專利名稱：用于監(jiān)視電解工藝的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)視電解工藝、并且特別用于向襯底上電解沉積金屬的裝置和方法。
晶圓上的集成電路，更具體地說由硅制成的晶圓上的集成電路一般是使用刻蝕和沉積工藝并結(jié)合光刻工藝來制造的。迄今為止，已經(jīng)習(xí)慣性地使用用于在晶圓上建立電導(dǎo)體連接的濺射工藝來制造金屬導(dǎo)電圖形。這些年來已經(jīng)越來越多地使用電化學(xué)(galvanic)工藝來制造晶圓上的集成電路。除了在被稱為“后端”部分中的銅的電解沉積之外，即用于對在晶圓上制造的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行布線，在被稱為“封裝”工藝，即在金屬沉積到芯片載體上時和在重新布線中的銅、鎳、金和錫的金屬沉積也變得逐漸重要起來。所有這些需求都具有相同之處，即，電解金屬沉積工藝從薄起始金屬層上開始，即所謂的種晶層，也被稱為電鍍基底。為此，使用合適的機械接觸件使所述起始層電接觸，并且將所述起始層放在含有溶液形式的要沉積的金屬的電鍍槽中。使用外部電流源例如由電網(wǎng)激勵的整流器和對置電極，使電流流過所述開始層和所述對置電極。從而將金屬沉積在所述晶圓的所述開始層上。作為其結(jié)果，通過法拉第定律控制沉積的金屬的量以及涂層厚度。
使用合適的屏蔽件或分段陽極(對置電極)可以正面地影響所述晶圓上的涂層厚度分布。由此使用可溶解的陽極來保持電解液中的金屬離子濃度恒定，或者，可以采用不可溶解(惰性)的陽極，在這種情況下，金屬離子含量必須預(yù)先采取額外的措施來保持恒定。
美國專利No.5,234,572A介紹了一種用于向電鍍液補充金屬離子的方法。為了在施加電流時控制陰極和陽極之間傳輸?shù)碾娏?，美國專利No.5,234,572A提出了一種測量裝置，使用附加地放置在電鍍液中并用與所述陽極相同的金屬制成的一個參考電極來測量所述陰極(對置電極)的電位?？刂茖?dǎo)電量，使得測得的所述對置電極的電位相對于所述參考電極不可能是負(fù)的。這防止了金屬離子沉積在所述對置電極上。在一個優(yōu)選的典型實施例中，所述對置電極和一個可溶解電極(陽極)連接到一個DC電源。使用一個伏特計來測量所述對置電極相對于所述參考電極的電位。在一幅圖中示出了隨著所述電流變化的所述對置電極和所述可溶解電極上的電位。
在電解銅沉積的情況下，DE 19915146C1提到所述銅沉積電解液除了通常的電解液組分之外還含有例如Fe(III)化合物，并且這些化合物使銅塊溶解而形成銅離子，在該工藝中產(chǎn)生Fe(II)化合物。所形成的Fe(II)化合物在所述不可溶解陽極上重新氧化成Fe(III)化合物。
所有已知的電鍍液除了要沉積的金屬離子之外都含有用于影響所述金屬沉積的輔助劑。通常，這些輔助劑是用于影響沉積層一側(cè)的結(jié)構(gòu)的有機化合物以及為了使所述電解液平衡并且為了增加所述沉積層另一側(cè)上的導(dǎo)電性的目的而添加的鹽、酸或堿。作為其結(jié)果，減小了沉積所需的電壓，由此產(chǎn)生最小焦耳熱。這提高了該工藝的安全性。有些工藝只能通過添加這些輔助劑來進(jìn)行。
一般情況下，目前根據(jù)鑲嵌(damascene)工藝來制造導(dǎo)電圖形。如在DE 19915146C1中所述的，為此，首先在所述半導(dǎo)體襯底上施加一個介質(zhì)層。通常使用干法刻蝕工藝在所述介質(zhì)層中刻蝕通孔和溝槽，需要所述通孔和溝槽來接收所希望的導(dǎo)電圖形。在施加一個擴散阻擋層(大多數(shù)情況下是氮化鉭、鉭)和一個導(dǎo)電層(大多數(shù)情況下是濺射的銅)之后，使用“溝槽填充工藝”電解地填充凹陷部分，即所述通孔和溝槽。由于銅是沉積在整個表面上，因此隨后必須從不希望的部位，指的是從所述通孔和溝槽外部的區(qū)域除去多余的銅。這是使用所謂的CMP工藝(化學(xué)機械拋光)來實現(xiàn)的。多層電路可以通過重復(fù)該工藝，即通過重復(fù)施加由例如二氧化硅制成的介質(zhì)層，通過刻蝕和沉積銅形成所述凹陷來制造。
