電鍍方法
2023-05-07 16:58:01
專利名稱：電鍍方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種電鍍方法。
背景技術：
在製造集成電路(IC)半導體器件中，基板表面的平勻度相當關鍵，特別是元件的密度增加且尺寸縮小至次微米等級後。一般使用金屬層作為IC中個別元件的連線，以介電層或絕緣層隔開金屬線，並於介電層間形成溝槽、接觸孔、接點等互連結構，以提供導電金屬層間的電路通道。現有技術中互連結構以採用銅或銅合金為主要材料，具體可採用下述方法沉積銅或銅合金的金屬層或薄膜物理氣相沉積(PVD)方法、化學氣相沉積(CVD)方法以及電鍍法。其中，電鍍法能夠容易獲得高純度的金屬層或薄膜，不僅金屬層或薄膜的形成速度快，而且還能夠比較容易地控制金屬層或薄膜的厚度，因此電鍍法已成為主流方法。一般銅電鍍製程是將晶圓接觸電鍍液，並於正負電極間提供電位差以沉積金屬至半導體基板表面。電鍍工藝需要採用電鍍裝置實現。根據電鍍裝置結構的不同，可以分為垂直式電鍍裝置和水平式電鍍裝置。以下以垂直式電鍍裝置為例進行說明。圖1為現有技術中一垂直式電鍍裝置的結構示意圖。所述垂直式電鍍裝置100包括旋轉軸5和固定於旋轉軸5上的襯底固定裝置4。在電鍍過程中，晶圓2固定在襯底基座3上，進而將襯底基座3固定在襯底固定裝置4上，然後浸入包括電鍍液的電鍍池22中。整個電鍍液的循環方向如箭頭符號13所示，通過泵40提供連續性的循環電鍍液，電鍍液向上流向晶圓2，然後向外擴張橫向流過晶圓2，如箭頭符號14所示。電鍍液的循環方向是自電鍍池22溢流至電鍍液儲存槽20，如箭頭符號10和11所示。電鍍液流出儲存槽20後，流經過濾器(圖中未示出)後流回泵40，完成整個循環步驟，如箭頭符號12所示。直流電源供應器(DC power supply) 50提供負極輸出以及正極輸出，其中的負極電性連接至晶圓2，正極電性連接至電鍍池22中的陽極1。在電鍍過程中，電源供應器50將偏壓施加到晶圓2，從而產生相對於陽極1為負的電壓降，使得電荷流動自陽極1流向晶圓2。圖2為電鍍裝置的陽極與陰極間的電力線分布關係示意圖。結合參考圖2，半導體晶圓2通過襯底基座3固定於襯底固定裝置(圖2中未示出)上。電極接觸環25通過多個接觸引腳(contact pin) 2 與半導體晶圓2電性接觸。當施加偏壓至陽極1與半導體晶圓(陰極)2之間時，陽極和陰極間的電壓降形成多條電力線Fc與狗。？(3與狗分別表示處於半導體晶圓(陰極)2的中央區域中的電力線與周圍區域中的電力線。由於電極接觸環25通過多個接觸引腳2 與半導體晶圓2電性接觸，在半導體晶圓2的周圍區域靠近接觸引腳2 處造成急劇的電壓降，使得靠近接觸引腳2 的電力線!^e的密度遠比半導體晶圓(陰極)2中央區域的電力線Fc的密度高。然而，靠近接觸引腳25a電力線!^e密度愈高，就導致電流密度愈高，並使得半導體晶圓2的周圍區域的沉積厚度愈厚，進而導致在後續工藝中，誘發剝離與顆粒殘留。在半導體晶圓上的導電層厚度不均勻，也容易使工藝進一步惡化，並且使電阻偏離量更高。
類似地，在現有技術的其他電鍍裝置中，也存在晶圓的中央區域電鍍層沉積厚度薄，周圍區域電鍍層沉積厚度厚的缺陷。尤其是當半導體晶圓的尺寸大於8寸之後，上述缺陷更加明顯。因此，如何保證電鍍過程中沉積在半導體晶圓表面的金屬厚度均勻性就成為本領域技術人員亟待解決的問題。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種電鍍方法，在電鍍的過程中，可以在半導體晶圓的中央區域及周圍區域形成均勻的金屬層或薄膜，最終改善電鍍的質量。