KR100747132B1 - 반도체 제조를 위한 원격의 제 2 애노드를 갖는 도금 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 순환 시스템(52, 56, 58)에 의해 도금 용액조(60)에 연결된 도금 챔버(52)를 포함하는 반도체 웨이퍼(66)를 위한 전기 도금 시스템(50)을 제공한다. 반도체 웨이퍼(66)는 캐소드로서 이용되고, 도금 챔버(52) 내에 비활성 제 1 애노드(64)가 배치된다. 도금 용액조(60) 내의 소모성의 원격 제 2 애노드(75)는 도금을 위한 금속 이온들을 제공한다.
전기 도금, 애노드, 캐소드, 구리 이온, 순환 시스템, 반도체 웨이퍼, 챔버
Description
본 발명은 일반적으로 반도체 제조 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 소모성 애노드를 이용한 전기 도금 시스템(electroplating system)에 관한 것이다.
과거 반도체 제조시, 반도체 웨이퍼 상에 다양한 물질들을 증착하기 위해서는 다양한 단계들에서 도금을 필요로 하는 많은 공정들이 있었다. 이러한 모든 시스템들은 일반적으로 인간 조작자의 모니터링 또는 시간 간격을 두고 도금 물질을 부가할 것을 필요로 하였다. 이렇게 도금 물질을 부가하는 것은 어느 정도의 전문적 지식 및 경험을 필요로 하기 때문에, 복잡하고 비싼 컴퓨터 장비없이 이러한 유형의 동작을 자동화하는 것은 불가능한 것으로 여겨졌다.
산업이 더욱 더 미세한 디바이스 연결부를 갖는 더욱 작은 반도체 디바이스의 제조를 추구함에 따라, 디바이스 연결부를 제조하는 통상적인 금속화 기술은 미래의 제품 제조에 적절하지 않다는 것을 알게 되었다. 이에 의해, 알루미늄(Al) 등의 물질로부터 구리(Cu)로의 변화가 야기되었다.
구리는 알루미늄에 대해 이용되는 금속화 기술을 이용한 증착에는 적절하지 않지만, 용액으로부터의 전기 도금 또는 무전해 도금(electro-less plating) 공정에 의한 증착에 매우 적합하다. 디바이스 연결 기술에 구리 배선을 채택함으로써, 반도체용 구리 도금 기술의 자동화에 많은 노력을 기울여왔다. 이는 값비싼 장비의 도입을 의미한다. 이는 또한 비용을 줄이는 데에 많은 노력을 기울여왔음을 의미한다.
구리를 증착하는 공정들중 하나는 도금 챔버에 소모성 제 1 애노드(primary anode)를 이용한다. 이러한 소모성 제 1 애노드는 소모되기 때문에, 도금 챔버의 기하 구조 및 기전력을 변경시킴으로써, 구리가 비균일하게 증착되게 한다. 이러한 비균일한 구리 증착은 이후의 평탄화 단계를 어렵게 하고, 반도체 웨이퍼의 경계 주위에서 집적 회로의 결함을 야기시킨다.
당업자들은 이러한 문제를 간단하고 저비용으로 해결하는 해결책을 오랫동안 찾고자 했으나, 발견하지 못했다.
EP-A-0 398 735호는 전자 부품을 도금하는 도금 시스템을 개시하는바, 이 시스템은 도금 챔버를 포함한다. 이 도금 챔버는 결합되어 애노드가 되는 비활성 금속 벽들에 의해 분리되는 5개의 세로 방향 통로를 갖고, 결합되어 캐소드가 되는 10개의 부품 스트립의 팔레트(pallet)를 수용한다. 도금 챔버와는 별개로, 솔더 볼 또는 다른 도금 물질 그리고 결합되어 애노드 및 캐소드가 되는 한 쌍의 벽들을 포함하는 저장소 탱크가 제공된다. 저장소 탱크 내에서의 전기 분해는 도금 물질을 용액으로 분해하며, 발생된 도금 용액은 도금 챔버로 펌핑되어 부품들을 도금한다.
JP-A-04 362199호는 도금 탱크를 구비하는 전기 도금 장치를 개시하는바, 상기 도금 탱크는 한 쌍의 불용해성 애노드들 및 캐소드로서 도금될 기판을 가지며 구리 도금 용액을 포함한다. 이 구리 도금 용액은 소모성 구리 애노드 및 불용해성 캐소드로서의 백금 전극을 포함하는 전해질 셀로부터 도금 탱크로 펌핑된다. 전기 분해에 의해 전해질 셀 내에 구리 이온들이 형성된다.
US-A-5 723 028호는 반도체 웨이퍼 상에서의 구리 필름의 전기 도금을 개시한다.