形成所述導(dǎo)電圖形、更具體地是由銅制成的導(dǎo)電圖形之后，可以發(fā)現(xiàn)，在打算用來控制的拋光部分中，在所述沉積的結(jié)構(gòu)中容易形成金屬缺陷(空隙)，所述缺陷可能導(dǎo)致整個電路的功能故障。
因此，本發(fā)明所面對的問題是要避免已知裝置和方法的缺點，并且更具體地是要找到可以可靠地防止形成這種缺陷的措施。
為了克服這個問題，本發(fā)明提供了根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置以及根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法。本發(fā)明的優(yōu)選實施例在從屬權(quán)利要求中表示。
根據(jù)本發(fā)明的裝置用于在制造半導(dǎo)體襯底(晶圓)的集成電路以及芯片載體上的電路結(jié)構(gòu)期間監(jiān)視電解工藝，特別是監(jiān)視電解金屬沉積工藝。
為了更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，下文中將使用術(shù)語“晶圓”來表示任何工件。同樣地，將使用術(shù)語“沉積電解液”或“沉積電解流體”來表示用于執(zhí)行電解工藝的電解液。或者，如果所述電解工藝是電解刻蝕工藝，則所述液體還可以是一種刻蝕液?？赡艿碾娊夤に囀请娊獬练e法和電解金屬刻蝕法。原則上，除了這里所述的電解工藝以外，本發(fā)明還可以用于其它電解工藝。在下面的說明中，使用術(shù)語“電解沉積工藝”來表示所有其它電解工藝。
為了克服該問題，本發(fā)明提供了一種裝置和方法。該裝置包括與電解液接觸的至少一個陽極和至少一個陰極，在它們之間產(chǎn)生電流。至少一個參考電極布置在所述至少一個陽極的表面上(或其附近)或者所述至少一個陰極的表面上(或其附近)。根據(jù)本發(fā)明，進(jìn)一步提供一個用于確定所述至少一個陽極和所述至少一個參考電極之間以及所述至少一個參考電極和所述至少一個陰極之間的各個電壓的伏特計。這種設(shè)置允許同時記錄在各個電極上的電解局部過程，這種特別的裝置也使得可以測量隨時間變化的過程。由此不管在測量期間電極是否只浸在電解液中或是否只在所述兩個電極接觸所述電解液時將電壓施加于陰極和陽極之間，都沒有關(guān)系。
在根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個優(yōu)選應(yīng)用中，所述陰極是一塊晶圓或一個芯片載體襯底，而所述陽極是一塊金屬板。在這種情況下，優(yōu)選在所述電解工藝期間將金屬沉積到所述晶圓或所述芯片載體襯底上。
更具體地，根據(jù)本發(fā)明的裝置包括布置在所述至少一個陽極表面上(或其附近)的至少一個第一參考電極和布置在所述至少一個陰極表面上(或其附近)的至少一個第二參考電極。進(jìn)一步提供伏特計，用于測量所述至少一個陽極和所述至少一個第一參考電極之間、所述至少一個第一參考電極和所述至少一個第二參考電極之間、以及所述至少一個第二參考電極和所述至少一個陰極之間的電壓。該監(jiān)視裝置用于測量所述陽極和所述第一參考電極之間、所述第一參考電極和所述第二參考電極之間以及所述第二參考電極和所述陰極之間的電壓。
全面的測試表明，沉積的金屬層中的缺陷(例如，空隙)是由于所使用的金屬沉積液能在一定條件下從所述起始層除去金屬這一事實而產(chǎn)生的。
當(dāng)具有一個起始金屬層的晶圓浸在所述金屬沉積液中時，首先不向所述起始層施加外部電壓。因而，一旦所述起始層和所述電解液接觸，就在所述起始層和所述電解液之間的相邊界上達(dá)到一個平衡電位。在為了向所述起始層上沉積金屬、特別是銅而施加的通常條件下，所述起始層相對于所述金屬溶液的電位是正的，從而所述起始層緩慢地溶解在所述沉積液中。
