TWI250552B - Plating apparatus, plating method, and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

Description

1250552 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於用以於一種鍍敷裝置與鍍敷方法、其將 鍍敷應用於基板上，以及有關及半導體裝置之製造方法。 【先前技術】 在近年來在半導體裝置操作速度之改善要求達成：此裝 置之高整合密度與高功能表現。因此，連接至各元件之接 線變得更精密且多層。在目前為符合此精密與多層之接 線，此接線是以此種方式形成··將銅（Cu)填入通孔與在中 間層絕緣薄膜上所形成接線溝槽、以及然後將不須要之Cu 去除而形成。 此電解電鍍方法目前使用於將從填滿速度之觀點填入 銅。然而，當半導體晶圓（以下稱為”晶圓浸入於電鍍溶液 中時，則種子層可能會溶解及/或泡沫將存留在將被電鍍晶 圓之表面上。因此，令人期望限制此種子層之溶解及/或泡 沫之存留，因為其會造成洞之發生。 為解決此問題而㈣—種方法：將晶圓浸人於電鍍溶液 中，同％在晶圓與陽極間施加電壓且將晶圓傾斜。在此處， 田將日日圓/又入於電鍍溶液中時，其所被施加之電壓與當電 嫂時所施加之電壓實質上相同。作為另一種方法，據：解 是將參考電極設置在晶圓附近，且將晶圓浸入於電鑛溶液 中，而同時控制晶圓之電位至由此參考電極所提供之預先 «又疋之私位（例如.請參考美國專利案號US 6州，⑷之說 明書與吴國專利案號US 6,562,204之說明書）。 97666.doc 1250552 然而’在此前一案中，將傾斜晶圓浸入於電鍍溶液中而 同時對其施加電壓，以致於所形成電鍍薄膜之厚度在先前 濕潤之部份與稍後濕潤之部份是不同，以及因此所造成之 問題疋·難以均勻地形成電鍍薄膜。在此前一案中，此參 考電極是設置在晶圓附近，以致於在電鍍時此參考電極干 擾到私％，以及因此其問題是：難以均勻地形成電鍍薄膜。 【發明内容】 根據本發明之一觀點，提供一種電鍍裝置包括：電鍍溶 液槽其儲存電鍍溶液；保持具其握持住基板，於該電鍵溶 液槽中種子層係形成於此基板上；第—陽極設置在電鏡溶 液+曰中，其在其氧化還原電位中具有較構成種子層之金屬 在其氧化還原電位中更多陽極材料’ ^可電性連接至由該 保持具所握持住之基板之種子層；以及第_陽極設置在電 錢溶液槽中，其可在由㈣持具賴持住之基板之種子層 間施加電壓。 根據本七明之另一觀點，提供一種電鍍方法，其包括以 :步驟：將第“陽極連接至基板之種子層，其中第一陽極 疋設置在電鑛溶液中，其構成材料之氧化㈣ 種子層之金屬之氣化纟衰原蕾 一原電佺更具陽極性；將基板於電鍍 浴？中潤濕；以及藉由在種子層與設置於電鑛溶液中之第 一％極間施加電壓，將基板電鍍。 根據本發明之又一觀點，提供—種電錄方…包括以 =:在表面上具有凹入部份之基板上形成 致於填人於凹人料之之—料巾；_ 97666.doc 1250552 至種子層，其t此第一陽極是設置在此電鑛溶液令，且其 在其氧化還原電位令具有較構成種子層之金屬在其氧化還 原電位中更多陽極材料；將基板溼潤’在其上第一陽極電 性連接至電鍍溶液中之種子層；在種子層上形成電鍍薄 版，以致於藉由在設置在電鑛容液令之種子層與第二陽極 間施加電㈣被填人於凹人部料；以及將填人於凹入部 知以外之電鑛薄臈與填人於凹人部份以外之種子層去除。 