DE69929967T2

DE69929967T2 - Elektroplattierungssystem und verfahren zur elektroplattierung auf substraten

Info

Publication number: DE69929967T2
Application number: DE69929967T
Authority: DE
Inventors: Uziel Shaker Heights LANDAU
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1998-04-21
Filing date: 1999-04-21
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2019-04-22
Also published as: KR20010014062A; JP2002506488A; KR100616198B1; DE69929967D1; WO1999054527A2; EP0991795B1; EP0991795A1; US6261433B1; WO1999054527A3; USRE40218E1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Abscheidung einer Metallschicht auf einem Substrat. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Elektroplattieren einer Metallschicht auf ein Substrat.
Hintergrund des Standes der Technik
Eine Submikrometer-Mehrebenen-Metallisierung ist eine der Schlüsseltechnologien für die nächste Generation der Ultragroßintegration (ULSI). Die Mehrebenen-Verbindungen, die das Wesentliche dieser Technologie ausmachen, erfordern die Planarisierung von Verbindungsstrukturen, die in Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis ausgebildet werden, einschließlich Kontakten, Kontaktlöchern, Leitungen und anderer Strukturen. Die zuverlässige Ausbildung dieser Verbindungsstrukturen ist für den Erfolg der ULSI und für den fortgesetzten Versuch, die Schaltungsdichte und Qualität an einzelnen Substraten und Chips zu steigern, sehr wichtig.
Da die Schaltungsdichten zunehmen, nehmen die Breiten von Kontaktlöchern, Kontakten und anderen Strukturen, sowie der dielektrischen Materialien zwischen ihnen auf Submikrometer-Abmessungen ab, wohingegen die Dicke der dielektrischen Schichten im Wesentlichen konstant bleibt, mit dem Ergebnis, dass die Seitenverhältnisse für die Strukturen, d.h. ihre Höhe, dividiert durch die Breite, zunimmt. Viele herkömmliche Abscheidungsprozesse zeigen Schwierigkeiten beim Füllen von Submikrometer-Strukturen, bei denen das Seitenverhältnis 2:1 übersteigt, und insbesondere, wenn es 4:1 übersteigt. Daher werden fortlaufend große Anstrengungen unternommen, die sich auf die Ausbildung von hohlraumfreien Submikrometer-Strukturen mit hohen Seitenverhältnissen richten.
Elementares Aluminium (Al) und seine Legierungen waren herkömmliche Metalle, die zum Ausbilden von Leitungen und Steckern aufgrund des niedrigen spezifischen elektrischen Widerstandes von Aluminium, seiner überlegenen Haftung an Siliziumdioxid (SiO₂), seiner leichten Strukturierung und der Fähigkeit, es in einer hochreinen Form zu erhalten, in der Halbleiterbearbeitung verwendet wurden. Aluminium weist jedoch einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand auf als andere, besser leitende Metalle, wie z.B. Kupfer und Silber, und Aluminium kann auch unter Elektromigrationsphänomenen leiden. Die Elektromigration wird als Bewegung von Atomen eines Metallleiters als Reaktion auf den Durchgang einer hohen Stromdichte durch diesen betrachtet und es handelt sich um ein Phänomen, das in einer Metallschaltung auftritt, während die Schaltung in Betrieb ist, im Gegensatz zu einem Ausfall, der während der Fertigung auftritt. Die Elektromigration kann zur Bildung von Hohlräumen im Leiter führen. Ein Hohlraum kann auf eine Größe zunehmen und/oder anwachsen, bei der der unmittelbare Querschnitt des Leiters unzureichend ist, um für die Menge an Strom, die durch den Leiter fließt, geeignet zu sein, und kann auch zu einem Leerlauf führen. Die Fläche des Leiters, die zum Leiten von Wärme entlang desselben zur Verfügung steht, nimmt ebenso dort ab, wo sich der Hohlraum bildet, was das Risiko für einen Leiterausfall erhöht. Dieses Problem wird manchmal durch Dotieren von Aluminium mit Kupfer und mit einer engen Textur- oder Kristallstruktursteuerung des Materials beseitigt. Die Elektromigration in Aluminium wird jedoch immer problematischer, wenn die Stromdichte zunimmt.
Kupfer und seine Legierungen weisen einen niedrigeren spezifischen Widerstand als Aluminium und eine höheren Elektromigrationswiderstand im Vergleich zu Aluminium auf. Diese Eigenschaften sind zum Unterstützen der höheren Stromdichten, die auf hohen Integrationsniveaus erwartet werden, und einer erhöhten Bauelementgeschwindigkeit wichtig. Kupfer weist auch eine gute Wärmeleitfähigkeit auf und steht in einem hochreinen Zustand zur Verfügung. Daher wird Kupfer zu einem auserlesenen Metall zum Füllen von Submikrometer-Verbindungsstrukturen mit hohem Seitenverhältnis auf Halbleitersubstraten.
Obwohl die Verwendung von Kupfer für die Halbleiterbauelementfertigung erwünscht ist, sind die Wahlmöglichkeiten für Fertigungsverfahren zum Abscheiden von Kupfer in Strukturen mit hohem Seitenverhältnis begrenzt. Präkursoren für die CVD-Abscheidung von Kupfer sind schlecht entwickelt und beinhalten eine komplexe und kostspielige Chemie. Die physikalische Gasphasenabscheidung in solche Strukturen erzeugt unzufriedenstellende Ergebnisse aufgrund von Begrenzungen der "Stufenüberdeckung" und Hohlräume, die in den Strukturen gebildet werden.
Infolge dieser Prozessbegrenzungen tritt die Elektroplattierung, die vorher auf die Fertigung von Strukturen auf Leiterplatten begrenzt war, gerade jetzt als Verfahren auf, um Kontaktlöcher und Kontakte auf Halbleiterbauelementen zu füllen. 1A–1E stellen ein Metallisierungsverfahren zum Ausbilden einer Doppeldamaszierungsverbindung in einer dielektrischen Schicht mit Doppeldamaszierungskontaktloch- und Leitungsdefinitionen dar, wobei das Kontaktloch einen Boden aufweist, der eine darunterliegende Schicht freilegt. Obwohl eine Doppeldamaszierungsstruktur dargestellt ist, kann dieses Verfahren auch auf die Metallisierung von anderen Verbindungsstrukturen angewendet werden. Das Verfahren umfasst im Allgemeinen die physikalische Gasphasenabscheidung einer Sperrschicht über den Strukturoberflächen, die physikalische Gasphasenabscheidung einer leitenden Metallkeimschicht, vorzugsweise Kupfer, über der Sperrschicht und dann Elektroplattieren mit einem leitenden Metall über der Keimschicht, um die Struktur/das Strukturelement zu füllen. Schließlich werden die abgeschiedenen Schichten und die dielektrischen Schichten planarisiert, wie z.B. durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP), um eine leitende Verbindungsstruktur festzulegen.
Mit Bezug auf die 1A bis 1E ist ein Querschnittsdiagramm einer geschichteten Struktur 10 mit einer dielektrischen Schicht 16, die über einer darunterliegenden Schicht 14 ausgebildet ist, die elektrisch leitende Strukturen 15 enthält, gezeigt. Die darunterliegende Schicht 14 kann die Form eines dotierten Siliziumsubstrats annehmen oder sie kann eine erste oder nachfolgende leitende Schicht, die auf einem Substrat ausgebildet ist, sein. Die dielektrische Schicht 16 wird über der darunterliegenden Schicht 14 gemäß Verfahren ausgebildet, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, wie z.B. dielektrische CVD, um einen Teil der gesamten integrierten Schaltung auszubilden. Sobald sie abgeschieden ist, wird die dielektrische Schicht 16 strukturiert und geätzt, um eine Doppeldamaszierungskontaktloch- und Leitungsdefinition auszubilden, wobei das Kontaktloch einen Boden 30 aufweist, der einen kleinen Teil der leitenden Struktur 15 freilegt. Das Ätzen der dielektrischen Schicht 16 kann mit verschiedenen im Allgemeinen bekannten dielektrischen Ätzprozessen, einschließlich Plasmaätzen, durchgeführt werden.
Mit Bezug auf 1A ist ein Querschnittsdiagramm einer Doppeldamaszierungskontaktloch- und Leitungsdefinition, die in der dielektrischen Schicht 16 ausgebildet sind, gezeigt. Die Kontaktloch- und Leitungsdefinition erleichtert die Abscheidung einer leitenden Verbindung, die eine elektrische Verbindung mit der darunterliegenden leitenden Struktur 15 vorsieht. Die Definition stellt Kontaktlöcher 32 mit Kontaktlochwänden 34 und einem Boden 30, der zumindest einen Teil der leitenden Struktur 15 freilegt, und Gräben 17 mit Grabenwänden 38 bereit.
Mit Bezug auf 1B wird eine Sperrschicht 20 aus Tantal oder Tantalnitrid (TaN) auf der Kontaktloch- und Leitungsdefinition unter Verwendung von reaktiver physikalischer Gasphasenabscheidung, d.h. durch Sputtern eines Tantaltargets in einem Stickstoff/Argon-Plasma, derart abgeschieden, dass die Öffnung 18 im Kontaktloch 32 verbleibt. Wenn das Seitenverhältnis der Öffnung bei einem Kontaktloch mit Submikrometerbreite hoch ist (z.B. 4:1 oder höher), wird das Ta/TaN in einer Plasmaumgebung mit hoher Dichte abgeschieden, wobei die gesputterte Abscheidung des Ta/TaN ionisiert wird und durch eine negative Vorspannung am Substrat senkrecht zum Substrat gezogen wird. Die Sperrschicht wird vorzugsweise aus Tantal oder Tantalnitrid ausgebildet, andere Sperrschichten wie z.B. Titan, Titannitrid und Kombinationen davon können jedoch auch verwendet werden. Der verwendete Prozess kann PVD, CVD oder kombinierte CVD/PVD für die Textur- und Filmeigenschaftsverbesserung sein. Die Sperrschicht begrenzt die Diffusion von Kupfer in das Halbleitersubstrat und die dielektrische Schicht und erhöht dadurch drastisch die Zuverlässigkeit der Verbindung. Es ist bevorzugt, dass die Sperrschicht eine Dicke zwischen etwa 25 Å und etwa 400 Å, am besten von etwa 100 Å aufweist.
Mit Bezug auf 1C wird eine PVD-Kupferkeimschicht 21 über der Sperrschicht 20 abgeschieden. Andere Metalle, insbesondere Edelmetalle, können auch für die Keimschicht verwendet werden. Die PVD-Kupferkeimschicht 21 sieht eine gute Haftung für anschließend abgeschiedene Metallschichten sowie eine konforme Schicht für ein gleichmäßiges Wachstum des Kupfers über dieser vor.
Mit Bezug auf 1D wird eine Kupferschicht 22 über die PVD-Kupferkeimschicht 21 elektroplattiert, um das Kontaktloch 32 mit einem Kupferstecker 19 vollständig zu füllen.
Mit Bezug auf 1E wird der obere Teil der Struktur 10, d.h. das freiliegende Kupfer, dann vorzugsweise durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) planarisiert. Während des Planarisierungsprozesses werden Teile der Kupferschicht 22, der Kupferkeimschicht 21, der Sperrschicht 20 und der dielektrischen Schicht 16 von der oberen Oberfläche der Struktur entfernt, wobei eine vollständig planare Oberfläche mit einer leitenden Verbindung 39 belassen wird.
Metallelektroplattieren im Allgemeinen stellt eine gut bekannte Technik dar und kann durch eine Vielfalt von Verfahren ausgeführt werden. Übliche Konstruktionen von Zellen zum Elektroplattieren eines Metalls auf Substrate auf Waferbasis beinhalten eine Quellen- bzw. Tauchanordnung. Das Substrat wird mit der Plattierungsoberfläche in einem festen Abstand über einem zylindrischen Elektrolytbehälter positioniert und der Elektrolyt trifft senkrecht auf die Substratplattierungsoberfläche auf. Das Substrat ist die Kathode des Plattierungssystems, so dass sich Ionen in der Plattierungslösung auf der leitenden freiliegenden Oberfläche des Substrats und den Mikrostellen auf dem Substrat abscheiden. Eine Anzahl von Hindernissen beeinträchtigen jedoch eine konsistente zuverlässige Elektroplattierung von Kupfer auf Substraten mit Strukturen mit Submikrometer-Maßstab und mit hohem Seitenverhältnis. Im Allgemeinen beinhalten diese Hindernisse eine Schwierigkeit bei der Bereitstellung einer gleichmäßigen Stromdichteverteilung über der Substratplattierungsoberfläche, die erforderlich ist, um eine Metallschicht mit gleichmäßiger Dicke auszubilden. Ein Haupthindernis besteht darin, wie ein Strom zum Substrat zu bringen ist und wie sicherzustellen ist, dass der Strom gleichmäßig auf diesem verteilt wird.
