JP5780935B2 - 半導体ウェーハをメッキする装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェーハの堆積及び平坦化に関し、特に、局所堆積を利用して薄膜をより効果的に堆積させ、更に局所平坦化を可能にする装置及び方法に関する。

電気メッキは、十分に確立された堆積技術である。半導体製造技術において、電気メッキは、通常、単一ウェーハプロセッサにおいて、ウェーハを電解質に浸漬した状態で行われる。電気メッキ中、ウェーハは、通常、陽極の役割を果たす正荷電プレート（同じく電解質に浸漬）に対して負の電位又は接地電位で、ウェーハホルダに保持される。例えば、銅層を形成するには、電解質は、通常、約０．３Ｍ乃至約０．８５ＭのＣｕＳＯ₄であり、ｐＨは約０乃至約２（Ｈ₂ＳＯ₄により調整）で、堆積材料の品質を向上させる微量レベル（ｐｐｍ単位の濃度）の独自の有機及び／又は無機添加物を含む。

メッキプロセス中には、均一なメッキを促進するために、通常、ウェーハを回転させる。メッキプロセス中に十分な膜厚が達成された後、ウェーハをメッキチャンバから別のチャンバへ移動させて脱イオン（ＤＩ）水中で濯ぎ、残存電解質をウェーハ表面から除去する。次に、裏面及びベベルエッジから不要な銅を除去するために、ウェーハには追加の湿式処理が施され、その後、更にＤＩ水での濯ぎにより、湿式処理の残留化学物質を除去する。その後、ウェーハを乾燥させ、アニールした後で、化学機械平坦化（ＣＭＰ）工程のための準備が整う。真空環境でウェーハを処理するのとは異なり、ウェーハ処理中の「湿式」工程には、追加的なＤＩ水による濯ぎと乾燥ステップとが続く。電解質の希釈の問題及びハードウェア設計の複雑性増加のため、ＤＩ水による濯ぎは、通常、メッキチャンバ内では行われない。現在、ウェーハメッキツールの湿式処理ステーションの約５０パーセントは、メッキ専用であり、ウェーハのスループットに大きな悪影響を与え、処理コストを増加させている。加えて、障壁層に対する直接的な銅メッキを可能にするために、表面活性化とメッキとの間の時間は、最小化する必要がある。表面活性化工程の有効性は、表面活性化後にウェーハを濯ぎ、ウェーハをメッキモジュールへ輸送するために要する追加的な時間によって制限される。湿式処理ステップ間の個別のＤＩ水による濯ぎの量を除去又は低減することで、更に効率的な方法が提供される。

メッキプロセス中、ウェーハは、陰極の役割を果たし、ウェーハには電源を電気的に接続する必要がある。通常は、ウェーハホルダ又は支持部の多数の個別の接点により、ウェーハホルダをウェーハのエッジに電気的に接続する。こうした接点を介して提供された電流は、ウェーハを電気メッキするために利用される。従来のアプローチにおいて、メッキ電流は、均一な堆積を提供することを目的に、ウェーハの周囲で均一に分配される。均一な堆積には、通常、抵抗シード層を介したウェーハとの均一で一定な接触抵抗が必要となる。したがって、均一な堆積を提供するためには、基板との接点の清浄性及び再現性が確保されることが好ましい。場合によっては、接点の洗浄には、メッキ工程の生産性を更に制限する追加的なプロセスが必要となる。

バイポーラ効果は、銅電気メッキのもう一つの課題であり、接触抵抗が非常に高い時に観察される。バイポーラ効果は、メッキプロセスに湿式接触が使用される時に発生する。この効果は、接点の真下にある銅シード層のエッチングを誘発し、これにより、電気メッキ中にウェーハと電源との間の電気的接触を分断する。バイポーラ効果は乾式接触が使用される時に回避されるが、しかしながら、乾式接触方法には、複雑なシール設計が必要であり、信頼性の問題が生じやすい。半導体ウェーハ上の造作の寸法が縮小を続けるにつれ、銅シード層の厚さも、現在の約１０００オングストロームから約４００オングストローム未満へ減少することが予想されている。シード層の厚さの減少は、銅電気メッキプロセス中に空隙のないギャップ充填を可能にするために、造作の最上部に妥当なサイズの開口部を確保する上で必須となる。シード層の役割は電気メッキ中にメッキ電流をウェーハ全体に分布させることであるため、薄く抵抗の大きいシード層によって、ウェーハ外周の接点近くを均一にメッキするために設計されたチャンバには、大きな課題が持ち込まれる。末端効果として知られるこの効果は、現在の３００ｍｍウェーハのような大型のウェーハにおいて更に顕著となる。

したがって、必要なものは、バイポーラ効果なしで、半導体ウェーハの障壁層上に均一な電気メッキを提供する電気メッキシステムである。

大まかに言って、本発明は、メニスカスに基づくメッキプロセスを使用した局所電気メッキを提供する装置である。

なお、本発明がプロセス、装置、システム、デバイス、又は方法を含む多数の態様で実施可能であることは理解されたい。以下、本発明のいくつかの発明実施形態について説明する。

一実施形態では、ウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置が提供される。ウェーハは、陰極として荷電させることができる。電気メッキ装置は、ウェーハの表面上方又は下方に配置可能で、かつ、陽極として荷電させることが可能なメッキヘッドを含む。メッキヘッドは、ウェーハ及びメッキヘッドが荷電されている時、ウェーハの表面とメッキヘッドとの間での金属メッキを可能にできる。メッキヘッドは、更に、メッキヘッドとウェーハの表面との間に存在する電圧を感知可能な電圧センサ対と、電圧センサ対からデータを受領可能なコントローラとを備える。電圧センサ対から受領したデータは、メッキヘッドがウェーハの表面上方の位置に置かれた時に陽極により印加されるべき実質的に一定の電圧を維持するために、コントローラによって使用される。

