KR20230040238A - 전기 도금 장치 및 전기 도금 방법 - Google Patents

전기 도금 장치 및 전기 도금 방법 Download PDF

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KR20230040238A
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삼성전자주식회사
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25D3/02—Electroplating: Baths therefor from solutions
    • C25D3/38—Electroplating: Baths therefor from solutions of copper

Abstract

전기 도금 장치와 전기 도금 방법이 개시된다. 전기 도금 장치는, 내부에 도금 용액을 수용하며, 멤브레인에 의해 애노드 영역과 캐소드 영역으로 분리되고, 상기 애노드 영역 내에 애노드 전극이 설치된 도금조; 상기 도금조)의 상기 캐소드 영역 내로 침지되도록 웨이퍼를 홀딩하는 콘택 링을 포함하고, 상기 콘택 링을 통해 상기 웨이퍼에 도금 공정이 수행될 때 제1 캐소드 전위가 인가되도록 구성되는 헤드부; 상기 도금조의 상기 캐소드 영역 내에서 상기 멤브레인에 인접하게 배치되며, 상기 웨이퍼에 도금 공정이 수행될 때 제2 캐소드 전위가 인가되고 상기 웨이퍼에 린스 처리가 수행될 때 역 캐소드 전위가 인가되도록 구성되는 역전위 전극; 및 상기 웨이퍼에 도금 공정이 수행될 때 상기 콘택 링에 상기 제1 캐소드 전위를 인가하고 상기 역전위 전극에 상기 제2 캐소드 전위를 인가하고 상기 애노드 전극에 애노드 전위를 인가하도록 구성되며, 상기 웨이퍼에 린스 처리가 수행될 때 상기 역전위 전극에 상기 역 캐소드 전위를 인가하고 상기 애노드 전극에 역 애노드 전위를 인가하도록 구성되는 전원 공급부;를 포함한다.

Description

전기 도금 장치 및 전기 도금 방법{Electroplating apparatus and electroplating method}
본 발명의 기술적 사상은 전기 도금 장치 및 전기 도금 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 웨이퍼 상에 금속막을 형성하기 위한 전기퇴적시킬 수 있는 전기 도금 장치 및 이를 사용한 전기 도금 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 상에 전기 도금 장치에 의해 구리와 같은 금속막을 형성한다. 이 때 금속 이온을 포함하는 도금 용액을 함유하는 도금조 내에 웨이퍼를 침지시키고 전류를 공급하면 도금 용액 내의 금속 이온이 웨이퍼 상에 석출되어 금속막이 형성될 수 있다. 그러나 반도체 장치의 집적화 및 스케일 다운에 의해 미세 사이즈의 3차원 구조를 갖는 금속막의 형성이 요구된다. 이러한 미세 사이즈의 3차원 구조를 갖는 금속막을 우수한 품질로 형성하기 위한 전기 도금 공정의 난이도가 증가하고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 전기 도금 공정에서캐소드 영역과 애노드 영역 사이의 금속 이온 불균형을 보충할 수 있는 전기 도금 장치와 이를 사용한 전기 도금 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 전기 도금 장치는, 내부에 도금 용액을 수용하며, 멤브레인에 의해 애노드 영역과 캐소드 영역으로 분리되고, 상기 애노드 영역 내에 애노드 전극이 설치된 도금조; 상기 도금조)의 상기 캐소드 영역 내로 침지되도록 웨이퍼를 홀딩하는 콘택 링을 포함하고, 상기 콘택 링을 통해 상기 웨이퍼에 도금 공정이 수행될 때 제1 캐소드 전위가 인가되도록 구성되는 헤드부; 상기 도금조의 상기 캐소드 영역 내에서 상기 멤브레인에 인접하게 배치되며, 상기 웨이퍼에 도금 공정이 수행될 때 제2 캐소드 전위가 인가되고 상기 웨이퍼에 린스 처리가 수행될 때 역 캐소드 전위가 인가되도록 구성되는 역전위 전극; 및 상기 웨이퍼에 도금 공정이 수행될 때 상기 콘택 링에 상기 제1 캐소드 전위를 인가하고 상기 역전위 전극에 상기 제2 캐소드 전위를 인가하고 상기 애노드 전극에 애노드 전위를 인가하도록 구성되며, 상기 웨이퍼에 린스 처리가 수행될 때 상기 역전위 전극에 상기 역 캐소드 전위를 인가하고 상기 애노드 전극에 역 애노드 전위를 인가하도록 구성되는 전원 공급부;를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 전기 도금 방법은, 웨이퍼를 전기 도금 처리 유닛으로 이동시키는 단계; 내부에 도금 용액이 수용되고, 멤브레인에 의해 캐소드 영역과 애노드 영역이 분리되며 상기 애노드 영역 내에 애노드 전극이 설치된 도금조 내에 콘택 링과 접촉하도록 장착된 상기 웨이퍼를 침지시키는 단계; 상기 웨이퍼에 도금 모드를 수행하는 단계로서, 상기 도금 모드에서 전원 공급부로부터 상기 콘택 링에 제1 캐소드 전위를 인가하고 상기 애노드 전극에 애노드 전위를 인가하여 상기 웨이퍼 상에 금속막을 형성하는, 도금 모드의 수행 단계; 및 상기 도금조에 보상 모드를 수행하는 단계로서, 상기 도금 모드 이후에 상기 전원 공급부로부터 상기 애노드 전극에 역 애노드 전위를 인가하고, 상기 캐소드 영역 내에 상기 멤브레인에 인접하게 배치된 역전위 전극에 역 캐소드 전위를 인가하여 상기 캐소드 영역과 상기 애노드 영역 사이의 이온 농도 불균형을 보상하는, 보상 모드의 수행 