為解決上述問題，本發明提供了一種電鍍方法，包括提供化學電鍍槽，所述化學電鍍槽包括電鍍池，所述電鍍池中設置有陽極；將半導體晶圓通過襯底固定裝置進行固定，所述半導體晶圓待電鍍面與所述陽極相對設置；為所述陽極提供正極電壓，為所述半導體晶圓提供負極電壓；其特徵在於，在電鍍過程中，使所述陽極與所述半導體晶圓之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大。可選地，所述電鍍方法還包括在所述陽極的邊緣區域設置擋板。可選地，所述陽極為多層同心圓結構；為所述陽極提供正極電壓包括為陽極的每層提供不同的正極電壓。可選地，所述正極電壓從所述同心圓結構的圓心向外依次減小。可選地，所述陽極為惰性陽極。可選地，所述陽極為網狀結構。可選地，在電鍍前，將所述陽極豎直設置在所述電鍍池中。可選地，在電鍍前，將所述陽極水平設置在所述電鍍池中。可選地，使所述陽極與所述半導體晶圓之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大包括通過陽極夾持件使所述陽極與所述半導體晶圓待電鍍面相對的面為弧面。可選地，使所述陽極與所述半導體晶圓之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大包括通過所述襯底固定裝置使所述半導體晶圓待電鍍面為弧面。與現有技術相比，本發明具有以下優點在電鍍過程中，使陽極與半導體晶圓之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大，進而使陽極與半導體晶圓中間區域之間的電場強於陽極與半導體晶圓邊緣區域之間的電場，以彌補邊緣區域的電力線密度大於中央區域的電力線密度的缺陷，從而減小邊緣區域和中央區域的沉積厚度差，保證了半導體晶圓沉積的金屬層或薄膜的均勻性，最終提高了電鍍的質量。
圖1為現有技術中一垂直式電鍍裝置的結構示意圖；圖2為現有技術中電鍍裝置的陽極與陰極間的電力線分布關係示意圖；圖3為本發明實施例一中電鍍方法的流程示意圖；圖4為本發明實施例一中電鍍裝置的結構示意圖5和圖6為本發明實施例一中陽極的結構示意圖；圖7為本發明實施例二中電鍍裝置的結構示意圖；圖8為本發明實施例三中陽極的結構示意圖；圖9為本發明實施例五中陽極和半導體晶圓的結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。正如背景技術部分所述，現有技術中在半導體晶圓上電鍍金屬層或薄膜時，由於陽極與陰極(即半導體晶圓)間的電力線分布不均勻，因此導致晶圓的中央區域電鍍層沉積厚度薄，周圍區域電鍍層沉積厚度厚的缺陷。針對上述缺陷，本發明提供了一種電鍍方法，包括提供化學電鍍槽，所述化學電鍍槽包括電鍍池，所述電鍍池中設置有陽極；將半導體晶圓通過襯底固定裝置進行固定，所述半導體晶圓待電鍍面與所述陽極相對設置；為所述陽極提供正極電壓，為所述半導體晶圓提供負極電壓；在電鍍過程中，使所述陽極與所述半導體晶圓之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大。本發明在電鍍過程中，使陽極與半導體晶圓之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大，進而使陽極與半導體晶圓中間區域之間的電場強於陽極與半導體晶圓邊緣區域之間的電場，以彌補邊緣區域的電力線密度大於中央區域的電力線密度的缺陷，從而減小邊緣區域和中央區域的電鍍層沉積厚度差，保證了半導體晶圓沉積的金屬層或薄膜的均勻性，最終提高了電鍍的質量。下面結合附圖進行詳細說明。實施例一參考圖3所示，本實施例提供了一種電鍍方法，包括步驟Sl 1，提供化學電鍍槽，所述化學電鍍槽包括電鍍池，所述電鍍池中設置有陽極；步驟S12，將半導體晶圓通過襯底固定裝置進行固定，所述半導體晶圓待電鍍面與所述陽極相對設置；步驟S13，為所述陽極提供正極電壓，為所述半導體晶圓提供負極電壓；步驟S14，在電鍍過程中，使所述陽極與所述半導體晶圓之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大。參考圖4所示，上述方法可以在圖4所示的電鍍裝置中進行，所述電鍍裝置可以包括化學電鍍槽，包括電鍍池110 ；
