KR20040048909A - 작은-힘 전기화학 기계적 처리 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20040048909A KR10-2004-7004566A KR20047004566A KR20040048909A KR 20040048909 A KR20040048909 A KR 20040048909A KR 20047004566 A KR20047004566 A KR 20047004566A KR 20040048909 A KR20040048909 A KR 20040048909A
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베이졸불렌트엠
우조사이프리언이.
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Abstract

본 발명은 반도체 집척회로 기술에 관한 것이며, 작업물 표면에 가해진 힘을 균일하게 분포시키는 전기화학적 기계적 처리시스템을 개시한다. 상기 시스템은 작업물 표면을 위치시키거나 유지시키는 작업물 캐리어 및 작업물-표면-영향-디바이스(WSID)를 포함한다. WSID는 작업물 표면에 가해진 힘을 균일하게 분포시키는 데 사용되며, 작업물 표면에 균일한 그리고 전체적인 힘을 처리하고 가하는데 사용되는 다수의 층들을 포함한다.

Description

작은-힘 전기화학 기계적 처리 방법 및 장치{LOW-FORCE ELECTROCHEMICAL MECHANICAL PROCESSING METHOD AND APPARATUS}
집적회로(IC)와 같은 종래의 반도체 디바이스는 일반적으로 반도체 기판, 통상적으로는 실리콘 기판 및 절연물층에 의하여 분리된 순차적으로 생성된 수개의 도전재층을 포함한다. 도전재층들 즉 배선들(interconnects)은 IC의 와이어링 구조체(wiring structure)를 형성한다. 와이어링 구조체는 절연층 또는 개재층 유전체(interlayer dielectrics)에 의하여 이웃하는 배선 구조체로부터 절연된다. IC 구조체내의 조밀한 표준 실리콘 이산화물 재료 중 적어도 일부를 k가 낮은 유전물질로 대체하도록 하는 것이 현재의 추세이지만, 통상적으로 실리콘 IC에 사용되는 유전물질은 실리콘 이산화물이다. 이 대체는, 회로의 속도를 증가시키기 위해서 RC 시간상수가 감소되어야할 필요가 있는 고성능 IC에 필요하다. 커패시턴스를 감소시키기 위해서는, 배선 구조내의 높은 유전상수 물질이 k가 낮은 물질로 대체되어야만 한다.
해당 업계에서 사용되고 있는 k가 낮은 물질들은 다양하다. 이들은 유기, 무기, 스핀-온(spin-on) 및 CVD 물질이다. k가 낮은 몇몇 물질들은 유전상수가 3.0 보다 훨씬 낮으면서 다공성이다. 잘 알려진 바와 같이, k가 낮은 유전체를 구현시키는 것은 제조시 많은 도전과제에 직면하게 된다. 예를 들어, 그들의 낮은 기계적 강도 및/또는 기판에의 불량한 접착은 반도체 업계에 몇가지 도전과제를 부과한다.
IC 배선은, 금속화 공정(metallization process)에 의하여 유전 개재층들로 에칭된 피처 또는 캐비티내에 구리와 같은 도전체를 채움으로써 형성된다. 구리는 그것의 낮은 전기 저항과 바람직한 일렉트로마이그레이션 특성(electromigration property)으로 인해, 배선 용도에 바람직한 도전체이다. 현재에는, 전기도금이 구리 금속화에 바람직한 공정이다.
통상적인 IC에서, 멀티-레벨의 배선 구조체들은 기판 표면에 대하여 가로방향으로 연장된다. 후속층내에 형성된 배선들은 비아 또는 콘택과 같은 피처들을 사용하여 전기적으로 연결될 수 있다. 통상적인 배선 제작 공정시, 반도체 기판상에 절연층이 먼저 형성된다. 그 다음, 상기 절연층내에 트렌치, 비아 및 패드 등등과 같은 피처 또는 캐비티를 형성하기 위해서 패터닝 및 에칭 공정들이 실행된다. 그 후, 상기 피처를 채우기 위해 구리가 전기도금된다. 이러한 전기도금 공정시, 작업물 또는 웨이퍼(본 명세서에서, 이들 용어는 상호교환적으로 사용됨)는 웨이퍼캐리어상에 배치되고, 전해질 또는 전해용액이 웨이퍼 표면과 전극 둘 모두에 적셔지는 동안, 전극에 대하여 음(-)전압이 웨이퍼에 인가된다.
도금처리가 끝나면, 웨이퍼의 최상면(필드영역이라고도 함)으로부터 과도한 구리층(구리 과적(copper overburden)이라도 함)을 제거하기 위해서 화학 기계적 폴리싱(CMP) 공정과 같은 물질제거단계가 수행됨에 따라 상기 피처내에는 구리만이 남게 된다. 그 후, 필드 영역상에 있는 배리어/접착제층(glue layer)과 같은 여타의 도전층을 제거하기 위해서 추가 물질제거단계가 수행된다. 이 방식으로, 피처내에 퇴적된 구리는 서로로부터 물리적으로 또한 전기적으로 절연된다. 물질제거공정은 CMP, 전기에칭(electroetching) 및 에칭 공정을 포함하지만 그것으로 제한되지 않음을 유의하여야 한다. 또한, 필드영역으로부터 구리와 배리어/접착제층 둘 모두를 한 단계에 제거하는 공정도 채택될 수 있다.
CMP 중에, 도금된 웨이퍼 표면은 이동하는 폴리싱 패드 또는 폴리싱 벨트상에 가압되고 웨이퍼가 회전되는 동안 평탄화된다. 상기 언급한 바와 같이, 이 공정은 주어진 배선 레벨상의 다양한 피처들내에 퇴적된 구리를 전기적으로 고립시킨다. 이들 공정을 수 회 반복한 후에, 멀티-레벨 배선 구조체들이 형성될 수 있으며, 그 안에 있는 비아 또는 콘택 피처내의 구리는 다양한 배선 레벨들을 전기적으로 접속시킬 수 있다. 하지만, CMP 공정은 처리시 웨이퍼 표면상에 가해진 기계적인 힘때문에 k가 낮은 유전체로 인해 문제들이 생길 수 있다. 예를 들어, CMP 중에, k가 낮은 물질들은 응력이 가해질 수 있으며, k가 낮은 물질의 불량한 접착 또는 낮은 기계적인 강도로 인해서 박리(delaminate) 또는 여타의 결함들이 생길 수 있다. CMP 공정이 길어질수록, 이들 문제는 더욱 두드러진다. 따라서, CMP 시간 및 웨이퍼들, 특히 k가 낮은 절연체들을 사용하는 것들에 가해진 힘을 감소시키는 것이 바람직하다.
CMP 공정에서 사용된 힘 또는 압력을 낮추어 보고자 하는 시도가 있었다. 또한, 도금된 기판의 필드영역으로부터 구리 과적부를 제거하기 위해서 CMP 대신에 에칭 또는 전기에칭 기술을 채용하는 시도가 있었다.
작업물 표면상에 평탄한 구리로 된 얇은 층을 제공할 수 있는 평탄한 구리 퇴적법(planar copper deposition approach)을 채택함으로써, CMP의 부작용이 최소화되거나 극복될 수 있다. 이러한 평탄화 퇴적기술 중 하나는 전기화학 기계적 퇴적(ECMD)법이다. ECMD의 일 실시형태에서, 물리적인 접촉 및 작업물 표면과 작업물-표면-영향 디바이스(WSID) 사이의 상대운동이 있는 경우에, 전기퇴적 처리의 적어도 일부 동안 마스크, 패드 또는 스위퍼(sweeper)와 같은 작업물-표면-영향 디바이스(WSID)가 사용된다. 다양한 평탄화 퇴적 방법 및 장치의 설명은 본 발명의 출원인에 의하여 모두 공통으로 소유된 다음의 특허 및 계류중인 출원, 즉 "Method and Apparatus for Electrochemical Mechanical Deposition"이라는 제목의 미국특허 제 6,176,992호; 2001년 12월 18일에 출원된 "Plating Method and Apparatus that Creates a Differential Between Additive Disposed on a Top Surface and a Cavity Surface of a Workpiece Using an External Influence"라는 제목의 미국특허출원 제09/961,193호 및 2001년 9월 20일에 출원된 "Plating Method and Apparatus for Controlling Deposition on Predetermined Portions of a Workpiece"라는 제목의 미국특허출원 제 09/961,193호에서 찾을 수 있다. 이들 특허/출원에 개시된 상기 방법은, 평탄화 방식으로 작업물상의 캐비티 부분내에 그리고 그 부분에 걸쳐 금속을 퇴적시키는 데 사용될 수 있다.