단계를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 전기 도금 방법은, 웨이퍼를 전기 도금 처리 유닛으로 이동시키는 단계; 내부에 도금 용액이 수용되고, 멤브레인에 의해 캐소드 영역과 애노드 영역이 분리되며 상기 애노드 영역 내에 애노드 전극이 설치된 도금조 내에 콘택 링과 접촉하도록 장착된 상기 웨이퍼를 침지시키는 단계; 상기 웨이퍼에 도금 모드를 수행하는 단계로서, 상기 도금 모드에서 전원 공급부로부터 상기 콘택 링에 음의 전위인 제1 캐소드 전위를 인가하고 상기 애노드 전극에 양의 전위인 애노드 전위를 인가하여 상기 웨이퍼 상에 금속막을 형성하는, 도금 모드의 수행 단계; 상기 웨이퍼를 상기 전기 도금 처리 유닛으로부터 린스 처리 유닛으로 이동시키는 단계; 및 상기 도금조에 보상 모드를 수행하는 단계로서, 상기 도금 모드 이후에 상기 전원 공급부로부터 상기 애노드 전극에 음의 전위인 역 애노드 전위를 인가하고, 상기 캐소드 영역 내에 상기 멤브레인에 인접하게 배치된 양의 전위인 역 캐소드 전위를 인가하여 상기 캐소드 영역과 상기 애노드 영역 사이의 이온 농도 불균형을 보상하는, 보상 모드의 수행 단계를 포함하고, 상기 보상 모드의 수행 단계에서, 상기 캐소드 영역의 상기 도금 용액 내에 함유된 수소 이온이 상기 멤브레인을 통과하여 상기 애노드 영역의 상기 도금 용액 내로 이동한다.
예시적인 실시예들에 따르면, 웨이퍼에 도금 공정을 수행한 후 린스 처리가 수행될 때 전기 도금 챔버 내에 설치된 역전위 전극에 의해 역 캐소드 전위가 인가되어 캐소드 영역에 상대적으로 높은 농도로 함유된 수소 이온을 애노드 영역으로 이동시킬 수 있다. 이에 따라 연속적인 도금 공정을 수행하더라도 이온 농도의 불균형이 발생하는 것이 방지될 수 있다. 이러한 연속적인 전기 도금 방법을 사용하여 웨이퍼 상에 미세 사이즈를 갖는 3차원 구조의 금속막을 보이드 없이 바텀-업 필링(bottom-up filling)할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 전기 도금 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 전기 도금 장치의 전기 도금 처리 유닛을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 전기 도금 처리 유닛의 역전위 전극을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 전기 도금 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 5는 도 4의 도금 모드와 보상 모드에서 전기 도금 처리 유닛에 인가되는 전위를 나타낸 타이밍도이다.
도 6은 도 4의 도금 모드에서 전기 도금 처리 유닛에 인가되는 전압을 개략적으로 표현한 단면도이다.
도 7은 도 4의 도금 모드에서 전원 공급부의 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 도 4의 보상 모드에서 전기 도금 처리 유닛에 인가되는 전압을 개략적으로 표현한 단면도이다.
도 9는 도 4의 보상 모드에서 전원 공급부의 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10a는 비교예에 따른 전기 도금 방법에서 도금 공정 횟수에 대한 Cu 이온 농도를 나타내는 그래프이다.
도 10b는 비교예에 따른 전기 도금 방법에서 도금 공정 횟수에 대한 H 이온 농도를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 전기 도금 장치(100)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2는 도 1의 전기 도금 장치(100)의 전기 도금 처리 유닛(120)을 나타내는 단면도이다. 도 3은 도 2의 전기 도금 처리 유닛(120)의 역전위 전극(160)을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 전기 도금 장치(100)는 로딩/언로딩 유닛(110), 전기 도금 처리 유닛(120), 린스 처리 유닛(180), 이동 유닛(190)을 포함할 수 있다.
로딩/언로딩 유닛(110)에는 복수의 웨이퍼들을 포함하는 카세트가 위치할 수 있다. 이동 유닛(190)은 로딩/언로딩 유닛(110)으로부터 개별 웨이퍼를 전기 도금 처리 유닛(120)으로 이동시킬 수 있고, 전기 도금 처리 유닛(120)으로부터 개별 웨이퍼를 린스 처리 유닛(180)으로 이동시킬 수 있고, 린스 처리 유닛(180)으로부터 개별 웨이퍼를 로딩/언로딩 유닛(110)으로 이동시킬 수 있다. 이동 유닛(190)은 예를 들어 이동 트랙(192)을 따라 이동하며 개별 웨이퍼를 운반할 수 있는 로봇 등을 포함할 수 있다.
전기 도금 처리 유닛(120)은 도금조(130), 애노드 전극(140), 헤드부(150), 역전위 전극(reverse potential electrode)(160), 및 전원 공급부(170)를 포함할 수 있다.
전기 도금 처리 유닛(120)는 전기 분해의 원리를 이용하여 웨이퍼(W) 상에 금속 이온을 환원 석출하여 금속막을 형성하는 장치일 수 있다. 전기 도금 처리 유닛(120)는 웨이퍼(W)의 표면 상에 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 등과 같은 금속을 포함하는 도금막을 형성할 수 있다. 웨이퍼(W)는 실리콘 웨이퍼, 저머늄 웨이퍼, 세라믹 웨이퍼 등을 포함할 수 있다.
