KR101783786B1 - 기판 상의 균일한 금속화를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치가 제공된다. 장치는, 금속염 전해질을 함유하는 침지 셀; 적어도 하나의 전원에 연결되는 적어도 하나의 전극; 적어도 하나의 전극을 마주하게 자신의 전도성 측을 노출시키도록 적어도 하나의 기판을 유지하는 전기적으로 전도성인 기판 홀더; 진폭 및 주파수로 기판 홀더를 진동시키는 진동 액추에이터; 금속화 장치 내에 배치되고 동작 주파수 및 강도를 갖는 적어도 하나의 초음파 장치; 초음파 장치에 연결되는 적어도 하나의 초음파 전력 생성기; 금속염 전해질 공급을 위한 적어도 하나의 입구; 및 금속염 전해질 배출을 위한 적어도 하나의 출구를 포함한다.

Description

기판 상의 균일한 금속화를 위한 방법 및 장치{METHODS AND APPARATUS FOR UNIFORMLY METALLIZATION ON SUBSTRATES}
본 발명은, 일반적으로 전해액으로부터의 기판의 금속화를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 전해액에서 종래의 막 성장 속도보다 더 빠른 속도로 매우 균일한 금속막 부착을 달성하기 위하여 금속화 장치에 적어도 하나의 초음파 장치를 적용하는 것에 관한 것이다.
전해질 환경에서 일반적으로 구리인 얇은 전도층을 갖는 기판 상으로 금속층을 형성하는 것은, ULSI(ultra large scale integrated) 회로 제조 동안 전도성 라인을 형성하기 위하여 구현된다. 이러한 공정은, 전기 화학적 방법에 의해 비아, 트렌치 또는 그 둘의 조합 구조와 같은 캐비티(cavity)를 충전(filling)하는데 이용되어 오버 버든(overburden) 막이 기판의 표면을 덮는다. 과잉 전도성 금속 물질을 제거하기 위하여 후속의 공정 단계, 일반적으로 평탄화 단계(CMP, 화학-기계적 평탄화와 같은)가 생산 라인의 마지막에 디바이스별로 동일한 전기적 성능을 달성하도록 높은 정도의 균일성을 요구하기 때문에, 균일한 최종 부착 막을 달성하는 것이 중요하다.
또한, 종래에는 전해액으로부터의 금속화는 기판 스택의 3D 패키지에 수직 연결부를 제공하기 위하여 TSV(through silicon via)를 충전하는데 이용된다. TSV 애플리케이션에서, 비아 개구는, 수 마이크로미터이상의 직경을 가지며, 비아 깊이는 수백 마이크로미터만큼 깊다. TSV의 치수는 전형적인 이중 다마신(damascene) 공정에서의 자릿수보다 더 큰 자릿수를 갖는다. 이러한 기판 자체의 두께에 근접하는 두께에 아주 가까운 깊이 및 높은 종횡비를 갖는 캐비티의 금속화를 수행하는 것은 TSV 기술에서 난제이다. 통상적으로 분당 수 천 옹스트롱인 전형적인 이중 다마신 공정에서 이용하기 위하여 설계된 금속화 시스템의 부착 속도는, TSV 제조에 효과적으로 적용되기에 너무 낮다.
깊은 캐비티에서 보이드(void)가 없이 상향식 갭필(bottom-up gapfill)을 획득하기 위하여, 복수의 유기 첨가물이 국부 부착 속도를 제어하도록 전해액에 첨가된다. 부착 동안, 이 유기 성분들은 원하는 금속화 공정을 변경할 수 있는 부산물 종(種)으로 종종 분해된다. 불순물로서 부착된 막에 편입되면, 보이드 형성을 위한 핵(nuclei)으로서 작용할 수 있어, 디바이스 신뢰성 부족을 초래한다. 따라서, 부착 공정 동안, 캐비티 내에 그리고 그 근처에 새로운 화학 물질을 공급하고 분해된 부산물을 제거하는 높은 화학적 교환율(chemical exchange rate)이 필요하다.
또한, 높은 종횡비로, 와류(vortex)가 정상(steady) 전해질 흐름이 캐비티 아래에서 개구의 상부를 지나는 캐비티 내에 형성된다. 대류는 와류 및 주(main) 흐름 사이에 거의 일어나지 않고, 벌크 전해액 및 캐비티 하부 사이에서 새로운 화학 물질 및 분해된 부산물의 수송은 주로 확산에 의한 것이다. TSV와 같은 깊은 캐비티를 위하여, 확산 경로의 길이는 더 길어, 캐비티 내의 화학적 교환율을 더 제한한다. 또한, TSV 내에서 긴 경로를 따르는 느린 확산 공정은 경제적인 제조에 의해 요구되는 높은 부착 속도를 방해한다.
다량 수송이 제한된 경우에 전기 화학적 방법에 의한 최대 부착 속도는, 주어진 전해질 농도에 대한 확산 이중층(dual layer) 두께에 반비례하는, 제한 전류 밀도에 관련된다. 확산 이중층이 더 얇을 수록, 제한 전류 밀도가 더 높아, 이에 따라 더 높은 부착 속도가 가능하다. 확산 이중층 두께를 감소시키도록 유체 교반을 강화하기 위한 다양한 수단이 개시되어 왔다.
US 7,445,697 및 WO/2005/042804에 의해 개시된 하나의 방법은, 관심 대상인 고정된 기판 표면 근처에 "시어 플레이트(shearplate)"라 하는 일련의 패들(paddle)을 진동시키는 것에 의한 것이다. 이 패들들의 800회 반복시에 이중층 두께는 10마이크로미터 만큼 얇게 될 수 있다는 것이 기재되어 있다. 경계층 두께를 얇게 하는 것은 부착 속도를 개선하지만, 기판이 회전하지 않기 때문에 부착된 막의 균일성은 제어하기 어렵다.
