CN101265606B - 化学电镀沉积装置及形成导电层结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种化学电镀沉积装置及在半导体晶圆上形成导电层结构的方法。上述化学电镀沉积装置包括：化学电镀槽，其具有电镀液池，用以在衬底上沉积金属层；主要阴极与阳极，设置于电镀液池中，用以提供主要电场；衬底固定装置，固定半导体晶圆，且连接该主要阴极；以及辅助阴极，设置于该化学电镀槽外侧，用以提供辅助电场，使得位于该衬底固定装置中央位置的电力线密度与位于其外围周边位置的电力线密度实质上相同。本发明能够在电镀的过程中，在半导体晶圆的中央区域及周围区域形成均匀的电力线分布，从而改善工艺效果及可靠度。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学电镀沉积装置及利用其形成导电层结构的方法，特别涉及一种具有辅助阴极的化学电镀沉积装置及利用其在半导体晶圆上形成导电层结构的方法。
背景技术
传统集成电路中的内连线是以沟槽(trench)及通孔(via hole)的形式呈现的。尤其在深亚微米集成电路技术中，内连线沟槽及通孔是利用镶嵌(damascene)或双镶嵌(dual damascene)工艺形成的。逐步地，铜导线已取代铝导线成为现今超大型集成电路(ULSI)金属化工艺(metallization)的主流。化学电镀沉积(electrochemical deposition，ECD)金属铜已成为镶嵌或双镶嵌工艺的标准步骤，因其具有较大的晶粒(亦即具有较佳电子迁移阻抗)、较低的电阻率及较高的沉积速率。尤其是，电镀工艺特别适合于小尺寸的镶嵌式金属化工艺，这是因为其具有较佳的镀层成长速率控制能力及镀层优越的导电特性。
图1显示传统化学电镀电镀沉积装置100的示意图，其具有晶圆2，镶于衬底基座上。化学电镀反应装置100包括衬底固定装置3固定于旋转轴5上。在化学电镀过程中，晶圆2镶于衬底固定装置3上，然后浸入包括电镀液的电镀池22中。整个电镀液的循环方向如箭头符号13所示，通过泵40提供连续性的循环电镀液，电镀液向上流向晶圆2，然后向外扩张横向流过晶圆2，如箭头符号14所示。电镀液的循环方向是自电镀池22溢流至电镀液储存槽20，如箭头符号10及11所示。电镀液流出储存槽20后，流经过滤器(未图示)后流回泵40，完成整个循环步骤，如箭头符号12所示。直流电源供应器(DC power supply)50提供负极输出以及正极输出，其中的负极电性连接至晶圆2，正极电性连接至电镀池22中的阳极1。在电镀过程中，电源供应器50将偏压施加到晶圆2，从而产生相对于阳极1为负的电压降，使得电荷流动自阳极1流向晶圆2。
图2显示传统化学电镀电镀沉积装置的阳极与阴极间的电力线分布关系示意图。在图2中，半导体晶圆2镶于衬底固定装置3上。电极接触环25通过多个接触引脚(contact pin)25a与半导体晶圆2电性接触。当施加偏压至阳极1与半导体晶圆(阴极)2之间时，阳极与阴极间的电压降形成多条电力线Fc与Fe，Fc与Fe分别表示处于半导体晶圆(阴极)2的中央区域中的电力线与周围区域中的电力线。由于电极接触环25通过多个接触引脚25a与半导体晶圆2电性接触，在半导体晶圆2的周围区域靠近接触引脚25a处造成急剧的电压降，使得靠近接触引脚25a的电力线Fe的密度远比半导体晶圆(阴极)2中央区域的电力线Fc的密度高。然而，靠近接触引脚25a的电力线Fe密度愈高，就导致电流密度愈高，并使得半导体晶圆2的周围区域的沉积厚度愈厚，进而导致在后续工艺中，诱发剥离与颗粒残留。在半导体晶圆上的导电层厚度不均匀，也容易使工艺异常进一步恶化，并且使电阻偏离量更高。