도금조(130)는 내부에 도금 용액(ES)을 수용할 수 있다. 도금조(130)는 도금 용액(ES)을 수용하는 내부 공간(132S)을 갖는 전기 도금 챔버(132)를 포함할 수 있다. 도금 용액(ES)은 금속 염류의 수용액으로 구성된 전해 용액일 수 있다. 예를 들면, 웨이퍼(W) 상에 구리막을 도금하고자 할 경우, 도금 용액(ES)은 황산구리(CuSO4) 수용액을 포함할 수 있다.
전기 도금 챔버(132)의 내부에 멤브레인(134)이 배치될 수 있다. 멤브레인(134)은 이온 선택적 멤브레인일 수 있다. 멤브레인(134)은 내부 공간(132S)을 캐소드 영역(CR)과 애노드 영역(AR)으로 분리할 수 있다. 멤브레인(134)은 애노드 영역(AR)에서 형성된 입자들이 캐소드 영역(CR)으로 들어가서 웨이퍼(W)가 오염되는 것을 방지하는 한편 애노드 영역(AR)과 캐소드 영역(CR) 사이의 이온들의 통과를 허용할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 멤브레인(134)은 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌(tetrafluroethylene hexafluoropropilene, FEP), 페르플루오로알킬비닐에테르(perfluoroalkyl alkylvinyl-ether, PFA), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ethylene-tetrafluoroethylene, ETFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone, PEEK), 폴리술폰(polyarylsulfone, PSU), 폴리에테르술폰(polyethersulphone, PES), 폴리이미드(polyimide, PI) 또는 폴리벤지이미다졸(polybenzimidazole, PBI) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 예시들에서, 멤브레인(134)은 Nafion®을 포함할 수 있다.
전기 도금 챔버(132)의 하부에는 도금 용액(ES)이 공급되는 공급구(도시 생략)가 형성되고, 전기 도금 챔버(132)의 측벽 상부에는 상기 도금 용액이 오버플로우되어 배출되는 배출부(도시 생략)가 형성될 수 있다. 전기 도금 챔버(132)의 외측면과 도금조(130)의 내부면 사이에는 전기 도금 챔버(132)로부터 오버플로우된 도금 용액(ES)을 회수하기 위한 오버플로우 저장소(도시 생략)가 형성될 수 있다. 도금조(130)의 상기 오버플로우 저장소는 순환 라인(136)을 통해 전기 도금 챔버(132)의 내부 공간(132S)과 연통될 수 있다. 순환 라인(136)에는 펌프(도시 생략)가 설치되어 도금 용액(ES)을 전기 도금 챔버(132) 내로 공급할 수 있다.
전기 도금 챔버(132)의 상기 공급부로부터 내부 공간(132S) 내로 공급된 도금 용액(ES)은 웨이퍼(W)를 향해 상측으로 이동할 수 있고, 전기 도금 챔버(132)의 측벽 상부의 상기 배출부를 통해 오버플로우된 도금 용액(ES)은 필터링된 후 상기 펌프에 의해 재순환될 수 있다. 가열 부재(138)는 순환 라인(136)에 배치될 수 있고, 도금 용액(ES)의 온도를 일정 수준으로 유지할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 전기 도금 챔버(132)에는 pH 측정기(도시 생략)가 더 설치될 수 있고, 상기 pH 측정기가 전기 도금 챔버(132) 내부에 함유된 도금 용액(ES)의 pH를 연속적으로, 또는 주기적으로 모니터하도록 구성될 수 있다.
전기 도금 챔버(132)의 내부에는 애노드 전극(140)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 애노드 전극(140)은 애노드 영역(AR) 내부에 전기 도금 챔버(132)의 바닥부에 인접하게 배치될 수 있다. 애노드 전극(140)은 전기 도금 공정을 통해 전기퇴적하기를 원하는 금속을 포함하는 플레이트일 수 있다. 애노드 전극(140)은 예를 들어 구리(Cu) 플레이트를 포함할 수 있다.
헤드부(150)는 전기 도금 챔버(132)의 측벽 상에 배치되고, 웨이퍼(W)가 도금 용액(ES) 내로 침지되도록 웨이퍼(W)를 홀딩할 수 있다. 헤드부(150)는 도금 공정이 수행될 때 웨이퍼(W)가 도금 용액(ES) 내로 침지될 수 있도록 상하로 이동 가능하다. 예를 들어, 헤드부(150)는 홀더부(152), 콘택 링(154), 지지부(156), 및 로터(158)를 포함할 수 있다. 홀더부(152), 콘택 링(154), 및 지지부(156)가 웨이퍼(W)를 홀딩하며, 웨이퍼(W)가 홀더부(152), 콘택 링(154), 및 지지부(156)와 함께 지지부(156) 및 콘택 링(154)에 연결되는 로터(158)에 의해 회전 이동할 수 있도록 구성될 수 있다.
홀더부(152)는 웨이퍼(W)의 에지 부분과 접촉하는 환형 형상을 가질 수 있고, 웨이퍼(W)의 에지 부분을 홀딩하도록 배치될 수 있다. 콘택 링(154)은 홀더부(152)에 연결되어 웨이퍼(W)의 외주에 배치될 수 있고, 환형 형상을 가질 수 있다. 콘택 링(154)은 도금 공정이 수행될 때 제1 캐소드 전위가 인가될 수 있고, 이에 의해 콘택 링(154)과 전기적으로 연결되는 웨이퍼(W)에 전위를 인가하여 웨이퍼(W) 상의 시드층(도시 생략)이 캐소드 전극으로 기능하도록 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 홀더부(152)와 콘택 링(154)은 일체로 형성될 수 있다.
