電化學電鍍半導體晶圓的方法及其電鍍裝置的製作方法

2023-09-13 08:10:55

專利名稱：電化學電鍍半導體晶圓的方法及其電鍍裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在半導體晶圓上進行材質電沉積(Electrodeposition)製程及其沉積裝置，特別是涉及一種控制電鍍製程的初始階段的方法及其電鍍裝置，以改善材質的溝填能力(Gap Fill)以及避免材質內部產生缺陷。
背景技術：
為了增加集成電路中訊號處理的效能，經常使用銅金屬以及銀金屬作為內連線的材質。相較之下，這些金屬的電阻值小於鋁金屬。除了電阻值較小的特性之外，銅金屬具有較佳的漂移率以及可靠度。習知技術中，銅的金屬化製程可使用化學氣相沉積法、選擇性無電電鍍法、濺鍍法(物理氣相沉積)以及電鍍法。由於成本低廉、沉積速率快以及較佳的銅金屬特性，利用電化學沉積法來沉積銅金屬已經是一種最常用的技術。然而，銅內連線的電化學沉積製程面臨許多的問題，包括晶圓上銅金屬沉積的不均勻性以及必須在小區域且高深寬比的接觸洞中填入銅金屬而不能有空孔產生等問題。
銅金屬的電化學沉積法主要是以兩個電極之間的電流通過硫酸銅溶液或是含銅的電解液的方式進行。當電解液中的電流為離子狀態時，電流以電子形式傳送到電極。在以銅金屬組成的陽極產生電化學氧化反應時，陰極產生電化學還原反應。此種狀況下，在陰極分離的銅離子被在陽極製造出來的銅離子取代。利用電性的漂移、擴散以及對流(Convection)方式將銅離子傳送至陰極。傳送一特定電流所需要的電壓等於在電解液、橫跨雙層的表面電位以及與擴散層有關的濃度電位三者的電阻壓降(Ohmic Drop)的總和。電鍍可以使用固定的電流、固定的電壓或是使用可調變的電流或電壓。電流的分布情形，亦即在陰極的銅金屬層的厚度分布主要由陰極的幾何形狀、電化學反應動力學以及濃度變化來決定，如同以電解液中的流體力學、質量對流傳遞來決定。
在矽晶圓電鍍銅金屬的實施例中，於覆蓋有二氧化矽的晶圓上塗布一層稱為種子層(Seed Layer)的銅金屬導電薄膜，以確保電子的傳導性。接著將晶圓曝露在含有銅離子的電解液中，並且沿著晶圓的周圍利用數個接觸點使種子層與電源供應器形成電性連接。然後通以固定電流一段時間，以產生一特定厚度的銅金屬層。
由於銅會與二氧化矽反應，所以需要使用一金屬阻障層來阻擋，例如先以濺鍍法在二氧化矽上形成氮化鉭來作為阻障層。接著再沉積銅金屬的種子層，以達到較佳的電性接觸。電鍍銅金屬通常需要在含有各種添加劑以及平坦劑(Leveling Agents)的硫酸銅(CuSO4)以及硫酸(H2SO4)的水性溶液進行。加速劑以及抑制劑之類的添加劑用於控制沉積速率，並且可避免在溝填0.25微米以下的高深寬比的結構造成空孔的現象。抑制劑用於吸收表面上的水分並且減緩被吸收區域銅金屬的沉積厚度。加速劑對抗水份被吸收區域的抑制劑分子，以加速沉積被吸收區域的銅金屬厚度。在進行電鍍的製程中，加速劑與抑制劑會在晶圓的表面上消耗掉，但是也會持續地由電解液擴散出來的加速劑與抑制劑進行補充。
當電鍍過程中產生電化學不平衡時，將使得電鍍的銅金屬層的晶粒含有雜質、凹陷或是空孔等缺陷。特別是添加劑的均衡程度極易受到在電鍍過程中選用的電壓、電流以及電鍍時間等諸多因素的影響。
因此需要一種控制方式來維持電鍍液中添加劑的均衡，以避免在電鍍過程中產生缺陷，特別是在電鍍溝渠以及介層窗的製程中。
由此可見，上述現有的電化學電鍍半導體晶圓在方法、產品結構及使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。為了解決電化學電鍍半導體晶圓存在的問題，相關廠商莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設計被發展完成，此顯然是相關業者急欲解決的問題。因此如何能創設一種新的電化學電鍍半導體晶圓的方法及其電鍍裝置，便成了當前業界極需改進的目標。