更有甚者，即使施以化学机械研磨(CMP)工艺进行平坦化，在半导体晶圆的周围区域仍有铜残留。因此，在电镀镀件表面形成平坦且厚度均匀的导电层，并且确保在其周边区域无残留是极为重要的。
发明内容
有鉴于此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明实施例提供一种具有辅助阴极的化学电镀沉积(ECP)装置，在电镀的过程中，在半导体晶圆的中央区域及周围区域形成均匀的电力线分布，以改善工艺效果及可靠度。
本发明提供一种化学电镀沉积装置，包括：化学电镀槽，其具有电镀液池，用以在衬底上沉积金属层；阳极与主要阴极，设置于电镀液池中，用以提供主要电场；衬底固定装置，用以固定半导体晶圆，且连接该主要阴极；以及多个辅助阴极，设置于该化学电镀槽外侧，以提供辅助电场，使得位于该衬底固定装置中央位置的电力线密度与位于其外围周边位置的电力线密度实质上相同；第一电源供应器，配置于该阳极与该主要阴极之间；第二电源供应器，配置于该阳极与所述多个辅助阴极之间，其中在电镀时，该第一电源供应器提供第一多阶函数电流，而该第二电源供应器提供第二多阶函数电流；以及多个阴极接触引脚，直接电性接触该主要阴极的周围区域且与所述多个辅助阴极交错设置。
上述化学电镀沉积装置中，所述多个辅助阴极的位置可与该阳极的位置等高。
上述化学电镀沉积装置中，所述多个辅助阴极的位置可与该主要阴极的位置等高。
上述化学电镀沉积装置中，所述多个辅助阴极的位置的高度可介于该阳极的位置与该主要阴极的位置的高度之间。
上述化学电镀沉积装置中，所述多个辅助阴极的材料可包括铜或不锈钢。
上述化学电镀沉积装置还可包括：第一电源供应器，配置于该阳极与该主要阴极之间；以及第二电源供应器，配置于该阳极与所述多个辅助阴极之间。
上述化学电镀沉积装置中，该第一电源供应器可提供第一多阶函数电流，而该第二电源供应器可提供第二多阶函数电流。
上述化学电镀沉积装置中，该第一多阶函数电流可不同于该第二多阶函数电流。
本发明还提供一种在半导体晶圆上的导电层结构，包括：半导体晶圆，其上具有籽晶层，该籽晶层覆盖于一结构上；以及导电层，利用具有辅助阴极的化学电镀沉积装置沉积，所述多个辅助阴极设置于该化学电镀槽外侧，以提供辅助电场使得位于该衬底固定装置中央位置的电力线密度与位于其外围周边位置的电力线密度实质上相同。其中该导电层的晶粒中，位于该半导体晶圆的中央位置的平均晶粒尺寸与位于其外围周边位置的平均晶粒尺寸相比，偏差值约小于3-5％。
本发明又提供一种在半导体晶圆上形成导电层结构的方法，包括：提供半导体晶圆，其上具有籽晶层，该籽晶层覆盖于一结构上；以及利用具有辅助阴极的化学电镀沉积装置沉积导电层，所述多个辅助阴极设置于该化学电镀槽外侧，以提供辅助电场使得位于该衬底固定装置中央位置的电力线密度与位于其外围周边位置的电力线密度实质上相同。在该导电层的晶粒中，位于该半导体晶圆的中央位置的平均晶粒尺寸与位于其外围周边位置的平均晶粒尺寸之间的偏差值约小于3-5％。
上述在半导体晶圆上形成导电层结构的方法中，该沉积导电层的步骤可包括在该阳极与该主要阴极之间提供第一多阶函数电流，以及在该阳极与所述多个辅助阴极之间提供第二多阶函数电流。
上述在半导体晶圆上形成导电层结构的方法中，该第一多阶函数电流可不同于该第二多阶函数电流。
本发明可以改善工艺效果及可靠度。
为使本发明能更明显易懂，下文将特举实施例并配合附图进行详细说明。
附图说明
图1显示传统化学电镀电镀沉积装置的示意图；
