CN114921836A

CN114921836A - 电化学电镀设备与制程及制造半导体元件的方法

Info

Publication number: CN114921836A
Application number: CN202210383708.4A
Authority: CN
Inventors: 侯国隆; 林明贤; 吴宗晟
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2022-08-19
Also published as: US20220356597A1; US12071699B2; US11427924B1; TW202242204A

Abstract

一种电化学电镀设备与制程及制造半导体元件的方法，用于在晶圆上沉积导电材料的电化学电镀设备包括槽室。电镀液自槽室的底部提供至槽室中。多个开口穿过槽室的侧壁。流量调节器与多个开口中的每一者一起布置，配置以调节经由多个开口中的每一者流出的电镀液的溢流量。电化学电镀设备进一步包含控制器，以控制流量调节器，以使得经由多个开口流出的电镀液的溢流量彼此实质上相等。

Description

电化学电镀设备与制程及制造半导体元件的方法

技术领域

本揭露是关于一种电化学电镀设备与制程，特别是关于一种允许晶圆以水平平行方式在电镀表面处接触电镀液的电化学电镀设备与制程。

背景技术

电化学电镀(Electrochemical plating；ECP)是一种常见的制造制程，此制程将一种金属的薄层施加到另一者上。电化学电镀广泛应用于电子工业中，以沉积用于印刷电路板、连接器及半导体互连的导电金属。

在ECP制程中使用电镀槽(例如，容器)来提供电镀液，金属电解质在其中沉积至晶圆上。在晶圆电镀处理中，晶圆上沉积金属层的品质与均匀性是一个主要问题。在ECP制程中，需要一种均匀、无缺陷的金属膜，因为沉积金属膜上诸如凹坑、突起或颗粒的缺陷会降低晶圆效能且经常降低良率。

发明内容

本揭露的一态样是提供一种电化学电镀设备，用于沉积导电材料在晶圆上，此电化学电镀包括槽室、穿过槽室的侧壁的多个开口及与多个开口中的每一者一起布置的流量调节器。自槽室的底部提供电镀液。流量调节器配置以调节经由多个开口中的每一者流出的电镀液的溢流量。在一些实施例中，电化学电镀设备包括控制器，以控制流量调节器，以使得经由多个开口流出的电镀液的溢流量彼此实质上相等。

本揭露的另一态样是提供一种电化学电镀制程的方法。此方法包括自槽室的底部提供电镀液。多个开口穿过槽室的侧壁及流量调节器与多个开口中的每一者一起布置。随后，量测流动通过流量调节器的电镀液的流动速率。接着，反馈控制器计算电镀液的差分流动速率。随后，决定电镀液的差分流动速率中的变化是否处于可接受的范围内。回应于决定差分流动速率量测中的变化不处于可接受的范围内，自动调节流量调节器的可配置参数以将差分流动速率量测中的变化设置在可接受的范围内。

本揭露的又一态样是提供一种制造半导体元件的方法。方法包括提供电镀设备，此电镀设备包含晶圆固持器、电源供应器及槽室。晶圆固持器配置以固持及旋转晶圆。电源供应器与电极耦接，配置以向晶圆施加电荷。自槽室的底部提供电镀液。随后，将包括流量调节器的调平组件提供给槽室的多个开口。调平组件随后保持槽室的电镀液的径向均匀溢流。

附图说明

当结合随附附图阅读时，将自下文的详细描述最佳地理解本揭示案。要强调的是，根据工业中的标准实务，并未按比例绘制各特征，且各特征仅用于说明目的。事实上，为了论述清楚，可任意增加或减小各特征的尺寸。