本発明の別の実施形態では、ウェーハの表面をメッキする方法が提供される。方法は、ウェーハの表面上でメッキメニスカスを形成するステップを備え、メッキメニスカスは金属材料のメッキを可能にする印加電荷を有し、更に、メッキメニスカスをウェーハ表面の位置に亘って移動させるステップと、メッキメニスカスの印加電荷を制御するステップとを備える。印加電荷は、メッキメニスカスをウェーハ表面の位置に亘って移動させる時に、メッキ層がウェーハ表面全体で実質的に均一となるように変化させる。

本発明の別の実施形態では、ウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置が提供される。ウェーハの表面上方に配置される構成となるメッキヘッドは、ウェーハの表面上に金属層をメッキするための陽極として荷電させることができる。メッキヘッドは、更に、メッキヘッドとウェーハの表面との間に第一の流体を提供できる。ウェーハの表面上方に配置される構成となる近接ヘッドは、メッキヘッドの経路に従い、ウェーハの表面を処理することができる。

本発明の別の実施形態では、ウェーハの表面を電気メッキするシステムが提供される。メッキヘッドは、ウェーハの表面上方に配置可能であり、陽極として荷電できる。メッキヘッドは、更に、ウェーハ及びメッキヘッドが荷電されている時にウェーハの表面とメッキヘッドとの間での金属メッキを可能にできる。メッキヘッドは、メッキヘッドとウェーハの表面との間に存在する電圧を感知可能な電圧センサ対と、電圧センサ対からデータを受領可能なコントローラとを備える。データは、メッキヘッドがウェーハの表面上方の位置に置かれた時に陽極により印加されるべき実質的に一定の電圧を維持するために、コントローラによって使用される。システムは、更に、ウェーハの表面の洗浄及び乾燥が可能な近接ヘッドと、処理中にウェーハを搬送して所定の位置に保持可能なウェーハハンドリング機構と、電気メッキシステムの動作を制御可能なコンピュータとを含む。

本発明の利点は無数に存在するが、最も顕著なものとして、実施形態は、局所メッキを可能にし、そのため、メッキの活性面積を低減し、化学交換を改善する。局所金属メッキは、障壁又はシード層全体に分布させる必要がある総メッキ電流を減少させ、これにより、抵抗層の効果を大幅に低減し、堆積の均一性を改善する。陽極によって印加される電圧の恒常的なモニタ及び制御は、メッキ工程を受けるウェーハの表面全体での均一な電流密度を提供する。同時的な前処理、メッキ、濯ぎ、及び乾燥手法は、処理を統合し、より効率的な方法を生み出す。例えば、前洗浄及びメッキプロセスを隣接した構成にすることで、局所処理の周囲条件を相対的に無酸素に維持できる。不活性ガスカーテンを使用して、前洗浄及びメッキプロセスステップ間に形成された活性表面領域の再酸化を防止できる。また、本発明は、以下の形態としても実現可能である。
・形態１
ウェーハの表面をメッキする方法であって、
前記ウェーハの前記表面上に、金属材料のメッキを可能にする印加電荷を有するメッキメニスカスを形成するステップと、
前記メッキメニスカスを前記ウェーハ表面の位置に亘って移動させるステップと、
前記メッキメニスカスを前記ウェーハ表面の位置に亘って移動させる時に前記印加電荷が変化するように、前記メッキメニスカスの前記印加電荷を制御するステップと、を備え、
前記印加電荷を変化させることで、メッキ層が前記ウェーハ表面に亘り実質的に均一となるようにする、方法。
・形態２
形態１記載の方法であって、
前記印加電荷を制御する前記ステップは、前記メッキを実行する時に、前記ウェーハの前記表面のメッキ化学物質に対して、実質的に調節された電圧を提供する、方法。
・形態３
形態１記載の方法であって、
前記印加電荷を制御する前記ステップは、前記ウェーハの前記表面に亘って、メッキ化学物質を介して、実質的に均一な電流密度を提供する、方法。
・形態４
ウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記ウェーハの前記表面の上方に配置されるように構成されると共に、前記ウェーハの前記表面上に金属層をメッキするための陽極として荷電可能であり、更に、前記メッキヘッドと前記ウェーハの前記表面との間に第一の流体を提供可能なメッキヘッドと、
前記ウェーハの前記表面の上方に配置されるように構成されると共に、前記メッキヘッドの経路に従って前記ウェーハの前記表面を処理することが可能な近接ヘッドと、を備える、電気メッキ装置。
・形態５
形態４記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記第一の流体は、電解質、ＤＩ水、及びメッキ化学物質の一つを含み、
前記第一の流体の電解特性は、前記ウェーハとの電気的結合を促進し、
前記ウェーハは、前記ウェーハの除外領域における電気的接触によって陰極として荷電される、電気メッキ装置。
・形態６
形態５記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記メッキ化学物質は、銅材料、ニッケル材料、タリウム材料、タンタル材料、チタン材料、タングステン材料、コバルト材料、合金材料、又は複合金属材料を含む金属をメッキするための水溶液として定義される、電気メッキ装置。
・形態７
形態４記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記近接ヘッドの下の前記流体は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）と、化学物質と、希釈化学物質と、脱イオン水とのうちの一つ以上である、電気メッキ装置。
・形態８
形態４記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
前記メッキヘッドの下の面積は、局所メッキを定め、
前記面積は、前記ウェーハ表面の全体よりも小さい、電気メッキ装置。
・形態９
形態８記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
渦電流センサは、局所金属メッキのモニタを可能にする、電気メッキ装置。
本発明のその他の態様及び利点は、本発明の原理を例として示す添付図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかになろう。