图2显示传统化学电镀电镀沉积装置的阳极与阴极间的电力线分布关系示意图；
图3根据本发明实施例的化学电镀沉积装置系统的平面示意图；
图4显示根据本发明实施例的具有辅助阴极的化学电镀沉积装置的示意图；
图5A显示根据本发明实施例的阳极、主要阴极和辅助阴极之间相对位置关系的示意图；
图5B显示根据本发明实施例的阴极接触引脚和辅助阴极之间相对位置关系的示意图；
图6显示在化学电镀过程中不同阶段主要阴极与辅助阴极的电流关系示意图；
图7显示根据本发明实施例的具有辅助阴极的化学电镀沉积装置沉积结果与传统化学电镀沉积装置的沉积结果比较；
图8A和图8B分别显示电力线密度与导电层沉积于半导体晶圆的关系的示意图；以及
图9A至图9D显示金属化工艺填入具多层内连线结构各步骤的剖面示意图。
其中，附图标记说明如下：
现有技术部分(图1～图2)
100～传统化学电镀电镀沉积装置；1～阳极；2～半导体晶圆；3～衬底基座；4～衬底固定装置；5～旋转轴；箭头符号10至14～电镀液的循环方向；20～储存槽；22～电镀槽；40～泵；50～直流电源供应器；25～电极接触环；25a～接触引脚；Fc、Fe～电力线密度。
本发明部分(图3～图9B)
300～化学电镀沉积装置系统；310～承载/卸载装置；320～化学电镀反应槽；340～旋转-清洗-甩干及边角去除腔室；360～快速热退火腔室；380～机械臂；400～化学电镀反应装置；401～阳极；402～半导体晶圆；403～衬底基座；404～衬底固定装置；405～旋转轴；箭头符号410至414～电镀液的循环方向；420～储存槽；422～电镀槽；440～泵；445～第二直流电源供应器；450～第一直流电源供应器；460a、460b、460c～辅助阴极；500～化学电镀沉积装置；501～阳极；502～主要阴极；503～阴极接触引脚；522～化学电镀槽；560～辅助阴极；F～电力线；802～半导体晶圆；805、805a～晶核；810、810a～晶粒；700～半导体衬底；720～金属内连线；725～绝缘层；730～介电层；732～通孔部分；734～沟槽部分；742～阻障层；744～籽晶层；750及750’～电镀铜金属层。
具体实施方式
以下以各实施例详细说明并伴随着附图说明的范例，做为本发明的参考依据。在附图或说明书描述中，相似或相同的部分均使用相同的附图标记。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便的方式来表示。此外，附图中各元件的部分将分别描述说明，值得注意的是，图中未示出或描述的元件，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，另外，特定的实施例仅为揭示本发明使用的特定方式，其并非用以限定本发明。
图3为根据本发明实施例的化学电镀沉积装置系统300的平面示意图。在图3中，化学电镀沉积装置系统300包括承载/卸载(loadlock)装置310、快速热退火腔室(rapid thermal annealing chamber)360、旋转-清洗-甩干(spin-rinse-dry，SRD)及边角去除(edge bevel removal，EBR)腔室340、机械臂380以及一个或多个化学电镀反应槽320。化学电镀液供应系统(未图示)设置于邻近化学电镀沉积装置系统300并且连接至各个化学电镀反应槽320，以提供循环式化学电镀液系统。化学电镀沉积装置系统300还包括控制装置，包括可编程的微处理器，个别的控制输出及输入信号至化学电镀沉积装置系统300的各个装置。半导体晶圆可置于化学电镀反应槽320电镀导电层，并在边角去除(EBR)腔室340去边。
