CN104047042A - 电镀以及实施电镀的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了电镀以及实施电镀的装置，其中，在工件上电镀金属层的方法包括将工件的表面暴露于电镀液中，并且将电源负极端的第一电压提供给工件的边缘部分。将第二电压提供给工件的内部部分，其中，内部部分比边缘部分更接近工件的中心。电源的正极端与金属板连接，其中金属板和工件通过电镀液间隔开，并且均与电镀液接触。

Description

电镀以及实施电镀的装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月11日提交的标题为“Electro-Plating andApparatus for Performing the Same”的美国临时专利申请第61/776,744号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明总的来说涉及半导体领域，更具体地，涉及电镀以及实施电镀的装置。

背景技术

电镀是在半导体晶圆上沉积金属和金属合金的常用方法。在典型电镀工艺中，在晶圆表面上沉积诸如铜晶种层的覆盖金属晶种层。晶圆表面可以具有例如沟槽的图案。此外，晶圆的顶面也可以具有图案化掩模层以覆盖金属晶种层的一些部分，而未覆盖金属晶种层的剩余部分。金属沉积在金属晶种层的未被覆盖的一部分上。

为实施电镀，晶圆安装在夹具壳体（clamshell）上，夹具壳体包括与金属晶种层位于晶圆边缘上的部分接触的多个电接触件。晶圆放置在电镀液内。金属晶种层与DC电源的负极端连接，使得金属晶种层用作阴极。金属板提供被电镀的金属的电子，并且用作阳极，其中电镀液将阳极与阴极分隔开。当电压施加在阴极和阳极之间时，金属电镀中的原子被电离并迁移到电镀液内。离子最终沉积在晶圆上。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种方法，包括在工件上电镀金属层，其中，电镀包括：将工件的表面暴露于电镀液；将第一电源的负极端的第一电压提供给工件的边缘部分；将第二电压提供给工件的第一内部部分，第一内部部分比边缘部分更接近工件的中心；以及将第一电源的正极端连接至金属板，金属板和工件通过电镀液彼此间隔开并且均与电镀液接触。

优选地，工件的第一内部部分是工件的中心部分。

优选地，工件的第一内部部分包括在工件的第一芯片中，工件的第一芯片的表面分布（surface profile）不同于多个芯片在工件中的表面分布，并且第一芯片包括平坦接触焊盘，通过电接触件将第一电压施加在平坦接触焊盘上。

优选地，当电接触件与平坦接触焊盘物理接触时，通过密封环密封平坦接触焊盘，并且密封环与平坦接触焊盘接触。

优选地，第一电压基本等于第二电压。

优选地，通过第一电源提供第二电压。

优选地，第一电压不同于第二电压，并且通过与第一电源不同的第二电源提供第二电压。

优选地，该方法进一步包括：当实施电镀时，使工件旋转；以及使用与工件一起旋转的叶片搅动电镀液。

根据本发明的另一方面，提供了一种方法，包括通过电镀步骤在晶圆上电镀金属层，其中，电镀包括：将晶圆的表面暴露于电镀液；将第一电压提供给晶圆的边缘部分，通过与晶圆的边缘部分接触的多个电接触件连接第一电压，并且多个电接触件与邻近晶圆的边缘的环对准；以及将第二电压提供给晶圆的中心部分，在电镀过程中，晶圆用作阴极，并且金属板作为阳极，将金属板中的金属电镀到晶圆上。

优选地，第一电压和第二电压基本彼此相等。

优选地，该方法进一步包括：当实施电镀时，使晶圆旋转；以及使用与晶圆一起旋转的叶片搅动电镀液。

优选地，该方法进一步包括：通过嵌入叶片的电连接线将第二电压提供给晶圆。

优选地，该方法进一步包括：将第三电压连接至晶圆的一部分，其中，晶圆的一部分介于晶圆的中心部分和晶圆的边缘部分之间。

优选地，晶圆的中心部分包括在晶圆的中心芯片中，晶圆的中心芯片的表面分布不同于多个芯片在晶圆中的表面分布，并且中心芯片包括平坦接触焊盘，将第一电压施加在平坦接触焊盘上。

根据本发明的又一方面，提供了一种被配置为在晶圆上实施电镀的装置，包括：第一电接触件，被配置为与晶圆的边缘部分接触；第一电源，与第一电接触件电连接，第一电源被配置为将第一电压提供给晶圆的边缘部分；以及第二电接触件，被配置为与晶圆的内部部分接触，通过晶圆的边缘部分环绕晶圆的内部部分。