【實施方式】 曰 μ 第一實施例 以下說明本發明之第一實施例。圖1為根據第-實施例之 電鍍裝置之概要垂直截面圖；以及圖2為根據第—實施例之 晶圓之概要垂直截面圖。 ^同於圖1中所示’此電㈣置1係包含電鍍容液槽2等， 而订成為圓柱體形狀。此電鍍溶液槽2是用於儲存電鍍溶 液，其主要成份為電解溶液，例如像是硫酸銅溶液。 ;&持a日圓W之保持具3是設置在電鍍溶液槽2上。 3持具3是以，所謂面向下之方式握住晶圓，以致於此晶圓 W被電鍍之表面朝下。 ^ 系匕s保持具主體3A等，用於將晶圓W實質上水 、曰尸至持於其中。保持具主體3八之下表面該開啟，以致於此 曰曰圓W被電収表面在電鍍溶液中濕潤。 所在保持具主體3A中握持具有以下結構之晶圓W。如圖2 二此晶圓w包括層間絕緣薄膜ι〇ι。此層間絕緣薄膜ι〇ι 係以低介電常數絕緣材料，例如HOW、多孔石夕 97666.doc 1250552 石等。此層間絕緣薄膜101形成於設有半導體元件（未圖示） 等之半導體基板上。在層間絕緣薄膜1〇1中形成通孔1〇1 A 作為凹入部份，以及形成接線溝渠1〇1B作為凹入部份。 在層間絕緣薄膜101上形成阻障金屬層1〇2用於防止構成 、下-兒月之龟鍍薄膜1 〇4之金屬擴散至層間絕緣薄膜1 〇 1。 阻障金屬層102是由導電材料構成。此種導電材料係包含金 屬，例如：鈕（Ta)、鈦（Ti)等，或包含金屬氮化物，例如： TiN、TaN、WN等，其具有小的金屬擴散係數而構成電鍵 薄膜104。附帶說明，此阻障金屬層1〇2可以由此等金屬或 金屬氮化物之成層材料所形成。 種子層103形成於阻障金屬層1〇2上用於使電流流經晶圓 w。種子層103係包含金屬例如銅（Cu)。 接觸3B設置在保持具主體3八之内表面上且與種子層ι〇3 接觸。此接觸職附於密封環3〇，其防止電鑛溶液接曰觸化 接觸。藉由將晶圓W壓在密封環3C上而將其開口封閉，此 密料3C可以彈性變形，以致於密封環冗將晶圓W牢固地 固定。因此，限制電鍍溶液與接觸3B接觸。 此傾斜與旋轉機構4裝附於保持具3，用於將晶圓w對電 鐘溶液之溶液表面傾斜與旋轉。此傾斜與旋轉機構4將晶圓 W相對於⑽溶液之溶液表面傾斜，且將保持具3以及其他 所有旋轉。 此上升/下降機構（未圖示）裝附於保持具3而將晶圓w上 升/下降。此上升/下降機構將保持具3與其上所有其他上升/ 下降。藉由啟動此上升/下降機構，此保持具3被上升/下降， 97666.doc 1250552 以致於可將晶圓W浸入於雷供、、六v 1 又入於私鍍洛液中或從電鍍溶液拉出。 此實質上碟形陽極5(第二陽極）是設置在電錢溶液槽2之 底部位置。接觸3B與陽極5電性連接至電源6，用於經由接 觸3B將電壓供應至種子層1〇3與陽極之間。 此實質上桿形之幾牲陽極7(第一陽極）、其可電性連接至 種子層1G3 ’是設置在電鑛溶液槽2中由晶圓w與陽極$所爽 區域之外。