图1为电化学电镀系统的示意图；

图2A为根据本揭示案的一些实施例的包括基板的电化学电镀设备的示意图；

图2B为包括图2A的电化学电镀设备的处理系统的示意图；

图3A为根据本揭示案的实施例绘示的槽室系统的示意图；

图3B为根据本揭示案的实施例绘示的包括阳极的槽室系统的示意图；

图3C与图3D绘示槽室及通过使用调平螺旋调节的倾斜槽室的视图；

图4A为根据本揭示案的实施例绘示的包括调平组件的槽室系统的示意图；

图4B为根据本揭示案的实施例绘示的槽室系统的另一示意图；

图4C为根据本揭示案的实施例绘示的倾斜槽室的示意图；

图4D为根据本揭示案的实施例绘示的包括方向定位器的倾斜槽室的示意图；

图5A为根据本揭示案的实施例的槽室的示意性俯视图；

图5B示意性绘示根据各个实施例的包括调平组件的槽室的示例性布局；

图6A、图6B及图6C绘示根据各个实施例的包括调平组件的槽室的一些示例性布局；

图7A、图7B及图7C绘示根据各个实施例的其中调平组件包括狭缝控制机构的槽室系统；

图8绘示根据本揭示案的实施例的利用反馈控制器控制槽室系统的方法的流程图；

图9A与图9B绘示根据本揭示案的一些实施例的控制器。

【符号说明】

10:处理容器/槽

12:晶圆

14:阳极

16:电源供应器

18:夹具

20:电极

30:电化学电镀设备

31:电镀液

32:基板固持器

34:锥体

36:杯体

38:基板

40:可旋转心轴

42:电镀槽

44:泵

46:箭头

48:凸缘

50:孔

52:箭头

54:箭头

55:再循环管线

56:溢流储集器

58:箭头

60:电源供应器

62:阳极

63:弯曲箭头

107:入口端口

109:第一泵

111:过滤器

117:第一分析单元

119:第二分析单元

120:补给系统

121:监测系统

125:旁通管线

127:第一阀

129:冷却器

131:量测单元

151:第三分析单元

153:强度单元

155:频谱分析器

210:负输出引线

212:正输出引线

500:控制器

902:阳极杯体

904:触点

906:离子源材料

910:O形环

914:中心孔

916:基部

918:圆柱形壁部

962:阳极

970:杆

995:右侧

996:左侧

997:横向流动

998:液面

999:调平螺旋

1000:槽室系统

1003:电镀液入口

1004:触点

1005:槽室

1006:缓冲器/参考点

1008:可旋转心轴

1009:电镀液

1011:电镀表面

1032:基板固持器/表面部分

1034:锥体/表面部分

1036:杯体/表面部分

1038:基板

1039:表面部分

1041:堰壁

1042:电镀槽

1043:边缘

1048:电镀液收集区

1060:电镀电源供应器

1081:气泡

1082:副产物

1120:开口

1132:开口

1134:开口

1136:开口

1139:开口

1170:方向定位器

1200:调平组件

1202:调平调节器

1209:泵

1210:阴极

1212:正输出引线

1213:流量计

1215:流量计

1217:流量计

1231:管道

1232:管道

1233:流量控制阀

1234:管道

1235:流量控制阀

1236:管道

1237:流量控制阀

1294:排泄口

1296:再循环槽

1414:狭缝

1414a:可变光栏

1417:狭缝控制机构

2000:计算机系统

2001:计算机

2002:键盘

2003:鼠标

2004:监视器

2005:光盘机

2006:软盘机

2011:微处理单元(MPU)

2012:ROM

2013:随机存取记忆体(RAM)

2014:硬盘

2015:总线

2021:光盘

2022:磁盘

A1:圆柱形中心轴

A2:参考轴

S1010:操作

S1020:操作

S1030:操作

S1040:操作

S1050:操作

S1060:操作

θ₁:中心角/角度

θ₂:中心角/角度

θ_n:中心角/角度

具体实施方式

应将理解，以下揭示内容提供许多不同实施例或实例，以便实施本揭示案的不同特征。下文描述部件及布置的特定实施例或实例以简化本揭示案。当然，此些仅为实例且不欲为限制性。例如，元件的尺寸不限于所揭示的范围或值，但可取决于元件的制程条件及/或所需特性。此外，在下文的描述中，第一特征形成于第二特征上方或第二特征上可包括以直接接触形成第一特征与第二特征的实施例，且亦可包括可在第一特征与第二特征之间插入额外特征以使得第一特征与第二特征可不处于直接接触的实施例。为了简单且清楚起见，可以不同比例任意绘制各个特征。

此外，为了便于描述，本文可使用空间相对性术语(诸如“在……之下”、“在……下方”、“下部”、“在……上方”、“上部”及类似者)来描述诸图中所绘示一个元件或特征与另一元件(或多个元件)或特征(或多个特征)的关系。除了诸图所描绘的定向外，空间相对性术语意欲包含使用或操作中元件的不同定向。元件可经其他方式定向(旋转90度或处于其他定向上)且因此可类似解读本文所使用的空间相对性描述词。另外，术语“由……制成”可意指“包含”或“由……组成”任一者。

半导体元件的制造通常需要在半导体晶圆上形成电导体。例如，晶圆上的导电引线通常通过将诸如铜的导电材料电化学电镀(沉积)在晶圆上及至经图案化的沟槽中而形成。电化学电镀涉及与在其上将沉积导电层的晶圆表面实行电接触。随后，电流通过阳极与晶圆电镀表面之间的电镀液(亦即，具有正被沉积的元素的含离子溶液，例如含有Cu²⁺的溶液)，其中晶圆电镀表面充当阴极。此在晶圆电镀表面上引发电化学反应，从而导致导电层的沉积。

需要一种改进的制程，此制程允许晶圆以水平平行方式在电镀表面处接触电镀液，以保持电化学电镀的均匀厚度/密度，使得发生无缺陷电镀。在电化学电镀期间获得均匀的沉积品质而没有来自处理溶液的任何气泡及/或副产物是所需要的。

图1为电化学电镀系统的示意图。电化学电镀系统包括容纳适宜电镀浴的处理容器或槽10。晶圆12充当阴极，在此晶圆上沉积源自阳极14的材料(例如，Cu)，晶圆12安置在处理容器或槽10内。在一些情况中，第三电极20安置在容器10之下但靠近电镀浴。电源供应器16在开路中与电极20及夹具18耦接，以便向晶圆12施加静电电荷。在一些情况中，夹具18配置以固持及旋转晶圆12。

图2A为根据本揭示案的一些实施例的包括基板38的电化学电镀设备30的示意图。电化学电镀设备30包括基板固持器32，基板固持器32安装在允许基板固持器32旋转的可旋转心轴40上。基板固持器32包括锥体34、杯体36及凸缘48、以及孔50。在电化学电镀制程开始之前，将基板38安装在杯体36中。随后将基板固持器32及基板38放入电镀槽42中，电镀槽42充当用于容纳电镀液31(例如，硫酸铜(CuSO₄)溶液)的贮存器/容器。如箭头46所指示，通过泵44将电镀液31连续提供给电镀槽42。电镀液31朝向基板38向上流动，随后径向向外且跨过基板38，且随后流动通过孔50，如箭头52所指示。通过将电镀液31导向基板38(例如，朝向基板38的中心)，任何夹带在基板38上的气泡经由孔50移除。在一些实施例中，电镀液31自电镀槽42溢流至溢流储集器56，如箭头54所指示。随后，如箭头58所指示，将电镀液31过滤及返回至泵44，从而完成电镀液31的再循环。

