CN102492971B - 用于半导体基片表面进行电镀的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于半导体基片表面进行电镀的装置，包括一个内部盛装有电镀液的电镀槽；一个阳极组置于所述电镀槽的底部并浸没于电镀液中；一个夹持机构夹持被电镀的半导体基片置于所述电镀槽的顶部，并使半导体基片的电镀面面向电镀槽底部的阳极组且浸没于电镀液中；所述阳极组由两个以上不同大小的圆盘型电极上下叠放组成，尺寸较小的圆盘型电极置于尺寸较大的圆盘型电极上方。本发明由多根独立的阳极上下叠放组成电极组，每根电极可独立控制施加电压与电流。单根电极可上下移动，调节每根单独电极与被电镀阴极基片表面的距离，可以有效调节阴极基片表面各处的电流强度，在基片表面沉积厚度均匀的金属层。

Description

用于半导体基片表面进行电镀的装置

技术领域

本发明涉及用于半导体元件制备过程中在晶片表面进行金属电镀沉积的电镀装置，特别涉及一种可有效控制大尺寸圆形基片中心与边缘处电镀金属厚度一致性的电镀装置。

背景技术

在硅片上制备集成电路芯片的过程中，通常需要有多道金属层的沉积过程，这些金属层的主要作用是联接芯片上多个器件。目前，用以沉积金属膜的技术包括有物理气相沉积、化学气相沉积、无电镀沉积（electroless plating）及电镀沉积。由于电镀沉积具有成本便宜以及产出率高的优点，因此随着集成电路制备技术的发展，采用电镀来生成金属层的方式越来越多的得到应用。

所谓电镀，简单的说是指借助外界直流电的作用，在溶液中进行电解反应，使导电体例如金属的表面沉积上一层金属或合金层的过程。比如镀铜，可以用CuSO₄作电解质溶液，要镀的金属接电源负极，电源正极接纯铜，通电后，阴极发生反应：金属铜以离子状态进入镀液，并不断向阴极迁移，最后在阴极上得到电子还原为金属铜，逐渐形成金属铜镀层，其反应为：

阴极：Cu²⁺+2e=Cu

阳极：Cu-2e=Cu²⁺

用来电镀的金属包括铜、镍、金、铅、锡等和一些合金。在进行电镀前，在器件表面需要形成一层薄的金属导电层，通常称作种子层（seed layer）。这种导电的种子层可以在反应器中以电镀的方式形成所期望的较厚金属层。随后的处理过程，例如化学机械研磨，可以去除掉电镀金属层所不需要的部分，从而在集成电路或微系统芯片上形成特征图案。

在集成电路芯片的制备中，一片硅片上通常含有大量的芯片。为了使硅片上的所有芯片获得一致的性能，通过电镀生成的金属薄层的厚度在整片硅片上必须尽量均匀。然而，由于只有硅片的圆周区域与电镀设备相连，通常作为阴极，因此硅片中间与边缘位置的电流密度是不相同的，从而会导致电镀金属在整片硅片不均匀。为解决这个问题，美国专利07435323是在电镀槽的阴极与阳极的电镀液间加装一个扩散器，从而可以控制流向硅片表面的电镀液，以达到调整在硅片表面的电镀金属层厚度的目的。美国专利7147760中，电镀阳极是一种多个同心圆环型结构的叠加，每个圆环可以单独施加电势，从而可以促使硅片表面的电镀沉积金属的厚度更加均匀。上述两种装置虽然在一定程度上可以解决在对硅片进行电镀的过程中，硅片表面电流分布均匀性的问题，但仍然存在电流均匀性控制差，结构复杂等问题。

发明内容

针对上述问题申请人经过研究改进，现提供一种用于半导体基片表面进行电镀的装置，以解决在向大尺寸硅片和其它碟状圆形基片表面电镀金属过程中，圆形基片中心与边缘电镀金属厚度不均匀的问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种用于半导体基片表面进行电镀的装置，包括一个内部盛装有电镀液的电镀槽；一个阳极组置于所述电镀槽的底部并浸没于电镀液中；一个夹持机构夹持被电镀的半导体基片置于所述电镀槽的顶部，并使半导体基片的电镀面面向电镀槽底部的阳极组且浸没于电镀液中；所述阳极组由两个以上不同大小的圆盘型电极上下叠放组成，尺寸较小的圆盘型电极置于尺寸较大的圆盘型电极上方。

