CN112708910B - 电化学电镀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电化学电镀方法，包含将阴极电解液输送到阴极室，其中阴极电解液被控制在一第一温度；在室温下提供阳极电解液，在将阳极电解液输送到阳极室之前，将阳极电解液的温度从室温降低到一第二温度，其中第二温度等于或低于第一温度。接着将基板的待电镀表面浸入电镀液中，并将基底偏压到一直流电压。偏压的基底将电镀液中的金属离子吸引到待电镀表面，以将金属电镀到基底上。

Description

电化学电镀方法
技术领域
本发明涉及半导体制作工艺技术领域，特别是有关于电化学电镀(electro-chemical plating，ECP)制作工艺技术。
背景技术
近年来，随着半导体制作工艺技术的进步，电镀制作工艺在集成电路制造中扮演的角色也越来越重要。电镀技术是用来在半导体晶片上沉积各种材料。这些材料包括电镀铜、镍和锡-银合金等。
电化学电镀(ECP)制作工艺通过电解反应将一层材料沉积到基板上。基板浸没在包含待沉积材料的离子的电镀溶液中，接着将直流电压施加到基板以将离子从电镀溶液吸引到基板的待镀表面，离子将在基板的待镀表面上还原并沉积以形成薄膜。
在ECP制作工艺过程中，要同时控制小图案间隙和大图案间隙的填充能力十分困难。通常，小图案间隙需要强抑制剂(strong suppressor)和快速的由底向上填充速度(bottom-up speed)。然而，强抑制剂会抑制在大图案区域内由底向上填充速度，而导致铜填充不足问题。
发明内容
本发明提供一种改良的电化学电镀方法，可以解决上述现有技术的不足与缺点。
本发明提出的一种电化学电镀方法，包含：提供一电镀设备，包含一电镀腔，用以容置一电镀液和一阳极，以将一金属电镀到一基板上，其中所述基板连接到一配置作为阴极的电极，其中所述电镀腔包括一配置成用来容置一阳极电解液和所述阳极的阳极室、一配置用来容置一阴极电解液和所述基板的阴极室，以及一隔膜，将所述阳极室与所述阴极室隔开；将所述阴极电解液输送到所述阴极室，其中所述阴极电解液在流入所述阴极室之前被控制在一第一温度；在室温下提供所述阳极电解液，在将所述阳极电解液输送到所述阳极室之前，将所述阳极电解液的温度从室温降低到一第二温度，其中所述第二温度等于或低于所述第一温度；将所述基板的待电镀表面浸入所述电镀液中；及将所述基底偏压到一直流电压，其中所述偏压的基底将所述电镀液中的金属离子吸引到所述待电镀表面，以将金属电镀到所述基底上。
根据本发明实施例，其中所述第一温度为21℃。
根据本发明实施例，其中所述室温为25℃，所述第二温度介于19℃至21℃之间。
根据本发明实施例，其中所述基板为一半导体晶片。
根据本发明实施例，其中所述基板固设在一基板固定座上。
根据本发明实施例，其中所述基板固定座包括一钳夹件，该钳夹件密封所述基板的边缘和背侧，防止电镀液在电镀过程中接触到所述基板的边缘和背面。
根据本发明实施例，其中所述隔膜是一离子隔膜，其配置用于在电镀过程中将所述金属离子从阳极电解液输送到阴极电解液。
根据本发明实施例，其中所述金属离子包括铜离子(Cu2+)，并且所述铜离子在所述基板的电镀表面上被还原成金属铜。
根据本发明实施例，其中所述阳极电解液为不含有机添加剂的原始电解液。
根据本发明实施例，其中所述原始电解液包含硫酸和硫酸铜溶液。
根据本发明实施例，其中所述阴极电解液包含所述原始电解液和有机添加剂。
根据本发明实施例，其中所述有机添加剂包含抑制剂、加速剂及/或均匀剂。
附图说明
图1为本发明一实施例所绘示的电镀设备单元简化示意图；
图2为本发明一实施例所绘示的电镀系统示意图。
主要元件符号说明
1 电镀设备单元
1a～1c 电镀设备单元
1s 电镀系统
10 电镀液
10a 阳极电解液
10b 阴极电解液
12 阳极
13 高阻抗虚拟阳极
15 中间管道
20 直流电源
30 中央电镀浴槽
40 VMS供应系统
100 基板
101 金属
110 基板固定座
111 转轴
112 钳夹件
210 电极
301～303 剂量系统
310 检测器
321～323 泵
401 VMS自动剂量添加
421～423 泵
451～453 冷却器
C1 阳极室
C2 阴极室
M 隔膜
T 电镀腔
T1 第一温度
T2 第二温度
具体实施方式
在下文中，将参照附图说明细节，该些附图中的内容也构成说明书细节描述的一部分，并且以可实行该实施例的特例描述方式来绘示。下文实施例已描述足够的细节使该领域的一般技术人士得以具以实施。
当然，也可采行其他的实施例，或是在不悖离文中所述实施例的前提下作出任何结构性、逻辑性、及电性上的改变。因此，下文的细节描述不应被视为是限制，反之，其中所包含的实施例将由随附的权利要求来加以界定。
在以下内容中，用语「半导体晶片」、「晶片」和「基板」可以交换使用，用语「电镀液」、「电镀浴」和「电镀溶液」可交换使用。以下实施例虽以半导体基板或晶片为例做说明，但熟悉该项技术者应理解，本发明也可以应用在其他工作件上，例如，磁性记录媒体或光学元件等，而不仅只限制于半导体基板或晶片。
