專利名稱：集成電鍍和平面化的方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體工藝，更具體地說，涉及用于在半導(dǎo)體晶片上電鍍和平面化銅層的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體器件制造中，金屬層的淀積和選擇性去除是重要的工藝。典型的半導(dǎo)體晶片具有幾層在它表面上淀積或電鍍的金屬層，在添加另外的層之前拋光或蝕刻每個連續(xù)層。通常，在晶片表面上電鍍銅是廣泛熟練的工藝。通常在電鍍銅(通常在晶片上制造銅的覆蓋層)之后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，以去除電鍍層的不需要部分。當(dāng)制造鑲嵌結(jié)構(gòu)時，CMP工藝也可用于電隔離鑲嵌布線。
圖1A是用于在晶片上電鍍銅的典型設(shè)備的示意圖。晶片1通過密封接觸33固定在陰極32上；陰極和晶片在電鍍?nèi)芤旱碾娊庖?0中旋轉(zhuǎn)。電鍍?nèi)芤毫?5通過設(shè)備抽吸以不斷更新電解液；所述流的方向?yàn)榄h(huán)繞電鍍陽極31并通過陽極中的孔。
圖1B示出了典型Cu電鍍工藝的晶片特征。首先用阻擋/里襯層2覆蓋在其中形成有凹槽3的半導(dǎo)體晶片1，以增強(qiáng)電鍍金屬層和晶片的粘結(jié)，并防止Cu擴(kuò)散進(jìn)半導(dǎo)體材料。然后在層2上淀積籽晶層4。用電鍍銅層5填充凹槽并覆蓋晶片表面。如圖中所示，電鍍層必須足夠厚以確保凹槽被填充。在某些工藝條件下，最大厚度接近凹槽，如圖1C所示。然后通過CMP除去稱為“過載(過載)”的過剩厚度5a。通常除去晶片表面上的整個電鍍層，以使銅金屬只保留在凹槽3內(nèi)；這可以這樣來完成，通過在CMP設(shè)備中拋光晶片直到晶片的最初前表面1f被暴露。
常規(guī)地，金屬層的電鍍和平面化用分立的設(shè)備完成。如上面提及的，典型晶片的處理需要幾個不同的電鍍步驟，而且在每一步之后進(jìn)行平面化步驟。因此，典型晶片要用電鍍和平面化設(shè)備處理多次。這種情況趨于限制制造工藝的產(chǎn)量，并相應(yīng)的增加總的制造成本。
題目為“Method of single step damascene process for deposition andglobal planarization”的美國專利No.6,004,880，提出使CMP設(shè)備適合同時進(jìn)行電鍍和拋光。然而，電鍍和拋光經(jīng)常需要不能在同一工藝中獲得的不同的工藝條件(例如，在晶片表面上不同的機(jī)械力)。此外，如果包含研磨劑的拋光漿料與電解銅溶液結(jié)合，研磨劑顆粒可以被陷在電鍍金屬層中。
題目為“Apparatus for electrochemical mechanical planarization”的美國專利No.5,911,619描述了一種拋光設(shè)備，其中電極接觸晶片，從而可以結(jié)合CMP和電化學(xué)加工技術(shù)以提高平面化產(chǎn)量。該設(shè)備只用于平面化(即，從晶片表面除去材料)；晶片的電鍍需要分立的設(shè)備。
業(yè)界保持對這樣的晶片處理設(shè)備的需求，該晶片處理設(shè)備集成了電鍍和平面化設(shè)備的特征，從而可以在每種工藝的最優(yōu)條件下，與CMP(尤其用于銅層)一起進(jìn)行可選的電鍍和電蝕刻工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供一種用于在襯底上電鍍金屬層并平面化該層的方法和設(shè)備，解決了上述需求。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該設(shè)備包括具有拋光襯墊的工作臺；工作臺和襯墊具有在其中形成用于將電鍍?nèi)芤菏┘拥揭r墊上的通道的孔。多個電鍍陽極設(shè)置在通道中并與電鍍?nèi)芤航佑|。該設(shè)備還包括載體，用于固定襯底與襯墊的頂表面基本上平行，并用于將壓在襯墊上的可變的機(jī)械力施加到襯底，所述載體相對于工作臺旋轉(zhuǎn)并包括電鍍陰極。該設(shè)備還包括漿料施加器，用于在CMP工藝期間在襯墊上施加拋光漿料。
