TWI288441B - Uniform current distribution for ECP loading of wafers - Google Patents

Description

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【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種在半導體積體電路的製造中用以 沉積金屬層於半導體晶圓基材上的電化學電鍍 (Eleetirochemical Plating; ECP)裝置與製程。特別是有關於 在載入晶圓至ECP裝置時使均勻電流分佈於晶圓的Ecp裝 置與方法。 【先前技術】 在半導體積體電路的的製造中，金屬導線係用以内連接 在半導體晶圓上之元件電路上的多個組件。用於沉積金屬導 線圖案於半導體晶圓上之一般製程包括有在矽晶圓基材上 之導電層的"L積，使用標準微影技術以所需之金屬導線圖案 的形式形成光阻或如氧化鈦或氧切之其他罩幕；使晶圓基 材經過乾式㈣製程來移除未被罩幕覆蓋之導電層區域 而留下之形狀為被罩幕覆蓋之導線圖案的導電層；以及使用 :應式電聚和氣氣來移除罩幕層’因而曝露出金屬導線的上 =臭t地？電和絕緣材料之多重交替層係依序沉積於 由在絕緣層上姓刻出介層窗㈣或開口， 連接，在曰ΐτ、他材料填充至介層窗來建立導電層間的電性 雷®上不同階層之導電層可相互電性相連接一起。 θ '儿積或電鍍金屬於晶圓基材上的技術近來已被对Α 疋在積體電路和平面面板顯 材上之相•有〇: 器的裝造中沉積導電層在基 田有“的技術。此電沉積製程已被用來達到 5 1288441 具有平滑、平整或均勻之上表面之銅或其他金屬層的沉積。 因此’目前許多努力都集中在電鍍硬體和化學的設計，以達 到均勻地分佈在整個基材表面和可填補或共形於小元件特 徵之高品質薄膜或材料層。銅被發現是特別有利於做為電鍍 金屬。 在積體電路的應用上’電鑛銅比電鍍鋁具有多個優點。 銅比鋁的電阻低，因此能夠具有較高的操作頻率。又，銅比 銘更此抵抗電致遷移（Electr〇migration; EM)。因為具有高電 流密度和/或低抗電致遷移的電鍍鋁電路，在金屬内連接上 有產生孔隙或開路的傾向，故前述之電鍍銅特點提供半導體 元件可靠度的全面提升❶這些孔隙或開路可導致元件失效 燒機。 典型之標準或習知的電鍵系統包括具有可調式電流源 的標準電料元、容納有電解電鍍液（通常是硫酸銅溶液） 的電鍍浴容器、及沉浸於電解液中之銅陽極和陰極。此陰極 包括有欲被金屬電鍍的半導體晶圓。接觸環典型地將晶：安 裝在陰極上。陽極和陰極二者通常係藉由適當的導線而連接 在電鍍系統的操作上’電流源施加選定的電壓電位於陽 極和陰極之間。此電位產生環繞陽極和陰極的電場，此電場 影響到在溶液中之銅離子的分佈。在典型的電鑛銅應用中， 可施加約0.1至20伏特的電麼電位和約〇1至2〇安抖的電 流在陽極和陰極與晶圓間大約2分鐘的時間。因此，告來自 銅陽極的電子在晶圓和硫酸銅鍍液的介面間還原硫：銅電 6 1288441 鍍液中的銅離子，以在晶圓上形成銅電鍍時，銅在陽極處被 氧化。 於陽極上所發生的銅氧化反應係以下列之反應式來描 述：