由于與成本和工藝相關(guān)的原因，在晶圓上使用的金屬起始層通常是非常薄的。例如，在為所述鑲嵌工藝而制造的典型結(jié)構(gòu)(例如，0.1-0.2μm寬和大約1μm深的溝槽、通孔)中，所述起始層的厚度大約為5-25nm。相反，所述晶圓表面上的所述起始層的厚度大約為100nm。在浸在所述電解液期間，這種類型的層至少在這些結(jié)構(gòu)內(nèi)可以快速地被除去，這是因為在所使用的電解液中的刻蝕速度非常高。在含有大約180g/l硫酸和硫酸銅形式的40g/l銅的典型銅電解液中，在通常電解條件下的刻蝕速度大約為10nm/分鐘。在這些條件下，在金屬沉積之前保留的涂層厚度在一定環(huán)境下不能確?？煽康慕饘偻扛病？涛g速度尤其取決于所使用的電解液的類型、用于所述沉積工藝所選擇的條件以及起始層的類型。
通過縮短浸漬和所述沉積工藝開始之間的時間不能克服這個問題，這是因為例如為了在開始金屬沉積之前使要被涂覆的晶圓用液體來完全濕潤而浸漬之后，一定能觀察到某個最小處理時間。因而，在所述起始層上電解地沉積金屬的工藝所能得到的時間窗口僅僅是較窄的一個。一個特定的問題是由于多種可能的影響變量，所述工藝的時間窗口的尺寸不能確定，因而金屬化的結(jié)果只能靠運氣。
所述薄起始金屬層對所述沉積工藝的波動和腐蝕特別敏感。該層厚度的最輕微的減小都可能足以危害例如納米結(jié)構(gòu)中的工藝的安全開始。
因此，精確地控制所述浸漬和濕潤程序是非常重要的。在技術(shù)上，這種控制是不容易實現(xiàn)的，這是因為在浸漬之前所述電解液和所述晶圓之間缺乏電接觸，以及因為在浸漬之后獲得的依賴于電解液的平衡電位。根據(jù)所述電解液成分，所述起始層以不可預(yù)料的程度被腐蝕得較少或較多。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)更具體地影響金屬除去的參數(shù)是分電壓，其總和生成了施加于陽極和陰極之間的總電壓(箝位電壓)。
在電解金屬沉積期間，電流在陽極和陰極之間流動。需要由上述分電壓的總和構(gòu)成的一個電壓來產(chǎn)生所述電流。更具體地說，所述總電壓是陽極和陰極電荷轉(zhuǎn)移過電壓、極化過電壓和結(jié)晶過電壓的總和的結(jié)果，并且也是濃度過電壓和由于電解液電阻產(chǎn)生的電壓降及輸電線中的電壓降的結(jié)果。
通常，不知道可測量的箝位電壓在所述獨立的電壓之間是如何分布的。更具體地說，由于只知道例如整流器的電流源的箝位電壓，因此不能記錄所述分布中的變化。在沉積期間，如果所述的電阻之一或所列舉的過電壓之一改變，或者如果它們在要被處理的各個晶圓之間有波動，則在最好的情況下，也不能解釋所述箝位電壓的最終可測量的變化。在最壞的情況下，這種變化甚至不會被注意到，從而可能在發(fā)現(xiàn)不到的情況下除去金屬。
如在半導(dǎo)體技術(shù)中那樣，這些方法的工藝安全性和再現(xiàn)性都是最重要的，必須找到措施來記錄所述分電壓。必須解釋和識別所述工藝期間的變化，以便允許控制和校正該工藝。
為了至少檢測由于所述電解液的電阻而產(chǎn)生的所述電壓降的變化，采用了參考電極，所述參考電極是直接布置在所述陽極或陰極的表面上。為此，所述參考電極將如此靠近這些表面，以至于可以在這些表面中的相應(yīng)一個表面上直接測量電位。例如，所述參考電極可以如此靠近相應(yīng)的一個表面，以至于離所述表面的間隔小于1mm，例如為0.2mm。更具體地說，所述參考電極還可以例如布置在所述陽極或陰極的表面的平面中，在該表面的旁邊但是緊密靠近該表面，盡管不直接位于所述表面的前面。因此所述參考電極就不必接觸這些表面。另一種可能性存在于將含有一種導(dǎo)電電解液的一個小容器放在所述相應(yīng)表面上或靠近它，所述容器中的參考電極允許檢測該表面上的電位。