本発明による、電気メッキ装置の一実施形態を例示する図。 本発明による、洗浄コンポーネントを有する電気メッキ装置の例を提供する図。 本発明による、メッキ工程中の電気メッキ装置を例示する図。 本発明による、ウェーハと接触するメッキ装置の電気回路図。 本発明による、ウェーハ上方のメッキヘッドの詳細な側面図。 本発明による、ウェーハのエッジ上方を移動する際の動作中のメッキヘッドの詳細な側面図。 本発明による、ウェーハのエッジ上方を移動する際の動作中のメッキヘッドの上面図。 本発明による、ウェーハが動作中のメッキヘッドの下方に配置された際の電流密度を表すグラフ。 本発明による、ウェーハ上方を移動する際の動作中のメッキヘッドの側面図。 本発明の一実施形態による、電気メッキ工程用のウェーハ搬送装置の例を示す図。 本発明による、電気メッキ装置の別の実施形態を提供する図。 本発明の別の実施形態による、動作中の電気メッキシステムを例示する図。 本発明による、電気メッキシステムの別の実施形態を例示する図。 本発明の別の実施形態による、様々な段階の処理が可能な大型処理装置へのメッキシステムの統合を例示する図。 本発明による、電気メッキの例示的方法を提供するフローチャート図。 本発明の一実施形態による、電気メッキシステム用の動作方法のフローチャート。

本発明は、添付図面と併せて、以下の詳細な説明により容易に理解されよう。この説明を容易にするために、同様の参照符号は同様の構造要素を示す。

ウェーハの表面を電気メッキする方法及び装置についての発明を開示する。本発明は、一般的に、半導体ウェーハの乾燥領域における電気的接触を提供し、同時に障壁上での均一な電気メッキを発生させる。電解質及び統合処理への露出時間を低減する目的で、統合された濯ぎプロセスが提供される。層の均一性を確保するために、本発明は、ウェーハとの単一点での乾式電気接触を実施し、同時に一定の電圧を維持し、これにより、電流密度をウェーハ全体で均一に分布させる。

以下の説明は、半導体技術のメッキ手法の分野に更なる進歩を提供する。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、当業者は、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践し得ることを理解するであろう。別の例において、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、詳細に説明していない。

図１は、本発明の一実施形態による、例示的な電気メッキ装置１００の図である。ウェーハＷは、ウェーハＷのエッジ除外領域内に取り付けられたウェーハ後縁部の電気接点１５０ａおよびウェーハ前縁部の電気接点１５０ｂに電気的に接続できる。電気接点１５０ａ及び１５０ｂは、ウェーハＷのエッジ除外領域に取り付けるために、或いはウェーハＷから分離するために、方向１６２で物理的に移動できる。エッジ除外領域は、ウェーハの外周に存在し、通常、２００ｍｍ及び３００ｍｍウェーハでは、約１ｍｍ乃至約３ｍｍである。電源は、陰極として機能させるために、電気接点１５０ａ及び１５０ｂを経由してウェーハＷを負に荷電させる。

メッキヘッド１１０は、電源によって陽極として荷電させることが可能であり、ウェーハＷの上方で懸架することが可能である。図示していないが、電気メッキ装置１００は、ウェーハＷがメッキヘッド１１０の上方になるように反転できる。メッキヘッド１１０は、ウェーハＷの表面と接触していないが、しかしながら、ウェーハＷに極めて近接して配置できる。メッキヘッド１１０は、ウェーハＷの表面に亘って延びるバーとして構成してよい。メッキヘッド１１０は、アーム、オーバヘッドバー、或いはメッキヘッド１１０をウェーハＷの表面上方に配置できる任意の適切なデバイスによって支持されてよい。ウェーハＷは、シード層を有してよい。シード層は随意的なものだが、しかしながら、一部の実施形態は、電気メッキ工程を行う前にシード層を上部に形成することで恩恵を受ける場合がある。メッキする材料が銅である時、シード層は、通常、公知の手法を使用してスパッタリング又は堆積させ得る銅の薄層である。

メッキヘッド１１０は、ウェーハ後縁部の電気接点１５０ａに向かってウェーハＷの表面上方を相対方向１６０に進む際に、その経路にメッキ層１０３を残す。メッキ層１０３は、メニスカスに含有される電解質によって促進される電気化学反応を介して形成される。メニスカスは、メッキヘッド１１０とウェーハＷとの間に定められた流体ボリュームである（下で更に詳細に説明する）。代替実施形態において、メッキ層１０３は、シード層ではない層の上に形成できる。こうした層の例は、障壁層又は他の何らかの層材料となり得る。メッキ層１０３は、銅、ニッケル、コバルト、ルテニウムのいずれか、上記記載金属の合金、或いは半導体用途に適した複合金属材料等、電気メッキが可能な任意の金属にしてよい。

メッキヘッド１１０は、あらゆる形でウェーハＷを走査するようにプログラムできる。システムは例示的なものであり、ウェーハに極めて近接した位置へのヘッド（群）の移動を可能にする他の任意の適切なタイプの構成を利用してよいと理解されたい。好適な実施形態において、メッキヘッド１１０は、ウェーハＷの一方の縁部から別の正反対のウェーハＷ縁部まで、直線的な形で移動してよい。例えば、半径方向運動、円運動、螺旋運動、又はジグザグ運動その他といった、その他の非線形運動を利用してもよい。例えば、ウェーハＷ及び接点１５０ａ及び１５０ｂを回転させる場合、メッキヘッド１１０は、ウェーハＷの中心で動き始め、外側の縁部まで直線的に徐々に移動できる。

別の実施形態において、メッキヘッド１１０は、軌道を描いて周りながらウェーハＷ上方を進行することが可能であり、或いは、別の場合には、ウェーハの全ての部分を処理可能となる形でウェーハ上方を移動できる。運動も、ユーザの必要に応じて、任意の適切な指定された運動プロフィールにしてよい。移動中、メッキ動作は、均一な金属材料層をウェーハＷの表面に送給することが望ましい。メッキヘッド１１０の動作に関する詳細は、下で更に詳しく説明する。

