JP2006316352A - 導電性層を電解研磨するための電解研磨アセンブリ及び電解研磨方法 - Google Patents

導電性層を電解研磨するための電解研磨アセンブリ及び電解研磨方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ウェハー上の導電性膜を電解研磨する装置及び方法を提供する。
【解決手段】装置は、ウェハーを保持するためのウェハー・チャック(1002)、ウェハー・チャックを回転させるためのアクチュエータ(1000)、及び、ウェハーを電解研磨するように構成されたノズル(1010)を含む。この装置はさらに、導電性リング又はシュラウド(1006)を含んでいてよい。ウェハー上の導電性膜の電解研磨方法は、ウェハー上に入射した電解質流体がウェハー表面上をウェハー縁部に向かって流れるのに十分な速度で、ウェハー・チャックを回転させることを含む。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は総体的には半導体処理装置に関し、より具体的には、半導体デバイス上の導電性層を電解研磨するための電解研磨装置に関する。
数多くの種々の処理工程を用いて、半導体ウェハー上に半導体デバイスを製造又は加工することにより、トランジスタ素子及び相互接続素子が形成される。半導体ウェハーと関連するトランジスタ端子を電気的に接続するために、導電性(例えば金属)トレンチ及びビアなどが、半導体デバイスの一部として誘電材料中に形成される。トレンチ及びビアは、トランジスタ、半導体デバイスの内部回路、及び半導体デバイス外部の回路の間の電気的な信号及び出力をカップリングする。
相互接続素子を形成する際には、半導体ウェハーに例えば、マスキング処理、エッチング処理及びデポジション処理を施し、これにより半導体デバイスの所望の電子回路を形成することができる。具体的には、複数のマスキング工程及びエッチング工程を実施することにより、半導体ウェハー上の誘電層内に凹部領域から成るパターンを形成することができる。これらの凹部領域は、相互接続部のためのトレンチ及びビアとして役立つ。次いで、デポジション処理を実施することにより、半導体ウェハーに被さるように金属層をデポジットし、これにより、トレンチ及びビアの両方に、また半導体ウェハーの非凹部領域上にも金属をデポジットする。相互接続部、例えばパターン化されたトレンチ及びビアを絶縁するために、半導体ウェハーの非凹部領域上にデポジットされた金属が除去される。
半導体ウェハー上の誘電層の非凹部領域上にデポジットされた金属膜を除去するコンベンショナルな方法は、例えば化学機械研磨(CMP)を含む。CMP法は、誘電層の非凹部領域と共にトレンチ及びビア内部の金属層を研磨して平坦化することにより相互接続ラインを形成するために、半導体産業において広範囲に用いられる。
CMP法の場合、プラテン又はウェブ上に配置されたCMPパッド上に、ウェハー・アセンブリを位置決めする。ウェハー・アセンブリは、1つ又は2つ以上の層及び/又は構成要件、例えば誘電層内に形成された相互接続素子を有する基板を含んでいる。次いで、ウェハー・アセンブリをCMPパッドに圧着するために力を加える。ウェハー表面を研磨して平坦化するための力を加えつつ、CMPパッドと基板アセンブリとを互いに押し付け、相対運動させる。しばしば研磨用スラリーと呼ばれる研磨用溶液をCMPパッド上に計量分配することにより、研磨を容易にする。研磨用スラリーは典型的には研磨剤を含有し、ウェハーから不所望な材料、例えば金属層を、その他の材料、例えば誘電材料よりも迅速に選択的に除去するように化学反応することができる。
しかしCMP法は、下側の半導体構造に対していくつかの有害な影響を及ぼすおそれがある。なぜならば、比較的強い機械的な力が関与するからである。例えば相互接続ジオメトリが0.13μm以下になるにつれて、導電性材料、例えば銅の機械特性と、典型的なダマシン法において使用される低k膜の機械特性との間に大きな差が生じるおそれがある。例えば、低k誘電膜のヤング・モジュラスは、銅のヤング・モジュラスよりも10桁超だけ低い。その結果、とりわけCMP処理中に誘電膜と銅とに比較的強い機械的な力を加えると、半導体構造上に応力に関連する欠陥を招くおそれがある。これらの欠陥は、層間剥離、ディッシング、エロージョン、膜の浮き上がり又はスクラッチなどを含む。
従って新しい処理技術が望まれる。例えば、電解研磨法を用いて、ウェハーから金属層を除去又はエッチングすることができる。一般に電解研磨法の場合、研磨されるべきウェハー部分が電解質流体溶液中に浸漬され、次いでウェハーに電荷が印加される。これらの条件の結果、銅がウェハーから除去又は研磨されることになる。
本発明の1観点において、ウェハー上の導電性膜を電解研磨する装置及び方法の一つの実施態様が提供される。装置の一つの実施態様は、ウェハーを保持するためのウェハー・チャック、ウェハー・チャックを回転させるためのアクチュエータ、ウェハーを電解研磨するように構成されたノズル、及び、ウェハーの縁部の周りに位置決めされたシュラウドを含む。ウェハー上の導電性膜の電解研磨方法の1実施態様は、ウェハー上に入射した電解質流体がウェハー表面上をウェハー縁部に向かって流れるのに十分な速度で、ウェハー・チャックを回転させることを含む。
添付の図面及び特許請求の範囲との関連において下記の詳細な説明を考察すると、本発明がより良く理解される。
本発明をより完全に理解するために、多数の具体的な詳細、例えば具体的な材料、パラメーターなどを下記の説明に示す。しかし云うまでもなく、この説明は、本発明の範囲を限定しようとするものではなく、実施例をより良く説明するために記載するものである。
I. 電解研磨装置の実施例：
図1A及び図1Bは、ウェハー1004を研磨するのに使用可能なウェハー電解研磨装置の実施例を示す断面図及び平面図である。大雑把に云えば、この実施例の電解研磨装置は、ウェハーに電荷が印加されている間、ウェハー上の金属膜に向かって電解質流体の流れを導くことにより作業する。電荷及び電解質流体により、金属膜内の金属イオンが電解質流体中に溶解することになる。電解質流体の電流密度及び電解質流体中の金属イオン濃度は、少なくとも部分的に研磨速度を決定する。従って、電流密度及び電解質溶液濃度などを制御することにより、電解研磨装置は、半導体ウェハー上に配置された金属層を正確に研磨することができる。
図1Aに示すように、電解研磨装置は、チャック1002と、アクチュエータ1000と、研磨用容器1008とを含むことができる。研磨用容器1008は、電気的に絶縁されて酸及び腐蝕に対して抵抗性を有する任意の材料、例えばポリテトラフルオロエチレン(商業的にはTEFLON（登録商標）と呼ばれている)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、及びポリプロピレンなどから形成することができる。好ましくは、研磨用容器1008はPVDFから形成することができる。しかし云うまでもなく、研磨用容器1008はその用途に応じて異なる材料から形成することもできる。
図1Aに示すように、ノズル1010, 1012及び/又は1014を通して研磨用容器1008内に電解質流体1038を流入させることができる。より具体的には、ポンプ1020が電解質流体1038を、電解質流体リザーバ1070からリターン弁1024を介してパス・フィルタ1018に送り込む。パス・フィルタは、液体質量流量制御器(LMFC)を含むことができる。これらのLMFCは、ノズル1010, 1012及び1014に供給される電解質流体1038の量及び速度を制御することができる。さらに、パス・フィルタ1018は電解質流体1038から汚染物質を濾過し、これにより、ノズル1010, 1012又は1014を通して研磨用容器に入るおそれがあり、そして、電解研磨プロセスを劣化するか、又はLMFCが使用される場合にはLMFCを詰まらせるおそれがある汚染物質の量を低減することができる。このようにして、汚染物質が研磨用容器1008に入り、且つ/又は、LMFCを詰まらせるのが防止される。この実施例において、パス・フィルタ1018は約0.05〜約0.1μmよりも大きな粒子を好適に除去する。しかし云うまでもなく、特定の用途に応じて、種々の濾過システムを使用することもできる。加えて、汚染物質の濾過は有利ではあるものの、パス・フィルタ1018はいくつかの用途において、ウェハー研磨アセンブリから省くことができる。
電解質流体1038は、任意の好都合な電解研磨用流体、例えばリン酸などを含むことができる。好ましくは、電解質流体1038は、濃度が約60重量%〜約85重量%、好ましくは約76重量%のオルトリン酸(H3PO4)を含む。さらに、電解質流体1038は好ましくは、約10重量%〜約40重量%のグリコールを含み、残余は(酸の重量に対して)約1%のアルミニウム金属を含む。しかし、電解質流体1038の濃度及び組成は特定の用途に応じて変化してよい。
ポンプ1020は、任意の好適な液圧ポンプ、例えば遠心ポンプ、ダイヤフラム・ポンプ及びベローズ・ポンプなどを含むことができる。さらに、ポンプ1020は、酸、腐蝕及び汚染に対して抵抗性を有していてよい。1つのポンプ1020が図示されているが、云うまでもなく任意の数のポンプ1020を使用することもできる。例えば、各ノズル1010, 1012及び1014に対応して、別個のポンプを使用することもできる。加えて、いくつかの用途において、ポンプ1020なしで、ノズル1010, 1012及び1014を通して電解質流体1038が研磨用容器1008内に流入することができる。例えば、電解質流体リザーバ1070内で電解質流体1038を所定の圧力に維持することができる。或いは、電解流体リザーバ1070とノズル1010, 1012及び1014との間の供給導管を所定の圧力に維持することもできる。
LMFCは、任意の好都合な質量流量制御器を含むことができる。質量流量制御器はさらに酸、腐蝕及び汚染に対して抵抗性を有することが好ましい。加えて、LMFCは、ノズル1010, 1012及び1014の横断面積と比例する流量で、電解質流体1038を好適に供給することができる。例えば、ノズル1012の直径がノズル1014よりも大きい場合、LMFCは、より大きい流量で電解質流体1038をノズル1012に供給すると有利な場合がある。この実施例において、LMFCは、ノズルのサイズ、及びノズルとウェハーとの間隔などに応じて、1分間当たり0.5リットル〜40リットルの流量で、電解質流体1038を供給するように構成されていることが好ましい。
電解質流体リザーバ1070はさらに、電解質流体リザーバ1070内の電解質流体1038の温度を制御するために、熱交換器1036と、冷却器/加熱器1034と、温度センサ1032とを含んでいる。さらに、電解質流体リザーバ1070内には、1つ又は2つ以上の電極1028が含まれていてよく、この電極は電源1030に接続されていてよい。電極1028に電荷を印加することにより、電解質流体1038から金属イオンが除去され、これにより電解質流体1038の金属イオン濃度が調節される。電解質流体1038に金属イオンを添加するために、電極1028に対向電荷を印加することができる。
ウェハー研磨アセンブリのこの実施例はさらに、ノズル1012及び1014内に配置された電極を含む。下記にさらに詳しく説明するように、この実施例は、2つの電極を内部に有する2つのノズルを含むが、使用されるノズルの数及び1つのノズル当たりの電極の数は、2つよりも少なかろうが多かろうが任意の数であってよい。一般に、ノズル内部の電極の表面積が増大するにつれて、電解質流体1038の流れのプロフィール全体にわたる電流密度及び電解研磨速度は増大する。
図1D及び図1Eに示すように、ノズル1012は電極1056を含み、及びノズル1014は電極1060を含んでいる。電極1056及び1060は、任意の導電性材料、例えば銅、ステンレス鋼、タンタル(Ta)、チタニウム(Ti)、TaN、TiN、鉛及び白金などを含んでよい。
電解研磨プロセス中、ウェハー1004上の金属層から移動した金属イオンのうちのいくつかが、電極1056及び1060上に蓄積することがある。下記にさらに詳しく説明するように、金属蓄積物又は金属メッキは、メッキ除去プロセスにおいて除去することができる。例えば、電極1056及び1060が正に荷電させられ、ウェハー1004が負に荷電させられると、ウェハー1004は、電解研磨されずに電気メッキされる。このように、またこれと同様に、電極1056及び1060上にメッキされた金属を除去すること、つまりメッキ除去することができる。或いは、電極1056及び1060を任意の好適な時点で交換することもできる。例えば、約100個のウェハーを処理した後で、電極1056及び1060を交換することもできる。