在此實施例中，此犧牲陽極7是設置在電鍍溶液 槽2之側壁附近。 犧牲陽極7之構成材料之氧化還原電位較構成種子層a) 之金屬之氧化還原電位更具陽極性。作為此種材料可以列 舉例如：金屬、金屬氧化物、以及碳（c)等。特定而言，例 如，§種子層103係包含銅時，則犧牲陽極7可以包含鋅 (Zn)、钽（Ta)、此兩者之氧化物、碳（c)等。形成犧牲陽極了 其與電鍍溶液之接觸面積小於晶圓w與電鍍溶液之接觸面 積。 分隔壁8設置於電鍍溶液槽2中。此分隔壁8將晶圓w濕潤 與浸入之區域與犧牲陽極7設置之區域分開。分隔壁8防 止·晶圓W濕潤與浸入區域中之電鍍溶液、與設置犧牲陽 極7區域之電鍍溶液相混合，但其建構將此兩區域電性連 接。附帶說明，可以使用膜而非分隔壁8。 然後討論電鍍裝置1之操作狀態。圖3為流程圖其顯示根 據本實施例電鐘過程之流程。第4A至4D圖為概要圖其顯示 根據此實施例電鍍裝置之操作狀態。第5 A與5B圖為根據此 實施例為晶圓W之概要垂直截面圖。 97666.doc -10- 1250552 如同於第4A圖中所示，晶圓w之種子層103與犧牲陽極7 電性連接，而晶圓W是由保持具3握持（步驟丨）。然後，啟動 此傾斜與旋轉機構4將晶圓w旋轉且將晶圓w傾斜（步驟2)。 然後’啟動上升/下降機構，在此狀態中將晶圓W濕潤且 α入於電鍍溶液中’如同於第4B圖中所示（步驟3)。在將晶 圓W濕潤且浸入於電鍍溶液中後，將種子層ι〇3與犧牲陽極 7包性連接解除連接，如同於第4C圖中所示（步驟4)。 然後，啟動電源6，以致於在種子層1〇3與陽極5之間施加 包壓，如同於第4D圖中所示，隨後將晶圓w電鍍（步驟5)。 如同於第5A圖中所示，在將電鍍薄膜1〇4形成至預先設定厚 度之後，停止施加電壓以致於電鍍停止（步驟6)。最後，啟 動此上升/下降機構，將晶圓W從電鍍溶液拉出（步驟7)。 附帶說明，在此之後，對晶圓W實施熱處理（回火），以及 因此成長種子層103與電鍍薄膜1〇4之晶體。因此，形成接 線薄膜其為種子層103與電鍍薄膜104之組合。然後，如同 於第5關所*，藉由例如化學機械拋光（CMP)將在層間絕 緣溥膜101上之’阻障金屬層1〇2與接線薄膜之不須要部份各 別去除，以致於在通孔1〇1A與接線溝渠1〇ΐβ中阻障金屬層 在通孔101A與接線溝渠ιοίb 10 2與接線薄膜存留。因此， 中形成接線105。

鍍薄膜104上薄膜厚度表面之均勻度。

^扎，以及可以改善電 。這即是說，當晶圓W 97666.doc 1250552 濕潤且浸入於電鍍溶液中、且種子層1〇3與犧牲陽極7是在 電性連接狀態中時，在種子層103上產生還原反應，且在犧 牲陽極7上產生氧化反應，這是因為犧牲陽極7之構成材料 之氧化還原電位較構成種子層1〇3之金屬之氧化還原電位 更具陽極性。因此，可以限制種子層1〇3之溶解，以致於可 以限制洞孔發生。在另一方面，在種子層1〇3上產生還原反 應，且因此將種子層103電鍍。然而，相較於下列情形其可 以減少對晶圓W施加電鍍之數量：當晶圓w濕潤且浸入於電 鍍溶液中，而將與當電鍍時之實質上相同之電壓施加於種 子層103與陽極5之間。此外，藉由使犧牲陽極7對電鍍溶液 之接觸面積較小，而可使電鍍數量更加減少。