优选地，第二电接触件与第一电源电连接。

优选地，该装置进一步包括：与第二电接触件电连接的第二电源，第二电源被配置为提供不同于第一电压的第二电压。

优选地，该装置进一步包括可伸缩的电极，其中，可伸缩的电极包括：第二电接触件；以及密封环，环绕第二电接触件，密封环包括柔性材料，并且第二电接触件的表面与密封环的表面共面。

优选地，装置被配置为使晶圆旋转，其中，装置进一步包括被配置为当晶圆旋转时进行旋转的叶片。

优选地，该装置进一步包括第三电接触件，第三电接触件被配置为与晶圆的位于边缘部分和内部部分之间的部分接触，其中，通过晶圆的边缘部分环绕晶圆的这一部分。

附图说明

为了更全面地理解实施例及其优点，现将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：

图1示出了根据一些示例性实施例用于实施电镀的装置的截面图；

图2示出了晶圆和与晶圆的边缘部分接触的电接触件的俯视图；

图3示出了根据一些实施例的晶圆和连接至电接触件的晶圆的部分的仰视图；

图4示出了根据一些实施例的晶圆夹具的底部部件的一部分的放大部分；

图5示出了作为晶圆夹具底部部件的一部分的叶片的透视图；

图6示出了金属晶种层的一部分与电极的连接方式；

图7示出了用于与金属晶种层连接电极的晶圆管芯；

图8示出了根据一些可选实施例的用于实施电镀的装置的截面图，其中两个电源源极用于提供电压给晶圆；以及

图9至图12示出了用于提供电压给晶圆的不同部分的各种示例性连接方案。

具体实施方式

下面，详细讨论本发明各实施例的制造和使用。然而，应该理解，实施例提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的概念。所讨论的具体实施例仅是说明性的，而不用于限制本发明的范围。

根据各种示例性实施例提供了电镀工艺以及实施电镀工艺的装置。讨论了实施例的变型例和操作。在所有附图和各个说明性实施例中，相同的参考符号用于指定相同的元件。

图1示出了用于在工件20上电镀金属层的电镀装置10的截面图。电镀装置10包括保存电镀液16的电镀液容器12。金属板14放置在电镀液容器12的底部。在一些实施例中，金属板14包括电镀在工件20上的金属，金属可以包括铜、铝、钨、镍等。电镀液16可以包括硫酸、盐酸、硫酸铜等。

电镀装置10进一步包括用于保持工件20的工件夹具18。在一些实施例中，工件20是半导体晶圆，集成电路形成在半导体晶圆上。在可选实施例中，工件20可以是介电晶圆、中介层晶圆、衬底带或其他类型的工件。在通篇描述中，工件20被称为晶圆，但是工件20可以是其他类型的集成电路部件。工件夹具18相应地被称为晶圆夹具。

晶圆夹具18包括底部部件18A，如图2所示底部部件18A包括唇形密封件22和电接触件24。图2示出了底部部件18A和晶圆20的俯视图。唇形密封件22形成完整的圆。多个电接触件24分布在唇形密封件22的边缘，并与圆对准。可以沿圆均匀地分布多个电接触件24。晶圆20放置在唇形密封件22和电接触件24上。晶圆20的边缘部分形成完整的环，并且晶圆20的边缘部分与唇形密封件22和电接触件24的底面接触。唇形密封件22包括相对柔软的材料，诸如橡胶，使得当通过晶圆夹具18的顶部部件18B（图1）将晶圆20压向唇形密封件22时，晶圆20和唇形密封件22之间不具有间隙，并且如图1所示，将电镀液16（图1）限制在晶圆20下面。

再次参考图1，晶圆夹具18的顶部部件18B包括嵌入其中的电连接线28A和电连接线28B。连接线28A和连接线28B与电源26的负极端（阴极）电连接，电源26可以是DC电源。金属板14与电源26的正极端（阳极）电连接。此外，底部部件18A也包括电连接线28C，当为了在其中保持晶圆20，装配顶部部件18B与底部部件18A时，电连接线28C与电连接线28B电连接。电连接线28A与电连接线28D电连接，在图2中，电连接线28A与电接触件24电连接。因此，电源26的负极端处的电压V-提供给晶圆20的底部边缘。