載體在電鍍工藝期間施加第一大小的力，而在電蝕刻工藝期間施加第二大小的力。在電鍍工藝期間，第一大小的力優(yōu)選是可變的，以保持在襯底和襯墊之間的預(yù)定間距。在用于雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的初始電鍍工藝中，該間距應(yīng)該在5μm和100μm之間。
通道有利地以多個同軸陣列排列，每個通道在其中具有陽極，從而陽極以多個同軸陣列排列，每個陽極具有與陰極的分離的電連接。
值得注意，當(dāng)形成導(dǎo)線或過孔時，第一大小的力大于第二大小的力，以使在襯底和襯墊的頂表面之間的距離在電蝕刻工藝期間大于在電鍍工藝期間。
工作臺和襯墊可以具有附加的孔陣列，以形成用于在CMP工藝期間施加拋光漿料的通道。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于在具有襯底載體和在其上設(shè)置有拋光襯墊的工作臺的集成電鍍/平面化設(shè)備中，在襯底上電鍍金屬層并平面化該層的方法。在該方法中，將襯底裝載到載體上，并在襯墊上施加電鍍?nèi)芤骸Ｈ缓笫褂秒婂內(nèi)芤簩⒔饘匐婂兊揭r底上，同時將壓在襯墊上的第一大小的機(jī)械力施加到襯底，以保持襯底和襯墊之間的第一間距。然后在襯墊上施加電蝕刻溶液，并電蝕刻襯底上的金屬，同時將壓在襯墊上的第二大小的機(jī)械力施加到襯底，以保持襯底和襯墊之間的第二間距。電鍍和電蝕刻可以作為一個序列重復(fù)多次。該方法還包括通過使用拋光襯墊和在襯墊上施加的無研磨劑漿料的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)來拋光金屬的步驟。
工作臺可以具有多個與其相連并以分離的同軸陣列排列的電鍍陽極；在電鍍步驟中，選擇的矩陣可以與電壓源相連，以控制在襯底上電鍍的金屬的厚度?？梢允褂秒婂?nèi)芤哼M(jìn)行電蝕刻；在本發(fā)明中，在陰極和陽極之間，電流在電鍍期間按正向流動，而在電蝕刻期間按反向流動。


圖1A是用于在晶片上電鍍金屬的常規(guī)電鍍設(shè)備的示意圖。
圖1B和1C示出了對其已經(jīng)進(jìn)行了典型電鍍工藝的半導(dǎo)體晶片。
圖1D是用于平面化晶片的常規(guī)CMP設(shè)備的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，具有電鍍陽極的分離同軸陣列的集成電鍍和平面化設(shè)備的示意圖。
圖3是詳細(xì)視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明，在電鍍工藝期間連續(xù)施加的電鍍?nèi)芤骸?br> 圖4A是其中進(jìn)行反向脈沖電蝕刻的圖2的集成設(shè)備的示意圖。
圖4B是其中通過促進(jìn)在晶片上形成膜進(jìn)行電蝕刻的圖2的集成設(shè)備的示意圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的集成電鍍和平面化設(shè)備的示意圖，其中在拋光襯墊的表面上施加CMP漿料和電鍍?nèi)芤骸?br> 圖6是根據(jù)本發(fā)明的集成電鍍和平面化工藝的簡化流程圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，提供了允許在可選的步驟中的金屬淀積(電鍍)和金屬去除(電蝕刻)之后進(jìn)行CMP的設(shè)備，其中每個步驟具有分立的工藝條件，在一個室中并不需要從設(shè)備上除去晶片。將描述銅的電鍍和去除以說明本發(fā)明。應(yīng)該理解本發(fā)明并不限于在晶片上淀積的材料類型。
