CN1289712C - 通过增强电解溶液混和来沉积平面金属的阳极设计以及使用这种设计供应电解溶液的工艺 - Google Patents

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Abstract

一种可以将溶液提供至基底表面的阳极组件(a)，该阳极组件(9)包括一形成内部壳体容积的壳体，流体可以流入该内部壳体容积中。一个用于该内部壳体容积的挡板，溶液可以通过挡板从内部壳体容积排到基底表面。一个过滤器(162)，内部壳体容积被该过滤器分隔成一个第一室和位于第一室和挡板之间的第二室。在向所述的表面供应溶液的过程中，流进第二室的溶液比流进第一室的溶液的速度高，诸流体在第二室中混合。

Description

通过增强电解溶液混和来沉积平面金属的阳极设计以及 使用这种设计供应电解溶液的工艺
                                技术领域
本发明涉及一种在一个基底上沉积、抛光或者电抛光金属薄膜的装置和方法，或者从该基底上去除这种金属薄膜的装置和方法。这种独特的阳极组件特别适合在镶嵌型互连和封装结构上进行平面金属沉积。
                               背景技术
在多层集成电路的制造中，需要进行多道金属和绝缘膜的沉积步骤继之以通过光致抗蚀剂形成图案及蚀刻或其他方法除去材料，在光刻法和蚀刻之后，所得到的晶片或者基底的表面不再是平面而是包含着通路、线条和沟道等特征。往往，这些特征都需要有专门的材料填充，例如金属、电介质或者两者都需要。在高性能应用中，晶片的构形表面需要进行平整以为工艺的下一步作准备，其中包括材料的沉积和一光刻步骤。最好是在光刻步骤之前基底的表面先弄平整，以便可以实现适当的调焦以及层与层之间的重叠或对齐。因此，在每次产生具有非平整表面的晶片的沉积步骤后，都需要一个表面平整化的步骤。
电沉积在IC制造业中被广泛地应用以将例如铜等的高传导性材料沉积在半导体晶片表面上的绝缘层中打开着的通道和沟道之中。
电沉积一般是在一个专门配置的电解液中在阴极进行的，该电解液中包括铜离子和其他能够控制铜表层的组织、形态和电沉积性能的添加剂。在晶片表面的晶种层进行一个适当的电气接触，典型的配置是沿着晶片的圆周。一可被消耗的铜或惰性阳极板被置于电解液中。当一相对于阳极的阴极电势被加到晶片表面上时，例如当一相对于阳极的负电压被加到晶片表面时，在晶片表面上的铜的沉积就开始了。
由于铜平面沉积层的技术的发展，看到了克服传统电沉积技术的种种缺陷的重要性。例如，题为“电化学机械电沉积的方法和装置”的授予Talieh的美国专利6,176,992，该专利被本发明的受让人所拥有，在一个方面描述了电化学机械沉积技术(ECMD)，当通过用一个片抛光场效应区来最小化场效应区的电沉积时，实现将导电材料沉积在底板表面的空穴中，因此就形成了平面的铜沉积。
题为“通过外部作用在加工件的空穴表面和设置在顶部表面的添加剂之间产生差别的电沉积方法和装置”的美国专利申请系列号09/740,701，该申请也被本发明的受让人所拥有，描述了通过产生一个外部作用来将导电材料电沉积到基底上的方法和装置，所述外部作用是例如通过工件和掩模之间的移动，使得工件的顶表面和空穴表面之间的添加剂的差别保持一段时间。在保持此差别的情况下，功率被加到阳极和基底之间以使空穴表面产生相对来说比顶部表面大的电镀。
题为“与晶片表面进行电接触以获得全面电沉积或电抛光的方法和装置”的美国专利申请系列号09/735,546，此专利申请的申请日为2000年12日14日，现在美国专利号为6,482,307，该专利申请在一个方面描述了全面电沉积和电抛光的技术。题为“在基底上以最小边缘排除电沉积具有一致均匀的薄膜的方法和装置的美国专利申请系列号09/760,757，申请日为2001年1日17日，该申请在一个方面描述了在不损失电接触的表面上的空间的情况下在半导体晶片表面上形成平坦导电层技术。
在以上这样的工艺中，当在工件表面与衰耗片或者掩模之间有物理接触时，至少在电沉积工艺的一部分可以使用一亮减片或者掩模。物理接触和外部作用通过降低顶部表面的生长率影响金属的生长而同时有效地使特征内的生长率增加。
