれを利用するプロセス」は、基板上
の導電層をメッキすると同時に平坦化するために使用できるメッキ溶液化学的性
質に関する。これらの出願の全ての開示内容は、引用により本明細書に組み込ま
れている。本発明は、メッキ装置、メッキ及び平坦化装置、又はＣＭＰ装置に使
用できる新規な陽極組立体デザインに関する。しかしながら、本デザインは、導
電層のメッキ及びその平坦化の両方を実現する機械に使用するのに適している。
本デザインの別の重要な用途は、以下に説明する電気エッチング又はエッチング
にある。
【０００７】 本発明の１つの目的は、このような機械に使用できる改善された陽極組立体を
提供することである。本発明によれば、この目的は、半導体ウェーハ上で行われ
るメッキ処理、平坦化処理、及びメッキ及び平坦化処理のいずれかのための溶液
を供給する陽極組立体を使用することによって達成される。陽極組立体は、処理
が行われるチャンバ内に配置されている回転軸、該回転軸に連結されている陽極
ハウジング、及び陽極ハウジングに取付けられている多孔性パッド支持プレート
を含む。パッド支持プレートは、ウェーハに向かい合うパッドを支持するように
なっている上面を有し、陽極ハウジングと共に陽極キャビティを形成する。更に
、陽極組立体は、溶液を陽極キャビティに供給することができる溶液供給構造体
を備える。１つの好適な構成において、溶液供給構造体は、処理が行われるチャ
ンバに収容される。
【０００８】 溶液供給構造体は、回転軸内に形成されている実質的に垂直な供給孔及び少な
くとも１つの実質的に水平な供給孔を有する通路を含む。特定の構造において、
溶液供給構造体は、回転軸が回転可能なスリップリングを更に含むことができる
。スリップリングは、溶液を通路に供給することができるスリップリング・キャ
ビティを備える。分配プレートは、通路の上に横たわることができ、溶液は、分
配プレートを通じて陽極キャビティ内に経路付けることができる。更に、溶液供
給構造体は、チャンバの壁に形成されている溶液入口ポートとスリップリングと
の間でチャンバ内を延びる配管を含むことができる。
【０００９】 回転軸が回転する場合にスリップリングが回転するのを防止するために、保持
装置をチャンバ内に設けることができる。更に、陽極キャビティ内のガスの蓄積
を排除するために、通気孔を陽極キャビティとチャンバとの間に形成することが
できる。多孔性パッド支持プレートは、特に選択された処理が行われるウェーハ
よりも小さくてもよく又は大きくてもよい。
【００１０】 陽極キャビティは、メッキ材料を溶液に供給する消耗陽極を収容できるように
なっている。この場合、消耗陽極は、単一体で多孔性であり、更に、陽極組立体
は、陽極消耗中に発生する残骸を陽極キャビティ内に保持するフィルタを含む。
陽極は、複数の部品で作ることができる。実際には、陽極は、複数の玉又は複数
のピースから構成することができる。この構成において、フィルタが残骸で塞が
った場合でもメッキ処理を継続できるように、バイパスシステムが設けられてい
る。
【００１１】 本発明の別の特徴として、陽極組立体は、回転軸が取付けられており、回転軸
に回転を伝達するためのスピンドルを更に備える。シールドは、チャンバからの
溶液の漏出を防止するために回転軸とスピンドルとの間に取付けられている。 他の特徴及び利点は、以下の本発明の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１２】 （発明を実施するための最良の形態） 図２は、本発明の陽極組立体を使用することができるメッキ及び平坦化装置の
概略図を示す。キャリアヘッド１０は、円形の半導体ウェーハ１６を保持すると
同時に、ウェーハの導電性下面に接続される導線７を備える。ヘッドは、第１の
軸１０ｂの回りを回転できる。また、ヘッドは、図２に示すｘ方向及びｚ方向に
移動できる。また、ヘッドは、ｙ方向の移動を可能にする構造を備えることもで
きる。
【００１３】 ウェーハ１６を保持するのに使用できるキャリアヘッドの特定の実施形態は、
１９９９年１２月２７日出願の同時係属中の米国特許出願番号０９／４７２，５
２３「メッキ及び研磨のためのワークピースキャリアヘッド」に開示されている
。
【００１４】 パッド８は、ウェーハ表面の向かい側の円形陽極組立体９の上面に設けられて
いる。パッド８は、２０００年２月２３日出願の同時係属中の米国特許出願番号
０９／５１１，２７８「多用途材料処理装置のためのパッドデザイン及び構造」
に開示されているデザイン又は構造を有することができる。ウェーハ１６に向か
い合うパッド８の上面は研磨材であることが好ましい。ウェーハ表面上にメッキ
され物質を含有する電解液９ａは、陽極組立体９によってウェーハ表面に供給さ
れる。その全体経路は矢印によって示されている。図２から、電解液９ａは、パ
ッド８の穴、孔、又は他の種類の開口を経由してウェーハ表面に押し上げられ、
次に、パッド８の縁部を溢れ出て、清浄、濾過、及び／又は再仕上げ後に、図示
しない方法で再循環されることになるチャンバ９ｃに入ることが分かる。特定の