电镀液31可包括铜盐、酸、水以及改善沉积铜特性的各种有机及无机添加剂的混合物。用于电镀液31的适宜铜盐包括硫酸铜、氰化铜、胺基磺酸铜、氯化铜、甲酸铜、氟化铜、硝酸铜、氧化铜、氟硼酸铜、三氟乙酸铜、焦磷酸铜及甲磺酸铜，或上述化合物的任何者的水合物。电镀液中使用的铜盐的浓度将取决于所使用的特定铜盐而变化。

可在电镀液31中使用各种酸，包括：硫酸、甲磺酸、氟硼酸、盐酸、氢碘酸、硝酸、磷酸及其他适宜酸。所使用的酸的浓度将取决于电镀液31中使用的特定酸而变化。

用于铜电镀液的添加剂包括光亮剂、抑制剂及调平剂。光亮剂为有机分子，通过减小表面粗糙度与粒径变化来改善铜沉积物的镜面反射率(或反射率)。适宜的光亮剂包括例如有机硫化物化合物，诸如双-(钠磺丙基)-二硫化物、3-巯基-1-丙烷磺酸钠盐、N-二甲基-二硫代胺甲酰基丙磺酸钠盐及3-S-异硫脲丙磺酸盐，或上述化合物的任何者的混合物。抑制剂为大分子沉积抑制剂，吸附在基板的表面上方及降低局部沉积速率，从而增加沉积均匀性。调平剂包括具有氮官能团的成分且可以相对较低的浓度添加到电镀液中。调平涉及强电流抑制物质扩散或迁移至巨观物体的角落或边缘，否则由于电场及溶液传质效应，此些物体电镀比所需要的更快。调平剂可选自以下试剂：聚醚界面活性剂、非离子界面活性剂、阳离子界面活性剂、阴离子界面活性剂、嵌段共聚物界面活性剂、聚乙二醇界面活性剂、聚丙烯酸、多胺、胺基羧酸、氢羧酸、柠檬酸、依地醇(entprol)、依地酸、酒石酸、季铵化多胺、聚丙烯酰胺、交联聚酰胺、吩嗪偶氮染料、烷氧基化胺界面活性剂、聚合物吡啶衍生物、聚乙烯亚胺、聚乙烯亚胺乙醇、咪唑啉与表氯醇的聚合物，以及芐基化多胺聚合物。

基板38与阳极62皆浸入电镀液31(例如，CuSO₄溶液)中，电镀液含有一或更多种溶解的金属盐以及允许电流动的其他离子。基板38充当阴极，将来自阳极62的材料沉积至阴极上。直流电源供应器60具有负输出引线210，此负输出引线经由一或更多个滑环、电刷及触点(未绘示)电气连接至基板38。电源供应器60的正输出引线212电气连接至阳极62。在使用期间，电源供应器60偏压基板38以具有相对于阳极62的负电位，引发电流自阳极62流至基板38。(如本文所使用，电流在与净正离子通量相同的方向上且与净电子通量相反的方向上流动。)此在基板38上引发电化学反应(例如，Cu²⁺+2e^-＝Cu)，导致在基板38上沉积导电层(例如，铜)。在电镀循环期间，通过溶解由金属化合物(例如，Cu＝Cu²⁺+2e^-)制成的阳极62来补充电镀液的离子浓度。

图2B为处理系统400的示意图，在一些实施例中，此处理系统与图2A中的电化学电镀设备30一起使用以使基板38与电镀液31接触。请参看图2B，并且继续参考图2A，电镀槽42容纳电镀液31，并且基板38浸入电镀液31中。因此，至少部分地基于将被处理的基板38的尺寸来确定电镀槽42的尺寸。

电镀液31的循环与电镀液31混合并帮助补充与基板38的表面相邻的电镀液31。为了保持电镀槽42内的循环(由弯曲箭头63表示)，电镀槽42可另外具有溢流储集器56。在电镀液31已进入电镀槽42(例如，经由电镀槽42的底部处的入口端口107)且在进入溢流储集器56之前经由电镀槽42循环之后，溢流储集器56是安置以接收电镀液31。因此，溢流储集器56可为与电镀槽42的顶部相邻安置的堰，使得电镀液31可进入电镀槽42的底部，围绕电镀槽42循环，及向上穿过电镀槽42，随后溢出电镀槽42的一侧及进入溢流储集器56。

溢流储集器56连接至再循环管线55。再循环管线55接收来自溢流储集器56的电镀液31及将电镀液31自溢流储集器56再循环回到电镀槽42。再循环管线55具有第一泵109，第一泵用于经由例如入口端口107将电镀液31泵送回到电镀槽42中。第一泵109亦帮助混合电镀槽42内的电镀液31。