有鑑於上述現有的電化學電鍍半導體晶圓存在的缺陷，本發明人基於從事此類產品設計製造多年豐富的實務經驗及專業知識，並配合學理的運用，積極加以研究創新，以期創設一種新的電化學電鍍半導體晶圓的方法及其電鍍裝置，能夠改進一般現有的電化學電鍍半導體晶圓，使其更具有實用性。經過不斷的研究、設計，並經反覆試作及改進後，終於創設出確具實用價值的本發明。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種新的電鍍製程，所要解決的技術問題是使其可以於晶圓上沉積一導電層，使半導體晶圓在進行溝渠以及介層窗的過程中避免產生缺陷，從而更加適於實用。
本發明的另一目的在於，提供一種新的電鍍製程，所要解決的技術問題是使其可以提升加速劑的對晶圓的吸收性，而不容易受到施加電壓的影響，從而更加適於實用。
本發明的再一目的在於，提供一種電鍍製程，所要解決的技術問題是使其當晶圓浸泡在電鍍液時，用以控制晶圓表面上導電材質的沉積狀態，從而更加適於實用。
本發明的還一目的在於，提供一種電鍍裝置，所要解決的技術問題是使其當晶圓浸泡在電鍍液時，有效控制電鍍製程所使用的參數值，從而更加適於實用，且具有產業上的利用價值。
本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。依據本發明提出的一種在半導體晶圓上電鍍一導電材質的方法，其至少包括以下步驟步驟(A)將一晶圓浸泡在一電鍍液中；步驟(B)施加一電壓於該晶圓上；步驟(C)對該電鍍液與該晶圓通以一電流；以及步驟(D)限定步驟(C)所通入的該電流，使得浸泡該晶圓的該電流的密度小於或是等於0.1安培/cm2。
本發明的目的及解決其技術問題還採用以下技術措施來進一步實現。
前述的方法，其中所述的導電材質是為銅。
前述的方法，其中所述的導電材質是為銀。
前述的方法，更包括以下步驟步驟(E)在該步驟(A)之後，將該晶圓放置在該電鍍液一預定時間，以使該導電金屬電鍍在於該晶圓上；以及步驟(F)當進行該步驟(A)時，減小施加於該晶圓的該電壓。
前述的方法，其中在完成該步驟(A)之後，更包括增加施加於該晶圓的該電壓。
前述的方法，其中在完成該步驟(A)之後，在該步驟(F)中至少包括減小約20％的該電壓。
前述的方法，其中在步驟(D)中至少包括限定該電流密度為0安培/cm2，直至完成步驟(A)為止。
前述的方法，更包括施加靜電荷至該晶圓，以提高電鍍液中加速劑的反應。
前述的方法，其中是利用設置於該電鍍液外部的電極將該靜電荷施加於該晶圓上。
前述的方法，其中是在步驟(A)之前，施加該靜電荷至該晶圓上。
前述的方法，其中施加於該晶圓的該靜電荷介於1至100伏特之間。
前述的方法，更包括在完成步驟(D)之後，使該電流密度大於0.1安培/cm2。
本發明的目的及解決其技術問題還採用以下技術方案來實現。依據本發明提出的一種在半導體晶圓上沉積導電材質的電鍍裝置，該電鍍裝置至少包括一用於存放電鍍液的容器；一支撐裝置，用以放置位於該容器內部及該電鍍液下方的半導體晶圓；一位於該容器內部的第一及第二電極，利用該第一及第二電極之間的電流流動，以使該導電材質產生電解而沉積在該晶圓上；一位於該電鍍液外部的第三電極，以施加一靜電荷於該晶圓上；以及耦合於該第三電極的電源供應器。
本發明的目的及解決其技術問題還採用以下技術措施來進一步實現。
前述的電鍍裝置，其中所述的第三電極設置於鄰接於存放該電鍍液的該容器的下方，該第三電極與該電源供應器是以開放電路互相耦合，且施加於該晶圓的該靜電荷介於1至100伏特之間。