电化学电镀(ECP)的其中一个重要的应用是将铜电镀到半导体晶片上以形成导电铜线，用于“连接”集成电路的各个元件。通常，这种电镀工艺用作铜镶嵌(copperdamascene)制造过程中的一个步骤。现代VLSI芯片制作工艺中，电镀工艺的一个持续问题是沉积金属膜的质量。由于金属线宽度已达到深次微米等级且镶嵌沟槽通常具有非常高的深宽比(aspect ratio)，因此电镀膜必须非常均匀。它们必须在芯片表面上具有均匀的厚度，并且必须在多批次中具有一致性的品质。
如前所述，在ECP制作工艺过程中，要同时控制小图案间隙和大图案间隙的填充能力十分困难。通常，小图案间隙需要强抑制剂(strong suppressor)和快速的由底向上填充速度(bottom-up speed)。然而，强抑制剂会抑制在大图案区域内由底向上填充速度，而导致铜填充不足问题。本发明于是提出解决此问题的技术方案。
请参阅图1，其为依据本发明一实施例所绘示的电镀设备单元简化示意图。虽然图1仅绘示单一电镀设备单元(cell)，但熟悉该项技术者应理解电镀系统或电镀机台可以具有多个电镀设备单元，而容许同时进行多个晶片的电镀工作。
如图1所示，首先提供一电镀设备单元1，包含一电镀腔T，用以容置一电镀液10和一阳极12，以将一金属101电镀到一基板100上。根据本发明实施例，其中所述基板100为一半导体晶片或一工作件。例如，所述基板100可以是12英寸硅晶片，但不限于此。根据本发明实施例，其中所述金属101可以是半导体集成电路的各元件或内连线中，例如，栅极、插塞或铜镶嵌导线等，所使用到的金属。例如，金属101可以是铜金属，但不限于此。根据本发明实施例，其中所述阳极12例如是铜金属。
根据本发明实施例，其中所述基板100固设在一基板固定座(substrate holder)110上。根据本发明实施例，基板固定座110可以包含一可升降的转轴111，用来在电镀过程中旋转固设在基板固定座110上的基板100。根据本发明实施例，其中所述基板固定座110可以包括一钳夹件(clamshell member)112，该钳夹件112密封所述基板100的边缘和背侧，防止电镀液10在电镀过程中接触到所述基板100的边缘和背面。根据本发明实施例，所述基板100电连接至配置作为阴极的电极210，其连接至直流电源(DC power supply)20的负极。直流电源20可以控制流到基板100的电流。
根据本发明实施例，所述电镀腔T包括一配置成用来容置一阳极电解液10a和所述阳极12的阳极室C1、一配置用来容置一阴极电解液10b和所述基板100的阴极室C2，以及一隔膜(membrane)M，将所述阳极室C1与所述阴极室C2隔开。根据本发明实施例，其中所述隔膜M可以是一离子隔膜或一离子交换薄膜，其配置用于在电镀过程中让金属离子或其他离子可以从阳极电解液10a输送到阴极电解液10b。根据本发明实施例，其中所述金属离子包括铜离子(Cu2+)，并且所述铜离子在所述基板100的电镀表面上被还原成金属铜。
根据本发明实施例，其中所述阳极电解液10a为不含有机添加剂的原始电解液(virgin makeup solution，VMS)。根据本发明实施例，其中所述原始电解液包含硫酸和硫酸铜溶液。根据本发明实施例，其中所述阴极电解液包含所述原始电解液和有机添加剂。根据本发明实施例，其中所述有机添加剂包含抑制剂(suppressor)、加速剂(accelerator)及/或均匀剂(leveler)。
此外，根据本发明实施例，在隔膜M和所述基板100之间，可以设置一高阻抗虚拟阳极(High Resistance Virtual Anode，HRVA)13，例如，高阻抗虚拟阳极13可以是由离子阻抗材料制成的碟状结构，例如聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯、聚砜等。高阻抗虚拟阳极13可以设置在邻近基板100的位置。根据本发明实施例，高阻抗虚拟阳极13可以包含彼此隔离的多个通孔，可用于在电镀过程中改善电镀均匀性。
根据本发明实施例，电镀液10，包括阳极电解液10a和阴极电解液10b，分别通过外部循环系统被连续地提供到阳极室C1和阴极室C2。通常，阴极电解液10b可以经过中间管道15向上流过隔膜M到达高阻抗虚拟阳极13的中心，然后径向向外并横越高阻抗虚拟阳极13，通过高阻抗虚拟阳极13后，均匀的流向基板100的表面。溢流的阴极电解液10b在溢流槽收集后回到循环系统过滤或处理。上述阴极电解液10b的循环又可被称为「阴极回路(cathodeloop)」。根据本发明实施例，可以通过外部循环系统从电镀腔T的侧面将阳极电解液10a提供到阳极室C1中。上述阳极电解液10a的循环又可被称为「阳极回路(anode loop)」。
请参阅图2，其为依据本发明一实施例所绘示的电镀系统示意图。如图2所示，电镀系统1s包含有多个如图1中的电镀设备单元1a、1b、1c，其中电镀设备单元1a、1b、1c的阴极电解液10b均通过各自的溢流槽收集后统一回到中央电镀浴槽30。中央电镀浴槽30内的阴极电解液10b的各成分浓度(例如，铜离子、氯离子和酸)可以通过检测器310自动检测，再分别利用剂量系统301～303将所要的加速剂、抑制剂及均匀剂添加至中央电镀浴槽30。调整好的阴极电解液10b最后再经由泵321～323分别输送至电镀设备单元1a～1c，构成「阴极回路(cathode loop)」。