因此，限制 當晶圓W濕潤且浸入於電鍍溶液中施加至晶圓冒電鍍數量 之不均勻，以致於可以改善電鍍薄膜1〇4之膜厚度表面之均 勻度。 在本實施例中，由於晶圓W濕潤且浸入之區域與犧牲陽 極7設置之區域是以分隔壁8分開，因此可以限制此溶解之 犧牲陽極7沉積，至晶圓…。即，當晶圓…濕潤且浸入於電鍍 溶液中、且此種子層103與犧牲陽極7是在電性連接狀態 中，則取決於其構成材料，此犧牲陽極7可以溶解於電鍍溶 液中。在此處，如果犧牲陽極7溶解，則此所溶解材料可以 禁止在晶圓W上產生電鍍。反之，在本實施例中，此晶圓界 濕潤且浸入之區域與犧牲陽極7設置之區域是以分隔壁8分 開，因此即使當犧牲陽極7溶解時，亦可以避免禁止將晶圓 W電鍵。 97666.doc -12- 1250552 在本實施例中，由於是在種子層103與犧牲陽極7之電性 ，接解除後將此晶圓W電鑛，可以改善電鑛薄膜ι〇4上薄膜 厚度表面之均勻度。即，當藉由在種子層103與陽極5間施 加電壓將晶圓w電鍍、而種子層103與犧牲陽極7是在電性 連接狀態中時，其電場分佈可能不均勻。反之，在本實施 例中，由於晶圓W是在種子層103與犧牲陽極7之電性連接 解除後被電鍍，而可以避免電場分佈不均勻。因此，可以 改善電鍍薄膜104之膜厚度表面之均勻度。 此外，在本實施例巾，由於犧牲陽極7是設置在晶圓㈣ 陽極5所夾區域之外，當晶靠電鍍時，電場分佈少有不均 勻者。因此，可以改善電鍍薄膜1〇4之膜厚度表面之均句度。 (舉例） 以下說明一例。在此例中可以觀察電鍍之填滿狀態。 在此例中使用在以上第一實施例中所說明之電鍍裝置。 所使用之電鍍溶液其主要成份為硫酸溶液，以及使用包含 鋅之犧牲陽極。此外，使用如下所形成之晶圓。藉由熱氧 化在矽基板上形成100 m厚之氧化物薄膜，以及然後藉由使 用化學氣相沉積（CVD)法在氧化物薄膜形成大約i μη1厚之 層間絕緣薄膜。此外，藉由光學蝕刻過程（ΡΕΡ)與蝕刻，在 氧化物薄膜上形成〇·〇9 μπι寬300 nm深之接線溝渠。在此之 後在層間絕緣薄膜上藉由使用濺鍍法形成由鈕（Ta)構成15 nm厚之阻障金屬層，以及在阻障金屬層上形成包含銅8〇nm 厚之種子層。附帶說明，此等薄膜之厚度是在層間絕緣薄 膜平面上所測得之值，在其中並未形成接線溝渠。 97666.doc -13- 1250552 藉由使用上述電鍍裝置晶圓等、以及在第一實施例中所 说明相同方法將晶圓電錢，以致於電錢將接線溝渠填至一 半高度。在此時觀察到在晶園中央與邊緣部份電鍍之填滿 狀態。 附帶說明，當比較例1與本例比較時，可以觀察到在此浸 入於電鍍溶液中之晶圓中央與邊緣部份電鍍之填滿狀態， 而在種子層與陽極間並未施加電壓。此外，作為比較例2, 可以觀察到在此浸人於電錄溶液中之晶圓中央與邊緣部份 電鍍之填滿狀態，而將與當電鍍時實質上相同之電壓施加 介於種子層與陽極之間。 現在說明觀察之結果。表i與表2顯示根據本例以及比較 例1以及2之觀察結果。

