JP4815159B2 - 半導体ウェーハをメッキする方法及び装置 - Google Patents
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Description
集積回路、メモリセル等の半導体デバイスの製造においては、一連の製造工程を実行して、半導体ウェーハ上に特徴的な構造を形成する。半導体ウェーハは、シリコン基板上に形成された多層構造を有する集積回路デバイスを含む。各基板には、拡散領域を有するトランジスタデバイスが形成される。後続の工程では、相互接続金属線が、パターン形成されてトランジスタデバイスと電気的に接続され、所望の集積回路デバイスが形成される。さらに、パターン形成された導電層は、誘電材料によって、他の導電層から絶縁される。
半導体ウェーハ上に構造を形成する一連の製造工程は、半導体ウェーハの表面に材料を付加する電気メッキプロセスを含むことができる。従来、電気メッキは、ウェーハ全体を電解液に浸漬させた状態で行われる完全ウェーハ電気メッキプロセスを用いて行なわれていた。従来の電気メッキプロセス中、ウェーハは、正に帯電した陽極板に対して負の電位に維持され、陽極板は、実質的にウェーハと等しいサイズとされた。陽極板も、電解液中に浸漬され、ウェーハに近接した平行な位置に維持される。
メッキプロセス中、ウェーハは、陰極の役割を果たす。したがって、ウェーハは、多数の電極と電気的に接続させる必要がある。多数の電極は、ウェーハ全体で均一な電流分布を達成するために、ウェーハの周囲に均一に分布させる必要があり、ほぼ同等の接触抵抗を有する必要がある。完全ウェーハ電気メッキプロセッサにおいて、ウェーハ全体の電流分布が不均一であると、ウェーハ全体に不均一なメッキ厚が発生する可能性がある。
従来の完全ウェーハ電気メッキプロセッサは、ウェーハの表面に材料を堆積させることが可能だが、半導体ウェーハ製造工程における材料の堆積に応用可能な電気メッキ技術における改良の研究及び開発を継続する必要性は、常に存在する。
一実施態様では、半導体ウェーハを電気メッキする装置が開示される。本装置は、ウェーハを保持するように構成されたウェーハ支持部を含む。本装置は、さらに、ウェーハ支持部の外周に近接した第一の位置に配置された第一の電極を含む。第一の電極は、ウェーハ支持部に保持されるウェーハとの電気的な接続及び断絶のために移動させることができる。本装置は、さらに、ウェーハ支持部の外周に近接した第二の位置に配置された第二の電極を含む。第二の位置は、ウェーハ支持部に関して、第一の位置の略反対側にある。第二の電極は、ウェーハ支持部に保持されるウェーハとの電気的な接続及び断絶のために移動させることができる。装置は、さらに、ウェーハ支持部に保持されるウェーハの上面の上方に配置されるように構成された陽極を含む。陽極は、ウェーハの上面と略平行であり、ウェーハの上面に近接するように構成された矩形の表面領域を含む。矩形の表面領域は、ウェーハの直径以上の第一の寸法を有する。矩形の表面領域は、さらに、ウェーハの直径未満である第二の寸法によって定められる。加えて、陽極とウェーハ支持部は、ウェーハがウェーハ支持部に保持される場合に、陽極がウェーハの上面の全体を横断できるように、第一の電極と第二の電極とを結ぶ方向に、相対的に移動するように構成される。
別の実施態様では、半導体ウェーハを電気メッキする装置が開示される。本装置は、ウェーハを保持するように構成されたウェーハ支持部を含む。本装置は、さらに、ウェーハ支持部の外周に近接した第一の位置に配置された第一の電極を含み、第一の位置は、ウェーハ支持部の第一の半外周に沿って存在する。第一の電極は、さらに、ウェーハ支持部に保持されるウェーハと電気的に接触するように移動可能に構成される。本装置は、さらに、ウェーハ支持部の外周に近接した第二の位置に配置された第二の電極を含み、第二の位置は、ウェーハ支持部の第二の半外周に沿って存在する。ウェーハ支持部の第二の半外周は、ウェーハ支持部の第一の半外周を除く。第二の電極は、さらに、ウェーハ支持部に保持されるウェーハと電気的に接触するように移動可能に構成される。加えて、本装置は、ウェーハ支持部に保持されるウェーハの上面の上方に配置されるように構成された陽極を含む。陽極は、ウェーハの上面と略平行であり、ウェーハの上面に近接するように構成された矩形の表面領域を含む。矩形の表面領域は、ウェーハの直径以上の第一の寸法と、ウェーハの直径未満である第二の寸法とを有する。さらに、陽極とウェーハ支持部は、ウェーハがウェーハ支持部に保持される場合に、陽極がウェーハの上面の全体を横断できるように、第一の電極と第二の電極とを結ぶ方向に、相対的に移動するように構成される。
別の実施態様では、半導体ウェーハ電気メッキシステムが開示される。本システムは、ウェーハを保持するように定められたウェーハ支持構造を含む。本システムは、さらに、第一の位置から第二の位置へウェーハ支持構造上を横断するように構成された陽極を含む。第一の位置及び第二の位置のそれぞれは、ウェーハ支持構造の外周の外部にあり、ウェーハ支持構造の外周に近接する。陽極は、さらに、ウェーハがウェーハ支持構造に保持される場合に、陽極の水平面とウェーハの上面との間の電気メッキ溶液のメニスカスに接触するように構成される。陽極の水平面は、ウェーハ支持構造に保持されるウェーハを横切る第一の弦に沿って延びる矩形の領域を有する。さらに、第一の弦は、第一の位置から第二の位置へ延びる第二の弦と略垂直である。本システムは、さらに、ウェーハがウェーハ支持構造に保持される場合に、第一の位置に略近接した第一の接触位置において、ウェーハと電気的に接触するように移動可能に構成された第一の電極を含む。加えて、本システムは、ウェーハがウェーハ支持構造に保持される場合に、第二の位置に略近接した第二の接触位置において、ウェーハと電気的に接触するように移動可能に構成された第二の電極を含む。