其进一步的技术方案为：

所述阳极组由圆盘型的上阳极、下阳极叠放组成，上阳极的直径小于下阳极的直径；所述上阳极的下方连接有上阳极导杆，上阳极托盘从所述上阳极的下部将上阳极托起，与上阳极托盘一体的上阳极导杆保护套套于所述上阳极导杆之外；所述下阳极的下方连接有下阳极导杆，下阳极托盘从所述下阳极的下部将下阳极托起，与下阳极托盘一体的下阳极导杆保护套套于所述下阳极导杆之外。

所述上阳极导杆、下阳极导杆分别与单独的外部阳极电源相连接。

所述上阳极导杆和上阳极导杆保护套从下阳极和下阳极托盘的中心穿过，可在垂直方向上下移动。

所述上阳极导杆内轴向开设有电镀液输入管。

所述电镀槽呈圆柱形，其底部具有供阳极组导杆穿过的开孔，其侧方具有上排放口以及下排放口。

本发明的有益技术效果是：

本发明与传统电镀装置的不同，阳极区域不再是一个单一块状电极，而是由多根独立的阳极上下叠放组成的电极组。这些单根电极置于圆柱形电镀槽的底面上，上下叠放，每根电极可独立与一控制器相连，均可独立控制施加电压与电流。这些单根电极还可上下移动，从而调节每根单独电极与被电镀阴极基片表面的距离，从而可以有效调节阴极基片表面各处的电流强度，在基片表面沉积厚度均匀的金属层。

附图说明

图1是用于电镀的半导体基片的结构示意图。

图2是夹持圆环的结构示意图。

图3是夹持机构的结构示意图。

图4是夹持机构的剖面图。

图5是阳极组的结构示意图。

图6是阳极组的剖面图。

图7是本发明的剖面图。

图中：01 半导体基片    02 种子层          03 夹持圆环 

04 接触圆环      05 连接杆          21 电镀单元上盖 

22 旋转电机      23 旋转盘          31 上阳极托盘

32 上阳极        33 上阳极导杆      34 上阳极导杆保护套 

35 下阳极托盘    36 下阳极          37 下阳极导杆保护套

38 下阳极导杆    39 电镀液输入管    41 夹持机构

42 电镀槽        43 电镀液          44 上排放口 

45 下排放口      46 阳极组      。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明是一种制备集成电路器件过程中使用的电镀沉积装置，如图7所示，整个装置的主体是一个用于盛放电镀液43的电镀槽42；夹持机构41夹持用于电镀的半导体基片01并位于电镀槽42的上方，阳极组46位于电镀槽42的底部。以下分别对夹持机构41和阳极组46的具体结构进行说明：

一、夹持机构：

如图1所示，用于制备集成电路器件的半导体基片01是本发明中被电镀的对象，其表面通过离子溅射形成有一层薄的金属导电层（种子层）02。

将图1中的半导体基片01置于如图2所示的夹持圆环03上，该夹持圆环03由导电材料制成，夹持圆环03 的内侧边缘有一个高低的台阶结构，称为接触圆环04。在放置半导体基片01时，将种子层02与夹持圆环03上的接触圆环04的内表面接触。夹持圆环03上有一个连接杆05。

图2中的夹持圆环03是如图3、图4所示的基片夹持机构的一个组成部分。如图3、图4所示，夹持圆环03通过其上的连接杆05与旋转盘23相联接。旋转盘23上的定位柱与夹持圆环03共同作用，将半导体基片01固定，并使种子层02与夹持圆环03紧密接触。旋转盘23上连接有旋转电机22以及电镀单元上盖21。