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，提供了兩個參考電極這兩個參考電極中的第一個布置在所述陽極的表面上，而第二個參考電極布置在所述陰極的表面上。由于這兩個參考電極布置成緊密靠近所述電極中的相應(yīng)一個，因此可以以所述兩個參考電極之間的電壓的形式分別檢測由于所述電解液的電阻而產(chǎn)生的電壓降的影響。在布置了所述電極的表面處，所述參考電極的相應(yīng)一個和所述陽極或陰極之間測得的其余電壓降包括靠近所述陽極或陰極表面產(chǎn)生的電壓降，更具體地說是電荷轉(zhuǎn)移、結(jié)晶和濃度過電壓。
因此可以檢測所述電解單元的不同區(qū)域中的各個電壓降，并作為其結(jié)果，可以分別檢測上述因素(例如所述電解液的類型、所述起始層的特性以及其它因素)的影響并相應(yīng)地進(jìn)行分析。由此可以識別由于上述的影響變量產(chǎn)生的變化，因此如果發(fā)生這種改變，也可以做適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)備。
本發(fā)明的一個優(yōu)點在于由于不需要實質(zhì)上的結(jié)構(gòu)擴展，因此借助本發(fā)明的方法可以很容易地將現(xiàn)有的電鍍設(shè)備翻新。
可以采用任意的參考電極來測量上述變化。更具體地說，穩(wěn)定的參考電極含有一種金屬，這種金屬與所述金屬的一種難溶鹽和一種電解質(zhì)相平衡。這種類型的參考電極例如是第二或第三級的電極，因為這些電極提供一個恒定的參考電位。所述第二級的參考電極是如下的參考電極其中決定電位的離子的濃度由一種難溶化合物的存在來確定，而所述難溶化合物的離子與所述決定電位的離子相同。相反，所述第三級的參考電極是如下參考電極其中決定電位的離子的活動性由兩個固相的存在來決定。所述第二級的參考電極更具體地說是氯化亞汞電極、銀/氯化銀電極、硫酸汞電極和氧化汞電極。所述第三級的參考電極例如是鋅棒，在存在由鋅和草酸鈣制成的沉淀物時它與鈣離子的溶液相平衡。
一個參考電極靠近所述陽極安裝，另一個參考電極靠近所述晶圓安裝。在所述電解工藝期間，通過測量所述陽極和所述第一參考電極之間、所述第一參考電極和所述第二參考電極之間以及所述第二參考電極和所述陰極之間的電壓來控制該工藝。
在所述第一參考電極和所述第二參考電極之間測量的電壓是所述電解液電阻的變化結(jié)果，它表示所述電解液的不穩(wěn)定成分或所述處理槽中的不規(guī)則流體流動。
在所述第一參考電極和所述陽極之間測量的電壓的變化另外還表示一個不穩(wěn)定的陽極工藝。由于使用了一個可溶解的陽極，這種不穩(wěn)定的陽極工藝可能是由于所述陽極的消耗、陽極膜的變化或者是改變了陽極幾何形狀等原因而引起的。利用一個惰性(不可溶的)陽極，測得的電壓中的這種變化也可以表示該陽極(活性陽極層例如可能剝離)的失效或表示供給該陽極的不良氧化還原物質(zhì)例如Fe(II)和Fe(III)化合物，例如在執(zhí)行如DE 10015146C1中所述的方法的情況下。
在所述第二參考電極和所述陰極之間測量的電壓的變化表示一個不穩(wěn)定的陰極工藝，如所述起始層的變化的厚度，例如這是因為該層受到金屬沉積液的侵蝕或者是因為該層不具有足夠的厚度。
為了控制該工藝，更具體地說為了防止所述起始層被腐蝕，可以在浸漬之前通過一個功率整流器施加所述起始層和最近的參考電極例如所述第二參考電極之間的電壓差。適當(dāng)選擇所述起始層的電位允許它在浸漬期間以及同樣在在濕潤階段免于被腐蝕。為了獲得一個有用的測量結(jié)果，所述參考電極中的相應(yīng)一個電極必須盡可能地靠近相關(guān)電極。然而，由此必須防止工件(例如所述陰極)和所述對置電極(例如所述陽極)未被屏蔽，以便使沉積金屬分布地盡可能的均勻。