Ein aktuelles Verfahren zum Liefern von Leistung zur Plattierungsoberfläche verwendet Kontakte (z.B. Anschlussstifte, "Zinken" oder Federn), die die Substratkeimschicht kontaktieren. Die Kontakte berühren die Keimschicht so nahe wie praktisch möglich an der Kante des Substrats, um die verschwendete Fläche auf dem Wafer aufgrund der Anwesenheit der Kontakte zu minimieren. Die "ausgeschlossene" Fläche kann nicht mehr verwendet werden, um letztlich Bauelemente auf dem Substrat auszubilden. Der Kontaktwiderstand der Kontakte mit der Keimschicht kann jedoch von Kontakt zu Kontakt variieren, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung von Stromdichten über das Substrat führt. Der Kontaktwiderstand am Kontakt mit der Keimschichtgrenzfläche kann auch von Substrat zu Substrat variieren, was zu einer inkonsistenten Plattierungsverteilung zwischen verschiedenen Substraten unter Verwendung derselben Anlage führt. Ferner ist die Plattierungsrate aufgrund des spezifischen Widerstandes der dünnen Keimschicht, die auf dem Substrat abgeschieden wurde, nahe dem Bereich der Kontakte gewöhnlich höher und in Bereichen, die von den Kontakten entfernt sind, niedriger. Ein Randeffekt des elektrischen Feldes tritt auch an der Kante des Substrats aufgrund des stark lokalisierten elektrischen Feldes auf, das an der Kante des plattierten Bereichs gebildet wird, was eine höhere Abscheidungsrate nahe der Kante des Substrats verursacht.
Ein Widerstandssubstrateffekt ist gewöhnlich während der Anfangsphase des Elektroplattierungsprozesses ausgeprägt und verringert die Abscheidungsgleichmäßigkeit, da die Keimschicht und die elektroplattierten Schichten auf der Substratabscheidungsoberfläche typischerweise dünn sind. Die Metallplattierung konzentriert sich gewöhnlich nahe den Stromzuführungskontakten, d.h. die Plattierungsrate ist benachbart zu den Kontakten am größten, da die Stromdichte über dem Substrat mit zunehmendem Abstand von den Stromzuführungskontakten aufgrund von unzureichendem leitenden Material auf der Keimschicht zum Vorsehen einer gleichmäßigen Stromdichte über die Substratplattierungsoberfläche abnimmt. Wenn die Abscheidungsfilmschicht aufgrund der Plattierung dicker wird, vermindert sich der Widerstandssubstrateffekt, da eine ausreichende Dicke an abgeschiedenem Material über der Substratplattierungsoberfläche verfügbar wird, um gleichmäßige Stromdichten über das Substrat bereitzustellen. Es ist erwünscht, den Widerstandssubstrateffekt während der Elektroplattierung zu verringern.
Herkömmliche Entwürfe von Tauchplattierungsvorrichtungen sehen auch eine ungleichmäßige Strömung des Elektrolyten über die Substratplattierungsoberfläche vor, was die Effekte der ungleichmäßigen Stromverteilung auf der Plattierungsoberfläche durch Bereitstellen einer ungleichmäßigen Nachfüllung mit Plattierungsionen und, wenn anwendbar, Plattierungsadditiven über das Substrat verschlimmert, was zu einer ungleichmäßigen Plattierung führt. Die Elektrolytströmungsungleichmäßigkeit über das Substrat kann durch Drehen des Substrats mit einer hohen Rate während des Plattierungsprozesses verbessert werden. Eine solche Drehung führt Komplexität in die Plattierungszellenkonstruktion aufgrund des Bedarfs ein, einen Strom über die Grenzfläche zu liefern und diese zu drehen. Die Plattierungsgleichmäßigkeit verschlechtert sich jedoch immer noch an den Grenzen oder Kanten des Substrats aufgrund der Randeffekte des elektrischen Feldes nahe der Kante des Substrats, des Keimschichtwiderstandes und des potentiell variablen Kontaktwiderstandes.
Es besteht auch ein Problem beim Aufrechterhalten einer Elektroplattierungslösung für das System mit konsistenten Eigenschaften über die Dauer eines Plattierungszyklus und/oder über einen Durchlauf von mehreren zu plattierenden Wafern. Herkömmliche Entwürfe von Tauchplattierungsvorrichtungen erfordern im Allgemeinen ein kontinuierliches Nachfüllen des abgeschiedenen Metalls in den Elektrolyten. Das Metallelektrolyten-Nachfüllschema ist schwierig zu steuern und verursacht eine Ansammlung von Coionen im Elektrolyten, was zu schwierig zu steuernden Schwankungen der Ionenkonzentration im Elektrolyten führt. Folglich erzeugt der Elektroplattierungsprozess inkonsistente Ergebnisse aufgrund der inkonsistenten Ionenkonzentration im Elektrolyten.
Außerdem kann der Betrieb einer Plattierungszelle, die eine nicht selbst-verzehrende Anode beinhaltet, mit Blasen verbundene Probleme verursachen, da sich Sauerstoff während des Elektroplattierungsprozesses an der Anode entwickelt. Mit Blasen verbundene Probleme umfassen Plattierungsfehler, die durch Blasen verursacht werden, die die Substratplattierungsoberfläche erreichen und einen angemessenen Elektrolytkontakt mit der Plattierungsoberfläche verhindern. Es ist erwünscht, die Blasenbildung aus dem System zu beseitigen oder zu verringern und gebildete Blasen aus dem System zu entfernen.
WO 97/12079 A1 offenbart eine Vorrichtung zur elektrochemischen Abscheidung eines Metalls auf einem Substrat. Die Vorrichtung umfasst einen Elektrolytbehälter, in dem eine Maschenanodenelektrode angeordnet ist. Eine Elektrolytlösung wird durch einen Bodeneinlass eingegeben, durch die Anodenelektrode geleitet und auf die Substratoberfläche gerichtet, die die obere Abdeckung des Elektrolytbehälters bildet. Das Substrat steht mit einer Kathode in elektrischem Kontakt und die Elektrolytlösung mit den Metallionen wird von außerhalb des Elektrolytbehälters über einen Bodeneinlass geliefert.
US 4 428 815 offenbart einen Vakuumsubstrathalter.
Bei der Elektroplattierungsanordnung von US 4 435 266 ist eine Anodentasche, die Anodenmaterial enthält, parallel zu einer Kathode angeordnet, um zu plattierende Teilchen zu halten. Ein Filtersieb ist zwischen der Anodentasche und der Kathode angeordnet und frischer Elektrolyt strömt von einem Behälter durch ein Rohr in einen Spalt zwischen der Kathode und dem Filtersieb.
Gemäß der Zusammenfassung von JP 63-118093 A wird ein Verdünnungsprozess mit einer ersten Periode T1 mit normalem elektrischen Strom zwischen der Anode und Kathode zum Verdünnen und einer zweiten Periode T2 mit einem umgekehrten elektrischen Strom durchgeführt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine zuverlässige, konsistente Metallelektroplattierungsvorrichtung und ein Metallelektroplattierungsverfahren bereitzustellen, um gleichmäßige Metallschichten mit hoher Qualität auf Substraten abzuscheiden, um Submikrometer-Strukturen auszubilden.
Eine Vorrichtung und alternative Verfahren der Erfindung sind in den Ansprüchen 1, 27 bzw. 28 definiert.
Spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzielen einer zuverlässigen, konsistenten Metallelektroplattierung oder elektrochemischen Abscheidung auf Substraten bereit. Insbesondere stellt die Erfindung eine gleichmäßige und hohlraumfreie Abscheidung von Metall auf Substraten mit Submikrometer-Strukturen, die auf diesen ausgebildet sind, und einer Metallkeimschicht, die über diesen ausgebildet ist, bereit. Die Erfindung stellt eine elektrochemische Abscheidungszelle mit einem Substrathalter, einer Kathode, die eine Substratplattierungsoberfläche elektrisch kontaktiert, einem Elektrolytbehälter mit einem Elektrolyteinlass, einem Elektrolytauslass und einer Öffnung, die dazu ausgelegt ist, ein Substrat aufzunehmen, und einer Anode, die mit einem Elektrolyten elektrisch verbunden ist, bereit. Die Anordnung und die Abmessungen der Abscheidungszelle und ihrer Komponenten sind dazu ausgelegt, eine gleichmäßige Stromverteilung über das Substrat bereitzustellen. Die Zelle ist mit einer Durchflussanode und einer Membraneinheit ausgestattet, die eine Kombination einer relativ gleichmäßigen Strömung eines teilchenfreien Elektrolyten in einer leicht aufrechtzuerhaltenden Anordnung vorsehen. Außerdem kann eine Erregungsvorrichtung am Substrathalter angebracht sein, um das Substrat in einer oder mehreren Richtungen, d.h. x-, y- und/oder z-Richtungen, in Vibrationen zu versetzen. Außerdem kann eine Hilfselektrode benachbart zum Elektrolytauslass angeordnet sein, um eine gleichmäßige Abscheidung über die Substratoberfläche vorzusehen und das elektrische Feld an der Kante des Substrats und an den Kontakten nach Bedarf zu formen. Zudem können zeitlich variable Stromwellenformen mit einem periodischen Gegen- und Impulsstrom während des Plattierungszeitraums angelegt werden, um eine hohlraumfreie Metallschicht innerhalb Submikrometer-Strukturen auf dem Substrat vorzusehen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Damit die Art und Weise, auf die die vorstehend angeführten Merkmale, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung erreicht werden, im einzelnen verstanden werden kann, kann eine speziellere Beschreibung der Erfindung, die vorstehend kurz zusammengefasst wurde, mit Bezug auf deren Ausführungsbeispiele erhalten werden, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.
Es ist jedoch zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nur typische Ausführungsbeispiele dieser Erfindung darstellen und daher nicht als Begrenzung ihres Schutzbereichs betrachtet werden sollen, da die Erfindung andere gleichermaßen wirksame Ausführungsbeispiele vorsehen kann.
1A–1E sind Querschnittsansichten einer Doppeldamaszierungsverbindung in einer dielektrischen Schicht, die ein Metallisierungsverfahren zum Ausbilden einer solchen Verbindung darstellt.
2 ist eine teilweise vertikale schematische Querschnittsansicht einer Zelle zum Elektroplattieren eines Metalls auf Halbleitersubstrate.
2a ist eine teilweise Querschnittsansicht eines kontinuierlichen Ringkathodenelements in Kontakt mit einem Substrat an einem Substrathalter.
3 ist eine schematische Draufsicht auf ein Kathodenkontaktelement mit einer radialen Anordnung von Kontaktstiften, die um den Umfang des Substrats und den Zellenkörper angeordnet sind, welche eine Anordnung von Hilfselektroden zeigt.
4 ist ein schematisches Diagramm der elektrischen Schaltung, die das Elektroplattierungssystem durch jeden Kontaktstift und Widerstände darstellt.
5 ist eine teilweise vertikale schematische Querschnittsansicht einer Überlaufplattierungsvorrichtung, die lösliche Kupferkügelchen, die zwischen porösen Membranen eingeschlossen sind, in der Anodenkammer enthält.
6a und 6b sind schematische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels einer Mehrsubstrat-Bearbeitungseinheit.
7 ist eine horizontale schematische Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Mehrsubstrat-Serienbearbeitungseinheit.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Die vorliegende Erfindung stellt im Allgemeinen mehrere Ausführungsbeispiele einer neuen elektrochemischen Zelle und ein Verfahren zum Betreiben der Zellen, um Metallschichten mit hoher Qualität auf Substraten abzuscheiden, bereit. Die Erfindung stellt auch neue Elektrolytlösungen bereit, die vorteilhaft bei der Abscheidung von Metallen und insbesondere Kupfer in sehr kleinen Strukturen, d.h. Strukturen mit Mikrometergröße und kleiner, verwendet werden können. Die Erfindung wird nachstehend zuerst mit Bezug auf die Gerätetechnik, dann den Betrieb der Gerätetechnik und dann die Chemie der Elektrolytlösungen beschrieben.