在一些实施例中，建立叶片（blade）30作为底部部件18A的一部分，并且安装在晶圆20下方。可以形成叶片30作为底部部件18A的集成部件。电连接线28C可以嵌入叶片30中。通过叶片30，电连接线28C与晶圆20的中心部分连接，并且因此电源26的负极端处的电压V-提供给晶圆20的中心部分。在电镀过程中，晶种层46（图6）可以形成在晶圆20的底面处，并且因此电源26的电压V-提供给晶种层46。

如图1所示，在晶圆20的电镀过程中，使晶圆夹具18旋转。已经与晶圆夹具18固定的晶圆20与晶圆夹具18一致地进行旋转。金属板14中的原子被电离（并且生成电子）并迁移到电镀液16内。金属电子沉积在晶圆20的晶种层46（图6）上。随着晶圆夹具18的旋转，沉积更均匀。

图3示出了晶圆20和与电接触件连接的晶圆20的一部分的仰视图。晶圆20具有底部边缘部分20A，底部边缘部分20A正面朝下（如图1所示）并且与图2中的电接触件24接触。此外，晶圆20具有底部中心区域20B，底部中心区域20B正面朝下（如图1所示）且与图1中的电连接线28C电连接。因此，电源26（图1）负极端处的电压V-与边缘部分20A和中心部分20B均相连。在电镀工艺期间，受晶圆20相应部分上的电压会影响晶圆20不同部分上的沉积率。如果仅在晶圆20的边缘部分20A将电压V-与晶圆20连接，则由于金属晶种层46（图6）在晶圆20的边缘区域20A和其他部分之间具有电阻，所以边缘部分20A和其他部分之间存在电压降。因此，边缘部分20A和其他部分（诸如部分20B）的电压彼此不同，从而导致晶圆20上的不同沉积率。在本发明的实施例中，除了边缘部分20A之外，电压V-还提供给中心部分20B，在整个晶圆20上的电压比仅将电压V-提供给边缘部分20A更均匀，并且在整个晶圆20上的沉积率更均匀。

图4示出了图1中晶圆夹具18的底部部件18A的放大部分，其中放大部分是图1中的部分34。如图4所示，底部部件18A包括叶片30，以及固定在叶片30上的可伸缩电极36。可伸缩电极36包括：固定在叶片30上的外部壳体38和在外部壳体38中可移动的圆筒40。当圆筒40在外部壳体38中上下移动时，可伸缩电极36的长度L1改变，使得连接线28C与晶圆20（图1）（的晶种层）接触，连接线28C也是电接触件（电极）。可以通过气压、电动机（未示出）等实现圆筒40的移动。

可伸缩电极36也包括被电接触件28C贯穿的密封环37。电接触件28C的顶端和密封环37基本上共面，使得电接触件28C和密封环37均可以同时与晶圆20的表面物理接触。在一些实施例中，密封环37可以由诸如橡胶的柔性材料形成。

图5示出了叶片30的透视图，其中所示的结构是图1中的部分42的放大示图。在一些实施例中，叶片30包括翼部44，其中专门设计翼部44的形状。当晶圆夹具18旋转时，叶片30（叶片30是晶圆夹具18的底部部件18A的集成部分）相应地进行旋转。因此，叶片30搅动电镀液16（图1），使得电镀液16（图1）中成分的浓度更均匀。因此，叶片30具有流体区域控制（fluid field control）的功能。

图6示出了电连接线28C与晶圆20的晶种层46连接的方式。根据一些实施例，晶种层46可以是包括铜、铝、镍、钨等的晶种层46的金属晶种层，通过诸如物理汽相沉积（PVD）在晶圆20上沉积晶种层46。根据相应的电镀工艺以及通过电镀工艺要形成的部件，晶圆20的表面可以是平面或者可以不是平面。例如，图6示出了晶圆20包括沟槽48以及延伸到沟槽48内的晶种层46。晶种层46沉积为覆盖晶圆20的整个底面的覆盖层。因此，当将电源26（图1）的电压V-施加给晶种层46的边缘部分和中心部分时，通过电压V-加偏压于整个晶种层46。然而，由于晶种层46的电阻，晶种层46不同部分的电压可以彼此不同。这会导致沉积率的非均匀性。例如，如果电压V-仅施加给晶种层46的边缘部分，则边缘部分的电镀速率高于由边缘部分所环绕的部分。随着集成电路的日益增加的微型化，晶种层46的厚度变得越来越小，并且晶种层46的电阻变得越来越大。因此，当将电压V-同时施加给晶圆20的中心部分20B和边缘区域20A（图3）时，可以减小晶种层46的不同部分上的压差。

