CN107955958A - 晶圆的金属电镀装置 - Google Patents

Abstract

一种晶圆的金属电镀装置，包括：电镀容器，所述电镀容器用于容纳电镀液；晶圆基座，所述晶圆基座设置于所述电镀容器的第一侧，所述晶圆基座用于固定晶圆的表面朝向所述电镀容器内部；阳极电极，所述阳极电极位于所述电镀容器的第二侧，所述第一侧和第二侧相对设置；高电阻虚拟阳极，位于所述电镀容器内且位于所述阳极电极与所述晶圆基座之间，其中，所述高电阻虚拟阳极在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值。本发明方案可以提高电镀形成的金属薄膜的均匀性。

Description

晶圆的金属电镀装置

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其是涉及一种晶圆的金属电镀装置。

背景技术

在半导体制造工艺中，可以通过导电引线电连接至晶圆，采用电镀工艺沉积金属至晶圆上图案化的沟槽内而形成金属层(又称为金属薄膜)中的金属线，例如形成铜金属线(又称为铜金属导线)，或者银金属线(又称为银金属导线)。

现有的一种金属电镀装置可以包括用于容纳电镀液的电镀容器，连接外电源的负极并且放置晶圆的晶圆基座、连接外电源的正极的阳极电极。具体地，采用外电源向所述阳极电极施加电压，所述阳极电极发生氧化反应形成金属离子(例如铜离子、银离子等)，所述金属离子在晶圆的表面被还原成金属原子并沉积形成金属层。

由于在晶圆表面沉积金属层的速率与电流密度的大小正向相关，并且容易发生终端效应(Terminal Effect)。在现有技术中，存在一种采用高电阻虚拟阳极(HighResistance Virtual Anode，HRVA)降低终端效应的方案，其中，所述高电阻虚拟阳极又可以称为流体扩散板。

然而，在现有技术中，仍然存在一定程度的终端效应，金属薄膜的均匀性仍需进一步改善。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种晶圆的金属电镀装置，可以提高电镀形成的金属薄膜的均匀性。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种晶圆的金属电镀装置，包括：电镀容器，所述电镀容器用于容纳电镀液；晶圆基座，所述晶圆基座设置于所述电镀容器的第一侧，所述晶圆基座用于固定晶圆的表面朝向所述电镀容器内部；阳极电极，所述阳极电极位于所述电镀容器的第二侧，所述第一侧和第二侧相对设置；高电阻虚拟阳极，位于所述电镀容器内且位于所述阳极电极与所述晶圆基座之间，其中，所述高电阻虚拟阳极在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值。

可选的，所述晶圆的金属电镀装置还包括：阳离子膜，所述阳离子膜位于所述晶圆基座与所述阳极电极之间。

可选的，所述高电阻虚拟阳极在中心区域的厚度小于在边缘区域的厚度。

可选的，所述高电阻虚拟阳极的厚度从最外缘至中心逐渐降低。

可选的，相比于所述高电阻虚拟阳极在边缘区域的厚度，所述高电阻虚拟阳极在中心区域的厚度降低的百分比为0.1％至20％。

可选的，所述高电阻虚拟阳极具有多个穿通的孔洞，所述高电阻虚拟阳极在中心区域的孔洞的孔径大于在边缘区域的孔洞的孔径。

可选的，所述高电阻虚拟阳极的孔洞的孔径从最外缘至中心逐渐增加。

可选的，相比于所述边缘区域的孔洞的孔径，所述中心区域的孔洞的孔径增加的百分比为0.1％至20％。

可选的，所述高电阻虚拟阳极的中心区域和边缘区域由不同材料制成，所述中心区域的材料的电阻率小于边缘区域的材料的电阻率。

可选的，所述晶圆的金属电镀装置还包括：外电源，所述外电源位于所述电镀容器外，且所述外电源的正极与所述阳极电极电连接，所述外电源的负极与所述晶圆基座电连接。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