根據本發明的一實施例，提供一種在半導體晶圓上電鍍導電材質的方法，導電材質例如可為銅金屬，該方法包括下列步驟將晶圓浸泡在電鍍液中。接著施加電壓於晶圓上。然後對電鍍液與晶圓通以一電流。最後，限定通入電鍍液與晶圓的電流，使得浸泡晶圓的電流的密度小於或是等於0.1安培/cm2。在限定通入電流的步驟中，是當晶圓浸泡在電鍍液時立即進行。較佳實施例中，在浸泡晶圓之前以及晶圓的浸泡階段，施加靜電荷於晶圓上，藉以提升用來控沉積速率的加速劑的吸收性。
根據本發明的一實施例，提供一種在半導體晶圓上沉積導電材質的電鍍裝置，電鍍裝置主要包括容器、支撐裝置以及第一及第二電極。其中容器用於存放電鍍液的容器，支撐裝置用以放置位於容器內部及電鍍液下方的半導體晶圓。第一及第二電極位於容器內部，利用第一及第二電極之間的電流流動，以使導電材質產生電解而沉積在晶圓上。電鍍裝置亦包括第三電極以及電源供應器，其中第三電極設置於電鍍液的下方，用以將靜電荷施加於晶圓上，且電源供應器連接於電三電極。第三電極設置於鄰接於存放電鍍液的容器的下方，且施加於晶圓的靜電荷介於1至100伏特之間。
經由上述可知，本發明是有關於一種在半導體晶圓上電鍍導電材質的方法，當晶圓浸泡在電鍍液時，藉由減小電鍍製程的電流值，以避免形成的電鍍導電材質產生缺陷。進一步地，當晶圓浸泡在電鍍液之前，在晶圓上施加一靜電荷，藉以提升用來控沉積速率的加速劑的吸收性，以改善電鍍介層窗所產生的缺陷。並且利用設置於電鍍液外部的電極將靜電荷施加於晶圓上。
綜上所述，本發明特殊的電化學電鍍半導體晶圓的方法及其電鍍裝置，其中，本發明的電鍍製程可以於晶圓上沉積一導電層，使半導體晶圓在進行溝渠以及介層窗的過程中避免產生缺陷；另外，本發明的電鍍製程，可以提升加速劑的對晶圓的吸收性，而不容易受到施加電壓的影響；再有，本發明的電鍍製程，當晶圓浸泡在電鍍液時，用以控制晶圓表面上導電材質的沉積狀態；還有，本發明的電鍍裝置，當晶圓浸泡在電鍍液時，有效控制電鍍製程所使用的參數值。其具有上述諸多的優點及實用價值，並在同類方法及產品中未見有類似的方法及結構設計公開發表或使用而確屬創新，其不論在方法、產品結構或功能上皆有較大的改進，在技術上有較大的進步，並產生了好用及實用的效果，且較現有的電化學電鍍半導體晶圓具有增進的多項功效，從而更加適於實用，而具有產業的廣泛利用價值，誠為一新穎、進步、實用的新設計。
上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下。


圖1是繪示依據本發明的一實施例的電鍍裝置的方塊圖。
圖2是繪示習知技術的電鍍過程中電鍍電流與時間的圖示。
圖3是繪示依據本發明的一較佳實施例的電鍍過程中電鍍電流與時間的圖示。
10 容器 12 晶圓14 陽極 16 電源供應器18 支撐裝置 20 電極具體實施方式
為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的電化學電鍍半導體晶圓的方法及其電鍍裝置其具體實施方式
、方法、步驟、結構、特徵及其功效，詳細說明如後。
在半導體晶圓上電鍍銅金屬的過程，首先沉積一阻障層，例如使用濺鍍法形成氮化鉭的阻障層。接著利用原子層沉積(ALD)法在阻障層上沉積銅金屬的種子層。種子層是用於確保後續沉積的銅金屬層具有較佳的電性接觸以及附著度。一實施例中，種子層的厚度介於100至1000埃之間。然後利用習知的電鍍裝置電鍍形成銅金屬，其中電鍍裝置的容器用於存放含有各種添加劑與平坦劑的硫酸銅(CuSO4)以及硫酸(H2SO4)的水性溶液。當晶圓浸泡在電鍍液中，利用攀附的夾持裝置(未圖示)將晶圓固定在旋轉的蛤貝(Clam Shell)形狀的支撐裝置的下方，其中支撐裝置用於轉動晶圓。