在使用可以溶解的阳极的金属电沉积工艺中，必须最小化阳极的污泥或微粒对沉积金属的污染。通常，在可溶阳极的周围设置一个阳极袋来最小化此类污染。在传统的互连和封装的铜电沉积方式中，如图1所示，一个阳极袋或者过滤器150围绕在阳极152周围。在沉积池156中，阳极152与阴极154有一合适的间隔。可以为电解溶液160提供搅拌，再循环或者甚至过滤。在常规电沉积操作中，阳极污泥出现堆积在阳极152和袋子150之间构成的阳极中。在铜电沉积中，过多的阳极污泥影响了沉积在阴极154上的金属的质量。具体地说是沉积金属的均匀性由于电场分布的改变而变得较差。另外，由于阳极的极化现象使得电沉积电压增加。铜离子不能快速通过污泥层而满足阴极的要求。此外，电沉积效率的损失可能导致氢在阴极析出外被镀上或展开。为了工作正常进行，阳极152被从沉积池156中取出，并在重新放进之前清洗干净。
图2中所示为一电沉积和平面化装置例如本发明改进的阳极组件，可以在其中使用。载体头10夹持一圆的半导体晶片16，同时提供了一根与晶片导电下表面连接的电导线7。该头部可以绕第一轴10b旋转。该头部也可以在如图2中所示的X和Y方向移动。还可以提供使头部沿Z方向移动的装置。
题为“电沉积和抛光用的工件载体头”的美国未决专利申请系列号09/472,523的主题中揭示了一些用来保持晶片16的载体头的实施例，该专利申请日为1999年12月27日，其中所公开的内容作为本发明的非实质性主题内容在此供参考。题为“用于电沉积及平面化一导电层的阳极组件”的未决美国专利申请系列号09/568,584的主题中揭示了一些可以使用于载体头的带有阳极袋的阳极组件的实施例，申请日为2000年5月11日，现在美国专利号为6,478,936，其中公开的内容作为本发明的非实质性主题内容也援引在供参考。
在圆形阳极组件9的顶部周围横跨晶片表面设置有一个衰耗片8。该衰耗片8可以具有在未决美国专利申请系列号09/511,278中作为主题的设计和结构，该未决专利申请的题目为“用于多种材料加工装置的设计和结构”，专利的申请日期为2000年2月23日，现在美国专利号为6,413,388。其中公开的内容作为本发明的非实质性主题内容也援引在这里供参考。题为“具有改进流体分布的设计和结构”的未决美国专利申请系列号09/621,969，申请于2000年7月21日，现在美国专利号为6,413,403，也涉及这种设计和结构。同样，其中公开的内容作为本发明的非实质性主题内容也援引在此供参考。申请系列号09/621,969的揭露的内容也被合并在此作为非实质性主题内容的参考。
                          发明内容
下面将要介绍的阳极组件具有以可控制的速度在两个方向上旋转的能力，并且具有支持一衰耗片的机械强度。晶片表面可以用被控制的力推向该衰耗片。他们具有接受，容纳，传递，分布加工流体的能力。这些组件还可以用在电沉积工艺中，同样也可以用于电沉积和平面化工艺和ECMD工艺。这些组件甚至能用在CMP工具中。
本发明还提供了适应高质量金属电沉积和超平薄膜沉积需要的改进的阳极设计和结构。这些改进了的阳极样式和组件将在下面加以讨论。
在本发明的的每个实施例中，所述通过它可以将溶液加到半导体基底表面上的阳极组件包括一个形成流体可在其中流动的内部壳体容积的壳体。每个组件还包括一个用于内部空间的挡板，通过此挡板，溶液可以从内部空间排向基底表面。一个过滤器，内部空间被该过滤器分割成一个第一室和一个第二室，该过滤器位于第一室和挡板之间。当溶液被供至表面时，流进第二室的溶液比流进第一室的溶液的速度高，并且流体(溶液)在第二室中混合。
壳体包括至少一个主流体通道，通过它溶液可以直接流进第二室，以及至少一个次流体通道，通过它溶液可以直接流进第一室。在一个实施例中，主流体通道和次流体通道彼此独立。在另一个实施例中，次流体通道接进主流体通道，次流体通道可以使流过从流体通道的溶液的一部分流向第一室。
内部壳体容积的挡板是一个能够盖住此容积的平板。溶液可以流过的衰耗片位于此平板之上。
在第二室和挡板之间可以设置一个第二过滤器。第二过滤器的孔比第一过滤器的孔小。该过滤器把内部空间分割成第一室和第二室。