実施形態において、電解液は１度だけ使用することができ、その場合、清浄及び
再循環を行う必要はない。導線９ｄは、陽極組立体９に接続されている。陽極組
立体９は、時計回りの方向及び反時計回りの方向に制御された速度で第２の軸１
０ｃの回りに回転させることができる。軸１０ｂ及び１０ｃは実質的に互いに平
行である。図２のパッド８の直径は、パッド表面にさらされるウェーハ表面の直
径よりも小さい。しかしながら、ウェーハ表面全体は、キャリアヘッド１０を処
理中にｘ方向に移動させ、同時に回転させることができるので、メッキ及び平坦
化を行うことができる。ウェーハ表面とパッドとの間の隙間は、キャリアヘッド
をｚ方向で移動させることによって調節可能である。また、ウェーハ表面及びパ
ッドが接触している場合、両表面に作用する圧力は調節可能である。
【００１５】 銅等の導体をウェーハ表面にメッキするために、電位をウェーハ１６に至る導
線７と陽極組立体９に至る導体９ｄとの間に印加して、ウェーハ表面を陽極組立
体よりもマイナス状態にする。電位を印加した状態で、銅は電解液９ａから析出
してウェーハ表面にメッキされる。適切なパッドを選択し、適切な電解液を選択
し、パッドとウェーハ表面との間の隙間を調節し、及び／又はパッドとウェーハ
表面とが互いに接触する圧力を調節することによって、メッキのみを又はメッキ
及び平坦化の両方を達成することができる。メッキのみが要求される場合、任意
の標準的な銅メッキ電解液を利用することができ、ウェーハ表面とパッドとの間
の隙間は維持される。メッキは、図１ｂに示すようにウェーハ全体にわたって前
述のように行われる。メッキのみを行なう場合には、研磨及び非研磨パッドを含
む、多くの種類のパッドを使用できることに留意されたい。この場合のパッドの
機能は、メッキ溶液をウェーハ表面に供給すること、溶液を強制的に撹拌するこ
と、及び電解液内の物質移動を強化することである。ウェーハとパッドとの間の
小さな隙間（通常０ｍｍから６ｍｍまで）によって、この装置は、陽極／陰極間
隔が大きく電解液のみが充填される従来のメッキ装置に比べて、低速（０．５リ
ットル／分から５リットル／分まで）で流れる少量の電解液で作動することがで
きる。また、本発明の小さな隙間及びパッドの存在によって、メッキ膜の厚さの
均一性が向上する。
【００１６】 銅層のメッキ及び平坦化が要求される場合、ウェーハ表面に接触するパッドと
併せて、前述の本出願人に譲渡されている出願に開示されているような改質メッ
キ溶液を使用する必要がある。パッドは研磨パッドであることが好ましい。パッ
ド表面が研磨材であり、ウェーハ表面が低圧でパッド表面に接触する場合、ウェ
ーハ表面とパッドとの間に物理的な接触がない場所では、メッキは、基板の孔に
おいて支障なく発生する。しかしながら、パッドと表面との間に物理的な接触が
ある場所では、上面のメッキ速度は遅くなる。その結果、図１ｄに示すように、
基板の表面にわたって均一な金属表層を有する平坦な金属堆積物が得られる。こ
れは、基板にわたって金属表層に大きな変化がある図１ｂに示す従来の堆積方法
とは対照的である。基板及びパッドが互いに接触する圧力を更に高めると、孔だ
けでメッキを得ることが可能であり、図１ｅから分かるように「わん状変形」が
回避される。この場合、基板表面の高い地点の大きな物理的接触面は、この領域
での金属層の積層を許さない。
【００１７】 必要であれば、図２の装置の電圧極性を逆にすると、ウェーハ表面の電気エッ
チング又は電気研磨が可能になる。また、本発明の陽極組立体は、基板の化学エ
ッチング及び電気化学エッチング／研磨に使用することができる。「陽極」とい
う用語は、慣習的に正（＋）電位を受け取る電極に使用される。しかしながら、
本出願では、機械が物質溶着に使用される場合に陽極として使用される陽極組立
体を説明する。化学エッチング用途に関しては、電圧は陽極組立体へ印加されな
い。電気化学エッチング／研磨（電気エッチング／研磨とも呼ぶ）に関しては、
負（−）電圧が陽極組立体へ印加される。
【００１８】 エッチング用途に関して、陽極組立体は、エッチング溶液を収容してウェーハ
表面に均一に供給することができる装置に適する。一般にエッチング溶液は酸性
である。エッチング溶液は陽極キャビティに供給され、上板及びパッド内の孔を
通って上昇し、ウェーハ表面と物理的に接触する。パッド孔のパターン、ウェー
ハとパッドとの間の小さな隙間、及び陽極とウェーハの回転の全ては、ウェーハ
表面上で均一な物質エッチング速度が得られるように調整される。本用途では、
可溶性陽極を必要としないので結果的に図３のデザインを使用できることに留意
されたい。
【００１９】 電気化学エッチング／研磨用途に関して、電解液は、物質をウェーハ表面から
除去するのに適切な電気エッチング電解液に交換される。この場合、負電圧がウ
ェーハ表面に関する陽極組立体に印加される。電解液の流れは、陽極プレート及
びパッド孔のデザインによって調整される。陽極プレート及びウェーハの孔パタ