陽極120，設置在所述電鍍池110中；襯底固定裝置130，用於固定半導體晶圓140，所述半導體晶圓140待電鍍面與所述陽極120相對設置，所述陽極120與所述半導體晶圓140之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大；電源供應器150，用於提供負極輸出以及正極輸出，所述負極輸出連接半導體晶圓 140，所述正極輸出連接陽極120。在電鍍前，可以將所述陽極120豎直設置在所述電鍍池110中，從而通過電鍍液的水平運動完成電鍍過程，即電鍍裝置可以為水平式。在電鍍前，也可以將所述陽極120水平設置在所述電鍍池110中，從而通過電鍍液的垂直運動完成電鍍過程，即所述電鍍裝置可以為垂直式。圖4以水平式電鍍裝置為例進行說明，但其不限制本發明的保護範圍。其中，所述襯底固定裝置130和電源供應器150的結構與作用均與現有技術相同， 在此不再贅述。其中，所述襯底固定裝置130和陽極120可以分別通過電鍍池110上方的掛鈎(圖中未示出)進行懸掛固定，也可以採用其他方式進行固定，其不限制本發明的保護範圍。所述陽極120可以為非惰性陽極。此時，當在半導體晶圓140上電鍍銅時，則陽極 120可以為銅板。此種情況下，陽極120參與氧化還原反應，通過陽極120的自身損耗以在半導體晶圓140上形成銅層。所述陽極120還可以為惰性電極。此時，當在半導體晶圓140上電鍍銅時，則陽極 120的材料可以為石墨或鉬，從而陽極只起傳遞電子的作用，不參與氧化還原反應，最終可以減少對陽極120的損耗。本實施例中所述陽極120可以為網狀結構，即所述陽極120上設置有多個通孔，所述通孔的形狀可以為圓形或多邊形等，從而使得電鍍液能在半導體晶圓140(即陰極)和陽極120之間充分對流和擴散，可以避免濃差極化，有利於氣體的逃逸，最終可以提高金屬沉積的均勻性。需要說明的是，在本發明的其他實施例中，所述陽極120上也可以不設置通孔，此時所述陽極120為厚度均勻的電極板。為了實現陽極120與所述半導體晶圓140之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大，本實施例中所述陽極120與所述半導體晶圓140待電鍍面相對的面可以為弧面。此時，雖然在電鍍過程中，半導體晶圓140與陽極120之間的電力線密度沿中間區域向邊緣區域依次增大，但是由於半導體晶圓140中間區域與陽極120中間區域之間的距離dl小於半導體晶圓140邊緣區域與陽極120邊緣區域之間的距離d2，因此可以使陽極120與半導體晶圓140中間區域的電場強於陽極120與半導體晶圓140邊緣區域的電場，進而可以減小邊緣區域和中間區域的電鍍層沉積厚度差，保證了半導體晶圓沉積的金屬層或薄膜的均勻性，最終提高了電鍍的質量。其中，所述陽極的彎曲程度與半導體晶圓140的尺寸、待沉積金屬層或薄膜的厚度、電源供應器150提供的電壓大小、陽極120的尺寸、半導體晶圓140與陽極120之間的