再循环管线55亦可包括过滤器111。在电镀液31于处理系统400内再循环时，过滤器111用于自电镀液31移除微粒及其他杂质。此些杂质可包括硅酸盐、聚集的界面活性剂、电镀液31的油滴副产物，以及可在处理反应期间形成或以其他方式存在于电镀液31中的其他颗粒。过滤器111尺寸可至少取决于硅酸盐、聚集的界面活性剂及油滴副产物杂质的尺寸。

再循环管线55、第一泵109及过滤器111向电镀槽42提供电镀液31所需的再循环速率。此再循环速率可用于确保电镀液31被适当混合，使得电镀液31内不同点处的浓度变化(由化学反应引起)保持最小。

随着制程继续，电镀液31内的反应物(例如，强碱、界面活性剂及氧化剂)将发生反应，且此些反应物的浓度将降低，而反应的副产物(例如，硅酸盐)的浓度将增加，从而改变各种反应速率及在控制处理制程中引入非所欲的复杂性。为了减少此降低的影响，使用补给系统120来监测个别组份的浓度，且若需要，补充电镀液31内的个别组份以便保持对制程的更好控制。在一实施例中，补给系统120包括监测系统121及控制器500。

监测系统121利用连接在第一泵109与过滤器111之间的旁通管线125连接至再循环管线55。为了获得电镀液31的样本，第一阀127安装在旁通管线125中且用于自再循环管线55移除电镀液31的样本以便分析。第一阀127接收来自控制器500的信号以定期打开及取样。

冷却器129，例如具有诸如冷却水的冷却介质的连续流动热交换器，位于第一阀127的下游，以提供电镀液31的样本的恒定温度。在一些实施例中，冷却器129为主动冷却单元，例如致冷单元，以向电镀液31的样本提供所需冷却。在不脱离实施例的范畴的情况下，可使用降低电镀液31的样本的温度及保持电镀液31的样本的温度的任何适宜系统及方法。

一旦电镀液31的样本已冷却至适宜温度，电镀液31的样本可由量测单元131分析。量测单元131包括一或更多个分析单元，其中分析单元中的每一者用于量测电镀液31的一或更多种组份。例如，第一分析单元117可分析氧化剂的浓度，第二分析单元119可分析界面活性剂的浓度，及第三分析单元151可分析强碱的浓度。

在一些实施例中，用于量测电镀液31的样本中的氧化剂浓度的第一分析单元117进一步包括多个量测单元，其中个别不同量测单元中的每一者量测氧化剂的浓度的不同范围。例如，为了量测氧化剂的较高浓度，第一分析单元117包括强度单元153，强度单元153量测例如电镀液31的样本的氧化还原电位(oxidation-reduction potential；ORP)。在一些实施例中，强度单元153为pH量测单元，此单元量测电镀液31的样本的pH。使用任一类型的强度单元153(例如，量测ORP或pH任一者)及任何其他适宜类型的量测单元，此些量测单元提供电镀液31内的氧化剂的适宜浓度，且所有此种类型完全意欲被包括在实施例的范畴内。

此外，对于低于强度单元153的灵敏度位准(例如，低于100ppm)所需的量测，第一分析器117亦包括频谱分析器155。在一些实施例中，频谱分析器155为光谱分析器，其中电镀液31的样本用紫外(ultraviolet；UV)光、近红外(near-infra red；NIR)光或红外(infra-red；IR)光照射，且所得吸收频谱经分析以决定电镀液31的样本内的氧化剂的浓度。

在一些实施例中，频谱分析器155量测电镀液31内的其他组份的浓度。例如，频谱分析器155量测反应副产物的浓度，诸如电镀液31中的硅酸盐的浓度。频谱分析器155适用的此分析及任何其他分析亦用于提供关于电镀液31的信息。

在一些实施例中，第二分析器119量测电镀液31的样本内的界面活性剂的浓度。第二分析器119为频谱分析器，且为光谱分析器，其中电镀液31的样本用例如紫外(UV)光照射，且所得吸收频谱经分析以决定电镀液31的样本内的界面活性剂的浓度。在一些实施例中，第二分析器119为上文关于第一分析器117描述的频谱分析器155，但第二分析器119可具有分开的频谱分析器。在一些实施例中，任何适宜分析器可替代地用于量测电镀液31的样本内的界面活性剂的浓度。

第三分析器151量测电镀液31的样本内的强碱的浓度。在一些实施例中，当强碱为KOH时，第三分析器单元151为pH计，以决定电镀液31中的KOH的浓度。然而，诸如折射计的任何其他适宜量测系统可替代地用于量测电镀液31内的强碱的浓度。

图3A为根据本揭示案的实施例绘示的槽室系统1000的示意图。槽室系统1000包括槽室1005，槽室1005包括电镀槽1042及基板固持器1032，基板固持器1032安装在允许基板固持器1032旋转的可旋转心轴1008上。基板固持器1032包括锥体1034及杯体1036。在电化学电镀制程开始之前，将基板1038安装在杯体1036中。随后将基板固持器1032及基板1038浸入含有电镀液1009的电镀槽1042中。

基板1038是安置在电镀槽1042中，向下面向电镀液1009。提供一或更多个触点1004以将基板1038连接至电镀电源供应器1060作为槽室系统1000的阴极。阳极962(图3B所示)安置在电镀槽1042中且连接至电镀电源供应器1060。缓冲器1006安置在一或更多个触点1004(与阴极1210连接)与基板1038之间。在电化学电镀制程期间，基板1038绕圆柱形中心轴A1旋转。在一些实施例中，电镀液1009为电解液，诸如含有硫酸钴(CoSO₄)、硫酸铜或任何其他金属电解质的纯补充溶液(Virgin Makeup Solution；VMS)。