晶圓電性連接至電源供應器，並且作為陰極，而設置於電鍍液內的銅金屬作為陽極，並且電性連接至電源供應器。接著當晶圓以高達2000rpm的速度轉動時，使用幫浦在晶圓的表面上形成電鍍液的流動。電鍍的過程經歷四個不同的階段，如圖2所示，其中第一階段以「A」表示，使晶圓放低至容器之內，而且尚未將電流通入晶圓。接著在第二階段的「B」階段中，將晶圓載入電鍍液中，亦即使晶圓浸泡在電鍍液，此時電流開始流動。然後在第三階段的「C」階段，此階段稱為電流變化階段(Swing Stage)，使電流限制在一特定值並且維持一預定的時間。最後在第四階段的「D」階段，使電流維持在較高的準位。本發明的一實施例中，需要4.25秒使晶圓與電鍍液產生接觸。然後使電流開始穩定地產生，直至「B」階段結束，時間標示為5.75秒。接著施加固定的電流，直至「C」階段結束，時間標示為8.25秒。最後增加電流值且維持固定，直至「D」階段結束。
依據本發明的實驗顯示，在「B」階段的浸泡過程產生電流容易影響溝填的過程以及開始產生溝填之前潛伏期，主要是因為電流極易對電鍍液中的加速劑或是抑制劑造成不良的影響。依據本發明的實施例，上述習知的問題及其導致的缺陷可藉由將電流密度限制在0.1安培/cm2以下的方式來改善，較佳的方式為將電流限制在0安培/cm2左右。在浸泡階段中限制電流密度的方法，如圖3所示，在「B」階段的浸泡過程使電流幾乎維持在0安培/cm2左右。
本發明的實施例使用不同的電鍍溶液，並且在電鍍的製程中使用不同的電壓以及電流。在浸泡的階段，藉由減少施加在電鍍液的晶圓的電壓來達到0安培左右的電流。舉例來說，在浸泡階段使用0.2伏特的電壓值，相對地，習知技術使用3.5伏特的電壓。上述的方法稱為低偏壓(Low BiasEntry)法，特別是適用於高溫回火之後的電鍍製程，以避免產生缺陷。在一實施例中，高溫回火的溫度例如可為260℃，而傳統的高溫回火溫度為160℃。上述的低偏壓法可減低「B」階段的沉積速率，並且提供一緩衝的時間來移除微粒，使得添加劑均勻地覆蓋在表面上。低偏壓法亦可提較高的SM可靠度，而可忽略電鍍液中化學藥劑混合過程所造成的影響。
請參考圖1所示，在進行「B」階段的浸泡製程之前，施加靜電荷於晶圓上，以有效地控制銅金屬電鍍的微結構。主要是使用圖1所示安排方式將施加靜電荷於晶圓上。利用容器或是貯存槽10容納電鍍液，例如上述的電鍍液。同時以蛤貝形狀的支撐裝置18支撐並轉動晶圓12，晶圓12作為陰極，使來自銅金屬陽極14的材質沉積在陰極上，其中銅金屬陽極14設置於電鍍液中的容器10。第三電極20設置於容器10的下方，且鄰接於電鍍液。電源供應器16利用開放電路耦接於電極20以及支撐裝置18，以施加靜電荷於晶圓12上。以本發明使用的裝置尺寸以及幾何形狀來說，在晶圓20上施加介於1至100伏特的偏壓值可達到較佳的電鍍效果。其中施加在晶圓12上的靜電荷可提高晶圓12表面對加速劑的吸收性。本發明利用靜電荷促使加速劑具有較佳的吸收性。
本發明在浸泡階段利用低偏壓以及在晶圓上施加靜電荷，以避免產生缺陷，接著以較高的溫度進行回火製程，例如260℃或是260℃以上。應注意的是，上述的銅金屬的電鍍裝置及其電鍍方法亦適用於電鍍銀金屬。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的方法及技術內容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1.一種在半導體晶圓上電鍍一導電材質的方法，其特徵在於其至少包括以下步驟步驟(A)將一晶圓浸泡在一電鍍液中；步驟(B)施加一電壓於該晶圓上；步驟(C)對該電鍍液與該晶圓通以一電流；以及步驟(D)限定步驟(C)所通入的該電流，使得浸泡該晶圓的該電流的密度小於或是等於0.1安培/cm2。