ECMD 방법을 이용하면, 작업물 표면은 전해질로 적셔지고 또한 전해질로 적셔진 전극에 대하여 음이 되게 한다. 이로 인해, 작업물의 표면상에 물질이 퇴적되게 된다. 또한, 이들 기술은 인가된 전압의 극성을 반전시킴으로써 그리고 작업물 표면이 전극에 비해 더욱 양이 되게 함으로써 전기에칭 또는 전기폴리싱에 사용될 수 있다. 또한, 작업물 표면에 양전압을 인가하는 것은 CMP 셋업에 사용될 수 있다. 매우 얇은 평탄한 퇴적물들은, 먼저 ECMD 기술을 이용하여 평탄한 층을 퇴적시키고, 그 다음 인가된 전압을 반전시켜 동일한 전해질내에서 또는 특별한 전기-에칭 또는 전기-폴리싱 용액내에서 이들 평탄한 막을 전기에칭함으로써 획득될 수 있다. 이 방식으로, 퇴적된 층의 두께는 평탄화 방식으로 감소될 수 있다. 실제로, 이 에칭 공정은, 필드영역상의 모든 또는 대부분의 금속이 제거될 때까지 수행될 수 있다. 평탄화 에칭이 WSID 여부와 관계 없이 달성될 수 있기 때문에, 전기에칭 공정 중에 WSID가 사용되거나 사용되지 않을 수 있음을 유의하여야 한다.
보다 상세하게는, ECMD 중에, 작업물의 표면이 WSID에 의하여 스위핑되는 때의 적어도 일부동안 작업물 표면은 WSID의 표면을 밀거나 그와 반대로 밀려진다. 평탄화 퇴적은 상술된 바와 같은 스위핑 작용으로 인해서 생긴다. 또한, 스위퍼 표면에 의하여 작업물 표면상에 가해진 힘을 감소시키는 것이 바람직한데, 특히 작업물이 구조적으로 약한 k가 낮은 물질로 이루어진 경우에 그러하다. 하지만, 상기 힘이 감소되는 경우, 작업물 표면과 스위퍼 표면 사이의 접촉 무결성(integrity)은 보전되어야 한다. 다시 말해, 이 물리적인 접촉은 균일하고 최적의 결과를 위해 재현가능하여야 한다. 따라서, 평탄화 금속 퇴적 또는 전기에칭 시에 기판 표면에 가해지는 힘을 최소화하면서 상기 힘이 스위퍼 영역 전체에 걸쳐 균일하게 분포되도록 유지시키는 개선된 ECMD 방법 및 장치가 필요하다.
본 발명은, 일반적으로 반도체 집적 회로 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전기처리적(electrotreating) 또는 전기화학적 장치 및 전기도금을 포함하는 재료퇴적접근법과 같은 처리기술과 작업물 표면에 적용된 재료제거기술, 예를 들어 폴리싱기술에 관한 것이다.
본 발명의 이들 및 또 다른 목적 및 장점들은, 첨부한 도면과 연계된 본 발명의 바람직한 실시예로부터 보다 명확해질 것이다.
도 1a는 종래의 전기화학 기계적 처리시스템을 예시하는 도면;
도 1b는 종래의 스위퍼 구조체와 접촉해 있는 웨이퍼의 단면을 예시하는 도면;
도 1c는 본 발명에 따른 스위퍼 구조체와 접촉해 있는 웨이퍼의 단면을 예시하는 도면;
도 2a는 종래의 웨이퍼 표면을 보다 상세히 예시하는 도면;
도 2b는 평탄한 구리층이 그 위에 퇴적된 도 2a의 웨이퍼 표면을 예시하는 도면;
도 3a는 본 발명에 따른 작업물-표면-영향 디바이스를 예시하는 도면;
도 3b는 본 발명에 따른 작업물-표면-영향 디바이스의 사시도;
도 3c는 본 발명에 따른 동작 시의 작업물-표면-영향 디바이스를 예시하는 도면;
도 3d는 본 발명에 따른 작업물-표면-영향 디바이스의 복합층 구조체의 일례를 예시하는 도면;
도 3e는 본 발명에 따른 웨이퍼 캐리어의 또 다른 일례를 예시하는 도면;
도 4는 본 발명에 따른 작업물-표면-영향 디바이스의 또 다른 일례를 예시하는 도면;
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 작업물-표면-영향 디바이스의 또 다른 일례를 예시하는 도면;
도 6은 본 발명에 따른 작업물-표면-영향 디바이스의 또 다른 일례를 예시하는 도면;
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 작업물-표면-영향 디바이스의 또 다른 일례를 예시하는 도면;
도 7c는 본 발명에 따른 작업물-표면-영향 디바이스의 최상부층 구조의 일례를 예시하는 도면;
도 7d 및 도 7e는 각각 본 발명에 따른 도 7c의 최상부 구조체의 최상부 및 저부 막을 예시하는 도면;
도 8a 내지 도 8c는 종래의 작업물-표면-영향 디바이스를 사용하는 기판상에 형성된 비균일한 층의 일례를 예시하는 도면;
도 8d 및 도 8e는 본 발명의 작업물-표면-영향 디바이스를 사용하는 기판상에 형성된 균일한 층의 일례를 예시하는 도면이다.
본 발명은, 작업물 표면에 가해진 힘을 균일하게 분포시키는 전기화학 기계적 처리시스템을 개시한다. 상기 시스템은 작업물 표면을 위치시키거나 유지시키는 작업물 캐리어 및 작업물-표면-영향-디바이스(WSID)를 포함한다. 상기 WSID는 작업물 표면에 가해진 힘을 균일하게 분포시키는데 사용되며, 일 실시예에서는 유연한 최상부층, 견고한(rigid) 저부층 및 상기 최상부층과 저부층사이에 배치된 압축가능한 중간층을 포함한다. 상기 유연한 최상부층은 작업물 표면과 접촉한다. 상기 유연한 최상부층은 단일층 또는 복합층일 수 있다. 상기 복합층은 연마가능한 상부층 및 하부층을 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 압축가능한 제1층 및 압축가능한 제2층, 상기 압축가능한 제1층과 제2층 사이에 배치된 견고한 지지층, 및 상기 압축가능한 제1층에 부착된 유연한 층을 갖는 WSID를 포함하는 시스템을 개시하며, 상기 유연한 층은 작업물 표면과 접촉한다.
추가 실시예들이 본 발명에 개시되어 있으며, 본 발명을 이용하는 방법을 포함하여 하기에 보다 상세히 설명되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들의 이해를 더욱 돕고자 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다른 명세서에서도 서술된 바와 같이, 본 명세서의 원리 및 기술적 내용에 기초하여 다양한 실시예들의 다양한 변형과 대체가 가능하다.
바람직한 실시예들 또는 본 발명은 동일한 구성요소, 구조, 층 등등이 여러 도면에 걸쳐 동일한 기준번호로 표시된 도 1 내지 도 8을 참조하여 서술될 것이다. 또한, 제한하기 보다는 예시의 목적으로 본 명세서에는 특정한 파라미터가 제공된다.
바람직한 실시예들은 집적회로의 용도를 위해 배선을 제작하는 일례를 이용하여 설명될 것이다. 본 발명은 Au, Ag, Ni, Pt, Pd, Fe, Sn, Cr, Pb, Zn, Co 및 그들의 합금과 같은 다양한 전기도금된 물질을 갖는 여하한의 작업물상의 후퇴부( 캐비티라고도 함)를 채우는 데 사용될 수 있음을 유의하여야 한다. 상기 캐비티는 상기 언급된 물질로 채워질 수 있으며, 패키징, 플랫 패널 디스플레이(flat panel display) 및 자기 헤드와 같은 다른 용도에도 본 발명이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 평탄한 도전층은, 웨이퍼 표면에 균일한 그리고 작은 힘(low force)을 가하는 새로운 작업물-표면-영향 디바이스(WSID) 구조체를 사용하는 작은-힘 ECMD 공정에 의하여 웨이퍼 표면상에 형성된다. 여타의 구조체들도 작은-힘 전기화학 기계적 에칭(ECME) 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 이후의 설명에서, ECMD과 ECME 공정 둘 모두를 전기화학 기계적 프로세싱(ECMPR)이라 칭하는 데, 그 이유는 두 공정 모두가 전기화학적 공정과 기계적인 작용을 수반하기 때문이다.