二、阳极组：

如图5和图6所示，阳极组是由至少两个圆盘型电极叠放所组成的。本实施例以两个电极（上阳极32、下阳极36）叠放为例，上阳极32叠放在下阳极36上方，上阳极32直径小于下阳极36。上阳极32下面是上阳极托盘31，上阳极导杆33将上阳极32与外部阳极电源相连接，上阳极导杆保护套34套在上阳极导杆33外部起保护作用。上阳极32和上阳极导杆33是一体的，上阳极托盘31和上阳极导杆保护套34是一体的。下阳极36下面是下阳极托盘35，两根下阳极导杆38将下阳极36与外部阳极电源相连，下阳极导杆保护套37套在下阳极导杆38外部起保护作用。下阳极36和下阳极导杆38是一体的，下阳极托盘35和下阳极导杆保护套37是一体的。

上阳极导杆33连同上阳极导杆保护套34一起从下阳极36和下阳极托盘35的中心穿过，上阳极导杆33与上阳极32在垂直方向可上下移动，调整上阳极32与半导体基片01之间的距离。上阳极导杆33内轴向开设有电镀液输入管39。

需要注意的是，尽管本实施例仅提供了由两个圆盘型电极叠放所构成的阳极组，但本发明中阳极组所包含的圆盘型电极数量可不限于两个，叠放个数是可变的。进一步的，当在图5和图6的基础上再叠放一个圆盘型电极时，将该圆盘型电极叠放在上阳极32的上方，并将其导杆从上阳极导杆33中穿过。当需要叠放更多个数的圆盘型电极时，以此类推。

如图7所示，在实际电镀过程中，电镀槽42中装入电镀液43，阳极组46置于电镀槽42的底部，完全浸没于电镀液43中，夹持圆环03夹持半导体基片01，使种子层02也浸入电镀液43中，并面向阳极组46。连接杆05与外部阴极电源相连。电镀液43中的金属正离子在电场作用下向阴极移动，在种子层02表面被还原，形成新的金属层。

如图7所示，阳极组46中的上阳极32和下阳极36均可单独施加电压以及调节高度，上阳极32在上阳极导杆33的作用下可上下移动，调节与种子层02的距离，当距离较短时电镀沉积较快，从而控制种子层02表面相应的电镀沉积速率。阳极组46中的上阳极32和下阳极36可单独与外部阳极电源连接，由此阳极组46中的每根电极可具有不同的电势，通过叠加作用，从而在种子层02表面各点形成均匀一致的电流，最终可以在被沉积表面获得厚度均匀平滑的电镀沉积层。

如图7所示，电镀槽42呈圆柱形桶状，其底部具有供上阳极导杆33穿过的开孔，其侧方具有上排放口44以及下排放口45。新鲜的电镀液43通过上阳极导杆33中的电镀液输入管39注入电镀槽42中，再从上排放口44流出，不断的循环流动可使电镀液43中的离子浓度在电镀过程保持稳定。下排放口45主要用于电镀液43的排空。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (1)

1.一种用于半导体基片表面进行电镀的装置，包括一个内部盛装有电镀液的电镀槽；一个阳极组置于所述电镀槽的底部并浸没于电镀液中；一个夹持机构夹持被电镀的半导体基片置于所述电镀槽的顶部，并使半导体基片的电镀面面向电镀槽底部的阳极组且浸没于电镀液中；其特征在于：所述阳极组由两个以上不同大小的圆盘型电极上下叠放组成，尺寸较小的圆盘型电极置于尺寸较大的圆盘型电极上方；

所述阳极组由圆盘型的上阳极、下阳极叠放组成，上阳极的直径小于下阳极的直径；所述上阳极的下方连接有上阳极导杆，上阳极托盘从所述上阳极的下部将上阳极托起，与上阳极托盘一体的上阳极导杆保护套套于所述上阳极导杆之外；所述下阳极的下方连接有下阳极导杆，下阳极托盘从所述下阳极的下部将下阳极托起，与下阳极托盘一体的下阳极导杆保护套套于所述下阳极导杆之外；

所述上阳极导杆、下阳极导杆分别与单独的外部阳极电源相连接；

所述上阳极导杆和上阳极导杆保护套从下阳极和下阳极托盘的中心穿过，可在垂直方向上下移动。