在本发明实施例中，提供一种晶圆的金属电镀装置，包括：电镀容器，所述电镀容器用于容纳电镀液；晶圆基座，所述晶圆基座设置于所述电镀容器的第一侧，所述晶圆基座用于固定晶圆的表面朝向所述电镀容器内部；阳极电极，所述阳极电极位于所述电镀容器的第二侧，所述第一侧和第二侧相对设置；高电阻虚拟阳极，位于所述电镀容器内且位于所述阳极电极与所述晶圆基座之间，其中，所述高电阻虚拟阳极在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值。采用上述方案，通过在金属电镀装置中，设置高电阻虚拟阳极在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值，可以使得在中心区域的高电阻虚拟阳极的电阻加晶圆边缘到晶圆中心的电阻之和接近于边缘区域的高电阻虚拟阳极的电阻，从而使得晶圆中心位置的电流密度接近于晶圆边缘位置的电流密度，进而使晶圆中心位置的金属沉积速度接近于晶圆边缘位置的金属沉积速度，有助于使晶圆中心位置电镀形成的金属层的厚度与晶圆边缘位置的金属层的厚度趋于一致，提高电镀形成的金属薄膜的均匀性。

进一步，通过设置高电阻虚拟阳极在中心区域的厚度小于在边缘区域的厚度，实现所述高电阻虚拟阳极在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值。在本发明实施例中，通过降低高电阻虚拟阳极在中心区域的厚度或者增加高电阻虚拟阳极在边缘区域的厚度，可以使得高电阻虚拟阳极在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值，有助于提高电镀形成的金属薄膜的均匀性。

进一步，通过设置高电阻虚拟阳极在中心区域的孔洞的孔径大于在边缘区域的孔洞的孔径，实现所述高电阻虚拟阳极在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值。在本发明实施例中，通过增加高电阻虚拟阳极在中心区域的孔洞的孔径或者减小高电阻虚拟阳极在边缘区域的孔洞的孔径，可以使得高电阻虚拟阳极在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值，有助于提高电镀形成的金属薄膜的均匀性。

进一步，所述高电阻虚拟阳极的中心区域和边缘区域由不同材料制成，所述中心区域的材料的电阻率小于边缘区域的材料的电阻率。在本发明实施例中，通过在中心区域采用低电阻率的材料，在边缘区域采用高电阻率的材料，可以使得高电阻虚拟阳极在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值，有助于提高电镀形成的金属薄膜的均匀性。

附图说明

图1是现有技术中一种晶圆的金属电镀装置的工作场景示意图；

图2是现有技术中一种高电阻虚拟阳极的俯视图；

图3是现有技术中一种高电阻虚拟阳极的剖视图；

图4是本发明实施例中一种晶圆的金属电镀装置的工作场景示意图；

图5是本发明实施例中一种高电阻虚拟阳极的剖视图；

图6是本发明实施例中另一种高电阻虚拟阳极的剖视图。

具体实施方式

在现有技术中，存在一定程度的终端效应，金属薄膜的均匀性需要进一步改善。

参照图1，图1是现有技术中一种晶圆的金属电镀装置的工作场景示意图。所述金属电镀装置可以包括电镀容器100、晶圆基座102、阳极电极104以及高电阻虚拟阳极110。

其中，所述电镀容器100可以用于容纳电镀液。

具体地，所述电镀液可以根据拟电镀金属的种类进行选择，例如当拟电镀金属为铜时，电镀液可以包括硫酸铜溶液；当拟电镀金属为银时，电镀液可以包括硫酸银溶液。

所述晶圆基座102可以设置于所述电镀容器100的第一侧，所述晶圆基座102用于固定晶圆108的表面朝向所述电镀容器100内部。

所述阳极电极104可以位于所述电镀容器100的第二侧，所述第一侧和第二侧相对设置。

具体地，所述阳极电极104可以根据拟电镀金属的种类进行选择，例如当拟电镀金属为铜时，阳极电极104可以为铜电极；当拟电镀金属为银时，阳极电极104可以为银电极。

在具体实施中，通过外电源106向所述阳极电极104施加电压，所述阳极电极104发生氧化反应形成金属离子(例如铜离子、银离子等)，所述金属离子在晶圆基座102上的晶圆108的表面被还原成金属原子并沉积形成金属层。