別の実施態様では、半導体ウェーハを電気メッキする方法が開示される。本方法は、第一の電極を第一の位置でウェーハに当接させる工程を含む。本方法は、さらに、第二の位置から第一の位置に向かって、陽極をウェーハの上面において横断させる工程を含む。第二の位置は、ウェーハの上面を横断する中心線に対して第一の位置の反対側にある。陽極とウェーハの上面との間に電気メッキ溶液のメニスカスを形成する工程が、さらに実行される。メニスカスの形成により、メニスカスを介して、陽極と第一の電極との間に電流を流すことが可能となる。本方法は、さらに、陽極が第二の位置からウェーハの上面を十分な距離だけ横断した時に、第二の位置において第二の電極をウェーハに当接させる工程を含む。第二の電極をウェーハに当接させる工程により、メニスカスを介して、陽極と第二の電極との間に電流を流すことが可能となる。第二の電極をウェーハに当接させる工程の後、本方法は、第一の電極をウェーハから切り離す別の工程を含む。方法は、ウェーハの上面において、陽極の横断を完了する工程に続く。
本発明の他の態様及び利点は、本発明を例示する添付図面と併せて、以下の詳細な説明からさらに明らかとなろう。
本発明は、その更なる利点と共に、添付図面と併せて以下の詳細な説明を参照することで最も良く理解され得よう。
以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細について述べる。しかしながら、こうした具体的な詳細の一部又は全部がなくとも、本発明を実施し得ることは、当業者にとって明白であろう。また、本発明を不必要に曖昧にしないために、周知のプロセスステップについては詳細な説明を省略する。
図１Ａは、本発明の一実施態様による、半導体ウェーハを電気メッキする装置を示す図である。装置は、ウェーハ１０１をしっかりと保持するように構成されたウェーハ支持部１０３を含む。装置は、さらに、第一の電極１０７Ａ及び第二の電極１０７Ｂを含む。第一の電極１０７Ａ及び第二の電極１０７Ｂのそれぞれは、ウェーハ支持部１０３の外周に近接して配置される。加えて、第二の電極１０７Ｂは、ウェーハ支持部１０３に対して第一の電極１０７Ａの略反対側の位置に配置される。一実施態様において、第一の電極１０７Ａは、ウェーハ支持部１０３の外周に近接した第一の位置に配置される。第一の位置は、ウェーハ支持部の第一の半外周に沿って存在する。さらに、同じ実施態様において、第二の電極は、ウェーハ支持部１０３の外周に近接した第二の位置に配置される。第二の位置は、ウェーハ支持部１０３の第一の半外周を除いた、ウェーハ支持部１０３の第二の半外周に沿って存在する。
第一の電極１０７Ａ及び第二の電極１０７Ｂのそれぞれは、矢印１１３Ａ及び１１３Ｂによってそれぞれ示したように、ウェーハ１０１との電気的な接続及び断絶のために、移動するように構成される。ウェーハ１０１との接続及び断絶のための電極１０７Ａ及び１０７Ｂの移動は、本質的に無数の方法で実施できると理解されたい。例えば、一実施態様において、電極１０７Ａ及び１０７Ｂは、ウェーハに沿った平面において直線的に移動させることができる。別の実施態様において、電極１０７Ａ及び１０７Ｂは、十分に細長い形状を有し、細長い形状がウェーハ１０１と同一平面上にあるように配置される。そして、電極１０７Ａ及び１０７Ｂを、回転させることにより、ウェーハに接触させることができる。さらに、電極１０７Ａ及び１０７Ｂの形状は、多数の異なる形状に定めることができると理解されたい。例えば、一実施態様において、電極１０７Ａ及び１０７Ｂは、略矩形の形状にできる。別の実施態様において、電極１０７Ａ及び１０７Ｂは、ウェーハと接触する辺がウェーハ外周の曲率に合致する曲率を有する矩形の形状としても良い。さらに別の実施態様において、電極１０７Ａ及び１０７Ｂは、Ｃ字形にできる。本発明は、ウェーハとの電気的な接続及び断絶のために独立して操作可能な、少なくとも二つの電極を必要とすると理解されたい。
図１Ａの装置は、さらに、ウェーハ１０１の上面の上方に配置されるように構成された陽極１０９を含む。一実施態様において、ウェーハ１０１の方を向いた陽極の水平面は、ウェーハ１０１に対してほぼ平行である略矩形の表面領域を有するように定められる。矩形の表面領域は、ウェーハの直径以上の第一の寸法を有するように定められる。図１Ａに示した図において、矩形の表面領域の第一の寸法は、ページの奥に向かって延びている。矩形の表面領域は、さらに、ウェーハの直径未満となるように定められた第二の寸法を含む。一実施態様において、第二の寸法は、ウェーハの直径より大幅に小さい。図１Ａに示した図に関して、矩形の表面領域の第二の寸法は、第一の寸法が延びる方向と直角に、かつ、ウェーハ支持部１０３と平行に延びる。陽極１０９がウェーハ１０１の上方に配置された時、矩形の領域の第一の寸法、即ち、長寸法は、ウェーハ１０１を横切る第一の弦に沿って延びている。したがって、陽極１０９は、第一の弦の方向に、ウェーハを完全に横切るように延びることになる。さらに、矩形の領域の第二の寸法、即ち、短寸法は、ウェーハ１０１を横切る第二の弦の方向に延びている。第二の弦は第一の弦に対して垂直である。ウェーハ１０１の上方における陽極１０９の位置に関係なく、陽極１０９は、第二の弦の方向に、ウェーハを完全に横切るように延びることはないと理解されたい。
陽極１０９は、矢印１１５によって示したように、第二の電極１０７Ｂと第一の電極１０７Ａとを結ぶ方向に、ウェーハ１０１上を移動するように構成される。すなわち、陽極１０９は、上記の第二の弦の方向に移動するように構成される。陽極１０９をウェーハ１０１上で移動させる際に、陽極１０９は、ウェーハを向いた矩形の表面領域の第一の寸法に沿った方向、即ち、長寸法に沿った方向が、移動方向に対して略垂直となるように方向付けされる。したがって、陽極１０９は、ウェーハ１０１の上面の全体を横断できる。さらに、陽極１０９をウェーハ１０１上で移動させる際に、陽極１０９の矩形の表面領域は、ウェーハ１０１の上面に近接した距離に維持される。