本發(fā)明的實(shí)施例可以被理解為CMP設(shè)備的改造。在圖1D中示意性地示出了常規(guī)CMP設(shè)備。晶片1向上固定在晶片載體12上，晶片載體12相對于在其上具有拋光襯墊20和拋光漿料的工作臺10旋轉(zhuǎn)。拋光速率部分由晶片1壓在拋光襯墊20上的力決定。因此，晶片載體12是可調(diào)整的，以在拋光襯墊上提供可變的力。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例的截面圖。工作臺10和拋光襯墊20具有在其中形成的孔210、220；該孔形成了用于在襯墊20的表面上施加電鍍?nèi)芤旱耐ǖ?。電鍍陽極201、202、203優(yōu)選是導(dǎo)電材料的套管；將陽極電極浸入位于工作臺10之下的容器200中的電鍍?nèi)芤褐?，以通過套管抽吸電鍍?nèi)芤?。作為選擇，當(dāng)陽極由插入套管的導(dǎo)線構(gòu)成時，套管可以是絕緣材料。在電鍍工藝期間，通過孔220從容器200中抽吸電鍍?nèi)芤海⒂纱藢⑵涫┘拥揭r墊20的表面上。
陽極優(yōu)選以同軸陣列排列，并連接到開關(guān)器件260，開關(guān)器件260又連接到電鍍電壓源250。因此，可以切換電鍍電流，以使(例如)電流只通過陽極203，然后是陽極202，接下來是陽極201。當(dāng)將載體12(電鍍陰極)上的晶片1與電鍍?nèi)芤合嘟佑|時，完成了電鍍電路。應(yīng)該注意，在晶片相對于襯墊旋轉(zhuǎn)時，將電鍍?nèi)芤哼B續(xù)施加到襯墊20上(通常以100-400ml/min的速率)；從而不斷更新對晶片的電鍍?nèi)芤旱墓┙o。通過使用滑動接觸等實(shí)現(xiàn)的與晶片載體12的電連接，也可以旋轉(zhuǎn)工作臺10。
圖3是圖2所示設(shè)備的詳細(xì)視圖，示出了通過插入孔210和220的陽極201抽吸電鍍?nèi)芤?01。在襯墊20的表面上的電鍍?nèi)芤毫骶哂刑囟ǖ倪吔鐚雍穸菳L。通過晶片載體12固定晶片1，以使晶片的前表面1f與襯墊20的表面相距距離L。當(dāng)電鍍工藝包括形成導(dǎo)線和過孔時，晶片可以被分割為兩種類型的區(qū)域凹槽區(qū)3(其中需要金屬淀積)和場區(qū)6(其上不需要淀積金屬)。在形成這種導(dǎo)線的電鍍工藝中，調(diào)整晶片載體，以在晶片1上施加向下的力，以使晶片和襯墊之間的間距遠(yuǎn)小于邊界層厚度L＜＜BL當(dāng)電鍍導(dǎo)線或過孔時(1)當(dāng)滿足不等式(1)時，對區(qū)域6的銅離子的供給被質(zhì)量擴(kuò)散(mass-diffusion)限制，并因此遠(yuǎn)小于對區(qū)域3的(區(qū)域6被稱作時“半干”)。區(qū)域6中的電鍍速率相應(yīng)地低于區(qū)域3中的。由此在具有減小過載的晶片的凹槽區(qū)中選擇性地形成了銅線和過孔。
電鍍和平面化工藝的序列通常從電鍍步驟開始。通常，在雙鑲嵌工藝中，在最初的電鍍步驟中填充晶片中的凹槽。據(jù)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該控制在最初的電鍍步驟中施加在晶片上的力，以使晶片和襯墊之間的間距在5μm到100μm之間。
晶片載體12和/或工作臺10的旋轉(zhuǎn)確保襯墊表面上的電鍍?nèi)芤嚎梢赃B續(xù)補(bǔ)充，以使銅離子的濃度為常數(shù)。
如上所述，以分離的同軸陣列排列陽極，從而可以在晶片上的分離同軸帶中進(jìn)行電鍍。這允許控制晶片上的電鍍分布。當(dāng)初始籽晶層非常薄(約200)時，這種特征在建造Cu籽晶層中尤其有用。在本例中，首先，電流只通過外部帶(陽極203)，從而在晶片的外部邊緣上淀積約500。然后，將電流切換到下一個內(nèi)部帶(陽極202)，以在其上淀積另一個500；在其它帶中淀積更少的量。在連續(xù)的內(nèi)部帶中進(jìn)行電鍍，直到獲得整個籽晶層。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，進(jìn)行交替的電鍍和蝕刻工藝，以限制過載的生長。這可以這樣來完成，通過使用與在電鍍工藝中相同的溶液電蝕刻電鍍金屬，但是具有非常高的陽極反向電壓脈沖(參見圖4A)。在蝕刻步驟期間，減小了晶片上向下的力，以使晶片1和襯墊20之間的間距遠(yuǎn)大于邊界層厚度L＞＞BL當(dāng)電蝕刻時 (2)在反向電壓脈沖期間，在Cu表面上形成鹽膜；鹽膜具有可變的厚度，而且區(qū)域3中的厚于區(qū)域6中的。當(dāng)滿足不等式(2)時，通過Cu離子穿過鹽膜的擴(kuò)散控制電鍍Cu的去除速率。區(qū)域6中的蝕刻速率因此通常大于區(qū)域3中的蝕刻速率。