Elektrochemische Zellengerätetechnik
2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Zelle 40 zum Elektroplattieren eines Metalls auf ein Substrat. Die Elektroplattierungszelle 40 umfasst im Allgemeinen einen Behälterkörper 42 mit einer Öffnung am oberen Teil des Behälterkörpers, um einen Substrathalter 44 über dieser aufzunehmen und abzustützen. Der Behälterkörper 42 ist vorzugsweise eine ringförmige Zelle, die aus einem elektrisch isolierenden Material wie z.B. Kunststoff, Plexiglas (Acryl), Lexan, PVC, CPVC und PVDF besteht. Alternativ kann der Behälterkörper aus einem Metall wie z.B. rostfreiem Stahl, Nickel oder Titan bestehen, das mit einer Isolationsschicht, z.B. Teflon^®, PVDF, Kunststoff oder Kautschuk, oder anderen Kombinationen von Materialien, die von den Elektroden (d.h. der Anode und der Kathode) der Zelle elektrisch isoliert werden können und die sich im Elektrolyten nicht auflösen, beschichtet ist. Der Substrathalter 44 dient als obere Abdeckung für den Behälterkörper und weist eine Substratstützoberfläche 46 auf, die an dessen unterer Oberfläche angeordnet ist. Der Behälterkörper 42 ist vorzugsweise so bemessen und ausgelegt, dass er der Form des bearbeiteten Substrats 48, typischerweise mit quadratischer, rechteckiger oder kreisförmiger Form, und der Größe des plattierten Bereichs auf diesem entspricht.
Ein Elektroplattierungslösungseinlass 50 ist am Bodenteil des Behälterkörpers 42 angeordnet. Die Elektroplattierungslösung wird durch eine geeignete Pumpe 51, die mit dem Einlass 50 verbunden ist, in den Behälterkörper 42 gepumpt und strömt innerhalb des Behälterkörpers 42 aufwärts in Richtung des Substrats 48, um die freiliegende Substratoberfläche 54 zu kontaktieren.
Das Substrat 48 wird an der Substratstützoberfläche 46 des Substrathalters 44 vorzugsweise durch eine Vielzahl von -Durchgängen in der Oberfläche 46 befestigt, die auf einem Vakuum gehalten werden können, um eine Vakuumaufspannvorrichtung (nicht dargestellt) zu bilden. Ein Kathodenkontaktelement 52 ist an der unteren Oberfläche des Substrathalters 44 angeordnet und stützt ein Substrat über dem Behälter ab. Das Kathodenkontaktelement 52 umfasst einen oder mehrere Kontakte, die eine elektrische Verbindung zwischen einer Stromversorgung 49 und einem Substrat 48 vorsehen. Das Kathodenkontaktelement 52 kann einen kontinuierlichen leitenden Ring oder eine Leitung oder eine Vielzahl von leitenden Kontaktfingern oder -drähten 56 (in 3 gezeigt) in elektrischem Kontakt mit der Substratplattierungsoberfläche 54 umfassen. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Substrathalters 44 mit einem Kathodenkontaktelement mit einer radialen Anordnung von Kontaktstiften 56 in auseinandergezogener Anordnung, die um den Umfang des Substrats angeordnet sind. Die Kontaktstifte 56 (acht gezeigt) erstrecken sich radial nach innen über die Kante des Substrats 48 und kontaktieren eine leitende Schicht auf dem Substrat 48 an den Spitzen der Kontaktstifte 56, wodurch ein guter elektrischer Kontakt mit der Substratplattierungsoberfläche 54 bereitgestellt wird. Die radiale Anordnung von Kontaktstiften stellt auch eine vernachlässigbare Barriere für die Strömung des Elektrolyten dar, was zu einer minimalen Elektrolytströmungsstörung nahe der Plattierungsoberfläche des Substrats führt. Alternativ kann das Kathodenkontaktelement die Kante des Substrat in einem kontinuierlichen Ring oder halb-kontinuierlichen Ring (d.h. einem segmentierten Ring) kontaktieren.
Das Kathodenkontaktelement 52 liefert elektrischen Strom zur Substratplattierungsoberfläche 54, um den Elektroplattierungsprozess zu ermöglichen, und besteht daher vorzugsweise aus einem metallischen oder halbmetallischen Leiter. Das Kontaktelement 52 kann auch eine nicht-plattierende oder isolierende Beschichtung umfassen, um die Plattierung auf Oberflächen zu verhindern, die dem Elektrolyten am Kontaktelement ausgesetzt sind. Die Plattierung auf dem Kathodenkontaktelement kann die Strom- und Potentialverteilungen benachbart zum Kontaktelement ändern und führt wahrscheinlich zu Fehlern auf dem Wafer. Das nicht-plattierende oder Isolationsbeschichtungsmaterial kann aus einer Polymerbeschichtung wie z.B. Teflon^®, PVDF, PVC, Kautschuk oder einem geeigneten Elastomer bestehen. Alternativ kann das Kontaktelement aus einem Metall bestehen, das der Beschichtung mit Kupfer Widerstand leistet, wie z.B. Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN), Titannitrid (TiN), Titan (Ti) oder Aluminium. Das Beschichtungsmaterial verhindert die Plattierung auf dem Kontakt und stellt vorhersagbare Leitungseigenschaften durch den Kontakt mit der Oberfläche des Substrats sicher. Wenn die Kontaktelemente aus Metallen bestehen, die in der chemischen Umgebung der Zelle stabil sind, aber während des ganzen Plattierungsprozesses mit Kupfer beschichtet werden können, wie z.B. Platin, Gold und/oder ihre Legierungen, wird das Kontaktelement vorzugsweise durch eine Isolationsfläche, eine Elastomerdichtung oder eine Elastomerbeschichtung geschützt. Die Kontakte sehen vorzugsweise einen niedrigen Kontaktwiderstand mit der Substratoberfläche vor oder sind insbesondere im Kontaktbereich mit einem Material beschichtet, das einen niedrigen Kontaktwiderstand mit der Substratoberfläche bereitstellt. Beispiele umfassen Kupfer oder Platin. Die Plattierung auf dem Kontaktbereich des Kathodenkontaktelements 52 kann die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Leiters ändern und kann schließlich die Kontaktleistung verschlechtern, was zu Plattierungsschwankungen oder -fehlern führt. Daher wird der Kontaktbereich vom Elektrolyten vorzugsweise durch einen umgebenden Isolationsring, eine Hülse, eine Dichtung oder eine Beschichtung, die am Kontaktelement außerhalb des Bereichs angeordnet ist, in dem der Kontakt das Substrat physikalisch kontaktiert, isoliert. Beispiele von solchen Beschichtungen umfassen PVDF, PVC, Teflon^®, Kautschuke oder ein anderes geeignetes Elastomer. Wenn das Kontaktelement plattiert wird, kann ein Anodenstrom durch die Kontakte periodisch für eine kurze Zeit geleitet werden, um das Kontaktelement zu entmetallisieren. Die Kathode für diesen Regenerationsprozess kann entweder die reguläre Anode (in Sperrrichtung vorgespannt) oder die später beschriebenen Hilfselektroden sein.
Typischerweise wird eine Stromversorgung mit allen Kontaktstiften des Kathodenkontaktelements verbunden, was zu parallelen Schaltungen durch die Kontaktstifte führt. Da sich der Grenzflächenwiderstand zwischen Stift und Substrat zwischen den Stiftstellen verändert, fließt mehr Strom und folglich geschieht mehr Plattierung an der Stelle des niedrigsten Widerstandes. Durch Anordnen eines externen Widerstandes in Reihe mit jedem Kontaktstift wird jedoch der Wert oder die Menge des durch jeden Kontaktstift geleiteten elektrischen Stroms hauptsächlich durch den Wert des externen Widerstandes gesteuert, da der Gesamtwiderstand von jedem Kontaktstift-Substrat-Kontakt plus des Steuerwiderstandszweigs der Stromversorgung zur Substratschaltung im Wesentlichen gleich jenem des Steuerwiderstandes ist. Folglich beeinflussen die Schwankungen in den elektrischen Eigenschaften zwischen jedem Kontaktstift die Stromverteilung auf dem Substrat nicht und eine gleichmäßige Stromdichte ergibt sich über die Plattierungsoberfläche, was zu einer gleichmäßigen Plattierungsdicke beiträgt. Um eine gleichmäßige Stromverteilung zwischen jedem der Kontaktstifte 56 der radialen Anordnungskonfiguration des Kathodenkontaktelements 52 sowohl während des Plattierungszyklus auf einem einzelnen Substrat als auch zwischen Substraten in einem Plattierungsdurchlauf mehrerer Substrate bereitzustellen, wird ein externer Widerstand 58 mit jedem Kontaktstift 56 in Reihe geschaltet. 4 ist ein schematisches Diagramm der elektrischen Schaltung, die das Elektroplattierungssystem durch jeden Kontaktstift des Kathodenkontaktelements 52 und des externen Widerstandes 58, der mit jedem Kontaktstift 56 in Reihe geschaltet ist, darstellt. Vorzugsweise ist der Widerstandswert des externen Widerstandes (R_EXT) 58 größer als der Widerstandswert von irgendeiner anderen Widerstandskomponente der Schaltung. Wie in 4 gezeigt, ist die elektrische Schaltung durch jeden Kontaktstift 56 durch den Widerstandswert von jeder der mit der Stromversorgung in Reihe geschalteten Komponenten dargestellt. R_E stellt den Widerstandswert des Elektrolyten dar, der typischerweise vom Abstand zwischen der Anode und der Kathode und von der Zusammensetzung der Elektrolytlösung abhängt. R_A stellt den Widerstandswert des Elektrolyten benachbart zur Substratplattierungsoberfläche innerhalb der Doppelschicht und der Grenzschicht dar. R_S stellt den Widerstandswert der Substratplattierungsoberfläche dar und R_C stellt den Widerstandswert der Kathodenkontakte 56 dar. Vorzugsweise ist der Widerstandswert des externen Widerstandes (R_EXT) größer als der Gesamtwert von R_E, R_A, R_S und R_C, z. B. > 1 Ω und vorzugsweise > 5 Ω. Der externe Widerstand 58 stellt auch eine gleichmäßige Stromverteilung zwischen verschiedenen Substraten einer Prozesssequenz bereit.
Wenn jedes Substrat plattiert wird und über mehrere Substratplattierungszyklen kann sich der Kontaktstift-Substrat-Grenzflächenwiderstand immer noch ändern, wobei er schließlich einen unannehmbaren Wert erreicht. Ein elektronischer Sensor/Alarm 60 kann über den externen Widerstand 58 geschaltet sein, um die Spannung/den Strom über dem externen Widerstand zu überwachen, um dieses Problem anzugehen. Wenn die Spannung/der Storm über irgendeinem externen Widerstand 58 außerhalb einen vorgegebenen Betriebsbereich fällt, der auf einen hohen Stift-Substrat-Widerstand hindeutet, löst der Sensor/Alarm 60 Korrekturmaßnahmen wie z.B. Abschalten des Plattierungsprozesses, bis die Probleme durch eine Bedienperson korrigiert sind, aus. Alternativ kann eine separate Stromversorgung mit jedem Kontaktstift verbunden sein und kann separat gesteuert und überwacht werden, um eine gleichmäßige Stromverteilung über das Substrat bereitzustellen.
Eine Alternative zur Kontaktstiftanordnung ist ein Kathodenkontaktelement 52 mit einem kontinuierlichen Ring, der die Umfangskante des Substrats berührt. 2a ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Kathodenelements 52 mit einem kontinuierlichen Ring in Kontakt mit einem Substrat 48, das in einem Substrathalter 44 angeordnet ist. Das Kathodenelement 52 mit kontinuierlichem Ring maximiert den Kathodenkontakt mit der Substratplattierungsoberfläche 54 und minimiert die Stromverteilungsungleichmäßigkeit durch Beseitigen der Probleme von einzelnen Kontaktstiften.
Nimmt man noch einmal auf 2 Bezug, so muss die Rückseite des Wafers abgedichtet werden, um die Wanderung von Plattierungs- oder Elektrolytlösung zur Rückseite des Substrats zu verhindern. Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Substrat durch eine Vakuumaufspannvorrichtung im Substrathalter gehalten wird und das Substrat gegen das Kathodenkontaktelement 52 gespannt werden muss, wird ein Elastomer- (z.B. Silikonkautschuk-) Ring 62 teilweise innerhalb des Substrathalters 44 angeordnet, um die Rückseite des Substrats 48 vor der Elektroplattierungslösung abzudichten und um das Spannen des Substrats 48 gegen das Kathodenkontaktelement 52 zu verbessern. Der Elastomerring 62, der in 2 gezeigt ist, ist ein keilförmiger Ring, obwohl andere Formen auch wirksam verwendet werden können. Die Elastizität des Elastomerrings, wenn er durch das Substrat zusammengedrückt wird, drückt das Substrat in einen guten elektrischen Kontakt mit dem Kathodenkontaktelement 52 und sieht eine gute Abdichtung für die Rückseite des Substrats 48 vor.