도 1a는 본 발명에 따라 사용될 수 있는 종래의 전기화학 기계적 처리시스템을 예시한다. ECMPR 시스템(10)은 작업물 즉 웨이퍼(16)에 매우 근접하게 배치된 개구부(15)를 갖는 종래의 WSID(12)를 포함한다. 상기 WSID(12)를 지지하는, 다공성일 수 있는 지지판(13)은 개구부 즉 구멍(14)을 포함한다. ECMD를 도시하는 이 예시에서, 웨이퍼(16)는 실리콘 웨이퍼이며, 구리 또는 구리 합금과 같은 도전체 금속으로 도금되어야 한다. 웨이퍼 캐리어(18)는 웨이퍼(16)의 앞면(20)이 WSID(12)의 최상부면(22)에 대하여 위치되도록 웨이퍼(16)를 지지한다. 개구부(15)는 전해질 용액(24)으로부터 앞면(20)상으로 구리의 균일한 퇴적을 보장하도록 설계된다. 전기에칭, 또는 ECME가 사용되는 경우, 퇴적용액 또는 전해질 용액 또는 에칭 용액 또는 전해질 용액 중 어느 것을 사용하여 앞면(20)으로부터의 균일한 전기에칭이 생길 것이다. 웨이퍼(16)의 앞면(20)을 향하는 WSID(12)의 최상부면은 스위퍼로서 사용되고, 전체적인 그리고 균일한 퇴적 또는 에칭을 위해, WSID(12) 자체가 용액을 조성하고 앞면(20)으로 전기장이 흐르게 한다.
또한, ECMPR 시스템(10)은 용액(24)에 침지된 전극(26)을 포함한다. 상기 용액(24)은 WSID(12)의 개구부를 통하여 웨이퍼(16)의 앞면(20) 및 전극(26)과 유체 연통한다. 전극(26)은 통상적으로 Cu 퇴적을 위하여 Cu 물질이다. 또한, 전극(26)은, 예를 들어, Pt가 코팅된 Ti로 만들어진 불활성 전극일 수 있다. 예시적인 구리 전해질 용액은 촉진제, 억제제, 레벨러, 염화물과 같은 첨가제 등이 포함된 구리 황산염 용액일 수 있으며, 이들은 해당 업계에서 통상적으로 사용된다.
동작 시에, WSID(12)의 최상부면은 공정의 적어도 일부동안 웨이퍼(16)의 앞면(20)을 스위핑한다. WSID(12)는 ECMPR동안 모든 시간에 접촉해 있을 필요가 없다는 것을 유의하여야 한다. 구리와 같은 평탄한 막의 퇴적을 위해, 웨이퍼(16)의 앞면은 양극이 되는 전극(26)에 비해 더욱 음극(음)이 된다. 전기에칭을 위해, 웨이퍼 표면은 전극(26)보다 양극이 된다.
WSID(12)는 최상부층(28), 중간층(30) 및 저부층(32)을 포함할 수 있다. 최상부층(28)은 3M사에서 공급하는 고정-연마-막과 같은 연마재나 Rodel 사에서 공급하는 폴리머 IC-1000 물질과 같은 CMP에 사용되는 소위 여타의 패드 물질로 만들어질 수 있다. 최상부(28)의 두께는 통상적으로 0.1 내지 2.0mm의 범위내에 있을 수 있다. 다음, 중간층(30)은 최상부층(28)을 위한 장착층(mounting layer)이다. 중간층(30)은 통상적으로 두께 범위가 1.0 내지 3.0mm인 폴리카보네이트와 같은 강성의 소성 물질(hard plastic material)로 만들어질 수 있다. 마지막으로, 저부층(32)은 완전한 구조체를 위한 압축층으로서 사용된다. 일반적으로, 저부층(32)은, 2.0 내지 5.0mm의 범위일 수 있는, 그 원래 두께의 약 25%만큼 폼을 변형시키도록 약 10 내지 20psi의 압력을 요구하는 통상적인 압축강도를 갖는 폴리우레탄 또는 폴리프로필렌과 같은 폴리머 폼(polymeric foam) 물질로 만들어진다. 또한, 본 발명과 동일한 출원인으로 출원된 2001년 9월 20일에 출원된 "Mask Plate Design"이라는 제목의 미국 출원 제 09/960,236호는 다양한 WSID 실시예들을 개시한다.
배경기술에서 이전에 언급된 바와 같이, 얇은 구리층과 같은 얇은 도전체 층의 평탄한 퇴적은 k가 낮은 유전체의 적용에 매력적이며, k가 낮은 물질을 포함하는 기판은 높은-응역을 받지 않아야 한다. 종래의 WSID(12)는, 웨이퍼 표면이 WSID(12)을 미는 압력을 감소시킴으로써 k가 낮은 유전체를 갖는 웨이퍼들을 처리하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 압력이 감소되어 k가 낮은 물질을 손상시키기 않을 수 있다. 하지만, ECMPR 시스템(10)내의 전체 압력이 감소되는 경우에는, 웨이퍼(16)상의 높은 국부적인 압력 지점들의 가능성을 반드시 제거할 필요는 없다. WSID(12)는 비교적 강성의 폼인 저부층(32)의 존재로 인하여 전체적으로 유연한 구조체이지만, 중간층(30)의 존재로 인해 반드시 국부적으로 유연할 필요는 없다. 비교적 두꺼운 최상부층(0.5mm보다 두꺼움)의 경우, WSID 구조체의 전체적인 견고성이 증가된다. 도 1a에 도시된 WSID(12)는 WSID(12)와 웨이퍼(16)의 앞면(20) 사이에 전체적인 그리고 균일한 접촉을 제공한다. 하지만, 국부적으로는 상기 상황이 달라질 수 있다. WSID(12)와 웨이퍼(16)의 앞면(20)의 평탄도가 완벽하게 평탄하지 않거나 이들 2개의 표면이 완전히 평행하지 않은 경우, 웨이퍼(16)상의 몇몇 표면들은 처리시에, 특히 웨이퍼(16)의 표면이 WSID(12)의 표면과 먼저 접촉하게 되는 경우에, 여타의 표면보다 높은 압력에 노출되게 된다. 예를 들어, 평행관계가 절대적이지 않는 경우, 웨이퍼 표면이 스위퍼 표면상으로 하강될 수 있기 때문에, 웨이퍼 표면의 일부분이 스위퍼 표면에 처음 접촉할 수 있다. 그런 후, 웨이퍼 표면의 이 부분은 가해진 힘이 일정하고 스위퍼가 견고하기 때문에 보다 높은 압력에 노출된다.
도 1b는 종래의 스위퍼 구조체와 접촉해 있는 웨이퍼의 일부를 예시한다. 도 1b에서, 웨이퍼(16)의 예시적인 부분은 스위퍼 구조체(16A)와 접촉해 있다. 도시된 바와 같이, 웨이퍼(16)는 비평탄한 최상부면(20)을 가질 수 있다. 최상부면(20)은 필드영역을 포함할 수 있고, 상기 필드영역은 그 안에 후퇴부나 캐비티를 포함할 수 있다. 최상부면은 이미 퇴적된 도전층을 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있다. 이 비평탄한 표면은, 웨이퍼가 웨이퍼 캐리어에 의하여 유지되는 경우 웨이퍼에 가해진 여타의 응력 또는 휨(bowing), 스위퍼 구조체(16A)와 웨이퍼 사이의 평행관계의 결여, 또는 필드영역의 비평탄한 토포그래피를 포함하는 다수의 인자들에 의하여 야기될 수 있다.