再次参考图6，在一些实施例中，为了使电接触件28C与晶种层46良好的接触，且为了密封环37防止电镀液16到达电接触件28C，晶种层46被设计为具有至少与密封环37一样大（或略大）的平坦表面。在一些实施例中，晶种层焊盘46′的横向尺寸L2大于约10mm。应该理解，典型的晶圆可以不具有这种很大的金属焊盘。根据一些实施例，晶圆20上的芯片可以专门用于晶种层焊盘46′的形成。例如，图7示出了晶圆20的示例性俯视图，该晶圆包括多个芯片100（包括芯片100A和芯片100B）。芯片100A专门用于较大的金属焊盘晶种层焊盘46′（图6）的形成，并且因此芯片100A中的晶种层46的图案与芯片100B中的晶种层46的图案不同。可选地规定，芯片100B彼此完全相同，并且具有不同于芯片100A的结构。在一些实施例中，芯片100A的主要部分的全部用于形成较大的晶种层焊盘46′，较大的晶种层焊盘46′的尺寸基本上与芯片100A的尺寸相同。

再次参考图6，在电镀工艺开始之前，将可伸缩的电极36推向晶圆20，使得电接触件28C与晶种层焊盘46′进行电和物理接触。密封环37密封电接触件28C，使得电镀液16与电接触件28C不接触，并且没有金属被电镀到金属接触件28C上。通过图6中的接触方案，可以建立良好的接触以将电压V-提供给晶种层46。

图8示出了根据可选实施例的电镀装置10和电镀工艺。除非详细说明，否则在这些实施例中，组件的材料和形成方法基本上与相同组件相同，在图1至图7所示的实施例中，相同参考符号表示相同的组件。因此，可以在图1至图7所示实施例的讨论中找到这些实施例所示组件的形成工艺和材料的具体细节。除了晶圆20的边缘部分和中心部分与分别提供电压V1-和电压V2-的不同电压源26A和电压源26B连接以外，图8中的实施例类似于图1中的实施例。电压源26A和电压源26B可以具有不同的电压。例如，电压V1-可以在约1V至约10V的范围内，并且电压V2-可以在约5V至约10V的范围内。通过分别地对电压V1-和电压V2-进行调节，可以调节晶圆20上的电镀厚度分布。在一些实施例中，电压V1-可以大于、基本上等于或小于电压V2-。

图9到图12示出了根据一些实施例的用于施加电压的方案。在图9中，对晶圆20的边缘部分20A和晶圆20的中心部分20B施加相同的电压。使用图1所示的电镀装置10可以实现这些实施例。在图10中，对边缘部分20A和中心部分20B分别施加不同的电压V1-和电压V2-，其中电压源26A和电压源26B分别提供电压V1-和电压V2-。使用图8所示的电镀装置10可以实现这些实施例。

图11示出了根据又一些实施例的电压施加方案，其中，可以对晶圆部分20C独立地施加电压。例如，电压施加方案可以与图6所示的电压施加方案类似。在这些实施例中，晶圆部分20C位于晶圆20的中心200和边缘部分20A之间。晶圆部分20C可以以旋转对称图案的形式进行分布，例如，其中，将晶圆部分20C连接至晶圆20的中心200的线形成120度角。此外，晶圆部分20C可以与晶圆20的中心200具有基本上相等的距离。根据一些实施例，没有附加电压施加给晶圆中心部分20B。在可选实施例中，附加电压V3-施加给晶圆中心部分20B。分别提供给部分20A、部分20B和部分20C的电压V1-、电压V2-和电压V3-可以彼此相同，或可以彼此不相同。

图12示出了根据又一些可选实施例的电压施加方案。除了对四个晶圆部分20C施加电压V3-以外，这些实施例类似于图11中的实施例。在这些实施例中，晶圆部分20C可以是对称的，例如，其中将晶圆部分20C连接至晶圆20的中心200的线形成90度角。此外，晶圆部分20C与晶圆20的中心200可以具有基本上相等的距离。根据一些实施例，没有附加电压施加给晶圆中心部分20B。在可选实施例中，附加电压V3-施加给晶圆中心20B。电压V1-、电压V2-和电压V3-可以彼此相同，或可以彼此不相同。

在本发明的实施例中，在电镀工艺期间，将电压施加给工件的不同位置。因此，改善了电镀金属层的厚度的均匀性。此外，可以增加用于流体区域控制的叶片，使得进一步改善电镀工艺的均匀性。在工件不同部分上施加不同电压的能力导致用于调节电镀金属层的分布的期望的能力。