电镀液1009经由电镀液入口1003流入到电镀槽1042中，同时基板1038浸没在电镀液1009中以执行电镀制程。电镀液1009配置以连续流动，以使得电镀液填充至电镀槽1042的堰壁1041的边缘1043及溢流至槽室1005中的电镀槽1042外侧的溢流储集器的电镀液收集区1048中。随后，溢流电镀液可排出电镀槽，过滤，及再循环到槽室内的电镀浴中。

如图3B所示，电镀液提供至电镀槽1042及通过箭头46所指示的电镀液的射流导向基板1038。图3B绘示具有穿过阳极中心的电镀液入口1003的阳极962的剖面视图。电镀液入口1003包括由电绝缘材料形成的管。阳极962包括阳极杯体902、触点904及离子源材料906。

阳极杯体902由电绝缘材料制成，诸如聚氯乙烯(polyvinyl chloride；PVC)、聚丙烯或聚偏二氟乙烯(polyvinylidene flouride；PVDF)。阳极杯体902包括具有中心孔914的碟形基部916，电镀液入口1003穿过中心孔914。O形环910在电镀液入口1003与阳极杯体902的基部916之间形成密封。阳极杯体902进一步包括在一端(底部)处整体附接至基部916的圆柱形壁部918。

触点904由相对惰性的导电材料制成，诸如由钛制成。触点904可以各种形式布置，例如具有凸起穿孔的板，或如图3B所示的网格。触点904置于阳极杯体902的基部916上。来自电源供应器1060的正输出引线1212由相对惰性的导电材料形成，诸如由钛形成。正输出引线1212附接至杆970，杆亦由相对惰性的导电材料形成，诸如由钛形成。杆970穿过阳极杯体902以与触点904产生电气连接。

置于触点904上且与触点电气连接的为离子源材料906，例如铜。离子源材料906包括多个颗粒。此些颗粒包括各种形状，包括球形、块状、片状或丸状。或者，离子源材料906由单个整体件制成，诸如由材料的实心盘制成。在制程期间，离子源材料906电化学溶解(例如，Cu＝Cu²⁺+2e^-)，从而补充电镀液的离子浓度。

如图3C及图3D所示，在电镀制程期间调节槽室1005及基板固持器1032以保持基板1038的电镀表面1011与槽室1005的底部处于平行位置，使得基板1038以水平平行方式接触电镀表面1011处的电镀液1009以保持电化学电镀的均匀厚度/密度，从而实现所需的无缺陷电镀。调节槽室1005的方法包括调节槽室1005的底部处的调平螺旋999以保持堰壁1041的调平。

如图3D所示，即使槽室1005倾斜，电镀液1009的液面998保持水平，且因此电镀表面1011保持平行于液面998(若基板1038保持水平)。然而，当液面998高于堰壁1041的最低部分(例如，图3D的左侧)时，发生电镀液1009的不均匀溢流(例如，自堰壁1041的右侧995朝向堰壁1041的左侧996)，从而引发如箭头997所指示的横向流动。

倾斜槽室1005中的电镀液1009的不均匀溢流(例如，横向流动997)可降低电镀液1009的沉积膜的厚度/密度的均匀性。因此，较佳为在所有径向方向上保持均匀溢流以实现电化学电镀的均匀厚度/密度。在本申请案揭示的一些实施例中，调平调节器1202移除横向流动997以提供电化学电镀液的径向均匀流动。

图4A为根据本揭示案的实施例绘示的槽室系统1000的示意图。在一些实施例中，槽室系统1000包括调平组件1200。调平组件1200包括安置在槽室1005的表面部分上的调平调节器1202。在一些实施例中，多个开口1120与阀及泵(图4B所示)耦接，以达成电镀液的均匀溢流并自处理溶液移除气泡及/或任何副产物。在一些实施例中，调平调节器1202沿参考轴A2对称位于槽室1005的表面部分中，自俯视图看，参考轴A2包括参考点1006。

如图4B所示，在一些实施例中，多个开口1120中的每一者经由管道1231与控制阀1233及泵1209耦接，以实现电镀液1009的均匀溢流及自电镀液1009移除气泡1081及/或任何副产物1082。在一些实施例中，通过调平调节器1202的溢流电镀液1009经由再循环管线1298再循环。在一些实施例中，处理溶液1009储存在再循环槽1296中且供应回到电镀槽1042。

在一些实施例中，溢流处理溶液1009导向排泄口1294。亦如图3D所论述，当在电化学电镀制程期间旋转基板1038时，基板的旋转引发电镀液1009的旋转。若槽室1005倾斜，则电镀液1009的旋转运动因横向流动997(图3D所示)而变得不对称，从而引发电镀液1009的电化学电镀的不均匀厚度/密度。在本申请案揭示的一些实施例中，横向流动997通过电镀液1009的对称旋转而减少/移除。对称旋转可通过使用控制阀1233及泵1209经由管道1231调节流动速率来实现，以实现槽室系统1000内的电镀液1009的径向均匀流动。例如，若电镀槽1042倾斜，其中如图4B所示右侧995高于左侧996，则调节左侧处的阀(及/或泵)以减小通过左侧端口的流量及/或调节右侧处的阀以增加通过右侧端口的流量。通过调节阀，可能使左侧与右侧之间的溢流量相等，从而消除横向流动及保持电镀液的径向均匀溢流。