종래의 스위퍼 구조체(16A)가 웨이퍼(16)를 처리하는 데 사용되는 경우, 스위퍼 표면과 웨이퍼 표면(20)의 몇몇 부분 사이의 접촉 영역이 균일하지 않으며, 따라서 압력이 비균일하다. 특히, 부분 16B에서, 웨이퍼 표면(20)과 스위퍼 표면(16C) 사이에는 갭이 존재하며, 이 부분의 웨이퍼 표면에 인가된 압력은 실존하지 않는다. 이로 인해, 웨이퍼 표면이 스위퍼 표면과 접촉하게 되는 위치들에서 높은 압력 지점을 갖는 전체 웨이퍼 표면에 걸쳐 스위핑 효율성이 불균일하게 된다. 또한, 그 결과로 결함들이 생길 수 있다. 또한, 특히 웨이퍼 표면이 k가 낮은 물질과 같이 기계적으로 약한 층을 가지는 경우에, 웨이퍼 표면상에 국부적으로 큰 힘이 제공되어, 응력을 받은 그리고 벗겨진 영역이 생길 수 있다.
도 1c는 본 발명에 따른 스위퍼 구조체와 접촉해 있는 웨이퍼의 일부를 예시한다. 본 발명의 스위퍼 구조체(16AA)는 종래의 스위퍼 구조체보다 연성이며, 더욱 유연하다. 스위퍼 구조체(16AA)를 사용하면, 웨이퍼 표면과 보다 균일한 그리고 전체적인 접촉이 행해질 수 있다. 즉, 스위핑 효율이 균일하고 힘이 균일하게 분포된다. 따라서, 작은 힘, 통상적으로 1.0psi, 바람직하게는 0.5psi 이하 사용 시, 웨이퍼(16)가 웨이퍼 캐리어에 의하여 유지되는 경우 웨이퍼에 가해진 여타의 응력 또는 휨(bowing), 스위퍼 구조체(16A)와 웨이퍼 사이의 평행관계의 결여, 또는 필드영역의 비평탄한 토포그래피로 인하여 평탄하지 않는지의 여부에 관계없이, 스위퍼 구조체(16AA)와 웨이퍼(16) 사이에 전체적으로 접촉이 생길 수 있다.
도 2a는 종래의 웨이퍼 표면의 보다 상세한 부분을 예시한다. 웨이퍼 기판(300)은 패터닝된 층(302), 바람직하게는 웨이퍼(103)(도 3a 참조)상에 형성된 절연층을 포함한다. 패터닝된 층(302)은 k가 낮은 유전물질과 같은 절연체를 포함할 수 있고 금속 배선 디자인 룰에 따른 잘 알려진 패터닝 및 에칭 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 패터닝된 층(302)은 캐비티 또는 갭, 즉 필드영역(310)에 의하여 서로 분리된 제1캐비티(306) 및 제2캐비티(308)를 포함할 수 있다. 캐비티들은 제1캐비티(306)가 비아일 수 있고 제2캐비티(308)가 제2비아(309)를 갖는 트렌치일 수 있도록 형성될 수 있다. 비아(306)는 저부벽(312a) 및 측면벽(314a)으로 한정된다. 트렌치(308)는 제2비아(309)가 저부벽(312c) 및 측면벽(314c)로 한정된 채로 저부벽(312b)와 측면벽(314b)으로 한정된다.
재료, 예를 들어 Ta, TaN, Ti, TiN 또는 WN을 갖는 배리어 또는 접착제 층(317)의 1이상의 얇은 층은 기판(300)의 최상부면 및 캐비티를 코팅한다. 다음에 전기도금되는 구리층을 위해 배리어층(317)의 최상부상의 시드층으로서 구리로 된 얇은 막(318)이 코팅된다. 구리시드층(318)은 후속 퇴적의 성장 및 핵(nucleation)이 생길 수 있는 베이스를 제공한다.
도 2b는 평탄한 구리층이 그 위에 퇴적되어 있는 도 2a의 웨이퍼 표면을 예시한다. 평탄한 구리층(320)은 캐비티(306, 308, 309)내로 그리고 필드 영역(310)상으로 퇴적될 수 있다. 하기에 보다 상세히 설명된 본 발명을 이용하여 상기 퇴적 공정이 실행된다.
도 3a는 본 발명에 따른 작업물-표면-영향 디바이스(WSID)를 예시한다. WSID(100)는 웨이퍼 캐리어(105)에 의하여 유지된 작업물 즉 웨이퍼(103)에 매우 근접하여 배치된다. 웨이퍼 캐리어(105)는 z-축선을 중심으로 회전하도록 되어 있으며, x 및 y 방향으로 웨이퍼(103)를 횡방향으로 이동시킨다. 이 실시예에서, 웨이퍼 캐리어(105)는 공정 중에 짐발(gimbal)을 이동시키지 않도록 안정되어 있다. 동작 시, 웨이퍼(103)의 앞면(104)은 일반적으로 z-축선에 대하여 수직이다. 또한, 도 2a는 웨이퍼(103)의 앞면(104)을 상세히 예시한다. 본 발명의 WSID(100) 및 웨이퍼 캐리어(105)는 종래의 ECMPR 시스템(10)내에서 구현될 수 있다.
도 3b는 본 발명에 따른 작업물-표면-영향 디바이스의 사시도를 예시한다. WSID(100)는 최상부층(100a), 중간층(100b) 및 저부층(100c)을 포함한다. 이 실시예에서, 최상부층(100)은 중간층(100b)에 부착된 얇은 유연한 막일 수 있다. 최상부층(100a)은 단일층 또는 복합층(즉 1보다 많은 층)일 수 있다. 예를 들어, 최상부층(100a)이 1이상의 층을 포함하는 경우, 상기 층들은 동일한 크기가 아닐 수도 있다. 하지만, 이러한 복합층의 총 두께는 0.5mm 미만, 바람직하게는 0.2mm미만이 되어야 한다. 예를 들어, 도 3d는 WSID의 복합층 구조체(170)을 예시한다. 복합층 구조체(170)는 상부층(172) 및 하부층(174)을 포함한다. 이 예시에서, 상부층(172)이 연마재인 것이 바람직하다.
도 3c는 본 발명에 따른 동작 중의 작업물-표면-영향 디바이스를 예시한다. 도 3a 내지 도 3c를 참조로, 중간층(100b)은 압축가능하고 연성이며 저부층(100c)의 최상부에 부착된다. 저부층(100c)은 중간층(100b) 및 최상부층(100a)을 지지하기에 충분히 견고한 지지층이다. 저부층(100c)은 다공성판일 수 있으며 전해질 용액 및 전기장이 기판 표면을 향하여 자유롭게 흐르도록 하는 개구부(107)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 저부층(100c)은 전극일 수 있다. 동작시에, 퇴적될 금속의 이온 종(ionic species) 및 양질의 막 형성(quality film formation)을 위한 첨가제를 포함하는 전해질 용액(108)은 전극 및 웨이퍼 표면(104)에 접촉하게 된다.
최상부층(100a)은 약 0.5mm이하, 바람직하게는 0.2mm이하의 두께를 갖는 유연한 층이다. 최상부층(100a)은 0.05 내지 0.5 미크론 크기의 연마입자(예를 들어, Buehler 또는 3M사로부터 이용가능함), 또는 평탄한 최상부를 갖는 직경이 작은 포스트(post) 또는 3M사가 제공하는 고정 연마패드내에 채택된 것들과 같은 피라미드형 포스트를 포함하는 랩핑 막(lapping film)과 같이 비교적 평탄한 표면을 가질 수 있다. 최상부층(100a)의 표면은 웨이퍼의 표면을 효율적으로 스위핑하는 연마재인 것이 바람직하다. 최상부층(100a)의 유연성은 매우 중요하다. 부연하면, 최상부층(100a)은, 도 1c에 예시된 바와 같이 웨이퍼 표면이 절대적으로 평탄하지 않은 경우에도, 웨이퍼 표면에 대하여 완전히 순응할 수 있는 충분한 유연성이 있어야 한다.