幾つかの実施例において、金属層は銅を含むことができる。従って、電解研磨プロセス中、研磨されている金属層からの銅イオンのうちの幾つかが移動することにより、電極1056及び1060を電気メッキする。しかし、電極1056及び1060が銅を含む場合、電極1056及び1060は、メッキ除去プロセス中に溶解して変形する場合がある。従って、幾つかの実施例の場合、電極1056及び1060が、メッキ除去プロセス中に溶解されることに対して抵抗性を有する材料を含むことが望ましい。例えば、電極1056及び1060は白金又は白金合金を含んでよい。或いは、電極1056及び1060は、例えば厚さ約50μm〜約400μmの白金層が好適に塗被されたチタニウムを含んでもよい。
この実施例の装置の場合、ウェハー・チャック1002は研磨用容器1008内又は研磨用容器1008の上方で、ウェハー1004を好適に保持して位置決めする。より具体的には、ウェハー1004は、ノズル1010、1012及び1014と対向してシュラウド1006内に好適に位置決めされる。シュラウド1006は任意にはウェハー1004の周りに含まれ、これにより、下記にさらに詳しく説明するように、跳ねなどを防止する。
ウェハー1004を研磨用容器1008内に好適に位置決めしたあと、電極1056及び1060は電源1040により荷電させられる。さらに、ウェハー1004も電源1040により荷電させられる。或いは2つ以上の電源を使用して、電極1056及び1060とウェハー1004とに荷電させることもできる。適切に荷電が行われ、電解質流体1038がノズル1012及び1014内部の電極1056及び1060と、ウェハー1004の表面との間に流れると、電気的な回路が形成される。より具体的には、電極1056及び1060は荷電させられることにより、ウェハー1004と比較して負の電位を有する。電極1056及び1060におけるこの負の電位に応じて、金属イオンがウェハー1004から離れて電解質流体1038中に移動し、こうしてウェハー1004を電解研磨する。しかし回路の極性が逆転されると、金属イオンはウェハー1004に向かって移動し、こうしてウェハー1004を電気メッキする。
さらに、図1A及び1Cに示すように、ノズル1010は噴射ノズル1052と、終点検知器1016とを含む。電解研磨プロセス中、噴射ノズル1052は電解質流体1038を供給するように構成することができ、終点検知器1016はウェハー1004上の金属層の厚さを検出するように構成することができる。終点検知器1016は種々のセンサ、例えば超音波センサ、光反射センサ、及び電磁センサ(例、渦流センサ)などを含むことができる。噴射ノズル1052によって供給された電解質流体1038は、終点検知器1016が信号を発して金属膜の厚さを測定する媒質として作用することができる。信号を伝達するための単一の媒質として電解質流体1038を使用することにより、終点検知器1016によって求められる測定値の精度が高められる。なぜならば電解質流体1038は単相を提供するからである。対照的に、噴射ノズル1052が電解質流体1038を提供しない場合には、終点検知器からの放射体及び測定体は、ノズル1012又はノズル1014によってウェハー1004に加えられる電解質流体1038を通過する前に、種々の他の媒質、例えば空気などを通過することができる。下記に述べるように、経時変化し得る電解質流体1038の更新された特性又はリアルタイムの特性を有することにより、終点検知器1016の精度を高めることもできる。さらに、1つのノズル1010が終点検知器1016を有するように図示されているが、任意の数の終点検知器を有する任意の数のノズルが使用されてもよい。
さらに図1Aに示すように、アクチュエータ100はチャック1002とウェハー1004とをz軸を中心として回転させることができる。さらにいくつかの用途では、アクチュエータ100はチャック1002とウェハー1004とをx方向に沿って運動させることができる一方、ノズル1010, 1012及び1014は定置のままである。その他の用途の場合、ノズル1010, 1012及び1014はx方向に沿って運動可能であり、これに対してチャック1002とウェハー1004とはx方向に沿っては定置のままである。さらに別の用途の場合、アクチュエータ1000はチャック1002とウェハー1004とをx方向に沿って運動させることができる一方、ノズル1010, 1012及び1014もx方向に沿って運動する。
さらに、電気メッキ装置は、別の様式で配向することができる。例えば、ノズル1010, 1012及び1014をウェハー1004の上方に位置決めし、これにより電解質流体がウェハー1004に向かって下方に導かれる。加えて、ウェハー1004は、ノズル1010, 1012及び1014がウェハー1004に向かって電解質流体を導くように鉛直方向に方向付けすることができる。
ウェハー電気メッキ装置例の付加的な論議に関しては、1999年7月2日付けの米国特許第6,395,152号明細書(標題「METHODS AND APPRATUS FOR ELECTROPOLISHING METAL INTERCONNECTIONS ON SEMICONDUCTOR DEVICES(半導体デバイス上の相互接続部を電解研磨するための方法及び装置)」)を参照されたい。上記明細書の全体を参考のため本明細書中に引用する。さらに、終点検知器例の付加的な論議に関しては、2000年5月12日付けの米国特許出願公開第6,447,688号明細書(標題「METHODS AND APPRATUS FOR END-POINT DETECTION(終点検知のための方法及び装置)」)を参照されたい。上記明細書の全体を参考のため本明細書中に引用する。
II.電解質流体の跳ねに対する保護
電解研磨法の実施例は、電解質流体1038がウェハー1004の表面に導かれる間にウェハー1004を回転させることを含む。ウェハー1004は、遠心力を形成するのに十分な速度で回転させられる。この遠心力により、入射する電解質流体1038は、ウェハー1004の表面を横切ってウェハー1004の縁部に向かって流れる。好ましくは、電解質流体1038は、表面から落下する前にウェハー1004の縁部に流れる。流れをウェハー1004の表面を横切るように導くことにより、流体がウェハー表面から落下することを防止して電解質流体1038の流れを乱すこと、又は研磨用容器1008内に電解質流体の連続的な柱(column)を形成することを防止することができる。しかし、このプロセスにより、電解質流体は容器内で跳ね、そして装置から逃げるか、又は電解質流体の流れを乱すおそれがある。従って電解研磨装置の実施例は、ウェハー1004の周りに位置決めされたシュラウド1006を含み、これにより、遠心力の作用を受けている液体が、研磨用容器1008内で跳ねるか又は研磨用容器1008から逃げるのを低減又は防止する。
図1A及び1Bは、ウェハー1004とチャック1002とを取り囲むように構成されたシュラウド1006を示す。図1Aに示すように、ノズル1012は、電解質流体の流れをウェハー1004の表面に提供することができる。ウェハー1004上の金属膜をより均一に研磨するために、ウェハー1004は、電解質流体1038がウェハー1004を横切ってチャック1002の露出部分に流れるように、しかもこの場合、電解質流体がウェハー1004の表面から研磨用容器1008内に落下することがないように回転させることができる。電解質流体がウェハー1004から落下し、ウェハー1004と研磨用容器1008との間に電解質流体の連続的な柱を形成する場合、このような電解質流体はいずれも、この柱が形成された場所でウェハー1004の過剰研磨を引き起こすおそれがある。この付加的な研磨は、金属層の不均一で予測不能な研磨速度を招くおそれがある。
加えて、ウェハー1004から落下するか又は研磨用容器1008内で跳ねるいずれの電解質流体も、ノズル1012によって供給される電解質流体の流れを妨げるおそれがある。電解質流体1038の流れの形状、又はより具体的には電解質流体1038の流れのプロフィールは、電解研磨装置の電流密度及び研磨速度に影響を与える。従って、電解質流体1038をウェハー1004の表面に沿って、ウェハー1004の縁部に向かって流し、そしてウェハー1004に向けられた電解質流体1038の流れから離反させることが望ましい。
使用される電解質流体の粘度に応じて、適切な回転速度でウェハー1004を回転させ、これにより、ウェハー1004を横切ってウェハー1004の縁部に向かうように電解質流体を流すことできる。回転速度は、電解質流体1038がウェハー1004を横切って流れ、しかもウェハー1004の表面から落下して連続的な柱を形成することなく、又は、電解質流体1038の流れを妨げることのないような速度であるべきである。具体的には電解質流体の粘度が低ければ低いほど、より高い遠心加速度が必要となる。例えば、85%のリン酸の場合、遠心加速度は、約1.5メートル/秒2を上回るように選択することができる。実施例の方法の場合、直径300mmのウェハーが約100回転/分(rpm)〜約2,000rpm以上の範囲内、好ましくは約1,500rpm〜約2,000rpmの範囲内で回転させられる。
典型的には、ノズル1012又は1014は、ウェハー1004の表面全体を走査し、これによりウェハー1004をより均一に研磨することになる。ウェハー1004を回転させることにより、ノズル1012がウェハー1004の種々異なる部分を走査しているときに、入射電解質流体1038上に一定の遠心加速度を形成することができる。例えば、遠心加速度は、ウェハーの中心からの半径方向距離及び回転速度の二乗に対して直接的に比例する。従って、ウェハー1004の回転速度は、ノズル1012又は1014がウェハー1004の縁部の近くのウェハー1004の部分、つまり大きな半径を研磨しているときには低減することができ、また、ウェハー1004の中心近くの部分、つまり小さな半径を研磨しているときには増大させることができる。
典型的には、電解質流体が上述のようにウェハー1004に供給されると、電解質流体はウェハー1004の縁部に向かって流れ、さらにウェハー1004の縁部を通過して研磨用容器1008の壁に向かって流れることができる。シュラウド1006が設けられていない場合には、電解質流体1038は研磨用容器1008の壁と接触し、容器内で跳ね、これにより、電解質流体1038の流れを乱すか、又は研磨用容器1008から逃げるおそれがある。
図1A及び1Bに示すように、シュラウド1006をウェハー1004及びチャック1002の周りに配置して、これにより、電解質流体1038が研磨用容器1008内で跳ねるか、又は研磨用容器1008から逃げるのを低減又は防止することができる。さらにシュラウド1006は、研磨プロセス中にチャック1002及びアクチュエータ1000とx方向で一緒に運動することができる。具体的には、機械的なアタッチメント、継手などでシュラウド1006をチャック1002及び/又はアクチュエータ1000に取り付けることができる。或いは、シュラウド1006の運動をチャック1002及びアクチュエータ1000と同期する別のアクチュエータが、シュラウドを別個に駆動することもできる。シュラウド1006をチャック1002と同時に又は他の形式で回転させることもできる。
シュラウド1006は、任意の好適な形状、例えば円形及び多角形などの形で形成することができる。好ましくはシュラウド1006は、電解質流体1038がウェハー1004から流出した後の電解質流体の跳ねを低減し、そして研磨用容器1008内に電解質流体1038を含有するように成形される。チャック1002とシュラウド1006との間のギャップは、約1mm〜約10mmの範囲内、好ましくは約5mmであってよい。加えて、図1Aに示すように、シュラウド1006の側壁の横断面をL字形に形成することにより、電解質流体が跳ねてシュラウド1006又はチャック1002を超えることを防止することができる。しかし、シュラウド1006の横断面は種々の他の形状を有することができる。例えばシュラウド1006の側壁、すなわちL字の縦の部分は、その他の形状、例えばC字形などで形成することができる。さらに、シュラウド1006を内向き又は外向きにテーパさせることにより、跳ねなどを低減することができる。シュラウド1006は、図1Aに示したものよりも、ウェハー1004及びチャック1002の上方又は下方にさらに延びることもできる。