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於其中所述的導電材質是為銅。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於其中所述的導電材質是為銀。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於更包括以下步驟步驟(E)在該步驟(A)之後，將該晶圓放置在該電鍍液一預定時間，以使該導電金屬電鍍在於該晶圓上；以及步驟(F)當進行該步驟(A)時，減小施加於該晶圓的該電壓。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於其中在完成該步驟(A)之後，更包括增加施加於該晶圓的該電壓。
6.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於其中在完成該步驟(A)之後，在該步驟(F)中至少包括減小約20％的該電壓。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於其中在步驟(D)中至少包括限定該電流密度為0安培/cm2，直至完成步驟(A)為止。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於更包括施加靜電荷至該晶圓，以提高電鍍液中加速劑的反應。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於其中是利用設置於該電鍍液外部的電極將該靜電荷施加於該晶圓上。
10.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於其中是在步驟(A)之前，施加該靜電荷至該晶圓上。
11.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於其中施加於該晶圓的該靜電荷介於1至100伏特之間。
12.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於更包括在完成步驟(D)之後，使該電流密度大於0.1安培/cm2。
13.一種在半導體晶圓上沉積導電材質的電鍍裝置，其特徵在於該電鍍裝置至少包括一用於存放電鍍液的容器；一支撐裝置，用以放置位於該容器內部及該電鍍液下方的半導體晶圓；一位於該容器內部的第一及第二電極，利用該第一及第二電極之間的電流流動，以使該導電材質產生電解而沉積在該晶圓上；一位於該電鍍液外部的第三電極，以施加一靜電荷於該晶圓上；以及耦合於該第三電極的電源供應器。
14.根據權利要求13所述的電鍍裝置，其特徵在於其中所述的第三電極設置於鄰接於存放該電鍍液的該容器的下方，該第三電極與該電源供應器是以開放電路互相耦合，且施加於該晶圓的該靜電荷介於1至100伏特之間。
全文摘要
本發明是有關於一種在半導體晶圓上電鍍導電材質的方法，當晶圓浸泡在電鍍液時，藉由減小電鍍製程的電流值，以避免形成的電鍍導電材質產生缺陷。進一步地，當晶圓浸泡在電鍍液之前，在晶圓上施加一靜電荷，藉以提升用來控沉積速率的加速劑的吸收性，以改善電鍍介層窗所產生的缺陷。並且利用設置於電鍍液外部的電極將靜電荷施加於晶圓上。
文檔編號C25D3/02GK1812058SQ20051008512
公開日2006年8月2日 申請日期2005年7月20日 優先權日2005年1月25日
發明者張中良, 眭曉林 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司