根据一些实施例，在工件上电镀金属层的方法包括将工件的表面暴露于电镀液中，并且将电源负极端的第一电压提供给工件的边缘部分。将第二电压提供给工件的内部部分，其中内部部分比边缘部分更接近工件的中心。电源的正极端与金属板连接，其中，金属板和工件通过电镀液彼此间隔开，且均与电镀液接触。

根据其他实施例，通过电镀在晶圆上电镀金属层的方法包括将晶圆的表面暴露于电镀液中，并且将第一电压提供给晶圆的边缘部分。通过与晶圆的边缘部分接触的多个电接触件连接第一电压。多个电接触件与邻近晶圆边缘的环对准。第二电压提供给晶圆的中心部分。在电镀过程中，晶圆用作阴极，而金属板用作阳极，其中将金属板中的金属电镀到晶圆上。

根据又一些实施例，装置被配置为对晶圆上实施电镀。装置包括：被配置为与晶圆的边缘部分接触的第一电接触件，以及与第一电接触件电连接的电源。电源被配置为将电压提供给晶圆的边缘部分。第二电接触件被配置为与晶圆的内部部分接触，其中通过晶圆的外部部分环绕晶圆的内部部分。

尽管已经详细地描述了本实施例及其优点，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变、替换和更改。而且，本申请的范围并不旨在限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结构的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。相应地，所附权利要求意指包括例如工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。此外，每项权利要求都构成一个独立的实施例，并且不同权利要求及实施例的组合均在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种方法，包括：

在工件上电镀金属层，其中，所述电镀包括：

将所述工件的表面暴露于电镀液；

将第一电源的负极端的第一电压提供给所述工件的边缘部分；

将第二电压提供给所述工件的第一内部部分，所述第一内部部分比所述边缘部分更接近所述工件的中心；以及

将所述第一电源的正极端连接至金属板，所述金属板和所述工件通过所述电镀液彼此间隔开并且均与所述电镀液接触。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工件的所述第一内部部分是所述工件的中心部分。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工件的所述第一内部部分包括在所述工件的第一芯片中，所述工件的所述第一芯片的表面分布不同于多个芯片在所述工件中的表面分布，并且所述第一芯片包括平坦接触焊盘，通过电接触件将所述第一电压施加在所述平坦接触焊盘上。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，当所述电接触件与所述平坦接触焊盘物理接触时，通过密封环密封所述平坦接触焊盘，并且所述密封环与所述平坦接触焊盘接触。

5.一种方法，包括：

通过电镀步骤在晶圆上电镀金属层，其中，所述电镀包括：

将所述晶圆的表面暴露于电镀液；

将第一电压提供给所述晶圆的边缘部分，通过与所述晶圆的边缘部分接触的多个电接触件连接所述第一电压，并且所述多个电接触件与邻近所述晶圆的边缘的环对准；以及

将第二电压提供给所述晶圆的中心部分，在电镀过程中，所述晶圆用作阴极，并且金属板作为阳极，将所述金属板中的金属电镀到所述晶圆上。

6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：将第三电压连接至所述晶圆的一部分，其中，所述晶圆的所述一部分介于所述晶圆的中心部分和所述晶圆的边缘部分之间。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述晶圆的中心部分包括在所述晶圆的中心芯片中，所述晶圆的所述中心芯片的表面分布不同于多个芯片在所述晶圆中的表面分布，并且所述中心芯片包括平坦接触焊盘，将所述第一电压施加在所述平坦接触焊盘上。

8.一种被配置为在晶圆上实施电镀的装置，所述装置包括：

第一电接触件，被配置为与所述晶圆的边缘部分接触；

第一电源，与所述第一电接触件电连接，所述第一电源被配置为将第一电压提供给所述晶圆的边缘部分；以及

第二电接触件，被配置为与所述晶圆的内部部分接触，通过所述晶圆的边缘部分环绕所述晶圆的内部部分。

9.根据权利要求8所述的装置，进一步包括可伸缩的电极，其中，所述可伸缩的电极包括：

所述第二电接触件；以及

密封环，环绕所述第二电接触件，所述密封环包括柔性材料，并且所述第二电接触件的表面与所述密封环的表面共面。

10.根据权利要求8所述的装置，进一步包括第三电接触件，所述第三电接触件被配置为与所述晶圆的位于所述边缘部分和所述内部部分之间的部分接触，其中，通过所述晶圆的所述边缘部分环绕所述晶圆的这一部分。