其中，所述外电源106可以位于所述电镀容器100外，且所述外电源106的正极与所述阳极电极104电连接，所述外电源106的负极与所述晶圆基座102电连接。

需要指出的是，在晶圆108表面沉积金属层的速率与电流密度的大小正向相关，并且容易发生终端效应。具体地，确定电镀容器100的中心区域电镀液的电阻121与晶圆108的边缘到晶圆108的中心的电阻123的阻值之和，并与电镀容器100的边缘区域电镀液的电阻131的阻值进行比较，由于电阻121与电阻131阻值极为接近，因此电阻121与电阻123的阻值之和大于电阻131的阻值，也即晶圆108的中心位置电流密度小于晶圆108的边缘位置的电流密度，从而导致晶圆108的中心位置的金属沉积速度小于晶圆108的边缘位置的金属沉积速度，也即在晶圆108的中心位置的金属层的厚度小于在晶圆108的边缘位置的金属层的厚度。

为了降低终端效应，可以采用所述高电阻虚拟阳极110。其中，所述高电阻虚拟阳极110可以位于所述电镀容器100内且位于所述阳极电极104与所述晶圆基座102之间。

具体地，由于高电阻虚拟阳极110的电阻的阻值高于其他电阻的阻值，因此可以使晶圆108的中心位置的金属层与在晶圆108的边缘位置的金属层的厚度差下降。

更具体而言，确定高电阻虚拟阳极110的中心区域的电阻125、电阻121以及电阻123的第一阻值之和，并与高电阻虚拟阳极110的中心区域的电阻135以及电阻131的第二阻值之和进行比较，由于电阻125与电阻135阻值相近，并且均远大于电阻121、电阻123以及电阻131，因此第一阻值之和与第二阻值之和的差异降低。进一步地，也即晶圆108的中心位置电流密度与晶圆108的边缘位置的电流密度的差异得以降低，从而使晶圆108的中心位置的金属层与在晶圆108的边缘位置的金属层的厚度差下降。

结合参照图2和图3，图2是现有技术中一种高电阻虚拟阳极的俯视图；图3是现有技术中一种高电阻虚拟阳极的剖视图。所述高电阻虚拟阳极210具有多个穿通的孔洞211。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述孔洞211彼此隔离且并不在高电阻虚拟阳极210内形成互连的通道。

然而在现有技术中，即使采用高电阻虚拟阳极210，仍然存在一定程度的终端效应，金属薄膜的均匀性仍需进一步改善。

本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，难以无限制的提高所述高电阻虚拟阳极的阻值，因此晶圆的中心位置电流密度与晶圆的边缘位置的电流密度的差异依然存在，难以精确地降低金属层的厚度差。

在本发明实施例中，提供一种晶圆的金属电镀装置，包括：电镀容器，所述电镀容器用于容纳电镀液；晶圆基座，所述晶圆基座设置于所述电镀容器的第一侧，所述晶圆基座用于固定晶圆的表面朝向所述电镀容器内部；阳极电极，所述阳极电极位于所述电镀容器的第二侧，所述第一侧和第二侧相对设置；高电阻虚拟阳极，位于所述电镀容器内且位于所述阳极电极与所述晶圆基座之间，其中，所述高电阻虚拟阳极在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值。采用上述方案，通过在金属电镀装置中，设置高电阻虚拟阳极在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值，可以使得在中心区域的高电阻虚拟阳极的电阻加晶圆边缘到晶圆中心的电阻之和接近于边缘区域的高电阻虚拟阳极的电阻，从而使得晶圆中心位置的电流密度接近于晶圆边缘位置的电流密度，进而使晶圆中心位置的金属沉积速度接近于晶圆边缘位置的金属沉积速度，有助于使晶圆中心位置电镀形成的金属层的厚度与晶圆边缘位置的金属层的厚度一致，提高电镀形成的金属薄膜的均匀性。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参照图4，图4是本发明实施例中一种晶圆的金属电镀装置的工作场景示意图。

所述金属电镀装置可以包括电镀容器400、晶圆基座402、阳极电极404以及高电阻虚拟阳极410。

其中，所述电镀容器400可以用于容纳电镀液。

所述晶圆基座402可以设置于所述电镀容器400的第一侧，所述晶圆基座402用于固定晶圆408的表面朝向所述电镀容器400内部。

所述阳极电极404可以位于所述电镀容器400的第二侧，所述第一侧和第二侧相对设置。在一个非限制性的例子中，所述第一侧可以位于电镀容器400的顶部，所述第二侧可以位于电镀容器400的底部。