如同於表1中所示，根據比較你“電鐘將晶圓中央與邊緣 部份之接線溝渠填滿 、 牛阿度。然而，如同於表2中所 示，根據比較例1在晶圓中央與邊緣部份產生洞孔。因此可 以想像：洞孔之產生是由於種子層溶解。 此外，如表1中所*，根據比較例2電鍍將晶圓中央部份 97666.doc -14- 1250552 之接線溝渠填滿至一半高度，但在晶圓之邊緣部份，藉由 私鑛將接線溝渠完全填滿。同時如表2所示，根據比較例2 在晶圓邊緣部份形成孔。因此可以想像，洞孔之產生並不 為疋種子層溶解，而是因為當晶圓浸入於電鏡溶液中時 在適當填入情況下並未實施電鍍。 ’如同表1中所示，根據此例在晶圓中央與邊緣部份 私鑛將接線溝渠填至一半高度。此外，如表2中所示，根據 此例在晶圓中央與邊緣部份產生洞孔。 k此等結果可以証實，當晶圓浸入於電鍍溶液中且種子 層與犧牲陽極是在電性連接狀態中時，較以下情形難以形 成洞孔：當晶圓浸入於電鍍溶液中在此狀態中種子層與陽 極間未施加電壓；以及而且較以下情形容易改善電鍍薄膜 上薄膜厚度表面之均勻度：當晶圓浸入於電鍍溶液中在此 狀態中種子層與陽極間施加電壓。 第二實施例 以下說明第二實施例。在此實施例中說明當使用碳形成 犧牲陽極之情形。圖6為根據第此實施例電鍍裝置之概要垂 直截面圖。 如同與第一實施例中相同，犧牲陽極7是設置在電鍍溶液 槽2中。本實施例之犧牲陽極7係包含碳。在此處，在使用 含碳之犧牲陽極7之情形中，即使當晶圓w浸入於電鍍溶液 中且種子層103與犧牲陽極7是在電性連接狀態中時，犧牲 極7幾乎不溶解。因此，當使用含碳之犧牲陽極7時，可 以如同第6圖中所示將分隔壁8去除，因為所溶解之犧牲陽 97666.doc -15- 1250552 極7並不會干擾到對晶圓w之電鍍。 本發明並不受限於在以上實施例中所說明之内容，可以 在不偏離本發明之精神之範圍中在各構件等之結構、材 料、以及配置中作適當改變。以上實施例中所說明當晶圓 料陽極5傾斜時將晶圓W電鍍之情形，但在晶圓w對陽極5 實質上平形時’亦可將晶圓w電鑛。此外，在以上實施例 中’晶圓W是保持在面朝下之方式，但晶圓评是保持在所謂 面朝上之方式，其中晶圓w被電鍍之表面朝上。 【圖示簡單說明】 圖1為根據第一實施例之電鍍裝置之概要垂直截面圖； 圖2為根據第一實施例之晶圓之概要垂直截面圖； 圖3為流程圖其顯示根據第一實施例電鍍過程之流程； 圖4A至4D為概要圖其顯示根據第一實施例電鍍裝置之 操作狀態； 圖5A至5B為根據第一實施例之晶圓之概要垂直截面 圖；以及 圖6為根據第二實施例電鍍裝置之概要垂直截面圖。 【主要元件符號說明】 1 電鍍裝置 2 電鍍溶液槽 3 保持具 3A 保持具主體 3B 接觸 3C 密封環 97666.doc 、16 - 傾斜與旋轉機構 陽極 電源 犧牲陽極 分隔壁 層間絕緣薄膜 通孔 接線溝渠 阻障金屬層 種子層 電鍍薄膜 接線 晶圓 -17-

Claims (1)

1250552 十、申請專利範圍： 1· 一種電鍵裝置，包括： 電鑛溶液槽’其儲存電鍍溶液； 子層係形 握持住基板之保持具，在該電鑛溶液槽中種 成於基板上； 設置於該電鍍溶液槽中之第一陽極，其構成材料 化還原電位較構成種子層之金屬之氧化還原電位 陽極性’ Μ電性連接至由該保持具所握持基板之料 層；以及 設置於該電鐘溶液槽中之第二陽極，其可在由該保持 具所握持基板之種子層間施加電壓。 