ーン及び動作は、ウェーハ表面からの均一な物質除去が得られるように最適化さ
れる。
【００２０】 本発明の陽極組立体は、不活性成分並びに消耗陽極と共に使用することができ
る多用途のデザインである。この陽極組立体は、制御された速度で両方向に回転
する能力、及び制御された力でウェーハ表面に押し付けることができるパッドを
支持する機械強度を有する。陽極組立体は、プロセス流体を受け入れ、収容し、
供給し、分配する能力を有する。本発明の陽極組立体は、電気溶着プロセス、並
びにメッキ及び平坦化プロセス、又はＥＣＭＤプロセスに使用することができる
。このデザインは、ＣＭＰ装置に使用することもできる。
【００２１】 図３は、チャンバ９ｃに取付けられている陽極組立体９の詳細を示す。図３に
おいて、チャンバ９ｃの本体は明瞭にするために仮想線で示されている。チャン
バ９ｃは、メッキ及び／又は平坦化プロセスで使用される化学薬品内で不活性か
つ安定した材料で作られている。換言すれば、チャンバ材料は、プロセス液に不
純物又は粒子状物質を全く持ち込まない。特に、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤ
Ｆ）又はポリエチレン等の高分子材料は、チャンバ９ｃを構成するのに適してい
る。チャンバ９ｃの重要な機能は、陽極組立体から出る化学溶液を安全かつ清浄
に収容して回収し、更に回収した溶液をリターンポート２０に導くことであり、
これにより溶液を清浄、濾過、及び／又は再仕上げループ（図示せず）に送るこ
とができる。チャンバは、ｘ、ｙ、及びｚ方向に移動させることができる取付け
ブラケット及びプレート（図示せず）を介して頑丈なフレーム（図示せず）に取
付けられており、チャンバは中心に置くことができ、陽極表面はウェーハ表面に
対して平行にすることができる。金属スリーブ２１ａは、チャンバ９ｃの下部中
心の孔を貫通して配置され、ボルト２１ｃによってチャンバの下部に取付けられ
ている。孔の壁と金属スリーブ２１ｂとの間のシール２１ｂは、化学溶液のチャ
ンバ９ｃからの漏出を確実に防止する。
【００２２】 陽極組立体９は、種々の構成部品を含む。パッド支持プレート２２は、図２の
パッド８を取付けることができる厚い円形プレートである。図３のデザインにお
いて、パッド支持プレート２２は、Ｔｉ等の金属製であり、不活性陽極として機
能する。支持プレート２２の上面２２ａは平坦に機械加工されており、白金（Ｐ
ｔ）等の導電性が高い不活性材料で被覆されていることが好ましい。また、下面
２２ｃは白金で被覆されている。パッド支持プレート２２は、ボルト２４により
陽極ハウジング２３に取付けられている。環状溝２５内に配置されているＯリン
グは、パッド支持プレートと陽極ハウジングとを互いにシールして、陽極キャビ
ティ２６を形成する。図３の実施形態において、前述の本出願人に譲渡されてい
る米国仮出願番号６０／１８２，１００及び米国特許出願番号０９／５４４，５
５８の両者に開示されている電解液が使用される。この特別の溶液は、電解液か
ら析出してメッキされるＣｕを供給する。別の実施形態において、消耗陽極は、
図４に関連して以下に説明する陽極キャビティ２６内に配置することができる。
パッド支持プレート２２の孔２２ｂは、これらの孔が、陽極キャビティ２６内に
加圧下で汲み上げられた流体がパッド支持プレート２２を通って上昇し、表面２
２ａ上に取付けられているパッドに達することを可能にするという点で、パッド
支持プレートを多孔性にする。次に、流体は、パッドに設けることができる孔／
隆起（ａｓｐｅｒｉｔｙ）を通って上昇し、パッドの向かい側に配置されている
基板表面に物理的に接触することができる。
【００２３】 陽極ハウジング２３は、回転軸２７にボルト２４ａによってボルト留めされる
。上側フランジ２８、下側フランジ２９、及びスピンドル３０は、全てチタン等
の強度が高く導電性のある材料の単体で作られており、回転軸２７の延長部とし
て機械加工されている。スピンドル３０は、金属スリーブ２１ａを通って下方に
延び、電動機（図示せず）に連結されており、電動機は、コンピュータによって
制御可能な様々な回転速度（最大約８００ｒｐｍ）で組立体全体を第２の軸１０
ｃの回りに時計方向又は反時計方向に回転させることができる。軸受け３１は、
金属スリーブ２１ａの壁とスピンドル３０との間で、下側フランジ２９の真下で
スピンドル３０の上側部の周りに配置されている。軸受け３１は、スピンドル３
０の下側のみを取り囲むように下方に延び、軸受け３１と同様の別の軸受け（図
示せず）を支える円筒形リングスペーサ３２によって支持されている。シールド
３３は、上側フランジ２８にボルト留めされており、化学溶液が下側フランジ２
９、スピンドル３０、及び軸受け３１に達しないようにする。通常、パッド支持
プレート２２の孔２２ｂから出るメッキ／平坦化溶液は、表面２２ａ、つまりパ
ッドと基板表面との間の境界面に取付けられているパッド（図示せず）の開口を
通って供給される。次に、溶液は、回転する陽極組立体９及び基板ホルダによっ