지지부(156)는 웨이퍼(W)의 후면을 지지하고 웨이퍼(W)의 전면의 에지가 홀더부(152)와 접촉할 수 있도록 상하로 움직일 수 있다. 일부 실시예들에서, 지지부(156) 상에 웨이퍼(W)를 가압하여 클램핑하기 위한 가압 부재(도시 생략)가 더 설치될 수 있고, 예를 들어 상기 가압 부재는 지지부(156) 상에 승하강 가능하도록 설치되어 지지부(156)가 웨이퍼(W)가 밀착되고 웨이퍼(W)가 홀더부(152)에 접촉하도록 지지부(156)를 가압할 수 있다.
역전위 전극(160)은 전기 도금 챔버(132)의 내부 공간(132S) 내에서, 예를 들어 캐소드 영역(CR) 내부에 배치될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 역전위 전극(160)은 전기 도금 챔버(132)의 측벽 상에서 멤브레인(134)에 인접하게 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 역전위 전극(160)은 전기 도금 챔버(132)의 내벽으로부터 소정의 간격으로 이격되도록 배치되는 환형의 원피스(one-piece) 도전 플레이트일 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이, 역전위 전극(160)은 애노드 전극(140)으로부터 웨이퍼(W)를 향한 금속 이온의 이동을 방해하거나 간섭하지 않도록 평면도에서 평면도에서 웨이퍼(W)를 둘러싸며 웨이퍼(W)의 외주 영역(WPE)보다 큰 직경을 갖도록 형성될 수 있다. 도 3에 도시된 것과 같이, 역전위 전극(160)의 내부 측벽(160S1)에 의해 정의되는 공간이 웨이퍼(W)와 수직 오버랩되도록 배치될 수 있다.
다른 실시예들에서, 도 3에 도시된 것과는 달리, 역전위 전극(160)은 전기 도금 챔버(132)의 내벽으로부터 소정의 간격으로 이격되며 서로로부터 이격되어 배치되는 적어도 2개의 도전성 플레이트로 구성될 수 있다.
역전위 전극(160)은 웨이퍼(W)에 도금 공정이 수행될 때 제2 캐소드 전위가 인가되도록 구성될 수 있고, 도금 공정이 완료되고 웨이퍼(W)에 린스 처리가 수행될 때 역 캐소드 전위(reverse cathode potential)가 인가되도록 구성될 수 있다. 역전위 전극(160)에 역 캐소드 전위가 인가되고 애노드 전극(140)에 역 애노드 전위가 인가됨에 의해, 도금 모드가 수행된 후 보상 모드 동안에 캐소드 영역(CR)과 애노드 영역(AR) 사이에 반대 방향의 필드가 인가되어 금속 이온 및 수소 이온의 불균형이 보상될 수 있다.
전원 공급부(170)는 콘택 링(154), 애노드 전극(140), 및 역전위 전극(160)에 전기적 신호를 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전원 공급부(170)는 제1 전원(172), 제2 전원(174), 및 전원 조절부(176)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 전원(172)은 콘택 링(154) 및 애노드 전극(140)에 전기적 신호를 인가하도록 구성될 수 있고, 제2 전원(174)은 역전위 전극(160)에 전기적 신호를 인가하도록 구성될 수 있다. 전원 조절부(176)는 웨이퍼(W)에 도금 공정이 수행되는 도금 모드와 도금 모드를 뒤따르는 보상 모드에서 콘택 링(154), 애노드 전극(140), 및 역전위 전극(160)에 인가되는 전압의 신호를 컨트롤하는 스위칭 기능을 수행할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 역전위 전극(160)에 역 캐소드 전위가 인가되고 애노드 전극(140)에 역 애노드 전위가 인가되도록 구성됨에 따라, 도금 공정이 완료되고 웨이퍼(W)에 린스 처리가 수행되는 보상 모드 동안에 도금 용액(ES) 내에서 멤브레인(134)을 통해 수소 이온(H+)이 이동할 수 있고, 이에 따라 캐소드 영역(CR)과 애노드 영역(AR) 사이의 이온 불균형이 보상될 수 있다. 상기 전기 도금 장치(100)를 사용하여 연속적인 도금 공정에 의해 웨이퍼(W) 상에 우수한 막질을 갖는 금속막이 형성될 수 있다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 전기 도금 방법을 나타내는 플로우 차트이다. 도 5는 도 4의 도금 모드(EPM)와 보상 모드(CPM)에서 전기 도금 처리 유닛에 인가되는 전위를 나타낸 타이밍도이다. 도 6은 도 4의 도금 모드(EPM)에서 전기 도금 처리 유닛에 인가되는 전압을 개략적으로 표현한 단면도이다. 도 7은 도 4의 도금 모드(EPM)에서 전원 공급부의 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 8은 도 4의 보상 모드(CPM)에서 전기 도금 처리 유닛에 인가되는 전압을 개략적으로 표현한 단면도이다. 도 9는 도 4의 보상 모드(CPM)에서 전원 공급부의 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 로딩/언로딩 유닛(110)으로부터 웨이퍼(W)를 전기 도금 처리 유닛(120)에 장착할 수 있다(S210 단계).