、 2·如請求項1之電鍍裝置，更包括·· ’且將由該保持 、與設置該第_ 设置於該電錄溶液槽中之分隔壁或膜 具所握持晶圓浸入於電鍍溶液中之區域 陽極之區域分開。 3·如請求項1之電鍍裝置，其中該第一陽極係包含金屬、金 屬氧化物、或碳。 4·如請求項3之電鍍裝置，其中該種子層係包含銅（Cu)，以 及該第一陽極係包含辞（Zn)、鈕（Ta)、此兩者之氧化物、 或碳（C)。 5 ·如請求項1之電鍍裝置，其中該第一陽極是設置在該第二 陽極與由該保持具所握持基板所夾區域之外。 6,如睛求項1之電鍍裝置，其中該第一陽極之形成方式係使 其與電鍍溶液之接觸面積小於基板與電鍍溶液之接觸面 97666.doc 1250552 積 9. 10. 11 種電鑛方法，其包括以下步驟： 將第一陽極連接至基板之種子層， t中第-陽極是設置在電鍍溶液中，其構成材料之氧 化還原電位較構成種子層之金屬之氧㈣原電位更具陽 才S十生丨 將基板於電鍍溶液中潤濕；以及 干藉由在種子層與設置於電鍍溶液中之第二陽極間施加 兒壓，將基板電鍍。 如請求項7之電鍍方法，更包括： 在將基板於電鍍溶液中潤濕之步驟與將基板電鍍之步 ’之間’將第—陽極與種子層間之電性連接解除。 =請求項7之電鍍方法，其中於將基板於電㈣液中潤濕 r同時將此基板於電鑛溶液中潤濕之區域與設置第一 陽極之區域以分隔壁或臈分開。 2晴求項7之電鍍方法，其中該第一陽極係包含金屬、金屬氧化物、或碳。 如明求項10之電鍍方法’其中該種子層係包含銅㈣，^及該第-陽極係包含鋅（Zn)、M(Ta)、物、或碳(C)。 有义虱化 12. 13. 如請求項7之電鍍方法，其 第二陽極所夾區域之外。::求項7之電鏟方法，其令第—陽極與電鑛溶液之接 、J、於基板與電鍍溶液之接觸面積。 δ亥第一陽極是設置在基板 97666.doc 1250552 14· -種半導體裝置之製造方法，其包括以下步驟： 在表面上具有凹入部份之基板上形成種子層，· 將第陽極電性連接至種子層，其中此第―陽極是設 置在電鑛溶液中， 其構成材料之氧化還原電位較構成種子層之金屬之氧 化還原電位更具陽極性； 將基板潤濕，在其上將第—陽極電性連接至在電錢溶 液中之種子層； 藉由在種子層與設置在電錄溶液中之第二陽極間施加 電壓，而在種子層上形成電鍍薄臈以致於填入於凹入部 份中；以及 去除填入於凹入部份中以外之電鍍薄膜、與填入於凹 入部份中以外之種子層。 15·如請求項I4之製造方法，更包括： 在將基板於電鑛溶液中潤濕之步驟與形成電錄薄膜之 步驟之間’將第-陽極與種子層間之電性連接解除。 16.如印求項14之製造方法，其中於將基板於電鍍溶液中潤 濕時，同時將此基板於電鍍溶液中潤濕之區域與設置第 一陽極之區域以分隔壁或膜分開。 如請求項14之製造方法，其中該第—陽極係包含金屬、 金屬氧化物、或碳。 18·如請求項17之製造方法，其中該種子層係包含銅㈣， 以及此第一陽極係包含鋅（Zn)、钽（Ta)、此兩者之氧化 物、或碳（C)。 97666.doc 1250552 19. 如請求項14之製造方法，其中該第一陽極是設置在基板 與第二陽極所夾區域之外。 20. 如請求項14之製造方法，其中第一陽極與電鍍溶液之接 觸面積小於基板與電鍍溶液之接觸面積。 97666.doc