距離等因素有關。在第一個具體例子中，參考圖4所示，可以直接將陽極120製作成剖面為弧面的結構。此時所述陽極120可以為彎曲圓形或彎曲多邊形，其比較適合陽極120可塑性比較好且硬度比較大的情況，從而通過僅改變陽極120形狀的方式來提高電鍍均勻性，使得電鍍裝置的結構比較簡單。在第二個具體例子中，參考圖5和圖6所示，所述電鍍裝置還可以包括陽極夾持件，用於使陽極120在電鍍液中處於彎曲狀態。即通過陽極夾持件使所述陽極120與所述半導體晶圓140待電鍍面相對的面為弧面。所述陽極夾持件可以包括多個支撐線160和一個支撐杆170，所述支撐線160的第一端固定在陽極120的邊緣區域，第二端固定在支撐杆170上，所述支撐杆170的一端固定在所述陽極120的中心區域。各個支撐線160的第二端可以交匯於支撐杆170的同一位置，也可以交匯於支撐杆170的不同位置。所述陽極120可以為圓板形。為了使得陽極120 處於彎曲狀態，既可以通過調節支撐線160的長度實現，也可以通過調節支撐線160在支撐杆170上的固定位置實現，還可以同時調節支撐線160的長度和調節支撐線160在支撐杆 170上的固定位置實現。所述支撐線160可以為導電線。需要說明的是，本實施例還可以採用其他陽極夾持件以使陽極120在電鍍液中處於剖面為弧面的狀態，其不限制本發明的保護範圍。實施例二與實施例一相比，參考圖7所示，本實施例中電鍍方法還可以包括在陽極120的邊緣區域設置有擋板220，其餘與實施例一相同，在此不再贅述。所述擋板220的材料可以為任意一種絕緣材料，從而所述擋板220可以減少陽極120與半導體晶圓140邊緣區域之間的電力線，此時，所述陽極120的彎曲角度可以減小。本實施例中所述擋板220為長方體，具體可以通過懸掛的方式進行固定。需要說明的是，在本發明的其他實施例中所述擋板220還可以為彎曲的弧狀結構，其也可以採用粘貼在陽極120上的方式進行固定或者是其他方式進行固定。本實施例在電鍍過程中，不但使陽極與半導體晶圓之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大，以彌補邊緣區域的電力線密度大於中央區域的電力線密度的缺陷，而且還可以通過擋板220減小邊緣區域的電力線，從而可以進一步提高電鍍沉積的均勻性。實施例三與實施例一相比，結合參考圖8所示，本實施例在保持陽極120彎曲的前提下，所述陽極120可以為多層同心圓結構，此時，所述電源供應器150需要提供多個不同的正極輸出，每個圓環連接不同的正極輸出。優選地，所述正極輸出對應的正極電壓從所述同心圓結構的圓心向外依次減小。此時，所述陽極120的彎曲角度可以減小。作為一個具體例子，結合參考圖7所示，陽極120包括三個同心圓121、122和123， 每個同心圓分別與電源供應器150的不同正極輸出相連，同心圓121接收到的正極電壓為 VI，同心圓122接收到的正極電壓為V2，同心圓123接收到的正極電壓為V3，其中，Vl >V2 > V3。本實施例在電鍍過程中，不但使陽極120與半導體晶圓140之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大，以彌補邊緣區域的電力線密度大於中央區域的電力線密度的缺陷；還為陽極120不同區域提供不同的正極電壓，且中心區域的正極電壓最大，邊緣區域的正極電壓最小，從而可以進一步提高電鍍沉積的均勻性。需要說明的是，本實施例還可以在陽極120的邊緣區域設置有擋板(圖中未示出)。