シュラウド1006は、プラスチック及びセラミックなどから、又は、耐蝕性金属又は合金、例えばタンタル、チタニウム、及び300系列のステンレス鋼などから形成することができる。さらに、シュラウド1006には、耐電解質流体性の材料、例えばテフロン（登録商標）などを塗被することができる。
しかし云うまでもなく、上記電解研磨法は、電解質流体1038がウェハーの縁部を通過してシュラウド1006上に入射することを必要とはしない。電解質流体1038が研磨用容器1008と連続的な柱を形成するという問題、及び、電解質流体1038が研磨用容器1008内で跳ねるか又は研磨用容器1008から跳ね出るという問題は、電解質流体が完全にウェハー1004を横切って流れることなしに、軽減又は防止することができる。例えば、電解質流体がウェハー1004から落下する前に、ウェハー1004の表面の一部に沿ってウェハー1004の縁部に向かって流れるようにウェハー1004を回転させるだけで、不所望な効果を低減又は防止することができる。
III. 縁部の過剰研磨の低減
別の観点において、ウェハーの縁部又は縁部の近くの過剰研磨を低減するための電解研磨法及び電解研磨装置を説明する。典型的には、ウェハーの縁部又は縁部近くの金属層の一部が、ウェハーのその他の領域上の金属層部分よりも速く研磨される。ウェハーの縁部に接続された電極が、ウェハーの縁部領域近くの電解質流体中の電流密度を増大させ、その結果研磨速度を増大させることがある。一般に、ウェハーの縁部又は縁部近くに配置された導電性部材、例えばリングなどを用いて、電解質流体を通して電流密度の一部を吸収することにより、ウェハーの縁部近くのより高い電流密度及び研磨速度を低減することができる。吸収される電流量を変化させるために、導電性部材に荷電させることにより縁部近くの電流密度を調節し、これにより電流密度をより高い程度まで制御することもできる。
図7を参照すると、縁部の過剰研磨を低減するための装置及び方法の実施例が示されている。電解質流体7080の流れがノズル7054からウェハー7004に加えられる。ウェハー7004が、ウェハー7004上の金属層を研磨することができる電解質流体7081の薄層を形成するのに十分な回転速度で回転させられる。典型的には、ウェハー7004の縁部に電極が接続されていると、ウェハー7004の縁部又は縁部近くの金属層は、ウェハー7004の他の領域上の金属よりも高速で電解質流体7081の薄層によって研磨される。従って、ウェハー7004の縁部又は縁部近くの金属層は、過剰研磨されるおそれがある。
チャック7002は導電性部材7114を含んでいる。この導電性部材7114は、ウェハー7004の縁部又は縁部近くの過剰研磨量を低減することができる。例えば、ウェハー7004及び導電性部材7114の双方は、電源7110に接続して荷電させることができるので、電解質流体7081の薄層内の研磨用電流の一部が導電性部材7114によって吸収される。研磨用電流の一部を吸収することにより、導電性部材7114は、ウェハー7004の縁部又は縁部近くの金属層の研磨速度を低減し、そして過剰研磨を低減又は防止することができる。
導電性部材7114は、ウェハー7004の縁部近く又は縁部に位置決めされた単一のリングを含むことができる。或いは、導電性部材7114は2つ又は3つ以上の区分を含むことができる。これらの区分はウェハー7004の縁部又は縁部近くに配列されている。導電性部材7114は金属又は合金、例えばタンタル、チタニウム及びステンレス鋼など、並びに、電解質流体7081と接触するのに適したその他の導電性材料を含むことができる。
さらに、ウェハー7004は図7に示すように、ウェハー・チャック7002と導電性部材7114との間に位置決めすることができる。例えば、ロボット・アームなどがウェハー7004をウェハー・チャック7002と隣接して、又はウェハー・チャック7002と導電性部材7114との間に位置決めすることができる。次いでウェハー・チャック7002と導電性部材7114とを一緒に合わせるか又は近接させることにより、ウェハー7004をこれらの間に保持することができる。従って、この実施例のアセンブリは付加的な要素、例えば、ウェハー・チャック7002と導電性部材7114とを一緒に整列させて保持するためのホルダ又はポジショナ、並びに、導電性部材7114と、ウェハー704に荷電させるように形成されたコンタクトとの間の絶縁性部材を含むことができる。
云うまでもなく、図7に示した装置の実施例は、図1Aに示したようなその他の構成要件を含むこともできるが、しかしこれらの構成要件は、この具体例を説明するために省略されている。例えばこの実施例の装置と共にシュラウド1006(図1A、1B)、並びに種々のポンプ、ノズル、フィルタなどを使用することができる。
図8Aは、ウェハーの縁部近くの研磨速度を低減するのに有用な電解研磨装置の別の実施例を示す。導電性部材8114を備えたチャック8002が図示されている。この導電性部材は、ウェハー8004の縁部又は縁部近くの過剰研磨量を低減することができる。図8Aは図7と類似しているが、但し図8Aの場合、導電性部材8114は、スペーサ要素8118によってウェハー8004から分離されている。スペーサ要素8118は例えばOリングである。スペーサ要素8118はさらに、電気的に絶縁性であり、さらに酸及び腐蝕に対して抵抗性を有する材料、例えばセラミック、ポリテトラフルオロエチレン(商業的にはTEFLON（登録商標）として知られる)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリプロピレン、シリコン・ゴム及びVitonゴムなどから形成されてよい。導電性部材8114は電源8112に接続され、第2の導電性部材又は電極、例えばばね部材8119が電源8110に接続されている。図示のように、導電性部材8114を貫流する電流を電源8112によって調節又は制御することにより、ウェハー8004の縁部又は縁部近くの金属層の研磨速度を制御することができる。一般に、下側のチャック8114によって吸収される電流量が増大するのに伴い、ウェハー8004の縁部又は縁部近くの金属層の研磨速度は減少する。
電源8112は、DC電源、及び、主研磨用電源8110と同期するAC電源などであってよい。AC電源は、順方向パルス電源、及び順方向・逆方向電源を含むこともできる。さらに、電源8112は、定電流モード、定電圧モード、又は定電流モードと定電圧モードとの組み合わせで作動させることができる。この組み合わせにおいては、研磨時間のうちの一部の時間にわたって定電流モードが印加され、研磨時間のうちの他の部分の時間にわたって定電圧モードが印加される。電源8112の代わりに可変抵抗器を使用することにより、種々の電荷を導電性部材8114に印加することもできる(例えば図9A参照)。さらに、導電性部材8114とばね部材8119との間に、可変抵抗器が含まれてよい。
導電性部材8114は同様に、金属又は合金、例えばタンタル、チタニウム、及びステンレス鋼など、並びにその他の導電性材料を含んでよい。さらに、導電性部材8114はウェハー8004の縁部近く又は縁部に位置決めされた1つ又は2つ以上の区分を含んでよい。
従ってこの実施例の電解研磨装置の場合、ばね部材8119及び導電性部材8114を通してウェハー8004に印加される電荷は、それぞれ電源8110及び8112によって別個に制御することができる。このことは、ウェハー8004の縁部領域近くの電流密度をより大幅に制御することにより、この縁部領域の過剰研磨を制御して低減することを可能にする。
図8Bは、図8Aの導電性部材8114とウェハー8004とで形成された構成及び接続を示す拡大図である。具体的には、導電性部材8114は電源8112によって荷電させられ、スペーサ要素8118によって、ウェハー8002から所定の間隔を置いて配置されている。ウェハー8004は電源8110によって別個に荷電させられる。この電源8110は、ウェハー8004の縁部の周りに位置決めされたばね部材8119に接続されている。ばね部材8119はウェハー8009に電荷を提供する。この電荷は、例えばウェハー8004の縁部の周りに位置決めされたいくつかの電極よりも均一に、ウェハー8004の周りに分配される。導電性部材8114とばね部材8119とに別個の電荷が印加される場合には、導電性部材8114とばね部材8119との間に、絶縁性部材8121が位置決めされていてよい。ばね部材8119は、リングに形成されたコイルばねとして形成されてよい(例えば図8C参照)。しかし、他の横断面プロフィール、例えば楕円形横断面プロフィールも可能である。さらに、用途に応じて、任意の数のコイルばねを使用することができる。ばね部材は任意の導電性材料、例えばステンレス鋼、ばね鋼、及びチタニウムなどから形成することができる。ばね部材8119は、耐蝕性材料から形成するか、又はこのばね部材8119に、耐蝕性材料、例えば白金、TiN及びTaNなどを塗被することもできる。
ばね部材8119内のコイル数を変えることにより、ウェハー8004と電源との間に形成された接点の数を変えることができる。こうして、ウェハー8004に印加された電荷は、ウェハー8004の外周縁を巡るようにより均一に分配することができる。例えば200mmのウェハーの場合、約1〜約10アンペアの電荷が印加されるのが典型的である。ウェハー8004との接点を約1,000個形成するようにばね部材8119を構成することにより、電荷は1接点当たり約1〜約10ミリアンペアに低減された。
しかし云うまでもなく、ウェハー8004は1又は2以上の電気的なコンタクトによって荷電させることもできる。さらに、ウェハー8004の周りに電荷を分配するための任意の手段を有利に使用することもできる。
導電性部材8114がスペーサ要素8118によってウェハー8004から分離されていると、ばね部材8119が電解質流体に晒されている場合、短絡が生じるおそれがある。ばね部材8119の短絡は、ウェハー8004の縁部近くの研磨速度の均一性を低減するおそれがある。従って一実施例において、スペーサ要素8118は、電解質流体からばね部材8119を隔離するためのシールとして役立つ。スペーサ要素8118は、防蝕性材料、例えばViton(フルオロカーボン)ゴム、及びシリコーン・ゴムなどから形成されていてよい。さらに、スペーサ要素8118は、特定の用途に応じて種々の形状及び構成を有していてよい。
図8Cは、ウェハー縁部近くの研磨速度を低減するのに有用な、この実施例の電解研磨装置と一緒に使用するためのウェハー・チャック・ホルダーの実施例を示す分解図である。このウェハー・チャックはボディを含み、このボディは、ボディの上側部分に位置するベース区分8002と、導電性部材8114とを有している。ボディのベース区分8002と導電性部材8114との間に、ウェハー8004が保持される。ウェハー・チャックはさらに、ウェハー8004とアセンブリとを一緒にクランプするか又はその他の形式で保持するための上側ホルダ(図示せず)を含んでよい。第1の導電性部材8114に加えて、ウェハー・チャックは、ウェハー8004に電荷を印加するための第2の導電性部材、例えばばね部材8119を含む。幾つかの実施例において、ウェハー・チャックはさらに、絶縁体部材8121とスペーサ部材8118とを含んでもよい。これらの部材は、ベース区分8002と、ボディの下側部分に含まれる導電性部材8114との間に配置される。しかし云うまでもなく、図7に示すように、幾つかの実施例では、ばね部材8119とスペーサ部材8118とを省略することができる。ばね部材8119が省略される場合、ウェハー8004に電荷を印加するための第2の導電性部材として、電極又はこれに類するものが含まれてよい。
この実施例の場合、ウェハー8004とスペーサ部材8118との間に、ばね部材8119が配置されている。導電性部材8114とベース区分8002とを一緒に保持するために圧力が加えられると、ばね部材8119は、ウェハー8004に対する電気的な接触を維持するように適合する(図8B参照)。さらに、スペーサ部材8118は、ばね部材8119を電解質流体から保護するシールを形成するように、導電性部材8114とウェハー8004との間で適合し、そして所望の場合には、ばね部材8119と導電性部材8114との間の電気的な絶縁を可能にする。