陽極１０９の矩形の表面領域とウェーハ１０１との間の距離は、陽極１０９がウェーハ１０１上を横断する際に、陽極１０９とウェーハ１０１の上面との間に電気メッキ溶液のメニスカス１１１を維持するために十分なものとされる。加えて、メニスカス１１１は、陽極１０９の真下の容積内に閉じ込められることができる。メニスカスの閉じ込めは、下で説明するように、様々な方法で達成できる。一実施態様において、陽極１０９は、固体の消耗陽極材料により形成される。この実施態様において、電気メッキ溶液のメニスカス１１１は、陽極の周囲に電気メッキ溶液を流動させることにより、陽極１０９の真下の容積に形成される。この実施態様については、さらに、図４Ａ及び４Ｂを参照して後述する。別の実施態様において、陽極１０９は、多孔性の抵抗材料により形成される仮想陽極として定義される。この実施態様において、電気メッキ溶液のメニスカス１１１は、多孔性の仮想陽極を介して、陽イオンを含む電気メッキ溶液を流動させることで、仮想陽極の真下の容積に供給できる。この実施態様については、さらに、図５Ａ及び５Ｂを参照して後述する。
図１Ａの装置の動作中、陽極１０９と、第一及び第二の電極１０７Ａ／１０７Ｂの少なくとも一方とは、電源に電気的に接続され、その間に電位差が存在するようになると理解されたい。すなわち、電気メッキ溶液のメニスカス１１１が陽極１０９とウェーハ１０１との間に存在し、第一の電極１０７Ａ又は第二の電極１０７Ｂのいずれかがウェーハ１０１に電気的に接続される時、電流は、陽極１０９と、接続された電極との間に流れる。陽極１０９と、接続された電極、即ち、１０７Ａ及び／又は１０７Ｂとの間に流れる電流により、ウェーハ１０１の上面において電気メッキ溶液のメニスカス１１１に晒された部分では、電気メッキ反応が発生可能となる。
図１Ａの装置は、さらに、陽極１０９及びメニスカス１１１が上を通過する際に、電気メッキ溶液のメニスカス１１１への曝露から第一の電極１０７Ａ及び第二の電極１０７Ｂをそれぞれ保護するように構成された流体シールド１０５Ａ及び１０５Ｂを含む。一実施態様において、第一及び第二の電極１０７Ａ／１０７Ｂのそれぞれは、陽極１０９と電気メッキ溶液のメニスカス１１１とが上を通過する際に、ウェーハ１０１から離れる方向に移動され、それぞれの流体シールド１０５Ａ／１０５Ｂの下に格納されるように制御可能である。
図１Ｂは、本発明の別の実施態様による、半導体ウェーハを電気メッキする装置を示す図である。図１Ｂの装置は、固定位置に維持された陽極１０９の下で、ウェーハ支持部１０３と、電極１０７Ａ／１０７Ｂと、流体シールド１０５Ａ／１０５Ｂとを、矢印１１７で示す直線方向に共に移動させる構成であることを除いて、図１Ａのものに等しい。図１Ｂの装置の動作中、陽極１０９は、上述した図１Ａの装置における陽極と同様に方向付けされると理解されたい。さらに、電極１０７Ａ／１０７Ｂは、上述した図１Ａの装置の電極と同様に、陽極１０９の位置に基づいて、ウェーハ１０１との電気的な接続及び断絶のために制御される。図１Ｂの装置は、ウェーハ１０１の上方の設備を移動する必要がないため、図１Ｂの装置は、ウェーハ１０１の上面において不要な異質粒子の堆積を容易に防止できると理解されたい。
図２Ａないし２Ｄは、本発明の一実施態様による、上述した図１Ａに示す半導体ウェーハを電気メッキする装置の動作を示す一連の図である。図２Ａは、電気メッキプロセスの開始直後の装置を示す。図２Ａにおいて、陽極１０９は、ウェーハ１０１の上面を横断している。メニスカス１１１は、陽極１０９の下に形成される。図２Ａに示したように、流体シールド１０５Ｂは、陽極がその上を通過する際に、電気メッキ溶液のメニスカス１１１から第二の電極１０７Ｂを保護する役割を果たす。さらに、第二の電極１０７Ｂは、ウェーハ１０１から電気的に断絶され、陽極１０９及びメニスカス１１１が上を通過する際に、格納位置に保持される。さらに、ウェーハ上面において陽極１０９の略反対側に位置決めされた第一の電極１０７は、ウェーハ１０１と電気的に接続するように位置する。したがって、電流は、陽極１０９から 、メニスカスを通り、ウェーハ１０１の上面を横断して、電極１０７Ａへ流れる。図２Ａでは、メニスカス１１１が陽極１０９の真下の容積内に概ね閉じ込められている。さらに、第一の電極１０７Ａは、陽極１０９から十分な距離を持って位置しているので、第一の電極１０７Ａは、電気メッキ溶液に晒されない。
図２Ｂは、陽極１０９が図２Ａに示した位置から引き続きウェーハ１０１上を横断する際の装置を示している。第一の電極１０７Ａは、陽極１０９が第二の電極１０７Ｂから離れ、第一の電極１０７Ａに向かって横断する際に、ウェーハ１０１に接続された状態を維持する。一実施態様では、陽極１０９及びメニスカス１１１が第二の電極１０７Ｂから十分な距離だけ離れ、第二の電極が電気メッキ溶液に曝露されない状態が確保されるまで、第二の電極１０７Ｂは、格納位置に維持される。
さらに、第一の電極１０７Ａ及び第二の電極１０７Ｂのウェーハ１０１との接続は、ウェーハ１０１の上面においてメニスカス１１１と接触する部分に存在する電流分布を最適化するために管理される。一実施態様では、陽極１０９がウェーハ１０１上を横断する際に、メニスカス１１１とウェーハ１０１との間の界面において、およそ均一な電流分布を維持することが望ましい。接続された電極、即ち、陰極から十分な距離に陽極１０９を維持することで、メニスカス１１１とウェーハ１０１との間の界面における電流分布を、より均一化できると理解されたい。したがって、一実施態様において、第一の電極１０７Ａの接続から第二の電極１０７Ｂの接続への移行は、陽極１０９がウェーハ１０１の上面の中心線にほぼ近づいた時に発生する。ここで、中心線は陽極１０９の横断方向に対して垂直とする。
第一の電極１０７Ａの接続から第二の電極１０７Ｂの接続への移行中、第一の電極１０７Ａのウェーハ１０１との接続は、第二の電極１０７Ｂが接続されるまで維持される。第二の電極１０７Ｂが接続された後、第一の電極は、ウェーハ１０１から断絶される。少なくとも一つの電極がウェーハ１０１に接続された状態を維持することは、電気メッキプロセスによって生成される材料の堆積における間隙又は偏りの可能性を最小化する役割を果たす。