Wahlweise kann der Substrathalter 44 eine mit Gas aufgeblasene Blase 64 umfassen, die benachbart zum Elastomerring 62 angeordnet ist, um die durch den Elastomerring 62 erzeugte Dichtung zu verbessern und den elektrischen Kontakt zwischen dem Kathodenkontaktelement 52 und der Substratplattierungsoberfläche 54 zu verbessern. Die mit Gas aufgeblasene Blase 64 ist in einem ringförmigen Hohlraum benachbart zum Elastomerring 62 angeordnet und kann mit einem Gas aufgeblasen werden, um einen Druck auf den Elastomerring 62 auszuüben und das Substrat zu drücken, um einen Druck auf den Elastometrring 62 auszuüben und das Substrat mit dem Kontaktelement 52 in Kontakt zu drücken. Um den Kontaktdruck zwischen dem Elastomerring 62 und der Rückseite des Substrats 48 aufzuheben, entleert ein Entlastungsventil die mit Gas aufgeblasene Blase 64, um zu ermöglichen, dass der Elastomerring 62 sich in den Substrathalter 44 zurückzieht.
Der Substrathalter 44 ist über dem Behälterkörper 42 so angeordnet, dass die Substratplattierungsoberfläche 54 eines Substrats der Öffnung des Behälterkörpers 42 zugewandt ist. Der Substrathalter 44 ist an einem äußeren Ring 66 angeordnet, der mit dem oberen Teil des Behälterkörpers 42 verbunden ist. Ein isolierender O-Ring 68 ist zwischen dem Substrathalter 44 und einem äußeren Ringabsatz 66 angeordnet. Vorzugsweise umfasst der Substrathalter 44 einen abgeschrägten unteren Teil 70, der einer abgeschrägten oberen Kante 72 des Behälterkörpers 42 entspricht, die zusammen zumindest einen teilweisen Umfangsauslass 74 von etwa 1 mm bis etwa 30 mm zwischen dem Substrathalter 44 und dem Behälterkörper 42 für den Elektrolytdurchfluss durch diesen bilden. Der Auslass 74 erstreckt sich vorzugsweise um den Umfang des Behälterkörpers und der Abdeckung, er kann jedoch alternativ segmentiert sein, wie in 3 gezeigt, um einen Elektrolytaustritt entsprechend den zu den segmentierten Hilfselektroden 84 benachbarten Räumen vorzusehen. Die Breite des Auslasses kann durch Anheben oder Absenken des Substrathalters 44 relativ zur oberen Oberfläche des Behälterkörpers eingestellt werden, um verschiedenen Plattierungsprozessanforderungen gerecht zu werden. Vorzugsweise liegt die Breite des Auslasses zwischen etwa 2 mm und etwa 6 mm. Der Auslass 74 weist vorzugsweise einen schmalen und geneigten Austritt auf, um die Auswärtsströmung des Elektrolyten zu verbessern und um Zirkulationsstauecken zu minimieren, wo ein Blaseneinschluss auftreten kann. Wie in 2 gezeigt, sieht der Auslass 74 einen Elektrolytaustritt in einer Abwärtsneigung von etwa 45° vor. Der Elektrolytaustrittsauslass 74 setzt sich durch einen Raum 76 zwischen der inneren Oberfläche des äußeren Ringabsatzes 66 und der äußeren Oberfläche des Behälterkörpers 42 fort. Dann fließt der Elektrolyt durch einen oder mehrere Auslässe 78, die mit einer Pumpe (nicht dargestellt) verbunden sind, und zirkuliert erneut durch den Einlass 50 hindurch durch die Elektroplattierungszelle 40.
Ein Ring- oder Hülseneinsatz 80, der im oberen Teil des Behälterkörpers 42 angeordnet ist, kann verwendet werden, um den Plattierungsbereich des Substrats genau zu definieren. Der Einsatz 80 ist modular wechselbar, um eine Elektroplattierungszelle für verschiedene Substratgrößen, einschließlich Größen von 200 mm und 300 mm, und Formen, einschließlich kreisförmig, rechteckig, quadratisch usw., anzupassen. Die Größe und die Form des Behälterkörpers 42 werden vorzugsweise entsprechend für jede Größe und Form des Substrats geändert, um die Größe und Form des Substrats anzunähern. Der Einsatz 80 isoliert auch und schützt die Kante des Substrats 48 vor einer ungleichmäßigen Plattierung durch Begrenzen des Stromflusses zum Umfang der Plattierungsoberfläche, wodurch die Randeffekte verringert werden, die angetroffen werden, wenn die Zellengröße größer ist als die Plattierungsoberfläche.
Wenn eine Plattierung auf dem Substrat erfolgt, plattieren Ionen in Lösung aus der Lösung auf das Substrat (scheiden sich auf diesem ab). Um zusätzliches Plattierungsmaterial bereitzustellen, müssen die Ionen durch eine Diffusionsgrenzschicht benachbart zur Plattierungsoberfläche diffundieren. Typischerweise wird im Stand der Technik eine Nachfüllung durch ein hydrodynamisches Mittel durch die Strömung von Lösung an dem Substrat vorbei und durch Substratdrehung bereitgestellt. Hydrodynamische Nachfüllschemen sehen jedoch aufgrund des Zustands fehlenden Gleitens an der Grenzschicht, an der der Elektrolyt unmittelbar benachbart zur Plattierungsoberfläche eine Geschwindigkeit von Null aufweist und stagniert, immer noch eine unangemessene Nachfüllung vor. Um diese Begrenzung anzugehen und die Nachfüllung zu steigern, wird ein Vibrationserregungselement 82 vorgesehen, um die Massentransportraten (Grenzschichtdicke) an der Oberfläche des Substrats zu steuern. Das Vibrationserregungselement 82 wird vorzugsweise am Substrathalter 44 angebracht, um das Substrat 48 in Vibrationen zu versetzen. Das Vibrationserregungselement 82 umfasst gewöhnlich einen Motor oder einen Vibrationswandler, der den Substrathalter 44 auf einer oder mehreren Achsen mit einer Frequenz von etwa 10 Hz bis etwa 20000 Hz hin- und herbewegt. Die Amplitude der Vibration liegt vorzugsweise zwischen etwa 0,5 μm und etwa 100000 μm. Das Vibrationserregungselement 82 kann auch eine zusätzliche Vibration in einer zweiten Richtung vorsehen, die zur Substratplattierungsoberfläche 54 parallel ist, wie z.B. Versetzen des Substrats in den x- y-Richtungen in Vibrationen, oder in einer Richtung, die zur Substratplattierungsoberfläche 54 senkrecht ist, wie z.B. in den x-z-Richtungen. Alternativ kann das Vibrationserregungselement 82 das Substrat in mehreren Richtungen wie z.B. den x-y-z-Richtungen in Vibrationen versetzen.
Die Frequenz der Vibration kann mit den Plattierungszyklen (nachstehend im einzelnen erörtert) synchronisiert werden, um die Massentransportraten an die Abscheidungsprozessbedürfnisse durch Zuschneiden anzupassen. Herkömmliche Elektroplattierungssysteme können dieses Merkmal nicht beinhalten, da Hochfrequenzunterbrechungen oder -umkehrungen in einer gepumpten induzierten Elektrolytströmung aufgrund der Trägheit des Fluids in herkömmlichen Elektroplattierungssystemen nicht durchgeführt werden können. Die Vibration verstärkt auch die Entfernung von restlichen Plattierungs- und Spüllösungen von der Substratoberfläche nach der Beendung des Plattierungszyklus.
Der Substrathalter 44 kann zusätzlich zur Vibrationsbewegung auch entweder vollständig oder teilweise gedreht werden, um die gleichmäßige Plattierungsdicke weiter zu verbessern. Ein Drehstellglied (nicht dargestellt) kann am Substrathalter 44 befestigt sein und den Substrathalter um eine Mittelachse durch die Mitte des Substrathalters drehen oder teilweise auf eine schwingende Weise drehen. Die Drehbewegung der Plattierungsoberfläche gegen den Elektrolyten verbessert die Aussetzung mit frischem Elektrolyten über die Plattierungsoberfläche, um die Abscheidungsgleichmäßigkeit zu verbessern.
Ein weiterer Vorteil der Vibration des Substrats 48 besteht darin, dass die Vibration die Kontaktlöcher und Gräben frischen Elektroplattierungslösungen aussetzt. Wenn die Lösung benachbart zum Substrat vom Abscheidungsmetall verarmt wird, füllt die Hin- und Herbewegung des Substrats die Bereiche benachbart zu den Kontaktlöchern und Gräben mit frischer Elektroplattierungslösung nach, die vorzugsweise eine hohe Konzentration an Kupfer oder einem anderen Abscheidungsmetall aufweist. Dies wird durch Verschieben der Mündung des Grabens oder des Kontaktlochs an einer Substratplattierungsoberfläche in einen Bereich der Lösung, die nicht dem Graben oder Kontaktloch zugewandt war, und daher an Reaktant weniger verarmt ist, erreicht. Eine Alternative zur Vibration des Substrathalters 44 und des Substrats 48 besteht darin, den Elektrolyten in Vibrationen zu versetzen. Ein Vibrationswandler (nicht dargestellt) kann innerhalb des Behälterkörpers angeordnet werden, um den Elektrolyten direkt zu bewegen, oder der Vibrationswandler kann außerhalb des Behälterkörpers angeordnet werden und den Elektrolyten indirekt bewegen, indem der Behälterkörper in Vibrationen versetzt wird. Das Vibrationserregungselement 82 hilft auch, mit Blasen in Zusammenhang stehende Fehler zu beseitigen, indem Blasen dabei unterstützt werden, sich von der Plattierungsoberfläche 54 zu bewegen und aus der Zelle 40 abgeführt zu werden.
Gasblasen können bei der Substratinstallation in der Zelle eingefangen werden, durch die Elektrolytströmung durch das System getragen werden oder durch die elektrochemische Reaktion an der Anode oder der Kathode erzeugt werden. Die Gasblasen werden vorzugsweise aus der Zelle ausgelassen, um Fehler im Plattierungsprozess zu verhindern. Eine Vielzahl von Gasablenkflügeln können über der Anode angeordnet sein, um sich entwickelte Gase in Richtung der Seitenwand des Elektrolytbehälters abzulenken. Im Allgemeinen bewegen sich Gasblasen aufgrund ihres niedrigeren spezifischen Gewichts in eine größeren Höhe und die Gasblasen strömen zusammen mit dem Elektrolyten, der im Allgemeinen nach oben und nach außen bezüglich des Substrats strömt. Die Vibration wird auf den Elektrolyten aufgebracht oder das Substratstützelement löst die Blasen von der Substratoberfläche und verbessert die Bewegung der Gasblasen aus der Zelle. Vorzugsweise sind eine Vielzahl von Gasfreisetzungskanälen 81 (wie in 5 gezeigt) benachbart zum Umfang der Substratstützfläche 46 durch den Substrathalter 44 hindurch angeordnet, um Gasblasen aus der Zelle abzuführen. Die Gasfreisetzungskanäle 81 sind in einem Aufwärtswinkel angeordnet, um eine Gasblasenfreisetzung aus der Zelle 40 zu ermöglichen, während ein Elektrolytaustritt durch die Gasfreisetzungsschlitze verhindert wird. Eine Anzahl von wahlweisen Maßnahmen stehen zur Verfügung, um ein Herausspritzen von Elektrolyt aus den Gasfreisetzungskanälen 81 zu verhindern. Erstens können die Gasfreisetzungskanäle höher angeordnet sein als die statische Druckhöhe des Elektrolyts. Zweitens können die Gasfreisetzungskanäle so behandelt sein, dass sie hydrophob sind, beispielsweise durch einen Rohreinsatz aus Teflon^®. Drittens kann ein Gegengasdruck, der ausreicht, um einen Lösungsaustritt zu verhindern, von außen durch den Auslass der Gasfreisetzungskanäle aufgebracht werden. Schließlich können die Gasfreisetzungskanäle mit einem kleinen Behälter abgedeckt werden, der ein ausreichendes Volumen aufweist, um die Gasblasen einzufangen.