應(yīng)該注意，當(dāng)陽極電壓被反轉(zhuǎn)以從電鍍切換到蝕刻時，根據(jù)陽極電壓的變化來改變晶片上向下的力。電鍍步驟(其中區(qū)域3電鍍快于區(qū)域6)和蝕刻步驟(其中區(qū)域3蝕刻慢于區(qū)域6)的重復(fù)導(dǎo)致晶片的凹槽區(qū)被金屬填充，具有非常小的過載。
也可以這樣進(jìn)行電蝕刻，通過用蝕刻溶液快速替換容器200中的電鍍?nèi)芤?只需要幾秒鐘)，然后使用電壓源250進(jìn)行電蝕刻，如上所述切換器件260和陽極201-203。例如，可以在銅的電蝕刻中使用濃磷酸，以在銅表面上形成鹽膜。鹽膜在區(qū)域3中的密度將高于在區(qū)域6中的，以使區(qū)域6中的蝕刻速率通常大于區(qū)域3中的。
在前述實(shí)施例的變化中，將如苯并三唑(BTA)的鹽形成劑在電蝕刻工藝期間添加到電鍍或蝕刻溶液中。當(dāng)工藝從電鍍切換到蝕刻時，將容器440中的BTA注入到容器200中(圖4B)。將BTA添加到溶液中導(dǎo)致了晶片上展現(xiàn)出高場導(dǎo)電機(jī)制的鹽膜；這又增加了有利于場區(qū)的蝕刻選擇性(即區(qū)域6中的蝕刻速率對區(qū)域3中的蝕刻速率)。這具有減少重復(fù)電鍍和蝕刻操作所需次數(shù)的效果。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，電鍍、蝕刻和CMP的功能被結(jié)合在單個設(shè)備上。電鍍和蝕刻步驟的序列可以隨著其中除去過載5a的最后蝕刻步驟終止，然后可以在不進(jìn)行CMP的情況下除去晶片。然而，如果希望除去晶片表面上的過載和里襯/阻擋層2，在電鍍和蝕刻的序列之后拋光晶片，如下所述。
圖5示出了本發(fā)明的一個實(shí)施例，其中電鍍?nèi)芤汉虲MP漿料都從工作臺10下面施加。在工作臺10和襯墊20中分別提供孔510、520的附加陣列，以形成通道，通過通道將拋光漿料從工作臺10下面的漿料容器(未示出)抽吸到襯墊表面上。以圖5所示的同軸圖形排列這些孔。作為選擇，可以從上面將漿料施加到襯墊20上。為了將設(shè)備從電鍍/蝕刻切換到拋光，可以用去離子水清洗襯墊20，并在襯墊上施加無研磨劑漿料。(在裝載新晶片之前，在方便的時間也可以按CMP工藝中的標(biāo)準(zhǔn)使用鉆石(diamond)調(diào)節(jié)頭調(diào)節(jié)襯墊。)應(yīng)該注意，在Cu CMP工藝中使用的漿料是無研磨劑溶液，從而避免了剩余Cu表面的粗糙化和化學(xué)變化。
該設(shè)備可以有利地包括用于晶片的清掃筆或清掃刷，以使晶片在拋光之后，從設(shè)備上去除之前被清潔和干燥。
圖6說明了在本發(fā)明的設(shè)備中進(jìn)行電鍍、電蝕刻和CMP的工藝序列的步驟。將具有薄籽晶層的晶片裝載到設(shè)備上(步驟601)；然后通過電鍍晶片形成籽晶層，使用分離的、同軸的陽極陣列來控制電鍍層的分布(步驟602)。進(jìn)行電鍍，通常為約20秒的時間(步驟603)，接著電蝕刻約10秒的時間(步驟604)。重復(fù)電鍍和蝕刻直到獲得所需的電鍍特征。(在不同的步驟進(jìn)行電鍍和蝕刻，與試圖同時進(jìn)行電鍍和蝕刻相反。)如上所述，晶片上的力在電鍍和蝕刻步驟之間是變化的(向下的力在電鍍期間更多，在蝕刻期間更少)。在電鍍/蝕刻序列的結(jié)果中，過載只有約500。然后清洗拋光襯墊20(步驟605)，并用無研磨劑漿料進(jìn)行拋光，以除去過載和過剩的阻擋/里襯層(步驟606)。最后，在卸載之前清潔晶片(步驟607)。
可以在本設(shè)備上添加其它特征，以擴(kuò)展它的功能，并仍提供更大的工藝靈活性。具體地說，該設(shè)備可以裝備一個加熱器，以允許銅在電鍍時進(jìn)行退火。該設(shè)備在晶片去除前，也可以具有用于進(jìn)行附加退火的分離退火室。
工業(yè)適用性本發(fā)明適用于微電子器件的制造，特別適用于需要電鍍和平面化銅層的，尤其是使用了雙鑲嵌工藝的器件的制造。