Cu^Cu+++2ee 氧化過的銅陽離子反應生成物形成在具有電鍍液中之 硫酸陰離手之溶液中的硫酸銅離子。

Cu+++S04 -->Cu++S04- 在晶圓上’係經由陽極通過線路所獲得的電子還原硫酸 鋼電鍍液中之銅陽離子，以電鍍還原銅至晶圓上。

Cu+++2e"-> Cu §銅層 >儿積在晶圓上時，例如使用電化學電鍵，在進行 電化學電鍍銅製程前，銅層必須先沉積在如沉積在晶圓上之 鋼的金屬晶種層上。晶種層可以任何不同方法（如物理氣相 沉積和化學氣相沉積）施加在基材上。典型地，金屬晶種層 (約50-1500埃厚）比沉積在半導體晶圓基材上的金屬導電 層薄。 習知之電化學電鍍技術典型地係利用硫酸做為電鍍浴 液中的電鍵化學品。此溶液可更包括如氣離子之添加物和平 整劑（Leve㈣、以及分別增加或減少電鍍製速率的加速劑 和抑制劑。基材上之鋼沉積速率、及金屬化品質與其 之電性和機械特性大都取決於在電鍍浴液中之此些有機添 加物的濃度。 然而’使用硫酸做為電錄化學品的缺點之—為硫酸損壞 7 1288441 銅晶種層和造成不良間β ^ . 永真充的傾向。改善這種現象的方法 - 需在沉浸晶圓於電鍍液之益& 1 夺 之别施加一偏壓電流至晶圓上。當沉

- 次日日圓時，電流源與陽極和险拢A 和哈極間的電路是封閉的，且電鍍 製程開始進行。然而，若雷敗♦ 屬路處開路的狀態太久，此預先施 加的偏壓會啟動電鍍機台邈韶 s報聲開啟。又，當晶圓進入至電 鍵液時也會引起之電流穿、、由、生 电爪大波造成局部缺陷以及不均勻的電 , 鍍。 ， 因此，需要一種電化學雪Μ φ ^ C予電鍍之裝置與方法，以在載入晶 圓至電化學電鐘裝置上 衣罝上時使均勻電流分佈於晶圓上。 【發明内容】 本發明之目的係在於提供一種新穎的電化學電鍍裝 置，藉以在載人晶圓至ECP溶液時，使均句電流分佈於晶 圓上。ECP裝置包括用以容鈉電化學電鍍液之電鍍浴容器。 ECP裝置更包括有用以支持晶圓並電性連接至電流源之陰 極環。電流源進一步連接至位於電鍍浴容器中的陽極。在： 極環和晶圓被載人於電㈣容器中之前，電流源施加電壓電 、位於陽極和陰極環之間。在載入晶圓至電鍍液中時，在晶圓 -浸入電鍍液之前，陰極環先沉浸於電鍍液中。因此，在晶圓 沉浸於電鑛液時，實質上具有肖勻電流密度之電流係分佈於 晶圓表面，因而提昇金屬電鍍均勻度並減少電鍍金屬中的缺 陷。 ' 本發明的另一目的係在於提供一種新穎的ECP方法， 藉以在載入晶圓至ECP溶液時，使均句電流分佈於晶圓 8 1288441 上。此ECP方法包括提供具有電鍍浴容器之ECP裝置、署 於容器中<ECP溶液、沉浸於溶液内之陽極、陰極環、ί 性連接至陽極和陰極環之電流源；支持晶圓至陰極環上 加實質電壓電位至陽極和，施 和^極％,以及在沉浸晶圓至 溶液前，沉浸陰極環至、、六 尸 t衣主ECP溶液中’以產生陽極和 間的電鍍電流。 ^ 【實施方式】 本發明提出提供-種新穎的電化學電鍍裝置，藉以 入晶圓至ECP溶液時’使均勻電流分佈於晶圓上。在晶圓 沉浸於電鍍液時，具有實質之均句電流密度的電流係分佈於 晶圓表面，因而提昇金屬電鍍均句度並減少電鍍金屬中的缺 陷。 、 ECP裝置包括有用以容鈉電化學電鍍液之電鍍浴容 器、設置於電鍍浴容器中的陽極、以及用以支持晶圓的陰極 環。電流源係電性連接至陽極和陰極環。在陰極環和晶圓被 載入於電鍍浴容器中之前，電流源施加電壓電位於陽極和陰 極環之間。在後續之載入晶圓至電鍍液中時，陰極環係在晶 圓浸入電鍍液之前先沉浸於電鍍液中，以建立陽極和陰極環 間的電鍍電流。因此，在後續之沉浸晶圓於溶液時，具有實 質均勻之電流後度的電流係分佈於晶圓表面，因而提昇金屬 電鍍均勻度並減少電鍍金屬中的缺陷。 本發明更提供一種新穎的ECP方法，藉以在載入晶圓 至ECP溶液時，使均勻電流分佈於晶圓上。依照此方法， 9 1288441 包括提供具有電鍍浴容器之ECP裝置、置於容器中之Ecp 溶液、沉浸於溶液内之陽極、陰極環、以及電性連接至陽極 和陰極環之電流源。晶圓係被支持至陰極環上，而電流源施 加電鍍電流至陽極和陰極環間。然後，在沉浸晶圓至Ecp 溶液前’陰極環係被沉浸至ECP溶液中，以建立陽極和陰 極環間的電鍍電流。 本發明之電鍍裝置可與用做電解液的任何配方一起使 用，例如銅、铭、鎳、鉻、鋅、錫、金、銀、錯以及锅電錢 液等。本發明並且適用於與包含有欲電鍍於基材上之金屬混 σ物的電鑛液一起使用來。此電解液較佳為銅合金電锻液， 更佳為銅電鍍液。典型的習知銅電鍍液配方係為習於此技藝 之人士所熟知，其包括，但不受限於，電解液和一或多個銅 離子源。 適合的電解液包括，但不受限於，硫酸、醋酸、氟硼酸、 甲烷磺酸、乙烷磺酸、三氟曱烷磺酸、苯基磺酸、甲基磺酸、 質子酸、鹽酸、填酸以及其他相似物。此些酸化合物典型地 呈現在電鍍液中的濃度範圍係介於約1與約300 g/L之間。 此些酸化合物更可包含如氣化物離子之齒化物離子源。適合 的銅離子源，包括，但不受限於硫酸銅、氣化銅、醋酸鋼、 硝酸銅、氟化硼銅、甲烷磺酸銅、苯基磺酸銅以及質子酸鋼。 此些銅離子源典型地呈現在電鑛液中的濃度範圍係介於約 10與約300 g/L之間。 適合實現本發明之其他電化學電鍍製程條件包括有典 型地從約0 rpm至約500 rpm的電鍵轉速，典型地從約〇·2 1288441 mA/cm至約80 mA/cm2的電鍍電流；典型地從約〇 1至約 20伏特的電鍍電壓以及典型地從約攝氏1〇度至約攝氏w