또한, 최상부층(100a)은 웨이퍼(103)상의 균일한 구리 퇴적을 위해 여하한의 형태 또는 크기를 가질 수 있는 개구부 또는 채널(116)을 포함한다. 개구부(116)는 WSID(100)를 통하여 웨이퍼(103)와 전극(도시되지 않음) 사이에 유체가 흐를 수 있게 한다면 어떠한 형상이라도 취할 수 있다. 도 3a 및 도 3b에 예시된 WSID(100)가 직사각형 형상을 취하고 있을 지라도, 본 발명의 출원인에 의하여 공동으로 소유된 "Plating Method and Apparatus for Controlling Deposition on Predetermined Portions of a Workpiece"라는 제목으로 2001년 9월 20일에 출원된 미국특허출원 제 09/961,193호에 개시된 작은-영역 스위퍼와 같은 다수의 다른 기하학적인 형상으로 형상화될 수 있다.
중간층(100b)은 가해진 힘하에서 용이하게 압축가능하나 힘이 가해지지 않는 경우에 그 원래 형상을 보유하는 폼 또는 젤형 물질로 만들어진다. 이러한 물질의 예로는 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 고무, 에틸 비닐 아세테이트, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 알콜, 에틸렌 프로필렌 다이엔 메틸, 그것의 조합 등등일 수 있다. 중간층(100b)은 상호연결된 다수의 개방된 포어 네트웍들을 포함할 수 있으며, 상기 네트웍들은 전해질이 그것들을 통하여 화살표(108) 방향으로 삼투하도록 한다. 이 실시예에서, 중간층(100b)은 개방된 포어 구체를 포함한다. 중간층(100b)의 압축강도는 상기 층(100b)이 약 1 내지 10psi의 테스팅 힘하에서 약 25% 압축할 수 있도록 되어야 하며, 상기 테스팅 힘은 본 발명의 처리시에 사용되는 작은 힘 이상에 달할 것이다.
동작시에, 중간층(100b)은 2mm 미만, 바람직하게는 1mm의 양으로 압축되어야 하며, 웨이퍼 홀더가 x 또는 y 방향 중 어느 한 방향으로 이동되는 경우, 웨이퍼의 에지는 최상부층(100a)을 손상시키지 않는다. 그러므로, 중간층(100b)의 두께는 적절히 선택되어야 한다. 예를 들어, 동작 시에 1mm의 압축을 위해, (25% 변형을 위한) 1psi의 압축강도를 가지는 폼이 선택되는 경우, 1psi의 압력이 요구된다면, 중간층(100b)의 두께는 약 4mm이어야 한다. 하지만, 통상적으로는 보다 낮은 압력이 작은-힘 ECMD 공정에 바람직하기 때문에, 폼의 두께는 통상적으로 보다 두껍거나(이 예시에서는 10 내지 20mm일 수 있음) 통상적으로 선택된 폼은 보다 낮은 압축 강도를 가진다. 중간층(100b)에 의하여 웨이퍼 표면상으로 인가된 힘과 압축량(도 3c에서 "d"로 도시됨)과의 관계는, 비선형일 수도 있지만, 힘이 주어진 폼에 대하여 압축의 레벨로 선형적으로 증가하면서 실질적으로 선형이다.
이전에 언급된 바와 같이, 예시적인 ECMPR 시스템(10)은 평탄한 또는 비평탄한 도금 및 평탄한 또는 비평탄한 전기에칭을 수행할 수 있다. 이 점에서, 비평탄한 처리가 바람직하다면, 웨이퍼 표면(104)은 WSID(100)의 최상부층(100a) 근처에 있을 수 있지만, 비평탄한 금속 퇴적이 생길 수 있도록 접촉되지 않는 것이 바람직하다.
또한, 평탄한 처리가 바람직하다면, 웨이퍼 표면(104)은 최상부층(100a)과 웨이퍼 표면(104)사이에 상대 운동이 형성됨에 따라, 최상부층(100a)과 접촉하게 된다. 화살표(108)로 도시된 용액이 최상부층(100a)을 통하는 채널(116) 및 중간층(100b)의 개방 포어를 통하여 흐르므로, 웨이퍼 표면(104)이 최상부층(100a)과 접촉하게 되면서 웨이퍼(103)가 이동된다. 즉 회전되고 및/또는 가로 방향으로 이동된다. 웨이퍼(103)와 전극 사이에 인가된 전위하에서, 그리고 WSID(100)를 통하여 흐르는 용액의 존재로, 구리와 같은 금속은 웨이퍼 표면과 전극 사이에 인가된 전압의 극성에 따라 웨이퍼 표면(104)에 도금되거나 에칭된다. 최상부층(100a)이 웨이퍼(103)와 접촉하게 됨에 따라, 최상부(100a)는 웨이퍼 표면(104)에 순응하고 균일한 접촉 및 압력을 제공한다.
이전에 설명된 바와 같이, k가 낮은 유전체들은 기계적으로 안정되지 않으며 공정시에 1psi 이상과 같은 높은 압축 힘을 견딜 수 없다. WSID(100)의 압출성으로 인해서, 구리층의 평탄한 퇴적 시에 k가 낮은 이러한 개재층상에 균일한 방식으로 낮은 압력이 가해질 수 있다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(103)는최상부층(100a)과 접촉하게 됨에 따라, 저부층(100c)을 향하여 중간층(100b)을 압축시킴으로써 웨이퍼(103)에 인가된 힘은 제어될 수 있다. 상기 나타낸 바와 같이, 웨이퍼 표면상에 인가된 힘은 "d"가 증가함에 따라 증가된다. 최상부층(100a)의 유연성 및 최상부(100a)를 지지하는 중간층(100b)의 압축성으로 인해, WSID(100)는 전체적으로 그리고 국부적으로 유연하다. 이 구조는 웨이퍼의 앞면과 유연한 최상부면(100a) 사이의 국부적으로 그리고 전체적으로 균일한 그리고 낮은 압력 접촉을 허용한다. WSID(100)와 웨이퍼(103) 사이의 전체적인 그리고 국부적인 접촉 스테이지가 동시에 생길 수 있다.
다시 도 3c를 참조로, 웨이퍼 캐리어(105)가 WSID(100)를 향하여 하강됨에 따라 WSID(100)는 아래쪽으로 이동하는 웨이퍼 캐리어(105)와 함께 맨 먼저 압축된다. 웨이퍼 캐리어(105)는 최상부층(100a)을 휘게 하고 중간층(100b)을 압축시킨다. 이 때에, 최상부(100a) 사이에 순간적인 균일한 전체 접촉이 형성될 수 있다. 그런 후, 중간층(100b)이 그 원래 형상을 다시 회복하려고 함에 따라, 중간층(100b)은 최상부층(100a)을 통하여 웨이퍼(103)에 대해 반대 힘을 가한다. 이들 두개의 반대로 작용하는 힘 사이에 위치됨에 따라, 최상부층(100a)은 이 공정동안 웨이퍼 표면(104)에 순응하거나 국부적으로 접촉한다.
명확히 하기 위해, 상기 설명된 공정들은 2개의 스테이지를 필요로 한다. 웨이퍼 캐리어(105)가 WSID(100)를 향하여 밀림에 따라, 웨이퍼 표면(104)과 최상부층(100a) 사이의 국부적인 접촉이 동일한 방식으로 형성될 수 있음을 이해한다. 또한, 공정의 낮은 압력 실시형태에 관하여, 웨이퍼(103)는 WSID(100)와 접촉하게 됨에 따라, 웨이퍼(103)에 가해진 힘은 WSID(100)가 양 "d"만큼 압축하도록 한다. 웨이퍼 캐리어(105)가 안정되기 때문에, 그것이 WSID(100)상에서 이동, 즉 회전되고 가로방향으로 이동됨에 따라, "d"가 변하지 않는다. "d"가 작으면, WSID(100)에 의하여 웨이퍼 표면상에 가해진 힘 또한 작게 된다. "d"가 증가한다면, 힘은 더욱 더 커지게 된다. 중간층(100b)의 압축강도 및 거리 "d"를 선택함으로써, 웨이퍼는 최상부층(100a)을 민다. 0.01 내지 1psi의 범위내 또는 그 보다 높은 압력의 어떠한 양이라도 균일한 방식으로 웨이퍼 표면에 가해질 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, "d" 값은 1mm 미만인 것이 바람직한데, 그 이유는 "d"가 너무 크고 도 3c에서의 웨이퍼가 가로 방향으로 병진되는 경우, 웨이퍼의 에지가 유연한 층(100a)의 표면에 대하여 이동하여 결과적으로 손상을 유발하기 때문이다. 그러므로, 원하는 압력 또는 웨이퍼 표면상에 가해진 힘에 의해 거리 "d"가 2mm 미만이 되도록 압축가능한 층(100b)에 대한 압축값을 선택하는 것이 바람직하다.