て半径方向に押し出される。溶液は、チャンバ９ｃの垂直な側壁又は少なくとも
上方に延びる側壁に衝突すると、リターンポート２０に向かって流れる。何らか
の理由により一部の溶液がシールド３３を通り過ぎて紛れ込むと、ウェル３４内
に回収され、第２のリターンポート２０ａを通って流出する。ボールシール３５
は、下側フランジ２９、スピンドル３０、及び軸受け３１を電解液化学溶液から
更に保護するために用いる。
【００２４】 化学溶液は、チャンバ９ｃの壁に形成されている溶液入口ポート４０を経由し
てシステム内にポンプで汲み上げられる。溶液は、図示のようにチャンバ９ｃの
下部壁の孔によって形成される入口ポートを通り、軸２７の周りに配置されてい
る配管４０ａによってスリップリング４１に経路付けされるが、軸２７は、スリ
ップリング内で回転可能である。スリップリング４１は、ポリテトラフルオロエ
チレン（ＰＴＦＥ又はＴＥＦＬＯＮ）等の低摩擦の不活性材料で作られており、
一連のピンによって固定されている。この一連のピンには、スリップリング４１
に取付けられている水平位置合わせピン４２、及びチャンバ９ｃの下面に取付け
られている一対の垂直位置合わせピン４３を含む。水平位置合わせピン４２の先
端は、２つの垂直位置合わせピン４３の間の空間を通ってうまく納められており
、結果的に、ピン４２及び４３のセットは、軸２７がスピンドル３０に連結した
電動機によって回転される場合に、スリップリング４１の回転を防止するチャン
バ９ｃ内の保持装置を構成する。
【００２５】 入口ポート４０から供給された溶液は、スリップリングのキャビティ４１ａ内
に達し、次に、水平供給孔４４を通り、垂直供給孔４５を通って上昇し、分配プ
レート４６内に押し込まれる。つまり、孔４４及び４５は、軸２７内の溶液用通
路を構成する。軸２７内には複数の供給孔を機械加工することができる。図３の
デザインは、４つの供給孔が使用する。分配プレート４６は、軸内の通路の上に
横たわり、溶液を陽極キャビティ２６内に経路付けする、軸内に機械加工されて
いる多数の小さな水平孔又はスロット（図示せず）を有する。
【００２６】 図３のデザインにおいて、溶液を陽極キャビティ２６内に供給する機構、即ち
溶液供給構造体は、チャンバ９ｃ内に収容されている。このことは、例えば、リ
ングキャビティ４１ａ又はコネクタ、及び溶液を入口ポート４０からリングキャ
ビティ４１ａへ導く配管４０ａから漏れた溶液はチャンバ９ｃに収容され、リタ
ーンポート２０へ案内されるので好適である。もしくは、溶液は、スピンドル３
０の中央の分配孔４７を経由して陽極キャビティ２６に供給することができる。
図３において、この分配孔４７は使用されておらず、従って、垂直供給孔４５に
は接続されていない。分配孔４７を使用するデザインに関しては、入口ポート４
０、スリップリング４１、及び水平供給孔４４は取り除かれ、分配孔４７は垂直
供給孔４５に接続される。この場合、溶液は、チャンバ９ｃの外側から分配孔４
７に供給する必要がある。
【００２７】 図３の陽極組立体に対する電気接点は、金属構造体上の任意の場所に設けるこ
とができる。しかしながら、通常の回転式接点を用いて金属スピンドル３０の下
側（図示せず）にこの電気的接点を設けることが好ましい。金属スピンドルに印
加された電位は、金属ボルトを用いて物理的及び電気的に取付けられている金属
部分を通ってパッド支持プレート２２へ導電される。作動時、陽極電位が図３の
陽極組立体に印加されると、パッド支持プレート２２の上面及び下面、並びに孔
２２ｂは、これらの表面部分が白金で被覆されているので不活性陽極として機能
できる。パッド支持プレート２２の上面２２ａに取付けられているパッドは、パ
ッドの取付け方法にもよるが上面の大部分を物理的及び電気的に遮断することが
できる。この場合、電解液に物理的に接触する上面２２ａ部分のみが陽極の一部
として機能するであろう。更に、陽極ハウジング２３の内面をＰｔで被覆して、
有効不活性陽極表面積を増やすこともできる。被覆されていないＴｉ表面は高抵
抗酸化物層を含むので、Ｐｔで被覆されている陽極表面部分のみが陽極電流の大
部分を伝えることになる。従って、有効陽極表面積は、Ｐｔで被覆する表面積を
選択することによって調節できる。
【００２８】 図４は、銅陽極等の消耗陽極を使用するようになっている陽極組立体の第２の
実施形態の上部の断面図である。本デザインにおいて、最初に、銅陽極プレート
５０をベースプレート５１に取付けて、次に、全ての陽極プレート及びベースプ
レート組立体を陽極キャビティ内に配置する。もしくは、プレートの代わりに銅
片、銅玉、及び／又は銅塊を使用することもできる。次に、パッド支持プレート
２２、ベースプレート５１、及び陽極ハウジング２３は、ボルト２４ｃ及び２４
ｃｃによって一緒に取付ける。Ｏリングは、溝２５及び２５ａ内に配置され、そ
れぞれ陽極ハウジング２３とベースプレート５１との間、及びパッド支持プレー
ト２２とベースプレート５１との間にシールをもたらす。