예시적인 실시예들에서, 전기 도금 처리 유닛(120) 내부에 멤브레인(134)이 설치되고, 도금 용액(ES)이 공급되어 캐소드 영역(CR)과 애노드 영역(AR)이 물리적으로 분리된 상태에서 웨이퍼(W)가 전기 도금 처리 유닛(120) 내에 장착될 수 있다. 일부 예시들에서, 도금 용액(ES)은 황산구리(CuSO4) 및 황산(H2SO4)의 혼합 용액일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 캐소드 영역(CR) 내의 도금 용액(ES)에는 예를 들어 억제제(suppressing agent), 가속제(accelerating agent), 표면 평활제(leveling agent) 중 적어도 하나를 포함하는 첨가제가 더 공급될 수 있고, 애노드 영역(AR) 내의 도금 용액(ES)에는 상기 첨가제가 공급되지 않을 수 있다. 예를 들어, 멤브레인(134)은 도금 용액(ES)과 도금 용액(ES) 내에 포함되는 이온들(예를 들어, 구리 이온 및 수소 이온)을 통과시킬 수 있는 반면에 도금 용액(ES) 내에 생성될 수 있는 입자들 또는 상기 첨가제(예를 들어 억제제, 가속제, 표면 평활제 중 적어도 하나)를 통과시키지 않는 이온 선택적 멤브레인일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 웨이퍼(W)은 웨이퍼(W) 전면에 형성된 시드층(도시 생략)을 구비할 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼(W)를 장착하는 단계에서, 웨이퍼(W)의 상기 시드층이 홀더부(152)(도 2 참조)와 콘택 링(154)(도 2 참조)에 의해 전원 공급부(170)와 전기적으로 연결되며 웨이퍼(W)의 상기 시드층이 도금 용액(ES) 안에 침지되도록 웨이퍼(W)를 위치시킬 수 있다.
이후 도금 모드(EPM)에서, 콘택 링(154)에 제1 캐소드 전위(VC1)를 인가하고 역전위 전극(160)에 제2 캐소드 전위(VC2)를 인가하고 애노드 전극(140)에 애노드 전위(VA1)를 인가하여 도금 단계를 수행할 수 있다(S220 단계).
상기 도금 모드(EPM)에서, 콘택 링(154)에는 음의 전위인 제1 캐소드 전위(VC1)가 인가되고, 역전위 전극(160)에 음의 전위인 제2 캐소드 전위(VC2)가 인가되고, 애노드 전극(140)에 양의 전위인 애노드 전위(VA1)가 인가될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 전원 공급부(170)는 제1 전원(172), 제2 전원(174), 및 전원 조절부(176)를 포함할 수 있다. 전원 조절부(176)는 제1 전원(172)으로부터 콘택 링(154)에는 음의 전위인 제1 캐소드 전위(VC1)가 인가되고, 애노드 전극(140)에 양의 전위인 애노드 전위(VA1)가 인가되도록 할 수 있고, 제2 전원(174)으로부터 역전위 전극(160)에 음의 전위인 제2 캐소드 전위(VC2)가 인가되도록 할 수 있다. 예를 들어, 제2 캐소드 전위(VC2)는 제1 캐소드 전위(VC1)와 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도금 모드(EPM)에서, 예를 들어 애노드 전극(140)이 구리 플레이트를 포함할 때, 애노드 전극(140)으로부터 도금 용액(ES) 내로 구리 이온(Cu2+)이 용해될 수 있다. 구리 이온(Cu2+)은 애노드 영역(AR)으로부터 멤브레인(134)을 통과하여 캐소드 영역(CR) 내부로 혼입될 수 있고, 웨이퍼(W)를 향해 이동하여 구리 이온(Cu2+)이 웨이퍼(W) 상에서 구리 금속막으로서 석출될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 도금 모드(EPM)는 30초 내지 2분의 제1 기간(t1) 동안 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 도금 모드(EPM)의 상기 제1 기간(t1)은 도금 용액(ES) 내의 구리 이온의 농도, 제1 캐소드 전위(VC1)의 크기, 웨이퍼(W) 상에 형성될 금속막의 두께 등에 따라 달라질 수 있다.
도 4, 도 5, 도 8, 및 도 9를 참조하면, 보상 모드(CPM)에서, 웨이퍼(W)를 린스 처리 유닛(180)(도 1 참조)으로 이동시켜 웨이퍼(W)의 린스 처리를 수행하는 동안 역전위 전극(160)에 역 캐소드 전위(RC1)를 인가하고 애노드 전극(140)에 역 애노드 전위(RA1)를 인가하여 이온 보상 단계를 수행할 수 있다(S230 단계).
예시적인 실시예들에서, 상기 보상 모드(CPM)는 도금 모드(EPM)를 뒤따라 수행될 수 있고, 예를 들어 상기 도금 모드(EPM)가 완료된 후 제2 기간(t2) 동안 수행될 수 있다. 상기 보상 모드(CPM)는 예를 들어 10초 내지 30초의 제2 기간(t2) 동안 수행될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 도금 모드(EPM)는 웨이퍼(W) 상으로의 금속막의 도금 공정 스루풋(throughput) 상승을 위하여 연속적인 도금 공정의 일부분으로서 수행될 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼(W)에 도금 모드(EPM)에서의 도금 공정과, 이를 바로 뒤따르는 린스 모드에서의 린스 처리가 순차적으로 수행될 수 있고, 전기 도금 처리 유닛(120)에서 웨이퍼(W)에 도금 공정이 가해지고, 이후 린스 처리 유닛(180)으로 웨이퍼(W)가 이동되어 린스 처리 공정이 가해질 수 있다.
예를 들어, 상기 보상 모드(CPM)는 웨이퍼(W)에 린스 처리가 수행되는 상기 린스 모드와 동시에 수행될 수 있다. 즉, 상기 도금 모드(EPM)가 완료된 후 웨이퍼(W)가 린스 처리 유닛(180)으로 웨이퍼(W)가 이동되어 린스 처리 공정이 가해지는 동안, 예를 들어 제2 기간(t2) 동안 전기 도금 처리 유닛(120) 내에 상기 보상 모드(CPM)에서 이온 보상 단계가 수행될 수 있다.