이 예시에서 사용되는 웨이퍼 캐리어(105)가 안정되고 처리시 짐발이 없다. 1999년 12월 27일에 출원된 "Work piece Carrier Head for Plating or Polishing"이라는 제목의 미국특허출원 제 09/472,522호에 개시된 것과 같은 짐발링 헤드 구조체를 사용함으로써, 본 발명은 짐발링상에 웨이퍼를 로딩하고 웨이퍼를 지지하는 척-페이스상에 사전설정된 압력을 가하여 실행될 수 있다. 그 후, 웨이퍼는 WSID(100)를 향하여 하강되고 짐발링 작용이 작용가능하게 될 때까지 최상부층(100a)을 민다. 이 경우, 웨이퍼 표면상의 힘은 웨이퍼 캐리어(105)에 의하여 짐발링 척상으로 인가된 압력에 의하여 결정된다. WSID(100)의 유연한 그리고압축가능한 본성은 웨이퍼 표면과 최상부층(100a)의 표면 사이의 균일한 접촉을 헐겁게(loosing) 하지 않고 0.01 내지 1psi의 범위내의 낮은 압력이 인가되도록 한다.
도 3e는 본 발명에 따른 웨이퍼 캐리어의 또 다른 일례를 예시한다. 웨이퍼 캐리어(605)는 웨이퍼 캐리어(605)가 코일 기구(610)를 포함하는 것을 제외하고는 웨이퍼 캐리어(105)와 유사하다. 상기 코일 기구(610)는 일정한 그리고 원하는 낮은 압력이 웨이퍼에 인가되는 것을 보장한다. 예를 들어, WSID(600)가 보다 견고한 경우, 코일 기구(610)를 갖는 웨이퍼 캐리어(605)는 일정한 그리고 원하는 적은 힘이 웨이퍼에 가해지도록 할 수 있다. 또한, 웨이퍼 캐리어(605)를 사용하면, WSID(600)는 상술된 바와 같이 웨이퍼 표면에 순응한다. 일례로서, WSID(600)(즉, 패드)가 1 내지 2 psi로 평가된다(rated)면, 0.5psi미만으로 평가된 코일 기구(610)는 캐리어 헤드(605)에 전달된 작은 힘도 0.5psi 미만이도록 사용될 수 있다. 코일 기구(600)는 원칙적으로 캐리어헤드(605)가 수직 방향(z-방향)으로 이동하도록 하여야 한다.
도 4는 본 발명에 따른 작업물 표면 영향부여 장치의 또 다른 예시이다. WSID는 상이한 형태 및 형상으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, WSID(150)는 제1압축성층(152) 및 제2압축성층(154)을 포함한다. 압축성층들(152,154)은 개방형 포어 구조체를 갖는 스폰지재료로 만들어질 수 있다. 본 실시예에서, 개구부(155a)를 갖는 강성의 지지층(155)은 상기 제1압축성층(152)과 제2압축성층(154) 사이에 개재된다. 개구부(155a)는 제2압축성층(154)으로부터 제1압축성층(152)으로 전해질 용액이 흐르도록 한다. 지지층(155)은 WSID(150)를 지지하고 웨이퍼가 그에 대해 가압될 때 그것이 균일하게 붕괴되도록 한다. 앞선 실시예에서와 같이, WSID(150)는 제1압축성층(152)의 최상부에 부착되는 유연한 최상부층(156)을 포함한다. 상기 유연한 층(156)은 도금공정동안 웨이퍼를 스위핑한다. 유연한 층(156)의 개구부(158)는 제1압축성층(152)으로부터 웨이퍼쪽으로 전해질이 흐르게 한다. 본 명세서에서는 2개 이상의 압축성층 및 1이상의 지지층이 사용될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 구조체가 점점 두꺼워 질수록, 그것은 점점 더 연질이 된다. 다시 말해, 웨이퍼가 WSID(150)에 대해 정해진 간격 "d"만큼 밀려나면, 주어진 형태의 압축성 층들의 보다 두꺼운 스택들은 웨이퍼 표면상에 보다 낮은 힘을 생성시킨다.
도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 작업물-표면-영향-디바이스의 또 다른 예시를 나타내고 있다. WSID(201)는 압축성층(200)의 최상부면(203)으로부터 저부면(204)으로 연장되는 채널(202)을 갖는 압축성층(200)을 포함한다. 본 실시예에서는 전해질이 채널(202)을 통해 흐를 수 있도록 압축성층(200)이 폐쇄 포어 스폰지 재료로 만들어지는 것이 바람직하나, 개방 포어 스폰지 재료로 만들어질 수도 있다. 유연한 층(206)은 압축성층(202)의 최상부면(203)에 부착되는 한편, 지지판(208)은 저부면(204)에 부착된다. 채널(202)은 유연한 층(206) 및 지지판(208)을 통해 연속되어 있다. 유연한 층(206)은 유연한 고정 연마층을 포함할 수도 있다. 유연한 층(206)의 유연한 속성과 압축성층(200)의 압축성 둘 모두의 조합은 웨이퍼가 WSID(201)와 전체적 및 국부적으로 균일하게 접촉되도록 한다.
작동시, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 캐리어 헤드는 WSID(201)에 대하여 웨이퍼(103)를 하강시킨다. 웨이퍼(103)에 의하여 가해지는 압력은 WSID(201)가 거리 "d"만큼 줄어들도록 한다. 앞선 실시예에서와 같이, "d"가 증가하거나, WSID(201)가 계속해서 압력을 받게되면, 웨이퍼 표면상의 압력이 증가한다. 채널(202)은 웨이퍼 표면상에 균일한 퇴적을 가능하게 하거나 또는 웨이퍼 표면으로부터 확실한 에칭이 이루어지도록 디자인된다. 즉, 앞선 실시예들에서와 같이, 유연한 층(206)은 2이상의 층들의 복합적인 층일 수 있다.
WSID(201)는 상이한 형태 및 형상으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 도 6은 본 발명에 따른 작업물-표면-영향-디바이스의 또 다른 예시를 나타내고 있다. WSID(220)은 제1압축성층(222)과 제2압축성층(224)을 포함한다. 압축성층(222,224)은 폐쇄 포어 구조체를 갖는 스폰지재료로 만들어질 수도 있다. 본 실시예에서, 강성의 지지층(226)은 제1압축성층(222)과 제2압축성층(224) 사이에 개재된다. 유연한 층(228), 바람직하게는 유연한 연마층은 제1압축성층(222)의 최상부에 부착된다. 상기 층들(226,224,222,228)을 통해 형성되는 채널(230)은 전해질 용액이 WSID(220)을 통해 흐르도록 한다. 지지층(226)은 WSID(220)을 지지하며, 웨이퍼가 그것에 대해 지지될 때 상기 WSID(220)이 균일하게 붕괴되도록 한다. 이러한 구조체에는 압축성 재료 및 지지 재료로 이루어진 보다 많은 층들이 사용될 수도 있다.
도 7a 및 7b는 본 발명에 따른 작업물-표면-영향-디바이스의 또 다른 예시를 나타내고 있다. WSID(300)는 상술된 것과 유사한 특징들을 갖는 웨이퍼 캐리어(105)에 의하여 유지되는 작업물 또는 웨이퍼(103)에 근접하여 위치된다. WSID(300)는 최상부막(308) 및 저부막(310)을 포함하는 최상부층(306),중간층(312) 및 저부층(314)을 포함한다. 본 실시예에서, 최상부막(308)과 저부막(310)은 얇고 유연한 재료층으로 만들어진다. 최상부면(315)을 갖는 상부막은 저부막(310)의 최상부면(317)에 부착되고 따라서 중간층(312)의 상부에 부착된다. 상기 중간층(312)은 저부층(314)상에 배치된다.