由于穩(wěn)定的參考電極更具體地說含有一種金屬，所述金屬與它的一種難溶鹽和一種電解質(zhì)是相平衡的，因此存在所述電解工藝的電解質(zhì)被所述參考電極的電解質(zhì)污染的風(fēng)險。這種污染無論如何必須要防止。為了克服這個問題，所述參考電極通過至少一條毛細(xì)管接觸所述陽極或所述陰極的表面。其中，分別在所述參考電極之間以及所述參考電極的相應(yīng)一個與所述陽極和所述陰極之間的電壓的測量是一種高電阻測量，只有非常小的電流流過所述測量裝置。結(jié)果是，所述毛細(xì)管可以是非常細(xì)的，從而使所述參考電極的電解質(zhì)對所述電解工藝的電解質(zhì)的污染最小化。
關(guān)于這個問題的另一改進(jìn)之處是以如下方式實現(xiàn)的經(jīng)所述毛細(xì)管將所述電解工藝的電解液輸送給相應(yīng)一個參考電極。因此防止了所述參考電極的電解質(zhì)通過擴散進(jìn)入到所述沉積電解質(zhì)中。
為了將金屬、更具體地說是銅電解地沉積到一塊半導(dǎo)體襯底上，可以采用由例如鉑制成的常規(guī)的電鍍裝置，在該電鍍裝置中所述陽極和所述半導(dǎo)體襯底平行放置并水平取向，或者相對于水平面傾斜。所述陽極和所述半導(dǎo)體襯底還可以垂直取向。這兩個電極位于一個構(gòu)成為適于該目的的槽中，例如一個圓柱形槽，它容納所述電解液和所述電極。通常情況下，所述陽極布置在所述圓柱形槽的底部，而所述半導(dǎo)體襯底布置在其上部。為了產(chǎn)生一個受限的流體流，所述電解液可以以一定的方式流過所述槽。所述參考電極可以安裝在分開的容器中，這些容器經(jīng)上述毛細(xì)管與所述圓柱形槽連通。所述毛細(xì)管按照如下方式布置在所述槽的壁中，即它們位于緊鄰所述電極的相應(yīng)一個電極的位置上。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法允許控制在各個電極上發(fā)生的上述的各個分工藝，并且能夠同時測量某些電壓(電位)。這種裝置允許把問題定位在電流傳輸上面。
下面將參照附圖更詳細(xì)地介紹本發(fā)明，其中

圖1是在一塊半導(dǎo)體襯底上的介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)(溝槽、通孔)的示意剖面圖；圖2是表示在一個陽極和陰極裝置中的電位差的示意圖，其中各自的參考電極布置得靠近所述陽極和靠近所述陰極；圖3是一個沉積單元的示意剖面圖；圖4是在沉積期間用于電流波動的問題分析的沉積單元的示意圖。
圖1示出了在靠近一塊半導(dǎo)體襯底上的介質(zhì)層3中的結(jié)構(gòu)4和在其內(nèi)的起始層2的涂覆厚度分布。在這種情況下，所述結(jié)構(gòu)4是0.2μm寬且大約1μm深。在所述襯底的表面，所述起始層2大約為100nm厚。但是，所述起始層2在所述結(jié)構(gòu)4的底部要薄得多。在那里，只有5-25nm厚。在這個較低區(qū)域中，在用一種金屬沉積電解液對所述起始層2進(jìn)行浸漬和隨后的濕潤期間，存在著所述層2被除去到下面這種程度的風(fēng)險，即沒有金屬或著只有其非常薄的一層保留在所述結(jié)構(gòu)4的底部。結(jié)果是，在隨后的電解金屬電鍍工藝期間沒有金屬能夠被沉積到這個部位上。
圖2是表示在含有所述電解質(zhì)的空間中所述陽極5和所述陰極1之間的電位差的示意圖。由一個電流源6供給的電流在陽極5和陰極1之間流動。所述電流源6例如可以是一個功率整流器。使用一個伏特計7來測量由所述電流源6輸送的電壓U。所述電壓U還被稱為箝位電壓。
在靠近所述陽極5的地方，布置一個第一參考電極8。同樣，一個第二參考電極9布置在靠近所述陰極1的位置上。
在所述陽極5和所述陰極1之間的含有所述電解質(zhì)的空間中的電位差用編號10表示。為了簡化說明，所述電位差10僅僅劃分為三個部分11、12和13，所述部分11和13是由擴散和結(jié)晶過電壓產(chǎn)生的，而部分12是由所述電解質(zhì)的電阻產(chǎn)生的電壓降產(chǎn)生的。