【００２９】 第１の実施形態では陽極プレートが使用されていないので、第１の実施形態に
おいてはベースプレート５１を省略できることが図３及び図４から明らかである
。
【００３０】 陽極バッグは、消耗陽極を使用する電気メッキプロセスで一般的に使用される
材料種から形成されているフィルタである。一般的に、バッグは、陽極の周りを
覆っている。バッグは、溶液及び電流を通すが、陽極上の反応で生じる粒子物質
及びスラッジを捕捉する。陽極バッグは、時々広げてきれいにする。図４のデザ
インにおいて、下側陽極バッグ５２ａはリング形をなし、ボルト５３ｃでベース
プレートにボルト留めされている、下側アウタリング５３ａ及び下側インナリン
グ５３ｂを用いて、ベースプレート５１の下面に取付けられる。明瞭にするため
に、図４ａは、下側陽極バッグ５２ａを上から見た図であり、下側アウタリング
５３ａ、下側インナリング５３ｂ、及び各リングと陽極バッグをベースプレート
５１に取付けるのに使用される幾つかのボルト５３ｃを断面で示す。
【００３１】 下側陽極バッグ５２ａをベースプレート５１に取付けた後で、ベースプレート
５１はボルト５４を使用して陽極プレート５０に取付ける。次に、組立体を陽極
ハウジング２３内に配置する。
【００３２】 上側陽極バッグ５２ｂは、完全な円の形状であり、ボルト５３ｃｃによりパッ
ド支持プレート２２に取付けられている上側アウタリング５３ａａ及び上側イン
ナリング５３ｂｂでもってパッド支持プレート２２の下面に押し付けられている
。
【００３３】 加圧されたメッキ溶液又はメッキ及び平坦化溶液は、垂直供給孔４５を通って
分配プレート４６内に入る。次に、溶液は、矢印４６ａで示すように分配プレー
ト４６の小さな水平孔／通路を通って半径方向に移動して、陽極ハウジング２３
とベースプレート５１との間に形成されている容積部に入る。次に、溶液は、ベ
ースプレート５１に形成されている孔を通り抜け、下側陽極バッグ５２ａを通り
抜ける。
【００３４】 溶液は、下側陽極バッグ５２ａを通り抜けた後に、陽極プレート５０の孔を通
り抜け、上側陽極バッグ５２ｂを通り抜け、更に支持プレート２２の孔２２ｂを
通り抜ける。このデザインは、消耗陽極を使用することを可能にし、陽極バッグ
は陽極組立体の必須部分を構成する。
【００３５】 使用時に、陽極プレート５０は徐々に消耗して小さくなる。陽極プレート５０
は、大きさにもよるが５，０００回から１０，０００回のメッキ処理後に交換す
る必要がある。
【００３６】 また、図４のデザインにおいて、少なくとも溶液の一部が２つのフィルタバッ
グを迂回することを可能にするバイパスシステムが存在する。上部の陽極バッグ
が陽極上に発生したスラッジのために塞がった場合、溶液は、開口６０を経由し
て塞がったバッグを迂回することができ、陽極バッグが塞がっても電流は物理的
に塞がった陽極バッグを通ることができるのでメッキ処理を継続できる。開口６
０は、上側陽極バッグ５２ｂとパッド支持プレートとの間に形成されている容積
部に図示しない方法で送り出す。
【００３７】 また、図４のデザインは、泡排除システムを含む。作動時、ガス泡は、上側陽
極バッグ５２ｂの下面近傍に捕捉されて蓄積される可能性がある。これによって
、陽極電流に対する抵抗が高くなるであろう。このようなガス泡の蓄積を防止す
るために、小径孔又は通気孔は、パッド支持プレート２２を貫通して設けられて
いる。図４には１つの小孔６１が概略的に示されている。
【００３８】 図４に示す消耗陽極はプレート５０の形態であるが、陽極は、例えば、銅棒、
銅片、又は銅塊等の他の形態を取ることもできる。また、本装置を使用して別の
物質をメッキする場合、陽極組立体に銅以外の別の種類の可溶性陽極物質を使用
できる。この物質の一例は、ニッケル及び金である。
【００３９】 図４のデザインにおける有効陽極区域は制御可能である。電解液に接触する全
ての金属面が例えば酸化チタンの存在によって不動態化された場合、電流はＣｕ
陽極のみを流れるであろう。チタン（Ｔｉ）構造体の所定の区域がＰｔでメッキ
された場合、これらの区域は追加的な不活性陽極区域として機能する。
【００４０】 図３及び図４に示す陽極組立体は、パッド８、及び少なくとも陽極組立体及び
パッド８のパッド支持プレートが、基板又はウェーハ１６よりも小さい構造体に
適している。これらの場合、キャリアヘッドデザインは、前述の同時係属中の米
国特許出願番号０９／４７２，５２３に開示されたものと類似している。メッキ
及び研磨時に、キャリアヘッドは、ウェーハ又は基板の表面全体を処理できるよ
うに回転しながら左右に移動する。
【００４１】 図５は、少なくともパッド８’及び陽極組立体９’のパッド支持プレートが基
板又はウェーハ１６’よりも大きい構造を示す。この場合、キャリアヘッドデザ
インは別のものである必要がある。クランプは使用できない。ウェーハの縁部を
保持する必要がある。
【００４２】 本発明による陽極デザインは、ＣＭＰに使用することもできる。この場合、メ
ッキ又はメッキ／平坦化溶液の代わりに、ＣＭＰ溶液を研磨パッドと共に使用す