度的電鍍液溫度。假如透過化學機械平坦化（chemiM

Mechanical Planarizati〇n; CMp)之電鍍金屬的平坦度是必 須的，則可以典型約5 mm〇1/L至約5m〇1/L的濃度加入平整 劑至電鍍電溶液中。 請先參照第1圖至第4圖，本發明之Ecp裝置的較佳 實施例係以第3圖和第4圖之參考號碼22來表示。Ecp裝 置22包括有適用以容鈉ECP電鍍液26之電鍍浴容器24。 陽極3G係設置於電鍵浴容器24中，並在ECP裝置22的使 用期間沉浸於ECP電鐘液26中，其將更進—步描述於下。 ECP裝置22更包括有陰極環1〇，此陰極環詳細的構造將進 步描述於下。陰極豸1G係適用以在晶圓36載人至Ecp 電鍍液j6中時支持晶圓36。電流源28係透過線路32電性 連接至陽極，並透過線路34連接至陰極環1G，且施加電壓 ，於陽極30和陰極環1〇之間’使金屬層（未缘示）電化學 >儿積在晶圓36上，此過程將描述於下。 Μ π第圖和第2圖所示，陰極環包括具有中心環狀開口 本體12。多個晶圓支持梢16係典型地從環狀太 12向夕h ϋ /由·、士，丨 假 這二晶圓支持梢16係以彼此相距的關係環繞 環狀開口 14。環狀凸緣18係從環狀本體12的外緣向外延 伸陰極環1〇為導體材質，例如銅、鉑、鈦或鈕。 士如第3圖和第4圖所示，於ECP裝置22之典型操作上， 電流源28係透過線路32電性連接至陽極％，並透過線路 11 1288441 34電性連接至陰極環1〇(通常至環形凸緣1 液26係製儀於電鍍浴容器24中 )直:CP電鍍 支持梢16所支持。 6係為直立之晶圓 約。ΓΓΓ。:0牲％至ECP電鍍液26之前’電流源28施加 電壓電跨越陽極3G和陰極環…接著， 陰極裱10下降至Ecp電鍍液26中。於 心電鍍液26之前，陰極環1〇先接觸到心：3液62進二 圓3;沉浸於ECP電锻液26之前，電流… 呤極心Γ至約80mA/cm2的電鍍電流跨越陽極3〇和 因此，當晶圓36沉浸於Ecp電鍍液^中時， 圖所示’電鍍電流係實質地均句分佈於晶圓％之表 在金屬於ECP電鍛液26中的陽極3Q處氧化並在 曰曰固36表面上還原時，造成具有晶圓％上之實 =著降低之局部缺陷的金屬層(未緣示完成ECPW 過程從ECP電鑛液26中將陰極環1()和晶圓^舉起。 接下來請參照第5圖至第8圖’本發明之Ecp裝置的 另一個較佳實施例係以參考號碼22a來表示。⑨ECp裝置 =上，電流源28係電性連接至陽極3〇和陰極環4〇^第 人I古圖所不’陰極環4G係典型的同心環結構，並包 =環狀邊緣部44之環狀本體42,用以定義出中央環形 二杜/%狀基座46從環狀邊緣部44向外延伸。承載杯 載著環狀本體42β與環狀邊緣部44呈同心圓關 、％狀密封構件5G係、被承載杯構件52所支持。如第8 圖所不力如下所描述之ECp裝置仏的操作中當環狀 12 1288441 邊緣部44支持菩士 體密封於ECP電：液26和時^ 电镀夜26和部分之晶圓54間。 如第7圖和第8圖所示，於Ecp裝 電流源28係透過線路32 Μ * 3;電性連接至陰極〜至其環:基座^ 44和:::=鑛浴容器24中。晶圓54係為環狀邊緣部 W極衣40的環狀密件構件50所支持。 施加Γ Εί：Ρ 26中之前’電流源28 4〇。接著承巷=2〇伏特的電壓電跨越陽極3〇和陰極環 中。在^鬥^ 下降陰極環4〇至ECP電錄液26 "、進入至ECP電鑛液26之前，陰極環40先接 L P電鍍液26。於是，在晶圓54進入ECP電鍍液26 刖電/爪源28實質上施加約〇·2 mA/em2至約8〇瓜