所述高电阻虚拟阳极410可以位于所述电镀容器400内且位于所述阳极电极404与所述晶圆基座402之间，其中，所述高电阻虚拟阳极410在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值。

需要指出的是，图4示出的高电阻虚拟阳极410在中心区域的厚度小于在边缘区域的厚度，以实现高电阻虚拟阳极410在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值。然而实现高电阻虚拟阳极410在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值的方式不限于此。

进一步地，可以通过外电源406向所述阳极电极404施加电压，所述外电源406可以位于所述电镀容器400外，且所述外电源406的正极可以与所述阳极电极404电连接，所述外电源406的负极可以与所述晶圆基座402电连接。

进一步地，所述晶圆的金属电镀装置还可以包括阳离子膜409，所述阳离子膜409可以位于所述晶圆基座402与所述阳极电极404之间。

在具体实施中，所述阳离子膜409的作用为阻隔晶圆408与阳离子膜409之间的非阳离子，避免所述非阳离子移动至阳极电极404一端，甚至附着在阳极电极404上，影响金属离子的氧化反应。其中，所述非阳离子例如可以为使金属离子更加均匀形成薄膜的添加剂离子。

更进一步地，所述阳离子膜409可以位于所述高电阻虚拟阳极410与所述阳极电极404之间，从而为非阳离子保留更多空间。

参照图5，图5是本发明实施例中一种高电阻虚拟阳极的剖视图。

其中，所述高电阻虚拟阳极510具有多个穿通的孔洞511，各个孔洞511的孔径在允许的误差范围内相等，高电阻虚拟阳极510在中心区域的厚度小于在边缘区域的厚度。

在本发明实施例中，通过设置高电阻虚拟阳极510在中心区域的厚度小于在边缘区域的厚度，可以实现所述高电阻虚拟阳极510在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值。

进一步地，所述高电阻虚拟阳极510的厚度可以设置为从最外缘至中心逐渐降低。

具体地，所述从最外缘至中心逐渐降低的降低方式可以为均匀降低、呈弧线形降低或者呈抛物线形降低。

进一步地，相比于所述高电阻虚拟阳极510在边缘区域的厚度，所述高电阻虚拟阳极510在中心区域的厚度降低的百分比可以根据具体制造工艺而设置，以通过降低厚度使得高电阻虚拟阳极510在某一区域上的电阻降低量接近于晶圆408(参照图4)对应的区域至晶圆边缘的电阻，也即通过降低高电阻虚拟阳极510在中心区域的电阻，以抵消晶圆408的边缘到晶圆408的中心的电阻。其中，当所述某一区域位于高电阻虚拟阳极510的中心区域时，所述晶圆408的边缘到晶圆408的中心的电阻可以视为图1示出的电阻123。

作为一个非限制性的例子，所述厚度降低的百分比可以为0.1％至20％。

在本发明实施例中，通过降低高电阻虚拟阳极510在中心区域的厚度，或者增加高电阻虚拟阳极510在边缘区域的厚度，可以使得高电阻虚拟阳极510在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值，有助于提高电镀形成的金属薄膜的均匀性。

参照图6，图6是本发明实施例中另一种高电阻虚拟阳极的剖视图。所述高电阻虚拟阳极610具有多个穿通的孔洞611，所述高电阻虚拟阳极610在中心区域的孔洞611的孔径大于在边缘区域的孔洞611的孔径。

在本发明实施例中，通过设置高电阻虚拟阳极610在中心区域的孔洞611的孔径大于在边缘区域的孔洞611的孔径，实现所述高电阻虚拟阳极610在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值。

进一步地，所述高电阻虚拟阳极610的孔洞的孔径从最外缘至中心逐渐增加。

具体地，所述从最外缘至中心逐渐增加的增加方式可以为均匀增加或者非均匀增加。

进一步地，相比于所述边缘区域的孔洞611的孔径，所述中心区域的孔洞611的孔径增加的百分比可以根据具体制造工艺而设置，以通过增加孔径使得高电阻虚拟阳极610在某一区域上的电阻降低量接近于晶圆408(参照图4)对应的区域至晶圆边缘的电阻，也即通过降低高电阻虚拟阳极610在中心区域的电阻，以抵消晶圆408的边缘到晶圆408的中心的电阻。其中，当所述某一区域位于高电阻虚拟阳极610的中心区域时，所述晶圆408的边缘到晶圆408的中心的电阻可以视为图1示出的电阻123。