ることができる。もしくは、研磨粒子を有するＣＭＰスラリを通常のＣＭＰパッ
ドと共に使用することができる。ＣＭＰ溶液内の基板表面の酸化又はエッチング
を助長してメッキ及び物質除去を助長するために、やはり電圧を印加することが
できる。
【００４３】 現在使用されているチャンバ９ｃは、正方形又は矩形断面をもつ２容積部縦型
チャンバである。チャンバ９ｃの下部又は下側容積部１００において、メッキ又
は研磨が行なわれるか、又はメッキ及び研磨の両方が行われる。チャンバの上部
又は上側容積部において、洗浄及び乾燥処理が行われる。図７は上側容積部及び
下側容積部を概略的に示す。
【００４４】 メッキ処理、研磨処理、又はメッキ及び研磨の組合せ処理の終了後に、キャリ
アヘッド１０は、図６に示す下側容積部のメッキ／研磨位置から図７に示す上側
容積部の洗浄／乾燥位置に上方移動する。陽極組立体は下側容積部にとどまる。
キャリアヘッドが洗浄／乾燥位置に移動した状態で、ピボット７２によってチャ
ンバの１つ又は複数の壁に取付けられているフラップ７０が下方に旋回して洗浄
位置になり、上側容積部及び下側容積部を密閉する。キャリアヘッドの洗浄に使
用される水又は他の適切な流体は、フラップ７０に形成されている導水路を介し
て供給されるので、キャリアヘッドを洗浄する噴霧噴流８０が形成される。洗浄
後、キャリアヘッドは、図２に示す第１の軸１０ｂの回りの回転によって脱水す
ることができる。キャリアヘッドから落ちる水は、例えば、ピボット７２の位置
に隣接する容器９ｃの壁に形成されている溝による等の適切な方法で取り除くこ
とができる。
【００４５】 前述の開示内容は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明を限定す
るものではない。当業者であれば、本発明の精神及び本質を組み込んだ開示され
ている実施形態の変更を行うことができ、本発明は、特許請求の範囲及びその均
等物の範囲の全てを包含すると解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 Ｃｕの電気溶着前の、半導体ウェーハ表面上に配置されているパターン絶縁層
、及びその上に横たわるバリヤー層及びシード層の部分断面図である。
【図１ｂ】 図１ａと同様の図であるが、Ｃｕ電気溶着後の基板にわたる金属表層の層構造
及び変動を示す図である。
【図１ｃ】 図１ｂと同様の図であるが、金属層及びバリヤー層の除去後の層構造、及びパ
ターン絶縁層の対象の金属充填特徴部を電気的に絶縁するための金属平坦化を示
す図である。
【図１ｄ】 図１ｂと同様の図であるが、基板表面にわたって均一な表層を有する、メッキ
及び平坦化装置による溶着後の導電層を示す図である。
【図１ｅ】 図１ｄと同様の図であるが、基板及びパッド表面が接触する圧力を上げた場合
にもたらされる層構造を示す図である。
【図２】 本発明による陽極組立体を使用できる全体装置デザインの概略図である。
【図３】 本発明による第１の陽極組立体実施形態の部分的に断面で示す拡大図である。
【図４】 消耗陽極を使用できる本発明による第２の陽極組立体実施形態の部分的に断面
で示す拡大図である。
【図４ａ】 図４に示す陽極組立体の部分的に断面で示す上面図である。
【図５】 図３又は図４のいずれかに示し、少なくともその一部は基板よりも大きい寸法
を有する陽極組立体の概略図である。
【図６】 メッキ及び／又は平坦化位置における全体装置のキャリアヘッドの非常に概略
的な図である。
【図７】 図６と同様の図であるが、キャリアヘッドが洗浄／乾燥位置において示されて
いる。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年１２月７日（２００１．１２．７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２５Ｆ 7/00 Ｃ２５Ｆ 7/00 Ｓ Ｈ０１Ｌ 21/288 Ｈ０１Ｌ 21/288 Ｅ 21/306 21/306 Ｊ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ヴォロダルスキ コンスタンティン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94116 サン フランシスコ リヴェラ ストリート 1721 (72)発明者 ウゾー サイプリアン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95035 ミルピタス パーヴィン ドライ ヴ 625 (72)発明者 タリー ホメイヨウン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95138 サン ホセ ベントレイ リッジ ドライヴ 2211 (72)発明者 ヤング ダグラス ダブリュ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94086 サニーヴェイル ノース マーフ ィー アベニュー 147 Ｆターム(参考） 4K024 AA09 BB12 CB06 CB07 CB09 CB13 CB21 4M104 BB04 DD52 5F043 AA01 EE14