在一些实施例中，反馈控制用于保持电镀液的径向均匀溢流。反馈控制器配置以控制流量调节器，以使得通过多个开口流出的电镀液的溢流量彼此实质上相等。此处，“实质上相等”意指差异小于10％。

如图4C与图4D所示，在一些实施例中，槽室系统1000进一步包括方向定位器1170。方向定位器1170配置以通过将机械装置插入到电镀液入口1003中来改变电镀处理溶液1009的二维方向及/或三维旋转，以使得电镀处理溶液1009垂直导向基板1038的电镀表面1011的中心。在一些实施例中，方向定位器1170在需要时自电镀液入口1003“弹出”及在不使用时实质隐藏在电镀液入口1003内。在一些实施例中，控制器500经由方向定位器的可调节角度部分选择性地调节方向定位器1170的角度。可调节角度部分包括主体，此主体可滑动地收纳于槽室系统1000内且具有抵靠任何适当类型的密封的向内突出的环形凸缘。

图5A为根据本揭示案的实施例绘示的槽室的俯视图。在一些实施例中，如俯视图可见，多个开口1120包括以时钟布局排列的开口1132、1134、1136及1139。然而，应涵盖关于开口的任何适宜数量及/或配置且并不受限于此方面。在一些实施例中，开口1132、1134、1136及1139对称地位于槽室1005的堰壁1041的表面部分中。表面部分1032、1034、1036、1039中的每一者包括表面部分中的中心角θ₁、θ₂、θ₃、…及θ_n。在图4D所示的一些实施例中，中心角θ₁、θ₂、θ₃、…及θ_n处于约25度至约35度的范围内。在一些实施例中，中心角θ₁、θ₂、θ₃、…及θ_n相同。在一些实施例中，开口1132、1134、1136、1139的直径范围自约20mm至约40mm。在一些实施例中，开口1132、1134、1136、1139的直径范围是自约25mm至约35mm。在特定实施例中，开口1132、1134、1136、1139的直径为约30mm。槽室系统1000的开口1132、1134、1136、1139可等分为12个表面区域。在一些实施例中，角度θ₁、θ₂、θ₃、…及θ_n可不同。然而，应涵盖关于开口的任何适宜数量及/或角度配置且并不受限于此方面。

例如，在一些实施例中，图5B示意性绘示三个控制阀的示意图。在一些实施例中，提供具有相似长度及相同弯曲数量的三个管道1232、1234、1236，使得来自所有三个管道的流动速率可由控制器500调节，操作性地连接至流量计1213、1215、1217。在图5B中，所有三个管道连接至单个泵。在一些实施例中，三个管道分别连接至三个分开的泵。

在一些实施例中，如图5B所示，三个管道1232、1234、1236中的每一者分别经由流量控制阀1233、1235、1237连接至流量计1213、1215、1217。基于流量计1213、1215、1217量测到的流动速率，可通过使用控制阀1233、1235、1237分别调节流动速率来减少/移除横向流动997(图3D所示)及使电镀液1009的溢流对称。此流动速率通过使用流量控制阀1233、1235、1237来控制。在一些实施例中，控制器500操作性地连接至流量计1213、1215、1217，流量控制阀1233、1235、1237，以及三个分开的泵。控制器500基于流量计1213、1215及1217中的每一者量测到的流动速率来分别控制流量控制阀1233、1235、1237的操作。在一些实施例中，控制器500包括处理器及储存控制程序的记忆体，并且当控制程序由处理器执行时，控制程序引发处理器执行所欲操作。在一些实施例中，控制器500包括微型计算机。

如图6A、图6B及图6C所示，本系统可利用调平组件或三个管道1232、1234、1236相对于参考轴A2的任何适宜配置，包括亦在图4A中绘示的配置。

如图7A、图7B及图7C所示，在上文及下文实施例中的一者或更多者中，调平调节器1202与如图7A及图7B所示的狭缝控制机构1417一起布置。

狭缝控制机构1417(本文亦称为“自动狭缝”)控制离开槽室的调平调节器的电镀液的流动速率。在一实施例中，狭缝1414与电镀槽1042的多个开口1120可滑动地附接。在一些实施例中，狭缝可滑动地安置在调平调节器1202内。在一些实施例中，如图7A与图7B所描绘，狭缝控制机构1417允许具有多个开口1120的可变直径的可调节孔口。例如，在图4B的剖面视图所示的两个调平调节器1202的实施例中，差分流动速率为堰壁1041的右侧995与左侧996之间的流动速率的差。在图5B所示的三个调平调节器1202的实施例中，差分流动速率为流量计1213、1215及1217之间的流动速率的相对差。当控制器500决定在流量计处量测的电镀液的差分流动速率低于可接受的范围时，控制器500移动狭缝控制机构1417，以使得在离开调平调节器1202的电镀液的路径中提供覆盖多个开口1120的狭缝1414的较小部分，从而允许更多电镀液流动通过调平调节器1202及增加量测的流动速率。另一方面，若决定在调平调节器1202处量测的电镀液的差分流动速率高于可接受的范围，则控制器500移动狭缝控制机构1417，以使得在离开调平调节器1202的电镀液的路径中提供覆盖多个开口1120的狭缝1414的较大部分，从而减小量测的流动速率。