本明細書での使用において、局所金属メッキは、金属材料を堆積させるメッキヘッド１１０下方の領域を定めることが意図されている。図面に示したように（図１乃至３及び５乃至１０）、メッキヘッド１１０の下方の面積は、ウェーハＷの表面積全体より小さい。したがって、局所金属メッキは、一定の時点でメッキヘッド１１０の下でのみ発生する。ウェーハＷの表面上での更なる金属メッキを達成するために、メッキヘッド１１０は、ウェーハＷの別の表面領域を移動する。例示的な実施形態において、メッキヘッド１１０は、バーの形状で構成され、ウェーハＷの表面全体で均一なメッキを保証する移動が可能である。代替として、ウェーハＷ上でのメッキヘッド１１０の移動は相対的であるため、メッキヘッド１１０を移動させる代わりに、ウェーハＷと電気接点１５０ａ及び１５０ｂとを移動させることができる。

図２は、メッキヘッド１１０によってメッキ工程が実行された後、ウェーハＷの洗浄、濯ぎ、及び乾燥が可能なメッキ装置の実施形態を提供する。工程中、メッキヘッド１１０は、ウェーハＷの縁部及びウェーハの未メッキ領域１０１に向かって相対方向１６０に進む。洗浄されていないメッキ層１０３は、メッキヘッド１１０と、近接ヘッド１３０として知られる第二のヘッドとの間に位置する状態で図示されている。近接ヘッド１３０は、脱イオン水、化学物資、希釈化学物質、及びイソプロピルアルコールの一つ以上を供給可能な複数の投入部を有する。近接ヘッド１３０には複数の排出部も含まれ、排出部は、ウェーハＷの表面から流体を除去できる。

近接ヘッド１３０は、メッキ層１０３を備えたウェーハＷの領域の洗浄、濯ぎ、及び乾燥を行い、ウェーハＷの表面から任意の残存電解質を除去できる。ウェーハ前縁部の電気接点１５０ｂに最も近いウェーハＷの縁部に図示された乾燥メッキ領域１０５は、近接ヘッド１３０によって洗浄済みである。一実施形態において、ウェーハ前縁部の電気接点１５０ｂは、ウェーハの前縁部で実行される最初のメッキ工程中にウェーハＷと接触しないように、方向１６２に移動させることができる。こうして１５０ｂとウェーハＷとが分離する場合に、ウェーハ後縁部の電気接点１５０ａをウェーハＷと物理的に接触した状態にして、電気化学反応に必要な電流経路を提供する。

図３は、本発明によるウェーハメッキ装置の別の図を提供する。上の図１及び２において説明したように、メッキヘッド１１０は、ウェーハ後縁部の電気接点に向かってウェーハＷ上方を相対方向１６０に進む。工程中には、メッキヘッド１１０とウェーハＷとの両方に接触するメッキメニスカス１１１が、メッキヘッド１１０の下に形成される。

メニスカスは、表面の上又は下、或いは表面間で、流体のカプセル化領域を維持するために、流体の表面張力勾配（ＳＴＧ）を利用する。近接ヘッドによって利用されるメニスカスの動作は、２００２年９月３０日提出の同時係属米国特許出願第１０／２６１，８３９号「ウェーハ表面に極めて近接して保持した複数の入口及び出口を使用して半導体ウェーハ表面を乾燥させる方法及び装置」において開示されている。メッキメニスカス１１１は、ウェーハＷへの電気的経路を完成させることが可能な電解質と、以下の図５乃至７において説明するようなメッキ工程に必要な材料とを含有する。メッキヘッド１１０及びメッキメニスカス１１１は、ウェーハの未メッキ領域１０１に向かって相対方向１６０に進み、メッキ済みだが濯ぎがされていないウェーハ部分１０３を残す。一実施形態において、メッキヘッド１１０の後方に続く近接ヘッド１３０は、脱イオン水（ＤＩ水）、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、及び真空のうち一つを提供する洗浄メニスカス１３１を有する。近接ヘッド１３０は、メッキ層１０３を含むウェーハの表面を洗浄し、乾燥メッキ領域１０５を残す。近接ヘッド１３０によって実行される洗浄は、随意的に濯ぎを含んでもよい。ＩＰＡの使用は、随意的なものであり、複数の排出部によって提供される真空がウェーハ表面の流体を除去する上で十分に強力であり、近接ヘッド１３０の移動が制御されている場合には必要ない。近接ヘッド１３０は、ＩＰＡ境界内でのＤＩ水の連続的な供給及び除去を提供することで、２００２年１２月２４日提出の米国特許出願第１０／３３０，８４３号「メニスカス、真空、ＩＰＡ蒸気、乾燥マニホルド」において説明される形で動作できる。

本発明の別の実施形態において、メッキヘッド１１０の一部には、近接ヘッド１３０の特徴を組み込んでよく、これにより、メッキ層１０３を含むウェーハＷの表面を洗浄するために必要となる別個のヘッド又はバーの必要性が排除される。上の図２及び図３において説明した近接ヘッド１３０は、更に、ウェーハＷの効率的な濯ぎ及び乾燥が提供されるように、任意の適切な形でメッキヘッド１１０に取り付けてもよい。

図４は、本発明の一実施形態による、メッキ装置の電気回路図を提供する。メッキヘッド１１０は、陽極として正に荷電され、メッキメニスカス１１１を介してウェーハＷに電気的に接続される。メッキメニスカス１１１の伝導性は、流体に含有される電解質及び導体材料によって与えられる。メッキヘッド１１０とウェーハＷとの間に形成されたメッキメニスカス１１１は、スイッチ１５５をウェーハ後縁部の電気接点１５０ａの方向に入れて、接触させる時、ウェーハ後縁部の電気接点１５０ａとの間でウェーハＷの表面を電子が移動する電気的経路を提供する。電気接点１５０ａ及び１５０ｂは、負に荷電又は接地されており、陽極であるメッキヘッド１１０から陰極であるウェーハＷへの電気回路を完成させる。単純に図示されているが、スイッチ１５５は、接点１５０ａ、１５０ｂ、或いは１５０ａ及び１５０ｂの両方をつなぐことができる。スイッチ１５５は、メッキ工程中、メッキヘッド１１０がウェーハＷの表面全体で相対方向１６０に進む際に、電気的接触を１５０ａから１５０ｂへ増分的に移行させることができる。別の実施形態において、接点１５０ａ及び１５０ｂは、ウェーハＷとの電気的接触又は分離を提供するために、（上の図１において説明したように）独立した物理的移動が可能である。