図２Ｃは、陽極１０９が第一の電極１０７Ａに向かってウェーハ１０１上を引き続き横断する際に、第一の電極１０７Ａの接続から第二の電極１０７Ｂの接続へ移行した後の装置を示す。第二の電極１０７Ｂは、ウェーハ１０１に接続された状態で図示されている。第一の電極１０７Ａは、ウェーハ１０１から断絶され、接近する電気メッキ溶液のメニスカス１１１から保護されるために流体シールド１０５Ａの下に格納された状態で図示されている。電流は、陽極１０９から、メニスカス１１１を通り、ウェーハ１０１の上面を横断し、第二の電極１０７Ｂへ流れる。
図２Ｄは、陽極１０９が第一の電極１０７Ａに接近し、ウェーハ１０１上の横断の完了に近づいた際の装置を示している。流体シールド１０５Ａは、陽極１０９が上を通過する際に、電気メッキ溶液のメニスカス１１１から第一の電極１０７Ａを保護する役割を果たす。さらに、第一の電極１０７Ａは、ウェーハ１０１から電気的に断絶され、陽極１０９及びメニスカス１１１が上を通過する際に格納位置に保持される。
図３Ａは、図２Ｂにおいて以前に示した、第一の電極１０７Ａ、第二の電極１０７Ｂ、及びウェーハ１０１と相対的に陽極１０９の上面図を示す図である。上記のように、陽極１０９は、長寸法の方向に、ウェーハ１０１を完全に横切って延びる。したがって、陽極１０９をウェーハ１０１上で横断させると、ウェーハ１０１の上面全体が、陽極１０９の下に存在する電気メッキ溶液のメニスカスに晒される。さらに、図３Ａの実施態様において、第一及び第二の電極１０７Ａ／１０７Ｂは、矩形の形状のバーとして図示されている。しかしながら、上記のように、第一及び第二の電極１０７Ａ／１０７Ｂは、電気メッキプロセスに適合する任意の適切な形状を有するように定められ得る。さらに、三つ以上の電極を装置において使用し、上記のような機能を達成できる。
図３Ｂは、本発明の一実施態様による装置を示す。図３Ｂの装置は、図３Ａの装置における第一の電極１０７Ａ及び第二の電極１０７Ｂのそれぞれに代えて、電極のペアが使用された装置を示す図である。さらに、図３Ｂに示した電極のそれぞれは、代替の形状を有するものとして図示されている。このように、本発明は、多数の電極がウェーハ１０１の中心線に沿って、互いにほぼ対向する形で配置される限り、様々な形状の多数の電極により実施できる。さらに、本発明では、ウェーハ１０１の中心線に沿って対向するそれぞれの側の電極は、ウェーハ１０１との接触に関して独立して制御可能である必要がある。
図４Ａは、本発明の一実施態様における、ウェーハ１０１上を一方向１１５に横断する固体陽極１０９Ａを示す図である。以前に述べたように、陽極１０９には、消耗陽極材料によって形成された固体陽極１０９Ａを用いることができる。この実施態様において、電気メッキ溶液のメニスカス１１１は、固体陽極１０９Ａの周囲に電気メッキ溶液を流動させることにより、固体陽極１０９Ａの真下の領域へ供給される。さらに具体的には、電気メッキ溶液４０１は、チューブを介して、固体陽極１０９Ａの上面の位置へ供給される。すると、電気メッキ溶液４０１は、トラフ４０５を介して、固体陽極１０９Ａの前縁部へ流動していく。固体陽極１０９Ａの前縁部において、電気メッキ溶液４０１は、コールアウト４０３によって示したように、前縁部上を流動し、固体陽極１０９Ａの下へ流れてメニスカス１１１を形成する。
図４Ｂは、上述した図４Ａに示す固体陽極１０９Ａの上面図を示す図である。トラフ４０５は、電気メッキ溶液の流動を固体陽極１０９Ａの前部に方向付けるように配向される。固体陽極１０９Ａの前部は、ウェーハ１０１上での横断の方向１１５における固体陽極１０９Ａの進行方向側のエッジである。固体陽極１０９Ａの上面図は、さらに、固体陽極１０９Ａの端部に位置した吸引孔４０７を示している。吸引孔４０７は、メニスカス１１１の電気メッキ溶液４０１を固体陽極１０９Ａの端部に向かって引き込む役割を果たす。また、吸引孔４０７は、メニスカス１１１領域に電気メッキ溶液４０１を閉じ込めながら、メニスカス１１１領域において電気メッキ溶液４０１が流動できるようにする。しかしながら、本発明では、固体陽極１０９Ａを使用する場合において、本明細書で明示的に説明したもの以外に、メニスカス１１１領域において電気メッキ溶液４０１を供給及び管理するその他の方法が考えられると理解されたい。本発明の原理は、メニスカス１１１領域内において電気メッキ溶液４０１を供給及び管理するために使用される特定の方法に関係なく、同じように維持される。
図５Ａは、本発明の一実施態様における、ウェーハ１０１上を一方向１１５に横断する上述した仮想陽極１０９Ｂを示す図である。仮想陽極１０９Ｂは、多孔性の抵抗材料５０１を含む。陽イオンを含む電気メッキ溶液５０５は、多孔性の抵抗材料５０１を通過し、仮想陽極１０９Ｂの真下の領域においてメニスカスを形成できる。一枚以上の壁５０３を使用して、多孔性の抵抗材料５０１の上側に接触する容積内に、陽イオンを含む電気メッキ溶液５０５を閉じ込めることができる。一実施態様において、多孔性の抵抗材料５０１は、Ａｌ2Ｏ3のようなセラミックによって形成されることができる。しかしながら、他の多孔性の抵抗材料も仮想陽極について使用できると理解されたい。
図５Ｂは、本発明の一実施態様において、メニスカス閉じ込め面５０７を図５Ａに示す仮想陽極１０９Ｂに組み込んだものを示す図である。仮想陽極１０９Ｂにおいて、メニスカス閉じ込め面５０７は、ウェーハ１０１に向かって多孔性抵抗材料の下方へ延びる一つ以上の面を表す。メニスカス閉じ込め面５０７は、仮想陽極１０９Ｂの下の領域にメニスカスを閉じ込めるのを支援するように構成される。メニスカス閉じ込め面５０７は、例示の目的で、仮想陽極１０９Ｂに関して図示されている。メニスカス閉じ込め面５０７は、上記の固体陽極についても同様に適用できると理解されたい。一実施態様において、メニスカス閉じ込め面５０７は、実際には固体陽極の一体部分として形成することができる。