Zusätzlich zur Anodenelektrode und zur Kathodenelektrode kann eine Hilfselektrode in Kontakt mit dem Elektrolyten angeordnet sein, um die Form des elektrischen Feldes über der Substratplattierungsoberfläche zu ändern. Eine Hilfselektrode 84 ist vorzugsweise außerhalb des Behälterkörpers angeordnet, um die Abscheidungsdicke, die Stromdichte und die Potentialverteilung in der Elektroplattierungszelle zu steuern, um die gewünschten Elektroplattierungsergebnisse auf dem Substrat zu erzielen. Wie in 2 gezeigt, ist die Hilfselektrode 84 innerhalb des äußeren Rings 66 benachbart zur inneren Oberfläche des äußeren Rings 66 angeordnet. Alternativ kann die Hilfselektrode 84 innerhalb des Behälterkörpers am oberen Teil des Behälterkörpers angeordnet sein, wie in 2a gezeigt. Die Hilfselektrode 84 wird vorzugsweise außerhalb des Behälterkörpers angebracht, da sich Kupferabscheidungen auf der Hilfselektrode ansammeln können, wenn sie kathodisch polarisiert wird, oder das abgeschiedene Kupfer sich auflösen kann, wobei es Teilchen freisetzt, wenn die Hilfselektrode anodisch polarisiert wird. Wenn die Hilfselektrode 84 innerhalb des Behälterkörpers 42 angeordnet ist, können die nicht-anhaftenden Abscheidungen abblättern oder der sich auflösende teilchenförmige Stoff kann in Lösung gelangen und die Substratplattierungsoberfläche 54 kontaktieren und eine Beschädigung oder Fehler am Substrat verursachen. Durch Anordnen der Hilfselektrode 84 außerhalb des Behälterkörpers 42 strömt nicht-anhaftendes Abscheidungsmaterial mit dem ausströmenden Elektrolyten zur Umlaufpumpe. Der ausströmende Elektrolyt wird gefiltert und die nicht-anhaftenden Abscheidungen werden aus dem System entfernt. Da die Durchflussrate des Elektrolyten außerhalb des Behälterkörpers 42 relativ hoch ist (im Vergleich zur Durchflussrate nahe der Substratplattierungsoberfläche 54), treten ferner nicht-anhaftende Abscheidungen weniger wahrscheinlich an der Hilfselektrode 84 auf. Ein weiterer Vorteil der Anordnung der Hilfselektrode außerhalb des Behälterkörpers besteht darin, dass die periodische Wartung leicht durchgeführt werden kann, indem sie gegen eine andere modulare Hilfselektrodeneinheit an der Elektroplattierungszelle ausgetauscht wird. Die Anordnung der Hilfselektroden innerhalb des Behälterkörpers kann jedoch einen höheren Grad an Steuerung und eine resultierende höhere Abscheidungsgleichmäßigkeit bereitstellen.
Die Hilfselektrode 84 kann einen Ring, eine Reihe von konzentrischen Ringen, eine Reihe von segmentierten Ringen oder eine Anordnung von beabstandeten Elektroden umfassen, so dass sie einer entsprechenden Anordnung von Kathodenkontaktstiften 56 entsprechen. Die Hilfselektrode 84 kann in derselben Ebene wie die Substratplattierungsoberfläche 54 oder in veränderlichen Ebenen angeordnet sein, um die Strom- und Potentialverteilung auf dem Substrat 48 durch Zuschneiden anzupassen. Alternativ können eine Vielzahl von konzentrischen Ringhilfselektroden dazu ausgelegt sein, bei verschiedenen Potentialen aktiviert zu werden oder Potentiale der Reihe nach gemäß dem gewünschten Prozess zu aktivieren. 3 zeigt eine Konfiguration einer Hilfselektrode 84 mit einer Anordnung von segmentierten Elektroden, die einer Anordnung von Kathodenkontaktstiften 56 entsprechen, um den Effekt von diskreten Kontakten zu beseitigen, die gewöhnlich die Abscheidungsdicke nahe dem Bereich des Kontakts lokalisieren. Die Hilfselektrode 84 formt das elektrische Feld durch Ausgleich der Lokalisierungseffekte der diskreten Kontakte. Die Hilfselektrode 84 kann auch verwendet werden, um die nachteiligen Effekte des anfänglich widerstandsbehafteten Substrats auf die Abscheidungsdickenverteilung zu beseitigen, indem der Strom/das Potential gemäß der Abscheidungszeit- und -dicke verändert werden. Die Strom/Potential-Hilfselektrode 84 kann von einem hohen Strompegel während einer Anfangsstufe der Elektroplattierung auf einen allmählich abnehmenden Strom/ein allmählich abnehmendes Potential, wenn der Elektroplattierungsprozess fortfährt, dynamisch eingestellt werden. Die Hilfselektrode kann vor dem Ende des Elektroplattierungsprozesses abgeschaltet werden und kann so programmiert werden, dass sie verschiedenen Prozessanforderungen entspricht. Die Verwendung der Hilfselektrode beseitigt den Bedarf für eine physikalische, nicht-einstellbare Zellengerätetechnik, um den anfänglichen Widerstandssubstrateffekt zu erniedrigen. Die Hilfselektrode kann auch mit den Gegenplattierungszyklen synchronisiert werden, um die gewünschten Abscheidungseigenschaften durch Zuschneiden weiter anzupassen.
Alternativ umfasst die Hilfselektrode ein segmentiertes Widerstandsmaterial mit mehreren Kontaktpunkten, so dass sich die Spannung der Hilfselektrode in verschiedenen Abständen von den Kontaktpunkten ändert. Diese Konfiguration sieht entsprechende Änderungen des Potentials für eine diskrete Kathodenkontaktelement-Konfiguration vor. Eine weitere Variation der Hilfselektrode sieht eine Elektrode mit variabler Breite vor, die einer Anordnung von diskreten Kathodenkontaktstiften entspricht, so dass eine effektive höhere Spannung (und ein höherer Strom) an den Substratkontaktpunkten des Kathodenkontaktelements bereitgestellt wird, während eine effektive niedrigere Spannung (und ein niedrigerer Strom) im Bereich zwischen den Substrat/Kathoden-Kontaktpunkten bereitgestellt wird. Da die effektive Spannung, die durch die Hilfselektrode mit variabler Breite bereitgestellt wird, mit zunehmendem Abstand zwischen der Hilfselektrode und der Kante des Substrats abnimmt, sieht die Hilfselektrode mit variabler Breite einen engeren Abstand zwischen der Hilfselektrode und der Kante des Substrats, wo sich das Kathodenkontaktelement befindet, vor.
Vorzugsweise ist eine selbst-verzehrende Anode 90 im Behälterkörper 42 angeordnet, um eine Metallquelle im Elektrolyten bereitzustellen. Wie in 2 gezeigt, ist eine vollständig selbsteingeschlossene modulare, lösliche Kupferanode 90 um den mittleren Teil des Behälterkörpers 42 angeordnet. Die modulare Anode umfasst Metallteilchen 92 oder Metalldrähte oder ein perforiertes oder ein massives Metallblech, wie z.B. Kupfer mit hoher Reinheit, das in einer porösen Umhüllung 94 eingehüllt ist. In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Umhüllung 94 ein poröses Material wie z.B. eine Keramik- oder Polymermembran, in der die Metallteilchen 92 eingehüllt sind. Ein Anodenelektrodenkontakt 96 ist in die Umhüllung 94 in elektrischem Kontakt mit den Metallteilchen 92 eingesetzt. Der Anodenelektrodenkontakt 96 kann aus einem unlöslichen leitenden Material, wie z.B. Titan, Platin, mit Platin beschichtetem rostfreien Stahl, bestehen und mit einer Stromversorgung 49 verbunden sein, um elektrische Leistung zur Anode zu liefern. Die poröse Schicht der Umhüllung 94 wirkt als Filter, der einen teilchenfreien Elektrolyten zur Substratplattierungsoberfläche 54 liefert, da der Filter die durch das sich auflösende Metall in der eingehüllten Anode erzeugten Teilchen zurückhält. Die lösliche Kupferanode 90 liefert auch einen von Gaserzeugung freien Elektrolyten in die Lösung im Gegensatz zu dem Prozess, der eine Gas entwickelnde unlösliche Anode verwendet, und minimiert den Bedarf, den Kupferelektrolyten ständig nachzufüllen. Die Metallteilchen 92 können in Form von Pellets oder Drähten oder einer perforierten Platte, die innerhalb der Elektrode 96 eingehüllt oder eingeschlossen sind, vorliegen. Diese Formen bieten eine große Oberfläche sowie einen Durchgang für die Elektrolytströmung. Die große Oberfläche der Metallteilchen minimiert die Anodenpolarisation und oxidative Nebenreaktionen, einschließlich gleichzeitiger Sauerstoffentwicklung, und führt zu einer mäßigen Stromdichte für die Kupferplattierung während der Substrat-Anodenauflösungsstufe des periodischen Gegenplattierungszyklus (nachstehend genauer erörtert). Wenn es erwünscht ist, dass aufgrund einer überschüssigen Additivzersetzung an der Anode eine kleinere Oberfläche dem Elektrolyten ausgesetzt ist, kann es erwünscht sein, die nach unten gewandte Seite (in Richtung der Strömung gewandt) des perforierten Plattenblechs oder der Drähte mit einem Isolationsmaterial zu bedecken.
Vorzugsweise ist die Anode 90 eine modulare Einheit, die leicht ausgetauscht werden kann, um Unterbrechungen zu minimieren und eine leichte Wartung zu ermöglichen. Vorzugsweise ist die Anode 90 in einem Abstand, der größer als ein (1) Inch (25,4 mm) und besser größer als 4 Inch (101,6 mm) ist, von der Substratplattierungsoberfläche 54 (für ein Substrat von 200 mm) entfernt angeordnet, um sicherzustellen, dass die Effekte von Pegelschwankungen im Anodenkupfer, die durch die Anodenauflösung, eine Teilchenfluidisierung und Anordnungstoleranzen verursacht werden, vernachlässigbar werden, sobald die Elektrolytströmung die Substratoberfläche erreicht.
5 ist eine teilweise vertikale schematische Querschnittsansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer elektrochemischen Abscheidungszelle der Erfindung. Das gezeigte Ausführungsbeispiel ist eine Überlaufplattierungsvorrichtung 100 mit ähnlichen Komponenten wie die vorstehend beschriebene Elektroplattierungszelle 40. Der Behälterkörper umfasst jedoch einen oberen ringförmigen Überlauf 43, der eine obere Oberfläche in im Wesentlichen derselben Höhe wie die Plattierungsoberfläche aufweist, so dass die Plattierungsoberfläche mit dem Elektrolyten vollständig in Kontakt steht, selbst wenn der Elektrolyt kaum aus dem Elektrolytaustrittsspalt 74 und über den Überlauf 43 strömt. Alternativ ist die obere Oberfläche des Überlaufs 43 geringfügig niedriger angeordnet als die Plattierungsoberfläche, so dass die Substratplattierungsoberfläche direkt über dem Elektrolyten angeordnet ist, wenn der Elektrolyt über den Überlauf 43 überläuft, und der Elektrolyt haftet durch Meniskuseigenschaften (d.h. Kapillarkraft) an der Substratplattierungsoberfläche an. Die Hilfselektrode kann auch näher an den Elektrolytenaustritt positioniert werden müssen, um sicherzustellen, dass der Kontakt mit dem Elektrolyten wirksam ist.
Eine Strömungseinstellvorrichtung 110 mit einer porösen Barriere mit variabler Dicke und konischem Profil kann im Behälterkörper zwischen der Anode und dem Substrat angeordnet werden, um die Strömungsgleichmäßigkeit über die Substratplattierungsoberfläche zu verbessern. Vorzugsweise umfasst die Strömungseinstellvorrichtung 110 ein poröses Material, wie z.B. eine Keramik oder ein Polymer, das verwendet wird, um eine ausgewählte Änderung in der Elektrolytströmung an diskreten Stellen über die Fläche des Substrats vorzusehen. 5 stellt die Elektrolytströmung zwischen der porösen Barriere und der Substratplattierungsoberfläche entlang Pfeilen A dar. Die Strömungseinstellvorrichtung 110 ist in Richtung der Mitte der Struktur und folglich des Wafers zunehmend dünner, was zu einer größeren Strömung von Elektrolyt durch diesen Bereich und zur Mitte des Substrats führt, um die Elektrolytdurchflussrate über die Substratplattierungsoberfläche auszugleichen. Ohne die Strömungseinstellvorrichtung wird die Elektrolytströmung vom mittleren Teil zum Kantenteil erhöht, da sich der Elektrolytaustritt nahe dem Kantenteil befindet. Die kegelförmige Strömungseinstellvorrichtung 110 verjüngt sich auch von der Substratoberfläche weg, wobei sie sich an der Kante des Substrats am weitesten von der Substratoberfläche wegerstreckt. Vorzugsweise werden die kegelförmige Verjüngung und die zunehmende Dicke der Strömungseinstellvorrichtung gemäß der erforderlichen Elektrolytdurchflussrate und der Größe der Substratplattierungsoberfläche optimiert, um eine gleichmäßige Elektrolytdurchflussrate über die Substratplattierungsoberfläche vorzusehen. Ein ähnlicher Effekt kann mit einer perforierten Platte erreicht werden. Die Größe und die Abstände der Perforationen können eingestellt werden, um die gewünschte Strömungsverteilung zu erzeugen.