図５は、メッキヘッド１１０を中心とした電気メッキ装置の詳細図である。メッキ化学物質１１８は、メッキヘッド１１０内のリザーバに提供される。メッキ化学物質１１８は、銅メッキ用にしてよいが、しかしながら、特定の用途（即ち、必要な金属材料のタイプ）に応じて、その他のメッキ化学物質に置き換えてもよい。メッキ化学物質１１８は、金属、合金、又は複合金属材料を堆積させる水溶液として定義できる。一実施形態において、メッキ金属は、銅材料、ニッケル材料、タリウム材料、タンタル材料、チタン材料、タングステン材料、コバルト材料、合金材料、複合金属材料、その他のいずれか１つを含むことができるが、これに限られるものではない。メッキ溶液１１８は、Ｍｅ^X+1［錯体］＋ｅ^-→Ｍｅ^X［錯体］の形態のウェーハＷ表面での反応を提供する。この場合、Ｍｅは、Ｃｕ等の金属イオンにすることが可能であり、ｘは２となる。錯化剤は、エチレンジアミン、アンモニア（ＮＨ₃）、グルコヘプトン酸、又はその他にすることができる。

メッキヘッド１１０は、メッキ化学物質１１８を収容するリザーバの両側に陽極１１２を有する。電気化学反応のための電荷を提供する電源により、陽極１１２に電圧を印加してよい。上記のウェーハＷとウェーハ後縁部の電気接点１５０ａとの間の単一の乾式接触は、従来的な意味において放射対称ではない電流経路を提供する。メッキメニスカス１１１に含まれるメッキ化学物質１１８は、電解質溶液を提供し、これにより、ウェーハＷの表面での反応は、陽極１１２に電荷を加えた時、Ｃｕ⁺²＋２ｅ^-→Ｃｕとなる。メッキヘッド１１０がウェーハ後縁部の電気接点１５０ａに向かって相対方向１６０に進む際には、メッキヘッド１１０下方のメッキ工程を受ける領域において、均一な電流分布が実現される。

電源は、ウェーハ前縁部の電気接点１５０ｂ及びウェーハ後縁部の電気接点１５０ａに電気的に接続される。電気接点１５０ａ及び１５０ｂは、独立した制御及びウェーハＷとの独立した接触が可能である。多孔性アプリケータ１１４は、メッキ化学物質１１８の真下に位置し、リザーバの基部を提供する。多孔性アプリケータ１１４は、メッキ化学物質１１８をリザーバから、メッキヘッド１１０とウェーハＷ表面との間の領域へ通過させることが可能な多孔性セラミック又はその他の適切な材料で構成される。適切な多孔性アプリケータ１１４の例は、２００４年６月２８日提出の同時係属米国特許出願第１０／８７９，３９６号「電気メッキヘッド及びその操作方法」において説明されている。多孔性アプリケータ１１４は、実質的に垂直な入射角度で、陽極１１２からウェーハＷ表面への電流Ｉの流れを提供する。

多孔性アプリケータ１１４を通過するメッキ化学物質１１８は、好ましくは、メッキヘッド１１０下方のウェーハＷ上に存在する薄層として定められるメッキメニスカス１１１に閉じ込められる。メッキメニスカス１１１の厚さは、所望の用途に基づいて変化してよい。一例において、メニスカスの厚さは、約０．１ｍｍ乃至約１０ｍｍの範囲にしてよい。したがって、メッキヘッド１１０は、ウェーハ表面に近接して配置される。本明細書での使用において、「近接」は、メッキヘッド１１０下面とウェーハＷ表面との間の分離を定義し、分離は、流体メニスカスの形成を可能にする上で十分なものにするべきである。多孔性アプリケータ１１４は、ウェーハＷの表面に近接するメッキメニスカス１１１において抵抗板として機能する。陽イオンは、リザーバと多孔性アプリケータ１１４との間の膜を介して導入される。

本発明によれば、メッキ材料は、メッキ化学物質１１８を含有するメッキメニスカス１１１において発生する化学反応によって形成される。メッキヘッド１１０内の陽極１１２に荷電することで、ウェーハＷの表面での化学反応が促進される。メッキを可能にするために、電源による電気接点１５０ａを介して陰極として荷電されたウェーハＷにおいて、化学物質中のイオンの還元が行われる。化学反応によって、メッキ層１０３が形成される。反応副産物及び劣化した反応流体は、（上記のように）近接ヘッド１３０によって除去する。

更に図５を参照すると、メッキヘッド１１０がウェーハＷ表面上方を相対方向１６０に移動する時にメッキヘッド１１０の前方側にある電圧センサ対１２６は、電圧センサ１２１及び１２２間の電圧モニタデータをコントローラに提供する。同様に、メッキヘッド１１０の後縁部においても、第二のセンサ対１２８が、メッキヘッド１１０の後縁部での電圧センサ１２３及び１２４間の電圧モニタデータをコントローラに提供する。コントローラは、電圧センサ対１２６及び１２８からのフィードバックを受領し、電源によって陽極１１２と電気接点１５０ａ及び１５０ｂとに供給される電力を調節できる。電圧センサ対１２６及び１２８は、電流密度制御を提供可能なコントローラにデータを提供する。