Claims (36)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体ウェーハ上で行われるメッキ処理、平坦化処理、及び
    メッキ及び平坦化処理のいずれかのための溶液を供給するのに使用できる陽極組
    立体であって、 前記処理が行われるチャンバ内に配置されている回転軸と、 前記回転軸上の陽極ハウジングと、 前記ウェーハに向かい合うパッドを支持するようになっている上面を有し、前
    記陽極ハウジングと共に陽極キャビティを形成する、前記陽極ハウジング上の多
    孔性パッド支持プレートと、 前記溶液を前記陽極キャビティに供給することができる溶液供給構造体と、 を備えることを特徴とする陽極組立体。
  2. 【請求項２】 前記溶液供給構造体は、前記処理が行われる前記チャンバ内
    に収容されることを特徴とする請求項１に記載の陽極組立体。
  3. 【請求項３】 前記溶液供給構造体は、前記回転軸内に形成されている通路
    を含むことを特徴とする請求項２に記載の陽極組立体。
  4. 【請求項４】 前記通路は、前記回転軸内に形成されている実質的に垂直な
    供給孔と、少なくとも１つの実質的に水平な供給孔とを含むことを特徴とする請
    求項３に記載の陽極組立体。
  5. 【請求項５】 前記溶液供給構造体は、その中で前記回転軸が回転可能なス
    リップリングを更に備え、前記スリップリングは、前記溶液を前記通路に供給で
    きるスリップリング・キャビティを備えることを特徴とする請求項３に記載の陽
    極組立体。
  6. 【請求項６】 前記溶液供給構造体は、前記溶液を前記陽極キャビティ内に
    経路付けできる前記通路の上に横たわる分配プレートを更に備えることを特徴と
    する請求項５に記載の陽極組立体。
  7. 【請求項７】 前記溶液供給構造体は、前記チャンバの壁に形成されている
    溶液入口ポートと前記スリップリングとの間で前記チャンバ内を延びる配管を更
    に備えることを特徴とする請求項６に記載の陽極組立体。
  8. 【請求項８】 前記回転軸が回転する場合に前記スリップリングが回転する
    のを防止する、前記チャンバ内に設けられている保持装置を更に備えることを特
    徴とする請求項５に記載の陽極組立体。
  9. 【請求項９】 前記陽極キャビティ内のガスの蓄積を排除するために、前記
    陽極キャビティと前記チャンバとの間に通気孔が形成されていることを特徴とす
    る請求項１に記載の陽極組立体。
  10. 【請求項１０】 前記多孔性パッド支持プレートは、前記処理が行われる前
    記ウェーハよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の陽極組立体。
  11. 【請求項１１】 前記多孔性パッド支持プレートは、前記処理が行われる前
    記ウェーハよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の陽極組立体。
  12. 【請求項１２】 前記溶液は、溶着溶液であり、前記組立体は、物質を前記
    半導体ウェーハ上に溶着するのに使用されることを特徴とする請求項１に記載の
    陽極組立体。
  13. 【請求項１３】 前記溶液は、電圧を印加することなく前記半導体ウェーハ
    の表面に供給されるエッチング溶液であることを特徴とする請求項１に記載の陽
    極組立体。
  14. 【請求項１４】 前記溶液は、前記半導体ウェーハの表面から物質を取り除
    くことができる電気エッチング溶液であることを特徴とする請求項１に記載の陽
    極組立体。
  15. 【請求項１５】 電気エッチングは、前記半導体ウェーハの前記表面が前記
    パッド支持プレートよりも正電気を帯びている場合に起こることを特徴とする請
    求項１４に記載の陽極組立体。
  16. 【請求項１６】 半導体ウェーハ上で行われるメッキ処理、平坦化処理、及
    びメッキ及び平坦化処理のいずれかのための溶液を供給するのに使用できる陽極
    組立体であって、 前記処理が行われるチャンバ内に配置されている回転軸と、 前記回転軸上の陽極ハウジングと、 前記ウェーハに向かい合うパッドを支持するようになっている上面を有し、前
    記陽極ハウジングと共に陽極キャビティを形成する、前記陽極ハウジング上の多
    孔性パッド支持プレートと、 前記溶液を前記陽極キャビティに供給することができる溶液供給構造体と を備え、 前記陽極キャビティは、メッキ物質を前記溶液に供給する消耗陽極を収容する
    ようになっていることを特徴とする陽極組立体。
  17. 【請求項１７】 前記溶液供給構造体は、前記回転軸内に形成されている通