널리 공지된 다른 유체 교반 방법은, 초음파 교반, 즉 US 6,398,937 및 US 5,965,043이다. 이 방법은 인쇄 회로 보드(PCB) 및 기판 패키징 공정을 포함하는 다양한 전기 화학적 금속화 애플리케이션에서 공통적으로 수행된다. 초음파 교반 하의 구리의 금속화는 TSV 애플리케이션에서 그 중요성에 기인하여 특히 주목되어 왔다(Chen, Q. 등의 "The influence of ultrasonic agitation on copper electroplating of blind-vias for SOI three-dimensional integration", Microelectronic Engineering, Vol 87(3), 527 - 531 쪽, 2010).
반응 표면 근처에 음향 스트리밍 층을 형성함으로써, 그리고 국부 캐비테이션(cavitation) 버블 내파(bubble implosion) 의해 초음파 교반이 확산 이중층 두께를 더 감소시키지만, 이는 반응 표면 근처의 유체에 균일한 처리를 제공하지 않는다. 음파 전파의 본질 및 반사된 파와의 조합은, 반응 표면 상의 상이한 위치에서 상이한 에너지 양(dosage)을 발생시킨다. 국부 부착 속도는 초음파 주파수의 함수일 뿐만 아니라 그 지점에서의 에너지 양에 직접적으로 관련된다. 이 정상파(standing wave) 현상은 반응 표면에 걸쳐 다양한 부착 속도의 영역을 제공한다. 캐비테이션이 발생할 에너지 임계를 넘어, 버블 내파는 다소 랜덤한 형식으로 발생되어, 전체 공정 제어가 매우 어렵게 된다.
대량 수송의 강화를 위한 전기 화학적 공정에 초음파를 적용하는 것이 잘 연구되어 오고 있다. 제한 전류 및 초음파 소스의 동작 파라미터 사이의 상관 관계는 Journal of The Electrochemical Society, Vol. 154(10), E131 내지 E138쪽, 2007에서 B. G. Pollet 등의 "Transport Limited Currents Close to an Ultrasonic Horn Equivalent Flow Velocity Determination"이라는 제목의 논문에서 구축되어 왔다. 반응 표면이 공급받은 강도(또는 에너지 양)는, 초음파 소스 및 반응 표면 사이의 갭에 민감하다; 따라서, 제한 전류 밀도는 그 갭에 따라 변한다. 이는, 이전에 개시된 초음파-보조(UA) 부착 방법(US 2008/0271995 및 US 2007/0170066)을 이용하여 균일한 부착을 형성하는데 대한 더 큰 과제를 제공한다. 기판 금속화 공정의 실행에서, 기판 회전면 및 초음파 소스의 표면은 회전축의 수직 정렬과 평면 고정에서의 기계적 허용 오차 및 자체가 휘는 기판에 주로 기인하여, 완벽하게 평행할 수 없다. 따라서, 부착된 막의 기판 내 균일성은 이러한 금속화 공정 동안 제어하기 어렵다.
UA 금속화는, 신속한 금속화 및 높은 화학적 교환율이 요구되는 TSV 충전(filling)과 같은 공정에 적용될 매력적인 방법이다. UA 금속화에서 확산 이중층 두께는 높은 rpm으로 기판을 회전시키거나 또는 기판 표면에서 패들러(paddler)를 진동시키는 것과 같은 다른 방법보다 훨씬 더 작은 값으로 감소될 수 있어, 이에 따라 더 높은 부착 속도가 보장된다. 또한, 음향 스트림 및 버블 내파에 의한 국부 교반은 깊은 비아 내의 확산과 다른 대량 수송 수단을 생성하여, 따라서 물질 교환율을 증가시킨다.
그러나, 이러한 방법으로, 상술한 공정에 적용되도록 하기 위한 부착 균일성을 제어하는 방식은 발견되어야만 한다.
본 발명은 전해액에서 종래의 막 성장 속도보다 훨씬 더 큰 속도로 매우 균일한 금속막 부착을 달성하기 위하여 금속화 장치에 적어도 하나의 초음파 장치를 적용하는 것에 관한 것이다. 본 발명에서, 반도체 기판은, 반도체 기판의 위치가 금속화 장치 내의 기판의 각 회전에서 프로그래밍된 증가 또는 감소로 변동하도록 동적으로 제어된다. 본 방법은 기판의 각 위치가 처리 시간의 기간 동안 동일한 양의 전체 음향 에너지를 공급받고 빠른 속도로 균일한 부착 두께를 축적하여 성장시키는 것을 보장한다.
높은 부착 속도는, 기판 표면 근처의 전해질 확산 경계층을 없애고 달성되고, 기판 표면 근처의 캐비테이션(cavitation) 및 버블 내파(bubble implosion)에 기인하여 음향 스트리밍(acoustic streaming)에 의해 대체적인 얇은 경계층을 재형성함으로써 획득된다. 초음파 장치에 의해 생성된 음향 스트리밍의 높은 흐름 속도는, 비아 및 트렌치 내부에서 새로운 화학 물질 및 부산물의 대류를 강화함으로써 화학적 교환율을 증가시킨다. 또한, 분해된 부산물이 부착 막 내에 편입되는 것을 효과적으로 방지함으로써 갭필(gapfill) 성능을 강화한다.