本発明の電気メッキ装置及び方法の主要な特徴は、電極及び対応するウェーハ接触面を物理的に接触させた時に乾燥状態に維持できることである。ウェーハ表面調整デバイスを、陽極がウェーハ上を横断する際に陽極に追随するように配置する構成をとることができる。これにより、電極及び対応するウェーハ接触面を適切に乾燥した状態に確保できる。
図６は、本発明の一実施態様において、陽極がウェーハ表面上を横断する際に陽極に追随するように構成されたウェーハ表面調整デバイスの構成を示す図である。例示の目的で、図６は、ウェーハ表面調整デバイスの構成を仮想陽極の構成と併せて図示している。しかしながら、ウェーハ表面調整デバイスの構成は、上記の固体陽極と併せて同様に使用できると理解されたい。各ウェーハ表面調整デバイスは、ウェーハの表面で流体を供給するか、或いは、流体を除去するように構成されたベントとして表現できる。各ベントは、陽極の長さに対応する長さと、適切な流体流量範囲を提供するために十分な幅を有するように構成される。
図６において、第一のベント６０１は、吸引孔であり、陽極が上を通過した後のウェーハ表面から流体を除去する。第二のベント６０５は、壁６０３によって第一のベント６０１から分離される。第二のベント６０５は、ウェーハの表面に、洗浄のための流体を供給する。一実施態様において、洗浄のための流体は脱イオン水である。しかしながら、別の実施態様において、ウェーハ処理用途での使用に適した任意の洗浄のための流体を使用できる。第三のベント６０９は、壁６０７によって第二のベント６０５から分離される。第一のベント６０１と同様に、第三のベント６０９は、吸引孔であり、ウェーハの表面から流体を除去する。第四のベント６１３は、壁６１１によって第三のベント６０９から分離される。さらに、第四のベント６１３は、外壁６１５によって規定される。第四のベント６１３は、ウェーハの表面にイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）／窒素混合物を供給するために使用できる。本発明は、図６を参照して説明したベントの一部を含むウェーハ表面調整デバイスを使用して実施可能であると理解されたい。さらに、本発明は、本明細書において明示的に説明されていない他のウェーハ表面調整デバイスを使用して実施できる。
メッキプロセス中、堆積材料の均一性は、メッキされているウェーハの領域、即ち、電気メッキ溶液のメニスカスとウェーハとの間の界面における電流分布に左右される。メッキされているウェーハの領域における電流分布には、多数の要素が影響し得る。電流分布に影響を与える三種類の主要な要素には、１）ウェーハに接触する電極の位置及び数、２）ウェーハ上面の抵抗率、及び３）メッキされている領域に対する陽極の位置及び配置が含まれる。多孔性の抵抗材料のような均一に分布した抵抗経路を、陰極に直接接している領域、即ち、メッキされている領域と、真の陽極と陰極との間に導入することで、電流束は、均一に分布した抵抗経路と陰極との間に均一に分布される。さらに、十分に大きな抵抗を有する多孔性の抵抗材料を選択することで、ウェーハ上面の抵抗率による影響は、特にウェーハのエッジにおいて、分離及び最小化可能となり、これにより、その後のメッキプロセスの均一性が改善される。
ウェーハ全体を同時にメッキするように構成された従来の電気メッキシステムは、事前にウェーハに付与された抵抗の小さい中間膜を有していなければ、ウェーハ表面上において非常に抵抗の大きい障壁膜上にメッキできない。例えば、非常に抵抗の大きい障壁膜上でのＣｕメッキの場合、従来のシステムでは、ＰＶＤ Ｃｕシード層を、フルウェーハメッキプロセスの前に付与する必要がある。このシード層がない場合、ウェーハ全体での抵抗の下落により、フルウェーハメッキ中にバイポーラ効果が誘発される。バイポーラ効果は、ウェーハに接触する電極に近接する領域において、メッキ分離及びエッチングを発生させる。さらに、従来のフルウェーハメッキシステムでは、電極をウェーハの外周に均一に分布させ、均一に分布させた電極のそれぞれの抵抗を同等にする必要があった。従来のフルウェーハ電気メッキシステムでは、ある電極ともう一つの電極とで、非対称な接触抵抗が存在すると、ウェーハ全体に不均一な電流分布が生じ、そのため、ウェーハ全体で不均一な材料の堆積が発生する。
本明細書で説明した本発明の電気メッキ装置は、従来のフルウェーハ電気メッキシステムに関する上記の問題を解決する。さらに具体的には、本発明の装置は、ウェーハとの接触時に、電極を乾燥状態に維持できる。本発明のバー形状の陽極がウェーハを横断する時、電極（群）は、ウェーハの表面のうち、陽極から離れた、抵抗が大きくなる部分に接触させられることが可能である。したがって、陰極、即ち、陽極の下でメッキされている領域に存在する電流は、均一に分布される。さらに、乾式の電極接触アプローチは、バイポーラ効果の可能性を本質的に排除する。
図７は、本発明の一実施態様において、半導体ウェーハを電気メッキする方法のフローチャートを示す図である。方法は、第一の電極を第一の位置においてウェーハに当接させる工程７０１を含む。工程７０３において、第二の電極は、第二の位置においてウェーハから切り離される。第二の位置は、ウェーハの上面を横切る中心線において第一の位置の反対側にある。方法は、さらに、ウェーハの上面において、第二の位置から第一の位置へ向かって陽極を横断させる工程７０５を含む。一実施態様において、横断させる工程は、ウェーハを移動させる間に陽極を固定位置に保持することで達成される。別の実施態様において、横断させる工程は、陽極を移動させる間にウェーハを固定位置に保持することで達成される。工程７０７において、電気メッキ溶液のメニスカスが、陽極とウェーハの上面との間に形成され、これにより、メニスカスを介して、電流が陽極と第一の電極との間に流れる。メニスカスは、陽極がウェーハの上面を横断する際に、陽極とウェーハの上面との間に閉じ込められる。