在一些实施例中，如图7C所描绘，自动狭缝1417包括安置在调平调节器1202处的可变光栏(iris diaphragm)1414a。在此类实施例中，狭缝控制机构1417通过改变电镀液穿过可变光栏1414a的总流动速率而起作用。例如，若控制器500决定量测的差分流动速率需要更高，则启动可变光栏1414'以增加孔径尺寸，从而允许更多电镀液通过调平调节器1202及导致量测的差分流动速率增加。另一方面，若量测的差分流动速率需要减小，则控制器500启动可变光栏1414’以减小孔径尺寸，从而导致量测的流动速率减小。

图8绘示根据本揭示案的实施例的利用电化学电镀设备的反馈控制器控制槽室系统1000的方法1000的流程图。方法包括：在操作S1010处，提供槽室，将电镀液自槽室的底部提供至槽室中。槽室包括侧壁及穿过侧壁的多个开口。方法亦包括：在操作S1020处，提供流量调节器，流量调节器与多个开口中的每一者一起布置。随后，方法包括：在操作S1030处，量测经由流量调节器流出的电镀液的流动速率。在一些实施例中，可配置参数为差分流动速率量测。在操作S1040处，通过反馈控制器计算电镀液的差分流动速率。在一些实施例中，反馈控制器基于新的差分流动速率量测信息产生通知，从而指示差分流动速率处于可接受的质量量测范围内。

在操作S1050处，决定电镀液的差分流动速率是否处于可接受的范围内。在一些实施例中，流量调节器包括逻辑电路，此逻辑电路经程序设计以在侦测到的差分流动速率量测中的变化不处于可接受的范围内时产生预定信号。例如，当侦测到的差分流动速率量测中的变化小于某一阈值时产生信号。差分流动速率量测中的变化阈值为例如差分流动速率量测中的预期最小变化的+/-5％。

若经由流量调节器流出的差分流动速率量测中的变化不处于可接受的范围内，则在操作S1060处，自动调节流量调节器的可配置参数以增加或减小经由流量调节器流出的差分流动速率量测中的变化，以使得溢流的差分流动速率量测中的变化处于可接受的范围内。

图9A与图9B绘示根据本揭示案的一些实施例的控制器500的配置。在一些实施例中，计算机系统2000用作控制器500。在一些实施例中，计算机系统2000执行上文阐述的控制器的功能。

图9A为计算机系统的示意图。上述实施例的制程、方法及/或操作的全部或一部分可使用计算机硬件及其上执行的计算机程序来实现。在图9A中，计算机系统2000具有计算机2001，计算机2001包括光盘只读记忆体(例如，CD-ROM或DVD-ROM)驱动器(光盘机)2005及软盘机(FD drive)2006、键盘2002、鼠标2003及监视器2004。

图9B为绘示计算机系统2000的内部配置的图。在图9B中，除了光盘机2005及软盘机2006之外，计算机2001具有：一或更多个处理器，诸如微处理单元(micro processingunit；MPU)2011；ROM 2012，其中储存诸如启动程序的程序；随机存取记忆体(randomaccess memory；RAM)2013，连接至MPU2011且其中临时储存应用程序的命令及提供临时储存区；硬盘2014，其中储存应用程序、系统程序及数据；以及总线2015，连接MPU 2011、ROM2012及类似者。应注意，计算机2001可包括网卡(未绘示)，用于提供连接至LAN。

用于引发计算机系统2000执行设备的功能以控制上述实施例中的设备的程序可被储存在光盘2021或磁盘2022中，此光盘或磁盘插入到光盘机2005或软盘机2006中，并传输至硬盘2014。或者，程序可经由网络(未绘示)传输至计算机2001并储存在硬盘2014中。在执行时，程序加载到RAM 2013中。程序可自光盘2021或磁盘2022或者直接自网络加载。程序不一定包括例如操作系统(operating system；OS)或第三方程序来引发计算机2001执行上述实施例中的控制器500的功能。程序可仅包括命令部分以在受控模式下调用适当的功能(模块)及获得所需的结果。

在各个实施例中，在槽室中提供一或更多个调平调节器以自处理溶液中移除气泡或任何副产物，以便提供更径向均匀的流动。此种径向均匀的流动防止晶圆上不均匀的电化学电镀结果，从而增加晶圆的良率及增加化学处理系统的产量，以及降低半导体制造制程的维护成本。

本揭示案的实施例是一种用于在晶圆上沉积导电材料的电化学电镀设备。设备包括槽室、穿过槽室的侧壁的多个开口及与多个开口中的每一者一起布置的流量调节器。自槽室的底部提供电镀液。流量调节器配置以调节经由多个开口中的每一者流出的电镀液的溢流量。在一些实施例中，电化学电镀设备包括控制器，以控制流量调节器，以使得经由多个开口流出的电镀液的溢流量彼此实质上相等。在一些实施例中，流量调节器包括阀。在一些实施例中，控制器使用在流量调节器处量测的电镀液的差分流动速率作为控制参数来控制流量调节器。在一些实施例中，流量调节器包括电镀液通过的可调节狭缝。在一些实施例中，可调节狭缝的狭缝宽度经控制以调节电镀液的溢流量。在一些实施例中，可调节狭缝包括可变光栏。在一些实施例中，多个开口对称布置在垂直于槽室的圆柱形中心轴的平面内。在一些实施例中，设备包括反馈控制器，此反馈控制器配置以保持电镀液的径向均匀溢流。在一些实施例中，多个开口中的每一者连接至分开的泵送模块。在一些实施例中，设备包括方向定位器，此方向定位器配置以将电镀液引入至槽室，以使得电镀液垂直地导向晶圆的电镀表面的中心。