在根據(jù)具體實(shí)施例描述本發(fā)明的同時，鑒于上述明顯看出，許多改變、修改和變化對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見。因此，本發(fā)明旨在包括落入本發(fā)明和所附權(quán)利要求的范圍和精神的所有這樣的改變、修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于在襯底(1)上電鍍金屬層并平面化所述層的設(shè)備，通過電蝕刻和化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)進(jìn)行所述平面化，所述設(shè)備包括工作臺(10)，用于支撐拋光襯墊(20)，并具有多個形成用于將電鍍?nèi)芤菏┘拥剿鲆r墊上的通道的孔(210)；所述拋光襯墊(20)，具有頂表面，并具有多個與所述工作臺中的孔(210)相應(yīng)的穿通孔(220)；多個電鍍陽極(201、202、203)，設(shè)置在所述通道中并與所述電鍍?nèi)芤航佑|；載體(12)，用于固定所述襯底與所述襯墊(20)的頂表面基本上平行，并用于將壓在所述襯墊上的可變的機(jī)械力施加到所述襯底，所述載體相對于所述工作臺旋轉(zhuǎn)并包括電鍍陰極；以及漿料施加器，用于在CMP工藝期間在所述襯墊上施加拋光漿料，其中所述載體在電鍍工藝期間施加第一大小的力，而在電蝕刻工藝期間施加第二大小的力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述通道以多個同軸陣列排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述陽極設(shè)置在每個所述通道中，以使所述陽極(201、202、203)以多個同軸陣列排列，每個所述陽極具有單獨(dú)的與所述陰極的電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述第一大小的力大于所述第二大小的力，以使從所述襯底(1)到所述襯墊(20)的頂表面的距離在電蝕刻工藝期間大于在電鍍工藝期間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述第一大小的力是可變的，以保持電鍍工藝期間從所述襯底(1)到所述襯墊(20)的頂表面的預(yù)定距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述預(yù)定距離在5μm到100μm之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括連接到所述陰極和所述陽極的電壓源(250)，從而在所述陰極和所述陽極之間，電流在電鍍工藝期間按正向流動，而在電蝕刻工藝期間按反向流動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中在電蝕刻工藝期間通過所述通道施加電蝕刻溶液。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述工作臺具有附加的孔陣列(510)，并且所述襯墊具有附加的相應(yīng)孔矩陣(520)，以形成用于在CMP工藝期間施加所述拋光漿料的通道。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于在襯底上電鍍金屬層并CMP平面化該層的方法和設(shè)備。該設(shè)備包括工作臺(10)，用于支撐拋光襯墊(20)，并具有多個形成用于將電鍍?nèi)芤菏┘拥揭r墊上的通道的孔(210、220)；電鍍陽極(201、202、203)，設(shè)置在通道中并與電鍍?nèi)芤航佑|；載體(12)，用于固定襯底與襯墊的頂表面基本上平行，并用于將壓在襯墊上的可變的機(jī)械力施加到襯底，從而襯底和襯墊之間的間距在電鍍期間小于在電蝕刻期間。
文檔編號H01L21/321GK1705774SQ200380101929
公開日2005年12月7日 申請日期2003年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月14日
發(fā)明者L·?？浦Z米可斯, H·德利吉安尼, J·M·科特, H·J·格拉巴爾茲, B·陳 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司