在发明的一个实施例中，设置了一个排管，通过它可以将污泥从第一室排出。在一有所改变的结构中，还可以设置一个外部过滤器，用于预先过滤进入壳体中的溶液。在这种情况下，上述的壳体就是一个上部壳体，阳极组件还包括一个下部壳体，外部过滤器安装在其上，用于接收至少上部空间中的一部分。在这种结构中，当下部壳体接收上部壳体的一部分时，在上下壳体之间就形成了一个流体导入室。
一个阳极，通常是一个可溶的阳极，是位于第一室中。还有，使用的溶液是一电解溶液，可用以在半导体基底的表面沉积一导电薄膜。
根据本发明的另一个方面，将溶液提供到容纳在阳极组件中的半导体基底表面的工艺包括提供具有内部容积的壳体。这个容积被一个过滤器分割成第一室和位于第一室和其表面之间的第二室。溶液被提供到壳体时，分成两路，一路直接进入第二室，另一路通过第一室进入第二室。流体在第二室中一起混合，然后溶液从壳体中被排向表面。
根据本发明的另一个方面，至少有一个孔可以用于除去在第一室中或者在第二室中，或者在该两室中的气泡。第一室中的至少一个孔和第二室中的至少一个孔能用于除去溶液的气泡或者防止气泡集聚在阳极组件中。通过法兰之间的有控制的泄漏可以减少气泡的聚积。
                            附图说明
图1是已有技术的导电材料的电沉积装置；
图2是可以使用本发明的阳极组件的整体装置的示意图；
图3是根据本发明的阳极组件的剖面示意图，其中使用了的第一阳极壳体实施例；
图4是可以用在阳极组件中的第二阳极壳体实施例的剖面示意图；
图5是可以用在阳极组件中的第三阳极壳体实施例的剖面示意图；
图6是与图3类似，但是其中另外使用了预过滤装置。
                             具体实施方式
下面讨论的每个阳极组件都特别适合于被用作一种可溶的即可消耗的阳极。然而，此阳极组件可以考虑用或者被用作惰性阳极，而且该阳极组件可以用在蚀刻的应用中和金属沉积的应用中。
根据本发明，使用了配置在阳极壳体的多个位置的多个阳极过滤器。过滤器具有不同的孔径。过滤器也可以叠层在两个多孔片之间。图3显示了一个配置了多个过滤器及垂直配置的、主次流体传送通道的阳极组件9。在这个阳极结构中，通过一个过滤器支架163，在阳极室设有一个主阳极过滤器162，并且将阳极164与阳极室的其余部分隔开。例如，主阳极过滤器162可以由一层或者多层聚丙烯织物绒毛组成，或者使用聚乙烯，聚砜，亲水PVDF，或者PFTE过滤器，过滤器的孔径或过滤粒径平均小于1微米。阳极过滤器162可以埋葬阳极164周围产生的阳极污泥。设置在离开主阳极过滤器162一段距离处该上阳极过滤器166的孔径最好在30微米和0.1微米之间。上阳极过滤器166被固定在可有效地过滤和阴极互通的电解溶液或液体的位置。
在阳极壳体168中的一个空腔A分开主阳极过滤单元162，和上阳极或次阳极过滤器166。空腔或者室A可以称作一中间过滤器混合室。在这个混合室A中，从下阳极室B出来的溶液与从至少一个主流体通道170出来的溶液互相混合。室A和B一起形成了一个内壳体容积，电解质溶液可以流入其中。这样过滤器162将内壳体容积分割成下阳极室B和位于下阳极室和一个顶阳极板174之间的中间过滤器混和室A。在如图3所示的实施例中，以及在如图4-6所述的每一个实施例中，腔室A中的电解质溶液的混和和来自主流体通道的溶液较高的流速增强了铜离子或其他金属离子从下阳极室B向混和室A的迁移。换句话说，此离子迁移的增强是因为混和室A中的混和以及电解质溶液流入混和室A的速度高于溶液流入阳极室B的速度。动态混和和迁移减少了下阳极室B和上中间过滤器间混和室A之间的铜离子浓度的差别，从而减少了由于电解池内离子浓度差较大而产生的电解池的极化。
主流体通道可以是一条垂直的通道用来供应电解质溶液或者用于流体的联通，也可以合并入阳极室中。如图3中所示，主流体通道和次流体通道都可以以孔穴的形式成形于电解池的壁中。主流体通道170直接将超过60％的溶液传入过滤混和室A中。然后溶液被极细的上阳极过滤器166过滤，上阳极过滤器的中间平均孔径一般小于10.0微米，最好介于0.02-0.5微米之间。被过滤的溶液然后通过上阳极顶板174中的通道172和衰耗片或衰耗片组件178中的通道176传递至阴极。上阳极顶板174形成了内壳体容积的挡板，并可用任何合适的方式如通过螺钉固定在一个位于阳极壳体上端部的凸缘175上。溶液可以通过顶板174中的通道172和衰耗片或衰耗片组件中的通道176从内壳体容积向半导体基底表面排出。O形密封环182可以置于阳极顶板174下侧和凸缘175之间来防止电沉积液/电镀平面化溶液的泄漏。0形密封环也可以省略以让流体在凸缘之间有控制地泄漏。受控制的泄漏可用以去除混和室中的气泡。阳极顶板174的结构可以基本上与前述未决美国专利申请09/568,584中所述的衰耗片支撑板22的结构相同，而衰耗片或衰耗片组件178的结构可以基本上与该未决专利申请中的衰耗片8的结构相同。