半導体ウェハーの形状は実質的に円形であるのが典型的である。従って、ウェハー・チャックの種々の構成部分は、実質的に円形形状を有するものとして図示されている。しかし云うまでもなく、ウェハー・チャックの種々の構成部分は、特定の用途及び/又はウェハーの形状に応じて、種々の形状を含むことができる。例えば、半導体ウェハーは切頭形状を有していてよく、この形状に、ウェハー・チャックの構成部分が適合する。
ウェハーを保持し、ウェハーに電荷を印加するための、上記装置及び方法に適したウェハー・チャック・アセンブリのその他の構成例は、2001年6月19日付けで発行された米国特許第6,248,222号明細書(標題「METHODS AND APPRATUS FOR HOLDING AND POSITIONING SEMICONDUCTOR WORKPIECES DURING ELECTROPOLISHING AND/OR ELECTROPLATING OF THE WORKPIECES(工作物の電解研磨及び/又は電気メッキ中に半導体工作物を保持して位置決めする方法及び装置)」)に見出すことができる。上記明細書の全体を参考のため本明細書中に引用する。
図9Aは、ウェハーの縁部近くの研磨速度を低減するのに有用な電解研磨装置の別の実施例を示す。具体的には、ウェハー・チャック9002は導電性部材9114を含み、この導電性部材9114は、ウェハー9004の縁部又は縁部近くの過剰研磨量を低減することができる。図9Aは図8Aと類似しているが、但し図9Aの場合、導電性部材9114は絶縁リング9115と、絶縁リング9115内に形成された導電性リング9116とを含んでいる。絶縁リング9115は非腐蝕性の絶縁材料、例えばプラスチック及びセラミックなどを含むことができる。導電性リング9116は、金属又は合金、例えば白金、タンタル、チタン及びステンレス鋼などを含むことができる。導電性リング9116は、可変抵抗器9112などを介して電源9110に接続されていてよい。加えて、導電性部材9114とウェハー9004との間にスペーサ要素9118、例えばOリングなどを配置することにより、1つ又は2つ以上の電極を介して電源9110に接続されたウェハー9004の部分に電解質流体が接触するのを防止することができる。さらに、ウェハー9004に電荷をより均一に分配するために、ばね部材など(図示せず)を含むこともできる。
図9Aに示す装置の実施例は、少量の導電性材料を導電性材料9114と共に使用するのを可能にする。このことは、装置を低廉にし、軽量化し、そして作動中の消費電力を低減するのを可能にする。さらに、導電性部材8114(図8A、8B)と比較して、導電性部材9114の表面積が小さいことにより、ウェハー8004の縁部領域における電流密度をより大幅に制御することが可能になる。さらに、図9A(及び図7)の構成を、図7及び図8A〜8Cの構成と共に有利に使用することができる。
図9Bは、電解研磨装置の別の実施例を示す拡大図である。この実施例は図9Aと類似しているが、但し図9Bの場合、導電性部材9114は、導電性部材9114の下側部分、すなわちウェハー9004とは反対側に形成された絶縁部材9121を含んでいる。さらにウェハー・アセンブリは、ウェハー9004上の金属層9005が導電性スペーサ要素9118を介して縁部近くで荷電させられるように構成されている。
こうして図9Bに示すように、電解質流体9080がウェハー9004の縁部近くに導かれるのに伴って、電流の一部I1は金属層9005に流れ、電流の第2の部分I2は導電性部材9114に流れる。導電性部材9114の下側部分に形成された絶縁性部材9121は、電流I2を低減し、金属層9005に流れる電流I1を増大させるのに役立つ。従って、絶縁性部材9121及び導電性部材9114の相対的な厚さを調節することにより、電流I1及びI2をこれに応じて調節することができる。
IV. ウェハー上の断片化金属層の電解研磨法
ウェハーに被さるように形成された金属層は電解研磨プロセス中に断片化される場合がある。例えば、ウェハー表面上に、1つ又は2つ以上の不連続的な金属領域が生じることがある。これが発生すると、金属層のいくつかの断片が、電極が配置されたウエハーの縁部から隔離されるようになるおそれがある。このような事例において、従来の電解研磨法では、これらの断片化区分を効率的に研磨することはできない。なぜならば、電極が断片化金属層に荷電させないからである。一実施例の方法では、金属層の断片化部分の周りに配置された導電性部材と共にウェハーを回転させることにより、電解質流体の薄層を断片化部分全体に形成し、導電性部材と接触させることができる。電解質流体の薄層及び導電性リングは断片化部分が電解研磨されることを可能にする。
図11A及び11Bに示すように、金属層1150は、例えば研磨プロセス中に断片化されるようになっている。金属層11150の断片は、電極(図示せず)が電源11110に接続されているウェハー11104の縁部に接続又は配置されていない。金属層11150の断片がウェハー11004の縁部には配置されておらず、或いは、金属によってこれらの縁部に接続されていないので、断片を通して、ウェハー11004の縁部に設けられた電極に電流を導くすることはできない。従って、従来の研磨法、例えば研磨浴におけるウェハーの浸漬などは、これらの断片を研磨する上で一般には効果的でない。
金属層の断片11150は例えば、バリヤ層の露出部分を含むことがある。これらの露出部分は、銅層が研磨により除去された後、トレンチのない半導体デバイス部分に残される。さらに、金属層の断片11150は例えば、縁部領域の不均一な研磨又は過剰研磨の結果として生じることがある。
図11Bを参照すると、ウェハー11004上の金属層の断片11150を電解研磨するための電解研磨装置の実施例が示されている。このシステムはチャック11002と、アクチュエータ11000と、定置ノズル11054と、電源11110とを含んでいる。定置ノズル11054が電解質流体11080の流れをウェハー11004に加えるのに伴って、アクチュエータ11000がチャック11002を回転させ、これにより、上述のように電解質流体11080がウェハー11004の表面を横切って流れ、金属層11150の断片化部分全体にわたって延びる薄層11081を形成することができる。例えば、直径300mmのウェハーの場合、約100rpm〜約2000rpmの範囲、好ましくは約1500rpmでウェハー・チャック11002を回転させることができる。薄層11081は金属層断片11150を横切る経路を提供することにより、電解質流体11080の流れとチャック11002の導電性部材11114との間で電流を導くことができる。この電流は、ウェハー11004上の隔離された金属層断片11150を電解研磨するのを可能にする。
加えて、図11Bに示す実施例の装置は、図1Aに示すような大型電解研磨アセンブリの一部であってよい。例えば、シュラウド1006(図1)を含むことにより、跳ね、不均一な研磨、又は電解質流体1038の研磨流の混乱を防止することができる。さらに、縁部研磨の低減に関して上述した導電性部材11114の種々の実施例を、図11Bの装置と共に用いることができる。
図12が示す別のシステムを使用して、ウェハー12004上の金属層断片を電解研磨することができる。図12は図11と類似しているが、但し図12の場合、アクチュエータ12180及び12182はノズル12054をx方向に沿って動かすことができるのに対し、アクチュエータ12000は定置の位置においてチャックを12002を回転させる。
図11B及び12が示すシステムの場合、チャック又はノズルがx方向に沿って運動するが、云うまでもなく、特定の用途に応じて、チャック及びノズルの両方を種々の方向に運動させることもできる。
V. 金属濃度の測定及び終点検知の制御
大量生産環境においてウェハーの研磨品質をより一貫した許容可能なものにする上での1つのファクタは、ウェハーを研磨するのに使用される電解質流体の供給部内の金属濃度を制御することである。電解質流体の供給部内の金属濃度が所定の値に達すると、電解質流体は、電流が加えられていないときにも極めて活性になることができる。このことは、例えば電解研磨後のプロセス中にウェハーの化学エッチング又は腐蝕を引き起こすことがある。従って、プロセス実行中に電解質流体中の金属濃度をモニターし、そして所望の通りにリアルタイムに基づいて調節を行うことが望ましい。
さらに、終点検知センサは典型的には光検知器を使用する。光検知器は電解質流体を通して測定する。従って測定値は、少なくとも部分的には電解質流体の光学特性に依存する。しかし電解質流体の光学特性は、電解質流体中に溶解された金属の濃度、並びに、その他のファクタ、例えば電解質流体中の汚染粒子、水素気泡形成などに応じて経時変化し得る。従って、電解質流体の光学特性がプロセス実行中に変化するのに伴って、終点検知器から得られる測定値をこれに応じて調節し、これにより、終点検知測定の精度を高めることができる。
図10Aは、電解質流体10038の供給部、例えば電解質流体リザーバ1070(図1A)内などの金属濃度を測定するのに使用可能なシステムの実施例を示す。この実施例のシステムは、ファイバ・プローブ10102と、光ファイバー・センサ10104と、反射体10100とを含んでいる。ファイバ・プローブ10102と反射体10100とを電解質流体10038中に浸漬することができ、そして、ファイバ・プローブ10102から発せられた光が反射体10100によって反射させられて、最大光度でファイバ・プローブ10102に戻るのを可能にするように、ファイバ・プローブを反射体10100に対して位置決めすることができる。例えば図10Aに示すように、反射体10102の表面に対して垂直な方向で発光するように、ファイバ・プローブ10102を位置決めすることができる。
加えて、反射体10100とファイバ・プローブ10102との間の距離Hは、電解質流体中の金属濃度の測定精度をもたらすことができる。例えば、金属濃度が電解質流体10038の供給部内で最小濃度に達したときに、光センサ10104によって受容される光の強度が最大値に達するように、距離Hを選択することができる。云うまでもなく、光センサ10104と反射体10100との間のその他の経路を選択することができ、このような経路は、用途及び所望の経路の長さに応じて多重経路と多重反射とを有する経路を含む。ファイバ・プローブ10102は、流体リザーバの外部に配置されてもよく、この場合、経路は電解質流体1038の一部を横切る。さらに、光センサ10104によって受容される光度を検出するように位置決めされた光センサを、反射体10100の代わりに使用することもできる。
一般に、電解質流体の色は、電解質流体中に溶解された金属イオンのタイプ及び濃度に依存する。例えば、リン酸(H3PO4)中の銅イオンは青色を有している。加えて、電解質流体を通る光の強度は、電解質流体の色に応じて減衰し得る。一般に、電解質流体中の金属イオンの濃度が増大するのに伴って、光度の減衰も増大する。
図10Aに示したシステムに関して、電解質流体中の金属濃度と光度減衰との関係を、このシステムと一緒に使用される特定の金属及び電解質流体について下記のように表に示す：
Figure 2006316352
表に示したこの情報はコンピュータ10105に保存することができる。表の情報を使用して、コンピュータは補間法、丸め法又はその他の概算法を用いて、光センサ10104によって検出された光度を基準にして、電解質流体中の金属濃度を自動的に計算することができる。金属濃度(重量%)に関して上記表に特定の値を挙げたが，任意の値を使用することができ、又は任意の数の値を使用することもできる。
ファイバ・プローブ10102によって発せられる光の色を選択することにより、光センサ10104によって検出される測定値の感度を高めることができる。具体的には、ファイバ・プローブ10102によって発せられる光の色を、電解質流体供給部内の金属イオンの色と異ならせることにより、特定の金属イオンに対する感度を高めることができる。例えば、リン酸の供給部内の銅イオンに対しては、赤色光を発することにより、緑色光を発するよりも銅イオン濃度に対する感度を高くすることができ、また、緑色光を発することにより、青色光を発するよりも感度を高くすることができる。しかし、電解質流体中の金属イオンのいずれの色に対しても、白色光を発することができる。