方法は、さらに、陽極が第二の位置からウェーハの上面を十分な距離だけ横断した時に、第二の位置において第二の電極をウェーハに当接させる工程７０９を含む。第二の電極が第二の位置において当接されると、電流は、メニスカスを介して、陽極と第二の電極との間に流れる。一実施態様において、第二の位置からの十分な距離は、メニスカスにおいて適切な電流密度分布を維持するように定められる。第二の位置からの十分な距離は、さらに、電気メッキ溶液のメニスカスに対して、第一及び第二の電極のそれぞれが乾燥した状態を確保するように定められる。方法は、第二の電極をウェーハに当接させる工程の後、第一の電極をウェーハから切り離す工程７１１に続く。その後、工程７１３において、ウェーハの上面において陽極の横断を完了させる。
一実施態様において、第一及び第二の電極のそれぞれをウェーハから切り離す工程工程は、対応する電極のそれぞれを流体シールドの下に位置決めすることを含む。流体シールドは、第一及び第二の電極のそれぞれを、電気メッキ溶液のメニスカスから保護する役割を果たす。さらに、別の実施態様において、方法は、ウェーハの上面において、陽極が横断した直後の部分を洗浄する工程を含んでも良い。その後、ウェーハの上面において洗浄を行った部分を乾燥させる工程を実行しても良い。
以上、本発明について、いくつかの実施態様の観点から説明してきたが、当業者は上の明細書を読み且つ図面を検討することで、その様々な変形例、追加例、置換例、及び均等物を実現し得ることは理解されよう。したがって、本発明は、本発明の本来の趣旨及び範囲に含まれるこうした全ての変形例、追加例、置換例、及び均等物を包含するものである。
Claims (32)
- 半導体ウェーハを電気メッキする装置であって、
ウェーハを保持するように構成されたウェーハ支持部と、
前記ウェーハ支持部の外周に近接した第一の位置に配置され、前記ウェーハ支持部により保持される前記ウェーハとの電気的な接続及び断絶を行うべく移動可能な第一の電極と、
前記ウェーハ支持部の前記外周に近接すると共に前記ウェーハ支持部に対して前記第一の位置の略反対側にある第二の位置に配置され、前記ウェーハ支持部により保持される前記ウェーハとの電気的な接続及び断絶を行うべく移動可能な第二の電極と、
前記ウェーハ支持部により保持される前記ウェーハの上面の上方に配置されるように構成されると共に矩形の表面領域を有する陽極であって、前記矩形の表面領域は、前記ウェーハの上面と略平行に近接するように構成されると共に、前記ウェーハの直径以上の第一の寸法と、前記ウェーハの前記直径より小さい第二の寸法により定められる陽極と、
を備え、
前記陽極と前記ウェーハ支持部は、前記ウェーハが前記ウェーハ支持部により保持される場合に前記陽極が前記ウェーハの前記上面の全体を横断できるように、前記第一の電極と前記第二の電極とを結ぶ方向に相対的に移動するように構成される
半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 請求項１に記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置において、
前記ウェーハの前記上面に対する前記陽極の前記矩形の表面領域の前記近接性は、前記陽極の前記矩形の表面領域を、ウェーハの前記上面の領域に供給される電気メッキ溶液のメニスカスに接触するように十分に接近したものである
半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 請求項２に記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置において、
前記陽極の前記矩形の表面領域と前記メニスカスとの接触により、電流が前記メニスカスを通って、前記ウェーハに電気的に接続するように移動させた前記第一の電極又は前記第二の電極のいずれかへ流れる
半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 請求項２に記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置は、さらに、
前記陽極が前記第一の電極の上を横断する際に、前記第一の電極を前記ウェーハから電気的に断絶するために移動させた場合に、前記電気メッキ溶液のメニスカスへの曝露から前記第一の電極を保護するように構成された第一の流体シールドと、
前記陽極が前記第二の電極の上を横断する際に、前記第二の電極を前記ウェーハから電気的に断絶するために移動させた場合に、前記電気メッキ溶液のメニスカスへの曝露から前記第二の電極を保護するように構成された第二の流体シールドと、
を備える半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 請求項２に記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置において、
前記陽極の前記矩形の表面領域は、前記ウェーハの前記表面上において前記電気メッキ溶液のメニスカスを形成するために、陽イオンを含んだ電気メッキ溶液の通過を許容するように構成された多孔性の抵抗材料によって形成される
半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 請求項１に記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置において、
前記陽極の前記矩形の表面領域は、消耗陽極材料によって形成される
半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 請求項１に記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置において、
前記陽極は、固定位置に留まるように構成され、前記ウェーハ支持部は、前記陽極に対して移動するように構成される