図６Ａに示すように、フィードバックメカニズムにより、本発明に従って、メッキヘッド１１０に加える電力のモニタ及び制御が可能となる。ウェーハＷの縁部上方でのメッキヘッド１１０の移動中、電圧センサ対１２６及び１２８からのフィードバックにより、電源がメッキヘッド１１０へ分配する電力のモニタ及びその後の制御が可能となる。電圧センサ対１２６及び１２８からのデータを受領するコントローラは、ウェーハＷが電圧センサ１２６の下を通過し始める際に、ウェーハＷの存在を認識する。一実施形態において、ウェーハＷは、方向１６２でウェーハＷとの物理的接触から離れたウェーハ前縁部の電気接点１５０ｂを備えた支持部１６５に置かれる。ここで、ウェーハＷの乾燥したエッジ除外領域内にあるウェーハ後縁部の電気接点１５０ａ（図１乃至５参照）に負の電荷を加える。メッキヘッド１１０がウェーハの縁部上方で相対方向１６０に移動する際には、メッキヘッド１１０によって定められた表面領域の抵抗率が低下するのに従って、一定の電圧を維持するために電流Ｉを増加させて、メッキ領域が前進してもメッキ工程は効果的に制御される。メッキヘッド１１０下方の領域での電流密度は、事実上、一定に維持される。コントローラは、更に、メッキヘッド１１０がウェーハＷの部分的な上方にのみ配置されることを認識できる。

図６Ｂは、本発明による、メッキヘッド１１０がウェーハＷの前縁部上方を移動する際の電気メッキ装置の上面図を提供する。図示したように、ウェーハ前縁部の電気接点１５０ｂは、ウェーハＷに触れていない。メッキヘッド１１０の後縁部の電圧センサ対１２８は、ウェーハＷ上方を移動していない。メッキメニスカス１１１は、ウェーハＷの一部の上に存在しており、したがって、ウェーハ後縁部の電気接点１５０ａを介して、ウェーハＷの表面全体に電流Ｉを導入している。電圧センサ対１２６は、電気メッキ工程を受けているウェーハＷの領域の上方に存在する。コントローラ（図５及び６Ａ参照）は、メッキヘッド１１０によって定められたウェーハＷの領域に印加する電流Ｉの量を調節できる。

図６Ｃは、本発明による、メッキ工程を受けるウェーハＷの表面全体に印加される電流の量をグラフで表現している。ウェーハの表面積と、電圧が一定に維持された間に印加される電流との関係は、Ｖ＝ＩＲによって規定される。グラフにおいて、ｘ軸線は、ウェーハＷの前縁部から後縁部までの距離を表し、更に、メッキヘッド１１０がウェーハＷの表面を横断するために要した時間量も表現できる。曲線Ｘｅの下の領域は、ウェーハの前縁部において印加された電流の量を表す。曲線Ｘｃの下の領域は、ウェーハの中心、即ち、最大のウェーハ表面積がメッキヘッド１１０によって定められる時点で印加された電流の量を表す。コントローラによって受領される電圧センサ対１２６及び１２８からのデータ
は、図６Ｃに示したようなグラフ表現を提供する。メッキヘッド１１０がウェーハＷを横断する際には、メッキ領域が前進しても、メッキ工程は効果的に制御される。電圧センサ対１２６及び１２８からデータを受領可能なコントローラは、ウェーハ表面に印加される電流がメッキヘッド１１０及びメニスカス１１１によって定められたウェーハＷの表面積の大きさにおいて比例する状態を確保する。メッキヘッドによって定められた表面領域の抵抗率がウェーハＷの中心に向けて減少し、中心から後縁部に向けて増加するのに従って、電流を増加させて一定の電圧を維持する。

電気接点１５０ａ及び１５０ｂの使用は、メッキヘッド１１０がウェーハＷの中心を越える際に移行させる。均一な電流密度を維持するために、メッキヘッド１１０から最も距離のある電気接点を使用して、回路を完成させる。利用される接点がメッキヘッド１１０から直線で最も遠い時、電流場のラインは、最も均一になる（相対方向１６０に進むメッキヘッド１１０に垂直）。メッキヘッド１１０の下の領域における電流密度は、ウェーハ後縁部の電気接点１５０ａからウェーハ前縁部の電気接点１５０ｂへの接点の切り替えにより、事実上、一定に維持される。

図７は、ウェーハＷ上方の動作中のメッキヘッド１１０の側面図である。メッキヘッド１１０は、ウェーハＷ後縁部に向かって相対方向１６０で移動を続ける際に、その経路にメッキ層１０３を残す。電流Ｉは、陽極１１２から、メッキ化学物質１１８を介し、多孔性アプリケータ１１４を介して、ウェーハＷの表面に接触するメッキメニスカス１１１に達する。メッキメニスカスの電解質の特性により、メッキヘッド１１０の下での均一な電流分布が確保される。ウェーハＷ中心上方の電流経路は、多孔性アプリケータ１１４とメッキメニスカス１１１とを介して均一となる。

メッキヘッド１１０がウェーハＷの一部を横断した後、（上の図２乃至３で説明した）近接ヘッド１３０は、その領域の洗浄及び乾燥を行う。メッキヘッド１１０がウェーハの中心近くの領域に進んだ時、乾燥メッキ領域１０５（図２及び３において乾燥メッキ領域１０５として図示）は、ウェーハ前縁部の電気接点１５０ｂに接触させることができる。ウェーハ前縁部の電気接点１５０ｂがウェーハと接触すると、ウェーハ後縁部の電気接点１５０ａが取り外され、陰極であるウェーハＷの表面での均一な電流分布を提供する単一の乾式接触が維持される。