図10Aはまた、上記実施例のシステムの別の観点を示しており、このシステムは、電解質流体10038の供給部から金属イオンを除去するのに使用することができる。システムはさらに2つの電極10028及び10029と、電源10030とを含んでいる。光センサ10104が、電解質流体10038の供給部内の金属イオン濃度が第1プリセット値に達したことを測定すると、コンピュータ10105は、電極10028及び10029に電圧を印加することにより電解質流体供給部から金属イオンを除去するように、電源10030に指示することができる。電極10028及び10029に電圧が印加されると、電解質流体10038の供給部からの金属イオンが電極10029上にメッキされ始める。光センサ10104が、金属イオン濃度が第2のプリセット値未満に低下したことを検出すると、コンピュータ10105は、電極10028及び10029への電圧の印加を停止することにより電解質流体10038の供給部からの金属イオンの除去を停止するように、電源10030に指示することができる。こうして、電解質流体10038の供給部内の金属イオンの濃度を、例えば電解研磨プロセス中に、第1プリセット値と第2プリセット値との間で維持することができる。
電解質流体10038中の金属イオンの濃度値を用いて、終点検知器1016(図1A、1B)を支援することもできる。終点検知器1016を使用して、ウェハー1004上の金属層の厚さを測定することができる。この情報は、ウェハー1004の特定領域上で電解研磨プロセスをいつ続行すべきか、又はいつ中断すべきかを見極めるために、電解研磨装置によって使用することができる。この情報は、好適な研磨速度を見極めるのに使用することもできる。終点検知器1016は種々のセンサ、例えば超音波センサ、光センサ及び電磁センサなどを含んでよい。信号を伝達し、測定値を求めるための媒質として電解質流体1038を使用すると、測定精度が高められる。なぜならば媒質界面、例えば空気と電解質流体1038との界面を考慮しなくても済むからである。しかし、センサに影響を与え得る電解質流体1038の特性が変化する場合、測定値は時間の経過に従って正確でなくなるおそれがある。従って、終点検知器の測定値は、電解質流体1038の特性の変化を考慮に入れることによって改善することができる。
図10Bは、電解質流体の光学特性をモニターするためのシステムの別の実施例を示す。このシステムは、例えば終点検知器測定値を調節するために使用することができる。図10Bは図10Aと類似しているが、但しこの図10Bの場合、第2の光センサ10204と第2の光ファイバ10202とが含まれる。光センサ10104、光ファイバ10102及び反射体10100は、図10Aを参照して説明したのと同様に作動する。第2の光センサ10204及び第2の光ファイバ10202も、光センサ10104及び光ファイバ10102と同様に作動するが、しかし第2の光センサ10204及び第2の光ファイバ10202は、電解質流体の他の光学特性を測定する。例えば、電解研磨プロセス中、水素気泡がしばしば電極に形成される。気泡は、電解質流体中の測定ビームを回折し、測定ビームの強度を減少させることにより、終点検知器に不都合な影響を与えるおそれがある。強度の減少は、金属イオン濃度の測定に影響を与えるが、しかし、異なる特性に対して感受性を有する複数の検知器を使用することにより、金属イオン濃度を正確に測定することができる。
気泡による電解質流体の光学特性を見極める実施例において、ここでもまたファイバ・プローブ10202によって発せられる光の色を選択することにより、光センサ10204によって検出される測定値の感度を高めることができる。この事例において、ファイバ・プローブ10202によって発せられる光の色を、電解質流体供給部内の金属イオンと同じ色として選択することにより、気泡に対する感度を高め、そして金属イオンに対する感度を低減することができる。例えば、リン酸の供給部内の銅に対しては、青色光を発すると、白色光を発するよりも気泡に対する感度が高く、銅イオンに対する感度が低くなり、白色光を発すると、赤色光を発するよりも気泡に対する感度が高く、銅イオンに対する感度が低くなる。
加えて、ファイバ・プローブ10102からの赤色光の強度はまた、電解質流体中のいかなる気泡によっても低減されるので、銅イオン濃度の測定は不正確になる。しかし第2の光センサ10204は、主として気泡に起因して銅イオン濃度には起因しない強度減少部分を示すことになる。なぜならば、ファイバ・プローブ10202の感度は、銅イオン濃度に対して低感度であるように選択されているからである。従って、赤色光の強度減少は、第2の光センサ10204によって見極められた、気泡に起因する部分を考慮することにより見極めることができる。さらに、終点検知器1010(図1A)はコンピュータ10105から電解質流体の光学特性を検索し、そして、ウェハー1004(図1A)の金属厚を正確に測定することができるようになる。こうして第2の光センサ10204は、終点検知器測定値及び金属イオン濃度測定値の両方の精度を高めることができる。
云うまでもなく、任意の数のセンサを使用することにより、電解質流体の種々の特性を測定することができる。次いで種々の特性、例えば光学特性などを保存して、終点検知器測定値などを調節又は決定するのにこれらを使用することができる。
VI. ノズルの構成
別の観点によれば、ウェハー上の金属膜を電解研磨する方法及び装置の実施例は、種々異なる研磨速度を有する複数のサイズのノズルを使用することを含む。一般に大型ノズルは、ウェハー上に形成された金属膜、例えば銅のより高い研磨速度を可能にし、小型ノズルはより低い研磨ノズルを可能にする。従って、大型ノズルを使用して、金属層を粗く研磨し、次いで小型ノズルを使用することにより、電解研磨プロセスをより正確に制御することができる。従って、種々異なるウェハー領域をより正確に研磨するためには、複数のノズルが有利である。しかし、クリーン・ルーム内の空間は限られているので、例えば複数のノズルを備えた装置はコンパクトであるのが望ましい。回転ノズル・ホルダー上に多数のノズルが構成された装置の実施例が、コンパクトな空間内での複数のノズルの使用を可能にする。
図13A、13B、13C、13D及び13Eは、複数の回転ノズルから成るアセンブリを含む電解研磨用アセンブリの実施例を示す。図13A〜13Eは図1A〜1Eと類似しているが、但し図13A〜13Eの場合、光学終点検知器1016及び渦電流式厚さ/終点検知器1009に隣接するように位置決めされた複数のノズルを有する回転ノズル1012が付加されている。図1Aにおいて矢印で示すように、回転ノズル2012は種々異なるサイズ及び/又は形状のノズル1014を回転させ、位置決めすることにより、電解質流体1038の流れをウェハー1004に導くことができる。従って、ポンプ1018は終点検知器1016のノズル1010と、単一のノズル1014とにのみ電解質流体を導く。これに対して図1Aにおいては、電解質流体1038は、図1Aにおいて使用されるそれぞれ個々のノズルに導かれる。
終点検知器1009は、ウェハー1004上に形成された金属膜の厚さを測定するために作動することができる。終点検知器1009は、電解研磨プロセス前、電解研磨プロセス中及び電解研磨プロセス後に金属膜の厚さを測定することができる。方法の一実施例において、終点検知器1009は、例えば渦電流式終点検知器を使用して、電解研磨前に、ウェハー1004全体にわたる金属膜の厚さを測定するのに使用される。この金属膜厚は次いで、電流密度及び/又は流れプロフィールを制御することによって、ウェハー1004上の種々の位置に対応する局所的な研磨速度を制御するのに用いることができる。終点検知器1009とウェハー1004との間の距離は、例えば約5〜約1000μmの範囲にある。ウェハー全体にわたる膜厚は、ウェハー1004を回転させてチャック1002を水平方向に運動させると同時に、終点検知器1009がウェハー1004の表面全体を走査するのを可能にすることにより測定することができる。しかし云うまでもなく、別の実施例において、終点検知器1009が定置のウェハー1004を走査することもできる。
次いで回転ノズル2012は、研磨されているウェハー1004の部分及び金属膜厚などに応じて、所望のノズル1014を選択するために回転することができる。例えば、金属層が厚い領域では、大型のノズルを使用することができ、また金属層が薄い領域では小型のノズルを使用することができる。このように、迅速且つ容易に相互交換することができるシンプルでコンパクトな電解研磨アセンブリ内部に、種々のサイズとプロフィールとを有する多数のノズルを含んでいると、研磨精度が向上する。
図14Aを参照すると、複数のノズルを保持する回転ノズル・ホルダ2012の実施例が断面図で示されている。回転ノズル・ホルダ2012は複数のノズル2014を保持している。駆動手段2070が、電解質流体の流れを導くための新しいノズルを位置決めする際に、駆動継手2068を介して回転ノズル・ホルダ2012を回転させる。例えばOリング2066が駆動継手1068をシールする。駆動手段2070はステッピング・モータ、サーボモータ及びニューマチック式(圧縮気体又は液体)駆動用回転手段などであってよい。回転ノズル・ホルダ2012内のノズル2014は、電極2056を含んでいる。これらの電極は、電流フィードスルー2062を通して外部電源1040(図13A)に電気的に接続されていてよい。回転ノズル・ホルダ2012はプレート2084上に載置されている。このプレートはOリング2072及びボルト2074によってチャンバ1008とシールされている。
ノズル・ホルダ2012は、プラスチック、例えばPVC、PVD、テフロン（登録商標）及びポリプロピレンなどから成っていてよく、或いは、この回転ノズル・ホルダ2012には、概ね絶縁性で非腐蝕性の材料が塗被されている。ノズル2014は、タンタル、チタン、白金及びステンレス鋼などから成っていてよい。
図14Cは、図14Aの装置を使用して、ウェハー1002から金属膜を電解研磨するプロセスの実施例を示す。ブロック1において、金属膜厚のプロフィールは、例えば、ウェハー1004が上述のように回転させられるのに伴ってx方向に並進運動する終点検知器1009によって測定される。ブロック2において、大型ノズル2014を使用して、初めは高研磨速度で金属膜を研磨することができる。高研磨速度に続いて、回転ノズル・ホルダ2012を回転させることにより、ブロック3において小型ノズル2014を用いて低研磨速度を利用することができる。ブロック1及び/又はブロック2における最初の研磨後、ブロック4において終点検知器1009、例えば過電流式終点検知器又は光学式終点検知器などを使用して、残留金属厚プロフィールを測定することができる。ブロック4において測定された残留金属厚プロフィールに基づいて、研磨用電流をブロック5において調節又は調整し、これにより、高速で厚膜箇所を研磨し、低速で薄膜箇所を研磨し、そしてフィルム厚がゼロの箇所で研磨を停止することができる。研磨用電流は、例えば、異なるノズル2014を使用し、且つ/又は、電源によって供給される電荷を変化させることによって調整することができる。ブロック6において、厚さプロフィールの測定が繰り返される(すなわちブロック4)。金属層厚がプリセット値に達した場合には、研磨プロセスを停止することができる。しかし金属層厚がプリセット値に達しない場合には、所望の厚さに達するまでブロック5を繰り返すことができる。
云うまでもなく、図14Cを参照して説明したこのプロセスに対しては、数多くの改変形及び変化形が考えられる。さらに、図14Aの装置の実施例と相俟って、その他の多数のプロセスを用いることができる。
図14Bを参照すると、複数のノズルを保持する回転ノズル・アセンブリの別の実施例が示されている。図14Bに示された回転ノズル・アセンブリは、図14Aに示したものと類似しているが、但し図14Bにおいては、駆動継手2068の代わりに、磁気カップリング式継手2078及び2082が設けられている。磁気カップリング式継手2078及び2082を使用することの利点は、駆動用継手2078がノズル・ホルダ2012に直接的には結合せず、また、図14AのOリング2066を省略できることである。このことは、電解質流体1038が駆動用継手2068を通って漏れるおそれを低減する。このように云うまでもなく、駆動用継手2068を回転ノズル・アセンブリ2112に結合する種々の方法が可能である。
図15を参照すると、複数のノズルを保持する直線運動可能なノズル・アセンブリが示されている。直線運動可能なノズル・アセンブリは、図13A〜図13Eの回転ノズル・アセンブリ2012と同様に作動するが、但し図15の場合、ノズルは回転運動ではなく、直線運動する。直線運動可能なノズル・アセンブリは電極3056を含むノズル3054、電極3220を含むノズル3222、及び電極3224を含むノズル3226を含む。これら3つのノズル3054、3222及び3226は、異なるプロフィール、例えば異なる直径を有するように構成されていてよく、従って異なる研磨速度を提供することができる。