半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 請求項１に記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置において、
前記ウェーハ支持部は、固定位置に留まるように構成され、前記陽極は、前記ウェーハ支持部に対して移動するように構成される
半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 半導体ウェーハを電気メッキする装置であって、
ウェーハを保持するように構成されたウェーハ支持部と、
前記ウェーハ支持部の外周に近接すると共に前記ウェーハ支持部の第一の半外周に沿った第一の位置に配置され、前記ウェーハ支持部により保持される前記ウェーハと電気的に接触すべく移動可能に構成された第一の電極と、
前記ウェーハ支持部の前記外周に近接すると共に前記ウェーハ支持部の前記第一の半外周を除く前記ウェーハ支持部の第二の半外周に沿った第二の位置に配置され、前記ウェーハ支持部により保持される前記ウェーハと電気的に接触すべく移動可能に構成された第二の電極と、
前記ウェーハ支持部により保持される前記ウェーハの上面の上方に配置されるように構成されると共に矩形の表面領域を有する陽極であって、前記矩形の表面領域は、前記ウェーハの上面と略平行に近接するように構成されると共に、前記ウェーハの直径以上の第一の寸法と、前記ウェーハの前記直径より小さい第二の寸法により定められる陽極と、
を備え、
前記陽極と前記ウェーハ支持部は、前記ウェーハが前記ウェーハ支持部により保持される場合に前記陽極が前記ウェーハの前記上面の全体を横断できるように、前記第一の電極と前記第二の電極とを結ぶ方向に相対的に移動するように構成される
半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 請求項９に記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置において、
前記ウェーハの前記上面に対する前記陽極の前記矩形の表面領域の前記近接性は、前記陽極の前記矩形の表面領域を、ウェーハの前記上面の領域に供給される電気メッキ溶液のメニスカスに接触するように十分に接近したものである
半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 請求項１０に記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置において、
前記陽極の前記矩形の表面領域と前記メニスカスとの接触により、電流が前記メニスカスを通って、前記ウェーハと電気的に接触するように移動させた前記第一の電極又は前記第二の電極のいずれかへ流れる
半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 請求項１０に記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置は、さらに、
前記陽極が前記第一の電極の上を横断する際に、前記第一の電極を前記ウェーハから離れる方向へ移動させた場合に、前記電気メッキ溶液のメニスカスへの曝露から前記第一の電極を保護するように構成された第一の流体シールドと、
前記陽極が前記第二の電極の上を横断する際に、前記第二の電極を前記ウェーハから離れる方向へ移動させた場合に、前記電気メッキ溶液のメニスカスへの曝露から前記第二の電極を保護するように構成された第二の流体シールドと、
を備える半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 請求項１０に記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置において、
前記陽極の前記矩形の表面領域は、前記ウェーハの前記表面上において前記電気メッキ溶液のメニスカスを形成するために、陽イオンを含んだ電気メッキ溶液の通過を許容するように構成された多孔性の抵抗材料によって形成される
半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 請求項９に記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置において、
前記陽極の前記矩形の表面領域は、消耗陽極材料によって形成される
半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 請求項９に記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置において、
前記陽極は、固定位置に留まるように構成され、前記ウェーハ支持部は、前記陽極に対して移動するように構成される
半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 請求項９に記載の半導体ウェーハを電気メッキする装置において、
前記ウェーハ支持部は、固定位置に留まるように構成され、前記陽極は、前記ウェーハ支持部に対して移動するように構成される
半導体ウェーハを電気メッキする装置。 - 半導体ウェーハ電気メッキシステムであって、
ウェーハを保持するように定められたウェーハ支持構造と、
前記ウェーハ支持構造の外周の近傍かつ外側にそれぞれ存在する第一の位置から第二の位置へ前記ウェーハ支持構造上を横断するように構成された陽極であって、
前記陽極は、さらに、前記陽極の水平面と前記ウェーハ支持構造により保持される前記ウェーハの上面との間の電気メッキ溶液のメニスカスに接触するように構成され、
前記陽極の前記水平面は、前記ウェーハ支持構造により保持される前記ウェーハを横切る第一の弦に沿って延びる矩形の領域を有し、
前記矩形領域は、前記ウェーハの直径以上の第一の寸法により定められ、さらに、前記ウェーハの前記直径より小さい第二の寸法により定められており、