도 7에서는 웨이퍼(W)가 전기 도금 처리 유닛(120)으로부터 분리된 상태가 예시적으로 도시되며, 이러한 경우에 웨이퍼(W)는 헤드부(150)에 장착된 상태로 또는 헤드부(150)로부터 분리되어 린스 처리 유닛(180) 내에 배치될 수 있다. 그러나 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니며, 헤드부(150)로부터 웨이퍼(W)가 분리된 상태로 린스 처리 유닛(180) 내에 배치될 수 있고, 헤드부(150)의 일부분, 예를 들어 홀더부(152) 및 콘택 링(154)이 도금 용액(ES) 내에 침지되어 배치될 수도 있다.
상기 보상 모드(CPM)에서, 역전위 전극(160)에 양의 전위인 역 캐소드 전위(RC1)가 인가되고, 애노드 전극(140)에 음의 전위인 역 애노드 전위(RA1)가 인가될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 전원 조절부(176)는 제2 전원(174)으로부터 역전위 전극(160)에 양의 전위인 역 캐소드 전위(RC1)가 인가되고, 제1 전원(172)으로부터 애노드 전극(140)에 음의 전위인 역 애노드 전위(RA1)가 인가되고 콘택 링(154)에 양의 전위인 기준 전위(VI)가 인가되도록 할 수 있다.
보상 모드(CPM)에서, 역전위 전극(160)에 역 캐소드 전위(RC1)가 인가됨에 따라 애노드 영역(AR)과 비교하여 캐소드 영역(CR) 내에 상대적으로 더 높은 농도로 함유된 수소 이온(H+)이 멤브레인(134)을 통과하여 애노드 영역(AR)으로 이동할 수 있다.
전술한 단계들의 수행에 의해 웨이퍼(W) 상에 금속막이 형성될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에서, 상기 도금 모드(EPM)와 상기 보상 모드(CPM)에서 pH 측정기(도시 생략)를 사용하여 캐소드 영역(CR)의 도금 용액(ES)의 pH 또는 애노드 영역(AR)의 도금 용액(ES)의 pH를 연속적으로 측정할 수 있다. 캐소드 영역(CR)의 도금 용액(ES)의 pH가 타겟 pH 범위를 벗어나는 경우, 예를 들어 캐소드 영역(CR)의 도금 용액(ES)의 pH가 타겟 pH 범위보다 큰 값을 갖는 경우 또는 애노드 영역(AR)의 도금 용액(ES)의 pH가 타겟 pH 범위보다 작은 값을 갖는 경우, 상기 보상 모드(CPM)를 추가적으로 수행할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 캐소드 영역(CR)의 도금 용액(ES)의 pH가 타겟 pH 범위를 벗어나는 경우, 예를 들어 캐소드 영역(CR)의 도금 용액(ES)의 pH가 타겟 pH 범위보다 큰 값을 갖는 경우 또는 애노드 영역(AR)의 도금 용액(ES)의 pH가 타겟 pH 범위보다 작은 값을 갖는 경우, 상기 보상 모드(CPM)를 수행하기 위한 제2 기간(t2)을 증가시킬 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 도금 모드(EPM)와 상기 보상 모드(CPM)를 n회 반복적으로 수행한 이후에, 추가 보상 모드를 더 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 도금 모드(EPM)와 상기 보상 모드(CPM)를 10회, 20회, 50회, 100회, 200회, 또는 300회 반복적으로 수행한 이후에, 추가 보상 모드를 수행할 수 있다. 상기 추가 보상 모드는 예를 들어 20초 내지 1분의 제2 기간(t2) 동안 수행될 수 있다.
일반적으로, 웨이퍼(W) 상에 연속적으로 도금 공정을 수행하기 위하여, 제1 기간(t1) 동안 전기 도금 처리 유닛(120) 내에서 도금 모드(EPM)가 수행되고, 이후 상대적으로 짧은 제2 기간(t2) 동안 린스 처리 유닛(180) 내에서 린스 모드가 수행되며, 이후 다른 웨이퍼(W)가 전기 도금 처리 유닛(120) 내로 로딩되어 다른 웨이퍼(W)에 대한 도금 모드(EPM)와 린스 모드가 순차적으로 수행될 수 있다. 이와 같이 도금 공정이 연속적으로 수행됨에 따라, 도 10a 및 도 10b를 참조로 아래에서 설명할 것과 같이, 도금 용액(ES) 내에서 구리 이온(Cu2+)과 수소 이온(H+)의 불균일한 농도 분포가 발생할 수 있다.
예를 들어 수소 이온(H+)이 구리 이온(Cu2+)보다 멤브레인(134)을 통과하여 상대적으로 빠르게 확산할 수 있으므로 애노드 영역(AR)에 상대적으로 낮은 함량의 수소 이온(H+)이 포함되고, 캐소드 영역(CR)에 상대적으로 높은 함량의 수소 이온(H+)이 포함된다. 즉, 도금 공정이 연속적으로 수행됨에 따라 애노드 영역(AR)의 도금 용액(ES)의 pH가 점진적으로 증가하고 캐소드 영역(CR)의 도금 용액(ES)의 pH가 점진적으로 감소할 수 있다. 이와 같이 캐소드 영역(CR)과 애노드 영역(AR) 사이의 이온 불균형에 의한 분극(polarization)이 발생하는 경우, 캐소드 영역(CR) 내에서 웨이퍼(W) 상으로의 구리 이온(Cu2+)의 충분한 공급이 일어나지 않을 수 있고, 상기 도금 공정에 의해 웨이퍼(W) 상에 형성되는 금속막에 원치 않는 보이드(void)가 형성될 수 있다. 또한 이와 같은 이온 불균형에 의해 멤브레인에 금속 입자 석출에 의한 변색이 발생하거나 구리 이온을 보충하기 위한 도금 용액의 추가 공급이 필요하여 공정 비용이 증가하는 문제가 있다.