图4显示根据本发明实施例的具有辅助阴极的化学电镀沉积装置的示意图。辅助阴极设置于化学电镀槽外侧，以提供辅助电场，使得位于该衬底固定装置中央位置的电力线密度和位于其外围周边位置的电力线密度实质上相同。请参阅图4，化学电镀沉积装置400内设置晶圆402，晶圆402镶于衬底基座403上并固定于提供旋转运动的旋转轴405上。虽然本发明以简化的化学电镀反应装置举例说明本发明的实施例，然而并非限定本发明的实施，其他具有达成本发明所要达成的效果的化学电镀反应装置也应包括在本发明的范围内。
在化学电镀过程中，晶圆402镶于衬底基座403上，然后浸入包括电镀液的电镀池422中。整个电镀液的循环方向如箭头符号414所示，通过泵440提供连续性的循环电镀液。一般而论，电镀液向上流向晶圆(阴极)402，然后向外扩张横向流过晶圆402。接着，电镀液溢流流出储存槽420，流经过滤器后流回泵440，从而完成整个循环步骤，如箭头符号412所示。
第一直流电源供应器(DC power supply)450提供第一多阶函数电流，其具有负极输出以及正极输出；其中的负极通过一个或多个接触环(slip ring)、电刷(brush)及触点(如图5A、图5B所示)，电性连接至镀件402，而正极则电性连接至电镀池422中的阳极401。辅助阴极406a设置于电镀池422外侧，并提供辅助电场，使得位于该衬底固定装置中央位置的电力线密度与位于其外围周边位置的电力线密度实质上相同。根据本发明实施例，辅助阴极406a的位置与阳极401的位置等高。或者，辅助阴极406b的位置与主要阴极402的位置等高。此外，辅助阴极406c的位置的高度介于阳极401的位置与主要阴极402的位置的高度之间。辅助阴极406a的材料包括纯度超过99％的铜或不锈钢。另外，第二电源供应器445配置于阳极401与辅助阴极406a之间。在电镀过程中，第一电源供应器450将偏压施加于镀件402，产生相对于阳极401为负的电压降。由于辅助阴极406a可辅助产生辅助电场，因此在半导体晶圆的中央区域及周围区域的电场分布实质上相同，半导体晶圆的周围区域无铜残留，并形成表面平坦且厚度均匀的导电层，改善工艺效果及可靠度。
图5A显示根据本发明实施例的阳极、主要阴极和辅助阴极之间相对位置关系的示意图。在图5A中，阳极501与主要阴极502为对向配置。辅助阴极560设置于化学电镀槽外侧。主要电场形成于阳极501与主要阴极502之间。辅助电场形成于阳极501与辅助阴极560之间。在主要电场与辅助电场的共同作用下，使得位于主要阴极502(即半导体晶圆处)中央位置的电力线F密度与位于其外围周边位置的电力线密度实质上相同。
图5B显示根据本发明实施例的阴极接触引脚和辅助阴极之间相对位置关系的示意图。在图5B中，化学电镀沉积装置500包括阴极接触引脚503，阴极接触引脚503与主要阴极502的周围区域直接电性接触。辅助阴极560设置于化学电镀槽522的外侧，并且与阴极接触引脚503交错设置。由于辅助阴极560与阴极接触引脚503交错设置，因而可使主要阴极502(晶圆)的周围区域的电力线密度分布均匀化。
在电镀过程中，电镀槽中正离子的流动方向与正电荷流动方向与电流相同与电子流动方向相反。上述电荷流动导致在晶圆402的表面上发生电化学反应(即Cu2++2e-＝Cu)，因而在半导体晶圆402上沉积金属层例如铜。电镀液中的离子浓度由整个电镀反应循环，例如金属阳极(即Cu＝Cu2++2e-)的溶解而获得平衡。