본 발명의 일 실시예는 전기 화학적 부착 공정 동안 주기적으로 기판을 움직이는 것이다. 이는 소정의 축적 시간 내에 기판 표면 상의 동일한 공급받은 음향 강도를 보장하여, 부착된 막 균일성을 강화한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치가 제공된다. 본 장치는, 금속염(metal salt) 전해질을 함유하는 침지 셀(immersion cell); 적어도 하나의 전원에 연결되는 적어도 하나의 전극; 적어도 하나의 전극을 마주하게 자신의 전도성 측을 노출시키도록 적어도 하나의 기판을 유지하고, 전기 전도성인 기판 홀더; 진폭 및 주파수로 기판 홀더를 진동시키는 진동 액추에이터; 금속화 장치 내의 위치에 배치되며, 동작 주파수 및 강도를 갖는 적어도 하나의 초음파 장치; 초음파 장치에 연결되는 적어도 하나의 초음파 전력 생성기; 금속염 전해질 공급을 위한 적어도 하나의 입구; 및 금속염 전해질 배출을 위한 적어도 하나의 출구를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법이 제공된다. 본 방법은, 침지 셀로 금속염 전해질을 흐르게 하는 단계; 기판의 표면 상의 전도층과 전기적으로 접촉하는 기판 홀더로 적어도 하나의 기판을 이송하는 단계; 기판에 제1 바이어스 전압을 인가하는 단계; 기판을 전해질과 접촉하게 하는 단계; 전극에 전류를 인가하는 단계; 기판에 초음파를 인가하고 기판 홀더를 진동시키는 단계; 초음파 인가를 정지시키고 기판 홀더의 진동을 정지시키는 단계; 반도체 기판 상에 제2 바이어스 전압을 인가하는 단계; 및 금속염 전해질로부터의 기판을 꺼내는 단계를 포함한다.
도 1a 내지 1c는 전해액으로부터의 기판의 금속화를 위한 하나의 예시적인 장치를 도시한다.
도 2a 및 2b는 전해액으로부터의 기판의 금속화를 위한 다른 예시적인 장치 및 장치 내의 용액 분배 플레이트를 도시한다.
도 3은 전해액으로부터의 기판의 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다.
도 4a 및 4b는 전해액으로부터의 기판의 금속화를 위한 다른 예시적인 장치 및 장치 내의 애노드 시스템을 도시한다.
도 5는 전해액으로부터의 기판의 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다.
도 6은 전해액으로부터의 기판의 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다.
도 7a 내지 7c는 전해액으로부터의 기판의 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다.
도 8은 전해액으로부터의 기판의 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다.
도 9는 전해액으로부터의 기판의 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다.
도 10은 전해액으로부터의 기판의 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다.
도 11은 금속화 공정 동안 기판의 이동을 제어하는 방법을 도시한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 초음파 장치가 이용되고, 예를 들어 본 발명에 적용될 수 있는 초음파 장치는 US 6,391,166 및 WO/2009/055992에서 설명된다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 실시예에 따른 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 예시적인 장치를 도시한다. 장치는 초음파 장치(1002)를 포함한다. 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치는, 보통 적어도 하나의 금속염 전해질을 함유하는 침지 셀(1016), 독립적인 전원(1050)에 연결되는 적어도 하나의 전극(1000), 및 전극(1000)을 마주하게 자신의 전도성 측을 노출시키도록 기판(1004)을 유지하는 전기 전도성인 기판 홀더(1006)를 포함한다. 금속염 전해질은 챔버 하부로부터 챔버 상부로 흐른다. 적어도 하나의 입구 및 하나의 출구가 전해질 순환을 위하여 셀 내에 배치된다. 기판 홀더(1006)는 진동 액추에이터(1010)에 연결되고, 기판 홀더(1006)는 0.25 내지 25mm의 진폭 및 0.01 내지 0.5Hz의 주파수로 진동 액추에이터(1010)에 의해 진동된다. 이는 공정 동안 금속화 장치의 하부 평면에 수직인 방향을 따라 주기적으로 위 아래로 움직이도록 기판(1004)을 유지한다. 독립적인 전원(1050)은 적어도 하나의 전극(1000)에 연결되고, 미리 프로그래밍된 파형을 갖는 전압 제어 모드 또는 전류 제어 모드에서 동작하고, 원하는 시간에서 2개의 모드 사이에 스위칭된다. 인가되는 전류는, DC 모드 또는 5ms 내지 2s의 펄스 기간을 갖는 펄스 리버스 모드(puls reverse mode)에서 동작가능하다. 초음파 장치(1002)는 10 KHz 내지 5MHz의 주파수 및 0.1 내지 3W/cm2의 강도를 갖는 초음파를 생성하도록 금속화 장치의 측벽에서의 한 위치에 고정된다. 초음파 장치를 적용하기 위한 전해액으로부터의 금속화 장치의 예는 US 6,391,166 및 WO/2009/055992에 설명된다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다. 장치는 초음파 장치(1002)를 포함한다. 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치는, 보통 적어도 하나의 금속염 전해질을 함유하는 침지 셀(1016), 독립적인 전원(1050)에 연결되는 적어도 하나의 전극(1000), 및 전극(1000)을 마주하게 자신의 전도성 측을 노출시키도록 기판(1004)을 유지하는 전기 전도성인 기판 홀더(1006)를 포함한다. 