前記第一の弦は、前記第一の位置から前記第二の位置へ延びる第二の弦と略垂直である
陽極と、
前記第一の位置に略近接した第一の接触位置において、前記ウェーハ支持構造により保持される前記ウェーハと電気的に接触すべく移動可能に構成された第一の電極と、
前記第二の位置に略近接した第二の接触位置において、前記ウェーハ支持構造により保持される前記ウェーハと電気的に接触すべく移動可能に構成された第二の電極と、
を備える、半導体ウェーハ電気メッキシステム。 - 請求項１７に記載の半導体ウェーハ電気メッキシステムにおいて、
前記電気メッキ溶液のメニスカスは、前記矩形の領域を有する前記陽極の前記水平面と前記ウェーハの前記上面との間の領域に閉じ込められる
半導体ウェーハ電気メッキシステム。 - 請求項１７に記載の半導体ウェーハ電気メッキシステムにおいて、
前記陽極と前記電気メッキ溶液のメニスカスとの間の接触により、電流が前記電気メッキ溶液のメニスカスを通って、前記ウェーハと電気的に接触するように移動させた前記第一の電極又は前記第二の電極のいずれかへ流れる
半導体ウェーハ電気メッキシステム。 - 請求項１７に記載の半導体ウェーハ電気メッキシステムにおいて、
前記陽極が前記第一の電極の上を横断する際に、前記第一の電極を前記ウェーハから離れる方向へ移動させた場合に、前記電気メッキ溶液のメニスカスへの曝露から前記第一の電極を保護するように構成された第一の流体シールドと、
前記陽極が前記第二の電極の上を横断する際に、前記第二の電極を前記ウェーハから離れる方向へ移動させた場合に、前記電気メッキ溶液のメニスカスへの曝露から前記第二の電極を保護するように構成された第二の流体シールドと、
を備える半導体ウェーハ電気メッキシステム。 - 請求項１７に記載の半導体ウェーハ電気メッキシステムにおいて、
前記矩形の領域を有する前記陽極の前記水平面は、前記電気メッキ溶液のメニスカスを形成するために、陽イオンを含んだ電気メッキ溶液の通過を許容するように構成された多孔性の抵抗材料によって形成される
半導体ウェーハ電気メッキシステム。 - 請求項１７に記載の半導体ウェーハ電気メッキシステムにおいて、
前記矩形の領域を有する前記陽極の前記水平面は、消耗陽極材料によって形成される
半導体ウェーハ電気メッキシステム。 - 請求項１７に記載の半導体ウェーハ電気メッキシステムにおいて、
前記陽極は、固定位置に留まるように構成され、前記ウェーハ支持部は、前記陽極に対して移動するように構成される
半導体ウェーハ電気メッキシステム。 - 請求項１７に記載の半導体ウェーハ電気メッキシステムにおいて、
前記ウェーハ支持部は、固定位置に留まるように構成され、前記陽極は、前記ウェーハ支持部に対して移動するように構成される
半導体ウェーハ電気メッキシステム。 - 半導体ウェーハを電気メッキする方法であって、
第一の電極を第一の位置においてウェーハに当接させ、
前記ウェーハの前記上面を横断する中心線に対して前記第一の位置の反対側に在る第二の位置から前記第一の位置に向かって、陽極を前記ウェーハの上面において横断させ、
ここで、前記陽極は、ウェーハの上面と略平行に近接するように定められる矩形領域を有しており、前記矩形領域は前記ウェーハの直径以上の第一の寸法を有しており、前記矩形領域は、さらに、前記ウェーハの前記直径より小さい第二の寸法により定められており、
前記陽極と前記ウェーハの前記上面との間に電気メッキ溶液のメニスカスを形成することにより、前記メニスカスを介して、前記陽極と前記第一の電極との間に電流を流し、
前記陽極が前記第二の位置から前記ウェーハの前記上面を十分な距離だけ横断した時に、前記第二の位置において第二の電極を前記ウェーハに当接させることにより、前記メニスカスを介して、前記陽極と前記第二の電極との間に電流を流し、
前記第二の電極を当接させた後に、前記第一の電極を前記ウェーハから切り離し、
前記ウェーハの前記上面において前記陽極の横断を完了する、半導体ウェーハを電気メッキする方法。 - 請求項２５に記載の半導体ウェーハを電気メッキする方法は、さらに、
前記陽極が前記第二の位置を横断する前に前記第二の電極を前記ウェーハから切り離す半導体ウェーハを電気メッキする方法。 - 請求項２６に記載の半導体ウェーハを電気メッキする方法において、
前記第一及び第二の電極のそれぞれを前記ウェーハから切り離すことは、前記電極のそれぞれを流体シールドの下に位置決めすることを含み、
前記流体シールドは、前記電極のそれぞれを前記電気メッキ溶液のメニスカスから保護する役割を果たす半導体ウェーハを電気メッキする方法。 - 請求項２５に記載の半導体ウェーハを電気メッキする方法において、
前記第二の位置からの前記十分な距離は、前記メニスカスにおいて適切な電流密度分布を維持し、前記電気メッキ溶液のメニスカスに対して前記第一および第二の電極のそれぞれが乾燥した状態を確保するように定められる半導体ウェーハを電気メッキする方法。 - 請求項２５に記載の半導体ウェーハを電気メッキする方法において、
前記横断は、前記ウェーハを移動させる間に前記陽極を固定位置に保持することにより実行される半導体ウェーハを電気メッキする方法。 - 請求項２５に記載の半導体ウェーハを電気メッキする方法において、
前記横断は、前記陽極を移動させる間に前記ウェーハを固定位置に保持することにより実行される半導体ウェーハを電気メッキする方法。 - 請求項２５に記載の半導体ウェーハを電気メッキする方法は、さらに、
前記陽極が前記ウェーハの前記上面を横断する際に、前記陽極と前記ウェーハの前記上面との間に前記メニスカスを閉じ込める半導体ウェーハを電気メッキする方法。 - 請求項２５に記載の半導体ウェーハを電気メッキする方法は、さらに、
前記ウェーハの前記上面において、前記陽極が横断した直後の部分を洗浄し、
前記ウェーハの前記上面において、前記洗浄された部分を乾燥させる半導体ウェーハを電気メッキする方法。
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