EP-A-0 398 735호는 전자 부품을 도금하는 도금 시스템을 개시하는바, 이 시스템은 도금 챔버를 포함한다. 이 도금 챔버는 결합되어 애노드가 되는 비활성 금속 벽들에 의해 분리되는 5개의 세로 방향 통로를 갖고, 결합되어 캐소드가 되는 10개의 부품 스트립의 팔레트(pallet)를 수용한다. 도금 챔버와는 별개로, 솔더 볼 또는 다른 도금 물질 그리고 결합되어 애노드 및 캐소드가 되는 한 쌍의 벽들을 포함하는 저장소 탱크가 제공된다. 저장소 탱크 내에서의 전기 분해는 도금 물질을 용액으로 분해하며, 발생된 도금 용액은 도금 챔버로 펌핑되어 부품들을 도금한다.
JP-A-04 362199호는 도금 탱크를 구비하는 전기 도금 장치를 개시하는바, 상기 도금 탱크는 한 쌍의 불용해성 애노드들 및 캐소드로서 도금될 기판을 가지며 구리 도금 용액을 포함한다. 이 구리 도금 용액은 소모성 구리 애노드 및 불용해성 캐소드로서의 백금 전극을 포함하는 전해질 셀로부터 도금 탱크로 펌핑된다. 전기 분해에 의해 전해질 셀 내에 구리 이온들이 형성된다.
US-A-5 723 028호는 반도체 웨이퍼 상에서의 구리 필름의 전기 도금을 개시한다.
본 발명은 도금 챔버를 포함하는 반도체 웨이퍼들을 위한 전기 도금 시스템을 제공하는 것으로서, 소모성의 원격 제 2 애노드(secondary anode)가 순환 시스템에 의해 도금 용액조(plating solution reservoir)에 연결된다. 반도체 웨이퍼는 캐소드로서 이용되며, 비활성 제 1 애노드가 도금 챔버 내에 배치되고, 소모성의 원격 제 2 애노드가 도금을 위한 금속 이온들을 제공하는 도금 용액조에 배치된다. 차폐(shield)되는 소모성 제 2 애노드의 소모는 도금 챔버 내의 기하 구조 또는 기전력을 변경시키지 않으며, 이에 따라 평탄화가 용이한 균일한 두께의 전도체 코어 증착을 유지한다.
본 발명은 또한 도금 챔버를 포함하는 반도체 웨이퍼들을 위한 구리 전기 도금 시스템을 제공하는 것으로서, 원격의 소모성 구리 제 2 애노드가 재순환 시스템에 의해 구리 도금 용액조에 연결된다. 반도체 웨이퍼는 캐소드로서 이용되며, 비활성 백금 애노드가 도금 챔버에 배치되고, 소모성 구리 원격 제 2 애노드가 도금을 위한 금속 이온들을 제공하는 도금 용액조에 배치된다. 차폐되는 소모성 제 2 구리 애노드의 소모는 도금 챔버 내의 기하 구조 또는 기전력을 변경시키지 않으며, 이에 따라 쉽게 평탄화될 수 있는 균일한 두께의 전도체 코어 증착을 유지한다. 본 발명의 상기 및 부가적인 장점들은 첨부 도면을 참조하여 설명되는 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 종래 기술의 소모성 애노드를 포함하는 도금 챔버를 도시한다.
도 2는 종래 기술의 소모성 애노드의 일부분이 소모되는 도금 챔버를 도시한다.
도 3은 본 발명의 원격 애노드를 갖는 도금 챔버를 도시한다.
도 1은 (종래 기술의) 도금 챔버(12)를 갖는 전기 도금 시스템(10)을 도시한다. 도금 챔버(12)는 재순환 펌프(16)에 연결된 출구(14)를 가지며, 상기 재순환 펌프(16)는 도금 챔버(12)의 입구(18)에 연결된다.
도금 챔버(12) 내에는, 양전압원(22)에 연결된 소모성 제 1 애노드(20)가 배치된다.
이러한 소모성 제 1 애노드(20) 윗쪽에는 반도체 웨이퍼(24)가 배치되고, 이 웨이퍼 상에는 전도성 씨드층(26)이 배치된다. 이 씨드층(26)은 커넥터(28)에 의해 음전압원(30)에 연결되어, 도금 공정을 위한 캐소드의 역할을 한다.
반도체 웨이퍼(24)는 씨드층(26)이 도금 용액(32)과 접촉하도록 배치된다.