금속염 전해질은 챔버 하부로부터 챔버 상부로 흐른다. 적어도 하나의 입구 및 하나의 출구가 전해질 순환을 위하여 셀 내에 배치된다. 기판 홀더(1006)는 진동 액추에이터(1010)에 연결되고, 기판 홀더(1006)는 0.25 내지 25mm의 진폭 및 0.01 내지 0.5Hz의 주파수로 진동 액추에이터(1010)에 의해 진동된다. 이는 금속화 장치의 하부 평면에 수직인 z 방향을 따라 공정 동안 주기적으로 위 아래로 움직이도록 기판(1004)을 유지한다. 금속화 장치 내에서 애노드(1000) 및 기판(1004) 사이에 차폐판(shielding plate)(1020)이 있어, 기판(1004) 표면에 걸쳐 균일한 전계 분포를 제공한다. 도 2b는 차폐판(1020)의 예시적인 설계를 도시한다. 독립적인 전원(1050)은 적어도 하나의 전극(1000)에 연결되고, 미리 프로그래밍된 파형을 갖는 전압 제어 모드 또는 전류 제어 모드에서 동작하고, 원하는 시간에서 2개의 모드 사이에 스위칭된다. 인가되는 전류는 DC 모드 또는 5ms 내지 2s의 펄스 기간을 갖는 펄스 리버스 모드에서 동작가능하다. 초음파 장치(1002)는 10KHz 내지 5MHz의 주파수 및 0.1 내지 3W/cm2의 강도를 갖는 초음파를 생성하도록 금속화 장치의 측벽에서의 한 위치에 고정된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다. 장치는 2개의 초음파 장치(1002, 1003)를 포함한다. 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치는, 보통 적어도 하나의 금속염 전해질을 함유하는 침지 셀(1016), 독립적인 전원(1050)에 연결되는 적어도 하나의 전극(1000), 및 전극(100)을 마주하게 자신의 전도성 측을 노출시키도록 기판(1004)을 유지하는 전기 전도성인 기판 홀더(1006)를 포함한다. 금속염 전해질은 챔버 하부로부터 챔버 상부로 흐른다. 적어도 하나의 입구 및 하나의 출구가 전해질 순환을 위하여 셀 내에 배치된다. 기판 홀더(1006)는 진동 액추에이터(1010)에 연결되고, 기판 홀더(1006)는 0.25 내지 5mm의 진폭 및 0.01 내지 0.5Hz의 주파수로 진동 액추에이터(1010)에 의해 진동된다. 이는 공정 동안 금속화 장치의 하부 평면에 수직인 방향을 따라 주기적으로 위 아래로 움직이도록 기판(1004)을 유지한다. 금속화 장치에서 애노드(100) 및 기판(1004) 사이에 차폐판(1020)이 있어, 기판(1004) 표면에 걸쳐 균일한 전계 분포를 제공한다. 독립적인 전원(1050)은 적어도 하나의 전극(1000)에 연결되고, 미리 프로그래밍된 파형을 갖는 전압 제어 모드 또는 전류 제어 모드에서 동작하고, 원하는 시간에서 2개의 모드 사이에 스위칭된다. 인가되는 전류는 DC 모드 또는 5ms 내지 2s의 펄스 기간을 갖는 펄스 리버스 모드에서 동작가능하다. 초음파 장치(1002, 1003)는, 10KHz 내지 5MHz의 주파수 및 0.1 내지 3W/cm2의 강도를 갖는 초음파를 생성하도록 금속화 장치의 측벽 및 차폐판(1020)의 상이한 측에 고정된다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다. 장치는 초음파 장치(1002)를 포함한다. 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치는, 보통 적어도 하나의 금속염 전해질을 함유하는 침지 셀(1016), 특정적으로 독립적인 전원(1050, 1052, 1054, 1056)에 연결되는 복수의 전극(1000A, 1000B, 1000C, 1000D), 및 전극(1000A, 1000B, 1000C, 1000D)을 마주하게 자신의 전도성 측을 노출시키도록 기판(1004)을 유지하는 전기 전도성인 기판 홀더(1006)를 포함한다. 도 4b는 복수의 전극(1000A, 1000B, 1000C, 1000D)의 예시적인 설계를 도시한다. 금속염 전해질은 챔버 하부로부터 챔버 상부로 흐른다. 적어도 하나의 입구 및 하나의 출구가 전해질 순환을 위하여 셀 내에 배치된다. 기판 홀더(1006)는 진동 액추에이터(1010)에 연결되고, 기판 홀더(1006)는 0.25 내지 25mm의 진폭 및 0.01 내지 0.5Hz의 주파수로 진동 액추에이터(1010)에 의해 진동된다. 이는 공정 동안 금속화 장치의 하부 평면에 수직인 방향에 따라 주기적으로 위 아래로 움직이도록 기판(1004)을 유지한다. 독립적인 전원(1050, 1052, 1054, 1056)은 복수의 전극(1000A, 1000B, 1000C, 1000D)에 연결되고, 미리 프로그래밍된 파형을 갖는 전압 제어 모드 또는 전류 제어 모드에서 작동하고, 원하는 시간에서 2개의 모드 사이에 스위칭된다. 인가되는 전류는, DC 모드 또는 5ms 내지 2s의 펄스 기간을 갖는 펄스 리버스 모드에서 동작가능하다. 초음파 장치(1002)는 10KHz 내지 5MHz의 주파수 및 0.1 내지 3W/cm2의 강도를 갖는 초음파를 생성하도록 금속화 장치 내의 측벽에서의 한 위치에 고정된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다. 장치는 2개의 초음파 장치(1002, 1003)를 포함한다. 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치는, 보통 멤브레인(1032)에 의해 애노드 셀 및 캐소드 셀로 나뉘며 하나의 금속염 애노드액 및 하나의 캐소드액을 함유하는 침지 셀(1016), 독립적인 전원(1050)에 연결되는 적어도 하나의 전극(1000), 및 전극(1000)을 마주하게 자신의 전도성 측을 노출시키도록 기판(1004)을 유지하는 전기 전도성인 기판 홀더(1006)를 포함한다. 