ノズル3054、3222及び3226は、ノズル・ホルダ3180及び運動用ガイド3182を介して、水平方向、すなわちx方向で運動可能である。電極3056、3220及び3224はさらに、電気的なフィードスルー(図示せず)を介して電源3110に接続されている。電解質流体3080は、ノズル・ホルダ3180を介してノズル3054、3222及び3226に供給される。図14Cを参照して説明したように、電解研磨プロセス中に、サイズが異なるノズル3054、3222及び3226を相互交換可能に使用することにより、ウェハー1004上に配置された金属膜を除去することができる。一般に、金属膜が厚い場合には、大型ノズルを使用することにより金属膜を高研磨速度で研磨することができ、また、金属膜が薄い場合、又は少量の金属を除去することが望まれる場合には、小型ノズルを使用することにより金属膜を低研磨速度で研磨することができる。
図16A〜16Eは、複数のノズルを保持する回転ノズル・アセンブリを含む電解研磨アセンブリの実施例を示す。図16A〜16Eは図13A〜図13Eと類似しているが、但し図16A〜16Eの場合、回転ノズル4012及び4014が載置された直線運動可能なベース4180と運動用ガイド4182とが付加されている。
具体的には、複数の回転ノズル4014、光学終点検知器4016及び渦電流式厚さ/終点検知器4060が、直線運動可能なベース4180上に載置されている。直線運動可能なベース部材は、水平方向、すなわちx方向で、運動用ガイド4182に沿って運動させることができる。このアセンブリは、複数のノズルがコンパクトな空間内に含まれることを可能にする。
複数のノズル4014の構造及び作動は、図14A及び14Bに示すものと類似しているが、しかし、回転駆動手段、駆動用継手、電流貫通接続部及び電解質流体貫通接続部は、説明のために省略されている。
VII. ノズルの自動クリーニング・プロセス
別の観点に従って、電解研磨用ノズルを自動クリーニングするプロセスの実施例について説明する。典型的な電解研磨プロセス中、電解質流体中に溶解された金属は、ノズルの電極上にメッキされるようになるおそれがある。メッキされた金属はノズルの開口を制限又は変形させ、これにより、電解質流体の流れの形状及び/又は方向を変えることがある。この流れの形状が変化すると、流れの電流密度を変化させ、その結果、電解研磨装置の研磨速度を変えてしまうおそれがある。ノズルに逆電圧を印加して、金属イオンを電解質溶液中に溶解させて戻すことにより、ノズルからメッキを除去するか、又はノズルをクリーニングすることができる。例えば、金属を別のノズル又は防食用材料などにメッキすることができる。
図1A〜図1Eを再び参照すると、ウェハー1004から研磨された金属層からの金属は、電解質流体1308中に溶解されるようになり、その結果、溶解された金属の一部が、ノズル電極1056及び/又は1060上にメッキされるようになる。ノズル電極1056及び/又は1060からこの金属を除去するために、ノズル電極1056及び/又は1060に逆電圧を印加することができる。DC電源又はAC電源を使用することにより、逆電圧を印加することができる。一実施例のプロセスの場合、電解質流体中に金属蓄積物を溶解するように、逆電圧が印加される。別の実施例のプロセスの場合、使い捨てウェハー上に金属蓄積物をメッキするように、逆電圧が印加される。さらに別の実施例の場合、ブロック上に金属蓄積物をメッキするように、逆電圧が印加される。
A. DC電源を使用した、電解質流体中への金属蓄積物の溶解
図1Aを参照すると、DC電源を使用して、ノズル1012上の金属蓄積物を研磨して取り除き、これを電解質流体1038中に溶解することができる。より具体的には、導線Cを導線bに接続することができ、導線Bを導線aに接続することができるので、ノズル電極1056(図1B〜1E)はアノードとして作用し、ノズル電極1060はカソードとして作用する。電解質流体1038をノズル1012及び1014を通して供給することにより、電極1056及び1060の間に電気的な回路を形成することができ、この回路は、ノズル1012上の金属蓄積物がノズル1012から除去され、電解質流体1038中に溶解されることを可能にする。電解質流体1038中に溶解された金属の一部は、ノズル1014上にメッキされるようにすることができる。
このプロセスは1つのノズルから金属を動かし、別のノズルにメッキするだけように見えるが、ノズル1012から除去された金属の大部分は、電解質流体1038中に溶解されたままとなる。電解研磨プロセスの1実施例に対応する電解質流体1038中の金属濃度は典型的には低く、例えば3重量%未満であるので、電解研磨は、電極1012及び1014に荷電させることによって駆動され、電解質溶液1038の化学的性質によっては駆動されない。従って、ノズル1012から研磨される金属の量は、ノズル1014にメッキされる金属の量よりも多い。例えば、ノズル1014にメッキされる金属イオン1個毎に、10個の金属イオンをノズル1012から除去することができ、その結果、金属イオンの大部分が電解質流体1038中に溶解される。
図1Aを続いて参照すると、このプロセスを逆転させて、DC電源を使用して、ノズル1014上の金属蓄積物を研磨して取り除き、これを電解質流体1038中に溶解することができる。より具体的には、導線Bを導線bに接続することができ、導線Cを導線aに接続することができるので、ノズル電極1060(図1B〜1E)はアノードとして作用し、ノズル電極1056はカソードとして作用する。電解質流体1038をノズル1012及び1014を通して供給することにより、電気的な回路を形成することができ、この回路は、ノズル1014上の金属蓄積物がノズル1014から除去され、電解質流体1038中に溶解されることを可能にする。電解質流体1038中に溶解された金属の一部は、ノズル1012上にメッキされるようにすることができる。
このプロセス、すなわち、装置内に使用される各ノズルに対応する電圧を逆にするステップを繰り返すことにより、ノズルをクリーニングすることができる。一実施例のプロセスにおいて、先ずノズル1012からメッキを除去し、そしてノズル1014をメッキし、続いてノズル1014からメッキを除去し、そしてノズル1012をメッキすることにより、連続的なウェハーを電解研磨することによって、ノズルが迅速にクリーニングされる。両ノズルは効果的にクリーニングされる。なぜならば上述のように金属のほとんどが、対向ノズルにメッキされるのではなく、電解質流体1038中に溶解されるからである。
図2及び図3は、クリーニング・プロセス中におけるノズル1012及び1014の構成の二つの実施例を示す。ノズル1012及び1014は互いに近くに位置決めされ、電解質流体は、ノズル1012及び1014を通って流れ、これらのノズルの間に電解質流体の膜又は経路を形成するのが可能になる。図3に示すように、ノズル1012及び1014が互いにより近接して配置されていると、ノズル1012及び1014の間に流れる電解質流体1080の2つの膜又は経路が一緒になって、単一経路を形成することができる。この単一経路は、電気的な回路の長さを短くし、これにより、金属蓄積物の除去プロセスの効率を高める。もちろん云うまでもなく、3つ以上のノズルを用いて、この実施例の方法を採用することもできる。
B. DC電源を使用した、ウェハー上への金属蓄積物のメッキ
図1Aを参照すると、別の実施例のプロセスに従って、DC電源を使用して、ノズル1012上の金属蓄積物を研磨して取り除き、これをウェハー1004上にメッキすることができる。より具体的には、導線Aを導線bに接続することができ、導線Bを導線aに接続することができるので、ウェハー1004はカソードとして作用し、ノズル電極1056(図1B〜1E)はアノードとして作用する。ノズル1012を通して電解質流体1038をウェハー1004に供給することにより、電気的な回路を形成することができ、この回路は、ノズル1012上の金属蓄積物がウェハー1004上にメッキされるのを可能にする。ノズル1012又は電解研磨装置内の他のノズルは、ノズル1014と並列又は直列にクリーニングすることができる。ノズル1012上の金属蓄積物が除去された後、ウェハー1004を廃棄することができる。
同様に図1Aを参照すると、DC電源を使用して、ノズル1014上の金属蓄積物を研磨して取り除き、これをウェハー1004上にメッキすることができる。より具体的には、導線Aを導線bに接続することができ、導線Cを導線aに接続することができるので、ウェハー1004はカソードとして作用し、ノズル電極1060(図1B〜1E)はアノードとして作用する。ノズル1014を通してウェハー1004に電解質流体1038を供給することにより、電気的な回路を形成することができ、この回路は、ノズル1014上の金属蓄積物がウェハー1004上にメッキされるのを可能にする。ノズル1012又は電解研磨装置内の他のノズルは、ノズル1014と並列又は直列にクリーニングすることができる。ノズル1014上の金属蓄積物が除去された後、ウェハー1004を廃棄することができる。
C. DC電源を使用した、ブロック上への金属蓄積物のメッキ
図4を参照すると、別の実施例のプロセスに従って、DC電源を使用して、ノズル1012上の金属蓄積物1057を研磨して取り除き、これをブロック1082上にメッキすることができる。より具体的には、導線Bを導線aに接続することができ、導線Dを導線bに接続することができるので、ブロック1082はカソードとして作用し、ノズル電極1056はアノードとして作用する。電解質流体1038(図1)をノズル1012を通して供給し、電解質流体1038がブロック1082と接触可能になることにより、電解質流体1038を通して電気的な回路を形成することができ、この回路は、ノズル1012上の金属蓄積物がブロック1082上にメッキされるのを可能にする。ノズル1012上の金属蓄積物が除去された後、又はさもなければ都合のよい時に、ブロック1082を廃棄することができる。
同様に図4を参照すると、DC電源を使用して、ノズル1014上の金属蓄積物1057を研磨して取り除き、これをブロック1082上にメッキすることができる。より具体的には、導線Cを導線aに接続することができ、導線Dを導線bに接続することができるので、ブロック1082はカソードとして作用し、ノズル電極1060はアノードとして作用する。電解質流体1038(図1)をノズル1014を通して供給し、電解質流体1038がブロック1082と接触可能になることにより、電気的な回路を形成することができ、この回路は、ノズル1014上の金属蓄積物がブロック1082上にメッキされるのを可能にする。ノズル1014上の金属蓄積物が除去された後、又はさもなければ都合のよい時に、ブロック1082を廃棄することができる。さらに、電極1056及び1060を直列又は並列にクリーニングすることができる。
D. AC電源を使用した金属蓄積物の除去
別の実施例のノズル・クリーニング・プロセスの場合、ノズル1012及び1014から金属蓄積物を除去するために、上記構成のうちのいずれかと一緒に、DC電源ではなくAC電源を使用することができる。具体的には、AC電源を使用することにより、電解質流体中に金属蓄積物を溶解するか、廃棄されるべきウェハー上に金属蓄積物をメッキするか、或いは、ブロック又は犠牲材料上に金属蓄積物をメッキする。
電解質流体中の金属濃度が減少するのにつれて、AC電源によってノズルから金属蓄積物を除去することが一層効率的になる。従って、金属濃度は除去プロセス中、典型的には、約0.1重量%〜約5重量%の範囲、好ましくは約0.5%未満であってよい。
VIII. ノズル形状
上記実施例のいずれにおいても、種々の形状のノズルを有利に採用することができる。異なるタイプのノズル、例えば異なるサイズ、プロフィール及び横断面形状などを有するノズルが種々異なる研磨特性を提供し、このようなノズルを特定の用途に応じて有利に使用することができる。例えば、図1Bに示すように、電解研磨装置の実施例は、2つの異なるサイズのノズル1012及び1014を含むことができる。これらのノズルを使用することにより、ウェハー1004の異なる区分を電解研磨することができる。