作为一个非限制性的例子，所述孔径增加的百分比可以为0.1％至20％。

在本发明实施例中，通过增加高电阻虚拟阳极610在中心区域的孔洞611的孔径，或者减小高电阻虚拟阳极610在边缘区域的孔洞611的孔径，可以使得高电阻虚拟阳极610在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值，有助于提高电镀形成的金属薄膜的均匀性。

在本发明实施例的又一种具体实施方式中，所述高电阻虚拟阳极的中心区域和边缘区域可以由不同材料制成，所述中心区域的材料的电阻率可以小于边缘区域的材料的电阻率。

优选地，可以采用多种材料拼接的方式制成所述高电阻虚拟阳极，以使得高电阻虚拟阳极的单位面积的电阻率从最外缘至中心逐渐减小，例如包括均匀减小或者非均匀减小。

具体地，所述高电阻虚拟阳极的材料可以选自具有抗酸腐蚀性能的材料，所述抗酸腐蚀性能的材料例如可以包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯以及聚砜。

在本发明实施例中，通过在中心区域采用高电阻率的材料，在边缘区域采用低电阻率的材料，可以使得高电阻虚拟阳极在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值，有助于提高电镀形成的金属薄膜的均匀性。

需要指出的是，上述本发明实施例的三种具体实施方式可以结合使用。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种晶圆的金属电镀装置，其特征在于，包括：

电镀容器，所述电镀容器用于容纳电镀液；

晶圆基座，所述晶圆基座设置于所述电镀容器的第一侧，所述晶圆基座用于固定晶圆的表面朝向所述电镀容器内部；

阳极电极，所述阳极电极位于所述电镀容器的第二侧，所述第一侧和第二侧相对设置；

高电阻虚拟阳极，位于所述电镀容器内且位于所述阳极电极与所述晶圆基座之间，其中，所述高电阻虚拟阳极在中心区域的单位面积阻值小于在边缘区域的单位面积阻值。

2.根据权利要求1所述的晶圆的金属电镀装置，其特征在于，还包括：

阳离子膜，所述阳离子膜位于所述晶圆基座与所述阳极电极之间。

3.根据权利要求1所述的晶圆的金属电镀装置，其特征在于，

所述高电阻虚拟阳极在中心区域的厚度小于在边缘区域的厚度。

4.根据权利要求3所述的晶圆的金属电镀装置，其特征在于，所述高电阻虚拟阳极的厚度从最外缘至中心逐渐降低。

5.根据权利要求3所述的晶圆的金属电镀装置，其特征在于，

相比于所述高电阻虚拟阳极在边缘区域的厚度，所述高电阻虚拟阳极在中心区域的厚度降低的百分比为0.1％至20％。

6.根据权利要求1所述的晶圆的金属电镀装置，所述高电阻虚拟阳极具有多个穿通的孔洞，其特征在于，

所述高电阻虚拟阳极在中心区域的孔洞的孔径大于在边缘区域的孔洞的孔径。

7.根据权利要求6所述的晶圆的金属电镀装置，其特征在于，所述高电阻虚拟阳极的孔洞的孔径从最外缘至中心逐渐增加。

8.根据权利要求6所述的晶圆的金属电镀装置，其特征在于，

相比于所述边缘区域的孔洞的孔径，所述中心区域的孔洞的孔径增加的百分比为0.1％至20％。

9.根据权利要求1所述的晶圆的金属电镀装置，其特征在于，

所述高电阻虚拟阳极的中心区域和边缘区域由不同材料制成，所述中心区域的材料的电阻率小于边缘区域的材料的电阻率。

10.根据权利要求1至9任一项所述的晶圆的金属电镀装置，其特征在于，还包括：外电源，所述外电源位于所述电镀容器外，且所述外电源的正极与所述阳极电极电连接，所述外电源的负极与所述晶圆基座电连接。