최상부층(306)의 최상부막(308)은 웨이퍼의 표면을 효과적으로 스위핑하기 위하여 (연마면을 갖는) 유연한 연마막이 바람직하다. 따라서, 상부막(308)은 ECMPR용 스위퍼로서 작용한다. 상부 막(308)은 0.05 내지 5mm, 바람직하게는 0.1 내지 1mm 범위내의 두께를 가질 수 있으며, (예를 들어, Buehler 또는 3M 사로부터 입수가능한) 0.05 내지 0.5 미크론 크기의 연마 입자를 포함하는 래핑 막과 같은 비교적 편평한 표면을 갖는 층 또는 3M에 의해 공급되는 고정식 연마 패드에 채용되는 것과 같은 편평한 최상부를 갖는 작은 직경의 포스트 또는 피라미드형 포스트일 수 있다. 저부막(310)은 Mylar 또는 폴리카보네이트 재료로 만들어질 수 있는 박막일 수 있다. 저부막(310)의 두께는 원하는 유연도에 따라 0.01 내지 2mm일 수 있다. 최상부 막(308)의 유연도 및 그에 따른 부착된 저부막(310)의 유연도는 본 발명의 실행에 있어 중요하다. 일 실시예에서, 상부층(106)은 웨이퍼의 표면이 완전 평면이 아닌 경우라도 상기 웨이퍼 표면에 완전 순응할(conform) 정도로 충분히 유연하다.
중간층(312)은 저부층(314)으로부터 상부층(306)으로 연장되는 개구부 또는 채널(321)을 갖는 압축성층이다. 상기 채널은 처리 용액이 WSID(300)를 통해 흘러 웨이퍼의 표면을 적실 수 있도록 한다. 본 실시예에서, 채널(321)들은압축성층(312)의 섹션(319)들 사이에서 슬릿으로 형성된다. 대안적으로, 상기 압축성층(312)은 상부층(306)과 저부층(314) 사이로 유체가 흐를 수 있게 하는 개방 포어 구조체이다. 저부층(314)은 압축성층(312)과 전체 조립체를 지지하기에 충분한 강성의 지지층이다.
저부막(310)은 다수의 개구부 또는 채널(320)을 포함한다. 본 실시예에서, 채널(320)들은 저부막(310)의 스트립(322)들 사이에 평행한 슬릿으로 형성된다. 저부막(310)의 채널 패턴은 압축성층(314)의 채널패턴과 동일한 것이 바람직하다. 상부막(308)은 상부막(308)의 스트립(326)들 사이에 슬릿으로 형성되는 것이 바람직한 채널(324)들을 포함한다. 상부막(308)의 채널 또는 슬릿(324)들은 저부막(310)의 것들보다 클 수도 있다. 상부막(308)의 스트립(326)들은 크로스해치(crosshatch) 또는 메시 구조로 저부막(310)의 스트립(322)상에 부착된다.
크로스해치 구조는 상부층(306)이 웨이퍼(103)와 접촉하게 될 때 보다 강성의 안정적인 상부층(306)이 되도록 하며 본 명세서에서 설명된 로우 포스 기술의 이용 여부에 관계없이 사용될 수 있다. 다시 말해, 상부막(308)이 저부막(310)의 채널(320)과 실질적으로 교차하는 경우, 이는 보다 강성의 상부층(306)을 제공한다. 그렇지 않고 상부막(308)이 저부막(310)의 채널(320)과 교차하지 않는다면, 상부층(306)을 구성하는 막들이 웨이퍼(103)와 접촉할 때 변형될 수 있다.
크로스해치 구조의 또 다른 장점은, 크로스해치 구조를 갖는 층은 웨이퍼 표면에 걸쳐 용액이 균일하게 분포되도록 하는 것을 돕는다는 점이다. 상기 용액은압축성층(312)을 통해 흘러 저부막(310)의 채널(320)을 채운 다음 상부막(308)의 채널(324)을 채운다. 상기 채널내에서 순간적이고 연속적으로 유지되는 처리용액은 웨이퍼에 대하여 효율적이고도 균일한 용액의 배분이 이루어지도록 한다. 크로스해칭 및 수직방향으로 쌓아올려진 채널 네트워크는 처리용액이 WSID(300)의 표면상에서 제약없이 흐를 수 있게 한다.
도 7c는 본 발명에 따른 작업물-표면-영향-디바이스의 최상부층 구조의 예시를 나타내고 있다. 최상부층(500)은 (도 7d에 도시된) 최상부막(502) 및 (도 7e에 도시된) 저부막(504)을 포함한다. 도 7d 및 7e는, 각각, 도 7c의 최상부층 구조의 최상부막 및 저부막을 나타내고 있다. 특히, 상부막(502)은 경사진 스트라이프(506) 및 직선 스트라이프(508)를 포함한다. 직선 스트라이프(510)는 상부막(502)의 2개의 인접하지 않은 코너(510A,510B)에 모여 있다. 상기 코너(510A,510B)에 직선 스트라이프를 사용함으로써, 이 디자인은 어떠한 스트라이프도, 그것이 측방향으로 움직일 때 사이드방향 맞물림부로부터 웨이퍼 캐리어(105)의 리딩 에지까지 웨이퍼 캐리어(105)에 접해 있는 에지에 접할 수 없도록 한다.
도 8a 내지 8c는 종래 작업물-표면-영향-디바이스를 사용하여 기판상에 형성되는 불균일 층의 예시를 나타내고 있다. 도 8a는 절연층(804)에 형성되는 피처(402)들을 갖는 기판(400)을 예시하고 있다. 기판(400)은 융기된 영역(408)과 후퇴된 영역(410)을 포함하는 비평탄면(406)을 갖는다. 상기 비평탄함은 구리 퇴적 처리단계 이전에 수행되는 비이상적 처리 조건들을 포함하는 다양한 인자들로 인한것이다. 상기 면은 상기 비평탄함을 야기하는 결함을 가질 수도 있다. 또한, 연속적인 처리단계들 동안 작은 결점 또는 미미한 비평탄도가 발전되어 다중층의 퇴적과 연루되고 현저한 비평탄도의 문제를 야기할 수 있다. 또한, 표면(406)은 배선 구조체 중 1이상의 층이 이미 수용된 표면을 나타낼 수 있다. 또한, 비평탄함은 결함이 있는 척 면, o-링, 진공 시스템 또는 기계적인 문제들과 같은, 웨이퍼 캐리어와 관련된 문제들을 초래할 수도 있다. 예를 들어, 기판이 놓여져 있는 척 면에 결함이 있거나, 비평탄을 일으킬 수 있는 결함이 있는 o-링에 기판이 놓여질 수 있다.
다음으로, 도 8b는 ECMD 구리 퇴적동안 비평탄면(406)과 접촉하는 종래 작업물-표면-영향-디바이스(412)를 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 융기된 영역은 상기 장치(412)와 근접할지라도, 상기 후퇴된 영역들이 상기 장치(412)와 접촉할 수는 없기 때문에, 후퇴된 영역(410)과 장치(412) 사이에 갭을 남긴다. 도 7c에 나타낸 바와 같이, 상기 처리가 수행되면, 갭(414)은 구리막(416)이 불균일한 두께를 갖게 한다.
도 8d 및 8e는 본 발명의 작업물-표면-영향-디바이스를 사용하여 기판상에 형성되는 균일한 층의 예시를 나타내고 있다. 도 8d에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 WSID(418)는 처리시에 융기된 영역(408)뿐 아니라 후퇴된 영역(410)과도 순응하기 때문에, 표면(406)과 완전 접촉한다. 도 8e에서는, 이러한 조건들하에서, 균일한 층(420)을 형성하기 위하여 기판의 표면에 걸쳐 구리가 퇴적된다.
또한, 본 발명의 WSID는 도전 작업물 표면에 어떠한 전압도 인가시키지 않고반도체 웨이퍼와 같은 작업물들의 도전 표면을 에칭하는, 즉 화학적으로 에칭하는데 사용될 수도 있다. 상기 에칭처리시에, 작업물표면상에서 WSID에 의하여 인가되는 균일하고 작은 힘은 재료의 균일한 제거와 같은 처리 결과들을 개선시킨다. 에천트 용액은 에칭처리를 수행하는데 채용될 수도 있다. 예시적인 에칭 용액으로는 과산화수소와 같은 산화제 및 황산과 같은 산성에천트를 포함하는 구리용액일 수 있다. 에칭처리시에, 작업물 표면과 WSID의 최상부층 사이에 물리적인 접촉 및 상대운동이 일어나는 동안, 에천트가 WSID의 개구부를 통해 흘러 에칭될 도전 표면과 접촉한다. 결과적으로, 균일한 방식으로 어떠한 포텐셜도 없이 작업물 표면으로부터 재료가 제거될 수 있다. 또한, 작은 힘으로 작업물과 접촉하는 WSID의 상부면은 웨이퍼 표면상의 어떤 결점도 제거할 수 있어 제거의 균일성에 유리하게 기여한다.