Eine Fangvorrichtung für ein zerbrochenes Substrat (nicht dargestellt) kann innerhalb des Behälterkörpers angeordnet sein, um Stücke eines zerbrochenen Substrats aufzufangen. Vorzugsweise umfasst die Fangvorrichtung für ein zerbrochenes Substrat ein Netz, eine poröse Platte oder Membran. Der poröse Keil oder die perforierte Platte, der/die vorstehend beschrieben wurde, kann auch für diesen Zweck dienen.
Eine Raffinationselektrode (nicht dargestellt) kann im Sumpf (nicht dargestellt) zur Vorelektrolyse des Elektrolyten und zur Entfernung von Metall und einer anderen chemischen Abscheidungsansammlung im Sumpf angeordnet sein. Die Raffinationselektrode kann gemäß den Bedürfnissen des Systems kontinuierlich aktiviert oder periodisch aktiviert werden. Die Raffinationselektrode kann, wenn sie aus Kupfer besteht und anodisch polarisiert wird, verwendet werden, um Kupfer im Bad nachzufüllen. Diese externe Elektrode kann folglich verwendet werden, um die Kupferkonzentration im Bad genau einzustellen.
Eine Bezugselektrode (nicht dargestellt) kann verwendet werden, um die Polarisation der Anode, der Kathode und der Hilfselektrode genau zu bestimmen.
Sobald der Elektroplattierungsprozess beendet ist, kann der Elektrolyt aus dem Behälterkörper in einen Elektrolytaufnahmebehälter oder -sumpf abgelassen werden und ein Gasmesser kann integriert sein, um den Elektrolytfilm, der auf der Substratplattierungsoberfläche verbleibt, zu entfernen. Das Gasmesser umfasst einen Gaseinlass wie z.B. ein zurückziehbares Rohr oder ein Verlängerungsluftrohr, das mit einer hohlen Anodenelektrode verbunden ist und einen Gasstrom oder eine Gas/Flüssigkeits-Dispersion liefert, der/die den Elektrolyten von der Substratoberfläche wegschiebt. Das Gas kann auch durch den Spalt zwischen dem Substrathalter 44 und dem Behälterkörper 42 zugeführt werden, um auf die Substratoberfläche zu blasen.
Ein Spülsystem mit desionisiertem Wasser (nicht dargestellt) kann auch in das Elektroplattierungssystem integriert sein, um das Substrat vom Elektrolyten frei zu spülen. Eine Zuführung von desionisiertem Wasser oder anderen Spüllösungen kann mit dem Einlass 50 verbunden sein und auf diese selektiv über ein Einlassventil zugegriffen werden. Nachdem der Elektrolyt aus dem Behälterkörper abgeführt wurde, kann das desionisierte Wasser oder eine andere Spüllösung durch den Einlass 50 in das System gepumpt werden und durch den Behälterkörper zirkulieren, um die Substratoberfläche zu spülen. Während das bearbeitete Substrat gespült wird, wird die Kathoden- und Anodenstromversorgung vorzugsweise in der Zelle inaktiviert. Das desionisierte Wasser füllt die Zelle und strömt über die Oberfläche des Substrats, um den restlichen Elektrolyten von der Oberfläche abzuspülen. Das Vibrationselement kann aktiviert werden, um die Spülung der plattierten Oberfläche zu verbessern. Eine Anzahl von separaten Tanks mit desionisiertem Wasser können nacheinander verwendet werden, um den Grad an Reinheit des Spülwassers zu steigern. Um mehr als eine Spüllösungszuführung zu verwenden, wird vorzugsweise ein Spülzyklus vollendet und die Spüllösung vollständig aus der Zelle abgelassen, bevor die nächste Spüllösung für den nächsten Spülzyklus in die Zelle eingeleitet wird. Die Spülung von verbrauchtem desionisierten Wasser kann auch gereinigt werden, indem die Metallspuren, die während des Spülzyklus durch die Spüllösung eingefangen werden, durch Plattieren entfernt werden oder indem das verbrauchte desionisierte Wasser durch ein Ionenaustauschsystem zirkuliert.
6a und 6b sind schematische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels einer Mehr-Substrat- Bearbeitungseinheit. Eine Vielzahl von Substraten 48 sind an einem Substrathalter 200 angebracht und eine entsprechende Vielzahl von Behälterkörpern 202 sind zum Aufnehmen der Substratplattierungsoberflächen angeordnet. Die Behälterkörper teilen sich vorzugsweise einen gemeinsamen Elektrolytbehälter 204. Jede einzelne Elektroplattierungszelle 202 umfasst jedoch vorzugsweise einzelne Elektroplattierungssystemsteuerungen, um eine korrekte Bearbeitung von einzelnen Substraten sicherzustellen.
7 ist eine horizontale schematische Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Mehr-Substrat-Serienbearbeitungseinheit 208. Der Elektrolytbehälterkörper 210, wie in 7 gezeigt, ist eine sechseckige Trommel, aber eine beliebige vieleckige Trommel kann verwendet werden, solange jede Fläche des Vielecks groß genug ist, um ein Substrat 48 an dieser anzubringen. Ein Kathodenkontaktelement 212 ist auch an jeder Fläche des Vielecks angebracht, um elektrischen Strom zur Substratplattierungsoberfläche 54 zu liefern. Eine Anode 214 umfasst vorzugsweise eine konzentrische vieleckige Trommel, die innerhalb des Behälterkörpers 210 drehbar angebracht ist. Alternativ kann die Anode 214 einen zylindrischen Körper umfassen, der konzentrisch innerhalb des Behälterkörpers 210 angebracht ist. Der Behälterkörper 210 kann auch ein zylindrischer Körper mit mehreren Substrathohlräumen sein, um Substrate aufzunehmen. Eine Anzahl von Substraten können auch an jeder Fläche des Vielecks angebracht sein.
Eine Vielzahl von Hilfselektroden 216 kann in der Zelle an den Ecken des Vielecks angeordnet sein. Alternativ können ringförmige oder segmentierte Ringhilfselektroden 218 um jedes Substrat 48 so angeordnet sein, dass sie den Kathodenkontaktelementen 212 entsprechen, ähnlich zu der Anordnung der Hilfselektroden, die in 3 gezeigt ist.
Vorzugsweise stellen sich die Hilfselektroden dynamisch ein, um die Stromverteilung über dem Substrat durch allmähliches Verringern des Stroms der Hilfselektroden zu kompensieren, wenn der Widerstandssubstrateffekt nach dem anfänglichen Abscheidungszeitraum langsam zurückgeht. Ein poröser Scheider/Filter (nicht dargestellt) kann zwischen der Anode und der Kathode angeordnet sein, um Teilchen einzufangen.
Ein Vibrationserregungselement (nicht dargestellt) kann mit dem Behälterkörper verbunden sein, um die Substrate in Vibrationen zu versetzen. Die Substratvibration kann jedoch unnötig sein, wenn die vieleckige Anodentrommel ausreichend schnell, vorzugsweise zwischen etwa 5 Umdrehungen pro Minute (U/min) und etwa 100 U/min, gedreht wird, um einen hohen Grad an Bewegung für den Elektrolyten bereitzustellen. Die sich drehende vieleckige Anode sieht aufgrund des veränderlichen Abstandes zwischen den aktiven Anodenoberflächen und dem Substrat aufgrund der Drehung auch eine gepulste oder vorübergehende elektrische Leistung (Spannungs/Strom-Kombination) vor. Da die Anode eine vieleckige Form besitzt, ändert sich, wenn sich die Anode dreht, der Abstand zwischen der Kathode und der Anode von einem Maximum, wenn die Anodenvieleckflächen auf die Kathodenvieleckflächen in parallelen Ebenen ausgerichtet sind, und einem Minimum, wenn die Anodenvieleckecken auf die Mitten der Kathodenvieleckflächen ausgerichtet sind. Wenn sich der Abstand zwischen der Anode und der Kathode ändert, ändert sich der elektrische Strom zwischen der Anode und der Kathode dementsprechend.
Eine weitere Variation sieht eine horizontal angeordnete vieleckige Trommel vor. Der Behälterkörper wird um die horizontale Achse gedreht, um eine Vieleckfläche oben anzuordnen, um das Einlegen und Entnehmen eines Substrats zu ermöglichen, während die anderen Substrate noch bearbeitet werden.
Noch eine weitere Variation sieht die anzubringenden Substrate an den Außenflächen der inneren Vielecktrommel vor, die nun die Kathode ist, und der Behälterkörper wird zur Anode. Diese Anordnung ermöglicht, dass die Kathodentrommel zum leichten Einlegen und Entnehmen der Substrate vom Elektrolyten angehoben wird.
Betriebsbedingungen
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein periodisches Gegenpotential und/oder ein Stromimpuls oder ein unstetiger Impulsstrom zum Substrat geliefert, um die Massenübertragungs-Grenzschichtdicke und die Korngröße des abgeschiedenen Materials zu steuern. Der periodische Gegen- und Impulsstrom/das periodische Gegen- und Impulspotential verbessert auch die Abscheidungsdickengleichmäßigkeit. Die Prozessbedingungen für sowohl die Abscheidungsstufe als auch die Auflösungsstufe können eingestellt werden, um das gewünschte Abscheidungsprofil, gewöhnlich eine gleichmäßige, flache Oberfläche, bereitzustellen. Im Allgemeinen wird das Plattieren/die Abscheidung mit einer relativ niedrigen Stromdichte für ein relativ langes Intervall durchgeführt, da eine niedrige Stromdichte die Abscheidungsgleichmäßigkeit fördert, und die Auflösung wird mit einer relativ hohen Stromdichte für ein relativ kurzes Intervall durchgeführt, da eine hohe Stromdichte zu einer sehr ungleichmäßigen Verteilung führt, die abgeschiedene Spitzen bevorzugt abschert oder auflöst.
Für eine vorbestimmte Korngröße wird ein Stromimpuls mit einer höheren negativen Stromdichte für eine kurze Zeit (zwischen etwa 50 mA/cm² und etwa 180 mA/cm² für etwa 0,1 bis 100 ms) angelegt, um eine anfängliche Schicht von Kupferabscheidungen einer Kernbildung zu unterziehen, gefolgt von einer konstanten Stromdichte, die für ein langes Intervall (zwischen etwa 5 mA/cm² und etwa 80 mA/cm² für bis zu einigen Minuten) angelegt wird, um die Abscheidung fortzusetzen. Die Länge des Abscheidungsintervalls kann gemäß der Abscheidungsrate eingestellt werden, um die gewünschte Abscheidungsdicke über der Substratoberfläche zu erzielen.
Um Gräben, Kontaktlöcher oder andere Verbindungsstrukturen mit hohem Seitenverhältnis vollständig zu füllen, kann ein Stromumkehr- oder Auflösungsintervall angewendet werden, um eine gewisse Auflösung des abgeschiedenen Metalls zu erreichen. Das Auflösungsintervall wird vorzugsweise bei einer Stromdichte angewendet, die viel höher ist als die Stromdichte des Abscheidungsstroms, jedoch für ein kurzes Zeitintervall, um eine Nettoabscheidung sicherzustellen. Das Auflösungsintervall kann einmal oder periodisch während eines Abscheidungsprozesses angewendet werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Das Abscheidungsintervall kann in eine Anzahl von kurzen Intervallen, gefolgt von einer entsprechenden Anzahl von noch kürzeren Auflösungsintervallen, unterteilt werden, um Verbindungsstrukturen mit hohem Seitenverhältnis vollständig zu füllen. Dann wird eine konstante Abscheidungsstromdichte angelegt, um eine gleichmäßige Abscheidungsdicke über das Feld zu erzielen. Typischerweise umfasst ein Abscheidungszyklus eine Abscheidungsstromdichte zwischen etwa 5 mA/cm² und etwa 40 mA/cm², gefolgt von einer Auflösungsstromdichte zwischen etwa 5 mA/cm² und etwa 80 mA/cm². Der Abscheidungszyklus wird wiederholt, um eine vollständige, hohlraumfreie Füllung von Strukturen mit hohem Seitenverhältnis zu erzielen, und wahlweise wird eine Endanlegung der Abscheidungsstromdichte angewendet, um eine gleichmäßige Feldabscheidungsdicke über die Substratplattierungsoberfläche auszubilden. Alternativ kann der Stromumkehr/Auflösungs-Zyklus durch Vorsehen einer konstanten Gegenspannung anstelle einer konstanten Gegenstromdichte erreicht werden.