구리 전기 도금에 있어서, 소모성 제 1 애노드(20)는 구리로 제조되며, 도금 용액(32)은 자유 구리 이온들을 포함한다. 전압이 인가되면, 구리 이온들은 소모성 제 1 애노드(20)으로부터 도금 용액(32)을 통해 직선 화살표로 나타낸 기전력장(electromotive field)을 따라 씨드층(26)으로 이동한다. 도금 용액(32)은 재순환 펌프(16)에 의해 재순환되어, 씨드층(26)에서의 캐소드 반응에 의해 씨드층(26) 상에서 금속 구리 증착이 이루어지는 동안, 구리 이온 농도를 가능한한 일정하게 유지한다.
도 2는 종래 기술의 전기 도금 공정 동안의 전기 도금 시스템(10)을 도시한다. 부분적으로 소모되고 크기가 상당히 감소된 이러한 소모성 제 1 애노드(20)는 도금 챔버(12) 내의 기하 구조 및 기전력을 변화시킨다. 곡선 화살표(35)로 표시된 기전력장은 반도체 웨이퍼(24)의 씨드층(26) 상에서의 금속 이온들의 증착에 영향을 준다.
도금 챔버(12) 내에서의 기하 구조 및 기전력장의 변화로 인해, 반도체 웨이퍼(24) 상에서의 금속(27)의 증착은 비균일하게, 일반적으로 오목해질 것이다. 금속(27)은 소모성 제 1 애노드(20)와 반도체 웨이퍼(24) 간의 거리가 가장 짧은 곳에서 가장 두꺼울 것이며, 소모성 제 1 애노드(20)와 반도체 웨이퍼(24) 간의 거리가 보다 멀리 떨어진 곳에서는 보다 얇아질 것이다.
이러한 금속(27)의 두께 변화는 이후 화학 기계적인 평탄화 공정에 의해 반도체 웨이퍼(24)를 적절히 평탄화시키는 것을 어렵게 하며, 결과적으로 반도체 웨이퍼(24)의 경계 주위에서 집적 회로들의 결함을 야기시킨다.
도 3은 본 발명에 따른 전기 도금 시스템(50)을 도시한다. 이 전기 도금 시스템(50)은 그 출구(54)가 재순환 펌프(56)에 연결되어 있는 도금 챔버(52)를 포함하며, 상기 재순환 펌프(56)는 입구(58)를 통해 도금 용액조(60)에 연결된다. 도금 용액조(60)는 제 2 입구(61)를 통해 도금 챔버(52)에 연결된다.
도금 챔버(52) 내에는, 양전압원(62)에 연결된 비활성 제 1 애노드(64)가 있다. 비활성 제 1 애노드(64)는, 도금 공정에 참여하지 않으며 비소모성인 백금(Pt) 등의 물질로 이루어진다.
비활성 제 1 애노드(64)의 윗쪽에는 반도체 웨이퍼(66)가 배치되며, 이 웨이퍼 상에는 전도성 씨드층(68)이 배치된다. 씨드층(68)은 커넥터(69)에 의해 음전압원(70)에 연결되어, 도금 공정을 위한 캐소드의 역할을 한다. 반도체 웨이퍼(66)는 씨드층(68)이 도금 용액(72)과 접촉하도록 배치된다.
도금 용액조(60) 내에는, 소모성의 원격 제 2 애노드(75)가 있다. 이 소모성의 원격 제 2 애노드(75)는 양전압원(62)에 연결되며, 제 2 입구(61)를 통해 비활성 제 1 애노드(64)와 유체를 교환한다.
소모성의 원격 제 2 애노드(75)는, 이것이 소모될 때 도금 챔버(52) 내의 기하 구조 및 기전력장이 변하지 않아 씨드층(68) 상에 도금되는 금속 이온들에 대한 기전력장이 항상 동일하게 되고, 직선 화살표(76)로 나타낸 바와 같이 비활성 제 1 애노드(64)와 반도체 웨이퍼(66) 간에 일직선이 되도록 배치된다.
기전력장이 직선이기 때문에, 씨드층(68) 상에 도금되는 금속(78)은 균일한 두께를 갖게 되며, 이에 따라 이후의 화학 기계적인 평탄화 공정에 의해 용이하게 평탄화될 것이다.
동작시, 소모성의 원격 제 2 애노드(75)는 금속 이온들을 도금 용액조(60) 내의 도금 용액에 유입시킨다. 이후, 도금 용액(72)은 중력 공급(미도시) 또는 펌프(56)에 의해 도금 챔버(52)로 재순환된다. 도금 챔버(52) 내에서, 비활성 제 1 애노드(70) 및 씨드층(68)은 기전력을 공급하여 씨드층(68) 상에 금속 이온들을 증착시킨다.