本揭示案的另一实施例是一种调节电化学电镀制程的方法。方法包括自槽室的底部提供电镀液。多个开口穿过槽室的侧壁及流量调节器与多个开口中的每一者一起布置。随后，量测流动通过流量调节器的电镀液的流动速率。接着，反馈控制器计算电镀液的差分流动速率。随后，决定电镀液的差分流动速率中的变化是否处于可接受的范围内。回应于决定差分流动速率量测中的变化不处于可接受的范围内，自动调节流量调节器的可配置参数以将差分流动速率量测中的变化设置在可接受的范围内。在一些实施例中，当自动调节流量调节器的可配置参数时，调节电镀液通过的流量调节器的可调节狭缝。在一些实施例中，在量测电镀液的流动速率之前，旋转晶圆以引发电镀液的旋转运动。在一些实施例中，反馈控制器基于新的差分流动速率量测信息产生通知，从而指示差分流动速率处于可接受的质量量测范围内。

根据本揭示案的另一态样是一种制造半导体晶圆的方法。方法包括提供电镀设备，此电镀设备包含晶圆固持器、电源供应器及槽室。晶圆固持器配置以固持及旋转晶圆。电源供应器与电极耦接，配置以向晶圆施加电荷。自槽室的底部提供电镀液。随后，将包括流量调节器的调平组件提供给槽室的多个开口。调平组件随后保持槽室的电镀液的径向均匀溢流。在一些实施例中，多个开口的直径范围是自20mm至40mm。在一些实施例中，流量调节器中的每一者包括电镀液通过的可调节狭缝。在一些实施例中，流量调节器中的每一者连接至分开的泵送模块。在一些实施例中，反馈控制器配置以基于新的差分流动速率量测信息产生通知。

前文概述了数个实施例或实例的特征，使得一般熟悉此项技术者可更好地理解本揭示案的态样。熟悉此项技术者应了解，可易于使用本揭示案作为设计或修改其他制程及结构的基础以便实施本文所介绍的实施例或实例的相同目的及/或实现相同优势。熟悉此项技术者亦应认识到，此类等效结构并未脱离本揭示案的精神及范畴，并且可在不脱离本揭示案的精神及范畴的情况下在本文中实施各种变化、取代及修改。

Claims

1.一种电化学电镀设备，用于沉积一导电材料在一晶圆上，其特征在于，该电化学电镀设备包含：

一槽室，一电镀液自该槽室的一底部提供至该槽室中；

穿过该电池腔室的一侧壁的多个开口；及

与该些开口中的每一者一起布置的一流量调节器，该流量调节器配置以调节经由该些开口中的该每一者流出的该电镀液的一溢流量。

2.如权利要求1所述的电化学电镀设备，其特征在于，进一步包含一控制器，以控制该流量调节器，以使得经由该些开口流出的该电镀液的溢流量彼此实质上相等，其中该控制器使用在该流量调节器处量测的该电镀液的一差分流动速率作为一控制参数来控制该流量调节器。

3.如权利要求1所述的电化学电镀设备，其特征在于，该流量调节器包括该电镀液通过的一可调节狭缝，其中该可调节狭缝的一狭缝宽度经控制以调节该电镀液的一溢流量。

4.如权利要求3所述的电化学电镀设备，其特征在于，该可调节狭缝包括一可变光栏。

5.如权利要求1所述的电化学电镀设备，其特征在于，进一步包含一反馈控制器，该反馈控制器配置以保持该电镀液的一径向均匀溢流。

6.如权利要求1所述的电化学电镀设备，其特征在于，进一步包括一方向定位器，该方向定位器配置以将该电镀液引入至该槽室，以使得该电镀液垂直地导向该晶圆的该电镀表面的一中心。

7.一种电化学电镀制程的方法，其特征在于，包含：

自一槽室的一底部提供一电镀液，其中多个开口穿过该槽室的一侧壁，一流量调节器与该些开口中的每一者一起布置；

量测流动通过该流量调节器的该电镀液的一流动速率；

通过一反馈控制器计算该电镀液的差分流动速率；

决定该电镀液的该差分流动速率中的一变化是否处于一可接受的范围内；及

回应差分流动速率量测中的该变化不处于该可接受的范围内的决定，自动调节该流量调节器的一可配置参数，以将差分流动速率量测中的该变化设置在该可接受的范围内。

8.如权利要求7所述的电化学电镀制程的方法，其特征在于，进一步包含：在量测该电镀液的一流动速率之前，

旋转一晶圆以引发该电镀液的一旋转运动。

9.一种制造半导体元件的方法，其特征在于，包含：

提供一电镀设备，其中该电镀设备包含：

一晶圆固持器，配置以固持及旋转一晶圆；

与电极耦接的一电源供应器，配置以向该晶圆施加一电荷；及

一槽室，一电镀液自该槽室的一底部提供至该槽室中；

将包括流量调节器的一调平组件提供给该槽室的多个开口；及

通过该调平组件保持该槽室的该电镀液的一径向均匀溢流。

10.如权利要求9所述的制造半导体元件的方法，其特征在于，该些流量调节器中的每一者包括该电镀液通过的一可调节狭缝。