=電鍵電流跨越陽極30和陰極環4〇。接著，當晶圓Μ沉 冗ECP電鍵液26中時，如第8圖所示，電鑛電流係實質 地均勾分佈於晶圓54之表面上。此在Ecp電鍍液％中之 金屬於陽極30處氧化並在晶圓54表面上還原時，於晶圓 54上造成具有實質均勻之厚度和顯著降低之局部缺陷的金 屬層（未、’會示）。在元成ECP處理過程後，從Ecp電鑛液2ό 中將陰極環40和晶圓54舉起。 第9圖係繪示概述依照本發明之ecp方法所實施之循 序步驟的流程圖。於步驟i，提供具有電鍍浴容器之ECP 裝置、於電鍵浴容器中具有Ecp溶液、沉浸於Ε^ρ溶液中 之陽極、陰極環及電性連接至陽極和陰極環之電流源。於步 13 1288441 驟2中，支持晶圓於陰極環上。於步驟3，施加電鑛電流至 陽極和陰極環上。於步驟4，沉浸陰極環於ECP溶液中。 於步驟5,持續下降陰極環至ECp溶液中，目而導致晶圓 沉浸於ECP溶液中。 雖然本發明已以一些較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範 圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 點如 優明 、 說 徵細 特詳 、 之 的式 目圖 他附 其所 和， 述懂 上易 之顯 1明明 明發更 說本能 單讓例 簡 j 夂為施 圖 實： ί 與下 第1圖係繪示依照本發明之裝置之一實施例之陰極環 的俯視示意圖。 第2圖係由第1圖中之切線2_2觀之之陰極環的橫剖面 示意圖。 第3圖係繪示依照本發明之一實施例之電化學電鍍 (ECP)裝置的示意圖，其中此ECP裝置包含第1圖和第2 圖所示的陰極環，特別練示出在沉浸陰極環和由陰極環所支 持的晶圓至ECP溶液之前，施加電壓電位至陰極環。 第4圖係繪示陰極環和晶圓沉浸於ECP溶液中後之第 3圖所示之裝置的示意圖。 第5圖係繪示依照本發明裝置之又一較佳實施例之 1288441 ECP裝置之陰極環的俯視示意圖。 第6圖係由第1圖中之切線6-6觀之之陰極環的橫剖面 示意圖。 第7圖係繪示依照本發明之再一較佳實施例之Ecp麥 置的示意圖，其中此ECP裝置包含第5圖和第6圖所示^ 陰極環，特別繪示出在沉浸陰極環和由陰極環所支持的晶圓 至ECP溶液之前，施加電壓電位至陰極環。 第8圖係繪示陰極環和晶圓沉浸於Ecp溶液中後之第 7圖所示之ECP裴置的示意圖。 :9圖係綠示依照本發明之Ecp方法之依序實行的步

主要元件符號說明】 :陰極環 14:環狀開口 18 :環狀凸緣 22a:電化學電鍍裝置 26 :電鍍液 3〇 :陽極 3 4 ·線路 4〇 :陰極環 44 :環狀邊緣部 48 :環狀開口 52 :承载杯構件 12 :環狀本體 16 :晶圓支持梢 22 :電化學電錄裝置 24 :電鍍浴容器 28 :電流源 32 :線路 3 6 ·晶圓 42 :環狀本體 46 :環狀基座 50 :環狀密封構件 54 ·晶圓 15 1288441 步驟 1 :提供具有陰極環之電化學電鍍裝置 2 :將晶圓支持於陰極環上 3 :施加電鍍電流至陰極環 4:浸入陰極環至電鍍液中 5 :沉浸晶圓至電鍍液中

Claims (1)

1288441 十、申讀:專利範國 1· 一種電化學電鍍（Electrochemical Plating; ECP)裝置， 至少包含： 一電鍍浴容器，用以容納一電鍍液； 一陽極，設置於該電鍵浴容器中； 一陰極環，用以支持於該電鍍浴容器中之一晶圓；以及 一電流源’電性連接至該陽極和該陰極環。 2·如申請專利範圍第1項所述之電化學電鍵裝置，其中 該陰極環至少包含： 一環狀本體，具有一環狀開口；以及 一環狀凸緣，係自該環狀本體延伸出來。 3·如申睛專利範圍第2項所述之電化學電鍵裝置，更至 少包含： 複數個晶圓支持梢，係自該環狀本體延伸出來，用以支 持該晶圓。 4. 如申請專利範圍第3項所述之電化學電鍍裝置，其中 該電流源係電性連接至該環狀凸緣。 5. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電鑛裝置，其中 該陰極環至少包含： 17 1288441 一環狀本體，I女 w. 具有一環狀開口；以及 一環狀密封構株 ^ 稱件，位於該環狀開口内， 間具有一同心圓關係。 並與該環狀本體