實施例四為了實現陽極與所述半導體晶圓之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大，本實施例中可以通過襯底固定裝置夾持半導體晶圓，使半導體晶圓處於彎曲狀態，進而使所述半導體晶圓待電鍍面為弧面，而陽極相對於半導體晶圓待電鍍面保持為直面，從而達到與實施例一相同的效果。此時，所述襯底固定裝置的結構可以參考實施例一中的陽極夾持件，也可以採用其他結構，在此不再贅述。需要說明的是，本實施例還可以在陽極的邊緣區域設置擋板(參考實施例二)，或者是將陽極設置為同心圓結構(參考實施例三)。實施例五參考圖9所示，本實施例可以結合實施例一和實施例四的方法，同時使陽極120相對於半導體晶圓140待電鍍面為弧面且半導體晶圓140待電鍍面為弧面，其中，半導體晶圓 140與陽極120相互背對彎曲，以使半導體晶圓140與陽極120中間區域的距離dl小於半導體晶圓140與陽極邊緣區域的距離d2。此外，本實施例還可以在陽極的邊緣區域設置擋板(參考實施例二)，或者是將陽極設置在同心圓結構(參考實施例三)，在此均不再贅述。需要說明的是，以上實施例都是以水平式電鍍裝置為例，在本發明的其他實施例中，所述電鍍裝置還可以為垂直式，其不限制本發明的保護範圍。此外，電鍍裝置中其他部件(如泵、儲存槽、旋轉軸等)對於本領域的技術人員是熟知的，在此不再贅述。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。
權利要求
1.一種電鍍方法，包括提供化學電鍍槽，所述化學電鍍槽包括電鍍池，所述電鍍池中設置有陽極； 將半導體晶圓通過襯底固定裝置進行固定，所述半導體晶圓待電鍍面與所述陽極相對設置；為所述陽極提供正極電壓，為所述半導體晶圓提供負極電壓； 其特徵在於，在電鍍過程中，使所述陽極與所述半導體晶圓之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大。
2.如權利要求1所述的電鍍方法，其特徵在於，還包括在所述陽極的邊緣區域設置擋板。
3.如權利要求1所述的電鍍方法，其特徵在於，所述陽極為多層同心圓結構；為所述陽極提供正極電壓包括為陽極的每層提供不同的正極電壓。
4.如權利要求3所述的電鍍方法，其特徵在於，所述正極電壓從所述同心圓結構的圓心向外依次減小。
5.如權利要求1所述的電鍍方法，其特徵在於，所述陽極為惰性陽極。
6.如權利要求1所述的電鍍方法，其特徵在於，所述陽極為網狀結構。
7.如權利要求1所述的電鍍方法，其特徵在於，在電鍍前，將所述陽極豎直設置在所述電鍍池中。
8.如權利要求1所述的電鍍方法，其特徵在於，在電鍍前，將所述陽極水平設置在所述電鍍池中。
9.如權利要求1所述的電鍍方法，其特徵在於，使所述陽極與所述半導體晶圓之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大包括通過陽極夾持件使所述陽極與所述半導體晶圓待電鍍面相對的面為弧面。
10.如權利要求1所述的電鍍方法，其特徵在於，使所述陽極與所述半導體晶圓之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大包括通過所述襯底固定裝置使所述半導體晶圓待電鍍面為弧面。
全文摘要
一種電鍍方法，包括提供化學電鍍槽，所述化學電鍍槽包括電鍍池，所述電鍍池中設置有陽極；將半導體晶圓通過襯底固定裝置進行固定，所述半導體晶圓待電鍍面與所述陽極相對設置；為所述陽極提供正極電壓，為所述半導體晶圓提供負極電壓；在電鍍過程中，使所述陽極與所述半導體晶圓之間的距離沿中間區域向邊緣區域依次增大。本發明可以在半導體晶圓的中央區域及周圍區域形成均勻的金屬層或薄膜，最終改善電鍍的質量。
文檔編號C25D17/00GK102560586SQ20121002758
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月8日 優先權日2012年2月8日
發明者丁萬春 申請人:南通富士通微電子股份有限公司