ウェーハ後縁部の電気接点１５０ａからウェーハ前縁部の電気接点１５０ｂへの移行中、１５０ａ及び１５０ｂに加える電荷は、注意深く制御する必要がある。ウェーハ前縁部の電気接点１５０ｂの物理的接触は、電源による１５０ｂへの電流の印加の前に形成される。メッキヘッド１１０がウェーハの中心を越えると、電流Ｉは、１５０ａから１５０ｂへ移行し、一定の合計電流密度を維持する一方で、電圧センサ対１２６及び１２８に亘って一定の電圧を維持するために、後縁部１５０ａの電流をゼロまで減少させ、同時に前縁部１５０ｂの電流を所望のレベルまで増加させる。本発明によれば、従来、接点の真下のメッキ材料のエッチングを引き起こすバイポーラ効果は、単一点での乾式電気接触の使用によって回避される。したがって、メッキ接点のハードウェアは、本発明において簡略化され、プロセスの制御及び信頼性が大幅に改善される。

図８は、電気メッキ装置の上面図を提供する。複数のウェーハＷは、支持部１６５上において、相対方向１６０でメッキヘッド１１０の下に搬送してよい。近接ヘッド１３０は、メッキヘッド１１０によって実行される最初のメッキに続くウェーハＷの洗浄のために、列を成してよい。一連のメッキヘッド１１０及び近接ヘッド１３０は、コンベヤベルトタイプの処理に似た形で、搬送機構に沿って配置してよい。他の適切なウェーハ搬送及びハンドリング機構を使用して、メッキプロセスの効率を支援してもよい。

図９は、電気メッキ装置の別の実施形態である。この実施形態において、メッキヘッド１１０及び近接ヘッド１３０は、ウェーハＷの表面上方に配置可能なスピンドル２２０に取り付けられる。ウェーハＷは、支持部１６５上に配置され、電気接点１５０ａ及び１５０ｂによって陰極として荷電できる。スピンドル２２０は、メッキヘッド１１０と近接ヘッド１３０とを支持し、ウェーハＷ上方の位置に配置するために相対方向１６０又は逆方向に移動できる。スピンドル２２０は、メッキ工程中、ウェーハＷの表面全体を走査できる。スピンドル２２０は、メッキヘッドが相対方向１６０とは反対の方向でウェーハＷを走査する場合に、近接ヘッド１３０がメッキヘッド１１０に続くように、メッキヘッド１１０及び近接ヘッド１３０を１８０度変えて再配置できる。メッキメニスカス１１１は、メッキヘッド１１０とウェーハＷとの間に図示されており、一方、近接ヘッド１３０とウェーハＷとの間に位置する洗浄メニスカス１３１は、メッキヘッド１１０に続いて図示されている。

図１０Ａは、本発明の一実施形態による電気メッキシステム５００の図である。メッキヘッド１１０は、支持部１６５上に置かれたウェーハＷの上方のヘッド搬送部１８５によって支持される。ウェーハ搬送部１８７は、ウェーハＷをメッキヘッド１１０の下方に移動できる。コンピュータ３５０は、コントローラとも呼ばれ、メッキヘッド１１０に対するウェーハＷの相対的移動を含め、電気メッキシステム５００の動作を組織化できる。別の実施形態において、ヘッド搬送部１８５は、メッキヘッド１１０の経路に従ってウェーハＷを洗浄可能な近接ヘッド１３０を装備できる。更に別の実施形態において、ヘッド搬送部１８５は、メッキヘッド１１０と近接ヘッド１３０との両方を支持するように構成された、上の図９において説明したようなスピンドル２２０を支持してよい。

別の実施形態では、図１０Ｂに示したように、渦電流センサ２３０が電気メッキシステム５００に統合される。渦電流センサ２３０は、ウェーハＷの下の支持部１６５に配置された補助センサと共に、近接ヘッド１３０（図２、８、９、１０Ａ、１０Ｂ）又はスピンドル（図９）に配置できる。渦電流センサ２３０は、コンピュータ３５０と通信する。渦電流センサ２３０は、金属層の存在及び厚さを判定し、特定のプロセスが完了する時期（例えば、終点）又はその任意の組み合わせを決定するために使用される。一実施形態において、メッキ層１０３の厚さは、メッキプロセス中に感知できる。このようにして、コンピュータと通信する渦電流センサ２３０により、制御された形での金属材料の付与が達成できる。簡単に図示しているが、渦電流センサ２３０の配置は、例示的なものに過ぎず、渦電流センサ２３０の適切な配置は、用途に応じて変化する。当然ながら、メッキ層１０３及び乾燥メッキ領域１０５の厚さを測定する他の手法も使用できる。渦電流センサ２３０の機能の更に詳細な説明については、２００２年６月２８日提出の米国特許出願第１０／１８６，４７２号「半導体処理ツールへのセンサに基づく測定の統合」を参照可能である。

図１１は、いくつかの段階のウェーハ処理が可能な大型の処理装置へのメッキシステムの統合を例示している。上の図１乃至１０において説明した電気メッキ装置は、エッチングシステムと、洗浄システムと、化学機械平坦化システムと、堆積システムと、注入システムと、リソグラフィシステムと、マスキングシステムと、検査システムとにおいてウェーハを処理可能なウェーハ移送及び制御システムに統合できる。こうした処理ツールの統合は、空間効率に優れた形で（処理ツールの設置面積を限定して）マルチツール機能を提供するクラスタ構成又は他の適切な構成の物理的配置を含んでよい。こうしたプロセスの統合は、半導体製造の必要性と、様々な設備構成要素の互換性とに応じて変化してよい。通信に関するモジュール方式機器小委員会（ＭＥＳＣ）及び一般装置モデル（ＧＥＭ）といった半導体製造装置材料協会（ＳＥＭＩ）が制定した業界標準は、ウェーハ処理機器の統合を助ける。