6.如申請專利範圍第 少包含： 5項所述之電化學 電鍍裝置，更至 一承載杯構件，位於該電鍍浴容器中 環至該電鍍浴容器中。 ’用以載入該陰極 5項所述之電化學電鍍裝置，其中 7·如申請專利範圍第 該環狀本體至少包含·· 一環狀邊緣部；以及 環狀基座，自胃冑狀邊緣部向外延伸出來 8.如申請專利範圍第5項所述之電化學電鍵裝置，其中 該電流源係電性連接至該環狀本體。 口 種電化予電鑛方法，藉以分佈一均勻電鑛電流於一 晶圓上’其令該電化學電鍍方法至少包含·· 提供具有一電鍍浴容器之一電化學電鍍裝置、位於該電 鍵/谷谷器中之一電化學電鑛液、沉浸於該電鑛液中之一陽 極 陰極環、及電性連接至該陽極和該陰極環之一電流源； 支持該晶圓於該陰極環上； 施加一電壓電位至該陽極和該陰極環； 18 1288441 /儿/文該陰極環於該電鏡液中；以及 藉由沉浸該晶圓於該電鍍液中，來施加一電鍍電济 晶圓。 10·如申請專利範圍第9項所述之電化學電鍍方法， 該陰極環至少包含： 一環狀本體，具有一環狀開口；以及 一環狀凸緣，係自該環狀本體延伸出來。 u·如申請專利範圍第10項所述之電化學電鍍方法 至少包含： 複數個晶圓支持梢，係自該環狀本體延伸出來； 其中該支持該晶圓於該陰極環上的步驟至少包含·· 支持該晶圓於該些晶圓支持梢。 12·如申請專利範圍第u項所述之電化學電鍍方法 中該電流源係電性連接至該環狀凸緣。 13·如申請專利範圍第9項所述之電化學電鍍方法， 該電壓電位係實質介於0·1與20伏特之間。 14·如申請專利範圍第9項所述之電化學電魏方法， 該電鐘電"il係實質介於〇·2與8〇 mA/cm2之間。 至該 其中 ，更 ，其 其中 其中 1288441 15.—種電化學電鍍方法，萨 晶圓上的方法，至少包含：藉刀佈均勻電鍍電流於， 提供具有一電鍍浴容器之一電 ^ ^ ^ ^ ^ %化予電鍍裝置、位於該電 :’ β —電化學電鍍液、沉浸於該電鍍液中之一陽 極、一陰極環、及電性[皐接s兮 之陽 %〖生連接至該陽極和該陰極環之一 提供一承載杯構件以及支 机"、’ 上； 汉叉待該陰極裱於該承載杯構件 支持一晶圓於該陰極環上； 施加電壓電位至該陽極和該陰極環； 藉由下移該承載杯構件至該電鍍浴容器中 於該電鑛液中；以及 T來，儿該極環 藉由沉浸該晶圓於該電鍍液中，來施加一電鍍電漭 晶圓。 /爪至該 16·如申請專利範圍第15項所述之電化學電鍍方法， 中該陰極環至少包含： ’其 一環狀本體，具有一環狀開口；以及 一環狀密封構件，位於該環狀開口内，並與該環狀本體 間具有一同心圓關係。 17·如申請專利範圍第16項所述之電化學電鍍方法，其 中該環狀本體至少包含： 、 一環狀邊緣部；以及 一環狀基座，自該環狀邊緣部向外延伸出來。 20 1288441 18. 如申請專利範圍第16項所述之電化學電鍍方法，其 中該電流源係電性連接至該環狀本體。 19. 如申請專利範圍第15項所述之電化學電鍍方法，其 中該電壓電位係實質介於〇·1與20伏特之間。 20. 如申請專利範圍第15項所述之電化學電鍍方法，其 中該電鐘電流係實質介於〇·2與80 mA/cm2之間。

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