    路を含むことを特徴とする請求項１６に記載の陽極組立体。
  18. 【請求項１８】 前記通路は、前記回転軸内に形成されている実質的に垂直
    な供給孔と、少なくとも１つの実質的に水平な供給孔とを含むことを特徴とする
    請求項１７に記載の陽極組立体。
  19. 【請求項１９】 前記溶液供給構造体は、その中で前記回転軸が回転可能な
    スリップリングを更に備え、前記スリップリングは、前記溶液を前記通路に供給
    できるスリップリング・キャビティを備えることを特徴とする請求項１７に記載
    の陽極組立体。
  20. 【請求項２０】 前記溶液供給構造体は、前記溶液を前記陽極キャビティに
    経路付けできる前記通路を仕切る分配プレートを更に備えることを特徴とする請
    求項１９に記載の陽極組立体。
  21. 【請求項２１】 前記溶液供給構造体は、前記チャンバ内に形成されている
    溶液入口ポートと前記スリップリングとの間で前記チャンバ内を延びる配管を更
    に備えることを特徴とする請求項２０に記載の陽極組立体。
  22. 【請求項２２】 前記回転軸が回転する場合に前記スリップリングが回転す
    るのを防止する、前記チャンバ内に設けられている保持装置を更に備えることを
    特徴とする請求項１９に記載の陽極組立体。
  23. 【請求項２３】 前記陽極キャビティ内のガスの蓄積を排除するために、前
    記陽極キャビティと前記チャンバとの間に通気孔が形成されていることを特徴と
    する請求項１６に記載の陽極組立体。
  24. 【請求項２４】 前記多孔性パッド支持プレートは、前記処理が行われる前
    記ウェーハよりも小さいことを特徴とする請求項１６に記載の陽極組立体。
  25. 【請求項２５】 前記多孔性パッド支持プレートは、前記処理が行われる前
    記ウェーハよりも大きいことを特徴とする請求項１６に記載の陽極組立体。
  26. 【請求項２６】 前記消耗陽極は多孔性であり、前記陽極消耗中に発生した
    残骸を前記陽極キャビティ内に保持するフィルタを更に備えることを特徴とする
    請求項１６に記載の陽極組立体。
  27. 【請求項２７】 前記フィルタが前記残骸で塞がった場合でもメッキ処理の
    継続を可能にするバイパスシステムを更に備えることを特徴とする請求項１６に
    記載の陽極組立体。
  28. 【請求項２８】 前記溶液は、溶着溶液であり、前記組立体は、物質を前記
    半導体ウェーハ上に溶着するのに使用されることを特徴とする請求項１６に記載
    の陽極組立体。
  29. 【請求項２９】 前記溶液は、電圧を印加することなく前記半導体ウェーハ
    の表面に供給されるエッチング溶液であることを特徴とする請求項１６に記載の
    陽極組立体。
  30. 【請求項３０】 前記溶液は、前記半導体ウェーハの表面から物質を取り除
    くことができる電気エッチング溶液であることを特徴とする請求項１６に記載の
    陽極組立体。
  31. 【請求項３１】 電気エッチングは、前記半導体ウェーハの前記表面が前記
    パッド支持プレートよりも正電気を帯びている場合に起こることを特徴とする請
    求項３０に記載の陽極組立体。
  32. 【請求項３２】 半導体ウェーハ上で行われるメッキ処理、平坦化処理、及
    びメッキ及び平坦化処理のいずれかのための溶液を供給するのに使用できる陽極
    組立体であって、 前記処理が行われるチャンバ内に配置されている回転軸と、 前記回転軸上の陽極ハウジングと、 前記ウェーハに向かい合うパッドを支持するようになっている上面を有し、前
    記陽極ハウジングと共に陽極キャビティを形成する、前記陽極ハウジング上の多
    孔性パッド支持プレートと、 前記溶液を前記陽極キャビティに供給することができる溶液供給構造体と、 前記溶液の前記チャンバからの漏出を防止するためのシールドと、 を備えることを特徴とする陽極組立体。
  33. 【請求項３３】 前記溶液は、溶着溶液であり、前記組立体は、物質を前記
    半導体ウェーハ上に溶着するのに使用されることを特徴とする請求項３２に記載
    の陽極組立体。
  34. 【請求項３４】 前記溶液は、電圧を印加することなく前記半導体ウェーハ
    の表面に供給されるエッチング溶液であることを特徴とする請求項３２に記載の
    陽極組立体。
  35. 【請求項３５】 前記溶液は、前記半導体ウェーハの表面から物質を取り除
    くことができる電気エッチング溶液であることを特徴とする請求項３２に記載の
    陽極組立体。
  36. 【請求項３６】 電気エッチングは、前記半導体ウェーハの前記表面が前記
    パッド支持プレートよりも正電気を帯びている場合に起こることを特徴とする請
    求項３５に記載の陽極組立体。
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