通過使用第一伏特計14測量所述陽極5和所述第一參考電極8之間的電壓，使用第二伏特計15測量所述第一參考電極8和所述第二參考電極9之間的電壓、通過使用第三伏特計16測量所述第二參考電極9和所述陰極1之間的電壓，由此可以以一種簡單的方式來確定上述電壓降。由所述伏特計14、15和16測量的所述局部電壓11、12和13的總和生成所述箝位電壓U。
所述電壓降11是通過伏特計14測量的，所述電壓降12是通過伏特計15測量的，而所述電壓降13是通過伏特計16測量的。
圖3是表示用于在一塊半導(dǎo)體襯底1上電解地沉積金屬的裝置的示意圖。該裝置具有一個槽20和位于所述槽20底部的一個陽極5以及在所述槽20的上部中用作陰極的一塊半導(dǎo)體襯底1。所述槽20用電解液22填充到水平面21。電解液22可以例如從底部進(jìn)入所述槽20并流過所述陽極5。為此，優(yōu)選所述陽極5被打孔。
在槽20的壁中，一條第一毛細(xì)管23靠近所述陽極5埋置，而一條第二毛細(xì)管24靠近所述半導(dǎo)體襯底1埋置。電解液可以以小體積流量流過所述毛細(xì)管23、24并進(jìn)入安裝在其側(cè)壁上的參考電極容器25和26。這防止了可能被包含在所述容器25、26中并具有不同于所述沉積液22的另一種組成的電解液進(jìn)入所述槽20。所述容器25、26容納了通過電線連接到伏特計(未示出)的一個第一參考電極8和一個第二參考電極9。
圖4是表示一個沉積單元的示意圖。所述陽極5由一個惰性陽極筐形成，它被一個隔板(這里未示出)包圍并以例如彈丸(shot)或小球的形式保持要被沉積的金屬。所述陽極5位于槽20的外部。它們通過借助屏蔽件28耦合到槽20中的導(dǎo)管29來耦合在一起。所述屏蔽件28用作虛擬陽極。一個第一參考電極8布置成靠近所述陽極5。一個第二參考電極9同樣地布置成靠近所述陰極1。分別使用所述伏特計16、15和14測量所述陰極1和所述第二參考電極9之間、所述第二參考電極9和所述第一參考電極8之間以及所述第一參考電極8和所述陽極5之間的電壓。所述槽20完全用電解液22填充。
在實際操作中進(jìn)行的測試表明沉積到所述陰極1上的金屬量不夠。同時，盡管所施加的電壓為20V，與通常的沉積單元(只在2-3V就測量到10A)相比，在所述陰極1和所述陽極5之間只測量到大約100mA的非常低的電流。因此原因例如可能如下1、所述陰極1和所述電解液22之間的電接觸不充分，
2、所述導(dǎo)管29斷裂，3、所述陽極5和所述電解液22之間的電接觸不充分，或者4、流過所述導(dǎo)管29的電解液不足。
在設(shè)計根據(jù)本發(fā)明的測量裝置時，在這里該裝置包括兩個參考電極8、9和所述伏特計14、15、16，根據(jù)本發(fā)明可以同時獲得下面的結(jié)果，從而能夠進(jìn)行故障探測在所述陰極1和所述第二參考電極9之間，使用所述伏特計16來測量一個隨時間穩(wěn)定的大約為0.5V的電壓。利用伏特計15測量的所述兩個參考電極8、9之間的電壓為1V并且隨著時間穩(wěn)定。相反，所述第一參考電極8和所述陽極5之間的電壓大約為18.5V并且隨著時間在整個電壓中變化。
這些結(jié)果使得上述原因1、2和4不再成為問題。該問題可以通過改善建立在所述陽極5和所述電解液22之間的過渡(transition)處的電接觸來消除。發(fā)現(xiàn)，布置在所述陽極筐附近的所述隔板不再在所述電解液中濕潤。