그러나 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 보상 모드(CPM)에서 역 캐소드 전위(RC1)가 인가되고 애노드 전극(140)에 역 애노드 전위(RA1)가 인가되도록 구성됨에 따라, 도금 공정이 완료되고 웨이퍼(W)에 린스 처리가 수행되는 보상 모드(CPM) 동안에 도금 용액(ES) 내에서 멤브레인(134)을 통해 수소 이온(H+)이 이동할 수 있고, 이에 따라 캐소드 영역(CR)과 애노드 영역(AR) 사이의 이온 불균형이 보상될 수 있다. 이와 같은 연속적인 도금 공정에 의해 웨이퍼(W) 상에 우수한 막질을 갖는 금속막이 형성될 수 있다. 예를 들어, 연속적인 전기 도금 방법을 사용하여 웨이퍼(W) 상에 미세 사이즈를 갖는 3차원 구조의 금속막을 보이드 없이 바텀-업 필링(bottom-up filling)할 수 있다. 또한 멤브레인의 변색 및 도금 용액의 공급을 최소화할 수 있어 공정 비용이 절감될 수 있다.
아래에서는 도 10a 및 도 10b를 참조로 하여 비교예에 따른 전기 도금 방법에서 나타낼 수 있는 이온 불균형에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 10a는 비교예에 따른 전기 도금 방법에서 도금 공정 횟수에 대한 Cu 이온 농도를 나타내는 그래프이고, 도 10b는 비교예에 따른 전기 도금 방법에서 도금 공정 횟수에 대한 H 이온 농도를 나타내는 그래프이다.
특히, 비교예에 따른 전기 도금 방법에 의해 도금 모드만을 7회 연속적으로 수행하였으며, 캐소드 영역(CR)과 애노드 영역(AR)에서의 구리 이온 농도와 수소 이온 농도를 연속적으로 모니터하였다.
도 10a을 참조하면, 도금 공정을 연속적으로 수행할 때 캐소드 영역(CR)에서 구리 이온의 농도가 감소한 반면 애노드 영역(AR)에서 구리 이온의 농도가 점진적으로 증가되는 것을 확인할 수 있다. 이는 애노드 전극으로부터 구리 이온이 계속 용해됨에도 불구하고 멤브레인을 통과하여 캐소드 영역(CR)으로 충분히 공급되지 못하기 때문인 것으로 추측할 수 있다.
도 10b를 참조하면, 도금 공정을 연속적으로 수행할 때 캐소드 영역(CR)에서 수소 이온의 농도가 증가한 반면 애노드 영역(AR)에서 수소 이온의 농도가 상대적으로 급격히 감소하여 낮은 레벨에서 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이는 애노드 영역(AR)으로부터 캐소드 영역(CR)으로 수소 이온이 상대적으로 빨리 이동하기 때문에 애노드 영역(AR)과 캐소드 영역(CR) 사이의 수소 이온 불균형이 유발되기 때문인 것으로 추측할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 전기 도금 장치 110: 로딩/언로딩 유닛
120: 전기 도금 처리 유닛 130: 도금조
140: 애노드 전극 150: 헤드부
154: 콘택 링 160: 역전위 전극
170: 전원 공급부 180: 린스 처리 유닛
190: 이동 유닛

Claims (10)

  1. 내부에 도금 용액(ES)을 수용하며, 멤브레인(134)에 의해 애노드 영역(AR)과 캐소드 영역(CR)으로 분리되고, 상기 애노드 영역(AR) 내에 애노드 전극(140)이 설치된 도금조(130);
    상기 도금조(130)의 상기 캐소드 영역(CR) 내로 침지되도록 웨이퍼(W)를 홀딩하는 콘택 링(154)을 포함하고, 상기 콘택 링(154)을 통해 상기 웨이퍼(W)에 도금 공정이 수행될 때 제1 캐소드 전위(VC1)가 인가되도록 구성되는 헤드부(150);
    상기 도금조(130)의 상기 캐소드 영역(CR) 내에서 상기 멤브레인(134)에 인접하게 배치되며, 상기 웨이퍼(W)에 도금 공정이 수행될 때 제2 캐소드 전위(VC2)가 인가되고 상기 웨이퍼(W)에 린스 처리가 수행될 때 역 캐소드 전위(RV1)가 인가되도록 구성되는 역전위 전극(160); 및
    상기 웨이퍼(W)에 도금 공정이 수행될 때 상기 콘택 링(154)에 상기 제1 캐소드 전위(VC1)를 인가하고 상기 역전위 전극(160)에 상기 제2 캐소드 전위(VC2)를 인가하고 상기 애노드 전극(140)에 애노드 전위(VA1)를 인가하도록 구성되며, 상기 웨이퍼(W)에 린스 처리가 수행될 때 상기 역전위 전극(160)에 상기 역 캐소드 전위(RC1)를 인가하고 상기 애노드 전극(140)에 역 애노드 전위(RA1)를 인가하도록 구성되는 전원 공급부;를 포함하는 전기 도금 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 멤브레인은 이온 선택적 멤브레인인 것을 특징으로 하는 전기 도금 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 역전위 전극은 환형 형상을 가지며 상기 도금조의 내벽으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 도금 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    평면도에서 상기 역전위 전극이 상기 웨이퍼를 둘러싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 도금 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급부는 제1 전원, 제2 전원, 및 전원 조절부를 포함하고,
    상기 웨이퍼에 도금 공정이 수행될 때, 상기 전원 공급부는,
    상기 제1 전원으로부터 상기 콘택 링에 상기 제1 캐소드 전위가 인가되고
    상기 제1 전원으로부터 상기 애노드 전극에 상기 애노드 전위가 인가되고
    상기 제2 전원으로부터 상기 역전위 전극에 상기 제2 캐소드 전위가 인가되도록 구성되고,
    상기 웨이퍼에 린스 처리가 수행될 때, 상기 전원 공급부는,
    상기 제1 전원으로부터 상기 애노드 전극에 상기 역 애노드 전위가 인가되고
    상기 제2 전원으로부터 상기 역전위 전극에 상기 역 캐소드 전위가 인가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 도금 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 캐소드 전위, 상기 제2 캐소드 전위는 음의 전위이고, 상기 애노드 전위는 양의 전위이며,
    상기 역 애노드 전위는 음의 전위이고 상기 역 캐소드 전위는 양의 전위인 것을 특징으로 하는 전기 도금 장치.