금속염 전해질은 챔버 하부로부터 챔버 상부로 흐른다. 하나의 입구 및 하나의 출구가 애노드액 순환 기구(1024)를 이용한 애노드액 순환을 위하여 애노드 셀 내에 배치되고, 다른 입구 및 다른 출구가 캐소드액 순환 기구(1026)를 이용한 캐소드액 순환을 위하여 캐소드 셀 내에 배치된다. 기판 홀더(1006)는 진동 액추에이터(1010)에 연결되고, 기판 홀더(1006)는 0.25 내지 25mm의 진폭 및 0.01 내지 0.5Hz의 주파수로 진동 액추에이터(1010)에 의해 진동된다. 이는 공정 동안 금속화 장치의 하부 평면에 수직인 방향을 따라 주기적으로 위 아래로 움직이도록 기판(1004)을 유지한다. 금속화 장치에서 애노드(1000) 및 기판(1004) 사이에 차폐판(1020)이 있어, 기판(1004) 표면에 걸쳐 균일한 전계 분포를 제공한다. 독립적인 전원(1050)은 적어도 하나의 전극(1000)에 연결되고, 미리 프로그래밍된 파형을 갖는 전압 제어 모드 또는 전류 제어 모드에서 동작하고, 원하는 시간에 2개의 모드 사이에 스위칭된다. 인가되는 전류는 DC 모드 또는 5ms 내지 2s의 펄스 기간을 갖는 펄스 리버스 모드에서 동작가능하다. 초음파 장치(1002, 1003)는, 10KHz 내지 5MHz의 주파수 및 0.1 내지 3W/cm2의 강도를 갖는 초음파를 생성시키기 위하여 금속화 장치의 측벽 및 차폐판(1020)의 상이한 측에 고정된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 다른 예시적인 장치이다. 장치는 초음파 장치(1002)를 포함한다. 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치는, 보통 적어도 하나의 금속염 전해질을 함유하는 침지 셀(1016), 특정적으로 독립적인 전원(1050, 1052, 1054, 1056)에 연결되는 복수의 전극(1000A, 1000B, 1000C, 1000D), 및 전극(1000A, 1000B, 1000C, 1000D)을 마주하게 자신의 전도성 측을 노출시키도록 기판(1004)을 유지하는 전기 전도성인 기판 홀더(1006)를 포함한다. 도 4b는 복수의 전극(1000A, 1000B, 1000C, 1000D)의 예시적인 설계를 도시한다. 금속염 전해질은 챔버 하부로부터 챔버 상부로 흐른다. 적어도 하나의 입구 및 하나의 출구가 전해질 순환을 위하여 셀 내에 배치된다. 기판 홀더(1006) 및 복수의 전극 시스템 모두는 진동 액추에이터(1010)에 연결되고, 기판 홀더(1006) 및 복수의 전극 시스템은 0.25 내지 25mm의 진폭 및 0.01 내지 0.5Hz의 주파수로 진동 액추에이터(1010)에 의해 진동된다. 이는 공정 동안 금속화 장치의 하부 평면에 수직인 방향을 따라 주기적으로 위 아래로 움직이도록 기판(1004)을 유지한다. 독립적인 전원(1050, 1052, 1054, 1056)은 복수의 전극(1000A, 1000B, 1000C, 1000D)에 연결되고, 미리 프로그래밍된 파형을 갖는 전압 제어 모드 및 전류 제어 모드에서 동작하고, 원하는 시간에서 2개의 모드 사이에 스위칭된다. 인가되는 전류는 DC 모드 및 5ms 내지 2s의 펄스 기간을 갖는 펄스 리버스 모드에서 동작가능하다. 초음파 장치(1002)는, 10KHz 내지 5MHz의 주파수 및 0.1 내지 3W/cm2의 강도를 갖는 초음파를 생성하도록 금속화 장치의 측벽에서의 한 위치에 고정된다.
도 7a 내지 7c는 본 발명의 실시예에 따른 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다. 장치는 장치의 측벽에 초음파 장치(1002)를 포함한다. 기판 홀더(1006)는 공정 동안 금속화 장치의 측벽 평면에 수직인 방향을 따라 주기적으로 움직이도록 기판(1004)을 유지한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다. 장치는 애노드 측에 배치되고 오링(1022)에 의해 전해질로부터 격리되는 초음파 장치(1002)를 포함한다. 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치는, 보통 적어도 하나의 금속염 전해질을 함유하는 침지 셀(1016), 적어도 하나의 전극(1000), 및 전극(1000)을 마주하게 자신의 전도성 측을 노출시키도록 기판(1004)을 유지하는 전기 전도성인 기판 홀더(1006)를 포함한다. 금속염 전해질은 챔버 하부로부터 챔버 상부로 흐른다. 적어도 하나의 입구 및 하나의 출구가 전해질 순환을 위하여 셀 내에 배치된다. 기판 홀더(1006)는 진동 액추에이터(1010)에 연결되고, 기판 홀더(1006)는 0.25 내지 25mm의 진폭 및 0.01 내지 0.5Hz의 주파수로 진동 액추에이터(1010)에 의해 진동된다. 이는 공정 동안 금속화 장치의 애노드 평면에 수직인 방향을 따라 주기적으로 움직이도록 기판(1004)을 유지한다. 독립적인 전원(1050)은 적어도 하나의 전극(1000)에 연결되고, 미리 프로그래밍된 파형을 갖는 전압 제어 모드 또는 전류 제어 모드에서 동작하고, 원하는 시간에 2개의 모드 사이에 스위칭된다. 인가되는 전류는 DC 모드 또는 5ms 내지 2s의 펄스 기간을 갖는 펄스 리버스 모드에서 동작가능하다. 초음파 장치(1002)는, 10KHz 내지 5MHz의 주파수 및 0.1 내지 3W/cm2의 강도를 갖는 초음파를 생성하도록 금속화 장치의 측벽에서의 한 위치에 고정된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다. 장치는 애노드 측에 배치되고 오링(1022)에 의해 전해질로부터 격리되는 초음파 장치(1002)를 포함한다. 