在另一個例子中，使用一種銅電解液22來在一塊半導(dǎo)體晶圓1上沉積銅層。所述晶圓1具有一個大約100nm厚的銅種晶層。所述銅種晶層用具有通孔和溝槽的光刻膠層涂覆，所述通孔和溝槽露出所述銅種晶層。所述銅電解液22含有硫酸銅、硫酸和少量的氯化鈉以及通常用于優(yōu)化物理-機械性能的一般添加成分。所述電解液22在具有圖4中所示的槽的設(shè)計的沉積槽20中操作。所述陽極5是不可溶的，由用貴金屬(例如鉑)激活的鈦的一塊延展金屬板制成。為了保持所述電解液22中的標(biāo)稱銅離子濃度，將銅塊溶解在與所述槽20流體連通的一個分離的容器(這里未示出)中。為了促進(jìn)銅溶解，所述電解液22還含有Fe(II)和Fe(III)化合物。適合于這個目的的電解液例如在DE 19915146Cl中有介紹。
已經(jīng)使所述晶圓1與所述銅電解液22接觸并且其后經(jīng)過一定的空閑時間之后，接通電流以使所述晶圓1被金屬化。在接通電流之前，所述銅種晶層存在著被所述銅電鍍液22、更具體地說是被該電解液22中的所述Fe(III)離子化合物刻蝕的危險。為此，如果在第一次銅沉積之前所述銅種晶層至少部分地溶解，則電鍍是個問題。
電鍍是通過電解電流在所述晶圓1和所述陽極5之間流動來實現(xiàn)的。通過隨著時間變化來測量所述晶圓1和所述參考電極9之間的電壓，以便確定是否進(jìn)行了晶圓1的安全濕潤以及在所述晶圓1的表面上是否仍然存在一個足夠厚的銅種晶層，由此很容易確定銅沉積的安全開始。如果所述電壓被確定為不在所希望的值范圍中，則認(rèn)為是不充分的電鍍。
此外，測量所述晶圓1和所述參考電極9之間的電壓。在整個電鍍工藝期間進(jìn)行這種測量，實現(xiàn)了所述晶圓1的限定電位控制。這還保證了包括所述晶圓1的浸漬和濕潤的方法步驟的整個銅鍍工藝期間的工藝安全晶圓。結(jié)果是，如果將一個合適的電壓施加到所述晶圓1，則可以防止種晶層刻蝕。在這些條件下，所述晶圓1的濕潤周期可以得到優(yōu)化，即被延長。
同時，發(fā)現(xiàn)處理還受到所述陽極5上的無法估計的條件的影響。結(jié)果是，太高的電鍍速度將導(dǎo)致所述電鍍液22中的物質(zhì)傳輸是決定速度的因素(Fe(II)到Fe(III)的反應(yīng))。這將導(dǎo)致水電解并由此在所述陽極5上產(chǎn)生氧氣泡。同時，所述陽極電位被測量為偏移了。在不利條件下，通過測量所述陽極5和所述參考電極8之間的電壓來檢測這個偏移。因此，通過確定一個在正常范圍以外的電壓，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整處理參數(shù)，以便防止不完善的處理。
因此結(jié)果是，如果上述電壓和所述箝位電壓偏離正常范圍，則可以檢測由不完善的陽極和/或陰極工藝產(chǎn)生的處理的不完善。只有通過同時測量這些電壓以及所述晶圓1和所述陽極5之間的箝位電壓，才可以找出不足的原因。
應(yīng)該理解這里所述的例子和實施例都僅僅是為了示意性的目的，根據(jù)它們的各種修改和改變以及本申請中所述的特征的組合對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是很容易想到的，并且應(yīng)該被包含在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)以及所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。這里引證的所有公報、專利和專利申請作為參考引入。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)視電解工藝的裝置，包括至少一個陽極和至少一個陰極、設(shè)置在所述至少一個陽極的表面上或所述至少一個陰極的表面上的至少一個參考電極、分別用于檢測所述至少一個陽極和所述至少一個參考電極之間的電壓以及所述至少一個參考電極和所述至少一個陰極之間的電壓而提供的至少一個伏特計。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中在所述至少一個陽極的表面上設(shè)置至少一個第一參考電極，并且在所述至少一個陰極的表面上設(shè)置至少一個第二參考電極，其中提供一個伏特計分別用于檢測所述至少一個陽極和所述至少一個第一參考電極之間的電壓、所述至少一個第一參考電極和所述至少一個第二參考電極之間的電壓以及所述至少一個第二參考電極和所述至少一個陰極之間的電壓。