금속 이온들이 증착되고 도금 용액(72)이 묽어짐에 따라, 도금 용액(72)은 펌프(56) 또는 중력 공급(미도시)에 의해 도금 용액조(60)로 다시 재순환되며, 그곳에서 소모성의 원격 제 2 애노드(75)는 금속 이온들을 균일하게 재공급할 것이다.
구리 증착시, 씨드층(68)은 스퍼터링 또는 화학 기상 증착 등의 공정에 의해 구리 증착되고, 비활성 제 1 애노드(64)는 백금(Pt)으로 이루어지며, 그리고 소모성의 원격 제 2 애노드(75)는 금속 구리로 이루어진다.
도금 챔버(52) 내에 비활성 제 1 애노드(70)를 구비함으로써, 도금 챔버(52) 내에서의 기하 구조 및 기전력이 변하지 않게 되는데, 그 이유는 비활성 제 1 애노드(70)는 용해되지 않고, 소모성의 원격 제 2 애노드(75)는 도금 챔버(52) 내의 기하 구조 및 기전력장과 관계없는 개별적인 영역 내에 있기 때문이다.
본 발명의 특정한 최상의 방법과 관련하여 설명되기는 했지만, 상기 설명으로부터 많은 대안들, 수정들 및 변경들이 당업자에게 명백해질 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 정신 및 범위에 포함되는 이러한 모든 대안들, 수정들 및 변경들을 포함한다. 첨부 도면을 참조하여 본원에서 설명된 모든 것들은 한정적인 것이 아닌 예시적인 것으로서 이해되어야 한다.
Claims (12)
- 반도체 웨이퍼를 위한 도금 시스템으로서,도금 챔버와;상기 도금 챔버에 연결된 도금 용액조와;상기 도금 챔버와 상기 도금 용액조 간에 도금 용액을 순환시키기 위한 순환 시스템과;상기 도금 챔버 내에 있으며 양전압원에 연결될 수 있는 비활성 제 1 애노드와;상기 도금 챔버 내에 있으며, 상기 반도체 웨이퍼를 음전압원에 연결하도록 된 반도체 웨이퍼 커넥터와; 그리고상기 도금 용액조 내에 있으며, 상기 양전압원에 연결될 수 있는 소모성의 원격 제 2 애노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 도금 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 순환 시스템은 상기 도금 챔버로부터 상기 도금 용액조에 상기 도금 용액을 펌핑하기 위한 펌핑 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 도금 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 순환 시스템은 상기 도금 용액조로부터 상기 도금 챔버에 상기 도금 용액을 펌핑하기 위한 펌핑 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 도금 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 도금 챔버는 상기 도금 용액이 상기 비활성 제 1 애노드 및 상기 소모성의 원격 제 2 애노드를 커버하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 도금 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체 웨이퍼는 씨드층을 가지며, 상기 도금 챔버는 상기 도금 용액이 상기 씨드층과 접촉하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 도금 시스템.
- 제 1 항에 있어서,양전압원과 음전압원을 포함하는 것을 특징으로 하는 도금 시스템.
- 반도체 웨이퍼를 위한 구리 도금 시스템으로서,구리 도금 챔버와;상기 구리 도금 챔버에 연결되는 구리 이온 도금 용액조와;상기 구리 도금 챔버와 상기 구리 이온 도금 용액조 간에 구리 이온 도금 용액을 순환시키는 순환 시스템과;상기 구리 도금 챔버 내에 있으며, 양전압원에 연결될 수 있는 비활성 백금 애노드와;상기 구리 도금 챔버 내에 있으며, 상기 반도체 웨이퍼를 음전압원에 연결하도록 된 반도체 웨이퍼 커넥터와; 그리고상기 구리 도금 용액조 내에 있으며, 상기 양전압원에 연결될 수 있는 원격의 소모성 구리 애노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 구리 도금 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 순환 시스템은 상기 구리 도금 챔버로부터 상기 구리 이온 도금 용액조에 상기 구리 이온 도금 용액을 펌핑하기 위한 펌핑 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 구리 도금 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 순환 시스템은 상기 구리 이온 도금 용액조로부터 상기 구리 도금 챔버에 상기 구리 이온 도금 용액을 펌핑하기 위한 펌핑 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 구리 도금 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 구리 도금 챔버는 상기 구리 도금 용액이 상기 비활성 백금 애노드 및 상기 원격의 소모성 구리 애노드를 커버하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 구리 도금 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 반도체 웨이퍼는 구리 씨드층을 가지며, 상기 구리 도금 챔버는 상기 구리 이온 도금 용액이 상기 구리 씨드층과 접촉하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 구리 도금 시스템.
- 제 7 항에 있어서,양전압원과 음전압원을 포함하는 것을 특징으로 하는 구리 도금 시스템.
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