一般而言，电镀液的组成包括Cu2+、Cl-、SO4 2-或上述离子的任意组合、抑制剂或其他添加物。抑制剂例如是具有长链的高分子聚合物，包括聚醚多元醇(polyether polyol)、聚乙烯乙二醇(polyethylene glycol，PEG)、聚氧乙烯基-聚氧丙基共聚合物(Polyoxyethylene-polyoxypropylene copolymer)。
图6显示在化学电镀过程中不同阶段主要阴极与辅助阴极的电流关系示意图。相对地，第一电源供应器提供第一多阶函数电流，而第二电源供应器提供第二多阶函数电流。特别是，在初期填隙区段，第一多阶函数电流不同于第二多阶函数电流。当在半导体晶圆的结构上沉积导电层时，第一多阶函数电流由初期填隙区段稳定且逐步地增加至块体沉积区段。相对地，第二多阶函数电流在初期填隙区段并不提供电流，而仅在块体沉积区段提供稳定的电流。
图7显示根据本发明实施例的具有辅助阴极的化学电镀沉积装置沉积结果与传统化学电镀沉积装置的沉积结果比较。在图7中，在半导体晶圆的周围区域并无厚度剧增与残留，因此通过设置辅助阴极，可显著且有效地避免边缘残留及改善膜厚整体的均匀性。图8A和图8B分别显示电力线密度与导电层沉积于半导体晶圆的关系的示意图。请参阅图8A，辅助阴极的作用是可使得电力线F的分布均匀化，进而使电镀时，半导体晶圆的中央区域与周围区域的电流密度实质上相同。因此，在半导体晶圆802上，初期整体形成均匀的晶核805，之后成长为尺寸均匀的晶粒810，因而可改善电性的可靠度及避免电迁移(Electromigration，EM)效应。位于该半导体晶圆的中央位置的导电层的平均晶粒尺寸与位于其外围周边位置的导电层的平均晶粒尺寸相比，偏差值约小于3-5％。与传统无辅助阴极的化学电镀沉积装置沉积的导电层相比，在半导体晶圆802的中央区域形成均匀的晶核805，但在其周围区域则形成密且小的晶核805a，因而使半导体晶圆802的周围区域上，成长出晶粒密且厚的导电层，如图8B所示。
图9A至图9D显示金属化工艺填入具有多层内连线结构各步骤的剖面示意图。整体而言，金属化工艺包括：以物理气相沉积法在具有多层内连线结构的衬底上形成阻障层；以物理气相沉积法在阻障层上形成导电籽晶层；以化学电镀法在籽晶层上形成金属层，此金属层填入多层内连线结构中；接着以化学机械研磨去除多层内连线结构上多余的金属层并露出下层的介电层，以定义内连线导电结构。
请参阅图9A，提供半导体衬底700，例如单晶硅晶圆。在半导体衬底700上具有金属导电层720。金属导电层720例如为铜导线，镶于绝缘层725中。绝缘层725例如为氧化硅层。在半导体衬底700上沉积介电层730，并将介电层730图案化，经过图案化的介电层730包括开口部分732及沟槽部分734。
请参阅图9B，阻障层742较佳者为包括钨(W)、氮化钨(WN)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)或氮化钽(TaN)，沉积于介电层730表面上，包括顺应性覆盖开口部分732及沟槽部分734。阻障层742的形成方法包括物理气相沉积法例如溅镀法(sputtering)或反应性溅镀法(reactive sputtering)。阻障层742的功能在于阻绝铜金属层扩散进入半导体衬底及介电层中，可明显的改善元件的可靠度。就高导电性阻障层而言，例如钽较佳的形成方式以低温(＜350℃)物理气相沉积法形成，并在350℃至600℃退火均质化。或者，在温度范围350℃至600℃条件下，直接进行物理气相沉积形成。对亚微米宽度的内连线结构，阻障层的厚度范围大抵介于