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치는, 보통 적어도 하나의 금속염 전해질을 함유하는 침지 셀(1016), 적어도 하나의 전극(1000), 전극(1000)을 마주하게 자신의 전도성 측을 노출시키도록 기판(1004)을 유지하는 전기 전도성인 기판 홀더(1006), 및 공정 동안 기판 홀더(1006)를 회전시키기 위한 회전 기구(1026)를 포함한다. 금속염 전해질은 챔버 하부로부터 챔버 상부로 흐른다. 적어도 하나의 입구 및 하나의 출구가 전해질 순환을 위하여 셀 내에 배치된다. 기판 홀더(1006)는 0.25 내지 25mm의 진폭 및 0.01 내지 0.5Hz의 주파수로 진동 액추에이터(1010)에 의해 진동된다. 이는 공정 동안 금속화 장치의 애노드 평면에 수직인 방향을 따라 주기적으로 움직이도록 기판(1004)을 유지한다. 독립적인 전원(1050)은 적어도 하나의 전극(1000)에 연결되고, 미리 프로그래밍된 파형을 갖는 전압 제어 모드 또는 전류 제어 모드에서 동작하고, 원하는 시간에서 2개에 모드 사이에 스위칭한다. 인가되는 전류는 DC 모드 또는 5ms 내지 2s의 펄스 기간을 갖는 펄스 리버스 모드에서 동작가능하다. 초음파 장치(1002)는 10KHz 내지 5MHz의 주파수 및 0.1 내지 3W/cm2의 강도를 갖는 초음파를 생성하도록 금속화 장치의 측벽에서의 한 위치에 고정된다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전해액으로부터의 기판 금속화를 위한 다른 예시적인 장치를 도시한다. 장치는 2개의 초음파 장치(1002, 1003)를 포함한다. 전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치는, 보통 적어도 하나의 금속염 전해질을 함유하는 침지 셀(1016), 2개의 전극(1000), 및 전극(1000)을 마주하게 자신의 전도성 측을 노출시키도록 동시에 2개의 기판(1004)을 유지하는 전기 전도성인 기판 홀더(1006)를 포함한다. 금속염 전해질은 챔버 하부로부터 챔버 상부로 흐른다. 적어도 하나의 입구 및 하나의 출구가 전해액 순환을 위한 셀 내에 배치된다. 기판 홀더(1006)는 진동 액추에이터(1010)에 연결되고, 기판 홀더(1006)는 0.25 내지 25mm의 진폭 및 0.01 내지 0.5Hz의 주파수로 진동 액추에이터(1010)에 의해 진동된다. 이는 공정 동안 금속화 장치의 하부 평면에 수직인 방향을 따라 주기적으로 위 아래로 움직이도록 2개의 기판(1004)을 동시에 유지한다. 초음파 장치(1002, 1003)는, 각 기판(1004)에 대하여 별도로 10KHz 내지 5MHz의 주파수 및 0.1 내지 3W/cm2의 강도를 갖는 초음파를 생성하도록 금속화 장치의 측벽에서의 한 위치에 고정된다.
전기 화학적 공정에서 부착 속도는, 높은 부착 속도가 이용되고 전류 밀도가 한계 전류 밀도에 매우 근접한 경우에, 고체의 화학 물질의 대량 수송 속도(mass transport rate) 및 반도체 기판 표면 근처에서 유체 인터페이스에 의해 제어된다. 픽의 법칙(Fick's law)에 의하여, 확산 경계층 두께를 감소시키는 것은, 대량 수송 속도를 증가시킨다. 종래의 전기 화학적 부착 챔버에서, 부착 속도는 기판의 표면 상의 확산 경계층 두께를 낮추기 위하여 스핀 디스크의 회전 속도를 강화시킴으로써 증가될 수 있다. 그러나, 부착 속도는, 전기 화학적 부착 공정 동안 와류, 가스 및 스플래싱(splashing)을 생성하는 유체 챔버에서 높은 회전 속도에 기인하여 실제 애플리케이션에서의 회전 속도 증가에 의해 제한된다. 초음파 장치는 음향 스트리밍에 의해 확산 경계층 두께를 감소시킨다. 따라서, 이는 기판의 회전 속도를 증가시키지 않으면서 부착 속도를 증가시킨다. 음향 에너지(sonic energy)에 의해 유도된 음향 경계층(δa)은 확산층 두께에 근사하도록 채용된다. 이는 음향 주파수(f) 및 액체 점도(viscosity)(υ)의 함수이다:
Figure 112014006734717-pct00001
표 1은 약 산성 구리 부착 공정에서 소닉 디바이스(sonic device)를 가진 기판 및 소닉 디바이스 없는 기판 근처의 경계층 두께를 나타낸다. 본 명세서에서, Cu2+ 농도는 0.0635mol/L이고, 산 농도는 1.25E-03mol/L이다.
Figure 112014006734717-pct00002
기판 표면 상의 훨씬 더 작은 경계층이 금속화 장치에서 초음파 장치를 적용시킴으로써 달성될 수 있어, 금속막의 더 높은 부착 속도를 제공한다. 또한, 높은 속도의 부착은 음향원의 강도 또는 주파수를 강화함으로써 달성될 수 있다.
금속화 장치에서 초음파 장치를 적용하는 다른 이점은, 대류가 제한되는 작은 특징부(feature)에서 화학적 교환율을 강화시키는 것이다. 매우 얇은 경계층 및 높은 점도로, 초음파 장치에 의해 생성된 음향 스트리밍은 작은 특징부에서 정상(steady) 흐름 영역에 도달할 수 있어, 와류 파괴 및 흐름 재생(flow regeneration)을 활발하게 한다. 또한, 음향 캐비테이션의 근처에서 국부 흐름 방향은 등방성이며, 이는 기판의 표면에 대해 수직인 흐름이 존재하고, 특징부의 내부에 새로운 화학 물질 및 부산물의 대류를 강화함으로써 화학적 교환율을 증가시키는 것을 의미한다. 얇은 경계 층 및 캐비테이션-유도 대류성 흐름 모두의 효과는, 특히 유기 첨가제 분자에 대하여 특징부에서 전해질 혼합물의 새로운 정도이고, 이에 따라 부착 속도 및 상향식 충전 성능을 강화한다. 한편, 이는 부착 막에 트랩핑(trapping)되고 편입되는 것도 전기 화학적 반응에 의해 생성된 분해된 부산물이 방지하고, 부착된 막의 갭필 성능 및 다른 물리적 특성을 개선한다.
그러나, 기판 표면 근처의 전해질에서 초음파 에너지의 분포는 균일하지 않다. 초음파가 전해질에서 전파하는 동안, 초음파의 강도는 초음파의 파장(λ)에 기초한 주기적인 분포를 가지면서 전해질에서 높은 에너지 및 낮은 에너지 지점을 생성하는 주기적인 분포를 제공한다. 비균일한 에너지 분포는 기판 표면 상에 비균일한 막 부착 속도를 야기할 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 기판 홀더(1006)를 주기적으로 진동시키는 진동 액추에이터(1010)는 축적되는 시간에서 기판에 걸친 음향 강도 분포를 동일하게 유지하는데 이용된다. 진동의 진폭 및 주파수는 진동 액추에이터(1010)에 의해 정밀하게 제어될 수 있다. 이는, 기판이 전체 공정 시간(t)에서 N번 진동하는 동안, 기판의 각 부분이 각각의 진동에서 동일한 전체 음향 강도를 공급받게 하는데 중요하다. 한 번의 진동에서 기판의 이동은, 진동의 진폭에 의해 결정되는
Figure 112014006734717-pct00003
인 Δd를 변경하여, 강도가 최소를 통해 최대로 가는 것을 보장한다. 따라서, 기판 홀더 진동의 속도(υ)는,
Figure 112014006734717-pct00004
로 설정되어야 한다. 여기에서, n은 1에서 시작하는 정수이고, N은 또한 회전 수이자 정수이다.
도 11에 더 상세하게 도시된 바와 같이, 기판의 위치가 변화하는 경우, 기판의 동일한 부분에서의 음향 강도는 P1으로부터 P2로 변한다. 갭이 음향파의 전체의 1/2 파장으로 증가하는 경우, 강도는 P1으로부터 P11로 전체 사이클을 변경한다. 사이클 시작점은 금속화 장치에서 기판의 부분의 위치에 의존한다. 그러나, 기판 상의 각 부분은, 기판이
Figure 112014006734717-pct00005
의 전체 거리를 이동하는 경우 강도의 전체 사이클을 공급받을 것이다. 이는, 기판의 각 위치가 동일한 평균 강도, 동일한 최대 강도 및 동일한 최소 강도를 포함하는 동일한 양의 음향의 강도를 공급받는 것을 보장한다. 이는, 전체 전기 화학적 부착 공정 동안 기판에 걸쳐 균일한 부착 속도를 더 보장한다.
초음파 장치를 갖는 금속화 장치에 적용된 방법은 다음과 같이 설정될 수 있다:
공정 시퀀스
단계 1: 장치에 금속염 전해질을 유입시킨다.
단계 2: 전해질에 노출될 기판 전도층에 대한 전기 전도 경로를 가지며 전기 전도성인 기판 홀더에 기판을 이송한다.
단계 3: 기판에 10V까지의 작은 바이어스 전압을 인가한다.
단계 4: 기판을 전해질로 가져오고, 기판의 전면이 전해질과 완전히 접촉한다.
단계 5: 각 전극에 전류를 인가한다; 전극에 연결된 전원은 원하는 시간에서 전압 모드로부터 전류 모드로 스위칭한다.
단계 6: 전극 상의 정전류를 0.1A 내지 100A의 전류 범위로 유지한다; 다른 실시예에서, 인가되는 전류는 5ms 내지 2s의 펄스 기간을 갖는 동작가능한 펄스 리버스 모드이다.
단계 7: 초음파 장치를 켜고, 기판 홀더를 진동시킨다; 초음파 장치의 강도는 0.1 내지 3W/cm2의 범위 내에 있고; 초음파 장치의 주파수는 5KHz 및 5MHz 사이로 설정되고; 기판 홀더 진동 진폭 범위는 0.01 내지 0.25mm이고; 기판 홀더 진동 주파수 범위는 0.01 내지 0.25Hz이고; 기판 홀더 진동은
Figure 112014006734717-pct00006
의 정속도를 가지고, 여기에서 λ는 초음파의 파장이고, t는 전체 공정 시간이며, n 및 N은 정수이다.
단계 8: 초음파 장치를 끄고 진동을 정지시킨다.
단계 9: 0.1V 내지 0.5V의 작은 바이어스 전압 모드로 전원을 스위칭하여, 기판에 인가한다.
단계 10: 전해질로부터의 기판을 꺼낸다.
단계 11: 전원을 정지시키고, 기판의 표면 상에 잔여 전해질을 세정한다.