加えて、図5A〜図5Hは、種々の形状及び構成を有する種々のノズルの実施例を示す。ノズルの形状、例えば通路及び遠位端部の形状は、ノズルから流出する電解質流体のプロフィール、及び電解質流体の流れ中の電流密度などを変化させることができる。図5A〜図5Eは、絶縁体5054と電極5056とを含むノズルの種々の構成及び形状を示している。図5F〜図5Hは、絶縁体を有さないノズルを示している。ノズル構成のいくつかは、開口の近くに湾曲電極5056を有している。湾曲電極5056は、電極内のシャープな点における電気的なピークを防止する。この湾曲電極は、電解質流体の流れ中の電流密度をより均一にするのを助ける。図5Hが示すノズルは、電極5056とロッド5058とを含む。このロッドは、ノズルの中心の近くに配置され、これにより、電極の表面積を増大させ、より均一な電流密度を形成する。
上記ノズルのそれぞれに関して、電極5056は金属又は合金、例えばタンタル、チタン及びステンレス鋼などを含むことができる。加えて絶縁体5054は、プラスチック、例えばPVC、PVD及びテフロン（登録商標）など、又はセラミック、例えばAl2O3、ZrO2及びSiO2などを含むことができる。従って、金属及び合金は、プラスチック及びセラミックよりも種々の形状に形成し易いのが典型的であるので、湾曲形状及びテーパ形状を備えた電極と、真直ぐな形状を備えた絶縁体とを有するノズルは、他の形状よりも低廉に製造することができる。さらに、図5F、5G及び5Hに示すような、電極5056だけを有するノズルは、よりシンプルな形状と、より大きな表面積を有することができる。加えて、図5Hに示すノズルは、電極5056の一部としてロッド5058を含む。このロッドは、より大きな表面積を有する電極を提供し、ノズルから流出する電解質流体1038(図1A)全体にわたって、より均一に電位を分配することができる。電位がより均一に分配されると、ウェハー1004はより均一に電解研磨されることになる。
図6A及び6Bは、絶縁体6054と、電極6056と、導電性内部構造6086とを有するノズルの別の実施例を示す。内部構造6086は、金属又は合金、例えばタンタル、チタニウム及びステンレス鋼などを含む。加えて、内部構造6086は複数の通路を含む。これらの通路は電極の表面積を増大させることができ、また、ノズル6056全体にわたって電位をより均一に分配することができる。通路のサイズは、ノズルの直径及び特定の用途に応じて、約0.1mm〜約10mmの範囲にあってよい。好ましくは、通路のそれぞれのサイズは、ノズル直径の約10分の1であってよい。
図6B〜6Iに示すように、通路は種々の横断面形状で形成することができる。例えば、通路は正方形、線維形状、真直ぐなスロット、金属ロッド、波形スロット、長方形、及びハニカムであってよい。さらに、図6B〜6Iに具体的な横断面形状が示されているが、これらの通路は任意の横断面形状、例えば三角形、多角形、及び楕円形に形成することができる。
上記詳細な説明は、実施例を説明するために記載するものであり、本発明を限定するものではない。当業者には明らかなように、本発明の範囲内で数多くの変更形及び改変形が可能である。例えば、異なる電解研磨装置の実施例、例えばシュラウド、導電性部材、種々のノズル及び終点検知器などを、単一のアセンブリ内で一緒に使用することができ、或いは、別個に使用してコンベンショナルな電解研磨装置を改善することができる。従って、本発明は添付の特許請求の範囲によって定義されるものであり、本明細書中の記載内容によって限定されるべきでない。
図1Aは、シュラウドを含む半導体処理装置の実施例を示す断面図である。 図1Bは、シュラウドを含む半導体処理装置の実施例を示す頂面図である。 図1Cは、半導体処理装置のノズルの実施例を示す断面図である。 図1Dは、半導体処理装置のノズルの実施例を示す断面図である。 図1Eは、半導体処理装置のノズルの実施例を示す断面図である。 図2は、半導体処理装置のノズルの実施例を示す断面図である。 図3は、半導体処理装置のノズルの実施例を示す断面図である。 図4は、半導体処理装置のノズル及びブロックの実施例を示す断面図である。 図5Aは、ノズルの形状及び構成の実施例を示す断面図である。 図5Bは、ノズルの形状及び構成の実施例を示す断面図である。 図5Cは、ノズルの形状及び構成の実施例を示す断面図である。 図5Dは、ノズルの形状及び構成の実施例を示す断面図である。 図5Eは、ノズルの形状及び構成の実施例を示す断面図である。 図5Fは、ノズルの形状及び構成の実施例を示す断面図である。 図5Gは、ノズルの形状及び構成の実施例を示す断面図である。 図5Hは、ノズルの形状及び構成の実施例を示す断面図である。 図6Aは、ノズル構造の実施例を示す断面図である。 図6Bは、ノズル構造の実施例を示す頂面図である。 図6Cは、ノズル構造の実施例を示す頂面図である。 図6Dは、ノズル構造の実施例を示す頂面図である。 図6Eは、ノズル構造の実施例を示す頂面図である。 図6Fは、ノズル構造の実施例を示す頂面図である。 図6Gは、ノズル構造の実施例を示す頂面図である。 図6Hは、ノズル構造の実施例を示す頂面図である。 図6Iは、ノズル構造の実施例を示す頂面図である。 図7は、導電性部材を含む半導体処理装置の実施例を示す断面図である。 図8Aは、導電性部材を含む半導体処理装置の実施例を示す断面図である。 図8Bは、導電性部材を含む半導体処理装置の実施例を示す断面図である。 図8Cは、導電性部材を含むウェハー・チャック・アセンブリの実施例を示す分解図である。 図9Aは、導電性部材を含む半導体処理装置の実施例を示す断面図である。 図9Bは、導電性部材を含む半導体処理装置の実施例を示す断面図である。 図10Aは、1つのセンサを含む半導体処理装置の実施例を示す断面図である。 図10Bは、2つのセンサを含む半導体処理装置の実施例を示す断面図である。 図11Aは、半導体処理装置の実施例を示す頂面図である。 図11Bは、半導体処理装置の実施例を示す断面図である。 図12は、半導体処理装置の実施例を示す断面図である。 図13Aは、複数のノズルを保持する回転アセンブリを備えた電解研磨アセンブリを示す図である。 図13Bは、複数のノズルを保持する回転アセンブリを備えた電解研磨アセンブリを示す図である。 図13Cは、複数のノズルを保持する回転アセンブリを備えた電解研磨アセンブリを示す図である。 図13Dは、複数のノズルを保持する回転アセンブリを備えた電解研磨アセンブリを示す図である。 図13Eは、複数のノズルを保持する回転アセンブリを備えた電解研磨アセンブリを示す図である。 図14Aは、複数のノズルを保持する回転ノズル・アセンブリの実施例を示す断面図である。 図14Bは、複数のノズルを保持する回転ノズル・アセンブリの実施例を示す断面図である。 図14Cは、ウェハー上の導電性層を電解研磨するためのプロセスの実施例を示す図である。 図15は、複数のノズルを保持する直線運動可能なノズル・アセンブリの実施例を備えた電解研磨用チャンバを示す断面図である。 図16Aは、直線運動可能な複数の回転ノズルを備えた電解研磨用装置の実施例を示す図である。 図16Bは、直線運動可能な複数の回転ノズルを備えた電解研磨用装置の実施例を示す図である。 図16Cは、直線運動可能な複数の回転ノズルを備えた電解研磨用装置の実施例を示す図である。 図16Dは、直線運動可能な複数の回転ノズルを備えた電解研磨用装置の実施例を示す図である。 図16Eは、直線運動可能な複数の回転ノズルを備えた電解研磨用装置の実施例を示す図である。
符号の説明
１０００ アクチュエータ
１００２ チャック
１００４ ウェハー
１００８ 研磨容器
１０２０ ポンプ
１０３８ 電解流体
１０７０ リザーバ

Claims (118)

  1. 該金属層を電解研磨するように構成されたノズルと；
    前記ノズルに隣接するように配置された終点検知器と；
    電解質流体を含有して前記ノズルに接続されたリザーバと；
    該リザーバ内に配置された流体検知器と；を具備するウェハー上に形成された金属層の電解研磨プロセスの終点をモニターする装置において：
    該流体検知器が該流体の特性を測定し；そして
    該終点検知器が、該測定された流体特性を考慮に入れて、ウェハー特性を測定するように構成されている；ウェハー上に形成された金属層の電解研磨プロセスの終点をモニターする装置。
  2. 測定されたウェハー特性が目標値に達すると、前記装置がさらに、該電解研磨プロセスを終了させるように構成されている、請求項１に記載の装置。
  3. 該ノズル及び該終点検知器が、一緒に作動することにより、該ウェハーの不連続的な部分を電解研磨するように構成されている、請求項１に記載の装置。
  4. 該ノズルが定置のノズルとして構成されており、該ウェハーが該ノズルに対して並進運動させられる、請求項１に記載の装置。
  5. さらに、該ウェハーを回転させるように構成されたウェハー・チャックを含む、請求項１に記載の装置。
  6. 該流体検知器が、流体内の金属イオン濃度を測定する、請求項１に記載の装置。
  7. さらに、電解質流体中に浸漬された電極を含み、該金属イオン濃度がプリセット値に達すると、該電極が該電解質流体から金属イオンを除去するように構成されている、請求項６に記載の装置。
  8. 該金属イオン濃度が第2のプリセット値に達すると、該電極が該電解質流体から金属イオンを除去するのを停止するように構成されている、請求項７に記載の装置。
  9. 該流体検知器が光検知器を含む、請求項１に記載の装置。
  10. 該光検知器が赤色光を含む、請求項９に記載の装置。
  11. 該光検知器が白色光を含む、請求項９に記載の装置。
  12. 反射体であって、該光検知器が該反射体から光を反射させるようになっている反射体をさらに含んでいる、請求項９に記載の装置。
  13. 該終点検知器が光反射検知器を含む、請求項１に記載の装置。
  14. 該終点検知器が超音波検知器を含む、請求項１に記載の装置。
  15. 該終点検知器が電磁検知器を含む、請求項１に記載の装置。
  16. 該終点検知器が渦電流検知器を含む、請求項１に記載の装置。
  17. さらに、該流体の第2の特性を測定するための第2の流体検知器を含む、請求項１に記載の装置。
  18. 該終点検知器が、該測定された第2の流体特性を考慮に入れて、ウェハー特性を測定するように構成されている、請求項１７に記載の装置。
  19. 該第2の流体検知器が光検知器を含む、請求項１７に記載の装置。
  20. 該光検知器が青色光を含む、請求項１７に記載の装置。
  21. 該光検知器が白色光を含む、請求項１７に記載の装置。
  22. 該光検知器が電解質流体中の気泡を検出する、請求項１７に記載の装置。
  23. ウェハーの電解研磨プロセスの終点を検出する方法において：
    電解質流体を使用して該ウェハーを電解研磨する段階と；
    終点検知器を使用して該ウェハーの特性を測定する段階と；
    流体検知器を使用して該電解質流体の特性を測定する段階と；
    該流体検知器によって測定された流体特性を考慮に入れて、終点検知器によって測定されたウェハー特性を評価する段階と；
    を含んでいる、ウェハーの電解研磨プロセスの終点を検出する方法。
  24. 測定されたウェハー特性が目標値に達すると、該電解研磨段階が終了させられる、請求項２３に記載の方法。
  25. ノズルと該終点検知器とが、一緒に作動することにより、該ウェハーの不連続的な部分を電解研磨するように構成されている、請求項２３に記載の方法。
  26. さらに、該ウェハーを定置のノズルに対して並進運動させる段階を含む、請求項２３に記載の方法。
  27. さらに、該ウェハーをウェハー・チャックと一緒に回転させる段階を含む、請求項２３に記載の方法。
  28. さらに、該流体検知器で、該流体の金属イオン濃度を測定する段階を含む、請求項２３に記載の方法。
  29. さらに、該金属イオン濃度がプリセット値に達すると、該電解質流体から金属イオンを除去する段階を含む、請求項２８に記載の方法。
  30. 該金属イオン濃度が第2のプリセット値に達すると、金属イオンがもはや該電解質流体から除去されない、請求項２８に記載の方法。
  31. 該流体検知器が光検知器を含む、請求項２３に記載の方法。
  32. 該光検知器が赤色光を含む、請求項２３に記載の方法。
  33. 該光検知器が白色光を含む、請求項３２に記載の方法。
  34. さらに、反射体から該光検知器に光を反射させる段階を含む、請求項３２に記載の方法。