  7. 웨이퍼를 전기 도금 처리 유닛으로 이동시키는 단계;
    내부에 도금 용액이 수용되고, 멤브레인에 의해 캐소드 영역과 애노드 영역이 분리되며 상기 애노드 영역 내에 애노드 전극이 설치된 도금조 내에 콘택 링과 접촉하도록 장착된 상기 웨이퍼를 침지시키는 단계;
    상기 웨이퍼에 도금 모드를 수행하는 단계로서, 상기 도금 모드에서 전원 공급부로부터 상기 콘택 링에 제1 캐소드 전위를 인가하고 상기 애노드 전극에 애노드 전위를 인가하여 상기 웨이퍼 상에 금속막을 형성하는, 도금 모드의 수행 단계; 및
    상기 도금조에 보상 모드를 수행하는 단계로서, 상기 도금 모드 이후에 상기 전원 공급부로부터 상기 애노드 전극에 역 애노드 전위를 인가하고, 상기 캐소드 영역 내에 상기 멤브레인에 인접하게 배치된 역전위 전극에 역 캐소드 전위를 인가하여 상기 캐소드 영역과 상기 애노드 영역 사이의 이온 농도 불균형을 보상하는, 보상 모드의 수행 단계를 포함하는 전기 도금 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 도금 모드의 수행 단계 이후에 및 상기 보상 모드의 수행 단계 이전에,
    상기 웨이퍼를 상기 전기 도금 처리 유닛으로부터 린스 처리 유닛으로 이동시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 보상 모드의 수행 단계에서, 상기 웨이퍼에 린스 처리가 가해지는 것을 특징으로 하는 전기 도금 방법.
  9. 웨이퍼를 전기 도금 처리 유닛으로 이동시키는 단계;
    내부에 도금 용액이 수용되고, 멤브레인에 의해 캐소드 영역과 애노드 영역이 분리되며 상기 애노드 영역 내에 애노드 전극이 설치된 도금조 내에 콘택 링과 접촉하도록 장착된 상기 웨이퍼를 침지시키는 단계;
    상기 웨이퍼에 도금 모드를 수행하는 단계로서, 상기 도금 모드에서 전원 공급부로부터 상기 콘택 링에 음의 전위인 제1 캐소드 전위를 인가하고 상기 애노드 전극에 양의 전위인 애노드 전위를 인가하여 상기 웨이퍼 상에 금속막을 형성하는, 도금 모드의 수행 단계;
    상기 웨이퍼를 상기 전기 도금 처리 유닛으로부터 린스 처리 유닛으로 이동시키는 단계; 및
    상기 도금조에 보상 모드를 수행하는 단계로서, 상기 도금 모드 이후에 상기 전원 공급부로부터 상기 애노드 전극에 음의 전위인 역 애노드 전위를 인가하고, 상기 캐소드 영역 내에 상기 멤브레인에 인접하게 배치된 양의 전위인 역 캐소드 전위를 인가하여 상기 캐소드 영역과 상기 애노드 영역 사이의 이온 농도 불균형을 보상하는, 보상 모드의 수행 단계를 포함하고,
    상기 보상 모드의 수행 단계에서, 상기 캐소드 영역의 상기 도금 용액 내에 함유된 수소 이온이 상기 멤브레인을 통과하여 상기 애노드 영역의 상기 도금 용액 내로 이동하는 것을 특징으로 하는 전기 도금 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전원 공급부는 제1 전원, 제2 전원, 및 전원 조절부를 포함하고,
    상기 도금 모드의 수행 단계에서,
    상기 제1 전원으로부터 상기 콘택 링에 상기 제1 캐소드 전위가 인가되고,
    상기 제1 전원으로부터 상기 애노드 전극에 상기 애노드 전위가 인가되고,
    상기 제2 전원으로부터 상기 역전위 전극에 상기 제2 캐소드 전위가 인가되고,
    상기 보상 모드의 수행 단계에서,
    상기 제1 전원으로부터 상기 애노드 전극에 상기 역 애노드 전위가 인가되고,
    상기 제2 전원으로부터 상기 역전위 전극에 상기 역 캐소드 전위가 인가되도록 구성되는 특징으로 하는 전기 도금 방법.
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