본 발명이 소정의 실시예들, 예를 들어 애플리케이션들에 관하여 설명하였지만, 본 발명을 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims (21)

  1. 금속염 전해질(metal salt electrolyte)을 함유하는 침지 셀(immersion cell);
    적어도 하나의 전원에 연결되고 애노드 역할을 하는 적어도 하나의 전극;
    상기 적어도 하나의 전극을 마주하게 적어도 하나의 기판의 전도성 측을 노출시키도록 상기 기판을 유지하는 전기 전도성의 기판 홀더;
    소정의 진폭 및 소정의 주파수로 파 전파 방향을 따라 주기적으로 이동하도록 상기 기판을 유지하는 상기 기판 홀더를 진동시키는 진동 액추에이터(oscillating actuator)로서, 상기 파 전파 방향은 상기 기판의 표면과 상기 애노드의 평면에 수직인, 상기 진동 액추에이터;
    동작 주파수 및 강도(intensity)를 갖고, 상기 애노드 측에 배치된 적어도 하나의 초음파 장치;
    상기 초음파 장치에 연결되는 적어도 하나의 초음파 전력 생성기(power generator);
    금속염 전해질 공급을 위한 적어도 하나의 입구; 및
    금속염 전해질 배출을 위한 적어도 하나의 출구
    를 포함하고,
    상기 기판 상의 각 부분은, 상기 기판이 반파장의 정수배인 전체 거리를 이동하는 경우, 강도의 전체 사이클을 공급받고, 상기 기판의 각각의 위치가 동일한 평균 강도, 동일한 최대 강도 및 동일한 최소 강도를 포함하는 동일한 양의 음향 강도를 공급받는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진폭은 0.25mm 내지 25mm이고, 상기 주파수는 0.01 내지 0.5Hz이고,
    상기 동작 주파수는 5KHz 내지 5MHz이고, 상기 강도는 0.1 내지 3W/cm2인,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 표면에 수직이고 상기 기판의 중심을 통과하는 축 주위로 상기 기판 홀더를 회전시키는 회전 액추에이터를 포함하며,
    상기 회전 액추에이터는 10 내지 300 rpm의 속도로 상기 기판 홀더를 회전시키는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 초음파 장치는 상기 기판 금속화를 위한 장치의 측벽에서의 한 위치에 배치되는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 초음파 장치는 상기 기판 금속화를 위한 장치의 상기 전극 뒤의 한 위치에 배치되는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 장치.
  6. 침지 셀(immersion cell)로 금속염 전해질(metal salt electrolyte)을 흐르게 하는 단계;
    기판의 표면 상의 전도층과 전기적으로 접촉하는 기판 홀더로 상기 기판을 이송하는 단계;
    상기 기판에 제1 바이어스 전압을 인가하는 단계;
    적어도 하나의 전원에 연결되고 애노드 역할을 하는 적어도 하나의 전극에 전류를 인가하는 단계;
    상기 애노드 측에 배치된 적어도 하나의 초음파 장치를 통해 상기 기판에 초음파를 인가하고, 상기 기판이 소정의 진폭 및 소정의 주파수로 파 전파 방향을 따라 주기적으로 이동하도록 상기 기판 홀더를 진동시키는 단계로서, 상기 파 전파 방향은 상기 기판의 표면과 상기 애노드의 평면에 수직이고, 상기 기판 상의 각 부분은, 상기 기판이 반파장의 정수배인 전체 거리를 이동하는 경우, 강도의 전체 사이클을 공급받고, 상기 기판의 각각의 위치가 동일한 평균 강도, 동일한 최대 강도 및 동일한 최소 강도를 포함하는 동일한 양의 음향 강도를 공급받는 단계;
    초음파 인가를 정지시키고 상기 기판 홀더의 진동을 정지시키는 단계;
    상기 기판 상에 제2 바이어스 전압을 인가하는 단계; 및
    상기 금속염 전해질 밖으로 상기 기판을 꺼내는 단계
    를 포함하는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 바이어스 전압은 0.1V 내지 10V이고;
    상기 전류는 0.1A 내지 100A이고;
    상기 초음파는 5KHz 내지 5MHz의 동작 주파수 및 0.1 내지 3W/cm2의 강도를 가지고;
    상기 기판은 0.25mm 내지 25mm의 진폭으로 진동하고 주파수는 0.01 내지 0.5 Hz이고;
    상기 제2 바이어스 전압은 0.1V 내지 5V인,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 기판을 회전시키고, 상기 기판을 상기 전해질과 접촉시키는 단계를 포함하고,
    상기 기판은 10 내지 300 rpm의 속도로 회전되는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 금속염 전해질은 Cu, Au, Ag, Pt, Ni, Sn, Co, Pd, Zn의 금속들 중의 적어도 하나의 양이온 형태를 함유하는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 기판 상의 깊은 캐비티(cavity)는 0.5 내지 50㎛의 폭과 5 내지 500㎛의 깊이의 치수를 갖는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 기판 홀더는
    Figure 112016060957356-pct00007
    와 동일한 정속도로 진동하고,
    여기에서, λ는 상기 초음파의 파장이고, t는 전체 공정 시간이며, n 및 N은 정수인,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 전류는 DC 모드로 인가되는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 전류는 5ms 내지 2s의 펄스 기간을 갖는 펄스 리버스 모드(pulse reverse mode)로 인가되는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  14. 제6항에 있어서,
    전해질 교반(electrolyte agitation)이 상기 기판 상의 깊은 캐비티에 근접하게 제공되는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  15. 제6항에 있어서,
    전해액 교반이 상기 기판 상의 깊은 캐비티 내부에 제공되는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  16. 제6항에 있어서,
    상기 기판 상의 깊은 캐비티의 내부 및 외부 사이에 반응물 및 부산물의 물질 교환율이 증가되는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  17. 제6항에 있어서,
    상기 기판 상의 깊은 캐비티 내의 부착물에서 불순물 레벨은 감소되는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  18. 제6항에 있어서,
    0.1 내지 10㎛의 두께를 갖는 확산 경계층이 상기 기판의 상기 표면에 근접하게 재형성되는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  19. 제6항에 있어서,
    금속 부착 속도는 제한 전류 밀도를 증가시킴으로써 증가되는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  20. 제6항에 있어서,
    상기 기판이 공급받은 음향 강도가 공정 과정에 걸쳐 균일한,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
  21. 제6항에 있어서,
    균일한 두께를 갖는 금속화 막이 형성되는,
    전해질로부터의 기판 금속화를 위한 방법.
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