図１２は、本発明による電気メッキの方法を提供するフローチャート図である。上の図１乃至１１において説明したような電気メッキ装置である場合、方法は、ステップ４００において、メッキメニスカスがウェーハ表面の位置に亘って移動する時に開始される。メッキメニスカスは、メッキヘッドとウェーハ表面との間に形成される。メッキメニスカスは、上の図で説明したように、メッキ化学物質と電解質とを含有する。次に、ステップ４０４において、制御可能な形でメッキメニスカスに対して電荷が印加される。印加電荷は、電源によって陽極として荷電されたメッキヘッドによってメッキメニスカスに供給される。印加電荷は、電圧及び電流成分の両方を構成し、電気メッキプロセス中に電圧又は電流を実質的に調節することで制御し得る。ステップ４０８では、メッキメニスカスに対する印加電荷を変化させ、実質的に均一なメッキ層を確保する。印加電荷の調節により、均一な電流密度がウェーハ表面全体に印加される状態が確保される。

図１３は、本発明による電気メッキシステム用の動作方法を提供するフローチャート図である。上の図１乃至１１において説明したような電気メッキ装置の場合、オペレータ又は搬送システムは、シード層を備えたウェーハを提供する必要がある（ステップ５０２）。代替の実施形態において、ウェーハは、シード層が既に上に形成されていなくてもよい。ウェーハは、多数の形で、電気メッキ装置のウェーハ支持部に搬送してよい。ウェーハの搬送は、機械、真空、静電気、又はその他の形でウェーハを保持することで支援された一連の手動又は自動のロボット動作を含んでもよい。ウェーハには、その後、エッジ除外領域での電気的接触が提供される（ステップ５０４）。次に、ステップ５０６において、メッキヘッドは、ウェーハの所望のメッキ領域の上方に配置される。メッキヘッドの配置は、事前に定義してよく、自動化されたルーチンによって容易にしてよい。メッキヘッドは、ウェーハの表面全体を走査させてよい。

ステップ５０８において、電源は、メッキに関与するメッキヘッドに対して電荷を印加する。電荷は、ウェーハ及びアームの移動中を含め、メッキの前の任意の時点で印加してよい。多孔性アプリケータは、ステップ５１０において、メッキヘッドとウェーハ表面との間に電解メッキ化学物質を供給する。メッキヘッド内の陽極によって印加された電荷は、電解メッキ化学物質を介して、回路を完成させるウェーハに伝送され、ステップ５１２において、材料がメッキされる。多孔性アプリケータは、実質的に垂直な入射角度で、ウェーハＷの表面に電流Ｉの流れを供給する。印加電荷は、一定の電流密度がメッキ中のウェーハの全領域に亘って印加される状態を確保するために、メッキ位置に応じて調節される。

ステップ５０８及び５１０は、電気メッキプロセスに影響を与えることなく入れ替え得る。メッキを可能にする電気回路は、電解化学物質がウェーハの表面に接触するまで完成しない。電解メッキ化学物質は、電気化学反応によってメッキされる材料を決定する。使用したメッキ化学物質に応じて、様々な材料をメッキしてよく、例示的な実施形態では、銅メッキ化学物質を使用して、ウェーハに銅層をメッキしてよい。

以上、本発明について、いくつかの好適な実施形態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。例えば、本明細書で説明した電気メッキシステムは、例えば２００ｍｍウェーハ、３００ｍｍウェーハ、フラットパネル、その他といった、任意の形状及びサイズの基板に対して利用してよい。したがって、本発明は、請求される発明の本来の趣旨及び範囲に入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 (9)

1. ウェーハの表面をメッキする方法であって、
   メッキヘッドと前記ウェーハの前記表面との間に、金属材料のメッキを可能にする印加電流を有するメッキメニスカスを形成するステップと、
   前記メッキメニスカスを前記ウェーハ表面の位置に亘って移動させるステップと、
   前記メッキメニスカスを前記ウェーハ表面の位置に亘って移動させる時に前記印加電流が変化するように、前記メッキメニスカスの前記印加電流を制御するステップと、を備え、
   前記印加電流を変化させることで、メッキ層が前記ウェーハ表面に亘り実質的に均一となるようにする、方法。
2. 請求項１記載の方法であって、
   前記印加電流を制御する前記ステップは、前記メッキを実行する時に、前記ウェーハの前記表面のメッキ化学物質に対して、実質的に調節された電圧を提供する、方法。
3. 請求項１記載の方法であって、
   前記印加電流を制御する前記ステップは、前記ウェーハの前記表面に亘って、メッキ化学物質を介して、実質的に均一な電流密度を提供する、方法。
4. ウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
   前記ウェーハの前記表面の上方に配置されるように構成されると共に、前記ウェーハの前記表面上に金属層をメッキするための陽極として荷電可能であり、更に、メッキヘッドと前記ウェーハの前記表面との間に第一の流体メニスカスを提供可能であり、前記メッキヘッドと前記ウェーハの前記表面との間に印加する電流を変化させることが可能な前記メッキヘッドと、
   前記ウェーハの前記表面の上方に配置されるように構成されると共に、前記メッキヘッドの経路に従って前記ウェーハの前記表面を処理することが可能であり、更に、前記ウェーハの前記表面との間に第二の流体を提供可能な近接ヘッドと、を備える、電気メッキ装置。
5. 請求項４記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
   前記第一の流体メニスカスは、電解質を提供し、金属、合金、又は複合金属材料を堆積させる水溶液であるメッキ化学物質を含み、
   前記ウェーハは、前記ウェーハの除外領域における電気的接触によって陰極として荷電される、電気メッキ装置。
6. 請求項５記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
   前記金属は、銅材料、ニッケル材料、タリウム材料、タンタル材料、タングステン材料、コバルト材料のうちの一つ以上である、電気メッキ装置。
7. 請求項４記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
   前記第二の流体は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）と、化学物質と、希釈化学物質と、脱イオン水とのうちの一つ以上である、電気メッキ装置。
8. 請求項４記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、
   前記メッキヘッドの下の面積は、局所メッキが行われる領域を定め、
   前記面積は、前記ウェーハ表面の全体よりも小さい、電気メッキ装置。
9. 請求項８記載のウェーハの表面を電気メッキする電気メッキ装置であって、さらに、
   前記局所メッキのモニタを可能にする渦電流センサを備える、電気メッキ装置。

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