次流体通道180将电解质平衡传到下阳极室B中或阳极164周围空间B中。从下阳极室B中流出的溶液在进入中间过滤器混和室A中和其中的溶液混和之前被主阳极过滤器162所过滤。
在另一个电解池构造中，提供了又一个外部过滤器或者又一组外部过滤元件。图6表示出了这样一种电解池的构造，其中一个外部过滤器472置于上阳极壳体468之下。此外部或“中间碗形”过滤器472可以用于预先过滤从流体入口474流入的电解质溶液。图6中的电解池结构还包括一个阳极464，它置于通过一个主阳极过滤器462中间与过滤混和室A分开的下阳极室B中。如图3中实施例所示，主阳极过滤器462可以由一层或多层过滤器，或者一个微粒或孔径大小介于1和5微米之间的滤筒组件组成。主阳极过滤器462可以埋葬掉阳极464周围产生的污泥。
一个上阳极过滤器(图6中没有示出)设置得离开主阳极过滤器462一段距离，被理解为是一个顶阳极板(图6中未示出)安在上阳极碗或壳体468的凸缘475上，类似于图3实施例中上阳极板174安装在凸缘175上的方式，由此形成了中间过滤混和室A。
上阳极碗468包括构造和功能相同于图3中所示的主流体通道170和次流体通道180的主流体通道470和次流体通道480。
如上所述，外部或室内碗过滤器472位于上阳极壳体468下面。外部过滤器可以通过例如一个适合的过滤器安装件安在下阳极室或碗495上，在溶液流入室A和B内之前对其进行过滤。下阳极壳体或碗495含有一个通过如螺钉等物件连接在上阳极碗或壳体468上的凸缘475上。又一个O形密封环492可以置于凸缘475和497面对表面之间来提供密封功能。在所有其他方面，图6中阳极结构与图3中所示的相同。
图5示出了一个阳极污泥排管376组装在另一个阳极结构中。阳极污泥通过阳极污泥排管的开口定期或必要时被排出。任何一个可实用的装置都可以在例行的晶片或工件加工期间或任何适合的时间吸出或排空下阳极室B。这样，就不用拆开阳极壳体368和取出主阳极过滤器362来清除污泥或清洗阳极室B，而在已有技术的工艺操作中，拆开和取出清洗是不能避免的。在原处进行操作的阳极污泥排管376免去了例行阳极保养操作，从而提高了电沉积池的利用。在原处清除泥渣同样也延长了下阳极过滤器的寿命。
在所有其他方面，图5的阳极结构与图3所示的相同。
在其他的排列中，下阳极室B的二次流可以从主流体通道孔引出，如图4中所示。在这里，直径小于主流体通道270的孔形成了次流体通道280，用于分隔或转移主流体通道270中一部分流体至阳极264周围的壳体268的下阳极室B中。在所有其他方面，图4中阳极的结构与图3中的相同。
除了上述的流体通道之外，如图3和图4所示，可以提供另外一个小孔(b)，或提供另外多个孔(未图示)使电解质可以从下阳极室B泄漏到阳极壳体168，268，368或468外面。最好至少这些孔中一个可以用来去除在阳极上表面和主阳极过滤器之间被截留的气泡。如图3中所示，类似空气洩放孔(a)可以设置在顶阳极板或阳极壳体的上壁。当没有空气口洩放孔时，可以使用一个排气过滤件(未图示)在溶液被传送至电沉积池中之前排除溶液中的气体。为了有效地去除气泡，必须将过滤器162，262，166，462和362以相对水平方向1到30度之间的倾斜角度倾斜地设置，而空气洩放孔则置于过滤器下面的最高区域。
在其他操作中，下阳极室B也可以按照需要被驱动来排除在主阳极过滤器162，262，362，或462下面被截留的大气泡。溶液可以被排出，过滤和返回至蓄液池中。
一个类似的排放装置可以装在阳极壳体168，268，368或468的上部区域中。这种排放装置可以用于排除室A中正好在上阳极过滤器下面的任何大的截留气泡。