Da der Widerstandssubstrateffekt während des Beginns des Plattierungszyklus dominiert, wird eine relativ niedrige Stromdichte, vorzugsweise etwa 5 mA/cm², während der anfänglichen Plattierung angelegt. Die niedrige Stromdichte sieht eine sehr konforme Plattierung im Wesentlichen gleichmäßig über der Plattierungsoberfläche vor, und die Stromdichte wird allmählich erhöht, wenn die Abscheidungsdicke zunimmt. Keine Stromumkehr für die Auflösung wird auch während der Anfangsstufe des Plattierungsprozesses angewendet, so dass für die Metallkeimschicht kein Risiko besteht, aufgelöst zu werden. Wenn jedoch eine Stromumkehr für Vorgalvanisierungs- oder Kernbildungszwecke eingeführt wird, wird die Gegenstromdichte mit einem niedrigen Betrag angelegt, um sicherzustellen, dass keine merkliche Metallkeimschicht aufgelöst wird.
Wahlweise ermöglicht ein Entspannungsintervall zwischen dem Abscheidungsintervall und dem Auflösungsintervall die Wiederherstellung von verarmten Konzentrationsprofilen und sieht auch verbesserte Abscheidungseigenschaften vor. Ein Entspannungsintervall, bei dem kein Strom/keine Spannung angelegt wird, zwischen dem Abscheidungsintervall und dem Auflösungsintervall ermöglicht beispielsweise, dass der Elektrolyt zu optimalen Bedingungen für die Prozesse zurückkehrt.
Vorzugsweise werden die Vibrationsfrequenz, die Impuls- und/oder periodische Gegenplattierung, der Hilfselektroden-Strom/die Hilfselektroden-Spannung und die Elektrolytströmung alle für optimale Abscheidungseigenschaften synchronisiert. Ein Synchronisationsbeispiel besteht darin, eine Vibration nur während des Abscheidungsintervalls vorzusehen, so dass die Grenzdiffusionsschicht während der Abscheidung minimiert wird, und um die Vibration während des Auflösungsintervalls zu beseitigen, so dass die Auflösung unter einer Massentransportsteuerung vor sich geht.
Um die Haftung des Metalls an der Keimschicht während der Plattierung zu verbessern, wird eine sehr kurze Vorgalvanisierung mit hoher Stromdichte am Beginn des Plattierungszyklus angewendet. Um mit Blasen in Zusammenhang stehende Defekte zu minimieren, muss die Vorgalvanisierung kurz sein und die Stromdichte darf Werte nicht übersteigen, bei denen sich Wasserstoff entwickelt. Diese Stromdichte, die vorzugsweise zwischen etwa 100 mA/cm² und etwa 1000 mA/cm² liegt, entspricht einem Überpotential, das –0,34 V (kathodisch) gegenüber der Bezugselektrode nicht übersteigt. Ein separater Vorgalvanisierungsprozess unter Verwendung eines anderen Elektrolyten kann für die Haftung des Metallplattierungsmaterials erforderlich sein. Separates Vorgalvanisieren kann in einer separaten Zelle mit anderen Elektrolyten oder in derselben Zelle durch Einleiten und Abführen von verschiedenen Elektrolyten durchgeführt werden. Die für das separate Vorgalvanisieren verwendeten Elektrolyten sind typischerweise in der Metallkonzentration mehr verdünnt und können sogar ein Ausgangsgemisch auf Cyanidbasis sein.
Die Metallkeimschicht unterliegt einer Auflösung im Elektrolyten durch die Austauschstromdichte des Elektrolyten (etwa 1 mA/cm² für Kupfer). Beispielsweise können 150 nm (1500 Å) Kupfer in etwa 6 Minuten in einem Elektrolyten ohne angelegten Strom aufgelöst werden. Um das Risiko zu minimieren, dass die Keimschicht im Elektrolyten aufgelöst wird, wird eine Spannung an das Substrat angelegt, bevor das Substrat in den Elektrolyten eingeführt wird. Alternativ wird der Strom sofort angelegt, wenn das Substrat mit dem Elektrolyten in Kontakt kommt. Wenn ein Abscheidungsstrom an die Substratplattierungsoberfläche angelegt wird, wird die Metallkeimschicht vor der Auflösung im Elektrolyten geschützt, da der Abscheidungsstrom über die Gleichgewichts-Austauschstromdichte des Elektrolyten dominiert.
Die Erfindung stellt auch die Elektroplanarisierung an Ort und Stelle während der periodischen Gegenplattierung bereit. Vorzugsweise werden sowohl Abscheidungs- als auch Auflösungsschritte während eines einzelnen Impulses oder einer Folge von schnellen Impulsen integriert, so dass am Ende des Prozesses die Gräben, Kontaktlöcher und andere Verbindungsstrukturen vollständig gefüllt und planarisiert sind. Der elektrochemische Planarisierungsschritt umfasst das Anlegen einer hohen Stromdichte während der Auflösung. Eine Auflösungs-Gegenstromdichte von etwa 300 mA/cm² wird beispielsweise für etwa 45 Sekunden als elektrochemischer Planarisierungsschritt angelegt, der zu einer im Wesentlichen flachen Oberfläche mit nur einer restlichen Vertiefung von etwa 0,03 μm führt. Diese elektrochemische Planarisierung verringert den Bedarf für chemisch-mechanisches Polieren (CMP) wesentlich und kann sogar den Bedarf für CMP bei einigen Anwendungen beseitigen.
Chemie
Ein Elektrolyt mit einer hohen Kupferkonzentration (z.B. > 0,5 M und vorzugsweise zwischen 0,8 M und 1,2 M) ist vorteilhaft, um Massentransportbegrenzungen zu beseitigen, die bei der Plattierung von Submikrometer-Strukturen angetroffen werden. Insbesondere da Submikrometer-Strukturen mit hohen Seitenverhältnissen typischerweise nur eine minimale oder keine Elektrolytströmung darin ermöglichen, beruht der Ionentransport nur auf Diffusion, um Metall in diesen kleinen Strukturen abzuscheiden. Eine hohe Kupferkonzentration von vorzugsweise etwa 0,8 M oder mehr im Elektrolyten verbessert den Diffusionsprozess und beseitigt die Massentransportbegrenzungen, da der Diffusionsfluss im Betrag zur Volumenelektrolytkonzentration proportional ist. Eine bevorzugte Metallkonzentration liegt zwischen etwa 0,8 und etwa 1,2 M. Im Allgemeinen gilt, je höher die Metallkonzentration ist, desto besser; man muss jedoch vorsichtig sein, um sich nicht der Löslichkeitsgrenze zu nähern, bei der das Metallsalz ausfällt.
Der herkömmliche Kupferplattierungselektrolyt umfasst eine hohe Schwefelsäurekonzentration (etwa 1 M), um eine hohe Leitfähigkeit für den Elektrolyten bereitzustellen. Die hohe Leitfähigkeit ist erforderlich, um die Ungleichmäßigkeit in der Abscheidungsdicke zu verringern, die durch die Zellenanordnung von herkömmlichen Kupferelektroplattierungszellen verursacht wird. Die vorliegende Erfindung (einschließlich der Zellenanordnung) sieht jedoch eine gleichmäßigere Stromverteilung vor. In dieser Situation ist eine hohe Säurekonzentration für die Abscheidungsgleichmäßigkeit schädlich, da die Widerstandssubstrateffekte durch einen stark leitenden Elektrolyten verstärkt werden. Ferner erfordert der Auflösungsschritt während des periodischen Gegenzyklus eine relativ niedrige Elektrolytleitfähigkeit, da ein stark leitender Elektrolyt eine Ungleichmäßigkeit infolge der hohen Gegenstromdichte fördern kann. Die Anwesenheit eines Unterstützungselektrolyten, z.B. Säure oder Base, senkt auch die Ionenmassentransportraten, die, wie vorstehend erläutert, für eine Plattierung mit guter Qualität wesentlich sind. Eine niedrigere Schwefelsäurekonzentration sieht auch eine höhere Kupfersulfatkonzentration aufgrund der Beseitigung des üblichen Ioneneffekts vor. Insbesondere für die lösliche Kupferanode minimiert ferner eine niedrigere Säurekonzentration die schädliche Korrosion und Materialstabilitätsprobleme. Folglich zieht die Erfindung eine Elektroplattierungslösung mit keiner Säure oder sehr niedrigen Säurekonzentrationen in Betracht. Vorzugsweise liegt die Schwefelsäurekonzentration im Bereich von 0 (Abwesenheit) bis etwa 0,2 M. Außerdem kann eine reine oder relativ reine Kupferanode in dieser Anordnung verwendet werden.
Zusätzlich zu Kupfersulfat zieht die Erfindung andere Kupfersalze als Kupfersulfat wie z.B. Kupfergluconat und Kupfersulfamat, die eine hohe Löslichkeit und andere Vorteile bieten, sowie Salze wie z.B. Kupfernitrat, Kupferphosphat, Kupferchlorid und dergleichen in Betracht.
Die Erfindung zieht auch die Zugabe von anderen Säuren als Schwefelsäure in den Elektrolyten in Betracht, um für eine bessere Komplexbildung und/oder Löslichkeit für die Kupferionen und das Kupfermetall zu sorgen, was zu verbesserten Abscheidungseigenschaften führt. Diese Verbindungen umfassen Anthranilsäure, Essigsäure, Zitronensäure, Milchsäure, Sulfamidsäure, Ascorbinsäure, Glycolsäure, Oxalsäure, Benzoldisulfonsäure, Weinsäure und/oder Äpfelsäure.
Die Erfindung zieht auch Additive in Betracht, um einen asymmetrischen Anodenübertragungskoeffizienten (α) und Kathodenübertragungskoeffizienten (β) zu erzeugen, um die Füllung der Strukturen mit hohem Seitenverhältnis während des Gegenplattierungszyklus zu verbessern.
Ultrareines Wasser kann auf die Substratplattierungsoberfläche eingeleitet werden, um eine vollständige Benetzung der Substratplattierungsoberfläche sicherzustellen, die den Elektroplattierungsprozess in die kleinen Strukturen verbessert. Dampf kann auch verwendet werden, um die Substratplattierungsoberfläche vorab zu benetzen.
Oberflächenaktive Mittel verbessern die Benetzung durch Verringern der Oberflächenspannung der Lösung. Oberflächenaktive Mittel, die von der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen werden, umfassen: Natriumxylolsulfonat, Polyether (Polyethylenoxid), Carbowax, Natriumbenzoat, ADMA8-Amin, Adogen, Alamin, Amaizo, Brij, Crodesta, Dapral, Darnyl, Didodecylmethylpropansultain, Dowex, Empol, Ethomeen, Ethomid, Enordet, Generol, Grilloten, Heloxy, Hexadecyltrimethylammoniumbromid, Hyamin, Hysoft, Igepal, Neodol, Octadecylbenzylpropansultain, Olcylbetain, Peganat, Pluronic, Polystep, Span Surfynol, Tamol, Tergitol, Triton, Trilon, Trylox, Unithox, Varonic, Varamid, Zonyl, Benzylmethylpropansultain, Alykl- oder Arylbetain, Alkyl- oder Arylsultain.