根据本发明实施例，上述将阴极电解液10b输送到电镀设备单元1a～1c的阴极室过程中，阴极电解液10b被控制在一第一温度T1，其中，第一温度T1例如为21℃。根据本发明实施例，上述第一温度T1的控制可以利用在中央电镀浴槽30设置热交换器，使得所述阴极电解液10b在流入各电镀设备单元1a～1c阴极室之前被控制在第一温度T1。
根据本发明实施例，电镀系统1s包含一VMS供应系统40，其在室温下(约25℃)提供所述阳极电解液10a。各电镀设备单元1a～1c的阳极室的阳极电解液10a通过各泵421～423进行循环利用，并且通过一VMS自动剂量添加401进行调整，如此构成「阳极回路(anodeloop)」。根据本发明实施例，例如，在各泵421～423的出口管线上分别设置有冷却器(chiller)451～453，在将阳极电解液10a输送到各电镀设备单元1a～1c阳极室之前，将阳极电解液10a的温度从室温降低到一第二温度T2，其中第二温度T2等于或低于所述第一温度T1。根据本发明实施例，例如，所述第二温度T2介于19℃至21℃之间。
如图1和图2所示，在完成上述「阳极回路(anode loop)」的温度控制后，再将所述基板100的待电镀表面浸入电镀液10中，并将所述基底100偏压到一直流电压，其中所述偏压的基底100将所述电镀液中的金属离子(例如铜离子)吸引到所述待电镀表面，以将金属(例如铜)电镀到所述基底100上。
本发明的主要特征在于通过精确的制作工艺控制上述「阳极回路(anode loop)」的温度，将阳极电解液10a的温度从原本调配时的室温降低到一第二温度T2，其中第二温度T2等于或低于所述阴极电解液10b的第一温度T1，如此可以避免欲在基板上电镀较厚的金属膜时发生大图案的铜填充不足问题。此外，采用本发明方法的优点在于可以同时以电镀设备单元1a～1c进行生产，将产能最大化。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种电化学电镀方法，包含：
提供电镀设备，包含电镀腔，用以容置电镀液和阳极，以将金属电镀到基板上，其中所述基板连接到配置作为阴极的电极，其中所述电镀腔包括配置成用来容置一阳极电解液和所述阳极的阳极室、配置用来容置阴极电解液和所述基板的阴极室，以及隔膜，将所述阳极室与所述阴极室隔开；
将所述阴极电解液输送到所述阴极室，其中所述阴极电解液在流入所述阴极室之前被控制在第一温度；
在室温下提供所述阳极电解液，在将所述阳极电解液输送到所述阳极室之前，将所述阳极电解液的温度从室温降低到第二温度，其中所述第二温度等于或低于所述第一温度；
将所述基板的待电镀表面浸入所述电镀液中；及
将基底偏压到直流电压，其中所述偏压的基底将所述电镀液中的金属离子吸引到所述待电镀表面，以将金属电镀到所述基底上。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一温度为21℃。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述室温为25℃，所述第二温度介于19℃至21℃之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述基板为半导体晶片。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述基板固设在基板固定座上。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述基板固定座包括钳夹件，该钳夹件密封所述基板的边缘和背侧，防止电镀液在电镀过程中接触到所述基板的边缘和背面。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述隔膜是离子隔膜，其配置用于在电镀过程中将所述金属离子从阳极电解液输送到阴极电解液。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述金属离子包括铜离子(Cu2+)，并且所述铜离子在所述基板的电镀表面上被还原成金属铜。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述阳极电解液为不含有机添加剂的原始电解液。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述原始电解液包含硫酸和硫酸铜溶液。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述阴极电解液包含所述原始电解液和有机添加剂。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述有机添加剂包含抑制剂、加速剂及/或均匀剂。
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