以上揭示的内容仅仅为了举例说明本发明，本发明并不限于所举的例子。由于对本技术领域中熟练人士，根据本发明所揭示的精神和实质性的内容，完全有可能对本发明所揭示的实施例做出种种的修改和变化，因此本发明应该包括在所附权利要求书及其等效物范围之内的所有内容，正好在上阳极过滤器下面。

Claims (19)

1.一种可以将溶液提供至基底表面的阳极组件，所述组件包括：
一限定内部壳体容积的壳体，所述溶液可流入所述内部壳体容积，
一用于盖住所述壳体开口的挡板，通过所述挡板溶液可以从内部壳体容积排到基底表面，
一过滤器，所述内部壳体容积被该过滤器分割成一个第一室和位于第一室和挡板之间的第二室，
其特征在于，在向所述表面供应溶液的过程中，流进所述第二室的溶液比流进所述第一室的溶液的速度高，所述诸流体在第二室中混合。
2.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，所述壳体包括至少一个主流体通道，通过所述主流体通道，溶液可以直接流进所述第二室，以及至少一个次流体通道，通过所述次流体通道，溶液可以直接流进所述第一室。
3.如权利要求2所述的阳极组件，其特征在于，所述主流体通道和所述次流体通道彼此独立。
4.如权利要求2所述的阳极组件，其特征在于，所述次流体通道接进所述主流体通道。
5.如权利要求4所述的阳极组件，其特征在于，所述次流体通道可以使流过所述主流体通道的一部分溶液流向所述第一室。
6.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，所述挡板是一个能够盖住所述内部壳体容积的平板。
7.如权利要求6所述的阳极组件，其特征在于，还包括位于所述平板上的衰耗片，溶液可以通过该衰耗片流出。
8.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，在所述第二室和所述挡板之间可以包括一个第二过滤器。
9.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，所述基底包括一个半导体晶片。
10.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，还包括一个排管，通过所述排管可以将污泥从所述第一室除去。
11.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，还包括一个可被接收在所述第一室内的阳极。
12.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，至少有一个孔用以去除所述第一室中的气泡。
13.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，至少有一个孔用以去除所述第二室中的气泡。
14.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，所述第一室中的至少一个孔和所述第二室中的至少一个孔用于除去溶液中的气泡或者防止气泡集聚在所述阳极组件中。
15.一种将溶液提供到容纳在阳极组件中的半导体基底表面的工艺，包括：
提供一个壳体，所述壳体具有被一个过滤器分割成第一室和位于第一室和所述表面之间的第二室的内容积；
将溶液提供到所述壳体中；
将被提供给所述壳体的溶液分成两路，第一路直接进入所述第二室，第二路通过所述第一室进入所述第二室，其中第一路的速度比第二路的速度高；
在所述第二室中将两路流体混合在一起；
然后将溶液从所述壳体中排到所述表面。
16.如权利要求15所述的工艺，其特征在于，一阳极设置在所述第一室内。
17.如权利要求15所述的工艺，其特征在于，至少有一个孔用于去除所述第一室中的气泡。
18.如权利要求15所述的工艺，其特征在于，至少有一个孔用于去除所述第二室中的气泡。
19.如权利要求15所述的工艺，其特征在于，所述第一室中的至少一个孔和所述第二室中的至少一个孔用于除去溶液中的气泡或者防止气泡集聚在所述阳极组件中。
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