Planiermittel verbessern die Abscheidungsdickengleichmäßigkeit. Aufheller verbessern das Reflexionsvermögen der Abscheidungsoberfläche durch Verbessern der Gleichmäßigkeit der kristallinen Struktur. Kornverfeinerer erzeugen kleinere abzuscheidende Körner. Planiermittel, Aufheller und Kornverfeinerer können für den von der Erfindung bereitgestellten Elektrolyten mit wenig Säure und viel Kupfer speziell zubereitet und optimiert werden. Beim Optimieren dieser Verbindungen zur Verwendung bei der Erfindung müssen auch die Effekte des periodischen Gegenstroms berücksichtigt werden. Planiermittel, Aufheller und Kornverfeinerer, die von der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen werden, umfassen:
anorganische Nebenkomponenten von Salzen von Se, As, In, Ga, Bi, Sb, Tl oder Te; und/oder
organische Nebenkomponenten, die ausgewählt sind aus (einzeln oder in Kombination): Acetyl-Coenzym; Aminothiolen, Acrylamin; Azofarbstoffen; Alkanthiolen, Alloxazin; 2-Aminopyrimidin; 2-Amino-1,3,4-thiadiazol; Aminomethylthiadiazol; 2-Aminothiadiazol; 3-Amino-1,2,4-triazol; Benzalaceton, Benzopurpurin; Benzophenon, Benzotriazol, Hydroxylbenzotriazol, Betizyldenaceton, Benzoesäure, Benzoilessigsäureethylester, Borsäure, Cacodylsäure, Corcumin Pyonin Y; Carminsäure; Zimtaldehyd, Cocobetain oder Decylbetain, Cetylbetain, Cystein; DETAPAC; 2',7'-Dichlorfluorescein; Dextrose, Dicarbonaminosäuren; Dipeptiddiaminosäure (Carnsin = Betaalanylhystadin), 5-p-Dimethylaminbenzylidenrhodamin, 5-(p-Dimethylaminobenzyliden)-2-thiobarbitursäure, Dithizon, 4-(p-Ethoxyphenylazo)-m-phenylendiamin, ethoxyliertem Tetramethyldecyndiol, ethoxylierten quaternären Ammoniumsalzen, Ethylbenzoilacetat, ethoxyliertem Betanaphthol, EDTA, Evan Blue; Diethylentriaminpentaessigsäure oder -salzen, Diethylentriaminpentaacetat, Pentanatriumsalz, Glucamin, Glycerolverbindungen, Diglycin, d-Glucamin, Triglycin, Glycogen, Gluteraldehyd, Glutaminsäure, ihren Salzen und Estern (MSG), Natriumglucoheptonat, Hydroxylbenzotriazol, Hydroxysuccinimid, Hydantoin, 4-(8-Hydroxy-5-chinolylazo)-1-naphthalinsulfonsäure, p-(p-Hydroxyphenylazo)benzolsulfonsäure, Insulin, Hydroxybenzaldehyd, Imidazolin; Lignosulfonaten; Methionin; Mercaptobenzimidazolen; Martius Yellow; 2-Methyl-1-p-tolyltriazen; 3-(p-Nitrophenyl)-1-(p-phenylazophenyl)triazen; 4-(p-Nitrophenylazo)resorcinol, 4-(p-Nitrophenylazo)-1-naphthol, OCBA – Orthochlorbenzaldehyd, Phenylpropiolsäure, Polyoxyethylenalkoholen, quaternären ethoxylierten Ammoniumalkoholen und ihren vollsauren Estern, Polyethylenimin, Phosphalipiden, Sulfasalicylsäure, linearem Alkylsulfonat, Sulfacetamid, Solochromcyanin; Zuckern; Sorbitol, Natriumglucoheptonat, Natriumglycerophosphat, Natriummercaptobenzotriazol, Tetrahydropyranylamiden, Thiocarbonsäureamiden, Thiocarbonyl-di-imidazol; Thiocarbamid, Thiohydantoin; Thioninacetat, Thiosalicylsäure, 2-Thiolhistadin, Thionin, Thiodicarb, Thioglycolsäure, Thiodiglycolen, Thiodiglycolsäure, Thiodipropionsäure, Thoglycerol, Dithiobenzoesäure, Tetrabutylammonium, Thiosulfon, Thiosulfonsäure; Thionicotinamid, Thionylchlorid oder -bromid; Thioharnstoff; TIPA; Tolyltriazol, Triethanolamin; Tri-benzylamin; 4,5,6-Triaminopyrimidin; Xylolcyanol.
Obwohl sich das Vorangehende auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung richtet, können andere und weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung erdacht werden, ohne von deren grundlegendem Schutzbereich abzuweichen. Der Schutzbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche, die folgen, festgelegt.

Claims

Vorrichtung zur elektrochemischen Abscheidung eines Metalls auf einem Substrat (48) mit einer Substratplattierungsoberfläche (54), aufweisend: a) einen Substrathalter (44), der dazu ausgelegt ist, das Substrat (48) in einer Position zu halten, in der die Substratplattierungsoberfläche einem Elektrolyten in einem Elektrolytbehälter (42) ausgesetzt ist; b) eine Kathode (52), die die Substratplattierungsoberfläche (54) elektrisch kontaktiert; c) wobei der Elektrolytbehälter (42) einen Elektrolyteinlass (50), einen Elektrolytauslass (74) und eine Öffnung, die dazu ausgelegt ist, die Substratplattierungsoberfläche (54) aufzunehmen, aufweist; d) eine Anodenanordnung (90), die mit dem Elektrolyten elektrisch verbunden ist und innerhalb des Elektrolytbehälters (42) angeordnet ist; und e) eine Pumpe (51) zum Leiten des Elektrolyten vom Einlass (50) in Richtung der Substratplattierungsoberfläche (54); wobei die Anodenanordnung (90) aufweist: f) ein Metall (92), das innerhalb einer porösen Umhüllung (94) angeordnet ist; und g) eine Elektrode (96), die zwischen die Umhüllung (94) hindurch und in elektrischer Verbindung mit dem Metall (92) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Substrathalter aufweist: i) eine Vakuumaufspannvorrichtung (44) mit einer Substratstützfläche (46); und ii) einen Elastomerring (62), der um die Substratstützfläche (46) angeordnet ist, wobei der Elastomerring einen Umfangsteil des Substrats (48) berührt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Substrathalter ferner aufweist: iii) einen oder mehrere Blasenfreisetzungskanäle (81) mit einer oder mehreren Öffnungen benachbart zu einer Kante der Substratstützfläche (46).
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Substrathalter aufweist: i) eine Vakuumaufspannvorrichtung (44) mit einer Substratstützfläche (46); und ii) eine Gasblase (64), die um die Substratstützfläche angeordnet ist, wobei die Gasblase dazu ausgelegt ist, einen Umfangsteil des Substrats (48) zu berühren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Metall (92) ein Material oder mehrere Materialien aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Metallpellets, Metalldrähten und Metallteilchen besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kathode (52) ein Kathodenkontaktelement aufweist, das an einem Umfangsteil der Substratplattierungsoberfläche (54) angeordnet ist, wobei das Kathodenkontaktelement eine Kontaktfläche aufweist, die dazu ausgelegt ist, die Substratoberfläche elektrisch zu kontaktieren.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Kathodenkontaktelement eine radiale Anordnung von Kontaktstiften (56) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Kathode ferner einen Widerstand (58) aufweist, der mit jedem Kontaktstift (56) in Reihe geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Kathode (52) ferner einen Sensor (60) aufweist, der über jeden Widerstand (58) geschaltet ist, um den durch den Widerstand fließenden Strom zu überwachen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Kathodenkontaktelement ferner eine nicht-plattierende Beschichtung auf einer oder mehreren Oberflächen, die dem Elektrolyten ausgesetzt sind, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Elektrolytauslass (74) durch einen Spalt zwischen einer ersten Oberfläche am Substrathalter (44), die sich von der Substratplattierungsoberfläche (54) radial nach außen erstreckt, und einer Oberfläche des Elektrolytbehälters (42) festgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Spalt eine Spaltbreite zwischen etwa 1 mm und etwa 30 mm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche ferner aufweist: eine Steuerelektrode (84), die in elektrischem Kontakt mit dem Elektrolyt angeordnet ist, wobei die Steuerelektrode dazu ausgelegt ist, eine einstellbare elektrische Leistung zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 13 mit: einem Vibrator, der am Substrathalter (44) befestigt ist, wobei der Vibrator dazu ausgelegt ist, eine Vibration in einer oder mehreren Richtungen auf den Substrathalter zu übertragen; wobei der Elektrolytauslass (74) des Elektrolytbehälters (42) durch einen Spalt zwischen einer ersten Oberfläche, die sich von der Substratplattierungsoberfläche (54) radial nach außen erstreckt, und einer Oberfläche des Elektrolytbehälters festgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Steuerelektrode (84) außerhalb des Elektrolytbehälters (42) und in elektrischem Kontakt mit einem ausströmenden Elektrolyt im Elektrolytauslass (74) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Steuerelektrode (84) eine Anordnung von Elektrodensegmenten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner umfasst: einen Vibrator, der am Substrathalter (44) befestigt ist, wobei der Vibrator eine Vibration auf den Substrathalter überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Vibrator dazu ausgelegt ist, den Substrathalter (44) in einer oder mehreren Richtungen in Vibrationen zu versetzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner aufweist: ein Drehstellglied, das am Substrathalter (44) befestigt ist, wobei das Drehstellglied dazu ausgelegt ist, eine Drehung des Substrats um eine zentrale Achse durch das Substrat vorzusehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner aufweist: einen Hülseneinsatz, der an einem oberen Teil des Elektrolytbehälters (42) angeordnet ist, wobei der Hülseneinsatz die Öffnung des Elektrolytbehälters festlegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner aufweist: eine Strömungseinstellvorrichtung (110), die an einem oberen Teil innerhalb des Elektrolytbehälters (42) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner aufweist: ein Gasmesser, um eine Gasströmung über die waferplattierungsoberfläche (54) zu liefern, um restlichen Elektrolyten zu entfernen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner aufweist: eine Waferfangvorrichtung, die an einem oberen Teil innerhalb des Elektrolytbehälters (42) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner aufweist: eine Bezugselektrode, die dazu ausgelegt ist, die Kathode (52) und die Anode (90) zu überwachen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner umfasst: eine Spüllösungszuführung, die selektiv mit dem Elektrolyteinlass (50) verbunden wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner umfasst: Gasblasen-Ablenkflügel, die innerhalb des Elektrolytbehälters (42) angeordnet sind, um Gasblasen in Richtung einer Elektrolytbehälter-Seitenwand abzulenken.
Verfahren zum elektrochemischen Abscheiden eines Metalls auf einem Substrat, aufweisend: a) Vorsehen einer elektrochemischen Abscheidungszelle mit: a1) einem Substrathalter (44); a2) einer Kathode (52), die eine Substratplattierungsoberfläche elektrisch kontaktiert; a3) einem Elektrolytbehälter (42) mit einem Elektrolyteinlass, einem Elektrolytauslass und einer Öffnung, die dazu ausgelegt ist, eine Substratplattierungsoberfläche aufzunehmen; und a4) einer Anodenanordnung (90), die mit einem Elektrolyt elektrisch verbunden ist und eine poröse Umhüllung (94), ein Metall (92), das innerhalb der Umhüllung (94) angeordnet ist, und eine Elektrode (96), die durch die Umhüllung (94) hindurch und in elektrischer Verbindung mit dem Metall (92) angeordnet ist, aufweist; b) Anlegen von elektrischer Leistung an die Kathode (52) und die Anode (90); c) Leiten eines Elektrolyten, damit er die Substratplattierungsoberfläche berührt; d) Vorsehen einer Steuerelektrode (84) in elektrischem Kontakt mit dem Elektrolyt der elektrochemischen Abscheidungszelle; und e) Einstellen der elektrischen Leistung, die durch die Steuerelektrode (84) während der Abscheidung geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Schritt des Anlegens einer elektrischen Leistung an die Kathode und die Anode aufweist: 1) Anlegen einer Kathodenstromdichte zwischen etwa 5 mA/cm² und etwa 40 mA/cm² für etwa 1 Sekunde bis etwa 240 Sekunden.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Schritt des Anlegens einer elektrischen Leistung an die Kathode und die Anode ferner aufweist: 2) Anlegen eines Auflösungsgegenstroms zwischen etwa 5 mA/cm² und etwa 80 mA/cm² für etwa 0,1 Sekunden bis etwa 100 Sekunden.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Schritt des Anlegens einer elektrischen Leistung an die Kathode und die Anode ferner aufweist: 2) Anlegen eines Auflösungsgegenstroms zwischen etwa 5 mA/cm² und etwa 80 mA/cm² für etwa 0,1 Sekunden bis etwa 100 Sekunden; 3) Anlegen einer Kathodenstromdichte zwischen etwa 5 mA/cm² und etwa 40 mA/cm² für etwa 1 Sekunde bis etwa 240 Sekunden; und 4) Wiederholen von Schritt 2 und Schritt 3.