  35. 該終点検知器が光反射検知器を含む、請求項２３に記載の方法。
  36. 該終点検知器が超音波検知器を含む、請求項２３に記載の方法。
  37. 該終点検知器が電磁検知器を含む、請求項２３に記載の方法。
  38. さらに、該流体の第2の特性を測定する段階を含む、請求項２３に記載の方法。
  39. 該終点検知器が、該測定された第2の流体特性を考慮に入れて、ウェハー特性を測定するように構成されている、請求項３８に記載の方法。
  40. 該第2の流体特性が第2の検知器で測定される、請求項３９に記載の方法。
  41. 該第2の流体検知器が光検知器を含む、請求項３８に記載の方法。
  42. 該光検知器が青色光を含む、請求項３８に記載の方法。
  43. 該光検知器が白色光を含む、請求項３８に記載の方法。
  44. 該第2の光検知器が電解質流体中の気泡を検出する、請求項３８に記載の方法。
  45. 半導体ウェハー上の断片化金属層を電解研磨する装置において：
    該ウェハーを保持するためのウェハー・チャックと；
    該ウェハー・チャックの周縁を巡る導電性部材と；
    該ウェハーの表面に電解質流体の流れを導くように構成されたノズルと；
    該ウェハーの表面全体にわたって電解質流体の薄膜を形成することにより該断片化金属層を電気的に接続するのに十分な回転速度で、該ウェハー・チャックを回転させるように構成されたアクチュエータと；
    を具備する、半導体ウェハー上の断片化金属層を電解研磨する装置。
  46. 該電解質流体の薄膜が、該電解質流体と該導電性部材との間で電流を導くための経路を形成する、請求項４５に記載の装置。
  47. 該ウェハーが表を下にして方向付けされ、該ウェハー上に入射する電解質流体の流れが、該ウェハーの表面から落下する前に該ウェハーの縁部に流れる、請求項４５に記載の装置。
  48. 該アクチュエータが、電解研磨されているウェハー部分に応じて、該チャックの回転を変化させるように構成されている、請求項４５に記載の装置。
  49. 該ウェハーの電解研磨部分が中心に近いときに、該アクチュエータが、該チャックをより高速度で回転させるように構成されている、請求項４５に記載の装置。
  50. 該ウェハー・チャックが、該ノズルに対して該ウェハーを並進運動させるように構成されている、請求項４５に記載の装置。
  51. 該ノズルが、該ウェハー・チャックに対して相対運動するように構成されている、請求項４５に記載の装置。
  52. さらに、該ウェハー・チャックを取り囲むシュラウドを含む、請求項４５に記載の装置。
  53. 該シュラウドが、該ノズルに対して該ウェハー・チャックと一緒に相対運動する、請求項５２に記載の装置。
  54. 該シュラウドと該ウェハー・チャックとが、該ノズルに対して一緒に相対運動するように機械的に結合されている、請求項５２に記載の装置。
  55. 該シュラウドが、該ウェハー・チャックの縁部から約1mm〜約10mmの間隔を置いて位置決めされている、請求項５２に記載の装置。
  56. 該シュラウドが、該チャックの縁部から約5mmの間隔を置いて位置決めされている、請求項５２に記載の装置。
  57. 該シュラウドの側壁がL字形横断面を含む、請求項５２に記載の装置。
  58. 該シュラウドの側壁がテーパされている、請求項５２に記載の装置。
  59. 該シュラウドの側壁が該チャックの上方又は下方に延びている、請求項５２に記載の装置。
  60. 該シュラウドが、プラスチック材料又はセラミック材料を含む、請求項５２に記載の装置。
  61. 該シュラウドが、耐蝕性の金属又は合金を含む、請求項５２に記載の装置。
  62. 該シュラウドに、耐電解質流体性材料が塗被されている、請求項５２に記載の装置。
  63. 半導体ウェハー上の断片化金属層を電解研磨する方法において：
    ウェハーの周縁を巡るように位置決めされた導電性部材を含むウェハー・チャックで、該ウェハーを保持する段階と；
    電解質流体の流れで該ウェハーを電解研磨する段階と；
    該ウェハーに入射する電解質流体が該ウェハーの表面上に電解質流体の薄膜を形成するように、該ウェハーを回転させる段階と；
    を含んでいる、半導体ウェハー上の断片化金属層を電解研磨する方法。
  64. 該ウェハー上に入射する電解質流体が、該ウェハーの表面を去ることなしに該ウェハーの縁部に向かって流れるのに十分な回転速度で、該ウェハーが回転させられる、請求項６３に記載の方法。
  65. さらに、電解研磨されているウェハー部分に応じて、該チャックの回転を変化させることを含む、請求項６３に記載の方法。
  66. 該ウェハーの電解研磨部分が中心に近いときに、該ウェハーがより高速度で回転させられる、請求項６５に記載の方法。
  67. さらに、該ウェハーをノズルに対して並進運動させる段階を含む、請求項６３に記載の方法。
  68. さらに、該ウェハー・チャックの周りにシュラウドを位置決めする段階を含む、請求項６３に記載の方法。
  69. 該電解質流体が、該ウェハーのエッジを流過して、該シュラウドに入射する、請求項６３に記載の方法。
  70. さらに、該シュラウドをノズルに対して相対運動させる段階を含む、請求項６３に記載の方法。
  71. さらに、該シュラウドと該ウェハーとをノズルに対して一緒に相対運動させる段階を含む、請求項６３に記載の方法。
  72. さらに、ノズルを該ウェハーに対して相対運動させる段階を含む、請求項６３に記載の方法。
  73. 電解質流体の供給導管に隣接して2つ又は3つ以上のノズルを保持するように構成されたノズル・ホルダを具備する、ウェハーを電解研磨する装置において：
    該ノズル・ホルダと該供給導管との少なくとも一方が、他方に対して相対運動することにより、該電解質流体供給導管に2つ又は3つ以上のノズルのうちの1つが接続されている；ウェハーを電解研磨する装置。
  74. アクチュエータであって、該アクチュエータが該ノズル・ホルダを回転させることにより、該2つ又は3つ以上のノズルのうちの1つを接続するように構成されている、アクチュエータを含んでいる、請求項７３に記載の装置。
  75. 該ノズル・ホルダが絶縁性材料を含む、請求項７３に記載の装置。
  76. 該ノズル・ホルダが非腐蝕性材料を含む、請求項７３に記載の装置。
  77. 該ノズル・ホルダがプラスチックから成っている、請求項７３に記載の装置。
  78. 該ノズル・ホルダと該1つ又は2つ以上のノズルとが一体的に形成されている、請求項７３に記載の装置。
  79. 該2つ又は3つ以上のノズルが、少なくとも2つの異なるプロフィールを含む、請求項７３に記載の装置。
  80. さらに、該ノズル・ホルダに隣接するように位置決めされた終点検知器を含む、請求項７３に記載の装置。
  81. 可動ベースであって、前記ノズル・ホルダが前記可動ベースに結合されている、可動ベースをさらに含んでいる、請求項７３に記載の装置。
  82. 該可動ベースが直線方向に運動するように構成され、該ノズル・ホルダが回転するように構成されている、請求項８１に記載の装置。
  83. 半導体ウェハーを電解研磨する方法において：
    ウェハーを準備する段階と；
    電解質流体供給部を準備する段階と；
    機械的に結合されて一緒にされた2つ又は3つ以上のノズルを準備する段階と；
    該ウェハーに向かって電解質流体の流れを導くために、該電解質流体供給部に対して該2つ又は3つ以上のノズルのうちの1つを運動可能に位置決めする段階と；
    を含んでいる、半導体ウェハーを電解研磨する方法。
  84. 該2つ又は3つ以上のノズルが、ノズル・ホルダを介して機械的に結合されている、請求項８３に記載の方法。
  85. 該2つ又は3つ以上のノズルのうちの1つを運動可能に位置決めする前記段階が、該ノズル・ホルダを回転させる段階を含む、請求項８４に記載の方法。
  86. 該ノズルを運動可能に位置決めする前記段階が、該ノズル・ホルダを直線方向に並進運動させる段階を含む、請求項８４に記載の方法。
  87. 該2つ又は3つ以上のノズルが、少なくとも2つの異なるノズル・プロフィールを含む、請求項８３に記載の方法。
  88. 該ウェハー上の金属層のプロフィールを測定する段階と；
    該金属層の具体的なプロフィールに応じて、種々のノズル・プロフィールで、該金属層に電解質流体の流れを導く段階と；
    をさらに含んでいる、請求項８３に記載の方法。
  89. 該種々のノズルが、2つ又は3つ以上の異なるノズル・プロフィールを含む、請求項８８に記載の方法。
  90. 該種々のノズルが種々の研磨速度を生成する、請求項８８に記載の方法。
  91. 該種々のノズルが、該金属層の厚い部分上で比較的高速の研磨速度を含み、そして該金属層の薄い部分上で比較的低速の研磨速度を含むように選択される、請求項８８に記載の方法。
  92. 該金属層のプロフィールが、該2つ又は3つ以上のノズルに隣接して位置決めされた終点検知器で測定される、請求項８８に記載の方法。
  93. 側壁を備えた通路と、電解質流体の流れを導くための遠位開口とを具備する、半導体ウェハーを電解研磨するノズルにおいて：
    該通路が導電性材料を含み、そして、
    該側壁が該遠位開口近くで湾曲させられている、半導体ウェハーを電解研磨するノズル。
  94. さらに、該通路に対して該側壁の外側に配置された絶縁体を含む、請求項９３に記載のノズル。
  95. 該通路が円筒形状を含む、請求項９３に記載のノズル。
  96. 該通路が円錐・円筒形状を含む、請求項９３に記載のノズル。
  97. さらに、該通路内に配置された導電性構造体を含む、請求項９３に記載のノズル。
  98. 該導電性構造体がロッドを含む、請求項９７に記載のノズル。
  99. 該導電性構造体が、該通路内に位置決めされたロッドを含む、請求項９７に記載のノズル。
  100. 該導電性構造体が複数の通路を含む、請求項９７に記載のノズル。
  101. 該複数の通路の横断面サイズが、約0.1〜10mmの範囲にある、請求項１００に記載のノズル。
  102. 該複数の通路の横断面サイズが、該通路の直径サイズの約10分の1である、請求項１００に記載のノズル。
  103. 電解研磨装置内で使用されるノズルからメッキを除去する方法において：
    該ノズルを通して電解質流体を準備する段階と；
    該ノズルから金属イオンを除去するように構成された電荷を、該ノズルに印加する段階と；
    含んでいる、電解研磨装置内で使用されるノズルからメッキを除去する方法。
  104. さらに、第2のノズルに第2の対向電荷を印加する段階を含み、前記電解質流体が、該第1のノズルと該第2のノズルとの間に経路を形成する、請求項１０３に記載の方法。
  105. 該ノズルと該第2のノズルとが、メッキ除去プロセス中に互いに近接させられる、請求項１０４に記載の方法。
  106. 該ノズルがアノードであり、該第2のノズルがカソードである、請求項１０４に記載の方法。
  107. 該メッキ除去された金属の一部が、該電解質流体中に溶解される、請求項１０４に記載の方法。
  108. 該電解質流体中の金属イオン濃度が約3重量%以下である、請求項１０４に記載の方法。
  109. さらに、該ノズル及び該第2のノズルに印加される該電荷を逆転することにより、該第2のノズルからメッキを除去する段階を含む、請求項１０４に記載の方法。
  110. 該ノズルがアノードであり、該第2のノズルがカソードである、請求項１０４に記載の方法。
  111. 該ノズルがDC電源で荷電させられる、請求項１０３に記載の方法。
  112. 該ノズルがAC電源で荷電させられる、請求項１０３に記載の方法。
  113. さらに、ウェハーに第2の対向電荷を印加する段階を含む、請求項１０３に記載の方法。
  114. 該メッキ除去された金属の一部が、該電解質流体中に溶解される、請求項１１３に記載の方法。
  115. 該電解質流体中の金属イオン濃度が約3重量%以下である、請求項１１３に記載の方法。
  116. 該ノズルがDC電源で荷電させられる、請求項１１３に記載の方法。
  117. 該ノズルがAC電源で荷電させられる、請求項１１３に記載の方法。
  118. さらに、導電性材料に第2の対向電荷を印加する段階を含む、請求項１０３に記載の方法。
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