여러 바람직한 실시예들이 상세히 상술되었으나, 당업자들이라면 본 발명의 신규한 기술사항들과 장점들로부터 크게 벗어나지 않는, 상기 실시예들의 많은 변형이 가능하다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (42)

  1. 전극과 작업물 표면 사이의 전위차 및 상기 작업물 표면상으로 적용되는 처리용액을 이용하는, 전기화학적 기계적 처리를 이용하여 상기 작업물 표면을 처리하는 동안, 가해지는 작은 힘을 균일하게 배분하는 시스템에 있어서,
    상기 전기화학적 기계적 처리시에 상기 작업물을 제 위치에서 유지시키는 작업물 캐리어; 및
    상기 작업물의 도전 최상부면으로 가해지는 작은 힘을 균일하게 배분하는 작업물-표면-영향-디바이스(WSID)를 포함하고, 상기 WSID의 최상부면과 상기 작업물의 도전 최상부면 사이에 접촉과 상대운동이 일어날 경우 상기 작업물의 도전 최상부면에 상기 WSID의 최상부면을 순응시키도록 되어 있는 압축성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 WSID는,
    상기 최상부면으로서 유연한 최상부층;
    강성의 저부층; 및
    상기 유연한 최상부층과 상기 강성의 저부층 사이에 배치되는 상기 압축성 재료를 포함하는 압축성 중간층을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 작업물 캐리어는 처리시에 상기 작업물을 회전시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 작업물 캐리어는 처리시에 상기 작업물을 측방향으로 이동시키도록 되어 있고, 상기 가해지는 작은 힘은 대략 평방 인치 당 1 파운드보다 작은 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 강성의 저부층, 상기 압축성층 및 상기 유연한 최상부층 각각은 처리용액이 통과할 수 있는 복수의 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 강성의 저부층은 상기 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 압축성 재료는 폼 또는 겔을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 압축성 중간층은 2mm보다 작게 압축되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 WSID는,
    2이상의 압축성층 중 하나가 상기 압축성 재료를 포함하는 상기 2이상의 압축성층;
    상기 2이상의 압축성층들 사이에 배치되는 1이상의 강성 지지층; 및
    상기 유연한 층이 상기 작업물 표면과 접촉하는 하나의 압축성층에 부착되는 유연한 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 강성 지지층은 상기 유연한 층 및 상기 압축성 중간층을 지지하고, 상기 가해지는 작은 힘은 대략 평방 인치 당 1파운드보다 작은 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 강성의 지지층, 상기 2이상의 압축성층 및 상기 유연한 층 각각은 상기 처리용액이 통과할 수 있는 개구부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 처리용액은 전기도금 용액, 폴리싱 용액 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 가해지는 힘은 대략 평방 인치 당 1 파운드보다 작은 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 작업물 캐리어는 코일 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 WSID의 최상부면은 에지 영역을 제외하고 실질적으로 전체 작업물을 커버하는 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 WSID의 상부면은 상기 작업물의 최상부 도전 표면의 표면적보다 실질적으로 작은 표면적을 가지며, 상기 WSID가 상기 작업물의 실질적인 전체 표면에 걸쳐 스위핑할 수 있도록 상기 WSID와 상기 작업물 사이에 상대운동을 일으키는 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 작업물의 최상부 도전 표면으로 가해지는 힘을 균일하게 배분하는 작업물-표면-영향-디바이스(WSID)에 있어서,
    상기 작업물의 최상부 도전 표면과 유연한 층간의 접촉과 상대운동이 일어날 때 상기 작업물의 상기 최상부 도전 표면에 순응하도록 되어 있는 상기 유연한 층;
    상기 유연한 층에 의하여 접촉되는 상기 작업물의 전체 최상부 도전 표면으로 가해지는 힘을 흡수하고, 상기 가해지는 힘에 있어 균일성을 제공하도록 되어 있는 압축성층; 및
    상기 유연한 층, 상기 압축성층 및 상기 강성의 층 각각은 상기 작업물의 최상부 도전 표면으로 가해지는 힘을 균일하게 배분하는 구조를 제공하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 WSID.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 유연한 층은 그 내부에 배치되는 연마제를 포함하는 것을 특징으로 하는 WSID.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 유연한 층은 각각 크로스해치 구조로 배치되는 복수의 채널들을 지니는 상부층 및 하부층을 구비한 복합층을 포함하는 것을 특징으로 하는 WSID.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 압축성층, 상기 유연층 및 상기 강성의 층 각각은 용액이 통과할 수 있도록 하는 개구부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 WSID.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 압축성층의 복수의 개구부는 복수의 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 WSID.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 복수의 채널 중 적어도 일부는 서로 평행한 것을 특징으로 하는 WSID.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 유연한 층은 상기 복수의 채널 중 적어도 일부가 또 다른 복수의 채널 중 적어도 일부와 크로스해치 구조로 교차하는 또 다른 복수의 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 WSID.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 유연한 층은 그 내부에 연마제를 포함하는 최상부막 및 저부막을 포함하고;
    상기 또 다른 복수의 채널은 상기 최상부막에 형성되고;
    상기 복수의 채널은 또한 상기 저부막에 형성되는 것을 특징으로 하는 WSID.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 저부막의 상기 또 다른 복수의 채널 및 상기 압축성층의 상기 또 다른 복수의 채널은 실질적으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제18항에 있어서,
    상기 압축성 재료는 폼 또는 겔을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  27. 제17항에 있어서,
    상기 강성의 층은 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 WSID.
  28. 제17항에 있어서,
    상기 유연한 층은 그 안에 배치되는 연마입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 WSID.
  29. 제17항에 있어서,
    상기 압축성층은 복수의 압축성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 WSID.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 유연한 층은 복수의 유연한 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 WSID.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 강성의 층은 복수의 강성의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 WSID.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 강성의 층은 복수의 강성의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 WSID.
  33. 제17항에 있어서,
    상기 압축성층은 용액이 통과할 수 있는 개방 포어 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 하는 WSID.
  34. 제17항에 있어서,
    상기 압축성층은 평방 인치 당 1 내지 10 파운드의 시험적인 힘이 가해질 때 대략 25% 압축되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 WSID.
  35. 제17항에 있어서,
    상기 압축성층은 2mm보다 작게 압축되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 WSID.
  36. 제24항에 있어서,
    상기 최상부막 및 상기 저부막은 서로 크로스해치 구조로 부착되는 것을 특징으로 하는 WSID.
  37. 작업물의 최상부 도전 표면의 처리시, 작업물 캐리어 및 작업물-표면-영향-디바이스(WSID)를 사용하여 최상부 도전 표면을 갖는 작업물로 가해지는 작은 힘을 균일하게 배분하는 방법에 있어서,
    상기 최상부 도전 표면이 처리될 수 있도록 상기 작업물 캐리어상에서 상기 작업물을 지지하는 단계;
    처리시, 상기 작업물 캐리어 및 상기 WSID가 서로에 관련지어 움직이고, 상기 작업물의 최상부 도전 표면 및 상기 WSID의 최상부 표면이 접촉되도록 하는 단계; 및
    상기 두번째 단계가 진행되고 있는 동안, 상기 WSID의 최상부면이 상기 작업물의 상부 도전 표면에 순응하도록 상기 WSID를 사용하여 상기 작업물의 최상부 도전 표면상에 가해지는 작은 힘을 적용시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 WSID를 통하여 상기 작업물의 표면으로 처리용액을 유동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 처리용액은 전기도금 용액 및 폴리싱용액 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제37항에 있어서,
    상기 가해지는 작은 힘은 2mm보다 작게 상기 WSID를 압축시키는데 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제37항에 있어서,
    상기 가해지는 작은 힘은 대략 평방 인치 당 1파운드보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제37항에 있어서,
    상기 최상부 도전 표면과 전극 사이에 전위차가 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
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