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求其中一項所述的裝置，其中所述至少一個參考電極通過毛細(xì)管與所述至少一個陽極的表面或所述至少一個陰極的表面連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中提供了方式，通過所述方式可將電解液通過所述毛細(xì)管輸送給所述至少一個參考電極。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求其中一項所述的裝置，其中所述至少一個陽極和所述至少一個陰極平行放置并水平取向或從水平面傾斜取向。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求其中一項所述的裝置，其中所述陰極是一塊晶圓或芯片載體襯底，而所述陽極是一塊金屬板。
7.一種監(jiān)視電解單元中的電解工藝的方法，所述電解單元包括至少一個陽極和至少一個陰極、設(shè)置在所述至少一個陽極的表面上或所述至少一個陰極的表面上的至少一個參考電極、用于分別檢測所述至少一個陽極和所述至少一個參考電極之間的電壓以及所述至少一個參考電極和所述至少一個陰極之間的電壓而提供的至少一個伏特計，所述方法包括如下方法步驟a)在所述至少一個陽極和所述至少一個陰極之間提供一個電流，b)同時檢測所述至少一個陽極和所述至少一個參考電極之間以及所述至少一個參考電極和所述至少一個陰極之間的電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中提供了設(shè)置在所述至少一個陽極的表面上的至少一個第一參考電極以及設(shè)置在所述至少一個陰極的表面上的至少一個第二參考電極，方法步驟b)包括如下分步方法步驟b1)檢測所述至少一個陽極和所述至少一個第一參考電極之間的電壓，b2)檢測所述至少一個第一參考電極和所述至少一個第二參考電極之間的電壓，以及b3)檢測所述至少一個第二參考電極和所述至少一個陰極之間的電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求7和8其中一項所述的方法，其中借助于毛細(xì)管使所述至少一個參考電極與所述至少一個陽極的表面或所述至少一個陰極的表面接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中通過所述毛細(xì)管將電解液輸送給所述至少一個參考電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求7到10其中一項所述的方法，其中所述至少一個陽極和所述至少一個陰極平行放置并水平取向或從水平面傾斜取向。
12.根據(jù)權(quán)利要求7到11其中一項所述的方法，其中所述陰極是一塊晶圓或芯片載體襯底，而其中所述陽極是一塊金屬板，并且其中所述金屬電解地沉積在所述晶圓上。
全文摘要
在制造集成電路時，在電解金屬沉積期間容易在金屬層中形成空隙。為了避免這些負(fù)面影響電路功能的缺陷，本發(fā)明提出為了金屬沉積而采用一種電解裝置，該裝置包括至少一個陽極和至少一個陰極，并且在該裝置中，在所述至少一個陽極的表面或所述至少一個陰極的表面布置至少一個參考電極。提供一個伏特計來分別檢測所述至少一個陽極和所述至少一個參考電極之間以及所述至少一個參考電極和所述至少一個陰極之間的電壓。
文檔編號C25D21/12GK1668785SQ03816583
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月12日
發(fā)明者安德烈亞斯·蒂斯, 托馬斯·德雷沙科 申請人:埃托特克德國有限公司