接着，以物理气相沉积在阻障层742上形成铜籽晶层744。铜籽晶层744的功能在于为后续电镀铜层提供较佳的结晶位向及附着性。一般而言，铜籽晶层的厚度范围较佳为大抵介于
请参阅图9C，在籽晶层744上形成化学电镀铜金属层750，并将化学电镀铜金属层750填入多层内连线结构中。化学电镀步骤可通过如图4所示实施例具有辅助电极的化学电镀沉积装置400来实施。在以化学电镀来沉积导电层的步骤中，沉积电流范围为介于0.1至100mA/cm2，且沉积温度范围为介于0至50℃。另外，在沉积步骤中，分别在阳极与主要阴极之间提供第一多阶函数电流，而在阳极与辅助阴极之间提供第二多阶函数电流，以避免边缘残留及改善膜厚整体的均匀性。第一多阶函数电流不同于该第二多阶函数电流。导电层的厚度较佳为超过50埃
其晶粒的平均晶粒分布约小于0.2微米(μm)。该导电层位于该半导体晶圆的中央位置的厚度与位于其外围周边位置的厚度之间的偏差值约小于3-5％。
接下来，请参阅图9D，以化学机械研磨平坦化并去除多层内连线结构上多余的金属层750(示于图9C)并露出下层的介电层730，以定义内连线导电结构。在化学机械研磨步骤中，多余部分的金属层750、铜籽晶层744及阻障层742依序被去除，显露出介电层730的表面，从而完成表面平坦的双镶嵌内连线导电结构750′的制作。
本发明虽以较佳实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可做改动与修改，因此本发明的保护范围应以所附权利要求范围为准。
Claims (9)
1.一种化学电镀沉积装置，包括：
化学电镀槽，其具有电镀液池，用以沉积金属层在衬底上；
主要阴极与阳极，设置于电镀液池中，用以提供主要电场；
衬底固定装置，用以固定半导体晶圆，且连接该主要阴极；
多个辅助阴极，设置于该化学电镀槽外侧，用以提供辅助电场，使得位于该衬底固定装置中央位置的电力线密度与位于其外围周边位置的电力线密度实质上相同；
第一电源供应器，配置于该阳极与该主要阴极之间；
第二电源供应器，配置于该阳极与所述多个辅助阴极之间，
其中在电镀时，该第一电源供应器提供第一多阶函数电流，而该第二电源供应器提供第二多阶函数电流；以及
多个阴极接触引脚，直接电性接触该主要阴极的周围区域且与所述多个辅助阴极交错设置。
2.如权利要求1所述的化学电镀沉积装置，其中所述多个辅助阴极的位置与该阳极的位置等高。
3.如权利要求1所述的化学电镀沉积装置，其中所述多个辅助阴极的位置与该主要阴极的位置等高。
4.如权利要求1所述的化学电镀沉积装置，其中所述多个辅助阴极的位置的高度介于该阳极的位置与该主要阴极的位置的高度之间。
5.如权利要求1所述的化学电镀沉积装置，其中所述多个辅助阴极的材料包括铜或不锈钢。
6.如权利要求1所述的化学电镀沉积装置，其中该第一多阶函数电流不同于该第二多阶函数电流。
7.一种在半导体晶圆上形成导电层结构的方法，包括：
提供半导体晶圆，其上具有籽晶层，该籽晶层覆盖于一结构上；以及
利用如权利要求1所述的化学电镀沉积装置沉积导电层，其中该导电层的晶粒中，位于该半导体晶圆的中央位置的平均晶粒尺寸与位于其外围周边位置的平均晶粒尺寸之间的偏差值约小于3-5％。
8.如权利要求7所述在半导体晶圆上形成导电层结构的方法，其中该沉积导电层的步骤包括在该阳极与该主要阴极之间提供第一多阶函数电流，以及在该阳极与所述多个辅助阴极之间提供第二多阶函数电流。
9.如权利要求8所述的在半导体晶圆上形成导电层结构的方法，其中该第一多阶函数电流不同于该第二多阶函数电流。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |